MIMO-OFDM系統(tǒng)中信道估計技術(shù)的研究

1、代 號：10701分類號：TN919UDC ：學(xué) 號： 000822105 密 級： 公 開 編 號：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 與空時編碼技術(shù)有機的結(jié)合在一起，能夠大幅度的提高無線通信系統(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。本文在分析移動無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)頻符號的兩類信道估計方法，給出幾種相應(yīng)的信道估計算法以及它們的改進(jìn)算法，最后結(jié)合MATLAB 仿真對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 空時編碼 正交頻分復(fù)用 信道估計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 移動無線信道.72.1 移動無線信道的衰落特性.72.2 移動無線信道的計算機仿真模型. 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.254.1 系統(tǒng)描述.254.2 基于訓(xùn)練序列的信道估計概述.274.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的LS 估計.284.4 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的MMSE 估計.414.5 算法性能比較.454.6 本章小結(jié).47第五章 基于導(dǎo)頻符號的信道估計.495.1 系統(tǒng)描述.495.2 基于導(dǎo)頻符號的信道估計概述.505.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的梳狀導(dǎo)頻信道估計.525.4 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的二維散布導(dǎo)頻信道估計.575.5 本章小結(jié).61第六章 結(jié)束語.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時域估計的均

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 論本章將簡要回顧移動通信技術(shù)的發(fā)展歷程，展望未來技術(shù)的發(fā)展趨勢，透過這一發(fā)展過程，分析揭示未來移動通信中無線傳輸技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，提出本課題的主要研究任務(wù)和意義，同時給出本文的主要工作及內(nèi)容安排。1.1 歷史與背景移動通信屬于無線通信的范疇，是一種特殊的無線通信，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，也就是動中通。以上兩個特點決定了它特有的應(yīng)用價值和特殊的技術(shù)難度。這里首先簡要回顧一下移

8、動通信的發(fā)展歷史，由此窺視現(xiàn)代移動通信飛躍發(fā)展的歷程。1移動通信的發(fā)展歷史早期的無線通信得益于電磁波理論和電報電話技術(shù)，提供點對點無線電話（radio telephone）和無線電報（radio telegraph）傳輸業(yè)務(wù)，用現(xiàn)在的眼光看，它是一種較為簡單的模擬無線通信技術(shù)。后來，人們將無線通信技術(shù)應(yīng)用到交通運輸行業(yè)，實現(xiàn)航行中的傳播與基地臺、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線調(diào)度或電報電話公眾業(yè)務(wù)等，這才是真正意義上的移動通信。這一階段主要克服兩大技術(shù)問題：載波的多普勒頻移補償和發(fā)動機電火花產(chǎn)生的電磁干擾抑制。在很長一段時間內(nèi)，除了越洋電報等郵政業(yè)務(wù)以外，無線通信只存

9、在于交通、公共安全、軍事通信等專業(yè)性極強的應(yīng)用領(lǐng)域。移動通信能夠大規(guī)模的成為公眾業(yè)務(wù)要歸功于蜂窩移動通信概念的提出，蜂窩技術(shù)是移動通信發(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線頻段內(nèi)大幅度提高系統(tǒng)容量的問題，使得為人口密集的城區(qū)提供充足的移動電話業(yè)務(wù)成為現(xiàn)實。第一代蜂窩移動通信系統(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。第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)存在頻帶利用率低、保密性差、終端體積大等缺點。隨著數(shù)字信號處理與大規(guī)模集成電路技術(shù)的長足發(fā)展，移動通信技術(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)中信道估計技術(shù)的研究2采用了更加靈活、高效的時分多址（TDMA ）和碼分多址接入（CDMA ）技術(shù)；在業(yè)務(wù)上，除了移動電話外，還支持最大速率不超過9.6Kbps 的窄帶數(shù)據(jù)傳輸。目前，世界上市場份額占主導(dǎo)地位的就是具有上述特點的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，即通常所說的第二代移動通信系統(tǒng)（2G ）。隨著計算機的大量應(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。移動電話的便利使人們對無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生自然而然的期盼，以至于人們早已勾勒出個人通信（Personal Communication）

