（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中的信道估计和检测技术.pdf

东南大学博士学位论文 摘要 未来宽带无线通信系统面临着多径衰落信道影响和系统带宽效率等诸多问题 的挑战。正交频分复用( o n 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 术通过将频率选择性多径衷落信道在频域内转换为平坦信道，可有效地对抗多径 衰落的影响。而多天线( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m i m o ) 技术能够在空间 形成独立的并行子信道同时传输多路数据流，有效地提高了系统的传输速率，在 不增加系统带宽和改变系统功率要求的情况下增加频谱效率。因此，结合两者优 势的m 以。一o f d m 技术具备频谱利用率高、带宽可扩展性强等一系列特点，是下 代移动通信( b e y o n d3 “g e n e r a t j o n b 3 g ) 系统有竞争力的候选方案。b 3 g 系 统高数据传输速率、高传输质量和移动性的要求对m i m o 。o f d m 系统的传输和检 测技术提出了非常严格的要求，针对上述问题，本论文重点研究了m i m o o f d m 系统的导频序列设计、信道估计和信号检测等技术。 论文针对m i m o o f d m 系统中的导频序列设计和信道估计问题，分析了多径 信道中m i m o o f d m 系统传输的基带数学模型，推导了接收机的极大似然( m l ) 和最小二乘( l s ) 信道估计方法及其均方误差性能，并据此推导了m i m o o f d m 系统最优频域导频序列设计准则，推广传统两天线正交导频设计方法到了任意天 线时的设计，并提出了一种导频信号峰均比为1 ，能达到正交导频时信道估计m s e 下界的频域导频序列设计方法。并利用仿真评估分析提出的方法和传统设计方法 在不同序列长度和天线数目情况下的性能差异。 m i m o o f d m 系统中接收机检测算法的复杂度和性能优劣对系统实施和整体 性能有很大影响，论文在分析传统检测算法优缺点的基础上，利用汉明子空间方 法，提出了一种减少复杂度的软输出极大似然检测算法。m i m o 一0 f d m 系统的接 收检测可在各子载波上单独进行，最优序列( m l s e ) 和符号( m a p ) 检测在多天 线和高阶调制情况下往往复杂度很高，而迫零( z f ) 最小均方误差( m m s e ) 等 传统线性检测算法复杂度低但性能相对较差，应用受到局限。本论文利用传统软 输出的线性检测器生成信息比特的初始对数似然值，在此初始值形成的汉明子空 间中搜索从而获得可靠度更高的比特对数似然软输出。由于生成的汉明子空间相 对全空间大为减小且具有很高的可靠性，提出的算法可有效地减少了传统软输出 一 摘要 的极大似然序列搜索算法的复杂度并能逼近极大似然性能。 从最优接收理论而言，m i m o o f d m 系统中基带接收机的多模块联合极大似 然接收可以取得最佳性能，但其复杂度使得在实际系统中往往难于实现。次晟优 的迭代检测译码算法在性能和复杂度上可以取得折衷，并有效地逼近系统容量性 能。论文分析m i m o o f d m 系统中传统迭代检测译码算法优缺点，推导了基于 m m s e 的迭代检测译码算法，并在第四章中的减少复杂度的极大似然算法基础上 改进，使其可以在子空问进行软输入软输出( s i s o ) 搜索检测，并根据检测器需 要进行比特硬判的特点改进译码器的软输出以及成员译码器的输入，从而提出了 利l f 氐复杂度的迭代检测译码算法。此算法可以有效地避免迭代检测译码过程- | 的多次求逆问题，复杂度分析和仿真评估也验证其优异的性能。 移动通信系统的闭环传输可以获得更好的误码性能和更高的系统吞吐量，在 分析了m i m o 。0 f d m 系统慢变衰落信道环境下闭环传输技术的基础上，论文考察 功率分配、预编码以及信道估计和反馈误差对闭环传输的影响，并提出了一种优 化的发送预处理方案。首先在系统理想信道估计、理想信道反馈、发送功率均匀 分配的情况下，针对m l 、z f 、m m s e 等接收机推导了最优发送预处理方案。然 而实际系统中非理想信道估计和反馈信道的非理想会降低系统容量，针对这利情 况，考虑系统信道估计和反馈信道的非理想，从m i m o o f d m 系统容量最大的角 度推导最优发送预处理，并利用了内点算法优化系统的发送功率分配。推导的闭 环发送预处理包括了预编码和功率分配，并考虑了信道估计和反馈信道误差方差 的影响。提出的预处理方案可有效地降低由于非理想信道估计和反馈造成的容量 平台效应，并提高系统的误比特率性能。在低信噪比和信道估计方差较小时，提 出的优化功率分配的预编码方案可以获得高于理想信道估计情况下传统开环发送 系统容量的性能 关键词：多输入多输出，正交频分复用，衰落信道，信道估计，信号检测，极大 似然，迭代，译码，功率分配，预编码 1 i 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ed i s p e r s i v eo fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h es y s t e mb a n d w i d t he m c i e n c ya r em eb i g c h a l l e n g e st h ef u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf a c i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) c a ne f r e c t i v e l yc o m b a tt h em u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e la n d c o n v e nt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e li n t of l a tc h a n n e ii n 丘。q u e n c yd o m a i n m u l t i p l e i n p u tm u l t l p l eo u t p u t ( m i m o ) t r a n s m i tm u i t i p l ed a t as 打e a m si np a r r a l l e is u b c h 锄e l si n s p a t i a l ，t h u sg r e a t l yi n c r e a s i n gt h es y s t e mt t 【r o u g h p u tw “h o u ta d d i t i o 眦lb a n d 、v i d t ha n d p o w e rr e q u i r e m e n t sc o m b i n i n gt h e m e r i t s o ft 、v o t e c h l l o l o g i e s ， t l l eb a n d w i d t h e f f i c i e n c ya n de 。