畢業(yè)論文--基于插值的mimo-ofdm無線信道估計方法的研究

1、<p>　　基于插值的MIMO-OFDM無線信道估計方法的研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　MIMO-OFDM 技術(shù)作為 4G 的核心技術(shù)，可以大幅度地提高無線通信系統(tǒng)的信道容量與傳輸速率，并可以有效地抵抗多徑衰落，抑制干擾和噪聲，適應(yīng)多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。信道估計是 MIMO-OFDM 系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，本論文圍繞MI

2、MO-OFDM 通信系統(tǒng)中基于插值的無線信道估計問題展開研究。</p><p>　　本文分析討論了無線信道的傳播環(huán)境和衰落特性，介紹了無線信道中的 Doppler 效應(yīng)和多徑效應(yīng)；討論了無線信道的幾種模型；最后還介紹了 MIMO 無線信道模型理論，包括它的相關(guān)模型以及對 MIMO 相關(guān)信道的仿真。</p><p>　　最后又圍繞MIMO-OFDM系統(tǒng)，首先對基于導頻符號的信道估計方法進行了

3、簡要的總體描述，論述其信道估計的基本過程和原理；然后對信道估計器的設(shè)計進行了全面的分析，包括導頻形式的選擇準則、導頻信號的設(shè)計和內(nèi)插濾波方法的設(shè)計。然后介紹了MIMO-OFDM系統(tǒng)的一種梳狀導頻信道估計設(shè)計方案，并對線性內(nèi)插算法進行了計算機仿真，驗證了算法有效性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：多輸入多輸出；正交頻分復(fù)用；信道估計；線性內(nèi)插</p><p>　　RESEARCH ON WIR

4、ELESS CHANNEL ESTIMATION METHODS INTERPOLATION-BASED IN MIMO-OFDM SYSTEMS</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　MIMO-OFDM is regarded as one of the most important technologies of the 4th

5、 generation mobile telecommunication systems, which can not only effectively enhances the transmission rate and the capacity of the wireless telecommunication system, but also combats multi-path fading and interference.

6、The technique is also widely regarded as a most promising and efficient solution for the wideband multimedia operation, because of its high ability of anti-fading, high channel capacity and high bit rate. C</p>&l

7、t;p>　　This paper discusses the propagation environment and fading characteristics of wireless channel, describes the Doppler effect and multi-path effects in wireless channel , expresses several wireless channel model

8、, and introduces the theory of MIMO wireless channel model, including its related models and the simulation of MIMO correlated channels .</p><p>　　And finally it focuses on MIMO-OFDM system and describes bri

9、efly the channel estimation methods based on pilot symbols, discusses the basic processes and principles of the channel estimation at first; and then analyzes the design of the channel estimator, including the selection

10、criteria of Pilot forms, the design of the pilot signal and the methods of interpolation filter. Then this paper also introduces the Comb pilot channel estimation in MIMO-OFDM systems and finally verifies the validity of

11、</p><p>　　Key words: multiple input multiple output; orthogonal frequency division multiplexing; channel estimation; linear interpolation </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>&l

12、t;b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景與意義1</p><p>　　1.1.1 移動通信的發(fā)展歷史1</p><p>　　1.1.2 技術(shù)現(xiàn)狀與意義3</p><p>　　1.2 本課題主要完成的工作和結(jié)構(gòu)安排5</p><p>　　第二章 MIMO-

13、OFDM 系統(tǒng)的基本原理7</p><p>　　2.1 OFDM 基本原理7</p><p>　　2.2 MIMO 的基本原理8</p><p>　　2.3 MIMO-OFDM 系統(tǒng)10</p><p>　　2.4 本章小結(jié)12</p><p>　　第三章 無線信道的特性與建模13</p>

14、<p>　　3.1 無線信道分析13</p><p>　　3.1.1 多徑效應(yīng)13</p><p>　　3.1.2 Doppler 效應(yīng)15</p><p>　　3.1.3 信道衰落的分類15</p><p>　　3.2 MIMO 無線信道模型理論16</p><p>　　3.2.1 MIMO 相

15、關(guān)信道16</p><p>　　3.2.2 相關(guān)模型18</p><p>　　3.3 本章小結(jié)18</p><p>　　第四章 基于導頻符號的信道估計19</p><p>　　4.1系統(tǒng)總體描述19</p><p>　　4.2基于導頻符號的信道估計概述20</p><p>　　4.2

16、.1 信道估計過程20</p><p>　　4.2.2 導頻的形式20</p><p>　　4.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的梳狀導頻信道估計22</p><p>　　4.3.1 導頻正交性設(shè)計22</p><p>　　4.3.2 導頻位置信道估計23</p><p>　　4.3.3 內(nèi)插濾波方法24&l

17、t;/p><p>　　4.3.4 算法仿真26</p><p>　　4.4 本章小結(jié)27</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望28</p><p>　　5.1 論文工作總結(jié)28</p><p>　　5.2 進一步的研究工作29</p><p><b>　　參考文獻30<

18、/b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p>　　附錄：程序源代碼32</p><p><b>　　附件1 開題報告</b></p><p>　　附件2 英文翻譯原文及譯文</p><p><b>　　第一章 緒 論</b

19、></p><p>　　本章將簡要回顧移動通信技術(shù)的發(fā)展歷程，展望未來技術(shù)的發(fā)展趨勢，透過這一發(fā)展過程，分析揭示未來移動通信中無線傳輸技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，提出本課題的主要研究任務(wù)和意義，同時給出本文的主要工作及內(nèi)容安排。 </p><p>　　1.1 課題研究背景與意義</p><p>　　移動通信屬于無線通信的范疇，是一種特殊的無線通信，其特別之處在于：第一，

20、傳輸鏈路中存在以電磁波為載體的空中接口這一重要環(huán)節(jié)，即所謂的無線連接；第二，允許用戶終端在某一電磁波覆蓋范圍之內(nèi)不間斷通信并到處移動。以上兩個特點決定了它特有的應(yīng)用價值和特殊的技術(shù)難度。這里首先簡要回顧一下移動通信的發(fā)展歷史，由此窺視現(xiàn)代移動通信飛躍發(fā)展的歷程。</p><p>　　1.1.1 移動通信的發(fā)展歷史 </p><p>　　在很長一段時間內(nèi)，除了越洋電報等郵政業(yè)務(wù)以外，無線通信

