（通信与信息系统专业论文）基于mimoofdm通信系统的研究与硬件平台实现.pdf

摘要 摘要 无线局域网是当今无线通信领域中的研究热点之一，8 0 2 1 1 n 标准的到来，使 得无线局域网领域发生了根本性的转变。8 0 2 1 1 n 标准能够提供相比1 1 “1 1 9 协议 更高的传输速率和更优质的传输质量，而这主要归功于8 0 2 1 l n 引入的m i m o 技 术。 本文主要研究了i e e e8 0 2 1 1 n 无线局域网标准物理层，在此基础上构建了发 送机、接收机的工作流程，进一步研究了m i m 0 技术中发送分集和空间复用技术， 通过仿真比较了不同空时编码方式，不同发送天线和接收天线系统下的性能。 之后，本文对软件无线电的设计进行了介绍，并在一个通用的软件无线电平 台上进行了硬件调试，设计了一套适合本系统的工作流程。最后在此平台上完成 了m i m o o f d m 系统的主要功能，实现了不同计算机终端之间的数据传输。 关键词：无线局域网m i m o o f d m软件无线电 a b s t r a c t a b s t r a c t w l a n ( w 1 e s sl o c a l 心e an e t 、v o r k ) i so n eo ft h eh o t s p o ti nc u r r e m l yw l a n r e s e a r c hf i e l d i e e e8 0 2 1 1n s t a n d a r d sc o m i n g ，c a u s e s 劬d 锄e n t a jc h 锄g e si nw l a n f i e l d nc 锄p r o v i d el l i 曲e r 饥m s m i s s i o nr a t ea 1 1 db e t t e rt r a n s m i s s i o nq u a l i t ) ，c o m p a r e d 嘶t h1 1 “1 1gs t a n d a r d ，w h i c hi sm a i n l yd u et 0m i m o ( m u l t i p l ei i l p u tm u l t i p l eo u t p u t ) t e c l u l o l o g ) ，i n t r o d u c e d b y8 0 2 11n t 1 1 i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nt h ep h y s i c a ll a y e ro f i e e e8 0 2 1 1nw l 气ns t a n d a r d ，b u i l d 、o r k n o wo ft r 锄s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，胁h e r r e s e a r c ho nt r a i l s m i td i v e r s i 锣a n ds p a t i a ld i s c r i m i n a t i o ns c h e m e si nm i m o t e c 量1 1 1 0 i o g y ，a i l ds h o wm ep e 墒m a i l c eu n d e rd i 保：r e n ts p a c e - t i m ec o d i n g ，d i f r e r e n t 仃a n s m i ta j l t e l l i l a sa n dr e c e i v ea n t e 衄a ss y s t e m sb ys i m u l a t i o n n l e n ，m o d u c ed e s i 印 o fs o r w a r er a d i o ，h 砌w a r ed e b u g g i n go nag e n e m ls o 撕er a d i op l a t f o ma n da w o r k n o wf i 砸n gt h i ss y s t e m f i n a l l yf i n i s hm a i l lf 妇c t i o n so fm i m o - o f d m s y s t e mo n t h ep l a t f o ma 1 1 d i m p l e m e n to fd a t a 慨l s m i s s i o nb e t w e e nt e 衄i n a j so fd i f r e r e n t c o m p u t e r s k e y w o r d s ：w l a n m i m o o f d ms o f 细a r ed e f i n e dr a d i o 创新性声明 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已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，本人承担一切相关责任。 本人签名：垒塑日期塑：坐 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。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技 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。 ( 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。 本人签名： 导师签名： a 牺 日期 日期 枷f o 、1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 无线局域网( w r e l e s sl a n ，w l a n ) 是使用无线连接的局域网，是有线联网方 式的重要补充和延伸。它使用无线电波作为数据传送的媒介。传送距离一般为几 十米，广泛适用于需要可移动数据处理或无法进行物理传输介质布线的领域。随 着全球3 g 发展来看，w l a n 将是3 g 的有益补充，以及无线城市建设中的“重 要干将”。在广域覆盖的3 g 网络中，用户对于w l a n 这种短程无线传输技术的 需求成为“无处不在的通信”的重要组成部分。如果说3 g 营造了人们移动生活 的大环境，那么w l a n 则是人们实际接入高速互联网的必由之路【l 圳。 i e e e8 0 2 1 1 n 标准的到来，使得无线局域网( w l 删领域发生了根本性的转 变，而这场转变正如无线局域网的诞生一样引人瞩目。 8 0 2 1 l n 标准是8 0 2 1 l gw i f i 协议的后续版本，它最重要的新增性能是增加了 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 ，多入多出) 技术，这种技术允许多天线系统 能够传送更多的信息。一个用于发射的无线设备和一个用于接收的无线设备可以 提供1 5 0 m b p s 的传输速率，远超过8 0 2 1 1 9 的5 4 m b p s 的速度。更明显的优势是， 通常在部署中采用的2 2 和2 3 配置新标准能够将传输速率提高至3 0 0 m b p s 。 4 4 的配置将传输速率提升至6 0 0 m b p s ( 该数值为最高速率) 。8 0 2 1 1 n 不仅提高了 吞吐量、覆盖范围、大范围配置的可靠性、同时降低了成本与价格。尽管还有其 它一些无线技术在研发，但是没有哪一项技术可以很快取代8 0 2 1 1 n 。相反， 8 0 2 11 n 将替代8 0 2 1 l b 和1 1 9 标准，并提供向下兼容i 1 9 】。 2 0 0 9 年9 月，i e e e 已经最终批准了8 0 2 1 1 n 高速无线局域网标准，8 0 2 1 1 n 标准的获批，绝对是振奋人心的。新无线网络标准的定稿，从开始构思那天算起 整整过去了七年的时间，从第一个草案版本算，也过去了六年的时间，该标准已 经形成了十二个左右的草案版本。1 1 n 标准的获批并不是一个结束而只是一个开 始。各大厂商包括加u b a 、c i s c o 、h p c 0 1 u b r i s 、m e m 以及r u c k u s 均已推出成熟 的基于8 0 2 1 1 n 产品并能投入使用。不知不觉，1 1 n 的时代已经来临。甚至在1 1 n 标准尚未正式出台的时候，1 1 n 的产品已经占领了很大的市场。而随着1 1 n 标准 的获批，w l a n 无线局域网大规模1 1 n 产品的应用即将到来。 2 基于m i m o o f d m 通信系统的研究与硬件平台实现 1 2m i m o 技术研究现状 8 0 2 1 1 n 标准的性能之所以如此强大，主要是因为引入了m i m o 技术。1 9 9 8 年贝尔实验室开创性的实验验证了v - b l a s t 的可行性，随之引发了对m i m o 技 术的广泛研究，进而促使人们开发m i m o 测试平台进行信道测试。m i m o 无线传 输技术发展至今，理论日渐成熟，而现场测试亟待进行。开发测试平台进行现场 测试对于m i m o 通信技术迈向实用化具有重要意义。先进的多天线系统测试平 台，不但可以探测各种传播环境下的m i m o 信道特征，验证信号处理算法性能， 而且有助于评估算法实时实现的可行性。这些测试平台也是进行新技术研究与实 际系统开发的重要基地。国外很多研究机构纷纷进行实验平台开发与外场测试， 并有大量实验结果发表，如国际上v - b l a s t 的可行性验证实验、i s t m e t r a 项 目的室内外实验与b y u 的室内m i m o 实验等，它们极大地促进了m i m o 技术的 发展【1 1 。 随着m i m o 技术日趋成熟，为适应市场发展，诸多无线产品厂商共同合作， 提出各种以m i m o 技术为基础的解决方案，并且进行m i m o 芯片的开发。目前， 主要的m i m o 芯片制造商包括a i r g o 、a t h e r o s 、m e t a l i i l l 【与r a l i l l k 等，一些设备 制造商已将芯片用于自己的m i m o 产品，而且a i r g o 开始试产第三代m i m o 芯片， 并同l i i l l ( s y s 公司一起研发第四代产品。总之，全球的m i m o 芯片市场日益壮大， 为m i m o 技术的商用打下基础。 随着m i m o 技术日趋成熟，并向实用化迈进，国际上很多研究机构己不断推 动m i m o 技术的标准化进程，包括：m i m o 无线传播信道模型的标准化和m i m o 技术的标准化。 