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m i m oo f d m 系统中信道估计及最优导频序列设计的研究 摘要 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 l i p l e x i n g - - o f d m ) 是信息高速传输的有效技 术，由于它可以抵抗信道的多径衰落，且具有频谱利用率高、实现简单等一系列优点，因此成为了 未来移动通信系统的主要候选方案之一。信道估计是o f d m 系统中的关键技术之一，利用信道信息 的相干解谭系统与不利甩信道信息的差分解调系统相比，在信噪比( s ；, g n a l - t , o - - n o i s er a t i o ，s t i r ) 上 可以有3d b 以上的性能提高。因此在要求高传输速率，高传输质量和高移动性的4 g ( f o u r t h g e n e r a t i o n ) 通信系统中，信道估计是不可缺少的一环。本论文主要针对这个关键技术及相关的最优 导频序列设计超题进行了研究， 由于信道估计已得到广泛的研究，因此国际和国内已有较多的相关技术文献本论文对其中一 些经典和常用的信道估计算法进行了总结，然后在此基础上对多输入多输出( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，m 1 m o ) o f d m 系统进行了分析，得到了一些新的结论。针对m i m o o f d m 系统中进行信 道时域响应估计时有可能出现的方程欠定问题，论文提出了一种联台相继发送的导频序列进行共同 估计的改进算法。当发送的导频序列较为充足时。可以得到信道响应的若干个估计，根据每个估计 的均方误差i m e a ns a 删t e r r o r ，m s e ) 论文给出了一种结台方式以获得最终较优的倍道响应估计。 实际的o f d m 系统通常会使用虚拟子载波，以此来避免发送信号受到发送端成形低通滤波器的 影响。在设计导频序列时若考虑系统的虚拟子载波，则在某些情况下，传统均匀分布的最优导频 序列不再可用，因此如何设计非均匀分布的最优导频序列就显得十分必要。论文对这个问题进行了 深入研究，在基于信道时域响应最4 , - - 乘( l e a s ts q u a r e 。l s ) 估计算法的基础上，依据使估计均方 误差最小的准则推导了m m o o f d m 系统中非均匀分布下的最优导频序列。经过推导可以证明，此 时导频序列的设计与求解一个约束不等式方程组是等效的。对于这个约束不等式方程组，论文设计 了如下三种求解算法来获得所需的最优导频，分别是：求解一个等效的约束规划问题；求解一个等 效的非约束优化问题；和利用g r a m s c t m a i d t 正交化进行直接求解。 通常情况下。信道可以等效为一个有限抽头的f i r 溏波器，但对于稀琉信道，利用参数化模型 则可以更准确地逼近真实情况。由于参数化模型只包吉信道路径时延和路径增益两种参数，因此在 信道稀疏时可以降低估计参数的维数，从而提高估计的性能。论文基于这种参数化信道模型，提出 了一种针对稀疏信道的最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 估计算法该算法首先沿用已有的最 小描述长度( m i n i m u md e s c r i p t i o nl e n g t h ，m d l ) 准则来检测信道中的路径数，然后利用估计信道 参数的旋转不变法( e s t i m a t i o n o f s i g n a l p a r a m e t e r s b y r o m l i o n a l l n v a r i a n c e t e c h n i q u e s ，e s p k i t ) 来获 得路径时延的初始估计。是后，利用最大似然方法对时延进行跟踪，对路径增益进行估计。为了降 低多参数m l 估计问题的复杂度，论文利用广义交互空间期望最大化( s p a c e - a l t e r n a t i n g g e n e r a l i z e d e x p e c t a t i o n - m a x i m i z a t i o n ，s a g e ) 算法将其分解为一系列两参数的m l 估计问题，通过迭代得到最 终解。对于每一次迭代中，某一信道路径上时延与增益的两参数m l 估计问题，论文分别采用一种 基于牛顿迭代的快速m 算法和一种简单的求和平均方法来获得。 子载波同干扰( i n l e r e a n i e ri n t e r f e r e n c e ，i c l ) 会破坏子载波之间的正交性，从而恶化o f d m 系 统的性能。由于消除l c l 需要利用到信道信息，因此信道估计对于快时变环境下的o f d m 系统来说 东南丈学博上学位论文 是十分关键的。论文对这个问题进行了深入研究针对不同的时变环境，提出了如下三种时变的 o f d m 信道估计算法分别为：( 】) 基于低通插值的估计算法。该算法首先利用导频序列估计出一 个o f d m 符号间隔内给定时刻上的信道时域冲击口向应，然后通过对前后若干个给定时刻上已估计出 的信道响应进行低通插值，来获得所有时刻上的信道时域响应。( 2 ) 基于分段线性模型的估计算法。 该算法对时变信道进行线性建模，然后通过估计线性模型的斜率和参考点值来获得所有的待估信道 响应。该算法适用于系统相对多谱勒，频率小于0 ，1 的情况。( 3 ) 基于基扩展模型的估计算法。与前一 种算法的思想类似，该算法也是对时变信道进行建模，然后通过估计模型参数来获得所有待估的时 变信道响应。由于基扩展模型与j a k e s 模型的拟合程度较高，因此该算法可以适用于系统相对多谱勒 频率较大的情况。导频序列的设计对信道估计算法的性能有着重要影响，好的导频序列能极大改善 估计算法的性能。因此，论文在给出上述几种时变信道估计算法的j 司时，还分别推导了相应于这些 算法最优或次优的导频序列。 