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哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 摘要 o f d m 技术由于支持高速数据传输、抗多径信道干扰以及频谱利用率 高，而被普遍认为是4 g 移动通信系统的核心技术。m i m o 技术可以大大增 加无线通信系统的容量，并改善无线通信系统的性能，非常适合4 g 移动通 信系统中高速率业务的要求。因此将m i m o 技术和o f d m 这两项技术联合考 虑成为一种很自然的想法。 信道估计是m i m o o f d m 系统中的关键技术之一，信道估计的准确与否 直接关系到系统性能的好坏，因此寻求快速、准确、可靠的信道估计算法以 提高信道估计精度是一个重要的研究课题。本文主要就此展开讨论。 本文在分析无线信道的主要特征和信道模型的基础上，详细论述了 m i m o 、o f d m 系统的主要原理和关键技术，深入研究了基于训练序列的信 道估计，给出了l s 估计算法及m m s e 信道估计算法。 针对无线信道的时延谱是离散的这一特点，忽略信道中多径分量为零或 者最小的路径从而降低l s 估计算法中矩阵求逆运算的复杂度，同时给出了 最优化训练序列进一步使算法得到简化；通过设计适当的训练序列的方法使 m m s e 估计转化为单天线信道估，为进一步简化算法在此基础上介绍了 l m m s e 估计算法，提出了利用单值分解的方法来降低算法的复杂度。 最后结合计算机仿真对这些算法的有效性和可行性进行了全面地分析与 比较。 关键词算法；l s 信道估计算法；m m s e 信道估计算法； 哈尔滨理t 大学t 学硕f ：学位论文 m i m o o f d mc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mr e s e a r c h a b s t r a c t b e c a u s eo f d mt e c h n i q u es u p p o r t sh i g h - s p e e dd a t a s d e l i v e r i n g ，r e s i s t s m a n yp a t hl e t t e rw a yi n t e r f e r e n c ea n df r e q u e n c yc h a r tu t i l i z a t i o na r eh i g h ，s oi ti s g e n e r a l l yc o n s i d e r e dt ob et h ec o r et e c h n o l o g yi n4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s m i m ot e c h n o l o g yc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ec a p a c i t yo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s ， a n d i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ，i ti si d e a lf o r4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m si nt h e h i g h s p e e db u s i n e s sr e q u i r e m e n t s t h e r e f o r eu n i t em i m ot e c h n i q u ea n do f d m s t h e s et w ot e c h n i q u e st h ec o n s i d e r a t i o nb e c o m e sak i n do fv e r yn a t u r a lv i e w p o i n t c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nm i m o o f d ms y s t e m ， c h a n n e le s t i m a t eo fa c c u r a t eo rn o tt h eq u a l i t yf o rr e l a t i n gt os y s t e mf u n c t i o n d i r e c t l y ，s ol o o k i n gf o rq u i c k l y ，a c c u r a t ea n dd e p e n d a b l ec h a n n e le s t i m a t e a l g o r i t h m i s a l l i m p o r t a n t r e s e a r c h t o p i cb yr a i s i n g c h a n n e le s t i m a t e a c c u r a c y t h i st e x tm a i n l yl a u n c h e st h ed i s c u s s i o nn o w