基于插值的MIMOOFDM无线信道估计方法的研究本科毕业论文

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1、基于插值的MIMO-OFDM无线信道估计方法的研究摘 要MIMO-OFDM 技术作为 4G 的核心技术，可以大幅度地提高无线通信系统的信道容量与传输速率，并可以有效地抵抗多径衰落，抑制干扰和噪声，适应多媒体应用业务的需求。信道估计是 MIMO-OFDM 系统的一个重要环节，本论文围绕MIMO-OFDM 通信系统中基于插值的无线信道估计问题展开研究。本文分析讨论了无线信道的传播环境和衰落特性，介绍了无线信道中的 Doppler 效应和多径效应；讨论了无线信道的几种模型；最后还介绍了 MIMO 无线信道模型理论，包括它的相关模型以及对 MIMO 相关信道的仿真。最后又围绕MIMO-OFDM系统，首

2、先对基于导频符号的信道估计方法进行了简要的总体描述，论述其信道估计的基本过程和原理；然后对信道估计器的设计进行了全面的分析，包括导频形式的选择准则、导频信号的设计和内插滤波方法的设计。然后介绍了MIMO-OFDM系统的一种梳状导频信道估计设计方案，并对线性内插算法进行了计算机仿真，验证了算法有效性。关键词：多输入多输出；正交频分复用；信道估计；线性内插RESEARCH ON WIRELESS CHANNEL ESTIMATION METHODS INTERPOLATION-BASED IN MIMO-OFDM SYSTEMSABSTRACTMIMO-OFDM is regarded as on

3、e of the most important technologies of the 4th 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. The technique is also widely rega

4、rded 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. Channel estimation is one of the most important aspects in the mobile telecommunication systems. This paper discusses the propag

5、ation environment and fading characteristics of wireless channel, describes the Doppler effect and multi-path effects in wireless channel , expresses several wireless channel model, and introduces the theory of MIMO wireless channel model, including its related models and the simulation of MIMO corr

6、elated channels .And finally it focuses on MIMO-OFDM system and describes briefly 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 cri

7、teria 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 the linear interpolation algorithm by computer simulation.Key words: multiple inpu

8、t multiple output; orthogonal frequency division multiplexing; channel estimation; linear interpolation 目 录1 绪 论11.1 课题研究背景与意义11.1.1 移动通信的发展历史11.1.2 技术现状与意义31.2 本课题主要完成的工作和结构安排5第二章 MIMO-OFDM 系统的基本原理72.1 OFDM 基本原理72.2 MIMO 的基本原理82.3 MIMO-OFDM 系统102.4 本章小结12第三章 无线信道的特性与建模133.1 无线信道分析133.1.1 多径效应133.1.

9、2 Doppler 效应153.1.3 信道衰落的分类153.2 MIMO 无线信道模型理论163.2.1 MIMO 相关信道163.2.2 相关模型183.3 本章小结18第四章 基于导频符号的信道估计194.1系统总体描述194.2基于导频符号的信道估计概述204.2.1 信道估计过程204.2.2 导频的形式204.3 MIMO-OFDM系统中的梳状导频信道估计224.3.1 导频正交性设计224.3.2 导频位置信道估计234.3.3 内插滤波方法244.3.4 算法仿真264.4 本章小结27第五章 总结与展望285.1 论文工作总结285.2 进一步的研究工作29参考文献30致谢3

10、1附录：程序源代码32附件1 开题报告附件2 英文翻译原文及译文第一章 绪 论本章将简要回顾移动通信技术的发展历程，展望未来技术的发展趋势，透过这一发展过程，分析揭示未来移动通信中无线传输技术所面临的挑战，提出本课题的主要研究任务和意义，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1.1 课题研究背景与意义移动通信属于无线通信的范畴，是一种特殊的无线通信，其特别之处在于：第一，传输链路中存在以电磁波为载体的空中接口这一重要环节，即所谓的无线连接；第二，允许用户终端在某一电磁波覆盖范围之内不间断通信并到处移动。以上两个特点决定了它特有的应用价值和特殊的技术难度。这里首先简要回顾一下移动通信的发展历史，由

11、此窥视现代移动通信飞跃发展的历程。1.1.1 移动通信的发展历史 在很长一段时间内，除了越洋电报等邮政业务以外，无线通信只存在于交通、公共安全、军事通信等专业性极强的应用领域。移动通信能够大规模的成为公众业务要归功于蜂窝移动通信概念的提出，蜂窝技术是移动通信发展的重大突破，它的频率复用技术有效的解决了在有限的无线频段内大幅度提高系统容量的问题，使得为人口密集的城区提供充足的移动电话业务成为现实。第一代蜂窝移动通信系统（1G）是基于模拟通信技术的，模拟调频（FM）加上频分多址接入（FDMA）是它的技术要点。第一代蜂窝移动通信系统存在频带利用率低、保密性差、终端体积大等缺点。随着数字信号处理与大规

