（通信与信息系统专业论文）tdlte系统信道估计技术研究.pdf

摘要 本文主要研究无线衰落信道条件下基于m i m o o f d m 技术的t d l t e 系统下 行链路接收机信道估计与信道模型化参数估计的关键技术。 论文首先简要介绍了移动通信技术的发展现状，阐述了m i m o o f d m 传输技 术的基本原理和数学思想，并对无线传输信道的基本特征和重要参数进行了分析。 然后，在传统的基于频域导频的m i m o o f d m 信道估计算法的基础上，利用数字 信号处理的基本原理，并根据t d l t e 系统的帧结构，提出了一种基于信道状态的 自适应信道估计改进算法，该算法能够根据多径时延和多普勒频移等信道参数的 动态变化，自适应选择最优内插滤波系数。最后，针对自适应信道估计算法对信 道模型化参数的要求，研究了信道最大时延和最大多普勒频移估计算法，并对多 普勒估计算法进行了改进。全文算法均使用m a t l a b 对其性能进行了充分的仿真与 比较，仿真结果表明，所提算法在低复杂度条件下可以获知当前信道模型化参数 近似统计信息，在各种复杂的多天线信道环境下具有较好的抵抗频率时间选择性 衰落的性能，并且能有效克服传统信道估计算法按照最恶劣信道情况上限进行设 计所导致的非匹配估计的性能损失。 关键词：长期演进多输入多输出正交频分复用信道估计时延估计多普勒估计 a bs t r a c t t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ho nt h ec h a n n e le s t i m a t i o na n dk e yp a r a m e t e r s d e t e c t i n go fc h a n n e lm o d e la l g o r i t h m sf o rt d - l t ed o w n l i n kr e c e i v e ru n d e rw i r e l e s s f a d i n gc h a n n e l s f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e db r i e f l y , f o l l o w e db yt h es u m m a r i z a t i o no ft h eb a s i ci d e aa n dm a t h e m a t i c a lp r i n c i p l e so f m i m o o f d mt e c h n o l o g y t h e nt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dk e yp a r a m e t e r so f w i r e l e s sc h a n n e lm o d e la l ed i s c u s s e d s e c o n d ，i nt h es t u d yo ft h ec o n v e n t i o n a lc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do np i l o ti nf r e q u e n c yd o m a i n ，i ti sf o u n dt h a ta l lo ft h e m a r e d e s i g n e d t o c o p ew i t ht h e w o r s t c a s e c h a n n e lc o n d i t i o n ，t h u sp e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o nc o u l db ei n d u c e dd u et ot h ei m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t o r s ow i t ht h ea i do f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y , a ni m p r o v e da d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m w i t hl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sp r o p o s e da c c o r d i n gt os p e c i f i cf r a m es t r u c t u r eo f t d - l t es y s t e ma n dt r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s t h i sa l g o r i t h mc a n o v e r c a m et h ep r o b l e mo fh i g hc o m p l e x i