在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动的未来通用无线通 信技术研究计划( f u t u i 也) 分为三阶段实施：在第二阶段( 2 0 0 4 1 到2 0 0 5 1 2 ) ， b 3 g 4 g 空中接口技术研究达到相对成熟的水平，并进行与之相关的系统总体技 术研究( 包括与无线自组织网络、无线接入网络的互联互通技术研究等) ，完成联 网实验和演示业务的开发，建成具有b 3 g 4 g 技术特征的演示系统，向i t u 提交 初步的新一代无线通信体制标准；在第三阶段( 2 0 0 6 1 到2 0 1 0 1 2 ) ，完成通用无 线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场实验，完成预 商用系统的研制i l j 。 1 3 软件无线电概述 软件无线电( s o n w a r ed e f i n e di i o ，简称“s d r ，) 是利用数字信号处理软件实 第一章绪论 3 现无线功能的技术，能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同 的软件，可实现不同的业务性能。 传统模拟无线电系统的射频部分、上下变频、滤波及基带处理全部采用模拟 方式，某频段和某种调制方式的通信系统都对应专门的硬件结构；而数字无线电 系统的低频部分采用数字电路，但其射频部分和中频部分仍离不开模拟电路。与 传统无线电系统相比，软件无线电系统的a d 、d a 变换移到了中频，并尽可能靠 近射频端，对整个系统频带进行采样，这是软件无线电的一个突出特点。数字无 线电采用专用数字电路，实现单一通信功能，无编程性可言。而软件无线电以可 编程力强的d s p 器件代替专用数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立。这样 就可基于一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并对工作频 率、系统带宽、调制方式、信源编码等进行编程控制，系统灵活性大为增强【4 】。 软件无线电的主要特点可以归纳如下： 1 具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。可以与其它任何 电台进行通信，并可以作为其它电台的射频中继。可以通过无线加载来改变软件 模块或更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模 块。 一 2 具有很强的开放性 软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术 的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法 中解脱出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路， 尤其是减少模拟环节，把数字化处理( 刖d 和d a 变换) 尽量靠近天线。软件无线 电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构， 实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件 模块的不断升级和扩展。理想软件无线电的组成结构如图1 1 所示。 电话 图像 数据 传真 i k 窄带 实时、准实 宽带 一 射频前 。 h 时处理软件 d d | k 端模块 r 入吣d | 入 h 一 h 转换器转换器 一 d s p 图1 1 软件无线电组成示意图 鉴于软件无线电灵活性、开放性等优点，本文考虑用通用的软件无线电平台 来进行关于m i m o 技术的研究。 4 基于m i m o o f e i m 通信系统的研究与硬件平台实现 1 4 本文的主要内容及章节安排 i e e e8 0 2 1 1 n 标准是8 0 2 1 l a 1 1 9 协议的后续，由于其引入了m i m o 技术，因 而系统带来了更高的传输速率和系统鲁棒性等优点。本文在研究了8 0 2 1 1 n 标准 之后，构建了m i m o 0 f d m 通信系统框架，重点对m i m o 技术中发射分集技术 和空间复用技术做了深入研究。并将系统移植到一个通用的软件无线电硬件平台 上，经过硬件调试，在此平台上完成了m i m o o f d m 系统的主要功能，实现了 不同计算机终端之间的数据传输。主要工作如下： 1 分析了m i m o 和o f d m 技术的基本原理，指出两种技术的结合，实际上 是在各个正交的子信道上分别进行m i m o 编码，为之后m i m o o f d m 系 统奠定了理论基础。 2 对i e e e8 0 2 1 1 n 标准进行了研究，在构建系统框架之后，对m i m o 不同 空时编码技术进行了仿真测试，说明了各种编码方法和不同天线数量所使 用的环境。 3 将m i m o o f d m 系统移植到通用的软件无线电硬件平台，经过硬件调试， 主要包括a d s p t s l o l 、e p 2 s 9 0 和a d 6 6 5 4 、a d 9 8 5 7 专用芯片的使用与 调试以及各芯片相互通信的控制，最终实现了两台计算机终端之间的数据 传输。 本文的章节安排如下： 第二章首先分别讨论了m i m o 技术与o f d m 技术，以及如何将两种技术结 合使用。之后研究了i e e e8 0 2 1 1 n 标准物理层，构建了发射机与接收机的处理流 程及算法介绍。 第三章介绍了本文使用的软件无线电硬件平台，并讨论了如何根据要求来设 计硬件平台的工作流程。然后对本软件无线电平台中硬件的配置和控制做了详细 说明。 第四章先对本文提到的m i m o o f d m 系统做了软件仿真，主要对m i m o 技 术不同空时编码和不同天线数量做了仿真对比并进行了详细分析。