（信号与信息处理专业论文）无线通信mimo系统的信道估计.pdf

摘要 无线通信m i m o 系统的信道估计 硕士研究= ! 皇娥名# 齐祥礁导师姓名：榜绿溪教授 学接名霉：褰鬻夫攀 为了满足来来穆幼通信业务的黢展要求，采用多输入多输出( m i m o ) 技术米提高通信容量的方 法芷引起越来越多的燕注。尽管b e l l 实验室已实现丁世界上第一个来用m i m o 技术的v - b l a s t 系娩- 经圈耀公试静m 1 3 o 遴髂檬准胬来澎蠛； 笼绞德遥稳磷突逢无线嚣露懿燕镳鏊l 辩系统瞧幂镶卦。个霹纛熬具有黼性能蕺冤绫矮镶系 统，好颁根据信道的特征加以设计，例如在接收端，。一般都需簧精确的信道估计，以使僚号检测得 数哿舷进行。由于m i s o 绩道楣对于s i s o 信递豹复杂往，实现疆l 躺传输系统的主要困难之一就是 m i m o 储邋估计。因此。对其进行充分的研究。对设计合理的m i l l o 传输方案是非常关键的。 一簸认隽砖i 瓣篆绕中经意发送天线和任意攘收天线越澎戒蕈令子绩谨，多个子信遂乏溺彼缝 不楚宠爱独立静，褥憝存在一定魏稳关毪。在毒论文孛，势丁簿纯m i i a o 蓿逶稳计，终者霰鬻了备 子信滋宪垒疆立韵蠖想条件。 本论文的主要工作是在介绍m i m o 系统和光线信道特征的麓础上，作者熬予单载波f i r 时不 燮m 联幔o 冤线信道横氆绘啦了几种偿道估计方法持懑过实验仿真诞踺其有效性。 繁兰牵绘塞了传统越发送湄练謦烈嵇诗蓓遘懿方法，蒸予最太强然准剐，势裂用最枣二豢as ) 漂理依计抛信遒参簸。并绘出一种额戆探度最小= 粱( s l s ) 方法来缀意耩度。偿怒滋里的诵练序列不 是随机的，丽是经过专门设计的优化序捌，它们能够使估计出的m i m o 信道尽可髓精确。 最趣，有学者撼鹚稳训练序列的方法，将用产傣惠与埔期训练侉硎进行叠棚，然后嚣发送。在 接牧端列薅训练彦列翡爝麓幔+ 构造一除统计萋对傣遵进行估计，逸静方法羌襞魏铡练序捌分粼辩 骧，潮此不会弯带赛熬蓑失，萋予一蹬缝静量，蘩诗懿教敛速度骥显提高，焉其掰嚣垂枣谯徐憝麓送 信弩鹩船鲞青所增躺。本论文的躅、五两章在这肖龋进行了研究，篡率第四章钟对s i s o 系统撼出 了一种快速信道估计算法；第五章研究了基于一阶统计量的麓加训练序列的半寓信道估计方法，并 缍奢舱测结果来提蕊瞧计的撼魔。 率论文主要渗袋菲喜嚣睾誊静痿遂售诗方法。叠燕馨 练廖捌静镶遘售 之掰菇 | 恕天销荧注 是因为其频谱效率黼，计算煮小，阑此本论文的研究重点是基予阶统计量的鼗加训练序列的佾遵 信 十，采用最小二檠京法，针对誉雕调练痔剜在算i 蠢的复杂度方麟进行菠进，辩静援最恍的属期序 列以挺凑镳诗鲍耩纛，运戮r 较好钓效豢。 燕镳词：多输入输出( m i m o ) 技术，m i m o 信道估计，叠加训练序列，一阶统计煮 衷寓大学磺士学位论文 a b s t r a c t t k ：c h a n n e le s t i m a t i o nf o r 稚m ov 吸l e l e s sc o m m u n i c a t i o n c a n d i d a t e ：q ix i a n g m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a n g 蜥 s o u t h e a s tu n i v e r s i t y i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h eh i 蛙孵rd e m a n df o rf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t h em e t h 砸t h a ta d o p t m u l t i p l e t r a n s m i t a n d r e c e i v e a n t e n n a s i s c a l l i n g m o r e p e o p l e s a r c n t l o l l a s o f n o w , t h e f i r s t m u l t i p l e i n p u t a n dm u l t i p l eo n t p u t ( m i m o ) s y s t e mn m m dv - b l a s ti nt h ew o r l dh a sb e e ni m p l e m e n t e db yb e l l l a b o r a t o r y h o w e v e r , ar e c o g n i z e dm i m 0 s t a n d a r dh a s n tb e e n f o r m e dy e t 1 1 舱s m d yo nw i r e l e s sc h a n n e l si st h ek e yf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , i n c l u d i n gm i m os y s t e m i n f a c t , a n y d e s i g n f o r a r e l i a b l e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e r n m u s t t a k ec h a n n e l c h a r a c t c r i s t i c i n t oa c c o u n t ， f o re x a m p l e ，ar e c e i v e rm u s td e p e n do na c c u r a t ec h a n n e le s t i m a r i o nt od e t e c ti n f o r m a t i o n - b e a r i n gs i g n a l s 。 