（通信与信息系统专业论文）信道估计对传输预处理系统的影响及研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 传输预处理技术可以降低下行链路终端的处理复杂度和功耗，但它的 前提条件是发射端已知信道信息。在t d d 系统中，基站到用户设备的上下 行链路信道都用同样的频率，这样上下行链路的传播特性基本相同，从而 上下行信道的信道参数也基本相同，可以将基站的上行接收估计的信道冲 击响应直接应用于下行方向的发送处理，反之亦然。该特性给t d d 系统带 来一个很大的好处是方便基站利用传输预处理技术来降低移动终端的处 理复杂性和功耗。传输预处理技术需要知道传输信道的传播特性，这样， 对信道的估计就显得尤为重要，所以说，传输预处理技术的基础在于对信 道信息的估计。 目前的传输预处理算法都是假设通过信道估计的信道冲激响应值就是 理想的信道信息。但是，在实际的系统中，不可能已知精确的信道信息， 非理想信道估计对传输预处理的性能会造成怎样的影响? 本文首先比较 了两种线性传输预处理方案：s v d ( 信道奇异值分解) 和j t ( 联合传输) ， 研究非理想信道估计对它们性能的影响，分析了估计误差项及其产生原 因；然后讨论了两种改进的非线性预处理方案：t h p ( t o m l i n s o n h a c a s h i m a 预编码) 和t x n z f ( 非线性传输迫零) ，研究非理想信道估计对它们性能的影 响，并将它们跟前面的两种线性预处理方案比较，通过仿真迸一步验证了 理论结果。这些结果对传输预处理算法的实际应用具有重要理论价值和实 际意义。 关键词：非理想信道估计传输预处理联合传输 t o m l i n s o n h a c a s h i m a 预编码非线性传输迫零 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o nc a br e d u c et h ec o m p l e x c i t ya n dp o w e ro f t e r m i n a lu n i ti nd o w n l i n k t h et r a n s m i t t e ra l g o r i t h m sh a v et ob eap o s t e r i o r i a d a p t e du n d e rc o n s i d e r a t i o no fc h a n n e lk n o w l e d g e i nt h et d dm o d e ，t h e f r e q u e n e yo ft h eu p l i n ka n dt h ed o w n l i n ka r ee q u a l ，s ot h ec h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e so ft h eu p l i n ka n dt h ed o w n l i n ka r ee q u a l s o ，w 0c a na p p l yt h e e s t i m a t e dc h a n n e lk n o w l e d g eo fu p l i n kt od o w n l i n k ，v i c ev e r s a t h e c h a r a c t e r i s t i cb r i n gag r e a ta d v a n t a g e ：t h er xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o nc a nb e u s e di nb a s et or e d u c et h ec o m p l e x c i t ya n dp o w e ro ft e r m i n a lu n i ti nd o w n l i n k t h ec h a n n e lk n o w l e d g e ，w h i c hi sm u s tb ec o n s i d e r di nb a s e ，i sv e r yi m p o r t a n t f o rr xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o n s ow ec a ns a yt h a tt h ec h a n n e le s t i m a t i o ni st h e b a s eo fr xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o n a c t u a l l yw ea l ls u p p o s et h ec h a n n e lk n o w l e d g ee s t i m a t i o ni sp e r f e c t b u ti n p r a c t i c e ，w ec a n tg e te x a c tc h a n n e lk n o w l e d g e ，w e l lt h e n ，h o wd o s et h e i m p e r f e c tc h a n n e lk n o w l e d g ei n f l u e n c et h es y s t e m ? i nt h i sp a p e lf i r s tw e c o m p a r et w ol i n e rr xo r i e n t e dm u l t i u s e rm m ot r a n s m i s s i o