（通信与信息系统专业论文）mimo+scfdma接收端检测算法研究.pdf

摘要 3 g p p 提出的长期演进计划l t e l t e a d v a n c e d 近些年来一直是无线通信领域 所研究的热点，越来越受到业界的关注。m i m o 高效率的频谱利用率和s c f d m a 的低峰均比特性，使得m i m os c f d m a 成为l t e l t e a d v a n c e d 上行传输的标准 接入方案。为了迸一步提高终端设备的功率效率并降低设备成本，业界有人提出 适合于非线性功率放大器使用的调制技术，如o q p s k 。这类调制技术产生的是一 种非正则调制信号，对接收机的检测算法提出了新的挑战。 本文针对此类调制信号，分析了其独特性质，并基于最小均方误差准则提出 了一种改进的接收端检测算法。主要体现在：1 ) 对接收信号进行了广义上的线性 处理，给出了具体的设计方案及性能分析；2 ) 在此基础上结合串行干扰抵消的思 想，对性能进行进一步地改善，并给出其设计方案；3 ) 对这两种方案进行了仿真 及分析。仿真结果表明：相对于传统的检测方法，其性能得到了提高。最后，进 行了全文总结，对下一步的研究工作做了展望。 关键词：多输入多输出单载波频分多址接入偏移正交相移键控非正则信号串 行干扰抵消检测算法 a b s 仃a c t 3 g p pl t ea n d 【t e a d v a n c e dp r o p o s e db y3 g p ph a v ea l w a y sb e e nh o tr e s e a r c h t o p i c sw i t hm o r ea n dm o r ea t t e n t i o np a i db ya c a d e m i ca n di n d u s t r yf i e l d s i nm o b i l e c x m a m u n i c a t i o ns y s t e m si nr e c e n ty e a r s n ee f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o no fm i m oa n d l o wp a p rc h a r a c t e r i s t i co fs c f d m ah a v em a d em i m os c f d m ab e c o m e l t e l t e a d v a n c e ds t a n d a r da c c e s ss c h e m ef o ru p l i n kt r a n s m i s s i o n i no r d e rt of u r t h e r i m p r o v et h ep o w e re f f i c i e n c ya n dr e d u c ee q u i p m e n tc o s t so ft e r m i n a le q u i p m e n t ，t h e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa p p l i e df o rn o n l i n e a rp o w e ra m p l i f i e r sh a v eb e e nr a i s e d ，s u c ha s o q p s k s u c hm o d u l a t i o nt e c h n i q u eg i v e sr i s et oai m p r o p e rm o d u l a t i o ns i g n a l ，a n di t g i v e sn e wc h a l l e n g e t ot h ed e t e c t i o na l g o r i t h mf o rr e c e i v e r t l l i sp a p e rf o c u s e so nt h i st y p eo fm o d u l a t e ds i g n a la n da n a l y z e si t sc h a r a c t e r i s t i c n a t u r e f u r t h e r m o r e ，a ni m p r o v e dd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h em i n i m u l nm e a n s q u a r ee r r o rc r i t e r i o ni sp r e s e n t e d m a i nc o m p o n e n t sa r ea sf o l l o w s ：1 ) as p e c i f i cd e s i g n s c h e m ea n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa l eg i v e n 、i mw i d e l yl i n e a rp r o c e s s i n ga p p l i e df o r r e c e i v e ds i g n a l ；2 ) aa