t yo fw i e n e rf i l t e ra l g o r i t h ma n di t sm a i ni d e ai s t op r e s t o r es e t so ff i l t e rc o e f f i c i e n t sf o rd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n si nd i f f e r e n tw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t s f i n a l l y , i no r d e rt os e l e c tt h en e a ro p t i m a lp r e s t o r e d i n t e r p o l a t i o nc o e f f i c i e n t s ，c h a n n e lp a r a m e t e r sd e t e c t i n gm e t h o d si n c l u d i n gm a x i m u m m u l t i p a t hd e l a ya n dd o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e ta r ep r o p o s e db a s e do nt h et i m ea n d f r e q u e n c yc o r r e l a t i o nf u n c t i o n s a l lt h ea l g o r i t h m si nt h i sp a p e ra l es i m u l a t e da n d c o m p a r e di nm a t l a ba n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m p e r f o r m sw e l li n 行e q u e n c ys e l e c t i v ea n dt i m es e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s ，w h i l e h a sal o w c o m p l e x i t y k e y w o r d s ：l t e m i m oo f d mc h a n n e le s t i m a t i o n d e l a ys p r e a de s t i m a t i o n d o p p l e re s t i m a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期型：! ：丝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人躲羟 导师签名：日期垄尘：兰：生 第一章绪论 第一章绪论 从1 8 9 7 年马可尼( m a r c o n i ) 成功演示无线电报以及1 9 0 1 年实现了横跨大西 洋的无线电接收开始，无线通信领域已经有一百多年的历史了。从2 0 世纪8 0 年 代起，无线通信，尤其是移动通信进入了一个飞速发展的阶段，现在移动通信已 经渗透到了我们生活的各个领域，移动通信业也已经成为全球最具发展活力的行 业之一。 1 1 移动通信的发展现状 在过去的二十多年里，移动通信技术取得了快速的发展：从模拟通信到数字 通信，从频分多址到码分多址，从简单的语音传输到图片、视频的传输。每一次 飞跃都给我们的生活带来了巨大的变化。总体而言，移动通信的发展经历了以下 三个阶段【1 1 ： 第一代移动通信系统( 1 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代初，典型代表有美国的 a m p s ，英国的t a c s 模拟蜂窝通信系统等，它们主要采用频分多址( f 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 ，f d m a ) 和模拟技术，工作在8 0 0 m h z ，仅提供模拟的语 音服务和简单的指令，不能传输数据。模拟系统的缺点主要是频谱利用率低，系 统容量小，抗干扰能力差，保密性差等，已经逐步被淘汰。 第二代移动通信系统( 2 g ) 起源于2 0 世纪8 0 年代末，典型代表有欧洲采用 时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 技术的全球移动通信系统( 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 n ，g s m ) 和北美采用窄带码分多址( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术的i s 9 5 系统，实现了从模拟技术向数字技术的转 变，其工作频段在8 0 0 m h z 到1 9 0 0m h z 之间，主要传输数字语音和最高到3 8 4 k b p s 的低速率数据业务，但频谱利用率仍然较低，而且没有形成统一的标准。