【正文】 頻符號的選擇和插值技術(shù) 信道傳輸函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)具有時域和頻域可分的性質(zhì)。在每一個載波頻率的最大值處，所有其它子信道的頻譜值恰好為零。根據(jù)()式，每個 OFDM 符號在其周期T 內(nèi)包括多個非零的子載波。從圖 可以看出，每個子載波在一個 OFDM 符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰的子載波之間相差一個周期。設(shè) N 表示子載波個數(shù)，T 表示 OFDM 符號的寬度， 是分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，是第 0 個子載波的載波頻率，則從t = ts開始的 OFDM 符號可以表示為 (21)在多數(shù)文獻(xiàn)中，通常用富等消極帶信號來描述OFDM的輸出信號 (22)其中， 的實(shí)部和虛部分別對應(yīng)于 OFDM 符號的同相和正交分量，在實(shí)際中可以分別與相應(yīng)子載波的正弦分量和余弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。OFDM 技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時域均衡器。 采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。其主要思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進(jìn)行傳輸。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個研究熱點(diǎn)就是空時編碼。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對于實(shí)時性要求較高的無線通信不能滿足要求?？梢钥闯觯藭r信道容量隨天線數(shù)量的增大而線性增大。OFDM 通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槠教剐诺?，從而減少了多徑信道的影響，而 MIMO 技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，有效的增加了系統(tǒng)的傳輸速率，即由 MIMO提供的空間復(fù)用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率，所以如果將這兩種技術(shù)相結(jié)合能使系統(tǒng)具有很高的傳輸效率和很強(qiáng)的可靠性。第四章主要研究了基于 MIMOOFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)算法。本文可分為以下幾個部分： 第一章主要介紹了知識和研究的意義，以及信道估計(jì)算法的研究現(xiàn)狀。半盲道估計(jì)算法算法與基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法相比計(jì)算復(fù)雜度要高，但是它提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。第三種是利用數(shù)據(jù)的二階或者高階統(tǒng)計(jì)量的半盲道估計(jì)算法。第一種是確定性算法，如SF算法、SRM算法、確定性ML算法、最小二乘平滑方法及雙邊線性預(yù)測方法。但基于二階統(tǒng)計(jì)的盲方法存在一些缺陷，比如存在信道的不確定量。由于盲信道估計(jì)算法僅僅利用接收端數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性以及一些信道特征和發(fā)送序列的統(tǒng)計(jì)特性來進(jìn)行信道估計(jì)的，無需使用訓(xùn)練序列，因此大大提高了頻譜利用率，引起了越來越多人的關(guān)注。基于導(dǎo)頻訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法性能好，簡單且易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛，幾乎可以用于所有的無線通信系統(tǒng)。這類方法通常是在發(fā)送端發(fā)送訓(xùn)練序列來識別出各發(fā)送接收之路之間的空間信道并獲得這些信道的初始估計(jì)，然后再利用嵌入在每個數(shù)據(jù)符號中的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)不斷跟蹤信道的變化。而在空間復(fù)用MIMOOFDM 系統(tǒng)中，MIMO信道估計(jì)的作用則更為重要，因?yàn)閺母鳁lOFDM“基帶處理單元”中產(chǎn)生出的數(shù)據(jù)符號在沒有經(jīng)過空時處理的情況下直接被發(fā)送，這些相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)符號將在空間傳輸中發(fā)生混疊，而各接收支路上收到的也是這些被信道噪聲所干擾的混疊數(shù)據(jù)符號。