（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）mimoofdm系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究.pdf

m i m o o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 摘要 隨著通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，原有的單天線傳輸系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足通信傳輸?shù)?需要，我們必須突破原有的傳輸技術(shù)的瓶頸，提高系統(tǒng)傳輸水平。m i m o 技術(shù)的 出現(xiàn)滿足了人們對傳輸性能提高的要求，采用多條天線傳輸可以在帶寬不交的情 況下提高系統(tǒng)總的容量。將這一技術(shù)與o f d m 結(jié)合組成m l m o o f d m 系統(tǒng)，是 下一代通信主要采用的技術(shù)，能夠在滿足人們在現(xiàn)階段的通信需求。本文就是在 這樣一個背景下進行研究的。 信道估計是m i m 0 o f d m 系統(tǒng)研究的重點，本文從多個方面對信道估計進 行了研究。首先對m i m o o f d m 系統(tǒng)進行了介紹，分析m i m o 與o f d m 各自 的組成原理，技術(shù)特點及優(yōu)缺點，將這兩項技術(shù)結(jié)合后的系統(tǒng)髓夠更好的進行數(shù) 據(jù)傳輸。介紹了無線通信的環(huán)境，結(jié)合m i m o o f d m 系統(tǒng)的實際情況在各種環(huán) 境下進行了分析得出不同的結(jié)論。對傳統(tǒng)的信道估計方法進行了分析與介紹，進 行了公式推導(dǎo)，并對最小二乘( l s ) 信道估計方法加以仿真，證明可以降低系 統(tǒng)誤碼率。對最小均方誤差( m m s e ) 及其改進算法的信道估計方法做以比較， 驗證改進算法的性能有所提高。深入分析該系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)同步的信道估計方 法，研究了同步在信道估計中的重要性，并驗證了系統(tǒng)同步的一種算法的可彳亍性。 導(dǎo)頻是研究信道估計的重要步驟，余紹了基于導(dǎo)頻估計的原理，分析不同導(dǎo)頻在 系統(tǒng)中起到的作用。本文在以前研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合原有的研究成果，重新分析 了最佳訓(xùn)練序列和內(nèi)插濾波兩種估計方法，將幾種方法結(jié)合進行了比較，得出仿 真結(jié)果，驗證了其在信道估計方面可以降低誤碼率，提高系統(tǒng)性能。為以后對該 系統(tǒng)進一步的研究提供了一定的理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞：m i m o o 陽m ；信道估計；誤碼率；導(dǎo)頻；訓(xùn)練序列 r e s e a r c ho nt h e1 b c h n o l o g yo fc h a n n e le s t i m a t i o ni n m i m o - o f d m s y s t e m a b s t l ? a c t w i t h 凌ee o 羹l 赫毽o l l sd e v e l o p 瑚e n f 凝趲玨囂i c a i o 玨s y s e 掇s ，t 矗oo 蠢2 殛a | s i n g l e a n t e 皿at r a n s e n i s s i o ns y s t e m sh a sn o tb e e na b l et om e e tt h en e e d so f l e l e 滋藏玨n i c a i o 玨圭稼羥s 西s s i o 氆w em 疆s lb f e a kl 吶毽碧蠹l h ee x i s i 爨g 扛雒s 毽i s s i o 娃 b o t t i e n e c k s ，i m p r o v et h el e v e lo fs v s t e nt r a n s m i s s i o n t h et e c h n o l o g yo fm i m o m e e 括霧i e o p l e sr e q n i r e 薹芏l e n t so fi m p r o v et 姍s l n i s s i o n 封i e d o 腳a n e e m u l i a n t e 強a 協(xié)a n s m i s s i o nc a ni m p r o v eo v e r a l ls y s t e mc a p a c i t ya tt h es a m eb a i l d w i d t h 幽舊】m s a 薹l c e c o m b i n e dt h i st e c h n o l o g yw i h0 f d mc o m p o s et h em i m 0 一o f d m s y s t e mc a nb et h em a i n l yt e c k l o l o 繇yu s e di nn e x t g e