MIMO-OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IABSTRACT II第1章緒論 11.1無線通信系統(tǒng)的發(fā)展 11.2無線信道的特性 21.3MIMO技術(shù)及其研究現(xiàn)狀 21.4OFDM技術(shù)及其研究現(xiàn)狀 41.5本文主要工作安排 5第2章MIMO-OFDM基本原理 72.1OFDM技術(shù) 72.2MIMO基本原理 112.3MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù) 132.4本章小結(jié) 14第3章MIMO-OFDM系統(tǒng)算法及原理 163.1系統(tǒng)模型 163.2Turbo編譯碼 173.3空時(shí)編譯碼原理 203.4MIMO-OFDM系統(tǒng)模型 223.5仿真結(jié)果與分析 233.6本章小結(jié) 26第4章自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真建模 274.1MIMO系統(tǒng)中的信道估計(jì) 274.2基于發(fā)送端的信道估計(jì)模型 284.3MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ) 304.4仿真結(jié)果與分析 334.5本章小節(jié) 37結(jié)論 38致謝 40參考文獻(xiàn) 41PAGE45 第1章緒論無線傳輸信道，尤其是在移動(dòng)環(huán)境中的無線傳輸信道是一個(gè)非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，未來移動(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系統(tǒng)，技術(shù)上相互補(bǔ)充、使之成為實(shí)現(xiàn)無線信道高速數(shù)據(jù)傳輸最有希望的解決方案之一，是當(dāng)今科研的一個(gè)熱點(diǎn)。本章首先基于對(duì)無線信道特性的分析，引出OFDM與MIMO技術(shù)，并簡(jiǎn)略介紹了一下它們的研究現(xiàn)狀。1.1無線通信系統(tǒng)的發(fā)展人類采用通訊的歷史可以追溯到遙遠(yuǎn)的古代。但是直到十九世紀(jì)末以前，人們都是采用例如烽火臺(tái)的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的信息傳輸。1864年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)造性的總結(jié)了人們己有的電磁學(xué)知識(shí)，預(yù)言了電磁波的存在。1886年德國(guó)物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)的方法證明了麥克斯韋的預(yù)言。1897年意大利科學(xué)家馬可尼第一次展示了無線電波能在英格蘭海峽里行駛的船只上保持傳輸，并獲得了成功。在隨后的一個(gè)多世紀(jì)里，在計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)推動(dòng)下，無線通信的理論和技術(shù)不斷進(jìn)步，取得了舉世矚目的發(fā)展。今天，無線通信己經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚闹匾ㄐ欧绞?。移?dòng)通信的發(fā)展是迅速的，其發(fā)展經(jīng)歷主要有第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，到第二代的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，再到第三代通信系統(tǒng)，包括被國(guó)際社會(huì)認(rèn)可的三大主要標(biāo)準(zhǔn)：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。盡管如此，人們對(duì)移動(dòng)通信仍寄予厚望。近些年來，隨著Internet的普及和移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們?cè)趫D像、語音、數(shù)據(jù)、多媒體信息通信領(lǐng)域的應(yīng)用和要求越來越高，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)在未來的移動(dòng)通信中都能予以實(shí)現(xiàn)。這些年來人們己經(jīng)開始研究和開發(fā)下一代無線寬帶多媒體系統(tǒng)。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，于是就在提出3G技術(shù)方案的同時(shí)，有人提出超3G(即后3G)的無線傳輸技術(shù)研究，甚至紛紛提出4G的概念?，F(xiàn)在歐盟，美國(guó)，日本，韓國(guó)以及我國(guó)都已經(jīng)在積極研究著4G無線通信系統(tǒng)了。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(BroadbandAccess)和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的超過2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸能力。人們對(duì)于無線通信業(yè)務(wù)的需求越來越多，要求的質(zhì)量也越來越高。但是實(shí)際中有著很多的干擾制約著通信質(zhì)量，在寬帶無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，影響信道高速傳輸?shù)淖钪饕囊活惛蓴_是由信道的多徑效應(yīng)所引起的頻率選擇性衰落。另外還有如何充分提高無線資源的利用率也是很多研究者的關(guān)注重點(diǎn)。MIMO-OFDM技術(shù)結(jié)合的提出成為了解決這些問題的一個(gè)重大突破。將兩者相結(jié)合構(gòu)成的MIM于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)無線信道高速數(shù)據(jù)傳輸，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。MIMO-OFDM技術(shù)也被業(yè)界認(rèn)為是未來第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要物理層技術(shù)。1.2無線信道的特性在無線通信中，發(fā)射信號(hào)在傳播過程中往往會(huì)受到環(huán)境的影響，發(fā)生直射、反射、散射和漫射等物理現(xiàn)象，這就使接收機(jī)的接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比產(chǎn)生了一定的變化，而這種變化就體現(xiàn)了無線信道的基本特征，具體集中在以下幾個(gè)方面：（1）因頻率復(fù)用造成的共信道干擾(CCI)采用蜂窩式的小區(qū)結(jié)構(gòu)和頻率復(fù)用技術(shù)，是解決頻率資源緊張的有效方法，特別是在CDMA系統(tǒng)中，頻率復(fù)用系數(shù)可以是l，甚至在同一小區(qū)的不同扇區(qū)間采用相同的載頻，這樣必然會(huì)產(chǎn)生CCI。在CDMA系統(tǒng)中，由于不同用戶擴(kuò)頻碼的非正交性或異步性同樣會(huì)造成CCI。（2）多徑現(xiàn)象由于移動(dòng)環(huán)境的復(fù)雜性，通常從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的信號(hào)包含有折射、衍射、繞射等多種信號(hào)成分，不同成分到達(dá)接收機(jī)的強(qiáng)度不同，時(shí)間不同，方向不同，甚至在通常情況下，發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間不存在直達(dá)波束。（3）衰落由于多徑效應(yīng)的影響，接收機(jī)收到信號(hào)的功率會(huì)隨收發(fā)信機(jī)之間的距離而存在大幅度的波動(dòng)。衰落通常分為陰影衰落(慢衰落)和多徑衰落(快衰落)。慢衰落是由于遮擋效應(yīng)造成的，其信號(hào)的局部平均近似對(duì)數(shù)正態(tài)分布，而快衰落是因?yàn)榻邮招盘?hào)分量的相位差引起的，其信號(hào)近似服從瑞利分布。實(shí)際的接收信號(hào)是由快衰落信號(hào)與慢衰落信號(hào)的乘積得到。通過上述無線信道的基本特征可以看到，無線信道是非常復(fù)雜的，因此要對(duì)未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中所采用的MIMO-OFDM系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行有效地驗(yàn)證就必須選用更貼近實(shí)際無線傳輸環(huán)境的信道模型。1.3MIMO技術(shù)及其研究現(xiàn)狀為了在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)大容量、高速以及提高頻譜利用率的目標(biāo)，多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。多輸入多輸出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMR)技術(shù)在無線移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用是具有革命意義的重大技術(shù)進(jìn)步，并且被廣泛認(rèn)為是第三代及未來移動(dòng)通信系統(tǒng)與個(gè)人通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，提高傳輸質(zhì)量的重要途徑之一。由于該技術(shù)在解決未來無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)容量需求瓶頸問題上所具有的優(yōu)勢(shì)，因而居于當(dāng)今技術(shù)進(jìn)步列表中的重要位置。多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)是基于無線通信分集技術(shù)而發(fā)展起來的，其定義可以簡(jiǎn)單描述為在其發(fā)射端和接收端均采用了多天線配置的無線通信系統(tǒng)，所以稱之為MIMO系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)中，在發(fā)送端，串行數(shù)據(jù)符號(hào)流在經(jīng)過空時(shí)處理后被送到多個(gè)發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射；在接收端通過各種空時(shí)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)符號(hào)的恢復(fù)。