【正文】 有了一個(gè)整體上的把握，為下一步的深入研究提供了理論基礎(chǔ)。 本章小結(jié) 本章 主要是對(duì) MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述，分別對(duì)兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù) MIMO 和 OFDM作了分析。 STBC 正是利用正交設(shè)計(jì)的原理分配各發(fā)射天線上的發(fā)射信號(hào)格式，實(shí)際上是一種空間域和時(shí)間域結(jié)合的正交分組編碼方式。T 的 Tamkh等人在 Alamouti的研究基礎(chǔ)上提出的。采用 STTC 能同時(shí)得到編碼增益和分集增益，雖然它能夠提供比現(xiàn)有系統(tǒng)高 34 倍的頻帶利用率，但是其譯碼復(fù)雜度隨著狀態(tài)數(shù)的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。 STTC 是由朗訊實(shí)驗(yàn)室的 Tarokh 等 人 提出的空時(shí)編碼技術(shù)，適用于多種無(wú)線信道環(huán)境。其中， ML 性能最好，但是復(fù)雜度最高 ； PIC 和 SIC 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜度和性能的良好折中。信號(hào)檢測(cè)的基本思想非常相似于CDMA（碼分多址）技術(shù)市場(chǎng) 中的多用戶檢測(cè) (MUD)。其中 VBLAST 由于操作簡(jiǎn)單而廣泛應(yīng)用。 MIMO 空時(shí)處理技術(shù) 1． 空間復(fù)用 空間復(fù)用是指在一定的差錯(cuò)率下，通過(guò)不同的天線盡可能多的在空間信道上傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被廣泛的認(rèn)為是無(wú)線通信系統(tǒng)中有效提高頻譜利用率的重要手段之一。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。 2． 同步問(wèn)題 OFDM 系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)就是對(duì)同步偏差十分敏感， 即使 很小的頻率、定時(shí)同步錯(cuò)誤就會(huì)引起符號(hào)間干擾 ISI 和載波間干擾 ICI，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，因此很好的同步對(duì)于 OFDM系統(tǒng)十分重要。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是互相聯(lián)系的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 1． 信 道估計(jì) 相干檢測(cè)需要用到信道的信息，因此在接收機(jī)需要先進(jìn)行信道估計(jì)。 MIMOOFDM 技術(shù) [11]也被業(yè)界認(rèn)為是未來(lái)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的 主要物理層技術(shù)。在高速無(wú)線傳輸中，由于每個(gè)子數(shù)據(jù)流都經(jīng)過(guò)了 OFDM 模塊，使得映射在子載 波上的數(shù)據(jù)符號(hào)長(zhǎng)度增加，有效地抵抗了無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶來(lái)的 ISI。 邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 MIMOOFDM 的關(guān)鍵技術(shù) MIM00FDM 集成了 MIMO 和 OFDM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用 OFDM 能夠?qū)㈩l率選擇性信道轉(zhuǎn)換為平坦衰落信道的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn) MIMO 技術(shù)在寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中的可靠應(yīng)用。根據(jù)信息論最新成果，假定發(fā)送天線數(shù)為 tN ，接收天線數(shù)是 rN ，在每個(gè)天線發(fā)送信號(hào)能夠被分離的情況下，有如下信道容量公式 ： 2log ( / )t r tC N N N SNR?? rtNN? （ 28） 其中， SNR 是每個(gè)接收天線的信噪比。也就是說(shuō)， MIMO 技術(shù)能夠有效地利用無(wú)線鏈路中的隨機(jī)衰落和延遲擴(kuò)展特性來(lái)成倍地提高傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃浴Ｔ谀撤N意義上，MIMO 系統(tǒng)也可以看作是傳統(tǒng)智能天線技術(shù)的擴(kuò)展。 MIMO 技術(shù)的核心思想是信號(hào)的空間一時(shí)間聯(lián)合處理。 就時(shí)間分集、頻率分集和空間分集三者 而言，由于空間分集技術(shù)不用犧牲信號(hào)的頻率帶寬，且能夠在保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)獲得最大的分集增益，因而它是減小多徑衰落的有效方法，受到了廣泛的關(guān)注，成為第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。 利用分集技術(shù)，在接收端需要接收通過(guò)不同分集路徑所得到的信號(hào)副本，然后把不同的分集支路得到的信號(hào)副本合并起來(lái)，以達(dá)到提高總信噪比、降低信號(hào)誤碼率的目的。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限條件下，發(fā)射機(jī)需要較高的發(fā)射功率才能保證信道情況較差時(shí)鏈路正常連接。 邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 分集的基本原理 [11] 就是通過(guò)多個(gè)信道 (時(shí)間、頻率或者空間 )接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。 根據(jù)信息論原理，若有經(jīng)過(guò)其它衰落信道的原發(fā)送信號(hào)副本提供給接收機(jī)，則有助于接收信號(hào)的正確判決。 圖 加入循環(huán)前綴的 OFDM 符號(hào) MIMO 基本原理 分集 的概念 由于無(wú)線衰落信道的多徑與時(shí)變特性，經(jīng)過(guò)其傳輸?shù)男盘?hào)在接收端可能會(huì)受到嚴(yán)重的 衰落。 OFDM 系統(tǒng)加入保護(hù)間隔后，會(huì)帶來(lái)功率和信息速率的損失，其中功率損失定義為 ： 101 0 lo g ( 1 )Gg u a r d FFTTv T?? （ 27） 其中 guardv 為功率損失， GT 為保 護(hù)間隔時(shí)長(zhǎng)， FFTT 為 OFDM 符號(hào)周期長(zhǎng)度。