（通信与信息系统专业论文）stbcofdm系统的信道估计研究.pdf

摘要 宽带无线通信系统中，可靠、高速的数据传输是无线通信的主要目标，而实现这一目 标存在两个最严峻的挑战：如何解决多径衰落信道问题和提高带宽使用效率。s t b c o f d m 技术将正交频分复用与空时分组码技术有机的结合在一起，能够大幅度的提高无线通信系 统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，从而引起了通信 界的广泛关注。 s t b c o f d m 系统信道估计技术主要有非盲信道估计，盲信道估计和半盲信道估计算 法。非盲信道估计方法一般适用于连续传输或突发传输方式的系统，通过发送已知的训练 序列或导频信号，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。不过这类算法对带宽的利用率低， 降低了系统的传输效率。盲信道估计算法与非盲信道估计方法最大的区别就在于，它并不 发送专门的训练序列或导频，它只是利用接收信号本身以及发送信号的内在特点进行信道 的估计，因此它的频带利用率最大。但是这类算法收敛较慢、计算复杂度高，存在信道模 糊度，不能有效的跟踪信道的变化。同时利用盲信道估计算法所用的信息和采用己知符号 的信息来完成的信道估计被称作半盲信道估计，此类算法不仅克服了非盲信道估计算法带 来的频谱浪费，而且还克服了盲信道估计方法中存在的信道模糊度问题。 本文在分析移动无线信道衰落特性的基础上，阐述了s t b c o f d m 系统的基本原理， 并围绕该系统中信道估计这一关键技术，深入研究了基于子空间的盲信道估计方法，给出 利用虚拟子载波( v c ) 的盲信道估计改进算法和插入少量训练序列来确定信道模糊度的半 盲信道估计算法，最后结合m a t l a b 仿真对这些算法的有效性和可行性进行了全面地分 析与比较。 关键词：正交频分复用；空时分组码；信道估计；子空间；虚拟子载波 a b s t r a c t t h et a r g e to fb r o a db a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni st ot r a n s m i td a t af a s ta n dr e l i a b l y , w h i l e t h e r ea ret w ot o u g hp r o b l e m s ：m u l t i - p a t h f a d i n gc h a n n e la n db a n d w i d t he f f i c i e n c y a sa c o m b i n a t i o no fo 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 gw i t hs p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g t e c h n i q u e , s t b c o f d mh a sr e c e n t l yr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n s ，w h i e l lc a nn o to n l y e f f e c t i v e l ye n h a n c et h et r a n s m i s s i o nr a t ea n dc a p a c i t yo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb u t a l s oe f f e c t i v e l yc o m b a tm u l t i p a t hf a d i n ga n di n t e r f e r e t h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ，t h e ya r en o n - b l i n d c h a n n e le s t i m a t i o n ，b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na n ds e m i - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n t h en o n b l i n d c h a n n e le s t i m a t i o ng e n e r a l l yi sa p p l i c a b l et ot h ec o n t i n u o u st r a n s m i s s i o no rb u r s tt r a n s m i s s i o n s y s t e m t h ea l g o r i t h mb a s e do np i l o ts y m b o l so rt r a i n i n gs e q u e n c e ，t h er e c e i v e ra c h i e v e st h e i n i t i a le