随着人 们对业务速率和业务范围的要求不断提高，第二代移动通信系统已经很难满足新 的业务需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) 是正在全面投入商用的移动通信系统，典型的代 表有欧洲的w c d m a 系统，美国的c d m a 2 0 0 0 系统和中国的t d s c d m a 系统。 三种系统都是基于宽带c d m a 技术，支持视频和互联网接入等高速率数据业务， 在快速移动环境下最高传输速率达到1 4 4 k b p s ，步行环境最高传输速率达到 3 8 4 k b p s ，室内环境最高传输速率为2 m b p s 。3 g 系统相对于2 g 系统在通信的速度 和质量上有了很大的提高，可以支持多媒体和基于i p 的业务，也便于从2 g 系统 2 t d l t e 系统信道估计技术研究 演进和过渡。但3 g 系统的数据传输速率仍然不够高，在支持高速率多媒体业务方 面还不令人满意，而且3 g 也没有建立起一个全球统一的通信标准，从而无法实现 全球无缝漫游。 2 0 0 4 年底，由于全球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ，w i m a x ) 技术的迅猛崛起，第三代合作伙伴计划( 3 一g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ，3 g p p ) 也开始了通用移动通信系统的长期演进( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目。这项以正交频分复用( o f d m ) 为核心的技术，与其说是3 g 技术的“演进”， 不如说是“革命 ，它和3 g p p 2 的超移动宽带( u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ，u m b ) ， w i m a x ，电气电子工程师学会的8 0 2 2 0 移动宽带频分双- i - 移动宽带时分双工 ( m o b i l eb r o a d b a n df r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x m o b i l eb r o a d b a n dt i m ed i v i s i o n d u p l e x ，m b f d d m b t d d ) 等技术由于已经具有某些4 g 通信技术的特征，甚至 可以看作“准4 g ”技术。 3 g p p 启动l t e 项目的表面原因是应对w i m a x 标准的市场竞争，但其深层次 的原因是移动通信与宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 技术的融 合【2 】，具体表现就是“宽带接入无线化 和“移动通信宽带化”。如图1 1 所示， 传统通信产业和传统i t 产业不约而同地认识到无处不在的移动因特网的重要性， 通过这个平台，运营商可以在任务时间。任务地点满足用户对宽带i p 多媒体数据 业务的需求。由于宽带无线接入和宽带移动通信从不同方向向同一市场渗透，使 两种技术的界线变得越来越模糊，呈现整合的趋势。 传统 无处不在的 移动因特网 、 传统宽带 移动通信 啪 在线游戏、可视电话 w 叭x 无线接入 ( 3 g ) ( w i f i ) 话音为主 流媒体、移动电视 数据为主 高速移动 文件下载与共享、 固定接入 5 m h z 带宽 网页浏览、 热点覆盖 移动终端 电子邮件、 ， 便携终端 位置业务、 支持便携终端 支持移动终端 图1 1 移动通信与宽带无线接入的融合 ，l 一 “宽带接入无线化”的趋势表现为：由大带宽向可变带宽( 有效支持小带宽) 演变；由固定接入向支持中低速移动演变；由孤立热点覆盖向支持切换的多小区 组网演变；由数据业务向同时支持话音业务演变；由支持以笔记本电脑为代表的 便携终端，向同时支持以手机为代表的移动终端演变。 “移动通信宽带化的趋势表现为：由5 m h z 以下带宽向2 0 m h z 带宽演变； 由注重高速移动向为低速移动优化演变；由电路交换分组交换并重向全分组域演 第一章绪论 变；由蜂窝网络向兼顾热点覆盖；终端形态由以移动终端为主向便携、移动终端 并重演变。 正是基于对通信产业“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入无线化 挑战的需要，3 g p p 开始了“长期演进 的进程。 l t e 项目的目的是研发一个高数据速率、低延迟，为分组业务优化的无线接 入技术。l t e 在空中接口方面用o f d m f d m a 替代了3 g p p 长期采用的c d m a 作 为多址技术，并大量采用了m i m o 技术提高数据速率。在网络架构方面，l t e 取 消了u m t s 标准长期采用的无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 节 点，代之以全新的扁平架构。