n e r a t i o n m m u n i c a t i o n w 量l i c h c a nm e e tp e o p l ea tt h ec o m m u n i c a t i o nn e e d sa tt h i ss t a g e t h i st h e s i si st oc o n d u c tt h e s 純d i e si 觳s u e 董lab a e k g f o u n d c h a n n e le s t i m a t i o ni st h ef b c u so ft h es t u d vf o rm i m 0 一o f d ms y s t e m ；t l l i s 譙e s 主s 璉o e s 凌es l 玨d y 粕攥攆舔y 舔p e c s 西馥蛐e le s 耄i 戮a i o 鑫。巍f s l 醴越l 主耄 i i l t r o d u c e st h em i m 0 o f d ms v s t e m ，a n a l v s e st h ep r i n c i p l eo ft h e i rc o m p o s i t i o no f m l m o 鞠do f d m ，h el e e h i c a l 醢鑫秘e t e 磚s i 鉻鑫麗磚v 黼專a g e sa n dd i s a d v 瓣a 鼯s 。瓢 c a nb eb e t t e rt 0t r a n s m i td a t ai i lt h i ss y s t e m0 fc o m b i i l e dt h i st w ot e c h n o l o g i e s 埝g e m e ll ti n l r o d u c e saw i f e l e s s n m u n i c a t i o l 撼e n v i r o 髓e n l ，a n a l v z e st h e ma 鼗d o o m e st od i a b r e n tc o n c l u s i o n si l lt h ea c t u a ls i t u a t i o no fv a r i e t v0 fe n v i r o n m e n t sw i t h m i m o o f d ms v s t e m a m a l v z e dt h es y s t e ma n di n t r o d u c e dt h et r a d i t i o n a li n e t h o d s o fc h a n n e le s t i m a t i o 棘，f o 冊u l a sa f ed e f i v e d ，a n ds i m u l a t e dt h e 王a s ts q u a r e s ( 】l s ) m e t h o di nc h a n n e le s t i m a t i o nt h a tc a nr e d u c et h eb e r0 ft h es y s t e m c o m p a r e dt h e m e t 蠹o do fm i 糕i m 毪mm e 雒s q h a 您e r f o f ( m m s 玢舔di l s 婦p f o v e da l 鼬磚l h m 醛 d h a 衄e le s t i m a t i o n ，w h i c hc a nb ev e r i f i e dt h ep e 渤n n 羽1 c eo fi m p r o v e da l 霉r o r i t l u i li s 紐】p 內(nèi)v e d a 薹l a l v z e d 綣es y s | e 趲i 玨l e 裁s i v e l y 埝s 鈀d v 凌es y n 吐妁纛主z 采i o 爨越e 掇o d 醴| 娩 拍a n n e le s t i m a t i o n s t u d i e dt h ei i 】1 p o r t a n c eo fs y n c l l i o i l i z a t i o ni l lc h a r m e le s t i m a t i o n ， 勰dv e 纛e d 壤ef e a s 論i l i vo fa 玨a 重鼬蛀量l l 巍i nl 量l es 強e 量l f o n i z co f 也es v s l e m p i l i s t h ee s s e n t i a ls t e pt os t u d vt h ec h a n n e le s t i m a t i o n ，i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo f p i l o t - b a s e do fe s t i m a i o n ，a 薹l da n a l y z e d h ed i e r e n tp i b 耋sp l a yaf o l ei nt h es y s e m bl h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u 硪e s ，c o m b i n e dw i t 量lo r i g i n a lr e s e a r c hr e s u l 斌 r e - a n a l y z eo ft h eb e s t r a i n 如gs e q