n ：s v d ( s i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n ) a n dj t ( j o i n tt r a n s m i s s i o n ) ，a n a l y z et h ee r r o r t h e n ，w e d i s c u s s t w o o p t i m i c a l n o n - l i n e rr xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o n ： t o m l i n s o n - h a c a s h i m a p r e c o d i n g ( t h p ) a n dn o n l i n e r z e r o f o r c i n g ( t x n z f ) ，a n a l y z et h ee r r o ra n dc o m p a r et h ep e r f o r m a n e ew i t ht h el i n e rr x o r i e n t e dt r a n s m i s s i o n ；a tl a s tv a l i d a t et h et h e o r yr e s u l t b ys i m u l a t i o n t o a p p l i c a t i o n s o fr xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o n ，t h e s er e s u l t sh a v e i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n dp r a c t i c e k e yw o r d s ：i m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o n r xo r i e n t e dt r a n s m i s s i o n j tt h pt x n z f i i 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，也不包含为获得重废鲣直太堂或其他教育机构 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己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：杨f 幻 签字日期 加。1 年钼萝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废整电太堂有关保留、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 重废邮电太堂 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适用本授权书) 学位论文作者签名： 杨陶 导师签名： 豸研 签字日期：如a 7 年岁月孑日 签字日期：年月 e t i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1第三代移动通信系统 近2 0 年来，随着通信技术的飞速发展，第二代移动通信系统以其令人 瞩目的优越性逐渐取代模拟系统，在世界范围内得到普及和应用，并已进 入向第三代移动通信系统过渡的阶段。 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信的概念，当 时称为未来陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。f p l m t s 的研究工作在1 9 9 6 年后取得了迅速的进展，并被正式命名为国际移动通信一一2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 【1 1 。 在第三代移动通信系统所要实现的目标( 亦即系统的特点) 中，最核 心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现对全球无缝覆 盖的立体通信。第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的主导地位， 所以又称为未来个人通信系统。 为了满足未来业务的需求，相对于现有的移动通信系统，3 g 系统应具 有下列特点【2 j ： 系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一 致性； 业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为 1 4 4 k b p s ，步行通信速率为3 8 4 k b p s ，室内通信速率为2 m b p s ： 高质量业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要 求： 高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送： 频谱利用率高、通信容量大； 袖珍、多频、多模、通用移动终端； 满足通信个人化的要求； 系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升 级； 低的费用，包括设备和服务两方面。 