（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211awlan的mimoofdm系统信道估计技术.pdf

摘要 本文对i e e e s 0 2 1 l a 系统的信道估计技术进行研究。首先介绍了单天线系统 下的信道估计方法，包括基于训练序列，导频的估计算法和l s 估计算法。随后提 出了一种基于迭代估计的算法，性能仿真证明它能够对信道特性进行更好的跟踪。 针对w l a n 的突发传输特性和室内环境，在研究了m i m o o f d m 系统中基 于训练序列估计方法的基础上，文章首先提出了一种频域估计的算法，并对之进 行了改进。然后重点研究l s 估计下的最优训练序列设计方法，包括正交训练序列 设计和移相正交训练序列设计。研究表明移相正交训练序列突破了正交训练序列 对于发射天线数目的限制，能够在任意数目的发射天线下，得到l s 估计的最小 m s e 。最后，提出了一种恶劣多径信道下的最优l s 估计算法。仿真证明，这种估 计算法在信道的最大多径迟延大于o f d m 保护间隔长度时，仍然能够对信道进行 正确的估计。 关键词：信道估计和均衡多入多出正交频分复用i e e e 8 0 2 1 l a a b s t r a c t t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yo f m i m 0 0 f d ms y s t e mb a s i n go ni e e e 8 0 2 1l a i ti n t r o d u c e st h ee s t i m a t i o na l g o r i t h m s o fs i n g l e a n t e n n as y s t e m ，i n c l u d i n gt r a i n i n gs e q u e n c e s ，p i l o t se s t i m a t i o na n dl s e s t i m a t i o na tt h eb e g i n n i n g t h e ni tp r o p o s e san e wa l g o r i t h mb a s e do nt h ei t e r a t i v e e s t i m a t i o n s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h i sm e t h o dt r a c k st h ec h a n n e lt r a i te f f e c t i v e l y a i m i n ga tt h ei n d o o re n v i r o n m e n ta n dt h eb u r s tt r a n s m i s s i o nm o d eo fw l a n s y s t e m ，t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e se s t i m a t i o na l g o r i t h m so fm i m o o f d ms y s t e m b a s e do nt h et r a i n i n gs e q u e n c e s af r e q u e n c ye s t i m a t i o nm e t h o di sf i r s tp r o p o s e da n d i m p r o v e d t h e nb a s i n go nt h el se s t i m a t i o n ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h eb e s td e s i g n m e t h o d so ft h et r a i n i n gs e q u e n c ei n c l u d i n gt h eo r t h o g o n a lt r a i n i n ga n ds h i f to r t h o g o n a l t r a i n i n gs e q u e n c e s t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，w ec a l lp r o v et h et h e ya r eb o t hb e s td e s i g n m e t h o d s ，b u ts h i f to r t h o g o n a lt r a i n i n gs e q u e n c eb r e a k st h r o u g ht h el i m i to ft h en u m b e r o ft r a n s m i ta n t e n n a sa n dg e t st h el e a s tl se s t i m a t i o nm s e t h e nae