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北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的 内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得北京邮电大学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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 盔! l 旦目氩 日期：趁q f 旦：五12 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：叠! l 里虽蠹 日期：塞2 趁! 壹! l2 导师签名：互翱。辛一一 日期：一洳如；上| l 一一 北京邮电大学硕士学位论文 基于o f d m 技术中继系统中的信道估计算法研究 ( 摘要) 由于正交频分复用( o f d m ，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 t i p l e x i n g ) 技术能有效抵抗无线信道的多径衰落，已成为下一代移动通信系统 ( l t e a d v a n c e d ) 的关键技术之一。中继( r e l a y ) 系统能扩大小区覆盖， 提高系统容量，因此也成为l t e - a d v a n c e d 的热点研究方向之一。在 结合o f d m 和r e l a y 的系统中，如何获得多条链路的精确信道状态 信息是此系统获得容量增益，达到r e l a y 实用化的关键之一。本文主要 针对基于o f d m 调制r e l a y 系统中的信道估计算法进行了理论和仿 真研究，主要工作有以下三方面： 1 、针对放大转发( a f ，a m p l i f y a n d f o r w a r d ) 中继系统的信道 估计算法研究。目前这方面的大部分研究成果只能获得源端( s ， s o u r c e ) 一中继( r e l a y ) - 终端( d ，d e s t i n a t i o n ) 综合链路( s r - d ) 的信道 状态信息，但是不能将s r 和r d 的链路信息分离。为了解决这个 问题，本文给出了一种可以在接收端分离s r 和r - d 两跳链路信道 信息的信道估计方案。并且以信道估计均方误差( m s e ) 作为评估标准， 从理论上证明了所提算法的有效性。同时，用计算机仿真验证了理论 上的推导。 2 、针对译码转发( d f ，d e c o d e a n d f o r w a r d ) 中继系统的信道估 计算法研究。参考现已制定的标准l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的导频 方案，对s r 链路无线环境来说导频开销过大。s r 链路独立于用户， 修改s r 链路设计模式不存在用户兼容性问题。因此，可以重新设计 s r 链路的导频模式来减小导频开销，提高频谱效率，同时也不降低 系统性能。本文对s r 链路所需导频开销作了评估，并以信道估计均 方误差( m s e ，m e a ns q u a r ee r r o r ) 和误码率( b e r , b i te r r o rr a t e ) 为评估标准，通过计算机仿真来验证所设计导频图案的有效性。 3 、针对a f 中继系统中考虑信道估计误差的最优接收机研究。 无线信道的时变性和噪声等影响，决定了实际系统中不可能获得信道 的理想信息，不考虑信道估计带来的误差，会给系统的性能带来影响。 本文选择的研究点是在a f 系统中，存在信道估计误差，并假设信道 摘要 估计误差统计特性已知情况下，终端最小均方误差( m m s e ，m i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ) 接收机的设计。以解调后的信号比( s n r ， s i g n a l t o n o i s er a t i o ) 为评估标准，从理论上证明了，考虑信道估计误 差的m m s e 接收机性能要好于普通不考虑信道估计误差的m m s e 接 收机性能。并通过计算机仿真验证理论上的推导。 