（信号与信息处理专业论文）多天线系统信道估计与信号检测技术研究.pdf

摘要 摘要 本论文主要研究无线多天线系统的信道估计与信号检测问题。多天线的应用模式主 要包括了空间分集( 如空时码) 、空间复用( 如v - b l a s t 系统) 等。文章对这两类问题 都进行了研究，提出了新的改进并与原算法进行了比较。迭代方法可以有效提高算法性 能，因此在本文集中研究了迭代算法及联合信道估计和信号检测算法在不同多天线应用 模式下的实现及算法改进。文章最后还研究了在没有训练信号情况下的盲估计和均衡问 题。研究内容主要包括： 1 、研究了一些最基本的v - b l a s t 系统的连续干扰消除( s i c ) 检测算法，包括了基于迫 零和最小均方误差准则的连续干扰消除技术，基于q r 分解的算法等。文中首先给出对 系统模型和现有算法的描述和分析，针对连续干扰消除算法中存在的误差传递问题，然 后提出一种在q r 分解算法基础上，基于混合s i c 和并行干扰消除( p i c ) 的改进算法。通 过仿真比较和复杂度分析，对各种算法的性能和实现复杂度做了对比。 2 、研究高性能的基于后验概率的m i m 0 检测算法，其主要包含两个问题，一是如何利用 软信息，二是如何实现最大后验所需的有效搜索算法。文中首先给出了软输入软输出接 收机系统中如何在解码器和检测器件通过软信息的交换来实现t u r b o 迭代。另外，基于 后验概率的算法主要是要能够实现高效的符号路径搜索来最大化后验概率。因此文中给 出了几个主要的搜索算法，包括列表球形译码算法、堆栈算法以及m 算法。文中提出了 对其中一些算法的改进或新算法。针对堆栈算法中原有算法在搜索过程中需要通过额外 的辅助堆栈计算来得到搜索路径长度偏移量的问题，本文提出一种更为有效的在算法中 考虑长度偏移量的方法，在性能和算法复杂度上都有所改善。另外对于在搜索类算法中 复杂度最小的m 算法，其性能有时在m i m o 检测中不能令人满意的情况，本文讨论了将 结合s o n v i t e r b i 算法的m 算法应用于m 刀m o 检测的情况。在最后通过仿真验证了所提 算法的有效性。 3 、研究了基于最小均方误差彻m s e ) 的m i m 0 检测算法。首先，我们依然先介绍了如 何在m m s em i m o 检测中利用来自解码器的软信息，这与后验概率检测算法中的情况 有所不同。基于最小均方误差的检测算法包含了线性最小均方误差检测( l 埘s e ) 、非线 性最小均方误差检测( n m m s e ) 以及各种干扰消除等技术，文中都对此进行了分析研究， 并在此基础上提出了新的改进。首先，对基于m 心压s e 检测的g p d a 算法进行了改进。 引入了分组迭代g p d a 算法，即将待检测信号先进行分组，组内用m a p 检测，而其它分 组信号作为干扰消去后残留干扰的叠加被近似为高斯噪声，并计算相应的匹配均值和匹 配方差。这样一方面减少了干扰信号，一方面对组内的少量信号使用m a p 算法提高了 检测性能并控制了实现复杂度。通过调整分组大小，算法可以取得性能和复杂度的折中。 在章节最后的实验部分对比了几种算法，验证了本文算法的较好性能。 4 、研究了空时块码正交频分复用( s t b c o f d m ) 系统的联合迭代信道估计与信号检测 i l 多天线系统信道估计与信号检测技术研究 问题。s t b c 的解码性能很大程度上受到信道估计精度的影响，而实际系统中由于训练信 号有限或者时变信道环境导致信道估计通常有较大偏差。文章研究通过联合迭代信道估 计与信号检测的方法来改善信道估计和s t b c 解码的性能。在现有文献中包含了基于e m 算法和循环最小算法的迭代实现。而这些算法在解码环节通常是通过搜索来实现解码 的，而本文中提出了一种解析求解的方法大大降低解码复杂度。在信道估计问题上，本 文在时域信道估计中通过有效利用f f t 和i f f t 在时域和频域信道间转换避免了原有算 法中为了降低复杂度而限制信号为恒模的问题。仿真中在等间隔插入导频的0 f d m 系统 和前置训练信号的系统信道跟踪问题中验证了算法有效性。另外在利用信道解码输出的 迭代算法中，本文提出利用解码输出的硬判决反馈实现迭代，仿真中性能接近已知信道 参数的理想情况性能曲线。 5 、研究了多天线系统的盲信道估计与均衡问题。本章给出了一种将子空间方法从单输 入多输出扩展到多输入多输出系统的简洁的形式，并研究了有色信号输入下信道的辨识 与均衡。多输入多输出系统盲均衡后会存在一个模糊矩阵，即变成一个信号瞬时混合的 问题，文中通过联合对角化方法求解了该问题，得到了较为满意的结果。 