【正文】 OFDM 的基本原理一個(gè) OFDM 符號(hào)由一組承載了某種 PSK 或者某種 QAM 調(diào)制信號(hào)的子載波疊加構(gòu)成。但通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)性能得到提高。 通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。通過(guò)選取各子信道，每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。由于 OFDM 系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到許多個(gè)子載波上，大大降低了各子載波的符號(hào)速率，從而減弱多徑傳播的影響，若通過(guò)采用加循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，甚至可以完全消除符號(hào)間干擾。OFDM 信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近 Nyquist 極限。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 的優(yōu)點(diǎn)OFDM 技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因?yàn)?OFDM 有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 頻譜利用率很高。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）。 OFDM 技術(shù) OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)實(shí)際上是MCM（MultiCarrier Modulation，多載波調(diào)制）的一種。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼。該算法實(shí)際上是使用ZF算法加上干擾消除技術(shù)得到的。ZF算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)信道的信噪比要求較高。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。也就是說(shuō)可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)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利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的單輸入單輸出SISO（SingleInput SingleOutput）系統(tǒng)，MIMO系統(tǒng)還可以包括單輸入多輸出SIMO（SingleInput MultipleOutput）系統(tǒng)和多輸入單輸出MISO（MultipleInput SingleOutput）系統(tǒng)。本章將分別介紹 MIMO 技術(shù)，OFDM 技術(shù)，以及研究 MIMO 和 OFDM 兩種技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生一些新技術(shù)。第二章 MIMOOFDM系統(tǒng)眾所周知，在未來(lái)的寬帶無(wú)線通信中，存在兩個(gè)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑信道衰落和帶寬效率。首先介紹了 MIMOOFDM 系統(tǒng)模型和導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)，然后介紹將LS 和MMSE算法引入到 MIMOOFDM 系統(tǒng)中，最后給出了計(jì)算機(jī)仿真和結(jié)論。第三章重點(diǎn)介紹了現(xiàn)有的基于導(dǎo)頻序列的信道估計(jì)算法包括 LS 算法和線性最優(yōu)線性 MMSE 算法；以及盲信道估計(jì)算法和半盲信道估計(jì)算法。第二章主要闡述了 MIMOOFDM 系統(tǒng)，分別概述了 MIMO 系統(tǒng)、OFDM 系統(tǒng)的基本原理、MIMO 和 OFDM 技術(shù)的結(jié)合以及本論文相關(guān)的MIMOOFDM 關(guān)鍵技術(shù)，并討論了無(wú)線信道的基本特征，重點(diǎn)介紹了大尺度衰落，陰影衰落和小尺度衰落，以及與多徑衰落相關(guān)的時(shí)延擴(kuò)展和多普勒頻移等重要的概念。根據(jù) MIMOOFDM 系統(tǒng)中現(xiàn)有的信道估計(jì)算法，結(jié)合實(shí)際提出了若干改進(jìn)，并且對(duì)此進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析和實(shí)驗(yàn)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果證明了算法的可行性和很好的收斂效果。與盲道估計(jì)算法相比，又降低了計(jì)算復(fù)雜度，所以它是介于導(dǎo)頻信道估計(jì)和盲信道估計(jì)之間的一種算法。在MIMOOFDM系統(tǒng)中，也有很多人致力于半盲道估計(jì)算法研究。第四種是利用輸入符號(hào)的有限字符特性的算法，這類算法中有盲ML算法及其半盲推廣形式。在文獻(xiàn)中還給出了一種半盲GML算法，它采用了已知輸入符號(hào)的不精確模型。第二種是利用統(tǒng)計(jì)量信息的高斯算法，（盲）預(yù)測(cè)算法或者（盲）協(xié)方差匹配算法。可以根據(jù)對(duì)未知輸入符號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)的利用程度對(duì)半盲道估計(jì)算法如下分類。