（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p t ，m i m o ) 技术与正交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e c l 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 ) 技术相结合不仅能够增加无线 通信系统容量，而且可有效地提高频率利用率、抵抗频率选择性衰落，因此成为 了下一代无线通信系统中的关键技术。 其中，利用a l a m o u f i 编码的正交空频分组编码( o r t h o g o n a ls p a c ef r e q u e n c y b l o c kc o d e ，o s f b c ) 技术近来广泛用于m i m o o f d m 系统以对抗多径引起的频率 选择性衰落；编码调制方案中的比特交织编码调制迭代译码技术( b i ti n t e r l e a v e d c o d e dm o d u l a t i o n - i t e r a t i v ed e c o d i n g ，b i c m i o ) 与m i m o o f d m 技术结合，在诸多 通信标准都已经采用，作为下一代无线移动通信链路中的一种关键技术得到广大 关注；m i m o o f d m 系统中多项技术实施，如m i m o 系统的分集接收、自适应编 码调制技术，都需要信号噪声功率的比值( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ，s n r ) ，所以s n r 估计技术在m i m o o f d m 系统中也是一个非常重要的课题。本论文就以上三个关 键技术展开了研究。 第一章为绪论，对全文的主要内容和背景知识做了概括性的介绍，主要介绍 了m i m o o f d m 关键技术的基础知识。 第二章主要研究o s f b c o f d m 系统中的解码检测算法，先分析准静态衰落 下的传统解码算法，再给出频率选择性信道中改进的解码算法，最后介绍两种解 码算法下的软输入软输出( s i s o ) 的最大后验概率( m a p ) 检测。通过数字仿真，验证 了改进的检测算法在频率选择性信道中的性能大大优于传统算法。 第三章首先介绍常用b i c m i d 系统在单天线和多天线系统下的工作原理，然 后对影响b i c m i d 系统性能的因素进行了研究，重点研究标识映射方式各项参数 指标对b i c m i d 系统性能的影响。通过理论分析，并对采用卷积编码和t u r b o 码 的单天线和多天线系统进行了仿真验证，得出标识映射方式的调和中值、反馈增 益和平均近汉明距离是决定系统渐进性能的重要参数。g r a y 映射是采用t u r b o 编译码的b i c m 1 d 系统的最佳映射方式。 第四章给出m i m o o f d m 系统的s n r 估计原理，介绍了两种现有的s n r 估 计方法：子空间分解方法和信道自相关函数方法在o f d m 系统中的应用，最后提 出一种基于信道估计的s n r 估计方法，分析其算法原理，并进行数字仿真和结果 i 摘要 分析。 第五章将以上研究的m i m o o f d m 系统的三种关键技术均用于 m i m o o f d m 系统的最终通信方案中，并仿真各备选方案的性能，验证各方案均 能达到所要求的性能指标。 第六章总结全文，并对下一步研究提出了建议。 关键词：o s f b c ，m i m o 检测，b i c m i d ，s n r 估计。 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t l l ec o m b i n a t i o no fm u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m n v i o ) a n do r t h o g o n a l f 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 ) c a l ln o to n l ye n h a n c et h ec a p a c i t yo fw i r e l e s s c o m m t m i c a t i o ns y s t e m , b u ta l s oo f f e rt h ep o t e n f i a lo fh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n d m i t i g a t et h ee f f e c t so ff r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g t h e r e f o r e , m i m oa n do f d mw i l lb e t h ek e y t e c h n o l o g i e sf o rt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nm i m o - o f d m s y s t e m ，t h eo r t h o g o n a ls p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d e i sm o r ea n d m o r ew i d e l yu s e dt of i g h ta g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc a u s e db ym u l t i - p a t h s b i t i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n - i t e r a t i v e d e c o d i n g i s a l r e a d yi n t e g r a t e d w i t h m i m o o f d m ，a n da d o p t e di nm a n yc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s s i g n a l - t o - n o i s er a t i o i st h eb a s i sf o rm a n yt e c h n i q u e s ，s u c ha sm i m od i v e r s i t yr e c e i v i n gt e c h n i q u ea n d a d a t i v ec o d e dm o d