关键词：o f d m ，中继，信道估计，信道估计误差，m m s e 接收机 i l 北京邮电大学硕士学位论文 t h 匣r e s e a r c ho nc h a 八瞪忆le s t i i a t i o n a l g o r i t h m si ni 逻l a yo f d mb a s e ds y s t e m s ( a bs 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 t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g y , d u et oi t se f f i c i e n c yo fc o m b a t i n gt h em u l t i p a t hf a d i n go fw i r e l e s s c h a n n e l ，h a sb e e np r o p o s e da so n eo ft h ep h y s i c a lk e yt e c h n o l o g i e si nt h e n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s ss y s t e m s r e l a ys y s t e m ，d u et oi t sf u n c t i o n so f e x t e n d i n gt h ec e l lc o v e r a g ea n di m p r o v i n gt h es y s t e mc a p a c i t y , a l s oh a s b e e nah o tr e s e a r c hf i l e di nl t e a d v a n c e d i nt h es y s t e mo fc o m b i n a t i o n o fo f d ma n dr e l a yt e c h n i q u e s o b t a i n i n gt h ea c c u r a t em u l t i 1 i n kc h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ( cs i ) i sak e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h ew h o l es y s t e m p e r f o r m a n c e i nt h et h e s i s t h em a i nw o r ki sa b o u tt h er e s e a r c ho nt h e c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r f f h m si nr e l a y0 f d mb a s e ds y s t e m s ，a n dt h i s t h e s i sa c h i e v e st h ef o l l o w i n gt h r e ep a r tr e s u l t s 1 、r e s e a r c ho nc h a n n e le s t i m a t i o ni na m p l i 母a n d f o r w a r d ( a f ) r e l a ys y s t e m s i nt h i sr e s e a r c hf i e l d ，m o s te x i s t i n gw o r k so n l ye s t i m a t e t h ec s io ft h ec a s c a d e dl i n ks o u r c e r e l a y d e s t i n a t i o n ( s r d ) ，a n dt h e i n d i v i d u a li n f o r m a t i o no fs ra n dr - dl i n kc a n n o tb es e p a r a t e d t o o v e r c o m et h ep r o b l e m t h et h e s i sp r o p o s e sac h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e f o rd e s t i n a t i o nt od i s i n t e g r a t et h ec s i so fs ra n dr dl i n k sf r o mt h e c a s c a d e ds r dl i n ki na fr e l a yn e t w o r k s 附【i n gt h ec h a n n e le s t i m a t i o n m e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) a st h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r , t h e t h e s i sv e r i f i e st h ee 伍c i e n c yo ft h ep r o p o s e ds c h e m ef r o mt h et h e o r e t i c a l a s p e c t f u r t h e r m o r e t h et h e o r e t i c a ld e d u c t i o nr e s u l t sa l ev a l i d a t e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n 2 、r e s e a r c ho nc h a n n e le s t i m a t i o ni nd e c o d e a n d f o r w a r d ( d f ) r e l a ys y s t e m s n ep i l o to v e r h e a di nm s p e c i f i c a t i o ni st o om u c hf o rt h e s rl i n kt r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t t h es rl i n ki ss e p a r a t e df r o mu e s oc h a n g i n gt h es rl i n kd e s i g nw i l ln o tc a u s ea n yc o m p a t i b i l i t yp r o b l e m t ou e t h e r e f o r e ，t h ep i l o tp a u e mi ns rl i n kc o u l db er e - d e s i g n e df o r i i i l o w e rp i l o to v e r h e a da n d h i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c y , m e a n w h i l e ，t h e s y s t e mp e r f o r m a n c ei s s t i l lk e p t t h et h e s i se v a l u a t e st h er e q u i r e dp i l o t o v e r h e a di ns rl i n ka n dt a k e st h ec h a n n e le s t i m a t i o nm s ea n db i te r r o r r a t e ( b e r ) a st h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r t h ee f f i c i e n c yo ft h ed e s i g n e d p i l o tp a a e m i sv a l i d a t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n 3 、r e s e a r c ho nt h eo p t i m a lr e c e i v e rd e s i g nw i t ht h ec h a n n e l e s t i m a t i o ne r r o r b e c a u s eo ft h et i m ev a r i m i o no fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h e e x i s t i n go fn o i s e i ti si m p o s s i b l et oo b t a i nt h ei d e a lc s ii nr e a l i s t i c s y s t e m s i g n o r i n gt h e c s ie r r o ri n s y s t e md e s i g n w i l l b r i n gt h e p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n t h er e s e a r c ho ft h e t h e s i sf o c u s e so nt h e m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ( m m s e ) r e c e i v e rd e s i g ni n 陋r e l a y s y s t e m s ，w h e nt h ec s ie r r o