【正文】 線圖，橫坐標(biāo)為 EbN0，單位 dB，縱坐標(biāo)為誤碼率。結(jié)合圖 37 與圖 38，可以看出，在 OFDM 系統(tǒng)中加上 MIMO 技術(shù)后，性能明顯增加，OFDM 系統(tǒng)中 EbN0 為（3~10）dB 時(shí)系統(tǒng)所達(dá)到的性能，經(jīng)過(guò) MIMO后，與（6~0）dB 時(shí)的性能差不多。3 4 5 6 7 8 9 10105104103102101OFDM仿仿EbN0 in dBBER圖 38 OFDM 系統(tǒng)性能仿真圖邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8 7 6 5 4 3 2104103102101EbN0 in dBBERMIMOOFDM仿仿圖 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(jì)信道狀態(tài)信息的自適應(yīng) MIMOOFDM 系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并對(duì)其中的主要模塊，包括 Turbo 碼，STBC 編碼的原理與實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。接下來(lái)闡述了 MIMO 信道中信號(hào)的模型，為下章的理論研究奠定了基礎(chǔ)。最后，通過(guò)仿真，驗(yàn)證了 Turbo 碼與OFDM 的性能。邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 4 章 自適應(yīng) MIMOOFDM 系統(tǒng)仿真建模本章主要講論述的是 MIMOOFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)方式與采用的自適應(yīng)控制方式。本文采用的是基于發(fā)送端來(lái)端估計(jì)信道狀態(tài)信息，較之于基于接收端估計(jì)信道狀態(tài)信息的 MIMOOFDM 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）沒(méi)有時(shí)延；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是此系統(tǒng)必須應(yīng)用于 TDD 模式下，對(duì)于上下行鏈路不對(duì)稱的 FDD 系統(tǒng)，則不能采用此種系統(tǒng)模型。 MIMO 系統(tǒng)中的信道估計(jì)在傳統(tǒng)的 SISO 系統(tǒng)中，信道估計(jì)算法己經(jīng)有了很深入的研究，并且取得了很多重要的成果，但在對(duì) MIMO 信道的估計(jì)中，仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。 MIMO 系統(tǒng)信道估計(jì)的重要性移動(dòng)通信中的無(wú)線傳輸信道是一個(gè)時(shí)變多徑衰落信道。所發(fā)送的數(shù)據(jù)將會(huì)經(jīng)歷信道衰落。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)。要達(dá)到這樣的效果，就需要在接收端使用信道估計(jì)技術(shù)來(lái)獲得信道衰落信息，因此信道估計(jì)技術(shù)是提高無(wú)線數(shù)據(jù)接收性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。另一方面，MIMO 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大容量的前提是接收機(jī)能對(duì)來(lái)自各發(fā)射天線的信號(hào)進(jìn)行很好的去相關(guān)處理，這也需要首先對(duì)信道進(jìn)行比較準(zhǔn)確的估計(jì)，才可以進(jìn)行相應(yīng)的解碼處理。因此在高數(shù)據(jù)率的 MIMO 系統(tǒng)中，對(duì)寬帶時(shí)變 MIMO 信道的估計(jì)和跟蹤是實(shí)現(xiàn) MIMO 系統(tǒng)接收端準(zhǔn)確檢測(cè)、解碼等的前提基礎(chǔ)，是獲得系統(tǒng)性能改善的前提保證。 MIMO 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀MIMO 信道的估計(jì)和跟蹤算法的性能，將對(duì)最后的誤碼性能和系統(tǒng)容量有很大的影響。與傳統(tǒng)的 SISO 系統(tǒng)相比，在 MIMO 通信系統(tǒng)中，信道估計(jì)技術(shù)以及信號(hào)的檢測(cè)更具挑戰(zhàn)性，這是由于無(wú)線 MIMO 信道本身就較一般的 SISO 信道復(fù)雜，而豐富的多徑衰落使得空時(shí) MIMO 信道變成頻率選擇性信道，二者使得 MIMO 信道呈現(xiàn)為一個(gè) FIR 矩陣信道，對(duì)它的估計(jì)與跟蹤是較困難的。信道估計(jì)方案與傳輸方案密切相關(guān)，實(shí)用的信道估計(jì)技術(shù)需要充分利用傳輸數(shù)據(jù)的特征，從而能在信道估計(jì)誤差、頻譜效率及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等方面實(shí)現(xiàn)合理的折中。邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于發(fā)送端的信道估計(jì)模型 基于發(fā)送端估計(jì)信道的優(yōu)缺點(diǎn)本文中采用的是基于發(fā)送端的信道估計(jì)方式，較之于在接收端做信道估計(jì)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：1． 在發(fā)送端做信道估計(jì)，沒(méi)有時(shí)延；2． 較之在接收端做信道估計(jì)，方法與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而它的缺點(diǎn)在于：此系統(tǒng)只能用于 TDD（時(shí)分雙工）模式下，對(duì)于 FDD（頻分雙工）這種上下行鏈路不對(duì)稱的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則不能采用此系統(tǒng)。