【導(dǎo)讀】為了在未來無線通信系統(tǒng)中充分發(fā)揮。信道分析、信道估計及實現(xiàn)等方面進(jìn)行更深入的研究。本文在MIMO-OFDM系統(tǒng)和自適應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理的基礎(chǔ)上，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。論文的仿真研究表明，引入的MIMO-OFDM系統(tǒng)是可行的，可靠的，有效的。

　　

【正文】 采用的是 Alamouti 2*2 的矩陣進(jìn)行空時編碼，其形式如下： *12*21ssss??????? （ 321） 見式（ 321），第一根天線發(fā)送第一排數(shù)據(jù)，第二根發(fā)射天線發(fā)送第二排的數(shù)據(jù)。在某一時刻，第一根天 線發(fā)送數(shù)據(jù) 1s ，第二根天線發(fā)送數(shù)據(jù) 2s ，則在下一時刻，第一根天線發(fā)送數(shù)據(jù) *2s? （ 2s 的共軛取反），同時，第二根天線發(fā)送 *1s ，其發(fā)送端的原理框圖如圖 35： I n f o r m a t i o nS o u r c eM o d u l a t o r? ? *1212 *21ssssss?? ?? ????1* 12s s s??????2* 21s s s?1T ? 2T ? 圖 35 Alamouti 時空編碼框圖 假設(shè)接收端有一根天線， 如圖 36 所示，則接收端的信號表示為： 1 1 1 2 2 1**2 1 2 2 1 2r h s h s nr h s h s n? ? ?? ? ? ? （ 322） +C h a n n e le s t i m a t o rC h a n n e le s t i m a t o rM Ld e t e c t o r12nn1h2h1*2ss?2*1s1T ? 2T ? 1h21 2h 1S 2 圖 36 Alamouti 兩根發(fā)送天線傳輸分集方案 性能分析 正交空時分組編碼也可以獲得最大的分集增益 mn?？諘r分組編碼的不同分組之間不相關(guān)，而且其分組長度又很短，因此只能獲得一定的編碼增益，性能不如空時網(wǎng)格編碼。但是空時分組編碼的正交性支持接收端采取完全線性處理的最大似然獨邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 立解碼，與空時網(wǎng)格編碼相比，解碼復(fù)雜度大大降低。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。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。 MIMOOFDM 系統(tǒng) 模型 本節(jié)主要研究寬帶時變 MIMO 信道的 主要特性，集中于其信號模型、空間衰落特性及空間相關(guān)性的研究。 SISO， MISO， SIMO 等各種天線配置情況和窄帶、時不變等信道將作為其特殊情況處理。 假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射天線數(shù)為 TM ，接收天線數(shù) RM ，寬帶時變信道在時刻 t 信道脈沖響應(yīng)為 (, )Ht? ，如 (323)式。 1 ,1 1 , 2 1 ,2 ,1 2 , 2 2 ,1 , 2 ,( , ) ( , ) ( , )( , ) ( , ) ( , )( , )( , ) ( , ) ( , )TTR R R TMMM M M Mh t h t h th t h t h tHth t h t h t? ? ?? ? ??? ? ???????? （ 323） 則系統(tǒng)模型為： ( ) ( , ) * ( ) ( )y t H t x t v t??? （ 324） 其中， 1( ) [ ( ) , ( ) , ( ) ]T TxMx t x t x t x t?為發(fā)射信號向量， 1( ) [ ( ) , ( ) , ( ) ]R TxMy t y t y t y t?為接收信號向量， v(t)為加性高斯白噪聲， *表示卷積。無線信道的衰落主要由信道環(huán)境中的散射簇 (本文中的散射簇涵蓋了所有影響信道衰落特性的因素 )引起，一般信道中主要散射簇是離散分布的，因而可以將 MIMO 信道寫為 ： 10( , ) ( , ) ( )LllH t H t l? ? ? ?????? （ 325） 其中 L 為抽頭延遲線模型的階數(shù)，對應(yīng)于信道中主散射簇數(shù)量， l? 是以采樣周期 為 單位的延遲時間。第 q 根發(fā)射天線和第 i 根接收天線間的 SISO 信道為1 , 2 , , , 1 , 2 , ,RTi M q M??,該信道響應(yīng)是時間、延遲、發(fā)射和接收天線位置的函數(shù)，表征了該條路徑的幅度增益和相位旋轉(zhuǎn)。在 WSSUS 假設(shè)下，上述信道模型為系數(shù)時變的 FIR 信道模型。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。