u l a t i o nt e c h n i q u e t h es n re s t i m a t i o ni sb a d l yn e e d e d t h u s ，t h r e e t e c h n i q u e sa b o v ea r ea l li m p o r t a n ti nm i m o o f d ms y s t e m s o ，t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt h et h r e ek e y p o i n t s c h a p t e rlr e v i e w st h eb a s i cc o n c e p t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , a n di n t r o d u c e t h eb a s i ck n o w l e d g eo fm i m o - o f d m s y s t e m c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ek n o w l e d g eo fd e c o d i n gt e c h n i q u e sf o ro s f b cs y s t e m , a t r a d i t i o n a lo n ei sf o r q a s i s t a t i cf a d i n gc h a n n e l a n dt h em o t t l e do n ei sf o r f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l t h e ni ti n t r o d u c e st h em a pd e t e c t i o na l g o r i t h m u n d e rt h et w od e c o d i n gt e c h n i q u e s s i m u l a t i o np r o v e st h em o t t l e da l g o r i t h mh a sa b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a lo n eu n d e rt h es t r o n g l yf r e q u e n c y - s e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l c h a p t e r3i n t r o d u c e st h eb i c m i ds t r u c t u r ei nb o t hs i n g l ea n t e n n aa n dm u l t i p l e a n t e n n a ss y s t e m , a n dr e s e a r c ho nt h es y s t e m sp e r f o r m a n c ef a c t o ri si n v e s t i g a t e d t h e k e yp o i mi sh o wt h em o d u l a t i o nl a b l i n gm a p sa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fb i c m - i d s y s t e m t h r o u g ht l l e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n su n d e rf a d i n gc h a n n e l s ，ac o n c l u s i o n i sd r a wt h a tt h eh a r m o n i cm e a no ft h em i n i m u me u c l i d e a nd i s t a n c eb e f o r ef e e d b a c ka n d a f t e rf e e d b a c ka n dt h em e a nh a r m o n i cd i s t a n c ei sd e t e r m i n e df a c t o ri nb i c m - i d s y s t e m g r a y l a b l i n gi sb e s tf o rb i c m i ds y s t e mu s i n gt u r b od e c o d i n g i t t a b s t r a c t c h a p t e r4i n t r o d u c e ss n re s t i m a t i o np r i n c i p l e si nm i m o - o f d ms y s t e m ，a n d d i c u s s e st w oe x s i t i n ge s t i m a t i o na l g o r i t h m s ，o n ei ss u b s p a c ed e c o m p o s i n gb a s e da n d t h eo t h e ri sc h a n n e lc o r r e l a t i o nr u c t i o nb a s e d a f t e rt h a t , w ep r o p o s e dac h a n n e l e s t i m a t i o nb a s e dt e c h n i q u e s i m u l a t i o n sa r es h o w nt h a tt h ec h a n n e lc o r r e l a t i o nf u c t i o n b a s e dt e c h n i q u ea n dc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e dt e c h n i q u e b o t hh a v eg o o dp e r f o r m a n c e c h a p t e r5 u s e st h r e e k e yt e c h n i q u e sr e s e r c h r e s u l t sa b o v et o d e s i g n a m i m o o f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a n dp r o v e si t sg o o dp e r f o r m a n c et h r o u