【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 常在 0dB 以下，從而帶來(lái)很大的估計(jì)誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降；同時(shí)，單獨(dú)的 MIMO 系統(tǒng)的信道估計(jì)只能夠得到天線(xiàn)間的信道信息，并不能估計(jì)出 OFDM 符號(hào)在不同頻響處的響 基于插值的 MIMOOFDM無(wú)線(xiàn)信道估計(jì)方法的研究 第 5 頁(yè) 共 42 頁(yè) 應(yīng)，并不利于 OFDM 符號(hào)的解調(diào)。 在 MIMOOFDM 的估計(jì)算法中，盲信道估計(jì)雖然節(jié)省了頻帶資源，但其需要在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，算法的運(yùn)算量一般都很大，因此并不適合應(yīng)用于對(duì)時(shí)延要求比較高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 已有的 MIMOOFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)算法有 LS， LMMSE 和簡(jiǎn)化低階 LMMSE 算法。但是當(dāng) MIMOOFDM 系統(tǒng)的訓(xùn)練序列非方陣的時(shí)候，不能使用奇異值分解（ SVD）的技術(shù)對(duì) LMMSE 算法進(jìn)行低階近似 。 本課題主要完成的工作和結(jié)構(gòu)安排 論文圍繞 MIMOOFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)展開(kāi)分析和研究，重點(diǎn)研究基于 插值的信道估計(jì)算法。并通過(guò)理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)合，驗(yàn)證算法的可行性。 主要工作如下： 首先， 深入分析了 MIMOOFDM 技術(shù)在 國(guó) 內(nèi) 外 的最 新 研究 成 果 ，總結(jié)出該技術(shù) 領(lǐng)域的兩大研究方 向 ， 即 基于 OFDM 的空間復(fù)用和空時(shí)編碼 OFDM， 然 后分 別 討 論了它們的基本原理。 同 時(shí) 分析了無(wú)線(xiàn)信道的 傳輸特性和衰落特征 ， 指出信道估計(jì) 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。 其次， 針 對(duì) 采 用 連 續(xù) 傳輸方式的 MIMOOFDM 系統(tǒng)，全面分析了基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)方法， 討 論了導(dǎo)頻形式的 選擇準(zhǔn)則 ， 重點(diǎn) 研究了梳狀導(dǎo)頻估計(jì)算法 ， 并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真 驗(yàn)證 了 線(xiàn)性?xún)?nèi)插信道估計(jì) 算法的有效性， 同 時(shí)對(duì) 線(xiàn)性?xún)?nèi)插 的 適用范圍和 性能進(jìn)行了分析。 本論文共分四章，結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章主要概述本課題的研究背景、介紹本課題的研究?jī)?nèi)容和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并給出本課題所完成的主要工作和論文的結(jié)構(gòu)安排。 第二章主要討論 MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理，包括 OFDM 技術(shù)的基本原理； MIMO 技術(shù)的基本原理；以及 MIMOOFDM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)原理。 第三章主要分析了 無(wú)線(xiàn)信道的 傳輸特性和衰落特征 ，介紹了無(wú)線(xiàn)信道中的 Doppler 效應(yīng)和多徑效應(yīng)；還介紹了 MIMO 無(wú)線(xiàn)信道模型理論，包括它的相關(guān)模型以及對(duì) MIMO 相關(guān)信道的仿真。 第 四 章 圍繞 MIMOOFDM 系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)方法，首先簡(jiǎn)要描述了一種采用的系統(tǒng)模型，分析了導(dǎo)頻形式的選擇準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上研究了 MIMOOFDM 基于插值的 MIMOOFDM無(wú)線(xiàn)信道估計(jì)方法的研究 第 6 頁(yè) 共 42 頁(yè) 系統(tǒng)中的梳狀導(dǎo)頻信道估計(jì)，并分別對(duì)線(xiàn)性?xún)?nèi)插信道估計(jì)算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真， 驗(yàn)證了算法有效性。 