l g o r i t h mc o m b i n e d 丽t l lt h ec o n c e p to fs e r i a li n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o ni sr e a l i z e dt of u r t h e ro p t i m i z et h ep e r f o r m a n c ea n di t sd e s i g ns c h e m ei s a l s og i v e n ；3 ) s i m u l a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa r eg i v e n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tp r o p o s e ds c h e m e sc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d sa r em u c hb e t t e r f i n a l l y , t h ew h o l ew o r ki ss u m m a r i z e da n da l s or e s e a r c ho u t l o o kf o rf u t u r ew o r ki s c a r r i e do u t k e y w o r d s ：m i m o s c f d m ao q p s ki m p r o p e rs i g n a l s e r i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m 第一章绪论 第一章绪论 当今，无线通信已成为人们的日常生活所需。从1 9 世纪8 0 年代第一次无线 通信试验成功以来，无线通信技术的发展经历了漫长的阶段。现今第三代移动通 信技术t d s c d m a ( t i m e d i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、 w c d m a ( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、c d m a 2 0 0 0 等已成为主流的 无线通信技术。与此同时，3 g p p 也启动了l t e 及l t e a d v a n c e d 长期标准演进项 目。 1 1l t e l t e a d v a n c e d 背景 2 0 世纪8 0 年代，无线通信系统就已成功地在不同的区域内展开了部署。第一 代无线通信系统采用模拟信号传输方式、频分多址接入( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea e e e s s ，f d m a ) 技术，主要用于传输话音业务，但由于频谱利用率低、 保密性差以及系统容量小等原因，已经不能满足日益增长的用户需求。同时由于 各国研究制造商之间缺少统一标准，导致设备间通用性较差。但尽管如此，它的 出现却为现代移动通信的发展奠定了基础。1 9 8 3 年美国在芝加哥开通的a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es e r v i c e ) 蜂窝系统是第一代移动通信产品的代表。随着数 字通信时代的到来，第二代无线通信系统应运而生，其主要用来传输语音和低中 速数据业务，采用时分多址( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 和码分多址 ( c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 接入方式，以全球无线通信系统( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o i l s ，g s m ) 和q u a l c o m m 公司的i s 9 5 系统为典型 代表。该技术体制区别于第一代移动通信的本质特点是数字传输技术的采用，它 的工作频率一般为9 0 0 m h z ，可实现自动漫游，话音质量和保密性比第一代要好。2 0 世纪9 0 年代，蜂窝系统中分组数据的传输已变为可能，g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 引入了g s m 系统。同时分组数据业务也进入了其他蜂窝技术领域，如同 本的p d c ( p e r s o n a ld i 西t a lc e l l u l a r ) 标准。这些技术被称为2 5 g 。 随着社会进步以及用户数量的急剧增长，频率资源同益紧张，发展第三代通 信系统便成了必然。早在2 0 世纪8 0 年代，国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 就开始致力于第三代移动通信的研究工作，命名 其为未来公共陆地移动电信系统( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，f p l m t s ) ，后来改名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 。