g h s i m u l a t i o n s f i n a l l y , c h a p t e r6p r o v i d e st h ec o n c l u s i o na n ds o m es u g g e s t i o n sf o rt h ef u r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ：o s f b c ，m i m od e t e c t i o n , b i c m i d ，s n re s t i m a t i o n i v 图目录 图目录 图1 - 1o f d m 系统框图3 图1 乞m i m o 系统模型4 图1 3m i m o 系统等效简化模型4 图2 1o s f b c o f d m 系统框图12 图2 - 22 天线发送的o s t b c o f d m 发送设计1 2 图2 32 天线发送的o s f b c o f d m 发送设计1 3 图2 4 两种检测方式在准静态信道和频率选择性信道的误码率比较2 5 图2 5 强频率选择性信道两种检测方式在理想信道估计时的误码率。2 6 图2 - 6p o o r 信道两种检测方式的误码率2 7 图3 1b i c m i d 系统框图2 8 图3 2b i - s t s f c m i d 系统框图2 9 图3 31 6 q a m 各标识映射方式一3 2 图3 。4 卷积码各种标识映射方式不迭代的b e r 性能比较3 6 图3 5 卷积码各种标识映射方式迭代7 次的b e r 性能比较3 6 图3 - 6t u r b o 码各种标识映射方式不迭代时的误码率性能比较3 7 图3 7t u r b o 码各种标识映射方式迭代2 次时的误码率性能比较3 8 图3 8t u r b o 码两种标识映射方式在p o o r 信道的性能比较。3 9 图4 - 1o f d m 系统等效并行子信道模型4 2 图4 2 动态门限噪声抑制的f f t 插值信道估计原理图4 9 图4 - 3s n r 估计方法在p o o r 信道时的性能比较5 2 图5 1m i m o o f d m 系统通信框图5 7 图5 2 基于m a p 检测的m i m o 检测算法示意图5 8 图5 3 速率为6 4 k b p s 的v - b l a s tm i m o o f d m 、s f b cm i m o o f d m 系统误码 率性能比较6 1 图5 4 速率为1 2 8 k p p s 的v - b l a s tm i m o o f d m 系统误码率性能6 1 v 表目录 表目录 表2 1o s f b c 系统m i m o 检测算法的仿真参数2 4 表2 - 21 1 u rr e c o m m e n d a t i o n5 2 0 中的信道参数2 5 表2 3o s f b c 系统m i m o 检测算法的仿真参数2 6 表3 1 各标识映射的特征参数【3 4 1 3 4 表4 1s n r 估计算法的标准差5 3 表5 - 1m i m o o f d m 通信方案仿真参数配置6 0 v i i i 缩略词表 1 g 2 g 3 g 酮g 嗵 b 3 g b e r b i c m i d b l a s t b p s c d m a c s i c s r r d f e d f t f d d f d m a g s m g p r s i c i i i d i s i m a p m i m o m l d m m s e q w o f d m 缩略词表 t h e1 娃g e n e r a t i o n 第一代 t h e2 - ag e n e r a t i o n 第二代 t h e3 mg e n e r a t i o n 第三代 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性白高斯噪声 b e y o n d3 mg e n e r a t i o n 超三代 b i te r r o rr 撕o 误码率 b i ti n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n - i t e r a t i v e 比特交织编码调制 d e c o d i n g 迭代 b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e分层空时编码 b i tp e rs e c o n d比特每秒 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s码分多址 c h a n n e ls a t ei n f o r m a t i o n 信道信息 c h a n n e ls a t ei n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e r 发射端信道信息 d e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n判决反馈均衡 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 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g 频分双工 f 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 ga c c e s s 频分多址 g l o b e s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通信系统 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用无线分组服务 i n t e rc a r d e ri n t e r f e r e n c e子载波间干扰 i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d 独立同分布 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 m a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y最大后验证概率 m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t 多输入多输出 m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n最大似然检测 m i n i m i z em e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差 