【正文】 頻符號(hào)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(shí)域和頻域可分的性質(zhì)。在每一個(gè)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(gè) OFDM 符號(hào)在其周期T 內(nèi)包括多個(gè)非零的子載波。從圖 可以看出，每個(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)相鄰的子載波之間相差一個(gè)周期。設(shè) N 表示子載波個(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t = ts開(kāi)始的 OFDM 符號(hào)可以表示為 (21)在多數(shù)文獻(xiàn)中，通常用富等消極帶信號(hào)來(lái)描述OFDM的輸出信號(hào) (22)其中， 的實(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)子載波的正弦分量和余弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的 OFDM 符號(hào)。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(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。 采用動(dòng)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(wú)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(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線通信不能滿足要求。可以看出，此時(shí)信道容量隨天線數(shù)量的增大而線性增大。OFDM 通過(guò)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(shí)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(gè)部分： 第一章主要介紹了知識(shí)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(cè)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(lái)進(jìn)行信道估計(jì)的，無(wú)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(lái)越多人的關(guān)注?；趯?dǎo)頻訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法性能好，簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛，幾乎可以用于所有的無(wú)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(lái)識(shí)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(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)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(hào)在沒(méi)有經(jīng)過(guò)空時(shí)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(hào)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(hào)。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(hào)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(duì)無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的不斷提升，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注對(duì)后3G(B3G)移動(dòng)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(lái)越多的眼光投向三代以后的（beyond 3G/4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)中新一代移動(dòng)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(yǔ)音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是為支持語(yǔ)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(duì)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(dòng)通信網(wǎng)將很難滿足新的業(yè)務(wù)需求。從八十年代開(kāi)始，數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入了發(fā)展和成熟時(shí)期，歐洲首先推出了全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM），隨后美國(guó)和日本也相繼制定了各自的數(shù)字移動(dòng)通信體制。第一章 緒論 研究背景和意義現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)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(guó)Qualm公司推出了窄帶碼分多址（CDMA）蜂窩通信系統(tǒng)，這是移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中的里程碑。為了適應(yīng)新的市場(chǎng)需求，人們正在研究和設(shè)計(jì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。新一代移動(dòng)通信的另一個(gè)特點(diǎn)是低成本。另外，OFDM將總帶寬分割為若干個(gè)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(wú)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(duì)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(hào)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(gè)必要前提條件是需要對(duì)各組發(fā)送接收對(duì)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裕速M(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(shí)（HOS），例如由Shengli Zhou提出的基于輸入信號(hào)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(shí)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(shí)方法。基于一階統(tǒng)計(jì)特性的辨識(shí)方法（隱含導(dǎo)頻）通過(guò)在發(fā)送信號(hào)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(jiǎn)單，但是由于這種處理會(huì)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(cè)算法或者（盲）協(xié)方差匹配算法。第四種是利用輸入符號(hào)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(wú)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(shí)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(shuō)可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)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(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。ZF算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)信道的信噪比要求較高。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。OFDM 信號(hào)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(guò)選取各子信道，每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。但通過(guò)將各個(gè)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?cái)?shù)據(jù)信息，完成子載波解調(diào)。這一特性可以用來(lái)解釋子載波之間的正交性，即 +信道積分積分積分 (23)如果對(duì)(22)式中的第 k 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，可以得到 （24）從上式可以看出，對(duì)第k個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號(hào)。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(gè)子載波頻率上的δ 函數(shù)的卷積。由于在對(duì) OFDM 符號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每一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。因此，OFDM可以在時(shí)域和頻域內(nèi)分別插入導(dǎo)頻符號(hào)，導(dǎo)頻符號(hào)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(shí)延處于最壞的情況，插入足夠的導(dǎo)頻，以便能跟上信道時(shí)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(shí)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(guò)低通濾波處理，可以得到較好的效果。MIMO 技術(shù)通過(guò)空間分集消除無(wú)線傳輸中的信道衰落。解決移動(dòng)通信的容量問(wèn)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(gè)天線并行符號(hào)流的輸出都經(jīng)過(guò)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(gè)天線，就會(huì)相應(yīng)生成多個(gè)空間信道，而且若干個(gè)空間信道不太可能同時(shí)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(wú)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(shí)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(shí)卷積編碼中，相同信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的編碼，形成不同的數(shù)據(jù)流，然后經(jīng)過(guò)多副天線發(fā)送出去。初步測(cè)試表明：與時(shí)延分集或單一空時(shí)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(gè)信號(hào)，并且解調(diào)，譯碼解復(fù)用和恢復(fù)處原始信號(hào)。 接收分集和干擾消除 由于基站和移動(dòng)臺(tái)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(hào)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(wú)線信道的衰落 衰落是無(wú)線信道中的重要概念。多徑衰落表示無(wú)線電波在空間傳播會(huì)存在反射，繞射和衍射等，因此造成信號(hào)可以經(jīng)過(guò)多條路徑到達(dá)接收端，而每個(gè)信號(hào)分量的時(shí)延，衰落和相位都不相同，因此在接收端對(duì)多個(gè)信號(hào)分量疊加時(shí)，會(huì)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(hào)噪聲比（ SNR）為 （27）其中， No是單邊噪聲功率譜密度，b是信號(hào)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(lái)衡量的，其衰落特性符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其中接收信號(hào)的局部場(chǎng)強(qiáng)中值變化的幅度取決于信號(hào)的頻率和障礙物狀況。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，如果同相疊加則會(huì)使信號(hào)幅度增強(qiáng)，而反相疊加則會(huì)削弱信號(hào)幅度。 多徑信道的時(shí)延擴(kuò)展和多普勒頻移 時(shí)延擴(kuò)展和多普勒頻移是多徑信道中兩個(gè)非常重要的概念。在傳輸過(guò)程中，由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中的一個(gè)符號(hào)的波形會(huì)擴(kuò)展到其它符號(hào)當(dāng)中，造成符號(hào)間干擾（ISI）。當(dāng)信號(hào)的頻率較高，信號(hào)帶寬超過(guò)無(wú)線信道的相干帶寬時(shí)，信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道后各頻率分量的變化是不一樣的，引起信號(hào)波形的失真，造成符號(hào)間干擾，此時(shí)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(dòng)臺(tái)的速度。 fo處的單純?chǔ)?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(lái)源于信道媒質(zhì)微粒的熱運(yùn)動(dòng)，它實(shí)際上是一種不確定的因素，它的存在使得信號(hào)經(jīng)過(guò)信道都會(huì)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(gè)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(wú)線通信系統(tǒng)的性能主要受到無(wú)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(gè)問(wèn)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(shì)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(wú)線通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到無(wú)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(wú)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(shí)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(dòng)臺(tái)發(fā)出的業(yè)務(wù)可以構(gòu)成時(shí)隙，而且信道在時(shí)隙與時(shí)隙之間會(huì)發(fā)生變化，因此需要在每個(gè)時(shí)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(guò)對(duì)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(gè)估計(jì)的性能假定第 k 個(gè)符號(hào)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