（信號與信息處理專業(yè)論文）mimoofdm系統(tǒng)中自適應(yīng)資源分配算法的研究.pdf

南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 摘要 i 摘摘 要要 隨著寬帶無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們對高速率數(shù)據(jù)傳輸和無線多媒體的 需求越來越高。 多輸入多輸出(mimo)技術(shù)在發(fā)射端和接收端利用多個空間分散的天線進(jìn)行信 號的發(fā)射和接收，從而在多徑環(huán)境下獲得空間分集，可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下顯著提 高系統(tǒng)容量。 正交頻分復(fù)用(ofdm)技術(shù)可以把頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化成一組正交的平坦衰 落信道，可以將 ofdm 技術(shù)應(yīng)用到 mimo 系統(tǒng)中來克服多徑衰落的影響。mimo-ofdm 技 術(shù)融合了 mimo 和 ofdm 技術(shù)二者的優(yōu)點，已被廣泛認(rèn)為是未來第四代移動通信系統(tǒng)的主 要物理層技術(shù)。 論文研究了多用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)子載波、 比特和功率分配算法。 在多址接入環(huán)境下， 同一時刻多個用戶共享信道資源，由于各個用戶的信道特性不同，要求的傳輸速率和服務(wù)質(zhì) 量也不同，為了提高信道容量和最大限度的滿足用戶需要，就要實時地為每個用戶分配子載 波以及比特和功率。 論文針對多用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)， 通過奇異值分解(svd)將 mimo 信道變成平行子信 道，然后再利用自適應(yīng)分配算法進(jìn)行子信道分配，優(yōu)化系統(tǒng)的性能，降低計算的復(fù)雜度。論 文首先討論了多用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)的一般自適應(yīng)子載波分配算法， 然后提出了一種基于 貪婪原理的改進(jìn)子載波分配算法。仿真表明本文提出的算法有比較好的系統(tǒng)性能。接著研究 了單用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)中基于貪婪算法的比特和功率的分配算法。 結(jié)合多用戶子載波算 法以及單用戶比特和功率算法，本文還提出了基于邊值自適應(yīng)(ma)原理的改進(jìn)自適應(yīng)資源分 配算法。通過仿真驗證了此算法的可行性。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：多輸入多輸出；正交頻分復(fù)用；奇異值分解；自適應(yīng)資源分配；邊值自適應(yīng) 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 abstract ii abstract the need for high rate data transmission and wireless multimedia services enhances during the development and applications of broadband wireless communication techniques. multiple input multiple output (mimo) is an emerging technology which uses multiple antennas at both transmitter and receiver. it takes advantages of space diversity by spatially separated antennas in a multipath environment to boost the system capacity. orthogonal frequency division multiplexing (ofdm) technology can decompose the frequency-selective fading channel into a group of orthogonal flat fading channel, therefore, it could be applied to the mimo system for overcoming the impact of multipath fading. mimo-ofdm, with combined advantages of mimo and ofdm technology, is considered as the main physical layer technology of the fourth generation mobile communication system. this thesis mainly studies on adaptive subcarrier, bit and power allocation. for multiuser mimo-ofdm, multiple-users share the same channel resources simultaneously. these users have different channel characteristics, data and quality of service (qos) requirements. in order to increase the channel capacity and