s t i m a t i o na l g o r i t h m t od e a lw i t hw o r s tm u l t i p a t hc h a n n e li sp r o p o s e d p r o v e db ys i m u l a t i o ni tc a l lh a v et h e c o r r e c tc h a n n e le s t i m a t i o ne v e nw i t ht h ei s i k e y w o r d ：c h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o nm i m oo f d mi e e e 8 0 2 1 l a 独创性( 或创新性) 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：虚曼逸 日期z 0 0 6 ，；，弓 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，发表论文或使用沦文( 与学位论文相关) t 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) n 期，弓 几期型亟! 呈：堡一纽 名 名 签 签 人 师 本 导 第一章绪论 第一章绪论 无线通信技术的发展，经历了几个重要的阶段，在不断的改变和提高中，渐 渐走向成熟。但是，人类的需求也是随着无线通信技术的发展而发展的。多媒体 业务的繁荣和发展，使得人们对数据传输速率的要求越来越高，这就给目前的无 线通信技术带来了新的难题。一个有效的解决方案就是引入多天线，即m i m i o ( 多 入多出，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术。同时，o f d m ( 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 o d u l a t i o n ) 技术也由于它有效的抗多径性能越来越 受到广泛的关注。将m i m o 技术与o f d m 技术相结合，具有广阔的使用前景，成 为未来通信发展的一个热点。 1 1 无线通信技术的发展 无线通信技术的发展，主要经历了以下几个阶段。 一、第一代移动通信系统 蜂窝小区设计技术的应用是第一代无线通信系统( 1 g ) 诞生的标志。它极大改善 了大容量需求与有限频谱资源之间的矛盾。1 g 主要采用模拟电子技术，f m 调制， f d m a 多址技术，主要用于传输单一语音信号。典型系统有美国的a m p s ，北欧 的n m t ，日本的n a m t s 。1 9 8 0 年代开始，欧美国家开始开发第二代移动通信 系统。 二、第二代移动通信系统 数字技术是第二代移动通信系统( 2 g ) 的主要特征。2 g 系统主要有欧洲的 o s m 、美国的d a m p s ( i s 5 4 ，现在的i s 1 3 6 ) 和c d m a ( i s 9 5 ) 、日本的p d c 。 其中的典型代表是g s m 。1 9 9 0 年，e t s i 制定出g s m 的规范。g s m 于1 9 9 2 年 投入商用。最初最大速率为1 4 4 k b p s ，改进后速率可达5 7 6 k b p s 。i s 9 5 是最早的 商用c d m a 网络，1 9 9 3 年制定标准，1 9 9 5 年投入商用。i s 9 5 第一个版本 i s - 9 5 a 提供速率为1 4 k b p s ，1 9 9 7 年改进后i s 9 5 b 数据传输速率可达6 4k b p s 。 2 g 的主要特点有：采用微蜂窝小区结构及数字化技术，引入新的调制方式： g m s k 、q p s k ，引入t d m a 、c d m a 多址方式，提高了频谱利用率和用户容量， 能提供更多种的业务，降低了开发成本，提供更有效的管理和更优质的服务。 三、第三代移动通信系统 为实现任何人在任何时间、地点以任何方式与任何人进行通信( 5 a ) 的目标， i n ，提出了以i m t - 2 0 0 0 为研究对象的第3 代移动通信系统( 3 g ) ，于1 9 9 2 年提 出其频段范围，1 9 9 8 年后确定了最终的无线传输技术( r t t ) 标准。一般认为 ! 基于i e e e s 0 2 1i a w l a n 的m i m o - o f d m 系统信道估计技术 c d m a 技术和宽带业务是它的主要标志：i m t 2 0 0 0 最初定义的主要参数为其数据 传输速率：室内通信速率2m b i t s ，车载通信速率1 4 4 k b i l s ，步行者通信 速率3 8 4k b i t s ，并实现全球漫游和多媒体业务。地面无线接口方案的主要标准有 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 等。3 g 的主要业务是在2 g 提供的话音数据的基础上， 进一步提供多媒体服务如静态图像、移动图像等多种服务。