（通信与信息系统专业论文）b3g系统若干关键技术的研究及性能评估.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作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：椎蠢：o 闩期：3 放生二羔生一一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：_ 缢捡日期：礁! 竺：! ! 丝 导师签名：l 燃。 日期：塑= ：主：丝 p l a 摘要 随着无线通信领域的高速发展，移动用户对实时视频、宽带数据、 语音通信、精确定位等多种业务的需求不断增长，因此开发具有更高数 据传输速率和更高频谱效率的宽带无线接入系统是未来移动通信发展 的必然趋势。 从上个世纪末开始，在全球范围内形成了对新一代移动通信系统 b 3 g 4 g 的研究热潮，并出现了许多新的关键技术，如o f d m 技术， m i m o 技术，h a r q 技术等等。 本文主要研究内容是b 3 g 系统的几项关键技术，主要围绕最具代 表性的o f d m 技术、m i m o 相关技术、h a r q 技术等方面展玳首先 介绍了o f d m 技术的基本原理、o f d m 系统导频设计的原则及基于导 频的二维维纳信道估计算法，并在l t e 系统的背景下评估了该算法的性 能。然后介绍了h a r q 的基本原理，并将c h a s e 合并( c c ) 和递增冗余( i r ) 两种h a r q 方法在l t e 系统中的性能做了一个对比。接下来介绍了l t e 系统中的预编码技术，包括基于码本的预编码方法和基于s v d 分解的 预编码方法，同时给出了几种不同的码本选择算法，并比较了它们之间 的性能区别。再接下来比较了t u r b o 码和l d p c 码这两种b 3 g 系统常 用的信道编码技术在l t e 系统中的性能。最后介绍了w i m a x 系统调 度反馈信令的优化。理论推导和仿真结果都可以证明，在正比公平调度 的情况下，合理定义移动台向基站反馈的信道质量信令的量，可以大大 提高系统的净吞量。 关键词o f d m 信道估计h a r q 预编码信道编码调度 r a bs t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h er e q u i r e m e n to f r e a lt i m ev i d e o ，b r o a d b a n dd a t a ，v o i c ec o m m u n i c a t i o na n da c c u r a t e o r i e n t a t i o na l s oe x p a n d s s oi ti sat r e n dt od e v e l o pab r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s ss y s t e mt h a tc a ng u a r a n t e eh i g hd a t ar a t ea n dh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y s i n c el a s t c e n t u r y , an e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mn a m e d b 3 g 4 gs y s t e mh a sb e e ns t u d i e dw o r l d w i d e ，a c c o m p a n yw i t hm a n yn e w t e c h n o l o g i e ss u c ha so f d m ，m i m o ，h a r qa n ds oo n i nt h i sp a p e rw ef o c u so ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fb 3 gs y s t e m , f o r e x a m p l e ，o f d m ，m i m o ，h a r q ，e t c f i r s t o f a l l ，w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l e o fo f d m ，t h er e f e r e n c es i g n a ld e s i g no fo f d ms y s t e ma n dt h e2 d - w i e n n e r