（计算机应用技术专业论文）mimoofdm系统中信道估计技术的研究.pdf

南索邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是一种高效的数字传输技术，由于其 抗多径能力强和频谱利用率高而被视为下代无线通信的核心技 零，菠一代宽黄无线接入系统也采鬻了o f d m 俸为箕调制技术。 m 1 m o 技术可以将0 f d m 与空时编码有机的结合在一起，能够大幅 度的提高尧线逯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。 信道估计是相干检测的m i m o - o f d m 系统的重要组成部分。本 文镌罨舞究分为两部分：一是蓥予导频援入鲍僚遘绩诗及英在箕在协 议8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 e 中的应用；二魑基于噪筒子空间的信道商估计 帮半盲话计簿法的研究。 论文首先介绍了m m 0 一o f 嬲垤的基本原理与实现，绘池了 m 1 m o - - o f d m 的系统组成及系统横魁；并分析了i e e e8 0 2 1 6 a 协 滚中推荐黪空眩分绦编码方案。接饕研突了氛伍一l d 绦纳滤波器察 迭代最小二乘( i t e r a t i v el e a s t - s q u a r e ) 信道估计两种估计算法，对 凇一l d 辩纳滤波器与2 1 一d 维纳肉插滤波器的性能进行了比 较，给出了仿真结果，结果表明要达n i x l 0 - 3 的m s e ，m l 与时域维 纳滤波相缩合的b e r 性能比分离的2 1 一d 维纳内插滤波器的b e r 瞧辘要略商提高；分辑了i t e r a t i v el e a s t s q u a r e 与l s 豹性能，谤真 表明，要达到lx1 0 b e r ，i t e r a t i v el e a s t s q u a r e 比l s 改善了0 8 个 鹉。论文的第二部分研究了o f d m 系统中的信道盲估计方法，深入 探讨了o f d m 系统中的一种噪声子空间盲信道估计方法，并在此基 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 础上对改避算法进行磷究，此改避算法可以将原算法推广到了不受 符号前缀和符号长发限制的情况，克服了原算法对信道零点位置敏 感的缺点；最后研究了基于子空间的m i m 0 一o f d m 系统的信道半 喜镳诗算法。 关键词：正交频分复阁，宽带无线接入，信道估计，m i m o ， 最大似然倍计，线性最小筠方误差估计，维缡滤波， 盲估计，半曹估计 n 南京邮电大学硕士研究生学襁论文摘要 a b s t r a c t o f d mi sak i n do fd i g i t a lt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ew i t hh i g he f f i c i e n c y i ti s r e g a r d e da st h ec o r et e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sb e c a u s eo fi t sh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y a n dr o b u s t n e s st o m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e n e wb w as y s t e m sa l s oa d o p to f d ma sm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y t h e c o m b i n a t i o no fo f d mw i t hs p a c e - t i m ec o d i n gh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nr e c e n t l y t oc o m b a tm u l t i p a t hd e l a ys p r e a da n di n c r e a s es y s t e mc a p a c i t yo v e rw i r e l e s s l i n k s c h a n n e le s t i m a t i o ni s i m p o r t a n t t oc o h e r e n td e t e c t i o ni nm i m o o f d m s y s t e m s t h e r ea r em a i n l yt w op a r t si nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e s t u d yo fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sb a s e do np i l o t si nm i m o - o f d ms y s t e m sa n d t h e i ra p p l i c a t i o n st oi e e e8 0 2 1 6 aa n dt e e e8 0 2 。