（通信与信息系统专业论文）tdlte系统mimo检测技术研究.pdf

摘要 本文主要研究t d l t e 下行系统接收机中基于空间复用的m i m o 信号检测技 术。 论文首先简要介绍了当前移动通信技术的发展现状，阐述了m i m o o f d m 传 输技术的基本思想和特点，对无线传输信道的基本特征进行了分析；随后，分析 了基于空间复用的m i m o o f d m 系统模型，并且介绍了几种传统检测算法。尽 管最大似然检测拥有最佳的性能，但在高阶调制和天线数较多时需要极高的计算 复杂度，使得它的应用有很大的局限性，因此针对最优检测算法复杂度过高的问 题，介绍了几种在性能接近最优检测的前提下尽量降低复杂度的检测算法，并且 考虑到t d l t e 下行系统的天线配置，提出了一种能够适用于高阶调制的信号检 测算法，克服了传统最优检测算法在高阶调制时复杂度高的缺点；全文算法均采 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，所提算法具有和最 优检测相近的性能，能够应用于t d l t e 系统中；最后，对m i m o 系统中的软输 出技术进行了研究，并且简化了软比特信息的计算，接着针对不同的调制方式给 出了t d l t e 系统中的信号检测解决方案，同时在提高系统吞吐率、提高系统工 作频率以及减少资源占有量方面给出了一些建议。 关键词：长期演进多输入多输出正交频分复用信号检测软输出 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 e s i g n a l d e t e c t i o nm e t h o df o r s p a t i a l l y m u l t i p l e x e dm i m oi nt d l t ed o w n l i n ks y s t e mr e c e i v e r 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 d ，a n d t h e nt h eb a s i ci d e ao fm i m o o f d mt e c h n o l o g ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s c h a n n e lm o d e la r ea n a l y z e d t h e n , i ts h o w st h em o d e lf o rs p a t i a l l ym u l t i p l e x e d m i m o - o f d ms y s t e ma n di n t r o d u c e ss e v e r a lt r a d i t i o n a ls i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m s f o rs p a t i a l l ym u l t i p l e x e dm i m os y s t e m s a l t h o u g hm a x i m u m - l i k e l i h o o dd e c o d i n gi s t h eo p t i m a ld e t e c t i n ga l g o r i t h m ，i t se x t r e m e l yh i g hc o m p l e x i t ye x c l u d e si t sa p p l i c a t i o n t op r a c t i c a lm i m os y s t e m ，e s p e c i a l l yw h e nh i g h - l e v e lm o d u l a t i o na n dl a r g en u m b e r t r a n s m i ta n t e n n ai su s e d s oc o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t i e st ok e e pt h eb a l a n c eb e t w e e n p e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yi n t r a d i t i o n a ls i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m si nm i m o s y s t e m s ，s e v e r a l m e t h o d sw h i c ha c h i e v en e a r - m l p e r f o r m a n c e b u t r e q u i r e s i g n i f i c a n t l yl e s sc o m p l e x i t yt h a nt h eo p t i m a lm lm e t h o da r ei n t r o d u c e d , a ns