c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nr e f e r e n c es i g n a l t h e n ，t h ep r i n c i p l e o fh a r qi si n t r o d u c e d ，a n dt w oh a r qs t r a t e g i e sn a m e dc h a s ec o m b i n i n g a n di n c r e m e n t a lr e d u n d a n c ya r ec o m p a r e d i nt h ef o l l o w i n g ，s e v e r a l p r e c o d i n gs t r a t e g i e so fl t es y s t e m sa r ee v a l u a t e da n dc o m p a r e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h et w op o p u l a rc h a n n e lc o d i n gs c h e m e sn a m e dt u r b oa n d l d p ca r ec o m p a r e di nt h el t es y s t e m f i n a l l y , w eo p t i m i z et h ec h a n n e l q u a l i t y i n d i c a t i o n s i g n a l i n go ft h ew i m a xs y s t e m ，s o t h a tt h en e t t h r o u g h p u tc a nb em a x i m i z e d k e yw o r d so f d mc h a n n e le s t i m a t i o n h a r qp r e c o d i n g c h a n n e lc o d i n g s c h e d u l i n g 一 一 ， j 目录 第一章绪论1 1 1b 3 g 系统介绍1 1 2b 3 g 关键技术介绍。3 1 3 本文丰要内容4 第二章信道估计5 2 1o f d m 技术5 2 1 1o f d m 系统的基本原理5 2 1 1 1o f d m 系统模型5 2 1 1 2 循环前缀7 2 1 2o f d m 优缺点8 2 2 信道估计9 2 2 1 导频信号设计9 2 2 2 二维维纳滤波信道估计l l 2 2 3 仿真结果1 4 2 2 3 1 仿真条件15 2 2 3 2 仿真结果讨论15 第二章h a r q 17 3 1a r q 利f e c 1 7 3 2h a r q 1 8 3 3 自适应传输技术2 0 3 4 仿真结果2 2 3 4 1 仿真条件2 3 3 4 2 仿真结果讨论2 4 第四章预编码2 5 4 1 非码本的预编码方式2 5 4 2 基于码本的预编码方式= 2 7 4 2 1 基于码本的预编码原理2 7 4 2 2 码本选择方法2 8 4 2 2 1 基于容量性能准则选择码字2 9 4 2 2 2 基于最小均方误差( m s e ) 性能准则选择码字2 9 4 2 2 3 最大化最小特征值( m s v ) 准则选择码字。2 9 4 3 仿真结果3 0 4 3 1 仿真条件3 0 4 3 2 仿真结果讨论3 0 第五章t u r b o 码和l d p c 码3 3 5 1t u r b o 码编译码原理3 4 5 1 1 t u r b o 码的编码3 4 5 1 2t u r b o 码的译码3 4 5 2l d p c 码编译码原理3 5 5 2 1l d p c 码的定义3 5 5 2 2t a n n e r 图3 6 5 2 3l d p c 码的译码3 7 5 2 4l d p c 码的编码构造4 1 5 3q 兀l d p c 码4 3 5 4 仿真结果4 3 5 4 1 仿真条件4 4 5 4 2 仿真结果讨论4 4 第六章调度反馈信令的优化4 6 6 1 正比公平调度4 6 6 2 调度反馈信令的优化。4 8 6 2 1 系统模型4 9 6 2 2 衰落模型4 9 6 2 3s i n r 分布和调度增益5 0 6 2 4 吞吐量的最大化5 4 6 3 仿真结果5 5 6 3 1 仿真条件5 5 6 3 2 仿真结果讨论5 6 参考文献5 9 致谢6 2 1 1b 3 g 系统介绍 第一章绪论弟一早硒化 近二十年来，无线通信领域发展空前迅速。