b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a i nf e a t u r e so fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h e c h a n n e lm o d e lt h i st e x td i s c u s s e sm i m 0 o f d ms y s t e m sm a i np r i n c i p l e sa n d k e yt e c h n o l o g i e s ，i n - d e p t hs t u d yb a s e do nt h et r a i n i n gs e q u e n c ec h a n n e l e s t i m a t i o n ，t h et e x ti n t r o d u c el sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dm m s e c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m d e l a yf o rw i r e l e s sc h a n n e l i sad i s c r e t es p e c t r u mo ft h i s m u l t i p a t hc h a r m e l o v e r l o o k e dc o m p o n e n tz e r oo rm i n i m a lp a t ht h e r e b yr e d u c i n gt i m e d o m a i n a l g o r i t h ml sm a t r i xi n v e r s eo p e r a t i o no ft h ec o m p l e x ，a tt h es a m et i m eg i v e si t s o p t i m i z a t i o nt r a i n i n gs e q u e n c e ；t h u si m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c et h r o u g ht h e d e s i g no fa p p r o p r i a t et r a i n i n gs e q u e n c ee s t i m a t i o nm e t h o dm m s ea n t e n n ai n t oa s i n g l ec h a n n e le s t i m a t i o n ，i no r d e rt of u r t h e rs i m p l i f yt h ea l g o r i t h mi nt h i s l m m s ei n t r o d u c e do nt h eb a s i so fe s t i m a t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e dt ou s ea s i n g l ev a l u ed e c o m p o s i t i o nm e t h o dt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m 1 1 哈尔滨理丁大学工学硕l 二学位论文 f i n a l l yc o m b i n i n gc o m p u t e rt oi m i t a t et or e a l l yc a r r yo nt ou s e f u l n e s sa n d p o s s i b i l i t yo ft h e s ec a l c u l a t ew a y sf i n a l l yt oa n a l y z ea n dc o m p a r ec o m p l e t e l y k e y w o r d sa l g o r i t h m ，l sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，m m s e c h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 ， 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文m i m o o f d m 系统信道 估计算法的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：篱鸯 日期：刈艿年月fz 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期| 日j 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密 厂 ， 在年解密后适用授权书。 不保密 彤 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：专务浩日期：知g 年辛, 9 2 - - 日 别磁撕玺嗍：协易月洳 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信的历史与背景 移动通信不仅越来越广泛地渗透进每个人的日常生活，并且正在改变着人 们的生活方式，而且移动通信己经成为我国乃至世界各国最主要的高新技术支 柱产业之一。