关键词：m i m o 通信，正交频分复用、多径信道、时变信道、信道估计、导频序列 l l a b s t r a c t c h a n n e le s t i m a t i o na n do p t i m a lp i l o ts e q u e n c ed e s i g nf o r m i m oo f d m s y s t e m s a b s t r a c t 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 f i p l e 菇n g ( o f d m ) i sa ne f f e c t i v em e t h o df o rh i g hd a t ar a t e t r a n s m i s s i o n a n di sb e i n gp u r s u e da sai ，o t e n t i a lc a n d i d a t ef o rt h ef u t n r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d u et oi t sr o b u s t u e s sa g a i n s tf 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 s ，b a n d w i d t he f f i c i e n c ya n ds i m p l e i m p l e m e n t a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sf o ro f d ms y s t e n a s c o m p a r e dw i t ht h e d i f f e r e n t i a ld e a r o d u l a t i o n n c o h e r e n td c m o d o l a t i o nw i t ha c c u r a t ec h a n n e li n f o r m a t i o nc a l la c h i e v e3 - 4d b g a i ni ns i g n a l - t o n o i s er a t i o ( s n r ) t h e r e f o r e ，i nt h ef o u r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) s y s t e mw h i c hr e q u i r eh i 曲 d a t ar a t e ，h i g hq u a l i t ya n dh i # m o b i l i t y ，c h a n n e le s t i m a t i o ni sa ni n d i s p e n s a b l ep a r t t h i st h e s i sf o c u s e so f t t h i sl o p i ca n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g ni s s u eo f t h eo p t i m a lp i l o ts e q u e n c e s i n c ec h a n n e le s t i m a t i o nh a sa t t r a c t e dal a to f a v e n f i o n t h e r eh a v eb e e l lm a n y1 i t e r a t n r e a0 1 3t h i si s s n c t h i st h e s i ss u m m a r i z e ss o m ec l a s s i c a lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d s a f t e ra n m y f i n gt h em u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) o f d ms y s t e m s ，s a m en e we o n e l u s i o ma r et h e no b t a i n e d i no r d e rt oa v o i d s o l v i n gu n d e r d e t e r m i n e de q u a t i o n sf o rm 1 m oo f d ms ”劬s ，a r li m p r o v e m e n ta l g o r i t h mw h i c hc o m b i n e s s u c c e s s i v e l yw a n s m i n e dp i l o ts e q u e n c e sj sp r o p o s e d i fp i l o ts e q u e n c e sa r ea n f f i c i e n t , m o r em 锄o n e e s t i m a t ec a l l b e o b t a i n e d 。