1、TDD MIMO 信道非互易性补偿算法研究摘 要为实现高速无线数据传输，MIMO 技术作为一种有效的手段得到了广泛的研究，并被新一代无线通信系统所采用。基于时分双工（TDD）技术的 MIMO 系统可以利用上下行信道的互易性，使得基站能够直接基于检测到的上行信道状态信息制定下行发射预处理策略，而不需要额外的反馈开销。但是信道估计不准确及射频器件的非理想特性将导致信道互易性的丧失，使 TDD 系统的优势无法发挥。本文分析了信道估计不准确及 I/Q 不平衡对 TDD-MIMO 信道互易性的影响，在此基础上提出了一种基于时域截短的信道估计算法及对 IQ 不平衡的补偿算法，并在两发两收的 TDD-MIM
2、O 系统中进行了仿真分析。本文主要内容如下：1. 研究了 TDD-MIMO 系统中的多种信道估计方法，分析了由于信道估计误差造成的 TDD-MIMO 系统容量损失，并提出一种基于时域截短的信道估计方法，仿真结果表明，该方法具有复杂度低及显著性改善性能的优点；2. 建立了仅接收端存在 I/Q 不平衡时 MIMO 系统等效信道模型，通过容量分析和仿真研究了 I/Q 不平衡带来的 TDD-MIMO 信道互易性损失，并通过信道估计对仅接收端存在 I/Q 不平衡的情况进行补偿，能够有效地补偿 I/Q 不平衡造成的信道互易性损失；3. 推导了收、发端都存在 I/Q 不平衡时 MIMO 系统等效信道模型，通
3、过容量分析和仿真，表明 I/Q 不平衡会带来明显的 TDD-MIMO 信道互易性损失，分别对已知 I/Q 不平衡参数及未知参数两种情况下造成的 TDD-MIMO 信道互易性损失出补偿方法，仿真结果表明，这些算法能够有效地补偿信道互易性损失，显著地改善了系统误码率和容量性能。关键词：信道估计 时域截断插值 I/Q 不平衡 信道互易性 补偿算法AbstractAs an effective way to achieve high data rates, MIMO technique has been widely studied and employed in new-generation of
4、wireless communications systems. By using channel reciprocity in time division duplex(TDD) MIMO systems, base station(BS) can make transmit strategies according to the channel state information (CSI) through reverse link channel estimation. But channel estimation errors and radio frequency(RF) front
5、-end imperfections will destroy channel reciprocity.This thesis analyzes the impact of channel estimation errors and I/Q imbalance on channel reciprocity in TDD-MIMO systems. In the thesis, channel estimation method based on time domain truncation and I/Q imbalance compensation algorithms are propos
6、ed, and have simulated in a 22 TDD-MIMO system. The main contributions are as follows:1. Several conventional channel estimation methods for MIMO-OFDM systems are studied and discussed, and the lose of channel reciprocity capacity with imprecise channel estimation is analyzed, a new channel estimati
7、on method based on time domain truncation is proposed. Simulation results show that the method can improve the performance with low complexity.2. The equivalent model of MIMO systems with I/Q imbalance in receiver is derived, the lose of channel reciprocity is analyzed in terms of system capacity, C
8、ompensation method is proposed to compensating channel non-reciprocity due to I/Q imbalance in receiver, simulation results show that the proposed method can improve BER performance and system capacity.3. The equivalent model of MIMO systems with I/Q imbalance in transmitter and receiver is derived.