第 五 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(wèn) 題，并展 望 該 領(lǐng) 域的研究發(fā)展 趨勢(shì) 。 基于插值的 MIMOOFDM無(wú)線(xiàn)信道估計(jì)方法的研究 第 7 頁(yè) 共 42 頁(yè) 第二章 MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理 MIMO 技術(shù)可以 成倍地提高無(wú)線(xiàn)信道容量，在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。 OFDM 技術(shù)可以提高頻帶利用率，具有較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落。而將兩者結(jié)合而成的 MIMOOFDM 系統(tǒng)則可以融合兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)， 具有廣闊應(yīng)用前景 。 OFDM 基本原理 OFDM(正交頻 分復(fù)用 )[7][8]是 一種多載波的調(diào)制方式，基本思想是 將信 道 分成若干 個(gè)正交子信道，將高速數(shù)據(jù) 流轉(zhuǎn)換 成 若干 并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。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 。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。 OFDM 系統(tǒng)基本模型框圖如圖 所示： 圖 OFDM 系統(tǒng)基本模型框圖 對(duì)于 OFDM 系 統(tǒng)而言， 在發(fā)射端，首先對(duì)比特流進(jìn) 行 QAM 或 QPSK 調(diào)制，然 0d 0jwte 0jwte? ^0d 1d 1jwte 1jwte? ^1d 1Nd? 1Njwte ? 1Njw te ?? ^1Nd? 串 /并 + 并 /串 積分 信道 積分 積分 基于插值的 MIMOOFDM無(wú)線(xiàn)信道估計(jì)方法的研究 第 8 頁(yè) 共 42 頁(yè) 后依次經(jīng) 過(guò)串并變換 和 IFFT 變換，再將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，加上保護(hù)間隔（又稱(chēng) “循環(huán)前綴 ”），形成 OFDM 碼元 。在組幀時(shí)，須加 入同步 序列 和信道估計(jì)序列，以便接收端進(jìn)行突發(fā)檢測(cè)、同步和信道估計(jì)，最后輸出正交的 基帶信號(hào) 。 當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到信號(hào)到達(dá)時(shí)，首先進(jìn)行同步和信道估計(jì)。當(dāng)完成 時(shí)間同步 、小數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正后，經(jīng)過(guò) FFT 變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)是 QAM 或 QPSK 的已調(diào)數(shù)據(jù)。對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，就可得到比特流。 MIMO 的基本原理 MIMO 是指信號(hào)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，因而該技術(shù)被稱(chēng)為多發(fā)送天線(xiàn)和多接收天線(xiàn) (簡(jiǎn)稱(chēng)多入多出 )技術(shù)，它可看著是分集技術(shù)的一種衍生。 MIMO 技術(shù)的實(shí)質(zhì)是為系統(tǒng)提供了空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用就是使用多天線(xiàn)系統(tǒng)，使每副發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送的信號(hào)都與其它發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送的信號(hào)有微小區(qū)別，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道中，同時(shí)傳輸多路信號(hào)，從而使得系統(tǒng)容量大為提高。 MIMO 技術(shù)的關(guān) 鍵 [9]是能夠 將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑影響因素變成對(duì)用戶(hù)通信性能有利的增加因 素，它有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來(lái)成倍地提高數(shù)據(jù)傳輸速率，它的成功之處在于它能夠在不額外增加所占用的信號(hào)帶寬的前提下帶來(lái)無(wú)線(xiàn)通信性能上幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改善。 