i l e n c ea n di n t e r p o l a l i o n 岔l t e rm e t 量l o d s ，c o m b i l l e d s e v e i 甚lm e t 量l o d sa n dt k nc a l f vo l l tt h ec o l n p a r i s o n ，a n de d u c e dt h es i i n u l a t i nf e s u l t s t 0v e r i f yi t sp r e s e n c ew h i c hc a nr e d u c et h eb e ri i lc h a l l i l e le s t i m a t i o na n di m p r o v e s y s l e mp e r 凡f 燃a n c e 蕾繡es u b s e q 髓e n l 內(nèi)璉蠹e rs l 娃d yo f 量l es v s t e ：瞰趣醢s tp f o v i 氐鑫 t b e o r e t i c a lb a s i s k y w o r d ：m i m o - o 量d m ；c h a 玨n e le s t i l 聃a t i o n ；b e r ；p i l o 耋；t 董a i n i n gs e q u e n e e l l 獨創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含未獲得 洼；塑逡查墓絲噩墨鱉型主蟹鮑：奎攔互窯或其他教育機構(gòu)的學位或證書使 用過的材料。與我一離工俸的同志對本研究所傲的任何貢獻均己在論文皆作了明 確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：；司毫分 簽字日期：矽凈6 月；圉 l 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人 授權(quán)學?？梢詫W位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用 影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學位論文。同時授權(quán)中國科學技術(shù)信息 研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公 眾提供信息服務(wù)。( 保密的學位論文在解密看適用本授權(quán)書) 學位論文作者簽名： 珥帝 i 簽字日期：沖6 月 導(dǎo)師簽字： 露、耀 簽字目期：彳年6 月讓圈 m l m 0 o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 o 前言 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，通信領(lǐng)域的研究也取得了極大進步，人類社會已經(jīng)到 了一個高速發(fā)展的藤工業(yè)時代。其中信息技術(shù)的發(fā)展無疑成為整個產(chǎn)業(yè)進程強有 力的支撐。信息產(chǎn)業(yè)包括信息的制作存儲及信息的傳輸，其中迅速便捷的信息傳 輸技術(shù)加速了整個社會前進的腳步。從上個世紀7 0 年代起，隨著光纖技術(shù)、數(shù) 字信號處理和超大規(guī)模集成電路的突破性發(fā)展，有線傳輸速率已經(jīng)獲得了成百上 千倍的增長，并通過增加波束或者并行電纜數(shù)目可以繼續(xù)無限制艙增加。恧與之 相對應(yīng)的無線接入?yún)s因為受到頻譜資源和移動終端功率限制無法獲得本質(zhì)性突 破，同時由予無線傳輸環(huán)境的開放性，不可避免的受到隨機衰落和干擾，因此無 線傳輸技術(shù)成為整個信息傳輸鼴絡(luò)的瓶頸。但是，由于無線通信可以將人們從辦 公桌前和室內(nèi)釋放出來，使得人類對多媒體業(yè)務(wù)和高速率信息交換的需求不斷增 長，在需求決定技術(shù)的背景下，無線移動通信當之無愧的成為通信領(lǐng)域最大研究 熱點之一。 在過去2 0 年，無線移動通信經(jīng)歷模擬機、蜂窩通信以及已經(jīng)投入商用的第 三代移動通信( 3 g ) 三個階段。伴隨著人類對高速率通信的需求不斷增長，我 們可以看到移動通信的發(fā)展速度勢不可擋。雖然3 g 較之以前已經(jīng)髓夠提供更大 容量、更佳的通信質(zhì)量并且支持多媒體應(yīng)用，但是隨著人們對3 g 技術(shù)及其應(yīng)用 研究的不斷深入，3 g 技術(shù)在頻譜利用率和資源優(yōu)化方面的局限性也漸露端倪。 一些國家已經(jīng)著手第四代技術(shù)標準的研究和制定，國際上稱為幸g 或b 3 g ( b e 弦耐 3 g ) 。在新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)情況下，m l m 0 o f d m 被認為是作為這個標準應(yīng)用的 最佳技術(shù)，不但能夠提高系統(tǒng)容量，而且能夠有效減少衰弱，提高性能和效率。 第3 代移動通信合作計劃( 3 g p p ) 已經(jīng)在標準中加入了m i m o 技術(shù)相關(guān)的 內(nèi)容，b 3 g 和4 g 的系統(tǒng)中也將應(yīng)用m l m o 技術(shù)。