第一代o g ) 无线通信系统是采用模 拟信号传输提供语音服务；第二代( 2 g ) 无线通信系统采用数字技术，提供了除语音 业务以外的基于电路交换的低速数据通信业务；2 5 g 系统能支持速率达l o o k b p s 的基于包交换的数据业务；第三代移动通信系统正趋于成熟，处于商用化的前夕， 它将为用户提供语音、数据以及视频等多种高速率的业务；继第三代以后，下一代 的通信系统“b e y o n d3 g ( b 3 g ) 也正处于紧张的研发过程中。可以预见，在今后的 几年中，人们对高速移动状态下的实时视频、宽带数据、语音通信、精确定位等多 种业务的需求全迅猛增长，因此开发具有更高数据传输速率和更高频谱效率的宽带 无线接入系统是未来移动通信发展的必然趋势。 目前，在大蜂窝移动环境中，数据发送速率只有1 0k b p s 左右。尽管第三代移 动通信系统。即i m t - 2 0 0 0 的目标是在宏蜂窝环境下提供1 4 4 - 3 8 4 k b p s 的信息传输速 率，在微蜂窝环境中提供m b p s 量级的传输速率【l 】，但是这一发展目标与宽带多媒体 业务的发展需求相比还相差甚远，而且远远不能满足人们对未来移动通信的要求。 3 g 系统所面临的另一个重要问题是：系统中存在多种无线接入方式，由于利益 的冲突，这些接入技术使用不同的标准，通过对国际电联o t o ) 建议的空中接1 2 1 标 准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d - s c d m a 的分析可以看到，这些标准在无线传输技术 上存在较大差别，因此很难实现网络之间的无缝切换和漫游。为了解决3 g 中存在的 问题，从上个世纪末开始，在全球范围内形成了对新代移动通信系统b 3 g 4 g 的研究 热潮。 1 9 9 9 年，国际电信联a 盟( i t u ) 成立了i t u r t 作组，专门负责3 g 未来发展和b 3 g 系统的研究。因为下一代移动通信系统的命名不仅仅是技术问题，而且还涉及商业 利益。为了照顾各方面的利益，n u 在下一代移动通信系统的命名上决定不使用4 g 的概念，而使用b e y o n di m t - 2 0 0 0 的概念，并且把“s y s t e m sb e y o n di m t - 2 0 0 0 简称 。为b 3 g ，因此主要用b 3 g 表示下一代移动通信系统。 确定t b e y o n di m t - 2 0 0 0 系统的框架结构和目标后，i t u - r t 作组对b 3 g h i j 将采 用的核心技术展开了广泛的研究，这些技术包括【2 】： 1 与系统相关的技术：比如v o l p ；i p 在无线网络中的优化；容错的( 高可靠性的) 网络结构；无缝的移动性( 系统间的切换、漫游和最优网络的选择) ；移动平台 技术；安全和私密技术( 鉴权、加密，认证以及电子商务) ；计费和智能数据滤 波等。 2 接入网络和无线接口技术，这些技术包括但不仅限于：自适应无线接口、调制 和编码技术、多址接入技术、软件无线电以及系统重配置技术、动态q o s 控制 技术、差错控制及超高速小区搜索技术、多播技术：链路自适应技术、光纤无 线电技术、m i m o 、多用户监测和干扰消除技术以及支持业务异对称的时分双 i ( t d d ) 技术等。 3 频率的有效利用技术：微波频带的开拓技术、频带共用与频率共享技术、自适 应动态信道分配技术、抗干扰与抗衰落技术、自适应阵列天线及m i m o ( 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、自适应高效多电平调制技术、正变频分复 用( o f d m ，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 ) 技术、无线资源箭理技 术等。 4 先进的移动终端技术：新的功率管理技术、高功能显示器件实现技术、语声识 别技术、半导体器件技术、灵敏度增强技术、移动终端的系统平台技术、移动 终端安全性增强技术。 随着通信技术和新业务的部署，未来通信领域一些新的特点逐渐显现出来。一 方面，传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在固定环境内使用宽带业务，希望 使用宽带接入移动服务；另一方面，传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信 和低速数据业务，希望能使用更高速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服 务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为 两个领域技术发展的趋势，并瓦为补充、互相促进。甘前b 3 g 系统主要代表是w i m a x 和l t e ，今后的发展趋势将是l t e 及其增加l t e - a d v a n c e d 系统。 