21、只存在于交通、公共安全、軍事通信等專業(yè)性極強的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　移動通信能夠大規(guī)模的成為公眾業(yè)務(wù)要歸功于蜂窩移動通信概念的提出，蜂窩技術(shù)是移動通信發(fā)展的重大突破，它的頻率復(fù)用技術(shù)有效的解決了在有限的無線頻段內(nèi)大幅度提高系統(tǒng)容量的問題，使得為人口密集的城區(qū)提供充足的移動電話業(yè)務(wù)成為現(xiàn)實。</p><p>　　第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)（1G）是基于模擬通信技術(shù)的，模擬調(diào)頻（FM）加

22、上頻分多址接入（FDMA）是它的技術(shù)要點。第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)存在頻帶利用率低、保密性差、終端體積大等缺點。</p><p>　　隨著數(shù)字信號處理與大規(guī)模集成電路技術(shù)的長足發(fā)展，移動通信技術(shù)很快的進入數(shù)字化，它在關(guān)鍵的空中接口環(huán)節(jié)上采用了一系列的數(shù)字信號處理技術(shù)，其中包括信源壓縮編碼、數(shù)字加密、信道編碼、數(shù)字調(diào)制等；此外，在多址方式上，采用了更加靈活、高效的時分多址（TDMA）和碼分多址接入（CDMA）技術(shù)；在

23、業(yè)務(wù)上，除了移動電話外，還支持最大速率不超過9.6Kbps的窄帶數(shù)據(jù)傳輸。目前，世界上市場份額占主導地位的就是具有上述特點的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，即通常所說的第二代移動通信系統(tǒng)（2G）。</p><p>　　隨著計算機的大量應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在現(xiàn)代通信業(yè)務(wù)中的比例逐年上升。移動電話的便利使人們對無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生自然而然的期盼，以至于人們早已勾勒出個人通信（Personal Communicat

24、ion）的美好前景。作為一個近期目標，第三代移動通信（3G）及其所提供的多媒體業(yè)務(wù)即將走入人們的生活。</p><p>　　國際電聯(lián)（ITU）對第三代移動通信系統(tǒng)的總體要求都體現(xiàn)在IMT-2000上，概括地講，有以下特點： </p><p>　　（1）占用更高的頻段（2GHz）和更大的帶寬（5MHz）； </p><p>　　（2）支持更高速率的多媒體業(yè)務(wù)：話音、數(shù)

25、據(jù)傳輸、無線互聯(lián)網(wǎng)接入、運動 圖像傳輸?shù)龋?</p><p>　?。?）支持更高速率的數(shù)據(jù)傳輸；室內(nèi)2Mbps、室外步行384Kbps、室外高速移動144Kbps； 與第二代移動通信網(wǎng)兼容； </p><p>　?。?）具有更高的頻譜利用率及更高的系統(tǒng)容量。</p><p>　　毋庸置疑，無線傳輸技術(shù)（RTT）是第三代移動通信系統(tǒng)中最重要的組成部分，也是世界各

26、國、各地區(qū)為形成未來通信體制而展開爭論的焦點。無線傳輸技術(shù)主要包括多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信道編碼及交織、雙工技術(shù)、物理信道結(jié)構(gòu)與復(fù)用、幀結(jié)構(gòu)、無線資源分配與鏈路控制、RF信道參數(shù)設(shè)置等等。根據(jù)ITU的一般要求和目標，世界各國、各地區(qū)組織對第三代移動通信系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)進行了廣泛而持久的研究，并提出了多種技術(shù)方案，逐步形成了被國際社會認可的三個主要標準：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。</p><p>

27、;　　第四代移動通信系統(tǒng)（4G）在業(yè)務(wù)上、功能上、頻帶上都將不同于第三代系統(tǒng)，它可稱為寬帶接入（Broadband Access）和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對稱的超過2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸能力，其主要的指標有： </p><p>　　為用戶終端提供高達幾十到上百Mbps的峰值無線數(shù)據(jù)傳輸速率，支持包括高速互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)下載、高質(zhì)量視頻點播在內(nèi)的各種媒體傳輸業(yè)務(wù)，使之成為真正意義上的寬帶多媒體無線移動通信系統(tǒng)； </p&g

28、t;<p>　　與INTERNET技術(shù)高度結(jié)合，相互補充、相得益彰，使之成為一個具有強大生命力和廣闊市場前景的無線移動通信系統(tǒng)； </p><p>　　開發(fā)新頻段并大幅度提高無線傳輸技術(shù)的頻譜效率，滿足大容量無線移動通信的需求。要達到上述要求，必須開發(fā)與之配套的一系列新技術(shù)，包括最為關(guān)鍵的高速無線傳輸技術(shù)。</p><p>　　1.1.2 技術(shù)現(xiàn)狀與意義 </p>

29、<p>　　眾所周知，無線移動通信系統(tǒng)的最大技術(shù)瓶頸在于空中接口，即無線傳輸技術(shù)。新一代移動通信系統(tǒng)給無線傳輸技術(shù)提出的主要難題是： </p><p>　?。?）如何大幅度的提高頻譜效率； </p><p>　?。?）如何實現(xiàn)高達幾十到幾百Mbps的峰值無線數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Divi

30、sion Multiplexing，OFDM）和多輸入多輸出（Multiple Input and Multiple Output，MIMO）以其有效的抗衰落特性和高的頻譜效率受到了人們廣泛的關(guān)注，而將兩者相結(jié)合構(gòu)成的MIMO-OFDM系統(tǒng)，在技術(shù)上相互補充、相得益彰，使之成為實現(xiàn)無線信道高速數(shù)據(jù)傳輸[1][2]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。</p><p>　　正交頻分復(fù)用（OFDM）在

31、頻域把信道分成若干正交子信道，頻譜相互重疊，減少了子信道間干擾（ICI），提高了頻譜利用率。同時，由于在每個子信道上信號帶寬小于信道帶寬，盡管總的信道非平坦，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，從而大大減少了符號間干擾（ISI）。此外，通過在OFDM中添加循環(huán)前綴（CP）進一步增強其抗多徑衰落的能力。OFDM技術(shù)以其抗多徑能力強，頻譜利用率高等優(yōu)點在實際中得到了廣泛的應(yīng)用，如：HDSL、ADSL、DAB 和 DVB，無線局域網(wǎng)