re x i s t sa n dt h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i ci s p r e - - k n o w na tr e c e i v e r t a k i n gt h es i g n a l - t o - - n o i s er a t i o ( s n r ) a st h e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，t h et h e s i sf r o mt h et h e o r e t i c a la s p e c tv e r i f i e st h a t t h e 删s er e c e i v e rc o n s i d e r i n gt h ec s ie r r o rc o u l do b t a i nb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h a to ft h em m s er e c e i v e rn o n c o n s i d e r i n gt h ec s i e r r o r f u r t h e r m o r e t h et h e o r e t i c a ld e d u c t i o ni sv a l i d a t e db yt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：o f d m ，r e l a y , c h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r , 删s er e c e i v e r 北京邮电大学硕士学位论文 目录 第1 章 绪论一1 1 1 下一代移动通信系统要求1 1 2 下一代移动通信系统物理层核心技术：m i m o o f d m 技术2 1 2 10 f d m 技术2 1 2 2m i 帅技术4 1 3 中继协作系统概述6 1 3 1 中继协作系统发展历史与研究现状6 1 3 2 中继协作系统标准化进程7 1 4 本文的内容安排8 1 5 论文资助9 参考文献9 第2 章基于o f d m 技术的信道估计概述12 2 1 离散时变信道模型1 2 2 2 信道估计关注的问题1 3 2 2 1 信道估计内容1 3 2 2 2 信道估计方法1 4 2 2 3 信道估计算法评估标准1 4 2 3 导频设计1 4 2 3 。1 单天线导频模式1 5 2 3 2 多天线导频模式1 5 2 4信道估计算法1 6 2 4 1 频域最小二乘算法( l s ，l e a s ts q u a r e )1 6 2 4 2 频域最小均方差算法( m m s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 1 7 2 4 3 基于i d f t 变换的噪声抑制算法1 8 2 4 4 时域l s 算法1 9 2 5 插值问题2 0 2 5 1 线性插值2 0 2 5 2 复制插值2 1 2 5 3d f t 插值2 1 2 5 4 其它插值算法2 1 2 6 仿真结果与性能比较2 2 2 。6 1 仿真参数2 2 2 6 2 仿真结果以及讨论2 2 参考文献2 3 第3 章中继系统中的信道估计研究2 5 3 1 中继协作系统中信道估计问题概述2 5 3 1 1a f 中继系统信道估计关注的问题2 5 3 1 2d f 中继系统信道估计关注的问题2 6 v 目录 3 2 a f 中继分离两跳链路状态信息的方案设计2 7 3 2 1 系统模型与导频结构2 7 3 2 2 信道估计算法2 8 3 2 3 仿真结果与讨论3 3 3 3 d f 中继中回程链路下行c r s 设计3 s 3 3 1l t e 中原有的下行c r s 模式3 5 3 3 2 两种设计方案3 6 3 3 3 仿真信道选择及仿真参数3 7 3 3 4 仿真结果3 8 3 3 5 仿真评估结论4 2 参考文献，4 3 第4 章基于非理想信道估计的m m s e 接收机设计4 5 4 1 系统模型4 5 4 2 非理想c s i 上的m m s e 接收机4 7 4 2 1 带有信道估计误差的数学模型4 7 4 2 2u s e 接收机4 7 4 2 3 非理想信道状态下n n s e 接收机的s n r 分析柏 4 3s n r 性能比较。