【正文】 ]X l k 1[, ]xlk 1[, ]yl k 1[, ]Yl k [, ]tNX l k [, ]Ntx l k [, ]Nty l k [, ]tNY l k IFFT FFT IFFT FFT 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 20 頁 共 42 頁 制，再由第 i 個天線發(fā)送出去，其中， l 是 OFDM 符號周期數(shù)的標記， k 是子載波數(shù)的標記。信道估計算法中，基于訓 練序列的信道估計算法幾乎可以應用于所有的無線通信系統(tǒng)，但是卻降低了信道傳輸?shù)挠行?，浪費了帶寬，比較適合應用于慢衰落信道，但是如果在快衰落環(huán)境中，由于無線信道的時變特性，需要接收機不斷地對信道進行跟蹤，因此需要插入導頻信息，并且導頻信息也必須不斷的傳送，因此我們常常用基于導頻符號的信道估計方法來應用于快衰落信道。相關模型不依賴于站點的詳細描述；可以通過統(tǒng)計平均減少觀測誤差；不需要直接反 映出傳播環(huán)境；主要用于測試算法的 性能。信號的空間相關性隨著天線的間距增大而下降，而在天線間距一定的情況下，角度擴展越小（即散射環(huán)境越弱） ，則信號的空間 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 18 頁 共 42 頁 相關性越強，當天線間距和角度擴展都一定的情況下，平均離開角越小則信號的空間相關性越強。 MIMO 系統(tǒng)可以看成是 M 個 SIMO 系統(tǒng)或者 N 個 MISO 系統(tǒng)的疊加，因此我們可以分別從收發(fā)兩端來觀察信道之間的相關性?？梢钥紤]用一個信道相關矩陣來表示 MIMO 系統(tǒng)信道之間的相關性，用矩陣 Rl 來表示這個相關矩陣，同時構建一個矩陣 Al ： 121 1 1 2 12 1 2 2 2........ . .. . .. . .. ....l l ll l ll l lN N N M NMMlMa a aA a a aa a a ?????????? ( 38) Al 表示不存在空間相關性的 MIMO 系統(tǒng)信道響應矩陣， Al 中的各元 素之間相互獨立。假定在接收天線的遠場區(qū)只存在很少的強反射體，一般認為這些強反射體的發(fā)射信號代表一個可分辨徑，此可分辨徑同樣是由大量的入射波合成 的，這些入射波的相對時延很小，不能為接收機所分辨。通常在實際信道中，多徑相關性都較小，在仿真建模中一般認 為多徑信號之間是相互獨立的，以簡化建模的復雜度。實際上就是單徑信道模型。 信道衰 落的分類 根據多普勒頻移擴展和多徑時延擴展與信道帶寬的不同關系，可以將小尺度衰落分類為： （ 1） 快衰落：這種衰落現(xiàn)象嚴重惡化接收信號的質量，影響通信的可靠性。由公式 ( 32) ，可知最大 Doppler 頻移 : m ax{ }dm d vff??? ( 33) 若假設各個方向到接收端的入射角 θ ∈ (π ,π )是均勻分布的，則接收信號的功率譜密度為 : 122( ) 1 ( ) ,av c c dm c dmdm dmP f fS f f f f f fff? ????? ? ? ? ? ????? ( 34) 其中， fc 是載波頻率， Pav是各向同性天線接收到的平均功率，此式即是 Classic 譜。信道的多徑時延擴展 Tm 的倒數(shù)可近似地定義為信道的相干帶寬Fc： Fc=1/Tm （ 31） 當信號的帶寬比相干帶寬 Fc 小時，信道對信號的所有頻譜分量有大體相同的衰落影響，即信號的所有頻率分量在信道內的衰落是一致的，信號波形不會產生失真，信道表現(xiàn)為頻率非選擇性 (平坦 )衰落，此時信號的時域寬度遠大于多徑時延擴展，時延擴展區(qū)間內散落著若干個無法分辨的多徑，多徑信號之間的相位差很小，只要信號的自相關特性比較理想，信號的形狀不會有明顯的變化，從而基本保持其原始的譜特性；反之，當信號的帶寬比信道相干帶寬 Fc 大時，信道對頻率間隔大于 Fc 的信號頻譜處的衰落是不相干的，有的頻率分量衰減大，有 的頻率分量衰減小，信號波形將產生嚴重失真，信道表現(xiàn)為頻率選擇性的，此時，信號的時域寬度小于多徑時延擴展，時延擴展區(qū)間內散落著若干個多徑，而且其中必定有一部分多徑表現(xiàn)為可以分離的情形，多徑信號到達的相位差可以取到 [ 0,2π )的任意值，相位差為 1800 的多徑信號對的對消將引起嚴重的衰落，從而信道使信號嚴重失真。多徑效應工作原理如圖 所示： 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 14 頁 共 42 頁 圖 多徑效應工作原理圖 就一般情況而言，信道中電波的傳播往往是許多路徑眾多反射波的合成，由于電波通過各個路徑的距離不同，各個路徑來的反射波到達時間就不相同，相位也不相同，而不同相位的信號在接收端疊加，有時互相加強 (方向相同 )，有時互相減弱 (方向相反 )。在實際的無線電波傳播信道中 (包括所有波段 )，常有許多時延不同的傳輸路徑。 本章重點討論小尺度衰落的特點及模型。 MIMOOFDM 系統(tǒng)則可以融合兩種技術的優(yōu)點，有效提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并具有較強的抗多徑衰落和抗噪聲性能。由于格碼的最佳譯碼為 Viterbi QPSK/QAM解調 M 調制 空時 編碼 FFT FFT FFT 并 /串 并 /串 并 /串 GI GI GI 循環(huán) 前綴 循環(huán) 前綴 循環(huán) 前綴 信道估計 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 12 頁 共 42 頁 譯 碼，當天線數(shù)目固定時，它的編譯碼復雜度隨發(fā)射速率的增大而指數(shù)增加，這時接收機的結構就會變得復雜而難以實現(xiàn)，這是它的最大缺陷。