长期演进l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目是3 g 的演进，它改进并增强了3 g 的空中 接人技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的唯一标准。在2 0 m h z 频谱带 宽下能够提供下行1 0 0 m b p s 与上行5 0 m b p s 的峰值速率，改善了小区边缘用户的性 能，提高小区容量和降低系统延迟。 3 g p p 从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力” 等方面对l t e 进行了详细的描述。与3 g 相比，l t e 具有如下技术特征：峰值速率高、 提高了频谱效率、q o s 保证、系统部署灵活、降低了无线网络时延等等。l t e 的核 心技术有：o f d m 、宏分集、m i m o 和m c s 等。 2 在新一代蜂窝移动通信系统中，物理传输层采用基于o f d m 的宽带分组无线传 输技术，所以链路层可以利用的无线资源取决于剩下可以分配的o f d m 样点数。然 而每个时间段可以分配的样点数是有限的，当用户很多同时业务量很大且业务不均 时，如何调整各个用户的使用资源，从而合理利用宝贵的无线资源的研究就显得格 外重要。 1 2b 3 g 关键技术介绍 o f d m o f d m a 技术t 从技术层面来看，3 g 系统主要是以c d m a 为核心技术， 而在3 g 以后的移动通信系统中，正交频分复用( o f d m ) 技术最受瞩目。 它的原理是将整个带宽受限的信道划分为多个频谱重叠的了信道的同时，使相 邻子信道载波之间的间隔为符号速率的一半的整数倍，从而载波集合符合奈奎斯特 集的性质，即载波之间保持正交性。在接收端可以用相关器或匹配滤波器轻易地检 测出各个予信道传输的符号，而避免了予信道之间的干扰。当_ 了信道的数目非常大 时，子信道的幅频特性接近平坦，相频特性接近线性，各予信道是无记忆的，不引 入i s i ( 符号间干扰) 。数据可以通过这些相互独立的予信道传输，通过为每个子信道 灵活地分配比特数和能量可以使工作在带限高斯信道上的收发信机的性能达到最 佳。o f d m 作为b 3 g 移动通信的主要技术之一，是一种可以克服信号时延扩展、很 有前途的传输手段，它是一种并行传输方法。利用许多并行的、传输低速率数据的 予载波来实现一个高速率数据的通信，是下一代宽带无线接入系统必不可少的技术 之一。 基于o f d m 技术的多址方式有很多种，其中包括正交频分多址( o r t h o g o n a l f r e q u e n c ym u l t i p l ea c c e s s ，o f d m a ) ，o f d m - t d m a 以及o f d m f d m a 等其中 o f d m a 系统因为实现了更小的资源分配粒度，从而利用不同用户在不同子载波上 信道响应各不相同的特点实现多用户分集，近年来得到了广泛的研究。采用o f d m a 方式的最重要的通信协议就是i e e e8 0 2 1 6 系列协议及l t e 协议。 m i m o 技术t 为无钱通信系统的发射机和接收机分别安装多副天钱，可以构成 m i m o 系统。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，从而实现多维信号处理，获得空间分集增益和空 间复用增益。研究表明，在富散射的环境中，m i m o 系统的链路容量随着天线数的 增加正比例增长，这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率，增加系统的有 效性，也可以作为信息的冗余度改善系统的传输可靠性，或者在有效性和可靠性之 3 间取得一个合理的折衷。 智能天线技术：智能天线也叫自适应天线，它可以利用信号在传输方向上的差 别，将同频牢或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使丰 波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环 境变化，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准 确提取有效信号的目的。因此也可以把智能天线技术看作一种空分多址( s d m a ) 技 术。出于体积和成本的考虑，目前只在基站侧接入网络侧安装智能天线。 1 3 本文主要内容 本文丰要研究内容是b 3 g 系统的一些关键技术，主要围绕最具代表性的o f d m 技术、m i m o 相关技术、h a r q 技术等方面展开。 