在頻率中，使用導(dǎo)頻的訓(xùn)練序列估計(jì)信道沖擊與訓(xùn)練序列和接收信號進(jìn)行的相關(guān)計(jì)算所獲得信道沖擊響應(yīng)有相同的作用。 MIMOOFDM 系統(tǒng)信道估計(jì)的研究現(xiàn)狀 隨著對無線通信業(yè)務(wù)需求的不斷提升，人們越來越關(guān)注對后3G(B3G)移動通信系統(tǒng)的研究。OFDM技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，可以高效的利用頻譜資源。目前，人們把越來越多的眼光投向三代以后的（beyond 3G/4G）移動通信系統(tǒng)中新一代移動通信（beyond 3G/4G）將可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100Mbit/s，甚至更高，支持的業(yè)務(wù)從語音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實(shí)時的流媒體業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的速率不同進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。第二代移動通信系統(tǒng)主要是為支持語音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的，但是隨著人們對通信業(yè)務(wù)范圍和業(yè)務(wù)速率要求的不斷提高，已有的第二代移動通信網(wǎng)將很難滿足新的業(yè)務(wù)需求。從八十年代開始，數(shù)字移動通信系統(tǒng)進(jìn)入了發(fā)展和成熟時期，歐洲首先推出了全球移動通信系統(tǒng)（GSM），隨后美國和日本也相繼制定了各自的數(shù)字移動通信體制。第一章 緒論 研究背景和意義現(xiàn)代社會已經(jīng)進(jìn)入了信息時代，在各種信息技術(shù)中，信息的傳輸即通信起著支撐作用。90年代初，美國Qualm公司推出了窄帶碼分多址（CDMA）蜂窩通信系統(tǒng)，這是移動通信系統(tǒng)發(fā)展中的里程碑。為了適應(yīng)新的市場需求，人們正在研究和設(shè)計(jì)第三代移動通信系統(tǒng)。新一代移動通信的另一個特點(diǎn)是低成本。另外，OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波可以有效的抵抗頻率選擇性衰落。MIMO和OFDM技術(shù)的結(jié)合能夠有效地減輕無線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展的影響，顯著增加系統(tǒng)容量，獲得更穩(wěn)定的性能，被公認(rèn)為事后3G系統(tǒng)的主流技術(shù)。對它進(jìn)行DFT變換就可以獲得信道的頻域響應(yīng)結(jié)果。接收機(jī)要完成MIMO解碼任務(wù)，即從這些被干擾的混疊數(shù)據(jù)符號中恢復(fù)出從各條發(fā)送支路所送出的原始數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)的一個必要前提條件是需要對各組發(fā)送接收對之間的空間信道響應(yīng)有準(zhǔn)確的估計(jì)。具體的方法有LS算法，在掌握信道二階統(tǒng)計(jì)特性的情況下還可以采用更為準(zhǔn)確的算法等。這類方法的缺點(diǎn)就是訓(xùn)練序列占用了信息比特，降低了信道傳輸?shù)挠行?，浪費(fèi)了帶寬。盲信道估計(jì)算法根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的不同主要分為：基于高階統(tǒng)計(jì)特性的盲信道辨識（HOS），例如由Shengli Zhou提出的基于輸入信號的高階統(tǒng)計(jì)量的盲信道估計(jì)算法；基于二階統(tǒng)計(jì)特性的盲信道辨識方法，其中一些算法是基于自相關(guān)矩陣子矩陣的盲估計(jì)算法，另一些是基于子空間分解的盲信道估計(jì)算法；第三種就是基于一階統(tǒng)計(jì)特性的辨識方法?；谝浑A統(tǒng)計(jì)特性的辨識方法（隱含導(dǎo)頻）通過在發(fā)送信號上疊加周期訓(xùn)練序列，同樣節(jié)約了頻帶資源并且實(shí)現(xiàn)簡單，但是由于這種處理會增加發(fā)送功率，從而使MIMOOFDM系統(tǒng)的信道容量降低。第二種是利用統(tǒng)計(jì)量信息的高斯算法，（盲）預(yù)測算法或者（盲）協(xié)方差匹配算法。第四種是利用輸入符號的有限字符特性的算法，這類算法中有盲ML算法及其半盲推廣形式。與盲道估計(jì)算法相比，又降低了計(jì)算復(fù)雜度，所以它是介于導(dǎo)頻信道估計(jì)和盲信道估計(jì)之間的一種算法。