satisfy the users needs, we need to distribute subcarrier, bit and power to each user appropriately. in this thesis, mimo-ofdm system has been transformed into parallel subchannels through singular value decomposition(svd). then, an adaptive allocation algorithm applied to multiuser mimo-ofdm systems has been proposed by many researchers to optimize the system performance and decrease the system implementation complexity. firstly, the general adaptive subcarrier allocation algorithms about multiuser mimo-ofdm system are introduced. then the paper proposes an improved algorithm based on greedy principle. the analysis and simulation results demonstrate an improved system performance by known ones. moreover, an adaptive modulation and power allocation algorithm based on greedy algorithm is studied for single user mimo-ofdm systems. for multiuser mimo-ofdm systems, an adaptive resource allocation algorithm based on margin adaptive(ma) is proposed. finally, the author validates the feasibility of the algorithm in this thesis via simulations. key words：mimo；ofdm；svd；adaptive resource allocation；ma 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京郵電大學(xué)或其它 教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的 任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京郵電大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送 交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論 文。本文電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文 外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。 論文的公布（包括刊登）授權(quán)南京郵電大學(xué)研究生院（籌）辦理。 研究生簽名：_ 日期：_ 研究生簽名：_ 導(dǎo)師簽名：_ 日期：_ 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章第一章 緒論緒論 信息化是當(dāng)今世界發(fā)展的重要主題，20 世紀(jì) 90 年代以來，全球的信息化建設(shè)迅速拉開 了序幕，只有擁有信息資源開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用優(yōu)勢，才能掌握信息化建設(shè)的主動權(quán)。信息化， 尤其是信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，已成為各國綜合國力的象征。 1.1 研究背景研究背景 隨著社會的發(fā)展，移動通信技術(shù)也有了長足的發(fā)展，無線通信與個人通信在短短的幾十 年間經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信、從頻分多址(fdma)到碼分多址(cdma)的巨大發(fā)展。人 們對于無約束通信的需求、硬件和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展以及通信理論在實際系統(tǒng)中 的成功應(yīng)用，造就了從模擬到數(shù)字的第一代(1g)、第二代移動通信系統(tǒng)(2g)的發(fā)展。如今， 基于 cdma 技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)(3g)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開始大規(guī)模使用， 人們正在向 自己期待中的“任何人可以在任何時間、任何地點進(jìn)行任何方式的通信”的目標(biāo)步步逼近1。 隨著移動通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展、用戶數(shù)量的劇增、人們對多媒體業(yè)務(wù)的更多需求，但是由于 3g 技術(shù)還存在一些不足， 比如： 很難達(dá)到較高的通信速率、 能提供服務(wù)速率的動態(tài)范圍不大、 不能滿足各種業(yè)務(wù)類型要求、分配給 3g 系統(tǒng)的資源趨于飽和等，因此需要更好的移動通信 技術(shù)來彌補 3g 的不足。 