MIMO-OFDM信道估计的算法研究.doc

大学毕业设计 论文 I MIMO OFDM 信道估计的算法研究 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 第 2 章 MIMO 与 OFDM 的基本理论 3 2 1 OFDM 系统简介 3 2 1 1 OFDM 的发展历史 3 2 1 2 OFDM 的基本原理 5 2 1 3 OFDM 实现的关键技术 8 2 1 4 OFDM 技术的优缺点 10 2 2 MIMO 的系统描述 11 2 3 MIMO OFDM 系统 13 2 3 1 MIMO OFDM 系统模型 13 2 3 2 MIMO OFDM 系统关键技术 16 第 3 章 MIMO OFDM 信道估计的算法研究 19 3 1 无线信道的特征 19 3 2 信道估计的常用方法 21 3 2 1 导频辅助信道估计 22 3 2 2 信道的盲估计技术 22 3 2 3 MIMO OFDM 盲信道估计技术的优点 24 3 3 基于子空间的盲信道估计 24 3 4 仿真结果及性能分析分析 27 第四章 总结与展望 35 4 1 总结 35 4 2 展望 35 参考文献 36 致谢 37 附录 38 大学毕业设计 论文 II MIMO OFDM 系统的信道估计仿真与实现 摘要 在解决未来无线移动通信系统要求的高速数据传输及频带利用率的问题上 MIMO OFDM系统表现出良好的性能 能够有效提高无线通信系统的传输速率和容量 抵抗多径 衰落和码间干扰 信道估计是MIMO OFDM通信系统中的关键技术之一 盲信道估计方法从根本上避 免了训练序列的使用 可以自启动收敛并防止失锁情况 它提供了比单独使用训练序列 时更好的系统性能 本文运用MATLAB软件对MIMO OFDM系统进行基于子空间的盲信 道估计算法的仿真 绘制了均方误差和平均偏差随信噪比变化的关系曲线 仿真结果表 明了信道估计算法能有效地减少信道估计错误 使系统达到更高信道利用率 关键词 MIMO OFDM系统 盲信道估计 子空间算法 MATLAB仿真 大学毕业设计 论文 III Implementation of Simulation on MIMO OFDM System Channel Estimation Abstract In order to solve the problem that wireless mobile communication systems require high speed data transfer and bandwidth efficiency MIMO OFDM systems has recently showed high performance which can not only effectively enhance the transmission rate and capacity of the wireless communication system but also combat multipath fading and interference The channel estimation is one of the most important technologies in MIMO OFDM systems Blind channel estimation methods avoid the fundamental use of training sequences and can be self starting to prevent loss of lock convergence It can provide better performance than with only training In this paper we use of the MATLAB software for MIMO OFDM system for the blind subspace based channel estimation and draws the change curves which about the mean square error and the average deviation The simulation results show that the channel estimation algorithm can effectively reduce the channel estimation error systems can achieve higher channel utilization Key words MIMO