i g n a l d e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ea n t e n n an u m b e ro ft d l t ed o w n l i n k s y s t e m ，w h i c hr e q u i r el o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt h a nt h eo p t i m a lm l m e t h o di n h i g h e r - l e v e lm o d u l a t i o ne s p e c i a l l y a l lt h ea l g o r i t h m si nt h i sp a p e ra r 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 ss 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 lf o r t d - l t es y s t e m f i n a l l y , t h es o f t o u t p u tt e c h n o l o g yi nm i m o s y s t e mi ss t u d i e da n ds i m p l i f i e d at o t a ls o l u t i o nt ot h es i g n a ld e t e c t i o nm o d u l ef o r d i f f e r e n tm o d u l a t i o ns c h e m ei nt d l t ed o w n l i n ks y s t e mi sp r o p o s e da n ds o m e s u g g e s t i o n sa b o u tt h ee n h a n c e m e n to ft h r o u g h p u ta n dt h ef r e q u e n c yo fw o r k i n gc l o c k a r em a d e k e y w o r d s ：l t e m i m oo f d m s i g n a ld e t e c t i o n s o f to u t p u t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新i 生) 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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：鲤壁至日期丝：三：鱼 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。 本人签名：进魈查 导师签名： 日期墨丝：三：丝 日期墨丝：至丛 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 引言 近些年，飞速发展的计算机、通信和信息技术，已经成为驱动现代社会迈入 信息时代和政治、经济、文化全球化的主要原动力。目前，在世界的大部分地区， 通过身边的电视、计算机、固定电话和移动终端，人们可以迅速方便地获取来自 全球的最新资讯。通信业作为整个世界的基础行业之一，正在深刻地改变人们的 生活和工作方式。进入2 l 世纪以来，通信行业各个环节的全球化进程正在加速，移 动、宽带的飞速发展和不断演进显示了信息社会对人类社会平坦化所产生的巨大 威力【。 然而随着无线通信系统用户数的激增，使得各国对频谱的需求量急剧增加，导 致无线频谱资源日益紧张。因此，仅仅靠增加带宽来提高传输速率是不切实际的。 移动通信中的物理信道要占据一定的时间、频率和空间。人们对于时间、频率这 些资源的利用已经非常成熟，虽然也越来越重视开发利用空间资源，但到目前为 止，在对空间资源的利用上仍然有很大的潜力可挖，利用空间资源的无线通信传 输技术为解决频谱利用率问题开辟了一个新的途径。 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 ) 技术通过在无线通信 系统收发两侧同时配置多个天线，充分利用了信道的空间特性，增加了处理的自 由度，从而能够在不增加带宽的情况下成倍提高系统的数据传输速率和传输质量， 开拓了一条有效利用空间资源提高传输速率和频带利用率的方法，是无线通信领 域的一个重大突破，已经吸引了人们广泛的研究兴趣。在m i m o 提出后的短短几年 时间内，随着贝尔实验室基于b l a s t ( 贝尔实验室分层空时) 技术m i m o 系统的演 示成功、及其在各种无线通信国际标准中不断地崭露头角，人们有足够的理由相 信，该项技术将成为下一代无线通信系统中的一项关键技术。 m i m o 无线通信系统中的信号检测( 即“m i m o 检测 ) 相对传统单天线系统 中的信号检测，需要进行包括空间维在内的多维信号处理，而且，由于面临系统 发端多天线同时发送信号所引起的同信道干扰的挑战，通常检测复杂度更高、检 测难度也更大，同时增加了系统的实现成本，这些都给m i m o 系统的实用带来一定 的困难。