MIMO-OFDM系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究

1、代 號(hào)：10701分類號(hào)：TN919UDC ：學(xué) 號(hào)： 000822105 密 級(jí)： 公 開 編 號(hào)：西安電子科技大學(xué)碩 士 學(xué) 位 論 文題(中、英文 目：MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究作 者 姓 名：劉 剛 指導(dǎo)教師姓名、職務(wù)：葛建華 教授 學(xué) 科 門 類：工 學(xué) 學(xué)科 、 專業(yè)： 通信與信息系統(tǒng) 提交論文日期：2003年1月摘 要MIMO-OFDM 技術(shù)將OFDM 與空時(shí)編碼技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，能夠大幅度的提高無(wú)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，從而引起了通信界的廣泛關(guān)注。本文在分析移動(dòng)無(wú)線信道衰落特性的基礎(chǔ)上，闡述了MIMO-OFD

2、M 系統(tǒng)的基本原理，并圍繞該系統(tǒng)中信道估計(jì)這一關(guān)鍵技術(shù)，深入研究了基于訓(xùn)練序列和基于導(dǎo)頻符號(hào)的兩類信道估計(jì)方法，給出幾種相應(yīng)的信道估計(jì)算法以及它們的改進(jìn)算法，最后結(jié)合MATLAB 仿真對(duì)這些算法的有效性和可行性進(jìn)行了全面地分析與比較。關(guān)鍵詞：多輸入多輸出 空時(shí)編碼 正交頻分復(fù)用 信道估計(jì)ABSTRACTAs a combination of OFDM with space-time coding technique, MIMO-OFDM has recently received considerable attentions, which can not only effectively e

3、nhance the transmission rate and capacity of the wireless communication system but also effectively combat multi-path fading and interfere. In this paper, we discuss the principle of MIMO-OFDM system based on the introduction of fading channels. Furthermore, the channel estimation technique in MIMO-

4、OFDM system is investigated, with the emphasis on training sequence-based and pilot-based channel estimation methods, and also several basic and improved algorithms are given respectively. Finally, the analysis and comparison of these algorithms is made by computer simulation.Keyword: Multiple Input

5、 and Multiple Output（MIMO ） Space-Time CodeOrthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM ） Channel Estimation目 錄第一章 緒 論.11.1 歷史與背景.11.2 課題的主要任務(wù)與意義.41.3 本文的主要工作及內(nèi)容安排.4第二章 移動(dòng)無(wú)線信道.72.1 移動(dòng)無(wú)線信道的衰落特性.72.2 移動(dòng)無(wú)線信道的計(jì)算機(jī)仿真模型. 112.3 本章小結(jié).12第三章 MIMO-OFDM系統(tǒng).133.1 OFDM基本原理.133.2 MIMO基本原理.173.3 MIMO-OFDM系統(tǒng).183.4

6、本章小結(jié).24第四章 基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì).254.1 系統(tǒng)描述.254.2 基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)概述.274.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的LS 估計(jì).284.4 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的MMSE 估計(jì).414.5 算法性能比較.454.6 本章小結(jié).47第五章 基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì).495.1 系統(tǒng)描述.495.2 基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)概述.505.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的梳狀導(dǎo)頻信道估計(jì).525.4 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的二維散布導(dǎo)頻信道估計(jì).575.5 本章小結(jié).61第六章 結(jié)束語(yǔ).636.1 論文工作總結(jié).636.2 進(jìn)一步的研究工作.64附錄A LS時(shí)域估計(jì)的均

7、方誤差.65致謝.67參考文獻(xiàn).69作者在讀期間的研究成果.73第一章 緒論 1第一章 緒 論本章將簡(jiǎn)要回顧移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程，展望未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，透過(guò)這一發(fā)展過(guò)程，分析揭示未來(lái)移動(dòng)通信中無(wú)線傳輸技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，提出本課題的主要研究任務(wù)和意義，同時(shí)給出本文的主要工作及內(nèi)容安排。1.1 歷史與背景移動(dòng)通信屬于無(wú)線通信的范疇，是一種特殊的無(wú)線通信，其特別之處在于：第一，傳輸鏈路中存在以電磁波為載體的空中接口這一重要環(huán)節(jié)，即所謂的無(wú)線連接；第二，允許用戶終端在某一電磁波覆蓋范圍之內(nèi)不間斷通信并到處移動(dòng)，也就是動(dòng)中通。以上兩個(gè)特點(diǎn)決定了它特有的應(yīng)用價(jià)值和特殊的技術(shù)難度。這里首先簡(jiǎn)要回顧一下移

8、動(dòng)通信的發(fā)展歷史，由此窺視現(xiàn)代移動(dòng)通信飛躍發(fā)展的歷程。1移動(dòng)通信的發(fā)展歷史早期的無(wú)線通信得益于電磁波理論和電報(bào)電話技術(shù)，提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線電話（radio telephone）和無(wú)線電報(bào)（radio telegraph）傳輸業(yè)務(wù)，用現(xiàn)在的眼光看，它是一種較為簡(jiǎn)單的模擬無(wú)線通信技術(shù)。后來(lái)，人們將無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到交通運(yùn)輸行業(yè)，實(shí)現(xiàn)航行中的傳播與基地臺(tái)、執(zhí)行任務(wù)的警車與警察局、行進(jìn)中的火車與鐵路車站之間的無(wú)線調(diào)度或電報(bào)電話公眾業(yè)務(wù)等，這才是真正意義上的移動(dòng)通信。這一階段主要克服兩大技術(shù)問(wèn)題：載波的多普勒頻移補(bǔ)償和發(fā)動(dòng)機(jī)電火花產(chǎn)生的電磁干擾抑制。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，除了越洋電報(bào)等郵政業(yè)務(wù)以外，無(wú)線通信只存