32、IEEE802.11a和HIPERLAN2，以及無線城域網(wǎng)IEEE802.16 等等。</p><p>　　多輸入多輸出 (MIMO)[3][4]技術(shù)不但可以成倍地提高衰落信道下的系統(tǒng)容量，而且如果進一步將其與信道編碼技術(shù)相結(jié)合，可以大大提高通信系統(tǒng)的性能。空時編碼技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，它將信道編碼技術(shù)與陣列處理技術(shù)相結(jié)合，大幅度地提高無線通信中的系統(tǒng)容量和傳輸速率，為解決無線信

33、道的帶寬問題提供了一條新的途徑。</p><p>　　但是，現(xiàn)有的空時編碼理論大都基于平坦衰落信道，而在實際當中，大多數(shù)無線通信環(huán)境都屬于快衰落情況，即信道非平坦，此時系統(tǒng)的性能會急劇下降，這就使得空時碼在未來寬帶移動通信中的應(yīng)用受到極大的限制。自從1996年文獻[5]首次提出將OFDM與空時編碼相結(jié)合（稱為MIMO-OFDM）以來，MIMO-OFDM技術(shù)很快引起了通信界的廣泛關(guān)注。由于合并了OFDM技術(shù)，頻率選

34、擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干并行平坦衰落子信道，這樣的系統(tǒng)不但具有空時編碼帶來的分集增益和編碼增益，同時兼得OFDM接收機均衡器結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。從而在未來的寬帶無線接入領(lǐng)域中采用MIMO-OFDM技術(shù)成為了一種發(fā)展的必然和技術(shù)的關(guān)鍵。</p><p>　　MIMO-OFDM技術(shù)[6]將空間分集、頻率分集以及時間分集有機地結(jié)合在一起，可以大大提高無線通信中的信道容量和傳輸速率，并能有效的抵抗衰落、抑制干擾和噪聲。在實際應(yīng)

35、用中，為了進一步提高系統(tǒng)的頻譜效率，MIMO-OFDM系統(tǒng)通常采用幅度非恒定的調(diào)制方式，例如16QAM等，在這種情況下，接收端需要信道狀態(tài)信息CSI才能進行相干解調(diào)，另外，空時編碼的譯碼也需要有精確的信道狀態(tài)信息才能完成。因此，信道估計是MIMO-OFDM系統(tǒng)接收機設(shè)計的一項主要任務(wù)。</p><p>　　無線信道的模型和估計算法研究是移動通信的經(jīng)典課題。開放的無線傳輸環(huán)境造成了無線信道的復(fù)雜性。對無線信道特征的

36、掌握和了解，包括對無線信道的表征和描述、對無線信道參數(shù)的估計和預(yù)測、對無線信道與新技術(shù)結(jié)合課題的研究，顯得越來越重要。MIMO-OFDM 技術(shù)在實際應(yīng)用中，為了提高系統(tǒng)的頻譜利用率，OFDM 系統(tǒng)需要采用幅度非恒定的調(diào)制方式，例如 M 元正交幅度調(diào)制（MQAM），這種情況下，接收機需要知道信道狀態(tài)信息（Channel State Information, CSI）進行相干解調(diào)，即使對于正交相移鍵控（Quadrature Phase Sh

37、ift Keying, QPSK）這樣幅度恒定的調(diào)制方式，利用 CSI 進行相干解調(diào)要比差分解調(diào)提高系統(tǒng)的性能3～4dB，接收端需要信道狀態(tài)信息 CSI 才能進行相干解調(diào)，另外，空時編碼的譯碼也需要有精確的信道狀態(tài)信息才能完成。因此，信道估計是MIMO-OFDM系統(tǒng)接收機設(shè)計的一項主要任務(wù)。</p><p>　　獲取信道狀態(tài)信息，是調(diào)整發(fā)射功率、提高信噪比和對抗信道衰落的主要途徑，而獲取方法是在接收均衡時，對信道

38、狀態(tài)信息進行估計。</p><p>　　有關(guān)OFDM系統(tǒng)中的信道估計己有較多的研究，通常可以分為非盲估計方法和盲估計方法兩種。經(jīng)研究表明，上述算法在OFDM系統(tǒng)中均能獲得較好的性能；而MIMO 系統(tǒng)的信道估計能夠估計出天線間并行空間信道的信道矩陣，以此來抵消來自其它天線對之間的干擾。但是OFDM系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)的估計算法并不適用于MIMO-OFDM系統(tǒng)，這是因為MIMO-OFDM系統(tǒng)采用多個發(fā)射接收天線，其接收

39、信號是多個發(fā)射天線發(fā)送信號的衰落與加性噪聲的疊加，若采用OFDM的估計算法估計信道，對于某個特定的發(fā)射接收天線對，來自于其它天線的信號即為干擾，信號噪聲功率比常常在0dB以下，從而帶來很大的估計誤差，導致系統(tǒng)性能急劇下降；同時，單獨的MIMO系統(tǒng)的信道估計只能夠得到天線間的信道信息，并不能估計出OFDM符號在不同頻響處的響應(yīng)，并不利于OFDM符號的解調(diào)。</p><p>　　在 MIMO-OFDM 的估計算法中，

40、盲信道估計雖然節(jié)省了頻帶資源，但其需要在接收端對接收信號進行復(fù)雜的數(shù)學運算，算法的運算量一般都很大，因此并不適合應(yīng)用于對時延要求比較高的實時系統(tǒng)。</p><p>　　已有的MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計算法有LS，LMMSE 和簡化低階LMMSE 算法。但是當MIMO-OFDM系統(tǒng)的訓練序列非方陣的時候，不能使用奇異值分解（SVD）的技術(shù)對LMMSE算法進行低階近似。</p><p>

41、　　1.2 本課題主要完成的工作和結(jié)構(gòu)安排</p><p>　　論文圍繞 MIMO-OFDM 系統(tǒng)的信道估計技術(shù)展開分析和研究，重點研究基于插值的信道估計算法。并通過理論推導和計算機仿真的結(jié)合，驗證算法的可行性。</p><p><b>　　主要工作如下：</b></p><p>　　首先，深入分析了MIMO-OFDM技術(shù)在國內(nèi)外的最新研究成果