关键词：多输入多输出( m 涯o ) ，空时码( s t c ) ， 时块码正交频分复用( s t b c - o f d h d ，迭代检测， 垂直编码分层空时码b l a - s 1 ) ， 空 信道估计，t 1 】曲，盲均衡 雷达信号处理国家重点实验室 a b s t r a c t i l i a b s t r a c t i i l 恤sd l s s e n a t i 0 i l ，w er e s e a r c h 廿l ep r o b l e mo fc h 锄e le s t i m a t i o n 锄ds i 孕l a jd e t e c t i o ni l l w 讹l e s s 删j t i p l e i i l 叫- m u l t i p l e o u t p u t ( m 蹦o ) s y s t e m t h e 印p l i c a t i o i l s o fm i m o t e c 砌q u ei n c l u d es p a c ed i v e r s i 巧( s u c ha ss p a c e - t i m ec o d i i l 曲o rs p a c em l l l t i p l e x ( s u c h 嬲 v - b l a s d w r eb 暑es t u d i e dt 、os y s t e m si nt m sd i s s e n a t i o n a n di l ：n p r o v e dt l l ee x i s t i 】【培 a 1 9 0 r i t l l m sa n dc o m p a r e d 丽t l l 慨瓶i t e r a t i v ep r o c e s s i n g c a i le 伍c i e n t l yi m p r o v e 也e p e 渤珊a n c e0 fa l g 幽，雒d i i lt l l i sd i s s e r t a _ t i o 玛w ec o n c e m 谢血m ei t e r a t i v ea l g o r i 也l n 锄d 恤j o ne s t i m a t i o no fc h a i l i l e la n ds i g n a lu n d e rd i 舵r e n tm i m os y s t e m s f u r c l l e rm o r e ，w e a l s 0s t i l d i e dt 1 1 ep r o b l e mo fb 1 砒e s t i i i l a t i o na n d 删i z a t i o no fm n 讧os y s t e m s 试也o u t 佩l l i n gs y m b o l s t h e 嫩i 1 1c o 疵n t si n 也i sd i s s e 僦i o n 沁l u d e ： 1 、s e q u e n t i a li d ：t e r 晓闻ec a n c e l l a t i o n ( s i c ) a l g o r i t l l mf o rv b l a s t 沁l u d i i 玛z e r 0 一f o r c i i l g 0 rm m s eb a ds i ca n dq rd e c o m p o s i t i o n ( q r d ) b a s e dm e 岫d ，a r es t u d i e d w eh a v e 西v e nt h es y s t e mm o d e l 觚dd c s c r i p h o na n d 距a l y s i so ft l l e s ea l g o r i l 圣m l s 1 ot a c l d et h e p b l e mo fe 玎0 rp r o p a g a t i o 玛w ep r o p o s ea ni n l p r 0 v e dq r d b a s e dm e t h o dw k c hc o 瑚【b i i l e s s i ca i l dp a r a l l e li 芏l t e 疵r e r 啪c a n c e l l a t i o n ( p i c ) a d v a i l 切g e so fn l en e w a l g o r i n l i nh a v eb e e n v 丽f i e db y 也es 蛔【m a t i o i l sa n dc o m p l e x 时a n a l y s i s 2 、ap r i o rp r o b a b i l 姆( a p p ) m 蹦0d e t e c t i o na l g o r i 岫1 s 晰t he 玎0 rc o 仃e c tc o d 吨饵c c ) a r e 殉m i e d mt w op r o b l e m so fs u c hd e t e c t i o na r e ，h o wt 0e x p l o r e 也es o ri r 响m 蜥o nf b o m 也e d e c o d a l l dh o wt 0 缸dt 1 1 e0 p t i 砌s e q u e n c et 0a c l l i e v ea p pd e t e c t i o nb ye 伍c i e n ts e a r c l l i n g i n 吐1 ed i s s e r t a t i o n w es i l o wh o wt 0 i i i l p l e m e n tt h et m b oi t c 氍l t i o nb ye x c h a n g i i l gs 0 f t i r 曲n 1 1 a t i o nb e t w e e nd