12、模集成电路技术的长足发展，移动通信技术很快的进入数字化，它在关键的空中接口环节上采用了一系列的数字信号处理技术，其中包括信源压缩编码、数字加密、信道编码、数字调制等；此外，在多址方式上，采用了更加灵活、高效的时分多址（TDMA）和码分多址接入（CDMA）技术；在业务上，除了移动电话外，还支持最大速率不超过9.6Kbps的窄带数据传输。目前，世界上市场份额占主导地位的就是具有上述特点的数字蜂窝移动通信系统，即通常所说的第二代移动通信系统（2G）。随着计算机的大量应用和网络技术的不断进步，数据传输业务在现代通信业务中的比例逐年上升。移动电话的便利使人们对无线数据传输产生自然而然的期盼，以至于人们早

13、已勾勒出个人通信（Personal Communication）的美好前景。作为一个近期目标，第三代移动通信（3G）及其所提供的多媒体业务即将走入人们的生活。国际电联（ITU）对第三代移动通信系统的总体要求都体现在IMT-2000上，概括地讲，有以下特点： （1）占用更高的频段（2GHz）和更大的带宽（5MHz）； （2）支持更高速率的多媒体业务：话音、数据传输、无线互联网接入、运动 图像传输等； （3）支持更高速率的数据传输；室内2Mbps、室外步行384Kbps、室外高速移动144Kbps； 与第二代移动通信网兼容； （4）具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。毋庸置疑，无线传输技术（RT

14、T）是第三代移动通信系统中最重要的组成部分，也是世界各国、各地区为形成未来通信体制而展开争论的焦点。无线传输技术主要包括多址技术、调制技术、信道编码及交织、双工技术、物理信道结构与复用、帧结构、无线资源分配与链路控制、RF信道参数设置等等。根据ITU的一般要求和目标，世界各国、各地区组织对第三代移动通信系统无线传输技术进行了广泛而持久的研究，并提出了多种技术方案，逐步形成了被国际社会认可的三个主要标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。第四代移动通信系统（4G）在业务上、功能上、频带上都将不同于第三代系统，它可称为宽带接入（Broadband Access）和分布网络，具有非对称

15、的超过2Mbps的数据传输能力，其主要的指标有： 为用户终端提供高达几十到上百Mbps的峰值无线数据传输速率，支持包括高速互联网数据下载、高质量视频点播在内的各种媒体传输业务，使之成为真正意义上的宽带多媒体无线移动通信系统； 与INTERNET技术高度结合，相互补充、相得益彰，使之成为一个具有强大生命力和广阔市场前景的无线移动通信系统； 开发新频段并大幅度提高无线传输技术的频谱效率，满足大容量无线移动通信的需求。要达到上述要求，必须开发与之配套的一系列新技术，包括最为关键的高速无线传输技术。1.1.2 技术现状与意义 众所周知，无线移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，即无线传输技术。新一代

16、移动通信系统给无线传输技术提出的主要难题是： （1）如何大幅度的提高频谱效率； （2）如何实现高达几十到几百Mbps的峰值无线数据传输。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multiple Input and Multiple Output，MIMO）以其有效的抗衰落特性和高的频谱效率受到了人们广泛的关注，而将两者相结合构成的MIMO-OFDM系统，在技术上相互补充、相得益彰，使之成为实现无线信道高速数据传输12最具希望的解决方案之一，具有非常广阔的研究和发展前景。正交频分复用（OFDM）在频域把信道分成

17、若干正交子信道，频谱相互重叠，减少了子信道间干扰（ICI），提高了频谱利用率。同时，由于在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，尽管总的信道非平坦，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，从而大大减少了符号间干扰（ISI）。此外，通过在OFDM中添加循环前缀（CP）进一步增强其抗多径衰落的能力。OFDM技术以其抗多径能力强，频谱利用率高等优点在实际中得到了广泛的应用，如：HDSL、ADSL、DAB 和 DVB，无线局域网IEEE802.11a和HIPERLAN2，以及无线城域网IEEE802.16 等等。多输入多输出 (MIMO)34技术不但可以成倍地提高衰落信道下的系统容量，而且如果进一步