因此，在所有相关的空时编码、空时检测算法中，性能与复杂度之间的 平衡或者折衷问题始终是关系到这一技术能否真正适于实际应用的关键因素。如 何以尽可能低的复杂度，有效地抑制系统中的同信道干扰、恢复出发送信号、实 现m i m o 系统相对单天线系统的性能增益，是一项具有挑战性的研究任务。 2t d l t e 系统m i m o 检测技术研究 1 2 移动通信的发展 上世纪6 0 年代末，美国贝尔实验室等单位提出了蜂窝系统的理论。到了7 0 年 代，大规模集成电路技术、微处理技术和表面装贴工艺的广泛使用，为蜂窝移动 通信的实现提供了技术基础。从那以后，移动通信发生了重大的变化并得到了迅 速的发展。经历了第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统和目前已 经商用的第三代宽带数字移动通信系统。未来移动通信系统后三代( b e y o n d 3 g ) 或称为第四代( 4 g ) 移动通信系统的研发也已经正式启动。 第一代( 1 g ) 无线通信系统出现于2 0 世纪的8 0 年代初，主要包括模拟蜂窝和 无绳电话系统，典型的代表有美国的a m p s 、英国的t a c s 模拟蜂窝通信系统等。 它们要采用模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术，向用户提供话音业务。1 g 系统 频谱利用率太低、系统容量小、不适合数据业务的需要，在日益激烈的市场竞争 中己被逐步淘汰。 第二代移动通信技术主要采用的是数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多 址( c d m a ) 技术，主要业务是语音业务。典型的代表有采用时分多址( t d m a ) 技术的g s m 系统、以及采用码分多址( c d m a ) 技术的i s 9 5 系统。第二代移动通 信克服了模拟移动通信系统的弱点，语音质量、保密性能得到大的提高，并可进 行自动漫游。由于第二代移动通信采用不同制式，移动通信标准不统一，用户无 法进行全球漫游。此外第二代移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用， 因此无法实现高速率的业务，如移动多媒体业务。 对更高比特率数据业务和更好频谱利用率的迫切要求，是推动第三代移动通 信系统发展的主要动力。第三代( 3 g ) 移动通信系统的目的是希望移动通信系统 能和固定网一样支持将话音、图像、数据等业务综合在一起的交互式宽带多媒体 业务，并具有高频谱效率、更好的传输质量，支持分组交换业务和非对称传输模 式，实现全球普及和全球无缝漫游。世界各国公认的3 g 蜂窝网络标准有欧洲的 w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 、中国的t d s c d m a ，这些系统都采用c d m a 技术， 可以提供话音以及最高传输速率达2 m b i t s s 数据业务。3 g 系统相对2 g 系统在通信 的速度和质量上都有了很大的提高，可以支持多媒体和基于i p 的业务，但是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能令人满意， 而且3 g 也没有建立起一个全球统一的通信标准。 3 g 技术的出现给移动通信带来了巨大的影响，也给人们的生活带来了前所未 有的体验，它使上网冲浪、联网游戏、远程办公等摆脱了场地和环境的束缚，实 现了真正的无所不在。但人们的需求并没有就此停滞，大量的市场调研和专家研 究表明，2 m b s 的w c d m ar 9 9 传输速率、1 4 4 m b s 的r 5h s d p a 的峰值速率已远 第一章绪论 远不能满足人们未来的需求。另一方面，随着无线通信技术的不断发展，以o f d m 技术为代表的各项技术在近几年成为热点，并且逐渐走向产业化；特别是这些新 技术在无线宽带接入系统中的出现，将无线通信的接入速率提升到了1 0 0 m b s 的量 级，这给正处在3 g 发展期的传统蜂窝移动通信带来了巨大的竞争压力【2 】。 为了满足用户需求和应对宽带接入技术的挑战，国际标准化组织3 g p p 在2 0 0 4 年底启动了其长期演进l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 技术的标准化工作，希望达到 以下目标：保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势；填补第三代移动通信系 统和第四代移动通信系统之间存在的巨大技术差距；使用己分配给第三代移动通 信的频谱，保持无线频谱资源的优势；解决第三代移动通信系统存在的专利过分 集中问题。