c o u s e q u e n t l y , a c o m b i n e d w a y w i t hc o n s i d e r a t i o n o f t i m e s t i m a t i o np a e a ns q u a 陀 e r r o r ( m s e ) i s 舀v e i l i np r a c t i c a lo f d ms y s t e m s ，v i l t n a ls u b c a r r i e r sa r eu s u a l l yu s e di oa v o i dt h et r a n s m i t t e dd a t ab e i n g d i s t o r t e db yt h el o w - p a s sf i l t e ro nt h et r a r d m i t t e rs i d e t h u s ，w i t ht h ee o n s i d e r a t i a no ft h e s ev i r t u a l s o b e a r r i e r s ，w ec 柚f i n dt h a tt h ec o n v e n t i o n a lu n i f o r m l ys p a c e da p p m a c hw i l ln o tb ea p p l i c a b l ea n y m o r ei n es i t u m i o u s i ti s ，t h e r e f o r e ，n e n e s s a r yt od e d v et h eo p t i m a lp i l o t l n e n c e sw i t ht h en o n u n i f o r mp i l o t t o n ep l a c e m e n t b a s e do l lt h el e a s ts q u a r e ( l s ) c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d , t h eo p t i m a lp i l o ts e q u e n c e so f m i m oo f d m s y s t e m sa r ed e r i v e di nt h i st h e s i st om i n i m i z et h ee s t i m a t i o nm s e i tc a r lb es h o w nt h a t s u c had e s i g ni s s u ei se q u i v a l e n tt os o l v i n gas y s t e mo fl i n e a ri n e q u a l i t i e s ，f o rs u c hi n e q u a l i t i e s ，t h r e e s o l v i n ga l g o r i t h m smg i v e n ，w h i c ha r es o l v i n ga l le q u i v a l e n tc o n s t r a i n e dp r o g r m m m i n gp r o b l e m ，s o l v i n g e q u i v a l e n ta n c o n s a a m e do p t i m i z a t i o np r o b l e m ，a n dd i r e c t l yu s i n gg r a m s e h m i d to r t h o g n n a l i z a t i o n ， r e s p e c t i v e l y u s u a l l y , c h a n n e lc b em o d e l e d af i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ( f i r ) f i l t e r b u tf o rs p a r s em u l t i p a t h e h e n n e l t h ep a r a m e t r i cm o d e lc a na p p r o x i m a t et h ea c t u a le n v i r o n m e n tb c t t e s s i n c et h e r ea r eo n l yp a t h d e l a y sa n dp a t hg a i n st ob ee s t i m a t e di nt h ep a r a m e t r i cm o d e l 。t h ee s t i m a t i o ad i m e n s i o nc b nb er e d u c e d8 l o tf o rs p a r c h a n n e l ，a n d n s e q u 髓u y t h ee 啦i m a t i o np e r f o r m a n c ec e nb ei m p r o v e b a s e do np a r a m e t r i c e l l a l i n e lm o d e l ，am a x i m u mj i k e l i h o o d ( m ) e s t i m a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e df o rs p a r s ea b a r m e li nt h i st h e s i s f i r s t ，t h e n u m b e r o f c h a n n e l p a t h a r e d e t e c t e db y m i n i m u m - d e s c r i p t i o n - l e n g t h ( m d l ) c r i t e r i o n a n dc h a n n e l p a t hd e i a y s a r ci m f i a l i z e d b ye s t i m a t i o n o fs i g n a l - p a r a m e t e r s - b y - r o t a t i a n a l r i n v a r i a n e e - t e c h n i q u e s ( e s p r l d t h e nt h ep a t hd e l a y sa n dp a t hg a i n sa r eo b t m n e db yp r o p o s e dm la p p r o a