s t i m a t e w h e nt h es y s t e ms e n d st h eu s e f u li n f o r m a t i o n ，t h ea l g o r i t h mw i l lu s e t h er e s u l t s o ft h ei n i t i a ld e c i s i o nt ou p d a t ea n dc o m p l e t et h er e a l t i m ec h a n n e le s t i m a t i o n t h i sk i n do f a l g o r i t h mh a sg o o dc a p a b i l i t ya n di se a s yt or e a l i z e ，b u ti td e c r e a s e sb a n d w i d t ha n dt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y t h eb i g g e s td i f f e r e n tb e t w e e nn o n b l i n da n db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o ni st h a tt h eb l i n d m e t h o di sb a s e do nt h el i m i t e dc h a r a c t e r so ft h et r a n s m i t t e di n f o r m a t i o ns y m b o l sa n dt h e i r s t a t i s t i c a lt r a i t s ot h i sk i n do fa l g o r i t h mh a st h em o s tf r e q u e n c ye f f i c i e n c yb u ts l o wc o n v e r g e ， c o m p l i c a t e dc o m p u t a t i o n ，c h a n n e la m b i g u i t y , a n dc a nn o tb ee f f e c t i v e l yt r a c k i n gt h ec h a n n e l u s i n gt h ei n f o r m a t i o nf r o mb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dk n o w ns a m p l i n gs y m b o l st o f i n i s hc h a n n e le s t i m a t i o n ，s e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o ns o l v e st h ep r o b l e m so f s p e c t r u mw a s t e f r o mn o n e - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na n dc h a n n e la m b i g u i t ym a t r i xo fb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d s i nt h i st h e s i s ，w ed i s c u s st h ep r i n c i p l eo fs t b c o f d ms y s t e mb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no f f a d i n gc h a n n e l s f u r t h e r m o r e , t h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ei ns t b c o f d ms y s t e mi s i n v e s t i g a t e d ，w i t ht h ee m p h a s i so ns u b s p a c e - b a s e db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ，a n da l s o i m p r o v e da l g o r i t h mu s i n gv i r t u a lc a r r i e r sa n ds e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n g 仃a i n i n gs e q u e n c ef o rc h a n n e la m b i g u i t ym a t r i xa r eg i v e nr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no f t h e s ea l g