从2 0 世纪8 0 年代中期第一代模拟移动通信系统商用开始，经过9 0 年代第二代数字移动通信系统发展的整个过程，直到目前第三代移动通信系统 的商用开发，短短的十几年时间飞速发展己经证明，移动通信的发展速度势不 可挡，对人们日常生活的影响举足轻重。 1 1 1 移动通信的发展历史 早期的无线通信得益于电磁波理论和电报电话技术，是一种较为简单的模 拟无线通信技术。 第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 是基于模拟通信技术的，模拟调频( f m ) 加上 频分多址接n ( f d m a ) 是它的技术要点。第一代蜂窝移动通信系统存在频带利 用率低、保密性差、终端体积大等缺点。 数字化新技术采用了一系列的数字信号处理技术，其中包括信源压缩编 码、数字加密、信道编码、数字调制等：此外，采用了更加灵活、高效的时分 多址( t d m a ) 和码分多址接入( c d m a ) 技术；在业务上，除了移动电话外，还 支持最大速率不超过9 6 k b p s 的窄带数据传输。具有上述特点的数字蜂窝移动 通信系统，即通常所说的第二代移动通信系统( 2 g ) 。 随着社会不断进步，数据传输业务在现代通信业务中的比例逐年上升。作 为一个近期目标，第三代移动通信( 3 g ) 及其所提供的多媒体业务即将走入人们 的生活。毋庸置疑，无线传输技术( r t t ) 是第三代移动通信系统中最重要的组 成部分。无线传输技术主要包括多址技术、调制技术、信道编码及交织、双工 技术等。现在逐步形成了三个主要标准：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 但最高速率只有2 m b p s l 拘第三代移动通信系统称不上真正的宽带多媒体通 信，于是，便有人提出超3 g ( 即后3 g ) 的无线传输技术研究。 第四代移动通信系统( 4 g ) 可称为宽带接入( b r o a d b a n da c c e s s ) 和分布网络， 哈尔滨理下大学t 学硕，卜学位论文 具有非对称的超过2 m b p 能j 数据传输能力，其主要的指标有： 1 为用户终端提供高达几十到上百m b p 的峰值无线数据传输速率，支持包 括高速互联网数据下载、高质量视频点播在内的各种媒体传输业务，使之成为 真正意义上的宽带多媒体无线移动通信系统： 2 与i n t e r n e t 技术高度结合，相互补充、相得益彰，使之成为一个具有 强大生命力和广阔市场前景的无线移动通信系统： 3 开发新频段并大幅度提高无线传输技术的频谱效率，满足大容量无线移 动通信的需求； 要达到上述要求，必须开发与之配套的一系列新技术，其中包括最为关键 的高速无线传输技术。 1 1 2 技术现状与背景 如何满足4 g 要求呢? 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 和多输入多输出( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ， m i m o ) 的结合能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有 效的抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，而这些不需要额外的功率和带宽，从而 引起了通信界的广泛关注。使之成为实现无线信道高速数据传输n 卫1 最具希望的 解决方案之一，具有非常广阔的研究和发展前景。 正交频分复用( o f d m ) 在频域把信道分成若干正交子信道，频谱相互重 叠，减少了子信道间干扰( i c i ) ，提高了频谱利用率。同时，由于在每个子信道 上信号带宽小于信道带宽，尽管总的信道非平坦，即具有频率选择性，但是每 个子信道是相对平坦的，从而大大减少了符号间干扰( i s i ) 。此外，通过在 o f d m 中添加循环前缀( c p ) 进一步增强其抗多径衰落的能力口4 5 ”1 。 多输入多输, t , ( m i m o ) 技术不但可以成倍地提高衰落信道下的系统容量， 将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能陋引。空时编码技 术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技 术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速率， 为解决无线信道的带宽问题提供了一条新的途径n 0 1 2 培1 。 但是，现有的空时编码理论大都基于平坦衰落信道，但实际大多数无线通 信环境都属于快衰落情况( 信道非平坦) ，此时系统的性能会急剧下降，这就使 得空时码在未来宽带移动通信中的应用受到极大的限制。自从1 9 9 6 年文献n 钔首 次提出将o f d m 与空时编码相结合( 称为m i m o o f d m ) 以来，m t m o o f d m 技 术很快引起了通信界的广泛关注。