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1、上海交通大学 博士学位论文 空时OFDM传输技术研究 姓名：苏鹏程 申请学位级别：博士 专业：通信与信息处理 指导教师：孙军 20041101 摘 要 随着个人通信时代的到来，对于无线多媒体通信的需求得到了快速的增长。无线多媒 体通信是多媒体和无线通信这两个领域的技术相互交叉的产物， 它一方面向人们提供了无线 多媒体服务，另一方面也展现了一个广阔的技术领域。然而，无线信道对于可靠的视频传输 具有很大的局限性。有限的带宽，传播损耗，时变特性，噪声，干扰，以及由于多径传播而 带来的频率选择性衰落， 会在高速数据传输时带来很高的误码率， 以至于不能提供可靠的业 务质量。因此，解决视频等高速率数据通过
2、无线信道的鲁棒传输成为一个紧迫的问题。 多输入多输出（MIMO）信道在无线链路的两端使用了多个天线的阵列，这种 MIMO 信道 在空域和时域都利用了分集， 因此可以有效地增加系统的容量并提高无线链路的可靠性。 而 空时编码 （STC） ， 包括空时格状编码 （STTC） 、 空时分组编码 （STBC） 和分层空时编码 （LSTC） ， 把适用于多发射天线的编码技术和接收端的信号处理结合起来，可以提供有效的分集增益， 而且具有很高的频谱效率。另一方面，正交频分复用（OFDM）把宽带频率选择性衰落信道 分成多个并行正交的平坦衰落子信道，减少了多径衰落的影响，可以有效地对抗 ISI，并可 以提供很高
3、的数据传输速率。因此，应该把空时编码应用到 OFDM 系统中以同时利用空间 和频率分集。 为了实现空时 OFDM 优良的传输性能，在解调之前进行精确的信道估计是非常必要的。 本文在第三章研究了基于导频的 OFDM 及 MIMO-OFDM 信道估计技术。 首先提出了一种基 于 OFDM 的 LS 信道估计与信号检测的联合迭代算法，然后对基于 MIMO-OFDM 的系统， 提出了一种简单而又有效的训练序列设计方案，并提出了一种最大似然估计算法和一种 LS 迭代算法。与一般的 LS 信道估计相比，基于 OFDM 的 LS 信道估计与信号检测的联合迭代 算法可较大地提高估计的精度， 而且通过时域低通滤
4、波可有效地抑制 AWGN 和 ICI 的影响， 可使 OFDM 系统在移动条件下较好地工作。同时，该算法能给出比较精确的信号检测结果。 对 MIMO-OFDM 系统，采用了所设计的训练序列方案后，最大似然估计算法也取得较好的 性能。而基于 MIMO-OFDM 系统的迭代的 LS 信道估计算法，可进一步提高信道估计性能， 而且也可在移动条件下较好地工作。 如果在空时 OFDM 系统中根据当前信道状况使用自适应资源分配机制，则可以进一步 提高系统的传输能力。本文在第四章中首先提出了一种应用于多用户 OFDM 系统中的子载 波，比特和功率联合自适应分配算法。这种自适应算法在可用的总发射功率和用户的
5、BER 要求受限的情况下， 在频率选择性衰落信道上最大化用户数据速率的最小值。 而且由于多用 户分集效果， 采用这种自适应算法的整体数据速率随着用户数的增加而显著提高。 所提出的 算法比一些分离算法具有更好的性能。 然后， 本文又给出了一种新的具有自适应调制机制的 空时分组编码 OFDM（STBC-OFDM）系统。在所提出的机制中，综合利用了自适应调制、 空时分组编码 （STBC） 和 OFDM 技术以在频率选择性衰落信道中提供高的频谱效率和性能。 并且研究了非自适应 OFDM、自适应 OFDM、非自适应 STBC-OFDM 各自的频谱效率。所 提出的自适应调制 STBC-OFDM 可以大大提
6、高系统的频谱效率。 以前研究的空时编码主要是针对单用户的。然而，在无线通信中，多用户共享有限的频 谱资源是不可避免的。 如果不有效消除用户间存在的干扰， 就会大大降低接收性能和系统容 量， 因此必须找到一种适合于多用户的空时编码算法。 本文第五章将空时分组编码和水平分 层空时结构结合起来， 提出一种基于阵列处理方法的分层空时多用户检测器结构， 每个用户 采用空时分组编码以提供分集增益， 获得高速可靠的通信， 在接收端采用干扰抑制和隐藏的 方法以消除用户间的相互干扰， 实现多用户检测。 而此多用户检测器根据实现方式的不同又 可分为串行和并行的两种。对于串行结构，逐层采用干扰抑制和干扰隐藏，每个用
7、户获得不 同的解码性能，时延较长。对于并行结构，对每层同时采用干扰抑制去除其它层的干扰，每 个用户获得同样的对待，具有相同的解码性能，而时延较短。这两种结构都具有很好的解码 性能，在平坦衰落信道上有效地实现了多用户检测。不过，在实际的通信过程中一般要经历 频率选择性衰落，会引起严重的符号间干扰（ISI） 。这两种分层空时多用户检测器可以直接 地应用到 OFDM 系统中以在频率选择性衰落信道上有效地实现多用户高速通信。 接着，本文在第六章将串行分层多用户检测结构推广到 OFDM 系统中，提出一种分层 的空时 OFDM 系统结构，将分层的空时分组编码应用于 OFDM 系统中，可在 MIMO 信道
8、上提供分集增益并对抗频率选择性衰落的影响， 并在接收端采用一种层干扰抑制和干扰隐藏 算法以克服多用户间的干扰， 在宽带无线信道上可实现多用户可靠的高速通信。 然后将该系 统应用于空域可分级 MPEG-4 视频的传输，而且利用该系统本身的特点对其提供非均等错 误保护。 在接收端可以得到具有不同空间分辨率的视频。 接着还进一步讨论了视频重建质量 与信源编码速率和信道编码效率的关系， 说明应该对信源编码速率和信道编码效率进行综合 考虑， 使得最终的视频传输失真最小。 研究表明该系统只需在适度的信噪比条件下就可具有 很好的传输性能。 关键词：关键词：空时编码，正交频分复用，信道估计，资源分配，多用户通
