MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现 电子书-399页（上篇）

MIMO-OFDM    无线通信技术及MATLAB  实现

MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB

[韩]Yong Soo Cho,Jaekwon Kim

Won Young Yang,Chung G.Kang著

孙 锴 黄 威 译

電子工業出版社 ·

Publishing House of Electronics Industry

北京 ·BEIJING

内 容 简 介

全书共分十三章，分为无线信道、OFDM 技术和 MIMO  技术三个部分。第一部分分别介绍无线信道 传播与衰落、SISO 信道模型和MIMO 信道模型等知识；第二部分分别介绍OFDM 概述、OFDM 同步技术、 信道估计、PAPR 减小、小区间干扰抑制技术等知识；第三部分分别介绍MIMO 信道容量、天线分集与  空-时编码技术、空分复用MIMO 系统的信号检测、在发射端利用信道状态信息和多用户MIMO 等知识。

本书适用于学习 MIMO-OFDM 技术的无线通信工程师和研究人员，也可作为研究生或大学高年级学 生的教学用书。

MIMO-OFDM  Wireless  Communications  With  MATLAB,ISBN:978-0-470-82561-7

Yong  Soo  Cho,Jaekwon  Kim,Won  Young  Yang,Chung  G.Kang

◎2010 John Wiley &Sons(Asia)Pte Ltd,2 Clementi Loop,#02-01,Singapore  129809 All rights reserved.

AUTHORIZED  TRANSLATION  OF  THE  EDITION  PUBLISHED  BY  JOHN  WILEY  &SONS,INC.,NEW YORK.,Chichester,Weinheim,Singapore,Bris bane,Toronto.

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本书简体中文字版专有翻译出版权由 John    Wiley    &Sons,Inc. 授予电子工业出版社，中文版权属于 John Wiley   &Sons,Inc. 和电子工业出版社共有。未经许可，不得以任何手段和形式复 制或抄袭本书内容。

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译者序

这是一本难得的好书!

译者在一次偶然的机会接触到本书，就被其深深地吸引。作者不仅对相关概念、原理 和关键技术做出了清晰和详尽的阐述，而且提供了大量MATLAB   代码。这些使我们想起了 开始接触该领域时所遇到的一些问题，例如，无法深刻理解相关概念和关键技术；虽然学 了一些基本知识，但是很难开展相应的工作，更难找到合适的代码加以利用。这些可能是 很多初学者或多或少面临的难题。因此我们产生了将这本书推荐给广大中国读者的想法。

本书全面介绍了无线信道模型、 OFDM  和 MIMO  的基础理论和应用实践，并利用 MATLAB 程序对MIMO-OFDM 系统的核心技术进行了仿真。MATLAB 代码都以子函数形 式给出，从中可以学到很多仿真建模的方法和技巧。在此基础上，读者还可以进一步修改 和扩充，设计出适用于不同要求的MIMO-OFDM 算法。阅读本书的读者应具备数字通信、 数字信号处理、通信原理、信号与信息系统，以及概率与随机过程等相关基础知识。

本书由孙锴和黄威翻译并审校，其中孙锴负责第1章至第9章的内容，黄威负责第10 章至第13章的内容。参加本书翻译和整理工作的还有肖毅、孟萨出拉、王美婷、胡北、何 欣、张晓佳、王新皓、卜超、安凯月、王珂、段鹏飞、高雄等同学，电子工业出版社的董 亚峰编辑为本书的出版做了大量工作。在此向所有为本书出版提供帮助的人士表示诚挚的 谢意!

本书受到国家自然科学基金(61001124)、内蒙古自然科学基金(2010BS0903)  和内 蒙古自治区高等学校科学研究项目(ZJZC13029)  的资助，在此表示感谢。