為了保證各個(gè)子數(shù)據(jù)符號(hào)流能夠被有效地分離，要求各個(gè)天線之間必須保持足夠的距離，以防止接收信號(hào)之間過大的相關(guān)性。在新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)的理論、算法和實(shí)現(xiàn)等都得到了廣泛的研究。雖然在MIMO系統(tǒng)理論以及性能研究方面已有非常多的研究成果，但是由于無線移動(dòng)通信中復(fù)雜的無線傳播環(huán)境，因此尚有大量問題需要研究。（1）如何在寬帶應(yīng)用中找到一種具有優(yōu)化的性能及復(fù)雜度折中的信號(hào)處理方案以實(shí)現(xiàn)MIMO帶來的提高頻譜效率的優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)有不少的文獻(xiàn)對(duì)這方面進(jìn)行了研究，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)的情況進(jìn)行了研究。其主要途徑可以分為兩種：l)空時(shí)均衡MIMO系統(tǒng)：典型的方法包括線性MIMO均衡、MIMO判決反饋(DF)均衡以及更為復(fù)雜的空時(shí)Turbo均衡等；2)采用OFDM調(diào)制的MIMO系統(tǒng)，這在本章后面部分會(huì)進(jìn)行相關(guān)敘述。（2）另一個(gè)研究的重點(diǎn)就是MIMO信道。目前，MIMO信道模型的建立還沒有成熟，實(shí)用中用的較多的MIM0信道模型有IST-METRA提出的基于空間相關(guān)性的METRA模型，以及3GPP推薦的SCM模型，因此在建立完善的MIMO信道模型中還有大量的工作需要完成。除了信道模型外，在許多文獻(xiàn)中，大都做了這樣的假設(shè)：接收機(jī)已經(jīng)完全知道信道狀態(tài)參數(shù)，但是在實(shí)際系統(tǒng)中，這種情況是不可能出現(xiàn)的，因此，必須通過發(fā)送訓(xùn)練序列或者采用盲處理的方法，在接收端進(jìn)行信道估計(jì)，這樣快速信道估計(jì)和盲信道估計(jì)等內(nèi)容就成為重要的研究課題。（3）如果能夠在發(fā)射端事先預(yù)知信道的某些信息，那么發(fā)射機(jī)就可以利用該信息改善系統(tǒng)性能。例如在文獻(xiàn)中，就在發(fā)射機(jī)已知部分信道信息的情況下給出了一種基于線性變換的結(jié)合普通發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)和正交空時(shí)分組碼技術(shù)的MIMO處理結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道信息的充分利用，于是如何在發(fā)射端獲得信道信息以及利用信道信息就成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。（4）MIMO通過空時(shí)編解碼，在發(fā)射端實(shí)現(xiàn)了多天線發(fā)射多數(shù)據(jù)流，并在接收端利用多天線接收實(shí)現(xiàn)最佳處理，獲得了很高的系統(tǒng)容量。空時(shí)編解碼將信道編解碼技術(shù)和陣列信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，可以大幅度的提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并且可以有效的抗衰落、抑制噪聲和干擾。目前已經(jīng)有空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)、空時(shí)分組碼(STBC)、分層空時(shí)碼(BLAST)等一些基本的空時(shí)編碼方法。新的空時(shí)編碼方法，例如空時(shí)Turbo碼，正在不斷地提出，以改善MIMO的性能，減少空時(shí)編碼系統(tǒng)的復(fù)雜性，更好地適應(yīng)新一代無線通信系統(tǒng)的要求和信道的實(shí)際情況。1.4OFDM技術(shù)及其研究現(xiàn)狀OFDM的英文全稱為OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟(Home-PlugPowerlineAlliance)工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)制技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào)，從而完成信號(hào)傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被應(yīng)用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。OFDM技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有近40年的歷史，主要運(yùn)用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個(gè)OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進(jìn)一步推廣。直到70年代，人們提出了采用離散傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。八十年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。進(jìn)入九十年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在高頻段進(jìn)行高數(shù)據(jù)率無線通信時(shí)，將面臨顯著的頻率選擇性衰落。在傳統(tǒng)的單載波通信系統(tǒng)中，碼間串?dāng)_的影響十分突出，而OFDM調(diào)制技術(shù)通過將寬信道分解為大量窄帶信道，克服多徑效應(yīng)，簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)計(jì)，從而大大改善了系統(tǒng)瓶頸。概括起來，OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可以包括如下幾個(gè)方面：（1）OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。（2）可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高數(shù)據(jù)傳輸。（3）通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。（4）OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)，因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一部分的信道。（5）可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實(shí)現(xiàn)方法。（6）信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當(dāng)子波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域以及民用通信統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網(wǎng)(WLAN)等。1.5本文主要工作安排在本論文中，基于MIMO與OFDM技術(shù)的結(jié)合，提出了一種新的MIMO-OFDM系統(tǒng)，即基于發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)。文中論述了基于發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息的方法，并對(duì)自適應(yīng)功率控制展開了研究，對(duì)系統(tǒng)中所用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了Matlab的相關(guān)仿真與分析。本文主要分為五章，各章的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章簡(jiǎn)要論術(shù)無線通信系統(tǒng)的特性，借由無線通信所遇到的種種問題引出最有效的兩種解決方法：MIMO與OFDM技術(shù)。接下來簡(jiǎn)單介紹了OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)以及MIMO-OFDM技術(shù)的研究概況，以及它們各自的應(yīng)用研究與待需要解決的種種問題。第二章主要是對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述，分別對(duì)兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)MIMO和OFDM作了分析。首先論述了OFDM的基本原理，其中包括OFDM的基本模型、DFT實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的優(yōu)點(diǎn)，接下來對(duì)工作中涉及到的MIMO技術(shù)，即空間分集進(jìn)行了分析，最后對(duì)MIMO-OFDM技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。通過本章的介紹，對(duì)MIMO和OFDM系統(tǒng)有了一個(gè)整體上的把握，為下一步的深入研究提供了理論基礎(chǔ)。第三章在第二章的基礎(chǔ)上介紹了基于發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)其中的主要模塊，包括Turbo碼，STBC編碼的原理與實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)的說明并搭建了仿真平臺(tái)。接下來闡述了MIMO信道中信號(hào)的模型，為下章的理論研究奠定了基礎(chǔ)。第四章主要是在前面三章工作的基礎(chǔ)上，對(duì)基于發(fā)送端估計(jì)信道信息的原理進(jìn)行比較詳細(xì)的闡述，對(duì)本文所用的功率注水算法進(jìn)行研究，通過仿真，對(duì)其性能做出分析與比較。最后，將前面所做的所有工作平臺(tái)進(jìn)行整合與調(diào)試，測(cè)試系統(tǒng)性能。第五章對(duì)論文的全部工作進(jìn)行總結(jié)，并討論了今后需要進(jìn)一步的研究方向。