11、的美好前景。作為一個近期目標(biāo)，第三代移動通信（3G ）及其所提供的多媒體業(yè)務(wù)即將走入人們的生活。國際電聯(lián)（ITU ）對第三代移動通信系統(tǒng)的總體要求都體現(xiàn)在IMT-2000上，概括地講，有以下特點：! 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、無線互聯(lián)網(wǎng)接入、運動圖 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144Kbps ；! 與第二代移動通信網(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，無線傳輸技術(shù)（RTT ）是第三代移動通信系統(tǒng)中最重要的組成部分，也是世界各國、各

12、地區(qū)為形成未來通信體制而展開爭論的焦點。無線傳輸技術(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、各地區(qū)組織對第三代移動通信系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)進(jìn)行了廣泛而持久的研究，并提出了多種技術(shù)方案，逐步形成了被國際社會認(rèn)可的三個主要標(biāo)準(zhǔn)：WCDMA 、CDMA2000和TD-SCDMA 。移動通信無線傳輸系統(tǒng)的特殊性，使得實現(xiàn)寬帶多媒體通信要比固定網(wǎng)難得多。盡管如此，人們對移動通信仍寄予厚望。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)在未來的移動通信中都能

13、予以實現(xiàn)。所以人們認(rèn)為，最高速率只有2Mbps 的第三代移動通信系統(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，便有人提出超3G （即后3G ）的無線傳輸技術(shù)研究，甚至紛紛提出4G 、5G 的概念。第四代移動通信系統(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)，具有非對稱的超過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Mbps 的峰值無線數(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線移

14、動通信系統(tǒng)；! 與INTERNET 技術(shù)高度結(jié)合，相互補充、相得益彰，使之成為一個具有 強大生命力和廣闊市場前景的無線移動通信系統(tǒng)；! 開發(fā)新頻段并大幅度提高無線傳輸技術(shù)的頻譜效率，滿足大容量無線移動 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)鍵的高速無線傳輸技術(shù)。2技術(shù)現(xiàn)狀與背景眾所周知，無線移動通信系統(tǒng)的最大技術(shù)瓶頸在于空中接口，即無線傳輸技術(shù)。新一代移動通信系統(tǒng)給無線傳輸技術(shù)提出的主要難題是：! 如何大幅度的提高頻譜效率；! 如何實現(xiàn)高達(dá)幾十到幾百Mbps 的峰值無線數(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)上相互補充、相得益彰，使之成為實現(xiàn)無線信道高速數(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，由于在每個子信道上信號帶寬小于信道帶寬，盡管總的信道非平坦，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，從而大大減

16、少了符號間干擾（ISI ）。此外，通過在OFDM 中添加循環(huán)前綴（CP ）進(jìn)一步增強其抗多徑衰落的能力。OFDM 技術(shù)以其抗多徑能力強，頻譜利用率高等優(yōu)點在實際中得到了廣泛的應(yīng)用，如：HDSL 、ADSL 、DAB 和 DVB，無線局域網(wǎng)IEEE802.11a 和HIPERLAN2，以及無線城域網(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編碼技術(shù)12-15正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，它將信道編碼技術(shù)與陣列處理技術(shù)相結(jié)合，大幅度地提高無線通

17、信中的系統(tǒng)容量和傳輸速率，為解決無線信道的帶寬問題提供了一條新的途徑。但是，現(xiàn)有的空時編碼理論大都基于平坦衰落信道，而在實際當(dāng)中，大多數(shù)無線通信環(huán)境都屬于快衰落情況，即信道非平坦，此時系統(tǒng)的性能會急劇下降，這就使得空時碼在未來寬帶移動通信中的應(yīng)用受到極大的限制。自從1996年文獻(xiàn)MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計技術(shù)的研究416首次提出將OFDM 與空時編碼相結(jié)合（稱為MIMO-OFDM ）以來，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)不但具有空時編碼帶來的分集增益和編碼增益，同時兼得OFDM 接收

18、機均衡器結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。從而在未來的寬帶無線接入領(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、頻率分集以及時間分集有機地結(jié)合在一起，可以大大提高無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，信道估計是MIMO-OFDM 系統(tǒng)接收機設(shè)計的一項主要任務(wù)。有關(guān)OFDM 系統(tǒng)中的信道估計已有較多的研究，通?？梢苑譃榛谟?xùn)練序列的方法、基于導(dǎo)頻符號的方法和盲估計方法三類?；谟?xùn)練序列的信道估計算法有19-21，基于導(dǎo)頻符號的信道估計算法有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)，這是因為MIMO-OFDM 系統(tǒng)采用多個發(fā)射接收天線，其接收信號是多個發(fā)射天線發(fā)送信號的衰落與加性噪聲的疊加，若采用上述算法估計信道，對于某個特定的發(fā)射接收天線對，來自于其它天線的信號即為干擾，信號噪聲功率