o r i t h m si sm a d e b yc o m p u t e rs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：o f d m ；s t b c ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；s u b s p a c e ；v i r t u a lc a r d e r s k 稍g r b 3 g b e r b p s k c m a c p c s i d a b d f t d s p d v b f f t g i h d s l i b i i c i i d f t i f f t i s i l m m s e l s m i m o m m s e n m s e o f d m q a m s n r s t b c 缩略语词汇 l i s l o f a b b r e v i a l 。i o n s a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 b e y o n d3g e n e r a t i o n后3 代 b i te r r o r r a t i o误比特率 b i n a r yp h a s e - s h i f t - k e y i n g二进制相移键控 c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m 常模算法 c y c l i cp r e f i x循环前缀 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 d i g i t ma u d i ob r o a d c a s t i n g数字音频广播 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶变换 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理 d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g数字视频广播 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 g u a r di n t e r v a l保护间隔 h i g h r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p高速数字用户线路 i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e 块间干扰 i n t e r - c h a n n e li n t e r f a c e 信道间干扰 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m逆离散傅立叶变换 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f c i r i l l逆快速傅立叶变换 i n t e r - s y m b o li n t e r f a c e符号间干扰 l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r 线性最小均方误差 l e a s ts q u a r e 最d - - 乘 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多输入多输出 m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r 最小均方误差 n o r m a l i z e dm e a ns q u a r e de r r o r归一化均方误差 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 证交频分复用 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 s p a c e - t i m eb l o c k c o d e 空时分组码 i i l s t c s t r c s v d v c z p s p a c e t i m ec o d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n v i s u a lc a r t i e r z e r op a d d i n g i v 空时编码 空时格码 奇异值分解 虚拟载波 零后缀 南京邮电大学学位论文原创性：声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 嚣牡 日期：兰翌2 ：丝 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：豳_ - r 一- j 日期： 沙7 甲 离，求：瓣 囊大学醪! l 研究，i 二乞 遗泠_ 芝 第一嚣绪沧 第一章绪论 在无线信道环境中有效、可靠地传输数据是无线通信技术的目标和要求。