第2章MIMO-OFDM基本原理在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個(gè)十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為若干個(gè)平坦的衰落子信道，從而大大降低了接收端均衡器的復(fù)雜度。而MIMO技術(shù)由于能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，從而有效地提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且極大地提高了系統(tǒng)的頻譜效率。因此，將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合，一是可以實(shí)現(xiàn)很高的傳輸速率，二是可以通過分集實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的可靠性，充分利用時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMO-OFDM技術(shù)已成為未來寬帶無線通信的發(fā)展趨勢(shì)。本章主要是論述MIMO-OFDM系統(tǒng)中的兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)：MIMO和OFDM技術(shù)的基本原理與實(shí)現(xiàn)過程，在搭建整個(gè)平臺(tái)前提供理論支持。2.1OFDM技術(shù)正交頻分復(fù)用(OFDM)通過把高速的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中并行傳輸，使每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期相對(duì)增加從而將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿械钠教顾ヂ渥有诺?，降低了由于無線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響，消除了碼間干擾ISI。同時(shí)，通過符號(hào)間保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的插入，進(jìn)一步消除其載波間干擾ICI。下面將對(duì)OFDM系統(tǒng)的基本模型號(hào)，實(shí)現(xiàn)過程等技術(shù)進(jìn)行闡述。2.1.1OFDM的基本模型一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)包括多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號(hào)，其中每個(gè)子載波都可以采用相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)的符號(hào)映射方法。如果N表示子信道的個(gè)數(shù)，T表示OFDM符號(hào)的寬度，是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，是第0個(gè)子載波的載波頻率，，，則從開始的OFDM符號(hào)可以表示為：（2-1）在多數(shù)文獻(xiàn)中通常采用復(fù)等效基帶信號(hào)來描述OFDM的輸出信號(hào)，如式（2-2）所（2-2）示，其中實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)于OFDM符號(hào)的同相和正交分量，在實(shí)際中可以分別與相應(yīng)子載波的分量和分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的OFDM符號(hào)。圖2.1中給出了OFDM系統(tǒng)的基本模型，其中。圖2.1OFDM系統(tǒng)的基本模型圖2.2中給出了1個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)包括4個(gè)子載波的實(shí)例，其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位。但在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)的調(diào)制方式，每個(gè)子載波的幅值和相位都可能是不同的?？梢钥吹剑總€(gè)子載波在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個(gè)周期，而且各個(gè)相鄰子載波之間相差一個(gè)周期。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即：（2-3）例如式(2-2)中的第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時(shí)間長(zhǎng)度T內(nèi)進(jìn)行積分，見式（2-4）。由式（2-4）知，對(duì)第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號(hào)。而對(duì)其它載波來說，由于在積分間隔內(nèi)，頻率差別可以產(chǎn)生整數(shù)倍個(gè)周期，所以其積分結(jié)果為零。（2-4）圖2.2OFDM內(nèi)包含4個(gè)子載波的情況這種現(xiàn)象還可以從頻域角度來解釋。根據(jù)式（2-1），可知每個(gè)OFDM符號(hào)在周期T內(nèi)包括多個(gè)非零的子載波。因此其頻譜可以看作是周期為T的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個(gè)子載波頻率上的函數(shù)的卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為函數(shù)，這種函數(shù)的零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為1/T整數(shù)倍的位置上。圖2.3OFDM系統(tǒng)中子信道信號(hào)的頻譜（經(jīng)過矩形脈沖成型）這種現(xiàn)象可以參見圖2.3，圖中給出相互覆蓋的各個(gè)子信道內(nèi)經(jīng)過矩形脈沖成型得到的符號(hào)的函數(shù)頻譜。在每一個(gè)子載波頻率的最大值處所有其它子信道的頻譜值恰好為零。由于在對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每一個(gè)子載波頻率的最大值，因此可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)頻譜中提取出每個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其它子信道的干擾。從圖2.3可以看出，OFDM符號(hào)頻譜實(shí)際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個(gè)子信道頻譜之間不存在相互干擾，但這是出現(xiàn)在頻域中。因此這種一個(gè)子信道頻譜的最大值對(duì)應(yīng)于其它子信道頻譜的零點(diǎn)可以避免子信道間干擾(ICI)的出現(xiàn)。2.1.2DFT/IDFT實(shí)現(xiàn)為了敘述的簡(jiǎn)潔，令式(2-2)中的，并且忽略矩形函數(shù)，對(duì)信號(hào)以刀的速率進(jìn)行抽樣，即令，可以得到：（2-5）可以看出恰好等效為對(duì)進(jìn)行IDFT運(yùn)算。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號(hào)，可以對(duì)接收到的進(jìn)行逆變換，即DFT，即可恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)，如下所示：（2-6）從以上分析可知，OFDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號(hào)到子載波的調(diào)制和解調(diào)可以分別通過IDFT和DFT來實(shí)現(xiàn)。通過點(diǎn)的IDFT運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號(hào)試變換為時(shí)域數(shù)據(jù)符號(hào)，經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中。其中每個(gè)IDFT輸出的數(shù)據(jù)符號(hào)都是由所有子載波信號(hào)經(jīng)過疊加而生成的，即對(duì)連續(xù)的多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號(hào)進(jìn)行抽樣得到的。在OFDM系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換(IFFT/FFT)來實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)IDFT運(yùn)算需要實(shí)施次的復(fù)數(shù)乘法(為了方便，只比較復(fù)數(shù)乘法的運(yùn)算量)，而IFFT則可以顯著降低運(yùn)算的復(fù)雜度。對(duì)于常用的基-2IFFT算法來說，其復(fù)數(shù)乘法次數(shù)僅為，并且隨著子載波個(gè)數(shù)的增加，這兩種方法復(fù)雜度之間的差距也越明顯。對(duì)于子載波數(shù)非常大的OFDM系統(tǒng)來說，可以進(jìn)一步采用基-4的IFFT算法來實(shí)現(xiàn)傅立葉變換。為了消除由于多徑所引入的ICI，可以在OFDM符號(hào)保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號(hào)，如圖2.4所示。這樣就可以保證在FFT周期內(nèi)，OFDM符號(hào)的延時(shí)副本內(nèi)所包含的波形的周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。這樣，延時(shí)小于保護(hù)間隔的時(shí)延信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI。OFDM系統(tǒng)加入保護(hù)間隔后，會(huì)帶來功率和信息速率的損失，其中功率損失定義為：（2-7）其中為功率損失，為保護(hù)間隔時(shí)長(zhǎng)，為OFDM符號(hào)周期長(zhǎng)度。從上式可以看到，當(dāng)保護(hù)間隔占到時(shí)，功率損失卻不到ldB，雖然信息速率損失達(dá)，卻可以消除ISI和多徑所造成的ICI的影響，因此這個(gè)代價(jià)是值得的。圖2.4加入循環(huán)前綴的OFDM符號(hào)2.2MIMO基本原理2.2.1分集的概念由于無線衰落信道的多徑與時(shí)變特性，經(jīng)過其傳輸?shù)男盘?hào)在接收端可能會(huì)受到嚴(yán)重的衰落。與無衰落的理想信道相比，這種衰落使得接收端可能不能正確地判斷出原發(fā)送信號(hào)。根據(jù)信息論原理，若有經(jīng)過其它衰落信道的原發(fā)送信號(hào)副本提供給接收機(jī)，則有助于接收信號(hào)的正確判決。這種通過提供傳送信號(hào)多個(gè)副本來提高接收機(jī)正確判決率的方法被稱為分集。分集的基本原理就是通過多個(gè)信道(時(shí)間、頻率或者空間)接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能比較正確地恢復(fù)出原發(fā)射信號(hào)。