第一章概述了b 3 g 系统的发展及一些热门关键技术的简单介绍。 第二章介绍了o f d m 技术的基本原理、o f d m 系统导频设计的原则，研究了基 于导频的二维维纳信道估计算法，并在l t e 系统的背景下将该算法与基于训练序列 的理想信道估计算法做了一个比较。 第三章介绍 h a r q 的基本原理，研究- t c h a s e 合并( c c ) 和递增冗余( i r ) 两种 h a r q 方法，并将这两种方法在l t e 系统中的性能做了一个对比。 第四章介绍了l t e 系统中的预编码技术，包括基于码本的预编码方法和基于 s v d 分解的预编码方法，同时研究了几种不同的码本选择算法，并比较了它们之间 的性能区别。 第五章研究了t u r b o 码和l d p c 码这两种b 3 g 系统常用的信道编码技术在l t e 系 统中的性能对比。 第六章提出了w i m a x 系统调度反馈信令的优化算法。理论推导和仿真结果都 可以证明，在正比公平调度的情况下，合理定义移动台向基站反馈的信道质量信令 的量，可以大大提高系统的净吞量。 一4 一 2 1o f d m 技术 第二章信道估计 在开放的无线信道中，信号从发射端经过多径时变信道到达接收端，会产生频 率选择性衰落和时间选择性衰落。信道的时变特性引起信号频率的展宽，导致多谱 勒频移。多径传播特性会引起信号在时间上扩展并导致频率选择性衰落。我们采用 相干时间和多谱勒频移来描述信道的时变特性，采用多径时延扩展和相干带宽来描 述信道的多径特性。当信号的码片持续时间小于信道的相干时间时，可以将信道看 成线性时不变系统；而如果信号带宽小于信道相干带宽，则可以认为该信道是非频 率选择性信道，所经历的衰落是平坦衰落，即信号没有频域的失真。 o f d m 的基本原则3 】就是把高速的串行数据流通过串并变换，变成几个速率相 对较低的并行数据流进行传输。由于每个并行流中的符号持续时间增加，因此可以 减少多径时延所引起的符号间干扰现象。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间 隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多 径而带来的符号间干扰。 2 1 1o f d m 系统的基本原理 2 1 1 1o f d m 系统模型 o f d m 由一系列在频率上等间隔的子载波构成的j 每个子载波单独调伟酊各载” 波上的信号功率谱形式都相同，为s i n f f 型，对应于时域的方波。 假设 ( 七) 是一组予载波，各载波频率的关系如下： 一一 ( 尼) ) = f o + k i t s ，k = o ，i ，2 ，n - i式( 2 一1 ) 其中，不是单元码的持续时间，石是发送的频率。 载波信号定义为： 一 乃，t ( f ) = 鼠o 一，霉) ，( 咖 j 佃) 式( 2 2 ) 其中， 5 - 咖p 国巍引 蛔， 纺，。( f ) 满足正交条件，即，当7 或者k k 时，满足： ，纺，。( f 矿一( t ) d t = 0 其中符号“半”表示复共轭，且： jl 纺，。( f ) 1 2 d t = 乃 当以一组取自有限集的复数，。表示数字信号纺。( f ) 的调制时，则： + o o ，- i d ( f ) = t ，。纺，。( f ) d ( f ) 即为o f d m 信号。 在接收端，可以通过下式解调出2 ，。： 毛= 彳1 ，d ( f ) 矿，( t ) d t l jm o f d m 基本系统模型框图如图2 一l 所示。 e h 如 r 一，口- 6 一 ! 2 印 名一， 串，并 + i i 一扭砧4 墨毒一 掣 一匿卜 式( 2 4 ) 式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 式( 2 7 ) 图2 一lo f d m 系统框图 为了简化计算，实际系统中通常用快速傅立叶变换实现o f d m 信号的传输，在 每个五周期内，在发送端进行i f f r r 操作： s ( 聆) = 丽1 缶n - i 以e x p u 2 万万n k ) ，疗= o ，l ，一l 式( 2 - 8 ) 在完成i f f t 变换后，经过低通滤波器、数模转换发送出去，在接受端经过相反 的操作可恢复原始信息比特，具体为先进行载频解调，得到基带信号，对基带信号 6 ， 在符号时间内t n t 挂行抽样，模数变换后做f f t 运算即可得到原始信息数据，经过信 道传输之后，在接受端得到砌) ，然后可以用f f t 得到 毫= 击篓，( 刀) e x p ( 一2 石万n k 咖= 。，1 ，一l 式( 2 - 9 ) 2 1 i 2 循环前缀 循环前缀的设计使o f d m 技术可以有效对抗码间干扰。