這樣就可以保證 在 FFT 周期內(nèi)， OFDM 符號(hào)的延時(shí)副本內(nèi)所邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 包含的波形的周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。對(duì)于子載波數(shù)非常大的 OFDM 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)一步采用基 4 的 IFFT 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)傅立葉變換。 N 點(diǎn) IDFT 運(yùn)算需要實(shí)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。其中每個(gè) IDFT 輸出的數(shù)據(jù)符號(hào) ks 都是由所有子載波信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加而生成的，即對(duì)連續(xù)的多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波的疊加信號(hào)進(jìn)行抽樣得到的。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號(hào) id ，可以對(duì)接收到的 ks 進(jìn)行逆變換，即 DFT，即可恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)符號(hào) id ，如下所示 ： 102e x pNikiikd s j N???????????? (0 1)iN? ? ? （ 26） 從以上分析可知， OFDM 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號(hào)到子載波的調(diào)制和解調(diào)可以分別通過(guò) IDFT 和 DFT 來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此這種一個(gè)子信道頻譜的最大值對(duì)應(yīng)于其它子信道頻譜的零點(diǎn)可以避免子信道間干擾 (ICI)的出現(xiàn)。由于在對(duì) OFDM 符號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每一個(gè)子載波頻率的最大值，因此可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)頻譜中提取出每個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其 它子信道的干擾。 圖 OFDM 系統(tǒng)中子信道信號(hào)的頻譜（經(jīng)過(guò)矩形脈沖成型） 這種現(xiàn)象可以參見(jiàn)圖 ，圖中給出相互覆蓋的各個(gè)子信道內(nèi)經(jīng)過(guò)矩形脈沖成型邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 得到的符號(hào)的 sinc 函數(shù)頻譜。因此其頻譜可以看作是周期為 T 的矩形脈沖的頻譜與 一組位于各個(gè)子載波頻率上的函數(shù)的 ? 卷積。 邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 jd10101 e x p 2 ( ) e x p 2 ( )1 e x p 2 ( )ssssNtTs i stiN tTi s jtijjj t t d j t t d tT T Tijd j t t d t dTT??????? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ????? ? ? ???????? ? （ 24） 圖 OFDM 內(nèi)包含 4 個(gè)子載波的情況 這種現(xiàn)象還可以從頻域角度來(lái)解釋。 由 式 （ 24）知 ，對(duì)第 j 個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號(hào) id ?？梢钥吹剑總€(gè)子載波在一個(gè) OFDM 符號(hào)周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個(gè)周期，而且各個(gè)相鄰子載波之間相差 一個(gè)周期。 圖 OFDM 系統(tǒng)的基本模型 圖 中給出了 1 個(gè) OFDM 符號(hào)內(nèi)包括 4 個(gè)子載波的實(shí)例，其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位。如果 N 表示子信道的個(gè)數(shù)， T 表示 OFDM 符號(hào)的寬度， ( 0,1, 2 1)id i N??是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)， cf 是第 0 個(gè)子載波的載波頻率， ( ) 1rect t ? ， /2tT? ，則從 stt? 開(kāi)始的 OFDM 符號(hào)可以表示為 ： 10R e ( / 2) e xp[ 2 ( ) ( ) ]()( ) 0Ni s c siid rec t t t T j f t tst Tst???? ??? ? ? ?? ? ?? ? ?????? , s sst t t Tt t t T t? ? ?? ? ?或 （ 21） 在多數(shù)文獻(xiàn)中通常采用復(fù)等效基帶信號(hào)來(lái)描述 OFDM 的輸出信 號(hào)， 如式（ 22）所? ?10e xp 2 ( )() 2( ) 0Ni s siTd re c t t t j t tstst???? ??? ? ?? ??? ??????? , s sst t t tt t t T t? ? ?? ? ?或 （ 22） 邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 示，其中實(shí)部和虛部分別 對(duì)應(yīng)于 OFDM 符號(hào)的同相和正交分量，在實(shí)際中可以分別與相應(yīng)子載波的 cos 分量和 sin 分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的 OFDM 符號(hào)。 下面 將對(duì) OFDM 系統(tǒng) [10] 的基本模型號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程等技術(shù) 進(jìn)行闡述。 OFDM 技術(shù) 正交頻 分復(fù)用 (OFDM)通過(guò)把高速的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中并行傳輸，使每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)周期相對(duì)增加從而將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿械钠教顾ヂ渥有诺?，降低了由于無(wú)線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響，消除了碼間干擾 ISI。 