d u et 0c o m p l e x i t yo fm 珈0c h a n n e lc o m p a r e dw i t hs i s oc h a n n e l o n eo ft h ed i f f i c u l t i e so fm i m 0 c o m m u n i c a t i o ni s 删0c h a i l l l e le s t i m a t i o n s oat t l o r o u g hs t u d yi s 蝴e s s a r y 1 ng e n c r a l ，p e o p l eb e v et h a tb e t w e e na n yt r a n s m i ta n t e n n aa n da n yr e c e i y ea n t e n n a , t h e r ee x i s t sa s u b 吣l m n n e la n da 狂s u b - c h a a n e i s 辨n o tm u t u a l l yi n d e p e n d e n tb 毽e o 辩貔辩l oe a c ho t h e ri ns o m ed e g r e e ， i nt h i sp a p e r , f o rs i m p l i f i c a t i o no f m i m oc h a n u e te s t i m a t i o n , t h ea u t h o ra s s u l p st h eo p t i m a lc o n d i t i o n 髓 f u l l yi n d e p e n d e n ts u b c h a n n c l s + o nt h eb a s i so fk n o w l e d g ea b o u tm i m 0s y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e la st i mm a i n w o r ko ft h i sp a p e r , t h ea u t h o rg i v e ss e v e r a lm i m oc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sf o rs i n g l ec a r r i e r t i m e 。i n v a r i a n tf 承c h a n 糖lm o d e l s i m u t a t i o nr e s u l t s 躺e f f e c t i v e 。 i nc h a p t e r3 ，b a s e do n k e t i h o o d 似l ) c f i m f l aa n dl e a s ts q u a r e ( l s ) t h e o r y , c h a n n e le s t i m a t i o ni s a c h i e v e db ys e n d i n gt r a i n i n gs e q u e n c ei nc o n v e n t i o n a lm e t h o d , a n dan e ws c a l e dl s ( s l s ) a p p r o a c ht ot h e c h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e d ，t h o u g h , t h e s et r a l n i n gs e q u e n c e sa 1 1 en o tr a l l d o mo n e s ，b u tt h eo p t i n m l c h o i c e o f t r a i n i n gs e q u e m ：e s t o o b t a i n 猫a c e n r a t ec h a n n e l e s t i m a t i o n a s p o s s i b l e r e c e n t l y , s 8 蛰s c h o l a rm e a t i o n e di m p l i c i t 静辨黼e s ，s e n dt h es y m b o l st h a tp e r i o d i cs e q u e n c e s s u p e r i m p o s e do ni n f o r m a t i o ns y m b o l s b u t i l i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp e r i o d i cs e q u e n c e s ，c h a n n e l e s t i m a t i o n c a