第二章主要闡述了 MIMOOFDM 系統(tǒng)，分別概述了 MIMO 系統(tǒng)、OFDM 系統(tǒng)的基本原理、MIMO 和 OFDM 技術(shù)的結(jié)合以及本論文相關(guān)的MIMOOFDM 關(guān)鍵技術(shù)，并討論了無線信道的基本特征，重點(diǎn)介紹了大尺度衰落，陰影衰落和小尺度衰落，以及與多徑衰落相關(guān)的時延擴(kuò)展和多普勒頻移等重要的概念。首先介紹了 MIMOOFDM 系統(tǒng)模型和導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)，然后介紹將LS 和MMSE算法引入到 MIMOOFDM 系統(tǒng)中，最后給出了計(jì)算機(jī)仿真和結(jié)論。本章將分別介紹 MIMO 技術(shù)，OFDM 技術(shù)，以及研究 MIMO 和 OFDM 兩種技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生一些新技術(shù)。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。ZF算法簡單容易實(shí)現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。OFDM 信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近 Nyquist 極限。通過選取各子信道，每個符號的比特數(shù)以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。但通過將各個信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)性能得到提高。 圖 中給出了 OFDM 系統(tǒng)的基本模型框圖，其中在接在接收端，將接收到的同相和正交矢量映射回數(shù)據(jù)信息，完成子載波解調(diào)。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即 +信道積分積分積分 (23)如果對(22)式中的第 k 個子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時間長度T 內(nèi)進(jìn)行積分，可以得到 （24）從上式可以看出，對第k個子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號。因此，它的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子載波頻率上的δ 函數(shù)的卷積。由于在對 OFDM 符號進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對應(yīng)的每一子載波頻率的最大值，因此可以從多個相互重疊的子信道符號頻譜中提取出每個子信道符號，而不會受到其它子信道的干擾。因此，OFDM可以在時域和頻域內(nèi)分別插入導(dǎo)頻符號，導(dǎo)頻符號的分布如圖 所示。實(shí)際傳輸中，為了使信道估計(jì)具有更加精確并有更強(qiáng)的跟蹤能力，要考慮多普勒頻移和信道最大時延處于最壞的情況，插入足夠的導(dǎo)頻，以便能跟上信道時頻的變化。典型的插值方法有線性插值、分段線性插值、Cubic插值和Winner插值等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中為了在性能和復(fù)雜度之間取得折衷，通常在時間方向上采用線性插值，而在頻率方向上用分段線性插值和Cubic插值并經(jīng)過低通濾波處理，可以得到較好的效果。MIMO 技術(shù)通過空間分集消除無線傳輸中的信道衰落。解決移動通信的容量問題成為當(dāng)務(wù)之急。 MIMOOFDM 技術(shù)可以為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益，從而大大增加信道容量。目前解決 MIMO 技術(shù)中的頻率選擇性衰落的方案可以結(jié)合 OFDM 技術(shù)，將頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)換為子載波上的平坦衰落。每個天線并行符號流的輸出都經(jīng)過相同的傳輸處理。接收天線中的精頻率導(dǎo)頻用做信道估計(jì)。 MIMOOFDM 系統(tǒng)的主要技術(shù) 多天線技術(shù)可以有效地改善容量及其性能，而且還可以顯著地提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和可靠性，使網(wǎng)絡(luò)適合互聯(lián)網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展。采用多個天線，就會相應(yīng)生成多個空間信道，而且若干個空間信道不太可能同時處于深衰落中。 發(fā)送分集 目前已經(jīng)提出了多種發(fā)送分集方案，它們都需要在實(shí)施復(fù)雜度與性能之間進(jìn)行折中。