9、在于交通、公共安全、軍事通信等專業(yè)性極強(qiáng)的應(yīng)用領(lǐng)域。移動(dòng)通信能夠大規(guī)模的成為公眾業(yè)務(wù)要?dú)w功于蜂窩移動(dòng)通信概念的提出，蜂窩技術(shù)是移動(dòng)通信發(fā)展的重大突破，它的頻率復(fù)用技術(shù)有效的解決了在有限的無(wú)線頻段內(nèi)大幅度提高系統(tǒng)容量的問(wèn)題，使得為人口密集的城區(qū)提供充足的移動(dòng)電話業(yè)務(wù)成為現(xiàn)實(shí)。第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G ）是基于模擬通信技術(shù)的，模擬調(diào)頻（FM ）加上頻分多址接入（FDMA ）是它的技術(shù)要點(diǎn)。第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)存在頻帶利用率低、保密性差、終端體積大等缺點(diǎn)。隨著數(shù)字信號(hào)處理與大規(guī)模集成電路技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)很快的進(jìn)入數(shù)字化，它在關(guān)鍵的空中接口環(huán)節(jié)上采用了一系列的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，其中包

10、括信源壓縮編碼、數(shù)字加密、信道編碼、數(shù)字調(diào)制等；此外，在多址方式上，MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究2采用了更加靈活、高效的時(shí)分多址（TDMA ）和碼分多址接入（CDMA ）技術(shù)；在業(yè)務(wù)上，除了移動(dòng)電話外，還支持最大速率不超過(guò)9.6Kbps 的窄帶數(shù)據(jù)傳輸。目前，世界上市場(chǎng)份額占主導(dǎo)地位的就是具有上述特點(diǎn)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，即通常所說(shuō)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G ）。隨著計(jì)算機(jī)的大量應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在現(xiàn)代通信業(yè)務(wù)中的比例逐年上升。移動(dòng)電話的便利使人們對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生自然而然的期盼，以至于人們?cè)缫压蠢粘鰝€(gè)人通信（Personal Communication）

11、的美好前景。作為一個(gè)近期目標(biāo)，第三代移動(dòng)通信（3G ）及其所提供的多媒體業(yè)務(wù)即將走入人們的生活。國(guó)際電聯(lián)（ITU ）對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的總體要求都體現(xiàn)在IMT-2000上，概括地講，有以下特點(diǎn)：! 占用更高的頻段（2GHz ）和更大的帶寬（5MHz ）；! 支持更高速率的多媒體業(yè)務(wù)：話音、數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入、運(yùn)動(dòng)圖 像傳輸?shù)龋? 支持更高速率的數(shù)據(jù)傳輸；室內(nèi)2Mbps 、室外步行384Kbps 、室外高速移 動(dòng)144Kbps ；! 與第二代移動(dòng)通信網(wǎng)兼容；! 具有更高的頻譜利用率及更高的系統(tǒng)容量。毋庸置疑，無(wú)線傳輸技術(shù)（RTT ）是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中最重要的組成部分，也是世界各國(guó)、各

12、地區(qū)為形成未來(lái)通信體制而展開爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。無(wú)線傳輸技術(shù)主要包括多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信道編碼及交織、雙工技術(shù)、物理信道結(jié)構(gòu)與復(fù)用、幀結(jié)構(gòu)、無(wú)線資源分配與鏈路控制、RF 信道參數(shù)設(shè)置等等。根據(jù)ITU 的一般要求和目標(biāo)，世界各國(guó)、各地區(qū)組織對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行了廣泛而持久的研究，并提出了多種技術(shù)方案，逐步形成了被國(guó)際社會(huì)認(rèn)可的三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：WCDMA 、CDMA2000和TD-SCDMA 。移動(dòng)通信無(wú)線傳輸系統(tǒng)的特殊性，使得實(shí)現(xiàn)寬帶多媒體通信要比固定網(wǎng)難得多。盡管如此，人們對(duì)移動(dòng)通信仍寄予厚望。人們總希望現(xiàn)有固定網(wǎng)能支持多媒體業(yè)務(wù)，甚至那些只存在于想象中的通信業(yè)務(wù)在未來(lái)的移動(dòng)通信中都能

13、予以實(shí)現(xiàn)。所以人們認(rèn)為，最高速率只有2Mbps 的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)稱不上真正的寬帶多媒體通信，于是，在提出3G 技術(shù)方案的同時(shí)，便有人提出超3G （即后3G ）的無(wú)線傳輸技術(shù)研究，甚至紛紛提出4G 、5G 的概念。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G ）在業(yè)務(wù)上、功能上、頻帶上都將不同于第三代系 統(tǒng)，它可稱為寬帶接入（Broadband Access）和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的超過(guò)2Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸能力，其主要的指標(biāo)有：! 為用戶終端提供高達(dá)幾十到上百M(fèi)bps 的峰值無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率，支持包第一章 緒論 3括高速互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)下載、高質(zhì)量視頻點(diǎn)播在內(nèi)的各種媒體傳輸業(yè)務(wù)，使之成為真正意義上的寬帶多媒體無(wú)線移