在無線寬帶接入系統(tǒng)中， 難在制訂中的8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 1 n 和8 0 2 2 0 等標準也采用了m i m o 技術(shù)。本 文就是在這樣一個背景下進行的。 m i m d o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 1m i m o o f d m 系統(tǒng)概述 1 。l lm i m o o f d m 系統(tǒng)的組成原理 下一代無線通信系統(tǒng)將提供用戶更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的服務(wù)質(zhì)量，系 統(tǒng)容量需要大幅度提高，因此有限的無線頻譜資源迫使下一代無線通信技術(shù)必須 極大地提高頻譜利用率。多輸入多輸出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e 一0 u t p u t ，m 訂0 ) 天線技術(shù)正是應(yīng)未來無線通信技術(shù)發(fā)展的要求，近年來得到迅猛的發(fā)展l l j 。 m 蹦o 技術(shù)是指在發(fā)射端逶過多個發(fā)射天線傳送信號，在接收端使用多個接收天 線接收信號的無線通信技術(shù)，目前理論已經(jīng)證明應(yīng)用m i m o 技術(shù)能極大地提高 無線通信系統(tǒng)的性能和容量。 正交頻分復(fù)用( o 確o g o n a lf 詫q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l 麟i n g ，0 r ) m ) 在頻域 把信道分戒若干正交子信道，頻譜相互重疊，減少了子信道間予擾( 1 c 1 ) ，提 高了頻譜利用率【2 1 。同時，由于在每個子信道上信號帶寬小于信道帶寬，盡管總 的信道非平坦，即具有頻率選擇健，但是每個子信道是相對平坦的，從而大大減 少了符號闖干擾( 王s 1 ) 。此外，通過在o f d m 中添加循環(huán)前綴( c p ) 進一步增 強其抗多徑衰落的能力。o f d m 技術(shù)以其抗多徑衰落能力強，頻譜利用率高等 優(yōu)點，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。 o 國m 技術(shù)具有在對抗多徑、獲取頻率分集以及信道估計和均衡方面的好 處以及低復(fù)雜度，麗這些正是m i m o 系統(tǒng)亟臨的最大困難。m i l 垤o 系統(tǒng)在多徑 信道下受到符號間干擾，進行時域均衡設(shè)計是個比較復(fù)雜的濾波過程，但是如 采采用o f d m 調(diào)制并由c p 來消除符號間串擾，將接收信號交換到頻域處理則 大大降低了信道均簿的計算量。同時o f d m 在頻域?qū)拵诺拦烙嫹矫娴暮喕?極大促進了它與m i m o 技術(shù)的結(jié)合。 1 。2 本文研究內(nèi)容 m i m 0 與0 固m 技術(shù)的結(jié)合是現(xiàn)代通信研究的一個熱點方蠢。正交頻分多 路復(fù)用( o f d m ) 在頻域內(nèi)把信道分成若干正交子倍道，頻譜相互重疊，減少了 3 m i m 0 0 f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 子信道間干擾。多輸入多輸出技術(shù)( m i m o ) 能夠通過發(fā)射和接收天線數(shù)的增加 來提高信道的容量。兩項技術(shù)的結(jié)合能夠直接的帶來通信性能的提高?？傮w來看， 本文的工作主要分以下幾個章節(jié)來敘述與完成。 第一章介紹現(xiàn)代通信的發(fā)展現(xiàn)狀，并指出現(xiàn)在的前沿技術(shù)做以簡單介紹。 第二章介紹m i m 0 和o f d m 技術(shù)，并分析其工作原理。首先介紹m i m o 的 提出及通信工作情況，編碼解碼技術(shù)。其次介紹o f i ) m 原理及性能。指出兩種 技術(shù)的優(yōu)點及不足，并介紹了m i m o o f d m 系統(tǒng)的組成及工作情況。 第三章首先介紹無線通信信道的情況，然后研究了m i m 0 o f i ) m 系統(tǒng)的重 要問題，指出其重點是信道估計問題。指出現(xiàn)在已經(jīng)研究成型的算法，介紹l s 算法和m m s e 算法，分析并加以仿真，驗證結(jié)果。 第四章從細節(jié)方面指出m i m o o f d m 系統(tǒng)的同步問題，并指出其對信道估 計的影響。引出頻偏的概念，說明其對系統(tǒng)的重要性。介紹一種降低頻偏，加強 系統(tǒng)同步的算法。 第五章研究基于最優(yōu)訓(xùn)練序列的信道估計方法，并分析其實施的可能性，算 法的計算原理，改進算法后的特性分析。而后提出利用內(nèi)插濾波方式來進行信道 估計，在基于最優(yōu)訓(xùn)練序列的估計方法上進行濾波，用計算機仿真并分析結(jié)果， 證明其有效性，得到一定的實驗效果。 本文研究的就是該通信模型的信道估計及系統(tǒng)性能方面的問題。 