无线OFDM与MIMO系统中的信道缩短均衡器研究

随着通信技术的飞速发展，未来无线通信要求有更快的数据传输速率、更高的频谱利用率和更高的通信质量。正交频分复用(OFDM)技术具有高频谱效率和较强的抗多径干扰能力，多输入多输出(MIMO)技术可以在不增加额外发射功率的前提下极大地提高通信系统的频谱效率和通信链路的可靠性，它们已成为未来无线移动通信(如LTE、4G、UWB等)的关键技术。 　　 在OFDM通信系统中，通常将循环前缀(CP)插入到OFDM符号之前作为保护间隔以消除无线多径衰落信道造成的载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)，为了最大限度地消除ISI和ICI，一般要求CP长度大于信道冲激响应长度。由于无线信道的复杂性，在很多情况下，信道时延扩展很长而导致系统CP的长度不足，因此需要引入信道缩短均衡器(CSE)来缩短信道时延扩展长度，进而实现使用更短的CP来消除ISI和ICI，降低由CP所造成的带宽和功率的损失。现有的信道缩短均衡算法(如MMSE算法、MSSNR算法、MGSNR算法、MBR算法及Min-ISI算法等等)都定义了一个时延为△，长度为v+1的能量窗，其最优目标函数值都是在遍历最佳时延后得到的，通常最佳时延大于零。本文通过理论与仿真证明了，对于实际的无线OFDM系统而言，最佳时延应为0。常规信道缩短均衡器中遍历最佳时延的操作不仅增加了算法的复杂度，而且还导致无法彻底去除ISI，降低了系统的性能。 　　 目前，信道缩短均衡器的设计与算法大多是针对有线通信系统(如DSL，DMT)的信道特性提出的，其信道模型是零极点的系统模型，信道缩短均衡算法需要对系统的零点和极点都进行优化处理；即使是针对无线通信系统提出的MBER算法也并未考虑无线通信系统的信道特性。针对实际无线信道的特点，设计了一种基于零点消除的无线OFDM信道缩短均衡器，该接收均衡器利用零点消除的方式有效地缩短信道时延扩展长度，并采用反馈滤波器的形式来实现无限冲激响应滤波器。该方案不仅降低了信道缩短均衡器算法的复杂度，而且也大大简化了无线OFDM系统的设计与实现。仿真结果验证了该方案和算法的有效性。 　　 在时分双工(TDD)无线通信中，上行链路和下行链路采用相同的载频，当移动终端的速度不大时可以采用上行链路的信道估计参数，对下行的数据进行预均衡处理。预均衡技术不但可以使OFDM系统更灵活有效地选择调整下行链路系统参数(如带宽、子载波分配等)，而且可以大大简化移动终端接收机的设计。本文设计了一种简单的发射机信道缩短预均衡器，并分析了预均衡器的性能。理论和仿真结果表明，由于没有接收机端的噪声增强效应，发射机预均衡器的性能要优于接收机均衡器。 　　 MIMO技术通过在通信系统的发射端和接收端同时配置多根天线，可以在不增加额外发射功率和带宽的前提下极大地提高通信系统的频谱效率和通信链路的可靠性。MIMO技术与OFDM技术的结合可以克服频率选择性衰落、增加系统容量和提高频谱利用率，是未来无线通信技术研究的热点。MIMO-OFDM系统中利用CP来消除OFDM系统的ISI和ICI，但CP过长会降低数据传输速率，增加系统复杂度。因此在ISI严重的MIMO信道，需要信道缩短均衡器来降低CP的开销。现有的信道缩短均衡器大多是针对单输入单输出(SISO)系统设计的，很少有针对MIMO系统的。针对无线MIMO-OFDM系统的特点，本文设计了一种信道缩短均衡器，它能有效缩短MIMO信道长度，且具有较低的计算复杂度。仿真结果表明，设计的信道缩短均衡器能有效地降低系统的误码率。