14、動(dòng)通信系統(tǒng)；! 與INTERNET 技術(shù)高度結(jié)合，相互補(bǔ)充、相得益彰，使之成為一個(gè)具有 強(qiáng)大生命力和廣闊市場(chǎng)前景的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)；! 開發(fā)新頻段并大幅度提高無(wú)線傳輸技術(shù)的頻譜效率，滿足大容量無(wú)線移動(dòng) 通信的需求。要達(dá)到上述要求，必須開發(fā)與之配套的一系列新技術(shù)，其中包括最為關(guān)鍵的高速無(wú)線傳輸技術(shù)。2技術(shù)現(xiàn)狀與背景眾所周知，無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的最大技術(shù)瓶頸在于空中接口，即無(wú)線傳輸技術(shù)。新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)給無(wú)線傳輸技術(shù)提出的主要難題是：! 如何大幅度的提高頻譜效率；! 如何實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾十到幾百M(fèi)bps 的峰值無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Mul

15、tiplexing，OFDM ）和多輸入多輸出（Multiple Input and Multiple Output，MIMO ）以其有效的抗衰落特性和高的頻譜效率受到了人們廣泛的關(guān)注，而將兩者相結(jié)合構(gòu)成的MIMO-OFDM 系統(tǒng)，在技術(shù)上相互補(bǔ)充、相得益彰，使之成為實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道高速數(shù)據(jù)傳輸12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。正交頻分復(fù)用（OFDM ）5-9在頻域把信道分成若干正交子信道，頻譜相互重疊，減少了子信道間干擾（ICI ），提高了頻譜利用率。同時(shí)，由于在每個(gè)子信道上信號(hào)帶寬小于信道帶寬，盡管總的信道非平坦，即具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，從而大大減

16、少了符號(hào)間干擾（ISI ）。此外，通過(guò)在OFDM 中添加循環(huán)前綴（CP ）進(jìn)一步增強(qiáng)其抗多徑衰落的能力。OFDM 技術(shù)以其抗多徑能力強(qiáng)，頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，如：HDSL 、ADSL 、DAB 和 DVB，無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802.11a 和HIPERLAN2，以及無(wú)線城域網(wǎng)IEEE802.16 等等。多輸入多輸出 (MIMO1011技術(shù)不但可以成倍地提高衰落信道下的系統(tǒng)容量，而且如果進(jìn)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?？諘r(shí)編碼技術(shù)12-15正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的編碼和信號(hào)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(wú)線通

17、信中的系統(tǒng)容量和傳輸速率，為解決無(wú)線信道的帶寬問(wèn)題提供了一條新的途徑。但是，現(xiàn)有的空時(shí)編碼理論大都基于平坦衰落信道，而在實(shí)際當(dāng)中，大多數(shù)無(wú)線通信環(huán)境都屬于快衰落情況，即信道非平坦，此時(shí)系統(tǒng)的性能會(huì)急劇下降，這就使得空時(shí)碼在未來(lái)寬帶移動(dòng)通信中的應(yīng)用受到極大的限制。自從1996年文獻(xiàn)MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究416首次提出將OFDM 與空時(shí)編碼相結(jié)合（稱為MIMO-OFDM ）以來(lái)，MIMO-OFDM 技術(shù)很快引起了通信界的廣泛關(guān)注。由于合并了OFDM 技術(shù)，頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干并行平坦衰落子信道，這樣的系統(tǒng)不但具有空時(shí)編碼帶來(lái)的分集增益和編碼增益，同時(shí)兼得OFDM 接收

18、機(jī)均衡器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。從而在未來(lái)的寬帶無(wú)線接入領(lǐng)域中采用MIMO-OFDM 技術(shù)成為了一種發(fā)展的必然和技術(shù)的關(guān)鍵。1.2 課題的主要任務(wù)與意義作為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G ）的關(guān)鍵技術(shù)之一， MIMO-OFDM技術(shù)正是本課題的研究主題。MIMO-OFDM 技術(shù)將空間分集、頻率分集以及時(shí)間分集有機(jī)地結(jié)合在一起，可以大大提高無(wú)線通信中的信道容量和傳輸速率，并能有效的抵抗衰落、抑制干擾和噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻譜效率，MIMO-OFDM 系統(tǒng)通常采用幅度非恒定的調(diào)制方式，例如16QAM 等，在這種情況下，接收端需要信道狀態(tài)信息CSI 才能進(jìn)行相干解調(diào)，另外，空時(shí)編碼的譯碼也需要有

19、精確的信道狀態(tài)信息才能完成。因此，信道估計(jì)是MIMO-OFDM 系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要任務(wù)。有關(guān)OFDM 系統(tǒng)中的信道估計(jì)已有較多的研究，通?？梢苑譃榛谟?xùn)練序列的方法、基于導(dǎo)頻符號(hào)的方法和盲估計(jì)方法三類?；谟?xùn)練序列的信道估計(jì)算法有19-21，基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)算法有25-29，經(jīng)研究表明，上述這些算法在OFDM 系統(tǒng)中均能取得較好的性能，但是它們并不適用于MIMO-OFDM 系統(tǒng)，這是因?yàn)镸IMO-OFDM 系統(tǒng)采用多個(gè)發(fā)射接收天線，其接收信號(hào)是多個(gè)發(fā)射天線發(fā)送信號(hào)的衰落與加性噪聲的疊加，若采用上述算法估計(jì)信道，對(duì)于某個(gè)特定的發(fā)射接收天線對(duì)，來(lái)自于其它天線的信號(hào)即為干擾，信號(hào)噪聲功率