42、，總結(jié)出該技術(shù)領(lǐng)域的兩大研究方向，即基于OFDM的空間復(fù)用和空時編碼OFDM，然后分別討論了它們的基本原理。同時分析了無線信道的傳輸特性和衰落特征，指出信道估計是保證系統(tǒng)傳輸質(zhì)量，發(fā)揮其優(yōu)越性的關(guān)鍵所在。</p><p>　　其次，針對采用連續(xù)傳輸方式的MIMO-OFDM系統(tǒng)，全面分析了基于導頻符號的信道估計方法，討論了導頻形式的選擇準則，重點研究了梳狀導頻估計算法，并結(jié)合計算機仿真驗證了線性內(nèi)插信道估計算法的有

43、效性，同時對線性內(nèi)插的適用范圍和性能進行了分析。</p><p>　　本論文共分四章，結(jié)構(gòu)安排如下：</p><p>　　第一章主要概述本課題的研究背景、介紹本課題的研究內(nèi)容和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并給出本課題所完成的主要工作和論文的結(jié)構(gòu)安排。</p><p>　　第二章主要討論 MIMO-OFDM 系統(tǒng)的基本原理，包括 OFDM 技術(shù)的基本原理； MIMO 技術(shù)的基本

44、原理；以及 MIMO-OFDM 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)原理。</p><p>　　第三章主要分析了無線信道的傳輸特性和衰落特征，介紹了無線信道中的Doppler 效應(yīng)和多徑效應(yīng)；還介紹了MIMO無線信道模型理論，包括它的相關(guān)模型以及對 MIMO 相關(guān)信道的仿真。</p><p>　　第四章圍繞MIMO-OFDM系統(tǒng)中基于導頻符號的信道估計方法，首先簡要描述了一種采用的系統(tǒng)模型，分析了導頻形式的選

45、擇準則，在此基礎(chǔ)上研究了MIMO-OFDM系統(tǒng)中的梳狀導頻信道估計，并分別對線性內(nèi)插信道估計算法進行了計算機仿真，驗證了算法有效性。</p><p>　　第五章總結(jié)全文內(nèi)容，提出了本課題有待于進一步深入研究的問題，并展望該領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢。</p><p>　　第二章 MIMO-OFDM 系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　MIMO技術(shù)可以成倍地提高無線信道容量，

46、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。OFDM 技術(shù)可以提高頻帶利用率，具有較強的抗頻率選擇性衰落。而將兩者結(jié)合而成的MIMO-OFDM系統(tǒng)則可以融合兩種技術(shù)的優(yōu)點，具有廣闊應(yīng)用前景。</p><p>　　2.1 OFDM 基本原理</p><p>　　OFDM(正交頻分復(fù)用)[7][8]是一種多載波的調(diào)制方式，基本思想是將信道分成若干個正交子信道，將高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換

47、成若干并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。</p><p>　　OFDM系統(tǒng)基本模型框圖如圖2.1所示：</p><p

48、>　　圖2.1 OFDM系統(tǒng)基本模型框圖</p><p>　　對于OFDM系統(tǒng)而言，在發(fā)射端，首先對比特流進行QAM或QPSK調(diào)制，然后依次經(jīng)過串并變換和IFFT變換，再將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，加上保護間隔（又稱“循環(huán)前綴”），形成OFDM碼元。在組幀時，須加入同步序列和信道估計序列，以便接收端進行突發(fā)檢測、同步和信道估計，最后輸出正交的基帶信號。</p><p>　　當接收機檢

49、測到信號到達時，首先進行同步和信道估計。當完成時間同步、小數(shù)倍頻偏估計和糾正后，經(jīng)過FFT變換，進行整數(shù)倍頻偏估計和糾正，此時得到的數(shù)據(jù)是QAM或QPSK的已調(diào)數(shù)據(jù)。對該數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的解調(diào)，就可得到比特流。</p><p>　　2.2 MIMO 的基本原理</p><p>　　MIMO是指信號系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個發(fā)射天線和接收天線，因而該技術(shù)被稱為多發(fā)送天線和多接收天線(簡稱

50、多入多出)技術(shù)，它可看著是分集技術(shù)的一種衍生。</p><p>　　MIMO技術(shù)的實質(zhì)是為系統(tǒng)提供了空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用就是使用多天線系統(tǒng)，使每副發(fā)射天線發(fā)送的信號都與其它發(fā)射天線發(fā)送的信號有微小區(qū)別，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道中，同時傳輸多路信號，從而使得系統(tǒng)容量大為提高。</p><p>　　MIMO 技術(shù)的關(guān)鍵[9]是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑影響因

51、素變成對用戶通信性能有利的增加因素，它有效地利用了隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高數(shù)據(jù)傳輸速率，它的成功之處在于它能夠在不額外增加所占用的信號帶寬的前提下帶來無線通信性能上幾個數(shù)量級的改善。</p><p>　　系統(tǒng)容量指通信系統(tǒng)在一定信噪比條件下所能達到的最大傳輸速率，是衡量通信系統(tǒng)的重要指標之一。MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單示意圖如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 MIMO

52、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單示意圖</p><p>　　對于一個信道為獨立瑞利衰落，發(fā)射天線個數(shù)為M，接收天線個數(shù)為N的 MIMO 系統(tǒng)，在收發(fā)天線之間形成N × M階信道矩陣H ，在某一時刻t，信道矩陣為:</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其中，是從第 j 個發(fā)射天線到第 i 個接收天線間的瑞利衰落系數(shù)。則系統(tǒng)容

53、量為：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中，是接收端平均信噪比。當M ，N 很大時，信道容量C 可以近似為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　由此得出，和單輸入單輸出信道（SISO）的容量公式相比，多輸入多輸出（MIMO） 系

54、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。</p><p>　　使用MIMO 技術(shù)可以提高信道的容量，而且也可以提高信道的可靠性，減少錯誤率。</p><p>　　2.3 MIMO-OFDM 系統(tǒng)</p><p>　　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

55、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MIMO-OFDM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。</p><p>　　MIMO-OFDM 系統(tǒng)的理論框架如圖(2.3)﹑(2.4)所示：</p><p>　　圖 2.3 MIMO-OFDM 系統(tǒng)發(fā)射端系統(tǒng)框圖<