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 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 正交频分复用 缩略词表 q o s q p s k s d 【a s e r s f b c s i s o s i s 0 s m s n r s t b c s v d 1 d d t d 队 p a p r q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s s y m b o le r r o r r a t i o s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d e s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s o f ti n p u ts o f to u t p u t s p a t i a lm u l t i p l e x i n g s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc 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 t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o x 服务质量 正交相移键控 空分多址 误符号率 空频分组编码 单输入单输出 软输入软输出 空间复用 信噪比 空时分组编码 奇异值分解 时分双工 时分多址 峰值平均功率比 符号表 符号数学含义 变量 函数 随机变量 常量 向量 向量元素 矩阵 矩阵元素 单位阵 转置 共轭转置 矩阵求逆 数学期望 方差 服从分布 复高斯分布 卡方分布 求和 求积 求最小值 矩阵求秩 矩阵行列式 不等于 约等于 远大于 求模 符号表 说明 小写斜体 小写 大写斜体 大写 小写粗体 向量a 的第f 个元素 大写粗体，m 行以列 矩阵a 第i 行第_ ，列所对应的元素 n 维单位阵 矩阵不可逆时取伪逆 随机变量服从某种分布 均值为0 ，方差为仃2 自由度为n 用 n 岁) a i 。) b以 一“ 利4 f j a a一”附矿 一咿州d n吲删圳 符号表 硬判决 模代数运算 取实部 取虚部 取整运算 虚数单位 整数域 伽马函数 高斯函数 求最大值 求取最大值自变量 求最小值 求取最小值自变量 组合数 f r o b e n i u s 范数 属于集合 并集 求极限 x 模数为m 向下( 上) 取整 j = 了 o ，1 ，2 ， 刚毗州州洲，z咐叫一州一u 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特，i s j j j n 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作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 醐：矽年j 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期27 年r 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文的研究背景及意义 1 1 1 无线通信发展趋势 2 0 世纪8 0 年代以来，全球范围内无线通信技术的飞速发展和产品的广泛普 及，无线通信得到了前所未有在发展，这种发展在势头一直在延续，甚至越来越 快【1 】。作为无线通信的典型代表，陆地蜂窝移动通信系统在过去三十年间先后经历 了第一代模拟移动通信系统( 1 g ) 和第二代数字移动通信系统( 2 g ) ，现在第三代移动 通信系统( 3 g ) 的商业化进程已经全面铺开，下一代移动通信系统( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 的研究也日趋成熟【2 1 。第一代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以 蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统 以及无绳电话，主要向用户提供模拟话音业务。第二代移动通信以数字传输、时 分多址或码分多址为主体技术，简称数字移动通信，包括数字蜂窝系统、数字无 绳电话系统和数字集群系统等，目前已经得到广泛应用，代表有g s m 系统、 i s 1 3 6 t d m a 系统以及i s 9 5 c d m a 系统【3 】，其缺点是全球无线技术各自为营，没 有统一的标准，而且只支持话音和低速率的数据业务。 第三代移动通信以c d m a 为主要技术，向用户提供2 m b s 到1 0 m b s 的多媒 体业务。与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技 术相比，3 g 将有更宽的带宽，其传输速度最低为3 8 4 k ，最高为2 m ，带宽可达5 m h z 以上。目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a ，不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方 便的无线应用，如无线接入i n t e r n e t 。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是 第三代移动通信的另一个主要特点。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基 于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。提供包括卫星在内的全 球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业 务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。但第三代移动 通信仍是基于地面、标准不一的区域性通信系统。 虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是未来仍无法满足多 电子科技大学硕士学位论文 媒体的通信需求。下一代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需 求，满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和 高分辨率多媒体服务的需要。