e t e c t o r 狃dd e c o d e ri nm es o m n s o m o u t ( s i s o ) r e c e i v e r t oa c m e v e h i g l le 伍c i e n ts e a r 幽ga l g o 鼬mf o ra p pm i m od e t e c t o r ，s o m eo f 恤p r e v a l e n ta 1 9 0 甜吼 a r e 西v e 玛诫c h 血l u d e 位l i s ts p h e r ed e c o m g 皿s d ) ，m el i s ts e q u e n t i a la l g o r i 缸l n l ( l i s s ) a n dt l l em a l g o r i t h m i na d d i t i o 玛w eh a v ep r o p o s e da ni n l p r o v e dl i s sa 1 9 0 r i t l 吼a n d 跹 m e t l o da p p l y i n gs o f i - v 妣r b ima l l g o r i t h m ( s o m a ) t om od e t e c t i o n 1 ki n l p r o v e dl i s s a l g o r i t l l mp e r f o 耽s 疏a c ks e a r c l l i n gw i 廿1t l l el e n g mb i a s ，b ma v o i d st h et i l i l e - c o m | u m i i l g a u x i l i a 巧s ko p e r a 旺o ni i lt l l eo r i g i n a ll i s sa l g o 咖m b o mo fm ei i l l p r 0 v e dl i s sa l g o r i 廿l i n a n dt h es o m af o rm i m od e t e c t i o na r ev e r i f i e dv i a 廿1 es i i i “a t i o i l s 3 、t h em i l l i m u | l nm e a l ls q l 脚ee n d r ( m m s e ) b a s e dm m od e t e c t o ri sa l s 0s 砌i e di i l “s d i s s e r t a t i o n a tf i r 瓯、v es t i l lp r e s e mh o wt oe x p l o r es o ri n f o m 斌i o nf 1 0 md e c o d e ri nm m s e b a s e dm i m od e t e c t o r w l l i c hi sd i 脑e n t 五f o m 也ec a s e so ft h ea p pd e t e c t o r i n 畦1 er e l e v a n t c h a p t e r 、l l a _ v eg 沁e na i l da n a l y z e ds o m e 啪m s eb a s e dm d “od e t e c t 洫gt e c h i l i q u e s ，s u c h 鹄 l i n e a rm m s e ( l m m s e ) d e t e c t o r ，n o m i n e a rm m s e ( n m m s e ) d e t e c t o r ，p i c s i cm e m o d s a n ds o ri ca i l dh 砌i ca l g o r i t h s an e w g r o u p - g p d aa j g o r i t l l i i lb a s e do nt h en m m s e i v 多天线系统信道估计与信号检测技术研究 d e t e c t i o ni sp 哪s e d d i 舵r e n t 舶mm eo r i 百n a jg p d a a l g o r i t l l i i l ，n e wa j g o 枷吼g r o u p s 恤e s i g i 谢t 0b ed e t e c t e da i l da i t e m a t e i yp e r 如r i i lm a p d e t e c t i o ni i le a c hg r o u p a tm em e a i l t i m e ， a p p r o x i i i l a t et l l eo m e rg r o u p s 嬲g a u s s i a nn o i s em m a t c h e dm e a na i l dm a t c h e dv a r i a n c e s u c hp r o c e s s i n gr e d u c e st l l ei i l t e r f - e r e n c e c o m p o i l e n t sa n di n l p r 0 v