20、比常常在0dB 以下，從而帶來(lái)很大的估計(jì)誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降，因此，MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的信道估計(jì)是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)且極具意義的研究領(lǐng)域。本文將針對(duì)MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的信道估計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究。1.3 本文的主要工作及內(nèi)容安排本文圍繞MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的信道估計(jì)技術(shù)展開分析研究，研究過(guò)程中，采取了理論分析和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的手段，在理論和實(shí)踐方面驗(yàn)證研究的正確性和可行性，主要進(jìn)行了以下三個(gè)方面工作：! 深入分析了MIMO-OFDM 技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的最新研究成果，總結(jié)出該技術(shù)第一章 緒論 5領(lǐng)域的兩大研究方向，即基于OFDM 的空間復(fù)用和空時(shí)編碼OFDM ，然后分別討論了它們的

21、基本原理，重點(diǎn)研究了STBC-OFDM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真顯示了該系統(tǒng)良好的抗衰落特性，同時(shí)指出信道估計(jì)是保證系統(tǒng)傳輸質(zhì)量，發(fā)揮其優(yōu)越性的關(guān)鍵所在。! 針對(duì)采用突發(fā)傳輸方式的MIMO-OFDM 系統(tǒng)，深入研究基于訓(xùn)練序列的 信道估計(jì)方法，依次分析了MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的LS 時(shí)域估計(jì)算法、頻域估計(jì)算法以及MMSE 估計(jì)算法，在此基礎(chǔ)上分別給出它們的改進(jìn)算法，進(jìn)一步提高估計(jì)精度、降低算法復(fù)雜度，并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真分析比較了這些算法的有效性和可行性。! 針對(duì)采用連續(xù)傳輸方式的MIMO-OFDM 系統(tǒng)，全面分析了基于導(dǎo)頻符號(hào) 的信道估計(jì)方法，討論了導(dǎo)頻形式的選擇準(zhǔn)則，重點(diǎn)研究

22、了梳狀導(dǎo)頻估計(jì)算法和二維散布導(dǎo)頻估計(jì)算法，并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真分別驗(yàn)證了算法的有效性，同時(shí)對(duì)它們的性能進(jìn)行了分析比較。論文總共分為六章，結(jié)構(gòu)安排如下：第二章討論了無(wú)線信道的衰落特性，給出了本文采用的多徑衰落信道的計(jì)算機(jī)仿真模型。第三章以MIMO-OFDM 技術(shù)為核心，闡述了OFDM 和MIMO 的基本原理，討論了MIMO-OFDM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了STBC-OFDM 系統(tǒng)的工作原理及性能特點(diǎn)，最后給出在理想CSI 情況下系統(tǒng)的性能曲線，并指出信道估計(jì)是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。第四章重點(diǎn)討論了基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法，依次研究了MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的LS 時(shí)域估計(jì)算法、LS 頻域估

23、計(jì)算法和MMSE 估計(jì)算法，在此基礎(chǔ)上分別給出它們的改進(jìn)算法，來(lái)進(jìn)一步提高估計(jì)的性能、降低算法的復(fù)雜度，最后結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真對(duì)這些算法進(jìn)行了詳盡的分析與比較。第五章圍繞基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)方法，分析了導(dǎo)頻形式的選擇準(zhǔn)則，重點(diǎn)研究了MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的梳狀導(dǎo)頻估計(jì)算法和二維散布導(dǎo)頻估計(jì)算法，并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了算法的有效性，分析比較了算法的性能。第六章總結(jié)全文內(nèi)容，提出了本課題有待于進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題，并展望該領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢(shì)。MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究6第二章 移動(dòng)無(wú)線信道 7第二章 移動(dòng)無(wú)線信道信道是發(fā)射端和接收端之間傳播媒介的總稱，它是任何一個(gè)通信系統(tǒng)不可或

24、 缺的組成部分。按傳播媒介的不同，物理信道分為有線信道和無(wú)線信道兩大類。 有線信道是平穩(wěn)的、可預(yù)測(cè)的，而無(wú)線信道則是隨機(jī)的，并且不易分析。本章將討論移動(dòng)無(wú)線信道的主要特性及其對(duì)信號(hào)的影響。2.1 移動(dòng)無(wú)線信道的衰落特性從發(fā)射機(jī)發(fā)出的無(wú)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、反射或散射。這樣，到達(dá)接收機(jī)時(shí)將是從多條路徑傳來(lái)的多個(gè)信號(hào)的疊加。多徑傳播引起接收信號(hào)的幅度、相位和到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)變化，同相疊加使信號(hào)增強(qiáng)，反相疊加使信號(hào)減弱。這樣，接收信號(hào)的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生所謂的衰落。這種衰落是由多徑現(xiàn)象所引起的，因此稱為多徑衰落。1多徑衰落對(duì)信號(hào)的影響移動(dòng)信道環(huán)境中，任意時(shí)間t

