【正文】 1O F D M 仿真E b N 0 i n d BBER 圖 38 OFDM 系統(tǒng)性能仿真圖 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 8 7 6 5 4 3 2104103102101E b N 0 i n d BBERM I M O O F D M 仿真 圖 310 MIMOOFDM 系統(tǒng)仿真性能圖 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)送端估計信道狀態(tài)信息的 自適應(yīng) MIMOOFDM 系統(tǒng)仿真平臺，并對其中的主要模塊，包括 Turbo 碼，STBC 編碼的原理與實現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)的說明。所發(fā)送的數(shù)據(jù)將會經(jīng)歷信道衰落。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 基于發(fā)送端的信道估計模型 基于發(fā)送端 估計信道 的優(yōu)缺點 本文中采用的是基于發(fā)送端的信道估計方式，較之于在接收端 做 信道估計 的系統(tǒng) 來說，它有兩個顯著的優(yōu)點： 1． 在發(fā)送端做信道估計，沒有時延； 2． 較之在接收端做信道估計，方法與結(jié)構(gòu)簡單。 E i g e n m o d e s P o w e r a l l o c a t i o ncH 2N?odE ige n eSNRG ainc1M CS rM C S1P cP 1V cV1dcd1zcz1xcx1 TI npu tbi。 研究表明，在發(fā)送端做信道估計時，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，通過仿真表明，在較低與中等 SNR 時，達(dá)到的頻譜效率也比在發(fā)送端不采用信道估計時大。要達(dá)到這樣的效果，就需要在接收端使用信道估計技術(shù)來獲得信道衰落信息，因此信道估計技術(shù)是提高無線數(shù)據(jù)接收性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。最后，通過仿真， 驗證了 Turbo 碼與 OFDM的性能。寬帶 MIMO 信號模型為 ： ? ? ? ? ? ?10( ) ,N liy n H n l x n v n???? ? ?? （ 326） 為分析信道空間特性的方便，假設(shè)在考察的時間內(nèi)， MIMO 信道為時不變信道 (或假設(shè)考察的是相干時間內(nèi)的信道特征 )，重寫上述 MIMO 時變信道 ： 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 10( ) ( )LlllHH? ? ? ?????? （ 327） 假設(shè)信道各路徑延遲間隔等于采樣周期，寬帶 MIMO 系統(tǒng)離散信號模型： ? ?10( ) [ ]L llly n H x n v n???? ? ?? 1 ,1 1 , 2 1 ,2 ,1 2 , 2 2 ,1 , 2 ,( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )TTR R R TMMlM M M Mh l h l h lh l h l h lHh l h l h l???????， 01lL? ? ? （ 328） 仿真結(jié)果與分析 圖 37 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。接收端的譯碼算法簡單、復(fù)雜度低是空時分組編碼最大的優(yōu)點?？諘r編碼將空間分集、頻率分集及時間分集結(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。 ) ( 。 )e uO? 之和的形式： 1 ( 。 )sk cI? 、校驗信息 ( 。 )pk cI? 2( 。 圖中兩個編碼器產(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。由圖 知，系統(tǒng)主要分為以下幾個模塊： 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)編碼模邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 塊、 OFDM 調(diào)制與解調(diào)模塊、 STBC 編譯碼模塊。 在發(fā)送端做信道估計時，即使 CSI（信道狀態(tài)信息）存在誤差時，此系統(tǒng)也具有較高的魯棒性。T 的 Tamkh等人在 Alamouti的研究基礎(chǔ)上提出的。信號檢測的基本思想非常相似于CDMA（碼分多址）技術(shù)市場 中的多用戶檢測 (MUD)。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。 MIMOOFDM 技術(shù) [11]也被業(yè)界認(rèn)為是未來第四代移動通信系統(tǒng)的 主要物理層技術(shù)。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? 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副本，然后把不同的分集支路得到的信號副本合并起來，以達(dá)到提高總信噪比、降低信號誤碼率的目的。 圖 加入循環(huán)前綴的 OFDM 符號 MIMO 基本原理 分集 的概念 由于無線衰落信道的多徑與時變特性，經(jīng)過其傳輸?shù)男盘栐诮邮斩丝赡軙艿絿?yán)重的 衰落。 N 點 IDFT 運(yùn)算需要實施 2N 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。由于在對 OFDM 符號進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計算這些點上所對應(yīng)的每一個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。 由 式 （ 24）知 ，對第 j 個子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號 id 。 下面 將對 OFDM 系統(tǒng) [10] 的基本模型號，實現(xiàn)過程等技術(shù) 進(jìn)行闡述。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2 章 MIMOOFDM 基本原理 在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個十分 嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) ： 多徑衰落和帶寬效率。 第二章主要是對 MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述，分別對兩個最關(guān)鍵的技術(shù) MIMO 和 OFDM 作了分析。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 （ 4） OFDM 技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的信道。直到 70年代，人們提出了采用離散傅立葉變換來實現(xiàn)多個載波的調(diào)制， 從而 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得 OFDM 技術(shù)更趨于實用化?？諘r編解碼將信道編解碼技術(shù)和陣列信號處理技術(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。已經(jīng)有不少的文獻(xiàn)對這方面進(jìn)行 了研究， 即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動的情況進(jìn)行了研究。 