【正文】 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。 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。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(diǎn) IFFT 變化器來實現(xiàn) OFDM 調(diào)制。整個發(fā)射端的編碼、調(diào)制和發(fā)射流程就大概如此。 。 … 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 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 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。接收機(jī)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)。 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。 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。它的缺點(diǎn)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?？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?？諘r塊碼（ STBC）有效地克服了空時格碼譯碼過于復(fù)雜的缺點(diǎn)，利用了正交設(shè)計理論，從而支持最大似然檢測譯碼算法，接收機(jī)完全采用線性處理技術(shù)，雖然它的抗衰落性能比 STTC 稍差，但它的最大分集能力與 STTC 相同。 本章小結(jié) 本章簡要介紹了 OFDM 和 MIMO 技術(shù)的特點(diǎn)，以及 MIMOOFDM 系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理。 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 13 頁 共 42 頁 第三章 無線信道的特性與建模 無線信道分析 無線移動信道的主要特征是信道強(qiáng)度隨著時間和頻率的變化而變化，所呈現(xiàn)出的這種時變性大致可分為兩種類型：大尺度衰落和小尺度衰落。這些衰落一般可以歸結(jié)為三類： (1) 自由空間傳播損耗及其彌散 (2) 陰影衰落 (3) 多徑衰落 自由空間傳播損耗及其彌散和陰影衰落都屬于大尺度衰落，表征接收信號在一定時間內(nèi)的均值會隨傳播距離和環(huán)境的變化而呈現(xiàn)出緩慢的變化；多徑衰落屬于小尺度衰落，表征接收信號在短時間內(nèi)呈現(xiàn)出的快速波動的情況。 小尺度衰 落 [11]，指無 線信號在較短傳播時間或距離內(nèi)有較大的幅度衰落。 多徑效應(yīng) 多徑 效應(yīng) [12]（ multipath effect）：電波傳播信道中的多徑傳輸現(xiàn)象所引起的干涉延時效應(yīng)。各條傳播路徑會隨時間變化，參與干涉的各分量場之間的相互關(guān)系也就隨時間而變化，由此引起合成波場的隨機(jī)變化，從而形成總的接收場的衰落。多徑效應(yīng)對于數(shù)字通信、雷達(dá)最佳檢測等都有著十分嚴(yán)重的影響。因此，接收信號的幅度會急劇變化，產(chǎn)生衰落。 當(dāng)發(fā)送端發(fā)送一個極窄的脈沖信號時，移動臺接收的信號由許多不同時延的脈沖組成，稱之為時延擴(kuò)展。 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 15 頁 共 42 頁 Doppler 效應(yīng) Doppler 效應(yīng)是指，由于移動臺的不斷運(yùn)動，當(dāng)達(dá)到一定速度時，固定點(diǎn)接收到的載波頻率將隨運(yùn)動速度的不同，產(chǎn)生不同的頻移。 移動臺與接收機(jī)之間的相對運(yùn)動引起的 Doppler 頻移可由公式 ( 32) 來表示 : cosd vf ??? ( 32) 其中， v 表示移動臺的移動速度， λ 表示載波波長， θ 為速度方向與收發(fā)端徑向之間的夾角。