最后介绍了硬 件板卡的调试方案和过程，给出了频谱分析仪输出频谱图和计算机终端发送和接 收界面图等。 第二章8 0 2 1 1 n 无线通信系统 5 第二章8 0 2 11 n 无线通信系统 8 0 2 1 1 n 高速无线局域网标准已于2 0 0 9 年9 月由i e e e 正式批准，这无疑加 速了无线局域网的飞速发展。8 0 2 1 l n 标准是8 0 2 1 1 a 1 1 9 的后续发展，它主要引 入了m i m 0 技术。m i m o 技术的应用，可以充分利用时间、空间维度来降低多径 带来的衰落，而o f d m 技术又可将m i m o 系统的频率选择性衰落信道转变成多 子载波上的平坦衰落信道。这两者的结合使用，有效提高了信号质量和系统性能。 本章首先介绍了m i m o 、o f d m 技术，其次介绍了8 0 2 1 1 n 标准中规定的高吞吐 量混合格式( h tm i x e df o m a t ) 的p p d u ( p l c pp r o t o c o ld 疵lu 1 1 i t ，物理层收敛 协议数据单元) 帧结构及发送、接收端的处理流程。 2 1 1m i m o 技术概述 2 1m i m o o f d m 原理 蜂窝通信和无线局域网对容量的需求呈爆炸性的增长。尤其是互联网的无线 接入和多媒体应用对信息吞吐量增长的需求，已超过现今技术所能支持的数据速 率的几个数量级。一个使数据速率增长得以实现的重要技术突破就是在系统的发 射端和接收端使用多天线。这样一个使用多天线发射和接收的系统就是通常所说 的多输入多输出系统1 3 j 。 m i m 0 通常用于i e e e8 0 2 1 1 n ，但也可以用于其他8 0 2 1 1 技术。m i m o 有时 被称作空间多样，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点( 移动设备) 或接入点( a p ) 支持m i m o 时才能部署m i m o 。 m i m o 的优点是能够增加传输速率或提高传输质量。无线电发送的信号被反 射时，会产生多径信号，每径信号都是一个空间流。使用单输入单输出( s i s o ) 的 系统一次只能发送或接收一个空间流。m i m o 允许多个天线同时发送和接收多个 空间流。它允许天线同时传送和接收。通常，多径要引起衰落，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 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道， m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形 成n 个信息子流c i ( k ) ，i = 1 ，n 。这n 个子流由n 个天线发射出去，经空 间信道后由m 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 并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。 6 基于m i m o o f d m 通信系统的研究与硬件平台实现 特别是，这n 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。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个 并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。 利用m i m o 技术还可以提高信道的容量，也可以改善无线通信系统的性能。 前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m 0 信道提供的空 间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算 法、m m s e 算法、m l 算法。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大， 对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。z f 算法简单容易实现，但是对信 道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是b l a s t 算法。该算法实际上是 使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。目前m i m o 技术领域另一个研究热点就 是空时编码。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【1 0 】。 m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，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( 或天线阵列) 同时发送信号。由 于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，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。发射 分集主要是空时码技术。空间复用技术与发射分集不同，它在不同天线上发射的 是不同的信息，空间复用技术真正体现了m i m o 系统容量提高的本质。