MIMO系统和广义多载波时分双工混台多址蜂窝系统中的信道估计器的设计.pdf

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在移动通信系统中,MIMO系统利用多个天线来发送和接收信号,能够增加信道容量, 并且在使用相同的总功率和带宽的条件下,比SISO系统有着更高的频谱利用率。理想条件 下,MIMO系统容量随天线数目线性增加。同时,多载波通信方案的出现,使得每个子载 波上的数据传输速率相对较低,从而减小了码间串扰。多载波方案的使用,使得系统对信道 的时延弥散性不敏感,即使不使用均衡器也能获得良好的性能。目前,这两种技术已经成为 第三代以及未来移动通信系统实现高速率、高传输质量、高系统容量的关键技术2一。而基 于此系统寻找高性能的信道估计方法一直是通信领域里的重要研究方向。   本文基于两种系统进行了讨论。   首先是在MIMO.OFDM系统中进行信道估计的算法仿真。信道估计器通常分为两类: 判决反馈估计器和导频符号辅助估计器。从接收机复杂度和性能要求出发,导频辅助估计器 为较常用的方法。根据某种误差最小的准则一般可分为最小二乘估计(LS)和最小均方误 差估计(MMSE)。在实际应用中,如何设计一种既有较低的复杂度又有很强的信道跟踪能 力的信道估计器是一个比较困难的问题。在本文第四章,从导频序列的设计开始,研究了时 变频率选择性衰落信道下MIMO—OFDM系统的传统信道估计技术,并将性能仿真结果进行 比较和分析。   然后是在广义多载波时分双工混台多址蜂窝移动通信系统中进行单载波分块传输系统 的信道估计的实现。利用带循环前缀的导频序列作为时隙间的保护间隔.构造了一种新的双 循环正交的时隙结构。基于这种双循环分块传输方案,采用了最小二乘估计准则下的信道估 计算法,并利用简单的插值方法来获得信道估计值。结合系统的结构特点,考虑到硬件实现 的复杂度等问题,采用流水线处理技术,给出了最小二乘准则下基于循环正交导频序列信道 估计算法的FPGA硬件实现结构,并用很少的硬件资源实现了该算法。
Abstract Abstract MIMO systems, having multiple antennas at transmit and/or receive ends, can increase channel capacity and provide very high spectral efficiency while using the same total power and band width as SISO systems, In ideal conditions, the capacity of the MiMO channel can be improved linearly with the number of transmit/receive antennas. Meanwhile, the appearance of multiple carriers communicate method makes the data transmit rate of each sub-carrier and reduces the ISI. The using of the multiple carriers makes system insensitive for time-delay dispersion of channel. Thus, system can also get good performance without equalizer So the two technologies become key ones for high data rate, performance and capaticity in 3G mobile communication systems and beyond. And the research of channel estimation algorithms with high performance and low complexity is important in communication field This article does the researches in the two systems Firstly, it presents the algorithm simulations of channel estimation in the MImo-OFDM system. The channel estimators are usually classified into two types. One is decision feedback estimation; the other is pilot symbol assisted estimation. The latter is in common use while considering the complexity of the receivers and performance of the systems. According to some criteria such as minimizing certain error, least square and minimum mean square error estimators are mostly used. In practice, it's hard to design an estimator with low complexity and high channel track performance. In Chapter 4, beginning from the desigh of optimal pilots, the channel pulse response