2 0 0 0 年5 月，l t u 正式批准5 种第三代移动通信系统( i m t 2 0 0 0 ) 无 重庆邮电大学硕+ 论文第章绪论 线接口技术规范( r s p c ) 建议，即m c c d m a ( c d m a 2 0 0 0 ) 、d s c d m a ( w c d m a ) 、c d m at d d ( 包括t d s c d m a 和u t r at d d ) 、s c t d m a ( 美国的u m c 1 3 6 ) 和f t - t d m a ( 欧洲的e p d e c t ) ，如图1 1 第三代移动通信系统要求最大程度的利用频带，在提供大容量传统业 务的同时，支持高质量和多速率的多媒体业务，能运行在多种通信环境和 多种通信网络中，因此它的实现需要各种强有力的技术支持。 图1 15 个3 g 正式标准 1 2t d s c d m a 通信系统概述 t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合， 是由我国无线通信标准化组织( c w t s ) 提出并得到i t u 通过的3 g 无线 通信标准【1 1 。它是世界上第一个采用时分双工( t d d ) 方式和智能天线技 术的公众陆地移动通信系统，也是唯一采用同步c d m a 技术和低码片速率 ( l c r ) 的第三代移动通信系统。 t d s c d m a 系统的每个射频信道带宽为1 6 m h z ，系统速率为 1 2 8 m c h i p s 。每个t d d 无线帧长1 0 m s ，t d s c d m a 将每个无线帧分为 两个5 m s 的子帧。如图1 2 所示，每个子帧由7 个主时隙和3 个特殊时 隙：下行导频时隙( d w p t s ) ，上行导频时隙( u p p t s ) 和保护时隙( g p ) 构成 3 1 。 t d s c d m a 是t d d 模式的，且同时使用了f d m a t d m a c d m a 技术、 2 重庆邮电大学硕士论文 第章绪论 q p s k 射频调制技术、正交可变扩频，用软件和帧结构设计来实现严格的 上行同步，联合使用智能天线和联合检测技术，因此，在达到高数据率的 同时，还达到了较高的频谱利用率和较大的系统容量。其发送和接收在同 一频率信道( 即载波) 的不同时隙，用时间来分离接收和发送信道。该模 式在不对称业务中具有不可比拟的灵活性，时域上下行切换点可灵活变 动，所以对于对称业务( 语音和多媒体等 和不对称业务( 包交换和因特 网等) ，都可充分利用无线频谱。 1 2 8 m c h i p s d w p t s ( 9 6 c h i p s ) 一 jm - 4 y 。， 7 l 。转换点 t s 0 t s l $t s 2 tt s 3 tt s 4 j , lt s 5 l t s 6 l 图1 2t d s c d m a 子帧结构 t d s c d m a 还同时采用了联合检测、软件无线电、接力切换等一系列 高新技术【4 】。t d s c d m a 系统是干扰受限系统。系统干扰包括多径干扰、 小区内多用户干扰和小区间的干扰。这些干扰破坏了各个信道的正交性， 降低了c d m a 系统的频谱利用率。传统的r a k e 接收机技术把小区内的多 用户干扰当作噪声处理，而没有利用该干扰不同于噪声干扰的独有特性。 t d s c d m a 系统采用的联合检测是一种有效的抗干扰措施，把所有用户的 信号都当作有用信号处理，充分利用多址干扰的各种可知信息对目标用户 的信号进行联合检测，从而有较好的抗多址干扰能力，可以更加有效的利 用链路频谱资源，显著提高系统容量，而且由于联合检测技术具有抗远近 效应的能力，可以降低系统对功率控制的要求【5 】。 从信息论角度来看，c d m a 移动通信系统是多用户系统，采用传统的 单用户检测方式，如匹配滤波器，不能充分利用用户间的信息，而将多址 干扰认为是高斯白噪声，因此大大降低了系统容量。1 9 8 6 年，v c r d u 提出 了多用户检测思想口l ，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论上 证明采用最大似然序列检测( m l s d ) 可以逼近单用户接收性能，并有效 地克服了远近效应，大大地提高了系统容量，从而开始了对多用户检测的 广泛研究。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3选题意义 随着通信技术的发展，对于系统各个方面、各个角度上考虑到的性能 要求也越来越严格，越来越多专家和学者开始重视探索关键技术中更为简 单而优化的信号处理方法。 t d s c d m a 是基于t d d 模式，在t d d 系统中，基站到用户设备的 上下行链路信道都用同样的频率，上下行链路的传播特性基本相同，于是 上下行信道的信道参数基本相同，这样可以将基站上行接收估计信道冲击 响应直接应用于下行方向的发送处理，反之亦然。这种上下行信道的参数 冲击响应基本相同，可以在上下行接收和发送时根据一方估计的结果被另 一方直接利用的特性，称为上下行信道的互惠性。这种上下行信道的互 惠性奠定了传输预处理技术的基础。 传输预处理技术是一种新型的技术，它是基于t d d 方式，将上行的信 道估计直接运用到下行，将复杂的检测算法“搬”到发送端，降低接收机 复杂度。接收端的技术多种多样，如：r a k e 接收机、j d ( 联合检测) 、 滤波器、均衡技术等等。理论上，在t d d 模式下，这些复杂的接收端技 术都可以放到发送端做一个预处理，从而使接受端的复杂度大幅度降低， 因此移动终端的外观可以设计得更加灵活，顺应了移动通信技术发展的需 求。目前，各国对传输预处理系统的理论、性能、算法和实现的各方面正 广泛进行研究，提出了很多种预处理方案：预r a k e 技术、联合传输( j t ) 技术、预编码技术、预均衡技术以及预滤波技术。