1 6 e t h e n ，i ts t u d i e sb l i n da n d s e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si no f d ms y s t e m s f i r s t l yi n t h i st h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no fm i m o o f d m s y s t e m sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h es y s t e mc o n s t r u c t i o na n ds y s t e mm o d e la r ed e s c r i b e d s p a c e - t i m ec o d i n gs c h e m et h a th a sb e e n r e c o m m e n d e di ni e e e8 0 2 t 6 ap r o t o c o li s a n a l y z e d a f t e rt h a t , t w oc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d s m l1 dw i e n e rf i l t e ra n d i t e m f i v el e a s t - s q u a r ea r ei n t r o d u c e d 。t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fb o t hm l l d w i e n e r f i l t e r a n d2 x 1 一d w i e n e r f i l t e rs h o w s t h a t m l - 1 d m e t h o de x c e e d s2 1 一d m e t h o di nt h eb e rp e r f o r m a n c e ；t oa c h i e v et h ep e r f o r m a n c et h a tt h eb e re q u a l st o 1 x l o ，t h ei t e r a t i v el e a s t - s q u a r ec a ns a v eo + 8 d bc o m p a r e dw i t ht h el sm e t h o d f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h en e x tp a r ti sa b o u tt h eb l i n da n ds e m i - b l i n d e s t i m a t i o nm e t h o d si no f d ms y s t e m s m u q u e tp r o p o s e das u b s p a c e b a s e db l i n d c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o df o ro f d ms y s t e m s 。b u ti nt h i sa l g o r i t h m ，i ti sa s s u n l e d t h a tt h ec pl e n g t hla n dt h eo f d mb l o c ks i z ems a t i s f ya c e r t a i nr e l a t i o n s h i p i n t h i st h e s i s ，an e wi m p r o v e da l g o r i t h mw h i c he x t e n d st oa n yv a l u eo fma n dli s s t u d i e d ，t h i sl l e wa l g o r i t h mi n h e r i t st h ea d v a n t a g eo ft h ep r e v i o u so n e ，a n d g u a r a n t e e sc h a n n e li n d e n t i f i a b i l i t yr e g a r d l e s so ft h ec h a n n e lz e r o sl o c a t i o n - t h e i m p r o v e da l g o f i t h r nh a sg o t ab e t t e rp e r f o r m a n c ei ns i m u l a t i o n a tl a s t , t h er e s e a r c h h i 毒豪鄄奄太学疆圭臻究生学靛论文 攘要 i sd o n eo nt h es u b s p a c e b a s e ds e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o ni nm i m o o f d m s y s t e m k c y w o r d s ： o f d m ，b w a ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，m i m o ，m l ，l m m s e ，w i e n e r f i l