随着9 0 年代2 g 移动通信系统的普遍实施与演进，3 g 的研究工作也在全 2 m i m os c f d m a 接收端检测算法研究 世界范围内迅速展开。1 9 9 6 年，欧洲电信标准协会( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s i ) 开始3 g 的标准化工作，其中包括来自于欧洲研究工作 组f r a m e s ( f u t u r er a d i ow i d e b a n dm u l t i p l ea c c e s ss y s t e m ) 和日本的无线工业商 业协会a r i b ( a s s o c i a t i o no fr a d i oi n d u s t r i e sa n db u s i n e s s e s ) 所提出的w c d m a 。 1 9 9 8 年底，世界各个区域的标准研究组织形成了第三代合作关系项目( t h i r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) ，这就解决了世界多个区域的标准化统一及 并行发展的问题。现今的3 g p p 合作：l ：j ( 伴包括日本的a r i b 、中国的c c s a ( c l l i n a c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n ) 、欧洲的e t s i 、美国的a t i s ( a l l i a n c ef o r t e l e c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y s o l u t i o i l s ) 、南韩的n a ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ya s s o c i a t i o n ) 以及日本的t t c ( t e l e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y c o m m i t t e e ) 。2 0 0 0 年5 月，国际电信联盟正式公布了第三代移动通信标准，其中 主要包括欧洲日本的w c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 以及我国的t d s c d m a 。我 国也第一次拥有了具有自主知识产权的第三代移动通信标准。虽然3 g 移动通信技 术已经在全球范围内大规模商用，但对于高速的移动多媒体业务，数据的传输速 率仍然比较低。 为了适应移动通信技术发展的要求，提高数据的传输速率，3 g p p 于2 0 0 4 年 1 2 月正式成立了l t e 研究项目( s t u d yi t e m ) ，明确研究项目的目标是：发展3 g p p 无线接入技术向着“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用 方向演进。负责 l t e 研究项目的工作组为r a n l ( r a d i oa c c e s sn e t w o r k sw o o 、r a n 2 、r a n 3 、 r a n 4 。研究项目工作于2 0 0 6 年6 月完成了新的空中接口技术和接入网结构的甄 选，之后转入到3 g p p 工作项目( w o r ki t e m ) ，开始标准制定，2 0 0 7 年6 月完成标 准，2 0 0 9 年实现系统商用。3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移 动通信系统。具体目标包括： ( 1 ) 时延：提供低时延，用户面内部单向传输时延低于5 m s ，控制面从睡眠状 态到激活状态的迁移时延低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时延低于 l o o m s ，以增强对实时业务的支持。 ( 2 ) 频谱带宽配置：支持1 5 m h z 、3 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、15 m h z 和2 0 m h z 的灵活带宽配置，支持成对和非成对频谱。从技术上保证3 g p pl t e 可以使用第三 代移动通信系统的频谱。 ( 3 ) 目标峰值速率：下行链路为l o o m b i t s ，上行链路为5 0 m b i t s 。主要通过多 天线技术、自适应编码调制和基于信道质量的频率选择调度等来实现。 ( 4 ) 全分组的包交换：取消了传统的电路交换，采用基于全分组的包交换，从 而提高系统频谱利用率。 ( 5 ) 多媒体广播和多播业务：进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满 足广播业务、多播业务和单播业务融合的需求。 