p a n d a b i l 时l e a d sm i m o o f d mt ob eap o t e n t i a lc a n d i d a t ef o r b e y o n d 3 mg e n e r a t i o n ( b 3 g ) s y s t e m s t h er e q u i r e m e n t sf o rb 3 g s y s t e m ss u c ha sh i 曲d a t ar a t e ， h i g hq u a l i t ya n dm o b i l i t ym a k et h et r a n s m i s s i o na n dr e c e i v et e c l l n i q u e sm o r cs 仃i c t t o s 0 1 v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，i nm i st h e s i s ，w ef o c u so nm ed e s i g no fm ep i l o t s e q u e n c e s ，c h a n n e l e s t i m a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o n t e c l l n i q u e sf o rm i m o - o f d m s y s t e m i no r d e rt o d e s i g nt h ep i l o ts e q u e n c ea n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，t h e b a s e b a n dm a t h m a t i c sm o d e lo fm i m o o f d m 订a n s m i s s i o ni nm u l t i p a mf a d i n gc h a n n e l i sa n a l y z e d ，a n dd e r i v e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o da n dm e 锄s q u a r ee r r o r ( m s e ) p e r f o m a n c eb a s e do nt h em a x i m u m1 i k e l i h o o d ( m l ) a n dl e a s ts q u a r e ( l s ) ，b a s e do n t h e s er e s u l t s ，w ed e r i v e dt h eo p t i m u mc r i t e r i ao ff r e q u e n c vd o m a i np i l o ts e q u e n c e si n m i m o - o f d ms y s t e m s ，a n de x t e n dt h e 订a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do fo n h o g o n a lp i i o t s e q u e n c e si nt w ot r a n s m i ta n t e n n a ss c e n a r i ot oa r b i 仃a r y 仃a n s m i ta n t e n n a ss c e n a r i o w b h a v ea l s op r 叩o s e dad e s i g nm e t h o do f 骶q u e n c yd o m a i no n h o g o n a lp i l o ts e q u e n c e s w h i c hc a na c h i e v et h el o w e rb o u n do fm s ea n dk e e pt h ep a p ro fp i l o ts i g n a lt oo n e f i n a l l y t h e i rp e r f o m a n c eu n d e rd i f f b r e n tl e n g t ho fp i l o t s e q u e n c ea n dn u m b e ro f t m n s m i ta n t e n n a sa r ec o m p a r e dw m lt r a d i t i o n 甜s c h e m e sa n da n a l v z e d t h ei m p l e m e n t a t i o na n dp e r f b n l l a i l c ea s p e c t so fm i m o o f d ms y s t e ma r eu s u a l l y d e p e n do nt h ec o m p l e x i 曰a n dp e r f o m 柚c eo ft h er e c e i v e lw ba n a l y z e dm em e r i t sa i l d d i s m er i t so ft r a d i t i o n a ld e t e c t o r ，a n dp r o p o s e da c o m p l e x i t yr e d u c e ds o f to u t p u t m a x i m u m1 i k e l i h o o dd e t e c t o r b a s e do nt 1 1 eh a m m i n gs p a c et h e o mi nm i m o o f d m s y s t e m ，m ed e t e c t i o nc a nb ep e r f 0 邢e do nt h ee a c hs u b c a r r i e t h eo p t i m u mr e c e i v e a i g o r i t h m ， m a x i m u ml i k e l i h o o d s e q u e n c ee s t i m a t i o n( m l s 勘 a n dm a x i m u ma p f 酊f d 一( m a p ) d e t e c t o r ，a r eu s u a l l yh a v em u c hh i g hc o m p l e x i t yi nm u l t i p l ea n t e n l l a