它们将复杂的接收技术 放到基站的发送中预处理，这样不仅仅使终端简化，同时没有损失系统的 性能。因此，传输预处理技术已经被列为第四代移动通信中的关键技术。 传输预处理技术需要知道传输信道的传播特性，在t d d 系统中由于上 下行信道的互惠性，这是很容易实现的，因此传输预处理可以直接利用。 这样，对信道的估计就显得尤为重要，所以说，传输预处理技术的基础在 于对信道信息的估计。目前为止，我们的研究都是假设信道估计是理想的， 但是在实际的系统中，信道信息是不可能被精确知道的，也就是说信道估 计是非理想的。那么，非理想信道信息对预传输系统有什么影响? 因此， 本文的研究方向是在非理想信道信息情况下，对已有的传输预处理系统性 能的评估及改善，以提高系统的性能。 4 重庆嘏电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 论文结构 本文主要研究了信道估计对传输预处理系统的重要性、信道估计误差 对各种传输预处理系统性能的影响，并在非理想信道估计下，对传输预处 理系统进行改善，提高其性能，本文的安排如下： 第一章首先介绍了t d 一$ c d m a 系统，传输预处理技术产生的原因以 及信道估计在传输预处理系统重要意义。 第二章介绍了论文分析和仿真中必要的基础知识，主要包括无线信道、 信道建模、信道估计原理。 第三章首先介绍了m i m 0 系统，并基于m i m o 系统讨论了s v d ( 信道 奇异值分解) 和j t ( 联合传输) 两种线性传输预处理系统，分析了非理想 信道估计对它们的影晌，并绘出了仿真结果。 第四章结合t h p ( t o m l i n s o n h a r a s h i m a 预编码) 、t x n z f ( 非线性传输 迫零) 两种非线性传输预处理系统，分析了非理想信道估计对它们的影响， 并给出了仿真结果，同时也比较了它与线性传输预处理的性能。 第五章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 5 重庆邮屯大学硕士论文第二章信道估计以及t d d 模式原理 第二章无线信道与信道估计 2 1无线信道 移动信道是种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不 同途径的衰减损害。这些损害可以归纳为三类6 1 。接收信号的功率可用公 式表示为： e ( d ) = l d i 一”s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 式中，l d i 表示移动台与基站的距离。当移动台运动时，距离是时间的函数， 所以接收信号功率也是时间的函数。 根据上式，无线信道对传输信号的影响可以分为三种： 1 ) 自由空间传播损耗，用j d r 表示，其中一般为3 - 4 ，它表明的是在 以公里计的较大范围内接收信号的变化特性。 2 ) 阴影衰落，又称慢衰落，用s ( d ) 表示，这是由于传播环境的地形起 伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。它反映在数 百波长的区间内，信号的短区间中值出现缓慢变动，其衰落特性符合对数 正态分布。 3 ) 多径衰落，又称快衰落，用尺口) 表示，它是由于无线电波在空间传 播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收 端，丽每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个 信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象。在数十波长的范围 内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般符合瑞 利分布。 由于路径损耗和衰落的影响，接收信号要比发射的信号弱的多，对快 速移动的用户而言，平均路径损耗变化很慢，信号的变化主要表现为衰落。 阴影衰落常称为慢衰落，也称为长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物 的阻塞效应。多径衰落常称快衰落，又称短期衰落或r a y l e i g h 衰落，由移 动用户附近的多径散射产生。图2 1 给出了某一衰落信号的路径损耗、慢衰 落和快衰落的示意图。 从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线 区的覆盖，而多径衰落则严重影响信号传输质量，必须采用抗衰落技术来 6 重庆邮电大学硕七论文第二章信道估计以及t d d 模式原理 减少其影响。下面对多径衰落信道进行进一步讨论。 蕾 口 v 祷 雷 心 逛 距离( 对数) 图2 ，l 信号在无线信道中的传播特性 2 2 多径衰落信道的物理特性 移动信道是种多径衰落信道，发射的信号要经过多条传播路径才能 到达接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延 及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏不定的，这些 多径信号相互迭加就形成了衰落。多径传播对于数字信号传输有特殊的影 响，包括角度扩展、时延扩展和频率扩展 7 1 。 