当今的无线 通信，由于众多服务内容对数据传输速率的要求越来越高，使频谱资源严重不足这一问题 同益突显出来，成为制约无线通信事业发展的瓶颈。如何充分利用有限的频谱资源，提高 频谱利用率，成为无线通信技术研究的热点之一。未来的无线通信对应用环境有更高的要 求，这就要求新的无线通信技术在提高频谱利用率的同时，能够适应更加恶劣的信道，克 服各种不利影响，特别是多径衰落。 i i 论文研究背景 正交频分复用( o f d m ) 技术在频域内把信道分成若干正交子信道，频谱相互重叠，减 少了子信道间干扰( i n t e r - c h a n n e li n t e r f a c e ，i c i ) ，提高了频谱利用率。同时，由于在每个子 信道上信号带宽小于信道带宽，所以尽管总的信道非平坦，即具有频率选择性，但是每个 子信道是相对平坦的，从而大大减少了符号间干扰( 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 ) 。此外， 通过在o f d m 中添加循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 进一步增强其抗多径衰落的能力。o f d m 技术以其抗多径能力强，频谱利用率高等优点在实际中得到了广泛的应用，如高速数字用 户线路( h i g h r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，h d s l ) 、非对称数字用户环路( a s y m m e t r i c a l d i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，a d s l ) 、数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、数字视 频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) ，无线局域网i e e e 8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 ，以及 无线城域网i e e e 8 0 2 1 6 等等。 多输入多输出( m i m o ) 技术不但可以成倍地提高衰落信道下的系统容量，而且如果进 一步将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。空时编码( s p a c e t i m e c o d i n g ，s t c ) 技术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编 码技术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速率，为解决 无线信道的带宽问题提供了一条新的途径。 但是，现有的空时编码理论大都基于平坦衰落信道，而在实际当中，空时码在宽带移 动通信中的应用受到极大的限制。自从1 9 9 6 年m i m o o f d m 系统中信道估计技术的研究 首次提出将o f d m 与空时编码相结合( 称为s t c o f d m ) 以来，s t c o f d m 技术很快引起 了通信界的广泛关注。由于合并了o f d m 技术，频率选择性衰落信道转化为若干并行平坦 嬲康帮电六：颤 掰 生# 位论文第孽绪沧 衰落子信道，这样的系统不但具有空时编码带来的分集增益和编码增益，同时兼得o f d m 接收机均衡器结构简单的优点。从而在未来的宽带无线接入领域中采用s t c o f d m 技术 成为了一种发展的必然和技术的关键。一般而言，空时编码包括空时格码( s t t c ： s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) 和空时分组码( s t b c ：s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ) 。空时格码可以实现 满分集增益，并且具有相应的编码增益，抗衰落性能比较好。空时分组码也可以获得满分 集增益，而且这种技术只需在接收端进行简单的线性处理，大大简化了接收机的结构。 s t b c o f d m 技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起，可以大大 提高无线通信中的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗衰落、抑制干扰和噪声。在实际 应用中，为了进一步提高系统的频谱效率，s t b c o f d m 系统通常采用幅度非恒定的调制 方式，例如1 6 q a m 等，在这种情况下，接收端需要信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ， c s i ) 才能进行相干解调，另外，空时编码的译码也需要有精确的信道状态信息才能完成。 因此，信道估计是s t b c o f d m 系统接收机设计的关键所在。 1 2 课题的意义 作为下一代移动通信系统( b 3 g 、4 g 等) 的关键技术之一，s t b c o f d m 系统中的信道 估计技术正是本论文的研究内容。 