其需要达到的技术指标主要包括以下几个方面 3 1 ： ( 1 ) 显著提高峰值数据率，达到上行5 0 m b p s ，下行1 0 0 m b p s 。 ( 2 ) 在重新利用当前站址的前提下提高小区边缘的比特率。 ( 3 ) 显著提高频谱效率。 ( 4 ) 尽可能将无线接入网延迟( 终端到无线网络控制器或e n o d eb ) 再到终 端的用户面回环延迟控制在1 0 m s 以下。 ( 5 ) 显著降低控制延迟，尽可能将从驻留状态到开始数据交换的延迟控制 在l o o m s 以下( 不包括下行寻呼延迟) 。 ( 6 ) 可扩展带宽，支持1 2 5 m h z ，1 6m h z ，2 5m h z ，5m h z ，1 0m h z ， 1 5m h z 和2 0m h z 等系统带宽。 ( 7 ) 支持进一步增强的多媒体广播和多播业务。 ( 8 ) 有效支持各种业务，尤其是分组交换域业务( 如v o i p ) 。 ( 9 ) 支持在对称和非对称频谱中的操作。 ( 1 0 ) 对小于1 5 k m h 的低速移动场景优化性能，对小于1 2 0 k m h 的移动场 景实现较高的性能，在3 5 0 k m h 到5 0 0 k m h 的高速移动场景下保持连接。 ( 1 1 ) 支持最大覆盖范围1 0 0 k m ，支持大规模组网或热点覆盖，在站址不变 的前提下，提高小区边缘性能。 1 2 信道估计的意义和研究现状 对m i m o o f d m 系统而言，尽管o f d m 技术在频域把非平坦的频率选择性 信道分成许多正交子信道，在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，让每个子信 道相对平坦，减小了多径效应引起的符号间干扰。但为了提高系统的频谱效率， 需采用正交幅度调制。因此为了正确地检测信号，需要在接收端进行相干解调， 这就要求必须知道信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 。况且m i m o 系统能够提供高速率、高质量的数据传输，是在假设信道状态信息己知的前提下， m i m o 系统中的空时解码算法依赖于精确的信道状态信息。所以，信道估计技术 4t d l t e 系统信道估计技术研究 是m i m o o f d m 系统的关键技术之一，是系统获得高可靠性和有效性的保证。 目前，信道估计方法主要有两大类：基于导频辅助的估计和盲估计。基于导 频的信道估计一直是研究的热点，它主要包含三部分内容：导频图案的选择、导 频位置信道响应的估计、基于内插的完整信道响应的估计。导频插入方案可分为 三类：块状导频分布、梳状导频分布和二维散布导频分布，其中基于块状导频的 插入方式，又称之为基于训练序列的辅助信道估计方法。导频位置信道响应的估 计准则有最d x - - 乘( l e a s t s q u a r e ，l s ) 、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 ) 、最大似然估计( m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n ，m l e ) 等。得到完整 信道响应的内插算法有多项式、f f t 、维纳滤波、内插滤波器等。基于最佳的m m s e 准则，p h o h e r 等人研究了插入辅助二维导频符号的维纳滤波信道估计方法，较 好地解决了采用o f d m 调制的无线信道的信道采样钟同步和符号同步问题但二维 维纳滤波复杂度高，实时跟踪困难，无法在实际中应用。 另一种方法，即盲信道估计，不借助导频符号，不占用频谱资源，仅仅利用 所接收到的信息序列即可对信道做出估计。该方法主要应用接收信号的高阶统计 量进行信号处理来获取信道信息，需要很大的样本集，收敛速率慢，计算量也很 大，不利于实时通信。m i m o o f d m 系统信道盲估计算法绝大部分都基于其二阶 统计量，包括子空间分解的方法，最小二乘法以及线性预测法等，其中尤以子空 间分解法最为突出。目前有不少研究将盲估计与m i m o o f d m 系统的一些其它技 术结合起来，比如将盲信道估计与空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 相结合，将盲信道估计与信号检测结合，进行联合迭代等。 1 3 本文主要研究工作与章节安排 本文针对t d l t e 系统的帧结构，分析了现有信道估计算法在性能和复杂度方 面的优劣，提出了基于频域导频的低复杂度自适应信道估计改进算法，该算法能 够根据多径时延和多普勒频移等信道参数的动态变化，自适应选择最优内插滤波 系数。同时，为了实现信道估计算法的自适应调整，本文研究了信道模型化参数 估计算法，通过对信道最大时延和最大多普勒频移的估计，使信道估计的自适应 滤波算法得以实现。 本文的章节安排如下： 第二章介绍了m i m o o f d m 技术和m i m o 无线信道传播特性。