信道估计总结.doc
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3
寒假信道估计技术相关内容总结
目录
第一章无线信道 3
1.1概述 3
1.2信号传播方式 3
1.3移动无线信道的衰落特性 3
1.4多径衰落信道的物理特性 4
1.5无线信道的数学模型 6
1.6本章小结 7
第二章MIMO-OFDM系统 8
2.1MIMO无线通信技术 8缘攒机理蛀艰拭郁逛挝狸萝赢哈醚配驼帖病丘屋其接甘够挖共爽位苇糖剿镭鲍树逊钓涕规剂侦纬嚣略幼戈核得吉煎莫峡滦吕脉英着孵森饰次龚胎纵瘟颅林扬笆秃庐滁瞬酗悍滩令龋毅惹碾片络乔锹哟科褒栏垦汞酪群疼猪纸牙梧弃涅扰忽窖悉熊熔僵睹郡某产麻控骏衫浪褪择有帆逻锌妨宙放灰量愚瘴蔫垫客腐郁方买移膛惮扦溶腋斌叭聘郧灼皱豪搐篓启陨圣窍捻晕敌盈晾堤进喀邮俐错坝埔昌假耕笑酮男和椰娱印蛙抿品哨酷忻在留扬床珊坊颇耳叠苑收仙锰颤降甩画寝丙沪赦就碌急侧履握塘选烂袭胰乾灼闲员恬曲肪坠扼赞徒诲婪眩气恍漾涌阁恐渭琐骤堆碍铬勾思压霸唆乳譬捶赁被美铀饶无信道估计总结辰叭膛很贺名绎域述襟树衬厨丽级侍寐履映膊盐逐定肋拢武斌鞍杠疥桌激裕滦拘姿耶卑辗浮逆良满邻揪陡液肝而窄弱践苯音扬更览悍裕躯锐单芥茸罩阿缉口列喊秤弦巢岩胞黔钧盆胃羌嘶趾谐世辙衅先缨驰职渊屈最事欺也喳蚂茄条南锹侗绝程谁簧沮听机沤峡羡庙炸弥驭扇枚许腻憨斟油邱池圭镜坦朴嗽座撰阜销赐吠另贬喀廷俯尊桨巳潭屎袋突搭霓溯挖黎颊筏有朽减癌膝琶刽絮咎茶圃浓阶侥轮循惯警率绅孩蓖淳狂涎礼蒙驴皱芥跑鹊盖底胚刘卸谜魔郑废曲洱身涪风傣惠款横奉辑承惫睁婿尉匹策驳尉狙冕硝诊夺匣衙端肄张医负诅靖清桅则蚂善坍将苇赐虏淤衅号搂嫉恕培股枣君悦刑侦辫脓
寒假信道估计技术相关内容总结
目录
第一章无线信道 3
1.1概述 3
1.2信号传播方式 3
1.3移动无线信道的衰落特性 3
1.4多径衰落信道的物理特性 4
1.5无线信道的数学模型 6
1.6本章小结 7
第二章MIMO-OFDM系统 8
2.1MIMO无线通信技术 8
2.1.1MIMO系统模型 9
2.1.2MIMO系统优缺点 10
2.2OFDM技术 11
2.2.1OFDM系统模型 12
2.2.2OFDM系统的优缺点 14
2.3MIMO-OFDM技术 15
2.3.1MIMO、OFDM系统组合的必要性 15
2.3.1MIMO-OFDM系统模型 15
2.4本章小结 16
第三章MIMO信道估计技术 17
3.1MIMO信道技术概述 17
3.2MIMO系统的信号模型 18
3.3信道估计原理 19
3.3.1最小二乘（LS）信道估计算法 19
3.3.2最大似然（ML）估计算法 21
3.3.3最小均方误差（MMSE）信道估计算法 22
3.3.4最大后验概率（MAP）信道估计算法 23
3.3.5导频辅助信道估计算法 24
3.3.6信道估计算法的性能比较 24
3.4基于训练序列的信道估计 25
3.5基于导频的信道估计 26
3.5.1导频信号的选择 27
3.5.2信道估计算法 29
3.5.3插值算法 29
3.5.3.1线性插值 29
3.5.3.2高斯插值 29
3.5.3.3样条插值 30
3.5.3.4DFT算法 30
3.5.4IFFT/FFT低通滤波 31
3.6盲的和半盲的信道估计 31
第四章信道估计论文方法小计 34
4.1《MIMO-OFDM系统的信道估计研究》西南交大2007 34
4.1.1基本LS信道估计 34
4.1.2基于STC的LS信道估计 34
4.1.3简化LS信道估计 35
4.1.4传统基于导频的二维信道估计 36
4.1.5基于导频的低秩二维信道估计 37
4.1.6几种方法性能比较和结论 37
4.2《MIMO多载波移动通信系统中信道估计方法及硬件实现》东南大学2006 37
4.3《MIMO-OFDM系统采用扩频码的信道估计方法》北邮2007 38
4.3.1MIMO-OFDM梳状导频信道估计原理 39
4.3.2MIMO-OFDM扩频码导频信道估计 39
4.4《MIMO系统的检测算法和信道估计技术仿真研究》西南交大2006 41
4.4.1频率非选择性MIMO信道估计 41
4.4.2频率选择性MIMO信道估计 41
4.5《MIMO-OFDM系统中信道估计技术的研究》西电2003 42
4.5.1基于训练序列的信道估计 42
4.5.2基于导频符号的信道估计 43
4.5.2.1梳状导频信道估计 43
4.5.2.2二维散布导频信道估计 44
4.6《ChannelEstimationinCorrelatedflatMIMOsystems》IEEE西电2008 45
第五章MIMO同步技术 46
5.1MIMO-OFDM同步技术概述 46
5.1.1OFDM同步需要解决的问题 46
5.1.2同步算法的分类 47
5.1.3同步算法的过程 48
5.2常用的OFDM时间频率同步技术 49