為了支持更高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，第三代合作伙伴(3gpp)從 2000 年以來就開展了 3g 短期演 進(jìn)技術(shù)的研究， 包括 3gpp 的高速分組接入技術(shù)(hspa)以及 3gpp2 的 1x ev-do 和 1x ev-dv 等。為了應(yīng)對移動全球微波互聯(lián)接入(wimax)等寬帶無線接入技術(shù)的威脅，移動通信業(yè)界在 3g 系統(tǒng)逐步進(jìn)入商用的同時，開始了 3g 長期演進(jìn)技術(shù)的研究工作。3gpp 和 3gpp2 分別在 2004 年底和 2005 年初推出了長期演進(jìn)(lte)和超移動寬帶(umb)的研究項目。 3g 短期和長期 演進(jìn)的提出不僅極大地改善了傳統(tǒng) 3g 技術(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，同時也為了 3g 以及 3g 增強型 技術(shù)向第四代移動通信系統(tǒng)(4g)平滑演進(jìn)起到了良好的鋪墊作用。 在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：帶寬效率和多徑衰落信道2。 mimo 技術(shù)的出現(xiàn)帶來了頻譜利用率的革命性提高。以往的單輸入單輸出(siso)系統(tǒng)中，無 線信道的多徑環(huán)境是導(dǎo)致系統(tǒng)性能變壞的主要原因。mimo 技術(shù)能夠利用多徑信道產(chǎn)生多個 相互獨立的平行傳輸信道，并利用這些信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)信息，這樣可以有效地提高系 統(tǒng)的傳輸速率，同時不需要增加系統(tǒng)所占帶寬，使得系統(tǒng)的頻譜利用率得到很大提高。多徑 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 2 衰落會造成信號中不同的頻率成分經(jīng)歷不同的信道衰落，即頻率選擇性衰落。ofdm 技術(shù)通 過串并變換把高速數(shù)據(jù)流分配至多個相互正交的子載波上進(jìn)行傳輸，把頻率選擇性信道變成 了平坦衰落信道，可以有效對抗信道多徑衰落的影響，很好地解決頻率選擇性衰落信道中的 抗干擾問題。 因此，將 ofdm 和 mimo 兩種技術(shù)相結(jié)合，一是可以實現(xiàn)很高的傳輸速率，二是可以 通過分集實現(xiàn)很強的可靠性，充分利用時間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對噪聲、 干擾、多徑的容限大大增加2。因此，mimo-ofdm 技術(shù)相結(jié)合可以克服無線信道頻率選擇 性衰落，增加系統(tǒng)容量，提高頻譜利用率，成為 4g 中關(guān)鍵技術(shù)之一。 1.2 自適應(yīng)資源分配技術(shù)的研究現(xiàn)狀自適應(yīng)資源分配技術(shù)的研究現(xiàn)狀 在多用戶系統(tǒng)中，由于不同用戶所處位置的隨機性，大多數(shù)用戶之間所經(jīng)歷的信道衰落 狀況往往是獨立的。在某個時刻或是某個子載波上，某些用戶可能正處于深度衰落當(dāng)中，不 適于在信道上傳輸數(shù)據(jù)。而與此同時，很可能會有另一部分用戶信道狀況比較好。因此，在 多用戶環(huán)境中存在著多用戶分集。如果能夠在發(fā)射端獲得不同用戶的信道狀態(tài)信息，就可以 將資源合理地分配給適宜傳輸數(shù)據(jù)的用戶，從而獲取多用戶分集增益。 在 mimo-ofdm 系統(tǒng)中天線與子載波的選擇和分配成為系統(tǒng)能否達(dá)到高吞吐量的關(guān)鍵 一環(huán)3，特別是在多用戶環(huán)境下，如果系統(tǒng)調(diào)度器能夠根據(jù)不同的天線衰落特性自適應(yīng)地為 每個用戶選擇天線和子載波來進(jìn)行信息的傳輸， 充分利用獨立多用戶環(huán)境中固有的分集增益， 即多用戶分集45，系統(tǒng)的傳輸效率和頻譜利用率將會顯著提高。ofdm 系統(tǒng)可以根據(jù)每個 子信道上不同的比特數(shù)來選擇不同的調(diào)制方案，這樣可以更好地提高系統(tǒng)性能。對于單用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)，自適應(yīng)資源分配主要是根據(jù)各子信道的信道特征來分配每個子信道上的 傳輸比特和發(fā)射功率。對于多用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)，首先要根據(jù)各個用戶的需求來分配子 信道，然后再相應(yīng)的子信道上分配傳輸比特和發(fā)送功率。 mimo 和 ofdm 技術(shù)的引入使無線通信系統(tǒng)資源從傳統(tǒng)的時間和頻率擴展到多維的時 隙、碼道、子載波、空間、用戶等，資源維數(shù)的增多導(dǎo)致分配的復(fù)雜度大大增加，所以如何 降低復(fù)雜度引起了人們的關(guān)注678。 到目前為止， 已經(jīng)有了很多關(guān)于自適應(yīng)資源分配的方法， 這些方法可以分為兩類：邊值自適應(yīng)(margin adaptive，ma)91011和速率自適應(yīng)(rate adaptive，ra)1213。邊值自適應(yīng)即在傳輸速率和誤碼率約束條件下達(dá)到發(fā)射功率最??；速率 自適應(yīng)即在發(fā)射功率約束條件下達(dá)到傳輸速率最大。chow14提出了經(jīng)典的基于信道 snr 的 比特、 功率分配算法。 