第一章绪论 3 2 0 0 5 年1 2 月，3 g p p 正式确定了l t e 的基本传输技术，即下行采用正交频分 多址接入o f d m a ( o f l h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，上行单 载波频分多址接入s c f d m a ( s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术【。 l t e 相对于3 g 技术，名为“演进 ，实为“革命”，3 g p p 产业界在经过了3 年多全力以赴的l t e 技术研发后，u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ) l 拘技术基础已大部分被替换。l t e 已经具备有相当明显的4 g 技术特征， 因此，l t e a d v a n c e d 注定不会成为再一次的“革命 ，而一定会作为在l t e 基础 上的平滑演进。在系统带宽方面，l t e a d v a n c e d 提出了支持最大为i o o m h z 的带 宽。由于如此的连续频谱很难找到，因此l t e a d v a n c e d 需要对频谱进行整合，这 项技术可以将多个离散的频谱联合在一起使用。由于考虑了远远超过l t e 系统的 系统带宽，即要保持系统的频谱效率不变，也可以获得高得多的峰值速率。目前 l t e 一a d v a n c e d 考虑的峰值速率为下行1 g b i t s ，上行5 0 0 m b i f f s ，这个目标要在下 行4 x 4 天线，上行2 x 4 天线配置下实现。3 g p p 已经对l t e a d v a n c e d 的系统需求 进行了详细定义【2 1 ，主要包括： ( 1 ) 基于l t e 系统平滑演进：l t e a d v a n c e d 网络应当能够支持l t e 终端接入， 反之，l t e a d v a n c e d 终端也能够在l t e 网络中使用其基本功能。 ( 2 ) 进一步提升系统性能：满足下行峰值速率达到1 g b i t s ，上行峰值速率达到 5 0 0 m b i t s ；下行峰值频谱效率3 0 b i t s h z ，上行峰值频谱效率15 b i t s h z 。 ( 3 ) 具有灵活的频谱配置：其频谱可扩展到1 0 0 m h z ，并可将多个频段进行整 合；可同时支持连续和不连续的频谱；能够与l t e 系统共享相同的频段。 ( 4 ) 支持多种环境下的系统正常工作：可以为宏蜂窝到市内环境等多种场景提 供无缝覆盖。 l t e - a d v a n c e d 标准作为3 g p p 在更长远的4 g 时代保持相对其他无线通信标 准的竞争优势的关键一步，必定会被设定很高的技术指标。但考虑到l t e 产业化 对标准稳定性的要求，l t e a d v a n c e d 应该在现有l t e 核心技术的基础上尽可能平 滑地演进。 1 2m i m os c f d m a 系统检测技术研究现状 l t e 上行链路传输所采用的单载波频分多址接入( s c f d m a ) 技术已经得到 了人们非常多的关注，因为它相对于具有竞争力的正交频分多址( o f d m a ) 技术 来说，具有更低的峰值平均功率比( p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 特性。 在发送端，通常采用m i m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术与空时频编码 相结合的办法来提高传输的可靠性，采用m i m o 技术与空间复用技术来提高传输 4m i m os c f d m a 接收端检测算法研究 的有效性。目前主要研究的是空间复用技术的信号检测算法，因为空间复用本身 只是提升了传输速率，而没有改进传输的可靠性，因此需要重点研究。 在接收端，每根天线所接收到的信号是发送端所有发射天线信号经过无线信 道后的叠加，因此需要通过信号检测算法逐一恢复出各个发送端的信号。可见， 接收端的信号检测是物理层链路的重要一环，检测算法的性能直接影响着整个物 理链路的质量。以下将介绍s c f d m a 系统m i m o 空间复用信号检测算法的研究 现状。 传统的信号检测算法分为最优检测和次优检测算法。最优检测即最大似然检 测( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 算法，基于最大后验概率准则，其性能最好，但 是算法复杂度会随着天线数目和星座点集合个数呈指数增长，因此不适合实际的 通信系统，这里仅作为理论研究。m i m os c f d m a 通常使用频域均衡( f r e q u e n c y d o m a i n 酬i z a t i o n ，f d e ) 算法。它包括频域线性均衡( f r e q u e n c yd o m a i n l i n e a r e q 瑚娩撕哪，f d l e ) 【孤，判决反馈均衡( d e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ，d f e ) 【4 】以及最近所提出的t u r b o 均衡( t u r b oe q u a l i z a t i o n ，t e ) s l 。f d l e 类似于时域 的l e 。