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限條件下，發(fā)射機(jī)需要較高的發(fā)射功率才能保證信道情況較差時(shí)鏈路正常連接。在移動(dòng)無線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集的方法可以降低發(fā)射功率，這在移動(dòng)通信中非常重要。利用分集技術(shù)，在接收端需要接收通過不同分集路徑所得到的信號(hào)副本，然后把不同的分集支路得到的信號(hào)副本合并起來，以達(dá)到提高總信噪比、降低信號(hào)誤碼率的目的。在采用分集技術(shù)時(shí)，為了獲得好的分集效果，要求分集接收到的各個(gè)信號(hào)副本之間的相關(guān)性盡可能的小。就時(shí)間分集、頻率分集和空間分集三者而言，由于空間分集技術(shù)不用犧牲信號(hào)的頻率帶寬，且能夠在保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)獲得最大的分集增益，因而它是減小多徑衰落的有效方法，受到了廣泛的關(guān)注，成為第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。2.2.2多天線系統(tǒng)MIMO技術(shù)是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的一大突破，它提供了解決未來無線網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的方法。MIMO技術(shù)的核心思想是信號(hào)的空間一時(shí)間聯(lián)合處理。在此，數(shù)字信號(hào)固有的時(shí)間維度與多個(gè)空間分離天線帶來的空間維度聯(lián)合起來。在某種意義上，MIMO系統(tǒng)也可以看作是傳統(tǒng)智能天線技術(shù)的擴(kuò)展。MIMO系統(tǒng)的重要特性是它能利用無線通信的多徑傳播特性來提高系統(tǒng)的性能。也就是說，MIMO技術(shù)能夠有效地利用無線鏈路中的隨機(jī)衰落和延遲擴(kuò)展特性來成倍地提高傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃浴IMO技術(shù)是在接收端和發(fā)送端都采用多個(gè)天線，可以成倍地提高衰落信道下的信道容量。根據(jù)信息論最新成果，假定發(fā)送天線數(shù)為，接收天線數(shù)是，在每個(gè)天線發(fā)送信號(hào)能夠被分離的情況下，有如下信道容量公式：（2-8）其中，SNR是每個(gè)接收天線的信噪比。根據(jù)這個(gè)公式，對(duì)于采用多天線陣發(fā)送和接收的系統(tǒng)，在理想情況下信道容量將隨線性增加，從而提供了目前其他技術(shù)無法達(dá)到的容量潛力。2.3MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù)MIM0-0FDM集成了MIMO和OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用OFDM能夠?qū)㈩l率選擇性信道轉(zhuǎn)換為平坦衰落信道的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)在寬帶無線數(shù)據(jù)傳輸中的可靠應(yīng)用。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，經(jīng)過空時(shí)編碼后輸出與天線數(shù)相同個(gè)數(shù)的子數(shù)據(jù)流，這些子數(shù)據(jù)流并行輸入到同樣數(shù)目的IFFT變換器，變換后由多個(gè)發(fā)射天線發(fā)送，接收端進(jìn)行相反的操作。在高速無線傳輸中，由于每個(gè)子數(shù)據(jù)流都經(jīng)過了OFDM模塊，使得映射在子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)長(zhǎng)度增加，有效地抵抗了無線信道的時(shí)間彌散所帶來的ISI。而對(duì)于子載波來說，每個(gè)IFFT的子載波采用同樣的載波間隔，則同樣位置的子載波上映射了一個(gè)空時(shí)編碼符號(hào)向量。MIMO-OFDM技術(shù)也被業(yè)界認(rèn)為是未來第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要物理層技術(shù)。OFDM系統(tǒng)的技術(shù)難題都將在MIMO-OFDM系統(tǒng)中出現(xiàn)，同時(shí)MIMO-0FDM系統(tǒng)還要面對(duì)MIMO方面的一些問題。2.3.1OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1．信道估計(jì)相干檢測(cè)需要用到信道的信息，因此在接收機(jī)需要先進(jìn)行信道估計(jì)。在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇，二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是互相聯(lián)系的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。常用的信道估計(jì)的方法有基于導(dǎo)頻信息和基于導(dǎo)頻符號(hào)兩種，而最小均方值方法、最大后驗(yàn)概率法等估計(jì)方法都可以根據(jù)具體要求選用。2．同步問題OFDM系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)就是對(duì)同步偏差十分敏感，即使很小的頻率、定時(shí)同步錯(cuò)誤就會(huì)引起符號(hào)間干擾ISI和載波間干擾ICI，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，因此很好的同步對(duì)于OFDM系統(tǒng)十分重要。如何減小IC1對(duì)系統(tǒng)性能的影響，是OFDM系統(tǒng)性能得到廣泛應(yīng)用的前提條件之一，也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。當(dāng)前提出的同步方法主要有兩種：基于導(dǎo)頻的同步和基于循環(huán)前綴的同步。3．自適應(yīng)調(diào)制自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的基本思想是自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸?shù)膮?shù)來充分利用當(dāng)前信道環(huán)境，可以調(diào)節(jié)的參數(shù)包括調(diào)制方式、編碼方式和發(fā)射功率等。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被廣泛的認(rèn)為是無線通信系統(tǒng)中有效提高頻譜利用率的重要手段之一。OFDM把實(shí)際信道劃分為若干各子信道，這樣就能夠根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活的分配發(fā)射功率和信息比特，從而獲得更好的系統(tǒng)性能。2.3.2MIMO空時(shí)處理技術(shù)1．空間復(fù)用空間復(fù)用是指在一定的差錯(cuò)率下，通過不同的天線盡可能多的在空間信道上傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在主要有三種空間復(fù)用技術(shù)：對(duì)角貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(DBLAST)方案、水平貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(HBLAST)方案以及垂直貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(VBLAST)方案。其中VBLAST由于操作簡(jiǎn)單而廣泛應(yīng)用。由于每根接收天線同時(shí)接收到多根發(fā)送天線傳送來的疊加在一起的信號(hào)，信號(hào)檢測(cè)或分離一直是MIMO系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。信號(hào)檢測(cè)的基本思想非常相似于CDMA（碼分多址）技術(shù)市場(chǎng)中的多用戶檢測(cè)(MUD)。信號(hào)檢測(cè)的主要算法有：最小均方誤差(MMSE)，迫零(ZF)、最大似然(ML)、并行干擾抵消(PIC)和串行干擾抵消(SIC)。其中，ML性能最好，但是復(fù)雜度最高；PIC和SIC能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜度和性能的良好折中。2．空時(shí)編碼空時(shí)編碼主要分為兩大類，即：空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)和空時(shí)分組碼(STBC)。STTC是由朗訊實(shí)驗(yàn)室的Tarokh等人提出的空時(shí)編碼技術(shù)，適用于多種無線信道環(huán)境。STTC把編碼和調(diào)制結(jié)合起來，能夠達(dá)到編譯碼復(fù)雜度、性能和頻帶利用率的最佳平衡，是一種非常好的編碼。采用STTC能同時(shí)得到編碼增益和分集增益，雖然它能夠提供比現(xiàn)有系統(tǒng)高3-4倍的頻帶利用率，但是其譯碼復(fù)雜度隨著狀態(tài)數(shù)的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。STBC是由AT&T的Tamkh等人在Alamouti的研究基礎(chǔ)上提出的。Alamouti提出了采用2個(gè)發(fā)射天線和1個(gè)接收天線的系統(tǒng)可以得到采用1個(gè)發(fā)射天線和2個(gè)接收天線系統(tǒng)同樣的分集增益。STBC正是利用正交設(shè)計(jì)的原理分配各發(fā)射天線上的發(fā)射信號(hào)格式，實(shí)際上是一種空間域和時(shí)間域結(jié)合的正交分組編碼方式。STBC可以使接收機(jī)解碼后獲得滿分集增益，且保證譯碼運(yùn)算僅僅是簡(jiǎn)單的線性合并，使譯碼復(fù)雜度大大降低。2.4本章小結(jié)本章主要是對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述，分別對(duì)兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)MIMO和OFDM作了分析。首先論述了OFDM的基本原理，其中包括OFDM的基本模型、DFT實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的優(yōu)點(diǎn)，接下來對(duì)工作中涉及到的MIMO技術(shù)，即空間分集進(jìn)行了分析，最后對(duì)MIMO-OFDM技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。通過本章的介紹，對(duì)MIMO和OFDM系統(tǒng)有了一個(gè)整體上的把握，為下一步的深入研究提供了理論基礎(chǔ)。

