MIMO-OFDM通信系統(tǒng)仿真報(bào)告

1、目錄目錄i摘要：11，系統(tǒng)總論12，OFDM調(diào)制和解調(diào)23，循壞前綴44，信道估計(jì)65，OFDM誤碼率分析86，總結(jié)與感想97，主要程序附錄10iMIMO-OFDM通信系統(tǒng)仿真摘要MIMO-OFDM是第四代通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)，是結(jié)合OFDM和MIMO而得到的一種新技術(shù)。OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）的核心能力就是將信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣既減少了子信道之間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻率利用率。其實(shí)，就是指OFDM 的抗多徑衰落的能力。MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)是目前最常見的無線技術(shù)之一，最早是由Marconi于1908年提出的，利用多天線來抑制信道衰落。本

2、文的主要內(nèi)容是涉及MIMO和OFDM的部分，討論了它是實(shí)現(xiàn)原理和在瑞利信道中的MATLAB仿真效果。最后，給出了同時(shí)存在加性高斯白噪聲下的誤碼率隨著信噪比變化的仿真曲線。關(guān)鍵詞：MIMO-OFDM，瑞利信道，QPSK調(diào)制，信道估計(jì)，MATLAB仿真。1，系統(tǒng)總論下圖給出的是整個(gè)MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的流程圖：圖1，系統(tǒng)總體流程圖從圖中可以看到，這個(gè)通信系統(tǒng)大概包括信源編碼、比特流形成、QPSK調(diào)制、MIMO-OFDM信號(hào)形成、瑞利信道和加性高斯白噪聲、解MIMO-OFDM信號(hào)、解QPSK調(diào)制、信宿解碼。其中信源編碼部分主要是把信源要發(fā)送的字符串轉(zhuǎn)換成ASCII碼，比如我們要發(fā)送字符串

3、9;Hello',則其對(duì)應(yīng)輸出為0100100001100101011011000110110001101111。QPSK和解QPSK部分是兩個(gè)對(duì)應(yīng)的模塊，QPSK又叫4QAM它是信號(hào)星座調(diào)制中一種最簡單的形式。QPSK調(diào)制后一個(gè)符號(hào)可以攜帶2個(gè)比特的信息，頻帶利用率可以將近提高1倍。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，

4、顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多載波調(diào)制的一種。瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無線電信號(hào)傳播環(huán)境的統(tǒng)計(jì)模型。這種模型假設(shè)信號(hào)通過無線信道之后，其信號(hào)幅度是隨機(jī)的，即衰落。并且其包絡(luò)服從瑞利分布。這一信道模型能夠描述有電離層和對(duì)流層反射的短波信道，以及建筑無密集的城市環(huán)境。瑞利信道只適用于從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)不存在直射信號(hào)（LoS, Line of Si

5、ght）的情況，否則應(yīng)使用萊斯衰落信道模型作為信道模型。信道估計(jì)，所謂信道估計(jì)，就是從接收數(shù)據(jù)中將假定的某個(gè)信道模型的模型參數(shù)估計(jì)出來的過程。如果信道是線性的話，那么信道估計(jì)就是對(duì)系統(tǒng)沖激響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)。需強(qiáng)調(diào)的是信道估計(jì)是信道對(duì)輸入信號(hào)影響的一種數(shù)學(xué)表示，而"好"的信道估計(jì)則是使得某種估計(jì)誤差最小化的估計(jì)算法。至于具體的實(shí)現(xiàn)將在下面的章節(jié)具體分析。系統(tǒng)的其他部分是誤碼率的計(jì)算和信源解碼，這部分不是本文的重點(diǎn)所以這里也不多做介紹。最后，整個(gè)系統(tǒng)的流程框圖都介紹了一下，對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)的仿真圖和實(shí)驗(yàn)所需的主要代碼將在后面給出。2，OFDM調(diào)制和解調(diào)OFDM發(fā)射機(jī)將信息比特流映射