OFDM systems blind channel estimation Sub space algorithm MATLAB simulation 大学毕业设计 论文 1 第 1 章 绪论 无线通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大 近年来 无线局域网 技术发展迅速 但无线局域网的性能 速度与传统以太网相比还有一定距离 因此如何 提高无线网络的性能和容量日益显得重要 随着蜂窝移动通信 宽带无线接入技术 多媒技术的迅速发展 简单的语音业务 低速数据业务已经不能满足人们的需求 电信运营商需要开发更多新的增值业务来吸引 与保留顾客 如多媒体通信 LBS 位置业务 游戏 移动视频 电视业务 由于单 载波技术存在严重的 ISI 并且均衡不易实现复用 CDMA 扩频调制技术的扩频增益低 抗噪声能力下降 不能满足宽带高速业务的要求 为了能在复杂的电磁环境和紧缺的频 谱资源条件下 实现高速率 高质量 高效率的数据传输 必须采用更有效的无线传输 技术 1 上世纪 50 年代末提出的正交分复用技术 具有频谱利用率高 均衡实现简单和 抗多径干扰能力强等优点 已越来越受各界的广泛关注 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 即正交频分复用技术 它实际上 是多载波调制的一种 其主要思想是 将信道分成若干正交子信道 将高速数据信号转 换成低速子数据流 调制到每个子信道上进行传输 与传统的多载波调制 MCM 相比 OFDM 调制的各个子载波间可相互重叠 并且能够保持各个子载波之间的正交性 通过 添加循环前缀 能够克服多径时延带来的符号间干扰 通过将宽带信道划分为多个窄带 的子载波 子载波宽度小于信道相干带宽 可以较为有效的对抗信道的频率选择性衰 落 有利于简化信道估计 并且不需要复杂的信道均衡 特别适合 5MHz 以上的宽带移 动通信系统 OFDM 技术可以用来对抗无线环境中的多径衰落 减少码间干扰 从而高 效的利用频谱 其不但在广播式数字音频和视频领域得到了广泛的应用 并且已经被引 入无线局域网的标准 而作为另一种适用于无限宽带通信系统的技术 多输入多输出通信系统 MIMO Multiple Input Multiple Output 在发射端和接收端配备天线阵列 通过提高网络覆盖范围 和可靠性 是未来移动通信系统实现高数据速率 提高传输可靠性的重要途径 2 我们知道 OFDM 技术应用于宽带 MIMO 系统是提高频带利用率 降低接收机复杂度 的重要途径 因此该系统越来越受到人们关注 但是由于 OFDM 的子载波衰落情况相对 平坦 对抗无线环境中的多径衰落还是不够的 因此它十分适合与 MIMO 技术相结合 大学毕业设计 论文 2 极大的提高了系统性能 将 MIMO 技术和 OFDM 结合通常有两种方法 一种是利用多天 线实现空分复用 提高数据比特率 另一种是利用多天线实现空间分集 从而提高传输 可靠性 结合这两种技术各自的优点来实现一种具有高容量 高可靠性的宽带无线通信 系统就成为了当前众多研究中的一个热点 本文从 MIMO 与 OFDM 的原理出发 结合它们各自的优点 引出主要研究对象 MIMO OFDM 技术 并对 MIMO OFDM 系统的信道估计方面做进一步深入的研究 文章 的大体结构分为以下几个方面 第一章为整个论文的总采用空间分集和复用技术 能够 有效的改善系统容量以及性能 并且可以显著的体概括 对无线通信的各种技术进行了 大致的介绍 第二章介绍了 OFDM 系统与 MIMO 系统的原理与特点 并引出了 MIMO OFDM 技术 以显示出把 MIMO 技术和 OFDM 技术结合起来的重要性 第三章则针对 MIMO OFDM 的信道估计进行仿真与实现 分析它的各种指标 第四章则为全文的一个 总体的概括 把握了全文的主旨 大学毕业设计 论文 3 第 2 章 MIMO 与 OFDM 的基本理论 2 1 OFDM 系统简介 2 1 1 OFDM 的发展历史 OFDM 是一种新型的高效的多载波调制技术 它能够有效地对抗多径传播 使受到 干扰的信号能够可靠地接收 OFDM 技术于三十多年前第一次由 Chang 提出 但是 OFDM 系统的结构非常复杂 从而限制了其进一步推广 正交频分复用的应用可以追溯到一个世纪以前 那时很多个低速率的信号 例如电 报 分别使用多个不同的载波频率和相对较宽的带宽进行传输 为了方便在接收端能够 将信号区分出来 各个载波频率之间间隔足够远 以使得信号频谱不相互交叠 各载波 频率之间间隔的频谱区间可保证接收端可以使用很容易实现的滤波器将信号分离开来 结果导致频谱利用率非常低 