研究表明，在發(fā)送端做信道估計(jì)時(shí)，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(shí)，通過(guò)仿真表明，在較低與中等 SNR 時(shí)，達(dá)到的頻譜效率也比在發(fā)送端不采用信道估計(jì)時(shí)大。 基于發(fā)送端估計(jì)信道原理請(qǐng)參考圖（41） ，自適應(yīng)多輸入多輸出正交頻分復(fù)用（MIMOOFDM ）系統(tǒng)框圖中共有 C 個(gè)子載波，T 根發(fā)送天線與 R 根接收天線，如圖 1 所示。DMUXT u r b oE n c o d e rC l u s t e r 1I n t e r l e a v . amp。B i t t o S y m b o lC o n v . 1T u r b oE n c o d e rC l u s t e r rI n t e r l e a v . amp。B i t t o S y m b o lC o n v . 1P o w e rC o n t r o lS u b c a r r 1P o w e rC o n t r o lS u b c a r r CL i n e a rP r e c o m b .1L i n e a rP r e c o m b .CI F F T1I F F TTI C PP / S1I C PP / STC h a n n e lE s t i m a t i o nS V Damp。E i g e n m o d e ’ sG a i nE s t i m a t i o nS e l e c t t h e M a x . N u m b e r o fE i g e n m o d e s f o r E a c h S u b c a r r i e rM C S O p t i m i z a t i o namp。 E i g e n m o d e s P o w e r a l l o c a t i o nAcH2N?iS11cA1VcddzzxxInputbis ()XlODM?PROR?B i t amp。 P o w e r L o a d i n g A l g o r i t h m（a ） 發(fā)送端邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（b） 接收端圖 41 自適應(yīng) MIMOOFDM 系統(tǒng)正交頻分復(fù)用（OFDM ）調(diào)制器與解調(diào)器的輸入與輸出關(guān)系如（1）給出 （41）()()cclcylHxnl??這里， 是一個(gè)臨時(shí)的編號(hào)， 代表著子載波個(gè)數(shù)編號(hào)， 與 分別代表了預(yù)l ()cxlcyl處理器輸出矩陣 與正交頻分復(fù)用解調(diào)器輸出矩陣 的第 列，()TCXl??RCY??代表著噪聲向量 在瞬時(shí)時(shí)刻 的值， 代表著信道矩陣在瞬時(shí)()l 0~,)RNIl()cl時(shí)刻 時(shí)的值。輸入 代表著發(fā)射天線 與接收天線 在子載波 處,[()](,1crtHl trc的復(fù)信道增益。幀長(zhǎng) L 的選擇要小于信道的相關(guān)時(shí)間。為了簡(jiǎn)化示子，時(shí)間編號(hào)將在下面被省去。l我們采用參考文獻(xiàn) 中所列出來(lái)的信道狀態(tài)信息誤差模型：基于發(fā)送端的估計(jì)[7]信道矩陣通過(guò) 給出， 表示信道估計(jì)誤差矩陣并且是獨(dú)立同分布矩陣，?ccN??c其中 是已知的 。通過(guò)信道估計(jì)矩陣的奇異值分解 ，2N?2,[]~(0,)rC??HccUV???我們得到了單位矩陣 ，并通過(guò)它來(lái)完成線性預(yù)結(jié)合。在子載波 c 處的發(fā)送向量cU，這里 代表由比特與功率算法得到的激活本征模的數(shù)目，ccdPVx2/139。?min(,)RT?其中 是子載波 c 處的發(fā)送復(fù)數(shù)字碼元向量，而矩陣1,[.]crcd?控制著分配給每一個(gè)本征模的功率（集群功率歸一化 1，即1,(.)ccriag）并且 包含了 的第一個(gè) 列元素。則第 c 個(gè)子載2,{|}iEd39。1,2,?[.]crcVv??cVcr波外的接收信號(hào)可以被表示如下： cycHxn??39。1/2?()ccNPd? 39。 39。1/2?)Hc cUVn?? 39。39。1/2?()cc?邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （4cTdn??2）這里， 是獨(dú)立同分布的輸入信號(hào)，并且服從 。39。 39。?cRrHccNUVC???39。,[]~(0,)crNC?是一個(gè) 的矩陣，且只有對(duì)角線上有元素 ，而矩陣其余地方39。c?r ??1/2/1/2,.cr?的元素都為 0，其中 代表著 Hermitian 矩陣的本征值。矩陣 是?,ic? 39。39。1/2?()cccTUP???信號(hào)處理在發(fā)送端的累積效果與傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的信道傳播，并且可以在 通過(guò)增加d用作信道估計(jì)的導(dǎo)頻碼元，從而在接收端獲得 。 的估計(jì)超出了這篇文章的研究cT范圍，所以我們將在下面假設(shè)它已經(jīng)在接收端完全已知。非常有效的 Turbo 編碼因?yàn)槠漭^大的編碼增益所以常被用作信道編碼。如參考文獻(xiàn) 所述，turbo 編碼將時(shí)域與頻域結(jié)合起來(lái)，所以在一個(gè)傳輸幀的連續(xù) OFDM[18]碼元中，一個(gè) turbo 碼字將包含所給分層的被選擇本征模。 MIMOOFDM 系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ)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)后，又能夠大幅度的提高了無(wú)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，因此將空時(shí)編碼與 OFDM 相結(jié)合，構(gòu)成 MIMOOFDM 系統(tǒng)在未來(lái)的移動(dòng)通信中具有非常廣闊的發(fā)展前景。