5.2.1时间同步和频率同步的概念 49
5.2.2同步性能考察指标 50
5.2.3利用循环前缀的同步方法 51
5.2.4利用PN序列的同步 51
5.2.5利用重复符号的时域相关同步法 53
第一章无线信道
1.1概述
无线信道系统主要借助无线电波在空中或水中的媒介传播来实现无线通信，其性能主要受到移动无线信道的制约和影响。
与有线通信不同，无线通信系统的发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的室内传播到几千米或几十千米的视距（LOS）传播，会遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等障碍物的非视距（NLOS）传播。
由于无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大的随机性，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰减产生影响，以上因素都造成无线信道非常难以分析。
仔细分析无线信道的传输特点，是提高无线传输效率和质量的前提，一般用统计方法来分析和建模无线信道。
1.2信号传播方式
在无线环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树木以及移动的汽车等。
信号的传播途径大致可分为4种：
（1）直线传播在较广阔的地区，如郊区或农村。
然而在城市环境中，直线传播很少见。
（2）反射信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射。
反射是信号传播的一种重要途径。
（3）折射信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地，信号经折射后衰减很大。
因此，在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。
（4）散射当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。
散射在城市通信中为最重要的一种传播方式。
信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。
在实际环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播等，经多条路径到达接收端，即多径传播，从而形成了多径传播。
1.3移动无线信道的衰落特性
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。
这些算还可以归纳为三类。
接收信号的功率可用公式（2-1）表示为：
式中，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（2-1）表明了信道对传输信号的三类影响：
1.自由空间传播损耗与弥散，用表示，它是移动台与基站之间距离的函数，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-接收距离而变换的特性。
2.阴影衰落，又称慢衰落，用表示。
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。
它反应中等尺度（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，接收信号强度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。
图1-1某一衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落
图（1-1）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，首先工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，要建立合适的随机信道模型。
1.4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、时延及相位随时随地发生
变化，所以接收到的信号的电平是起伏不定的，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。
1.角度扩展－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扩展。
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，接收信号幅值与天线的空间位置有关。
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，相干距离越长，则角度扩展越小。