estimators in MIMO-OFDM systerms are investigated on time-variety frequency selective fading channels Secondly it implements the channel estimation of single carrier block transmit system in the General Multi-Carrier Time Diversion Duplex x- Divison Multiple AccesS(GMC-TDD-XDMA) cellular mobile communication system. In this scheme, the guard interval of between time slots is composed of the cyclic prefixed pilot sequences. Based on this dual cyclic block transmit method get the channel impulse response using the ls channel estimation algorithm and simple interpolation algorithm. Considerating the characteristics of the system structures and the complexity of hardware implementation, a hardware structure of channel estimation based on cyclic orthogonal pilot sequence and LS algorithms, featuring on pipeline architecture, is given Then we implement this algorithm with few resources based on field programmable gate array(FPGA) Key Words MIMO, multiple carriers, MIMO-OFDM, GMC, pilot, channel estimation slot structure, FPGA 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名:姻形日期:2m637 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论 文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包 括刊登)授权东南大学研究生院办理。 究生装名。五姻珠一导师名御半日 第一章绪论 第一章绪论 随着人类社会的发展和进步,信息的获取、传输和消费已经成为人类社会生活中举足轻 重的角色。移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信方式,能解决人们在活动中与固定终 端或其他移动终端进行通信联系的要求,提高了工作效率,带来很大的社会效益和经济效益. 因此在过去的二十年里,无线通信技术获得了迅猛的发展和广泛的应用,极大地推动了社会 经济的发展,改变了人们的生活方式。随着无线通信技术的飞速发展,人们对无线网络性能 和数据速率的要求也越来越高。下一代移动无线通信系统的主要目标是提高链路吞吐量和网 络容量,建立一个无处不在的无线通信系统以及提供一个无缝链接的高质地无线服务 1.1论文研究背景 早期无线通信得益于电磁波理论和电报电话技术,提供点对点无线电话和无线电报传输 业务,这就是一种较为简单的模拟无线通信技术。直到1897年MG马可尼完成了的定站与 一艘拖船之间的无线通信试验,才标志着真正意义上的移动通信产生了 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域内大幅度提高系 统容量的问题,使得在人口密集的城区提供充足的移动电话业务成为了现实。 第一代移动通信系统(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,提供的服务仅为语音服务。它开始于二十世纪七十年代末到 八十年代初,主要代表为:北美先进移动电话业务(AMPS)、欧洲的全接入系统(TACS) 北欧的北欧移动电话(NMT)及日本的日本电话和电报(NmT)等等。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模集成电路技术的长足发展,移动通信技术很快的进入数据 化,它在关键的空中接口环节上釆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(CDMA)技术;在业务上,除了移动电话外,还支持最人速率不 超过96Kbps的窄带数据传输。这就是通常所说的第二代移动通信系统(2G)。它能够提供 数字话音通信,提供了更高的频率利用率、更好的数据业务及更先进的漫游能力,改普了第 代系统存在的不足 但是,第二代移动通信系统在很多方面仍然没有达到人们的要求,比如没有统一的全球 标准、传输速率低等,这些需求是高速率移动通信系统发展的动力。在此情况下,具有 96150kbps传输能力的通用分组无线电业务(GPRS: General Packet services)系统和384kbps 传输能力的增强数据速率技术(EDGE: Enhanced Data Rate for GSM Evaluation)开始出现, 并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术 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。