l l b e 蹿h i e y e d o n l y b a s e d o n f i r s t - o r d e rs t a t l s t i c s o f r e c e i v i n gs y m b o l s 搬a p p r o a c h 麟e d n o t a s s i g ne x f f at i m e - s l o t 钓t r a i n i n gs e q u e n c e sa n d n ol o s si nb a n d w t 蛾t h es p e e do f c o n v e r g e n c ei sb i 参b u t a h i g h e r p e a k - t o a v e r a g es y m b o l p o w e r r a t i o n a s i t s d i s a d v a n t a g ea r i s e s i n c h a p t e r 4 ，t h e a u t h o r e x p l o r e sa f a s tc h a n n e le s t i m a t i o na l g 砸山m 触s i s o i no r d e r oi m p r o v ec h a n n e le s t i m a t i o n sp r e c i s i o n , i nc h p t e r5 ， s e m i - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na n dd e t e c t i o nu s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n g sf i r s t - o r d e rs t a t i s t i c sw e r e s t u d i e d i nt h i sp a p e r , a u t h o ru s e dn o n - b l i n da n ds e n t i - b t l n da p p r o a c l 棼s + 钢e h a n u e te s t i m a t i o nr r o r g eag r e a t i m m e s t i n gb yu s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n g ，o w ei t sh i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c ya n d f a s ta r i t h m e t i c t h i sp a p e r e m p h a s i so nc h a n n e le s t i m a t i o nu s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n g sf i r s t - o r d e rs t a t i s t i c s ，a d o p t e dl st h e o r y , c o m p a r e d t h e c o m p l e x i t y o f m i t h m e t i c i n d i f f e r e n t t r a i n i n gs e q u e n c e s ，i n s i m u l a t i o n ，f i n d o u ts o i p 蟹o p t i m a l s e q u e m e s oi 狂国砖c h a n n e le s t h r m t l o n sp r e c i s i o i l k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u ta d h 垤o xm i m o c h a n n e le s t i m a t i o n , s u p e r i m p o s e d t r a i n i n g , f l r s b o r d e rs t a t i s t i c s n 窝l j 多输入多输出系统鞭理蓬 图表目录 图1 2 官僚邋估计示意圈6 图2 1 连续时间通信系统简图8 匪2 2 通傣系统的等效离散时间自噪声滤波器( f i r ) 模型 蚕2 + 3m l t o 收发系统簿瓣一 1 5 图2 4 信邋等效为f i r 滤波器组的l l m o 无线收发系统筒翻1 6 表3 1l * 3 ，q p s k 情形下可能构造的l 鼹优序列长艘2 2 表3 2 m = 3 4 时对应的，m w 及相废射己最优序列饮2 2 表3 3s 一1 ，m = 4 时a q ) ，( 0 ，五 的周期自耀关 不溺痿噪疆德形下采蠲蘧辊摩碉秘毛最霞穿魏懿m s e 逛较2 4 不嗣信嗓比情形下最优序列的l s 和s l s 方法的m s e 比较2 6 藏加周期序列的收敛情况3 2 傣邋估计性能比段+ 3 3 j 童睡计时叠妻瑟彦魏豹收敛谤嚣。