由于译者水平有限，加之时间仓促，译文中难免有不妥乃至错误之处，敬请读者不吝

黄威

2013年4月10日于青城

前  言

MIMO-OFDM 是应用于下一代蜂窝通信(3GPP-LTE,  移动 WiMAX,IMT-Advanced)、无线局域网 (IEEE    802.11a,IEEE     802.11n)、无线个域网 (MB-OFDM)   和广播 (DAB,DVB,DMB)  的一种关键技术。本书全面介绍了无线信道模型、OFDM 和 MIMO 的基础理论和应用实 践，并利用MATLAB 程序对MIMO-OFDM 系统的核心技术进行了仿真。本书适用于学习各种 MIMO-OFDM   技术的无线通信工程师和研究人员。本书也可作为研究生或大学高年级学生的教 学用书。阅读本书的读者应具备数字通信、数字信号处理、通信原理、信号与信息系统，以及 概率与随机过程等相关基础知识。

本书的主要目的在于对 MIMO-OFDM 系统中的各种技术进行仿真时，能够帮助读者理解 MIMO-OFDM通信领域中出现的概念、公式和技术。建议读者掌握一些有关MATLAB的基本使用方 法，相关知识可以通过MATLAB的帮助功能获得，也可通过网址为www.mathworks.com/matlabcentral 的在线文档获得。本书中的大部分程序都是经过认真组织完成的，读者不需要精通MATLAB,

只要结合相关公式就能轻松理解这些程序。希望读者在熟悉MATLAB的基础上能够尝试应用或 修改这些MATLAB 代码，并进行MIMO-OFDM 算法的设计。

本书的特点总结如下：

●  部分I 给出了无线信道建模的基本概念和MATLAB  仿真程序，包括大尺度衰落、小尺 度衰落、室内和室外信道建模、SISO 信道建模和MIMO 信道建模。

●  部分Ⅱ给出了OFDM  传输技术的基本概念和MATLAB   仿真程序，包括OFDM  基本原 理、同步、信道估计、峰均比减小和小区间干扰抑制。

●  部分Ⅲ给出了MIMO  技术的基本概念和MATLAB   仿真程序，包括MIMO  信道容量、 空间分集和空时码、空间复用MIMO 系统的信号检测、预编码和天线选择技术，以及多用户MIMO 系统。

本书的大部分MATLAB 程序都是完整的，不具备编程能力的读者也能够直接运行程序，从 而重点掌握MIMO-OFDM   系统的概念和特点。本书的内容来源于许多伟大学者、工程师和研究 人员的研究成果，在此对他们深表感谢。

感谢书评家对本书给予的有价值的评价和建议，这些评价和建议更加丰富了本书的内容。 衷心感谢同事们和设计源程序的已毕业的学生们：Jeon Won Gi博士、Park  Kyung-Won博士、 Lee  Mi-Hyun博士、Lee  Kyu-In博士和 Paik  Jong-Ho博士。特别感谢在本书打印稿的准备过程 中给予我们支持的博士生们：Kyung SooWoo,Wee Jung-Wook,Park Chang Hwan,Kim Yeong Jun,Ko Yo Han,Hyun Il Yoo,Im Tae Ho; 同时感谢韩国中央大学数字通信实验室的许多硕 士研究生。感谢编辑和出版人员：John  Wiley  &Sons(Asia)Pte  Ltd的 Renee  Lee女士和Thomson  Digital 的 Aparajita  Srivastava女士，感谢她们热情、有效和鼓舞人心的指导。

程序文件可以从以下网址下载：http://comm.cau.ac.kr/MIMO_OFDM/index.html。

软件的法律责任及免责声明

本书的作者和出版商已经尽最大的努力对书中的计算机程序开发做了充足的知识储备。然 而，他们并没有对书中涉及的程序或文档有任何明示的或暗示的保证。因此，他们对读者使用 或参考书中资料引发的任何偶然或间接的损失概不负责。

读者被明确警告应考虑和采纳所有安全预防措施，并避免任何潜在的危险。按照说明，读 者将愿意承担所有可能的风险。

第1章 无线信道：传播和衰落

无线通信系统的性能主要由无线信道环境决定。与有线信道静态和可预测的典型特点相反， 无线信道是动态且不可预测的，这就增加了对无线通信系统进行精确分析的难度。近几年，随着 无线通信业务和新兴宽带移动互联网接入业务的快速增长，对无线通信系统的优化变得至关重要。 实际中，对无线信道的理解将为设计高性能和高频谱效率的无线传输技术奠定基础。

