适用于MIMO-OFDM系统信道估计的最优导频序列设计的研究

摘要

多输入多输出(MIMO)-正交频分复用(OFDM)技术作为下一代无线通信系统的核心技术近年来引起了众多相关研究者的研究兴趣。OFDM技术由于其快速的数据传输能力，简单的操作性，以及对频率选择性衰落信道具有很强的鲁棒性等优点引起了通信界广泛的关注。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道转换为平坦衰落信道，从而有效的抑制了信道中的码间干扰，目前OFDM技术在数字电视、数字音频、无线局域网等领域中得到了广泛的应用。MIMO系统能够充分利用无线信道中的多径效应，在不增加系统带宽的情况下大幅度的提高系统容量。将MIMO和OFDM的技术相结合，能够显著的提高系统容量和传输效率。
　　 在MIMO-OFDM系统中，信道估计信息通常应用于恢复原始发送的数据和信道均衡。信道信息能通过以下两种方式获得；一种足基于块状导频序列和梳状导频序列，接收端在接收数据之前已知这些导频序列所发送的信息；另一种是盲信道估计方法，盲信道估计方法通过利用发射端发送的数据的统计特性（如恒模特性）来获得信道信息。和基于导频序列的信道估计方法相比，盲信道估计方法通常需要较长的数据信息，计算复杂度较高，因此这种方法仅适用于针对慢衰落信道的信道估计问题，本文只讨论基于块状导频和梳状导频序列的信道估计问题。
　　 本文系统的分析了实际应用环境中影响移动通信系统信道估计性能的因素，详细介绍了MIMO-OFDM系统信道估计的研究现状、关键问题和主要算法。着眼于信道估计算法在实际移动通信中的应用，给出了基于时域的MIMO-OFDM系统的最小二乘(LS)信道估计算法和最优导频序列，深入研究了多普勒频移对信道估计性能的影响。这些算法能够有效的提高信道估计的性能，增强系统的鲁棒性。
　　 在OFDM系统数据发射端，为了避免由于低通滤波器的影响而带来的数据畸变，通常在OFDM频带两端设置一定长度的保护频带，保护频带内的子载波不被导频和信号所使用。在传统的最优导频序列设计方法中，导频序列的初始位置通常选择在OFDM频带中的第一个子载波上，因而最优导频序列的初始导频会落入保护频带中无法使用，这将严重的影响信道估计的性能。针对设置有保护频带的单输入单输出(SISO)-OFDM系统，提出了一种新的最优导频设计方案，该最优导频序列中导频与导频之间等能量、等间隔，而且当OFDM保护频带宽度小于等于最大保护频带宽度(MGB)时，可以通过调整导频序列的初始位置使整个导频序列有效的避开保护频带，并计算了初始导频位置的选择范围。
　　 在无线移动通信信道中，当发射台与接收台之间存在相对运动时，发射天线的载波会产生多普勒频移效应，多普勒频移会降低信道的估计精度，它的大小与发射天线和接收天线之间的相对速度及载波频率成正比。由于OFDM系统采用多载波的调制方法，因此OFDM频带内每个子载波所产生的多普勒频移大小不同。针对多普勒频移信道环境下的OFDM系统信道估计问题，在设置最优导频序列的条件下，通过计算多普勒频移对信道估计误差产生的影响，给出了多普勒频移与信道估计均方误差(MSE)之间关系的数学表达式，它显示出信道估计值的MSE与多普勒扩展的平方成正比（这里多普勒扩展表示OFDM系统频率最大的子载波所产生的多普勒频移）。
　　 针对MIMO-OFDM系统的信道估计问题，提出了一种在时域内进行LS信道估计的方案，该方案的基本思想是利用发射天线与接收天线中的导频序列所形成的时域采样值来计算时域信道响应，通过信道的时域响应能够计算出对应OFDM频带每个子载波频率点的频域信道响应。在设置有保护频带的MIMO-OFDM系统中，保护频带宽度越大，抑制数据畸变的性能越好，然而当保护频带宽度大于MGB时，导频序列中的某些导频将会落入保护频带中无法使用，这会导致信道估计精度的大幅度降低。针对这一问题，提出了一种新的最优导频设计方案，它要求每根发射天线中的导频等间隔、等能量，而且不同发射天线之间的导频位置相互正交。对比传统的最优导频设计方法，该最优导频序列在保证信道估计精度的同时能够允许设置更大的保护频带宽度，因而能够更好的抑制由低通滤波器的影响而带来的传输数据的畸变。仿真实验验证了此设计方案的有效性。
　　 基于块状导频序列的信道估计方法通常适用于慢衰落信道的信道估计问题。传统的块状导频序列设计方法要求不同发射天线中的导频序列相互位置正交。当发射天线数目增加时，OFDM系统频带中更多的数据位资源被导频序列所占用，因而降低了系统的传输效率。为了提高系统的性能，提出了不同发射天线中的导频序列相互相位偏移正交的设计方案。该方案有效的避免了由于发射天线数目的增加而导致的数据传输效率下降这一问题，而且该设计方案所需的发射天线数目没有限制，从而能够有效的扩展了系统的信道容量，提高了系统的数据传输效率。