20、比常常在0dB 以下，從而帶來很大的估計誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降，因此，MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的信道估計是一個充滿挑戰(zhàn)且極具意義的研究領(lǐng)域。本文將針對MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的信道估計問題進(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)中的信道估計技術(shù)展開分析研究，研究過程中，采取了理論分析和計算機仿真相結(jié)合的手段，在理論和實踐方面驗證研究的正確性和可行性，主要進(jìn)行了以下三個方面工作：! 深入分析了MIMO-OFDM 技術(shù)在國內(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)用和空時編碼OFDM ，然后分別討論了它們的

21、基本原理，重點研究了STBC-OFDM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能特點，并通過計算機仿真顯示了該系統(tǒng)良好的抗衰落特性，同時指出信道估計是保證系統(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 信道估計方法，依次分析了MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的LS 時域估計算法、頻域估計算法以及MMSE 估計算法，在此基礎(chǔ)上分別給出它們的改進(jìn)算法，進(jìn)一步提高估計精度、降低算法復(fù)雜度，并結(jié)合計算機仿真分析比較了這些算法的有效性和可行性。! 針對采用連續(xù)傳輸方式的MIMO-OFDM 系統(tǒng)，全面分析了基于導(dǎo)頻符號 的信道估計方法，討論了導(dǎo)頻形式的選擇準(zhǔn)則，重點研究

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

23、計算法和MMSE 估計算法，在此基礎(chǔ)上分別給出它們的改進(jìn)算法，來進(jìn)一步提高估計的性能、降低算法的復(fù)雜度，最后結(jié)合計算機仿真對這些算法進(jìn)行了詳盡的分析與比較。第五章圍繞基于導(dǎo)頻符號的信道估計方法，分析了導(dǎo)頻形式的選擇準(zhǔn)則，重點研究了MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的梳狀導(dǎo)頻估計算法和二維散布導(dǎo)頻估計算法，并結(jié)合計算機仿真驗證了算法的有效性，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)一步深入研究的問題，并展望該領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢。MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計技術(shù)的研究6第二章 移動無線信道 7第二章 移動無線信道信道是發(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線信道兩大類。 有線信道是平穩(wěn)的、可預(yù)測的，而無線信道則是隨機的，并且不易分析。本章將討論移動無線信道的主要特性及其對信號的影響。2.1 移動無線信道的衰落特性從發(fā)射機發(fā)出的無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)接收機時將是從多條路徑傳來的多個信號的疊加。多徑傳播引起接收信號的幅度、相位和到達(dá)時間的隨機變化，同相疊加使信號增強，反相疊加使信號減弱。這樣，接收信號的幅度將急劇變化，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多徑衰落對信號的影響移動信道環(huán)境中，任意時間t

25、接收的瞬時復(fù)信號可以表達(dá)為(t r (2-1 ( ( (t j e t t r =式中， (t 代表接收信號r 的包絡(luò)； (t (t 代表的相位。以下分別研究接收信號的包絡(luò)特性和相位特性。(t r 瞬時衰落信號的包絡(luò) (t 由兩個乘性分量 (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的長期變化，又稱為長期衰落，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?yīng)于接收信號在空間的迅速擾動，是由移動用戶附近的障礙物對信號的散射引起的。瞬時衰落信號的相位 (t 由衰落過程的頻域特性、時域特性和空

26、域特性來刻 畫，這些特性分別與多徑信號的多普勒擴展、時延擴展和角度擴展有關(guān)。! 多普勒擴展（時間選擇性衰落）由于移動用戶與基站的相對運動，每條多徑波都會有一個明顯的頻率偏移。由運動引起的接收信號頻率的偏移稱為多普勒頻移，用表示，它與移動用戶的運動速度成正比, 其關(guān)系式為D f cos vf D = (2-3MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計技術(shù)的研究8式中, 為移動臺的運動速度，v 為無線電波的波長，為無線電波與移動臺運動方向之間的夾角，即到達(dá)角。多普勒擴展（Doppler spread）是一種由多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過程的頻率擴散（frequency dispersion），又稱時間選擇性