把输入的串行数据流串 转换到多个并行的子信道中，使得每个调制了载波的数据周期大大扩展，因此时延 扩展与符号周期的数值相比也同样大大降低。为了最大限度的消除符号间干扰，还 可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔乃，正一般要大于无线信道中的最大时延 扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一符号造成干扰。在这段保护间隔内可 以不插任何信号，但是这种情况下，由于多径传播的影响，了载波问的正交性遭到 破坏，会产生予载波间的干扰。 o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，以消除由于多径所造成的 i c i ，如图2 2 所示，将一个f f t 周期内后面札个数据复制到保护间隔中，形成循环 前缀。这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包含的波形的周 期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔乃的时延信号就不会在解调过程中产生 i c i 。因此一个实际的o f d m 符号总长度z = 疋+ 。这里k 为f f t 变换产牛的。 无保护间隔的o f d m 符号长度，则在接收端抽样开始的时刻应该满足： f 一 z t 式( 2 一l o ) 其中是信道的最大多径时延扩展，当抽样满足该式时，由于前一个符号的于 扰只会存在于【o ，】时，如果相邻o f d m 符号之间的保护间隔i 时，可以完 全克服i s i 的影响。 ， ，7 - 1 一- i 保护保护 l f f t i f f t 输出 问隔 i f f t 问隔 乏 骗 一 z 图2 2o f d m 循环前缀( c p ) 结构原理图 加入保护间隔之后基于i f f t 的o f d m 系统框图如图2 3 所示。 二量卜i f f t j 迪卜吐循环插捌, x - - - l - 一四 发射端 一r i 信道 一生 二：j 接收端 一臣立卜口h 何卜k 梨等昏鍪 图2 3o f d m , 系统结构图 2 1 2o f d m 优缺点 o f d m 技术的优点包括以下几点： 1 o f d m 将频率选择性信道划分为一组平衰落的予信道并行传输数据，从而有 效地减小了信道时延扩展的影响，而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时， 接收机中可以不采用均衡器。 2 o f d m 的各了载波信道的频谱相互重叠，且每个予信道频域响应的峰值点恰 为其它予信道频域响应的零点，因而既保证了予载波的正交性，也充分利用了频谱 资源。 3 可利用f 刚i f f t 快速高效的实现调制解调。 4 可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制 方式，充分利用条件好的予信道以提高系统性能。 然而，o f d m 技术也存在一些缺点： 1 与单载波系统相比，o f d m 对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的 多普勒频移，或者发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏了载波的正交性， 从而导致i c i 。 2 o f d m 存在较高的峰值平均功率比，这是由于o f d m 的输出信号由多个予信 道上的信号叠加丽成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于 平均功率高峰均比对发射机内的线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动 态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号波形和频谱的畸变，因而破坏予载 波的正交性。 2 2 信道估计 在m i m o o f d m 系统中，接收信号是多个发射天线的发送信号经历衰落信道并 叠加了加性噪声的信号，如果采用一般的o f d m 系统信道估计算法来估计信道，对 于特定的天线，由于存在来自于其他天线的干扰信号，信噪比非常低，估计误差很 大。因此，m i m o o f d m 系统的信道估计是一个值得研究的点。 经典的信道估计算法有基于训练序列的信道估计、基于导频的信道估计以及盲 和半盲信道估计算法。基于训练序列的信道估计方法一般适用于突发传输方式的系 统，通过发送已知的i | 练序列，在接收端进行初始的信道估计，当发送有用的信息 数据，利用初始的信道估计结果进行一个判决更新，完成实时的信道估计。