3 g p pl t e 项目主要的性能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行 1 0 0 m b s 、上行5 0 m b s 的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降 低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状 态迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ；支持1 0 0 k i n 半径的小区覆盖；能够为3 5 0 k r n h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b s 的接入服务；支 持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5 m h z 到2 0 m h z 多种带宽1 2 1 。 为实现这些目标，必须发展和综合运用一系列新的先进技术，其中包括无线 传输技术( r t t ) 、无线资源管理( 砒w ) 技术、移动网络技术等。物理层无线 传输技术的突破是实现l t e 目标的一个关键因素，l t e 中采用的物理层关键技术有 m i m o 技术、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 ) 技术、自适应编码调制( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 技术，混合自动 重发请求( h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，h a r q ) 技术等。 1 3m i m o 检测研究现状 近年来，对m i m o 系统中信号接收结构的研究日益增多，利用m i m o 结合空 间复用技术可以提高数据传输速率，结合空时编码可以取得空间分集增益，从而 提高性能。m i m o 系统中要求信号检测技术必须能够正确地分辨出各个发射天线 上所发出的信号并做出判决，用最小的代价恢复出最可靠的信号，这就要求所用 的信号检测算法在性能和复杂度之间取得良好的折中。 m i m o 检测算法按照处理方式分为线性检测算法和非线性检测算法。 线性检测就是对接收信号进行线性加权，以满足一定准则的检测方法。根据 判定准则的不同线性检测算法主要包括迫零( z e r of o x i n g ，z f ) 检测和最小均 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 ) 检测。 线性检测算法计算原理简单，算法复杂度主要集中在矩阵求逆，但性能较差， 通常不会单独使用。 4 t d l t e 系统m i m o 检测技术研究 非线性检测算法包括串行干扰消除( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，s i c ) 算法、并行干扰消除( p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，p i c ) 等。 串行干扰消除在检测到干扰信号波形时，一次一个地将干扰从接收信号中去 除，直到估计出全部的发送符号。 并行干扰消除是采用并行的方式消除符号间的干扰，即在所有的信号被解调 之后，同时将干扰从接收信号中去除。 总体来说，非线性检测算法的性能优于线性检测，但和实际中的性能要求相 差还是较大。 m i m o 检测算法按照性能分为最优检测算法、次优检测算法等。 最优检测算法即为最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 检测【3 】。m l 检测算 法通过在发射信号向量空间内寻找经过信道变换以后到接收信号距离最小的那个 发射信号作为最终的检测结果输出，具有最佳的性能，但同样复杂度随着天线数 和星座图的大小呈指数增长，所以在天线数较多时一般不会采用。 次优检测算法指的是计算复杂度远小于m l 算法而误码率性能又不会下降很 多的检测算法，如近年来出现的球形( s p h e r ed e t e c t i o n ，s d ) 检测算法，k b e s t 检测算法等。 与m l 算法在整个信号空间内寻找发送信号向量不同，s d 算法是在以接收信 号点为圆心的某个范围内搜索和接收信号欧氏距离最近的发送信号向量，如果搜 索半径合适，则会在降低复杂度的同时找到最优解。 k b e s t 算法和s d 算法类似，同样是在某一范围内寻找和接收信号欧氏距离最 近的发送信号向量，只是在寻找最优解时搜索方向和s d 算法不同，随着搜索范围 的扩大性能也就越接近m l 检测性能。 m i m o 检测技术归纳起来就是上面介绍的几种。目前，主要的研究方向就是 在尽量降低已有算法复杂度的前提下更加接近m l 检测的性能。 1 4 本文研究思路和内容安排 本文在详细分析t d l t e 系统的基础上，深入研究了m i m o o f d m 系统信号 检测技术中现有的各种算法，并通过m a t l a b 进行了仿真，仿真结果验证了各个 算法的性能。重点研究了k b e s t 算法以及针对2 发2 收情况下的p d 算法，并且 给出了m l 算法和p d 算法在输出软比特信息时的实现结构，其中简化了软比特信 息的计算，在低复杂度下达到良好的性能，做到了复杂度和性能之间的平衡，有 利于降低接收系统的实现复杂度和成本。 