3 g 采用微蜂窝结构， 宽带c d m a 技术，q p s k 调制、自适应调制方式，t d m a c d m a 多址技术，交 换方式从电路交换到分组交换。2 0 0 1 年d o c o m o ( 采用w c d m a ) 等公司已经开始 提供3 g 服务。 四、第三代无线通信系统以后 当前，能提供2 m b i t s s 最大传输速率的3 g 系统已步入商用阶段，但是3 g 从标准制定开始便面临着越来越高越来越多样化的无线通信需求的挑战。3 g 中采 用的扩频技术主要为d s c d m a 技术，但由于正交扩频码集构造的困难以及同信 道干扰随用户数增多而严重，3 g 技术仍难以向更高速业务领域扩展；由于 i m t - 2 0 0 0 空中接口标准的限制，3 g 难以提供具有不同q o s 和性能需求的全范 围多媒体业务，而2 g h z 频段资源将很快饱和。 另外，目前在无线通信领域，多种体制并存。移动通信系统有 w c d m a ( d s c d m a f d d ) ，e d g e ，c d m a 2 0 0 0 ( m c - c d m a ) ，t d - s c d m a 、h s d p a 等标准，无线局域网有8 0 2 1 l a ，b ，g ，h i p e r l a n 等多种体制，无线城域网有i e e e 8 0 2 1 6 。8 0 2 ，0 6 a , c ，d 等。通信体制多样化，但是相应的无线传输速率渐渐难以适应 未来高质量的多媒体业务以及和i n t e m e t 的融合的无线宽带多媒体系统。因此， b 3 g 4 g 的概念应运而生。当前，4 g 与3 g 之间并没有明确的划分标准。日本设 想中的4 g 系统是宽带的统一的无线网络，提供语音数据和影像等多种服务的 2 0 m 1 0 0 m b p s 的数据率；当达到6 0 0 m b p s 时成为5 g 。其它的看法如在3 g 中 引入智能天线和干扰抵消技术就形成了3 5 g ，如果采用软件无线电实现各种体制 的融合就构成了4 g ，也有欧洲学者认为高速的基于i p 的综合业务是4 g 的主要 特征。但一般认为，未来通信系统应具有下述特征 1 1 1 2 1 ： 需要占据更宽的带宽； 采用全数字技术，提供更高的传输速率和更大的容量； 支持分组交换，通信以i p 协议为基础，能实现更高质量的多媒体通信，兼容 性强更强； 采用大区域覆盖，与3 g 、无线l a n ( w - l a n ) 和固定网络之间无缝隙漫游， 使得终端具有智能和可扩展性； 实现真正意义的全球漫游，能满足用户接入因特网不受地域和设备的限制，各 种用户设备便捷地入网； 采用高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性，独 第章绪论 立的软件平台等。 1 2 未来无线通信发展方向之m i m o o f d m 如前所述，随着社会信息化进程的加快，人们需要越来越频繁地交换各种数 据信息，各种宽带业务随之迅猛发展。为了能为用户提供多种业务，新一代移动 通信技术所应具有的一个特点就是高速的信息传送能力。b e y o n d3 g 4 g 技术将可 以提供高达1 0 0 m b i t s 的数据传输能力，甚至更高；支持的业务从语音业务到多媒 体业务，包括实时的流媒体业务，并且数据传输速率可以根据这些业务所需速率 的不同进行动态调整。而新一代移动通信技术所应具有的另一个特点是低成本： 要求在有限的频谱上实现高速率和大容量的信息传输，这就需要一种频谱利用率 极高的技术。 m i m o 技术正是在这样的大前提下被提出来，它的出现，带来了现代无线通 信技术的突破性发展。m i m o 技术能够在无线通信中产生多个相互独立的并行传 输信道并利用这些信道同时传输多路数据信息，这样可以有效地提高系统的传输 速率，同时并不需要额外增加系统所占带宽，达到了增加频谱利用率的目的。信 息论已经证明，基于时空分集的m i m o 技术，当多个收发天线对之间的并行无线 信道互不相关时，m i m o 系统的信道容量会随着天线数目的增加而线性增大i 5 1 。 假定发送天线数为 0 ，接收天线数是。，在每个天线发送信号能够被分离的情况 下，有著名的m i m o 信道容量公式： ， c = l 0 9 2 d e t ( i + - h h “) 】b s h z ( 1 - 1 ) v r 其中，p 是接收天线的信嗓比的平均，h 是碥n r 的信道响应矩阵，珏”是h 的共轭转置。根据这个公式，信道容量将随着埘= r n i n ( 。坼) 的增长而成线性增长， 从而提供了目前其他技术无法达到的容量潜力。因此可以说m i m o 技术有效地解 决了未来宽带无线通信系统所要面临的一大挑战，可以通过各个发送天线间的联 合编码获得分集增益，从而提供可靠性，也可以通过空间复用技术获得成倍增长 的信道容量。 未来无线通信所面临的另一个挑战就是多径衰落现象。复杂的外界环境，使 得信号在经历了反射、折射、绕射等多种效应后，才能到达接收方。接收方接受 的的信号将是多路信号的叠加。