第3章MIMO-OFDM系統(tǒng)算法及原理本文中的自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)是基于在發(fā)送端完全已知CSI（信道狀態(tài)信息）的條件下，得到每個(gè)信道的本征模，采用自適應(yīng)比特與功率加載算法，從而可以提高整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率與可靠性。在發(fā)送端做信道估計(jì)時(shí)，即使CSI（信道狀態(tài)信息）存在誤差時(shí)，此系統(tǒng)也具有較高的魯棒性。并且，在較低與中等信噪比情況下所達(dá)到的頻譜效率也比只在接收端知道CSI時(shí)的頻譜效率高。本章將在TDD模式下，對(duì)基于發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行分析。3.1系統(tǒng)模型從上節(jié)和第2章的分析可知，MIMO和OFDM技術(shù)市場(chǎng)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域有各自的優(yōu)點(diǎn)，MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落，但對(duì)于頻率選擇性衰落，MIMO仍是無能為力，現(xiàn)在一般采用均衡技術(shù)來解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落。OFDM技術(shù)雖然具有較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落能力，被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，但4G還需要高頻譜利用率的技術(shù)，而OFDM提高頻譜利用率的能力有限。如果結(jié)合MIMO技術(shù)，則可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高頻譜效率，還可以通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性。此外，OFDM由于碼率低和加入了保護(hù)間隔而具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力，當(dāng)多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔時(shí)系統(tǒng)將不受碼間干擾的影響，從而使MIMO-OFDM系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗多徑能力。圖3-1MIMO-OFDM系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，我們提出了基于發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)，它的系統(tǒng)如圖3.1所示。由圖3.1知，系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)模塊：Turbo編譯碼模塊、交織編譯碼模塊、QAM調(diào)制與解調(diào)模塊、功率控制模塊、預(yù)編碼模塊、OFDM調(diào)制與解調(diào)模塊、STBC編譯碼模塊。由圖3-1可知，發(fā)送端可以大致描述為：輸入比特流經(jīng)過解復(fù)用，然后進(jìn)行Turbo編碼，碼率為1/2，編碼后的數(shù)據(jù)流將進(jìn)入塊交織器進(jìn)行交織，交織長(zhǎng)度為64。然后進(jìn)行QPSK調(diào)制，在進(jìn)行IFFT變換，把高速數(shù)據(jù)變?yōu)榈退贁?shù)據(jù)流，再經(jīng)過STBC2*2的空時(shí)編碼，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從兩根天線發(fā)送出去。3.2Turbo編譯碼無論是從信息論還是從編碼理論看，要想提高編碼的性能，就必須加大編碼中具有約束關(guān)系的序列長(zhǎng)度。但是直接提高分組碼編碼長(zhǎng)度或卷積碼約束長(zhǎng)度都使系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇上升。3.2.1Turbo碼編碼原理Turbo碼的編碼器可以有多種形式，如采用并行級(jí)聯(lián)卷積碼（PCCC）和串行級(jí)聯(lián)卷積碼（SCCC）等。一個(gè)采用并行級(jí)聯(lián)卷積碼的Turbo碼編碼器原理框圖如圖3.2所示。圖3-2Turbo碼編碼器原理框圖圖中編碼器由下列三部分組成：直接輸入復(fù)接器部分；經(jīng)過編碼器1，再經(jīng)過刪余矩陣后送入復(fù)接器部分；經(jīng)過交織器、編碼器2，再經(jīng)刪余矩陣送入復(fù)接器部分。圖中兩個(gè)編碼器產(chǎn)生Turbo碼的二維分量碼，它可以很自然地推廣到多維分量碼。分量碼既可以是卷積碼，也可以是分組碼，還可以是級(jí)聯(lián)碼；兩個(gè)分量碼既可以相同，也可以不同。原則上講，分量碼既可以是系統(tǒng)碼，也可以是非系統(tǒng)碼，但為了地接收端進(jìn)行有效的迭代，一般選擇遞歸系統(tǒng)卷積碼（RSC）。刪余矩陣的作用是提高編碼效率，表示素取自集合{0，1}。矩陣中，每一行分別與兩個(gè)分量編碼器相對(duì)應(yīng)，其中“0”表示相應(yīng)位置上的校驗(yàn)比特被刪除（該操作也稱為“打孔”），而“1”表示保留相應(yīng)的校驗(yàn)比特。3.2.2Turbo譯碼Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)Turbo碼獲得優(yōu)異性能的根本原因之一是采用了迭代譯碼，通過分量譯器之間軟信息的交換來提高譯碼性能。圖3-4所示。圖3-3PCCC的譯碼結(jié)構(gòu)在描述迭代譯碼過程之前，首先說明幾個(gè)符號(hào)的意義?！a字符號(hào)或信息符號(hào)的概率信息；——碼字符號(hào)或信息符號(hào)的概率對(duì)數(shù)似然比（LLR，LogarithmLikelihoodRatio）;——外部對(duì)數(shù)似然比信息；——先驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比信息；對(duì)于第個(gè)被譯比特，PCCC譯碼器中每個(gè)分量譯碼器都包括系統(tǒng)信息、校驗(yàn)信息和先驗(yàn)信息。其中先驗(yàn)信息是由另一個(gè)分量譯碼器生成的外部信息經(jīng)過解交織/交織后的對(duì)數(shù)似然比值。譯碼輸出為對(duì)數(shù)似然比，其中=1,2。在迭代過程中，分量譯碼器1的輸出可表示為系統(tǒng)信息、先驗(yàn)信息外部信息之和的形式：=++（3-3）其中（3-4）為交織映射函數(shù)。第一次迭代時(shí)（3-5）從而（3-6）由于分量譯碼器1生成的外部信息先驗(yàn)信息和信息系統(tǒng)無關(guān)，故可在交織后作為分量譯碼器2的先驗(yàn)信息輸入，從而提高譯碼的準(zhǔn)確性。同樣，對(duì)于分量譯碼器2，其外部信息為輸出對(duì)數(shù)似然比減去系統(tǒng)信息（經(jīng)過交織映射）和先驗(yàn)信息的結(jié)果，即：（3-7）其中（3-8）外部信息解交織后反饋為分量譯碼器1的先驗(yàn)輸入，完成一輪迭代譯碼。譯碼數(shù)據(jù)準(zhǔn)備以QPSK調(diào)制為例，說明在Turbo譯碼前的譯碼數(shù)據(jù)預(yù)處理。令代表發(fā)送的QPSK符號(hào)，則復(fù)基帶表示形式為：(3-12)其中,，a代表QPSK符號(hào)同相與正交分量幅度。顯然在給定信號(hào)幅度a的條件下QPSK符號(hào)的平均功率為：(3-13)若要求QPSK符號(hào)功率為1，則(3-14)接收端所接收到的QPSK數(shù)據(jù)符號(hào)為：(3-15)其中分別為接收到QPSK符號(hào)的同相與正交分量，為均值為零，方差等于的同相與正交高斯白噪聲分量。在忽略衰落條件下（即令=1），顯然有,(3-16)對(duì)應(yīng)的有以下先驗(yàn)概率(3-17)在QPSK解調(diào)過程中采用MAP解調(diào)可得軟解調(diào)符號(hào)，即(3-18)如前所述，若發(fā)送端發(fā)送的QPSK符號(hào)功率為1，則QPSK符號(hào)同相與正交分量幅度為，為了便于后續(xù)的譯碼處理，可對(duì)接收到QPSK符號(hào)的同相與正交分量執(zhí)行歸一化處理，即令(3-19)則軟解調(diào)符號(hào)可以重寫為(3-20)概述起來，在Turbo譯碼之前需執(zhí)行以下兩步譯碼數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作：接收數(shù)據(jù)符號(hào)的歸一化處理，得到歸一化處理后的同相與正交分量；基于MAP軟解調(diào)得到待譯碼數(shù)據(jù)。3.3空時(shí)編譯碼原理空時(shí)編碼(STC)是近年來通信領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號(hào)處理技術(shù)。它在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收，在不同天線的發(fā)射信號(hào)之間引入時(shí)域和空域相關(guān)性，綜合利用時(shí)域和空域二維信息，從而在接收端進(jìn)行分集接收?？諘r(shí)編碼將空間分集、頻率分集及時(shí)間分集結(jié)合在一起，從通信系統(tǒng)的整體出發(fā)，提高多徑衰落信道的通信質(zhì)量和數(shù)量?；诎l(fā)射分集的空時(shí)碼分為空時(shí)格形碼STTC(space-TimeTrellisCode)和空時(shí)分組碼STBC(space-timeBlockcode)。基于發(fā)射復(fù)用的是各種分層空時(shí)碼，包括水平分層空時(shí)碼(H-BLAST)、對(duì)角分層空時(shí)碼(D-BLAST)和垂直分層空時(shí)碼(V-BLAST)。3.3.1STBC空時(shí)編譯碼原理本文中采用的是Alamouti2*2的矩陣進(jìn)行空時(shí)編碼，其形式如下：（3-21）見式（3-21），第一根天線發(fā)送第一排數(shù)據(jù)，第二根發(fā)射天線發(fā)送第二排的數(shù)據(jù)。在某一時(shí)刻，第一根天線發(fā)送數(shù)據(jù)，第二根天線發(fā)送數(shù)據(jù)，則在下一時(shí)刻，第一根天線發(fā)送數(shù)據(jù)（的共軛取反），同時(shí)，第二根天線發(fā)送，其發(fā)送端的原理框圖如圖3-5：圖3-5Alamouti時(shí)空編碼框圖假設(shè)接收端有一根天線，如圖3-6所示，則接收端的信號(hào)表示為：（3-22）圖3-6Alamouti兩根發(fā)送天線傳輸分集方案3.3.2性能分析正交空時(shí)分組編碼也可以獲得最大的分集增益mn?？