多輸入多輸出 (MIMO)或多發(fā)多收天線 (MTMR)技術(shù)在無線移動通信領(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通信系統(tǒng)與個人通信系統(tǒng)實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，提高傳輸質(zhì)量的重要途徑之一 [3] 。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造成 CCI。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)，具有非對稱邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 的超過 2Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸能力 。在隨后的一個多世紀(jì)里，在計算機(jī)和半導(dǎo)體 技術(shù)推動下，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。 論文的仿真研究表明， 引入的 MIMOOFDM 系統(tǒng)是可行的，可靠的，有效的。為了保證仿真結(jié)果的正確性，在仿真研究中，首先逐一仿真實現(xiàn)了包括 Turbo 編譯碼， QAM 調(diào)制解調(diào)， STBC 空時編解碼， OFDM 調(diào)制解調(diào)，功率控制等單元功能模塊，然后在驗證的基礎(chǔ)上，整合為一個完整的自適應(yīng) MIMOOFDM 仿真系統(tǒng)。 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?，F(xiàn)在歐盟，美國，日本，韓國以及我國都已經(jīng)在積極研究著 4G 無線通信系統(tǒng)了。 無線信道的特性 在無線通信中，發(fā)射信號在傳播過程中往往會受到環(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)的接收信號與 發(fā)射信號相比產(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，這樣必然會產(chǎn)生 CCI。 MIMO 技術(shù)及其研究現(xiàn)狀 為了在未來移動通信系統(tǒng)中實現(xiàn)大容量、高速以及提高頻譜利用率的 目標(biāo) ，多邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 輸入多輸出（ MIMO） 系統(tǒng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。 （ 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)雜度折中的信號處理方案以實現(xiàn) MIMO 帶來的提高頻譜效率的優(yōu)勢。 （ 4） MIMO 通過空時編解碼，在發(fā)射端實現(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現(xiàn)最佳處理，獲得了很高的系統(tǒng)容量。但是，一個 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。 （ 3） 通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。接下來簡單介紹了 OFDM技術(shù)、 MIMO技術(shù)以及 MIMOOFDM 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。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第五章對論文的全部工作進(jìn)行總結(jié)，并討論了今后需要進(jìn)一步的研究方向。同時，通過符號間保護(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。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即 ： 011 e x p ( ) e x p ( ) 0T nmj t j t d tT ?? ?? ? ? ??? mnmn?? （ 23） 例如式 (22)中的第 j 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， 見式（ 24）。在每一個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。 在 OFDM 系統(tǒng)的實際運(yùn)用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換(IFFT/FFT)來實現(xiàn)。從上式 可以看到，當(dāng)保護(hù)間隔占到 20% 時，功率損失 卻 不到 ldB，雖然信息速率損失達(dá) 20% ，卻可以消除 ISI 和多徑所造成的 ICI 的影響，因此這個代價是值得的。在移動無線環(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，這在移動通信中非常重要。 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。而對于子載波來說，每個 IFFT 的子載波采用同樣的載波間隔，則同樣位置的子載 波 上映射了一個空時編碼符號向量。如何減小 IC1對系統(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)實現(xiàn)的一個難點。 由于每根 接收天線同時接收到多 根 發(fā)送天線 傳送 來的疊加在一起的信號，信號檢測或分離一直是 MIMO 系統(tǒng)的研究熱點之一。 STBC 是由 ATamp。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 第 3 章 MIMOOFDM 系統(tǒng) 算 法 及原理 本文中的自適應(yīng) MIMOOFDM 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，從而可以提高整個系統(tǒng)的頻譜效率與可靠性。 圖 31 MIMOOFDM 系統(tǒng) 在此基礎(chǔ)上，我們提出了基于發(fā)送端估計信道狀態(tài)信息的自適應(yīng) MIMOOFDM系統(tǒng) [16] ，它的系統(tǒng)如圖 所示。 D at a dkR S C c od e C1R S C c od e C2N o nu ni f ormi nt er l eav i n gdnXkY1kY2kr ed un da n cy 圖 32 Turbo 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。 分 量譯 碼器 1分 量譯 碼器 2解 交 織sky??L c交 織 器交織器解 交 織硬判決pky1( 。 ()e? —— 外部對數(shù)似然比信息； ()a? —— 先驗對數(shù)似然比信息； 對于第 k 個被譯比特， PCCC 譯碼器中每個分量譯碼器都包括系統(tǒng)信息( 。 )sk cI? 、先驗信息 1 ()aku? 外部信息 1 ( 。kscI? （經(jīng)過交織映射）和先驗信息 2 ()aku? 的結(jié)果，即 ： ? ?2 2 ( ) 2( 。它在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線進(jìn)行信號的發(fā)射和接收，在不同天線的發(fā)射信號之間引入時域和空域相關(guān) 性 ，綜合利用時域 和空域二維信息， 從而 在接收端進(jìn)行分集接收。無論增加發(fā)射天線數(shù)還是增加傳輸速率都不會對譯碼復(fù)雜度有太大的影響。在 WSSUS 假設(shè)下，上述信道模型為系數(shù)時變的 FIR 信道模型。接下來闡述了 MIMO 信道中信號的模型，為下章的理論研究奠定了基礎(chǔ)。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)。 而它的缺點在于：此系統(tǒng)只能用于 TDD（時分雙工）模式下，對于 FDD（頻分雙工） 這種上下行鏈路不對稱的系統(tǒng)來 說，則不能采