基于快速MIMOOFDM文档格式.docx
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追求尽可能高的频谱利用率已成为并且在今后仍然是一个充满挑战的问题。
这种挑战促使人们努力开发高效的编码，调制及信号处理技术来提高无线频谱的效率。
MIMO技术被认为是未来移动通信与个人通信系统实现高速率数据传输，提高传输质量的重要途径。
近几年来，对无线系统中使用多天线以及空时编码与调制技术的研究己成为无线系统中新的领域，而且在理论和实践上也日渐成熟。
当前，空时处理技术已经引入3G系统、4G系统、固定和移动IEEE802.11协议和无线局域网IEEE802.21协议等标准中，而且使用空时技术的专利产品也己经出现。
从理论上可以证明，如果在发射端和接收端同时使用多天线，那么这种MIMO系统的内在信道并行性必然在提高整个系统容量的同时，提高系统性能。
如果接收端可以准确地估计信道信息，并保证不同发射接收天线对之间的衰落相互独立，对于一个拥有n个发射天线和m个接收天线的系统，能达到的信道容量随着min（n，m）的增加而线性增加。
也就是说，在其他条件都相同的前提下，多天线系统的容量是单天线系统的min（n，m）倍。
因此，多天线信道容量理论的提出无疑给解决高速无线通信问题开辟了一条新的思路。
1.2研究意义
随着移动通信的发展，所传输的数据速率越来越高，信号的带宽也远超出信道的相关带宽，采用传统的均衡技术难以保证信号传输的质量。
多径衰弱就成为妨碍高速数据传输的主要障碍。
采用扩频技术极大地扩展了信息的传输带宽，可以把携带有统一信息的多径信号分离出来并加以利用，因此扩频技术具有频率分集和时间分集的特点。
扩频技术是克服多径干扰的有效手段。
MIMO技术，在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。
多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。
然而MIMO系统是针对多径无线信道而产生的，一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。
但MIMO对于频率选择性衰落仍无法避免，目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术和OFDM，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是OFDM的一个长处。
而OFDM技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性衰落可以看作是平坦性衰落。
OFDM被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而4G需要高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用OFDM技术的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的占用带宽。
而MIMO多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频谱效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。
在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。
另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。
由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
1.3研究状况
在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。
但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。
比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。
这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。
已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。
再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。
但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。
另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。
实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。
由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。
目前各大公司均在研制实验系统。
Bell实验室的BLAST系统是最早研制的MIMO实验系统。
但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G应用尚有相当大距离。
在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。
这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。
在上述具体实验系统中，每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线，而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线，即下行通路设置2×
3天线、上行通路设置1×
3天线。
这样与“单输入/单输出天线”SISO相比，传输上取得了10～20dB的好处，相应地加大了系统容量。
而且，基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。
朗讯科技的贝尔实验室分层的空时（BLAST）技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术，是其智能天线的进一步发展。
BLAST技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢复”。
利用BLAST技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。
BLAST技术证明，在天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容量。
理论研究业已证明，采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。
这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。
鉴于对于无线通信理论的突出贡献，BLAST技术获得了2002年度美国ThomasEdison（爱迪生）发明奖。
1.4本文主要内容与结构
本文主要研究多天线OFDM系统算法的实现与性能分析。
分别研究了STBC（空时分组码）以及VBLAST（垂直分层空时结构）的编码与解码，并与传统算法进行比较。
主要内容安排如下：
第一章介绍了本文的研究背景及意义，并对于多天线OFDM系统算法的意义进行了讨论。
第二章为OFDM的原理，介绍了移动通信中OFDM系统的基本原理和优缺点。
第三章为全文的理论基础，深刻研究了STBC编码的编码与解码，所用到的知识点和公式，并且也对V-BLAST编码进行了研究。
第四章介绍了系统中的各个模块，分模块分析其在系统中的作用，分析了多天线OFDM系统相对于普通通信系统的优缺点。
第五章为本文的总结。
概括了本论文的主要工作和成果，并指出了今后进一步的研究方向。
第2章OFDM基本原理
2.1OFDM原理
正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex）是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。
它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。
由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。
近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。
为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔。
由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该OFDM符号的时延信号，因此图2.1中给出了第一子载波和第二子载波的演示信号。
图2.1OFDM信号与循环前缀时域图
当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。
如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。
当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。
在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，
（2.1.1）
再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。
在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。
当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。
当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。
对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。
FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。
但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（如图2.2左侧所示）
图2.2OFDM调制原理图
这大大降低了频谱效率。
因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。
但近几年，由于数字调制技术FFT（快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。
（2.1.2）FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。
部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。
QPSK信号的产生方法有两种方法。
第一种是用相乘电路，如图2.3所示。
图中输入基带信号A（t）是二进制不归零双极性码元，它被“串/并变换”电路变成两路码元a和b。
变成并行码图2.3QPSK信号产生方法
元a和b，其每个码元的持续时间是输入码元的2倍。
这两路并行码元序列分别用以和两路正交载波相乘。
第二种产生方法是选择法，这时输入基带信号经过串/并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ab，决定选择哪个相位的载波输出。
AWGN即高斯信道，在通信上指的是一种通道模型（channelmodel），此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带（Bandwidth）的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声。
白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声，即其功率谱密度为常数。
2.2OFDM技术优点
（1）把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就见效了接受机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。
（2）传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不想交的子频带来传输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。
这种方法的优点事简单
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