迫零均衡( z e r of o r c i n g ，z f ) 【6 】技术完全消除了符号间的干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，但是却由于接收端噪声的增强而使得系统的性能有所下降。使 用最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 准则可以获得更好的性能， 因为它既考虑了码问干扰( i s i ) 还考虑了加性噪声。在s c f d m a 中，d f e 是由 一个前向滤波器和一个反馈滤波器所组成，它可以消除以前符号所带来的i s i ，所 以比起l e 它具有更好的性能。然而，如果不能得到信号正确的判决，d f e 则会出 现差错传播问题。因此，长串的突发错误经常会引起整个系统性能上的损失。若 在判决反馈前能考虑接收信号的排序问题，则性能会更加优化。t e 是通过迭代过 程增加接收端的复杂性来提高性能的。译码器获得的反馈信息在下一次迭代时包 含在均衡器里。迭代过程可以通过在均衡器和译码器之间交换外部信息来减小i s i 、 多数据流干扰以及噪声。 以上的研究算法中均没有重点考虑上行链路发送端设备的功耗及成本问题， 实际通信系统中，常常需要采用功率放大器效率较高的信号调制方式，因此，对 于这类调制方式下接收端信号检测算法的研究就变得非常有意义。本文提出的改 进检测算法适用于这类调制信号，在传统的频域线性均衡m m s e 检测方法上适当 地提升了运算量，但极大地改善了系统的性能，从而改进了整个链路的质量。 1 3 本文主要研究内容 本文的研究主题为：m i m os c f d m a 接收端检测算法。在传统的检测算法 m m s e 算法基础上研究了一种改进的接收算法，在此基础上，又提出了一种结合 第一章绪论 5 串行干扰抵消思想的检测方法，主要体现在：1 ) 对接收信号进行了广义上的线性 处理，给出了具体的设计方案及性能分析；2 ) 在此基础上结合串行干扰抵消的思 想，对性能进行进一步地改善，并给出其设计方案；3 ) 对这两种方案进行了仿真 及分析。 本文的具体结构安排如下： 第一章，绪论。主要介绍了l t e l t e a d v a n c e d 的发展历程及技术特点，并对 现今m i m os c f d m a 检测算法进行了总结，给出了本文的具体研究内容及结构 安排。 第二章，m i m os c f d m a 基本理论。首先介绍了无线通信信道的大尺度衰落 及小尺度衰落特性以及信道模型。然后介绍了s c f d m a 系统所采用的关键技术 o f d m 和m i m o 的原理以及基带模型。其次介绍了点对点单载波频域均衡 ( s c f d e ) 系统，在此基础上阐述了s c f d m a 多址接入技术，重点对其频域产 生方式d f t - s o f d m 技术进行了研究，最后针对其峰均比问题与o f d m a 技术做 了仿真比较。 ： 第三章，传统的接收机算法。首先介绍了l t e 上行链路多用户m i m o 系统， 建立了多用户m i m os c f d m a 系统的数学模型，然后对三种传统的检测算法最 大似然检测m l 、迫零检测z f 和最小均方误差m m s e 算法进行了原理和性能上的 分析，最后通过仿真结果表明m l 检测算法优于z f 及m m s e 算法，并对其性能 差异进行了分析。 第四章，一种改进的接收机算法。首先介绍了一种非正则信号，阐述了它的。 特性，特别介绍了非正则o q p s k 调制信号，然后基于非正则信号分析了改进算法 的实现过程和性能，紧接着介绍了串行干扰抵消及并行干扰抵消算法原理，并在 改进算法基础上提出了一种基于串行干扰抵消思想的检测算法，最后通过仿真结 果，表明相对于传统的检测算法其性能上的优越性。 第五章，总结与展望。对本文的内容进行了总结，并指明了进一步的研究方 向。 6m i m os c f d m a 接收端检测算法研究 第二章m i m os c f d m a 基本理论 7 第二章m i m os c f d m a 基本理论 l t e 采用o f d m a 作为下行链路多址技术，而在上行为了实现低p a p r 传输， 选用了单载波s c f d m a 技术。作为3 9 g 的移动通信技术标准，l t e 系统能够实 现真正的“宽带化 和“数据化”，为发展无线通信的数据业务提高了强有力的保 障。这些都依赖于其采用了o f d m ( o r t h o g o n a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和m i m o 等核心技术，正是这些关键技术的保证，才使得l t e 系统更具有发展前景。 2 1 无线信道传输特性 无线通信系统的性能主要受移动无线信道的制约。通常发射端与接收端之间 的传播路径非常复杂，从最简单的视距传播到经历各种复杂的地形，如建筑物、 山脉和树叶等，并且无线信道也不像有线信道那样固定可预见，而是具有极度的 随机性，所以特别难以分析，甚至移动台的速度都会对信号的衰落产生影响。 无线通信是借助电磁波在空间的传播机理来实现信息传输的。虽然电磁波传 播的机制多种多样，但总体上可分为反射、散射和绕射三种传播方式。