【文章內(nèi)容簡介】 IMOOFDM 系統(tǒng)，全面分析了基于導(dǎo)頻符號的信道估計方法， 討 論了導(dǎo)頻形式的 選擇準(zhǔn)則 ， 重點 研究了梳狀導(dǎo)頻估計算法 ， 并結(jié)合計算機仿真 驗證 了 線性內(nèi)插信道估計 算法的有效性， 同 時對 線性內(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、介紹本課題的研究內(nèi)容和國內(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 無線信道的 傳輸特性和衰落特征 ，介紹了無線信道中的 Doppler 效應(yīng)和多徑效應(yīng)；還介紹了 MIMO 無線信道模型理論，包括它的相關(guān)模型以及對 MIMO 相關(guān)信道的仿真。 第 四 章 圍繞 MIMOOFDM 系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻符號的信道估計方法，首先簡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 第 6 頁 共 42 頁 系統(tǒng)中的梳狀導(dǎo)頻信道估計，并分別對線性內(nèi)插信道估計算法進(jìn)行了計算機仿真， 驗證了算法有效性。 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 題，并展 望 該 領(lǐng) 域的研究發(fā)展 趨勢 。 第 7 頁 共 42 頁 第二章 MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理 MIMO 技術(shù)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。 OFDM 技術(shù)可以提高頻帶利用率，具有較強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， 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)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。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 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個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 對于 OFDM 系 統(tǒng)而言， 在發(fā)射端，首先對比特流進(jìn) 行 QAM 或 QPSK 調(diào)制，然 0d 0jwte 0jwte? ^0d 1d 1jwte 1jwte? ^1d 1Nd? 1Njw te ? 1Njw te ?? ^1Nd? 串 /并 + 并 /串 積分 信道 積分 積分 第 8 頁 共 42 頁 后依次經(jīng) 過串并變換 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 “循環(huán)前綴 ”），形成 OFDM 碼元 。在組幀時，須加 入同步 序列 和信道估計序列，以便接收端進(jìn)行突發(fā)檢測、同步和信道估計，最后輸出正交的 基帶信號 。 當(dāng)接收機檢測到信號到達(dá)時，首先進(jìn)行同步和信道估計。當(dāng)完成 時間同步 、小數(shù)倍頻偏估計和糾正后，經(jīng)過 FFT 變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計和糾正，此時得到的數(shù)據(jù)是 QAM 或 QPSK 的已調(diào)數(shù)據(jù)。對該數(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(shù)被稱為多發(fā)送天線和多接收天線 (簡稱多入多出 )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)用就是使用多天線系統(tǒng)，使每副發(fā)射天線發(fā)送的信號都與其它發(fā)射天線發(fā)送的信號有微小區(qū)別，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道中，同時傳輸多路信號，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用戶通信性能有利的增加因 素，它有效地利用了隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高數(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帶寬的前提下帶來無線通信性能上幾個數(shù)量級的改善。 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)簡單示意圖如圖 所示： 第 9 頁 共 42 頁 圖 MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單示意圖 對于一個信道為獨立瑞利衰落，發(fā)射天線個數(shù)為 M，接收天線個數(shù)為 N 的 MIMO 系統(tǒng)，在收發(fā)天線之間形成 N M 階信 道矩陣 H ，在某一時刻 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 個發(fā)射天線到第 i 個接收天線間的瑞利衰落系數(shù)。則系統(tǒng)容量為： 2l o g d e t ( / )HNC I H H b p s H zM????????? (22) 其中， ? 是接收端平均 信噪比。當(dāng) M ， N 很大時，信道容量 C 可以近似為： ? ? 2m in , l og ( / 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數(shù)量的增大而線性增大，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 第 10 頁 共 42 頁 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編碼技術(shù)，能夠大幅度的提高了無線通信系統(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 將空時編碼與 OFDM 相結(jié)合，構(gòu) 成的MIMOOFDM 系統(tǒng) 能夠大大的提高無線通信系統(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)過信源編 碼之后變成數(shù)據(jù)比特流，先經(jīng)過 QAM 或者 QPSK調(diào)制，再通過串行方式，進(jìn)入空時編碼器進(jìn)行空時編碼；然后此信息流就會變成 M 路并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，并且每條線路的低速數(shù)據(jù)流分別對應(yīng)一個發(fā)射天線。緊接著，為了能在接收端進(jìn)行信道估計，需要插入相應(yīng)的導(dǎo)頻符號，下面就可以用 M 個并行的Nfft 點 IFFT 變化器來實現(xiàn) OFDM 調(diào)制。信號經(jīng)過 IFFT 變換后，頻域信號轉(zhuǎn)變成了時域信號，再經(jīng)過并串變換、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。整個發(fā)射端的編碼、調(diào)制和發(fā)射流程就大概如此。 M 個并行 1 … … … i ... … … 。 。 。 … M …… . M QPSK/ QAM 調(diào)制 空時 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 第 11 頁 共 42 頁 圖 MIMOOFDM 系統(tǒng)接收端系統(tǒng)框圖 在接收端：接收端的接收天線接收到發(fā)送端發(fā)來的信號，而 M 個發(fā)射天線發(fā)射的信號疊加在一起構(gòu)成接收端任意接收天線接收到的信號。如果發(fā)送接收天線之間的每個信道是互相獨立的，則這些發(fā)送信號所經(jīng)歷的信道衰落也是不同的。接收機接收到的信號依次經(jīng)過下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時和同步（用來頻率偏移估計和載波時鐘恢復(fù)）等步驟，在確保采樣時鐘和載波頻率無 誤后，便可將在接收信號中進(jìn)行抽樣的結(jié)果經(jīng) FFT 變化器進(jìn)行 OFDM 解調(diào)。將 FFT 變換后的頻域信號進(jìn)行信道估計，并將其結(jié)果一邊進(jìn)行頻偏和定時跟蹤，一邊用于將信號解調(diào)后的信號進(jìn)行空時解碼，最后便可經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)原有的數(shù)據(jù)。 目前對 MIMOOFDM 技術(shù)的研究主要有以下兩個方 向 [10]: 首先是 基于 OFDM 的空間復(fù)用系統(tǒng)，主要利用無線信道的多徑傳播特性產(chǎn)生并行空間信道，從而提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。 其次 是 空時編碼 OFDM 系統(tǒng)，即 OFDM 與基于發(fā)射分集的空時碼的結(jié)合。 OFDM在頻域把信道分成若干正交子信道，可 以有效地抵抗符號間干擾 ISI?？諘r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(jié)合構(gòu)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。它的缺點是隨著傳輸天線數(shù)目的增加，譯碼復(fù)雜度也會隨之增加。 按照空時碼編碼方式的不同它可以分為空時格碼 OFDM 和空時塊碼 OFDM?？諘r格碼（ STTC）以格形編碼調(diào)制為基礎(chǔ)，具有很高的編碼增益和分集增益，能夠有效的抵抗衰落和抑制噪聲，其頻帶利用率由所選星座圖決定。由于格碼的最佳譯碼為 Viterbi QPSK/QAM解調(diào) M 調(diào)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 第 12 頁 共 42 頁 譯 碼，當(dāng)天線數(shù)目固定時，它的編譯碼復(fù)雜度隨發(fā)射速率的增大而指數(shù)增加，這時接收機的結(jié)構(gòu)就會變得復(fù)雜而難以實現(xiàn)，這是它的最大缺陷。空時塊碼（ STBC）有效地克服了空時格碼譯碼過于復(fù)雜的缺點，利用了正交設(shè)計理論，從而支持最大似然檢測譯碼算法，接