因此，如何在有限的频谱上实现更高速率的数据传 输成为无线通信研究者们所面临的关键挑战，提高频谱利用率( 以b p s h z 为度量) 成为无线通信技术研究的核心，许多新技术应运而生。 1 1 2m i m o o f d m 系统概述 在宽带移动无线通信系统中，存在多径衰落和带宽效率两方面的严重挑战。 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 u l t i p l e x , o f d m ) t 4 】技术利用串并变换和 正交性将信道分成若干正交的窄带子信道，从时域展宽了o f d m 符号的持续时间， 变高速数据信号为并行的低速子数据流；从频域将频率选择性信道变为平坦衰落 信道，减小了多径衰落的影响。多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 5 】 技术通过采用多个发射天线和接收天线可以显著提高无线通信系统的信道容量， 增强数据传输的可靠性，能在空间中产生独立的并行信道，同时传输多路数据流， 这样就能在不增加系统带宽的情况下有效的提高系统传输速率，提高频谱效率。 相比于传统s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ，单输入单输出，即发射端和接收端只 用一个天线进行通信) 系统，m i m o 系统有着卓越的性能优势，使其成为无线通信 研究领域的热点。因此，m i m o o f d m 无线通信系统既有抗频率选择性衰落的能 力，又有很大的系统信道容量，是未来第四代移动通信系统的主要物理层技术。 1 1 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是一种名载波传输技术，通过串并转换把高速串行数据分散到个相 互正交的子载波上进行传输，各个子载波的符号速率减为高速数据符号速率的 分之一，子载波的符号持续时间可以增大为串行数据符号的倍，因而时延扩展 与符号周期的比值也降低为原来的分之一。 通过在o f d m 符号之间插入持续时间大于信道最大传输延迟时间的循环前缀 c p ( c y c l i cp r e f i x ) ，就可以有效的消除符号间干扰( 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 ) 。 它将o f d m 符号尾部的一部分数据复制之后放到符号的前面，使o f d m 符号在形 式上构成简单的周期性。当c p 的持续时间比信号在信道传输延迟时间更大一些 时，符号见干扰仅仅会干扰o f d m 符号中前面的c p ，从而消除i s i 。 o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。通过点i d f t 运 算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制后，发送到无线信 2 第一章绪论 道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号都是由所有子载波信号经过叠加而生成 的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到。采用i d f t d f t 调制解调的o f d m 系统如图1 1 所示。 o f d m 调制 图l lo f d m 系统框图 1 1 2 2m i m o 系统概述 m 1 m o 系统是在上世纪九十年代中后期，由b c l l 实验室的研究者提出了一种 全新的通信系统结构，在发射端和接收端配置多个天线进行通信。 通信系统中利用m i m o 技术能够获得空间复用增益和空间分集增益。分集是 指通过时域、频域、空域提供数据信号的某种副本，使得所有信号成分经过无线 信道时所经历深度衰落的概率变小。接收端利用接收到的信号及其副本进行解码， 可以提高通信的可靠性。分集的出发点是提高通信可靠性，空时编码是m i m o 分 集的典型代表。 复用是指在不增加发射功率和带宽的前提下，将多路信号同时从多个发射天 线发射，这样可以成倍的提高频谱利用率【3 1 。在m i m o 系统中，若收发天线间的 路径衰落是独立的，就构成了多个并行的空间子信道。在这些子信道间发射不同 的信息流，数据率就会成倍提高。b e l l 实验室研究者提出的b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r i e s l a y e r e ds p a c e - t i m e ) 结构就是m i m o 技术取得复用增益的代表。 以坼的m i m o 系统模型如图1 2 所示，即发射天线数为r ，接收天线数 为坼。任意第_ ，个发射天线和第f 个接收天线之间都存在一个空间传播路径j | f f ， 3 电子科技大学硕士学位论文 其单位冲击响应为h 扩。在通常情况下，每一个接收天线都会接收到所有发射天线 发射并经过信道衰落和噪声污染的信号。 j 吣斗 y l y k 图l - 2m m o 系统模型 m i m o 系统中基带接收信号和发射信号的关系可表示为： 舻雁姜h 舻n ， m 。 其中，x ，表示第歹个发射天线所发射的信号，y ，表示第f 个接收天线所接收到的信 号，n ，表示第i 个接收天线上的噪声( 各种噪声的总和) ，i = 1 9 - , 9 ，j = l ，坼。 瓜为发送端的归一化因子，作用是使得系统不因天线数目的增减而改变发送 功率。 图1 - 3m i l v l o 糸统等效蔺化模型 为了简便和研究的方便，我们将m i i v i o 信道响应写成矩阵形式h = h 扩 心。r 。图 1 3 所示的是m i m o 系统的等效简化模型，x = e x j 肌。为发射信号向量，y = 【y ，】r 。 为接收信号向量，n = i n ，】。为噪声向量，受是接收端对发射向量x 的估计。系统 的数学表达式为： 厂广 y 一毒h x + n o 之 4 第一章绪论 通常，将噪声向量考虑为加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ， a w g n ) 信道，各噪声分量q 独立同分布( i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d , i i d ) ， 服从均值为0 、方差为的复高斯分布巩- n ( 0 ，蠢) ( 实部和虚部相互独立，服从 均值为0 、方差为2 的实高斯分布) ，蠢为噪声功率。 1 2 本论文的主要研究内容和贡献 1 2 1m i m o o f d m 系统关键技术概述 无线信道具有的多径衰落特性是影响下一代无线通信链路传输速率与质量的 重要瓶颈，如何克服多径效应便成为提高通信质量要解决的首要问题。