4 m i m o o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 2m i m o o f d m 系統(tǒng) 在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，多徑衰落信道和頻帶利用率是兩個深具挑戰(zhàn) 的問題。m i m o 技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要 增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。0 f d m 技 術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源，另 外，0 f d m 將總帶寬分割為若干個窄帶子載波可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。 兩者相結(jié)合構(gòu)成的m i m o 0 f d m 系統(tǒng)，能夠大幅度的提高無線通信系統(tǒng)的信道 容量和傳輸速率，并能有效的抵抗多徑衰落、抑制干擾和噪聲，而這些不需要額 外的功率和帶寬，從而引起了通信界的廣泛關(guān)注，具有廣闊的發(fā)展前景。本章首 先簡要介紹m i m o 和o f d m 的基本原理，然后對m i m o o f d m 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及 工作原理作了深入分析。 2 1m i m o 系統(tǒng) 傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)是采用一個發(fā)射天線和一個接收天線的通信系統(tǒng)，即所 謂的單輸入單輸出( s i s o ) 天線系統(tǒng)。而隨著技術(shù)的發(fā)展和深入，人們發(fā)現(xiàn)單 天線系統(tǒng)存在一個瓶頸，即香農(nóng)容量的限制。無論采取何種技術(shù)及方法都無法取 得突破，限制了當今通信發(fā)展的容量要求。 多輸入多輸出( m u l t i p l e i i l p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 顧名思義就是由多條輸入天 線和多條輸出天線構(gòu)成的傳輸系統(tǒng)，也稱為大容量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，最早是由 m a 喲i l i 于1 9 0 8 年提出的，它利用多天線抑制信道衰落并進行傳輸。根據(jù)收發(fā) 兩端天線數(shù)量，相對于普通的單輸入單輸出s i s o ( s i n 百e - i n p u ts i i l 酉e o u t p u t ) 系統(tǒng)，m i m o 可以包括s i m o ( s i l l 百e - 1 1 1 p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系統(tǒng)和m i s o ( m u l t i p l e i i l p u ts i i l 舀e - 0 u t p u t ) 系統(tǒng)。 m i m o 技術(shù)的原理是信號通過發(fā)射端的和接收端的多個天線傳送和接收， 從而改善每個用戶得到的服務(wù)質(zhì)量( 誤比特率或數(shù)據(jù)速率) 【3 1 。m i m 0 技術(shù)成功之 處主要是它能夠在不用額外增加所占用的信號帶寬的前提下帶來無線通信的性 能上幾個數(shù)量級的改善。利用m i m o 技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提 高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用m i m 0 信道提供的空間復(fù)用增益， 5 m l m 0 o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 后者是利用m i m o 信道提供的空間分集增益。而且如果進一步將其與信道編碼 技術(shù)相結(jié)合，可以大大提高通信系統(tǒng)的性能。空時編碼技術(shù)【5 】- 【8 】正是在此基礎(chǔ)上 發(fā)展起來的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，它將信道編碼技術(shù)與陣列處理技術(shù)相 結(jié)合，大幅度地提高無線通信中的系統(tǒng)容量和傳輸速率，為解決無線信道的帶寬 問題提供了一條新的途徑。 2 1 1 信道模型 建立一個m i m o 模型，如圖2 1 所示。輸入端輸入信號，經(jīng)過發(fā)射天 線多級傳播，到接收端接收，經(jīng)過譯碼得到輸出信號。 天線 x 圖2 1m i m o 系統(tǒng)模型 由圖中可以看出，收發(fā)兩級均為天線陣列【2 】，假定發(fā)射端有m 根天線，接 收端有n 根天線。則在發(fā)射端天線陣列上的信號可表示為： x ( t ) = 【 x 1 ( t ) ，x 2 ( t ) ，x m ( t ) 】1 ( 2 一1 ) 式中符號 l 矢量或矩陣的轉(zhuǎn)置； x i ( 礦_ 入天線第i 根天線端口的信號。 