4 9 4 4 仿真结果和讨论5 0 参考文献5 2 第5 章总结与展望5 3 5 1 论文小结5 3 5 2 后继工作展望5 4 参考文献5 4 致谢 5 5 附录缩略语对照5 7 硕士期间发表的论文及提案6 1 v i 北京邮电大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 下一代移动通信系统要求 随着2 0 0 4 年底i e e e 率先推出基于8 0 2 1 6 系列规范的全球微波接入互操作 ( w l m a x ) 标准，和3 g p p 与3 g p p 2 在2 0 0 4 年分别启动l t e 和a i e 的标准化 工作，下一代移通信系统的标准化正式提上了日程。为了支持更高数据速率和更 大的系统容量，以l t e 和w i m a x 为代表的下一代移动通信系统均采用o f d m 和m i m o 作为物理层核心技术，并被看作是第“3 5 代”移动通信系统。2 0 0 8 年1 月，i t u r 正式向全球发出征集第四代移动通信标准技术的通函。为了保持长期 的竞争力，3 g p p 在2 0 0 8 年3 月正式启动第四代移动通信系统的研究，并取名为 l t e - a d v a n c e d ，力求由l t e 平滑过度并保持兼容性，计划在2 0 11 年初完成对l t e a d v a n c e d 标准的规范化。 第一代移动通信系统采用模拟调制和频分多址( f d m a ) 技术，以语音业务 为主。以欧洲g s m 为代表的第二代移动通信系统采用数字调制以及时分多址 ( t d m a ) 技术，基本能满足语音业务的要求，也能支持低速率的数据业务。第 三代移动通信系统则以码分多址( c d m a ) 作为核心技术，并以欧洲提出的 w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 以及我国提出的t d s c d m a 三大主流标准 为代表，基本能满足人们正常的语音数据业务需求。以w c d m a 为例，载波带 宽为5 m ，能够支持峰值速率为2 m b p s 。而后来演进的h s p a ，在3 g p p 的r 5 和 r 6 版本中，下行能够支持3 0 m b p s 的峰值速率，上行支持1 5 m b p s 峰值速率，基 本能够满足人们对数据业务的要求。到了3 g p p 发起的l t e 项目中，物理层核心 技术采用o f d m 和m i m o 技术，下行采用了4 根天线发送，在2 0 m 带宽内峰 值速率能达到1 0 0 m b p s 。上行峰值速率也能支持到5 0 m b p s 1 。2 0 0 8 年4 月和5 月，3 g p p 召开两次会议对l t e a d v a n c e d 系统需求进行讨论。根据众运营商和 设备商的要求。预计l t e a d v a n c e d 物理层最多能够支持8 根天线，最大到1 0 0 m 带宽，并要求在1 0 0 m 带宽内能够支持峰值速率下行1 g b p s ，上行5 0 0 m b p s 。并 且要求提高小区边缘的吞吐量和降低小区间干扰，提高频谱利用率，实现无缝覆 盖，支持多播单频网业务( m b s f n ) ，多媒体业务，采用全i p 化网络，实现移 动网络与因特网相融合，采用扁平化的网格结构，减小数据传输时延。同时，为 维护运营商和设备商的前期投资，要求l t e a d v a n c e d 应由l t e 平滑过渡而来， 绪论 能与l t e 相兼容，并且支持l t e 中第8 版规范( r 8 ) 的终端 2 】。l t e 和 l t e a d v a n c e d 的性能比较以及相应的配置由表1 1 列出。 表1 1l t e 与l t e a d v a n c e d 性能比较 l r el ，r e a d v a n c e d 核心技术 o f d m 、m i m oo f d m 、m i m o 多址方式上行：s c f d m a上行：s c f d m a o f d m a 下行go f d m a下行：o f d m a 最大天线配置数4 28 x 8 最大支持带宽 2 0 m1 0 0 m 下行：1 0 0 m b p s下行：i g b p s 峰值速率 上行：5 0 m b p s上行：5 0 0 m b p s ( 2 0 m 带宽)( 1 0 0 m 带宽) 最大处理时延控制平面：5 0 m s 控制平面：1 0 m s 用户平面：5 m s用户平面：5 m s 用户平面容量每小区5 m 带宽至少同时支持每小区5 m 带宽至少同时支持 2 0 0 令甩户3 0 0 令甩1 、 移动性支持3 5 0 k m h ( 甚至5 0 0 k m h )支持3 5 0 k m h ( 甚至5 0 0 k m h ) 兼容性平滑过渡到l t e a d v a n c e d兼容l t e 的终端 1 2 下一代移动通信系统物理层核心技术：m i m o o f d m 技术 1 2 。