这将会造成频率的选择性衰落而使信号失真。这 就需要一种能够有效的抵抗多径效应的通信体制。 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可 以被当作一种复用技术【4 2 1 。o f d m 用最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代 就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。但是由于使用模拟滤波器实 一4 基于i e e e 8 0 2 11 a w l a n 的m i m o - o f d m 系统信道估计技术 现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来。在2 0 世纪7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散傅立时交换( d f t ) 实现多载波调制，为o f d m 的使用奠定了 理论基础；在8 0 年代，l j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问 题和解决方案。从此以后，0 f d m 在移动通信中得到了迅猛发展。 在传统的f d m 系统中，发送端在不同的频率上发送信号，各个频段之间没有 任何同步。在o f d m 系统中，准备在各个频段上发送的数据被组合成一个单独的 复用数据流，这些数据是由多个子载波密集打包组成的，然后在o f d m 系统中传 输。在o f d m 信号内的所有子载波都在时间和频率上同步，实现各个子载波之间 的正交，使子载波间的干扰被严格控制。这些复用的子载波在频域上交错重叠， 但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔，所以不会发生载波问干扰 ( 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 l ) ，且具有较强的抗多径的能力。 从上文可知，新兴的m i m o 和o f d m 技术能够有效解决未来移动通信面临的 两个难题：多径衰落和宽带效率。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域 内转换为平坦信道，减少的多径衰落的影响。而m i m o 技术能够在空间中产生独 立并行的多路数据流，这样就能够有效的提高了系统的传输速率，即在不增加系 统带宽的情况下增加了频谱效率1 6 4 l 。 无线局域网是九十年代计算机技术和通信技术发展结合的产物。最初阶段的 无线局域网主要是为了克服地理障碍和免去布线的繁琐，使网络的安装更加方便， 而网络中接点的移动能力并不重要。但随着后期便携式计算机的普及和多媒体移 动终端的出现，人们对通信的需求开始出现了巨大的变化，无线局域网也因此得 到了迅猛的发展，无线局域网作为宽带接入方式的一种以其高速和有线局域网所 没有的灵活性正越来越受到人们的青睐【8 。9 】【4 3 1 。 自1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 l 标准制定以来，基于i e e e 8 0 2 1 1 的无线局域网标准发展迅 速，已成为无线局域网的主要标准，广泛应用于办公、家庭、公共场所、学习和 热点地区( 如飞机场、码头仓库、超市) 。1 9 9 9 年8 月，i e e e 8 0 2 1 l 标准得到了 进一步的完善和修订，制定了两项新的物理层标准： i e e e8 0 2 1 l a 标准和i e e e 8 0 2 1 1 b 标准。其中8 0 2 1 l a 标准协议规定使用5 g h z 的工作频段( 在中国只开放 5 7 2 5 5 8 5 0 g h z ) ，使用o f d m 调制技术，可以提供高达5 4 m b p s 的传输速率。与 2 ，4 g h z 频段相比，5 g h z 的工作频段可以提供更大的带宽，因此具有更高的容量。 另外，工作在5 g h z 的无线电系统少，干扰也相对较少。 随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线局域网性能和数据速率的要求也 越来越高。i e e e s 0 2 1l a 和i e e e 8 0 2 1 l g 协议标准支持的最高速率为5 4 m b i t s s 的 数据速率显得有些低了。理论上来说，作为高速无限局域网和核心的o f d m 技术， 只要选择各载波的带宽和采用纠错编码技术，多径衰落对系统的影响可以完全被 消除。因此，如果没有功率和带宽的限制，我们可以用0 f d m 技术实现任何传输 第一章绪论 速率。