在无线通信中，无线传播是指无线电波从发射机传播到接收机的行为。在传播过程中，无线 电波主要受三种物理现象的影响：反射、绕射和散射1,2】。反射是指电磁波在传播的过程中遇到一 个尺寸远大于其波长的物体(如地球和建筑物表面)而产生的物理现象。它使信号功率被反射回 发射端，而不是完全沿着去往接收端的路径传播。绕射/衍射是指发射机和接收机之间的无线路径 被尖锐、不规则的物体表面或小的缺口(洞)阻挡而发生的物理现象。看起来好像电波在这些小 的障碍物周围发生了弯曲或穿过小孔后继续扩散。即使不存在可视路径，通过衍射产生的二次波 也可以建立一条从发射端到接收端的路径。散射是由一个或者多个尺寸远小于其波长的本地障碍 物引起电磁波偏离原来传播方向的物理现象。引起散射的这些障碍物，如植物、路标、灯柱等， 被称为散射体。换句话说，无线电波的传播是一个复杂和不可预测的过程，由反射、绕射和散射 决定，不同距离处的信号强度随环境的变化而变化。

无线信道的一个典型特征是“衰落”现象，即信号幅度在时间和频率上的波动。加性噪声是 信号恶化的最普遍来源，而衰落是其另一种来源。与加性噪声不同的是，衰落在无线信道中引起 非加性的信号扰动。衰落也可以由多径传播引起(称之为多径衰落),或者由障碍物的遮蔽引起(称 之为阴影衰落)。

在20世纪50～60年代，人们首先对高频(HF,3～30     MHz)、特高频(UHF,300~3000      MHz) 和甚高频(SHF,3～30      GHz) 无线信道的衰落现象进行了建模。目前，通过广泛的信道测量建立 了800 MHz～2.5 GHz最普遍的信道模型，包括单输入单输出(Single  Input   Single  Output,SISO)  通信系统的ITU-R 标准信道模型。最近，旨在提高无线传输效率和分集增益的各种研究和标准化 活动(IEEE   802,IMETRA项目，3GPP/3GPP2,WINNER 项目)开发了用于多输入多输出(Multiple  Input  Multiple   Output,MIMO) 通信系统的空间信道模型。

衰落现象大致可以分为两种类型：大尺度衰落和小尺度衰落。当移动设备通过一段较长的距 离时(如小区大小的距离)会产生大尺度衰落[。它是由信号的路径损耗(关于距离的函数)和大的障碍物(如建筑物、中间地形和植物)形成的阴影所引起的。阴影衰落是 一 种慢衰落过程，描 述接收机和发射机之间的中等路径损耗的波动特性。换句话说，大尺度衰落的特性由平均路径损 耗和阴影衰落来描述。另 一 方面，小尺度衰落是指当移动台在较短距离内移动时，由多条路径的 相消或相长干涉引起信号电平的快速波动。根据多径时延的相对扩展，用信道的频率选择性(如 频率选择的或频率平坦的)来描述小尺度衰落的特性。此外，根据信道在时间上的波动(用多普 勒扩展描述),短期衰落可以分为快衰落和慢衰落。图1 . 1对衰落信道进行了分类。

大尺度衰落和小尺度衰落的关系如图1 . 2所示。大尺度衰落表现为平均路径损耗和阴影衰落， 平均路径损耗随着距离的增加而增加，阴影衰落沿着平均路径损耗变化。由于传播路径上的障碍 物会引起阴影衰落，即使与发射机的距离相同，接收信号的强度也可能是不同的。此外，散射分 量会引起小尺度衰落，经历阴影衰落之后的信号将产生短期波动。

链路预算是无线通信系统设计的 一 个重要工具。链路预算考虑了从发射机到接收机之间的所 有增益和损耗，能够预测接收信号的强度和所需的功率储备(余量)。路径损耗和衰落是链路预 算中最重要的两个因素。图1 . 3说明了受这些因素影响的 一个链路预算。平均路径损耗是 一个确定 性的因素，能够通过发射机和接收机之间的距离来计算。与之相反，阴影衰落和小尺度衰落是随 机现象，因此它们的影响只能通过它们的概率分布来预测。例如，将阴影衰落建模成 一 个对数正 态分布的随机变量。