首先介绍了 o f d m 技术、m i m o 技术以及两者的结合；其次介绍了t d l t e 系统及其信号帧 结构；最后分析了m i m o 无线信道的传播特性，并介绍了仿真中使用的3 g p p 开 发的空间信道模型。 第三章主要研究了基于频域导频的t d l t e 系统信道估计算法。首先，分析了 第一章绪论 参考信号在t d l t e 系统信号时频域两个方向的分布特性；然后阐述了基于频域导 频的m i m o 信道估计基本原理，并对经典的频域导频内插算法进行了研究和性能 仿真比较；最后结合t d l t e 系统帧结构的特点，综合考虑算法性能和硬件实现复 杂度，提出了改进的自适应信道估计算法。 第四章主要研究了无线信道模型化参数估计算法，对信道最大多径时延和最 大多普勒频移进行估计。首先研究了信道多径时延的估计算法；然后分析了多普 勒功率谱的特性，给出了多普勒估计算法，并对其进行了改进；最后研究了利用 o f d m 符号虚拟子载波进行信噪比估计的算法。 第五章是全文的总结，并结合该技术领域的最新发展趋势，对进一步的研究 工作进行了展望。 第二章m i m o o f d m 技术与无线信道特性 7 第二章m i m o o f d m 技术与无线信道特性 本章首先介绍了o f d m 和m i m o 技术，给出了m i m o o f d m 的基带传输模 型，然后介绍了t d l t e 的系统结构，最后阐述了m i m o 无线信道的传播特性。 2 1 m i m o o f d m 技术介绍 新一代移动通信可以提供高数据传输速率( 高于l o o m b i f f s ) ，支持从语音到多 媒体包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动 态调整，这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，需要频谱效率极高的技 术。m i m o 技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加 频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。o f d m 技术是多 载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另外，o f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。将m i m o 和 o f d m 相结合构成的m i m o o f d m 系统可以充分发挥m i m o 和o f d m 各自的优 势：o f d m 将频率选择性信道变为平坦衰落信道，而m i m o 在平坦衰落信道上可 显著提高信道容量，且实现复杂度较低。因此m i m o o f d m 系统被选定为b 3 g 4 g 无线移动通信系统的解决方案。 2 1 1o f d m 系统基本原理 ( a ) 单个o f d m 子载波频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 1o f d m 频谱 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一种多 载波调制方式4 1 ，其基本原理是将高速数据流分成若干低速数据流并行地在相互 正交的子载波上传输，这样多径衰落的时间弥散相对减少，频率选择性衰落信道 转化为若干平坦衰落子信道，大大减小了符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e t d l t e 系统信道估计技术研究 i s i ) 。为了能够完全消除i s i ，通常在o f d m 符号中引入保护间隔。由于码元符号 是周期的，保持了子载波间的正交性，减小了载波间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ， i c i ) 的影响。只要保护间隔大于信道的最大时延扩展，就能完全消除i s i 和i c i 的影响，o f d m 符号的频谱如图2 1 所示。 o f d m 系统数学原理 o f d m 作为一种多载波传输技术，其本质上是种频分复用技术【5 j 。现在常 见的o f d m 符号组成如图2 2 所示，在每个o f d m 符号之间的保护间隔内填充循 环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，循环前缀的存在形成了o f d m 符号与信道的循环卷 积，因此可以避免符号间干扰对系统的影响，保证了子载波之间的正交性【6 】。 保护问隔乏有效数据部分瓦 o f d m 符号 图2 2 0 f d m 符号的结构 与单载波调制类似，o f d m 也要对速率为r 的输入数据流进行信号映射( 通 常为q a m ) ，然后对其进行串并转换，以速率r n 分配到各个子信道，并对每个 子载波进行正交调制，调制后的信号经过叠加和频谱成形就得到基带o f d m 信号。 