而其他技术就不具备这种特性，因为采用其他技术时，当数据速率最终增 加到某一数值时信道的频域选择性衰落会占主导地位，此时无论怎样增加发射功 率都无济于事，这正是o f d m 适用于高速无限局域网的原因；但从实际上来说， 为了进一步增加系统容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线局网 需要增加载波的数量，丽这种方法从实际上来说，会造成系统复杂度的增加，并 增大系统的带宽，这对今日的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就不太适合 了。而m i m o 系统虽然在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。而 m i m o 和0 f d m 技术的结合可以很好的解决以上的问题：利用0 f d m 技术把频率 选择性深衰落信道转变成多个子载波的平衰落信道；利用m i m o 技术在不增加带宽 的条件下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。研究表明，在衰落信道环境 下，o f d m 系统非常适合使用m i m o 技术来提高容量。 所以，一项基于w l a n 与m n 订o 相结合的8 0 2 1 l n 的标准被提出，在传输速 率方面，8 0 2 1 i n 被认为可以将w l a n 的传输速率由目前8 0 2 1 1 a 及8 0 2 1 1 9 提供 的5 4 m b p s 提高到1 0 8 m b p s ，甚至高达5 0 0 m b p s 。这项标准尚在制定和研究当中， 预计在不远的将来，它将会发展成熟并投入实际应用。 1 , 3 论文主要工作 论文主要研究了基于i e e e 8 0 2 il a 的w l a n 系统下的信道估计技术并将重点 放在m i m o 0 f d m 的信道估计方面。全文分为六个章节。 第一章，简述了无线通信技术发展的历史和未来发展的趋势，提出 m i m o o f d m 技术研究的广阔前景。 第二章首先对m i m o 关键技术做了介绍。从分集的概念入手，讲述了m i m o 技术使用空间分集技术的优势，随后重点讲述了空时编码技术。对于o f d m 技术， 介绍了它的原理，优点和劣势。最后给出了一个典型的m i m o o f d m 系统的框架 并对之进行描述。 第三章中，先简要介绍i e e e 8 0 2 1 l a 的物理层结构。随后重点讲述基于w l a n 的了s i s o 系统的估计算法。分别讲述了基于训练序列，导频的估计和将二者相结 合的算法。对它们进行了仿真并给出了仿真结果。最后对基于迭代的估计算法进 行了研究，仿真结果证明这种算法在大多径下能够更精确的估计和跟踪信道。 第四章对m i m o o f d m 的信道估计技术进行研究。基于w l a n 的突发传输 特性和室内传输环境，使用训练序列的估计算法。首先介绍了常见的频域的训练 序列的设计方案。并对这些方案进行了改进。接下来基于时域l s 估计，研究最优 训练序列的设计方法包括正交训练序列和移相正交训练序列。指出移相正交训练 !基于i e e e s 0 2 1 i a w l a n 的m i m o o f d m 系统信道估计技术 序列设计突破了“y e 的正交训练序列设计方法中对于发射天线数目的限制，在任 意数量的发射天线下，都能够进行最优训练序列的设计，取得l s 估计下的最小均 方误差。最后，将最优的移相正交的训练设计方法与vd n g u y e n 提出的用于恶 劣多径信道的估计算法结合，提出了在恶劣多径信道下的最优l s 估计。分别对这 些算法做了仿真。 第五章介绍了基于i e e e 8 0 2 1 l a 单天线系统的信道估计部分的基于f p g a 的 硬件实现。 第六章总结全文，并给出了今后工作一些展望。 第二章m i m o - o f d m 关键技术 第二章m i m o o f d m 关键技术 7 前一章中已经讲到，在频率选择性信道中，将o f d m 技术应用于m i m o 通信 系统将减小宽带高速率传输符号问的干扰，进一步提高系统性能，同时提高系统 的传输速率。本章首先对m i m o 和o f d m 关键技术进行简单介绍，然后讲述 m i m o o f d m 系统的基本结构。 2 1 1 分集技术 2 1m i m o 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t ，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c ，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。然 而，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，也可以不提高信息速率而通过增加信息冗 余度来提高通信系统的性能，或者在两者之间取一个合理的折衷。 m i m o 技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集和时间分集的技术。 它的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多 ! 