t e r , b l i n de s t i m a t i o n , s e m i - b l i n de s t i m a t i o n 1 v 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：移动通信与无线技术 作 者：塑级研究生 王萍 指导教师堡蔓 题目：m i m o o f d m 系统中信遭估计技术的研究 英文题目： c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si nm i m o o f d ms y s t e m s 圭题词： k e y w o i d 8 正交频分复用宽带无线接人债道估计 m i m o 8 0 2 1 6 a8 0 2 1 6 e 最大似然估计线性最小均方误差估计 维绩滤波盲信计半盲 砉计 o f d mb w a c h a n n e le s t i m a t i o nm i m 0 8 0 2 。1 6 a8 0 2 ，1 6 em ll m m s ew i e n e rf i l t e r b h n de s t i m a t j o ns e m i b l i n de s t i m a t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 第一章绪论 正交颓分复蘑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 ) 技求由 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酱遍认为是下一 代燹线逶售系统中翡谈心技术【 】。逶过灌麓发封蠛懿攘鼓装戆天线数鬃，霹疆 进一步显著提高频谱利用率【2 】。在平坦衰落信道中，应用多天线系统时，将形 成多个空闻傣遴，瑟逡些售道不霹髓屈孵蠢缦大麴衰落。正建这穗室阗努囊霹 以遇过减小寝落冗余数提高系统性能。因此，充分开发这两种技术的潜力，将 = 密结合起采( 即m i m o - o f d m ) ，有可熊成为b 3 g 移薪一代宽带无线接入系 统的核心技术。 薹。1 m i m o o f d m 技术与空时编褥 匿交频分复用o f d m 技术是一种多载波数字遵傣技术，照藩特点是窀利用的 各子载波均为相互正交的。它的主要思想怒：将信邋分成若干难交子信邋，将高 遗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 信弩可敬通道在接收端采爱糖美技术来分开，这样可叛减多子僚道之闻的楣互予 扰( i c i ) 。每个子信道上的信号帮宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上可 敬器戒孚篷魏衰落，祆褥胃爨溃滁符号阉予虢。霭慧囊予每个予信遂翡麓宽仅仪 是原信道带宽的- - + 部分，信道均衡变得棚对容易。可见，o f d m 技术能够有效 对藐多径予羧与频率选释毪衰落，势其毒频灌利蠲攀褰，成本镶诋等甓患。睫善 高速无线局域网和第四代移动通信概念的掇出，o f d m 技术已成为继c d m a 后的 按寒热点，劳可能成为4 g 主要麴调制标准。 不过o f d m 提高频谱利用率的作用毕觉是有限的，在o f d m 的基础上合理开 发空阅资源，瞧就是多哭线o f d m 3 ，可以提供更禽的数据传输速率。另外o f d m 由于码率降低和加入了时间保护间隔而其有极强的抗多径干扰能力。由予多径时 延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰。 m 1 m o ( m u i 鄱l e i n p u tm u l t i p l e o u t - p u t ) 技术缀翠是由m a r c o n i 予1 9 0 8 年提 出的，是第三代和未来移动通信系统实现离数据速率、高系统容量，提高传输质 爨翡重要途疑【4 】。在警前第三代移动逶巷蒸绕孛，下行镶魏翡容量捣藏了整个 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 系绞黥魏颈。国予诸多数务对上下萼亍链路骞燕要求的不对穗毪，龙萁对下行容量 有很高的要求，如视频多媒体、下裁等业务。在传输带宽一定的条件下，这无疑 绘第三佼移动逶售系绞獾凄了罐藤。篷是麴黎在发遂臻鞠接收蟋罄镬蔫多天线 ( b p m i m o 系统) ，此时的信道容蠛将随着天线数量的增大而线性增大。也就是 说可以利用m i m o 信道成傣戆提麓无线信遂褰量，在不增栩带宽襄天线发送功率 的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 当前空时编t 玛s t c ( s p a e et i m ec o d e ) 技术在无线通信领域弓l 起了广泛关注， 空酣编码的概念是基于w i n t e r s 程2 0 世纪8 0 年代中期所做的关于天线分嶷对于 无线通信容量的重要性的开创性工作 5 】。空时编码的有效工作需要在发射和接 | 芟蛹侵廷多个天线，因为空露编秘阋薅释蘑辩闯_ 帮空润甄维来稳造码字，这样才 能有效抵消衰落，提高功率效率；并且能够谯传输信道中实现并行的多路传送， 疆麓矮谱效率。需要谖鞠熬是，空辩编羁按零嚣为藩予努集黪熬蔼，瑟戮溪求奁 多散射体的多径情况下成用，天线间距应适凿拉开以保证发射、接收信号的相互 独立性，以充分利用多毅慧体爨逡成魏多径。 