由于衰落的随机特性，必须增加 一 定的功率储备来确保接收信号的强度达到期望的水平。换句 话说，在设计中必须确定 一个衰落余量，以保证接收信号的功率大于给定阈值的概率在目标范围内 (如98%～99%)。如图1 . 3所示，必须考虑大尺度衰落和小尺度衰落的范围，从而使中断概率维持 在1%～2%,这意味着接收信号的功率低于目标水平的概率只有0 . 02或更小3。因此，在这里的分 析中，对阴影衰落和小尺度损耗概率特性的描述很重要。在这 一 章中，我们给出具体的大尺度衰落和小尺度衰落信道模型，它们是进行链路预算分析时所需要的。

1.1    大尺度衰落

1.1.1  一 般 路 径 损 耗 模 型

自由空间传播模型用于预测视距 (Line-of-sight,LOS)     环境(发射机和接收机之间没有障碍 物)中接收信号的强度。卫星通信系统中经常采用这个模型。令d  表示发射机和接收机之间的距 离(单位： m) 。 当使用各向异性的天线时，发射天线的增益为G₁,   接收天线的增益为G,     则距 离为d 的接收信号功率P(d), 可以由著名的Friis公式4表示为

其中，P  为发射功率(单位： W),λ   为发射波长(单位： m),L     为与传播环境无关的系统损耗系 数。系统损耗系数表示实际硬件系统中的总体衰减或损耗，包括传输线、滤波器和天线。总的来 说 ，L>1, 但是如果假设系统硬件没有损耗，则L=1 。 从式(1.1)可以明显看到接收功率随距离 d 呈指数规律衰减。对于没有任何系统损耗的自由空间路径损耗PL(d),    可以在式(1.1)中取L=1 直接得到，即

图1.4 显示了在不同天线增益的情况下，自由空间的路径损耗随距离而变化的曲线图，其中 载波频率f。=1.5GHz 。 很明显，天线增益减小时，路径损耗增加。与前面提到的自由空间路径损 耗一样，在所有其他的实际环境中，平均接收信号功率随距离 d 呈对数方式减小。通过引入随着 环境而改变的路径损耗指数n,  可以修正自由空间路径损耗模型，从而构造出一个更为普遍的路径 衰落模型。这就是大家熟知的对数距离路径损耗模型。

其中，d₀ 是一个参考距离。在参考距离或者接近参考距离的位置，路径损耗具有式(1.2)中自由空 间损耗的特点。如表1.1所示，路径损耗指数主要由传播环境决定，其变化范围为2～6,其中n=2    对应于自由空间的情况。此外，当障碍物很多时，n 会增大。对于不同的传播环境必须确定合适的 参考距离d。。例如，在大覆盖范围的蜂窝系统(即半径大于10km 的蜂窝系统)中，通常会设置d。 为 1km。然而，对于小区半径为1km的宏蜂窝系统或者具有极小半径的微蜂窝系统，可以分别设 置参考距离为100m 或 1m⁵。

如图1.5所示为式(1.4)在载波频率fe=1.5GHz 的对数距离路径损耗。从图中可以清楚地看 到，路径损耗随着路径损耗指数n 的增大而增大。由于周围环境会随着接收机的实际位置不同而 改变，即使发射机到接收机之间的距离相同，每条路径也将具有不同的路径损耗。然而，上述提 到的所有路径损耗模型并没有将这种特殊情况考虑在内。因此在涉及更加真实的环境时，对数正态阴影模型将更为实用。令X。表示均值为0,标准差为σ的高斯随机变量。对数正态阴影衰落模型为

换句话说，该模型允许在相同距离d 处的接收机具有不同的路径损耗，并且随着随机阴影变 量 X。而变化。如图1.6所示为服从对数正态阴影模型的路径损耗，其中f。=1.5GHz,σ=3dB,n=2 。 从图中可以清楚地看到，在确定性的对数路径损耗模型上叠加了阴影产生的随机效应。

图1.4~图1.6中的路径损耗可以通过运行程序1.3(“plot    PL_general.m”) 得到，该程序调 用程序1.1(“PL_free”)和程序1.2(“PLlogdist_or_norm”),分别使用式(1.2)、式(1.3) 和式(1.4)、式(1.5)来计算路径损耗。

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