同理在接收端天線陣列上的信號為 y ( t ) = 【y 1 ( t ) ，y 2 ( t ) ，y n ( t ) 】t ( 2 2 ) 在非頻率選擇性衰落情況下，m i m o 信道模型相對比較簡單，由于對各天線 的子信道可以等效等一個瑞利衰落的子信道，而子信道可以建立為： 6 m l m o 0 f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 h j 。( ，t ) = h 玉。( t ) 6 ( 一o ) 式中 i = 1 ，m ；j = 1 ，n 信道矩陣為h = ( h j ，i ) m n 。所以對應(yīng)的m 蹦o 系統(tǒng)模型可以簡化為： y = h x + z 式中z 為0 均值的高斯白噪聲矩陣。 2 1 2 信道容量 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 提高信道容量是提高系統(tǒng)吞吐量很好的方法，m i m o 可以成倍提高衰落信道 的信道容量。根據(jù)信息論的研究，在每個天線發(fā)送信號能分離的情況下，信道容 量c 為： c 扎g z 叫”c 南腫】 協(xié)5 ， 其中h = ( h ) m n 為一個m n 的信道矩陣，p 表示m 個發(fā)射天線發(fā)射的總功 率和。接收端的噪聲用m 1 矩陣表示，它的元素是靜態(tài)獨立零均值高斯復(fù)數(shù)變 量，各個接收天線的噪聲功率均為仃2 。根據(jù)發(fā)射天線數(shù)m 與接收天線數(shù)n 的配 置，( m ，n ) 系統(tǒng)的信道容量還可以分為m n 、m = n 和m n 時的系統(tǒng)稱為過飽和系統(tǒng)，m m 技術(shù)。所以當前 m o - o f d m 技術(shù)是一個行之有效的通信手段。m i m o 0 f d m 技術(shù)將時間、頻 率和空間三種分集有機的結(jié)合起來，從而能夠大大的提高無線通信系統(tǒng)的信道容 量和傳輸速率，有效的抵抗信道衰落和抑制干擾，成為實現(xiàn)無線信道高速數(shù)據(jù)傳 輸最具希望的解決方案之一，具有非常廣闊的研究和發(fā)展前景。 2 3 1 系統(tǒng)模型 圖2 7 給出了m i m o o f d m 系統(tǒng)發(fā)射端的原理圖，要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過 m i m o 采用的信源編碼方式進行編碼，分成多路進行o f d m 調(diào)制，然后用多天 線進行傳輸。 圓一 圖2 7m i m 0 o f d m 系統(tǒng)發(fā)射原理圖 1 7 m i m o o f e m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 圖2 8m i m o 0 f d m 系統(tǒng)接收原理圖 同理，圖2 8 給出了m i m o o f d m 系統(tǒng)接收端的原理圖，在利用多天線接 收信息后進行o f d m 解調(diào)，得到多路的解調(diào)后的信號。然后進行與接收端相反 的解碼方式，并進行信道估計，最終得到原發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。信道估計的作用就 是使得m i m o 解碼后得到精確的數(shù)據(jù)信息。 可靠的信道估計要利用信道訓(xùn)練符號或者導(dǎo)頻符號，在上一節(jié)中已經(jīng)做過簡 單的介紹。這些導(dǎo)頻符號是分布在各個子信道中已知的發(fā)送數(shù)據(jù)，通常導(dǎo)頻越多 信道估計結(jié)果就越準確【8 】。但導(dǎo)頻會占用系統(tǒng)帶寬，所以要衡量好信道估計的精 確度和系統(tǒng)頻譜的有效性。 2 3 2 系統(tǒng)的技術(shù)分析 從圖2 7 和2 8 中分析，假設(shè)在系統(tǒng)中采用n t 根發(fā)射天線，n r 根接收天線。 信息數(shù)據(jù)送入空時編碼器后分成n t 路并行數(shù)據(jù)流，經(jīng)串并變換送入對應(yīng)的i f f l r 單元進行調(diào)制，最后再分別由n t 個天線同時發(fā)送出去。則該系統(tǒng)中存在n l n r 條多徑信道，且這n 。n f 條信道的統(tǒng)計特性基本相同。 假設(shè)k 是一個o f d m 符號中的子載波數(shù)，對于系統(tǒng)中，在一個o f d m 符號 持續(xù)時間內(nèi)，信道特性可以認為是保持不變，系統(tǒng)處于完全同步狀態(tài)，循環(huán)前綴 大于信道時延擴展l ，系統(tǒng)不存在符號間干擾，則在一個0 f d m 符號持續(xù)時間 內(nèi)的信道可以表示為k 個有復(fù)傳輸系統(tǒng)的并行頻域子信道。 那么在第n 個符號周期，第p 個接收天線上接收到的信號的第k 個子載波為： 1 8 、， m i m o o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 q = 1 ，m ，七= o ，k 一1 ( 2 4 0 ) 其中，日 p 訓(xùn)o ) 是發(fā)射天線q 與接收天線p 之間第k 個子載波的頻率響應(yīng)： 磚訓(xùn)o ) 2 善礦刊彤 ( 2 - 4 1 ) ；e 一盧，護= 咿一瓚o ) 】r ( 2 _ 4 2 ) f 0 ) = 瞬乙( d 】是發(fā)射天線q 發(fā)射的信號，壤印】為接收天線p 上 的第k 個載波信道上的加性高斯噪聲，其均值為o ，方差為。 