6、成一個(gè)PSK或QAM符號(hào)序列，之后將符號(hào)序列轉(zhuǎn)換成N個(gè)并行符號(hào)流。每N個(gè)經(jīng)過串、并轉(zhuǎn)換的符號(hào)被不同的子載波調(diào)制。令 表示在第 個(gè)子載波上的第 個(gè)發(fā)送符號(hào)， 。由于串、并轉(zhuǎn)換，N個(gè)符號(hào)的傳輸時(shí)間擴(kuò)展為 ，它是單個(gè)OFDM符號(hào)的持續(xù)時(shí)間 ，即 。令 表示在第 個(gè)子載波上的第 個(gè)OFDM信號(hào)： （1）時(shí)間連續(xù)的通頻帶和基帶信號(hào)可以分別表示為： （2）和 （3）在時(shí)刻 對(duì)式（2），（3）中間連續(xù)的基帶OFDM信號(hào)進(jìn)行采樣，可以得到相應(yīng)的離散時(shí)間的OFDM符號(hào)： （4）可以證明式（4）是PSK或QAM數(shù)據(jù)符號(hào) 的N點(diǎn)IDFT，并且利用IFFT算法可以進(jìn)行有效的計(jì)算?？紤]基帶OFDM接收符號(hào) 。利用子載波

7、間的正交性，可以重構(gòu)元發(fā)送符號(hào) ： （5）實(shí)際上，式 是 的 點(diǎn)DFT，并且說明利用FFT算法可以更有效地計(jì)算。如下圖所示，頻域信號(hào) 調(diào)制頻率為 的子載波，其中子載波數(shù)量為 ，即 。在接收機(jī)，利用子載波間的正交性，可以解調(diào)這些信號(hào)。注意，原來符號(hào) 的周期為 ，通過并行發(fā)射 個(gè)符號(hào)，使它的周期擴(kuò)展至 。OFDM符號(hào)是 個(gè)并行符號(hào)的復(fù)合信號(hào)，其周期為 。下圖顯示了所有子載波間正交性的一種典型實(shí)現(xiàn)。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別使用IFFT和FFT，可以實(shí)現(xiàn)這種多載波調(diào)制。 圖2，OFDM調(diào)制、解調(diào)圖3，子載波的正交性實(shí)現(xiàn)3，循壞前綴OFDM的保護(hù)間隔有兩種不同的插入方法。一種方法是補(bǔ)零（Zero Paddi

8、ng, ZP）,即在保護(hù)間隔中填充零。另一種方法是利用循環(huán)前綴（CP）或循環(huán)后綴（Cyclic Suffix, CS）實(shí)現(xiàn)OFDM符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展（為了某種連續(xù)性）。將OFDM符號(hào)后部的采樣復(fù)制到其前面，實(shí)現(xiàn)CP對(duì)OFDM符號(hào)的擴(kuò)展。令 為用采樣數(shù)表示CP的長度，則擴(kuò)展后的OFDM符號(hào)周期變?yōu)?。如圖(4)所示為兩個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)，每一個(gè)符號(hào)的長度為，其中CP的長度為 。圖(5)從時(shí)域和頻域共同描述了OFDM信號(hào)，圖(6)顯示了多徑信道對(duì)OFDM符號(hào)中某些子載波的ISI影響。從圖(6)可以看到，如果CP的長度大于或等于多徑信道的最大延遲，那么一個(gè)OFDM符號(hào)對(duì)下一個(gè)OFDM符號(hào)的ISI影響（

9、虛線）將被限制在保護(hù)間隔中，因此不會(huì)影響下一個(gè)OFDM符號(hào)的FFT變換，其周期為 。這意味著，只要保護(hù)間隔的長度大于多徑信道的最大延時(shí)，就可以維持子載波的正交性。因?yàn)镃P能夠保證每個(gè)經(jīng)歷時(shí)延的子載波的連續(xù)性，所以在內(nèi)每個(gè)子載波與其他子載波之間是正交的。也就是說，對(duì)于時(shí)延為 的第一個(gè)OFDM符號(hào)，滿足： （6）對(duì)于延時(shí)為 的第二個(gè)子載波信號(hào)，滿足： （7）圖4，OFDM符號(hào)，采用CP圖5，OFDM符號(hào)的時(shí)域、頻域描述，采用CP圖6，多徑信道對(duì)每個(gè)子載波的ISI影響現(xiàn)在，假設(shè)CP的長度不小于信道的最大時(shí)延，并且假設(shè)OFDM符號(hào)的FFT窗的起始點(diǎn)確定在保護(hù)間隔內(nèi)，則OFDM接收機(jī)對(duì)接收到的采樣信號(hào)