c h t or e d u c et h e 东南大学博士学位论文 c o m p l e x i t yo fm u l t i - p a r a m e t e rm le s t i m a t i o n ，t h es p a c e a l t e m a t i n gg e n e r a l i z e de x p e c t a t i o n m a x i m i z a t i o n ( s a g e ) a l g o r i t h m i s a p p l i e dt od e e o u p l e t h e m u l t i p a r a m e t e rm i p r o b l e mi n ms o m es e p a r a t e t w o p a r a m e t e rm lp r o b l e m s a n dt h ef i n a lc h a m a e le s t i m a t e s a l eo b t a i n e db yi l e r a t i f o re a c h t w o - p a r a m e t e r m l p r o b l e m 。a f a s t m l a l g o r i t h mb a s e do n n e w l o n * s m e t h o da n das i m p l ea v e r a g e d m e l h o d a r ee m p l o y e dt oe s t i m a t et h ep a t hd e l a ya n dp a t hg a i n ，r e s p e c t i v e l y i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c l ) w i l ld e s t r o yt h eo r t h o g o n a l l t yo fs u b c & r r i e r s ，w h i c hw o r s e n st h eo f d m s y s t e mp e r f o r m a n c e s i n em i t i g a t i n gi c in e e d sc h a n n e li n f o r m a t i o n ，e s t i m a l i n gr a p i d l yt i m e - v a r y i n g c h a n n e li sv e r yi m p o r t a n t f o rd i f f e r e n tt i m e - v a r y i n ge n v i r o n m e n t s ，t h r e ec h a r m e le s l i m a l i o ns c h e m e s & r e p r o p o s e d ，w h i c ha x ea sf o l l o w s ( 1 ) t h em e t h o db a s e do ul o w - p a s si n t e r p o l a t i o n a f t e rt h ee h a r m e li m p u l s e r e s p o n s e s ( c i r ) a tt h eg i v e nt i m e sa r ee s t i m a t e db yp i l o ts e q u e n c e ，t h ec i r a tt h er e m a i n e dt i m e se a r lb e o b t a i n e db yl o w p a s si n t e r p o l a t i o n ( 2 ) t h em e t h o db a s e do np i e c e - w i s el i n e a rm o d e l s i n c et h ec h a r m e l d u r i n go n eo f d ms y m b o lp e r i o di sm o d e l e da sal i n e a rf u n c t i o n t h ec i rc o nb eo b t a i n e db yo n l y e s t i m a t i n gt h es l o p ea n dt h er e f a r e n o es i g n a lo f t h el i n e a rm o d e l t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rs y s t e m sw h e n s t h er e l a t i v e d o p p l e r f r e q u e n c ys m a l l e r t h a n0 1 ( 3 ) t h e m e t h o db a s e do n b a s i se x p a n s i o n m o d e l ( b e m ) s i m i l a rt ot h ef o i l n e rm e t h o d ，t h i sm e t h o da l s om o d e l st h et i m e - v a r y i n gc h a n n e l ，a n dt h e no b t a i n st h ec i r t h r o n g he s t i m a t i n gt h em o d e lp a r a m e t e r s s i n c eb e mc w e l la p p r o x i m a t et h ej a k e s m o d e l ，t h i sm e t h o d i ss u i t a b l ef o rs y s t e m sw h e r et h er e l a t i v ed o