作为近期目标,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。在提交给mTU( Intemational telecommunication Union)的关于第二代数字移动通信 系统(3G,TU称为IMT2000,欧洲称为UMTS( Universal mobile telecommunications System)的各种方案中,欧洲提出的基于GSM的 WCDMA,北美提出的基于S95的 CDMA2000和中国提出的 TD-SCDMA成为主流体制,用码分多址的空中接冂标准已基本 东南大学硕士学位论文 达成共识。总体要求是:古用更高的频段(2GHz)和更大的带宽(5MHz);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;支持更高速率的数据 传输:室内2Mbps、室外步行384Kbp、室外高速移动144Kbps;与第_代移动邇信网兼容 具有更高的频谱利用率及更高的系统容量 人们认为最高速率只有2Mbps的第三代移动通信系统称不上真止的宽带多媒体通信, 于是,仕提出3G技术方案的同时,便有人提出了超3G(即后3G)的无线传输技术研究 甚至是4G、5G的概念。 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,具有非对称的超过2Mbps的数据传输能力 其主要技术特征为:高数据速率、高系统容量、高频段、支持各种新多媒体业务、支持卜一 代因特网、与固定公众网和专用网的“无缝”链接。关键技术包括:智能大线技术、软什无 线电技术、MMO技术、OFDM技术、混合ARQ技术、多用户检测技术和P技术。 1.2技术现状 无线移动通信系统的最大瓶颈在于空中接口,即无线传输技术。新一代移动通信系统给 无线传输技术提出的主要问题是:如何大幅度的提高频谱效率;如何实现高达几十到几白 Mbps的峰值无线数据传输。 多输入多输出( Multiple Input and Multiple Output,MMO21)和止交频分复用 ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM31)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,而将两者结合的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髙速数据传输"最具希望的解决方案之一,具有很人 的发展前景 1.2.1移动通信系统中的多天线技术 移动通信系统中的MIMo( Multiple Input Multiple Output)技术指得是利用多发射、多 接收天线进行无线信道传输的技术。多天线技术在无线通信中的应用主要包括三个方面,即 空间分集、空间复用和智能天线。使用MMo技术可以有效的提高数据速率及信道容量, 理想条件下,MIMO系统容量随天线数目线性增加,为提高无线网络的信息吞吐量、扩人 覆盖区域和提高传输质量提供了巨大潜力,是后3G,甚至4G的关键技术。 当各个天线间相互距离足够远,各个发射天线到各个接收天线间的信号传输可视为相 独立时,所采用的多大线可称为分立式天线,比如应用于空间分集的多天线就属丁这种情况。 若各个大线间距离很近,各个发射天线到各个接收天线的信号传输是相关的,系纷利用多大 线合成波束的方向性改善系统性能,则所采用的多天线属于大线阵列范畴,可称为集中式大 线。本文讨论的MMO技术特指基于分立式多天线的MMO技术。移动通信中分立式多大 线的作用主要是:空间分集、数据传输、干扰抵消等。 空间分集是用来克服无线传输中的信道衰落的它的原理是利用多大线实现空间多个更 复信息的信号的独立传输,使多路接收信号同时处于衰落的概率相对于单路信号的概率人人 降低,进而克服信道衰落,达到提高传输质量的目的。空间分集又可分为发射分集和接收分 集 而本文采用的分层空时结构是来用并行数据无线传输的结构,常称为 BLAST bel- aboratories layered space-time),基本原理是将信源数据做分为多个数据子流,分别经 第一章绪论 过多个信道编码器编码,或者不经过信道编码,直接进行调制映射,得到的多路调制信号进 行空间域和时间域的信号构造后,再由多个发射天线发射出去。经无线信道传播后,由多接 收天线接收,在接收机中经解调检测译码得到判决数据。 实际上,在分层空时结构中,多发射天线是用来实现高数据速率的,多接收大线是用米 进行空间多路信号的干扰抵消的。采用分层空时结构可以获得极高的数据速率,是k来移动 通信系统中为了获得大系统容量而极有可能采用的方案之一。3PP(3 rd generation partership project标准已经将其作为MMo技术中的一个重要提案。这里我们主要讨论垂直分层结构 (V-BLAST) 1.2.2移动通信系统中的多载波技术 传统的通信系统采用单载波方案。单载波系统在数据传输速率不太高的情况下,多径效 应对信号符号之间造成的干扰不是特别严重,可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正 常工作。但是对于宽带业务来说,由于数据传输的速率较高,时延扩展造成数据符号之间的 相互交叠,从而产生了符号之间的串扰,这就需要引入复杂的均衡算法,还要考虑算法的可 实现性和收效速度。并且,当信号带宽超过或者接近信道的相干带宽时,信道的时间弥散性 将会造成频率选择性衰落,使得同一个信号中不同的频率分量受到不同的衰落。为了克服单 载波方案的缺点,我们引入多载波的通信方案,即把数据流分解为若干个子比特流,使得每 个子数据流具有低的多的传输比特率,同时利用这些数据流去调制若干个载波。