56、/p><p>　　在發(fā)送端：信息數(shù)據(jù)經(jīng)過信源編碼之后變成數(shù)據(jù)比特流，先經(jīng)過QAM 或者QPSK調(diào)制，再通過串行方式，進入空時編碼器進行空時編碼；然后此信息流就會變成M 路并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，并且每條線路的低速數(shù)據(jù)流分別對應(yīng)一個發(fā)射天線。緊接著，為了能在接收端進行信道估計，需要插入相應(yīng)的導頻符號，下面就可以用M 個并行的Nfft 點 IFFT 變化器來實現(xiàn)OFDM調(diào)制。信號經(jīng)過 IFFT 變換后，頻域信號轉(zhuǎn)變成了時域

57、信號，再經(jīng)過并串變換、添加保護間隔、加入循環(huán)前綴等步驟，再將形成的數(shù)據(jù)依次經(jīng)過成型濾波器（用以成型）、D/A轉(zhuǎn)換器（數(shù)模轉(zhuǎn)換），然后上變頻到一定的發(fā)射頻率后發(fā)送出去。整個發(fā)射端的編碼、調(diào)制和發(fā)射流程就大概如此。</p><p>　　圖 2.4 MIMO-OFDM 系統(tǒng)接收端系統(tǒng)框圖</p><p>　　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

58、接收端任意接收天線接收到的信號。如果發(fā)送接收天線之間的每個信道是互相獨立的，則這些發(fā)送信號所經(jīng)歷的信道衰落也是不同的。接收機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行抽樣的結(jié)果經(jīng)FFT變化器進行OFDM解調(diào)。將FFT變換后的頻域信號進行信道估計，并將其結(jié)果一邊進行頻偏和定時跟蹤，一邊用于將信號解調(diào)后的信號進行空時解碼，最后便可經(jīng)過解調(diào)恢

59、復(fù)原有的數(shù)據(jù)。</p><p>　　目前對 MIMO-OFDM 技術(shù)的研究主要有以下兩個方向[10]:</p><p>　　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。</p><p>　　其次是空時編碼 OFDM 系統(tǒng)，即OFDM 與基于發(fā)射分集的空時碼的結(jié)合。OFDM在頻域把信道分成若干正交子信道

60、，可以有效地抵抗符號間干擾ISI?？諘r編碼能夠充分利用空間、時間上的分集，因此將空時編碼與OFDM相結(jié)合構(gòu)成空時編碼OFDM系統(tǒng)，能夠大幅度地提高系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效地抵抗衰落、抑制噪聲和干擾。它的缺點是隨著傳輸天線數(shù)目的增加，譯碼復(fù)雜度也會隨之增加。</p><p>　　按照空時碼編碼方式的不同它可以分為空時格碼 OFDM 和空時塊碼 OFDM?？諘r格碼（STTC）以格形編碼調(diào)制為基礎(chǔ)，具有很高的

61、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。由于格碼的最佳譯碼為 Viterbi 譯碼，當天線數(shù)目固定時，它的編譯碼復(fù)雜度隨發(fā)射速率的增大而指數(shù)增加，這時接收機的結(jié)構(gòu)就會變得復(fù)雜而難以實現(xiàn)，這是它的最大缺陷。空時塊碼（STBC）有效地克服了空時格碼譯碼過于復(fù)雜的缺點，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

62、 STTC 相同。STBC 的優(yōu)點是譯碼復(fù)雜度低，并且能獲得最大的分集增益，但是它不能提供任何實質(zhì)上的編碼增益。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡要介紹了 OFDM 和 MIMO 技術(shù)的特點，以及 MIMO-OFDM 系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理。MIMO-OFDM系統(tǒng)則可以融合兩種技術(shù)的優(yōu)點，有效提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳

63、輸速率，并具有較強的抗多徑衰落和抗噪聲性能。</p><p>　　第三章 無線信道的特性與建模</p><p>　　3.1 無線信道分析</p><p>　　無線移動信道的主要特征是信道強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。</p><p>　　無線信道的傳輸特性具有很大的隨機性，

64、而且具有與傳播距離成正比的衰減特性。這些衰落一般可以歸結(jié)為三類：</p><p>　　(1) 自由空間傳播損耗及其彌散</p><p><b>　　(2) 陰影衰落</b></p><p><b>　　(3) 多徑衰落</b></p><p>　　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，

65、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。本章重點討論小尺度衰落的特點及模型。</p><p>　　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。產(chǎn)生小尺度衰落的原因主要有多徑傳播所引起的時延擴展、Doppler 效應(yīng)所造成的頻率調(diào)制、信號帶寬大于無線信道相干帶寬時所產(chǎn)生的頻率選擇性衰落。

66、</p><p>　　3.1.1 多徑效應(yīng)</p><p>　　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)。在實際的無線電波傳播信道中(包括所有波段)，常有許多時延不同的傳輸路徑。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變化，從而形成總的接收場的衰落。因此，多徑效應(yīng)是衰落的

67、重要成因。多徑效應(yīng)對于數(shù)字通信、雷達最佳檢測等都有著十分嚴重的影響。多徑效應(yīng)工作原理如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 多徑效應(yīng)工作原理圖</p><p>　　就一般情況而言，信道中電波的傳播往往是許多路徑眾多反射波的合成，由于電波通過各個路徑的距離不同，各個路徑來的反射波到達時間就不相同，相位也不相同，而不同相位的信號在接收端疊加，有時互相加強(方向相同)，有時互相減弱(方向

68、相反)。因此，接收信號的幅度會急劇變化，產(chǎn)生衰落。這種由多徑現(xiàn)象所引起的衰落便稱為多徑衰落。</p><p>　　當發(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，稱之為時延擴展。信道的多徑時延擴展Tm的倒數(shù)可近似地定義為信道的相干帶寬Fc：</p><p>　　Fc=1/Tm （3-1）</p>&l