贝尔实验 室的v - b l a s t 是空间复用技术的典型应用，它使用了称为垂直分层空时码的技 术。 下面分别介绍基于发送分集和空间复用两种方式的典型技术： ( 1 ) 空时分组码( s t b c ) s t b c 实质上是将同一信息经过正交编码后从多根天线上发射出去，几路 信号由于具有正交性，在接收端就能将各路独立的信号区别出来，之后只需 做简单的线性合并就可以获得分集增益。 a l 锄o u t i 空时编码是最简单的空时分组编码方案。编码器如图2 1 所示： 而，恐 编码器 信息源调制器 h ，小 一 l 屯 j l 一= 五，一而 正2 j = k ，五 图2 1a l 锄o u t i 空时分组码编码原理图 编码器在每一次编码操作中取两个调制符号五和恐，并根据如下的编码矩阵 z 将它们映射到发送天线【l o 】，如式( 2 1 ) 所示： 第二章8 0 2 1 1 n 无线通信系统 7 x ：r 而。 l 一而 ( 2 1 ) 将每一组这样的符号称为一个码字。假设信道满足以下几个限制条件： 1 假设是平坦衰落信道； 2 假设各发射天线到接收天线之间的信道是独立的随机信道； 3 假设在一个码字的时间内，信道是准静态的，增益为常数； 4 假设噪声是均值为o 的高斯随机噪声。 设信道矩阵为： 日= p 2 ， 其中，红服从r a y l e i 曲分布的信道衰落因子。接收端收到的信号为： ( ：) = ( 箍臻) p 3 ， ，l l 、为均值为0 的加性高斯白噪声。然后将接收信号做如下线性处理： i = 碍，i + 吃弓= ( h 1 2 + i 吃1 2 ) _ + 耳啊+ 吃垅 ( 2 4 ) 五= 绣，i 一啊弓= ( i 1 2 + i 红1 2 ) 屯一啊呓+ 绣啊 这样，信息就从码字中分离出来，每个符号可以独立地进行判决。从式( 2 4 ) 可以看出，2 个发射天线的s t b c 编码具有2 阶分集增益，而且编码速率为1 ，即 保持全速率，频谱利用率没有损失。 将以上方法推广到个接收天线的情况。此时，信道矩阵为2 的矩阵： 、日辑i 嚣葛 亿5 ， 实际上，这相当于有个2 l 的s t b c 接收机，根据式( 2 - 4 ) 可以推出以下结 果： 所以，系统可以获得2 阶的分集增益。 空时分组码的正交性使得接收端能够区别来自不同发射天线的信号。这是空 时分组码能够实现发射分集的本质特征。 ，现 确 助 ， d嚣芝一 1 l h 叶 耽 西 d同闩 卜 + 2 一声 k k + 玩 觑 、=， 闩一 = i | 机 吃 厂 j 所 十 + “ 。玩 忽 一一 l i = 墨 一屯 8 基于m i m o o f d m 通信系统的研究与硬件平台实现 砧锄o u t i 的发送天线阵子数目为2 ，编码速率为1 。但是，当发射天线阵子 数目大于2 时，目前还没有找到编码速率为l 的码组【1 6 1 。目前对于发射天线阵子 数目等于3 、4 的系统，如果采用复信号星座，那么最大的空时编码速率只能达到 1 2 和3 4 。式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 给出发射天线为3 、4 时的复信号编码矩阵，编码速率 均为1 2 。 g 3 = g 4 = 毛屯屯 一x 2x ix 4 一屯一心而 一x 4x 3x 2 而恐秘 一x 2x l x 4 一而一黾而 一黾而 五j c 2屯i 一屯西 一 恐 为两屯 黾而镌五 五而 黾 一而五一恐 一黾而五一砭 一一为而而 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 可见，对于采用高阶调制的高速率多天线的无线通信系统，如果直接采用空 时分组编码算法，不可能充分地利用系统的有效性。因此，寻找更好的空时分组 码目前已成为一个研究方向。 下图给出了a l a l l l o u t i 空时编码方案的b e r ( 误比特率) 性能【2 l 仿真条件如 下： 1 发送端使用b p s k 调制，且各种不同发送方案中总发送功率相等，并归一 化为l ； 2 使用平坦块衰落模型，且各副发送天线到接收天线之间信道相互独立； 3 接收端完全知道信道的衰落系数，噪声服从均值为0 的复白高斯分布。 第二章8 0 2 1 1 n 无线通信系统 9 b p s ka i a m o u i ia 嚣r 雕l 西曲曲钠n d 图2 2a l 锄o u t i 空时分组码b e r 性能图 图2 2 可以看出，两发一收的a l 锄o u t i 方案和双分支m r c ( m a ) ( i m a lr a t i o c o m b i i l i n g ，最大比合并) 接收分集方案实现了同样的分集数，它们的b e r 曲线 斜率相同。当达到相同b e r 时，a l 锄o u t i 方案所需信噪比要高3 d b 。这是由于两 根发送天线的总发送功率与单天线的发送功率相等造成的。也就是说，每根发送 天线的发送功率均为单天线情况下发送功率的一半。如果两根发送天线上的发送 功率与单天线情况下的相同，那么两发一收的a l 锄o u t i 方案和双分支m r c 接收 分集方案的b e r 曲线将重合。一发四收和两发两收情况的比较也是如此，但它们 获得的分集增益是前面的2 倍，从图中可以看出曲线的斜率变得更陡了。因此可 以得到这样的结论：砧a m o u t i 空时编码在两根发送天线和- 根接收天线下获得的 分集增益等于一根发送天线与2 m 根接收天线在m r c 下获得的分集增益【2 】。 ( 2 )垂直分层空时码( v - b l a s t ) v - b l a s t 是一种分层空时编码。分层空时编码的基本思想是把高速的数据业 务分接为若干低速数据业务，通过普通的信道编码器编码后，对其进行分层空时 编码，调制后再送多根天线发送。在接收端，用多根天线进行分集接收。研究表 明，分层空时码的优点是当接收天线数，大于发送天线数m 时，其系统容量是 与发送天线数成正比例增长的【2 。 v - b l a s t 就是将并行信道编码器的输出按垂直方向进行空问编码，其编码原 理如下所示。假设发送天线数m = 3 ，则按照如下的编码矩阵x 将信道编码器的 输出映射到发送天线，其中a 、b 、c 分别表示信道编码器1 、2 、3 的输出序列。 f q 6 lc l哦钆q x = 1 6 2c 2 口5 岛岛l ( 2 9 ) l 口3 岛 c 3c 6 j 1 0 基于m i m o - o f d m 通信系统的研究与硬件平台实现 v - b l a s t 系统的接收信号向量y 可以表示为y = 俄+ 刀，其中，信道矩阵日为 平坦块衰落信道，x = i 五，吃，恐，h 为发送信号向量，疗为接收端各根天线上 的噪声向量，是功率谱密度为“的循环复高斯白噪声。可见v b l a s t 空时编码 不是基于发送分集的，它各根发送天线上的信号是相互独立的，在接收端每根接 收天线上的信号是所有发送信号的叠加。垂直空时分层码由于译码相对简单，性 能好而在实际系统中应用较多，常用迫零( z f ) 算法进行线性译码。 z f 算法首先寻找一个加权矩阵形，使其满足 r 1 ，一， w ，广拈l f j ，屯产1 ，2 ，h ( 2 以o ) 其中，嵋和厅，分别表示加权矩阵形的第i 行和信道矩阵日第j 列。可知满足 式( 2 1 0 ) 的加权矩阵就是信道矩阵日的伪逆。z f 算法就是根据信道矩阵得到加权 矩阵，然后再把加权矩阵与接收信号相乘即可得到发送信号的判决度量： 曼= 盼= ( 日h 日1 日h y ( 2 1 1 ) 再对各个星座点进行最小欧式距离判决即可。由式( 2 1 1 ) 可见信道矩阵日要求 列满秩，则v - b l a s t 系统中接收端的天线数，必须不小于发送端的天线数f 。 图2 3 给出了v - b l a s t 空时编码系统采用z f 算法译码时的b e r 性能【2 j ，仿 真条件如下： 1 假设多天线系统的信道是平坦块衰落信道； 2 假设各发送天线到接收天线之间的信道是相互独立的，并且信道是呈瑞利分 布的，均值为o ，每维方差为o 5 ； 3 假设噪声是均值为0 的复高斯随机噪声； 4 接收端已获得信道传输特性。 图2 3z f 算法的b e r 性能 第二章8 0 2 1 1 n 无线通信系统 由图2 3 可以看出，当发送天线等于接收天线数量时，z f 译码算法的性能很 差，一发一收和两发两收的性能曲线基本重合。然而，当接收天线数大于发送天 线数时，z f 算法的性能会随着接收天线数的增加有一定的提高。由此可知，z f 算法适合用于接收天线数大于发送天线数的系纠2 1 。 2 1 2o f d m 技术概述 o f d m ( 正交频分复用技术) 是一种无线环境下的高速传输技术。众所周知， 无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域 内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制， 并且各子载波并行传输，这样可以大大消除信号波形间的干扰。由于在o f d m 系 统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小 了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。o f d m 这种无线电使用效益 高、抗噪声能力强、适合高速数据传输的特点使它被认为是第四代移动通信的核 心技术10 1 。 然而，o f d m 的提出已有近4 0 年的历史，第一个实际应用是军用的无线高 频通信链路【15 1 。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近1 0 年 来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音频和视频领域己得到广 泛的应用。近年来，由于数字信号处理( d s p ，d 诤t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的 飞速发展，o f d m 作为一种可以有效对抗i s i 的高速传输技术，引起了广泛关注。 现在，无线城域网、无线局域网( w l a n ) ，甚至3 g 的c d m a 也开始引入o f d m 技术思想以提升其性能。o f d m 技术既可用于移动的无线网络，也可以用于固定 的无线网络，主要应用于以下几个领域： 1 高清晰度数字电视广播。目前，o f d m 在数字广播电视系统中实现了广泛 的应用，其中数字音频广播( d a b ) 标准是第一个正式使用o f d m 的标准。另外， 当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术就包括o f d m 技术， 欧洲h d t v 传输系统已经采用c o f d m ( c o d e d o f d m ：编码o f d m ) 技术。