接收天線p 上的時域信號【9 】為： y p o ) = 日筘f h x g o ) + 刀o ) ( 2 4 3 ) h 羅是循環(huán)矩陣，它的第一列是 j i l p 呵r o ) 0 1 。x l 】1 ，h 影的特征分解為 h 譬= f h d p 嗎fo 田= 比昭 h p 呵。) 日p 雩h ( 足一l 渺) ) ，對y p o ) 做h 可變換， y p ) = 曰x 叮o ) + 互o ) ( 2 4 4 ) 由此可知，m i m o 0 f d m 系統(tǒng)的接收信號是不同發(fā)射天線發(fā)送信號的衰落 和加性噪聲的疊加，若令信號功率為1 ，那么對于兩個發(fā)射天線的m i m o - o f d m 系統(tǒng)，其信號噪聲功率比s n r 可以定義為： 姍：坐塑型竺燮!陸4 5 ， 2 4 本章小結(jié) 本章主要介紹了m i m 0 和0 f d m 各自系統(tǒng)的原理構(gòu)成，運算規(guī)律和各自 的特點。分析了每一個技術(shù)的優(yōu)點與缺點，并指出技術(shù)適用的范圍。對于m i m o 技術(shù)采用v b l a s t 編碼方式，其技術(shù)能夠使傳輸速率更快效率更高。對于o f d m 技術(shù)強調(diào)了其消除符號間干擾( i s i ) 的重要性，給出具體方法。結(jié)合各自技術(shù) 1 9 聆 r _ _ _ l 七 吁 + 、 忍 ，l叮女 x 、- 、 n ，l 黿 一 p ( 七 日 以x 每 = 、_ 、 聆 ，- ，p 七y m i m o o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 的長處，將兩項技術(shù)合并組成m i m o o f d m 系統(tǒng)。分析了該系統(tǒng)的組成原理及 組成原因，分析兩者結(jié)合能夠在很大程度上提高性能，取各自的優(yōu)點得到更好的 組合。運用公式推理得出系統(tǒng)操作的可行性，能夠大大提高系統(tǒng)的各項性能。證 明該技術(shù)能夠為下一代通信提供了很好的技術(shù)支持。 m i m o o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 3m i m o o f d m 信道估計分析 3 。1 無線信道的特征 要對m 蹦o o f d m 系統(tǒng)進行分析，信道估計是重要的一方面，可以從中得 到系統(tǒng)性能提高的情況。麗要對信道進行估計，首先就要對無線通信信道有所研 究與了解。無線和移動信道最大的特點就是時變性，與其它通信信道相比，移動 通信信道模型是最為復(fù)雜的一種。復(fù)雜、惡劣的傳播條件是移動信道的特征，這 是由在運動中進行無線透信這一方式本身所決定的。從發(fā)射枧發(fā)出的無線電波在 傳播路徑上受到周圍環(huán)境中地形地物的作用，產(chǎn)生繞射、反射或透射，進而產(chǎn)生 陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，出來了各種不同的衰落和擴展。這樣，到達 接收機時將是從多條路徑傳來的多個信號的疊加。多徑傳播罷l 起接收信號的幅 度、相位和到達時間的隨機變化，同相疊加使信號增強，反相疊加使信號減弱。 從而導(dǎo)致接收信號幅度的劇烈變化以及接收信號在不同維的擴展( 時間、頻率、 空間) ，產(chǎn)生所謂的多徑衰落，嚴重影響信號傳輸質(zhì)量。信號在傳播過程中所遭 受的損害，可以歸納為衰落和擴展兩個方面。 3 1 1 無線信道的衰落 首先我們先介紹無線信道的衰落。信道的衰落是指無線信號所經(jīng)受的傳播損 耗，表現(xiàn)為接收信號的電平在時間、空間或頻率的某個區(qū)域內(nèi)圍繞平均值起伏變 化。根據(jù)不同的信道特性可以從兩個角度來描述衰落信道呸慢衰落( s l o w 聊遮g ) 或稱大尺度衰落( h r j 擎一s c a l e d i 玨g ) 信道和快衰落( s t d i 鴻) 或 稱小尺度衰落( s m a l l s c a l ef a d i n g ) 信道。 l 、慢衰落 無線電波在自由空聞蠹傳播，其信號功率會隨著傳播距離的增加藹減少，這 會對數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)的性能帶來不利影響。最簡單的大尺度路徑損耗的模型可 以表示為： l ：蘭。k 三( 3 一1 ) p d 1 2 l m i m o o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 其中，p 表示本地發(fā)射信號功率，p v 表示接收功率，d 是發(fā)射機和接收機之間的 距離。對于典型環(huán)境來說，路徑損耗指數(shù)1 ，一般在2 到4 中選擇。由此可以得到 平均的信號噪聲比( s n r ) 為： 姍：曼：k 至上( 3 2 )5 1 7 r = 二上= k l 二-( 3 2 ) r d 1n p 其中，0 是單邊噪聲功率譜密度，b 是信號帶寬，k 是獨立于距離，功率和 帶寬的常數(shù)。如果為保證可靠接收，要求鄹識骶，其中船表示信噪比門 限，則路徑損耗會為比特速率帶來限制。 