目前，在s t b c o f d m 系统的信道估计领域中常见的方法多是对基于训练序列或导频 符号非盲信道估计方法的改进。一般具有如下几个缺点： 由于训练序列的存在，降低了通信系统传输的有效信息率。 对于一个快速时变信道，必须频繁地发送训练序列，以便更新信道估计。 在点对点通信网中，如果一个分支信道暂时失效后要恢复工作，就必须重新均衡 该分支接收机，这就有可能中断与其他分支信道的通信。 在通信系统中，由于信道上的干扰或其他因素的影响，有可能使接收机无法跟踪， 从而出现通信中断。为了重新建立通信，就需要发送端再发送训练序列，这就要 求系统增加反馈信道，以传送“请求训练信号”，使得系统变得复杂，难以实现。 相对于非盲信道估计方法，盲信道估计由于其从根本上避免了训练序列的使用，收敛 范围大，应用范围广，克服了传统自适应均衡的缺点，从而降低了对信道和信号的要求， 并且还具有信道利用率高的特点。因此，s t b c o f d m 信道的盲估计是个非常有挑战意义 和研究价值的方向。子空阳j 算法是经典的盲信道估计方法。但是这类算法收敛较慢、计算 复杂度高，存在固有的信道模糊度。同时利用盲信道估计算法所用的信息和采用己知符号 2 带康挪电大学硕。 研究，l 二蒡位沦文第章绪论 的信息来完成的信道估计被称作半盲信道估计，此类算法不仅克服了非盲信道估计算法带 来的频谱浪费，而且还克服了盲信道估计方法中存在的信道模糊度问题。本文将对三类信 道估计算法的性能进行比较分析。 1 3 本文的研究内容与章节安排 本文围绕s t b c o f d m 系统中的信道估计技术展开分析研究，研究过程中，采取了理 论分析与计算机仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究的正确性和可行性。论文 总共分为六章，结构安排如下： 第一章绪论阐述课题的研究背景与意义，主要内容与章节安排。 第二章讨论了无线信道的衰落特性，给出了本文采用的多径衰落信道模型。 第三章阐述了o f d m ，m i m o 和s t b c 的基本原理，讨论了s t b c o f d m 的系统结构， 最后给出在理想c s i 情况下系统的性能曲线，并指出信道估计是决定系统性能的关键因素 之一。 第四章围绕s t b c o f d m 系统的三类信道估计方法，阐述了非盲信道估计中的l s 和 m m s e 算法，着重研究了基于子空间的盲信道估计方法，给出利用虚拟子载波( v c ) 的 盲信道估计改进算法，以及插入少量训练序列来消除信道模糊度半盲信道估计算法，并结 合m a t l a b 仿真对这些算法的有效性和可行性进行了全面地分析与比较 第五章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该领域的 研究发展趋势。 南京邮电大学硕。i ：o f 究生学位论文第二章无线信道特征及模型 第二章无线信道特征及模型 信道是发射端和接收端传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或缺的组成部 分。按传输媒介的不同，物理信道划分为有线信道和无线信道两大类，有线信道是平稳的 和可预测的，而无线信道一般是极其随机，不易分析的。因为无线信道是移动通信的传输 媒体，所有信息都在这个信道中传输，信道性能的好坏直接决定着通信质量。研究移动通 信时电波传播环境的特性具有十分重要的意义。它将导致两个主要的成果：1 建立传播预 测模型；2 为实现信道仿真提供基础。其中第2 点正是研究信道估计的必备基础。本章将 研究无线信道中大小尺度衰落的特征及多径衰落信道的模型。 2 1 无线信道特征 信道，是信息传送的途径，也是通信系统模型中的一个重要组成部分。由于地理环境 的复杂性与多样性，用户移动的随机性和多径传播现象等因素的存在，无线信道变得十分 复杂。关于信道对接收信号造成的影响【1 1 ，我们可以按大尺度衰落和小尺度衰落从统计特 性上来分别讨论。 2 1 1 大尺度衰落 信道的大尺度衰落主要描述了接收信号功率的本地平均值随接收机与发射机之间距 离变化的情况。基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信号功 率随距离的对数衰减。平均大尺度路径损耗可以表示为 一p z ( 咖” ( 2 ) 或 瓦( 州邪】_ 瓦( 矾) + 1 0 n l 。g ( 芋o - 。) ( 2 2 ) 其中，d 为接收机和发射机之间的距离，d o 为近地参考距离，由测试决定，刀为路径 损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，甩值依赖于特定的传播环境，例如，在自由 空f a j ，刀为2 ，当有阻挡物时，n 变大。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道特征及模型 表2 1 给出了不同无线环境下，路径损耗指数。 坏境 路径损耗指数拧 自由空间 2 市区蜂窝 2 6 3 5 市区蜂窝阴影3 - - - 5 建筑物内视距传播1 6 1 8 被建筑物阻挡 4 - - - 6 被工厂阻挡 2 3 表2 - 1 不同无线环境下路径损耗指数 式( 2 2 ) 未考虑在相同发射机和接收机之间距离情况下，不同位置的周围环境差别，所 以我们要把路径损耗描述成一个随机变量。