它具有 很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选 择o f d m 作为数字音频广播和数字视频广播( d v b ) 实现技术的主要原因在于 o f d m 技术可以有效地解决多径时延扩展问题。因此不难看出，o f d m 技术良好 的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲使用了o f d m 调制技术的d a b 试验系统己在运行，很快吸引了大量听众，明显地增强了移动中接收无线广播的 效果。对于d a b 的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使 o f d m 接收机的价格大大降低，其市场前景非常看好。 2 无线局域网。技术的不断发展，引发了融合，o f d m 等关键技术开始应用 1 2 基于m i m o o f d m 通信系统的研究与硬件平台实现 到无线局域网中，以提升w l a n 的性能。8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 就采用o f d m 调制 技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。8 0 2 1 l n 计划将m i m o 与o f d m 相 结合，使传输速率成倍提高。 3 宽带无线接入。o f d m 技术适用于无线环境下的高速传输，不仅应用于无 线局域网，还在宽带无线接入( b w a ) 中得到应用。i e e e8 0 2 1 6 工作组专门负责 b w a 方面的技术工作，它已经开发了一个2 g h z 1 1 g h z b w a 的标准i e e e 8 0 2 1 6 a ，物理层就采用了o f d m 技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术， 而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。在b w a 领域，一些公司开发 的技术虽然都基于o f d m ，但有各自的特色，形成一些专利技术，如v e c t o r o f d m 、 w i d e b a n d o f d m 、f l a s h o f d m 等。 总体来说，o f d m 的优点可以概括为以下五个方面： 1 频谱效率高 由于f f t 处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近n y q u i s t 极限。以 o f d m 为基础的多址技术o f d m a ( 正交频分多址) 可以实现小区内各用户之间的 正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使o f d m 系统可以实现很高的小区容 量。 2 带宽扩展性强 由于o f d m 系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此o f d m 系统 具有很好的带宽扩展性。小到几百l ( h z ，大到几百m h z ，都很容易实现。尤其是 随着移动通信宽带化( 将由5 m h z 增加到最大2 0 m h z ) ，o f d m 系统对大带宽的有 效支持，成为其相对于单载波技术( 如c d m a ) 的“决定性优势 。 3 抗多径衰落 由于o f d m 将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信 道可以看作平坦衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载 波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽( 如 2 0 m h z ) 。 4 频谱资源灵活分配 o f d m 系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域 资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。 5 实现m i m o 技术较简单 由于每个o f d m 子载波内的信道可看作平坦衰落信道，多天线( m i m o ) 系统 带来的额外复杂度可以控制在较低的水平( 随天线数量呈线性增加) 。相反，单载 波m i m o 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于 m i m o 技术的应用。 第二章8 0 2 1 l n 无线通信系统 1 3 尽管o f d m 有着种种优势，但是对于高速无线通信，单纯的o f d m 系统对 抗无线环境中的多径衰落是不够的，只有和m i m o 技术结合起来，才能更好地发 挥其功效。m i m o 技术与o f d m 技术相结合是无线通信领域智能天线技术的重大 突破。m i m o 技术能在不增加带宽的情况下成倍地增加通信系统的容量：而o f d m 技术被普遍认为是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。m i m o o f d m 技术 可以为系统提供空间复用增益，从而大大增加信道容量。m i m o 技术的空间复用 就是在接收端和发射端使用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一 频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量 的增加而线性增加。