e s l ep l e r f 0 h n a n c eb y a p p l y 啦m a pd e t e c t o rt 0 舭g r o u p 吼d e rd e t e c t i n g b y 删戚龇s i z eo f 伊0 u p ，仃a d e o 廿 b e t w e e np e r f o n n a i l c ea i i dc o m p l e x 埘c a l lb ea c l l i e v e d ，n l e 叫o 咖觚c ei m p r o v 锄e mh a s b e e v e r i 丘e dv i at 1 1 es i m u l a t i o n s 4 、a n o n l e r 嘶衄l tm i m ot e c 王l i l i q u ei ss p a c e - t i i n ec o d 吨( s t c ) t h ep e 面眦觚c eo fs t c d e c o d i n gi sg r e a t l ya 虢c t e db yc h a i l n e le s t i m a t ee r r o r ，w h i c hi sh a r dt 0a v o i di i ip r a “c ed u e t 0l i l i l i tm 咖舨髓0 fp i l o t si no f d ms y i i l _ b o lo rt i i n ev a d r i l l gc b a n n e l i nt h ec b 印t e r ，a l l “e r a t i v ej o i n tc h a 加e le s t i i i l a t ea n ds p a c e - t i n l eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) a l g o d t h mi sp r o p o s e d ， b a s e do nm e 锄l y s i so f 酣s t i n gi t e 删v ea l g o r i 盥，s u c h 懿m ee ma l g o r i t h l i l 强d 舭c y c l i c n l i l ：l i 毗撕o na l g o 劬m mn e w 甜g o 舳m 删l yi n l p r 0 v e s 也ep e 向锄c eo fs t b c d e c o m n g 孤l dc k l l l 】舱le s t i m a t eb u ta v o i d 1 et 妇e - c o i l s u m 洫gs e a r d 血i go p e r a d o n si nt h o s e e x i s t 堍s t b cd e c o d 堍m e m o d s ma d d i t i 呱t l l et i m e d o m a i l lc h 锄e le 幽a t ea v o i d sm e l i l i l i 雠i o no nc o 撇m o d u l a rs i 印a l so f e x i s t i n gm e m o d ，砌c h i st or e d u c em ec o m p l e x 时 9 fc h a i l n e le s t i m a t e ，b ye m c i e m l yu s i i l g 也ef f ta n di f f tt oc o n v e n 也ec h a n n e lp a r a m e t e r s b 咖e e nt i i l l ed o m a i l la n d 觎q u e n c yd o m a i l l m 也e 涵u l a t i o i l s ，o u rm e t h o dh 弱b e e nv 丽j f i e d t 0b ea p 】) r o a c g 也ec l 删ew i 血i d e a lc h a i l i l e l 泓e 砌) 锄a t i o n ( c s d ，i 1 1 也ec 2 l s eo fo f d m s y s t e mw i 廿1e v e i l l yi n s e r t e dp i l o 坞a n d 也ec a s eo ft i i n e v a d r i n gc h 锄e 1 5 、b l i n dc h 髓n e le s t i i i l a c e 趾de 删i z a t i o nf o rm n 江os y s t e mi sa p r o b l e mt 0b e 咖d i e di n t h i sd i s s e r 嘶o n ht h er e l e v a n tc h a p t e r ，w ep r o p o s e dan e a td e l 如a t i o n 南rs u b s p a c eb a s e d m e 也o d 南rm i m os y s t e m w 池廿1 i sm e t l l o 也t l l ep r o b l e m so fc h 锄e le s t