因此，实际的路径损耗可以表示成 一p l ( d ) 【招】= 一p l ( d ) + 以= 一e l ( d o ) + l o n l o g ( 丢 + 以 ( 2 3 ) 其中，k 为零均值的高斯分布随机变量，单位为d b ，标准偏差为1 7 ，单位也为d b 。 由此可见，大尺度衰落可以分为两项，凡( d ) 表示信号在空间传播过程中所产生的损 耗，该类损耗是由于电波传播的弥散特性造成的，它反映了公里量级的空间距离内，接收 电平均值的变化趋势。以则表示阴影效应，它是由于信号在传播路径上受到建筑物及山 丘等障碍物的阻挡所产生的阴影效应而引入的损耗，它反映了数百波长内接收电平均值的 变化趋势。 2 1 2 小尺度衰落 在移动信道中，当接收机或发射机即使移动了载波波长这样小的距离，接收信号的幅 度也会经历剧烈变化，这种剧烈变化主要是由于接收信号是从不同方向的多个路径的信号 叠加引起的，我们把这种接收信号的剧烈变化称为小尺度衰落。 对于小尺度衰落，我们主要关心信道的两种特性。首先是由于多径信道中各路径有不 同的延时，多径信道将使接收信号产生时延扩展。其次是接收机、发送机和传播媒介的移 动，将引入多普勒扩展，即无线信道是时变的。 ( 1 ) 时延扩展和相关带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时， s 南京i 晦电大学坝l j 研究生学位沦文第一：睾：允线信道特征及援型 的参数有：平均附加时延f ，r n l $ 时延扩展q ，附加时延扩展( 量r i b ) 。 平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为 一h 。2 气 弘京 q 4 其中吃为第尼条多径的衰减因子，吒为第k 条径的延时。 r m $ 时延扩展是功率延迟分布的二阶矩平方根，定义为 q = 户一( 孑) 2 ( 2 5 ) 一饩2 吒2 舯 产2 京 q 石) 厶 附加最大时延( 墨r i b ) 定义为多径能量从初值衰落到低于最大能量墨d b 处的时延。 信道的相关带宽e 可以用来描述在多宽的频率范围内信道的传输函数的幅度保持恒 定，它可以由信道的r m $ 时延扩展获得。频率相关性为9 0 的相关带宽可以近似为 忍= 击 ( 2 7 ) 时延扩展与相关带宽是用于描述信道时延扩展特性的参数。当系统带宽e 大于信道的 相关带宽罡或信号的符号周期小于时延扩展时，我们称系统经历的是频率选择性衰落。此 时针对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现出不同的随机响应，由于信号中不同 频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。从时域上看， 接收信号中一个符号的波形会扩展到其它符号中，造成符号间干扰( i s i ) 。这种情况下， 接收机需要采取措施来抵抗频率选择性衰落，比如均衡，或者o f d m 技术。 当系统带宽b ，小于信道的相关带宽或信号的符号周期大于时延扩展时，信号经历平坦 衰落，此时发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。信道相当于只有一条径，但这 时如果该径处于深衰落时，则信号面临完全被衰减的危险。 ( 2 ) 多普勒扩展和相干时间 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，这种现象称为多普勒效应，这 是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，其值为 6 鬟京；曼大擎颤l j 研乡e 尘学 互沦文套；学尢线饼迸褥馥及模型 厶= ；c o s 口= 厶c o s ( z ( 2 8 ) 其中口是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是移动台运动速度，五是波长，厶= ； 称为最大多普勒频移。 信道的相关时间z 是多普勒扩展在时域的表示，相关时间的一个近似公式为 乃= _ 0 4 _ 2 3 ( 2 9 ) jm 相关时间是信道冲激响应具有很强相关性的时间间隔的统计平均值，换句话说，相关 时问就是指在这一段时间间隔内，信道冲激响应基本维持不变。 如果发送信号的符号宽度大于信道的相关时间，我们称信号经历了时间选择性衰落， 也称为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相关时间，则经历非时间选择性衰落，也称为 慢衰落。 2 2 多径衰落信道模型 对于多径衰落信道，在过去的几十年里，人们建立了大量的信道模型，如：抽头延时 线信道模型、c o s t 2 0 7 模型、h a s h e m i s u z u k i t u r i n 模型等。在本文的讨论中，为了简化 分析我们采用了抽头延时线模型对多径衰落信道进行研究。 多径衰落信道的抽头延时线模型【2 1 如图2 1 所示： 图2 - 1 抽头延时线模型 图中每一个抽头系数都是时变的。