s a n dh i g ho r d e rm o d u l a t i o ns c e n a r i o h o w e v e r t h el o wc o m p l e x i t yz e r of o r c i n g ( z f ) a n dm i n i m u mm e a ns q u 甜ee r r o r ( m m s e ) a l z o r i t h mh a v el e s ss “s f i e dp c r f o m a n c e a n dl i m i ti t sa p p l i c a t i o n s i nt h ep r o p o s e da l g o r i m m ，w eu t i l i z et i l ec o n v e n t i o n a l l i n e a r d e t c c t o fa tt h ei n i t i a ls t a g et og e n e r a t et h e1 0 9l i k e l i h o o dr a t i oo fe a c hc o d eb i t s ，t h e na h a m m i n gs u b s p a c ec a nb es p a n n e dv i at h eh a r dd e c i s i o no fm e s ei n i t i a ls o f tv a l u e s t h e i i i a b s t r a c m a x i m u m1 i k e l i h o o ds e 盯c hp e r f o m e di nt h j sr e d u c e ds p a c et og e n e r a t e 【h ei m p r o v e d s o f to u t p u to fd e t e c t o rf o rt h a tt h l sm u c hs m a l l e rh 姗m i n gs p a c ec o m a r e dw i t ht h e w h o l es o l u t i o ns p a c eh a sh i g hi n i t i a lr e l i a b i l i t y ，t l l ep r o p o s e da l g o r i t h mc a n 矿e a t l y r e d u c et h ec o m p l e x i t yo fm a x i m u ml i k e l i h o o ds e a r c ha n dh a st h ep e r f o m a n c ec l o s et o t h a to fs o f to u t p u tm l s e b a s eo nt 1 1 eo 口t i m u mr e c e i v e rt h e o r y t h ej o i n tm a x i m u m1 i k e l i h o o dr e c e i v eo ft h e w h o l er e c e j v e ri n c l u d i n gd e t e c t ，d e i n t e r l e a v i n g ，d e c o d i n g ，e t ch a st h eb e s tp e r f o 邢a n c e ， w h j l et h eh i g hc o m p i e x i t ym a d ei tc a nn o tb ei m p l e m e n t e di nh a r d w a r ec u r r e n t i va n d a p p l i e dt ot h er e a ls y s t e m st h ei t e r a t i v ed e t e c ta n dd e c o d i n ga l g o r “h mi sas u b o p t i m u m j o i n tr e c e i v e r ，c a na c h i e v et h eg o o dt r a d eo f fb e t w e e nt h ep e r f o 丌n a n c ea n dc o m p l e x i 吼 a n dc i o s m gt h es h a n n o nl i m i tp e r f o m l a c e w ea n a l y z e dt h em e r i t sa 玎dd i s m e r i t so f t r a d i t i o n a l i t e r a t i v er e c e i v e r ，d e n v e dm el t e r a t i v ed e t e c ta n dd e c o i n ga l g o r i t h mb a s e do n m m s ec r i t e r i o n ，a n dm o d i f i e dt h ep r o p o s e dc o m p l e x i t yr e d u c e dm a x i m u mi i k e i i h o o d d e t e c ta l g o “t h mi n4 ”。c h a p t e r ，m a d ej tt ob ea1 0 wc o m p l e x i t ys o ：ri n p u ta n ds o f to u t p u t d e t e c ta l g o r i t h m b e s i d e s ，w ea l s om o d l f i e dt h e 仃a d i t i o n a ls o f ti 1 1 p u ta n ds o ro u t p u t d c c o d e r si n p u ta n do u t p u to nt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e t e c t o la l lt h i sc o n s t i t l l t e sa n o v e ll o wc o m p i e x i t yi t e r a t i v ed e t e c ta n dd e c o d i n ga l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mc a na v o i d t h em u l t i p l ei n v e r s i o no p e r a t i o ni nt h et m d i t i o n a l i t e r a t i v ea l g o r i t h mb a s e do nm m s e a n dz ft h ea n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o na l s od e m o n s t 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。 