基于一階統(tǒng)計(jì)特性的辨識(shí)方法（隱含導(dǎo)頻）通過(guò)在發(fā)送信號(hào)上疊加周期訓(xùn)練序列，同樣節(jié)約了頻帶資源并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是由于這種處理會(huì)增加發(fā)送功率，從而使MIMOOFDM系統(tǒng)的信道容量降低?；诙A統(tǒng)計(jì)特性的盲方法由于僅僅需要計(jì)算自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)，因此計(jì)算量較小。盲信道估計(jì)算法根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的不同主要分為：基于高階統(tǒng)計(jì)特性的盲信道辨識(shí)（HOS），例如由Shengli Zhou提出的基于輸入信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)量的盲信道估計(jì)算法；基于二階統(tǒng)計(jì)特性的盲信道辨識(shí)方法，其中一些算法是基于自相關(guān)矩陣子矩陣的盲估計(jì)算法，另一些是基于子空間分解的盲信道估計(jì)算法；第三種就是基于一階統(tǒng)計(jì)特性的辨識(shí)方法。第二類是基于被傳輸信息符號(hào)的有限字符和其統(tǒng)計(jì)特性的盲信道估計(jì)方法。這類方法的缺點(diǎn)就是訓(xùn)練序列占用了信息比特，降低了信道傳輸?shù)挠行?，浪費(fèi)了帶寬。還有一種就是通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)頻和訓(xùn)練序列來(lái)降低算法的復(fù)雜度，提高估計(jì)性能，例如Han Zhan等人提出的導(dǎo)頻符號(hào)分析補(bǔ)償算法，有的在訓(xùn)練序列中進(jìn)行功率補(bǔ)償。具體的方法有LS算法，在掌握信道二階統(tǒng)計(jì)特性的情況下還可以采用更為準(zhǔn)確的算法等。 目前MIMOOFDM 信道估計(jì)的方法通?？梢苑譃槿悾?第一類是基于導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列的方法。接收機(jī)要完成MIMO解碼任務(wù)，即從這些被干擾的混疊數(shù)據(jù)符號(hào)中恢復(fù)出從各條發(fā)送支路所送出的原始數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)的一個(gè)必要前提條件是需要對(duì)各組發(fā)送接收對(duì)之間的空間信道響應(yīng)有準(zhǔn)確的估計(jì)。MIMOOFDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)SISOOFDM統(tǒng)相比一個(gè)重要的不同在于滿足一定的信道環(huán)境條件下，MIMO系統(tǒng)的各發(fā)送接收支路之間都擁有相互獨(dú)立的空間傳輸信道，即OFDM系統(tǒng)在時(shí)域上的信道估計(jì)各徑延遲與復(fù)增益或在頻域上的信道估計(jì)（估計(jì)各個(gè)子載波的復(fù)增益）都將因?yàn)榭臻g參數(shù)的引入而更為復(fù)雜。對(duì)它進(jìn)行DFT變換就可以獲得信道的頻域響應(yīng)結(jié)果。本論文提出新的一種使用頻分復(fù)用導(dǎo)頻的序列時(shí)域關(guān)聯(lián)估計(jì)的信道沖擊響應(yīng)信道估計(jì)算法。MIMO和OFDM技術(shù)的結(jié)合能夠有效地減輕無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展的影響，顯著增加系統(tǒng)容量，獲得更穩(wěn)定的性能，被公認(rèn)為事后3G系統(tǒng)的主流技術(shù)。信道估計(jì)是無(wú)線通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)MIMOOFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)算法進(jìn)行研究和改進(jìn)，對(duì)MIMOOFDM系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展有著非同尋常的意義。另外，OFDM將總帶寬分割為若干個(gè)窄帶子載波可以有效的抵抗頻率選擇性衰落。MIMO技術(shù)充分開(kāi)發(fā)空間資源，利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。新一代移動(dòng)通信的另一個(gè)特點(diǎn)是低成本。而且3G的核心網(wǎng)還沒(méi)有完全脫離第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)新的市場(chǎng)需求，人們正在研究和設(shè)計(jì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。這些目前正在廣泛使用的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。90年代初，美國(guó)Qualm公司推出了窄帶碼分多址（CDMA）蜂窩通信系統(tǒng)，這是移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中的里程碑。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)，建成了蜂窩狀模擬移動(dòng)通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)容量。第一章 緒論 研究背景和意義現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代，在各種信息技術(shù)中，信息的傳輸即通信起著支撐作用。由于人類社會(huì)生活對(duì)通信的需求越來(lái)越高，世界各國(guó)都在致力于現(xiàn)代通信技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)以及現(xiàn)代通信網(wǎng)的建設(shè)現(xiàn)代移動(dòng)通信技二十世紀(jì)二十年代，但是一直到 20 世紀(jì) 70 年代中期才迎來(lái)了移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展時(shí)期。