由于合并了o f d m 技术，频率选择性衰落信 哈尔滨理工人学工学硕二学位论文 道转化为若干并行平坦衰落子信道，这样的系统具有空时编码带来的分集增益 和编码增益，同时兼得o f d m 接收机均衡器结构简单的优点，从而在未来的宽 带无线接入领域中采用m i m o o f d m 技术成为了一种发展的必然和技术的关 键。 1 2 课题的主要任务及意义 m i m o o f d m 技术作为第四代移动通信系统( 4 g ) 的关键技术之一，正是 本课题的研究主题。 m i m o o f d m 技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一 起，可以大大提高无线通信中的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落、 抑制干扰和噪声。在实际应用中，为了进一步提高系统的频谱效率，m i m o - o f d m 系统通常采用幅度非恒定的调制方式，例如1 6 q a m 等，在这种情况下， 接收端需要信道状态信息c s i 才能进行相干解调，另外，空时编码的译码也需 要有精确的信道状态信息才能完成。因此，信道估计是m i m o o f d m 系统接收 机设计的一项主要任务。 有关o f d m 系统中的信道估计通常可以分为基于训练序列的方法、基于导 频符号的方法和盲估计方法三类。基于训练序列的信道估计主要有最小二乘法 ( l s ) 、最大似然估计法( m l e ) 及最小均方误差( m m s e ) 信道估计n 1 7 1 ，基于导频 符号的信道估计有块状导频信道估计及梳状导频信道估计两种n 2 2 1 。但因为 m i m o o f d m 系统采用多个发射接收天线，其接收信号是多个发射天线发送信 号的衰落与加性噪声的叠加，若采用上述算法估计信道，对于某个特定的发射 接收天线对，来自于其它天线的信号即为干扰，信号噪声功率比常常在0 d b 以 下，从而带来很大的估计误差，导致系统性能急剧下降，因此，m i m o o f d m 系统中的信道估计是一个充满挑战且极具意义的研究领域。本文将针对m i m o o f d m 系统的信道估计问题进行研究。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文围绕m i m o o f d m 系统中的信道估计技术展开分析研究，研究过程 中，采取了理论分析和计算机仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究 的正确性和可行性，主要进行了以下几个方面工作： 1 深入分析了m i m o o f d m 技术在国内外的最新研究成果，总结出该技 哈尔滨理1 = 人学工学硕上学位论文 术领域的两大研究方向，即基于o f d m 的空间复用和空时编码o f d m 。给出了 常用的m i m o 信道的模型，同时指出信道估计是保证系统传输质量，发挥其优 越性的关键所在。 2 针对采用突发传输方式的m i m o o f d m 系统，深入研究基于训练序列 的信道估计方法，依次分析了m i m o o f d m 系统中的l s 估计算法及m m s e 估计 算法，在此基础上分别给出它们的改进算法，最后结合计算机仿真分析比较了 这些算法的有效性和可行性。 论文总共分为五章，结构安排如下： 第二章讨论了衰落信道的包络特性、选相位特性。介绍了慢衰落、快衰 落、时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落以及m i m o 信道的特 性，给出了常用的m i m o 信道的模型。 第三章以m i m o o f d m 技术为核心，阐述了o f d m 和m i m o 的基本原 理，讨论了m i m o o f d m 的系统结构，重点分析了s t b c o f d m 系统的工作原 理及性能特点，最后给出在理想c s i 情况下系统的性能曲线，并指出信道估计 是决定系统性能的关键因素之一。 第四章重点讨论了基于训练序列的信道估计方法，研究了m i m o o f d m 系统中的l s 估计算法，在此基础上分别给出了它的简化算法及改进算法。 第五章研究了m m s e 信道估计算法并通过设计合适的训练序列是矩阵求 逆规模减少，在此基础上介绍了l m m s e 估计算法，提出了利用单值分解的方 法来降低算法的复杂度。最后结合计算机仿真对本文研究的几种算法进行了详 尽的分析与比较。 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 第2 章衰落信道特性 无线通信信号的传播模型分为大尺度传播模型和小尺度传播模型，大尺度 模型主要用来预测无线覆盖范围，简称为路径损失模型；小尺度模型主要描述 在非常短的距离或时间内由于多径传播、收发信机的移动造成的信号幅度相位 迅速变化的情况，简称为衰落模型。而对于无线信道来说，除了要考虑无线信 道的衰落特征以外，还要考虑多个信道之间的相关性对系统的影响。本章我们 首先研究多径时变信道的衰落特征，然后介绍了m i m o 信道模型及信道矩阵的 性质。 2 1 多径时变信道 无线移动信道最大的特点就是时变性，与其它通信信道相比，移动通信信 道模型是最为复杂的一种。