p p l e rf r e q u e n c yi sr a t h e rh i 曲p i l o ts e q u e n c ed e s i g np l a y s i m p o r t a n tr o l ei nc h a n n e le s t i m a t i o n t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i s ，t h eo p t i m a lp i l o ts e q u e n c e sa r ea l s od e r i v e d a l o n gw i 血t h ep r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o ns o h e m e sm e n l ：i o n e da b o v e k e yw o r d s ：m i m oc o m m u n i c a t i o n s ，o f d m ，m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ，t i m e v a r y i n gc h a n n e l ，c h a n n e l e s t i m a t i o n ，p i l o ts e q t l e n c e 】v 符号定义 符号定义 矩阵或矢量的共轭转置 矩阵或矢量的转置 矩阵或矢量的共轭 不小于j 的最小整数 不大于j 的最大整数 数学期望 矩阵a 的迹 标量x 的绝对值 欧几里德范数 矩阵a 的逆 矩阵a 的伪逆 n _ 维单位矩阵 n xm 维的全零矩阵 以向量v 为对角线元素的对角矩阵 取出矩阵 的对角元素使其成为一个列向量 表示取余运算。也即求解z 一掣，其中n = l x y j 表示取实部 整数集合 v i i m h肼州h埘b吲卟一州z 东南大学蹲士学位论文 a d s l a m p s b e r c d m a c p c s l d a 删b d a h 炉s d f t f l r g s m 缩略词 a s y m m e t r i c d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e s异步数据用户链路 a d v a n c e d m o b i l e p h o n es e r v i c e s高级移动电话服务 b i te r r o rr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i g i l a a u d i o b r o a d c a s l i n g d j 西t a 】 v i d e ob r o a d c a s t i n g d i g i t a l a d v a n c e d m o b i l e n b 0 1 ) es e r v i c e s 误比特率 码分复用 循环前缀 信道状态信息 数字音频，视频广播 数字高级移动电话服务 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 i n i t ei m p u l s er e s p o n s e g l o b a ls y s l e m f o r m o b i l ec o m m t m i c a t i o n h i p e r l a n , e 2j l i 曲p e r f o r m a n c el a n t y p e2 有限冲击响应 全球移动通信系统 i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e 载波间干扰 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 离散傅立叶反变换 l m e r s y m b o ll n u 。r f e m n c e l e a s ts q u a r e 码姆干扰 最小二乘 l i n e a r m i n i m u mm e a ns q u m ee r r o r 线性最小均方误差 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 a x l m u m 眦e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o r 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 均方误差 t m 小 侣 e m 一 嘲 堪 m 慨 缩略词 o f d m s a g e s i s 0 s n r t d m a w 既 w l n w s g u s o i 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 正交频分复用 s p a c e - a h e r n m i n gg e n e r a l i z e de x p e c t a l i o n - 广义交互空间期望最大化 m a x i m i z a t i o n s i n g l e n p u ts i n g l eo u t p u t 单输入单输出 s i g n a l t o - n o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s w o f de r r o rr a t e w i r e l e s sl o c a la c c e s s n c t w o r k 信噪比 时分复用 误码率 无线局域网 w 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 d 广义平稳不相干散射 s c a t l e r i n g 