本文余下的章节安排如下： 第二章主要介绍m i m o 和o f d m 技术。首先介绍了o f d m 技术的基本概念、 第一章绪论 系统原理和优缺点；其次介绍了m i m o 系统的模型并推导了m i m o 系统容量，着 重介绍了m i m o 系统中分集、复用等几种模式及其引入的不同增益以及空间分集 中典型的空时块状编码( s t b c ) ；最后对t d l t e 下行系统中物理层的主要技术和 具体的帧结构进行了简要介绍。 第三章首先介绍了基于空间复用m i m o o f d m 系统中的收发信号和信道模 型，给出了具体的数学推导。然后给出了传统的检测算法，包括最优的m l 检测 算法，以及实现最简单的线性检测算法，包括迫零( z f ) 检测算法和最小均方误 差( m m s e ) 检测算法，还有v - b l a s t 结构中的干扰消除算法。最后重点介绍了 几种复杂度较低、性能接近m l 检测的算法。首先介绍了球形检测算法，研究了 算法的具体结构，分析了该算法的优缺点，给出了一些改进复杂度的建议；接着 利用球形检测中的树形搜索原理介绍了k b e s t 算法的原理结构，以及改进k b e s t 算法性能的排序q r 分解，并给出了其相对于球形检测的一些优点；最后针对 t d l t e 系统2 发2 收的结构提出了性能十分接近m l 检测的p d ( p a r a l l e ld e t e c t i o n ) 算法，给出了算法具体的实现原理。以上各个算法都用m a t l a b 进行了仿真，并 对仿真结果进行了分析，验证了各个算法的理论结果。 第四章主要针对t d l t e 系统2 发2 收的结构给出了接收端具体的m i m o 检 测实现方案。首先介绍了m i m o 检测中软比特信息的计算，并通过数学推导得到 了简化的软比特信息计算公式。然后具体介绍了m l 检测在q p s k 和1 6 q a m 两种 调制方式下的实现方案以及p d 检测在6 4 q a m 调制方式下的实现方案，在提高处 理速度以及节省资源方面给出了一些建议。 第五章总结了全文的工作和研究成果，并对今后的工作进行展望，提出下一 步研究的思路。 第二章理论基础 7 第二章理论基础 本章首先介绍了m i m o o f d m 系统的基础知识，包括m i m o 系统的基本模型、 系统容量和o f d m 技术的基本原理和优缺点，以及二者结合起来的一些无法比拟 的优势；其次介绍了无线信道的衰落特性，包括各种衰落类型；最后介绍了3 g p p 长期演进计划的基本内容，包括其物理层技术概述、t d l t e 系统具体的帧结构以 及发送端处理过程等。 2 1m i m o o f d m 技术介绍 随着时代的发展，无线通信系统对于数据传输速率的要求不断提高，然而可 用的无线频谱资源却是有限的，如何在有限的频谱上实现高速率、高性能的数据 传输，是下一代无线通信必须面临的一个巨大挑战。为了更高效的利用频谱资源， 可以采用发送端和接收端均有多个天线的m i m o 系统。由于引入了空间维，在适 当的信道环境下，相对传统的单天线系统m i m o 系统可以提供额外的空间复用增 益和空间分集增益。另外无线信道的一个显著特征就是多径传输，而o f d m 技术 就是减小多径影响的一个重要技术，并且由于其子载波正交可以高效的利用频谱 资源。将m i m o 和o f d m 技术结合构成的m i m o o f d m 系统，技术上相互补充、 使之成为实现无线信道高速数据传输最有希望的解决方案之一，具有广阔的发展 前景。 2 1 1o f d m 技术 _ o f d m 原理与数学模型 o f d m 全称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 ，即正交频分复用，是 一种多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术1 4 。多载波技术把数据流 分解为若干子比特流，并用这些数据去调制若干个载波，此时数据传输速率较低， 码元周期较长，对于信道的时延弥散性不敏感。 o f d m 的基本原理是：在发送端，串行码元序列先进行基带调制输出，对其 进行串并转换，分成n 路并行的子信道信号d 0 ，毋，d _ ，分别调制在相互正交 的n 个子载波厶，石， 一。上，然后将这n 路调制信号并行叠加发送出去；在接 收端对接收信号进行采样，然后进行n 路解调，再将这n 路解调信号进行串并转 换，恢复出发送的信号。o f d m 调制解调框图如图2 1 示。 8 t d l t e 系统m i m o 检测技术研究 高 型梦二二+ d ( t ) 信 一点e 一。 s p。，c ：2 吉 +道 一拶 7 p s 速串行数据 o f d m 解调输出 堕吟=杏= 图2 1o f d m 调制解调结构原理图 为使n 个子载波之间具有正交性，这n 个子载波频率五，石，厶一。必须满足 一种精确的数学关系： 以= 丘+ 玎a t ，甩= 0 ，l ，n - 1 ( 2 1 ) 其中工为载波频率，矽为子载波间隔。 