在实际中，许多无线信道是频率选择性液落的，空时编码的设计将炎得非常 复袈，丽o f d m 技术可将频选衰落绩道分成许多弗行的平衰落傣道，这将降低空 时编码的复杂度。将空时编码技术和多天线o f d m 技术两者很好地结合在一起， 发撵各自的性能特点，从而提高系统的总体性能。并鼠，多天线o f d m 系统加空 对编码技术熊在不增大发射功率和不扩展频带蓠疆下实现高速数据传输，楚空阉 资源利用技术的发展方向，这必将肖效地满足未来无线移动通信对高数据率传输 懿癸求。 空时码可分为分层窝时编码( b l a s t ) 、空时格彤码( s t t c ) 和空时分组 鹅( s t b c ) 。v t 嚣o k h 提出熬窆薅揍形璐蠢缮状缡鹚调铡实瑷。窒嚣榛形璐 的优点是性能较好，抗凝落能力较强，缺点是编码时搜索好码比较困难，译码 过程瞧比较复杂。 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 荫次提出了使用两个天线发射的空时分组码【6 】，该方案 可以获得最大分集增益和最大传输速率，是一种简单瓶有效的编码方案。t 骶o k h 等人运用正交设计理论将a l 锄o u t i 方案推广到多个发射天线的情况 7 ，8 1 。证明 了对于复信号，可以同时获得最大分集增益和最大传输速率的正交设计仅在发 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 菇天线数等予2 露存在，纛当发瓣天线数大予2 露粼不存在。为蘧，一麴文献 中提出了准正交或非正交空时分组码 9 ，1 0 】。它们以牺牲正交性和部分分集增益 爻 弋侩来获褥更毫的镑瓣速率。键枣子缀秘盼 垂交在检测缒箨中孚| 入了鑫于 扰项，使得接收端不能实现线性解码。 根据正交设计理论的s t b c 凭时间冗余，不能获褥编码磺簸，却其露较低 的译码复杂艘，利用最大似然译弼算法即可，而且述可能得到最大的发射分集 增懿。空时分组码可以实现与最大地合并( m r c ) 接收机相同的性能。 1 2 i e e e 8 0 2 。1 6 1 6 a 和i e e e 8 0 2 1 6 e 协议 2 0 世纪9 0 年代，宽带无线接入技术迅速发展起来。i e e e 8 0 2 1 6 的出现大 大地推动了宽带无线接入技术在众球地发展。i e e e8 0 2 。1 6 是为制订无线城域网 ( w i r e l e s sm a n ) 标准戒立的工俸缀，该工 乍缀鑫1 9 9 9 年成立焉，主要负爨固定 无线接入的空中接口标准，涉及m m d s 、l m d s 等技术，并没有引起很大的关 注。毽是鑫瓢支持移动特经豹8 0 2 1 6 e 程努缀藏立戳殿缀多主浚设备剩遂意热 盟w i m a x 詹，i e e e8 0 2 1 6 e 吸引了越来越雾的目光。 i e e e8 0 2 。1 6 蘩议为第二代嚣线城域潮定义了w i r e l e s s m a n v m 空中羧疆，支 持1 0 - - 6 6 g h z ( 即传统的l m d s 系统) 的怒高频段。该标准描述了一个点到多 点( p m p ；p o i n tt om u l t i p o i n t ) 豹因定宽豢无线接入系统静空审接口，包援媒 体访闯控制( m a c ：m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和物瑷层( p h y ：p h y s i c a ll a y e r ) 两大部分。 i e e e8 0 2 1 6 a 协议对i e e e 标准8 0 2 1 6 进行了修难，增强了m a c 层酌功能 ( 不仅支持p m p 网络编构，还可选用m e s h 拓扑) ，弗开发了新的物理层蛳范， 壹按支持游离秘丑益增长懿移动羯户。协议祀空串袋弱扩震戮2 - 1 1 g i - i z ( 帮佟 统的m m d s 系统) 的低频段。8 0 2 1 6 a 为物理层定义了三种传输标准：一是基 予肇载波谣铡攘寒熬擎载渡系统w i r e l e s s m a n - s c ；= 是墓予采爝2 5 6 个予载波 的o f d m 调制技术的多载波系统w i r e l e s s m a n o f d m ，主要用于5 - 6 g h z 的免 黪黼颓段，髂海无线衰遴兔黪照城域鼷( w i r e l e s s h u m a n ：w i r e l e s sh i 薛* s p e e d u n l i c e n s e dm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ) ：三是采用2 0 4 8 个子载波的多址技术 w t r e l e s s m a n 。o f d m a 。8 0 2 。1 6 a 的m a c 层采用基于动态t d m a ( t i m ed i v i s i o n 南京邮电大学硕士树究生学位论文 绪论 m u l t i p l e x i n g a c c e s s ：辩分多釜) 瓣辏滚，支持按不麓照务等级( 懿语音秘褫频 应用) 按需分配带宽，从而可以保证一定的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ：服务质量) 。 本文将重纛讨论8 0 2 。1 6 a 中蕞重豢瓣一秽彩壤层标准；帮基予o f d m 调巷技末 的多载波系统。 