MIMO-OFDM系统中自适应技术研究毕业设计(论文).doc
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1、毕业设计(论文) 课 题 名 称 MIMO-OFDM 系统中自适应技术研究 邵阳学院本科毕业设计(论文) I 摘要 MIMO技术和OFDM技术是未来无线通信系统中的2个重要的技术,而将MIMO 技术和OFDM技术结合在一起形成的MIMO-OFDM系统能够使频谱效率得以成倍提 高,也能使信道容量得到提高;同时大大降低在多径环境下的接收机复杂度,因此 成为了未来无线通信系统中摘要的核心解决方案。为了在未来无线通信系统中充分 发挥MIMO-OFDM系统的优越性能,需要对MIMO-OFDM系统中的编解码、系统方 案、信道分析、信道估计及实现等方面进行更深入的研究。 本文在 MIMO-OFDM 系统和自
2、适应 MIMO-OFDM 系统的基本原理的基础上, 通过仿真研究,验证基于发送端估计信道状态的自适应 MIMO-OFDM 仿真系统的有 效性。为了保证仿真结果的正确性,在仿真研究中,首先逐一仿真实现了包括 Turbo 编译码,QAM 调制解调,STBC 空时编解码,OFDM 调制解调,功率控制等 单元功能模块,然后在验证的基础上,整合为一个完整的自适应 MIMO-OFDM 仿真 系统。 论文的仿真研究表明,引入的 MIMO-OFDM 系统是可行的,可靠的,有效的。 关键词: 多输入多输出;正交频分复用;空时编码;信道估计;自适应功率控制 邵阳学院本科毕业设计(论文) II ABSTRACT M
3、IMO and OFDM are two important techniques in future wireless communication system. MIMO-OFDM system which combines MIMO with OFDM,can improve spectrum efficiency,the channel capacity and simplify the receiver structure under the multi-path environment. So MIMO-OFDM is a key technique for the future
4、wireless communication system. Recently, there are a number of investigations in the encoding/decoding scheme, application structure, signal analysis, channel estimation and applications of MIMO-OFDM technology in the literature. After a review of the MIMO-OMFD system and the principle of adaptive M
5、IMO- OMDM system, an adaptive MIMO-OFDM simulation platform is built by using Matlab to testify the efficiency of the MIMO-OFDM systems with estimated channel state information at TX side. To ensure the validity of the results, in the course of studying, I firstly finish some function modulus, for e
6、xample, Turbo encode and decode, QAM modulation and demodulation, OFDM modulation and demodulation, space-time encode and decode, water-filling modules, etc. Then, these modules will be connected to test each modules performance and their contribution to the whole system. The result of simulation sh
7、ows that the adaptive MIMO-OFMD system is practicable, dependable, and efficient. Keywords:Multiple-input multiple-output;Orthogonal frequency division multiplexing;Space-time coding;Channel estimation;Adaptive power control 邵阳学院本科毕业设计(论文) 1 目录 摘要I ABSTRACT II 第 1 章 绪论.1 1.1 无线通信系统的发展1 1.2 无线信道的特性2
8、1.3 MIMO 技术及其研究现状.2 1.4 OFDM 技术及其研究现状.4 1.5 本文主要工作安排5 第 2 章 MIMO-OFDM 基本原理7 2.1 OFDM 技术.7 2.2 MIMO 基本原理11 2.3 MIMO-OFDM 的关键技术13 2.4 本章小结14 第 3 章 MIMO-OFDM 系统算法及原理16 3.1 系统模型16 3.2 TURBO编译码.17 3.3 空时编译码原理20 3.4 MIMO-OFDM 系统模型22 3.5 仿真结果与分析23 3.6 本章小结26 第 4 章 自适应 MIMO-OFDM 系统仿真建模.27 4.1 MIMO 系统中的信道估计.