9、 Simulation results of capacity show that I/Q imbalance will destroy the channel reciprocity. Calibration algorithms with and without I/Q imbalance parameters are proposed respectively to compensate the loss of channel reciprocity. Simulation results show that the proposed algorithms significantly i
10、mprove BER performance and system capacity.Keywords: Channel estimation time domain truncation I/Q Imbalance Channel Reciprocity Compensation Algorithm第一章 绪论 1第一章 绪论1.1 IMT-Advanced 的发展状况20 世纪末 3G 技术完成标准化之后，B3G 技术的研究就开始了。2005 年 10月 18 日结束 ITU-RWP8F 第 17 次会议上，ITU 给 B3G 技术定义了一个正式的名称 IMT-Advanced，其中 IM
11、T 表示移动通信，Advanced 是指未来的空中接口技术12。从当前的国际发展形式来看，各国的 B3G 研究工作均已进入系统设计、评估、实验的实质阶段。欧盟在 3G 技术刚刚开始商用的时候，已经开始对 B3G 系统开展深入的研究，这就是 WINNER（Wireless World Initiative New Radio）项目，并且项目计划 2008 年进行演示系统的开发和实验。同时，欧盟大力支持的世界无线研究论坛（WWSF）已经成为国际 B3G 技术交流的主要平台之一， WWRF 下设 6 个工作组，分别讨论业务、市场、结构、接口、核心技术等问题。目前，全世界已经有 140 多家企业和大学
12、加入了 WWRF。日本的移动通信发展也在快速进行中，DoCoMo 公司在 2005 年 6 月就宣布完成了 1Gbit/s 传输速率的无线通信技术实验，并在逐步推广相关的 B3G 研究成果。我国也很早就意识到了 IMT-Advanced 技术的重要性。为了在下一代移动通信发展中占据有利位置，我国在“十五计划”期间在“863 项目”中设立了 FuTURE 项目（未来通用无线环境研究计划） ，专门从事 B3G 相关技术、标准和实验系统的研究工作。中国通信标准化协会(CCSA) 还成立了 TC5WG6 工作组，专门研究 B3G 技术 3。由于 ITU 对 B3G 技术提出了更高的要求，特别是为静止或
13、者低速移动用户提供高达 1Gbit/s 的峰值速率，故 IMT-Advanced 系统可能需要宽达 100MHz 的系统带宽。在 3GHz 以下频段为运营商分配如此宽的频带非常困难，而在 3GHz 以上频段可以找到这样的连续频谱。虽然 3GHz 以上频段可实现高峰值速率和系统容量，但是系统很难实现无缝覆盖，高速移动的用户的服务需求也得不到满足。因而文献4认为 IMT-Advanced 系统很可能同时使用两段离散的频谱：3GHz 以下频段用于实现无缝连续覆盖和高速移动，3GHz 以上频段用于实现高峰值速率，支持低速移动。未来的移动通信业务将从话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务，因此，对服务质
14、量和传输速率的要求越来越高。对移动通信系统的性能提出了更高的要求。按照 ITU 对 IMT-Advanced 的定义，IMT-Advanced 技术需要实现更高的数据速率和更大的系统容量。当用户处于静止或者低速移动的室内和室外环境中，IMT-Advanced 将提供高达 1Gbit/s 的小区吞吐量；而当用户在中高速移动的广域第一章 绪论 2环境下，IMT-Advanced 系统将提供最高 100Mbit/s 的峰值速率。而带宽在移动通信中是非常稀缺的资源，因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求；同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干