2 2 1 角度扩展一空间选择性衰落 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度 扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度 扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展，接收 信号产生空间选择性衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空间位置有 关。 空间选择性衰落用相干距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信 道响应保持强相关的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之， 相干距离越长，则角度扩展越小。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章信道估计以及t i d d 模式原理 图2 2 角度扩展造成空闯选择性衰落 2 2 2 时延扩展一频率选择性衰落 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极 窄的脉冲信号占( f ) 时，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各个路径 到移动台的时间也就不同，接收信号，“) 由不同时延的脉冲组成，可表示 为： ，( f ) = q ) 艿 f r n ( t ) ( 2 2 ) n 这里o ) 是第玎条路径的反射系数，9 ) 是第聆条路径的时延。 图2 3 多径接收信号 最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间之差为最大时 延扩展，记作麒。由于时延的扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展 到其他码元周期中，引起码问串扰。 与时延扩展有关的一个重要概念就是相干带宽。通常用最大时延的倒 数来定义相干带宽，即， b ：j 一 “ 8 ( 2 3 ) 重庆邮电大学硕士论文第二章信道估计以及t d d 模式原理 图2 4时延扩展导致频率选择性衰落 多径衰落信道对信号中不同的频率分量所造成的衰落是不同的。根据 衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性 衰落。对于移动信道来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择 性衰落，即传输后，信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落 信号的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落， 即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形 将产生失真。 一般来说，窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落，而宽带扩频信号 将引起频率选择性衰落。 2 2 3 频率扩展一时间选择性衰落 移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应， 所导致的附加频移称为多普勒频移，表示为： 厂d ：v c o s a ( 2 4 ) ，n 一 q ， 其中口是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是运动速度，旯是波长。 厶= 1 是厶的最大值，称为最大多普勒频移。 在多径环境中，衰落信号的频率随机变化称为随机调频。对于移动台 来说，由于周围物体的反射，其多径接收信号的入射角都不全相同。假设 移动台天线为全向天线，路径数较大，且不存在直达径，则可认为多径波 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章信道估计以及t d d 模式原理 均匀来自各个方向，入射角a 服从。一2 z 的均匀分布，g 到口+ d c t 之间的到 达电波功率为气i d a cj ，这里忍，是所有到达电波的平均功率，来自口与一口 之间的电波有相同的多普勒频移，使信号的频率变为： = c 七 m g o s t 2 0 2 5 、 当入射角从窿到口+ d a 变化时， 频功率为： s ( f ) l d f l = 2 鲁i d 口l ， 信号的频率从，变化到，“扩。其间的射 0 口 万 由以上两式可得到接收信号功率谱为： s c 俨射一c 譬个1 ， 上式即是c l a s s 谱。 信号谱密度 ( 2 6 ) 五十f m f 五一厶 ( 2 7 ) 图2 5 频率偏移导致时间选择性衰落 由( 2 7 ) 式可见，虽然发射频率为正，但接收电波的功率谱s ( f ) 却展 宽到六一厶到正+ 厶范围，即多普勒频移。时间选择性衰落信号的幅度 变化符合瑞利分布，通常被称为瑞利衰落。 将最大多普勒频移厶的倒数定义为相干时问互，即t i = 去 ( 2 8 ) 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，而这种衰落是由于多 普勒效应引起的。在时间间隔之内，信道可以认为是不变的。 1 0 重庆邮电大学硕十论文第二章信道估计以及t d d 模式原理 2 3 多径衰落信道模型建模 由于信道环境的复杂性，衰落信道的统计模型也有很多种，根据论文 实现的仿真环境，只重点介绍c l a r k e 模型1 6 】。 c l a r k e 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信 道。