目录

文摘

英文文摘

英文缩略语表

第一章 绪论

1.1 移动通信的发展现状

1.2 MIMO, OFDM系统的发展历史和研究现状

1.2.1 从单载波到多载波

1.2.2 从SISO到MIMO

1.3 MIMO-OFDM系统信道估计研究的现状和发展概况

1.4 本文的主要内容及结构安排

第二章 MIMO, OFDM基本原理及信道模型

2.1 OFDM技术

2.1.1 OFDM的基本原理

2.1.2 OFDM的实现

2.1.3 OFDM系统的特点

2.2 MIMO技术

2.2.1 MIMO原理

2.2.2 MIMO信号模型

2.2.3 MIMO系统的特点和性能度量

2.3 MIMO-OFDM技术

2.3.1 MIMO-OFDM技术基本原理

2.3.2 MIMO-OFDM信号模型

2.3.3 MIMO-OFDM的关键技术

2.4 无线通信信道

2.4.1 WSSUS信道模型

2.4.2 抽头延迟线模型

2.4.3 JAKES信道模型

2.5 本章小节

第三章 无线移动通信信道估计基本算法

3.1 基于梳状导频模式下的SISO-OFDM系统信道估计

3.1.1 基于奇异值分解的OFDM信道估计算法

3.1.2 IMMSE信道估计算法

3.1.3 基于参数化信道模型的信道估计算法

3.1.4 非样本采样间隔信道环境中的信道估计方法

3.2 基于梳状导频模式下的MIMO-OFDM系统信道估计算法

3.2.1 基于离散傅立叶变换的信道估计算法

3.2.2 -种低复杂度的基于离散傅立叶变换的信道估计算法

3.2.3 信道估计中的最优导频设计

3.2.4 非等间隔导频序列中的最优导频设计

3.2.5 非样本采样问隔信道估计算法

3.3 基于块状导频模式下的MIMO-OFDM信道估计算法

3.3.1 基于空分复用的信道估计和信号探测算法

3.4 本章小节

第四章 SISO-OFDM系统信道估计算法研究

4.1 SISO-OFDM系统信道估计中的最优导频设计

4.1.1 LS信道估计与性能解析

4.1.2 最优导频序列

4.1.3 最大保护频带宽度与初始导频位置选择

4.1.4 仿真实验与结果分析

4.2 多普勒频移信道环境下的SISO-OFDM信道估计性能的解析

4.2.1 系统模型和LS信道估计

4.2.2 信道估计解析

4.2.3 式εYYH的解析

4.2.4 仿真实验及结果分析

4.3 本章小结

第五章 MIMO-OFDM系统信道估计中的最优导频设计

5.1 系统模型与时域LS信道估计

5.2 LS信道估计性能解析

5.3 最优导频序列设计

5.3.1 最优导频序列（导频序列分布在一个OFDM块中Q=1）

5.3.2 最优导频序列（导频序列分布在多个OFDM块中Q＞1）

5.4 最大保护频带宽度与初始导频位置选择

5.3 仿真实验与结果分析

5.4 本章小节

第六章 基于IEEE802.11a标准协议的MIMO-OFDM信道估计算法

6.1 MIMO-OFDM系统模型与IEEE802.11a标准协议框架

6.2 LS信道估计

6.3 LS信道估计解析

6.4 最优导频设计

6.4.1 当r=g时的情况

6.4.2 当r≠g时的情况

6.5 仿真实验及结果分析

6.6 本章小节

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间论文及获奖情况

个人简历