jorge campello9提出了分別基于 ma 優(yōu)化準(zhǔn)則和 ra 優(yōu)化準(zhǔn)則的算法， 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 3 在每次分配時都選擇多分配 1 比特數(shù)據(jù)后功率增加最少的子信道進(jìn)行分配。注水算法1315是 解決單、多用戶 ofdm 系統(tǒng)的子載波、比特和功率分配的最優(yōu)方法，但是注水算法是一個非 線性求解的問題，有很高的復(fù)雜度，在實際應(yīng)用中，常以犧牲一部分性能為代價來降低其計 算復(fù)雜度16。wong12等人提出了聯(lián)合的子載波、比特和功率的迭代分配算法，用拉格朗日乘 子來解決 ma 最優(yōu)化，這是個很復(fù)雜的算法，要求進(jìn)行大量的循環(huán)，是個非線性問題，在用 戶數(shù)、子信道數(shù)很大時需要很高的計算量。在文獻(xiàn)10中，在整數(shù)比特約束下將該非線性問題 轉(zhuǎn)化為線性問題，但是復(fù)雜度也會隨著比特數(shù)的增加而增加。kivanc 等11提出了著名的多用 戶貪婪算法，將問題分為兩步：首先，依據(jù)各用戶的平均 snr 確定每個用戶的應(yīng)分得的子載 波數(shù)，然后，找出最適合于各用戶的子載波進(jìn)行分配。文獻(xiàn)17提出了一種低復(fù)雜度的子載波、 功率分配算法，在子載波分配時優(yōu)先考慮總發(fā)射功率最小的用戶。 以上各種資源分配算法側(cè)重點各有不同，有的是從系統(tǒng)誤碼率著手，有的是從節(jié)約系統(tǒng) 資源方面來考慮，有的是從系統(tǒng)容量方面來考慮，但是各種方法都有各自的優(yōu)缺點，優(yōu)點是 使系統(tǒng)在多種方面得到改善，缺點是或多或少的忽略了其他一些參數(shù)的改善。因此，資源分 配算法研究至今，如何調(diào)節(jié)各個參數(shù)使得系統(tǒng)整體性能最優(yōu)，是今后研究的一個重點內(nèi)容。 1.3 論文的研究內(nèi)容及研究方法論文的研究內(nèi)容及研究方法 本文主要研究 mimo-ofdm 系統(tǒng)的自適應(yīng)資源分配問題。mimo-ofdm 系統(tǒng)的自適應(yīng) 資源分配包括對多用戶系統(tǒng)的子載波分配，以及在子載波上的比特、功率的分配。本文所論 述的 mimo-ofdm 系統(tǒng)的自適應(yīng)資源分配是無線通信系統(tǒng)中下行鏈路的自適應(yīng)資源分配， 即 從基站到移動終端的發(fā)射過程的自適應(yīng)資源分配。移動終端通過反饋信道將信道狀態(tài)反饋回 基站，基站根據(jù)信道狀態(tài)信息來確定系統(tǒng)的自適應(yīng)資源分配方案，自適應(yīng)資源分配的方案由 專門的控制信道發(fā)送給移動終端。 由于自適應(yīng)資源分配的方案是由上一幀的信道估計值來確定的，所以自適應(yīng)資源分配的 性能不一定是最優(yōu)的，在本文中假設(shè)信道估計是理想的，不存在誤差，并假設(shè)信道是慢變的， 即在一次分配和傳輸過程中信道矩陣 h 保持不變。由于反饋信息對于要傳輸?shù)男畔碚f是多 余的，因此根據(jù)需要只返回需要的信息，如誤碼率，信道特征值，信噪比等而不返回全部信 道信息。本文在自適應(yīng)資源分配時不考慮需要傳輸?shù)男诺佬畔ⅲ豢紤]需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。 對單用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)，本文在貪婪算法原理的基礎(chǔ)上，給出了一種基于貪婪算法動態(tài) 分配比特和功率的算法，能降低系統(tǒng)發(fā)射功率。對多用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)，本文將在傳統(tǒng) 的自適應(yīng)資源分配算法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)算法，在子載波分配時，既考慮到各個用戶在 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 4 不同子載波上的信道特征，又考慮到各個用戶的需求，在滿足約束條件的情況下，使系統(tǒng)性 能最優(yōu)化。 一個系統(tǒng)的優(yōu)劣主要是依據(jù)服務(wù)質(zhì)量(qos)和服務(wù)代價(cos)兩個標(biāo)準(zhǔn)來判斷，服務(wù)質(zhì)量 由誤碼率、數(shù)據(jù)速率來判斷，服務(wù)代價由傳輸信噪比、發(fā)射功率來判斷。mimo-ofdm 系統(tǒng) 自適應(yīng)資源分配的性能的好壞也是基于這兩個標(biāo)準(zhǔn)來判斷的。在本文的研究過程中也將依此 來判斷自適應(yīng)資源分配技術(shù)的性能。 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)論文組織結(jié)構(gòu) 本文對 mimo-ofdm 系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配算法進(jìn)行了研究。分別研究了多用戶子 載波分配、單用戶功率和比特的分配以及多用戶子載波、比特和功率的聯(lián)合分配。論文各章 內(nèi)容安排如下： 第一章是緒論，簡要的介紹了論文的研究背景，以及自適應(yīng)資源分配技術(shù)的研究現(xiàn)狀， 接著給出了本文的研究內(nèi)容和研究方法，最后對本文的章節(jié)安排進(jìn)行了說明。 第二章是 mimo-ofdm 系統(tǒng)相關(guān)理論介紹。