3 3 避德计时信道估计性能比较3 4 周期脉冲序列在不同信噪比条件下的信道估计性能3 7 不同幅度周期脉冲序列与p n 序列的信道估计性能比较_ 3 8 一发两收叠搬脉潍序列和刚序列麴性能比较4 3 s i s o 系统转统方法、叠藤痔魏方法、半毫方法髓计往缝比较骐 m i m o 系统传统方法、叠加序列方法、半盲方法谡码率比较镐 1 4 i 1 0 系统传统方法、叠加序列方法、半盲方法估计性能比较4 9 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所黑交的学位论文悬我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我赝知，狳了文孛特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一闲工作豹阉志对本研究所傲的侄何贡献均已在论文中俘了躔确的说明菸 表示了谢意。 研究生签名：香乏 生目期：出。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究赝、国家图书馆有权保留本人赝送交学位论文豹 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电予文档的内 容彝纸蕨论文豹瘫容程一致。除奁保密鬟凑的保密论文终，允许论文被查阙帮倦阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研触躲姒导师躲罐日期：幽。匕 第l 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 无线通信快速发展，需要提供语音、数据和多媒体等业务，这些业务对通信系统提出了更高的 要求。目前，移动通信己从模拟通信发展到了数字通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段 发展。本章将简要回顾移动通信技术的发展历程，展望未来技术的发展趋势，透过这一发展过程， 分析揭示未来移动通信中无线传输技术所面临的挑战，提出本课题的主要研究任务和意义，同时给 出本文的主要工作及内容安排。 1 2 技术现状与背景 1 2 1移动通信的发展历史 早期的无线通信得益于电磁波理论和电报电话技术，提供点对点无线电话( r a d i ot e l e p h o n e ) 和 无线电报( r a d i ot e l e g r a p h ) 传输业务，用现在的眼光看，它是种较为简单的模拟无线通信技术。 后来，人们将无线通信技术应用到交通运输行业，实现航行中的传播与基地台、执行任务的警 车与警察局、行进中的火车与铁路车站之间的无线调度或电报电话业务等，这才是真正的移动通信。 这一阶段主要克服两大技术问题：载波的多普勒频移补偿和发动机电火花产生的电磁干扰抑制。 移动通信能够大规模的成为公众业务要归功于蜂窝移动通信概念的提出，蜂窝技术是移动通信 发展的重大突破，它的频率复用技术有效的解决了在有限的无线频段内大幅度提高系统容量的问 题，使得为人口密集的城区提供充足的移动电话业务成为现实。 第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 是基于模拟通信技术的。模拟调频( f m ) 加上频分多址接入 ( f d m a ) 是它的技术要点。第一代蜂窝移动通信系统存在频带利用率低、保密性差、终端体积大 等缺点。 随着数字信号处理与大规模集成电路技术的发展，移动通信技术很快进入数字化，它在关键的 空中接e l 环节上采用了一系列的数字信号处理技术，其中包括信源压缩编码、数字加密、信道编码， 数字调制等；在多址方式上，采用了灵活、高效的时分多址( t d m a ) 和码分多址接入( c d m a ) 技术：在业务上，除移动电话外，还支持最大速率不超过9 6 k b p s 的窄带数据传输。目前，市场份 额占主导地位的就是具有上述特点的数字蜂窝移动通信系统，即第二代移动通信系统( 2 g ) 。 随着计算机的大量应用和网络技术的不断进步，数据传输业务在现代通信业务中的比例逐年上 升。移动电话的便利使人们对无线数据传输产生了更高的期盼，以至于人们早已勾勒出个人通信 ( p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n ) 的美好前景。作为一个近期目标，第三代移动通信( 3 g ) 及其所提供的 多媒体业务即将走入人们的生活。 国际电联( r r u ) 对第三代移动通信系统的总体要求都体现在i m t - 2 0 0 0 上，概括地讲，有以下 特点： l 东南大学硕士学位论文 占用更高的频段( 2 g h z ) 和更大的带宽( 5 m i z ) ； 支持更高速率的多媒体业务：话音、数据传输、无线互联网接入、运动图像传输等； 支持更高速率的数据传输；室内2 m b p s 、室外步行3 8 4 k b p s 、室外高速移动1 4 4 k b p s ： 与第二代移动通信网兼容： 具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。 毋庸置疑，无线传输技术( r t t ) 是第三代移动通信系统中最重要的组成部分，也是世界各国、 各地区为形成未来通信体制而展开争论的焦点。无线传输技术主要包括多址技术、调制技术、信道 编码及交织、双工技术、物理信道结构与复用、帧结构、无线资源分配与链路控制、r f 信道参数 设置等等。根据i t u 的一般要求和目标，世界各国、各地区组织对第三代移动通信系统无线传输技 术进行了广泛而持久的研究，并提出了多种技术方案，逐步形成了被国际社会认可的三个主要标准： w c d m a 、c d m a 2 0 【) o 和t d s c d m a 。 