则信道的冲激响应可以由下式描述： h ( t ，f ) = 呸( f ) e x p ( 厕( f ) ) 艿( f t ) i = 1 y ( d ( 2 1 0 ) 其中，n 是抽头的个数，哆( t ) 是与时间有关的抽头系数，通常是复高斯随机变量； 7 塑坚塑皇奎：；三鐾：! ：堡垄竺竺丝垦茎 笙：兰：鉴茎堕堂笪笙墨丝翌 是输入到第f 个抽头的延迟。对每个抽头都有一个多普勒谱来描述其系数随时间的变化。 不失一般性，通常l = 0 对子f ，的选择，有两种方式： f ；与实际路径的到达时间完全一致。 它们等间隔分布，抽头间距a r 由抽样定理决定。 如果抽头是等间隔的，且抽头系数被定义为统计独立的，则模型可以进一步简化。如 果存在视距成分，这种间隔就称为n 延迟莱斯衰落模型；如果不存在视距成分，则称为 n 延迟瑞利衰落模型。对于这种模型，我们进一步假设抽头系数只在远大于传输数据的一 个周期的时间内才发生变化，即信道是慢衰落的。本文所采用的信道模型为n 一延迟瑞利慢 衰落模型。 2 3 本章小节 信道是通信系统中重要的组成部分，对移动信道的分析是解决移动通信中各种关键技 术的前提。本章对大小尺度衰落进行了分析，并给出了多径衰落信道的模型。本文仿真中 信道的建立均是以此为基础的。 8 南京邮电犬譬硕1 研究伍学位沦文翁i 章s i b c o f d m 系统 第三章s t b c o f d m 系统 s t b c o f d m 技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起，可以大大 提高无线通信中的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗衰落、抑制干扰和噪声。本章将 分别对o f d m 、m i m o 、空时编码技术的基本原理进行阐述，并建立s t b c o f d m 系统模 型，利用计算机对其性能进行仿真。 3 1o f d m 技术 正交频分复用( o f d m ) 【3 】是一种多载波传输技术，它的基本原理就是把高速的数据流通 过串并变换分解为在多个载波上同时并行传输的低速数据流。对于低速并行的子载波而 言，由于符号周期的展宽，可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散对系统 造成的影响。当每个o f d m 符号中插入一定的保护间隔后，码间干扰就可以忽略。 3 1 1o f d m 技术原理与实现 一般的多载波传输使用互不交叠的频分复用多载波，为减少各载波问相互干扰，通常 各载波间要有一个保护频带，这就造成了系统带宽资源的浪费。使用正交多载波传输，各 子载波之间允许交叠，由于各子载波之间相互正交，载波问干扰可以为零，因此可以保证 系统带宽资源充分利用。如图3 - 1 可见o f d m 的正交性。 图3 1o f d m 信号频谱 9 钙康赧电大学硕j 研宄生学位论文第一二草s t b ( - o f d m 系统 图3 - 2 是o f d m 系统基带模型4 1 。 鱼v 啕ip一_，fl l e j w , 并 串 变 串 丑u 一 卧 ； 换 并 + 变 换 ，莎二! 鞴纽 i 一ll d ( f ) = r e 喀e x p ( j 2 7 r f t ) ，o f n t ( 3 1 ) d m = 。，i _ l 。f ，v ，t ；l ：d e x p ( j 2 n f j ) e x p ( 一2 万厶f 。3 3 ， = 击篓以r e x p ( j 2 卿) e x p ( 伽厶z 沙 一 r 7 e x p ( 伽纠e x p ( 胡啡砂= n = m ( 3 4 ) l o 南京：秘l = i - 天学硕1 研究生学位沦文第二錾s t b c o f d m 系统 对等效复基带信号x ( f ) 以速率丁进行采样，o 1 + t = k t ( k = l ，2 ，m 1 ) 可以得到： n - l x k = x ( k t ) = z d ie x p j 2 x ( i k n ) ，o k n 一1 ( 3 5 ) i = 0 从式( 3 5 ) 可以看出以等效为对吐进行i d f t 运算。在接收端，可以对进行d f t 运算 得到喀： | v i z = 坼e x p - j 2 7 r ( i k n ) ，o i 若取z = 并= o ，则( 卅) 雹= ( z ) 爿= 0 捌o 和( 膏) 霹= ( 霹) 膏= 0 墨o 都可以满 足，因此可得脚= ( 叫) 。1y 1 ，应= ( 霹) 一y 2 ，其它卅，i 可由掣，江通过内插的方法 得到。 如一种梳状训练序列 五= d i a g ( x i ( o ) ，墨( 2 ) ，x ，( n - 2 ) ) ( 4 1 5 ) 五2 = d i a g ( x ，( 1 ) ，( 3 ) ，墨( n - 1 ) ) ( 4 1 6 ) 对应的 县1 = ( 县( o ) ，q ( 2 ) ，( 一2 ) ) 7 ( 4 1 7 ) 马2 = ( 皿( 1 ) ，h i ( 3 ) ，皿( n 一1 ) ) 2 ( 4 1 8 ) 若取墨( 2 m ) ：五( 2 m + 1 ) ，五( 2 m + 1 ) ：x 2 ( 2 朋) ：o ，m ：o ，1 ，i n 一1 ，d 为任意的复符 号( 如q a m 符号) ，就可以获得戽和应，然后通过对脚和意线性内插得到叠? 