在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接 收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化接收信号 的质量，影响通信可靠性。可见，移动通信信道是时变的多径信道。 复杂恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这 一方式本身所决定的。从发射机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境中 地形地物的作用，产生绕射、反射或透射。这样，到达接收机时将是从多条路 径传来的多个信号的叠加。多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的 随机变化，同相叠加使信号增强，反相叠加使信号减弱。从而导致接收信号幅 度的剧烈变化以及接收信号在不同维的扩展，产生所谓的多径衰落，严重影响 信号传输质量。移动信道环境中任意时n t 接收到的瞬时衰落复信号，( f ) 可以 写成 r ( t ) = a ( t ) e ( 2 - 1 ) 其中，口( f ) 代表接收信号的包络，矽( f ) 代表相位，因此接收信号可以认为 在接收电平和相位两个方面受到影响，分别由包络a ( o 和相位( ，) 来刻画。 2 1 1 包络特性 接收信号的电平由信号包络口( ，) 来刻画，其中口( f ) 可以分解为两个乘性分 量g ( r ) ，口，( f ) ，其中q s ( f ) 表慢衰落，a r ( f ) 代表快衰落。因此 口( f ) = q ( f ) q ( ，)( 2 2 ) 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 2 1 1 1 慢衰落慢衰落表示接收信号的长期变化，表征的是快衰落信号的局部 中值随时间的变化情况，大量测试数据表明，信号局部中值变化较为缓慢，在 r a y l e i g h 范围内，它的平均接收功率服从对数正态分布，可用下面的概率密度 函数来描述： p - j 志e x p 卜警】伶o ( 2 - 3 ) lo r 0 ( 2 - 5 ) r - 0 其中，4 为直射波的最大幅值，厶( x ) 为修正的零阶第一类b e s s e l i 函数，显 然，在不存在直射波的情况时( 彳= 0 ) ，r i c i a n 分布即退化为r a y l e i g h 分布。 2 1 2 相位特性 在介绍了瞬时衰落的接收信号的包络特性后，现在进一步分析瞬时衰落的 接收信号的相位特性，接收信号的相位特性由衰落过程的频域特性、时域特性 和空域特性刻画。这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩 展有关。 2 1 2 1 时间选择性衰落由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有 一2 ，一插 一 “ 双 二矿。 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 i l l i_ _ l 目目 目目目e l 一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移，记 为f o ，它与移动用户的运动速度成正比。假定信源和移动接收台相距很远， 则在移动台移动的过程中，可以认为其运动方向和无线电波之间的夹角秒( 即 到达角) 不变，因此： ?埘 。2 孟2 y ，c o s # a ：一v c o s p 力 ( 2 - 6 ) 其中，名为波长，y 为移动速度。上式表明，多普勒频移由移动台的运动速 度v ，移动台的运动方向和无线电波之间的夹角曰以及无线电波的波长力决 定。 信号强度与多普勒频移之间的关系称为信道的多普勒功率谱。若假设散射 体在角度【0 ，2 7 r 】内服从均匀分布，则垂直电场的多普勒功率谱将具有下面的形 式： 沏= 轰 1 _ ( 等丌m 小m p 7 ， 式中，厶= 旯为最大多普勒频移，z 为载波频率，仃为各向同性的天线 接收到的平均信号功率，由( 2 7 ) 式描述的多普勒功率谱称为经典谱。 多普勒扩展是一种由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时 间选择性衰落。 多普勒扩展可以用信道的相干时间表征，相干时间乙就是两个瞬时时间 的信道冲击响应处于强相关情况下的最大时间间隔。在移动通信中，相干时间 可由如下的关系式给出： = 矗= 万1 y ， ，一 ( 2 8 ) 其中，c 为光速，v 为移动接收台的速度，疋为载频，尼为最大多普勒频 移。可以看出相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道随时间变化快慢的一个 测度。相干时间越大，信道变化越慢；反之，相干时间越小，信道变化越快。 由于多普勒扩展与相干时间有关，所以从衰落的角度看问题，多普勒扩展引起 的衰落与时间有关，故称之为时间选择性衰落。既然是时问选择性衰落，根据 时间变化的快慢，有慢衰落和快衰落之分。若基带信号带宽比多普勒扩展大得 多，则多普勒扩展的作用在接收端就可忽略不计，这意味着无线信道是一种慢 衰落信道，否则，就应该考虑多普勒扩展的作用，这就是快衰落信道的情况。 