18、将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。空时编码技术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速率，为解决无线信道的带宽问题提供了一条新的途径。但是，现有的空时编码理论大都基于平坦衰落信道，而在实际当中，大多数无线通信环境都属于快衰落情况，即信道非平坦，此时系统的性能会急剧下降，这就使得空时码在未来宽带移动通信中的应用受到极大的限制。自从1996年文献5首次提出将OFDM与空时编码相结合（称为MIMO-OFDM）以来，MIMO-OFDM技术很快引起了通信界的广泛关注。由于合并了OFDM技术，频率

19、选择性衰落信道转化为若干并行平坦衰落子信道，这样的系统不但具有空时编码带来的分集增益和编码增益，同时兼得OFDM接收机均衡器结构简单的优点。从而在未来的宽带无线接入领域中采用MIMO-OFDM技术成为了一种发展的必然和技术的关键。MIMO-OFDM技术6将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起，可以大大提高无线通信中的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落、抑制干扰和噪声。在实际应用中，为了进一步提高系统的频谱效率，MIMO-OFDM系统通常采用幅度非恒定的调制方式，例如16QAM等，在这种情况下，接收端需要信道状态信息CSI才能进行相干解调，另外，空时编码的译码也需要有精确的信道状态

20、信息才能完成。因此，信道估计是MIMO-OFDM系统接收机设计的一项主要任务。无线信道的模型和估计算法研究是移动通信的经典课题。开放的无线传输环境造成了无线信道的复杂性。对无线信道特征的掌握和了解，包括对无线信道的表征和描述、对无线信道参数的估计和预测、对无线信道与新技术结合课题的研究，显得越来越重要。MIMO-OFDM 技术在实际应用中，为了提高系统的频谱利用率，OFDM 系统需要采用幅度非恒定的调制方式，例如 M 元正交幅度调制（MQAM），这种情况下，接收机需要知道信道状态信息（Channel State Information, CSI）进行相干解调，即使对于正交相移键控（Quadra

21、ture Phase Shift Keying, QPSK）这样幅度恒定的调制方式，利用 CSI 进行相干解调要比差分解调提高系统的性能34dB，接收端需要信道状态信息 CSI 才能进行相干解调，另外，空时编码的译码也需要有精确的信道状态信息才能完成。因此，信道估计是MIMO-OFDM系统接收机设计的一项主要任务。获取信道状态信息，是调整发射功率、提高信噪比和对抗信道衰落的主要途径，而获取方法是在接收均衡时，对信道状态信息进行估计。有关OFDM系统中的信道估计己有较多的研究，通常可以分为非盲估计方法和盲估计方法两种。经研究表明，上述算法在OFDM系统中均能获得较好的性能；而MIMO 系统的信道

22、估计能够估计出天线间并行空间信道的信道矩阵，以此来抵消来自其它天线对之间的干扰。但是OFDM系统和MIMO系统的估计算法并不适用于MIMO-OFDM系统，这是因为MIMO-OFDM系统采用多个发射接收天线，其接收信号是多个发射天线发送信号的衰落与加性噪声的叠加，若采用OFDM的估计算法估计信道，对于某个特定的发射接收天线对，来自于其它天线的信号即为干扰，信号噪声功率比常常在0dB以下，从而带来很大的估计误差，导致系统性能急剧下降；同时，单独的MIMO系统的信道估计只能够得到天线间的信道信息，并不能估计出OFDM符号在不同频响处的响应，并不利于OFDM符号的解调。在 MIMO-OFDM 的估计算

23、法中，盲信道估计虽然节省了频带资源，但其需要在接收端对接收信号进行复杂的数学运算，算法的运算量一般都很大，因此并不适合应用于对时延要求比较高的实时系统。已有的MIMO-OFDM系统的信道估计算法有LS，LMMSE 和简化低阶LMMSE 算法。但是当MIMO-OFDM系统的训练序列非方阵的时候，不能使用奇异值分解（SVD）的技术对LMMSE算法进行低阶近似。1.2 本课题主要完成的工作和结构安排论文围绕 MIMO-OFDM 系统的信道估计技术展开分析和研究，重点研究基于插值的信道估计算法。并通过理论推导和计算机仿真的结合，验证算法的可行性。主要工作如下：首先，深入分析了MIMO-OFDM技术在国

24、内外的最新研究成果，总结出该技术领域的两大研究方向，即基于OFDM的空间复用和空时编码OFDM，然后分别讨论了它们的基本原理。同时分析了无线信道的传输特性和衰落特征，指出信道估计是保证系统传输质量，发挥其优越性的关键所在。其次，针对采用连续传输方式的MIMO-OFDM系统，全面分析了基于导频符号的信道估计方法，讨论了导频形式的选择准则，重点研究了梳状导频估计算法，并结合计算机仿真验证了线性内插信道估计算法的有效性，同时对线性内插的适用范围和性能进行了分析。本论文共分四章，结构安排如下：第一章主要概述本课题的研究背景、介绍本课题的研究内容和国内外的研究现状，并给出本课题所完成的主要工作和论文的结