在本章中，首先對無線信道的多徑衰落進(jìn)行 了簡要的介紹，然后分別介紹了 mimo 系統(tǒng)的原理和 ofdm 的原理，最后是 mimo-ofdm 系統(tǒng)的原理，其中包括 mimo-ofdm 系統(tǒng)的基本模型以及關(guān)鍵技術(shù)。 第三章是多用戶子載波分配及單用戶功率比特的分配。在本章中，首先介紹了 svd 預(yù)編 碼原理， 然后討論了多用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)子載波分配，其中給出了一般的自適應(yīng)子載波 分配方法以及改進(jìn)的子載波分配方法，并對兩種子載波分配算法的性能進(jìn)行了仿真分析。最 后介紹了單用戶功率比特的分配算法，包括注水算法和貪婪算法的介紹以及基于貪婪算法的 自適應(yīng)比特功率分配算法。 第四章是多用戶 mimo-ofdm 系統(tǒng)自適應(yīng)資源分配。在本章中，首先介紹了滿足用戶公 平性的自適應(yīng)分配算法，包括子載波、比特和功率的聯(lián)合分配，然后介紹了改進(jìn)自適應(yīng)資源 分配的算法。本章對兩種的算法模型的建立以及求解做了詳細(xì)的介紹，并對兩種算法進(jìn)行了 仿真分析，結(jié)果表明改進(jìn)的自適應(yīng)資源分配算法具有更好的系統(tǒng)性能。 第五章是對全文工作的總結(jié)以及對未來研究的展望。 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 5 第二章第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理 2.1 無線信道的多徑衰落無線信道的多徑衰落 無線移動信道的主要特征就是多路徑通過發(fā)射、折射、散射、衍射等各種方式共同作用 在所傳播的信號上。由于受周圍建筑物以及地面的反射、折射和散射等作用，往往使同一發(fā) 射信號沿多條不同的傳播路徑，以不同的時間到達(dá)接收端。這些經(jīng)不同路徑到達(dá)的波，稱為 多徑波。由于不同路徑的信號，其傳播距離及傳播時延不同，到達(dá)接收機時的相位也就不同， 從而使接收信號的幅度有時因同相疊加而增強，有時又因反相疊加而減弱。這樣，接收信號 的幅度就會劇烈變化，從而發(fā)生畸變和衰落，稱為多徑衰落。由于其信號幅度在短距離和短 時間內(nèi)劇烈起伏，達(dá)到 20、30db，所以又稱其為小尺度快衰落。衰落的程度依賴于多徑波的 強度、相對傳播時間以及傳播信號的帶寬。多徑衰落一般疊加在慢衰落之上。從空間角度看， 沿移動臺的移動方向，接收信號的幅度隨著空間位置變動呈現(xiàn)很大的強弱差異，甚至在某些 特定的位置上，可能會因嚴(yán)重的衰落而無法通信。從時間角度來看，由于發(fā)送端的相對移動， 反射路徑不斷變化，接收信號的幅度也隨時間呈現(xiàn)快速變化。 1.平坦衰落.平坦衰落 如果移動無線信道帶寬大于發(fā)送信號的帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益及線形相位， 則接收信號就會經(jīng)歷平坦衰落過程。在平坦衰落情況下，發(fā)送信號的頻譜特性在接收機內(nèi)保 持不變。然而信道會導(dǎo)致信號增益的起伏，使接收信號的強度隨著時間的變化而變化。典型 的平坦衰落會引起某些點處的深度衰落， 因此在深度衰落期間需要增加 20db-30db 的發(fā)送功 率，以獲得較低誤碼率。平坦衰落信道的增益分布對設(shè)計無線鏈路非常重要，最常見的平坦 衰落幅度分布是瑞利分布。 2.頻率選擇性衰落.頻率選擇性衰落 如果信道具有恒定增益和線性相位的寬度范圍小于發(fā)送信號帶寬，則該信道會導(dǎo)致接收 信號產(chǎn)生頻率選擇性衰落。此時，接收信號中包含了許多經(jīng)歷衰減和時延的多徑信號，因此， 會導(dǎo)致接收信號的失真。頻率選擇性衰落是由信道中發(fā)送信號的時延擴展引起的。這樣信道 就會引起符號間干擾(isi)。一般可以采用兩種方法來對抗符號間干擾。一種是采用寬帶傳輸 即擴頻(如 cdma)方法。則信道上的頻率響應(yīng)的起伏只會衰減小部分的信號功率；另一種方 法是將傳輸頻帶劃分為許多子頻帶(如 ofdm)，將信息符號分別在較窄的信道內(nèi)傳輸，則信 道上的頻率響應(yīng)起伏只會衰減子頻帶內(nèi)的信號功率。并且可以通過采用信道編碼對畸變的子 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 6 頻帶符號進(jìn)行恢復(fù)。 3.快衰落.快衰落 當(dāng)符號周期大于信道的相干時間時，信號經(jīng)過該信道后，其能量在很短的時間內(nèi)會發(fā)生 快速的變化，產(chǎn)生快衰落?？焖ヂ湫诺酪簿褪切诺赖拿}沖響應(yīng)在一個符號周期內(nèi)快速變化的 信道。信號經(jīng)過快衰落信道后，由于多普勒效應(yīng)，在頻域會發(fā)生頻率擴展，在時域會產(chǎn)生時 間選擇性衰落，信號會產(chǎn)生失真。實際上，信號速率比較低，收發(fā)天線的移動速度比較大時， 通常會產(chǎn)生快衰落。 4.慢衰落.慢衰落 當(dāng)符號周期遠(yuǎn)小于信道的相干時間時，信號經(jīng)過該信道后，其能量幾乎不發(fā)生變化，這 樣的信道稱為慢衰落信道。一個信道是否為快衰落或慢衰落信道與該信道是否為平坦衰落或 頻率選擇性衰落信道沒有關(guān)系。比如平坦衰落信道既可以是快衰落信道，也可以是慢衰落信 道;同樣，頻率選擇性衰落信道可以為快衰落信道，也可以為慢衰落信道。 5.時延擴展.時延擴展 接收信號一般由直達(dá)信號和其他發(fā)射信號組成。反射信號比直達(dá)信號在時間上要滯后， 這就在接收端改變了傳輸信號的波形，并從時間上擴展了接收信號的能量。時延擴展是第一 個到達(dá)信號波形與最后到達(dá)的多徑信號波形的時間差。在數(shù)字系統(tǒng)中，這種時延擴展會帶來 符號間干擾。