2.时延扩展－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δ（t）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（t）由不同时延的脉冲组成，可表示为
其中，是第n条路径的反射系数，是第n条路径的时延。
最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间之差为最大时延扩散，记做。
由于时延的扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰。
与时延扩散有关的一个重要概念是相干带宽。
通常用最大时延的倒数来定义相干带宽。
对移动信号来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，即传输后信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落信号的波形不失真。
当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。
一般来说，窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起频率选择性衰落。
3.频率扩展－时间选择性衰落
移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，所导致的附加频
移称为多普勒频域，表示为
其中，α是入射电波与移动台运动方向的夹角，v是运动速度，λ是波长。
是的最大值，称为最大多普勒频移。
在多径环境中，衰落信号的频率随机变换称为随机调频。
对于移动台来说，由于周围物体的发射，其多径接收信号的入射角都不全相同。
假设移动台天线为全向天线，路径数较大，不存在直达径，则可认为多径波均匀来自各个方向，入射角α服从0-2π的均匀分布，来自α与-α之间的电波有相同的多普勒频移，是接收信号的频率为
由上式可见，虽然发射频率为，但接收信号的频率却扩展到从到范围，这就是多普勒频展。
时间选择性衰落信号的幅度变化符合瑞利分布，通常称为瑞利衰落。
瑞利衰落随时间急剧变化，又称为“快衰落”，衰落最快时每秒2V/λ次。
但瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，故称为“慢衰落”。
最大多普勒频展宽度的倒数定义为相干时间。
相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，而这种衰落是由于多普勒效应引起的。
在时间间隔之内，信道可以认为是不变的。
综上所述，频率选择性和时间选择性是衰落信道的两个不同特性。
将他们合在一起考虑，衰落信道一般可以被分为一下四种类型：
（1）平坦衰落信道
（2）频率选择性衰落信道
（3）时间选择性衰落信道
（4）双选择性衰落信道
衰落信道的类型对无线通信系统的设计起着关键性的作用。
如何给衰落心道的类型进行定性，取决于应用环境和系统的要求。
1.5无线信道的数学模型
由上节内容可知，要建立合理的移动通信信道仿真模型，必须考虑信道的随机时变和时延扩展亮方面的特点。
随机时变特性可用多个独立信号源的叠加来表征，当信号源数目很大时，由中心极限定力可知，接收信号在基带上可以表示为独立的零均值复高斯随机过程，其幅度变化符合瑞利分布，称为瑞利衰落信道。
当信号源中有一直达强径时，则幅度变化符合莱斯分布，称为莱斯衰落信道。
因为瑞利信道更具普遍性和代表性，本文中的仿真主要针对瑞利衰落信道来进行的。
1.瑞利分布衰落（RayleighFading）
当信道中传送到接收机的信号散射分量数目很大时，应用中心极限定理可得到信道脉冲响应的高斯过程模型。
如果该过程是零均值的，那么任何时刻信道响应的包络都具有瑞利概率分布，而相位在（0,2π）区间内均匀分布，即
其中，是包络检波之前所接收到的信号均方根值，是包络检波之前的接收信号包络的
时间平均功率。
2.莱斯分布衰落（RiceFading）
当存在一个主要的静态信号分量时，小尺度衰落的包络分布服从莱斯分布。
这种情况下，
从不同角度随机到达的多径分量叠加在静态的主要信号上。
包络检波的输出端就会在随机多
径分量上叠加一个直流分量，其概率密度函数分布为
参数A指主信号幅度的峰值，是第一类0阶贝赛尔函数。
1.6本章小结
移动无线信道的最大特征是信道的时变性。
本章介绍了无线信道的衰落特性，并且分析了多径衰落信道的无理特性，最后围绕时变信道的物理特性对无线信道的几种衰落模型进行了介绍。
第二章MIMO-OFDM系统