25、构安排。第二章主要讨论 MIMO-OFDM 系统的基本原理，包括 OFDM 技术的基本原理； MIMO 技术的基本原理；以及 MIMO-OFDM 的系统结构和系统原理。第三章主要分析了无线信道的传输特性和衰落特征，介绍了无线信道中的Doppler 效应和多径效应；还介绍了MIMO无线信道模型理论，包括它的相关模型以及对 MIMO 相关信道的仿真。第四章围绕MIMO-OFDM系统中基于导频符号的信道估计方法，首先简要描述了一种采用的系统模型，分析了导频形式的选择准则，在此基础上研究了MIMO-OFDM系统中的梳状导频信道估计，并分别对线性内插信道估计算法进行了计算机仿真，验证了算法有效性。第五章

26、总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该领域的研究发展趋势。第 41 页 共 42 页第二章 MIMO-OFDM 系统的基本原理MIMO技术可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。OFDM 技术可以提高频带利用率，具有较强的抗频率选择性衰落。而将两者结合而成的MIMO-OFDM系统则可以融合两种技术的优点，具有广阔应用前景。2.1 OFDM 基本原理OFDM(正交频分复用)78是一种多载波的调制方式，基本思想是将信道分成若干个正交子信道，将高速数据流转换成若干并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过

27、在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM系统基本模型框图如图2.1所示： 串/并+并/串积分信道积分积分图2.1 OFDM系统基本模型框图对于OFDM系统而言，在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发

28、检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。2.2 MIMO 的基本原理MIMO是指信号系统发射端和接收端，分别使用了多个发射天线和接收天线，因而该技术被称为多发送天线和多接收天线(简称多入多出)技术，它可看着是分集技术的一种衍生。MIMO技术的实质是为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。空间复用就是使用多天线系统，使每副发射天线发送的信号都与其它发射天线发送的信号有微小区别，

29、充分利用空间传播中的多径分量，在同一信道中，同时传输多路信号，从而使得系统容量大为提高。MIMO 技术的关键9是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增加因素，它有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高数据传输速率，它的成功之处在于它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信性能上几个数量级的改善。系统容量指通信系统在一定信噪比条件下所能达到的最大传输速率，是衡量通信系统的重要指标之一。MIMO系统结构简单示意图如图2.2所示： 好 . . M个发射天线 信道散射环境 N个接收天线 图2.2 MIMO系统结构简单示意图对于一个信道为独立瑞利衰落，发

30、射天线个数为M，接收天线个数为N的 MIMO 系统，在收发天线之间形成N M阶信道矩阵H ，在某一时刻t，信道矩阵为: (2-1)其中，是从第 j 个发射天线到第 i 个接收天线间的瑞利衰落系数。则系统容量为： (2-2)其中，是接收端平均信噪比。当M ，N 很大时，信道容量C 可以近似为： (2-3)由此得出，和单输入单输出信道（SISO）的容量公式相比，多输入多输出（MIMO） 系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大，成倍提高衰落信道下的信道容量。使用MIMO 技术可以提高信道的容量，而且也可以提高信道的可靠性，减少错误率。2.3 MIMO-OFDM 系统OFDM能将频率选择性衰落信道

31、转化为若干平坦衰落子信道, 在平坦衰落信道中引入空时编码技术，能够大幅度的提高了无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落、抑制噪声和干扰，而因此将空时编码与OFDM相结合，构成的MIMO-OFDM系统能够大大的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，有效的抵抗信道衰落和抑制干扰，应用发展前景十分广阔。MIMO-OFDM 系统的理论框架如图(2.3)(2.4)所示： M个并行 1 i . ; ; ; M . M QPSK/QAM调制空时编码IFFTIFFTIFFT并/串GI加循环前缀加循环前缀加循环前缀导频并/串并/串GIGI图 2.3 MIMO-OFDM 系统发射端系统框图在发送端：

32、信息数据经过信源编码之后变成数据比特流，先经过QAM 或者QPSK调制，再通过串行方式，进入空时编码器进行空时编码；然后此信息流就会变成M 路并行传输的低速数据流，并且每条线路的低速数据流分别对应一个发射天线。紧接着，为了能在接收端进行信道估计，需要插入相应的导频符号，下面就可以用M 个并行的Nfft 点 IFFT 变化器来实现OFDM调制。信号经过 IFFT 变换后，频域信号转变成了时域信号，再经过并串变换、添加保护间隔、加入循环前缀等步骤，再将形成的数据依次经过成型滤波器（用以成型）、D/A转换器（数模转换），然后上变频到一定的发射频率后发送出去。整个发射端的编码、调制和发射流程就大概如此