如果符號的速率很高，就會導(dǎo)致很嚴(yán)重的錯誤，特別是采用時分復(fù)用體系的系 統(tǒng)。 2.2 mimo 原理簡介原理簡介 mimo 系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端分別采用多天線，對空間分集加以利用。mimo 系統(tǒng)可以 由不同的方式來實現(xiàn)以獲得抗衰落的分集增益或者提高系統(tǒng)容量。一般來說，mimo 技術(shù)分 為三類：一種是使空間分集最大化以提高功率的效率，比如空時分組碼(stbc)，空時格碼 (sttc)181920；第二種是利用分層的方法來提高容量，比如 v-blast2122；第三種就是在 發(fā)射端對 csi 的利用， 比如注水定理分配發(fā)射功率的方法。 這些技術(shù)從不同角度提高了 mimo 系統(tǒng)的性能。 2.2.1 mimo 信道模型信道模型 下面以基站和移動臺作為發(fā)射端和接收端來分析。圖 2-1 所示的兩個線性天線陣列，假 定基站有 t n 根天線，移動臺有 r n 根天線。在基站的天線陣列上的信號表示為 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 7 12 ( )( ),( ),( ) t t n tx tx txt=x? 式中，符號t為矢量或矩陣的轉(zhuǎn)置；( ) i x t 為基站的第i根天線端口的信號。 同理在移動臺天線陣列上的信號為 12 ( )( ),( ),.,( ) r t n ty ty tyt=y 式中，( ) i y t 為移動臺的第 j 根天線端口的信號。 圖 2-1 mimo 系統(tǒng)模型 1非頻率選擇性信道模型非頻率選擇性信道模型 在非頻率選擇性(平坦)衰落情況下，mimo信道模型相對比較簡單，由于各對天線間的子 信道可以等效成一個瑞利衰落的子信道。此時，mimo信道模型中的各個子信道可以建立為 ,0 ( , )( ) () j ij i htht = (2-1) 式中， , ( ) j i ht服從瑞利分布，mimo信道矩陣為 , () rt j inn h =h,則對應(yīng)的mimo系統(tǒng)模型為 = + yhxz (2-2) 式中，z是0均值的高斯白噪聲矩陣。 2頻率選擇性信道模型頻率選擇性信道模型 在頻率選擇性衰落情況下mimo信道的信道矩陣可以表示為 1 ( )() l l l l = = hh (2-3) 式中，( ) rt nn c h，且 111 1 t rrt rt ll n l ll nn n nn hh hh = h ? ? (2-4) 式中， l h是一個復(fù)數(shù)矩陣，它描述了在時延為時所考慮的兩個天線陣列之間的線性變換， 發(fā) 射 端 接 收 端 1 2 nt 1 2 nr 散射 介質(zhì) tx rx 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 8 , l j i h是發(fā)射的第i根天線到接收的第j根天線的復(fù)傳輸系數(shù)。式(2-3)表示的是一個簡單的抽頭 延時線性模型， 不過在這里l個時延的信道系數(shù)是用矩陣來表示。 矢量( ) ty和( ) tx之間的關(guān)系 可以表示為 ( )( ) ()ttd= yhx (2-5) 為簡化信道模型的分析，假設(shè)， , ( ) j i ht服從瑞利分布。對于給定的時延，進(jìn)一步假設(shè)傳輸系 數(shù)的平均功率相同，因此下式 2 , ()() j i l pe ht= (2-6) 對所有的 1, t in=?；1, r in=? 都成立。且從一個時延到另一個時延，這些傳輸系數(shù)不相 關(guān)，即 12 1,2, 0 ll j ij i lhhl= (2-7) 符號,a b代表求a和b之間的相關(guān)系數(shù)。平均功率時延(pds)可表示為 1 ( )() l ll l pp = = ， 因此通過選擇適當(dāng)?shù)难訒r、平均功率參數(shù) 1 , l p ，可以實現(xiàn)具有特定時延擴展的、按某種規(guī) 律衰減的pds。 通過變換手段，得頻率選擇性的 mimo信道接收模型為 1 0 l l nn ln l x = =+ yhz (2-8) 式中， n z是0均值的高斯白噪聲矩陣。 2.2.2 mimo 信道容量信道容量 對于分別配有 t n根發(fā)射天線和 r n根接收天線的mimo信道，發(fā)射端在不知道傳輸信道 的狀態(tài)信息條件下，如果信道的幅度固定，則信道的容量 2 1 log (1) k k k c = =+ (2-9) 式中，min, tr knn= ， k 為第k個子信道的信噪比，定義 2 kkkn p= (2-10) 式中， k p為分配給第k個子信道的功率， 2 n 為相應(yīng)子信道的噪聲功率。因此，可以選擇不同 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 9 的功率分配方案，使總的發(fā)射功率以不同的方式在這些子信道上進(jìn)行分配。 1注水功率分配方案下的信道容量注水功率分配方案下的信道容量 當(dāng)發(fā)射端已知信道的狀態(tài)信息時，就可以使用特征值分解(evd)，提取信道矩陣的k個特 征值。為使整個信道的容量達(dá)到最大，可以按照提取出來的一組歸一化特征值來給每一個子 信道分配發(fā)射功率。根據(jù)gallage的注水原理，給每一個子信道分配的功率滿足 12 12 111 k k pppl +=+=+= (2-11) 式中，l為一公共因子。各個子信道所分配到的發(fā)射功率要受總功率p的限制 1 k k k pp = = (2-12) 式(2-11)說明，具有最大特征值的子信道或最高增益的子信道被分配到最大的一部分功率。當(dāng) 1 k l時，0 k p =，式(2-9)也可以改寫成 () 2 2 1log 1 w k m k k n p c = =+ (2-13) 式中，符號“ ()w =”表示注水功率分配方案。 