可見信號的功率譜被擴(kuò)展到 ( c d m c d mf f f f f? ? ? ?)中去了。一般采用相關(guān)時間的概念來表征信道參數(shù)基本維持不變的時間間隔，相關(guān)時間定義為： 1/ dmTc f? ( 35) 在相關(guān)時間間隔內(nèi)，信道具有很強(qiáng)的相關(guān)性 ，若基帶信號的帶寬遠(yuǎn)大于最大 Doppler 頻移，則信號的時域?qū)挾冗h(yuǎn)小于相干時間，可以認(rèn)為一個符號內(nèi)的傳輸不受 Doppler 頻移的影響。 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 16 頁 共 42 頁 （ 2） 慢衰落：接收信號除瞬時值出現(xiàn)快衰落之外，場強(qiáng)中值 (平均值 )也會出現(xiàn)緩慢變化。 （ 3） 頻率非選擇性平坦衰落 ： 是指信號的帶寬比信道帶寬窄，各種頻譜分量能以相同的衰落增益通過信道，經(jīng)歷一種平坦的衰落過程，這種衰落使信道的增益 呈現(xiàn)時變特性，接收信號會隨時間的變化而變化。 （ 4） 頻率選擇性衰落 ： 當(dāng)信號的帶寬大于信道帶寬時，必定有部分信號頻譜經(jīng)歷的衰落與其它部分不一樣，某些頻率成分與其它的成分獲得了不同的增益。 MIMO 無線信道模型理論 MIMO 相關(guān)信道 天線的相關(guān)性、子信道的相關(guān)性和多徑的相關(guān)性等都可能引起 MIMO 信道之間存在相關(guān)性。子信道之間的相關(guān)性是指一個發(fā)射天線到一個接收天線之間的信道同另一對收發(fā)天線之間的信道存在的相關(guān)性，而這種相關(guān)性主要也是由于天線之間的相關(guān)性引起的。 考慮典型城區(qū)環(huán)境下的 MIMO 系統(tǒng)傳播環(huán)境，發(fā)送端的 M 條發(fā)送天線和接收端的 N 條 接收天線都處于有豐富散射體的散射環(huán)境中?？杉俣ń邮諜C(jī)的可分辨徑數(shù)目為 L。由于空間效應(yīng)的存在，這些信道衰落之間并不是相互獨(dú)立的。則 MIMO 系統(tǒng)的相關(guān)信道矩陣可以構(gòu)建為： l l l lH p RA? ( 39) 其中 pl 是第 l 徑的平均功率，其值由功率延遲分布決定。其中，相關(guān)矩陣的計算方法詳細(xì)的推導(dǎo)可以參見文獻(xiàn) [13][14]。而 MIMO 系統(tǒng)各信道對之間的空間相關(guān)系數(shù)可以由收發(fā)兩端的空間相關(guān)系數(shù)推得。再根據(jù)： RTl l lR R R?? (310) 就能 得 到 MIMO 系統(tǒng)的信道相關(guān)矩陣。 相關(guān)模型 相關(guān)模型（也即統(tǒng)計模型）用獨(dú)立的復(fù)高斯相關(guān)矩陣來分別表示系統(tǒng)的收 /發(fā)兩端。 rxR ( rrNN? 維 )和 txR ( Nr Nr? 維 )分別表示發(fā)送端和接收端的天線信號相關(guān)性。因此該模型廣泛地應(yīng)用于 IEEE 802 系列無線系統(tǒng)。 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 19 頁 共 42 頁 第 四 章 基于導(dǎo)頻符號的信道估計 信道估計，其實就是信道對輸入信號影響的一種數(shù)學(xué)表示，而“好”的信道估計就是使得某種估計誤差最小化的估計算法。下面論述主要考慮在采用連續(xù)傳輸方式的 MIMOOFDM 系統(tǒng)中的基于導(dǎo)頻符號的信道估計方法。 基本步驟如下： （ 1） 發(fā)送端導(dǎo)頻的選擇與插入 ； （ 2） 接收端導(dǎo)頻位置信道信息獲取的方式 ； （ 3） 通過導(dǎo)頻位置獲取的信道信息如何較好的恢復(fù)出所有時刻信道的信息 ； 在如圖 41 所示的 MIMOOFDM 系統(tǒng)模型中，假設(shè)有 tN 個發(fā)射天線和 rN 個接收天線，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過空時編碼器后被分成 tN 路低速并行的數(shù)據(jù)流，并分別進(jìn)入對應(yīng)的IFFT 單元進(jìn)行調(diào)制，最后再分別同時發(fā)送出去。