移动通信无线传输系统的特殊性，使得实现宽带多媒体通信要比固定网难得多。尽管如此，人 们对移动通信仍寄予厚望。人们总希望现有固定网能支持多媒体业务，所以人们认为，最高速率只 有2 m b p s 的第三代移动通信系统称不上真正的宽带多媒体通信，于是，在提出3 g 技术方案的同时， 便有人提出超3 g ( 即后3 g ) 的无线传输技术研究，甚至纷纷提出4 g 、5 g 的概念。 第四代移动通信系统( 4 g ) 在业务、功能、频带上都将不同于第三代系统，它可称为宽带接入 ( b r o a d b a n d a c c e s s ) 和分布网络，具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力。 众所周知，无线移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，即无线传输技术。新一代移动通 信系统给无线传输技术提出的主要难题是： 如何大幅度的提高频谱效率； 如何实现高达几十到几百m b p s 的峰值无线数据传输。 1 2 2分集技术 在无线移动通信中，信道特性是十分复杂的。载有信息的信号电磁波在无线信道传输过程中要 经过反射、折射、散射、阴影效应、多普勒效应、多径效应等作用，从而产生多种衰落现象。衰落 效应严重影响无线移动通信的性能。分集技术能十分有效地克服衰落效应。 分集技术主要有以下三种方式：时间分集、频率分集和空间分集( 又称天线分集) 。携带信息 的符号在不同的时间槽内重复发送，此时相邻的两时间槽间距大于信道的相关时间l ，或者采用 纠错编码加交织，这样信号将在时间域内引入冗余度，实现时间分集。当信号以多载波方式发送， 此时相邻两载波间距大于信道相关带宽a f o ，或以扩频方式发送时，信息将在频率域引入冗余度， 此时可以实现频率分集。这两种分集方式都可以在牺牲频率利用率为代价下提高系统性能。 使用多个发射天线和多个接收天线可以在不降低频率利用率条件下实现天线分集。在发射端和 接收端安置多个天线，天线之间相隔足够远( 实际上在基站天线相隔1 0 倍载波波长；在移动台天 线相隔半载波波长即可) ，此时各天线可以认为互不相关，从而在发射端与接收端之间构筑多条相 2 第1 章绪论 互独立分布的通道，实现空间分集( 天线分集) 。 在实现空间分集时，信号既没有在时间域内引入冗余。也没有在频率域内引入冗余，因此空间 分集没有降低频带利用率，这对高速传输特别有利。实际上在多天线传输模式下，信号虽然在时间 域和频率域都没有引入冗余，但是信号赋予了一定的空间结构，在空间域上引入冗余，因此提高了 传输性能。现在的信息理论结果表明，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这些 增加的信道容量可以用来提高信息传输速率，因此近年来m i m o 技术越来越引起人们的高度注意。 那么m i m 0 技术究竟是怎样的? 1 2 3m i m o 技术 多输入多输出( m i 0 ) 或多发多收天线( m t m r a ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大 突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率“2 3 “，是新一代移 动通信系统必须采用的关键技术。 m i m o ( m u t i p l e - i n p u tm u t i p l e - o u t p u t ) 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来抗衰落。 它利用空间中增加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线同时发送和接收信号。由于各发射天 线同时发送的信号占用同一个频谱，所以并未增加带宽，因而能够成倍提高系统的容量和频谱利用 率。广义的m i m o 技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术。其中发射分集技术指的 是在不同的天线上发射包含同样信息的信号，从而达到空间分集的效果。实现空间分集的一种有效 途径是空时编码( s t c ，s p a c e - t i m ec o c l i n g ) 技术，它是在m i m o 系统中的一种空域、时域和编码调 制方案。利用空时编码不仅可以提高信息传输的可靠性，而且在不牺牲带宽的情况下可以有效的提 高无线通信系统的容量。 与空时分集技术不同，空间复用技术是把高速数据业务分解为若干低速数据业务，通过普通的 并行信道编码器编码后，再对其进行分层编码，编码信号经调制后由多个发射天线同时发射，从而 极大的提高了数据传输速率，由于它在不同的天线上发射不同的信息，因此真正体现了m i m o 系统 容量提高的本质。空间复用的典型形式是贝尔实验室提出的b l a s t 系统，有些文献也将b l a s t 系 统看作一种特殊的空时编码。 