MIMOOFDM 技術(shù)已成為未來(lái)寬帶無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)。而 MIMO 技術(shù)由于能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，從而有效地提高了 整個(gè) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率， 而且 極大 地 提高了系統(tǒng)的頻譜效率。 邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 MIMOOFDM 基本原理 在未來(lái)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中，存在兩個(gè)十分 嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) ： 多徑衰落和帶寬效率。最后， 將前面所做的所有工作平臺(tái)進(jìn)行整合與調(diào)試，測(cè)試系統(tǒng)性能。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)。通過(guò)本章的介紹，對(duì) MIMO 和 OFDM 系統(tǒng)有了一個(gè)整體上的把握，為下一步的深入研究提供了理論基礎(chǔ)。 第二章主要是對(duì) MIMOOFDM 系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述，分別對(duì)兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù) MIMO 和 OFDM 作了分析。 本文主要分為五章，各章的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章簡(jiǎn)要論術(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)的特性，借由無(wú)線通信所遇到的種種問(wèn)題引出最有效的兩種解決方法： MIMO 與 OFDM技術(shù)。 本文主要工作 安排 在本論文中，基于 MIMO 與 OFDM 技術(shù)的結(jié)合，提出了一種新的 MIMOOFDM系統(tǒng)，即基于發(fā)送端估計(jì)信道狀態(tài)信息 的自適應(yīng) MIMOOFDM 系統(tǒng)。 （ 6） 信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中尤為重要 ； 當(dāng)子波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于 2Baud/Hz。 邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ 4） OFDM 技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)，因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一部分的信道。 （ 2） 可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高數(shù)據(jù)傳輸。在 傳統(tǒng) 的單載波通信系統(tǒng)中，碼間串?dāng)_的影響十分突出，而 OFDM 調(diào)制技術(shù)通過(guò)將寬信道分解為大量窄帶信道，克服多徑效應(yīng)，簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)計(jì)，從而 大大改善了 系統(tǒng)瓶頸。進(jìn)入九十年代以來(lái)， OFDM 技術(shù)的研究深入到無(wú)線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。直到 70年代，人們提出了采用離散傅立葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制， 從而 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得 OFDM 技術(shù)更趨于實(shí)用化。 OFDM 技術(shù)的應(yīng)用已 經(jīng) 有近 40 年的歷史，主要 運(yùn) 用于軍用的無(wú)線高頻 通信系統(tǒng)。這種技術(shù)是 HPA 聯(lián)盟 (HomePlug Power line Alliance)工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)制技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào) ，從而完成信號(hào)傳送。新的空時(shí)編碼方法，例如空時(shí) Turbo 碼，正在不斷地提出，以改善 MIMO 的性能，減少空時(shí)編碼系統(tǒng)的復(fù)雜性，更好地適應(yīng)新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的要求和信道的實(shí)際情況?？諘r(shí)編解碼將信道編解碼技術(shù)和陣列信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，可以大幅度的提高無(wú)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。例如在文獻(xiàn) [4] 中，就在發(fā)射機(jī)已知部分信道信息的情況下給出了一種基于線性變換的結(jié)合普通發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)和正交空時(shí)分組碼技術(shù)的邵陽(yáng)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 MIMO 處理結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道信息的充分利用，于是如何在發(fā)射端獲得信道信息以及利用信道信息就成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。除了信道模型外，在許多文獻(xiàn)中，大都做了這樣的假設(shè) ：接收機(jī)已 經(jīng)完全知道信道 狀態(tài) 參數(shù)，但是在實(shí)際系統(tǒng)中，這種情況是不可能出現(xiàn)的，因此，必須通過(guò)發(fā)送訓(xùn)練序列或者采用盲處理的方法， 在接收端進(jìn)行信道估計(jì)，這樣快速信道估計(jì)和盲信道估計(jì)等內(nèi)容就成為重要的研究課題。 （ 2） 另一個(gè)研究的重點(diǎn)就是 MIMO 信道。已經(jīng)有不少的文獻(xiàn)對(duì)這方面進(jìn)行 了研究， 即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)的情況進(jìn)行了研究。雖然在 MIMO 系統(tǒng)理論以及性能研究方面已有非常多的研究成果 ， 但是由于無(wú)線移動(dòng)通信中復(fù)雜的無(wú)線傳播環(huán)境，因此尚有大量問(wèn)題需要研究。為了保證各個(gè)子數(shù)據(jù)符號(hào)流能夠被有效 地 分離，要求各個(gè)天線之間必須保持足夠的距