反射、绕 射和散射路径的存在使得发送和接收信号之间存在着很大的差异，接收到的信号 表现出明显的随机衰落特性。此外，由于发射机与接收机之间的相对运动也会造 成信道的特性随时间的变化而变化。 无线移动信道强度随着时间以及频率的变化而变化，由此所呈现出来的这种 时变性可分为两种类型：大尺度衰落和小尺度衰落【7 】【8 】。 2 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落是由路径损耗和建设物、山脉等大型障碍物的阴影所造成的。当 移动台运动的距离与小区尺寸相当时，就会出现与频率无关的大尺度衰落。它与 诸如基站规划之类的问题密切相关。 路径损耗是指电波在空间传播时所产生的损耗，与收发双方的距离有密切的 关系。当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或数千米) 变化时，接收 端信号的平均功率与信号传播距离的n 次方成反比。其中n 称为路径损耗因子， 其大小由具体的传输环境决定。对于自由空间来说，n 一般取值为2 。实际上，在 传输距离相同的情况下，由于传输环境中的建筑物、地形起伏或者其它障碍物对 电波所造成的阻塞以及遮蔽，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强 中值的变化，从而引起信号的衰减，产生阴影衰落，这种阴影衰落又称为慢衰落。 8m i m os c f d m a 接收端检测算法研究 阴影衰落其统计特性通常符合对数正态分布。在一般的蜂窝系统中，由于小区规 模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信的影响微乎其微，一般不考虑。 2 1 2 小尺度衰落 在实际中的无线信道坏境下，电波会由于反射、散射等因素经历不同的路径 到达接收端，也就是所谓的多径效应。不同相位的多个信号在接收端相互叠加， 如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会肖可弱信号的幅度，从而导致 信号在短时间内幅度发生剧烈的变化。当空间尺度与载波波长相当时，就会出现 小尺度衰落，因此，小尺度衰落与频率有关，它与设计可靠高效的通信系统问题 密切相关。小尺度衰落通常又称为快衰落，它反映了无线信号在较短距离或时间 之内的快速变化特性。小尺度衰落的主要影响因素有： ( 1 ) 多径衰落效应 移动通信环境中受散射、折射以及绕射等的影响，发送信号在传播过程中会 经历不同的路径到达接收机，这种不同时间、不同相位的信号在接收端叠加时形 成时变信号，产生了多径衰落效应。多径效应一般用最大时延扩展与相干带宽来 描述。 如果每条路径信号的幅度值和到达接收端天线的方位角均满足统计独立特 性，那么接收信号的包络服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。瑞利分布是用来描述平坦衰落 或独立多径分量情况下接收端信号包络统计特性的一种典型分布类型。若发射机 和接收机之间的多条路径传播中存在一个主要的静态信号( 非衰落) 分量，还存在着 视距传播( l i n eo fs i g h t ，l o s ) 路径，那么接收信号的包络则服从莱斯( r i c e ) 分布。 这种情况下，从不同角度随机到达接收端的多径分量叠加在主要的静态信号上， 接收机包络滤波器的输出端则会在随机多径分量处叠加一个直流分量。 由于发射信号到达接收天线时各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有 不同的时间延迟，这就使得接收信号能量在时间上被扩展。最大时延扩展定义为 第一个到达接收天线的信号分量与最后一个到达信号分量之间的时间差。依据不 同的定义，时延扩展有最大时延扩展、平均时延扩展以及均方根时延扩展等多种 参数描述方法。 相干带宽是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指在某一特定的频率范 围内，任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性。从频域来看，如果相干带宽 小于发送信号带宽，则该信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落，即某些 频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分信号的幅值却衰减。此时， 接收信号包含经历了不同衰减和时延的多径波形的叠加，因而，产生接收信号失 真，引起数字信号传输之问的码问干扰( i s i ) 。反之，如果多径信道的相干带宽大 第三章m i m os c - f d m a 基本理论9 于发送信号的带宽，则接收信号表现为平坦衰落。在平坦衰落信道中，发送信号 带宽的倒数远远大于信道的多径时延扩展，其信道的冲激响应可近似看作是一个 万函数。 ( 2 ) 时变特性 时延扩展和相干带宽很好地描述了无线信道的时间色散特性，但对于信道的 时变性，却显得无能为力。无线信道的时变性是由发射机和接收机之间的相对运 动或者信道中其它物体的运动引起的。多普勒扩展和相干时间主要用来描述无线 信道时变特性。 当发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。