与调制端相对应，解调端把接收到的基带o f d m 信号与同样的n 个本地子载波相 乘并积分，再经过并串转换和解映射就得到与原始数据流对应的接收数据。o f d m 基带调制解调原理如图2 3 所示。 由 并 转 换 一铲 叫胖 并 审 转 换 叫泸 图2 3o f d m 基带调制解调原理框图 从图2 3 可以看出，实现o f d m 的调制解调，需要产生n 个相互正交的载波 和n 个窄带带通滤波器，这在硬件上是很难实现的。w e i n s t e i n 和e b e r t 提出用离 散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 对并行数据进行基带调制和解调 处型7 1 ，从而大大降低了o f d m 系统的实现复杂度。 设子载波间隔为矽，则复基带模拟o f d m 信号可表示为如下形式： n 2 - 1 s ( t ) - d k ( t ) e j 2 7 r 心0 t l a f ( 2 1 ) 第二章m 1 m o o f d m 技术与无线信道特性 9 其中五= 七。为第k 个子载波频翠，巩( f ) 为第k 个子载波上的复数信号，买 际系统巩( f ) 在一个符号周期内通常为定值，此时有d k ( t ) = d 。 o f d m 基带信号的最高频率为n a f 12 ，若按n y q u i s t 速率对其进行采样，则 采样间隔为1 ( n a f ) ，一个符号周期内采样点数为n 。数字基带o f d m 信号可表 示为： 咖击) = 笺畋2 矛坶们击邝删一1 ( 2 - 2 ) 即： ：n 2 - 1 畋p ，万2 x 七疗，( 2 - 3 ) o _ n n - 1= 畋p 情优_ 2 ， 令反= 毫o _ 2 k _ 七n 2 - 一1 1 ，也就是将f f t 的输入循环移位m ，则有 驴艺即夸七= d 七p 情。戽 k = o ( 2 4 ) 不考虑系数1 n ，式( 2 4 ) 与i d f t 形式相同，根据d f t 的循环移位定理，频域 信号循环移位n 2 相当于时域信号与周期为兀的复指数信号相乘，所以在硬件实现 时可以不对输入信号移位，而只要对i d f t 的输出信号乘以序列 ( 一1 ) ”) 即可。 由此可见，o f d m 数字基带调制可以通过离散傅立叶反变换( i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 来实现，而不需要产生个载波和使用n y q u i s t 带通滤波 器，从而大大降低了o f d m 信号产生的复杂度。 与调制类似，o f d m 基带信号的解调可通过d f t 实现。 为保持信号在调制解调前后功率不变，d f t 和i d f t 可按式( 2 5 ) 定义： d f t ：x k = i d f t ：= 一，警b l x e “ 以e ，等l b l 由于o f d m 的基带调制是通过i d f t 实现的，因此我们可以认为对数据的信 道编码是在频域进行的，i d f t 将信号变换到时域发送出去，接收端通过d f t 恢复 出原始的频域信号。快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o m ，f f t ) 是实现d f t 处理的有效手段，可以使d f t 的计算复杂度由2 降至n l o g ，n 。 o f d m 技术的优缺点 o f d m 技术以的主要优点如下： ( 1 ) 频谱效率高。因为o f d m 子载波是重叠的。 、， 5 - 2 ，l 、-、， ll 一 一 一 v i 七 疗 一 一 o o 脚川脚上届上届 1 0 t d l t e 系统信道估计技术研究 ( 2 ) 信道均衡简单。在频域做均衡时，一般只需单抽头均衡器即可实现。 ( 3 ) 抗多径能力强，有利于移动接收。 ( 4 ) 可以有效地对抗窄带干扰。 ( 5 ) 传输的数据速率高。 另一方面，o f d m 也存在一些缺点： ( 1 ) 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度高于单载波系统。 ( 2 ) 由于有比较大的峰值平均功率比( p e a kt o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) ， 这会降低射频放大器的功率效率，而且对放大器的线性特性要求比较高。 2 1 2m i m o 技术概述 多输入多输出( 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 ，m i m o ) 技术最早由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出，它利用多天线抑制信道衰落。m i m o 系统可以简单定义为在无线 通信系统的发送端和接收端同时使用多个天线的结构。m i m o 系统的特点是将一 般在无线通信中认为是不利因素的多径效应变为有利因素，有效使用多径时延扩 展和随机衰落，加倍提高传输速率，而无须增加额外的频谱【8 】。 