h n a t ea n d e q 砌i z a ：t i o n 、访t l lc o l o r e ds i g n a li n p mh a v eb e e ns t u d i e d t h e 鹅e x i s t sa na n l b i 昏l o u sm a ：t r m e r 龇s t e po f 心ob l 础e q l l a l i 刎0 n t h a ti sap r o b l 锄0 fi i l s l 舳t 觚e o u si n j x t i 】r et 0b e r e s o l v e d i no u rm e n l o d ，、ee x p l o r en l ej o i i l td i a 9 0 n a l i z a t i o nt 0r e s o l v ei t 觚dt 1 1 es 撕s 蠡e d r e s l l l t sh a v e b e e ng 豳e d k e yw o r d ：m i m o ，s t c ，v - b l a s t ，s t b c o f d m ，i t e r a t i v ed e t e c t i o n c h a n n e le s t j m a t e ， t b o ，b l me q 砌i 删o n 雷达信号处理国家重点实验室 独创性声明 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， 除了本文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，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 本人签名： 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：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) 朱人签名： 导师签名： 日期：! ! 也：! ：s ： 日期：竺! ! ：! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当m a r c o n i 一个世纪前展示无线电报时就预示了工业的重大转折点产生。百多年来 无线传输技术允许人们可以不使用任何物理连接进行通信。半导体技术的进步让许多在 世界各地的公众同时通话成为了现实。现在，移动用户的数量急剧增加，数据通信和多 媒体业务也随之增加。于是，下一代无线移动通信系统对新技术的需求更加迫切，实现 无所不在的、高质量的、高数据传输速度的、高移动速率的、低功耗的无线移动多媒体 传输成了目标。 无线移动通信经过多年的发展，形成了以技术拉动需求，以需求推动技术的发展格 局，逐步成为最具发展活力的产业之一n 1 。7 0 年代末，出现了采用模拟技术和频分多址 ( f d m a ) 技术实现语音业务的第一代移动通信技术( 简称l g ) 。8 0 年代，出现了利用数字 传输方式实现语音、数据等业务的第二代移动通信技术( 简称为2 g ) ，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 ) 。第二代移动通信技术与第一代移动通信技 术相比，主要是移动通信性能提高了许多，该技术以g s m 系统、p d c 系统和c d m a 系统为代 表。9 0 年代中期，出现了以g p r s 系统、h s c s d 系统和e d g e 系统为代表的第2 5 代移动通信 技术，( 简称2 5 g ) 。目前，技术更为先进并已成熟的第三代移动通信技术( 简称3 g ) ，已 经在世界上很多地区进入了市场和推广。它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信 息业务，例如高速数据、语音、图像、视频等多媒体业务，其传输率高达2 m b i t s 带宽 可达5 删z 未来的b 3 g 4 g 宽带网络渊，在技术体制上逐步形成了从单载波发展到多载波，从单 天线结构发展到多入多出的多天线结构，从频分复用、时分复用、码分复用单独制式发 展到混合制式在下一代b 3 g 4 g 的宽带技术中，形成了以多输入多输( m i m o ) 钒、正交频 分复用( o f d m ) 删以及多输入多输出正交频分复用( m i m o o f d m ) 为基础技术平台的多天 线多载波技术躺2 1 。这种技术架构将会深远地影响未来宽带无线通信的发展。 1 2 研究背景 当前正积极发展的b 3 g 技术主要包括l o n gt e r me v 0 1 u t i o n ( l t e ) 技术3 抽1 和以i e e e 8 0 2 1 6 e 标准为基础的w i m a x 技术口7 删。其物理层技术主要特点是： ( 1 ) 在物理层采用正交频分复用，实现高效的频谱利用率。 ( 2 ) 双工方式：支持时分双工( t d d ) 、频分双工( f d d ) ，同时也支持半双工频分双工( h f d d ) 2 多天线系统信道估计与信号检测技术研究 f d d 需要成对的频率，t d d 则不需要，而且可以实现灵活的上下行带宽动态分配。