移动宽带MIMO-OFDM通信系统信道估计技术的研究

摘要

大系统容量、高速数据传送和高频谱效率是现代无线通信的发展方向。多输入多输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)的结合是宽带无线通信最有发展前途的技术之一，由于其所具有的优势，MIMOOFDM技术已经成为下一代移动通信系统下行高速数据传输的核心技术。MIMO-OFDM系统的空时解码和信号检测都需要精确的信道参数，因此信道估计是MIMO-OFDM无线通信系统的关键技术之一。由于接收天线上的导频接收信号是来自多个发射天线的导频信号经过各个独立信道后信号的叠加，这导致MIMO-OFDM系统信道估计的难度加大。信道估计技术通常有两类，一类是基于训练序列，一类是盲信道估计技术。目前通信系统主要应用基于训练序列的信道估计技术。论文主要研究移动宽带MIMO-OFDM系统基于训练序列的相关信道估计技术。
　　 论文首先研究了MIMO-OFDM系统信道估计的最优导频序列。利用类循环Jacket矩阵的特性，提出了一种新的最优导频序列推导方法。基于最小平方(LS)信道估计的最小均方误差(MSE)，通过构建类循环Jacket矩阵，分别推导出MIMO-OFDM系统分布在一个和多个OFDM符号上最优导频序列的表达式及其必要条件。与参考文献相比，论文的推导结果更具有一般性。推导结果表明：(1)最优导频序列在频域上是等功率、等间距和相移正交的；(2)最优导频序列的导频数量与发射天线的数量成正比，随着发射天线的增多，最优导频序列的导频数量成倍增加。为了提高传输效率和降低峰均比，MIMO-OFDM系统信道估计通常应用分布在多个OFDM符号上的最优导频序列。
　　 MIMO-OFDM系统利用分布在多个OFDM符号上的最优导频序列进行信道估计，在在慢衰落信道能够保持较好的性能，但在快衰落信道其性能恶化严重，因而在实际系统中分布在多个OFDM符号上最优导频序列的应用受到限制。为了提高分布在多个OFDM符号上最优导频序列在快衰落信道中的性能，论文提出了一种基于虚拟导频的MIMO-OFDM信道估计改进方法。虚拟导频只有数学上的意义，实际上并不存在。如果在特定的子载波上数据位置上叠加虚拟导频，可得到由实际和虚拟导频组成的特殊梳状导频结构。根据最优导频序列在一个和多个OFDM符号上分布的特点可知，每个发射天线上的虚拟导频等于其他OFDM符号同一子载波上的实际导频。假定在所有发射天线上特定子载波上的数据位置发送叠加的虚拟导频，则在每个接收天线上相同的位置上就有相对应的叠加虚拟导频接收信号。虚拟导频接收信号可以利用同一子载波上相邻的实际接收导频信号通过维纳滤波或线性内插得到。然后，利用LS信道估计，每个OFDM符号的信道估计参数可以利用OFDM符号中的实际和虚拟导频接收信号进行计算得到。仿真结果表明，在快衰落信道，基于虚拟导频的信道估计改进方法比原来方法的性能明显提高了，其性能接近梳状结构最优导频序列的性能，而且导频数量远远小于梳状结构的导频数量。同时，虚拟导频接收信号只需要在时域上进行一维维纳滤波或者线性内插运算得到，计算复杂度很低。另外，论文还提出了一种基于连续滑窗平均的信道估计改进方法，它也能够大大提高分布在多个OFDM符号上最优导频序列信道估计的性能。
　　 论文对推导出的MIMO-OFDM系统最优导频序列的性能进行了分析和评估，结果表明：(1)利用最优导频序列进行信道估计，不但能够提高系统性能，而且可以大大降低计算复杂度；(2)推导出的最优导频序列具有比较高的峰均功率比，导致其所在OFDM符号有较高的峰均比；(3)最优导频序列分布的OFDM符号数量越多，其峰均比越低。考虑到实际应用的限制，信道估计必须使用低峰均比的最优导频序列。为了得到低峰均比的最优导频序列，利用部分传送序列的思想，对导频序列乘以随机相位矢量。为了便于实现，选用PN序列作为随机相位矢量与推导出的最优导频序列相乘，能得到具有较低峰均比的改进最优导频序列。仿真结果证明了改进最优导频序列及其所在OFDM符号的峰均比都大大地下降，且性能仍保持最优。仿真结果还表明：最优导频序列分布在多个OFDM符号上比分布在一个OFDM符号上峰均比要低得多。