1o f d m 技术 无线信道带来的时变性和频率选择性是无线通信物理层中要解决的最大问 题，这也是无线通信与有线通信的区别所在。随着对数据传输的速率越来越高， 信号所占用的带宽也越来越大，符号的时间周期越来越小。当符号周期小到与时 延扩展相比拟时，由于无线信道存在多径效应，多径信号的叠加给信号带来严重 的失真。这时无线通信就要解决两个问题：( 1 ) 、如何充分利用有限的频谱资源? ( 2 ) 、如何抵抗多径时延带来的频率选择性失真? 第一个问题涉及频率资源的复用方式。最早的频分复用( f d m ) 方式，可 以保证传输信号在频率上完全正交，但是f d m 方式频谱的利用率低；而时分复 用( t d m ) 则可以靠时间上正交来共享整个带宽。但是随着数据速率增大，时 分间隔减小，这给硬件实现和时间同步精度都提出很高的要求；码分复用( c d m ) 2 北京邮电大学硕士学位论文 则是信号之间可以占用相同的时频资源，靠码字来区分不同用户信号。c d m 可 以获得比较好的频谱利用率，但上述的多径干扰问题成了c d m 方式发展的障碍。 随着码片速率增大，多径干扰成了以c d m a 为核心的第三代移动通信系统进一 步提高数据传输速率的瓶颈。在c d m a 系统中采用了时域均衡或r a k e 接收机的 方法来消除多径干扰。但是码片速率增人，均衡器的抽头数增加，同时导致均衡 的复杂度也急剧增大。因此，在3 g p p 开始l t e 项h 最初讨论时，为了支持2 0 m 以上的带宽，决定采用o f d m 技术作为未来移动通信的物理层核心技术。 o f d m 技术是一种多载波调制技术，其基本模型如图1 1 所示。比特数据经 过编码调制后的符号五经过串并变换，再分别分配到各个子载波上。各个子载波 上的时域信号相加后得到x ( o 。x ( f ) 经过时变信道后，接收端收到信号y ( o 。对 y o ) 采用相干解调分别得到每个子载波上的信号 。最后经过并串变换恢复原来 的数据。o f d m 调制的各个子载波之间部分重叠，但能够保持正交，因此，o f d m 调制要比传统f d m 多载波调制方式有更高的频谱利用率。如图1 2 为传统f d m 多载波调制与o f d m 调制的频谱图比较。可以看出，在码片速率相的情况下， o f d m 的频谱利用率是传统f d m 多载波调制的两倍。另外由于时域信号在发送 时经过串并变换，每一个符号只占用很窄的带宽。对于单个子载波来说，信号经 历的是平坦衰落，可以有效的抵抗由信道多径引起的频率选项择性衰落。在接收 端，均衡只需针对单个子载波进行，补偿相应子载波信道的衰落即可。 o f d m 思想在2 0 世纪6 0 年代就提出 3 】，但是由于采用模拟调制，需要在 发射端和接收端配置多个载波射频模块和解调模块，这让o f d m 实现起来相当 复杂，所以一起没有发展起来。在2 0 世纪7 0 年代，数字信号处理技术得到发展， s b w e i n s t e i n 提出采用d f t 变换来实现多载波调制，并只需在接收端作一个 i d f t 变换就可对多个载波进行解调。同时为了消除符号间干扰( i s i ) ，引入了 循环前缀( c p ) 。完整的o f d m 系统的收发框图于图1 - 3 所球。详细的有关多载 波调制、d f t i d f m 变换、c p 引入后的数学表达以及更多有关o f d m 调制原理， 可以参照【4 】- 【6 1 。 由于o f d m 技术的上述优点，加上o f d m 技术容易与其它先进的技术相结 合。因此，o f d m 技术得到广泛的关注和发展。但是o f d m 相比于单载波系统 也存在不足，还有些难点需解决，以备o f d m 技术也以在实院的系统中得到 应用。比如：o f d m 技术易受频偏的影响，功率峰均值比( p a p r ) 高和存在c p 开销等，这些缺点都制约着o f d m 的工程应用。因此，为进一步促进o f d m 技 术的实用性，其关键技术有以下几个方面：( 1 ) 、时域同频和频域同步。( 2 ) 、信 道估计。( 3 ) 、信道编码和交织。( 4 ) 、减小p a p r 。( 5 ) 频域均衡。在本论文中， 我们主要关注的是在o f d m 系统中的信道估计问题。 绪论 e f a a , q e | 2 是 嗡蠹吁 毒 梦呻 舒 葛蕃 并 井 y 毒 囊 变 抉 换 梦_ 叫知呼 图1 - 1o f d m 调制基本模型框图 f d m 调镧 f o f 渊调割 f 图1 - 2 传统f d m 多载波调制与o f d m 调制频谱比较 1 2 2m i m o 技术 图1 - 3o f d m 系统收发框图 f d m 、t d m 和c d m 分别是在频域、时域和码域来对资源进行利用，但是， 无论是频率、时间或者码字资源都有严格的限制。