半 双工频分双工方式降低了终端收发器的要求，从而降低了对终端收发器的复杂度。 ( 3 ) 可支持移动和固定的情况，移动速度最高可达1 2 0l ( i n h 。 ( 4 ) 带宽划分灵活，系统的带宽范围为1 2 5 湖z 2 0 姗z 。w i 鼢x 规定了几个系列的带宽： 1 2 5 姗z 的倍数系列、1 7 5i m z 的倍数系列。其中1 2 5 删z 倍数系列包括；1 2 5 删z 、 2 5 删z 、5 蛐z 、1 0 姗z 、2 0 姗z 等，1 7 5 姗z 倍数系列包括：1 7 5 姗z 、3 5 潮z 、 7 删z 、1 4 姗z 等。 ( 5 ) 使用先进的多天线技术提高系统容量和覆盖范围。 ( 6 ) 采用混合自动重传( h a r q ) 技术。混合自动重传操作中融合了前向纠错( f e c ) 的功能， 使得每一次分组包的发送操作都能够为最终的正确解码做出贡献。主要分为两类： 追赶合并和递增冗余。 ( 7 ) 采用自适应调制编解码( a m c ) 技术。a m c 根据接收信号的质量，随时调整分组包的调 制、编码方式、编码速率，使得系统在能够达到足够的可靠性的基础上，使用尽可 能高的数据传输速率。 ( 8 ) 采用功率控制技术，目标是最大化频谱效率，而同时满足其它系统指标。 ( 9 ) 采用先进的信道编码技术改善通信质量，扩大覆盖范围。 从4 g 系统的技术需求来看，未来移动通信的传输速率要求达到百兆比特每秒甚至吉 比特位每秒，目前的i e e e8 0 2 1 6 e 中最高的物理层速率是7 5 b s ，为了能够在保证通 信质量的同时达到很高的数据速率，在未来的标准演进中，必须对物理层的关键技术进 行有效的演进。 1 2 10 f d m 和o f d 姒技术 在8 0 2 1 6 d 1 6 e 中均引进了正交频分复用( o f d m ) 和正交频分复用多址( o f d m a ) 技术， 在未来的物理层技术演进中，0 f d m 和0 f d 姒仍然是主要的关键技术之一。正交时分复用 ( o t d m ) 则是在最近倍受大家关注的另外一种复用技术，有可能成为未来的物理层复用技 术之一。 1 2 1 1 正交频分复用 o f d m 的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低 速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采用相关技术分开， 可以在一定条件下减少子信道间干扰( i c i ) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关 带宽，因此每个子信道可看作平衰落信道，从而消除了符号间干扰( i s i ) 。由于每个子 信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： ( 1 ) 频谱利用率很高。 雷达信号处理国家重点实验室 第一章绪论 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。 ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的0 f d m 有快速算法，o f d m 采用快速傅里叶变换( f f t ) 和逆 快速傅里叶变换( i f f t ) 来实现调制和解调，易用数字信号处理器( d s p ) 实现。 除上述优点以外，o f d m 也有3 个较明显的缺点： ( 1 ) 对频偏和相位噪声敏感。 ( 2 ) 峰均功率比( p a p r ) 大，导致发送端放大器功率效率较低。 ( 3 ) 自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。 o f d m 作为保证高频谱效率的调制方案已被一些规范及系统采用。o f d m 将成为新一代 无线通信系统中下行链路的最优调制方案之一，也会和传统多址技术结合成为新一代无 线通信系统多址技术的备选方案。 1 2 1 2 正交频分复用多址 在o f d 凇系统中，用户仅仅使用所有的子载波中的一部分，如果同一个帧内的用户 的定时偏差和频率偏差足够小，则系统内就不会存在小区内的干扰，比码分系统更有优 势。 由于o f d m a 可以把跳频技术和o f d m 技术相结合，因此可以构成一种更为灵活的多址 方案，此外由于0 f d 姒可以灵活地适应带宽要求，可以与动态信道分配技术结合使用来 支持高速的数据传输。在未来的物理层技术演进中，o f d i i a 仍然会作为一种非常重要的 关键技术继续保留。 1 2 1 - 3 单载波频域均衡技术 在o f d m 系统中，如何降低p a p r 仍然是亟待解决的问题。不少演进技术中为了避免 p a p r 的影响，已经开始考虑采用单载波频域均衡技术( s c f d e ) 蚓，也称为正交时分复 用( o t d m 。 