25、接收的瞬時(shí)復(fù)信號(hào)可以表達(dá)為(t r (2-1 ( ( (t j e t t r =式中， (t 代表接收信號(hào)r 的包絡(luò)； (t (t 代表的相位。以下分別研究接收信號(hào)的包絡(luò)特性和相位特性。(t r 瞬時(shí)衰落信號(hào)的包絡(luò) (t 由兩個(gè)乘性分量 (t s 和 (t r 表征為( ( (t t t r s = (2-2 (t s 代表慢衰落， (t r 代表快衰落。慢衰落表示接收信號(hào)的長(zhǎng)期變化，又稱為長(zhǎng)期衰落，它是由建筑物或自然界特征的阻塞效應(yīng)引起的?？焖ヂ浠蚨唐谒ヂ鋵?duì)應(yīng)于接收信號(hào)在空間的迅速擾動(dòng)，是由移動(dòng)用戶附近的障礙物對(duì)信號(hào)的散射引起的。瞬時(shí)衰落信號(hào)的相位 (t 由衰落過(guò)程的頻域特性、時(shí)域特性和空

26、域特性來(lái)刻 畫，這些特性分別與多徑信號(hào)的多普勒擴(kuò)展、時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展有關(guān)。! 多普勒擴(kuò)展（時(shí)間選擇性衰落）由于移動(dòng)用戶與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每條多徑波都會(huì)有一個(gè)明顯的頻率偏移。由運(yùn)動(dòng)引起的接收信號(hào)頻率的偏移稱為多普勒頻移，用表示，它與移動(dòng)用戶的運(yùn)動(dòng)速度成正比, 其關(guān)系式為D f cos vf D = (2-3MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究8式中, 為移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，v 為無(wú)線電波的波長(zhǎng)，為無(wú)線電波與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角，即到達(dá)角。多普勒擴(kuò)展（Doppler spread）是一種由多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過(guò)程的頻率擴(kuò)散（frequency dispersion），又稱時(shí)間選擇性

27、衰落（time selective fading）。! 時(shí)延擴(kuò)展（頻率選擇性衰落）在多徑傳播環(huán)境下，由于傳播路徑的差異導(dǎo)致多徑信號(hào)以不同的時(shí)間到達(dá)接收端，如果基站發(fā)射的是一個(gè)時(shí)間寬度極窄的脈沖信號(hào), 移動(dòng)用戶接收到的將是多個(gè)具有不同時(shí)延的脈沖信號(hào)的疊加，顯然，接收信號(hào)的波形比原脈沖展寬了。由于信號(hào)波形的展寬是由信道的時(shí)延引起的，所以稱之為時(shí)延擴(kuò)展。時(shí)延擴(kuò)展（Delay spread）是一種由多徑現(xiàn)象引起的衰落過(guò)程的時(shí)間擴(kuò)散（time dispersion ），又稱頻率選擇性衰落（frequency selective fading）。! 角度擴(kuò)展（空間選擇性衰落）接收端的角度擴(kuò)展指的是多徑信號(hào)

28、到達(dá)天線陣列的到達(dá)角度的展寬。同樣發(fā)射端的角度擴(kuò)展指的是由多徑的反射和散射引起的發(fā)射角展寬。在某些情況下，路徑的到達(dá)角（或發(fā)射角）與路徑時(shí)延是統(tǒng)計(jì)相關(guān)的。角度擴(kuò)展（Angle spread）給出接收信號(hào)主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落（space- selective fading），意即信號(hào)幅值與天線的空間位置有關(guān)。2衰落信道的動(dòng)態(tài)特性移動(dòng)通信中由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，無(wú)線信道為時(shí)變信道，因此，其動(dòng)態(tài)特性顯得格外重要。由于相關(guān)函數(shù)與功率譜在平穩(wěn)信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性分析中起著關(guān)鍵性的作用，以下就來(lái)討論衰落信道的相關(guān)函數(shù)與功率譜。假設(shè)表示電波傳播時(shí)間（快變時(shí)間），t 代表電波經(jīng)過(guò)不同路徑的傳播時(shí)間遲延

29、，并用表示移動(dòng)接收臺(tái)的移動(dòng)時(shí)間（慢變時(shí)間），代表移動(dòng)接收臺(tái)接收兩個(gè)不同路徑的信號(hào)的觀測(cè)時(shí)間的遲延。令 ; (t c 為信道在時(shí)間的等效低通沖激響應(yīng)，并假定t ; (t c 是廣義平穩(wěn)的。于是，我們可以定義自相關(guān)函數(shù)為; ( ; (21 ; , (2*121t c t c E R c += (2-4 在廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射（Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering,WSSUS） 的假設(shè)下，式(2-4可以寫作 ( ; ( ; ( ; (212112*1=+c R t c t c E (2-5 若令=21，則由式(2-5直接給出以下結(jié)果; ( ; (2

30、1 ; (*t c t c E R c += (2-6 我們將 ; (c R 稱為信道的時(shí)延時(shí)間差相關(guān)函數(shù)。第二章 移動(dòng)無(wú)線信道 9類似的，可以定義信道的頻率差時(shí)間差相關(guān)函數(shù)為; ( ; (21 ; (*t f C t f f C E f R C += (2-7 式中，C 是等效低通沖激響應(yīng) ; (t f ; (t c 關(guān)于變量的Fourier 變換。還可以進(jìn)一步證明， ; (f R C 是 ; (c R 關(guān)于變量的Fourier 變換，即(2-8 d e R f R f j c C =2 ; ( ; (利用上述兩種相關(guān)函數(shù)的Fourier 變換，可以引出以下兩種不同的功率譜定義：時(shí)延-多普勒