仿真的條件是：每幀 為 400 比特，采用 QPSK 調(diào)制， Alamouti 2*2矩陣編碼，信道為瑞利信道，誤比特門限為 200。 8 7 6 5 4 3 2105104103102101E b N 0 i n d BBERA l a m o u t i 2 * 2 圖 37 MIMO 性能仿真曲線圖 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 38 為 OFDM 系統(tǒng)性能仿真曲線圖，橫坐標(biāo)為 EbN0，單位 dB，縱坐標(biāo)為誤碼率。仿真的條件是：每幀為 2048 比特，采用 QPSK 調(diào)制，高斯信道下，誤比特門限為 200，噪聲功率密謀為 2 ( 0 / 1 0 )2/ ( 2 * lo g * 1 0 )E b Ns p o w M? ? ，其中 spow 為經(jīng)過 FFT變換后每個符號的功率，即 22spo w ic h qc h??，其中 ich 與 qch 分別為正交與同相兩個支路。 圖 39 為 MIMOOFDM 系統(tǒng)仿真曲線圖，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 時系統(tǒng)所達(dá)到的性能，經(jīng)過 MIMO后，與（ 6~0） dB 時的性能差不多。 3 4 5 6 7 8 9 10105104103102101O 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。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)。最后，通過仿真， 驗證了 Turbo 碼與 OFDM的性能。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 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 端估計信道狀態(tài)信息 ， 較之于基于接收端估計信道狀態(tài)信息的 MIMOOFDM 系統(tǒng)來說， 它 有兩個優(yōu)點： 1）沒有時延； 2）結(jié)構(gòu)簡單。但是此系統(tǒng)必須應(yīng)用于 TDD 模式下，對于上下行鏈路不對稱的 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 在傳統(tǒng)的 SISO 系統(tǒng)中，信道估計算法己經(jīng)有了很深入的研究，并且取得了很多重要的成果，但在對 MIMO 信道的估計中，仍 有許多問題需要進(jìn)一步研究。 MIMO 系統(tǒng)信道估計的重要性 移動通信中的無線傳輸信道是一個時變 多徑衰落信道。所發(fā)送的數(shù)據(jù)將會經(jīng)歷信道衰落。在得到合理的補償后，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。 另一方面， MIMO 系統(tǒng)實現(xiàn)大容量的前提是接收機能對來自各發(fā)射天線的信號進(jìn)行很好的去相關(guān)處理，這也需要首先對信道進(jìn)行比較準(zhǔn)確的估計，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，對寬帶時變 MIMO 信道的估計和跟蹤是實現(xiàn) MIMO 系統(tǒng)接收端準(zhǔn)確檢測、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)中信道估計技術(shù)的研究現(xiàn)狀 MIMO 信道的估計和跟蹤算法的性能，將對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，信道估計技術(shù)以及信號的檢測更具挑戰(zhàn)性，這是由于無線 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 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 FIR 矩陣信道，對它的估計與跟 蹤是較困難的。 信道估計方案與傳輸方案密切相關(guān)，實用的信道估計技術(shù)需要充分利用傳輸數(shù)據(jù)的特征，從而能在信道估計誤差、頻譜效率及實現(xiàn)復(fù)雜度等方面實現(xiàn)合理的折中。 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。 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，則不能采用此系統(tǒng)。 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。 基于發(fā)送端估計信道原理 請參考圖 （ 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 ncH 2N?odE ige n eSNRG ainc1M CS rM C S1P cP 1V cV1dcd1zcz1xcx1 TI npu t