这时,数据 传输的速率相对较低,码元周期较长,只要时延扩展与码元周期相比小于一定比值就不会造 成码间串扰。因此多载波方案对于信道的时延弥散性不敏感,即使不使用均衡器也能获得良 好的性能,且多载波方案还具有频率分集的作用 一般的多载波方案即频分复用方案,频带被分为若干个不相交的子频带,之间具有一定 的保护频带,同时釆用滤波器组实现多载波的调制。现在使用的OFDM(交频分复用) 技术是一种特殊的频分复用方案,它是96年Be实验室的 Robert w Chang提出的,并 经过1971年 Weinstein和Eber提出的使用离散傅立叶变换来完成基带的调制与解调以及 1980年 A Peled和ARuz提出的循环前级对其进行改进后得到的一种可以有效对抗fS的高 速传输技术,已经得到了广泛的关注 1.3论文研究内容概述 本文针对MIMO多载波移动通信系统中信道估计技术展开了分析研究,研究过程中, 采取了理论分析和计算机伤真相结合的手段,主要进行了以下两个方面的|竹: 针对 MIMO-OFDM系统,深入研究基于导频序列的信道估计方法,依次分析了系统中 导频的选取方法,LS估计算法以及MMSE估计算法,在此基础上给出了基于它们的改进算 法,进一步提高估计精度、降低算法复杂度,并结合计算机仿真分析比较了这些算法的有效 性和可行性。 针对B3G课题组提出的GMC系统,对其采用的信道估计算法进行了分析理解,在单 个子载波数字基带系统中实现了其FGA的硬件实现。 论文结构如下 第一章介绍了系统的背景知识即移动通信的发展历程,叙述了移动通信系统中MMoO 技术及多载波技术的研究概况,并说明了整个论文的研究内容及安排。 第二章描述了无线移动信道的基本特性、信道模型,研究了信道仿真模型的算法实现。 东南大学硕上学位论义 第三章分析了 MIMO-OFDM系统的基本原理和数学模型。 第四章研究了 MIMO-OFDM系统中的信道脉冲估计方法,并对它们的性能进行了仿真、 比较和分析。 第章简要介绍了进行FGA设计的芯片及设计方法,并重点阐达了基丁单个子载波的 信道估计模块的硬件实现方案。 最后进行了全文的总结,概括了本论文所做的工作,并对今后的发展进打了展望。 第二章移动无线信道 第二章移动无线信道 2.1移动无线信道的衰落特性 21,1移动无线信道对传输信号的影响 移动无线信道是一种时变多径信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的 衰减损害,这些来自不同途径的衰减损害对通信系统的性能带来极大的影响。这些损害可以 归纳为三类。接收信号的功率可用公式(21)表示为: P(a)=a”s(a)R) (21) 式中,问表示移动台到基站的距离。当移动台运动时,距离是时间的函数,所以接收信号 功率也是时间的函数。式(21)表明了信道对传输信号的三类影响: 自由空间传播损耗与弥散,用表示,它是移动台与基站之何距离的函数描述的是 大尺度范围内(数百米或者数千米)接收信号强度随发射一接收距离而变换的特性。 2.阴影衰落,又称慢衰落,用S(a)表禾。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其 障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。它反映中等尺度(数百波长)的区间内信号电平中值 的慢变化特性,其衰落特性符号对数正态分布。 3.多径衰落,又称快衰落,用R(d)表示。这是由于移动传播环境的多径传输引起的衰落。 它描述的是在中等小尺度(数个或数个波长)范围内,接收信号场强的瞬时值呈现快速 变化的特征,其衰落特性一般符合瑞利分布,主要是由接收端周围物体产生的反射波相 叠加引起的。 东南大学硕十学位论文 路径摸失 慢衰浑 快衰落 思好 中 距离(对数 图21某一衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落 图(21)给出了某一衰落信号的路径损失、慢衰落和快衰落的示意图。从移动通信 系统工程的角度看,传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖,而多径衰落则严重影响 信号的传输质量,必须采用抗衰落技术来减少其影响。要研究这些技术,首要作便是深入 了解移动信道本身的特性,并在此基础上研究信道的统计特性,建立合适的随机信道模型。 2.1.2多径衰落信道的物理特性 移动信道是一种多径衰落信道,各条传播路径上的信号幅度、时延及祁位随时随地发生 变化,所以接收到的信号的电乎是起伏不定的,这些多径信号相互就形成了衰落。多径传播 对于数字信号传输有特殊的影响,包括角度扩展、时延扩展和频率扩展。 角度扩展一空间选择性衰落 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度护展接收端的角度扩展是指多径信号 到达天线阵列的到达角度的展宽。同样,发射端的角度扩展是指由多径的反射和散射引起的 发射角展宽。由于角度扩展,接收信号产生空间选择性衰落,也就是说,接收信号幅值与大 线的空间位置有关。 空间选择性衰落用相干距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关 的最大空间距离。相干距离越短,角度扩展越大;反之,相千距离越长,则角度扩展越小。 2.时延扩展一频率选择性衰落 在多径传播条件下,接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极窄的脉冲信号6() 时,由于不同路径的传播距离不一样,信号沿各个路径到移动台的时间也就不同,接收信号 r()由不同时延的脉冲组成,可表示为 r()=∑a(-r,() (2.2)

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