哈尔滨理t 大学工学硕f j 学位论文 2 1 2 2 频率选择性衰落由上可知，多径效应的多普勒扩展在频域上将信号的 带宽展宽了。此外多径效应还会在时域上造成信号波形的展宽。假设基站发射 的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延的不 同，移动用户接收到的信号为一串脉冲，即接收信号的波形比原脉冲展宽了。 由于信号波形的展宽是由信道的时延引起的，所以称之为时延扩展。 时延扩展可由以下公式表示： 2 = 炽_ f f ) 2 尸p 胁一f 2 ( 2 9 ) 其中，尸( f ) 是归一化的特征曲线，p ( r ) 的均方根值为时延扩展。 根据定义，时延扩展表示时延的散布程度：a 越大，时延扩展越严重； 越小，时延扩展越轻。时延扩展是对多径信道时延特性的统计描述，是多 径信道最重要的参量。如前所述，多普勒扩展引起时间选择性衰落，并且可以 用相干时间描述；类似的，时延扩展引起频率选择性衰落，并且可以用相干带 宽描述，相干带宽表示信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大 频率差。 对于服从r a y l e i g h 分布的衰落信号，它们在频域内两个频率点石，五处的相 关系数为： 1 p ( 石，五) 2 雨玩薪( 2 - 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可见，当两个信号的频率间隔很大时，它们的相关系数很小， 反之，则它们的相关系数很大。定义信号相关系数等于0 5 时对应的频率间隔为 相关带宽既，则由式( 2 1 0 ) 可以得到： = 1 ( 2 7 r 匹) ( 2 1 1 ) 相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔，是信道频率 选择性的测度，可以认为当两频率分量的间隔小于相关带宽时衰落具有一致 性，当信号频谱大于相关带宽时，其衰落具有不一致性，即发生了频率选择性 衰落：相干带宽与信号带宽之比越小，信道的频率选择性越强；反之，相干带 宽与信号带宽之比越大，信道的频率选择性就越弱，因此衰落信号中的两个频 率分量是否相关，取决于它们的频率间隔。在实际中通常也采用最大多径时延 差t m 的倒数来规定相关带宽。 相关带宽是移动信道的一个基本特性，信号通过移动信道发生频率选择性 衰落还是平坦性衰落，取决于信号本身的带宽。当码元速率较高，信号带宽大 于相关带宽时，发生频率选择性衰落；当码元速率较低，信号带宽小于相关带 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 宽时，则发生平坦性衰落。在平坦衰落里，信道的多径结构可以使发射信号的 谱特性在接收端得到保持，不过由于多径引起的信道增益的扰动，接收信号的 强度却是随时间变化的。 需要指明的是，快衰落和慢衰落关注的是时问变化速率和发射信号之间的 关系，而不涉及到传播路径的损失模型。 2 1 2 3 空间选择性衰落接收端的角度扩展指的是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。在某些情况下，一路径的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关 的。 角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落，意即 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描述。相干距离定义为两副天线上的信道响应 保持强相关时的最大空间距离。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。 另外，电波在自由空间传播引起的扩散损耗以及阴影效应引起的慢衰落也 将影响接收信号。因此，移动通信的无线信道传播环境是十分恶劣的。 2 2m i m o 信道特性 多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术是无线移动通信 领域的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量 和频谱利用率，能满足新一代移动通信系统的高传输速率的要求，是新一代移 动通信系统必须采用的关键技术之一。 m i m o 系统即多输入多输出系统，就是在无线信道中利用多个天线收发来 抑制信道的衰落。对于无线信道而言，由于地形、天气等因素造成电磁波多路 径传播，产生多径衰落，引起码间干扰，会大大降低系统的性能，这是无线信 道相对于有线信道一个先天的缺陷，然而对于m i m o 系统而言，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。 图2 - 4m i m o 信道示意图 f i g u r e2 - 4m i m oc h a n n e ls k e t c h 哈尔滨理t 大学丁学硕，i 二学位论文 图2 4 给出了一个典型的m i m o 系统的信道示意图。假设该系统有f 个发 射天线和，个接收天线。