如图2 1 所示，多载波调制输出信号政，) 可写为如下的形式： 一1 d ( f ) = 或( f ) p 血印 ( 2 2 ) n - - 0 其中为第n 个子载波频率，见( f ) 为第n 个载波上的复数信号，若设定在一 个符号周期内d n ( f ) 为定值( 即非滚降q a m ) ，则有： 见u ) = 见 ( 2 3 ) 设信号采样频率为1 t ，则有 一1 d ( 尼r ) = 味e j 2 筇( a + ”y 玎 ( 2 4 ) n = o 一个符号周期瓦内含有n 个采样值，即有 i = 胛( 2 5 ) 由于o f d m 信号首先在基带产生，然后再通过上变频才调制到射频输出。因 此不失一般性，可令以= 0 ，式( 2 - 4 ) 可简化为 n l d ( 后丁) = 见p 7 2 万n v 灯( 2 6 ) n = 0 由式( 2 6 ) ，若妒= 1 n ，可得到 n - i d ( 七丁) = 见p 伽删 ( 2 7 ) n = o 如果不考虑i d f t 的系数，则式( 2 7 ) 与i d f t 形式 嗣= 篓g ( 枷 ( 2 - 8 ) 第二章理论基础 9 完全一致。通过式( 2 7 ) 与式( 2 - 8 ) 的比较可以看出，若把见看作是频域采样信号， 则d ( k t ) 就为其对应的时域信号。此时予载波间隔满足 鲈= 击= 昙 ( 2 - 9 ) 由此可知，若选择子载波频率间隔v 为1 l ，则o f d m 信号不但保持了正交 性，而且可以用d f t i d f t 来实现相应的o f d m 调制与解调。 当引入d f t 技术对并行数据进行调制解调时，单个子载波的频谱是s i n c 函数 而非带限的( 见图2 2 ) ，o f d m 通过数字信号的基带处理来实现，并不需要专门 的带通滤波器，这大大降低了o f d m 系统实现的复杂度，同时也提高了系统实现 的精确性。为了使d f t i d f t 前后的信号功率不变，可按下式定义： d f t ： 础) = 丽1 刍n - ! m ) e x p ( 一_ ，等d 脚，1 ，- 1 ( 2 1 。) i d f t ： m ) = 嘉薹眦) e x p ( 歹等，z ) 删，1 ，- 1 ( 2 - 1 1 ) 由于o f d m 采用的基带调制为反离散傅里叶变换，因此可以认为数据的基带 调制输出为频域信号，经过i d f t 变换转化为时域号信再发送出去，接收端通过 d f t 变换，恢复出原始的频域信号。 ( a ) 单个o f d m 子载波频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 2 0 f d m 频谱 传统的多载波即频分复用方案中，频带被分为若干个不相交并且相互之间有 保护间隔的子频带，这样频谱利用率较低，并且接收端需要多个滤波器。而o f d m 技术可以看成一种子载波间相互正交的m c m ，即把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进行传输。这样，无线传输时多径衰落的时间 1 0t d l t e 系统m i m o 检测技术研究 弥散相对减少，使得频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落的子信道，从而大 大减小了符号间干扰。同时又因为子载波间正交使相邻信道的频谱可以重叠，载 波间结合的很紧凑，不再有传统频分复用方案中的保护频谱开销。因此o f d m 有 更高的频谱利用率，o f d m 频谱结构如图2 2 所示。 为了能够完全消除符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，通常在o f d m 符号中引入一段长度作为保护间隔，只要选取的保护间隔大于信道最大时延扩展 就可以完全消除i s i 。而最有效的保护间隔是使用符号的循环扩展，即把每个o f d m 原始符号结尾的一段数据复制后加到符号的起始端，如图2 3 所示。加入循环前缀 后，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。因此，只要选取的保护间隔大于信道的 最大时延扩展时就会完全消除i s i 和i c i 的影响。 复制复制复制 ，r 一有效数据- r 一一个o f d m 符号 保护i 间隔r 卜一 图2 3o f d m 符号 迄今为止，o f d m 技术己经广泛应用到各类民用通信系统中，被多个通信标 准所采纳，如：欧洲地面数字视频广播d v b t f 5 】标准，数字音频广播d a b t 6 1 标准， 日本综合业务地面数字广播i s d b t t 7 】【8 1 标准，高速数据传输数字用户环线x d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 标准【9 1 ；高速无线局域网( w i r e l e s sl a n ) 标准如e t s i 的 h i p e r l a n 2 f l o 】【l l 】和i e e e8 0 2 1l a t l 2 】；在i e e e8 0 2 1 6 3 t 1 3 】标准中，o f d m 技术还被 应用于固定无线接入f w a ( f i x e dw i r e l e s s a c c e s s ) 系统等等。