諘r(shí)分組編碼的不同分組之間不相關(guān)，而且其分組長(zhǎng)度又很短，因此只能獲得一定的編碼增益，性能不如空時(shí)網(wǎng)格編碼。但是空時(shí)分組編碼的正交性支持接收端采取完全線性處理的最大似然獨(dú)立解碼，與空時(shí)網(wǎng)格編碼相比，解碼復(fù)雜度大大降低。無論增加發(fā)射天線數(shù)還是增加傳輸速率都不會(huì)對(duì)譯碼復(fù)雜度有太大的影響。接收端的譯碼算法簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低是空時(shí)分組編碼最大的優(yōu)點(diǎn)。3.4MIMO-OFDM系統(tǒng)模型本節(jié)主要研究寬帶時(shí)變MIMO信道的主要特性，集中于其信號(hào)模型、空間衰落特性及空間相關(guān)性的研究。SISO，MISO，SIMO等各種天線配置情況和窄帶、時(shí)不變等信道將作為其特殊情況處理。假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射天線數(shù)為，接收天線數(shù)，寬帶時(shí)變信道在時(shí)刻t信道脈沖響應(yīng)為，如(3-23)式。（3-23）則系統(tǒng)模型為：（3-24）其中，為發(fā)射信號(hào)向量，為接收信號(hào)向量，v(t)為加性高斯白噪聲，*表示卷積。無線信道的衰落主要由信道環(huán)境中的散射簇(本文中的散射簇涵蓋了所有影響信道衰落特性的因素)引起，一般信道中主要散射簇是離散分布的，因而可以將MIMO信道寫為：（3-25）其中L為抽頭延遲線模型的階數(shù)，對(duì)應(yīng)于信道中主散射簇?cái)?shù)量，是以采樣周期為單位的延遲時(shí)間。第q根發(fā)射天線和第i根接收天線間的SISO信道為,該信道響應(yīng)是時(shí)間、延遲、發(fā)射和接收天線位置的函數(shù)，表征了該條路徑的幅度增益和相位旋轉(zhuǎn)。在WSSUS假設(shè)下，上述信道模型為系數(shù)時(shí)變的FIR信道模型。寬帶MIMO信號(hào)模型為：（3-26）為分析信道空間特性的方便，假設(shè)在考察的時(shí)間內(nèi)，MIMO信道為時(shí)不變信道(或假設(shè)考察的是相干時(shí)間內(nèi)的信道特征)，重寫上述MIMO時(shí)變信道：（3-27）假設(shè)信道各路徑延遲間隔等于采樣周期，寬帶MIMO系統(tǒng)離散信號(hào)模型：，（3-28）3.5仿真結(jié)果與分析圖3-7為MIMO的性能仿真曲線圖，其中橫坐標(biāo)是EbN0（信噪比），單位為dB，縱坐標(biāo)是誤碼率。仿真的條件是：每幀為400比特，采用QPSK調(diào)制，Alamouti2*2矩陣編碼，信道為瑞利信道，誤比特門限為200。圖3-7MIMO性能仿真曲線圖圖3-8為OFDM系統(tǒng)性能仿真曲線圖，橫坐標(biāo)為EbN0，單位dB，縱坐標(biāo)為誤碼率。仿真的條件是：每幀為2048比特，采用QPSK調(diào)制，高斯信道下，誤比特門限為200，噪聲功率密謀為，其中為經(jīng)過FFT變換后每個(gè)符號(hào)的功率，即，其中與分別為正交與同相兩個(gè)支路。圖3-9為MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真曲線圖，橫坐標(biāo)為EbN0，單位dB，縱坐標(biāo)為誤碼率。結(jié)合圖3-7與圖3-8，可以看出，在OFDM系統(tǒng)中加上MIMO技術(shù)后，性能明顯增加，OFDM系統(tǒng)中EbN0為（3~10）dB時(shí)系統(tǒng)所達(dá)到的性能，經(jīng)過MIMO后，與（-6~0）dB時(shí)的性能差不多。圖3-8OFDM系統(tǒng)性能仿真圖圖3-10MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真性能圖3.6本章小結(jié)本章主要基于傳統(tǒng)的MIMO與OFDM技術(shù)，提出了在發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并對(duì)其中的主要模塊，包括Turbo碼，STBC編碼的原理與實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)的說明。接下來闡述了MIMO信道中信號(hào)的模型，為下章的理論研究奠定了基礎(chǔ)。最后，通過仿真，驗(yàn)證了Turbo碼與OFDM的性能。

第4章自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真建模本章主要講論述的是MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)方式與采用的自適應(yīng)控制方式。本文采用的是基于發(fā)送端來端估計(jì)信道狀態(tài)信息，較之于基于接收端估計(jì)信道狀態(tài)信息的MIMO-OFDM系統(tǒng)來說，它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）沒有時(shí)延；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是此系統(tǒng)必須應(yīng)用于TDD模式下，對(duì)于上下行鏈路不對(duì)稱的FDD系統(tǒng)，則不能采用此種系統(tǒng)模型。4.1MIMO系統(tǒng)中的信道估計(jì)在傳統(tǒng)的SISO系統(tǒng)中，信道估計(jì)算法己經(jīng)有了很深入的研究，并且取得了很多重要的成果，但在對(duì)MIMO信道的估計(jì)中，仍有許多問題需要進(jìn)一步研究。4.1.1MIMO系統(tǒng)信道估計(jì)的重要性移動(dòng)通信中的無線傳輸信道是一個(gè)時(shí)變多徑衰落信道。所發(fā)送的數(shù)據(jù)將會(huì)經(jīng)歷信道衰落。在得到合理的補(bǔ)償后，接收端能夠正確的接收、恢復(fù)所發(fā)送的數(shù)據(jù)。要達(dá)到這樣的效果，就需要在接收端使用信道估計(jì)技術(shù)來獲得信道衰落信息，因此信道估計(jì)技術(shù)是提高無線數(shù)據(jù)接收性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。另一方面，MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大容量的前提是接收機(jī)能對(duì)來自各發(fā)射天線的信號(hào)進(jìn)行很好的去相關(guān)處理，這也需要首先對(duì)信道進(jìn)行比較準(zhǔn)確的估計(jì)，才可以進(jìn)行相應(yīng)的解碼處理。因此在高數(shù)據(jù)率的MIMO系統(tǒng)中，對(duì)寬帶時(shí)變MIMO信道的估計(jì)和跟蹤是實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)接收端準(zhǔn)確檢測(cè)、解碼等的前提基礎(chǔ)，是獲得系統(tǒng)性能改善的前提保證。4.1.2MIMO系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀MIMO信道的估計(jì)和跟蹤算法的性能，將對(duì)最后的誤碼性能和系統(tǒng)容量有很大的影響。與傳統(tǒng)的SISO系統(tǒng)相比，在MIMO通信系統(tǒng)中，信道估計(jì)技術(shù)以及信號(hào)的檢測(cè)更具挑戰(zhàn)性，這是由于無線MIMO信道本身就較一般的SISO信道復(fù)雜，而豐富的多徑衰落使得空時(shí)MIMO信道變成頻率選擇性信道，二者使得MIMO信道呈現(xiàn)為一個(gè)FIR矩陣信道，對(duì)它的估計(jì)與跟蹤是較困難的。信道估計(jì)方案與傳輸方案密切相關(guān)，實(shí)用的信道估計(jì)技術(shù)需要充分利用傳輸數(shù)據(jù)的特征，從而能在信道估計(jì)誤差、頻譜效率及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等方面實(shí)現(xiàn)合理的折中。4.2基于發(fā)送端的信道估計(jì)模型4.2.1基于發(fā)送端估計(jì)信道的優(yōu)缺點(diǎn)本文中采用的是基于發(fā)送端的信道估計(jì)方式，較之于在接收端做信道估計(jì)的系統(tǒng)來說，它有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：在發(fā)送端做信道估計(jì)，沒有時(shí)延；較之在接收端做信道估計(jì)，方法與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而它的缺點(diǎn)在于：此系統(tǒng)只能用于TDD（時(shí)分雙工）模式下，對(duì)于FDD（頻分雙工）這種上下行鏈路不對(duì)稱的系統(tǒng)來說，則不能采用此系統(tǒng)。研究表明，在發(fā)送端做信道估計(jì)時(shí)，具有很高的魯棒性，即使是當(dāng)信道狀態(tài)信息存在誤差時(shí)，通過仿真表明，在較低與中等SNR時(shí)，達(dá)到的頻譜效率也比在發(fā)送端不采用信道估計(jì)時(shí)大。4.2.2基于發(fā)送端估計(jì)信道原理請(qǐng)參考圖（4-1），自適應(yīng)多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用（MIMO-OFDM）系統(tǒng)框圖中共有C個(gè)子載波，T根發(fā)送天線與R根接收天線，如圖1所示。（a）發(fā)送端（b）接收端圖4-1自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制器與解調(diào)器的輸入與輸出關(guān)系如（1）給出（4-1）這里，是一個(gè)臨時(shí)的編號(hào)，代表著子載波個(gè)數(shù)編號(hào)，與分別代表了預(yù)處理器輸出矩陣與正交頻分復(fù)用解調(diào)器輸出矩陣的第列，代表著噪聲向量在瞬時(shí)時(shí)刻的值，代表著信道矩陣在瞬時(shí)時(shí)刻時(shí)的值。輸入代表著發(fā)射天線與接收天線在子載波處的復(fù)信道增益。幀長(zhǎng)L的選擇要小于信道的相關(guān)時(shí)間。為了簡(jiǎn)化示子，時(shí)間編號(hào)將在下面被省去。我們采用參考文獻(xiàn)中所列出來的信道狀態(tài)信息誤差模型：基于發(fā)送端的估計(jì)信道矩陣通過給出，表示信道估計(jì)誤差矩陣并且是獨(dú)立同分布矩陣，其中是已知的。通過信道估計(jì)矩陣的奇異值分解，我們得到了單位矩陣，并通過它來完成線性預(yù)結(jié)合。在子載波c處的發(fā)送向量，這里代表由比特與功率算法得到的激活本征模的數(shù)目，其中是子載波c處的發(fā)送復(fù)數(shù)字碼元向量，而矩陣控制著分配給每一個(gè)本征模的功率（集群功率歸一化1，即）并且包含了的第一個(gè)列元素。則第c個(gè)子載波外的接收信號(hào)可以被表示如下：（4-2）這里，是獨(dú)立同分布的輸入信號(hào)，并且服從。是一個(gè)的矩陣，且只有對(duì)角線上有元素，而矩陣其余地方的元素都為0，其中代表著Hermitian矩陣的本征值。