如果 OFDM 系統(tǒng)中在保護(hù)間隔和同步方面都達(dá)到理想條件，那么接收天線 j 上解調(diào) 后的 OFDM 信號可表述為以下形式 1tNj i ij jiY X H W???? 1,2, ,rjN?? （ 41） 其中， iX 為對角陣 ? ? ? ? ? ?( , 0 , , 1 , 1 )i i i iX dia g X l X l X l K? ? ?。 信道估計過程 OFDM 系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻符號的信道估計方法， 即 在發(fā) 射 端 以一 定 的間 隔把 已 知 的導(dǎo)頻符號插入 到 OFDM 符號 當(dāng) 中， 經(jīng) 過信道后， 接 收 端 提 取 這些位置的信道 響 應(yīng)， 利 用這些位置的信道 響 應(yīng)作內(nèi)插濾波，從而估計出 其 它位置的信道頻率 響 應(yīng)。 由于無線信道的時變特性，需要接收機(jī)不斷地對信道進(jìn)行跟蹤，因此需要插入導(dǎo)頻信息，并且導(dǎo)頻信息也必須進(jìn)行不斷的傳送。 （ 2） 導(dǎo)頻信號的設(shè)計。 （ 3） 內(nèi)插濾波方法的設(shè)計。 導(dǎo)頻的形式 基于導(dǎo)頻符號的信道估計中，導(dǎo)頻的多 少 及 其 分布 決定著 估計的方法和性能。因此我們在實際的應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?，以盡最大可能符合提高通信系統(tǒng)的質(zhì)量。而在實際過程中，我們往往需要在信號衰落的過程中進(jìn)行比理論最低值更多的采樣，才能獲得可靠的信道設(shè)計。 一般情況下，導(dǎo)頻需要跟得上信道在時間和頻率方向上的變化，需要插入足夠多的導(dǎo)頻，而導(dǎo)頻間隔通常由通信系統(tǒng)的多普勒頻移和功率延遲來決定。分別如圖 的圖 （ a）和圖（ b）所示。下面我們將對上圖兩種導(dǎo)頻形式的信道 估計方法進(jìn)行一些研究。 導(dǎo)頻正交性設(shè)計 假 設(shè)系統(tǒng) 采 用梳狀導(dǎo)頻形式，一 個 OFDM 符號中，對應(yīng)于 每 個 發(fā) 射天 線的導(dǎo)頻 數(shù)目都為 pN ， 且滿 足 ptN N K??， K 為 OFDM 的 子 載 波 數(shù)目 。 如 圖所示 ，發(fā) 射天 線 i的第 v個 導(dǎo)頻符號以 載 波 i為 起 始 位置， K/v為 間 隔 插入 到 每 個 OFDM符號中， 其 中， 1, 2 ... 1, 2 ...ptv N i N?? 圖 正交導(dǎo)頻設(shè)計方 案 很 容 易 看 出， 不同 天 線的導(dǎo)頻位置和信號 是 相 互 正交的， 因 此 ，對于 某個 特 定 的發(fā) 射 接 收天 線對，在導(dǎo)頻位置 不 會受 到其 它 天 線發(fā) 射 信號的 影響 ， 即不存 在 天 線間的干擾，從而， MIMO 信道估計 就 可以 轉(zhuǎn) 化 為 若 干 獨(dú) 立 單 輸入 單 輸出 SISO 信道估計 問題。 1()Xl Null 2()Xl Null 3()Xl 1(2)X Null Null 2(2)X Null X3(2) 3(2)X Null Null XNt(l) Null Null ()NtkX v 基于插值的 MIMOOFDM無線信道估計方法的研究 第 23 頁 共 42 頁 j 得到 的信道 畸 變 后的導(dǎo)頻符號 向 量 為 ? ? ? ? ? ?12, ...Pij NY Y t Y t Y t? ????， 則 采 用上述正交導(dǎo)頻設(shè)計方 案 后，發(fā) 射天 線對 i, j 間導(dǎo)頻信道的頻率 響 應(yīng) LS 估計式 為 ^ 1( ) ( ) ( )ij n i n ij nH t X t Y t?? （ 44） 得到 導(dǎo)頻符號處的信道 響應(yīng)值 后，再通過內(nèi)插濾波估計出它載波位置的信道響應(yīng)值。 OFDM系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的信道估計總體框圖如圖 ： 圖 OFDM系統(tǒng)