在移动无线信道中，瑞利分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立 多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。我们先讨论恒幅单频信 号的发射情况。在典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，并且 移动单元只能接收到反射波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较大 时，接收信号的两个正交分量是均值为零、方差为一2 的互不相关的高斯随 机过程，则任意时刻接收信号的包络服从瑞利概率分布，相位服从一万1 g 的 均匀分布。 假设系统所要传输的复信号为： r ( f ) = ，( f ) + q ( f ) ( 2 9 ) 将它调制到角频率为”的载波上去，如图2 6 。 一s i n ( c o , t ) 发送部分 图2 ，6发送端调制 s ( t ) = l ( t ) c o s 叫一q ( t ) s i n t = r e 1 ( t ) + ，驮f ) 】 c o s t o o t + j s i n 吐f 】 = r e 2 ；t i c f ) + j q ( f ) 】e 叫) 其中，s ( f ) 的包络为争m ) + 倒纠，l l p 圭x ( f ) ( 2 1 0 ) 重庆邮电大学硕士论文第二章信道估计以及t d d 模式原理 设移动台相对于基站的运动速度为v 。第 条入射电磁波与移动台运动 方向夹角为，则其d o p p l e r 频移为： = 2 兀兰矗c o s 吐。= 2 ，【f dc , o s 。= c o dc o s a n c 式中c 为真空中光速，厶为最大d o p p l e r 频率偏移。 达移动台的接收信号为： r ( r ) = r j ( f ) 一r e ( t ) 其中， ( 2 1 1 ) 信号经过多径信道到 ( 2 - 1 2 ) r a t ) = g s ( q f + 峨f + 蛾) ) ，( ，) ： 【ng c 0 f + 蛾) 】c o s t o o t - 兰gs i n ( 峨f + 以) 】s i n c o d i ( f ) 2 1 3 h ；ln l = 【疋( f ) c o s q f t , ( t ) s i n c o 。t l ( t ) l 司理司得： ，口( f ) = e s i n ( 町+ 魄，+ 识) 烈r ) ： 【ng c o s ( ，+ 九) s i n q h - 【芝gs i n ( 鸭f + 纯) 】c o s 婢f q ( f ) 2 1 4 = 【正( f ) c o s q r + t c ( t ) s i n t o j q ( t ) 两式中g 为第h 条路径的信道衰落因子，丸为第以条路径的固定相位偏移， 疋( f ) 和( f ) 分别为： t a t ) = ec o s ( f + 么) ( 2 1 5 ) t a t ) = gs i n ( f + 杰) ( 2 1 6 ) 将接收信号整理后，可锝： r ( f ) = ，( f ) 一t o ( t ) = 巧( f ) + 正2 ( r ) c o s q f + 烈f ) 】，( f ) 一2 ( f ) + 哿p ) s i n w , + f a ( t ) q ( t ) 其中， c o s 刚卜焉一m 砷，2 赢军( f ) + 笮)2 9 ) + 2 ( f ) 1 2 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 重庆邮电犬学硕士论文第二章信道估计以及t d d 模式原理 经过以上分析可知，发送信号s ( f ) 的包络为 ( f ) + ，q ( f ) 】，经过多径衰落信 道后，接收信号的包络变为鲁( f ) + 皿( f ) 】【，( f ) + ，烈f ) 】。 假设两个正交分量t c ( t ) 和五( f ) 是均值为零、方差为a 2 的互不相关的高 斯随机过程。瓦( ，) 和疋( f ) 在多普勒衰落影响下的功率谱密度为 驰m ：m 厢 ， ：。， 。 【0 ， 其它 信道仿真建模过程可由图2 7 描述： 2 4 信道估计 图2 7 仿真信道建立过程 信道估计是实现传输预处理的基础。在t d s c d m a 系统中，传输预处 理技术可以根据t d d 模式信道互惠的特性，只需要在上行链路做信道估 计，下行链路可以利用上行估计出来的信道信息。信道估计通常可以分为： 盲信道估计和非盲信道估计。本文是以t d s c d m a 系统为背景的，所以在 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章信道估计以及t d d 模式原理 研究传输预处理算法中，采用的信道估计方法是利用训练序列估计信道， 即非盲信道估计。 训练序列，也称为m i d a m b l e 码，因为它被放在突发的中间，也被称为 中间码。在t d s c d m a 系统中。对于同一个小区的同一个时隙，给定一个 基本的中间码，不同的用户采用这个相同的基本码经过的不同循环移位作 为它的信道估计码，如图2 8 所示。 基本码 m o o 埘 图2 8m i d a m b l e 码的生成 其中，假设第k 个用户的训练序列用矢量m 似】表示，有： m = 【m ：，聊，m l ，研】1 系统参数p 的取值与同一时隙的系统设计可容纳用户数以及信道冲激 响应的最大样值数有关，着系统设计每时隙最大用户数为k ，且信道冲激 响应的最大样值数为，要实现所有的冲激响应样值的估计，易知p 应满 足： p k w 假设每一用户的训练序列长度为p ，相应的信道冲激响应样值长度为 则易知，若令该训练序列经过信道后的响应长度为。