在7 0 年代有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多输入多输 入技术产生巨大推动的奠基工作则是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a t a r 给 出了在衰落情况下的m i m 0 容量“1 ；1 9 9 6 年f o s h i n i a 给出了一种多输入多输出处理算法一对角贝 尔实验室分层空时( d - b l a s t ) 算法”1 ：1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多输入多输出的空时码”1 ：1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法”建立了一个m i m 0 实验系统，在室 内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工 作受到各国学者的极大注意，并使得多输入多输出的研究工作得到了迅速发展。 通常，多径会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多 径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发送端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通 道，i l i m o 的多输入多输出是针对多径无线信道来说的。图1 1 所示为m i m o 系统的原理图。传输信 息流s ( k ) 经过空时编码形成肘个信息子流c ( t ) ( f = l 2 ，m ) 。这j | l f 个子流由肘个天线发射出 去，经空间信道后由个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这 3 东南大学硕士学位论文 些数据子流，从而实现最佳的处理。 图1 1 多输入多输出系统原理图 特别是，这m 个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。 在采用多天线发送和多天线接收的无线通信系统中，如果不同发射天线间的距离足够远且不同 接收天线问的距离也足够远，那么可以认为各发送接收天线间的通道响应独立，这样多输入多输出 系统可以创造多个并行空间子信道信道”8 。而通过这些并行空间子信道独立地传输信息，将使得 各个发射天线到各个接收天线之间的传播信号也是互相独立的，这将大大提高数据率，从而满足高 传输速率、高传输性能和高系统业务容量的要求。此外，m i m o 传输技术还能够很好地支持未来移动 通信系统新的分布式网络结构。一般称这样的多天线信号传输信道为多输入多输出饵瑚) 信道，而 具有m i m o 信道的一个通信系统被称为i i 期通信系统。 总之，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 ) 系统就是利用多天线来抑制信道衰落，即将 多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，它是一 种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为 肘，接收天线数为的多输入多输出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设m 、 ，很大，则信道容量c 近似为： c = n f i n ( m ) 】，b l 0 9 2 ( p 2 ) ( 1 1 ) 其中曰为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，l i l i n ( 肘 v ) 为m 、中的较小者。上式表明， 功率和带宽固定时，多输入多输出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而 在同样条件下，在接收端或发送端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数 的对数增加而增加。相对而言，多输入多输出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。另外， 利用m i m o 技术也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 目前，各国学者对于m i m 0 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行研究。在m i m o 系统 理论及性能研究方面已有一批文献“”。“，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通 信m i m o 信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献“ 大多假定信道为分段恒定衰落信道。这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说是不够的， 因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献“”在进行这方面的工作，即对信道为频率选择 性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，一般假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必 须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速 信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码”1 。