33、。QPSK/QAM解调M调制空时编码FFTFFTFFT并/串并/串并/串GIGIGI循环前缀循环前缀循环前缀信道估计图 2.4 MIMO-OFDM 系统接收端系统框图在接收端：接收端的接收天线接收到发送端发来的信号，而M个发射天线发射的信号叠加在一起构成接收端任意接收天线接收到的信号。如果发送接收天线之间的每个信道是互相独立的，则这些发送信号所经历的信道衰落也是不同的。接收机接收到的信号依次经过下变频、模数转换、定时和同步（用来频率偏移估计和载波时钟恢复）等步骤，在确保采样时钟和载波频率无误后，便可将在接收信号中进行抽样的结果经FFT变化器进行OFDM解调。将FFT变换后的频域信号进行信道估计

34、，并将其结果一边进行频偏和定时跟踪，一边用于将信号解调后的信号进行空时解码，最后便可经过解调恢复原有的数据。目前对 MIMO-OFDM 技术的研究主要有以下两个方向10:首先是基于 OFDM 的空间复用系统，主要利用无线信道的多径传播特性产生并行空间信道，从而提高数据的传输速率。其次是空时编码 OFDM 系统，即OFDM 与基于发射分集的空时码的结合。OFDM在频域把信道分成若干正交子信道，可以有效地抵抗符号间干扰ISI。空时编码能够充分利用空间、时间上的分集，因此将空时编码与OFDM相结合构成空时编码OFDM系统，能够大幅度地提高系统的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗衰落、抑制噪声和干扰。

35、它的缺点是随着传输天线数目的增加，译码复杂度也会随之增加。按照空时码编码方式的不同它可以分为空时格码 OFDM 和空时块码 OFDM。空时格码（STTC）以格形编码调制为基础，具有很高的编码增益和分集增益，能够有效的抵抗衰落和抑制噪声，其频带利用率由所选星座图决定。由于格码的最佳译码为 Viterbi 译码，当天线数目固定时，它的编译码复杂度随发射速率的增大而指数增加，这时接收机的结构就会变得复杂而难以实现，这是它的最大缺陷。空时块码（STBC）有效地克服了空时格码译码过于复杂的缺点，利用了正交设计理论，从而支持最大似然检测译码算法，接收机完全采用线性处理技术，虽然它的抗衰落性能比 STTC

36、稍差，但它的最大分集能力与 STTC 相同。STBC 的优点是译码复杂度低，并且能获得最大的分集增益，但是它不能提供任何实质上的编码增益。2.4 本章小结本章简要介绍了 OFDM 和 MIMO 技术的特点，以及 MIMO-OFDM 系统的系统结构和原理。MIMO-OFDM系统则可以融合两种技术的优点，有效提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并具有较强的抗多径衰落和抗噪声性能。第三章 无线信道的特性与建模3.1 无线信道分析无线移动信道的主要特征是信道强度随着时间和频率的变化而变化，所呈现出的这种时变性大致可分为两种类型：大尺度衰落和小尺度衰落。无线信道的传输特性具有很大的随机性，而且具有与传

37、播距离成正比的衰减特性。这些衰落一般可以归结为三类：(1) 自由空间传播损耗及其弥散(2) 阴影衰落(3) 多径衰落自由空间传播损耗及其弥散和阴影衰落都属于大尺度衰落，表征接收信号在一定时间内的均值会随传播距离和环境的变化而呈现出缓慢的变化；多径衰落属于小尺度衰落，表征接收信号在短时间内呈现出的快速波动的情况。本章重点讨论小尺度衰落的特点及模型。小尺度衰落11，指无线信号在较短传播时间或距离内有较大的幅度衰落。产生小尺度衰落的原因主要有多径传播所引起的时延扩展、Doppler 效应所造成的频率调制、信号带宽大于无线信道相干带宽时所产生的频率选择性衰落。3.1.1 多径效应多径效应12（mult

38、ipath effect）：电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。在实际的无线电波传播信道中(包括所有波段)，常有许多时延不同的传输路径。各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落。因此，多径效应是衰落的重要成因。多径效应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。多径效应工作原理如图3.1所示：图3.1 多径效应工作原理图就一般情况而言，信道中电波的传播往往是许多路径众多反射波的合成，由于电波通过各个路径的距离不同，各个路径来的反射波到达时间就不相同，相位也不相同，而不同相位的信号在接收端