9、27 4.2 基于发送端的信道估计模型28 4.3 MIMO-OFDM 系统自适应传输的基础30 4.4 仿真结果与分析33 4.5 本章小节37 结 论.38 致 谢.40 参考文献.41 邵阳学院本科毕业设计(论文) 1 第 1 章 绪论 无线传输信道,尤其是在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
10、案之一,是当今科研的一个热点。 本章首先基于对无线信道特性的分析,引出 OFDM 与 MIMO 技术,并简略介绍了 一下它们的研究现状。 1.1 无线通信系统的发展 人类采用通讯的历史可以追溯到遥远的古代。但是直到十九世纪末以前,人们 都是采用例如烽火台的方式进行简单的信息传输。1864 年英国物理学家麦克斯韦创 造性的总结了人们己有的电磁学知识,预言了电磁波的存在。1886 年德国物理学家 赫兹用实验的方法证明了麦克斯韦的预言。1897 年意大利科学家马可尼第一次展示 了无线电波能在英格兰海峡里行驶的船只上保持传输,并获得了成功。在随后的一 个多世纪里,在计算机和半导体技术推动下,无线通信的
11、理论和技术不断进步,取 得了举世瞩目的发展。今天,无线通信己经成为人们日常生活中不可缺少的重要通 信方式。 移动通信的发展是迅速的,其发展经历主要有第一代蜂窝移动通信系统,到第 二代的数字蜂窝移动通信系统,再到第三代通信系统,包括被国际社会认可的三大 主要标准:WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA。尽管如此,人们对移动通信仍 寄予厚望。近些年来,随着 Internet 的普及和移动通信技术的迅猛发展,人们在图 像、语音、数据、多媒体信息通信领域的应用和要求越来越高,希望现有固定网能 支持多媒体业务,甚至那些只存在于想象中的通信业务在未来的移动通信中都能予 以实现。这些年来人们己经
12、开始研究和开发下一代无线宽带多媒体系统。所以人们 认为最高速率只有 2Mbps 的第三代移动通信系统称不上真正的宽带多媒体通信,于 是就在提出 3G 技术方案的同时,有人提出超 3G(即后 3G)的无线传输技术研究,甚 至纷纷提出 4G 的概念。现在欧盟,美国,日本,韩国以及我国都已经在积极研究 着 4G 无线通信系统了。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 邵阳学院本科毕业设计(论文) 2 的超过 2Mbps 的数据传输能力。 人们对于无线通信业务的需求越来越多,要求的质量也越来越
13、高。但是实际中 有着很多的干扰制约着通信质量,在宽带无线数字通信系统中,影响信道高速传输 的最主要的一类干扰是由信道的多径效应所引起的频率选择性衰落。另外还有如何 充分提高无线资源的利用率也是很多研究者的关注重点。MIMO-OFDM 技术结合的 提出成为了解决这些问题的一个重大突破。将两者相结合构成的 MIM 于 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,最具 12 希望的解决方案之一,具有非常广阔的研究和发展前景。MIMO-OFDM 技术也被业 界认为是未来第四代移动通信系统的主要物理层技术。 1.2 无线信道的特性 在无线通信中,发射信号在传播过程中往往
14、会受到环境的影响,发生直射、反 射、散射和漫射等物理现象,这就使接收机的接收信号与发射信号相比产生了一定 的变化,而这种变化就体现了无线信道的基本特征,具体集中在以下几个方面: (1)因频率复用造成的共信道干扰(CCI)采用蜂窝式的小区结构和频率复用技 术,是解决频率资源紧张的有效方法,特别是在 CDMA 系统中,频率复用系数可以 是 l,甚至在同一小区的不同扇区间采用相同的载频,这样必然会产生 CCI。在 CDMA 系统中,由于不同用户扩频码的非正交性或异步性同样会造成 CCI。 (2)多径现象由于移动环境的复杂性,通常从发射机到接收机的信号包含有折 射、衍射、绕射等多种信号成分,不同成分到
15、达接收机的强度不同,时间不同,方 向不同,甚至在通常情况下,发射机到接收机之间不存在直达波束。 (3)衰落由于多径效应的影响,接收机收到信号的功率会随收发信机之间的距 离而存在大幅度的波动。衰落通常分为阴影衰落(慢衰落)和多径衰落(快衰落)。慢衰 落是由于遮挡效应造成的,其信号的局部平均近似对数正态分布,而快衰落是因为 接收信号分量的相位差引起的,其信号近似服从瑞利分布。实际的接收信号是由快 衰落信号与慢衰落信号的乘积得到。 通过上述无线信道的基本特征可以看到,无线信道是非常复杂的,因此要对未 来移动通信系统中所采用的 MIMO-OFDM 系统的各项技术进行有效地验证就必须选 用更贴近实际无线
16、传输环境的信道模型。 1.3 MIMO 技术及其研究现状 为了在未来移动通信系统中实现大容量、高速以及提高频谱利用率的目标,多 邵阳学院本科毕业设计(论文) 3 输入多输出(MIMO)系统的概念应运而生。 多输入多输出(MIMO)或多发多收天线(MTMR)技术在无线移动通信领域的应用 是具有革命意义的重大技术进步,并且被广泛认为是第三代及未来移动通信系统与 个人通信系统实现高数据速率,提高传输质量的重要途径之一。由于该技术在解 3 决未来无线互联网业务容量需求瓶颈问题上所具有的优势,因而居于当今技术进步 列表中的重要位置。 多输入多输出(MIMO)系统是基于无线通信分集技术而发展起来的,其定义
17、可以 简单描述为在其发射端和接收端均采用了多天线配置的无线通信系统,所以称之为 MIMO 系统。MIMO 系统中,在发送端,串行数据符号流在经过空时处理后被送到 多个发射天线进行发射;在接收端通过各种空时检测技术进行数据符号的恢复。为 了保证各个子数据符号流能够被有效地分离,要求各个天线之间必须保持足够的距 离,以防止接收信号之间过大的相关性。 在新一代移动通信系统中,MIMO 技术的理论、算法和实现等都得到了广泛的 研究。虽然在 MIMO 系统理论以及性能研究方面已有非常多的研究成果,但是由于 无线移动通信中复杂的无线传播环境,因此尚有大量问题需要研究。 (1)如何在宽带应用中找到一种具有优