随着要求的数据传输速率增大， 人们寻求可以提高系统容量的第四维资源。因此，存在巨大潜力的空域资源受到 关注，这也引起了多输入多输出( m i m o ) 技术的兴起与发展。 早在2 0 世纪8 0 年代初w i n t e r 7 就证明了，在收发两端采用多根天线可以 提高系统的容量。后来，的f o s e h i n i 和t e l a t a r 进一步说明了m i m o 技术给通信 4 北京邮电大学硕士学位论文 系统带来的容量的提升【8 】【9 】。一个典型的m i m o 收发框图如图l 一4 所示。一个m 发，收的m i m o 系统，共有m 个信道。当所有的信道相互独立时，m i m o 的 信号收发模型可以表示为： y=hx+n(1-1) 其中y 为，l 维的接收信号向量，i 为m 1 维的发送信号向量，n 为噪声，h 为 ，m 维信道矩阵并可以写为： h = 啊l缟，l j i i ，z，： 啊， ，- k ，： h 州r 发 送 天 线 阵 翔 接 牧 天 线 阵 列 ( 1 - 2 ) 图卜4m i m o 系统收发框图 对m i m o 技术的使用大至可分为两个方面：一个是空间分集，另一个是空 间复用。空间分集利用多根天线发送相同的数据经过独立的衰落信道提高接收端 的信噪比。选择空间分集时，在收发端，天线之间的间隔都要足够大( 一般认为 要大于发射电磁波的半个波长) 以保证各信道的独立性。由于空间资源更易获得， 因此，空间分集比起时间分集( 如：信道编码) 、频率分集、码分集( 如：扩频) 来，有更大的应用前景。广泛应用的空间分集技术有空时码( s t b c ) 、空频码 ( s f b c ) 、天线选择切换、接收端分集合并等。空间复用则是让不同的信道发 送不同的数据来提高整个系统的数据传输速率。如贝尔实验室提出的对角分层空 时码( d b l a s t ) 和垂直分层空时码( v b l a s t ) 技术，可以在接收端对各天 线不同的数据进行译码。或者采用预编码( p r e e o d i n g ) 、波束赋形等技术来提高 系统容量或数据传输速率。在实际应用中，可根据信道状况或者数据业务要求来 选择相应的技术。比如：当信道质量比较差，同时要求传输高服务质量( q o s ) 的业务时，可以采用空间分集技术来获得高信噪比；而信道状态比较好时，则可 以选择空间复用技术来获得高数据传输速率。 在3 g p p 标准化的版本7 ( r e l e a s e7 ) 中，对m i m o 技术进行了立项，并将 5 绪论 其作为下一代移动通信的物理层核心技术。在l t e 中下行最大可以支持下行4 根天线，上行2 根天线。并且空时频码、预编码、波束赋形、天线选择等多种 m i m o 技术方案都可备选。而在l t e a d v a n c e d 标准中，预计最多可以支持的8 x 8 天线数量。而采用更多天线以后，相应的m i m o 技术标准都应作相应的变化， 比如：预编码和波束赋形的码本设计，天线选择与切换原则，信道信息的反馈， 多天线的导频设计等，这些都是当前研究的热点问题。 m i m o 技术可以在不增加时频码资源情况下提高系统容量，而o f d m 技术 则可以将高速的数据流经过频率选择性信道，转化为单个子载波上经过平坦衰落 信道。因此，将m i m o 技术与o f d m 技术相结合，能够提高系统的容量和数据 传输速率。m i m o o f d m 技术也成为下一代移动通信系统的物理层核心技术。 1 3 中继协作系统概述 1 3 1 中继协作系统发展历史与研究现状 协作中继技术的思想早期应用于卫星通信与微波通信中，其主要目的是采用 “接力”传输，扩大信号的传输距离。并应用于后来的自组织网络和传感器网络中。 自组织网络不存在中心控制节点，所有端终采用平面式网络结构，全由移动终端 之间相互协作来完成通信【1 0 】。自组织网络具有建网快、成本低、鲁棒性强等优 点，已经在军事中得到广泛的应用。自组织网络的发展推动了协作中继技术的成 熟，同时，协作中继技术也被引入了传统的蜂窝网络中。 传统的蜂窝网络是一个容量受限系统。未来的通信系统对系统容量，频谱利 用率和覆盖提出了很高的要求。中继技术具有储多优点来提高传输效率【l l 】【1 2 】： 提高小区覆盖，保证小区边缘通信质量，降低小区间干扰，提高终端功率效率， 采用虚拟m i m o 技术提高系统容量与吞吐量等。按照中继站对信号所做的处理， 一般可以将中继分为放大转发中继( a f ) 和译码转发中继( d f ) 【1 3 。其中a f 中继只在中继端对接收信号进行放大转发；而d f 中继则在中继端对接收信号进 行译码后，再进行编码转发。a f 中继与d f 中继各有优缺点，它们的比较由表 1 2 中列出。别外还有一种介于a f 和d f 之间的叫做估计转发( e f ) 的中继机 制，是对接收到的信号进行估计，并做一定去失真处理后再转发【1 4 】。