基于导 频的信道估计算法通过在发送的符号中插入导频序列，在接收端利用这些导频序列 进行信道估计，其优点是具有较高的估计精度和较低的算法复杂度，缺点是增加了 系统开销，降低了频谱利用率；一般基于导频的信道估计方法适用于连续传输的系 统。盲或半盲估计算法不需要借助导频的信息，通常利用发送信号的二阶或高阶统 计特性来进行信道估计，其优点是降低了系统开销，提高了频谱利用率，缺点是估 计精度较低，算法复杂度较高，且往往不能快速的跟踪信道的变化，因而更适合用 于静态或准静态信道中。基于训练序列和导频符号的信道估计算法一般有最小平方 ( l s ) 、最小均方( m m s e ) 以及维纳滤波器等方法【4 】【5 1 。 本节以l t e 系统为背景，先介绍了导频的设计原则及结构，然后丰要研究了基 于二维维纳滤波的信道估计算法，并给出了仿真结果以及与理想信道估计的比较的 结果。 2 2 1 导频信号设计 基于导频符号的信道估计方法非常适用于o f d m 系统，即在发射端以一定的方 式把已知的导频符号插入到o f d m 符号中，经过信道后，接收端提取这些位置的信 道响应，利用这些位置的信道响应作内插滤波器，从而估计出其他位置的信道频率 响应。m i m o o f d m 系统中基于导频符号的信道估计器的设计丰要考虑以下三个问 题f 6 】： 1 导频形式的选择：由于无线信道常常是衰落信道，为了实时地跟踪信道地变化， 导频信息需要不断地传送。导频形式决定着估计地方法和性能，因此对它必须认真 选择。 ， 9 2 导频正交性设计：在m i m o o f d m 系统接收端得到的信号为各个发射天线发 送信号的线性叠加，因而导频符号必须相互正交，以消除天线间的干扰。 3 寻找复杂度低的内插滤波方法以提高估计精度。 导频的数量及其分布决定着估计的方法和性能。决定导频形式选择的两个最重 要的参数是最大多普勒频移和最大多径时延。为了能够快速适应信道变化，导频符 号在时间方向和频率方向都要放置得足够近；但另一方面，导频符号又不能太多， 以免使数据率降低太多。导频符号在时频资源块的特定位置上传输，可以看作随机 信号的二维采样，是信道冲激响应傅立叶变换( 假设信道响应在一个o f d m 符号周期 内为恒定不变的) 。而采样必须靠得足够近才能满足奈奎斯特采样定理，从而避免失 真。 当有多个发送天线时，多个发射天线发送的信号在接收天线上相互叠加，因此 如果多发射天线采用相同的导频形式就会使导频符号之间相互干扰，利用二维 m m s e 估计并不能获得理想的估计性能。因此，必须通过设计相丐= 正交的导频符号 以消除天线间的干扰，提高信道估计的精度。使导频信号相瓦正交，通常有两种方 式。第一种是使发射天线的导频符号占用不同的载波，即一根天线导频占用的载波， 其他天线在此载波位置不发送任何东西。l t e 系统采取了这一种方式，图2 4 是四发 送天线的情况下l t e 系统下行导频设计情况f 7 1 ，图中彩色部分为各个天线导频位置， 不用于发送任何信号，以便能准确得到各个天线上信道响应，空白为数据发送区域。 1 个p 褥 k 堕监型l 一 图2 - 4l 1 e 系统正交导频设计 一l o - ”，哆蛩“碍芍约 壤嵫一珊镪 蟹够譬譬 的酚鲍盼 0 l 2 j 萱鏊龟 of一戌0走氏nt，_1， r r r 乳 啪黻 2 2 2 二维维纳滤波信道估计 二维维纳滤波器遵循最小均方误差准则，它是在均方误差意义上最优的滤波器。 对于基于二维导频的信道估计中，二维维纳滤波器需要完成的任务是利用导频位置 处的信道系数，进行内插得到其他位置处的信道系数。它要求输入信号是宽平稳随 机序列。f i r 结构( 称为横向) 的维纳滤波器的核心结构如图2 5 所示【引。 一丁牺 u ( n m + 1 ) 印呻 图2 - 5 维纳滤波器f i r 结构 由输入x ( n ) 的o 至l j ( m - 1 ) 阶延迟及估计期望信号d ( n ) 来确定令估计值均方误差最 小的加权系数 w ，f = 0 ，m 一1 ) ，均方误差定义为【9 】： ，= 研( d ( ，z ) 一0 ( 刀) ) 2 】式( 2 1 1 ) 估计值c i ( 以) 为： 0 ( 刀) = _ , w k x ( n - k ) 式( 2 一1 2 ) 图2 5 给出了维纳滤波器正交性原理： y ( 刀) = 怯x o 一| ) ；0 d 刀) = d ( ，1 ) 一j ，( 刀) = d ( 疗) 一w 。x ( n - k ) k = o 我们定义均方误差为： 假设加权系数为： ，= 厨“，1 ) p 宰( 刀) 】= 皿ie ( n ) 1 2 】 w k 。