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南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：姐监e t 期：碰：眵 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 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) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：姐盎 导师签名：j 蠡连i i 日期：沙r 6 ，6 亏 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 移动通信足现代通信系统中不可缺少的组成部分，它不但集中了无线通信和有线通信的最新技 术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。进入2 1 世纪以后，移动通信技术更是呈现 出前所未有的发展态势。未来移动通信的且标就是能在任何时间任螂地点，向任伺人提供快速可靠 的通信服务。 按照移动通信系统所能提供的业务量可以将其分成若干发展阶段。以北美的a m p s l lj 和欧洲的 t a c s 为代表的第一代( 1 0 ) 移动通信系统形成于2 0 世纪8 0 年代，它采用模拟制式为信号传输手 段只支持话音业务。这一阶段的主要特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发 展起来。第二代( 2 g ) 移动通信系统形成于2 0 世纪9 0 年代初期，它完成了从模拟系统到数字系统 的转变，其中包括g s m 系统，d - a i v l p s 系统，和i s 9 5c d m a 系统等。这一阶段的系统除了提供话 音业务外，还能提供电传和低速数据传输等多项数字通信业务。但随着人们对通信业务范围和业务 速率要求的不断提高，现有的第二代移动通信网将难以满足新的业务需求，因此人们正在发展第三 代( 3 g ) 移动通信系统。通过使用复杂的多址接入技术，如c d m a 或扩展的t d m a ，这一阶段的 系统有望达到超过1 0 倍于第一代系统的系统容量。但由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离2 g 系 统的核心网结构，所| 三l 普遍认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向来来移动通信系统过渡的阶段。 目前，人们已经把1 0 光越来越多地投向第四代移动通信( 4 0 ) 系统的研究，目的是在概念和技 术上寻求创新和突破，改善现有通信质量，使无线通信系统的容量和速率有数十倍甚至数百倍的提 高l 斗i ”，达到高速数据传输的要求。对于高速数据业务来说，原有的单载波t d m a 和窄带c d m a 系统都存在着很大的缺陷阿例如对于t d m a 系统来说，由于无线信道存在时延扩展，高速信息流 的符号宽度义相对较窄，因此符号之间会存在较严重的l s i ，这就对 r d m a 系统中的均衡器提出了 非常高的要求，也即要求抽头数量要足够大，训练符号要足够多且训练时间要足够长，这样就导致 了均衡算法复杂度的急剧增加。而对于窄带c d m a 来说，其主要问题则是在于扩频增益与高速数据 流之间的矛盾。在保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就极大 地限制了c d m a 系统抵抗噪声的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响。若耍保持原来的扩 频增益，则必须相应提高系统带宽。另外，c d m a 系统一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制 这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信遒进行预测，然后再返回功率控制 命令将会导致较大的延迟，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制也存在缺陷。 鉴于这些原因，人们开始越来越多地关注具有强抗衰落能力、对窄带干扰和窄带噪声不敏感、 带贲扩展灵活和支持可变用户速率等一系列特点的芷交频分复用( o f d m ) 技术卧1 1 1 ，希望通过这 种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更 快的网络浏览速度。 另一方面，m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，它采用多个天线同时发 送和接收信号，在没有任何频带效率损失的同时，利用空间中增加的传输信道获得有效的空间分集 增益1 卅r 【1 ”。可以从信息论的角度证明1 1 6 q 2 0 1 。m i m o 技术可以成倍增加无线通信系统的容量，改善 系统的性能，因而非常适合4 g 移动通信系统中高速率业务的要求。所以在未来的移动通信系统中， 东南大学博士学位论文 将m i m o 和o f d m 这两项技术相结合就成为一种很自然的想法1 2 1 1 ，i 功。目前，已有的实验系统的测 试结果表明，一个具有两个发射天线和两个接收天线的m i m oo f d m 系统能提供几十到一百兆的数 据传输速率，达到与单天线系统相比大得多的系统容量增益。 总之宽带高速数据传输是4 g 系统的根本要求。以o f d m 为代表的多载波技术和m i m o 技术 则是满足该要求的必荽条件，因此本论文的研究工作以4 g 的关键技术o f d m 为中心主要研 究了s i s o m i m oo f d m 系统中的信道估计，阻及相应的最优训练或导频序列的设计问题。 1 2o f d m 技术的历史与发展 o f d m 技术的提出已经有4 0 多年的历史。