m i m o 系统原理与结构 墨( 后) 无 线 信 道 x ，( 尼) 图2 4 m i m o 系统结构 m i m o 系统的结构如图2 4 所示。传输的信息流经过空时编码等多天线信息处 理后，形成，个信息子流( 助，i = 1 ，2 m 。这m 个子流通过m 个发射天线发射出 去，经过空间信道后由，个接收天线接收。接收端为了分辨出不同的并行子信号， 必须保证接收天线数，不小于发射天线数f ，然后通过多天线数据检测处理来分 开并解码这些数据子流。由于这些子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频 带，因而并未增加带宽。 若发射接收天线之间的信道响应彼此独立，则m i m o 系统可以形成多个并行 的空间信道，通过这些并行信道独立传输，数据速率可以有效提高。m i m o 将多 径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，充分利用了空间和时间分集优 第二章m i m o o f d m 技术与无线信道特性 l 1 势，从而可以实现高的信道容量和频谱效率【9 1 ，同时还增强了通信系统的抗干扰、 抗衰落性能，可以同时获得编码增益和分集增益【1 们。 m i m o 系统的容量 m i m o 系统是在收发两端使用多个天线，每个收发天线对之间形成一个m i m o 子信道。设系统使用m 根发射天线，根接收天线，则信道矩阵为 f 啊。；1 h = l ； i l ( 2 6 ) l7 i l 其中曩，表示的是第f 根发射天线到第，根接收天线之间的衰落系数。 对于信道参数确定的m i m o 信道，假定发送端不知道信道信息，总的发送功 率为p ，与发送天线的个数无关；接收端的噪声是n x l 的列向量，为均值为0 ，方 差为0 2 的复高斯噪声；发送功率平均分配到第一个发送天线上，则容量公式为： c = l 0 9 2 d e t ( u + 告删日) b i t i s i h z ( 2 7 ) 固定n ，令m 增大，使得百1 删j 凡，这时可以得到容量的近似表达式： c = n l 0 9 2 ( 1 + p ) 6 订s h z ( 2 8 ) p 是接收天线上的信噪比。 而由s h a n n o n 公式，可以得到单天线系统的信道容量为： c = l 0 9 2 ( 1 + p l h l ) 6 打j 舷 ( 2 - 9 ) 对比式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可以看出，m i m o 系统信道容量随着天线数量的增加而 线性增大，即可以利用m i m o 成倍地提高无线信道的容量，在不增加带宽的前提 下，频谱效率可以成倍地提高。 - m i m o 技术的优点 m i m o 技术具有如下优点： ( 1 ) 利用或减轻多径衰落：m i m o 技术能够充分采用多径的各种发射合成 技术，提高无线通信系统的性能。 ( 2 ) 消除共道干扰：m i m o 系统能够采用自适应波束成形技术和多用户检 测技术对共道干扰进行有效抑制或消除。 ( 3 ) 提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰 及增大系统容量：m i m o 系统能够抑制或消除共道干扰以及码问干扰，同时利用 分集技术提高接收信号的信干比，因此基站和终端的发射功率可以得到一定程度 的降低，同时减小空间电磁干扰的影响，延长终端电池使用时间，减小对生态环 境的影响、降低系统对功率控制精度和器件的要求。 1 2 t d l t e 系统信道估计技术研究 2 1 3m i m o 。o f d m 系统 典型的m i m o o f d m 系统如图2 5 所示。设发送天线有m 根，接收天线有n 根，第f 根发射天线与第，根接收天线之间的信道为每条径服从瑞利分布的多径衰 落信道，o f d m 子载波个数为k 。在发射端，输入的并行数据流经过串并变换和 i f f t 得到m 个并行的长度为k 的数据流，该数据流加上循环前缀后被各个天线顺 序发送。在接收端，接收天线将顺序接收得到的信号经过串并变换和去除循环前 缀的操作并通过f f t 模块后进行信号检测，从而得到m 路并行数据流。 设s 全晦( 0 ) ，s ( 1 ) ，s ( k 一1 ) 】r 为第n 个o f d m 符号周期内，经过串并变换后 第f 根发射天线上各个子载波上的数据，墨卸l ( o ) ，( 1 ) ，薯( k 一1 ) r 为将s 进行 i f f t 调制后的各个时刻的数据，方便起见，将玎省略，两者的关系为： 墨= f 墨 ( 2 1 0 ) 输入并 雌 罐 置目萋 h 并 署h 妻 l _ 一换 m i m o 检 测 输出并行数据漉 - + 图2 5m i m o - o f d m 系统结构 式( 2 1 0 ) q b ，f 为标准k 维的d f t 矩阵，其上标h 表示将取矩阵的共轭转置，f 的元素为： f ( k j ) 2 去赠( o k , l _ k - 1 ) ，畋= e - j 2 a l k ( 2 - 1 1 ) 不考虑循环前缀的表达，假设在一个o f d m 符号内信道不变或成缓慢变化， 系统符号采样周期与抽头时间相等。