第j 个发射天线( j = l ，r ) 与第i 个接收天线 ( i = 1 ，m ) 间的信道冲击相应为曩，( f ，) ，由此m i m o 信道就可以由一个 n x m 的矩阵h ( r ，f ) 来表示： h ( r ，) = 啊，l ( f ，f )啊，2 ( f ，f ) 铂，m ( f ，f ) 缟，l ，f )吃，z 0 ，f ) 吃，p ，t ) k ，l ( f ，f ) k ，2 ( r ，f ) k ，m ( r ，f ) ( 2 1 2 ) 我们用向量 ，( f ，f ) h 2 , j ( r , t ) k ，j ( f ，f ) r 表示第歹个发射天线和所有接收 天线间的信道冲击响应，s ( f ) 表示第，个发射天线传输的信号，只( r ) 表示第7 个接收天线接收到的信号，有 ， 咒( f ) = 忽。) 搴s j ( t ) f = l ， ( 2 - 1 3 ) ：将m i m o 信道的输入和输出之间的关系用矩阵表示为 y ( t ) = h ( r ，f ) s ( t ) ( 2 - 1 4 ) 其中，m ) - 西( f ) 是( f ) 屯 丁是一个，1 的向量，埘= l ( f ) 咒 巩( f ) r 是一个，x l 的向量。 在本文中，我们假设不同的发射接收天线对之间的信道冲击响应是不相关 的。 2 3 小结 本章主要讨论移动通信信道的一些特性，介绍了各种衰落的概念，并较详 细地介绍了小尺度衰落的特性。分析了频率选择性衰落和时间选择性衰落产生 的原因及其对信道估计的影响。最后介绍了m i m o 信道的性质。 哈尔滨理t 火学工学硕上学位论文 第3 章m i m o o f d m 基本原理 新一代移动通信将可以提供高数据传输速率( 高于1 0 0 m b i t s ) ，支持从语音 到多媒体包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率 不同动态调整。其另一个特点是低成本。这样在有限的频谱资源上实现高速率 和大容量，需要频谱效率极高的技术。m i m o 技术充分开发空间资源，利用多 个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以 成倍地提高信道容量。o f d m 技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正 交，可以高效地利用频谱资源。另外，o f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载 波可以有效地抵抗频率选择性哀落。两者相结合构成的m i m o o f d m 系统，能 够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗多径衰 落、抑制干扰和噪声，而这些不需要额外的功率和带宽，从而引起了通信界的 广泛关注，具有广阔的发展前景。本章首先简要介绍o f d m 和m i m o 的基本原 理，然后对m i m o o f d m 的系统结构及工作原理作了深入分析。 3 1o f d m 基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制方式，实际上是m c m ( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n 。多载波调制) 的一种，其概念源自频分复用f d m ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 及多载波通信m c ( m u l t i c a r d e rc o m m u n i c a t i o n ) 技术。 o f d m 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并行 的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收 端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰( i c l ) 。每个子信 道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰 落，从而可以消除符号间干扰( i s i ) 。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信 道带宽的- d , 部分，信道均衡变得相对容易。为了能够完全消除i s i ，通常在 o f d m 符号中引入保护间隔，最有效的保护间隔是使用符号的循环扩展m 1 ，即 把符号结尾的一段复制加到符号的起始端，如图3 1 所示。由于码元符号是周 期的，保持了子载波间的正交性，减小了载波间干扰( i c i ) 的影响。只要选取的 保护间隔大于信道的最大迟延扩展，就会完全消除i s i 和i c i 的影响。 哈尔滨理工人学1 二学硕 ：学位论文 = ! ! ! 自e = = e = = ! ! = 目自= = = = = ! = = ! j e = ! = ! = ! = ! ! ! ! = g l ll m im = ! = = ! 目! = ! e j ! j ! = g 目= | = 自i 一 加上c p 的o f d m 符号 ，复制 嬲黼 ， 一 数据间隔n j 图3 1 插入保护间隔的o f d m 符号 f i g u r e3 - 1i n s e r tp r o t e c t i o ni n t e r v a lo f d ms y m b o l s 3 1 1o f d m 信号的数学描述 o f d m 备受关注的重要原因之一就是它可以利用离散傅立叶反变换离散 傅立叶变换( i d f t d f t ) f 替多载波调制和解调。