2平均功率分配方案下信道容量平均功率分配方案下信道容量 當(dāng)信道未知時，發(fā)射端無法利用無線信道的狀態(tài)信息，平均功率分配是一種最適合使用 的功率分配方案。具體使用時非常方便，只要把總的發(fā)射功率按天線單元的數(shù)目進(jìn)行等量分 割，與子信道的特征值無關(guān)，即 mt pp n=，1,2, t mn=?，為一常數(shù)，相應(yīng)地，式(2-9)改 寫成 () 2 2 1log 1 u k m k k n p c = =+ (2-14) 這里，符號“ ()u =”表示平均功率分配方案。 2.3 ofdm 原理簡介原理簡介 正交頻分復(fù)用技術(shù)可以看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以稱為一種復(fù)用技術(shù)。由于在抗信道 頻率選擇性衰落中的顯著優(yōu)勢，使其成為通信物理層的關(guān)鍵技術(shù)之一。 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 10 2.3.1 ofdm 基本原理基本原理 ofdm技術(shù)可以看成是由傳統(tǒng)的頻分復(fù)用技術(shù)(fdm)發(fā)展而來的。在fdm系統(tǒng)中，不同 用戶占用不同頻率信道，在接收端用帶通濾波器分離各個用戶的信號，各信道間必須有一定 的保護間隔。通常所講的多載波通信，就是用多個數(shù)據(jù)通道來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，它將一個 頻率選擇信道劃分成了多個頻率平坦衰落信道，如圖2-2所示。 圖 2-2 子信道劃分示意圖 ofdm系統(tǒng)將寬帶信道轉(zhuǎn)化為許多并行的正交子信道，從而將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)化為一 系列頻率平坦衰落信道，在頻域內(nèi)僅需簡單的一階均衡器。ofdm系統(tǒng)的子載波間隔已達(dá)到 最小， 所選擇的子載波間隔使得不同子載波上的波形在時域上相互正交且在頻域上相互重疊。 不同子載波間不需要保護間隔， 最大化了系統(tǒng)頻譜效率。 同時，ofdm系統(tǒng)引入循環(huán)前綴(cp) 來消除時間彌散信道的影響， 只要cp的長度大于信道最大時延， 就可完全消除符號間干擾(isi) 和子載波間干擾(ici)。ofdm系統(tǒng)可以采用ifft/fft進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制和解調(diào)，使得ofdm系 統(tǒng)的實現(xiàn)變得非常簡單，且具有較低的成本。 一個ofdm符號內(nèi)包括多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號，其中每個子載波都可以采用 相移鍵控(psk)或者正交幅度調(diào)制(qam)的符號映射方法。 如果n表示子載波的個數(shù)，t表示 ofdm符號的持續(xù)時間(周期)，(0,1,21) i din =?是分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號， c f是第0 個子載波的載波頻率，retc( )1t=，則從 s tt=開始的ofdm符號可以表示為 1 0 reretc(/ 2)exp 2() ( ) 0 n iscsss i ss dtttjfi ttttttt s t ttttt = + + = + 或者 (2-15) 如果將要傳輸?shù)谋忍胤峙涞礁鱾€子載波上，某一種調(diào)制模式就將它們映射為子載波的幅 度和相位，通常采用等效基帶信號來描述ofdm的輸出信號，如式(2-16)所示 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 11 1 0 retc(/ 2)exp 2() ( ) 0 n issss i ss dtttji t tttttt s t ttttt = + = + 或者 (2-16) 式中，( )s t的實部和虛部分別對應(yīng)于ofdm符號的同相和正交分量， 在實際中可以分別與相應(yīng) 子載波的余弦分量和正弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的ofdm符號。 在時域上，設(shè)第k個子載波的頻率為(0,1,2,1) k fkn =?，那么當(dāng)子載波滿足式(2-17) 要求時，子載波間是正交的。 2 2 0 1 1 0 j i t jf t jf t eedt t = ij ij ff ff = (2-17) 此時要求在每個ofdm符號周期t內(nèi)都包含整數(shù)倍周期個子載波，而且相鄰子載波之間相差 一個周期，即 0 , t t = 為自然數(shù) (2-18) 0 , 1 k t t k = + 1,2,-1kn=? (2-19) 其中(0,1,2,1) k tkn =?分別是每個子載波的周期。這樣，在接收端解調(diào)第i個子載波信號 的時候，在每段積分時間內(nèi)，其他子載波的積分結(jié)果為0，從而可以解調(diào)出該子載波上所攜帶 的信號。圖2-3給出正交子載波的時域波形圖。 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 x 10 -3 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間 幅度 圖 2-3 ofdm 正交子載波時域波形示意圖 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 12 這種正交性也可以從頻域角度來理解。