， 2 p + w 一1 须将所有用户的训练序列矢量补零扩展至。并构筑矩阵a ，。，使： 1 4 重庆邮电大学硕十论文 第二章信道估计以及t d d 模式原理 o； 0 j 0i oi 聊00 所：砷历i “肌1 f 2 j m ，m p 肌p 用，( i om 竺m 嚣 肼尸m 2m 2 0 m j ! ：i 脚尸 0oo 0 0 0 o oo 000 000 0 0 0 000 000 研p 棚j 卸 ； 聊，所?； 拼p 彬4 i !i脚， 脚? m 尸 ； ； 所篁 m ，( i 埘罗! 在a w g n 的假设下，用户发送的训练序列一经过相应的信道冲激响 应h a o 后，接收到的信号为： x 黝= a 坤m i d 矗似+ 栉嚣 ( 2 2 1 ) 其中，为零均值的高斯自噪声，其协方差矩阵为： r 。= 口2 i ( 2 2 2 ) 此时的 似求取实际上转化为高斯白噪声下的估值问题，若采用最大似 然估计，则该估值为： 五一- - ， 。m t d “蟛1 4 品) 一彳”群1 端 ( 2 2 3 ) 根据该信道冲激响应的矢量估值，可以针对相应的信道模型进行多用 户信号的传输预处理。 1 5 。；o妒矽妒；妒；矽 o o；o o o。妒矽；嵋；硝矽o。o。 耵 耵 a 萄 封 叶咛咛；咛；畔o o 叩咛咛；叼；咛 = 村 4 重庆邮电大学硕士论文第三章信道估计对线性传输预处理系统的影响 第三章信道估计对线性传输预处理系统的影响 传输预处理技术可以降低下行链路终端的处理复杂度和功耗，但它的 前提条件是发射端已知信道信息【2 j 。在t d d 系统中，基站到用户设备的上 下行链路信道都用同样的频率，这样上下行链路的传播特性基本相同，从 而上下行信道的信道参数也基本相同，可以将基站的上行接收估计的信道 冲击响应直接应用于下行方向的发送处理，反之亦然。在上下行接收和发 送时根据一方估计的结果被另一方直接利用的特性称为上下行信道互惠 性，该特性给t d d 系统带来一个很大的好处是方便基站利用传输预处理 技术来降低移动终端的处理复杂性和功耗。传输预处理技术需要知道传输 信道的传播特性，这样，对信道的估计就显得尤为重要，所以说，传输预 处理技术的基础在于对信道信息的估计。 本文中的传输预处理系统都是基于m i m o 的传输预处理系统。目前常 见的预处理技术大致可分为线性和非线性两类。本章针对两种线性传输预 处理：s v d ( 信道奇异值分解) 和j t ( 联合传输) 方案，分析了信道估计 对这两种传输预处理算法性能的影响。 3 1m i m o 系统概述 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 ) 系统，最早是由m a r c o n i 于19 0 8 年提出，它利用多天线来抑制多径衰落。根据s h a n n o n 的信息论【8 】结果， m i m o 信道的容量随着天线数量的增大而线性增大f ”。也就是说可以利用 m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情 况下，频谱利用率可以成倍地提高。 这部分内容主要介绍m i m o 技术的基本概念，m i m o 系统的信道模型， 从理论上分析m i m 0 技术能提高信道容量的实质。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明， 对于m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统 在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，m i m o 的多入 多出是针对多径无线信道来说的。如图3 1 。 1 6 重庆邮电大学硕士论文第三章信道估计对线性传输预处理系统的影响 发 送 端 接 收 端 图3 1m i m o 系统信道模型 传输信息流d 经过空时编码形成个信息子流玉，i = 1 ，。这 个子流由个天线发送出去，经空间信道后由鼬个接收天线接收。多天 线接收机利用先迸的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实 现最佳的处理。 特别是，这个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因 而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统 可以创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息，数 据率必然可以提高。 m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实 现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集 和干扰对消处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传 输率。对于发射天线数为岛，接收天线数为勋的多入多出( m i m o ) 系统， 假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设硒、k m 很大，则信道容量c 近似 为： c = m i n ( k u k s ) b l 0 9 2 ( 7 2 ) ( 3 1 ) 其中曰为信号带宽，y 为接收端平均信噪比，m i n ( k m , k b ) 为玩妫的较小 者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限 随最小天线数的增加而线性增加。