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1、基于插值的MIMO-OFDM无线信道估计方法的研究 摘 要 MIMO-OFDM 技术作为 4G 的核心技术，可以大幅度地提高无线通信系统的信道 容量与传输速率，并可以有效地抵抗多径衰落，抑制干扰和噪声，适应多媒体应用业 务的需求。信道估计是 MIMO-OFDM 系统的一个重要环节，本论文围绕MIMO- OFDM 通信系统中基于插值的无线信道估计问题展开研究。 本文分析讨论了无线信道的传播环境和衰落特性，介绍了无线信道中的 Doppler 效应和多径效应；讨论了无线信道的几种模型；最后还介绍了 MIMO 无线信道模型 理论，包括它的相关模型以及对 MIMO 相关信道的仿真。 最后又围绕MIMO-
2、OFDM系统，首先对基于导频符号的信道估计方法进行了简要 的总体描述，论述其信道估计的基本过程和原理；然后对信道估计器的设计进行了全 面的分析，包括导频形式的选择准则、导频信号的设计和内插滤波方法的设计。然后 介绍了MIMO-OFDM系统的一种梳状导频信道估计设计方案，并对线性内插算法进行 了计算机仿真，验证了算法有效性。 关键词：多输入多输出；正交频分复用；信道估计；线性内插 RESEARCH ON WIRELESS CHANNEL ESTIMATION METHODS INTERPOLATION-BASED IN MIMO-OFDM SYSTEMS ABSTRACT MIMO-OFDM i
3、s regarded as one of the most important technologies of the 4th generation mobile telecommunication systems, which can not only effectively enhances the transmission rate and the capacity of the wireless telecommunication system, but also combats multi-path fading and interference. The technique is
4、also widely regarded as a most promising and efficient solution for the wideband multimedia operation, because of its high ability of anti-fading, high channel capacity and high bit rate. Channel estimation is one of the most important aspects in the mobile telecommunication systems. This paper disc
5、usses the propagation environment and fading characteristics of wireless channel, describes the Doppler effect and multi-path effects in wireless channel , expresses several wireless channel model, and introduces the theory of MIMO wireless channel model, including its related models and the simulat
6、ion of MIMO correlated channels . And finally it focuses on MIMO-OFDM system and describes briefly the channel estimation methods based on pilot symbols, discusses the basic processes and principles of the channel estimation at first; and then analyzes the design of the channel estimator, including
7、the selection criteria of Pilot forms, the design of the pilot signal and the methods of interpolation filter. Then this paper also introduces the Comb pilot channel estimation in MIMO-OFDM systems and finally verifies the validity of the linear interpolation algorithm by computer simulation. Key wo
8、rds: multiple input multiple output; orthogonal frequency division multiplexing; channel estimation; linear interpolation 目 录 1 绪 论.1 1.1 课题研究背景与意义.1 1.1.1 移动通信的发展历史1 1.1.2 技术现状与意义3 1.2 本课题主要完成的工作和结构安排.5 第二章 MIMO-OFDM 系统的基本原理7 2.1 OFDM 基本原理 7 2.2 MIMO 的基本原理 8 2.3 MIMO-OFDM 系统.10 2.4 本章小结12 第三章 无线信道的
9、特性与建模13 3.1 无线信道分析.13 3.1.1 多径效应13 3.1.2 Doppler 效应.15 3.1.3 信道衰落的分类15 3.2 MIMO 无线信道模型理论 .16 3.2.1 MIMO 相关信道16 3.2.2 相关模型18 3.3 本章小结18 第四章 基于导频符号的信道估计.19 4.1 系统总体描述 19 4.2 基于导频符号的信道估计概述 20 4.2.1 信道估计过程.20 4.2.2 导频的形式20 4.3 MIMO-OFDM 系统中的梳状导频信道估计22 4.3.1 导频正交性设计22 4.3.2 导频位置信道估计.23 4.3.3 内插滤波方法.24 4.