常见 的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分 集和时间分集，从而降低信道误码率。 4 第1 章绪论 另外实验系统是- i i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现 多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗 电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时( b l a s t ) 技术是移动通信方面领先的m i m o 应用技术，是其 智能天线的进一步发展。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道， 并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路 容量。理论研究业已证明，采用b l a s t 技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说， 只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明b l a s t 技术有着非常大的潜 力。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设 计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s t ) m i m o 技术的芯片， 这一芯片支持最高4 x 4 的天线布局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。该技术用于移动通信， b l a s t 芯片使终端能够在3 g 移动网络中接收每秒1 9 2 兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将 此b l a s t 芯片应用到其f l e x e n to n e b t s 家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该b l a s t 芯片，以提高无线3 g 数据终端支持高速数据接入的能力。 2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，并称其是世界上第一款集成了多 输入多输出( m i m o ) 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该公司的多天线传输和接收技术，将现在w i f i 速率提高到每信道1 0 8 m b p s ，同时保持与所有常用w i - f i 标准的兼容性。a i r g o 的芯片组和目前的 _ i f i 标准兼容，支持8 0 2 1 l a 、b 和g 模式，使用三个5 6 h z 和三个2 4 g h z 天线，使用a i r g o 芯片 组的无线设备可以和以前的8 0 2 1 1 设备通讯，甚至可以在以5 4 m b p s 的速度和8 0 2 1 l a 设备通讯的 同时还可以以1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设备通讯。凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表 现，多输入多输出( m i m o ) 技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。 1 3 信道估计方法综述 无线移动通信的一个重要方面是对无线信道特性的认识。实际上，移动信道已成为许多理论分 析和现场实测的课题，并己得出许多有关其特性的结果。其中有些可给出精确的数学描述，另一些 则给出统计模型。而对于一个特定的通信系统，首先必须为其建立恰当的信道模型，这是系统设计 的依据。在建立了正确的信道模型基础上，接收端一般要具有很好的信道估计，才能使信号检测得 以可靠进行。我们认为，由于m i m o 信道相对于s i s o 信道的复杂性，m i m o 传输系统实现的主要困难 之一就是i o 信道的估计。因此，对q i q o 信道进行充分的研究，对设计合理的m i 、_ t o 传输方案和 信道估计方案是非常关键的。这方面的研究包括信道模型与容量分析、信道估计与跟踪。迄今为止， 人们已经发展了各种各样的信道估计方法，这些思想尽管很多是针对非m i m o 情形，但是它们实际 上是同样适用于m i m o 信道估计的，所以有必要介绍一下常见的信道估计方案。 非盲信道估计方法一般可通过设计训练序列或在数据包中插入导频实现信道估计“。 可利用简单的最d * - 乘( l s ：l e a s ts q u a r e ) 估计，还可优化设计训练序列矢量的正交性、移位正交 性来提高信道估计性能，同时显著地降低计算量。