10、進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換得到： （8）其中， 分別表示第 個(gè)符號(hào)的第 個(gè)子載波上的發(fā)射符號(hào)、接收符號(hào)、信道的頻率響應(yīng)和頻域噪聲。式（8）中最后一行說明，在頻域可以將OFDM系統(tǒng)看作輸入符號(hào)與信道的頻率響應(yīng)的乘積。換句話說，在頻域可以將OFDM系統(tǒng)等效為卷積過程。在沒有噪聲的情況下， 因此只需要用接收信號(hào)除以信道（即），就可以通過但抽頭均衡器檢測(cè)發(fā)射符號(hào)。對(duì)于卷積運(yùn)算*，當(dāng) 時(shí)， 。因此，如果沒有CP，那么。事實(shí)上，對(duì)于循環(huán)卷積運(yùn)算 ，當(dāng)時(shí)，。換句話說，在發(fā)射信號(hào)中插入CP，使得發(fā)射采樣與信道采樣滿足循環(huán)卷積，因此可以在接收機(jī)得到。圖7,多徑信道對(duì)OFDM符號(hào)的影響；CP長度小于信道最大時(shí)延上述方法也是本

11、文中所采用的方法，因?yàn)樯厦嫣岬匠搜h(huán)前綴還有補(bǔ)零和循環(huán)后綴，補(bǔ)零和循環(huán)后綴也有其相對(duì)應(yīng)的技術(shù)，這里限于篇幅就不介紹了。其實(shí)這段中就已經(jīng)提到了與信道估計(jì)相關(guān)的知識(shí)，更詳細(xì)的介紹還要在下文占一定的篇幅。4，信道估計(jì)無線信道的特點(diǎn)有很多，其中有兩大特點(diǎn)是多徑性和時(shí)變性，如果系統(tǒng)采用空時(shí)編碼的時(shí)候，要得到有效地解碼，就要在接收端在準(zhǔn)確知道信道特性的情況下，所以準(zhǔn)確的信道估計(jì)在無線系統(tǒng)方面是非常重要的。由利用導(dǎo)頻信息的需要性，將MIMOOFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)算法分為：以訓(xùn)練序列或者是導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法為基礎(chǔ)，從而有盲信道估計(jì)算法和半盲信道估計(jì)算法。要有一定的準(zhǔn)則來制定這種算法，經(jīng)常用到的準(zhǔn)則是，最小二

12、乘（LS）準(zhǔn)則和最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則。憑借導(dǎo)頻信道估計(jì)：通過在發(fā)送的OFDM 符號(hào)中插入導(dǎo)頻（塊狀導(dǎo)頻、梳狀導(dǎo)頻）信號(hào)，接收端根據(jù)導(dǎo)頻位置處的接收信號(hào)估計(jì)出導(dǎo)頻位置處信道頻率響應(yīng)，然后再根據(jù)內(nèi)插算法計(jì)算出整個(gè)信道的頻率響應(yīng)。典型的算法有：最小二乘（LS）算法，線性最小均方誤差（LMMSE）算法和最大似然（ML）算法，這是一種誤差很小的方法。所以收斂的速度也是很迅速的，就要對(duì)這種算法進(jìn)行更成熟的探討，可是因?yàn)橐l(fā)送導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列，所以就要用到一定的系統(tǒng)資源。盲信道估計(jì)就是指利用信道的統(tǒng)計(jì)信息諸如循環(huán)平穩(wěn)特性等進(jìn)行信道估計(jì)。因?yàn)椴恍枰獋鬏攲?dǎo)頻信號(hào)和訓(xùn)練序列，這樣就能夠節(jié)約開銷，使系統(tǒng)有效數(shù)

13、據(jù)傳輸效率得到提高，可是這種算法需要處理的數(shù)據(jù)量大，復(fù)雜，收斂速度較慢，在實(shí)際中不能得到廣泛是使用。半盲信道估計(jì)：這種方法就是用少的導(dǎo)頻信號(hào)，訓(xùn)練序列這樣來盲信道估計(jì)算法所需的初始值的以確定，緊接著就是使用這種算法來跟蹤、優(yōu)化，這樣可以獲得信道的參數(shù)。該算法是一個(gè)折中，在導(dǎo)頻輔助算法和盲估計(jì)算法之間。半盲估計(jì)算法使盲估計(jì)算的運(yùn)算復(fù)雜度得到大大的降低，還使其收斂速度有所增加，所以半盲估計(jì)算法在將來的探討及研究中將會(huì)發(fā)展為重點(diǎn)的方向。用分別表示第 個(gè)符號(hào)的第 個(gè)子載波上的發(fā)射符號(hào)、接收符號(hào)、信道的頻率響應(yīng)和頻域噪聲。式（8）中最后一行說明，在頻域可以將OFDM系統(tǒng)看作輸入符號(hào)與信道的頻率響應(yīng)的乘積