另一种方法是使用不同频率的载波来传送单个高速率信息流的不同比特 而不是使 用它们分别传输不同的信息流 这种情况下 信号源应该采用并行输出 或者串行的信 号源输出通过一个串并变换器之后的成为并行输出 在同一种信道下可以将这种并行传输技术与单载波高速率的串行传输技术进行比较 对于并行系统如果直接采用多对发射机和接收机来构成 与单载波系统相比 其实现起 来的代价当然更高 并行系统中每一个子信道将传输相对低速率的信息流 速率由子信 道的带宽决定 所有子信道的信息率之和一般小于在与并行系统相同的带宽下采用单载 波串行传输方案的信息率 这是由于在并行系统子载波之间存在一些保护间隔 但在另 一方面 单载波系统更容易产生符号间串扰 这是由于串行高速率传输的每个信息码元 的周期短 占用带宽较宽 并行传输的每个子信道上码元周期长 占用带宽窄 从而串 行高速率传输容易引入更大的失真 3 在均衡技术产生之前 虽然需要更高的造价以及它 的频带利用率低 但并行传输技术是在色散信道上实现高速率传输的有效方法 并行传 输技术的一种额外的优点是它能抵抗多种形式的脉冲噪声 后来采用的多载波系统在每个子载波上使用 9 点的 QAM 调制 接收机使用相关检测 子载波之间的频率间隔等于码元速率 这样达到了最优的频谱利用率 这项技术的另一 个特点是在频域使用了简单的编码 上面的这种方法确实满足了以码元速率为间隔的多载波信号之间的正交性要求 然 大学毕业设计 论文 4 而每个子载波上形状的频谱特性不够理想 这样注定大量子载波之间的频谱相fkf sin 互交叠 并且 由于最低和最高的两个子信道的频谱衰减较慢 使得整个多载波系统的 频谱占用更大的空间 由于这些原因 我们希望每个子信道的频谱为带限 仅与临近的 子信道产生频谱交叠 而且仍然保持相互正交性 1971 年 Weinstein 成功地将 DFT 用到并行传输系统中作为调制解调的手段 这样一 来 不但可以去掉频分复用所需要的子载波振荡器组 解调用带通滤波器组 并且可以 利用那些很方便就可以实现快速傅立叶变换 FFT 的专用器件来实现全数字化的调制解 调过程 解决 OFDM 复杂性问题的主要进展是在调制和解调中使用了 FFT 这一进展同时发 生在数字信号处理技术引入 MODEM 设计的时期 这一技术主要包括将输入信息打包成 每组数据为 N 个复数码元的多个组 每组中的一个复数码元在一个子信道上传输 实现 时对每组数据进行 IFFT 后串行的传输 在接收端对信号取样后 对每组数据进行 FFT 恢复所传输的信息 这种形式的 OFDM 通常称为离散多音频 DMT 传输线路上的信 号频谱与 N 个并行的 QAM 信号的频谱是一致的 就是以码元速率为间隔的 N 个频率的 信号 每个这样的 QAM 信号传输原来输入的每一个复数码元 与早期的 OFDM 系统类 似 每个 QAM 信号的频谱形状为 其频谱在其它子载波中心频率处为零 fkf sin DMT 技术最重要的优点是 FFT 算法的高效性 N 点 FFT 仅需要量级的乘法 2 logNN 而不是直接计算 DFT 所需的量级的乘法 如果 N 为 2 的幂次 算法将非常高效 虽 2 N 然一般情况下 N 不一定为 2 的幂次 由于 FFT 的使用 DMT 系统与相当的使用均衡技术 的单载波系统相比一般每单位时间将需要更少的计算量 两种系统的总的成本相比 谁 更好仍然是不清楚的 但是在大多数情况下它们的成本将近似相同 在过去的 20 年中 OFDM 技术 或者特别的讲 DMT 技术 已经得到广泛的应用 曾经制造出多种 OFDM 话音 MODEM 但由于没有被标准化组织采纳 而没有成功实现 商业化 DMT 已经被采纳作为 ADSL 的标准 这种技术能够在普通电话线上实现从电话 局到用户的几 Mb s 速率的数据传输 同时实现从用户到电话局的低速率传输 OFDM 在很多无线应用中特别成功 其具有在多径环境下的优良性能 无线接收机 的难点是需要检测出经过时间和频率选择性衰落的信号 OFDM 技术与适当的编码和交 织技术结合 对于抗无线信道的干扰具有优良的性能 OFDM 是一种无线环境下的高速传输技术 无线信道的频率响应曲线大多是非平坦 大学毕业设计 论文 5 的 而 OFDM 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道 在每个子 信道上使用一个子载波进行调制 并且各子载波并行传输 这样 尽管总的信道是非平 坦的 也就是具有频率选择性 但是每个子信道是相对平坦的 并且在每个子信道上进 行的是窄带传输 信号带宽小于信道的相应带宽 因此就可以大大消除信号波形间的干 扰 在以后的发展中 OFDM 得到了更加深入的研究 其应用范围更加广泛 在八十年 代 OFDM 