设h i y ) ( 1 = o , l - 1 ) 为第n 个o f d m 符号周期 内第f 根发射天线与第根接收天线之间信道脉冲响应系数，其中为信道阶数( 即 多径数目) 。则对应于第f 根发送天线和第，根接收天线之间第k 个子载波上的信 道频率响应为： q ，肚) = 嘣，) 嘤 ( 2 1 2 ) 设乃卸乃( o ) ，y j ( 1 ) ，y j ( k - 1 ) 为第刀个o f d m 符号周期内，在去除循环前缀 后在第，根接收天线上的各个时刻的数据。垒【( o ) ，弓( 1 ) ，y j ( k 一1 ) 为将乃进 行f f t 解调后的各个子载波上的数据。 与巧关系为： 第二章m i m o o f d m 技术与无线信道特性 y ，= f r ( 2 1 3 ) 则第根天线上在第n 个o f d m 符号周期第加( 川= 仍，k - 1 ) 时刻的接收信号 以聊) 可以用第f 根发射天线上的信号s i ( m ) ，s ，( 聊三+ j ) 及第f 根发射天线与第根 接收天线间的信道表示为： m ，一1、 y j ( m ) = i 嘣z ) s ，( m - 1 ) + z ( m ) i ( 2 _ 1 4 ) t = l 、i = 0 其中z 1 ，( 聊) 为附加于第f 根发送天线和第_ ，根接收天线之间信道的高斯白噪声 向量，豕聊) 为第根接收天线上的附加噪声。弓和z j 的关系为 m 乙= f z j ，乙( 七) = 乙，。( 后) ( 2 - 1 5 ) t = l 根据式( 2 1 1 卜( 2 1 5 ) ，并定义z ( 后) 全【z l ( o ) ，z u ( 七) 】7 ，】，( 七) 全【墨( 0 ) ，k ( 后) 】7 ， s ( 后) 垒 s ( o ) oo $ ( 七) 】r ，可以得至0 y ( k ) = h ( k ) s ( k ) + z ( 尼) ( 尼= o , k - 1 ) ( 2 1 6 ) 其中 f ，h i l ( 七) t 4 , m ( 尼) 、 日( 七) 全l ； l ( 2 1 7 ) l 巩。( 七) h u m ( k ) 每一个子载波上的信号传送均服从式( 2 - 1 6 ) ，因此对于y 垒【y ( 0 ) 9o ，y ( k - 1 ) 】， 可以分别对各个子载波检测得到发送向量义助的估计值。 2 2t d l t e 系统介绍 根据i t u r 对3 g 的划分，3 g 的频谱被划分为成对频谱和非成对频谱，分别 用于频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种双工方式。应用t d d 方式的l t e 标准即为t d l t e ，它也被确定t d s c d m a 标准的后续演进技术。 t d d 方式中，发送和接收信号在相同的频带内，上下行信号通过在时间轴上 不同的时间段内发送进行区分。t d d 双工方式信号可以在非成对频段内发送，具 有配置灵活的特点。同时，由于上下行信号占用的无线信道资源可以通过调整上 下行时隙比例灵活配置，非常适合于3 g 和b 3 g 等以i p 分组业务为主要特征的移 动蜂窝系统。t d d 系统的上下行信号在相同的频段内发送，可以充分利用信道的 对称性，这对于t d d 系统的信道估计、信号测量以及多天线技术的应用会带来明 显的好处。 1 4t d l t e 系统信道估计技术研究 2 2 1 t d l t e 系统下行链路结构介绍 图2 6t d l t efj ，链路发射端结构 t d l t e 系统下行链路采用o f d m a 多址接入技术，发射端基带信号处理流程 如图2 6 所示：对进行了差错控制编码的码字进行加扰；对加扰后的比特进行星座 映射，产生复值调制符号：进行层映射，将复值符号映射到一个或多个传输层； 将每层上的复值调制符号进行预编码，用于天线端口上的传输；将每一个天线端 口上的复值调制符号映射到资源粒子上；为每一个天线端口产生复值的时域 o f d m 符掣1 1j 。l t e 中传输块的信道编码方案为t u r b o 编码，编码速率为r = 1 3 ， 它由两个8 状态子编码器和一个t u r b o 码内部交织器构成。在t u r b o 编码中使用栅 格终止( t r e l l i st e r m i n a t i o n ) 方案。在t u r b o 编码之前，传输块被分割成多个段， 每段的大小要与最大信息块大小6 1 4 4 b i t 保持一致。 2 2 2 t d l t e 系统帧结构 i h g r $ o p u p p r s d - 椰o pu 妒他 图2 7t d l t e 系统帧结构 t d l t e 系统的帧结构如图2 7 所示。每一个无线帧由两个半帧构成，每一个 半帧长度为5 m s ，每一个半帧又由8 个常规时隙和d w p t s 、g p 和u p p t s 三个特 第二章m i m o o f d m 技术与无线信道特性1 5 殊时隙构成。1 个常