早在6 0 年代中期，r w - c h a n g 就提出了一种可以完 全消除i c l 和i s i 的正交信号多载波传输方案忙1 ，箕基本思想是利用并行数据和相互交迭的额分复用 子信道进行传输以提高频谱利用率，抵抗脉冲噪声、多径衰落，和避免在接收端使用高速均衡器。 这神方案可以看成是o f d m 的雏形。最早被应用于军用的无线高频通信链路中。 早期的正交频分复用系统使用正弦波发生器组和相干解调器组实现调制和解调，因此当子信遭 数目很大时，系统复杂性非常高，造价昂贵难以接受。直到1 9 7 1 年，s bw e i n s l e i n 等人将i d f t 和d f t 应用到o f d m 系统的调制和解调中【瑚，用一个模拟前端来代替传统多载波系统中各子载波 分别需要的多个模拟前端，太大减小了系统复杂度，才使得全数字化的o f d m 实现成为可能。伴随 着v l s i 技术的发展，o f d m 技术于8 0 年代初期迎来了它的第一个发展高峰i m 】。 9 0 年代以来，o f d m 技术因其强抗频率选择性衰落的能力而被广泛应用于多种高速数据接入系 统中，如无线局域网 w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 、高速数字用户线路( h i 曲s p e e dd i 西锄 s u b 9 a b c rl i n e ，s l ) 、非对称数字用户线路( a d s l ，a 2 y m m e t r l ed i 舀t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 、数 字音频广播i 驺j ( d a b ，d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ) 、数字视频广播i 2 b l ( d v b ，d j 沓t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ) 和高清晰数字电视( h d t v ，h i 曲- d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 等一各种标准，如i e e e s 0 2 1l a ，m m a c 和 h i p e r l a n 2 也把o f d m 作为物理层的传输手段田硼。由于o f d m 技术可以较好的解决高速无线 移动通信中的多径干扰和宽带传输等问题，因此它已经成为4 g 通信系统的候选方案”“。 1 3o f d m 的基本原理及特点 以五表示第膏个子载波上传输的已经经过调制后的信号( 如p s i ( 或q a m ) ，则对于含有置个 子载波且符号持续时间为t 的o f d m 系统，从时间t = 开始的o f d m 符号可以表示为 m)=艺k五“p(z争)1，归钳rsoj20 s ( f ) = 五“p ( z 导( p ) l s l + r 1 每个子载波上的传输信号在一个o f d m 符号持续时阊f 内恰好都经历了整数倍的周期，而且各相邻 子载波问都只相差个周期，因此这就解释了为什么子载波间可以相互正交的事实。接收端利用这 种正交性，就可以通过数学的方法而不是带通滤波器滤波的方法来分离各个子载波。以解调第卅个 子载波为例，接收端只需对接收信号在时间长度r 内进行如下积分即可 2 第一章绪论 斯唧( 啊z 如， 蓑聊( 胁扣小r = ；篆以h 伽字”小， z ， = 以 这种子载波之间的正交性不仅能够使得子载波问完全分离，而且还允许各于载波上的传输信号在频 谱上相互交叠，从而极大地提赢了系统的频谱效率。国1 1 给出了发送信号为矩形脉冲时o f d m 系 统子载波频谱分布示意图。 越 罂 频率 国】o f d m 系统的子载波频谱分布 从图中可以看出在每个子载波上信号频率的最大值处，其他子载波上信号在这一点的值恰好 为零，这就从频域角度解释了为什么可咀从多个相互重叠的信号中问提取出每一个子载波信号在 实际的通信系统中，式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 分别是由i d f t 和d f t 来实现的。由于存在f f t 这样计算 d f t 的高效算法，因此o f d m 技术得到了迅速的发展。 上面介绍了o f d m 技术中最为核心的原理，其实作为一种多载波并行传输技术，o f d m 除了具 备多载波系统共同的特点之外，还具有以下优点： ( 1 ) o f d m 系统通过对高速数据流进行串并转换，增大了每个子载波上数据符号的持续时问， 因此可以有效地抵抗由无线信道的时问弥散所带来的i s i 从而减小接收机内均衡器的复杂 度，进一步，通过在每个数据符号前端插入循环前缀，该系统可以完全消除l s i ，从而信道 均衡可以由单抽头均衡器完成，与具有多抽头的单载波信道均街器相比，其复杂度大大降 ， 东南大学博士学位论文 低 ( 2 ) o f d m 系统各子载波间完全正交，因此，虽然子载波的频谱相互重叠，但接收端仍可以将 各个子载波完全分离，这与传统的利用若干个不相交的子频带并行佶输数据，各子信道问 要保留足够的保护频带的多载波系统相比o f d m 系统具有更高的频谱利用率，可以最大 限度地利用频谱资源吲埘j ： ( 3 ) 0 f d m 系统中各个子信道的正交调制和解调都可以通过i d f t 和d f t 来实现，由于存在f f t 算法，斟此o h 3 m 技术具有根强的可实现性； ( 4 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的 数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输而o h ) m 系统可以很容易地通 过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率： ( 5 ) o f d m 系统具有很强的抗窄带干扰能力，因为此类干扰只会对部分而不是全部子载波产生 影响。