矩陣是信號(hào)處理在發(fā)送端的累積效果與傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的信道傳播，并且可以在通過增加用作信道估計(jì)的導(dǎo)頻碼元，從而在接收端獲得。的估計(jì)超出了這篇文章的研究范圍，所以我們將在下面假設(shè)它已經(jīng)在接收端完全已知。非常有效的Turbo編碼因?yàn)槠漭^大的編碼增益所以常被用作信道編碼。如參考文獻(xiàn)所述，turbo編碼將時(shí)域與頻域結(jié)合起來，所以在一個(gè)傳輸幀的連續(xù)OFDM碼元中，一個(gè)turbo碼字將包含所給分層的被選擇本征模。4.3MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ)OFDM能將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干平坦衰落子信道，在平坦衰落信道中引入空時(shí)編碼技術(shù)后，又能夠大幅度的提高了無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效的抵抗衰落、抑制噪聲和干擾，因此將空時(shí)編碼與OFDM相結(jié)合，構(gòu)成MIMO-OFDM系統(tǒng)在未來的移動(dòng)通信中具有非常廣闊的發(fā)展前景。MIMO-OFDM技術(shù)將空間分集、時(shí)間分集以及頻率分集有機(jī)的結(jié)合起來，從而能夠大大的提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，有效的抵抗信道衰落和抑制干擾，成為實(shí)現(xiàn)無線信道高速數(shù)據(jù)傳輸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。4.3.1MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸原理目前對(duì)MIMO-OFDM技術(shù)的研究主要向兩個(gè)方向發(fā)展:1．基于OFDM的空間復(fù)用系統(tǒng)(OFDM-basedspatialmultiplexingsystems)，即OFDM與貝爾實(shí)驗(yàn)室BLAST系統(tǒng)的結(jié)合，它主要是利用無線信道的多徑傳播特性產(chǎn)生并行空間信道，從而提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。2．空時(shí)編碼OFDM系統(tǒng)(Space-timeCodedOFDM，STC-OFDM)，即OFDM與基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的結(jié)合，它主要利用信道編碼和多天線陣技術(shù)提高系統(tǒng)的抗衰落特性，從而可以采用多進(jìn)制傳輸以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文主要研究第二種即：基于OFDM的空間分集系統(tǒng)。其中廣泛采用的是STBC+0FDM系統(tǒng)。它是一種較為容易實(shí)現(xiàn)并被廣泛研究的空時(shí)碼結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)中能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。STBC系統(tǒng)是一種典型的空間分集系統(tǒng)，它通過串并變換將單個(gè)數(shù)據(jù)流分解為多個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，從多個(gè)天線上同時(shí)發(fā)送出去；在接收端，同樣使用多個(gè)天線來接收數(shù)據(jù)。由于接收端的每個(gè)天線都接收到了來自所有發(fā)射天線的信號(hào)，因此在接收端通過使用一定的算法來檢測(cè)出的每個(gè)天線上的發(fā)送數(shù)據(jù)就具有較高的可靠性。4.3.2MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)發(fā)送端總帶寬分為C個(gè)子載波，有T根發(fā)射天線，接收端有R根目錄接收天線。M是每個(gè)子載波傳送的信息比特?cái)?shù)，有r=min{T,R}。則在第c個(gè)子載波上等效基帶信號(hào)的輸入輸出關(guān)系可以表示為:（4-3）上式，表示發(fā)送數(shù)據(jù)，這些發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)從T根天線上發(fā)送出去；表示均衡器輸出端的接收數(shù)據(jù);表示噪聲向量，其中的每一個(gè)元素都是相互獨(dú)立的均值為0，方差為的復(fù)高斯隨機(jī)變量;是的復(fù)數(shù)矩陣，表示MIMO-OFDM系統(tǒng)第個(gè)子載波上的等效基帶信道傳輸矩陣;和分別表示在發(fā)射端的第c個(gè)子載波上的預(yù)處理矩陣和在接收端的第c個(gè)子載波上的后處理矩陣。假設(shè)發(fā)射機(jī)已知理想的信道傳輸狀態(tài)信息,即已知.對(duì)進(jìn)行奇異值分解得到下式:（4-4）其中,和分別表示維與維矩陣,上角標(biāo)表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置;表示維對(duì)角矩陣,它的對(duì)角線元素是的按照由大到小次序排列的奇異值.將設(shè)置成,設(shè)置成,則變成：（4-5）對(duì)于每個(gè)子載波都采取上述處理方法，可以把MIM0-0FDM系統(tǒng)的無線信道分解為一組并行的、獨(dú)立的子信道。子信道的增益就是奇異值分解得到的奇異值分解得到的奇異值舉這些信道被稱為奇異值子信道。自適應(yīng)調(diào)制就是在這些子信道上進(jìn)行功率和比特分配，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。這是MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸方法的基礎(chǔ)。4.3.3注水算法原理由上一節(jié)可知，對(duì)信道矩陣作奇異值分解得到：。其中，U，V都是酉矩陣，不會(huì)影響信號(hào)的發(fā)射功率，H的秩為rand(H)=min(T,R)，假設(shè),則有R個(gè)非奇異值，即。這樣，就把MIMO看成R個(gè)并行子信道，每個(gè)信道上的增益對(duì)應(yīng)相應(yīng)的奇異值，如圖4-2。對(duì)于接收端天線數(shù)大于發(fā)射端天線數(shù)的情況同上。圖4-2并行子信道的示意圖并行子信道設(shè)計(jì)中的最優(yōu)方法是注水法(Waterfi111ngmethod)，一般是在給定功率限制的條件下求最大化信道容量。用H(f)表示帶寬W信道的傳輸函數(shù)，N(f)為AWGN功率譜密度，把帶寬為W的信道分為個(gè)子載波，為子載波帶寬，且滿足在子載波頻帶內(nèi)近似恒定。用表示發(fā)射機(jī)的平均發(fā)射功率，需有功率限制條件：。AWGN環(huán)境中的信道容量可以表示為：，其中C為信首容量（bit/s），表示信道帶寬內(nèi)的AWGN功率。在多載波系統(tǒng)中，令足夠小，可得到信道總?cè)萘浚海?-6）考慮功率限制條件：，若欲實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化，則可以將式子（4-6）變?yōu)槭阶樱?-7）中的求極值問題，其中為拉格朗日乘子。（4-7）對(duì)式子（4-7）進(jìn)行變換，可以得到式子（4-8）如下：（4-8）式子(4-8)的物理意義：當(dāng)信噪比較大時(shí)，信道所對(duì)應(yīng)的功率也較大；而當(dāng)SNR較低時(shí)，信道功率也應(yīng)較低。圖4-3給出了這種信號(hào)發(fā)射功率分配的示意圖，曲線表示信道帶寬內(nèi)不同頻率所對(duì)應(yīng)的SNR的倒數(shù)。實(shí)現(xiàn)信道容量最大化的方法類似于把水倒入曲線上方陰影部分的“碗”中，從而得到-這就是所謂的模擬“注水”分配法。由此可見信道特性較好(即值較大)的子載波可以獲得較高圖4-3模擬“注水”方法分配示意圖的發(fā)射功率，能有效傳輸更多的信息。注水法能夠在帶限信道上實(shí)現(xiàn)信道容量的理論最大值(提供理論上的最佳解決方案)，是功率分配的經(jīng)典算法。但是其算法的計(jì)算復(fù)雜度很大，且需要星座規(guī)模的量化精度無限小，因此在實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。4.4仿真結(jié)果與分析圖4-5為Turbo碼性能仿真曲線圖，橫坐標(biāo)為EbN0，單位為dB，縱坐標(biāo)示為誤碼率。仿真條件為：采用（7，5）Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)，塊交織器，QPSK調(diào)制，每幀長(zhǎng)度為500比特，信道為高斯白噪聲信道，信道的噪聲功率為，為Turbo編碼碼率，誤比特門限為200比特。圖4-4為Turbo與OFDM相結(jié)合的仿真系統(tǒng)，橫坐標(biāo)為EbN0，單位為dB，縱坐標(biāo)示為誤碼率。由圖可知當(dāng)EbN0達(dá)到3dB時(shí)，誤碼率已知接近，當(dāng)EbN0達(dá)到4dB時(shí)，誤碼率已經(jīng)在以下，并且在4dB以后，隨著EbN0的增加，BER下降越來越快。對(duì)比圖3-9，在OFDM系統(tǒng)中，由圖可知，在（3~4）dB時(shí)，誤碼率才緩慢趨向于，可見，加入了Turbo編碼后，OFDM系統(tǒng)的性能有很大提高。圖4-5為功率注水法算法仿真圖，橫坐標(biāo)為EbN0，單位dB，縱坐標(biāo)為功率。仿真條件為：固定噪聲功率時(shí)，通過2*2的時(shí)變MIMO信道時(shí)，藍(lán)色線與綠色線分別代表每根發(fā)射天線的發(fā)送功率。圖4-4Turbo碼仿真誤碼率圖圖4-5Turbo-OFDM系統(tǒng)仿真性能圖圖4-6功率注水算法功率分配仿真圖4-6為采用功率注水算法得到的對(duì)于不同的天線陣列，即發(fā)射天線數(shù)與接收天線數(shù)不同時(shí)的性能仿真圖，橫坐標(biāo)為信噪比（SNR），縱坐標(biāo)為信道容量。由圖4-7知，在信噪比固定的條件下，隨著天線數(shù)目的增加，信道容量增加；在天線數(shù)目固定的條件下，隨著信噪比的增加，信道容量增加。圖4-7功率注水算法MIMO系統(tǒng)容量比較曲線圖4-8為Turbo碼，交織編碼，OFDM系統(tǒng)，空時(shí)編碼，功率控制等各個(gè)模塊整合的系統(tǒng)性能仿真圖，橫坐標(biāo)為EbN0，單位為dB，縱坐標(biāo)為誤碼率。圖4-8自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真圖4.5本章小節(jié)本章主要在前三章的基礎(chǔ)上提出了在發(fā)關(guān)端作信道估計(jì)的模型與方法，闡述了信道估計(jì)的重要性，并分析了采用功率注水方法進(jìn)行自適應(yīng)控制的原理，然后進(jìn)行仿真。最后，將前面所有模塊，包括Turbo碼，OFDM調(diào)制，MIMO分集，4QPSK調(diào)制進(jìn)行仿真，最后一步一步進(jìn)行合并進(jìn)行仿真，并比較仿真結(jié)果。