在本论文 中，我们主要关注的是a f 和d f 两种转发机制。 6 北京邮电大学硕士学位论文 表1 2a f 与d f 中继系统特点比较 陋d f 转发机制 放大转发译码转发 处理复杂度小大 处理时延 小大 中继端功能一般只对模拟信号进行放 带有译码和编码功能 大，再转发 抗噪声性能差，好， 放大处理同时将噪声放大中继端带有纠错功能 应用场景小区“死角”，城区， 广阔农村、郊区小区“热点” 1 3 2 中继协作系统标准化进程 2 0 0 8 年3 月3 g p p 正式对l t e a d v a n c e d 立项，其中中继技术是可能被采用 的一项重要的候选技术。在3 g p p 技术报告3 6 8 1 4 中【1 5 】，按照终端能否感知中 继的存在，将中继分为透明和非透明中继；按照回程链路和接入链路是非采用相 同的频率资源，将中继分为带内和带外中继；同时规定回程链路和接入链路按照 t d m 方式来共享频率资源。在3 g p p 第5 5 b 会议上，由爱立信率先提出按照中 继的功能以及实现复杂度，将中继划分为层l 、层2 、层3 三种中继【1 6 】，三种 中继所具有的功能由图1 5 所示。并且中兴、中国移动、华为等讨论了层1 、层 2 和层3 三种中继系统在不同场景中的应用 1 7 1 1 9 】。经过讨论，在3 g p p 第5 6 次会议上由爱立信，华为，诺基亚等厂商提出类型i 中继【2 0 】，并定义了其相应 功能。在3 g p p 第5 6 b 会议上由中国移动等提议，又加入了类型i i 中继【2 l 】，将 其功能与应用场景与类型i 中继相区别。并将这两种类型写入3 g p p 技术报告 3 6 8 1 4 中。至此，围绕类型i 和类型i i 中继的各种协作策略及相应物理层技术的 提案被提到3 g p p 会议讨论。并计划在2 0 1 1 年初，实现标准的规范化。 类型i 和类型两种中继都对应为层2 或者层3 中继，一般都是属于d f 中 继，它们的特点比较由表1 3 中列出。 7 绪论 表1 - 3 类型i 与类型i i 中继特点比较 类型i 类型i i 中继分层l 2 或l 3 层中继l 2 层中继 物理层小区i d有自已的小区i d 没有自己的小区i d 透明性非透明透明 是否产生新小区是 否 后向兼容性是( 支持r 8 的u e )是( 支持r 8 的u e ) 是否发送控制信息、是 否 c r s 、广播信道 回程链路利用率 高低 使用模式覆盖扩展容量提高、覆盖扩展 成本高 低 卜i 期限，+ i ，? f 一、磊分撇，。”一_ 1 t ；“ 瓣麓用 l ；7 | 愀| t 匿_ 瓣调，鬈竭。1 l 3 巾缝 l 2 巾缝 一一 ， t l l - 翱，嗷_ ：? i i | “j 帮赫。“7 7 l l 复糟 | ，：l 糊| ? i 调翻，缡碣 图1 - 5l l 、l 2 、l 3 中继功能示意图书 1 4 本文的内容安排 本论文的组织结构如下： 第一章为诸论部分，主要介绍了下一代移动通信系统的要求和物理层的两个 核心技术：o f d m 技术和m i m o 技术。同时，对本文主要基于的研究系统：中 继协作系统作了概述。 u 竖 一 一 北京邮电大学硕士学位论文 第二章、第三章和第四章是本文的重点。第二章是对o f d m 技术的信道估 计研究现状作一个总结，后面结合o f d m r e l a y 系统的信道估计研究，都是以这 些传统的o f d m 信道估计算法为基础。首先是介绍无线信道对无线通信的影响； 然后阐述信道估计所关注问题，并对一些经典的信道估计算法进行概述：频域最 小二乘( l s ) 算法，时域最小二乘算法，最小均方误差算法( m m s e ) ，基于i d f t 变换的噪声抑制算法。接着简单阐述了信道估计中的插值问题。最后对各算法性 能作一个仿真评估，基于的评判标准是各信道估计算法的最小估计均方误差 ( m s e ) 。 第三章介绍的是在中继系统中，基于o f d m 调制技术的信道估计研究。按 照中继功能划分为a f 和d f 中继，分别对其信道估计所关注的问题作了阐述。 然后，分别对a f 和d f 中继系统下的信道估计研究点作了研究：( 1 ) 、在a f 中 继系统里，提出了一种分离源端一中继端( s r ，s o u r c e r e l a y ) 和中继端一终端 ( r - d ，r e l a y d e s t i n a t i o n ) 两跳链路信道状态信息的一种算法。( 2 ) 、在d f 中 继系统里，对源端一中继端( s r ，s o u r c e r e l a y ) 链路导频密度以及导频模式作 了设计。 第四章我们主要对存在信道估计误差下的接收机信号处理技术作了一些探 讨。基于a f 中继系统模型，假设在接收端已知信道估计