空時編碼能夠充分利用空間、時間上的分集，因此將空時編碼與 OFDM 相結合構成空時編碼 OFDM 系統(tǒng)，能夠大幅度地提高系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效地抵抗衰落、抑制噪聲和干擾。將 FFT 變換后的頻域信號進行信道估計，并將其結果一邊進行頻偏和定時跟蹤，一邊用于將信號解調后的信號進行空時解碼，最后便可經過解調恢復原有的數(shù)據。 。信號經過 IFFT 變換后，頻域信號轉變成了時域信號，再經過并串變換、添加保護間隔、加入循環(huán)前綴等步驟，再將形成的數(shù)據依次經過成型濾波器（用以成型）、 D/A 轉換器（數(shù)模轉換），然后上變頻 到一定的發(fā)射頻率后發(fā)送出去。 使用 MIMO 技術可以提高信道的容量，而且也可以提高信道的可靠性，減少錯誤 1()xt 11h 好 1()yt 2()xt 2()yt …… . …… . 1Mh 1Nh ()Mxt NMh ()Nyt M 個發(fā)射天線 信道散射環(huán)境 N 個接收天線 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 10 頁 共 42 頁 率。 系統(tǒng)容量指通信系統(tǒng)在一定信噪比條件下所能達到的最大傳輸速率，是衡量通信系統(tǒng)的重要指標之一。 MIMO 的基本原理 MIMO 是指信號系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個發(fā)射天線和接收天線，因而該技術被稱為多發(fā)送天線和多接收天線 (簡稱多入多出 )技術，它可看著是分集技術的一種衍生。在組幀時，須加 入同步 序列 和信道估計序列，以便接收端進行突發(fā)檢測、同步和信道估計，最后輸出正交的 基帶信號 。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 7 頁 共 42 頁 第二章 MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理 MIMO 技術可以 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。 第二章主要討論 MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理，包括 OFDM 技術的基本原理； MIMO 技術的基本原理；以及 MIMOOFDM 的系統(tǒng)結構和系統(tǒng)原理。 主要工作如下： 首先， 深入分析了 MIMOOFDM 技術在 國 內 外 的最 新 研究 成 果 ，總結出該技術 領域的兩大研究方 向 ， 即 基于 OFDM 的空間復用和空時編碼 OFDM， 然 后分 別 討 論了它們的基本原理。 已有的 MIMOOFDM 系統(tǒng)的信道估計算法有 LS， LMMSE 和簡化低階 LMMSE 算法。 有關 OFDM 系統(tǒng)中的信道估計己有較多的研究，通?？梢苑譃榉敲す烙嫹椒ê兔す烙嫹椒▋煞N。對無線信道特征的掌握和了解，包括對無線信道的表征和描述、對無線信道參數(shù)的估計和預測、對無線信道與新技術結合課題的研究，顯得越來越重要。在 實際 應用中， 為 了進一步提高系統(tǒng)的頻 譜 效率， MIMOOFDM 系統(tǒng)通 常采 用幅度 非恒 定 的 調 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 能進行相干 解調 ， 另 外 ，空時編碼的 譯 碼 也 需 要有 精確 的信道狀 態(tài) 信息 才 能 完 成 。 自 從 1996 年文 獻 [5]首 次 提出將OFDM 與空時編碼相結合（ 稱 為 MIMOOFDM）以 來 ， MIMOOFDM 技術 很快 引起了通信界的廣泛關注。 OFDM 技術 以 其 抗多徑能 力 強 ，頻 譜利 用率高 等 優(yōu) 點 在 實際 中 得到 了廣泛的應用， 如 ： HDSL、 ADSL、 DAB 和 DVB，無線 局 域 網 和 HIPERLAN2，以及無線 城 域 網 等等 。 正交頻分復用（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing， 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 們廣泛的關注，而將兩者相 結合構 成 的 MIMOOFDM 系統(tǒng)，在技術上相 互補充 、相 得益 彰 ， 使之成為實現(xiàn) 無線信道高速 數(shù)據 傳輸[1][2]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。 第 四 代移動通信系統(tǒng)（ 4G）在業(yè)務上、 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 網絡 ， 具 有 非 對 稱 的 超 過 2Mbps 的 數(shù)據 傳輸能 力 ， 其 主要的指 標 有： 為 用 戶終端 提 供 高 達 幾 十 到 上 百 Mbps 的 峰 值 無線 數(shù)據 傳輸速率， 支持包括 高速 互聯(lián)網數(shù)據下載 、高 質 量 視 頻 點播 在內的 各 種 媒體 傳輸業(yè)務， 使之成為 真正意義上的 寬帶多 媒體 無線移動通信系統(tǒng) ； 與 INTERNET 技術高度結合，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的頻 譜 效率， 滿 足 大容量無線移動通信的 需求 。 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 IMT2020 上，概 括地 講 ，有以 下 特 點 ： （ 1） 占 用 更 高的頻 段 （ 2GHz）和 更 大的 帶寬 （ 5MHz） ； （ 2