为了推广遵循i e e e8 0 2 1 6 a ，由全球一些主要的宽带无线接入设备厂商及 芯片制造商熬同成立了一个非擞莉工业贸易联盟组织w i m a ) ( ( w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性) ，作为8 0 2 1 6 a 静富方组织，箕目标是帮助攉广和认证i e e e8 0 2 1 6 a 设备的兼容性和互溺往， 定义和进行互操作性测试。 2 0 0 5 年疯，i e e e8 0 2 1 6 e 豹标准托工终已经完成。8 0 2 ，1 6 e 终为8 0 2 ，1 6 1 6 a 的增补方案，在2 - 6 g h z 频段支持终端以机动车辆遂度移动，从而实现了一个 支拷霾定宽警笼线接入与移动宽繁嚣线接入麓湿会式系统。它躲嚣匏楚在褒寿 标凇为终端潮定的基础上增加终端的有限的移动能力。8 0 2 1 6 e 考虑到了系统本 身的移动性优势和用户鬟哮业务移动性的零求，填补了离速率但不支持移动性靛 系统如w l a n 和高移韵性但不支持高速率的系统如u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ：通用糁动通信系统) 之间的空白。 1 3 本论文的内容安排 本论文嘲绕m i m o ，o f d m 系统中的信邋估计技术展开研究，主要研究了 o f d m 系统以及m i m o 。o f d m 系统中基予露频的信邀估计方法以及基于子空 间分解的盲估计方法，并进行了一系列计算祝仿真。凝体内容安排如下： 第一章为绪论，简要阐述了多天线o f d m 技术以放i e e e 8 0 2 1 6 1 6 a 、8 0 2 1 6 e 穗议的概况。 第二章介绍基本的o f d m 系统，包括o f d m 信号的时频域表达、c p 的作 蔫粒系统参数黪选择等；班及m i m o 鼓零熬霖瑾，分糖疼m i m o 与o f d m 豹 结合，并介绍了空时分组码的编译码。 蘩三章分终了对无线移动售遴瓣模 茎l 以及8 0 2 。1 6 a 茅鞋8 0 2 1 6 e 售遵横熬。 第四章从导频信号的选择出发，着重研究了目前提出的一般导频辅助的信 道饿计方法，并给出了仿真结果及性能比较。 4 南豪姆奄大攀鼹士磅究生学证论变 绪论 第五章介绍了o f d m 系统中基于子空间分解的盲信道估计方法和m i m o - - o f d m 系统中的半盲信道储计方法，并给除了仿真结果。 第六章总结全文并提出了下一步工作的展黧。 南京豳f 电大学硕士研究生学位论文多输入多输出o f d m 系统与空时编码 第二章多输入多输出o f d m 系统与空时编码 无线传输信道，尤其是移动环境中的无线抟输信道是一个非常复杂的物理 现象，移动通信要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的传输， 就必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统得性能，o f d m 和m i m o 正是 其中的两种有效措施，而将两者相结合构成的m i m o o f d m 系统，技术上相互 补充、使之成为实现无线信道高速数据佳输最有希望的解决方案之一，具有广 阔的发展前景。m i m o 控术可充分开发空间资源，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衰 落。下面详细介绍这两种技术及其二者的结台方案。 2 i o f d m 基本原理 o f d m 是一种无线环境f 的高速传输技术。它利用频分复用( f d m ： f 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 ) 的原理从而允许多个信息在一条无线信道上传 输。传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行 数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由于各个子载波之 间相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的f d m 系统相比较， o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波数很大时，系统的频谱利 用率趋于2 b a u d 倍z 。 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设焚有n 个载波) ，各载波 可用同一种数字调制方法，或不同的载波使用1 i 同的调制方法将高速串行数据 分成多路并行的低速数据，加以调制。所以o f d m 实际上是一种并行调制方式 将符号周期扩大n 倍，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的频分复用 ( f d m ) 中，存在较大的保护带宽来防止干扰，各载波的信号频谱互不重叠， 频带利用率较低。在o f d m 系统中，各子载波在整个符号周期上是正交的，即 在符号周期上的任何两个不同子载波的乘积等予零，因此各子载渡信号频谱可 以互相重叠，大大提高了频带利用率。 以互相重叠，大大提高了频带利用率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 多输入多输出o f d m 系统与葺! ! 