的研究已经发展到高速调制解调器 数字移动通信等方面 九十年代 OFDM 的研究开发推广到了无线 FM 信道上的宽带通信 数字用户环路 XDSL 数字 音频广播 Digital Audio Broadcasting DAB 高清晰度电视 High definition Television HDTV 无线局域网 Wireless Local Area Network WLAN 移动通信中的 运用也是大势所趋 OFDM 在很多无线应用中特别成功 其具有在多径环境下的优良性 能 国内的研究在理论分析和计算机模拟阶段有了一定的成果 在数字用户环路 有线 电视网 CATV 方面有了一些具体的应用 但在无线局域以太网方面的应用研究较少 总之 经过三十年的开发之后 OFDM COFDM 不但被广泛地应用于高速数字通信中 而且已扩展到其他领域 同时现代数字信号处理技术和超大规模专用集成电路 VLSI 的发展也使得快速傅立叶变换的实现变的更加容易 使该技术的实现费用更趋实际 为 以后 OFDM 广泛应用于通信领域开辟了道路 随着研究的深入 相信这项技术的应用前 景会十分广泛 2 1 2 OFDM 的基本原理 正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并转换 分配到传输速率相对较 低的若干个子信道中进行传输 每个子信道中的数据符号周期相对增加 时延扩展与符 号周期的数值比相应降低 可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对 系统造成的影响 还可以在 OFDM 符号之间插入循环前缀作为保护间隔 令保护间隔大 于无线信道的最大时延扩展 最大限度地消除了由于多径而带来的符号间干扰 随着数字信号处理技术的发展 对于子载波数目较大的系统用快速傅立叶变换 FFT Fast Fourier Transfore 实现 OFDM 的调制和解调 从而大大简化了系统实现的复杂度 发射端使用反向傅立叶变换 IFFF Inverse FFT 将发射数据调制到多个正交子载波上 经过信道传输 在接收端使用傅立叶变换 FFT 从正交载波矢量中还原出原始数据 一个完整的 OFDM 系统实现框图如图 2 1 所示 大学毕业设计 论文 6 图2 1 OFDM系统模型图 OFDM的基本原理是将一高速数据流分解成在多个子载波上同时传输的低速数据流 对于每个子载波而言 由于数据速率较低 所以符号周期增长 符号周期的增长就使得 由信道造成的相对时间弥散变小 从频域角度分析 OFDM将整个传输频带分割成多个带 宽较窄的子带 信道在整个频带上呈现频率选择性衰落 但在每个子带上则呈现平坦衰 落的特性 而且 通过引入一定的保护间隔 OFDM符号间的干扰几乎可以完全消除掉 在传统的频分复用中 各载波的信号频谱互不重叠 频谱利用率较低 在OFDM系统 中 各子载波在整个符号周期上是正交的 即加于符号周期上的任何两个载波的内积等 于零 因此各子载波信号频谱可以互相重叠 大大提高了频谱利用率 由于OFDM系统中 的载波数量多达几百上千 所以在实际应用中不可能使用几百个振荡器和锁相环进行调 制 4 随着DSP技术的飞速发展 采用快速傅里叶变换 FFT 利用高速DSP芯片实现 OFDM的调制与解调 可大大降低系统成本 假设OFDM信号发射周期为 0 T 包含了一 组子载波 每个子载波采用PSK或QAM调制 各子载波间要满足正交性 如式 2 1 所示 2 1 22 0 0 tt ki T jfjfTik eedt ik 可以证明 只要适当选择载波之间的频率间隔 使 1 T 即可使各载波在整个f f OFDM 信号的符号周期内满足正交性 当 OFDM 符号由矩形时间脉冲组成时 每个调制 载波的频谱为形状 其峰值相对应于所有其它载波的频谱中的零点 如图 2 2 所sin x x 大学毕业设计 论文 7 示 从图中可知 OFDM 符号是满足奈奎斯特 Nyquist 准则的 应当注意的是 在这里 不是信号的时域表示 而是信号的频域表示满足奈奎斯特准则 如果信号的频谱满足奈 奎斯特的准则 那么子载波间的干扰就可以消除 图 2 2 OFDM 信号的频谱变化曲线 从时域上看 QAM 调制 每个 OFDM 信号都包含了一组子载波 每个子载波采用 PSK 或表示 PSK 或 QAM 符号 一个开始于 t t 的 OFDM 系统可以表示为 2 2 2 2 0 5 Reexp 2 0 N N S Ni i Ncsss t N ss i djftttttT Ts t ttttT 2 OFDM 符号的低通等效复基带表示为 2 2 2 2 exp 2 0 N N S Ni i Nsss tN ss i djtttttT