15、扰，达到改善系统性能的目的 56。2007 年 11 月世界无线电大会(WRC-07) 为 IMT-Advanced 分配了频谱，进一步加快了 IMT-Advanced 技术的研究进程。并且 2008 年 3 月 ITU 发出征集 IMT-Advanced 标准的通函，开始征集无线接入技术(RIT)标准，截止到 2009 年 10 月，共征集到由 3GPP、IEEE、中国、日本和韩国提交的 6 个候选 RIT 技术提案。2010 年 10 月 21 日，ITU 声明 IEEE 的 Wireless MAN Advanced 和 3GPP 的 LTE-Advanced 被正式认定为官方的 IMT
16、-Advanced 设计方案，也就是所谓的准 4G 标准。前者主要由 IEEE、ARIB、TTA 、WiMAX 论坛及其伙伴成员支持，包括了Intel 以及北美、日本、韩国、以色列等的主要通信运营企业和制造企业；后者主要由 3GPP、ARIB、ATIS 、CCSA、ETSI、TTA、TTC 及其伙伴成员支持，包括了国际主要通信运营企业和制造企业，但有很多组织和机构同时支持两个阵容。其中 TD-LTE-Advanced 是继 TD-SCDMA 之后中国提出的具有自主知识产权的新一代移动通信技术，它吸纳了 TD-SCDMA 的主要技术元素，体现了我国通信产业界在宽带无线移动通信领域的最新自主创新成
17、果。目前，TD-LTE-Advanced 已成为 IMT-Advanced 的正式后选提案，并获得 3GPP 和亚太地区通信企业的广泛认可和支持 789。1.2 TDD-MIMO 系统的信道互易性为了满足宽带多媒体业务的传输要求，新一代无线通信系统必须具有更高的传输速率；另一方面有限的频谱资源又要求未来系统具有更高的频谱利用率。在功率受限与频谱受限且信道恶劣的无线移动传输环境下，空间维的利用对于提高系统性能有着非常显著的意义与作用。MIMO 技术便以其高速率、高频谱效率的优点而受到业界的一致青睐，目前普遍认为：收发两端均配备多天线的无线通信系统将是大势所趋。上个世纪 90 年代，贝尔实验室 F
18、oschini 和 Telatar 等人从研究中得出结论：在独立平坦衰落信道条件下，信道容量随天线数线性增加，而 Bell 的试验系统BLAST 也证实了这点（频谱利用率高达 2042bps/Hz） ，多天线系统的巨大潜力引起了人们极大的研究热情，从此 MIMO 技术开始受到广泛研究，而其中很重要的一个部分就是对 MIMO 系统容量的研究。研究多天线环境下的信道容量，理论意义体现在对信道容量上限的分析与计算上；而工程意义则表现为在信道容量理论的指导下，通过对系统的合理设计，以及对资源在时间、频率、空间三维的合第一章 绪论 3理分配以达到或逼近理论上的系统容量 10。在实际的 MIMO 系统中若
19、要最大程度上实现系统容量需要采取一系列措施，其中很多方法都需要利用信道状态信息(CSI)。如果 MIMO 系统的收发两端都可以准确地知道信道状态信息，那么发端就可以根据瞬时信道状态自适应调整发射策略，如选择状态最好的子信道进行传输，调整不同子信道上的功率和数据速率等等，实现所有信道状态下平均的最大互信息即遍历容量。一般而言，接收端可以通过信道估计等方法比较容易获得信道状态信息，但是发端在发射信息之前很难获得用于传输信息的信道状态。除了采用收端向发端反馈的方法外，还可以利用 TDD（Time Division Duplex，时分双工）的特点为发端提供信道状态信息。一般通信是双向的，即双工通信，移
20、动通信的双工通信可以有两种实现方式：频分双工（FDD ） 、时分双工（TDD） 。FDD（频分双工）模式中，实现接收和传送的双向通信是在分离的两个对称频率信道上，用保护频段来分离接收与传送信道。与 FDD 模式不同，在 TDD（时分双工）模式中接收和传送的双向通信是在同一频率信道即载波的不同时间段（时隙） ，用保护时间来分离接收与传送信道。其基本原理如图 1.1 所示。B SU E保护频段频率F D D 模式保护时间T D D 模式时间图 1.1 TDD 和 FDD 基本原理与 FDD 模式相比，在 TDD 系统中，基站（BS）到用户设备（UE）的上下行链路信道都用同样的频率，在系统组网进行频