和定， 内插公式为 - ：r ( 2 m + 2 - i ) = 兰( 丘( 2 m + l - i ) 十h ，( 2 m + 3 - i ) ) 彤 - l + i , i , l + i , n 讲0 ( 4 ) 而宣( 1 ) = 矗( o ) ，扁( 一1 ) = 曩( n 一2 ) 幺( o ) = 反( 1 ) ，丘( 一2 ) = 幺( 一1 ) l s 算法是最基础的一种算法，它只是利用了接收到的信号与已知的训练序列的信息， 实现的复杂度比较低，但是对信道的高斯噪声、载波间干扰和天线问信号的干扰的影响抵 抗能力较差。由于数据子载波点的信道响应完全由导频通过内插得到，所以o f d m 系统均 衡的性能完全取决于导频点的信道估计精度。因此我们需要较l s 性能更好的估计方法。 南京弼电大学硕1 研究! i 二学位沦文第硐搴s 1 1 b c o f d m 系统信邋估i l 4 1 2m m s e 估计 对于两发一收的s t b c o f d m 系统，假定训练序列用矩阵x 表不，接收向量用】，来表 示，皿，h i 表示发射天线i 到接收天线的信道频率响应向量和冲激向量，则： y = x h + n = 肭+ n ( 4 2 0 ) 其中： x = ( 五，置) ，置= d i a g ( x i ( o ) ，五( 1 ) ，五( n - 1 ) ) ( 4 2 1 ) 日= ( 日- ，彤) r ，q = ( 皿( o ) ，q ( 1 ) ，q ( 一1 ) ) 7 ( 4 2 2 ) = ( 玎村) r ，红= ( 啊( o ) ，名( 1 ) ，h i ( n 一1 ) ) 7 ( 4 2 3 ) 形= 譬o 2 n x 2 l ，= w ( p - i x q - i ) , i _ p n , 1 q 三 2 4 ， 信道h 的m m s e 估计式为 元删踞= ，r 0 】， ( 4 2 5 ) 其中： 兄y = e h y = w x ( 4 2 6 ) r r v = y y j = x w r 。w x + 矗凡 ( 4 2 7 ) 。是信道h 的自相关矩阵；凡为n x n 单位阵。 假设h 和n 是高斯的，因此这里的估计器是一个线性估计器。而线性估计器在线性变 换中是可转置的，则可以得到信道频率响应日的m m s e 估计式 a m 记s ew h m m s e = r n u x hx r h h x + o w 2i 心iy 心2 8 ) 其中，是信道h 的自相关矩阵。 m m s e 估计算法具有较高的估计精度，然而其算法复杂度随着运算点数的增加呈指数 倍增长。为了克服这个不足，人们通过低阶近似，使用信道频域相关的线性最小均方误差 ( l m m s e ) 估计算法【眩】。其关键点在于使用奇异值分解( s v d ) 的方法来实现一个理想的低阶 估计器，在保持较高性能的同时以减少其算法的实现复杂度。 2 7 豁京! 帮电大学硕1 研究尘学位沱文露i ，q 学s t b c o f d m 系统信遴铺； 4 1 3 算法仿真 两发一收的s t b c o f d m 系统模型如图3 7 所示。发送数据为随机产生的b p s k 信号， o f d m 子载波数为n = 1 6 。信道为4 径等增益慢衰落信道，各径的抽头延时为一个样值， 每径抽头系数( ，) 满足独立同分布的复高斯分布。加性噪声为空间不相关的复高斯白噪 声，均值为0 ，方差蠢由接收天线的信噪比s n r 决定。 为了测量估计性能，采用归一化均方误差( n m s e ) 作为性能的测量标准 一= 去善善百1 1 i h 2 9 ， 山 ( ，) 荟 z 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 k r - “! 上 入 i v i i v l o i ml 口p i i ，、j 嗡址件! 上 一 v l u 杉， o 易i 口p i p 、 。 蔫“ 慕 ，、 、： 0 、一 i 、 k 全弋 。 i 、曩。 1 1 、 0246 81 01 21 41 61 8 2 0 s n r d b 图4 - is t b c o f d m 系统非盲信道估计算法的性能曲线 图4 1 比较了l s 算法和m m s e 算法的估计性能。从图明显看出，随信噪比s n r 的增 加，两种算法信道估计均方误差m s e 曲线呈直线下降，并且m m s e 估计的性能优于l s 估计。 非盲信道估计算法在多数情况下，看起来都是一种具有鲁棒性的方法，但却存在一些 缺点，首先，由于训练序列等在数据突发中成为不可忽略的部分，从而使带宽效率下降。 2 8 融京嘟 趋犬。碗i 研究生学位论文箭孵章s t b c o f d m 系统倍趱很计 其次，在某些通信系统中，不能得到训练序列或者根本不能利用训练序列，比如在接收端 与发送端不能同步的情况下。第三，非盲估计的方法的参数估计仅仅依赖于接收到的包含 已知符号的信号，而所有其它的包含着未知符号的观测值都被忽略了。最后，即使能够得 到训练序列，在进行估计的时候由于需要计算逆转矩阵，计算复杂度很高，直接导致运算 速度下降。 4