Ts t ttttT 3 从式 2 3 可知 一个 OFDM 符号中各子载波的幅度和相位可能不一样 另外 由于 正交性 各子载波的周期都是符号周期的整数分之一 或者说 各子载波的频率是符号 速率的整数倍 2 2 2 2 2 2 2 2 exp 2 exp 2 exp 2 s s s s s s ss s Nl T t si Ns s iN Nl T t i Nsj N s iN ji jttdjttdt TT ij djttdtdT T 大学毕业设计 论文 8 4 串 并 转 换 PSK 或 QAM 信号OFDM 信号 exp s j N ttT exp 2 ss jNttT 图 2 3 经串并转换后得到的 OFDM 信号过程 图 2 3 中左边的串 并单元读取一帧信号所需的串行数据流bit 分为组分别进行 f NN QAM 映射 其中第 组包含bit 的码元 且满足 i i n 2 N I fi Nn 1 5 这里表示传输中实际使用的子载波数量 bit 的码元为映射第 个子信道的调制 N i ni 矢量符号即 信道中如果有较高的信噪比 可采用例如 ijbiaid 1 0 Ni 16 QAM 64 QAM 的调制方法 如果信噪比较低 则可使用 BPSK 映射调制 在接收端 输入信号分成 N 条支路 分别用各子载波混频和积分 恢复出子载波上 调制的信号 再经过并串变换和常规 QAM 解调就可以恢复出数据 由于子载波的正交性 混频和积分电路可以有效地分离各个子信道 如式 2 6 所示 1 0 0 1 0 0 1 0 0 exp exp exp 2 exp S S S N T nm n N T nm n N T n S d md njtjt dt d njt dt jnm d nt T d m 2 6 2 1 3 OFDM 实现的关键技术 1 保护间隔 循环前缀或后缀 在无线衰落信道中 多径的影响导致接收信号产生时延扩展 因此一个码元的波形 大学毕业设计 论文 9 可能扩展到其它码元的周期中 引起码间串扰 这也是导致传输性能下降的主要原因 为避免 ISI 应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展 实际中应大于最大多径时延 OFDM 系统中 通过降低码元速率使得 ISI 的影响降低 同时可以在每个 OFDM 符号之 间加入保护间隔 进一步消除残留的 ISI 目前比较有效的方式是插入循环扩展 前缀和 后缀 有时可以只插入循环前缀 循环扩展的长度取决于信道的时延扩展 同时循环 扩展还有一个更重要的作用 即可以实现系统的同步 2 同步技术 OFDM 系统中主要涉及的同步有码元同步 载波同步和采样频率同步 同步分为几 个过程 粗定时恢复 分组 时隙 帧同步 粗频偏估计 校正 精频率校正 精定时校正 由于同步是 OFDM 技术中的一个难点 因此 很多人也提出了很多 OFDM 同步算法 主 要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行 其中较常用的有利用奇异值 分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估计算法 其中 ESPRIT 算法虽然估计精度高 但计算复 杂 计算量大 而 ML 算法利用 OFDM 信号的循环前缀 可以有效地对 OFDM 信号进行 频偏和时偏的联合估计 而且与 ESPRIT 算法相比 其计算量要小得多 3 训练序列 导频及信道估计技术 接收端使用差分检测时不需要信道估计 但仍需要一些导频信号提供初始的相位参 考 差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量 但却损失了信噪比 尤其是在 OFDM 系统中 系统对频偏比较敏感 所以一般使用相干检测 在系统采用相干检测时 信道估计是必须的 此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息 训练序列通常用在非 时变信道中 在时变信道中一般使用导频信号 在 OFDM 系统中 导频信号是时频二维 的 5 为了提高估计的精度 可以插入连续导频和分散导频 导频的数量是估计精度和系 统复杂的折衷 导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽 在时域上 导 频的间隔应小于相干时间 在频域上 导频的间隔应小于相干带宽 信道估计器根据导 频就可以估计出信道的脉冲响应 估计的方法比较多 匹配滤波器法 最小均方值法 最大后验概率法等都可以根据具体的系统要求选用 4 峰均功率比控制 在 OFDM 系统中 信号的峰值平均功率比 