10、3.4 算法仿真26 4.4 本章小结27 第五章 总结与展望28 5.1 论文工作总结28 5.2 进一步的研究工作29 参考文献30 致谢.31 附录：程序源代码32 附件 1 开题报告 附件 2 英文翻译原文及译文 第 1 页 共 42 页 第一章 绪 论 本章将简要回顾移动通信技术的发展历程，展望未来技术的发展趋势，透过这一 发展过程，分析揭示未来移动通信中无线传输技术所面临的挑战，提出本课题的主要 研究任务和意义，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1.1 课题研究背景与意义 移动通信属于无线通信的范畴，是一种特殊的无线通信，其特别之处在于：第一， 传输链路中存在以电磁波为载体的空中
11、接口这一重要环节，即所谓的无线连接；第二， 允许用户终端在某一电磁波覆盖范围之内不间断通信并到处移动。以上两个特点决定 了它特有的应用价值和特殊的技术难度。这里首先简要回顾一下移动通信的发展历史， 由此窥视现代移动通信飞跃发展的历程。 1.1.1 移动通信的发展历史 在很长一段时间内，除了越洋电报等邮政业务以外，无线通信只存在于交通、公 共安全、军事通信等专业性极强的应用领域。 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段内 大幅度提高系统容量的问题，使得为人口密集的城区提供充足的移动电话业务成
12、为现 实。 第一代蜂窝移动通信系统（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。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 数字化，它在关键的空中接口环节上采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）和码分多址接入（CDMA）技术；在业务上，除了 移动电话外，还支持最大速率不超过 9.6Kbps 的窄带数据传输。目前，世界上市场份 第 2 页
13、共 42 页 额占主导地位的就是具有上述特点的数字蜂窝移动通信系统，即通常所说的第二代移 动通信系统（2G）。 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。移动电话的便利使人们对无线数据传输产生自然而然的期盼，以至 于人们早已勾勒出个人通信（Personal Communication）的美好前景。作为一个近期目 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。 国际电联（ITU）对第三代移动通信系统的总体要求都体现在 IMT-2000 上，概括 地讲，有以下特点： （1）占用更高的频段（2GHz）和更大的带宽（5MHz）； （2
14、）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； （3）支持更高速率的数据传输；室内 2Mbps、室外步行 384Kbps、室外高速移动 144Kbps； 与第二代移动通信网兼容； （4）具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。 毋庸置疑，无线传输技术（RTT）是第三代移动通信系统中最重要的组成部分， 也是世界各国、各地区为形成未来通信体制而展开争论的焦点。无线传输技术主要包 括多址技术、调制技术、信道编码及交织、双工技术、物理信道结构与复用、帧结构、 无线资源分配与链路控制、RF 信道参数设置等等。根据 ITU 的一般要求和目标，世界 各国、各地区组织对第三代移动
15、通信系统无线传输技术进行了广泛而持久的研究，并 提出了多种技术方案，逐步形成了被国际社会认可的三个主要标准： WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA。 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，其主要的指标有： 为用户终端提供高达几十到上百 Mbps 的峰值无线数据传输速率，支持包括高速互 联网数据下载、高质量视频点播在内的各种媒体传输业务，使之成为真正意义上的宽 带多媒体无线移动通信系统； 与 INTERNET 技术高度结合，相互补充、相
16、得益彰，使之成为一个具有强大生命 力和广阔市场前景的无线移动通信系统； 开发新频段并大幅度提高无线传输技术的频谱效率，满足大容量无线移动通信的 第 3 页 共 42 页 需求。要达到上述要求，必须开发与之配套的一系列新技术，包括最为关键的高速无 线传输技术。 1.1.2 技术现状与意义 众所周知，无线移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，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难题是： （1）如何大幅度的提高频谱效率； （2）如何实现高达几十到几百 Mbps 的峰值无线数据传输。 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多 输出（Multiple Input and Multiple Output，MIMO）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，而将两者相结合构成的 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高速数据传输 12最具希望的解决方案之一， 具有非常广阔的研究和发展前景。 正交频分复用（OFDM）在频域把信道分成