由于每個ofdm符號在其周期t內(nèi)包含多個非零 子載波，因此其頻譜可以看作是周期為t的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個子載波頻率上的 函數(shù)的卷積。矩形脈沖函數(shù)的頻譜幅值為sin ()c ft函數(shù)，此函數(shù)的特點是其零點出現(xiàn)在頻 率為1 t整數(shù)倍的位置上。而當(dāng)各個子載波周期相差整數(shù)倍，即頻率相差整數(shù)倍時，在每個 子載波頻率的最大值處其他子載波的頻譜幅值為零，如圖2-4所示。在對ofdm信號進(jìn)行解調(diào) 的時候，需要計算每個子載波頻譜幅值最大處的信號值，因此可以從多個相互重疊的子信道 符號頻譜中提取出每個子信道符號而不受其他子信道的干擾。 -4000-200002000400060008000 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 頻率 幅度 圖 2-4 ofdm 中子載波頻率譜 2.3.2 ofdm 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ofdm系統(tǒng)收發(fā)結(jié)構(gòu)的典型框圖如圖2-5所示。需傳送的比特信息數(shù)據(jù)首先進(jìn)行信道編 碼、串/并變換、基帶信號調(diào)制。在加入虛子載波后，用ifft變換進(jìn)行ofdm調(diào)制、并/串變 換并插入保護間隔。 產(chǎn)生的時域信號經(jīng)成形濾波器、 數(shù)模(d/a)轉(zhuǎn)換， 并由射頻單元發(fā)送出去。 信號經(jīng)無線信道傳播后，在接收端首先進(jìn)行下變頻、模數(shù)(a/d)轉(zhuǎn)化和低通濾波操作。在完成 時間和頻率同步操作后，用fft變換分解出頻域信號。信道估計器和信道均衡器分別對信道 衰落進(jìn)行估計和補償，均衡后的信號接著進(jìn)行相應(yīng)的信號解調(diào)和信道解碼操作，恢復(fù)出發(fā)送 的比特信息。按目的的不同，虛子載波可以分為兩類：一類是為了便于實際硬件的實現(xiàn)需要 留出一些不傳送數(shù)據(jù)的子載波，比如直流子載波和便于濾波操作留出的部分高頻子載波，這 部分子載波占用的是帶內(nèi)頻帶；另外一類虛子載波是進(jìn)行過采樣操作而產(chǎn)生的，這部分子載 波占用的是帶外頻帶，因此也不能用于傳送數(shù)據(jù)2。 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 13 圖 2-5 ofdm 系統(tǒng)框圖 2.4 mimo-ofdm 系統(tǒng)的原理系統(tǒng)的原理 mimo-ofdm技術(shù)是結(jié)合ofdm和mimo技術(shù)而得到的一種新技術(shù)。它利用了時間、 頻率和空間3種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容量大大增加。而且，當(dāng)信道 情況好時，可以使用空間復(fù)用的編碼方式，成倍地提高傳輸速率。mimo和ofdm技術(shù)作為 未來b3g的核心技術(shù)，兩者相結(jié)合在提高無線鏈路的有效性和可靠性方面具有巨大潛力。 2.4.1 mimo-ofdm 系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型 考慮一個有 t n個發(fā)送天線， r n個接收天線的mimo-ofdm系統(tǒng)，發(fā)送端的基帶信號為 , /2 1 2() , /2 1 ( )() fg d tt k k jt ntt t nn n kf tkk utug tnte k + = = (2-20) 式中，( ) t n ut是第 t n個發(fā)送天線的基帶信號；k是ofdm系統(tǒng)的子信道數(shù)； , , t n n k u是第 t n個發(fā) 送天線、第n個ofdm符號的第k個子信道上發(fā)送的信號； f t是整個ofdm符號周期，包括 數(shù)據(jù)周期 d t和保護間隔 g t， fdg ttt=+；( )g t為成形函數(shù)，有下式給出 1, ( ) 0, g t = 0 0 f f tt ttt 或 (2-21) 基帶信號上變頻到發(fā)射信號，得到 n j2ft e n -j2f t e 信 道 編 碼 串并 轉(zhuǎn)換 信號 調(diào)制 加入 虛子 載波 iff t 并串 轉(zhuǎn)換 插入 保護 間隔 d/a lpf 信道 a/d lpf 頻偏 補償 串并 轉(zhuǎn)換 fft 除去 虛子 載波 信道 均衡 信號 解調(diào) 并串 轉(zhuǎn)換 信道解碼 信道估計 xk xn fn fn yk 符號同步/頻率同步 vco 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 mimo-ofdm 系統(tǒng)原理 14 (2) ( )( ) ii tt jf t nn stut e + = (2-22) 式中， i f表示發(fā)送天線上的載波頻率； i 表示發(fā)送天線上的載波相位； i f , i 表示第 t n個發(fā)送 天線的載波頻率和相位。 由于各個發(fā)送天線的載波是由同一晶體振蕩器混頻，各個天線的載波頻率可以近似認(rèn)為 是相等的；而混頻、濾波所引入的相位偏差與后面經(jīng)信道引起的相位偏差比較，要小得多， 可以忽略不計。所以，各發(fā)送天線載波統(tǒng)一為 i f和 i 。 式(2-22)中，( ) t n st在頻域是( ) t n ut簡單的頻移，其頻域是不對稱的，而實際發(fā)送的只是實 信號，實信號的頻域是對稱的，因此實際發(fā)送的信號是( ) t n st的實部，即 (2) re( )re( ) ii tt jf t nn stut e + = (2-23) 在后面的下