69、t;p>　　當信號的帶寬比相干帶寬Fc小時，信道對信號的所有頻譜分量有大體相同的衰落影響，即信號的所有頻率分量在信道內(nèi)的衰落是一致的，信號波形不會產(chǎn)生失真，信道表現(xiàn)為頻率非選擇性(平坦)衰落，此時信號的時域?qū)挾冗h大于多徑時延擴展，時延擴展區(qū)間內(nèi)散落著若干個無法分辨的多徑，多徑信號之間的相位差很小，只要信號的自相關(guān)特性比較理想，信號的形狀不會有明顯的變化，從而基本保持其原始的譜特性；反之，當信號的帶寬比信道相干帶寬Fc大時，信道對頻

70、率間隔大于Fc的信號頻譜處的衰落是不相干的，有的頻率分量衰減大，有的頻率分量衰減小，信號波形將產(chǎn)生嚴重失真，信道表現(xiàn)為頻率選擇性的，此時，信號的時域?qū)挾刃∮诙鄰綍r延擴展，時延擴展區(qū)間內(nèi)散落著若干個多徑，而且其中必定有一部分多徑表現(xiàn)為可以分離的情形，多徑信號到達的相位差可以取到[ 0,2π)的任意值，相位差為1800的多徑信號對的對消將引起嚴重的衰落，從而信道使信號嚴重失真。</p><p>　　3.1.2 Dop

71、pler 效應(yīng)</p><p>　　Doppler 效應(yīng)是指，由于移動臺的不斷運動，當達到一定速度時，固定點接收到的載波頻率將隨運動速度的不同，產(chǎn)生不同的頻移。在移動通信中，當移動臺移向基站時，頻率變高，遠離基站時，頻率變低，Doppler 頻移實質(zhì)上是一種非人為的頻率調(diào)制。</p><p>　　移動臺與接收機之間的相對運動引起的Doppler頻移可由公式( 3-2) 來表示:</p

72、><p><b>　　( 3-2)</b></p><p>　　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。由公式( 3-2) ，可知最大 Doppler 頻移:</p><p><b>　　( 3-3)</b></p><p>　　若假設(shè)各個方向到接收端的入射角θ

73、∈(π,π)是均勻分布的，則接收信號的功率譜密度為:</p><p><b>　　( 3-4)</b></p><p>　　其中，fc是載波頻率，Pav是各向同性天線接收到的平均功率，此式即是 Classic譜。可見信號的功率譜被擴展到()中去了。移動臺與基站之間的相對運動及多路徑環(huán)境下物體運動造成的信道的時變特性，導致在無線通信中，接收端每過一段時間就要對信道進行估

74、計，以捕獲信道的時變信息，即時調(diào)整接收端的信道模型參數(shù)，提高相關(guān)接收的性能。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：</p><p><b>　　( 3-5)</b></p><p>　　在相關(guān)時間間隔內(nèi)，信道具有很強的相關(guān)性，若基帶信號的帶寬遠大于最大Doppler 頻移，則信號的時域?qū)挾冗h小于相干時間，可以認為一個符號內(nèi)的傳輸不

75、受 Doppler 頻移的影響。</p><p>　　3.1.3 信道衰落的分類</p><p>　　根據(jù)多普勒頻移擴展和多徑時延擴展與信道帶寬的不同關(guān)系，可以將小尺度衰落分類為：</p><p>　?。?）快衰落：這種衰落現(xiàn)象嚴重惡化接收信號的質(zhì)量，影響通信的可靠性。</p><p>　　（2）慢衰落：接收信號除瞬時值出現(xiàn)快衰落之外，場強中

76、值(平均值)也會出現(xiàn)緩慢變化。它主要是由地區(qū)位置的改變以及氣象條件變化造成的，以致電波的折射傳播隨時間變化而變化，多徑傳播到達固定接收點的信號的時延隨之變化。</p><p>　　（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。實際上就是單徑信道模型。</p>&l

77、t;p>　?。?）頻率選擇性衰落：當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。</p><p>　　從以上分析可以看出，復(fù)雜、惡劣的傳播條件是移動信道的特征，這是無線通信這一方式本身所決定的。</p><p>　　3.2 MIMO 無線信道模型理論</p><p>　　3.2.1 MIMO

78、 相關(guān)信道</p><p>　　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。通常在實際信道中，多徑相關(guān)性都較小，在仿真建模中一般認為多徑信號之間是相互獨立的，以簡化建模的復(fù)雜度。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。因此考察 MIMO 信道的相關(guān)性時，主要就著眼于天

79、線之間的相關(guān)性。</p><p>　　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。假定在接收天線的遠場區(qū)只存在很少的強反射體，一般認為這些強反射體的發(fā)射信號代表一個可分辨徑，此可分辨徑同樣是由大量的入射波合成的，這些入射波的相對時延很小，不能為接收機所分辨。可假定接收機的可分辨徑數(shù)目為L。則信道可以表示為：</p>&l

80、t;p><b>　　( 3-6)</b></p><p>　　其中是第l條可分辨徑的信道衰落矩陣：</p><p><b>　　( 3-7)</b></p><p>　　Hj 矩陣元素都服從零均值復(fù)高斯分布且具有同樣的平均功率pl，hlnm表示第m條發(fā)射天線到第n條接收天線的第l徑的信道衰落。由于空間效應(yīng)的存在，這些

81、信道衰落之間并不是相互獨立的?？梢钥紤]用一個信道相關(guān)矩陣來表示 MIMO 系統(tǒng)信道之間的相關(guān)性，用矩陣Rl 來表示這個相關(guān)矩陣，同時構(gòu)建一個矩陣Al ：</p><p><b>　　( 3-8)</b></p><p>　　Al 表示不存在空間相關(guān)性的 MIMO 系統(tǒng)信道響應(yīng)矩陣，Al 中的各元素之間相互獨立。則 MIMO 系統(tǒng)的相關(guān)信道矩陣可以構(gòu)建為：</p&

82、gt;<p><b>　　( 3-9)</b></p><p>　　其中pl 是第l徑的平均功率，其值由功率延遲分布決定。</p><p>　　從上述分析可知，要構(gòu)建 MIMO 系統(tǒng)的相關(guān)信道分三步：一是確定系統(tǒng)所處的傳播環(huán)境，不同的傳播環(huán)境對傳播信號來說服從不同的功率延遲分布和時間延遲分布；二是建模L × NM個相互獨立的無線信道，這些無線信