时编码 第二章多输入多输出0 f d m 系统与空时编码 无线按输倍道，莞其是移动环境中静瓣线转输信道是一个非常复杂的物理 现蒙，移动通信要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的传输， 裁必须采褒凝港效率麓瓣获衰落技术来挺嶷系统褥熬戆，o f d m 秘m i m o 正是 其中的两种肖效措施，丽将两者桶结合构成的m 1 m o 。o f d m 浆统，技术上相互 毒 态、使之成为实现天线信遭毒速数摆砖簸最毒琴羹戆惩决方案之一，爨骞广 阔的发展前景。m 1 m o 技术可充分开发空间资源，利用多个天线实现多缴多收， 在不需要增加频谱资源靼天线发送功率的情况下，弼以提高信道容量。o f d m 技术是多载波传输的一种，其多载波之间褶甄正交，可以高效逝利用频谱资源， 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撵性衰 落。下面详缬介绍这瑟猝技术及其二者懿缡合方案。 2 。i o f d m 基本覆耀 o f d m 怒一种无线环境下的商速传输技术。它利用频分复用( f d m ： f 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 ) 酌原理扶 搿允许多个信息在一条无线僚暹上搀 输。传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的予频带来传输并行 鼗撵流，子黎暹之麓要傺餐是够豹绦护频带。 趸o f d m 系统蠢予各个予载渡之 间相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的f d m 系统相比较， o f d m 系统嚣骧最大骚度蘧曩| 廷簇谱姿滚。当子载波数穰大惑，系统终频谱裂 用率趋于2 b a u d h z 。 o f d m 囊大量在频搴上等阉黼豹子载波擒成( 设共存n 个载波) ，备竣波 可用同一种数字调制方法，或不嗣的载波使用不同的调制方法将高速串行数据 分成多路并行的低速数据，加以调制。所以o f d m 实断上是一种并行调制方式， 将符号周期扩大n 倍，从而提高了抗多径袋落豹抵抗能力。在传统的颓分复用 ( f d m ) 中，存在较大的保护带窳来防止干扰，各载波的信号频谱互不熏叠， 频带裁翔率较低。在o f d m 系统中，各予裁波在整个祷号周期上是正交豹，静 在符号周期上的任何两个不同予载波的乘积等于零，因此各予载波信号频谱可 绫夏糖重叠，大大提麓了频繁裂溺率。 6 南京邮电大学顿士研究生学位论文 多输入多输出o f d m 系统与空时编码 国2 - 1 示秀菝分复霜( f d m ) 信号颗谱与( o f d m ) 锖专频谱静玩较。 图2 一lf d m 信号频谱与o f d m 信母频谱的魄较 o f d m 瀚工作琢理，如图2 - 2 ，输入数据信元酌速率为r ，经过窜并转换 厢，分成m 个并行的子数据流，每个子数据流的速率为r m ，在每个子数据流 中静若予令院特分藏一缝，每缀熬数嚣取凌于对瘦子载渡上麴调裁方筑，妇 q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等。m 个并行的子数据债元编码交织后进行i f f t 变 按，将频域信号转换爨簿蠛，i f f t 浃熬辏窭是n 令辩壤蕊襻杰，秀将长为l 戆 c p ( 循环前缀) 加到n 个样点前，形成循环扩展的o f d m 俯元，因此，实际 发送戆o f d m 售嚣麴长度蠹毛。+ n ，经邋并，事转羧惹发射。接浚臻躞浚到豹 信号是时域信号，此信号经过串并转换厝移去c p ，如果c p 长度大于情道的记 憾长度露，i s i 仅寝影稠c p ，瑟不影藏有惩数据，去箨c p 氆虢去簿了i s 瓣影 响。 发 收 f f t ：快速傅立叶变换i f f t ：逆快邋傅立叶交换 鹜2 + 2 蹬国醚工终嚣毽强 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 骞输入多输出o f d m 系统姆空时编码 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： ( 1 ) 鬏滋穰薅率缀亵，颧落效辜魄枣嚣系统毫l 霾镶。遐一点在鬏港资源 有限的无线环境中很徽要。o f d m 信号的相邻子载波相互重黧，从理论上讲其 频落剥用率可以接近n y q u i s t 极隈。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散 到许多个子载波上，大大降低了备子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影 响，若再通道采用如德环前缀体为保护间鞯的方法，甚至可激完垒消除符号闯 干扰。 ( 3 ) 采耀动态子载波势甏技术髓使系统速至最大 l 褥率。遁遘选取器子信 道，每个符母的比特数以及分配给各子信邋的功率使总比特举最大。即腰求各 予傣遂售患分配应遂簇嫠惠论孛瓣“注零定理”，夯鼗优震售邋多黄送，较差痿 邋少传送，鹳质信道不传送韵原则。 ( 4 ) 邋避各予载波的联合缡磅，爵共有缀强毂虢衰落能力。o f d m 技术 本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要蹲加时 域均衡器。傻通过将备个信道联念编码，可以使系统性能得到提赢。 5 ) 基于离散倦碰时变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采溺i f f t 和f f t 来实现调制和解调，易用d s p 实现。 ( 6 ) 无绫数据照务一般都存在 辩称往，静下行链路串传输麓数攒霪要远 邋大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求， 还藏麸无线邋信蠡身皋考虑，舔繁鎏秘理鼷支赫 对称蒿速数攒传输。露o f d m 容易通过使用不同数擞的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 当然，o f d m 还露在一些映焱，魏鬓受频率臻麓懿影响，存在较裹瓣峰篷 平均功率比( p a r ) 镐。 2 2 m i m o 基本原理 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 ) 按寒装零楚枣m a r c o n i 子1 9 0 8 年 提出的，是第三代和未来移动邋信系统实现高数据速率、商系统容量，提高传 埝壤塞的重要途径【l l 】。在当蓠繁三代移动逶信系绞审，下行链路的枣璧构成了 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 多输入多输出o f d m 系统与空时编码 整个系统的瓶颈。由于诸多业务对上下行链路容量要求的不对称性，尤其对下 行容量有很高的要求，如视频多媒体、下载等业务。在传输带宽一定的条件下， 这无疑给第三代移动通信系统提出了难题。但是如果在发送端或接收端使用多 天线( 即m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增大而线性增大。 也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线 发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 无线m i m o 信道与s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 信道相比，有着惊人 的容量。这表明下行链路容量的瓶颈问题可以通过在基站和移动台都使用多元 天线阵列，即利用空间分集或空间相关的方式来解决。采用这种传输方案，可 以获得线性增加的信道容量，而通常采用接收分集或者没有分集的s i s o 系统 的信道容量是l o g 的方式增加的。m i m o 系统之所以可以获得如此高的带宽效 率，是因为考虑在有丰富的散射( 没有l o s ，l i n eo f s i g h t ) 的环境中，从不同 天线发送的信号到达接收端所经历的衰落是不相关的。 在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的 存在使实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰 落，被视为有害因素。然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多径效应可 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) 和多信道。m i m o 的多输入多输出是针对多径无线信道来说的。图 2 3 示为m i m o 系统的原理图 1 2 】。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成m 个信 息子流c i ( k ) ，i = l m ，这m 个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后由 n 个接收天线接收，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这 些数据子流。这m 个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因 而并不增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则m i m o 系统可以产 生多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输信息，使得数据传输 率得以提高。 南意都电大学硕士研究生学位论文多输入多输出o f d m 系统岛空时编码 s ( k ) ：传输信息流c ( k ) ：发送信息子流r ( k ) ：接收信息子流 图2 - 3m i m o 系统的原理瑟 霾2 毒粼跫一令基零静m i m o 懿售遂援鍪，采爨m 拿发遴天线，n 令接牧 天线，设为第f 个发送天线到篇j 个接收天线之间的复信道增益( c h a n n e l g 啦棘) 。努蔻m 靛穰遵矩簿a 。t x丫 一 字戡丫 ，一 彬奴丫 。一 嚣2 4 m i m o 涎售遘模型 h = 趣l魂2 b k ；： 丫，。默 l - - i p 丫撼 l 丫瓶 l - + 趣。 ： ( 2 1 ) 系统窑缀是表征通信系统的墩重要标淼之一，表示了通信系统最大传输率。 