系統(tǒng)容量指通信系統(tǒng)在一定信噪比條件下所能達(dá)到的最大傳輸速率，是衡量通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。 MIMO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單示意圖如圖 所示： 基于插值的 MIMOOFDM無(wú)線(xiàn)信道估計(jì)方法的研究 第 9 頁(yè) 共 42 頁(yè) 圖 MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單示意圖 對(duì)于一個(gè)信道為獨(dú)立瑞利衰落，發(fā)射天線(xiàn)個(gè)數(shù)為 M，接收天線(xiàn)個(gè)數(shù)為 N 的 MIMO 系統(tǒng)，在收發(fā)天線(xiàn)之間形成 N M 階信 道矩陣 H ，在某一時(shí)刻 t，信道矩陣為 : 121 1 1 2 12 1 2 2 2......... ... ... ......N N N MMMh h hH h h hh h h????????? (21) 其中， hij 是從第 j 個(gè)發(fā)射天線(xiàn)到第 i 個(gè)接收天線(xiàn)間的瑞利衰落系數(shù)。則系統(tǒng)容量為： 2l og de t ( / )HNC I H H bp s H zM????????? (22) 其中， ? 是接收端平均 信噪比。當(dāng) M ， N 很大時(shí)，信道容量 C 可以近似為： ? ? 2m i n , l o g ( / 2 )C M N ?? (23) 由此得出，和單輸入單輸出信道（ SISO）的容量公式相比，多輸入多輸出（ MIMO） 系統(tǒng)的信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)量的增大而線(xiàn)性增大，成倍提高衰落信道下的信道容量。 使用 MIMO 技術(shù)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(cuò)誤 1()xt 11h 好 1()yt 2()xt 2()yt …… . …… . 1Mh 1Nh ()Mxt NMh ()Nyt M 個(gè)發(fā)射天線(xiàn) 信道散射環(huán)境 N 個(gè)接收天線(xiàn) 基于插值的 MIMOOFDM無(wú)線(xiàn)信道估計(jì)方法的研究 第 10 頁(yè) 共 42 頁(yè) 率。 MIMOOFDM 系統(tǒng) OFDM能將頻率 選擇 性衰落信道 轉(zhuǎn) 化 為 若 干 平坦 衰落 子 信道 , 在 平坦 衰落信道中引入空時(shí)編碼技術(shù)，能夠大幅度的提高了無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效的抵抗衰落、抑制噪聲和干擾，而 因 此 將空時(shí)編碼與 OFDM 相結(jié)合，構(gòu) 成的MIMOOFDM 系統(tǒng) 能夠大大的提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，有效的抵抗信道衰落和抑制干擾，應(yīng)用發(fā)展前景十分廣闊。 MIMOOFDM 系統(tǒng)的理論框架如圖 ()﹑ ()所示： 圖 MIMOOFDM 系統(tǒng)發(fā)射端系統(tǒng)框圖 在發(fā)送端：信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信源編 碼之后變成數(shù)據(jù)比特流，先經(jīng)過(guò) QAM 或者 QPSK調(diào)制，再通過(guò)串行方式，進(jìn)入空時(shí)編碼器進(jìn)行空時(shí)編碼；然后此信息流就會(huì)變成 M 路并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，并且每條線(xiàn)路的低速數(shù)據(jù)流分別對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射天線(xiàn)。緊接著，為了能在接收端進(jìn)行信道估計(jì)，需要插入相應(yīng)的導(dǎo)頻符號(hào)，下面就可以用 M 個(gè)并行的Nfft 點(diǎn) IFFT 變化器來(lái)實(shí)現(xiàn) OFDM 調(diào)制。信號(hào)經(jīng)過(guò) IFFT 變換后，頻域信號(hào)轉(zhuǎn)變成了時(shí)域信號(hào)，再經(jīng)過(guò)并串變換、添加保護(hù)間隔、加入循環(huán)前綴等步驟，再將形成的數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)成型濾波器（用以成型）、 D/A 轉(zhuǎn)換器（數(shù)模轉(zhuǎn)換），然后上變頻 到一定的發(fā)射頻率后發(fā)送出去。整個(gè)發(fā)射端的編碼、調(diào)制和發(fā)射流程就大概如此。 M 個(gè)并行 1 … … … i ... … … 。 。 。 … M …… . M QPSK/ QAM 調(diào)制 空時(shí) 編碼 IFFT IFFT IFFT 并 /串 GI 加循環(huán)前綴 加循環(huán)前綴 加循環(huán)前綴 導(dǎo)頻 并 /串 并 /串 GI GI