总之，o f d m 技术己 经展现出广阔的应用前景，愈来愈成为研究人员所关注的新一代通信核心技术。 o f d m 特点 o f d m 作为下一代无线通信系统的关键技术，有以下优点1 4 1 ： ( 1 ) 频谱利用率高。由于子载波间频谱相互重叠，充分利用了频带，从而提高 了频谱利用率。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，有利于移动接收。由于o f d m 系统 把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，使每个码元占 用频带远小于信道相关带宽，每个子信道呈平坦衰落，从而减弱了多径传播的影 响。若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干 扰。 ( 3 ) 接收机复杂度低，采用简单的信道均衡技术就可以满足系统性能要求。 第二章理论基础 ( 4 ) 采用动态子载波分配技术使系统达到最大的比特率。通过选取各子信道， 每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特功率最大。即要求各子信 道信息分配应遵循信息论中的“注水定理 ，即优质信道多传送，较差信道少传送， 劣质信道不传送的原则，可以有效地对抗窄带干扰，因为窄带干扰只能频率选择 性地影响一小部分载波上的数据。 ( 5 ) 基于离散傅里叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采用i f f t 和f f t 来实现调制和解调，易于d s p 实现。 但是，o f d m 技术存在两个主要的缺点： ( 1 ) o f d m 有较高的峰均l l ( p a p r ) 。o f d m 发射机输出信号的瞬时值会有较大 的波动，这要求系统内的一些部件具有很大的线性范围。这导致了非常低的射频 功放效率和昂贵的发射机成本，而且对放大器的线性特性要求比较高； ( 2 ) 对载波频率偏移敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用各个子载 波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，引 入i c i ，这导致了同步的复杂。 这两个缺点都不利于满足终端尺寸限制的要求，成为o f d m 技术应用于移动 通信的主要障碍。 2 1 2m i m o 技术 _ m i m o 系统结构和基本原理 m i m o 系统利用多个天线同时发送和接收信号，任意一根发射天线和任意一 根接收天线间形成一个s i s o 信道，通常假设所有这些s i s o 信道间互不相关。按 照发射端和接收端不同的天线配置，多天线系统可分为三类系统：单输入多输出 系统( s i m o ) 、多输入单输出系统( m i s o ) 和多输入多输出系统( m i m o ) 。 m i m o 系统是一种将信号在空间域处理与时间域处理相结合的技术方案，空 间域的处理实际上是利用了多径传播环境中的散射所产生的不同子信号流的非相 关性而在接收端对不同的信号流进行分离。 m i m o 技术的机理是信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而 改善每个用户得到的服务质量( 误比特率或数据速率) 。通常多径传播被视为有害 因素，然而m i m o 技术的关键就是能够将传统通信系统中存在的多径传播因素变 成对用户通信性能有利的增强因素【1 4 】【1 5 】。它有效的利用了随机衰落和可能存在的 多径传播来成倍地提高业务传输速率。m i m o 技术最大的成功之处就在于它将信 道视为若干并行的子信道，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重 复利用，理论上可以极大的扩展频带利用率【l6 1 ，提高无线传输速率，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 1 7 1 。 1 2t d l t e 系统m i m o 检测技术研究 m i m o 系统信道容量 根据信息论，系统信道容量可以定义为在差错概率任意小的条件下，系统获 得的最大数据速率。 假定信道容量的分析模型为复数基带线性系统，m i m o 信道是在收发两端使 用多个天线，每个天线对之间形成一个m i m o 子信道，发送端有r 根发送天线， 接收端有尼根接收天线，发射端未知信道的状态信息，总的发射功率为p ，每根 发射天线的功率为p i ，接收天线接收到的总功率等于总的发射功率，信道受到 加性高斯白噪声( a w g n ) 的干扰，且每根接收天线上的噪声功率为仃2 ，于是每 根接收天线上的信噪比( s n r ) 为 = p c r 2( 2 - 1 2 ) 并且假定发射信号的带宽足够窄，信道的频率响应可以认为是平坦的，在某 一时刻，可以用r 舟的复矩阵日来表示信道矩阵。 