功率归一化的点d f t 矩阵， 只】。，。= ( 1 万) e x p ( 一- ，2 z m ”) 点d f t 矩阵的前( 三+ 1 ) 行组成的子矩阵。 阡苫 = e x p ( 一2 万门) ，o m 0 。 实数矢量集合，集合中每个样本为m 维实数矢量。 复数矢量集合，集合中每个样本为m 维复数矢量。 符号函数，s g n c x ，= f ； 取实部 取虚部 x 0 塑堕堕 l g 2 g 3 g 4 g a d s l a m p s a o a a o d b 3 g b e r c d m a 2 0 0 0 c d m a c s i c p d a d a b d f e d f t d m t d v b e d g e f f t f l o p g m s k 英文缩略语 如r s tg e n e r a t i o n 2 t hg e n e r a t l o n 3 r dg e n e r a t j o 刀 4 t hg e n e r a t i o n a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s a d v a n c e dm o b i i ep h o n es y s t e m a u g u l a ro f a r r i v e a u g u l a ro f d e p a r t u r e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n b i t e r r o r r a t e c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 c o d e d i v j s i o nm u l t i p i ea c c e s s c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c y c l i cp r e n x d 垮t a l a n a l o g d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l j 2 a “彻 d i s c r e t ef o u r i e r1 l a n s f o r n l d i s c r e t em u l t i t b n e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n f a s if o u r i e rt r a n s f o r m n o a t i n gp o i n to p e r a t i o n g a u s s i a nm i n i m u ms h i rk e y i n g x 第一代移动通信系统 第二代移动通信系统 第三代移动通信系统 第四代移动通信系统 异步数据用户链路 先进的移动电话服务系统 到达角 出射角 超三代移动通信系统 误比特率 码分多址2 0 0 0 码分多址 信道状态信息 循环前缀 数字模拟转换 数字音频广播 判决反馈均衡 离散傅立叶变换 离散多音频 数字视频广播 改进数据率g s m 服务 快速傅立叶变换 浮点操作 高斯最小频移键控 东南大学博士学位论文 g p r s g s m h i p e r l a n 2 h s c s d i c i i d f t i f f t i s i i t u l d p c l s m a i m a p m i m 0 m l m l s e m m a c m m s e m p s k m q a m m s e o f d m o s i c p a s p d s p i c s d m ( j e m e r a lp a c k e rr a d l 0s e r v l c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h i g hp e r f o r m a n c el a nt y p e2 h i 曲s p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t a i n t e 卜c a r r i e ri n t e m r e n c e i n v e r s ed l s c r e t ef o u r i e rt r a l l s f 0 彻 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i i l t e r s y m b o ii n t e r f e r c n c e i n t e m a t i o n a lt e l e 掣a p hu n i o n l o wd e n s i t yp a n t yc h e c k l e a s ts q u a r e m u l t i p l ea c e s si n t e r f 色r e n c e i a x i m u m 爿肋占船r 抽，i m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p l n m a x i m u ml i k e l i h o o d m a x i m u ml k e l m o o ds e q u e n c ee s t i m a 虹o n m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n s m i n i m u mm e a ns q u a r ee n m m u l t i - p h a s e sh i f lk e y i n g m u l 忙q u a d r a t u r ea m p l i n l d em o d u l a t i o n m e a n s q u a r ee 丌o r 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 r d e r e ds 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 p o w e ra z i m u ms p e c t r u m p o w e r d e l a ys p e c t n l m p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a l l c e l l a t i o n s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l e x i n g x i 通用无线分组业务 全球移动通信系统 第二类高性能局域网 高速电路交换数据服务 载波间干扰 离散傅立叶逆变换 快速傅立叶逆变换 码间干扰 国际电报联盟 低密度奇偶校验 最小二乘 多址干扰 最大后验概率 多输入多输出 极大似然 极大似然序列估计 多媒体移动接入通信 最小均方误差 多进制相移键控 多进制正交幅度调制 均方误差 正交频分复用 排序串行干扰抵消 方向功率谱 时延功率谱 并行干扰抵消 空分复用 塑! ! 