基于i e e e 8 0 2 11 a w l a n 的m i m o o f d m 系统信道估计技术 个天线或天线阵列，就构成了一个无线m l m 0 系统。信号通过发射端和接收端的 多个天线进行发送和接收，从而改善每个用户得到的服务质量( 误码率和数据速 率) 。m i m o 技术的核心是时空信号处理。它采用的是分立式天线( 即各个天线间 的相互距离足够远，且各个发射天线到各个接收天线间的信号传输可视为相互独 立的) ，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。 2 1 2 空时码( s p a c e t i m ec o d e ) 空时编码是在多输入多输出( m i m 0 ) 系统中的一种空域、时域联合编码调制 方案，它可以利用多发送天线的空间分集和采用信道编码和交织的时间分集。1 9 9 8 年，t a r o h 等人基于发射分集技术提出了空时码技术1 1 叫z 】，他们认为，如果在发射 端采用适合多天线传输的编码技术，同时在接收端采用适当的信号处理技术，就 能获德很大的分集增益。这季申编码技术本质上是在时间和空间上的二维编码，因 此能够同时使用时间分集增益和空间分集增益。目前主要的空时码有空时分组码 ( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 、空时格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) 以及分层空时码【h 。5 j ( 1 a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 。空时分组码的接收端可以通过线性处理把不同天线 发送的信息从码字中分离出来，解码复杂度低，具有很强的实用性。在天线数目 一定的情况下，空时格码具有一定的纠错功能，但它的复杂度( 依照解码端所需 要识别的格码状态数) 随着分集水平和传输速率的增加而呈指数级的增加。分层 空时码是贝尔实验室提出的，其在具体实现上复杂度较大。在以后的仿真系统中， 我们研究信m i m o o f d m 的信道估计技术，采用的均为空时分组码。以下分别对 空时分组码和空时格码进行介绍。 2 1 2 1 空时分组码( s t b c ) 空时分组码( s t b c ) 最早是a l a m o u t i 在1 9 9 8 年提出来的0 6 1 。它所提出的这 种空时码最初只适用于两幅发射天线的系统，具有简单的结构和良好的性能，因 此被称为a l a m o u t i 码。在a l a m o u t i 码的基础上，结合空时码的正交设计，目前已 使空时码适用于( m 2 ) 多天线情况。 空时分组码有效地克服了空时格码译码过于复杂的缺点，利用了正交设计理 论，从而支持最大似然检测译码算法，接收端完全采用线性处理技术。由于s t b c 的译码复杂度低，并且能获得最大分集增益，从而引起了通信界的广泛关注。 1 、s t b c 基本原理 图2 1 绘出了经典的两发两收s t b c 系统的结构原理框图。使用的是a l a m o u t i 码。其中主要包括三个部分：空时分组编码、接收机增益合并和最大似然检测。 第二章m i m o - o f d m 关键技术 玛 s o - $ 1 j i s 0 吃 码 9 图2 1s t b c 原理框图 1 ) 空时分组编码 在特定的一个符号周期内，两个符号被两个天线同时发送，发送天线t x o 发送 ，a 1 发送 ，在下一个符号周期内，戤。和及1 分别发送时刻一 + 和0 。如下表 所示： 表2 1 两个发送天线的s t b c 天线1天线2 t 时刻 置 t + t 时刻一墨 发端天线t x o 到收天线r x o 的信道响应表示为h o ( t ) ，发端天线t x l 到接收天线 g x o 的信道相应为扛( f ) 。假设信道衰落在是连续的，对于相邻两个符号，信道响 应是个常值。有如下表示： ( f ) = h o ( t + t ) = = 0 r o e j e o ( 2 - 1 ) 啊o ) = 啊( f + r ) = 啊= 喁p 用( 2 - 2 ) 其中r 是符号周期，对r x 0 ： r o = r o ( t ) = + 啊丑+ ， ( 2 - 3 ) = 吒o + d = 一 + 魄0 + 强( 2 - 4 ) 其中r o a r , 是接收天线r x o 在t 时刻和f + r 的值。随机变量和惕表示接收机的噪 声和干扰。 同理可得，天线r x l ： 堕 基于i e e e 8 0 2 1i a w l a n 的m i m o o f d m 系统信遵i 量彗技术 h 2 ( t ) = h a t + r ) = 吃= 0 2 e j e 2 吃( f ) = h 3 ( t + t ) = 魄= a 3 e 朋 r 2 = r 2 ( t ) = 吃+ h 3 s t + n 2 r 3 = 吩o + 丁) = - h 2 s t + t s o + ， 2 ) 接收机增益合并 图中接收机经过如下增益合并，最终送入最大似然检测模块。 ；o = h o r o + 啊+ + r 2 + 呜吩 ；- = 一+ 岛吃一吃吩+ 将( 2 1 ) ( 2 8 ) 代入( 2 9 ) 和啦1 0 ) ，可以得到： ；o = ( 8 , s o + h t s l + ) + 啊( 啊8 0 一_ + 碍) + 如( h 2 s o + 呜s i + 传) + 玛( 呜8 0 一吃s l + r 6 ) = 0 2 + q 2 + 2 + 2 ) + w n o + 啊m + 巧 1 2 + 魄n 3 ；l = 啊( + h t s t + ，) 一( 如s o 一为+ 强) + 鸭。( h 2 s o + h 3 s i + 玛) 一呜( 绣+ 8 0 一绣曲+ 玛) = ( a 0 2 + q 2 + 口2 2 + 2 ) s l + 魄n o 一啊。+ 岛+ n 2 一吃码 ；。和五将被送入最大似然检测模块。 3 ) 最大似然检测 最大似然检测模块的判决方法如下。 对于任意丑，_ ，j # i ，如果满足： d 2 ( ；0 ，( 2 + q 2 + 口：2 + 鸭2 ) 薯) d 2 ( ；。，( a 0 2 + 0 1 2 + 2 + 鸭2 ) s j ) ( 2 1 3 ) 则判决为s j ，其中，d 2 ( x ，力表示x 和y 的欧式距离，表示为 d 2 ( 墨y ) = ( x j ，) ( x 一y ) ( 2 - 1 4 ) 将( 2 。1 3 ) 式化简得到： ( 2 + q 2 + o t 2 2 + 0 3 2 - - 1 ) j 墨1 21 d 2 ( ；。，薯 ( 2 1 5 ) ( 2 十q 2 + 2 + 2 1 ) i s a 2 + d 2 ( ；。，- ) 同理，对于任意矗，s t ，k ，如果满足： d 2 ( ；1 ，( 2 + o t l 2 + 2 + 2 ) ) d 2 ( ；，( a 0 2 + 0 t 2 + 口：2 + 2 ) 丑) ( 2 - 1 6 ) 则判决为， 将( 2 1 6 ) 式化简得到： ( 2 + q 2 + 吃2 + 2 一1 ) i 1 2 + d 2 ( ；l ，& ) ( 2 - 1 7 ) 茎( 2 + a t 2 + 2 + 2 一1 ) l 鼍1 2 + d 2 ( ；l ，s t ) 射旬们舢 拼 m q q q q 二 二 川 ( ( ( 第二章m i m o - o f d m 关键技术 即，当岛和满足不等式( 2 1 5 ) ，( 2 1 7 ) ，最大似然判决输出判决估计值为t 和。 如果发射信号为p s k 信号，对于任意f 和j ，b 1 2 = i s j l 2 ，( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) 式又可 化简为： d 2 ( s 。，岛) d 2 ( ；。，s j ) v f _ ， ( 2 - 1 8 ) 进一步简化了判决复杂度。 由以上推导我们可以看出，由于空时分组编码的正交性，在接收端，仅仅利用 接收天线的接收信号的线性组合( 假设信道特性已知) ，就可以利用最大似然检测 译码，正确的恢复出原信号。 2 、多天线扩展 由前面我们可以看出，a l a m o u t i 码通过在发射端构建正交的发射矩阵，就能 使得信道相应矩阵具有正交性；在接收端只需作简单的线性运算就能把发送信号 中的符号分离出来，解码过程非常简单。 从a l a m o u t i 码可以看出，对空时分组码的设计来说，其核心就在于发送端编 码矩阵的构建。对于以上两个发送天线的系统来说，编码矩阵为 g 2 ：i l ( 2 1 9 ) l 是焉， 其中，矩阵g 的列号代表符号周期序号，行号代表发射天线的序号。更一般的， 设矩阵g 的第i 行_ ，列的元素为g f ，则蜀，表示的是第i 个发射天线在第，个符号周 期上发射的符号。矩阵g 的最大特征值是其列向量之间的正交性，这也是为什么 说“空时分组码是在正交发射分集基础上建立起来”的缘由。这种正交性带来的最大 好处是降低了译码计算的复杂性。 很显然，只要存在坼行的正交矩阵，那么空时分组码就能用于坼个发射天线 的系统。如果系统在p 个符号周期内发射七个符号，则定义码率为r = k p 。这里 给出r = 3 8 ，坼= 3 和r = 1 2 ，坼= 4 时的空时分组码发射矩阵g 和g 4 ”。 s l s ：一s 3 一s is ：一s ；一s ；一s ：、 g j = i 屯 置一岛岛 一岛i ( 2 - 2 0 ) b ，吨s t s 2 s ；一s ：s ：s ： g = ( 2 2 1 ) 吨飞。屯一埘甩一矾昂崩础兜研鸭矗丑吨吨q 嘎邑 最如如卧 旦基于i e e e 8 0 2 1i a w l a n 的m i m o - o f d m 系统信道估计技术 2 1 2 2 空时网格编码( s t t c ) 空时网格编码( s t t c ，s p a c e t i m e t r e l l i sc o d e ) 是空时编码的一种，因编码 方法采用格状编码 1 9 l m l 而得名。