31、功率譜（又稱散射函數(shù)）(2-9 ( ; ( ; (2=d e R v S v j c c 頻率差-多普勒功率譜(2-10 ( ; ( ; (2=d e f R v f S v j C C 式中，為多普勒頻率，它是由接收臺(tái)的移動(dòng)所引起的接收信號(hào)頻率的變化。v 綜上，時(shí)延和頻率差f 構(gòu)成一Fourier 變換的變量對(duì)， 即f ；而觀測(cè)時(shí)間差（即慢變時(shí)間的差）和多普勒頻率構(gòu)成另一Fourier 變換的變量對(duì)，即v v ，其中表示Fourier 變換，表示Fourier 逆變換。 下面分別描述信道的頻率變化特性以及時(shí)間變化特性。! 信道的頻率變化信道的頻率變化由頻率間隔相關(guān)函數(shù)0| ; ( (=f R

32、 f R C C 來(lái)刻畫。在式(2-8中令0=，立即有(2-11 d e R f R f j c C =2 ( (這一Fourier 變換關(guān)系如圖2.1所示 (f Fourier變換對(duì)/1=coh f圖2.1 (f R C 與 (c R 之間的關(guān)系如圖2.1左圖所示， (f R C 取非零值的頻率差范圍稱為信道的相關(guān)帶寬，用表示；而coh B (c R 保持非零的值范圍稱為信道的多徑擴(kuò)展，也稱為均方根時(shí)延擴(kuò)展，用符號(hào)示之，如圖2.1右圖所示。MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究10作為 (c R 和之間的Fourier 變換關(guān)系的一個(gè)重要結(jié)果，多徑擴(kuò)展 (f R C 的倒數(shù)近似等于信道

33、的相關(guān)帶寬，即有coh B 1coh B (2-12(f R C 是的頻率變量的自相關(guān)函數(shù)，所以它為我們提供了新的相關(guān)性測(cè)度的數(shù)學(xué)工具信道的相關(guān)帶寬，相關(guān)帶寬本質(zhì)上就是信道處于較強(qiáng)相關(guān)狀態(tài)下的頻率差范圍。因此，兩個(gè)頻率差 , (t f C f 大于相關(guān)帶寬的正弦波信號(hào)受信道的影響是不相同的。當(dāng)一攜帶信息的信號(hào)通過(guò)信道傳輸時(shí)，如果信道相關(guān)帶寬比發(fā)送信號(hào)帶寬小，那么該信道稱為頻率選擇性信道，在這種情況下，信道使信號(hào)嚴(yán)重失真，反之，稱為頻率非選擇性信道。coh B coh B ! 信道的時(shí)間變化信道的時(shí)間變化表現(xiàn)為多普勒擴(kuò)展，式(2-10建立了多普勒效應(yīng)與信道變化的關(guān)系，令0=f (2-13 02|

34、 ; ( ( ( (=f C v j C C v f S d e R v S 函數(shù)是一個(gè)功率譜，它給出了信號(hào)強(qiáng)度與多普勒頻率之間的關(guān)系，因此稱為多普勒功率譜。(v S C v v (S C 由式(2-13，如果信道是時(shí)不變的，則1 (=C R ，并且變?yōu)?(v S C (v ，因此，當(dāng)信道不存在時(shí)間變化時(shí)，在純單頻傳輸中觀測(cè)不到頻譜的擴(kuò)散現(xiàn)象。下圖2.2表明了多普勒功率譜與時(shí)間差相關(guān)函數(shù) (v S C (C R 之間的關(guān)系。 Fourier 變換對(duì)D coh /1=D v圖2.2 (C R 與之間的關(guān)系(v S C 時(shí)間差相關(guān)函數(shù) (C R 取非零值的時(shí)間差范圍稱為信道的相關(guān)時(shí)間，記作 coh

35、 T ，如圖2.2左圖所示；而多普勒功率譜 (v S C 取非零值的多普勒頻率的取值 v 范圍稱為信道的多普勒擴(kuò)展，用D 表示，如圖2.2右圖所示。由于和 (v S C (C R 之間為Fourier 變換對(duì)，所以多徑擴(kuò)展D 的倒數(shù)就近似的給出信道相關(guān)時(shí)間的測(cè)度，即第二章 移動(dòng)無(wú)線信道 11D coh 1T (2-14相關(guān)時(shí)間本質(zhì)上就是信道處于較強(qiáng)相關(guān)狀態(tài)下的時(shí)間差范圍。顯然，一個(gè)緩慢 變化的信道具有大的相關(guān)時(shí)間，或等價(jià)地具有小的多普勒擴(kuò)展。以上幾種相關(guān)函數(shù)及功率譜之間的關(guān)系如下圖2.3所示，圖中F 表示傅立葉變換運(yùn)算。時(shí)間差-頻率差相關(guān)函數(shù)散射函數(shù)頻率間隔相關(guān)函數(shù) 時(shí)間間隔相關(guān)函數(shù)時(shí)延譜多普