这种信道容量的增加不占用额外的带宽，也不消耗额外的发 射功率，因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。 2 1 3m i m o o f d m 系统 在传统的无线通信系统中信道的多径特性会引起信号衰落，是造成误码的主 要原因之一，而m i m o 技术能够将多径作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统 的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使用多根天线来增 加空间维，利用多根天线所带来的多条传输路径来获得空间复用增益或空间分集 增益，从而提高系统的传输性能。m i m o 技术虽然能够在一定程度上利用传播中 的多径分量，在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，从而有效地提 高了系统的传输速率和频谱利用率。但是对于频率选择性衰落信道的情况，m i m o 系统仍然是无能为力的，而m i m o 和o f d m 技术两者的结合可以很好的解决以 上问题【l 】。o f d m 的基本原理是将串行的高速数据流分解成若干个并行的低速子 数据流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载波上的 信号叠加合成一起输出。m i m o o f d m 系统利用o f d m 技术将m i m o 系统的频 率选择性衰落信道转变成多个子载波上的平坦衰落信道，同时利用m l m o 技术在 不增加带宽的条件下，成倍的提高o f d m 系统的数据传输速率，有效的提高了无 线链路的信号质量和系统可靠性，是当前无线通信的研究热点。 比特流 习肝t 曰插会囊环l 星空 座时 映 + 编 射 码 习肝t 日插会霎环i 图2 4m i m o o f d m 系统发送端基带原理框图 1 1 4 基于m i m o o f d m 通信系统的研究与硬件平台实现 m i m o o f d m 系统发送端的基带原理框图如图2 4 所示。信息比特流首先经 过星座点映射，具体可以是m p s k 或m q a m 等方式，映射后的数据符号进入空 时编码器。空时编码器将输入数据流变成m 路并行的数据流分别对应，根发送天 线，分配到每根天线上的数据被分为个一组对应个子载波，然后进行i f f t 变换到时域并添加循环前缀，上变频后经d a c 进入模拟通道以及射频发射。在 此用s ( 后) 和j ( 胛) 分别表示第p 根发送天线上的第f 个频域和时域o f d m 符 号，则第p 根发送天线的发送信号s 。，( 刀) 可以表示为 肋) = 嘉黔唧( 警) 式中k 为子载波序号，n 为时域内采样点序号，且0 疗，七一1 。 1 去黧环曰肿e 空 星 时 座 解 逆 码 映 射 一囊环日肿e 比特流 图2 5m i m o o f d m 系统接收端基带原理框图 假设m i m o o f d m 系统接收端具有m 根接收天线。系统工作在多径环境中， 且信道最大延迟为l 个采样点，第p 根发射天线和第q 根接收天线之间的信道冲 击响应办。( ，z ) 可以表示为 一1 ，。( 刀) = 6 ( 咒一，) ( 2 - 1 2 ) ，= o 式中乃叫，表示第p 根发送天线到第q 根接收天线之间信道的第1 个路径的复 增益，6 ( 玎) 表示脉冲响应函数。 m i m o o f d m 系统在理想情况下接收端的基带工作原理如图2 5 所示。经过 m i m o 信道之后，接收端任意天线上的接收信号都是，根发送天线上信号的叠 加。每根接收天线的接收信号经过模拟通道后通过a d c 采样成为数字信号，再 由数字下变频得到单倍或多倍符号率的数据。在理想的同步和已知信道状态信息 的情况下，各根接收天线上的数据去除循环前缀，然后将数据进行f f t 变换。信 号经过f f t 之后己经转换到了频域，将频域数据和等效频域信道响应相结合送入 空时解码模块，最后对空时解码后的数据进行星座逆映射，恢复原始数据。在此 第二章8 0 2 1 1 n 无线通信系统 1 5 用心，( 七) 和，( ”) 分别表示第q 根接收天线上第i 个o f d m 符号频域和时域的接 收信号，则第q 根接收天线的时域接收信号，( 珂) 可以表示为 _ 。，( 刀) = 瓤，( 疗一，) 也，( 刀) ( 2 1 3 ) 式中，( 力) 为零均值的复高斯白噪声，并且与接收信号无关。与o f d m 系 统类似，信号经f f t 后得到的频域信号可以表示为 心，( 七) = 砟，。( 七) & ，( 七) 岷。( 七) ( 2 - 1 4 ) 式中，( 七) 为频域噪声，( 后) 是第p 根发射天线和第q 根接收天线之间 的信道在第k 个子载波上的衰落系数。砟，。( 七) ( 七= o ，1 ，一1 ) 为序列州的n 点离散傅立叶变换。 = 鼽，e x p ( 一，等) ( 2 - 1 5 ) ，= o 式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 给出了m i m o o f d m 系统在频率选择性衰落信道中的频域 模型。可以看出，系统的本质是利用o f d m 技术将信号带宽划分成一系列并行传 输的子载波上的窄带信道，然后在每个子载波信道上使用m i m o 技术。可见 m i m o o f d m 系统接收端的解调可