空时格码是空时码中性能较好的一类码，有较强 的抗衰落能力。下面以8 状态、4 p s k 调制、2 发2 收系统为例，介绍空时格码的编 译码方法。 该系统的编码过程可用下面的状态转移图表示： 0 0 ，0 1 。0 2 ，0 1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 0 ，3 1 ，3 2 ，3 2 2 ，2 3 ，2 0 ，2 3 2 ，3 3 ，3 0 ，3 0 2 ，0 3 。0 0 ，0 1 2 ，1 3 ，1 0 ，1 当前状下一时刻状 2 3 4 p s k 星座映射 o 图2 - 28 状态4 p s k 调制2 重空时格码状态转移图 如图所示编码器有8 个状态，每接收2 比特输入信息后，编码器从一个状态 跳转到另一个状态，并输出相应的码字。例如编码器处于零状态时，当输入的两 比特信息分别为o o ，0 1 ，1 0 ，1 1 时，对应的编码输出的星座点对是 o o ) ， o l ， 0 2 ，1 0 3 。其中第一个数字是天线1 发射的信号，第二个数字则是天线2 在同一 时刻发射的信号。这里我们用q ) q ? 表示t 时刻发射端发射的信号。 既然编码方式可以用网格图表示，那么对于空时格码的译码，完全可以采用 维特比译码的思想，所不同的仅仅是分支度量要做一些修改。假设接收端可以准 确地估计信道衰落因子a 。t 时刻第j 个接收天线输出的信号为，维特比译码 2f21 2 的分支度量修改为1 一q ，g ：l ，具体算法简述如下： 1 i 1 = 1 l 1 从某一时间单位t = s 开始，对进入每一状态的所有长为t 段分支的部分路径，计 算该路径的部分路径度量。对每一状态，挑选并存储一条有最小度量的部分路径 及部分度量值，称此部分路径为留选路径。 2 ，增加l ，把此时刻进入每一状态的所有分支度量，和同这些分支相连的留选路径 的度量相加，得到此时刻进入每一状态的留选路径，加以存储并删去其他所有路 径，因此留选路径延长了一个分支。 3 若心+ j ，则重复以上各步，否则停止，此时译码器得到有最小路径度量的路 第二章m i m o - o f d m 关键技术 1 3 径。对于n 发m 收的空时格码系统，只需将上面的2 发2 收系统做一简单的推广。 空时格码的关键技术事实上在于生成矩阵的构造。根据上一节的分析，一个好的 系统，它应该同时满足秩准则和行列式准则。但随着发射天线数和编码器状态数 增加，这类生成矩阵的搜索比较困难。另外，空时格码的译码复杂度也比较高。 2 2o f d m 基本原理 正交频分复用( 0 f d m ) 是一种多载波调制方式，其基本原理是把高速数据流 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成为若干平坦衰落子信道，大大减小了 符号间干扰( i s i ) 。为了能够完全消除i s l ，通常在o f d m 符号中引入保护间隔， 最有效的保护间隔是使用符号的循环扩展1 1 8 】，简言之把符号结尾的一段复制加到 符号的起始端，如图2 3 所示。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 c i ) 的影响。只要选取的保护间隔大于信道的最大迟延扩展， 就会完全消除i s i 和i c i 的影响。 豸勿彭舞蕊划餐阏：引眨! ；| l 一- i 一 j l 数据间隔n r 1 一个o f d 咐号 r 1 图2 3 0 f d m 的符号结构 l 、o f d m 信号数学描述 假定o f d m 系统带宽为职载波数为，循环前缀为乃，记第f 个符号周期 的传输数据为x o ，x l ，x - 1 j ，则o f d m 基带等效信号可以表示为 n - i s a t ) = xkjoko一|t)(2-22) 其中，t = n w + r e , ，m t ( f ) 是频率为k w n 的载波波形函数， 吼4 志e j 2 x 争“嘞f 【明( 2 - 2 3 )吼= 万露“ 心【o 一】 【0 其它 且西。( f ) = 吼o + n w ) t 【o ，z 品】。那么，发射端的基带连续复信号便可表示成 n - i j ( f ) = 而o ) = 五巾。( f 一玎) ( 2 - 2 4 ) - - - ，- 0 令信号通过一个多径衰落信道，其等效低通冲激响应为 ( f ) f 【o ，珞】，则 旦 基于i e e e 8 0 2 1i a w l a n 的m i m o - o f d m 系统信道估计技术 接收到的o f d m 基带信号可以表达为 ，( f ) = ( 矗。s ) o ) = f 辞矗( f ) j p f ) j r + ，嗄f ) ( 2 - 2 5 ) 其中，n ( t ) 为加性高斯白噪声( a w g n ) 。 由于o f d m 系统引入了循环前缀，并假定其长度z 0 大于信道的最大时延扩 展，因此符号间干扰i s i 可以完全消除，为了表达式简单，时间下标，可以省去。 假设o f d m 接收机的第k 个匹配滤波器为