83、道的建模方法可以參考單天線系統(tǒng)；三是計算 MIMO 系統(tǒng)的相關(guān)矩陣R[13][14]。其中，相關(guān)矩陣的計算方法詳細的推導可以參見文獻[13][14]。</p><p>　　MIMO 系統(tǒng)可以看成是M 個 SIMO 系統(tǒng)或者N 個 MISO 系統(tǒng)的疊加，因此我們可以分別從收發(fā)兩端來觀察信道之間的相關(guān)性。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。對收發(fā)兩端的相關(guān)矩陣 和做 Kron

84、ecker 乘積就可以得到 MIMO 系統(tǒng)的信道空間相關(guān)矩陣Rl ，因此我們只須分別考慮收發(fā)兩端的散射環(huán)境分別計算 和 即可。再根據(jù)：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　就能得到 MIMO 系統(tǒng)的信道相關(guān)矩陣。信號的空間相關(guān)性隨著天線的間距增大而下降，而在天線間距一定的情況下，角度擴展越?。瓷⑸洵h(huán)境越弱），則信號的空間相關(guān)性越強，

85、當天線間距和角度擴展都一定的情況下，平均離開角越小則信號的空間相關(guān)性越強。</p><p>　　3.2.2 相關(guān)模型</p><p>　　相關(guān)模型（也即統(tǒng)計模型）用獨立的復(fù)高斯相關(guān)矩陣來分別表示系統(tǒng)的收/發(fā)兩端。服從 Rayleigh 衰落的 MIMO 相關(guān)信道模型為：</p><p><b>　　( 3-11)</b></p>

86、<p>　　是維的統(tǒng)計矩陣，其中元素服從均值為 0 方差為 1 的i.i.d高斯分布(Independent and Identically Distributed，獨立同分布)。(維)和(維)分別表示發(fā)送端和接收端的天線信號相關(guān)性。相關(guān)模型不依賴于站點的詳細描述；可以通過統(tǒng)計平均減少觀測誤差；不需要直接反映出傳播環(huán)境；主要用于測試算法的性能。因此該模型廣泛地應(yīng)用于 IEEE 802 系列無線系統(tǒng)。</p>&l

87、t;p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　移動通信系統(tǒng)的傳輸性能同其信號經(jīng)歷的信道密切相關(guān)，本章主要討論了無線信道的傳播環(huán)境和衰落特性，介紹了無線信道中的 Doppler 效應(yīng)和多徑效應(yīng)；討論了無線信道的幾種模型；最后還介紹了 MIMO 無線信道模型理論，包括它的相關(guān)模型以及對 MIMO 相關(guān)信道的仿真。</p><p>　　第四章 基于

88、導頻符號的信道估計</p><p>　　信道估計，其實就是信道對輸入信號影響的一種數(shù)學表示，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。信道估計算法中，基于訓練序列的信道估計算法幾乎可以應(yīng)用于所有的無線通信系統(tǒng)，但是卻降低了信道傳輸?shù)挠行?，浪費了帶寬，比較適合應(yīng)用于慢衰落信道，但是如果在快衰落環(huán)境中，由于無線信道的時變特性，需要接收機不斷地對信道進行跟蹤，因此需要插入導頻信息，并且導頻信息也必須不斷

89、的傳送，因此我們常常用基于導頻符號的信道估計方法來應(yīng)用于快衰落信道。下面論述主要考慮在采用連續(xù)傳輸方式的MIMO-OFDM系統(tǒng)中的基于導頻符號的信道估計方法。</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)總體描述</b></p><p>　　基于導頻符號的信道估計的基本過程是，在發(fā)送端適當位置插入導頻，接收端利用導頻恢復(fù)出導頻位置的信道信息，然后利用某種處理手段（如內(nèi)插，濾

90、波，變換等）獲得所有時段的信道信息。</p><p><b>　　基本步驟如下：</b></p><p>　　（1）發(fā)送端導頻的選擇與插入 ；</p><p>　　（2）接收端導頻位置信道信息獲取的方式 ；</p><p>　?。?）通過導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；</p>&

91、lt;p>　　在如圖4-1所示的MIMO-OFDM系統(tǒng)模型中，假設(shè)有個發(fā)射天線和個接收天線，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過空時編碼器后被分成路低速并行的數(shù)據(jù)流，并分別進入對應(yīng)的IFFT單元進行調(diào)制，最后再分別同時發(fā)送出去。系統(tǒng)簡易框圖如圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)的簡化原理框圖</p><p>　　在圖4-1中，輸入數(shù)據(jù)先進入第i個IFFT（快速傅里葉逆變換）單

92、元進行調(diào)制，再由第i個天線發(fā)送出去，其中，l是OFDM符號周期數(shù)的標記，k是子載波數(shù)的標記。如果OFDM系統(tǒng)中在保護間隔和同步方面都達到理想條件，那么接收天線j上解調(diào)后的OFDM信號可表述為以下形式</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中，為對角陣;為維列向量，代表加性高斯白噪聲；是發(fā)射天線i與接收天線j間信道的頻率響應(yīng)。</p

93、><p>　　4.2基于導頻符號的信道估計概述</p><p>　　4.2.1 信道估計過程</p><p>　　OFDM系統(tǒng)中基于導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頻符號插入到OFDM符號當中，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)。</p><p>

94、　　在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，我們要設(shè)計一個復(fù)雜度較低，而且又要有良好的導頻跟蹤能力的信道估計器，主要考慮以下三個方面：</p><p>　?。?）導頻形式的選擇。由于無線信道的時變特性，需要接收機不斷地對信道進行跟蹤，因此需要插入導頻信息，并且導頻信息也必須進行不斷的傳送。所以，導頻的形式往往決定著估計的方法和性能。</p><p>　?。?）導頻信號的設(shè)計。MIMO-OFDM系統(tǒng)的接

95、收機所收到的信號為各發(fā)送信號的線性疊加，因此我們所設(shè)計的導頻符號必須相互正交，以消除天線間的干擾。</p><p>　?。?）內(nèi)插濾波方法的設(shè)計。我們所設(shè)計的內(nèi)插濾波方法不但要估計精度高，還要使得其復(fù)雜度盡量的低，增強其實用性。</p><p>　　4.2.2 導頻的形式</p><p>　　基于導頻符號的信道估計中，導頻的多少及其分布決定著估計的方法和性能。決定導