PAPR 起伏较大 对射频的线性功放提 出了很高的要求 发送端对高功率放大器 HPA 的线性度要求很高且发送效率极低 接收端对前端放大器以及 A D 变换器的线性度要求也很高 因此应该尽可能地降低信号 的 PAPR 为消除这种因为过高的峰均功率比信号而使功率放大器产生的限幅非线性失真 大学毕业设计 论文 10 提出了很多方法 如限幅加窗选择映射方法 基于 Golay 序列的选择映射方法 循环码 方法 部分发送序列相位反转方法和基于 m 序列方法等 通过选择合适的方法 PAPR 的控制目前基本可以达到特定系统的要求 不再是限制 OFDM 技术应用的主要障碍 对 PAPR 的要求一般控制在 3dB 左右 通过合适的算法可以达到此要求 5 信道编码和交织技术 在 OFDM 系统中 由于码间串扰不是很严重 所以随机误码得到了一定的限制 但 对于突发误码 尤其是在军用场合 信道编码和交织技术还是必须的 由于 OFDM 信号 具有时域和频域的二维结构特点 因此信道编码可以很好地利用此特点 得到更好的纠 错性能 此时通过合理设计时域和频域的交织器 可以很好地对抗突发错误和人为干扰 因此在 OFDM 系统中 信道编码和交织器结构要根据 OFDM 信号的特点来设计 编码的 码率和交织器的长度与 OFDM 系统的参数密切相关 6 均衡技术 由于 OFDM 技术本身利用了衰落信道的分集特性 系统的码间串扰问题已得到了很 好的抑制 而均衡技术主要就是为了补偿多径信道引起的码间干扰 因此一般情况下 OFDM 系统可以不用均衡措施 但在一些时延扩展较严重的信道中 循环扩展的长度要 很长 才能有效克服 此时可以采用一些简单的均衡技术来减少循环扩展的长度 而通 过均衡克服残留的 ISI 2 1 4 OFDM 技术的优缺点 正交频分复用技术是对传统的多载波调制技术的一种改进 有着许多单载波系统和 传统的多载波系统所没有的优点 这些优点能被利用来有效解决高速信息在无线信道中 的传输问题 OFDM 主要的技术优点如下 1 系统实现简单 各个子载波的正交调制和解调可以采用离散傅立叶反变换 IDFT 和离散傅立叶变 换 DFT 来实现 在子载波数目很大的系统中 利用快速傅立叶逆变换 IFFT 和快速 傅立叶 FFT 来替代 IDFT DFT 可以有效降低运算量 目前 随着大规模集成电路技术 与 DSP 技术的发展 IFFT FFT 实现起来都非常的容易 2 频带利用率高 传统的频分多路传输方法为了避免产生载波间干扰 ICI 将频带分为若干个不相干 的子载波来并行传输数据流 各个子信道之间要保留足够的保护频带 这样频谱利用率 大学毕业设计 论文 11 就很低 而 OFDM 系统各个子载波的频谱相互重叠 每个子载波都采用矩形脉冲成型 在频域上很好地保证了各个子载波信号之间的正交性 而没有信道间干扰的发生 因此 与常规的频分复用系统相比 OFDM 系统可以最大限度地利用频谱资源 当子载波个数 很大时 系统地频谱利用率趋向于 2Baud Hz 3 支持非对称性业务 在无线数据业务中 业务需求一般是不对称的 通常下行链路中的传输数据量要大 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 OFDM 技术 可以通过在上行链路和下行链路中采用不同的子信道数目来满足非对称业务的传输要求 4 抗码间干扰能力强 OFDM 通过把高速率数据流进行串并转换 使得每个子载波上的数据符号持续长度 相对增加 从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰 ISI 减少了 接收机做均衡的复杂度 有时甚至可以不采用均衡器 而仅仅通过采用插入循环前缀的 方法来消除 ISI 的不利影响 5 易于同其他技术结合使用 目前的无线通信采用不同的接入技术来提供服务 而 OFDM 技术容易同其他接入技 术结合使用 构成 OFDMA 系统 目前主要有多载波码分多址 MC CDMA 跳频 OFDM 以及 OFDM TDMA 等 这样就允许多个用户同时利用 OFDM 技术进行信息传输 正交的子载波 其输出信号是多个子载波信号的叠加 因此其本身存在着一些缺点 1 载波频偏的和相位噪声易受影响 OFDM 技术由于各个子信道的频偏是相互重叠 区分各个子载波的方法是利用它们 之间的正交性 这就对正交性条件提出了严格的要求 由于无线信道的时变性 在传输 过程中出现的无线信号载频偏移和发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差 都 会使 OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏 导致严重的子信道间干扰 ICI 6 2 功率峰值与均值比 PAPR 大 由于信号是多个子载波调制信号的合成信号 对于含有 N 个调制信号的 OFDM 系统 若 这 N 个信号均以同相位求和时 那么得到的峰值功率将是均值功率的 N 倍 即峰值比很 大 大学毕业设计 论文 12 2 2 MIMO 的系统描述 实际上多进多出技术由来已久 早在 1908 年马可尼就提出用它来抗衰落 在 7 0 年 代有人提出将多入多出技术用于通信系统 但是对无线移动通信系统多入多出技术产生 巨大推动的奠基工作则是 90 年代由 AT 2 kmti 1 1 0 Nk x Ti 1 14 其中表示第 i 根发送天线上第 m 个 OFDM 符号内第 k 个子载波上的数据 kmti 那么第 j 根接收天线上的接收信号经过 OFDM 解调后为 大学毕业设计 论文 16 2 15 kmkmtkmHkmr ji T i jij x 1 其中 为第 j 根接收天线上的均值为 0 方差为的加性高斯噪声 并且假 km j 2 n 设该噪声在不同的空间 时间和频率上相互独立 表示第 i 根发送天线到第 j kmH ji 根接收天线间的第 m 个 OFDM 符号内第 k 个子载波上的频域信道响应 无线多径衰落 信道冲激响应可以建模为 2 l L l l thth 1 0 16 其中 为不同路径的信道时延 为广义平稳非相关色散 WSSUS 高斯随机过 l thl 程 并且假设不同路径之间是相互独立的 因此 第 i 根发送天线到第 j 根接收天线间的 信道频域响应可以表示为 2 N kp j L l Sjiji l emThkmH 2 1 0 17 其中 为多径时延与信号时域抽样间隔的比值 为 OFDM 符号长 fN p l l fN s T 度 L 为多径数目 假设在 OFDM 符号内 循环前缀长度大于或等于信道的最大多径时 延扩展 那么由于信道的时间弥散而引起的符号间干扰则可以完全避免 因此 在此后 的分析中 忽略符号间干扰的影响 2 3 2 MIMO OFDM 系统关键技术 要构建 MIMO OFDM 系统需要实现诸如同步 空时处理技术 自适应调制和编码 信道估计等关键技术 1 同步技术 同步是传送数据进行可靠恢复的基础 由于 MIMO OFDM 系统对频率偏差非常敏感 因此频率同步尤为重要 除此之外还包括 符号 帧 定时同步 采样时钟同步 总地来讲 同步可以在时域进行 也可以在频域进行 一般情况下在时域进行同步的粗略估计 在 频域进行同步的细估计 根据是否利用辅助数据 同步估计的算法可以分为 基于训练 序列导频的算法 盲估计算法和半盲估计算法 大学毕业设计 论文 17 2 空时处理技术 空间处理技术包括空间复用技术和空时编码技术两部分 典型的空间复用技术是贝 尔实验室空时分层结构 BLAST 包括V BLAST H BLAST 和D BALST 三种 其中最 基本的形式是针对平坦衰落信道的V BLAST 结构 它是纯粹的MIMO 多路传输 可获 得最大速率 空时编码技术 STC 在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性 从而在不牺牲带宽的情况下 提供不编码系统所没有的分集增益和编码增益 空时编码 做到了编码 调制和空间分集的完美结合 经典的空时编码包括 空时格码 STTC Space Time Trellis Code 和空时分组码 STBC Space Time Block Code 空时格 码可以达到满分集增益 抗衰落性能比较好 而空时分组码基于正交性的设计 在获得 更大的分集增益的同时 也降低了译码的复杂度 因此STBC得到了广泛的应用 3 自适应调制和编码技术 自适应调制和编码 AMC 根据信道的情况确定当前信道的容量 再根据容量确定合适 的编码调制方式等 以便最大限度地发送信息 实现比较高的速率 AMC 能提供可变化 的调制编码方案 共七级调制方案 以适应每一个用户的信道质量 9 自适应编码调制技术 主要包括RCPT Rate Compatible Puncturing Turbo codes 和高阶调制 MPSK turn on off output display T 1000 SNR sample amount L 4 M 4 N 5 d M N L antenna M channel length N smoothing j sqrt 1 d equalization delay mh 0 049 j 0 359 0 482 j 0 569 0 556 j 0 587 1 0 171 j 0 061 channel 0 443 j 0 0364 1 0 921 j 0 194 0 189 j 0 