27、衰落（time selective fading）。! 時延擴展（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)致多徑信號以不同的時間到達(dá)接收端，如果基站發(fā)射的是一個時間寬度極窄的脈沖信號, 移動用戶接收到的將是多個具有不同時延的脈沖信號的疊加，顯然，接收信號的波形比原脈沖展寬了。由于信號波形的展寬是由信道的時延引起的，所以稱之為時延擴展。時延擴展（Delay spread）是一種由多徑現(xiàn)象引起的衰落過程的時間擴散（time dispersion ），又稱頻率選擇性衰落（frequency selective fading）。! 角度擴展（空間選擇性衰落）接收端的角度擴展指的是多徑信號

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）與路徑時延是統(tǒng)計相關(guān)的。角度擴展（Angle spread）給出接收信號主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落（space- selective fading），意即信號幅值與天線的空間位置有關(guān)。2衰落信道的動態(tài)特性移動通信中由于移動臺的運動，無線信道為時變信道，因此，其動態(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)信號的動態(tài)特性分析中起著關(guān)鍵性的作用，以下就來討論衰落信道的相關(guān)函數(shù)與功率譜。假設(shè)表示電波傳播時間（快變時間），t 代表電波經(jīng)過不同路徑的傳播時間遲延

29、，并用表示移動接收臺的移動時間（慢變時間），代表移動接收臺接收兩個不同路徑的信號的觀測時間的遲延。令 ; (t c 為信道在時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 稱為信道的時延時間差相關(guān)函數(shù)。第二章 移動無線信道 9類似的，可以定義信道的頻率差時間差相關(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，它是由接收臺的移動所引起的接收信號頻率的變化。v 綜上，時延和頻率差f 構(gòu)成一Fourier 變換的變量對， 即f ；而觀測時間差（即慢變時間的差）和多普勒頻率構(gòu)成另一Fourier 變換的變量對，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/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展，也稱為均方根時延擴展，用符號示之，如圖2.1右圖所示。MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計技術(shù)的研究10作為 (c R 和之間的Fourier 變換關(guān)系的一個重要結(jié)果，多徑擴展 (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相關(guān)狀態(tài)下的頻率差范圍。因此，兩個頻率差 , (t f C f 大于相關(guān)帶寬的正弦波信號受信道的影響是不相同的。當(dāng)一攜帶信息的信號通過信道傳輸時，如果信道相關(guān)帶寬比發(fā)送信號帶寬小，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 ! 信道的時間變化信道的時間變化表現(xiàn)為多普勒擴展，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)是一個功率譜，它給出了信號強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)信道不存在時間變化時，在純單頻傳輸中觀測不到頻譜的擴散現(xiàn)象。下圖2.2表明了多普勒功率譜與時間差相關(guān)函數(shù) (v S C (C R 之間的關(guān)系。 Fourier 變換對D coh /1=D v圖2.2 (C R 與之間的關(guān)系(v S C 時間差相關(guān)函數(shù) (C R 取非零值的時間差范圍稱為信道的相關(guān)時間，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，所以多徑擴展D 的倒數(shù)就近似的給出信道相關(guān)時間的測度，即第二章 移動無線信道 11D coh 1T (2-14相關(guān)時間本質(zhì)上就是信道處于較強相關(guān)狀態(tài)下的時間差范圍。顯然，一個緩慢 變化的信道具有大的相關(guān)時間，或等價地具有小的多普勒擴展。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 表示傅立葉變換運算。時間差-頻率差相關(guān)函數(shù)散射函數(shù)頻率間隔相關(guān)函數(shù) 時間間隔相關(guān)函數(shù)時延譜多普

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展的必要信息，它刻畫信道時間變化的快慢（即時間選擇性）。(v S C 2.2 移動無線信道的計算機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延擴展以及由于移動臺運動引起的多普勒頻移對接收信號的影響。由于數(shù)字無線通信系統(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間變化的。因此在性能仿真時，就不能采用確定性的信道模型，而需要尋求合適的隨機信道模型。在很多文獻(xiàn)中，廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射（