这种方法的缺点在于训练符号的引入明显降低了 通信容量，尽管对于时不变信道来讲，这一损失是很小的，因为它只需训练一次；而在高速无线通 信中，较长的训练序列将占用较大的带宽，例如在某些高频通信中，用于传输训练序列的时间可以 达到整个传输时间的一半，甚至用于蜂窝移动系统的6 s m 系统也有可观的负担。而且由于信道的快 速时变，训练的周期间隔必须较短，因此每次用于信道估计的训练序列将很短，可能只是几十个码 元左右，这样短的训练序列常常不能完成较精确的l s 信道估计。因此近年来有人提出了直接在信 息序列上叠加已知符号的方法来估计信道，可以克服上述问题，但是这将导致信号峰均功率比的增 加，从而给发射机的设计提出了更高的要求。鉴于上述方法的种种问题，很多人开始把目光投向了 盲信道估计方法。 盲信道估计l 参见图1 2 ，要估计信道似乎是不可能的。因为此时没有任何已知的训练符号可 5 东南大学硕士学位论文 用，那么怎样才能在输入信号和信道均未知的情况下估计信道呢? 盲信道估计的实质是利用信道潜 在的结构特征或者是输入信号的特征达到信道估计的目的。近年来盲估计算法逐步成为研究的热 点，文献“1 给出了各种盲估计方法的总结，将各种已有的方法分为基于矩的方法和最大似然( m l ) 方法两大类。前者如子空间方法4 4 “和最优矩方法1 ，每一类又包含许多子方法；后者有确定 性最大似然方法“”和统计最大似然方法。1 。 尽管盲信道估计方法克服了非盲方法的不足，但是也带来了其他问题，如计算量太大不能满足 实时无线通信的要求，依赖于一定的可辨识条件等因素。因此，这一类方法离实用还有定的差距。 半官信道估计：这种方法的意图很明显。“”3 “，是要在上述两种方法之间进行一种权衡，以 求更加适合于实际的通信系统。实际上，即使不使用训练序列，现存的通信系统仍需一些参考序列 以实现其它如同步等目的，但是这些信息要远短于训练序列，如果将这些辅助信息结合到盲信道估 计方案中，可以增强基于非参考接收数据的盲辨识技术。 卜一u 幽。m _ 斗h 。w n 一 1 4 本论文的主要工作 图1 2 盲信道估计示意图 本论文主要是基于单载波调制体系( 区别于o f d m 体系) ，进行非盲m i m o 信道估计方法的研究。 首先在参阅了有关信道的文献基础上“4 ”4 8 “，给出了m i m o 无线信道的总体论述( 参见第二 章) ，这是我们发展m i m o 信道估计算法的前提。本论文的主要工作如下： ( 1 ) 给出了基于训练序列的m i m o 信道估计算法，基于最大似然准则，利用最小二乘( l s ) 方法估计 出信道参数。并研究了一种新的标度最小二乘( s l s ) 方法来提高精度。但是这里的训练序列不 是随机的，而是经过专门设计的优化序列，它们能够使估计出的m i m o 信道尽可能精确。 ( 2 ) 在基于一阶统计量的叠加训练序列的信道估计方法中，针对s i s o 系统提出了一种快速信道估 计算法。 ( 3 ) 研究了基于一阶统计量的叠加训练序列的半盲信道估计方法，并结合检测结果来提高估计的 精度。 ( 4 ) 在实验仿真方面。寻找了最优的周期序列以提高估计的精度，达到了较好的效果。 6 第2 章m i m o 无线信道综述 2 1 引言 第2 章m i m o 无线信道综述 m i m o 通信系统是目前研究比较活跃的领域。m i m o 被视为是进一步增大系统容量和提高频谱效 率与功率效率的革新技术。使得高速移动i n t e r n e t 接入、大容量无线本地环、无线视屏传输、无 线多媒体等应用将成为可能。因此有关m i m o 系统的相关研究，如m i m o 空时信道的研究，m i m o 空时 编解码技术，m i m o 发送分集和接收分集技术的研究，m i m o 自适应空时编码调制技术研究等等是当 前国际上的研究热点。目前3 g 增强型技术中已引入了m i m o 技术，相信在未来无线通信中m i m o 将 发挥重要作用。本文的主要工作是估计m i m o 无线通信系统的信道，因此建立m i m o 信道的模型就显 得非常的重要。在本章里，作者对于m i m o 信道模型特性的认识是从传统的无线信道分析出发，在 参阅经典的描述无线信道文献的基础上，最终给出m i o 无线信道模型，从而为后面各章的算法提 供理论依据。 作者给出了几种经典的无线信道模型1 ：经典a w g n 信道，线性滤波器加a w g n 信道和多径衰落 信道，当然在宽带高速通信要求下，多径衰落信道模型更为合理。依据多径衰落信道的二阶统计特 性，给出了描述该种信道的经典术语，以期更好把握信道的特性。进一步，给出了一种多径衰落信 道的确定性描述方法：等效离散时间白噪声滤波器( f i r ) 模型，这将作为本文中时不变信道估计 的信道模型。最后简单讲述了多径衰落信道的仿真。 在无线信道描述的基础上，作者引出了m i m o 通信系统的描述。有些文献中考虑了m i m o 系统天 线间的相关性一，从而意味着m i m o 子信道间的相关性。而在本论文中，我们仅考虑最理想的情况， 即m i m o 子信道间是不相关的。 2 - 2 信道模型综述 首先，我们抛开m i m o 体制，仅考虑简单的s i s o 情况，在此基础上，将各种信道模型推广到m i m o 情形。同时，我们会明白m i m o 通信体制研究和信道分析是独立的概念。 2 2 1经典的a w g n 信道 此时若发送信号为j ( f ) ，那么接收信号为r ( t ) = s ( t ) + 厅( f ) ，其中n ( t ) 为高斯白噪声过程的一个 实现样本，这是一种理想的情况，对发送信号的带宽没有任何限制