208 0 087 j 0 054 0 221 j 0 322 0 199 j 0 918 1 0 284 j 0 524 0 136 j 0 19 0 417 j 0 030 1 0 873 j 0 145 0 285 j 0 309 0 049 j 0 161 h mh 1 mh 2 mh 3 mh 4 h1 ones 20 1 s sign rand 1 T 0 5 2 sign rand 1 T 0 5 16 QAM symbols s s sqrt 1 sign rand 1 T 0 5 2 sign rand 1 T 0 5 s ifft s TN T N 1 X zeros L N TN SNR v received signals Nm 2 squ err h zeros 1 25 bias zeros 1 25 for dB 1 25 for i3 1 Nm for i1 1 L x filter h i1 1 M 1 1 i1 M 1 1 s 大学毕业设计 论文 39 x s n randn size x sqrt 1 randn size x n n norm n 10 dB 20 norm x SNR SNR 20 log10 norm x norm n x x n v v n for j1 1 TN X i1 1 N 1 i1 N j1 x j1 N 1 1 j1 end end if echoF SNR SNR end ss std s 2 sv std v 2 subspace method begin Rx X X TN calculate correlation matrix U0 S0 V0 svd Rx SVD to find null subspace for i L N 1 2 if S0 i 1 i 1 S0 i i S0 i i break end end i d 1 check rank of null subspace i rank S0 1 if echoF d i 1 else d i 1 end display rank sigma 0 for i i L N sigma sigma S0 i i end remove noise sigma sigma L N d Q zeros L M 1 L M 1 Construct matrix A in Q for i2 d 1 L N Vm zeros L M 1 M N for j2 1 M 1 for k 1 L Vm k 1 M 1 j2 j2 j2 N 1 U0 k 1 N 1 k N i2 end 大学毕业设计 论文 40 end Q Q Vm Vm end U1 S1 V1 svd Q solve equation Ah 0 by SVD hb U1 L M 1 channel estimation Compare channel estimation MSE hb h mean hb h hb1 hb hb h squ err h 1 dB squ err h 1 dB sqrt h hb1 h hb1 sqrt h h bias 1 dB bias 1 dB sum abs hb1 h L M 1 qh hb Q hb end squ err h 1 dB squ err h 1 dB Nm L M 1 bias 1 dB bias 1 dB Nm end figure 1 semilogy squ err h xlabel SNR ylabel MSE title The MSE of the Channel Estimation grid figure 2 plot bias r xlabel SNR ylabel bias title The bias of the Channel Estimation grid if echoF squ err h bias qh end figure 3 if echoF plot channels subplot 211 te length h plot 1 te real hb1 bo 1 te real h r grid legend Estimated Accurate 大学毕业设计 论文 41 title Real part of Channel subplot 212 plot 1 te imag hb1 bo 1 te imag h r grid legend Estimated Accurate title Imag Part of Channel xlabel hb h num2str hb h end plot equalization results