h = ( 2 1 3 ) h 盯是从第f 副发射天线到第，副接收天线间的复值瑞利衰落系数，是任意一对 收发天线之间的增益。 对于分别配有r 根发射天线和骨根接收天线的m i m o 信道，发射端在不知 道传输状态信息条件下，如果信道的幅度固定，则信道容量可以表示为 r， c = l 0 9 2 ld e t ( i n + 寺q ) i ( 2 - 1 4 ) v 个 式中：m 玩珥和臂之间的最小数 乙垅加m 新阶的单位矩阵 d e t ( ) 矩阵行列式 矩阵q 的定义如下： q = h 删h h ，, 岭n r 坼n r ( 2 1 5 ) 一般来说，当平均发射功率一定时，信道容量与最小的天线数m i n ( n r ，虬) 成 i f _ v a t l 4 】。因此在理论上，对于理想的随机信道，可以获得无限大的信道容量，只 要能为多根天线和相应的射频( i 强) 链路付出足够的代价和提供更大的空间，实 际上这是不可能的，因为它要受到实现方法和物理信道本身的限制。 帐 ； 以 址胁：m 2 2 r 地励；绯砌；m 第二章理论基础 m i m o 复用系统 空间复用技术主要是指b l a s t 技术，这是由贝尔实验室提出来的一项突破性 技术，能够提高无线链路的容量2 0 到3 0 倍。b l a s t 技术首先由f o s c h i n i 提出。 香农的容量公式解决了点到点通信问题，而b l a s t 技术的理论解决了组到组通信 问题，它又给香农的容量公式增加了一维，即空间。当噪声和干扰比较严重的时 候，就可以利用空间来消除这些干扰和噪声。b l a s t 根据编码后数据流的发送顺 序，可以分为垂直分层空时码( v - b l a s t ) 和对角分层空时码( d b l a s t ) 两种。 b l a s t 的实现如图2 4 所示，坼为发射天线数，p 为接收天线数。将需要 传送的信号经过串并转换，转换成多路平行的信号流，并且在同一频带上使用各 自不同的天线同时传送。由于各个天线间相互独立，每一个发送天线针对接收端 产生一个不同的信道，在接收端则利用空间信道的不同来区分各自的数据流。实 现空间复用必须要求天线单元之间的间距大于相关距离( 不小于半个波长) ，即要 求收发两端之间各个子信道之间的衰落不相关。 发送天线接收天线 图2 4b l a s t 结构示意图 在自由空间里，b l a s t 结构通过占用比普通天线系统更多的传输空间，用来 在各发射天线和接收天线间构筑多条相互独立的通道，产生多个并行子信道，并 通过这些并行的空间子信道独立地传输信息，达到空间复用的目的，以此方式来 提高系统的数据传输速率，获得复用增益。 - m i m o 分集系统 m i m o 分集系统主要是利用空间分集特性，致力于提高链路的可靠性，所采 取的技术主要是在空间和时间上进行联合编码的空时编码( s t c ) 技术，主要包括： 空时格码( s t t c ) f 1 8 j 、空时块码( s t b c ) ( 1 纠等。 ( 1 ) 空时格码( s t t c ) 1 9 9 8 年t a r o k h 提出空时格形编码( s t t c ) ，把多天线分集和编码联合考虑，提 出了构造准静态瑞利衰落信道下满分集增益和高编码增益的系列准则。在给定分 1 4t d l t e 系统m i m o 检测技术研究 集增益的情况下，可以通过增加格状图状态的方法来提高编码增益，但是，同时 状态数的增加必然会导致解码复杂度的增高。由此可见，当发射天线数固定时， 其接收机复杂度随着传输速度的增大成指数型增长。因此实际应用中要在编码和 分集之间取得折衷。 ( 2 ) 空时块码( s t b c ) 空时格码存在解码过于复杂的问题，为了解决这一阻碍其应用于实际系统的 缺点，c a d e n c e 公司的a l a m o u t i 首先提出了一种基于双发射天线的空时发射分集 方式，可以获得满分集增益，同时由于发射分集编码的正交性，接收端可以采用 最大比合并，使其解码复杂度比s t t c 低很多。假设使用两个发送天线和一个接 收天线，具体检测算法介绍如下： 在第一个码元周期，两个天线同时发送符号。假设从0 号天线发送信号， 从1 号天线发送信号墨；在下一个码元周期，0 号天线发送一i ，1 号天线发送。 并且假设在连续的两个符号周期的时间内信道保持不变，有 o ) = | l z d o + r ) = ( 2 - 1 6 ) 【h i ( t ) = 啊o + 丁) = j j l 式中t 是符号持续时间，于是接收到的信号 r ，i o ：= r ( t r ( t 嚣尝嘲 p 【，i =+ r ) = 一i + 红 、 7 式中，和吒分别表示在时刻f 和t + t 接收天线接收到的信号，式( 2 1 7 ) 用矩 阵表示如式( 2 1 8 ) 二撒 p 埘 式( 2 18 ) 进行变换得到 两边乘以日得到j i = 日 耄 = 惫曼 耄 ( 2 1 9 ) 北 仁2 。， 然后通过最大似然检测就可以恢复出发送端的信号。这种编码方式极大的降 低了接收端检测的复杂度，获得了分集增益。 后来，t a r