因此，多入多出对于提高无线通信系统 的容量具有极大的潜力。 1 7 重庆邮电大学硕十论文第三章信道估计对线性传输预处理系统的影响 可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是 说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发 送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用m i m o 技术可以提高 信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前，m i m o 已经被列为第四代移动通信的关键技术【2 1 。 3 2j t 预处理 3 2 1j t 原理 联合传输( j t ) 是一种适合c d m a 多用户系统的预均衡技术【j 0 】【14 1 。 它将接收端的数据检测搬移到发射端来，将发送信号在机站进行预均衡， 消除i s l 和m a i ，然后判决传输信号，通过信道后由移动台接收自己的有 用信号。j t 的基本原理也就可以描述为已知信道矩阵曼，检测矩阵旦，在 基站确定调制矩阵丝，再发送数据信号。这样，移动台的接收机就不需要 再做信道估计和联合检测，可以大大减少接收端的复杂度，而且，由于不 用为信道估计分配资源，可以提高系统容量。本文中确定调制矩阵丛是基 于线性迫零t x z f 准则。 假设该系统中，基站b s 有k a 个发送天线，移动台有k 个接收用户， 假设从基站( b s ) 为每一个移动台发送n 个数据符号，则发送给用户 的数据d 表示为： 一d = 坦n 彰) 7 j i = 1 ，k ( 3 2 ) 其长度为n ，则总的数据矢量可以表示为： 堡= 1 ”。4 。) 7 = 旺1 壁“) 7 ( 3 3 ) 则该模型中的信道冲击响应可以表示为： 墨知= ( 盘( t 知垒譬如) 7 t = 1 ，k ，k a = 1 ，c a ( 3 4 ) 每个天线阵元上的发送数据为； ! 洳= ( i p ) 7 c a = 1 k a ( 3 5 ) 其长度为s ，设s ；n q 。k a 个天线上的发送数据表示为一个总的向量： 。 j ：扩1 。“”) 7 ( 3 6 ) 和s 对应，信道冲击响应可以构成一个矩阵： 1 8 重庆邮电大学硕士论文 第三章信道估计对线性传输预处理系统的影响 旦幢蚓= 湿垆)i = l ，n q + w 一1 ，y = l ，矗 ( 3 7 ) 旦：= 信竺等l 其 _ 他i - 一k 形七= ，k 妇乩，肠c ，剐 也就是说对应于每个用户每个天线阵元的h 矩阵为： 日抽l = o 劣“盔苎， o 彬“ ， 00 ? “h _ l 蜘 ( n q + w _ 1 n q ) 旦“= ( 旦m 一旦，“) k = l ，足， 这样k 个用户总的信道冲激响应矩阵就是： 旦= 噬1 】星 7 ) 7 下行链路中，c d m a 扩频码表示为： g = 笆：? ) ，f = l ，! w + 矿一1 ，= 1 ，n ，七= 1 ，k ， 础k 骺：幺p ”其l q 。有 z = 0 瓜 0 当z q ，有 f 拓0 0 = i ；： ! l ， l 0 石0 j 何：。：。 重庆邮电人学硕十论文 第二章信道估计对线性传输预处理系统的影响 当z = q ，则是一个对角阵。 令g = m i n ( z ，q ) ，夏( 9 = 1 ，g ) 是h 的正奇异值， 则有 a2 , 4 九0 。 铂“：是h h ”属于a 丸的两两j 下交的单位特征向量，v l 是h ”h 属 于丑五；的两两j 下交的单位特征向量。 因此，假设信道估计是理想的，我们可以精确的知道信道矩阵厅的值， 那么令发送端的调制矩阵m = v ，接收端解调矩阵d ：u 一，就可以使m i m o 信道等效的成为一组平行无干扰的s i s o 信道【2 们，消除了多径干扰，因此， 只需对每个等效单径信道进行解调即可得到有用信号。 i 一一一一一一一一一一一一一i 而揶一一一一一： i - , l ：发送端 信道 i捌收端 ii i 斗回- 回- 扛晔回土 y 图3 3s v d 原理图 本文中，假设z ，q ，则可以得到：d 1 ： 设发送信号为d ，可得： 蠢= z d + u ”玎、 ：d + d 1 u 8 胛 那么估计误差是由噪声引起的即： f ：d 一0 ：d 1 u h 疗 o 3 3 2 非理想信道估计对s v d 的影响 同3 2 节，用估计的信道值矗代替实际信道h ，有 a ：h + e ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) 重庆邮电大学硕士论文第三章信道估计对线性传输预处理系统的影响 e = ( e ，) ， i = 1 砜，j = l k b e 中的元素e ，当作随机变量处理。 对矗进行奇异值分解，得： 青= 口主矿” d = ( 玩如) c “2 ， 矿= ( 羁呓) c 岱。， = 厢 ； o ； 0 ( 3 3 9 ) ( 3 4 0 ) ( 3 ，4 1 ) ( 3 4 2 ) 羁也是腊8 属于特征值互磊的两两正交的单位特征向量，羁是属 于疗”疗特征值五毛的两两正交的单位特征向量。 ， 这星， d 1 = f 0 q k o 从而可以得到： i ：d l o n l i 3 y d + b l d 8 开 由于d ”肼不是一个对角阵，等效的子信道之间存在干扰， 差由干扰和噪声引起的，即： s = a d = ( b l o “h 亏一e ) d + d i o h n ( 3 4 3 )