假定o f d m 系统带宽为职载 波数为，循环前缀为，记第z 个符号周期的传输数据为k ，五，f “叫，则 o f d m 基带等效信号可以表示为 - 1 毋( f ) = 五，哦( t - i t ) ( 3 - 1 ) k = 0 其中，t = n m + ，吼( ，) 是频率为k w n 的载波波形函数， 州垆降p 畴( f 嘞) f 0 ，t 11 ( 3 - 2 ) 其它 且呶( f ) = t ( t + n m ) ，【o ，r c p 】。那么，发射端的基带连续复信号便可表示 成 一l s ( ，) = s t ( t ) = 五哦( t - i t ) ( 3 - 3 ) l = - - i = - - k = 0 令信号通过一个多径衰落信道，其等效低通冲激响应为f 【o ，乙】， 则接收到的o f d m 基带信号可以表达为 ，( f ) = ( o s ) o ) = c 卵h ( r ) s ( t r ) d r + 刀( ，) ( 3 4 ) ，( f ) = ( o s ) o ) = 【“ 一 + 刀( ，) ( 3 4 ) 其中， ( f ) 为加性高斯白噪声( a w g n ) 。 哈尔滨理 二人学r t 学硕一i j 学位论文 由于o f d m 揣l 入了循环前缀，并1 段定其长度大于信遭的最大时延 扩展，因此符号间干扰i s i 可以完全消除，为了表达式简单，时间下标，可以省 去。 假设o f d m 接收机的第阶匹配滤波器为l u k ( t ) 删= p 鼍髫吗1 ( 3 _ 5 ) 则在系统保持严格同步的前提下，第k 个匹配滤波器的采样输出为 砭= ( ，o ) ( f ) i 甜j 二，( f ) 虮( r f ) 出 ：( r 办( 讲荟n - i 鼍，啡( 卜f ) 弦) 哦( ，) 魂+ 刀( 丁一r 厩( ，) 办3 石 经化简 k = 笔五，忸，“，) ：( f 砂+ m ( 3 - 7 ) 式中，也，= 日可k w ) = r 厅( f 弦。2 础为第七载波信道的频率响应： m = en ( t f p ：( r ) 西为a w g n 。 由于。( ，) 具有正交性，即 吣岫：o ) a t = 础叫) ( 3 - 8 ) 式( 3 7 ) 可以进一步化简为 k = 风丘+ m ( 3 - 9 ) 由公式( 3 1 ) ( 3 2 ) 可知，o f d m 的基带等效信号可以用i d f t 来定义，在实际 中可以用更有效的i f f t 来实现。可以认为数据的编码映射在频域进行，经过 i f f t 变换转化为时域信号发送出去，接收端通过f f t 变换再恢复出原始的频域 信号。 3 1 2o f d m 技术的特点 o f d m 技术有如下突出优点： 1 o f d m 可以有效地对付多径衰落，有利于移动接收。在具有相同多径时 哈尔滨理丁大学丁学硕十学位论文 i f f 并 加入 弋 ，专 t循环 由 前缀 哪主蹄串俨出 图3 2o f d m 系统的原理框图 f i g u r e3 - 2b l o c kd i a g r a mo fo f d ms y s t e m 延的信道传输中，o f d m 均衡器的复杂度远远低于具有相同性能的单载波方 案； 2 在变化相对缓慢的时变信道中，o f d m 方案可以通过改变系统参数明显 地提高传输速率； 3 o f d m 可以有效地对抗窄带干扰，因为窄带干扰只能频率选择性地影响 一小部分载波上的数据； o f d m 技术存在有两个主要缺陷： 1 o f d m 有比较大的峰平比，这会降低射频放大器的功率效率，而且对放 大器的线性特性要求比较高； 2 对定时和载波频率偏移敏感。 3 2m i m o 系统基本原理 多输入多输出( m i m o ) 技术是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现 高数据速率，提高传输质量的重要途径。m i m o 无线数字通信系统也称为大容 量数据传输系统。此项技术被认为是现代通信技术中重大突破之一，由于该技 术提供了解决未来i n t e m e t 无线网络中的业务容量需求瓶颈问题，而名列当今技 术进步列表中的显要位置。但更令人吃惊的是，m i m o 技术刚刚出现才几年， 就在诸如宽带无线接入系统、无线局域网( w l a n ) 和3 g 及后3 g 等商用无线通信 产品和网络中得到了充分应用。 m i m o 通信系统可以简单地定义如下，即只要在发射端和接收端分别采用 多个天线的通信系统就称为m i m o 通信系统。m i m o 技术的机理是信号通过发 射端的和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户得到的服务质量 i 网目 至 哈尔滨理工人学t 学硕_ 学位论文 ( 误比特率或数据速率) 。利用m i m o 技术可以提高网络的服务性能并给网络运 营商带来巨大的收益。 根据信息论最新成果，假定发送天线数为m ，接收天线数是，在每个天 线发送信号能够被分离的情况下，有如下信道容量公式羽： c _ - n i l o g