s c f d e 之所以越来越受关注，是因为有如下的优点： ( 1 ) 抗多径能力强 ( 2 ) 频谱效率高( 与0 f d m 类似，甚至稍高) ( 3 ) 没有p a p r 问题 ( 4 ) 带外辐射小 ( 5 ) 实现简单 ( 6 ) 采用自适应技术 另外，s c f d e 易与其他技术结合，形成c p c d 姒、c p d s c d m a 、o t d m + 智能天线( 发 射机) 、o t d m + 分集接收( 接收机) 等技术。 新一代的无线通信系统对系统的性能、成本、尺寸、功率和能耗提出了严格的要求。 s c f d e 系统具有较强的克服频率选择性衰落的能力，克服了o f d m 系统的不足，使得接收 4 多天线系统信道估计与信号检测技术研究 机的实现更为简单。s c f d e 也可以和o f d m 共存于一个双向传输系统，以便更灵活、更高 效地发挥两种技术的优势。另外，s c f d e 技术还可以与多输入多输出( m i m 0 ) 技术相结合， 提高频谱利用率，改善系统性能，在宽带无线通信领域有着广阔的应用前景。采用s c _ f d e 是未来高速无线通信系统的一个极具竞争力的方案。 1 2 2 多输入多输出技术 频率资源的使用是有限的，无论在时域还是频域上处理信道容量均不会超过香农 限。多天线的使用使得不同用户的信号可以用不同的空间特征来表征，使得空域资源的 使用成为可能。空域处理可以在不增加带宽的情况下成倍地提升信道容量，也可以改善 通信质量、提高链路的传输可靠性。 1 2 2 1 多天线的应用模式 未来的多天线技术应用模式必将是灵活多变的，主要多天线的应用模式包括： ( 1 ) 接收分集( 单输入多输出时) 由于部分终端受尺寸大小、发射功率和成本等的影响，通常在发送端只有1 根天线， 基站使用多根接收天线，实现接收分集，理想情况下可获得1 0 l o g ，( d b ) 的增益，为 基站接收天线的个数。容量随着接收天线的个数对数增加。 ( 2 ) 发送分集( 多输入单输出时) 终端1 根接收天线，基站多根发送天线，理想情况下可获得1 0 l o g m ( d b ) 的增益， m 为基站发送天线的个数。容量随着发送天线的个数对数增加。 ( 3 ) 波束形成( 多输入单输出时) 终端只有一根天线，基站使用多根发送天线，实现波束形成，由于在发端已经得到 了信道状态信息( c s i ) ，波束形成比发送分集信噪比提高3 d b 。必须经过上行测量或者 上行反馈获取信道信息，才能够进行波束形成。 ( 4 ) 空时编码( 多输入多输出时) 未来的通信系统中，终端会走向多样化，部分终端可以拥有多根天线，这样通信链 路的上下行均可实现多输入多输出( m i m o ) 。空时编码是m i m o 的主要应用形式之一，正 交的空时分组编码可以获得满分集增益，空时网格编码不仅能够获得部分的分集增益， 同时也能够获得编码增益。 ( 5 ) 空间复用( 多输入多输出时) m i m o 的另一种主要的应用形式是空间复用。空间复用技术使得信道容量成倍地增长 变为可能。使用空间复用技术必须满足：，m ，使用迫零和干扰对消进行逐符号检 测，发端无需知道信道信息，无需通道校正，当信道容量下降时，复用系数应该自适应 改变。 ( 6 ) 智能天线( 先进的多天线系统) 雷达信号处理国家重点实验室 第一章绪论 智能天线的一个主要的任务是如何获取和利用信号的空间方向信息，并通过阵列信 号处理改善信号的质量，从而提高系统的性能。天线阵列的加权在基带通过数字信号处 理完成，自适应阵列技术属于其中的一部分。自适应天线阵列是智能天线技术的研究重 点和发展方向。 1 2 2 2 多天线技术的空域自适应 未来的多天线技术必将实现空域自适应链路。根据信道的变化，可以实现目标为最 大的数据传输速率的链路自适应和平均信道容量最大的链路自适应。 实现目标为最大的数据传输速率的链路自适应的设计原则： ( 1 ) 移动环境下的m i m o 信道是变化的，容量也是变化的。 ( 2 ) 在低秩信道下并非发射天线越多信道容量越大，可以通过合理地选择发射天线来提 升系统容量。 实现目标为平均信道容量最大的链路自适应的设计原则： ( 1 ) 当收发天线之间的衰落系数互不相关且服从相同的分布时，m i m 0 系统将获得可观的 信道容量。但是由于阵元间距和实际通信环境所限，各对收发天线间的衰落系数往往是 相关的。研究表明，在相关性较强的情况下，信道容量会大幅降低。 ( 2 ) 在相关衰落信道中应该合理设计天线阵间距和排布方式来尽量降低阵元之间信道响 应的相关系数。 1 2 3 帧结构 i e e e8 0 2 1 6 e 物理层定义了几种双工方式：t d d 、f 叻和h f d d 。这几种方式都使用 突发数据传输格式，这种传输格式支持自适应的突发业务数据，传输参数( 调制方式、 编码方式、发射功率等) 可以动态调整，但是需要媒体访问控制( m a c ) 层协助完成。在t d d 模式下，每个物理帧长度固定，上下行的切换点可以自适应调整，下行在先，上行在后， 这样杜绝了上行方向的竞争。同时，上下行和下上行子帧之间可以插入收发时隙，以留 出必要的保护间隔。资源的调度和分配可以在基站( b s ) 上集中控制，使得信道可以灵活 地全部用于上行或下行。另外，针对不同的应用场景，在帧结构中定义了多种排列方式， 提高频谱利用率以及克服多径衰落。