36、勒功率譜圖2.3 信道相關(guān)函數(shù)與功率譜之間的關(guān)系由上分析，我們得出結(jié)論：功率時(shí)延譜 (c R 包含了信道相關(guān)帶寬的必要信息，描述了信道的頻率變化（即頻率選擇性）；多普勒功率譜清楚展示了信道多普勒擴(kuò)展的必要信息，它刻畫信道時(shí)間變化的快慢（即時(shí)間選擇性）。(v S C 2.2 移動(dòng)無(wú)線信道的計(jì)算機(jī)仿真模型以上較為詳細(xì)分析了由于反射、繞射和散射引起的時(shí)延擴(kuò)展以及由于移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移對(duì)接收信號(hào)的影響。由于數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)的性能在很大程度上受多徑傳播的影響，而這種影響又是隨時(shí)間變化的。因此在性能仿真時(shí)，就不能采用確定性的信道模型，而需要尋求合適的隨機(jī)信道模型。在很多文獻(xiàn)中，廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射（

37、WSSUS ）被公認(rèn)為是能夠顯示時(shí)延擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展的最簡(jiǎn)單的隨機(jī)過(guò)程。這類過(guò)程的二階矩完全由式(2-9定義的散射函數(shù)描述。Jake 模型4是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率單調(diào)衰落基帶等效模型，常用來(lái)模擬移動(dòng)無(wú)線衰落信道。該模型假設(shè)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間存在無(wú)數(shù)條傳播路徑，并且這些路徑是離散均勻分布的，如下公式可以來(lái)產(chǎn)生衰落包絡(luò)和隨機(jī)相位。MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究12 ( ( (t T j t T t h Q I +=+=w n n m N n t w j w e N E 1 cos (0+=+21 ( ( cos ( cos (0w D m D m n n m n n m Nn w j w

38、 j t w j t w j w e e e e N E (2-15 其中，為信道能量；0E m w 為最大多普勒角頻率；w N 為模型中的路徑數(shù)；1, 0(2random n =是20間的隨機(jī)數(shù)；w n N n /=當(dāng)很大時(shí)，根據(jù)中心極限定理，T ，T 服從高斯分布，因而，其包 w N (t I (t Q 絡(luò)22Q I T +服從瑞利分布，相位在 /(tan 1I Q T T 2, 0上服從均勻分布。下圖2.4(a(b給出了多普勒頻移分別為40，200Hz 時(shí)的瑞利衰落情況。由圖可見(jiàn)，多普勒頻移越大衰落越劇烈。d f d f (a Hz f d 40= (b Hz f d 200=圖2.4

39、瑞利衰落信號(hào)包絡(luò)2.3 本章小結(jié)移動(dòng)無(wú)線信道的最大特征是信道的時(shí)變性。本章圍繞時(shí)變信道的物理刻畫與數(shù)學(xué)描述，首先介紹了移動(dòng)無(wú)線信道的各種衰落（慢衰落、快衰落、選擇性衰落即擴(kuò)展）；然后集中對(duì)衰落信道的主要?jiǎng)討B(tài)特性進(jìn)行深入的分析；最后給出移動(dòng)無(wú)線信道的計(jì)算機(jī)仿真模型。第三章 MIMO-OFDM系統(tǒng) 13第三章 MIMO-OFDM系統(tǒng)無(wú)線傳輸信道，尤其是移動(dòng)環(huán)境中的無(wú)線傳輸信道是一個(gè)非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，未來(lái)移動(dòng)通信要在有限的頻譜資源上支持高速率數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的傳輸，就必須采取頻譜效率高的抗衰落技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的性能，OFDM 和MIMO 正是其中的兩種有效措施，而將兩者相結(jié)合構(gòu)成的MIMO-OFDM

40、 系統(tǒng)，技術(shù)上相互補(bǔ)充、使之成為實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道高速數(shù)據(jù)傳輸最有希望的解決方案之一，具有廣闊的發(fā)展前景。本章首先簡(jiǎn)要介紹OFDM 和MIMO 的基本原理，然后對(duì)MIMO-OFDM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理作了深入分析。3.1 OFDM基本原理正交頻分復(fù)用（OFDM ）是一種多載波調(diào)制方式，其基本原理是把高速數(shù)據(jù)流分成若干低速數(shù)據(jù)流并行地在相互正交的子載波上傳輸，這樣，多徑衰落的時(shí)間彌散相對(duì)減少，頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化成為若干平坦衰落子信道，大大減小了符號(hào)間干擾（ISI ）。為了能夠完全消除ISI ，通常在OFDM 符號(hào)中引入保護(hù)間隔，最有效的保護(hù)間隔是使用符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展5，簡(jiǎn)言之把符號(hào)結(jié)尾的一段復(fù)制加

41、到符號(hào)的起始端，如圖3.1所示。由于碼元符號(hào)是周期的，保持了子載波間的正交性，減小了載波間干擾（ICI ）的影響。只要選取的保護(hù)間隔大于信道的最大遲延擴(kuò)展，就會(huì)完全消除ISI 和ICI 的影響。 圖3.1 插入保護(hù)間隔的OFDM 符號(hào)1OFDM 信號(hào)的數(shù)學(xué)描述假定OFDM 系統(tǒng)帶寬為W ，載波數(shù)為N ，循環(huán)前綴為T ，記第l 個(gè)符號(hào)周期的傳輸數(shù)據(jù)為，則OFDM 基帶等效信號(hào)可以表示為CP l N l l X X X , 1, 1, 0, , (3-1=10, ( (N k k l k l lT t X t s 其中，T ，是頻率為的載波波形函數(shù)，CP T W N +=/ (t k N kW /