两者作相 向运动时，接收信号的频率高于发射频率；而两者作反向运动时，接收信号的频 率低于发射频率，这种现象称之为多普勒效应。频率偏移取决于两者相对运动的 速度，这种频率偏移可表示为 乃= f o ( v l c ) c o s 呼。 式( 2 1 ) 其中，以为接收端检测到的发射机频率变化量，称为多普勒频偏。石为发射 机载频，1 ，是发射机与接收机之间的相对速度，缈为接收端移动方向与电磁波入射 方向之间的夹角，c 为光速。 多普勒扩展用来描述无线信道时变性所引起的接收信号频谱展宽程度。若发 射机发送一个单频正弦波，则由于上述多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，其 包含频率为厶一五到厶+ 力之间的频谱分量，这一频谱称为多普勒频谱。接收信 号多普勒频谱上不等于0 的频率范围定义为多普勒扩展，用饬表示。若所发送基 带信号的带宽远大于毋，则接收机中多普勒扩展的影响可忽略。 与多普勒扩展相对应的一个时间参量为相干时间z ，它描述频率色散信道的 时变特性。相干时间与多普勒扩展成反比，它是指一段时间间隔，在这段时间间 隔内，接收信号的幅值具有很强的相关性。若基带信号的符号周期z 大于信道的 相干时间，则在基带信号的传输过程中信道可能会发生改变，导致接收端信号发 生失真。根据z 与z 的关系，可将信道分为快衰落( z z ) 信道。 2 1 3 无线信道的线性时变模型 假设无线衰落信道有l 条路径，若采用抽头延迟线模型，则信道的等效低通 冲激响应h ( r ；t ) 可以表示为 l - l j i z ( f ；f ) = a t ( t ) 6 ( r - r , ( t ) ) 式( 2 2 ) 1 = 0 1 0 m i m os c - f d m a 接收端检测算法研究 若假设发送机、接收机与周围环境均稳定的特殊情况下，则衰减( f ) 与传播 时延巧( f ) 与时间f 无关，整个信道等效为一线性时不变系统。其冲击响应为 l - i ( r ) = a t s ( r o ) x - - ( 2 3 ) i = 0 现对办( 丁；f ) 作傅里叶变换得到f 时刻多径衰落信道的频率响应： 上 日( ”) = & l ( t ) e - j 2 f 7 , 式( 2 4 ) 1 = 1 在信道时不变的特殊情况下，上式便简化为一般的频率响应。 2 2o f d m 技术 多载波技术相对于传统的单载波来说，具有不可比拟的优点。o f d m 技术 9 1 就属于多载波传输方案中的一种。它保留了单载波信号的低峰均比特性，并且具 有子载波配置灵活、接收端频域均衡简单等优势。 2 2 1o f d m 技术的提出 传统的单载波传输方案在数据传输速率不太高的情况下，接收端可以利用均 衡算法减轻多径效应所造成的符号间干扰问题。但对于数据速率较高的宽带业务 来说，时延扩展所造成的符号间干扰变得更加严重，从频域的角度来看，即就是 信号的带宽超过信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落， 使得同一个信号中不同的频率成分表现出不同的衰落特性，这就对均衡器提出了 更高的要求，需要引入非常复杂的均衡算法，这是我们非常不希望看到的。 早在2 0 世纪6 0 年代多载波的传输思想就已被提出，其使用子信道频谱相互 覆盖的并行传输技术来避免使用复杂的均衡算法。多载波传输是将高速数据流分 解为若干路并行子数据流进行传输，从而降低每一路数据的比特速率。一般情况 下，各子载波在理想的传播条件下为相互正交的。子载波的数据速率远远小于总 的数据速率，各子信道带宽也就小于系统总带宽。只要保证每一路数据所占用的 带宽小于信道的相干带宽，则每一子信道所经历的衰落为非频率性选择衰落，从 而使得子信道上的码问串扰比较小，那么在接收端进行均衡操作就变得相对比较 简单。 多载波传输有3 种不同的方案。第一种为传统的频分复用，它是将整个频带 划分为n 个不重叠的子带，在接收端使用滤波器组进行分离。这种方法的优点是 简单，但其缺点也显而易见，由于子信道问要保留一定的保护频带，所以频谱的 利用率低，并且多个滤波器的实现也需耗不少成本；第二种为偏置q a m 技术，子 第二章m i m os c - f d m a 基本理论 11 带的正交性通过将数据偏移半个周期而得到；第三种方案为o f d m 技术，可以通 过数字技术高效地实现，各个子载波问有重叠但仍保持相互正交，接收端利用相 干解调技术分离出每一路子载波数据。o f d m 技术还易于结合空时编码、分集以 及智能天线等技术，最大程度地提高信息传输的可靠性。 2 2 2o f d m 系统基带模型 o f d m 技术通过数据流串并转换扩大了符号周期，从而可以有效地对抗多径 时延扩展。但为了最大限度地消除符号间干扰，还需在每个o f d m 符号间插入保 护间隔，而且保护间隔长度一般要求大于信道的最大时延扩展，这样才能保证前 一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰。若插入一段空的保护间隔，则 由于多径传播的影响，接收端子载波间的正交性会遭到破坏，产生信道间干扰。 