從八十年代開(kāi)始，數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入了發(fā)展和成熟時(shí)期，歐洲首先推出了全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM），隨后美國(guó)和日本也相繼制定了各自的數(shù)字移動(dòng)通信體制。從此碼分多址這種新的無(wú)線接入技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是為支持語(yǔ)音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的，但是隨著人們對(duì)通信業(yè)務(wù)范圍和業(yè)務(wù)速率要求的不斷提高，已有的第二代移動(dòng)通信網(wǎng)將很難滿足新的業(yè)務(wù)需求。盡管目前關(guān)于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作十分引人注目，但是目前第三代移動(dòng)通信的方案實(shí)際只能是第二代移動(dòng)通信方案的改進(jìn)，算不上真正意義上的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)。目前，人們把越來(lái)越多的眼光投向三代以后的（beyond 3G/4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)中新一代移動(dòng)通信（beyond 3G/4G）將可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100Mbit/s，甚至更高，支持的業(yè)務(wù)從語(yǔ)音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實(shí)時(shí)的流媒體業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的速率不同進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)更高速率和更大容量，需要頻譜效率更高的通信技術(shù)。OFDM技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，可以高效的利用頻譜資源。因此充分研究開(kāi)發(fā)這兩種技術(shù)的潛力，將兩者結(jié)合起來(lái)成為新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)的解決方案。 MIMOOFDM 系統(tǒng)信道估計(jì)的研究現(xiàn)狀 隨著對(duì)無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的不斷提升，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注對(duì)后3G(B3G)移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究。由于在接收端，每個(gè)子載波的信號(hào)都是來(lái)自不同發(fā)射天線的多個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)的疊加，因此信道估計(jì)變得困難。在頻率中，使用導(dǎo)頻的訓(xùn)練序列估計(jì)信道沖擊與訓(xùn)練序列和接收信號(hào)進(jìn)行的相關(guān)計(jì)算所獲得信道沖擊響應(yīng)有相同的作用。在時(shí)域，應(yīng)用MMSE準(zhǔn)則就可以得到臨近兩個(gè)的導(dǎo)頻符號(hào)間符號(hào)數(shù)據(jù)衰落數(shù)值的最好估計(jì)。而在空間復(fù)用MIMOOFDM 系統(tǒng)中，MIMO信道估計(jì)的作用則更為重要，因?yàn)閺母鳁lOFDM“基帶處理單元”中產(chǎn)生出的數(shù)據(jù)符號(hào)在沒(méi)有經(jīng)過(guò)空時(shí)處理的情況下直接被發(fā)送，這些相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)符號(hào)將在空間傳輸中發(fā)生混疊，而各接收支路上收到的也是這些被信道噪聲所干擾的混疊數(shù)據(jù)符號(hào)。從單載波系統(tǒng)的角度分析，這些不同發(fā)送接收對(duì)之間的空間信道就是在某個(gè)指定載波上的空間信道矩陣，而從OFDM的角度來(lái)看這就轉(zhuǎn)化為在所有子載波上的空間信道矩陣。這類方法通常是在發(fā)送端發(fā)送訓(xùn)練序列來(lái)識(shí)別出各發(fā)送接收之路之間的空間信道并獲得這些信道的初始估計(jì)，然后再利用嵌入在每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)中的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)不斷跟蹤信道的變化。具體的參考文獻(xiàn)有由ik Schober等人提出的采用二維Winner濾波器自適應(yīng)跟蹤時(shí)變信道的算法、eder snazi等人提出的自適應(yīng)信道估計(jì)算法、線性高斯內(nèi)插估計(jì)方法、最大似然估計(jì)算法、最優(yōu)線性MMSE算法，由于LS算法估計(jì)效果不夠理想，MMSE算法又過(guò)于復(fù)雜，XiaoYang等人還提出了將MMSE和RLS算法相結(jié)合的算法。基于導(dǎo)頻訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法性能好，簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛，幾乎可以用于所有的無(wú)線通信系統(tǒng)。