8 0 2 1 6 e 还采用了1 2 8 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 个可变子载 波的o f d m a 方式，使设备信道带宽可在1 7 5 姗z 一2 0 姗z 间灵活调配，从而使其具备更 强的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保证w i m a x 终端在移动环境中的使用。 未来帧结构，必须增强对多天线的各种应用模式简单高效的调度，支持各种物理层 关键技术的演进。 6 多天线系统信道估计与信号检测技术研究 1 2 4 混合自动重传 h a r q 是一种新的将自动重传( a r q ) 和前向差错编码结合的物理层技术，主要分为3 类。i 型姒r q ，只是把f e c 和a r q 简单地结合起来，虽然在一定程度上解决了f e c 和a r q 本身的缺陷，但是由于每次只是简单地把出错数据分组丢弃，要求发端重传该数据组， 没有充分利用出错的数据分组当中的有用信息，导致整体数据传输效率不高。i i 型h a r q ， 在i 型的基础上，以码合并产生解码增益的思想充分利用了每次发送的数据分组当中包 含的有用信息，但是在i i 型h 1 6 l r q 当中重发的数据分组包含新增的冗余信息( 将有用信 息合并在一起产生的新的数据分组) ，而并不包含原始数据信息，因此不具备自解码能 力，如果原始数据分组被破坏严重或丢失，那么无论重传多少次也无法正确解码，这是 i i 型一个很大的缺点。i i i 型h a r q ，为了克服i i 型h a r q 的缺点，i i i 型h a r q 无论是 原始数据包还是重传数据包都包含原始数据信息，仅通过对重发数据包进行解码就能够 恢复出原始数据信息。灵活采用i i i 型h a r q 中单冗余版本，可以更好地提升系统的性 能。 1 2 5 自适应调制编码 自适应调制编码( a m c ) 的基本思路就是根据信道条件分配传输功率和码率，以提高 传输速率或系统吞吐量。自适应技术有两个步骤： ( 1 ) 传输信道参数的测量。 ( 2 ) 在优化预先指定的代价函数的基础上，选择一种或多种传输参数。 但是有一个假设前提，信道变化不能很快，否则选择的信道参数很难与信道实际情况相 匹配。所以自适应技术只适用于多普勒扩展不是很大的情况。自适应技术在室内环境中 具有很明显的优势，因为在室内环境中传播时延很小，发射机和接收机间的相对速度也 很慢。在这种情况下，自适应技术可以逐帧使用。主要的自适应调整技术包括：自适应 调整功率级别，调整星座图大小，调整码速，同时调整功率级别和星座图大小，同时调 整星座图大小和符号速率，同时调整功率和传输速率，同时调整码速、符号速率和星座 图大小。 1 2 6 信道编码 信道编码技术在无线通信中是必不可少的，通过信道编码( 纠错码) 实现差错控制是 高速通信中的关键技术之一。8 0 2 1 1 d e 标准采用了r s 分组码、卷积编码、卷积t u r b o 码、分组t u r b o 码、低密度稀疏检验矩阵码( l d p c ) 等纠错编码技术，w o y e n 卷积码已经 被中国通信标准化协会写入新一代无线通信空中接口技术纲要。 雷达信号处理国家重点实验室 第一章绪论 7 其中r s 分组码、卷积编码、卷积t u r b o 码、分组t u r b o 码等在文献 5 中有详细的 描述。l d p c 是一类可以用非常稀疏的奇偶校验矩阵定义的线性分组码，已经成为了下一 代卫星数字视频广播标准( d v b s 2 ) 的项关键技术。如果在w i m a x 中应用l d p c 码，由 于l d p c 码有很好的抗衰落性，编码增益很高，接收机在较低的信噪比情况下仍然可以 拥有较低的误码率，可以使覆盖范围得到提升。尽管在目前增强无线联盟( e w c ) 的草案 中，l d p c 码仍然是一个可选( 非强制) 实施的编码方法，但是有理由相信l d p c 码将在未 来的8 0 2 1 6 系列标准中扮演重要角色。 1 9 9 7 年h o s t 、j o h a n n e s s o n 等人提出了w o v e n 卷积码1 。w o v e n 码借助了“交织 的概念将多个卷积成员码巧妙地结合起来，因此它不仅继承了卷积码的很多特性并具有 了较大的自由距离，而且其系统结构可完全包容传统分组码、卷积码以及各类t u r b o 码， w o v e n 码是对以卷积码为分量码的串行级联码的扩展，相信w o v e n 卷积码在未来的标准 演进中将会得到广泛的应用。 1 3l 坳技术 本文研究重点在于m i m o 技术，因此特别对m i m o 技术发展背景进行叙述。 1 3 1m i 啪技术的发展 在无线和移动通信系统中，传统的多天线技术采用所谓的智能天线m 1 。智能天线能 根据信号的来波方向，自适应地调整其方向图、跟踪强信号、减少或抵消干扰信号，提 高信干比，从而能降低信号发送功率，提高系统容量。传统的智能天线中，只在通信一 端安置多个天线阵列元素，出于体积和成本的考虑，通常是只在基站端有多副天线。m i m o 系统在无线通信系统的发送端和接收端都安置多个天线阵元。在发送端，二进制数据流 输入到发送处理模块中，在这里输入信息进行编码、星座映射，可能还要进行一定的加 权，然后送到各副发送天线上，经过向上变频、滤波和放大后发送出去