39、叠加，有时互相加强(方向相同)，有时互相减弱(方向相反)。因此，接收信号的幅度会急剧变化，产生衰落。这种由多径现象所引起的衰落便称为多径衰落。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，称之为时延扩展。信道的多径时延扩展Tm的倒数可近似地定义为信道的相干带宽Fc： Fc=1/Tm （3-1）当信号的带宽比相干带宽Fc小时，信道对信号的所有频谱分量有大体相同的衰落影响，即信号的所有频率分量在信道内的衰落是一致的，信号波形不会产生失真，信道表现为频率非选择性(平坦)衰落，此时信号的时域宽度远大于多径时延扩展，时延扩展区间内散落着若干个无法分辨的多径，多径信号之间的相

40、位差很小，只要信号的自相关特性比较理想，信号的形状不会有明显的变化，从而基本保持其原始的谱特性；反之，当信号的带宽比信道相干带宽Fc大时，信道对频率间隔大于Fc的信号频谱处的衰落是不相干的，有的频率分量衰减大，有的频率分量衰减小，信号波形将产生严重失真，信道表现为频率选择性的，此时，信号的时域宽度小于多径时延扩展，时延扩展区间内散落着若干个多径，而且其中必定有一部分多径表现为可以分离的情形，多径信号到达的相位差可以取到 0,2)的任意值，相位差为1800的多径信号对的对消将引起严重的衰落，从而信道使信号严重失真。3.1.2 Doppler 效应Doppler 效应是指，由于移动台的不断运动，当

41、达到一定速度时，固定点接收到的载波频率将随运动速度的不同，产生不同的频移。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，Doppler 频移实质上是一种非人为的频率调制。移动台与接收机之间的相对运动引起的Doppler频移可由公式( 3-2) 来表示: ( 3-2)其中，v表示移动台的移动速度，表示载波波长，为速度方向与收发端径向之间的夹角。由公式( 3-2) ，可知最大 Doppler 频移: ( 3-3)若假设各个方向到接收端的入射角(,)是均匀分布的，则接收信号的功率谱密度为: ( 3-4)其中，fc是载波频率，Pav是各向同性天线接收到的平均功率，此式即是 Clas

42、sic谱。可见信号的功率谱被扩展到()中去了。移动台与基站之间的相对运动及多路径环境下物体运动造成的信道的时变特性，导致在无线通信中，接收端每过一段时间就要对信道进行估计，以捕获信道的时变信息，即时调整接收端的信道模型参数，提高相关接收的性能。一般采用相关时间的概念来表征信道参数基本维持不变的时间间隔，相关时间定义为： ( 3-5)在相关时间间隔内，信道具有很强的相关性，若基带信号的带宽远大于最大Doppler 频移，则信号的时域宽度远小于相干时间，可以认为一个符号内的传输不受 Doppler 频移的影响。3.1.3 信道衰落的分类根据多普勒频移扩展和多径时延扩展与信道带宽的不同关系，可以将小

43、尺度衰落分类为：（1）快衰落：这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠性。（2）慢衰落：接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值(平均值)也会出现缓慢变化。它主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。（3）频率非选择性平坦衰落：是指信号的带宽比信道带宽窄，各种频谱分量能以相同的衰落增益通过信道，经历一种平坦的衰落过程，这种衰落使信道的增益呈现时变特性，接收信号会随时间的变化而变化。实际上就是单径信道模型。（4）频率选择性衰落：当信号的带宽大于信道带宽时，必定有部分信号频谱经历的衰落与其它部分不一样，某

44、些频率成分与其它的成分获得了不同的增益。从以上分析可以看出，复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是无线通信这一方式本身所决定的。3.2 MIMO 无线信道模型理论3.2.1 MIMO 相关信道天线的相关性、子信道的相关性和多径的相关性等都可能引起 MIMO 信道之间存在相关性。通常在实际信道中，多径相关性都较小，在仿真建模中一般认为多径信号之间是相互独立的，以简化建模的复杂度。子信道之间的相关性是指一个发射天线到一个接收天线之间的信道同另一对收发天线之间的信道存在的相关性，而这种相关性主要也是由于天线之间的相关性引起的。因此考察 MIMO 信道的相关性时，主要就着眼于天线之间的相关性。考虑

45、典型城区环境下的 MIMO 系统传播环境，发送端的M 条发送天线和接收端的N 条接收天线都处于有丰富散射体的散射环境中。假定在接收天线的远场区只存在很少的强反射体，一般认为这些强反射体的发射信号代表一个可分辨径，此可分辨径同样是由大量的入射波合成的，这些入射波的相对时延很小，不能为接收机所分辨。可假定接收机的可分辨径数目为L。则信道可以表示为： ( 3-6)其中是第l条可分辨径的信道衰落矩阵： ( 3-7)Hj 矩阵元素都服从零均值复高斯分布且具有同样的平均功率pl，hlnm表示第m条发射天线到第n条接收天线的第l径的信道衰落。由于空间效应的存在，这些信道衰落之间并不是相互独立的。可以考虑用一