为了消除多径所造成的子载波间干扰i c i ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，o f d m 符号需 要在其保护间隔内插入循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) ，即在发送o f d m 符号前插入 其数据后续部分信号的复制样本。循环前缀的插入不但可以减轻i c i ，还使得信道 与发送数据的线性卷积转换成了循环卷积，从而接收端可以利用离散傅里叶变换 d f t ( d i s c r e t ef o u d e rt r a n s f o r m ) 运算逐一恢复各路子载波数据。其发送接收系统框 图如下： 图2 1o f d m 基带发送与接收框图 经过星座映射后的调制符号首先经过串并变换分为m 路子数据流，然后进行 离散傅旱叶逆变换( i d f t ) 。假设经过的信道为多径信道，抽头数为l ，则需加入 l 1 个循环自订缀以保证可以足够消除o f d m 符号间的干扰。发送的数据经过多径 信道以后，在接收端首先去掉其循环前缀，然后进行 点离散傅里叶变换( d f t ) ， 得到接收信号，进行相应的并串转换，再进行各子载波的数据检测。 如上图，发送信号为调制符号d o ，面d l v l ，进行i d f t 运算之后，得到 d = t d o ，d q ，d 【c 一1 】f ，其中 1 2m i m os c f d m a 接收端检测算法研究 引朋】= 窆以e x p ( 学加0 1 c 一1 引朋】= 以e x p ( 等等) 加= c n = oo 增加长度为l 广1 的循环前缀，得到发送数据 工= 【d 【m 一三+ l 】，虹【札一l * 2 1 ，d n 。- 1 ， 引o 】，d 【l 】，d 【也一1 】 f 经过抽头数为l 的多径信道后，接收信号表示为 h 朋】= h , x m 一卅，l 】，m = l ，札+ 一1 式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 式( 2 7 ) 由于当m l 时，研聊】_ 砸( m 一三) m 】，所以接收端去掉了前【广1 个接收码元 后，得到 y 【m 】_ 6 e ( m 一三一，) 札】+ 研】，m = l ，以+ l - 1 式( 2 8 ) 1 = 0 令j ，= 【y 陋 ，儿c + 三一1 】，信道 = ，扛，吃小0 ，0 r ，上式则可以写为： j ，= h d + w 式( 2 9 ) 其中w 2 三】 ，w m + l l 】f ，是由相互独立的服从同一高斯分布e n ( o ，n o ) 的随机变量所组成的矢量。 根据等式d 刀( d ) 。= d f t ( h ) 。d f t ( d ) 。，l = o ，1 ，以一1 ，式( 2 ，9 ) 两 边取离散傅里叶变换可得： 只= 吃吃+ ，力= o ，l ，m l式( 2 1 0 ) 其中吃为h 的离散傅里叶变换的第n 个分量。为w 的离散傅_ 里n t - 变换的第 n 个分量。 那么在接收端，要通过咒来检测发送信号以，若已知信道h ，对它进行傅里 叶变换得到h n ，则发送信号d n 的检测就转化成高斯噪声环境下的复标量检测问题， 整个多径信道等效成了一系列的非频率选择性信道。 o f d m 具有其固有的优点： ( 1 ) n - - i 以有效地抵抗多径效应所产生的频率选择性衰落。o f d m 技术采用多个 并行子载波传输信息，扩大了码元符号持续时间，将频率选择性信道在频域上转 化为多个平坦的窄带子信道。在保护间隔内插入循环前缀，极大限度地消除了 o f d m 符号块问的干扰。 ( 2 ) 较高的频带利用率。o f d m 技术在保证载波间的正交性时同时允许子载波 之间的重叠，而不像传统的利用保护频带分离子信道的方式，所以提高了频谱的 第二章m i m os c - f d m a 基本理论 13 利用效率。因为窄带干扰只能影响- d , 部分的子载波，所以o f d m 系统可以在某 种程度上抵制窄带干扰。 ( 3 ) 适合数据的高速率传输。o f d m 自适应调制机制可以使不同的子载波按照 信道的恶劣情况采用不同的调制方式。当信道条件好的时候，使用高效率的调制 方式，而当信道条件比较差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。因此，它能 保证数据传输的有效性。 当然，与单载波传输方式相比它也有不足之处，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 区分各个子信道的方法是利用子载波 间严格的正交性，然而，由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现频率的 偏移，例如多普勒频移或者发射机载波频率与本地振荡器之间存在的频率偏差， 都会使子载波之间的正交性恶化，从而降低系统的性能。这种对频率偏差的敏感 性是o f d m 系统的主要缺点之一。 ( 2 ) 峰值功率与平均功率比值( p a p r ) 较大，导致射频放大器的功效低。与单 载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个独立的子载波信号相加而成的， 这样以来，合成的信号有可能产生比较大的峰值功率。这样对发射机内的放大器 提出了很高