21、率规划和通信过程的无线资源分配时非常简单。另外上下行信道占用不同的时隙，利用时间转换开关的转换实现上下行双向通信，通过时间转换开关的灵活设置，因此 TDD 具有频率灵活性、更高的频率利用率、支持不对称数据业务、上下行信道的互易性 14等优点。在 TDD 系统中，基站到用户设备的上下行链路信道都用同样的频率，这样上下行链路的传播特性基本相同，这样上下行信道的信道参数基本相同，可以将基站上行接收估计的信道冲击响应直接应用于下行方向的发送处理，反之亦然。这种上下行信道的参数/冲击响应基本相同，可以在上下行接收和发送时根据一方估计的结果被另一方直接利用的特性，称为上下行信道的互惠性。上下行信道的互惠性
22、给 TDD 系统带来以下好处：1. 功率控制要求降低。可以用比较简单和占用资源较少的开环功率控制，第一章 绪论 4同时功率控制周期也可以增大。2. 利用传输预处理技术降低移动终端的处理复杂性。传输预处理技术需要知道传输信道的传播特性，在 TDD 系统中由于上下行信道的互惠性，这是很容易实现的，因此传输预处理技术可以直接利用。对于 FDD 系统，则需要增加反馈信道和其他复杂的处理才能获得，这样，传输预处理技术不能直接简单的实现，同时性能也不如 TDD 系统中好。3. 利于采用智能天线、发送分集等新技术改进系统性能，它们和传输预处理技术相似，下行波束成形和发送分集需要知道传输信道的传播特性，TDD
23、 系统可以用简单的开环方式实现，而 FDD 系统必须要用复杂的闭环方案，同时性能也不如 TDD 中的开环方式好。因此，在 TDD-MIMO 系统中，一般假设上下行信道具有互易性，这样发射端就可以利用上行信道状态信息制定用于下行信道的发射策略，在不增加反馈开销的条件下达到最优的系统性能 14。1.3 研究目的及意义虽然在 TDD-MIMO 系统中能够利用信道互易性直接为发端提供信道状态信息，而不需要采取反馈措施，节省了额外的系统开销。但是实际情况下，这种互易性可能会受到损失。比如因为信道估计不准确、信道时变而引起的多普勒扩展、上下行链路引入的干扰功率或干扰类型不同，器件的非理想特性引起的不对称等
24、等都会改变信道的互易特性，从而无法发挥 TDD 的优势。为了能够重新获得信道互易性，需要针对不同的影响采取相应的补偿方法，弥补互易性的损失，实现系统容量的最大化。在所有影响信道互易性的情况中，信道估计误差和由射频器件的非理想性而引起的失真成为不可忽略的两个重要因素。在信道估计中，由于信道噪声和导频数量有限的影响，会使所得到的信道与理想信道有一定的误差。同时为了实现体积、功耗以及集成度方面的改进，直接转换结构（direct-conversion architecture）的收发信机相比于传统的超外差结构（super heterodyne architecture）省略了中频处理的环节，直接实现基
25、带信号和射频信号的相互转换。但由于发射机的正交上变频和接收机的正交下变频都在模拟域进行，因此模拟器件的非理想性所引起的射频失真存在于上下变频过程中，会引起附加直流偏置，改变信号的幅度和相位等问题。在单天线系统中，由于不涉及预编码、空间分集等技术的使用，模拟器件不理想对系统性能的影响是有限的，往往可以忽略。然而随着现代无线通信系统中多天线、发送预编码及 OFDM 等新技术的使用，信道估计误差和射频失真对系统性能会产生很大影响。第一章 绪论 5MIMO-OFDM 系统中 CSI 的获取是基于导频信道估计和插值算法而实现的。均方误差意义下最佳的信道估计器是基于二维维纳滤波 8的估计插值器，但其复杂度
26、过高，实际中一般通过设置块状导频和梳状导频，将二维估计插值器简化为一维估计插值器。文献10对不同导频模式下的一维插值方法进行了研究，并指出梳状导频模式下基于最小二乘(LS)估计和低通插值的效果最好。文献11提出了一种基于变换域的估计方法，但该算法无法明确地确定变换域“截止频率” ，且需要对历史 CSI 进行统计，复杂度较高。在实际系统中，块状导频和梳状导频被结合形成混合导频以估计不同时变特性的信道。对此混合导频，可使用级联的频域和时域一维估计插值器进行信道估计。在 TDD 模式下，认为信道状态在一帧内保持不变，此时上述级联估计插值简化为频域一维估计插值，根据文献10的结果，此时低通插值的效果最