46、个信道相关矩阵来表示 MIMO 系统信道之间的相关性，用矩阵Rl 来表示这个相关矩阵，同时构建一个矩阵Al ： ( 3-8)Al 表示不存在空间相关性的 MIMO 系统信道响应矩阵，Al 中的各元素之间相互独立。则 MIMO 系统的相关信道矩阵可以构建为： ( 3-9)其中pl 是第l径的平均功率，其值由功率延迟分布决定。从上述分析可知，要构建 MIMO 系统的相关信道分三步：一是确定系统所处的传播环境，不同的传播环境对传播信号来说服从不同的功率延迟分布和时间延迟分布；二是建模L NM个相互独立的无线信道，这些无线信道的建模方法可以参考单天线系统；三是计算 MIMO 系统的相关矩阵R1314。

47、其中，相关矩阵的计算方法详细的推导可以参见文献1314。MIMO 系统可以看成是M 个 SIMO 系统或者N 个 MISO 系统的叠加，因此我们可以分别从收发两端来观察信道之间的相关性。而 MIMO 系统各信道对之间的空间相关系数可以由收发两端的空间相关系数推得。对收发两端的相关矩阵 和做 Kronecker 乘积就可以得到 MIMO 系统的信道空间相关矩阵Rl ，因此我们只须分别考虑收发两端的散射环境分别计算 和 即可。再根据： (3-10)就能得到 MIMO 系统的信道相关矩阵。信号的空间相关性随着天线的间距增大而下降，而在天线间距一定的情况下，角度扩展越小（即散射环境越弱），则信号的空间

48、相关性越强，当天线间距和角度扩展都一定的情况下，平均离开角越小则信号的空间相关性越强。3.2.2 相关模型相关模型（也即统计模型）用独立的复高斯相关矩阵来分别表示系统的收/发两端。服从 Rayleigh 衰落的 MIMO 相关信道模型为： ( 3-11)是维的统计矩阵，其中元素服从均值为 0 方差为 1 的i.i.d高斯分布(Independent and Identically Distributed，独立同分布)。(维)和(维)分别表示发送端和接收端的天线信号相关性。相关模型不依赖于站点的详细描述；可以通过统计平均减少观测误差；不需要直接反映出传播环境；主要用于测试算法的性能。因此该模型广

49、泛地应用于 IEEE 802 系列无线系统。3.3 本章小结移动通信系统的传输性能同其信号经历的信道密切相关，本章主要讨论了无线信道的传播环境和衰落特性，介绍了无线信道中的 Doppler 效应和多径效应；讨论了无线信道的几种模型；最后还介绍了 MIMO 无线信道模型理论，包括它的相关模型以及对 MIMO 相关信道的仿真。第四章 基于导频符号的信道估计信道估计，其实就是信道对输入信号影响的一种数学表示，而“好”的信道估计就是使得某种估计误差最小化的估计算法。信道估计算法中，基于训练序列的信道估计算法几乎可以应用于所有的无线通信系统，但是却降低了信道传输的有效性，浪费了带宽，比较适合应用于慢衰落

50、信道，但是如果在快衰落环境中，由于无线信道的时变特性，需要接收机不断地对信道进行跟踪，因此需要插入导频信息，并且导频信息也必须不断的传送，因此我们常常用基于导频符号的信道估计方法来应用于快衰落信道。下面论述主要考虑在采用连续传输方式的MIMO-OFDM系统中的基于导频符号的信道估计方法。4.1系统总体描述基于导频符号的信道估计的基本过程是，在发送端适当位置插入导频，接收端利用导频恢复出导频位置的信道信息，然后利用某种处理手段（如内插，滤波，变换等）获得所有时段的信道信息。基本步骤如下：（1）发送端导频的选择与插入 ；（2）接收端导频位置信道信息获取的方式 ；（3）通过导频位置获取的信道信息如何

51、较好的恢复出所有时刻信道的信息； 在如图4-1所示的MIMO-OFDM系统模型中，假设有个发射天线和个接收天线，输入数据经过空时编码器后被分成路低速并行的数据流，并分别进入对应的IFFT单元进行调制，最后再分别同时发送出去。系统简易框图如图4.1所示： IFFTFFTIFFTIFFTIFFTFFT图4.1 MIMO-OFDM系统的简化原理框图在图4-1中，输入数据先进入第i个IFFT（快速傅里叶逆变换）单元进行调制，再由第i个天线发送出去，其中，l是OFDM符号周期数的标记，k是子载波数的标记。如果OFDM系统中在保护间隔和同步方面都达到理想条件，那么接收天线j上解调后的OFDM信号可表述为以