下一代的無線系統(tǒng)還可以集成改進(jìn)的發(fā)送分集方案，其中最引人注目的就是：不需要反饋的空時編碼，基于信道統(tǒng)計(jì)特性并且要求最小信息反饋的線性預(yù)編碼在空時卷積編碼中，相同信號經(jīng)過不同的編碼，形成不同的數(shù)據(jù)流，然后經(jīng)過多副天線發(fā)送出去。初步測試表明：與時延分集或單一空時分組編碼相比，該組合方案分別可以獲得 2~3dB 的增益。接收機(jī)利用空間均衡器分離 2 個信號，并且解調(diào)，譯碼解復(fù)用和恢復(fù)處原始信號。 接收分集和干擾消除 由于基站和移動臺一側(cè)采用多副天線，因此在兩端都可以獲得分集好處。在這種情況下，更希望采用最下均方算法（MMSE），以降低期望信號與器估計(jì)值之間的均方誤差。則利用二階統(tǒng)計(jì)特性（協(xié)方差矩陣）得到干擾的空間結(jié)構(gòu)。 無線信道的衰落 衰落是無線信道中的重要概念。多徑衰落表示無線電波在空間傳播會存在反射，繞射和衍射等，因此造成信號可以經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，而每個信號分量的時延，衰落和相位都不相同，因此在接收端對多個信號分量疊加時，會造成同相增加，異相減小的現(xiàn)象，這也叫做小尺度衰落。由此可以得到平均的信號噪聲比（ SNR）為 （27）其中， No是單邊噪聲功率譜密度，b是信號帶寬， K是獨(dú)立于距離,功率和帶寬的常數(shù)。與多徑衰落相比，陰影衰落是一種宏觀衰落，是以較大的空間尺度來衡量的，其衰落特性符合對數(shù)正態(tài)分布，其中接收信號的局部場強(qiáng)中值變化的幅度取決于信號的頻率和障礙物狀況。不同相位的多個信號在接收端疊加，如果同相疊加則會使信號幅度增強(qiáng)，而反相疊加則會削弱信號幅度。 多徑信道的時延擴(kuò)展和多普勒頻移 時延擴(kuò)展和多普勒頻移是多徑信道中兩個非常重要的概念。在傳輸過程中，由于時延擴(kuò)展，接收信號中的一個符號的波形會擴(kuò)展到其它符號當(dāng)中，造成符號間干擾（ISI）。當(dāng)信號的頻率較高，信號帶寬超過無線信道的相干帶寬時，信號通過無線信道后各頻率分量的變化是不一樣的，引起信號波形的失真，造成符號間干擾，此時認(rèn)為發(fā)生了頻率選擇性衰落。多普勒效應(yīng)所引起的附加頻率偏移可以稱為多普勒頻移（Doppler Shift），可以用下式表示 (211)其中，fc 表示載波頻率，c表示光速， fm表示最大多普勒頻移，v表示移動臺的速度。 fo處的單純δ 函數(shù)，而是分布在 ( fofm,fo+fm), 內(nèi)的，存在一定寬度的頻譜。 加性高斯白噪聲 高斯白噪聲是所有信道的干擾源，它來源于信道媒質(zhì)微粒的熱運(yùn)動，它實(shí)際上是一種不確定的因素，它的存在使得信號經(jīng)過信道都會或多或少受到影響，之所以稱噪聲為白的，是因?yàn)檫@種噪聲的功率譜分布均勻，并且包含整個頻域，這與白光是各種色光的疊加相似。第三章 MIMOOFDM 信道估計(jì)技術(shù)信道估計(jì)是OFDM的重要技術(shù)組成部分，無線通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約。在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個問題：一是導(dǎo)頻的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)其的設(shè)計(jì)通常優(yōu)勢相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式偶關(guān)。無線通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到無線信道的影響，如陰影衰落和頻率選擇性衰落等等，使得發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路徑非常復(fù)雜。因此，信道參數(shù)估計(jì)是實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。從每副天線發(fā)出的訓(xùn)練子載波都是相互正交的，從而能夠唯一的識別每副發(fā)送天線到接收天線的信道。上行鏈路中，由于移動臺發(fā)出的業(yè)務(wù)可以構(gòu)成時隙，而且信道在時隙與時隙之間會發(fā)生變化，因此需要在每個時隙內(nèi)包括訓(xùn)練和數(shù)據(jù)子載波。 基于導(dǎo)頻序列的信道估計(jì) 具體的方法有LS算法，在掌握信道二階統(tǒng)計(jì)特性的情況下還可以采用更為準(zhǔn)確的算法等。這類方法的缺點(diǎn)就是訓(xùn)練序列占用了信息比特，降低了信道傳輸?shù)挠行?，浪費(fèi)了帶寬。由于數(shù)據(jù)子載波上的信道響應(yīng)是通過對導(dǎo)頻子載波上的頻率響應(yīng)內(nèi)插得到的，導(dǎo)頻子載波處頻率響應(yīng)的估計(jì)的準(zhǔn)確程度將直接影響到整個估計(jì)的性能假定第 k 個符號周期，發(fā)射天線i和接收天線j 之間的載波信道響應(yīng)可以表示為