m i m o 空 间分集技术是抵抗多径衰落的有效方式，采用不同的天线发送信号，从而在接收 端得到经历独立衰落的多个信号副本，可以有效地消除多径衰落的影响，而且不 需要占用额外的时间和频带资源。为满足下一代移动通信系统4 g 的一系列高数据 率、高频谱效率、高灵活性、高可靠性等要求，可采取的调制策略有：采用 m i m o o f d m 空时编码空频编码技术；采用强有力的纠错编码技术，t u r b o 码、 低密度校验码l d p c ；采用自适应编码调制技术；增加信号的星座点数，即增加调 制阶数，等等。 其中，利用a l a m o u t i 编码的正交空频分组编码技术近来广泛用于 m i m o o f d m 系统以对抗多径引起的频率选择性衰落；编码调制方案中的比特交 织编码调制迭代译码技术与m i m o 。o f d m 技术结合，在诸多通信标准都已经采用， 作为下一代无线移动通信链路中的一种关键技术得到广大关注；同样， m i m o o f d m 系统中多项技术( 如m i m o 系统的分集接收、自适应编码调制等) 的 实施都需要知道信号噪声功率比，所以信噪比估计技术在m i m o o f d m 系统中是 一个非常重要的课题。 1 2 1 1 正交空频分组编码技术 贝尔实验室的f o s c h i n i 于1 9 9 6 年提出的分层空时码( l a y e r e ds p a c e - t i m e c o d i n g , l s t c ) 是最早提出的空时编码方梨6 1 。分层空时编码将信源数据分为若干 子数据流，独立的进行编码、调制，频谱效率可以达到4 0 b p s h z ，但它较适用于 窄带系统和室内环境，不太适用于室外移动环境【6 1 1 7 1 。分层空时码是频带利用率随 着发射天线数线性增加的编码方式。根据编码和调制输出的符号映射到发送天线 的方法不同以及编码的有无，可以将分层空时码分为三类：水平分层空时码 5 电子科技大学硕士学位论文 ( h o r i z o n t a l b e l l l a b s l a y e r e ds p a c e t i m e 。h b l a s t ) 、对角分层空时码 ( d i a g o n a l b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e ，d - b l a s t ) 和垂直分层空时码( v e r t i c a l b e l l l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ，v b l a s - - - ， 9 。 a l a m o u t i 在19 9 8 年首先提出了针对两个发射天线的发射分集方案f l o 】，t a r o k h 等人应用正交编码理论将其推广到任意根发送天线的情况，形成了空时分组编码 技术( s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g , s t b c ) 。s t b c 技术把待传输的符号分组映射到空 间域和时间域，通过构造正交结构，使得在接收端利用简单的线性最大似然译码 算法即可恢复发送符号。在无线通信系统中，空时分组码由于能够获得空间和时 间的分集增益，并且检测算法简单，具有广泛的应用前景。尤其是正交s t b c ，由 于实现简单，被很多技术标准采纳。另一方面，正交频分复用技术可以将频率选 择性衰落信道转化为平坦衰落信道，成为新型高速无线通信系统的主要技术。为 了充分利用两者的优势，s t b c 与o f d m 相结合的系统得到了广泛的研究。此外， 根据a l a m o u t i 空时码字位于o f d m 符号上的位置的不同，形成了正交空频分组编 码( o r t h o g o n a ls p a c e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g , s f b c ) 。 为避免信道中时间上的迅速变化，利用a l a m o u t i 空时码设计的正交码字可以 在同一个o f d m 符号的相邻子载波上传输，由此形成了o s f b c o f d m 系统。将 o s f b c 应用于m i m o o f d m ，既实现了空间分集，又具有了o f d m 的优点。由 于编码的正交性和译码的线性使其实现简单、性能优良，并得到了广泛的研究。 o s f b c 尤其能对抗多径引起的频率选择性衰落，在多径衰落信道下有效的改善系 统的性能，降低系统的误码率，还能有效的降低传输时延。然而，以往对 o s f b c o f d m 系统的分析总是假定信道条件在p 个相邻子载波是恒定不变的。这 个条件在信道为低频率选择性信道时成立，每个子载波间隔非常窄时，信道在频 率上的变化会缓慢，相邻子载波间的信道转移函数几乎可以认为是一致的。然而， 信号在严重频率选择性信道中传输时，一个空频分组编码矩阵所对应的信道转移 函数为常数的假设不成立，o s f b c 系统的性能将大大降低。所以，对频率选择性 信道条件下o s f b c 系统的研究就很有必要。 1 2 1 2 比特交织编码调制技术 现代无线通信系统采用先进的m i m o o f d m 技术、空时频编码技术、自适应 编码调制技术和高效信道编码技术，在获得高速率和频谱效率的同时，也使得系 统的实现复杂度增加。因此，对于复杂度低端物理层通信方案的要求也显得格外 突出。一方面，采用编码调制方案，通过引入连续信号点的相关性增加发送信号 6 第一章绪论 序列的距离，显著优势是不需要增加系统带宽就可以获得很高的编码增益，从而 改善b e r 性能。另外一方面，接收端采用t u r b o 接收机结构实现，采用软输入软 输出( s o f ti n p u ts o f to u t p u t ，s i s o ) 实现的高效联合解调迭代译码，利用迭代机制实 现数据检测和译码，可以大幅度提高系统的可靠性。 当前，主要的编码调制方案有u n g e r b o e c k 在1 9 8 2 年提出的格形编码调制 ( t c m ) t 1 1 】，1 9 9 2 年z e h a 提出的b i c m 以及i m a ih 在1 9 7 7 年提出的m u l t i l e v e l c o d e s ( m l c ) 1 4 】等等。 其中，b i c m 系统通过把传统的二进制纠错码和一组独立的比特交织器连接 起来以增加分集阶数，包括二进制纠错编码、比特交织和高阶调制的串联。通常 衰落信道下的交织是基于符号进行的，因此任意两个可能的编码序列间不同信道 符号的最小数就是分集阶数。应用比特交织器后，系统的分集阶数可以增加到码 字的二进制汉明距离【1 6 】，这种分集度的增加使得b e r 曲线变得陡峭，瑞利衰落信 道条件下系统性能大大优于t c m 方案。然而