52、下形式 （4-1）其中，为对角阵;为维列向量，代表加性高斯白噪声；是发射天线i与接收天线j间信道的频率响应。4.2基于导频符号的信道估计概述4.2.1 信道估计过程OFDM系统中基于导频符号的信道估计方法，即在发射端以一定的间隔把已知的导频符号插入到OFDM符号当中，经过信道后，接收端提取这些位置的信道响应，利用这些位置的信道响应作内插滤波，从而估计出其它位置的信道频率响应。在MIMO-OFDM系统中，我们要设计一个复杂度较低，而且又要有良好的导频跟踪能力的信道估计器，主要考虑以下三个方面：（1）导频形式的选择。由于无线信道的时变特性，需要接收机不断地对信道进行跟踪，因此需要插入导频信息，并且

53、导频信息也必须进行不断的传送。所以，导频的形式往往决定着估计的方法和性能。（2）导频信号的设计。MIMO-OFDM系统的接收机所收到的信号为各发送信号的线性叠加，因此我们所设计的导频符号必须相互正交，以消除天线间的干扰。（3）内插滤波方法的设计。我们所设计的内插滤波方法不但要估计精度高，还要使得其复杂度尽量的低，增强其实用性。4.2.2 导频的形式基于导频符号的信道估计中，导频的多少及其分布决定着估计的方法和性能。决定导频形式选择最重要的两个参数是： （1）最大多普勒频移（决定最小相关时间） （2）最大多径时延（决定最小相关带宽）为了提高导频的跟踪性能，适应无线信道的变化，导频符号在频率方向和

54、时间方向都要放置得足够近，并且数量又不能太多，以免减低数据传输速率。因此我们在实际的应用中应该综合考虑信息传输的可靠性和有效性，以尽最大可能符合提高通信系统的质量。导频符号的密度最低限有奈奎斯特采样定理决定。而在实际过程中，我们往往需要在信号衰落的过程中进行比理论最低值更多的采样，才能获得可靠的信道设计。若时频方向用采样定理两倍的导频符号数，设时间方向上间隔St ，频率方向为Sf ，则 （4-2） （4-3）式中，表示子载波间隔，表示信道最大时延，代表最大多普勒频移，表示一个OFDM符号时间。一般情况下，导频需要跟得上信道在时间和频率方向上的变化，需要插入足够多的导频，而导频间隔通常由通信系统

55、的多普勒频移和功率延迟来决定。常用的导频形式有梳状导频和二维散布导频。分别如图4.2的图（a）和图（b）所示。 图4.2 常用的导频形式(a)中的梳妆导频形式，导频符号在每个OFDM符号里均匀分布，(b)中的二维散布导频形式，在信道估计时需要在时间和频率两个方向上内插，但所需的导频数量较少。下面我们将对上图两种导频形式的信道估计方法进行一些研究。4.3 MIMO-OFDM系统中的梳状导频信道估计本节主要介绍MIMO-OFDM系统的一种梳状导频信道估计设计方案，它能通过导频正交性设计将MIMO-OFDM信道估计的多天线问题转化为若干独立的SISO-OFDM信道估计问题，实现更简单有效。4.3.1

56、 导频正交性设计假设系统采用梳状导频形式，一个OFDM符号中，对应于每个发射天线的导频数目都为，且满足，K为OFDM的子载波数目。图4.3给出了一种导频方案，它能将多天线信道估计问题为单天线的情况。如图所示，发射天线i的第v个导频符号以载波i为起始位置，K/v为间隔插入到每个OFDM符号中，其中， Null Null Null X3(2) Null NullXNt(l) Null Null图4.3 正交导频设计方案很容易看出，不同天线的导频位置和信号是相互正交的，因此，对于某个特定的发射接收天线对，在导频位置不会受到其它天线发射信号的影响，即不存在天线间的干扰，从而，MIMO信道估计就可以转化为若干独立单输入单输出SISO信道估计问题。4.3.2 导频位置信道估计若记发射天线i的导频符号为维列向量，接收天线j得到的信道畸变后的导频符号向量为，则采用上述正交导频设计方案后，发射天线对i, j间导频信道的频率响应LS估计式为 （4-4）得到导频符号处的信道响应值后，再通过内插滤波估计出它载波位置的信道响应值。采用上述正交导频设计方案后，MIMO-OFDM系统中的多天线信道估计问题转化为SISO-OFDM的单天线问题。OFDM系统中基于导频的信道估计总体框图如图4.4所示： Y(k) Yp(k) FFT后 估计的的信号