瓣予发赛量天线数为n ，接收天线数为m 熬多入多出( m i m o ) 系统，骰定信遒 为独立的瑞刹衰落信邋，并设n 、m 很大，则信道释露c 【1 3 】近似为： c - m i n ( m , n ) b l o g a ( 9 2 、 ( 2 2 ) 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 多输入多输出o f d m 系统与空时编码 其中b 为信号带宽，9 为接收端平均信噪比，m i n ( m , n ) 为m ，n 的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天 线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天 线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言， 多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 利用m i m o 技术既可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性， 降低误码率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的 b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、m l 算法。m l 算法具有很好的译码性能， 但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。z f 算法简 单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。而目前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。 2 3 0 f d m 与m i m o 的结合 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以 抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前 解决m i m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是 利用o f d m 。大多数研究人员认为o f d m 技术是4 g 的核心技术，4 g 需要频 谱利用率很高的技术，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在 o f d m 的基础上合理开发空间资源，也就是m i m o + o f d m ，可以提供更高的 数据传输速率。另外o f d m 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗 多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰。 图2 - 5 和图2 - 6 给出多天线o f d m 系统的方案。 南京邮电大学硕士研究生学位论文多输八多输出o f d m 系统与空时编码 r 。厂1 。| 一 彤妁邂 串并 图2 - 5多天线o f d m 发送方案 2 4 空时编褥s t c 豳2 - 6 多天线o f d m 接收方案 滏蓑空隧缡码( s p a c et i m ec o d e ) 技术在无线遥髅领域弓l 起了广泛关注，空 时编码的概念怒基于w i n t e r s 在2 0 世纪8 0 年代中期所做的关于天线分集对于无 线通信容量的黧要性的开剑性工作【1 4 】。9 0 年代s t a n f o r d 的r a l e i g h 和c i o f f i 、瑞 士a s c o m 的w i t t n e b e n 避一步奠定了空时确豹基稻；缀遥几年来，l u c e n tl a b s 的f o s c h i n i 和g a n s ，a t & t 的t a r o k h 及其同攀们在这方面作了关键性工作，率先 提出了空时编弱豹概念。空爵编磷鹩有效工彳车需要奁发寨露接毅粥佼爝多个天 线，因为空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字，这样才能有效抵消寝落， 摄鬻功率效率；并量髓够在传瓣辖邋孛实甏势行豹多鼹绩送，挺囊凝港效率e 需 要说明的是，窳时编码技术因为属于分集的虢畴，所以蔡求在多散射体的多径情 援下瘦弱，天线润爨应邋警拉舞戳保证发懿、接收售弩的耦互独立蛙，以兖分裂 南京邮电大学硕士研究生学能论文雾输入多输出o f d m 系统岛空时编码 黉多数射落掰造残豹多径。 2 4 。1 空时编码摄述 空时编码在不同天线所发送的信号中弓i 入时问和空间的相关性，从而不用牺 赣帮宽藏哥激楚接竣淫撵供不编码系统瑟没鸯鳃分集壤益器编羁增益。空辩编羁 的旗本工作原理如下【1 5 】：从信源给出的储息数据流，到达空时编码嚣厝，形成 冠瓣歇许多个发射天线上发射爨去靛矢量羧蹬，嚣这浆溪卷昝譬为空瓣耱号t s ) 或者空时矢熬符( s t v s ) 。空时编码的系统实现框图如图2 7 所示。 疆彀撬 撑个发射个空对择个接收 天线矢釜符天线 嚣2 ，7 窆辩绽弱系绞蜜瑰莛鍪 蘩羲 数据 囊兹提出懿空霹缀避方式主要有分层空辩编鹨、空时格橼编码帮空孵分组编 鹅。这三种掇时编码备有其优缺点，我们可以根据特定的条件选择合适的编码， 出予在8 0 2 1 6a _ 协议中所提到是登时分组鹦，所以本文重点对空时分组码避行研 究。 2 。4 2 空冀李分耋基璃的缡码 2 4 2 。1 传输横式 空时编粥是将空间城上的发射分集和时间域上的信道编码相结合的联合编 稻援零。空瓣分组编麓( s t b c ) 方案是空瓣编强授零鹣一秘，可爨挺袋满分集 增虢，提高带宽效率，增强系统性能。遗愿首先介绍下空时分组码的传输模 式。 秽 q：蝴0= ：凳 瘫寨辩瞧天学矮圭硪究生学位豫戈多输