另外在接收端，要將整幀的信號(hào)接收后才能提取出訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，不可避免的帶來(lái)了時(shí)延。由于盲信道估計(jì)算法僅僅利用接收端數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性以及一些信道特征和發(fā)送序列的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)進(jìn)行信道估計(jì)的，無(wú)需使用訓(xùn)練序列，因此大大提高了頻譜利用率，引起了越來(lái)越多人的關(guān)注?；诟唠A統(tǒng)計(jì)量的盲辨識(shí)方法計(jì)算量大，收斂慢，且需要大量的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于快速時(shí)變的通信信道它并不合適。但基于二階統(tǒng)計(jì)的盲方法存在一些缺陷，比如存在信道的不確定量。 第三類是同時(shí)利用盲道估計(jì)算法所用的信息和已知符號(hào)的信息來(lái)完成信道估計(jì)的半盲信道估計(jì)算法。第一種是確定性算法，如SF算法、SRM算法、確定性ML算法、最小二乘平滑方法及雙邊線性預(yù)測(cè)方法。將未知輸入符號(hào)作為高斯隨機(jī)變量來(lái)處理的半盲高斯最大似然（aussian Maximum Likelihood）也屬此類。第三種是利用數(shù)據(jù)的二階或者高階統(tǒng)計(jì)量的半盲道估計(jì)算法。還有半盲統(tǒng)計(jì)ML(SML)算法也屬此種算法。半盲道估計(jì)算法算法與基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法相比計(jì)算復(fù)雜度要高，但是它提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。 本文主要的研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排 本文研究了基于MIMOOFDM 系統(tǒng)中自適應(yīng)信道估計(jì)算法。本文可分為以下幾個(gè)部分： 第一章主要介紹了知識(shí)和研究的意義，以及信道估計(jì)算法的研究現(xiàn)狀。本章還介紹了瑞利衰落信道的特征，Jakes 模型和加性高斯白噪聲等重要概念。第四章主要研究了基于 MIMOOFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)算法。第五章是全文的總結(jié)和展望。OFDM 通過(guò)將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槠教剐诺?，從而減少了多徑信道的影響，而 MIMO 技術(shù)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，有效的增加了系統(tǒng)的傳輸速率，即由 MIMO提供的空間復(fù)用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率，所以如果將這兩種技術(shù)相結(jié)合能使系統(tǒng)具有很高的傳輸效率和很強(qiáng)的可靠性。 MIMO 系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)即多入多出系統(tǒng)，MIMO技術(shù)最早是由Marconi于 1908 年提出的，它利用多天線來(lái)抑制信道衰落?？梢钥闯觯藭r(shí)信道容量隨天線數(shù)量的增大而線性增大。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線通信不能滿足要求。目前性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼?？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。其主要思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。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)子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中很重要。 抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。 采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。即要求各子信道信息分配應(yīng)遵循信息論中的“注水定理”，亦即優(yōu)質(zhì)信道多傳送，較差信道少傳送，劣質(zhì)信道不傳送的原則。OFDM 技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。 基于離散傅立葉變換（DFT）的 OFDM 有快速算法，OFDM 采用 IFFT和 FFT 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用 DSP 實(shí)現(xiàn)。設(shè) N 表示子載波個(gè)數(shù)，T 表示 OFDM 符號(hào)的寬度， 是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，是第 0 個(gè)子載波的載波頻率，則從t = ts開(kāi)始的 OFDM 符號(hào)可以表示為 (21)在多數(shù)文獻(xiàn)中，通常用富等消極帶信號(hào)來(lái)描述OFDM的輸出信號(hào) (22)其中， 的實(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)子載波的正弦分量和余弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的 OFDM 符號(hào)。 如圖 表示在一個(gè) OFDM 符號(hào)內(nèi)包含四個(gè)子載波的實(shí)例。從圖 可以看出，每個(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)相鄰的子載波之間相差一個(gè)