結(jié)論本文提出了基于發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)，主要是對(duì)構(gòu)也此系統(tǒng)的每個(gè)模塊進(jìn)行分析研究，然后進(jìn)行性能仿真，最后得出它們分別對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。例如，本文首先介紹此系統(tǒng)中兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)MIMO和OFDM，論述了OFDM的基本原理，其中包括OFDM的基本模型、DFT實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的優(yōu)點(diǎn)，接下針對(duì)傳輸分集，提出了空時(shí)編碼，并對(duì)其編譯碼展開了討論。此外，Turbo碼也是本文一個(gè)重要模塊，因?yàn)樗鼘?duì)系統(tǒng)整體性能的提高產(chǎn)生較大的影響。本文中的一個(gè)特點(diǎn)是在發(fā)送端來做信道估計(jì)。與接收端來做信道估計(jì)相比，更簡(jiǎn)單易行，且沒有時(shí)延。采用信道估計(jì)以后，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率與可靠性。而且，在發(fā)送端來做信道估計(jì)時(shí)，即使CSI（信道狀態(tài)信息）存在誤差時(shí)，此系統(tǒng)也具有較高的魯棒性。并且，在較低與中等信噪比情況下所達(dá)到的頻譜效率也比只在接收端知道CSI時(shí)的頻譜效率高?；诎l(fā)送端的信道估計(jì)與自適應(yīng)調(diào)制方式的核心思想是：將信道矩陣進(jìn)行（奇異值分解后得到一系列空域正交子信道，即本征模。將本征模按大小排列，就可以用注水功率算法得出每個(gè)子信道上的發(fā)射功率，從而進(jìn)行自適應(yīng)功率控制，下面將做具體闡述。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)（即自適應(yīng)比特和功率分配）是MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以根據(jù)系統(tǒng)在空域和頻域中各個(gè)子信道的實(shí)際信道狀態(tài)靈活地分配發(fā)送功率和信息比特，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率、頻譜效率以及提高傳輸?shù)目煽啃?。因此MIMO-OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)也得到了廣泛的研究。本文中的自適應(yīng)方法將由淺入深，先從功率注水算法開始，延伸到OFDM每個(gè)子信道的功率與比特分配。本文的研究是在一定的假設(shè)條件下完成的，從目前的研究來看，需要進(jìn)一步深入研究的主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1．本文提出的方法是假設(shè)發(fā)射機(jī)在己知精確的信道狀態(tài)信息的下提出的。但是實(shí)際中，發(fā)射機(jī)不可能精確的知道信道狀態(tài)信息。不精確的信道狀態(tài)信息可能給提出的自適應(yīng)調(diào)制方法帶來災(zāi)難性的后果，因此有必要進(jìn)一步研究對(duì)不精確信道狀態(tài)信息具有魯棒性的自適應(yīng)調(diào)制方案。2．本文提出的MIMO-OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)控制方案是主要是針對(duì)發(fā)送功率而言，且是對(duì)于單輸入單輸出天線而言。所以，要想更好的提高系統(tǒng)的整體性能與效率，必須要設(shè)計(jì)一種更有效更可靠的比特與功率加載算法。

致謝經(jīng)過將近四個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們將大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)重新整理、融合然后直接運(yùn)用于設(shè)計(jì)之中，起到了溫故而知新的效果。畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，得到了許多老師、同學(xué)和朋友的大力支持，讓我有信心一步一個(gè)腳印將此次畢業(yè)設(shè)計(jì)做好。在此，我要用我最衷心的感謝，送給每一個(gè)在設(shè)計(jì)上給過我?guī)椭娜恕Ｌ貏e是指導(dǎo)老師曾陽素教授自始至終都給予了我特別的指導(dǎo)，并仔細(xì)認(rèn)真地對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳盡的評(píng)閱與修改?？梢哉f，沒有指導(dǎo)老師的關(guān)心、指導(dǎo)與鼓勵(lì)，就不可能有本設(shè)計(jì)的誕生。他認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和求真務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)深深地感動(dòng)了我，在此我向他致意最崇高的敬意和表示衷心的感謝！此外，在我大學(xué)四年期間，還受到許多任課老師的精心栽培，特別是何海浪，李星亮，黃乘順，林峰等老師。讓我再次向這些老師們表示衷心的感謝，愿所有恩師身體健康，工作順利，家庭幸福美滿！ 參考文獻(xiàn)[1]周恩等，\o"下一代寬帶無線通信OFDM與MIMO技術(shù)"下一代寬帶無線通信OFDM與MIMO技術(shù)，人民郵電出版社，2008年5月.[2]陶小峰等，4G/B4G關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)，人民有點(diǎn)出版社，2011年11月.[3]穆爾著，高會(huì)生等譯MATLAB實(shí)用教程（第二版），電子工業(yè)出版社，2010年1月.[4]TelatarI.E.Capatityofmuti-antennaGaussianchannels,EuropeanTrans.OnTelecomm.Nov.1999,10(6):585-596[5]A.PeledandA.Ruiz.Frequencydomaindatatransmissionusingreducedcomputationalcomplexityalogorighms.ICASSP’80,April1980,3(9-11):964-967[6]B.Muquet,etal.Cyclicprefixingorzeropaddingforwirelessmulticarriertransmissions.IEEETrans.OnComm.Dec.2002,50(2):2136-2148[7]J.Armstrong.AnalysisofnewandexistingmethodsofreducingintercarrierinterferenceduetocarrierfrequencyoffsetinOFDM.IEEETrans.Commum.Mar.1999,47(3):365-369[8]J.ChuangandN.Sollenberger.Beyond3G:WidebandWirelessDataAccessBasedonOFDMandDynamicPacketAssignment.IEEECommunicationsMagazine,July2000,38(7):78-87[9]Y.(G.)Li.SimplifiedChannelEstimationforOFDMSystemsWithMultipleTransmitAntennas.IEEETrans.OnWired.Commum.Jan.2002,1(1):67-75[10]趙旦峰.MIMO-OFDM系系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007年3月：6-12[11]魏仁.MIMO-OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)比特和功率分配研究.汕頭大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007年3月：22-24[12]G.J.Foschini,M.J.Gans.Onlimitsofwirelesscommunicationsinafadingenvironmentwhenusingmultipleantennas.WirelessPersonalCommum.1998,6(3):311-335[13]G.J.Foschini.Layeredspace-timearchitectureforwirelesscommunicationinafadingenvironmentwhenusingmultipleantennas.BellLabsSvst.Tech.J.Autumn1996,1(1):41-59[14]V.Tarokh,N.Seshadri,A.R.Calderbank.Space-TimeCodesforHighDataRateWirelessCommunication:PerformanceCriterionandCodeConstruction.IEEETrans.onInform.Theory,Mar.1998,44(2):744-765[15]李建東，郭梯云，鄔國(guó)揚(yáng).移動(dòng)通信.第四版.西安電子科技大學(xué)，2006年6月：156-162[16]M.Codreanu,D.Tujkovic,andM.Latva-aho,AdaptiveMIMO-OFDMwithlowsignalingoverheadforunbalancedantennasystems.IEICETrans.Commun.2005,l(1):28-38[17]呂劍剛，呂英華，張金鈴，趙洪濤，沈南科.濱州學(xué)院學(xué)報(bào).2006年5月，21（3）：1-3附錄程序主要原代碼:clearall;%**********************transmitter*******************%******************preparationpart********************para=64;%Numberofparallelchanneltotransmitfftlen=64;%FFTlengthnoc=64;%Numberofcarriernd=16;%NumberofinformationOFDMsymbolforoneloopml=2;%Modulationlevel:16QAMsr=250000;%Symbolratebr=sr.*ml;%Bitratepercarriergilen=16;%Lengthofguardinterval(points)EbN0db=[-8:1:0];%Eb/N0M=2;N=2;%*********************Datageneration*****************g=[111;101];L_total=pa