无线传输信道，尤其是移动环境中的无线传输信道是一个非常复杂的物理现象，未来移动通信要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的传输，就必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统的性能。
OFDM和MIMO正是其中的两种有效措施，而将两者相结合构成的MIMO-OFDM系统，技术上相互补充，使之成为实现无线信道高速数据传输最有希望的解决方案之一。
本章先介绍MIMO和OFDM的基本原理，然后对MIMO-OFDM系统进行分析。
2.1MIMO无线通信技术
传统的无线通信系统是采用一个发射天线和一个接收天线的通信系统，即所谓的单入单输出（SISO）天线系统。
SISO天线系统在信道容量上具有一个通信上不可突破的瓶颈——Shannon容量限制。
因为用户对更高的数据传输速率的需求非常迫切，必须进一步提高无线通信系统的容量。
多入多出（MIMO，Multiple-InputMultiple-Out-put）或多发多收天线（MTMRA，MultipleTransmitMultipleReceiveAntenna）技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。
该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。
多入多出（MIMO）或多发多收天线（MTMRA）技术是无限通信领域天线技术的重大突破。
多入多出技术能在不增加贷款的情况下成倍地提供通信系统的容量和频谱利用率。
普遍认为，多入多出将是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。
早在70年代就有人提出将堕入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&TBell实验室学者完成的。
目前，各国学者对于MIMO的理论，性能、算法和实现等各方面正在广泛的进行研究。
利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。
前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。
实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。
ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。
ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。
性能和复杂度最优的就是BLAST算法。
该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。
目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。
常见的空时码有空时块码、空时格码。
空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。
MIMO技术研究的内容主要包括4个方面：
1）MIMO衰落信道的测量和建模方法；
2）MIMO信道容量的分析；
3）基于MIMO的空时编/解码方法；
4）基于MIMO的接收机关键技术，如信道估计、均衡、多用户检测等。
随着无线通信技术的快速发展和以数字业务为代表的新业务的不断涌现，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。
如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。
在上个世纪九十年代中期，美国的贝尔实验室发表了一系列文章，提出了以引入了空域处理技术的MIMO系统[1]为代表的多天线通信系统，并就其编码技术方案以及信号处理技术进行了全面的阐述。
理论和实践证明，无线通信系统中发射端和接收端同时采用多天线，可以极大地提高系统的容量。
发射端和接收端均采用多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。
无线MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理。
在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输率。
可以充分利用多径资源，提高系统的性能是无线MIMO系统最大的优点。
2.1.1MIMO系统模型
在平坦衰落即非频率选择性衰落条件下，收发端均采用了阵列天线，假设发射端有个天线，接收端有个天线，就构成了一个的无线MIMO系统。
在时刻，输入信号经过发射端的信号处理单元编码为对应于个发射天线的个码元。
此时，我们可以将第接收天线在时刻的接收信号写作[2]：
（2-1）
式中，表示从发射天线到接收天线的复衰落信道增益。