塑一 s i s o s i s o s o v a s t c t a c s t d s c d m a v b l a s t v h d s l v l s i w c d m a w l a n s o t 0 i ns o t t u u t s m g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t s o f to u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m s p a c et i m ec o d i n g t b t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t o m t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc d m a v e r t i c a l 一b e l ll a b ss p a c et i m e v e r y h i g h s p e e dd 培h a ls u b s c r i b e rl i n e s v e r yl a 唱es c a l ei n t e g r a “o n w i d e b a n dc d m a w i r e l e s si 。o c a la c c e s sn e t w o r k 软输入软输出 单输入单输出 软输出维特比算法 空时编码 全接入通信系统 时分同步的码分多址技术 贝尔实验室垂直分层空时 甚高速数据用户链路 超大规模集成电路 宽带码分多址 无线局域网 w s s u sw i d e s e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t 【e r i n g 广义平稳非相关散射 z f z e r of o r c i n g x t i 迫零 东南大学博士学位论文 第1 章绪论 在过去的二十年里，无线通信技术获得了迅猛的发展和广泛的应用，极大地 推动了社会经济的发展，改变了人们的生活方式。进入2 1 世纪之后，无线通信尤 其是移动通信技术更呈现出前所未有的发展态势。促使无线通信技术如此迅猛发 展的根本驱动力，是人们期望不受时间和地点等外在条件的约束进行通信。 1 1 论文的研究背景 在短短几十年内，移动通信已经经历了几次更新换代，由最初的第一代模拟 移动通信系统、第二代数字移动移动通信系统发展到了日前正在商用化的第三代 宽带数字移动通信系统。目前，移动通信正朝着更大系统容量、更高服务质量和 支持更多业务的方向演进，有关未来移动通信系统的研究工作也已经在世界范围 内展开。 1 1 1 移动通信系统的演进 从上世纪八十年代初期开始，移动通信发生了重大的变化并取得迅速的发展， 第一代( 1 g ) 移动通信系统采用模拟信号传输方式，以北美的a m p s 和欧洲的t a c s 为典型代表，所支持的业务仅限于话音业务。伴随着v l s i 的出现和数字信号处理 技术的发展，第二代( 2 g ) 数字移动通信系统于九十年代初应运而生，实现了从 模拟系统向数字系统的转变，并能提供更高的频谱利用率、除话音业务以外的多 项低速数据传输业务、以及比第一代系统更先进的漫游服务。2 g 系统主要包括欧 洲的g s m 和美国的i s 一9 5 。2 g 系统进一步演变，以提供更为先进的数据业务，如 数据率为10 0 2 0 0 k b i t s s 基于电路交换或分组交换的数据业务，这些演变的系统通 常被称为2 5 代( 2 5 g ) 系统，它们有h s c s d 、g p r s 、e d g e 、i s 9 5 b 等。目前， 2 g 和25 g 系统是许多国家的主要移动通信系统。 第三代( 3 g ) 移动通信系统的研究起于1 9 8 5 年，其目的是希望移动通信系统 能和固定网一样提供将话音、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 第l 章绪论 式，实现全球普及和全球无缝漫游。国际电信联盟( i t u ) 于1 9 9 6 年底在i t u r t g 8 l z 确定了3 g 的名称为i m t _ 2 0 0 0 以及其基本框架，这是3 g 系统标准化的标 志【】 。最终确定的3 g 标准有欧洲提出的基于g s m 的w c d m a 、北美提出的基于 i s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。3 g 系统目前正处于大规模商用 化的前期阶段。 1 1 2b 3 g 系统的研究现状 随着因特网的发展与普及、全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务主 体的快速转变，现有移动通信系统的数据传输速度、传输质量和业务范围已经不 能满足人们通信的需求，为高速业务和多媒体业务设计的3 g 系统在通信容量与质 量等方面也与人们的期望尚有很大距离，也有其局限性，如：缺乏全球统一标准； 3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了第二代( 2 g ) 的电路交换，而不是纯i p 方式；由 于受到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通信速率等。因此世界各国在推动3 g 系统产业化的同时，目前已把研究重点转入后三代( b 3 g ) 或称为第四代( 4 g ) 移动通信系统的先期研究 2 卜 5 。 为适应未来发展的需要，b 3 g 移动通信系统必须能够支持全i p 高速分组数 据传输、高的终端移动性和高的传输质量，提供高的频谱利用率和功率效率，有 效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的 变化 1 6 】。人们希望b 3 g 从概念和技术上有所创新和突破，使无线通信系统的容 量和速率有数卜倍甚至数百倍的提高 6 卜 8 ，因此b 3 g 系统的发展面临着来自多 方面的挑战，在网络结构、空中接口、传输体制、编码与调制、检测与估计等各 个方面必将具有全新的面貌。 在移动网络方面，根本任务在于能够接收、获取到终端的呼叫，在多个运行 网络( 平台) 之间或者多个无线接口之间，建立其最有效的通信路径，并对其进行实 时的定位和跟踪，保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的