三 d 墨f 一l 1 r ( 3 3 ) n o b 馴氏1 可見，如果不采用其它特殊的技術(shù)，那么數(shù)據(jù)的符號速率以及電波的傳播范 圍都會受到很大的限制。但是在一般的蜂窩系統(tǒng)中由于小區(qū)的規(guī)模相對較小，所 以這種慢衰落對移動通信系統(tǒng)的影響并不需要單獨加以考慮。 2 、快衰落 電波在沿地表傳播中受到各種阻礙物的反射、散射和吸收，實際到達接收天 線出的電波除了來自發(fā)射天線的直射波外，還存在來自各種物體的發(fā)射波和散射 波。反射波和散射波在接收天線處形成千涉場。此外，還存在因移動臺的快速移 動而劃過電波的波節(jié)和波腹的駐波現(xiàn)象及由于多普勒效應(yīng)而造成的相移。以上原 因使得實際移動臺接收到的場強在振幅和相位上均隨時間急劇變化，這就是天線 電波的衰落現(xiàn)象，其中隨時間急劇變化的部分稱為快衰落【4 1 1 。目前在一般的移 動通信中都利用快衰落信道模型進行研究。 信號的快速衰減是由信號的隨機相位引起的，而隨機相位一般是由路徑的長 度和載波的頻率決定的。如果假定相位在 o ，2 萬 區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，那么接 收機處的垂直電場的同相分量和正交分量服從高斯分布，而它的包絡(luò)服從瑞利分 布。如果存在一條直接傳播路徑，那么這個包絡(luò)變成了萊斯分布。在仿真信道的 快衰落時，一般假定在一個符號傳輸期間，隨機信道矩陣元素保持不變，但在傳 輸下一個符號時，信道矩陣元素要發(fā)生隨機變化。如果傳輸某組符號的時間遠遠 小于總的傳輸時間，而在傳輸這組符號時，隨機信道矩陣元素保持不變，但在傳 輸下一組符號時，信道矩陣元素發(fā)生了改變，這種衰落稱之為快衰落。 m i m o o f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 3 1 2 無線信道的擴展 信道擴展是信號能量在時間、空間或頻率軸上的擴散?？梢詮? 個角度來描 述擴展信道：頻率擴展( 多普勒擴展【6 】【7 】【1 0 】) 、時延擴展和角度擴展。 l 、時延擴展 多徑傳播的基本特征是到達接收機的各路發(fā)射信號具有不同的衰減因子和 時延，接收信號在時域內(nèi)的擴展稱為時延擴展，它與信道的頻域選擇性有關(guān)，相 干帶寬與時延擴展成反比。 時延擴展乙定義為多條路徑中最大的時延，相干帶寬吼定義為時延擴展的 倒數(shù)，即島= l ，相干帶寬為頻率變化的最大范圍，在該帶寬內(nèi)，信道相應(yīng)可 認為是常數(shù)，用e 表示信號帶寬。即如果e 見，可以認為信道的轉(zhuǎn)移函數(shù)是 恒定的，信號的不同頻率分量經(jīng)歷了相同的衰減，這樣的信道就稱為頻率平坦衰 落信道或非頻率選擇性衰落信道【1 1 1 ；如果e b 或只 仍，不同的路徑信號產(chǎn) 生交疊，引起碼間干擾，這樣的信道就稱為頻率選擇性衰落信道。 2 、多普勒擴展 移動臺在運動中進行通信時，接收信號的頻率會發(fā)生變化，這就是多普勒頻 移，所引起的在頻率方向的擴展稱為頻率擴展，也叫多普勒擴展，這是任何波動 過程都具有的特性。 信道的時變性是指信道傳遞函數(shù)是隨時間而變化的，即在不同時刻發(fā)送相同 的信號，在接收端收到的信號是不相同的。時變性在移動通信系統(tǒng)中的具體體現(xiàn) 之一就是多普勒頻移，即單一頻率信號經(jīng)過時變衰落信道之后呈現(xiàn)為具有一定帶 寬和頻率包絡(luò)的信號，這又可以稱為信道的頻率彌散性。多普勒效應(yīng)所引起的附 加頻率偏移可以稱為多普勒頻移( d o p p l e rs h i r ) ，可以用下式表示： 力。；c o s 口。盟c o s 口。厶c 0 s 口 ( 3 4 ) lc 其中，六表示載波頻率，c 表示光速，表示最大多普勒頻移，v 表示移動臺的 速度?？梢钥吹?，多普勒頻移與載波臺運動速度成正比。當移動臺正向入射波方 向移動時，多普勒頻移為正，即移動臺接收到的信號頻率會增加；如果背向入射 波方向運動，則多普勒頻移為負，即移動臺接收到的信號頻率會減少。 m i m o 0 f d m 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)的研究 由于存在多普勒頻移，所以當單一頻率信號( 兀) 到達接收端的時候，其頻 率不再是位于頻率軸廠。處的單純d 函數(shù)，而是分布在( 厶- 廠膈，厶+ 厶) 內(nèi)的， 存在一定寬度的頻譜。 從時域來看，與多普勒頻移相關(guān)的另一個概念就是相干時間，即 1 ( 丁) 。一 ( 3 5 ) ，m 相干時間是信道沖激響應(yīng)維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值。換言之，相干 時間就是指一段時間間隔，在此間隔內(nèi)，兩個到達信號有很強的幅度相關(guān)性。如 果基帶信號帶寬的倒數(shù)，一般指符號寬度，大于無線信道的相干時間，那么信號 的波形就可能會發(fā)生變化，造成信號的畸變，產(chǎn)生時間選擇性衰落；反之，如果 符號的寬度小于相干時間，則認為是非時間性選擇性衰落，即慢衰落【2 1 。 3 2 無線信道的數(shù)學模型 前面簡單的介紹了多徑傳播，以及由多徑傳播造成的多徑衰落擴展。為了便 于具體分析m i m