27、好。但低通插值仍会引入较大的 CSI 估计误差，从而导致信道互易性的丧失。本论文分析了信道估计误差引起的互易性丧失对 TDD-MIMO-OFDM 系统容量的影响，提出了一种基于时域截短的低复杂度信道估计方法以抑制估计误差，从而保持系统的信道互易性，消除由互易性丧失引起的容量损失，使 TDD 系统不用专门 CSI反馈链路的优点得以保持。文献12通过导频设计和信道估计对仅收端存在 I/Q 不平衡时，OFDM 系统进行了补偿，文献13 给出了 OFDM 系统中收端 I/Q 不平衡及 CFO(Carrier Frequency offset)时的估计和补偿方法，文献14建立了在 MIMO-OFDM 系
28、统中基于反馈的迭代消除 I/Q 不平衡的方法。由此可见，I/Q 不平衡引起了关注，只是以上均基于单链路的补偿，本论文结合 TDD 信道的互易性问题，进行评估和补偿。同时，文献15 指出，有关 I/Q 不平衡的补偿方法，可以分为两类：一个是在频域；一个是在时域。时域补偿方法避免了判决误差，在直接判决方法中不可避免地存在判决误差，因此时域补偿从根本上优于频域补偿。在本论文中主要讨论瑞利衰落信道下，时域 I/Q 不平衡的影响及补偿方法。1.4 本文内容安排本文主要研究信道估计射频器件的非理想特性对 TDD-MIMO 系统信道互易性的影响以及相应的补偿方法。详细分析了不同信道估计算法对 TDD-MIM
29、O 信道容量的影响。另外，详细分析了因射频失真引起 I/Q 不平衡影响，研究了仅接收端存在 I/Q 不平衡的补偿算法和收发端都存在 I/Q 不平衡的补偿算法，并通过仿真验证了补偿算法的有效性。以下是本文的章节安排：第一章：简要介绍了本文研究工作的背景，分析了在 MIMO 系统中应用第一章 绪论 6TDD 技术所带来的信道互易性的优势，以及信道互易性在实际系统中受到的影响。最后对全文内容作了安排。第二章：主要介绍 TDD-MIMO 系统的原理，对 MIMO 信道模型和容量公式作了详细介绍，分析了 TDD 技术的主要特点。最后给出了一个采用预编码技术的两发两收 TDD-MIMO 系统模型，这也是后
30、面研究工作的基本仿真模型。第三章：详细介绍了信道估计的基本知识，块状导频、梳状导频、方形导频、线性插值、二次插值等，同时将多种方法进行比较，并用时域截短的方法提高了MIMO-OFDM 系统的估计性能。第四章：详细推导了单端天线 I/Q 不平衡对 22 TDD-MIMO 系统影响的数学模型，给出了针对该模型的系统容量公式。基于信道估计的思想，提出了应用于该模型的校准算法。对单端天线 I/Q 不平衡的影响及校准算法的效果都进行了仿真分析。第五章：详细推导了双端天线 I/Q 不平衡对 22 TDD-MIMO 系统影响的数学模型，给出了针对该模型的系统容量公式。基于校准矩阵的思想，提出了应用于该模型的
31、校准算法。同时解决了该模型在使用校准矩阵法时遇到的扰动问题，对双端天线 I/Q 不平衡的影响及校准算法的效果都进行了仿真分析。第二章 MIMO-OFDM 系统原理 7第二章 MIMO-OFDM 系统原理2.1 OFDM 技术传统多载波的子载波如图2.1(a)所示，将整个频带划分为N个不重叠的子带，在接收端用滤波器组进行分离。其优点是简单直接，而缺点是不仅计算复杂度较高，而且频带效率较低。这是因为它的实现需要采用较长的FIR滤波器；同时因子信道之间要留有保护频带而使频带效率降低。第二种子载波调制方法是采用偏置QAM 技术，相邻的两个滤波器在过渡带3dB处相互重叠，如图2.1(b)所示，其复合频率
32、响应是平坦的。各个子带信号之间的正交性通过将同相分量与或正交分量的波形在时间上相互错开实现，即相邻两路调制符号相互偏移半个符号周期。第三种实现方法是正交频分复用(OFDM)技术，它是将方波成形的调制符号采用IDFT法调制到各子载波上之后，在频域变为虽然相互重叠而又相互正交的Sinc 函数，如图 2.1(c)，因此在接收端可通过相应的DFT将它们相互分离，分别进行判决。 fnf fnf fnf( a )( b )( c )图2.1 (a)传统的频分复用 (b)3dB频分复用 (c)OFDM串并缓冲器多载波调制器（ 逆 D F T ）增加循环前缀及并串并变换D / A变换器输入数据输出至发送机并串变换器检测器多载波调制器（ D F T ）除去循环前缀及串并变换D / A变换器输出比特图 2.2 OFDM 多载波传输模型OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术实际上是MCM（ Mulit-Carrier Modulation，多载波调制）的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带