96、頻形式選擇最重要的兩個參數(shù)是： </p><p>　　（1）最大多普勒頻移（決定最小相關(guān)時間） </p><p>　?。?）最大多徑時延（決定最小相關(guān)帶寬）</p><p>　　為了提高導頻的跟蹤性能，適應(yīng)無線信道的變化，導頻符號在頻率方向和時間方向都要放置得足夠近，并且數(shù)量又不能太多，以免減低數(shù)據(jù)傳輸速率。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?/p>

97、，以盡最大可能符合提高通信系統(tǒng)的質(zhì)量。</p><p>　　導頻符號的密度最低限有奈奎斯特采樣定理決定。而在實際過程中，我們往往需要在信號衰落的過程中進行比理論最低值更多的采樣，才能獲得可靠的信道設(shè)計。</p><p>　　若時頻方向用采樣定理兩倍的導頻符號數(shù)，設(shè)時間方向上間隔St ，頻率方向為Sf ，則</p><p><b>　?。?-2）</b

98、></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，表示子載波間隔，表示信道最大時延，代表最大多普勒頻移，表示一個OFDM符號時間。</p><p>　　一般情況下，導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頻，而導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。</p>&l

99、t;p>　　常用的導頻形式有梳狀導頻和二維散布導頻。分別如圖4.2的圖（a）和圖（b）所示。</p><p>　　圖4.2 常用的導頻形式</p><p>　　(a)中的梳妝導頻形式，導頻符號在每個OFDM符號里均勻分布，(b)中的二維散布導頻形式，在信道估計時需要在時間和頻率兩個方向上內(nèi)插，但所需的導頻數(shù)量較少。下面我們將對上圖兩種導頻形式的信道估計方法進行一些研究。</p&

100、gt;<p>　　4.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的梳狀導頻信道估計</p><p>　　本節(jié)主要介紹MIMO-OFDM系統(tǒng)的一種梳狀導頻信道估計設(shè)計方案，它能通過導頻正交性設(shè)計將MIMO-OFDM信道估計的多天線問題轉(zhuǎn)化為若干獨立的SISO-OFDM信道估計問題，實現(xiàn)更簡單有效。</p><p>　　4.3.1 導頻正交性設(shè)計</p><p>　　

101、假設(shè)系統(tǒng)采用梳狀導頻形式，一個OFDM符號中，對應(yīng)于每個發(fā)射天線的導頻數(shù)目都為，且滿足，K為OFDM的子載波數(shù)目。</p><p>　　圖4.3給出了一種導頻方案，它能將多天線信道估計問題為單天線的情況。如圖所示，發(fā)射天線i的第v個導頻符號以載波i為起始位置，K/v為間隔插入到每個OFDM符號中，其中，</p><p>　　圖4.3 正交導頻設(shè)計方案</p><p>

102、;　　很容易看出，不同天線的導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)化為若干獨立單輸入單輸出SISO信道估計問題。</p><p>　　4.3.2 導頻位置信道估計</p><p>　　若記發(fā)射天線i的導頻符號為維列向量，接收天線j得到的信道畸變后的導頻符號向量為，則采用上

103、述正交導頻設(shè)計方案后，發(fā)射天線對i, j間導頻信道的頻率響應(yīng)LS估計式為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　得到導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。</p><p>　　采用上述正交導頻設(shè)計方案后，MIMO-OFDM系統(tǒng)中的多天線信道估計問題轉(zhuǎn)化為SISO-OFDM的單天線問題

104、。</p><p>　　OFDM系統(tǒng)中基于導頻的信道估計總體框圖如圖4.4所示： </p><p>　　圖4.4 OFDM系統(tǒng)估計框圖</p><p>　　Y(K)是輸入信號經(jīng)過FFT變換得到的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過導頻信號提取單元后可以抽取導頻位置的數(shù)據(jù)Yp(K)，根據(jù)已知導頻Xp（K），可以得到導頻位置的信道估計響應(yīng)值，再經(jīng)過時頻方向上的內(nèi)插濾波，得到所有載波點的信道響

105、應(yīng)的估計值。</p><p>　　4.3.3內(nèi)插濾波方法</p><p>　　下面介紹信道內(nèi)插的幾種方法，并討論各種方法的復(fù)雜度、實用性和應(yīng)用范圍等。</p><p><b>　?。?）線性內(nèi)插</b></p><p>　　線性內(nèi)插是對一個OFDM符號中相鄰的導頻信道估計值進行線性插值濾波，獲得本符號其它頻率位置的信道估

106、計值的方法。每個符號的導頻載波是信道響應(yīng)的采樣，采用線性內(nèi)插濾波時，信道時間方向可以變化很快，每個符號間的內(nèi)插也是相互獨立的，因此信道的相關(guān)時間較小，可用于移動接收。由于導頻之間的間隔為，所以，如果信道的相關(guān)帶寬大于，就可以較準確地完成對信道的估計。</p><p>　　線性內(nèi)插濾波每次估計只需要兩個導頻點信號，在實際應(yīng)用中非常有效。這種方法只用兩個相鄰的導頻位置的信道估計值，通過內(nèi)插得到兩個導頻之間的數(shù)據(jù)載波位

107、置的信道響應(yīng)。線性內(nèi)插由下式?jīng)Q定：</p><p><b>　　(4-5) </b></p><p>　　其中，表示頻率方向上的導頻間隔，表示頻率位置上的信道響應(yīng)估計值。</p><p>　　這種內(nèi)插方法適合于時間方向上快變的信道，對多普勒效應(yīng)并不敏感，而且設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，節(jié)省資源。但是，由于導頻點之間頻率間隔長，經(jīng)過內(nèi)插濾波后并不能準確地

108、反映此間隔內(nèi)信道響應(yīng)的變化情況。尤其是在頻率方向上變化較快的信道，如大多徑信道，此內(nèi)插方法根本不能及時、動態(tài)地對信道響應(yīng)進行跟蹤。因此，在子載波數(shù)目比較多，頻率方向上的導頻間隔比較遠的OFDM結(jié)構(gòu)中，線性內(nèi)插并不適用。</p><p>　?。?）高斯內(nèi)插濾波 </p><p>　　在理論上，使用高階多項式內(nèi)插比線性內(nèi)插更適合于信道響應(yīng)估計。線性內(nèi)插濾波時，估計點的值只用到前后相鄰的兩個導頻