18、化的性能及复杂度折中的信号处理方案 以实现 MIMO 带来的提高频谱效率的优势。已经有不少的文献对这方面进行了研究, 即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动的情况进行了研究。其主要途径可以 分为两种:l)空时均衡 MIMO 系统:典型的方法包括线性 MIMO 均衡、MIMO 判决 反馈(DF)均衡以及更为复杂的空时 Turbo 均衡等;2)采用 OFDM 调制的 MIMO 系统, 这在本章后面部分会进行相关叙述。 (2)另一个研究的重点就是 MIMO 信道。目前,MIMO 信道模型的建立还没 有成熟,实用中用的较多的 MIM0 信道模型有 IST-METRA 提出的基于空间相关性 的 MET
19、RA 模型,以及 3GPP 推荐的 SCM 模型,因此在建立完善的 MIMO 信道模 型中还有大量的工作需要完成。除了信道模型外,在许多文献中,大都做了这样的 假设:接收机已经完全知道信道状态参数,但是在实际系统中,这种情况是不可能 出现的,因此,必须通过发送训练序列或者采用盲处理的方法,在接收端进行信道 估计,这样快速信道估计和盲信道估计等内容就成为重要的研究课题。 (3)如果能够在发射端事先预知信道的某些信息,那么发射机就可以利用该信 息改善系统性能。例如在文献中,就在发射机已知部分信道信息的情况下给出了 4 一种基于线性变换的结合普通发射数字波束形成技术和正交空时分组码技术的 邵阳学院本
20、科毕业设计(论文) 4 MIMO 处理结果,以实现对信道信息的充分利用,于是如何在发射端获得信道信息 以及利用信道信息就成为了一个研究的热点。 (4)MIMO 通过空时编解码,在发射端实现了多天线发射多数据流,并在接收 端利用多天线接收实现最佳处理,获得了很高的系统容量。空时编解码将信道编解 码技术和阵列信号处理技术相结合,可以大幅度的提高无线通信系统的信道容量和 传输速率,并且可以有效的抗衰落、抑制噪声和干扰。目前已经有空时网格码 (STTC)、空时分组码(STBC)、分层空时码(BLAST)等一些基本的空时编码方法。新 的空时编码方法,例如空时 Turbo 码,正在不断地提出,以改善 MI
21、MO 的性能,减 少空时编码系统的复杂性,更好地适应新一代无线通信系统的要求和信道的实际情 况。 1.4 OFDM 技术及其研究现状 OFDM 的英文全称为 Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含义为正 交频分复用技术。这种技术是 HPA 联盟(Home-Plug Power line Alliance)工业规范的 基础,它采用一种不连续的多音调制技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号 合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号 的能力,因此常常会被应用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介 质中。
22、 OFDM 技术的应用已经有近 40 年的历史,主要运用于军用的无线高频通信系 统。但是,一个 OFDM 系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。直到 70 年代,人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制,从而简化了系统结 构,使得 OFDM 技术更趋于实用化。八十年代,人们研究如何将 OFDM 技术应用 于高速 MODEM。进入九十年代以来,OFDM 技术的研究深入到无线调频信道上的 宽带数据传输。 在高频段进行高数据率无线通信时,将面临显著的频率选择性衰落。在传统的 单载波通信系统中,码间串扰的影响十分突出,而 OFDM 调制技术通过将宽信道分 解为大量窄带信道,克服多径效应,
23、简化接收机设计,从而大大改善了系统瓶颈。 概括起来,OFDM 技术的优点可以包括如下几个方面: (1)OFDM 技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 (2)可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高数 据传输。 (3)通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。 邵阳学院本科毕业设计(论文) 5 (4)OFDM 技术抗窄带干扰性很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的 信道。 (5)可以选用基于 IFFT/FFT 的 OFDM 实现方法。 (6)信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子波 个数很大时,系统的频谱利用率趋于 2Baud/Hz
24、。 目前 OFDM 技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信统中, 主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI 标准的数字音频广播(DAB)、 数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。 1.5 本文主要工作安排 在本论文中,基于 MIMO 与 OFDM 技术的结合,提出了一种新的 MIMO- OFDM 系统,即基于发送端估计信道状态信息的自适应 MIMO-OFDM 系统。文中 论述了基于发送端估计信道状态信息的方法,并对自适应功率控制展开了研究,对 系统中所用的关键技术进行了 Matlab 的相关仿真与分析。 本文主要分为五章,
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