42、MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究14 =其它0, 01 ( (2T t e T t CP T t k N W j CP k (3-2且 。那么，發(fā)射端的基帶連續(xù)復(fù)信號(hào)便可表示成/W( (N t t k k +=, 0CP T t =l N k k l k l l lT t X t s t s 10, ( ( ( (3-3令信號(hào)通過(guò)一個(gè)多徑衰落信道，其等效低通沖激響應(yīng)為 (h , 0CP T ，則接收到的OFDM 基帶信號(hào)可以表達(dá)為( ( ( ( (0t n d t s h t s h t r CPT += (3-4其中， 為加性高斯白噪聲（AWGN ）。(t n 由于OFDM 系統(tǒng)

43、引入了循環(huán)前綴，并假定其長(zhǎng)度T 大于信道的最大時(shí)延擴(kuò) CP 展，因此符號(hào)間干擾ISI 可以完全消除，為了表達(dá)式簡(jiǎn)單，時(shí)間下標(biāo)l 可以省去。假設(shè)OFDM 接收機(jī)的第k 個(gè)匹配濾波器為 (t k =其它0, 0 ( (*CP kk T T t t T t (3-5 則在系統(tǒng)保持嚴(yán)格同步的前提下，第k 個(gè)匹配濾波器的采樣輸出為=dt t T t r t r Y k T t k k ( ( ( +=T T T T k T k N k k k CP CP CP dt t t T n dt t d t X h ( ( ( ( (*0*10' ' ' (3-6 經(jīng)化簡(jiǎn)=+=10

44、9; *' ' ' ( (N k TT k k k k k k CP N dt t t H X Y (3-7 式中，=CP T N W k j k e h N W k H H 0/' 2' ( '(為第個(gè)載波信道的頻率響應(yīng)； ' k =TT k k CP dt t t T n N ( (*為AWGN 。由于具有正交性，即(t k =T T k k CP k k dt t t ' ( ( (*' (3-8式(3-7可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為 k k k k N X H Y += (3-9由公式(3-1 (3-2可知，OFDM 的基帶等

45、效信號(hào)可以用IDFT 來(lái)定義，在實(shí)際中可以用更有效的IFFT 來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以認(rèn)為數(shù)據(jù)的編碼映射在頻域進(jìn)行，經(jīng)過(guò)IFFT第三章 MIMO-OFDM系統(tǒng)15變換轉(zhuǎn)化為時(shí)域信號(hào)發(fā)送出去，接收端通過(guò)FFT 變換再恢復(fù)出原始的頻域信號(hào)。圖3.2給出了OFDM 系統(tǒng)的原理框圖。 圖3.2 OFDM系統(tǒng)的原理框圖2OFDM 信號(hào)的矩陣表達(dá)形式OFDM 信號(hào)也可以表達(dá)為矩陣形式12，其信號(hào)模型見(jiàn)下圖3.3 (i v HD 圖3.3 OFDM信號(hào)的矩陣表達(dá)形式不妨假設(shè)信道沖激響應(yīng)慢變化，即信道在一個(gè)OFDM 符號(hào)周期內(nèi)恒定不變，但從一個(gè)符號(hào)周期到另一個(gè)符號(hào)周期，信道是變化的。考慮第i 個(gè)OFDM 符號(hào)周期，若記發(fā)

46、射端的傳輸信號(hào)為1×N 向量，接收端得到的信號(hào)為，則T N X X X i , , , (110=X T N Y Y Y i , , , (110=Y ( 1( ( (1110i i i i CP CP CP CP CP v FR X F T H FR X F T H FR Y += (3-10其中，分別為DFT ，IDFT 矩陣 F 1F N kn j kn e N /2=F ；TT N T N N CP CP I I T ×=為循環(huán)前綴插入矩陣；N N N CP CPI 0R ×=為循環(huán)前綴去除矩陣；(i v 為加性噪聲矢量。假定信道的最大時(shí)延擴(kuò)展小于循環(huán)前綴

47、的長(zhǎng)度T ，則符號(hào)間干擾ISI 為零，CPMIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究16即，于是上式可以簡(jiǎn)化為(1CP N N N CP +×=0H R CP CP T H R H 0=1H =F H F D =12 (L l nj h eH ( ( (10i i i CP CP CP v FR X F T H FR Y +=( ( ( (1i i i i H CP V X D v FR X F H F +=+= (3-11其中，為循環(huán)Toeplitz 矩陣，它可以進(jìn)一步對(duì)角化為N N × (, , (, (/ 1(2/20N N j N j j e H e H e H

48、diag (3-12 式中，是信道的頻率響應(yīng)。2 (nl j e l 由上式(3-9 (3-12可知，在OFDM 系統(tǒng)中引入了循環(huán)前綴，不僅可以對(duì)付碼間干擾ISI ，同時(shí)在信號(hào)通過(guò)衰落信道后，保持了載波的正交性，因此可以將OFDM 系統(tǒng)看成N 個(gè)并行的、具有不同增益的、相互獨(dú)立的高斯信道，如下圖3.4所示。 1, i H 1, iNX Ni H , Ni N , Y 圖3.4 OFDM基帶信號(hào)等效模型3OFDM 技術(shù)的特點(diǎn) OFDM 技術(shù)有如下突出優(yōu)點(diǎn)：! OFDM 可以有效地對(duì)付多徑衰落，有利于移動(dòng)接收。在具有相同多徑時(shí) 延的信道傳輸中，OFDM 均衡器的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于具有相同性能的單載波方