9、信，可分级视频 ABSTRACT With coming of personal communication era, the demand for wireless multimedia communications is rapidly increased. Wireless multimedia communications are the outcome of combining multimedia and wireless communications technologies. On one hand, they provide wireless multimedia servi
10、ces for people. And on the other, they also open a wide technology area. However, wireless channels have enormous limitations to reliable high data rate transmission, especially for video. Bandwidth limitations, propagation loss, noise, interference, time variance, and frequency-selective fading cau
11、sed by multipath propagation can bring high symbol error ratio in high rate transmission, and so that reliable Qos cant be provided. So it becomes a pressing problem to solve robust transmission of video over wireless channels. The Multiple Input Multiple Output（MIMO）channel model in wireless commun
12、ications makes use of multiple element arrays in both ends of the wireless link. The MIMO channel exploits the diversity in both space（antennas）and time domains., thus significantly increases the system capacity as well as improves the reliability of the wireless link. And space-time codes （STC） , i
13、ncluding space-time trellis codes （STTC） ， space-time block codes （STBC） and layered space-time codes (LSTC), integrate the techniques of channel coding applicable for multiple antenna arrays and signal processing at the receiver. They can provide significant diversity gains in wireless channels and
14、 have very high spectral efficiency. On the other hand, orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) technique transforms a wideband frequency-selective fading channel into a set of parallel orthogonal flat fading channels. So it can efficiently combat intersymbol interference (ISI) and provide
15、 very high data rate. So space-time codes should be applied to OFDM systems to exploit both space and frequency diversity. In order to realize the excellent transmission performance, accurate channel estimation is very necessary before demodulation. In Chapter 3 of this thesis, channel estimations f
16、or OFDM and MIMO-OFDM systems based on pilot are studied. Firstly an iterative algorithm of joint LS channel estimation and signal detection for OFDM systems is proposed. Then for MIMO-OFDM systems, a simple and efficient training sequence scheme is designed, and a maximum likelihood channel estimation algorithm and an iterative LS algorithm are proposed. Compared with the common LS channel estimation, the iterative algorithm of joint LS channel estimation and signal detection can highly prom