37、WSSUS ）被公認(rèn)為是能夠顯示時延擴展和多普勒擴展的最簡單的隨機過程。這類過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是一個標(biāo)準(zhǔn)的頻率單調(diào)衰落基帶等效模型，常用來模擬移動無線衰落信道。該模型假設(shè)從發(fā)射機到接收機之間存在無數(shù)條傳播路徑，并且這些路徑是離散均勻分布的，如下公式可以來產(chǎn)生衰落包絡(luò)和隨機相位。MIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計技術(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間的隨機數(shù)；w n N n /=當(dāng)很大時，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 時的瑞利衰落情況。由圖可見，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、瑞利衰落信號包絡(luò)2.3 本章小結(jié)移動無線信道的最大特征是信道的時變性。本章圍繞時變信道的物理刻畫與數(shù)學(xué)描述，首先介紹了移動無線信道的各種衰落（慢衰落、快衰落、選擇性衰落即擴展）；然后集中對衰落信道的主要動態(tài)特性進(jìn)行深入的分析；最后給出移動無線信道的計算機仿真模型。第三章 MIMO-OFDM系統(tǒng) 13第三章 MIMO-OFDM系統(tǒng)無線傳輸信道，尤其是移動環(huán)境中的無線傳輸信道是一個非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，未來移動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

40、 系統(tǒng)，技術(shù)上相互補充、使之成為實現(xiàn)無線信道高速數(shù)據(jù)傳輸最有希望的解決方案之一，具有廣闊的發(fā)展前景。本章首先簡要介紹OFDM 和MIMO 的基本原理，然后對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，多徑衰落的時間彌散相對減少，頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化成為若干平坦衰落子信道，大大減小了符號間干擾（ISI ）。為了能夠完全消除ISI ，通常在OFDM 符號中引入保護間隔，最有效的保護間隔是使用符號的循環(huán)擴展5，簡言之把符號結(jié)尾的一段復(fù)制加

41、到符號的起始端，如圖3.1所示。由于碼元符號是周期的，保持了子載波間的正交性，減小了載波間干擾（ICI ）的影響。只要選取的保護間隔大于信道的最大遲延擴展，就會完全消除ISI 和ICI 的影響。 圖3.1 插入保護間隔的OFDM 符號1OFDM 信號的數(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 個符號周期的傳輸數(shù)據(jù)為，則OFDM 基帶等效信號可以表示為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令信號通過一個多徑衰落信道，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，并假定其長度T 大于信道的最大時延擴 CP 展，因此符號間干擾ISI 可以完全消除，為了表達(dá)式簡單，時間下標(biāo)l 可以省去。假設(shè)OFDM 接收機的第k 個匹配濾波器為 (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=+=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、效信號可以用IDFT 來定義，在實際中可以用更有效的IFFT 來實現(xiàn)?？梢哉J(rèn)為數(shù)據(jù)的編碼映射在頻域進(jìn)行，經(jīng)過IFFT第三章 MIMO-OFDM系統(tǒng)15變換轉(zhuǎn)化為時域信號發(fā)送出去，接收端通過FFT 變換再恢復(fù)出原始的頻域信號。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 信號的矩陣表達(dá)形式OFDM 信號也可以表達(dá)為矩陣形式12，其信號模型見下圖3.3 (i v HD 圖3.3 OFDM信號的矩陣表達(dá)形式不妨假設(shè)信道沖激響應(yīng)慢變化，即信道在一個OFDM 符號周期內(nèi)恒定不變，但從一個符號周期到另一個符號周期，信道是變化的?？紤]第i 個OFDM 符號周期，若記發(fā)

46、射端的傳輸信號為1×N 向量，接收端得到的信號為，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。假定信道的最大時延擴展小于循環(huán)前綴

47、的長度T ，則符號間干擾ISI 為零，CPMIMO-OFDM 系統(tǒng)中信道估計技術(shù)的研究16即，于是上式可以簡化為(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，不僅可以對付碼間干擾ISI ，同時在信號通過衰落信道后，保持了載波的正交性，因此可以將OFDM 系統(tǒng)看成N 個并行的、具有不同增益的、相互獨立的高斯信道，如下圖3.4所示。 1, i H 1, iNX Ni H , Ni N , Y 圖3.4 OFDM基帶信號等效模型3OFDM 技術(shù)的特點 OFDM 技術(shù)有如下突出優(yōu)點：! OFDM 可以有效地對付多徑衰落，有利于移動接收。在具有相同多徑時 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