MIMOOFDM 技術(shù)將空間分集、時(shí)間分集以及頻率分集有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，從而能夠大大的提高無(wú)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，成為實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道高速數(shù)據(jù)傳輸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。 MIMOOFDM 系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸原理目前對(duì) MIMOOFDM 技術(shù)的研究主要向兩個(gè)方向發(fā)展:1．基于 OFDM 的空間復(fù)用系統(tǒng)(OFDMbased spatial multiplexing systems)，即OFDM 與貝爾實(shí)驗(yàn)室 BLAST 系統(tǒng)的結(jié)合，它主要是利用無(wú)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。2．空時(shí)編碼 OFDM 系統(tǒng)(Spacetime Coded OFDM，STCOFDM)，即 OFDM 與基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的結(jié)合，它主要利用信道編碼和多天線陣技術(shù)提高系統(tǒng)的抗衰落特性，從而可以采用多進(jìn)制傳輸以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文主要研究第二種即：基于 OFDM 的空間分集系統(tǒng)。其中廣泛采用的是STBC+0FDM 系統(tǒng)。它是一種較為容易實(shí)現(xiàn)并被廣泛研究的空時(shí)碼結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)中邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴TBC 系統(tǒng)是一種典型的空間分集系統(tǒng)，它通過(guò)串并變換將單個(gè)數(shù)據(jù)流分解為多個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，從多個(gè)天線上同時(shí)發(fā)送出去；在接收端，同樣使用多個(gè)天線來(lái)接收數(shù)據(jù)。由于接收端的每個(gè)天線都接收到了來(lái)自所有發(fā)射天線的信號(hào)，因此在接收端通過(guò)使用一定的算法來(lái)檢測(cè)出的每個(gè)天線上的發(fā)送數(shù)據(jù)就具有較高的可靠性。 MIMOOFDM 系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)發(fā)送端總帶寬分為 C 個(gè)子載波，有 T 根發(fā)射天線，接收端有 R 根目錄接收天線。M 是每個(gè)子載波傳送的信息比特?cái)?shù)，有 r=min{T,R}。則在第 c 個(gè)子載波上等效基帶信號(hào)的輸入輸出關(guān)系可以表示為: （43）,12,cccyGHFxnC????上式， 表示發(fā)送數(shù)據(jù)，這些發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)從 T 根天線上發(fā)送出去； 表示均衡器cx cy輸出端的接收數(shù)據(jù)。 表示噪聲向量，其中的每一個(gè)元素都是相互獨(dú)立的均值為 0，方差為 的復(fù)高斯隨機(jī)變量。 是 的復(fù)數(shù)矩陣，表示 MIMOOFDM 系統(tǒng)第2?cR?個(gè)子載波上的等效基帶信道傳輸矩陣。 和 分別表示在發(fā)射端的第 c 個(gè)子載波上c cFG的預(yù)處理矩陣和在接收端的第 c 個(gè)子載波上的后處理矩陣。假設(shè)發(fā)射機(jī)已知理想的信道傳輸狀態(tài)信息,即 進(jìn)行奇(1,2)cHC?? cH異值分解得到下式: （44）,ccHUV???其中, 和 分別表示 維與 維矩陣,上角標(biāo) 表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。 表示cUVRr?Tr c?維對(duì)角矩陣,它的對(duì)角線元素 是 的 按照由大到小次序排列的奇r?12rcc?? 設(shè)置成 , 設(shè)置成 ,則變成：cFcGH （45）,1,cccyxUnC?????對(duì)于每個(gè)子載波都采取上述處理方法，可以把 MIM00FDM 系統(tǒng)的無(wú)線信道分解為一組并行的、獨(dú)立的子信道。子信道的增益就是奇異值分解得到的奇異值分解得到的奇異值舉 這些信道被稱為奇異值子信道。自適??min(,)1,2rcTRc???應(yīng)調(diào)制就是在這些子信道上進(jìn)行功率和比特分配，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。這是 MIMOOFDM 系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸方法的基礎(chǔ)。 注水算法原理由上一節(jié)可知，對(duì)信道矩陣作奇異值分解得到： 。其中，U ， V 都是HV??邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）酉矩陣，不會(huì)影響信號(hào)的發(fā)射功率，H 的秩為 rand(H)=min(T,R)，假設(shè) ,則有 RT?個(gè)非奇異值，即 。這樣，就把 MIMO 看成 R 個(gè)并行子信道，??1/2/1/2,R????每個(gè)信道上的增益對(duì)應(yīng)相應(yīng)的奇異值，如圖 42。對(duì)于接收端天線數(shù)大于發(fā)射端天線數(shù)的情況同上。圖 42 并行子信道的示意圖并行子信道設(shè)計(jì)中的最