a k + 洳k 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 4 ) 式( 2 1 5 ) 式( 2 1 6 ) p l i 上0了岣 我们定义梯度算予为： 其中 v = v o ，v l ，v ”】r v t2 毒2 毒+ 去 w 表示对球梯度，其中第顾为： v 小差+ 差 我们要求的是令馒小的w o ，w ，值，即： 飞j = 0 这就是说： 式( 2 1 7 ) 式( 2 1 8 ) 式( 2 1 9 ) 式( 2 2 0 ) v = 0 ，k = - o ，1 ，2 ，式( 2 2 1 ) 由式( 2 1 5 ) 可得： v 止研掣p o ) + 掣如) + 掣j e 孙) + 掣仲) 】x - 戈( 2 2 2 ) o a oo c t oo b ko b t 。 由式( 2 1 4 ) 式和式( 2 2 2 ) n - j 得： o = e ( 一n ) ：一工( ，z 一七) o a k 掣：j x ( 刀叫 一= h 一盯- 8 b k 攀：吖( 刀一砧= 一r l 玎一f i o a k 地：一豇( 疗一后) 一= 一，r ，一r l o h , 。、7 式( 2 2 3 a ) 式( 2 2 3 b ) 式( 2 2 3 d ) 将式( 5 2 3 ) 代入v 。j ，经整理可得： v t j = - 2 e i x ( n - k ) e + ( 刀) 】式( 2 2 4 ) 当v 。，= 0 ，k = - o ，1 ，时，诹最小值，用w o ，e o ( n ) 表示权系数和误差p ( 刀) ，且 = ，有： ， 1 2 e x ( n - k ) e o ( n ) 】- 0 ，k = 0 , 1 ， 当误差和输入正交时，达到最优滤波。即： e y o ( n ) e o ( , o 】= 0 下面介绍维纳- 霍夫方程( w i e n e r - h o p f ) ： 由以上推导的正交性原理可得： e x ( n 一七) ( d ( ，1 ) 一w o f 工( 刀一功】= o ，k = 0 , 1 ， f = 0 w o ，e x ( n - k ) x o 一例= e x ( n 一后) d + ( 以) 】 i = o 我们定义： o 一七) = e x ( n - k ) x * ( n - i ) 】 ( 一k ) = e x ( n - k ) x 。( 刀) 】 则有： 式( 2 2 5 ) 式( 2 2 6 ) 式( 2 2 7 ) 式( 2 2 8 ) 式( 2 2 9 ) 式( 2 3 0 ) w o ；r a f - k ) = ( 一尼) ，k = 0 , 1 ， 式( 2 3 1 ) i = 0 上式为维纳- 霍夫方程，通过解这个方程，就可以得到最优权值 ， 。 对于删喻f i r 滤波器，维纳霍犬方程可写为： w o ，( f 一尼) = ( 一后) ，k = 0 , 1 ，m 一1式( 2 3 2 ) i = o 令： x ( n ) = 【工( ，1 ) ，x ( n - 1 ) 9 oo $ x ( n - m + 1 ) 】r ( 式2 3 3 ) r = e x ( n ) x 日伽) 】= ，_ ( o ) ， ，( 1 ) ， 厂( 1 ) ， ，( 0 ) ， r ( m - 1 ) ，( m - z ) 厂( m - 1 ) ，( 膨一2 ) ，( 0 ) 钿= 皿缸刀) d + ( 以) 】= 【饧( o ) r x a ( - - 1 ) ，r a ( 1 一m ) r 维纳霍大方程： 一 一 。r w o2 白 这里= w o o ，w o i ，w 0 2 ，w o j i ，一l r 解方程可得： 。 1 3 式( 2 3 4 ) 式( 2 3 5 ) 式( 2 3 6 ) w o 2 r 一1 式( 2 3 7 ) 上面介绍了维纳滤波器的相关知识，下面介绍二维辅助导频维纳滤波器信道估 计。 设接收信号为： r ( k ，) = h ( k ，z ) + ，l ( 七，z )式( 2 3 8 ) 假设只在导频p 的位置可得到已知接收信号厂( ，) ，分别用k 和，7 表示导频所在 位置。则信道估计公式 左( 足，) = 以后，儿，) ，( ，) 式( 2 3 9 ) l 七， i s p h ( k ，) 为k ，位置信道估计，w ( k ，l ；k ，) 为维纳滤波器系数，估计均方误差为： j ( w ( k ，功= 研ih ( k ，) 一五( 尼，引2 】式( 2 _ 4 0 ) 符号e 口表示数学期望，根据上面介绍的维纳滤波器正交性原理，可得： e i ( h ( k ，) 一j j i ( 后，) ) 厂( 七”，。) 】= 0式( 2 4 1 ) 其中( ) 代表共扼转置，( 旷，。) 来自于导频位置p ，假设维纳滤波器是物理可实现 的，则系数w ( k ，；后，7 ) 存在，根据维纳霍夫方程可得： g h ( k ，1 ) r ( 尼。，厂) 】= w o