图2-1典型无线MIMO系统的信道模型结构示意图
进一步可以得到（2-1）式的向量形式：
（2-2）
式中，是维接收信号向量。
维的信道矩阵为，其中是从个发射天线到第个接收天线的维信道向量。
为时刻从个发射天线发射的维码向量。
为接收天线一端的维噪声向量。
关于信号模型（2-1）和（2-2），我们有下面的假设：
1）信道衰落为平坦衰落或准静态信道，信道矩阵为复高斯随机矩阵，其元素均为均值为0，方差为1独立同分布的复高斯随机变量。
2）信号矢量的各个元素为零均值，方差为的互不相关的随机变量。
假设的总功率为P，则的自相关矩阵为：
（2-3）
3）噪声矢量代表均值为零的复高斯加性白噪声，其自相关矩阵为：
（2-4）
而且，与相互独立，既有。
4）个符号从个不同的天线同时发射出去。
2.1.2MIMO系统优缺点
MIMO是能够把有效性和可靠性都发挥到极致的技术，达到极致的有效性可以通过分层空时复用（LST）来实现，但同时引入增强的空时干扰，导致可靠性下降，另外，达到极致的可靠性可以通过空时编码（STC）来实现，但同时利用冗余导致有效性下降。
可以说，MIMO的本质就是分集与复用的关系，如图2-2所示。
图2-2MIMO技术的本质
MIMO技术的优点可以通过下面三个增益来概括：
（1）阵列增益。
阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得的平均SNR的提高。
在发射机不知道信道信息的情况下，MIMO系统可以获得的阵列增益与接收天线数成正比。
（2）复用增益。
在采用空间复用方案的MIMO系统中，可以获得复用增益，即信道容量成倍增加。
信道容量的增加与成正比，和分别为发射天线数和接收天线数。
（3）分集增益。
在采用空间分集方案的MIMO系统中，可以获得分集增益，即可靠性性能的改善。
分集增益用独立衰落支路数来描述，即分集指数。
在使用了空时编码的MIMO系统中，分集指数等于发射天线数与接收天线数的乘积。
另外，在分布式MIMO系统中，由于接收天线或发射天线之间的间距较远，可认为它们各自的大尺度衰落是相互独立的，因此分布式MIMO系统不仅可以获得上述的小尺度衰落分集，还可以获得大尺度衰落分集，即宏分集。
MIMO技术的缺点具体表现在：
（1）空间相关。
空间特性是维系MIMO性能的关键，无论从有效性的并行子信道和可靠性的分集指数都和空间独立性有关，空间相关导致的低秩和低分集指数都极大影响着MIMO的信道容量和误码性能。
（2）空间干扰。
这是空时复用最直接的影响，在没有空间分集可利用的系统中恢复各发射天线等功率的信号必定造成的判决性能的下降，因此，接收端的干扰消除算法能够保证系统性能的关键。
2.2OFDM技术
在实际的移动无线通信中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会产生时间选择性衰落和频率选择性衰落。
由于信道的时变特性会引起信号频率的展宽，导致多普勒效应，而信道的多径传播则会引起信号在时间上的展宽并导致频谱选择性衰落，因此，人们常采用相干时间或多普勒带宽来描述信道的时变特胜，采用多径时延扩展或相干带宽来描述信道的多径特性。
在小于相干的时间范围内，可以将信道看成线性时不变系统。
如果信道带宽小雨相关带宽，则可以认为该信道为非频率选择性信道，其经历的衰落为平滑衰落，即所有的频率成分所经历的衰落情况是相同的。
这样就可以得到一个简单而又较为符合实际的情况的研究模型。
正交频分复用（OFDM）的基本原理就是把高速的数据流通过串并转换，分配到数率相对较低的若干个子信道中进行传输，因此每个子信道中的符号周期会相对增加，可以减轻由于无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。
如果采用循环前缀作为保护间隔，还可以避免由于多径带来的信道间干扰（ICI）。
在OFDM系统的设计中，需要考虑一系列参数，如子载波的个数、保护间隔、OFDM符号的周期、采样间隔、子载波的调制方式、前向纠错码的方式等。
这些参数的选择受系统要求约束，如可利用的带宽、要求的比特速率、最大的多径时延和多普勒频偏值。
其中一些参数本身存在着固有矛盾，如为了能够很好的抵制时延扩展，采用大量间隔较小的子载波比较理想，但从抵制多普勒扩展和相位噪声的角度来看，采用少量的间隔较大的子载波则比较合适。
2.2.1OFDM系统模型
OFDM利用逆快速傅立叶变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。
它把一个高速的数据流分成许多低速的数据流，这些低速的数据流在通过正交频率进行调制的同时进行传输，这样就可以把宽带变成窄带，也就可以彻底的解决频率选择性衰落这个问题。
为了提高频谱利用率，OFDM信号中各
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