14、。換句話說，在頻域可以將OFDM系統(tǒng)等效為卷積過程。在沒有噪聲的情況下，因此只需要用接收信號(hào)除以預(yù)先設(shè)定好的發(fā)送訓(xùn)練數(shù)據(jù)，就可以得到信道的參數(shù)，從而可以用信道參數(shù)得到發(fā)送的數(shù)據(jù)。在本文的MIMO-OFDM通信系統(tǒng)中，信道估計(jì)也是很重要的一部分，信道估計(jì)的好壞直接決定了通信系統(tǒng)的性能。下面幾個(gè)圖是不同信噪比下信道估計(jì)的效果，其中幅值的大小為了方便比較并不代表實(shí)際值。圖8，信噪比在40dB 下的信道參數(shù)估計(jì)情況圖9，信噪比在20dB下的信道參數(shù)估計(jì)情況從圖8和圖9中可以看到隨著信噪比的增加信道的估計(jì)情況明顯好轉(zhuǎn)，圖8就是在信噪比達(dá)到40個(gè)dB時(shí)的情形。從圖中可以看出用公式對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)達(dá)到了比較好

15、的效果，檢驗(yàn)證，通常這種情況下的通信系統(tǒng)誤碼率為零。對(duì)于圖9它的估計(jì)是不理想的，圖中用公式得到的參數(shù)幅度較小，波動(dòng)程度大。這種情況下的誤碼率通常會(huì)很大，其原因是式子（8）中加性噪聲造成的。5，OFDM誤碼率分析對(duì)于AWGN信道和瑞利信道，M-QAM 信號(hào)的誤比特率（Bit Error Rate, BER）分別為 ；AWGN信道 (9)和；瑞利信道 (10)其中， 為調(diào)制階數(shù)，表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度的尾部面積函數(shù)，定義為： (11)如果子載波總數(shù)（FFT大小）為N，其中 個(gè)子載波被用于發(fā)射數(shù)據(jù)（即有 個(gè)虛載波），那么時(shí)域信噪比 和頻域信噪比不同，滿足如下關(guān)系式： (12)以上便是OFDM的誤碼

16、率理論分析結(jié)果，通過與實(shí)際的誤碼率比較可以分析通信系統(tǒng)的整體性能。由于時(shí)間問題我沒有做出理論的誤碼率曲線，只給出了如圖（10）所示的實(shí)際MIMO-OFDM通信系統(tǒng)實(shí)際誤碼率曲線。圖10，MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的實(shí)際誤碼率曲線6，總結(jié)與感想隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，創(chuàng)新成了推動(dòng)經(jīng)濟(jì)合理穩(wěn)定增長的持久出動(dòng)力。在無線通信領(lǐng)域，各國紛紛加快5G系統(tǒng)的創(chuàng)新研究和戰(zhàn)略部署，力爭(zhēng)搶占產(chǎn)業(yè)和技術(shù)制高點(diǎn)。3GPP等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)明確將于2016年（也就是我國“十三五規(guī)劃”的第一年）正式啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)研制工作，預(yù)計(jì)將于2020年完成。因此，接下來的“十三五規(guī)劃”是我國實(shí)現(xiàn)“3G 追趕、4G 同行、 5G

17、引領(lǐng)”最后一個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵時(shí)期。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)的性能和效率必能有非常高的期望。MIMO-OFDM技術(shù)我們要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)基礎(chǔ)和最好支撐，如何掌握好下一代通信的關(guān)鍵技術(shù)也是我國提升軟實(shí)力的重要環(huán)節(jié)。本文基于這些原因和目的，對(duì)OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)進(jìn)行了一些探討，并得到了一些初步的結(jié)論，我相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展更多更好的技術(shù)將會(huì)被發(fā)掘。我們也很有幸能夠生在這個(gè)變化的時(shí)代，更有幸的是能夠從事電子通信方面的研究。我從小就對(duì)電子類產(chǎn)品特別敏感，記得小時(shí)候家里的電器沒有那臺(tái)不是在我手上終結(jié)生命的。這也促使了我在高考后天填報(bào)志愿時(shí)，優(yōu)先考了工科電子信息類的高校。在大學(xué)逐步的接觸專業(yè)知識(shí)，使我更加堅(jiān)定當(dāng)時(shí)的選擇是對(duì)的。大學(xué)四年過得很快，但感覺學(xué)到的東西多而雜，但不精。為了能繼續(xù)揭