通信与信息系统硕士论文-OFDM与SC-FDE中的信道估计技术.pdf

山东大学 硕士学位论文 ofdm与sc-fde中的信道估计技术 姓名：张永生 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：杜岩 20050425 山糸大学静f 学位论殳 摘要 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术是 一种多载波传输技术，它将信息调制到一组相互正交的子载波上并行传输，延长 了符号的持续时间，从而可以有效地对抗多径传播引起的符号间干扰 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i s i ) 。o f d m 以其可有效对抗i s i ，频谱利用率高 实现简单等优点，正受到人们越柬越广泛的关注，被认为是第四代移动通信系统 ( 4 g ) 的支撑技术单载波频域均衡( s i n g l ec a r d e rw i t hf r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o n ，s c f d e ) 技术也是一种高效的宽带数字传输方案，除具有上面提到 的o f d m 的优点之外以其峰值平均助率比( p e a kt o a v e r a g ep o w e rr a t i o p a p r ) 小的特点证受到人们越来越多的关注。为了进步提高系统性能。o f d m 和 s c f d e 系统都还有很多关键技术需要进一步的解决和完善，信道估计就是其中 之一 本文简单分析了无线移动传播环境的特点并讨论了o f d m 和s c f d e 的特 点。在简单介绍了o f d m 和s c f d e 中的一些信道估计技术后，我们提出了几 种信道估计方法首先，我们在分析了信道冲击响应对o f d m 时域信号影响的 基础上。提出了一种采用解方程组的方法来估计信道特性的算法。针对该算法， 我们提出了两种训练穿列格式并利用遗传算法分别寻找了这两种格式的优化训 练序列仿真结果表明，该算法具有很高的估计精度，而运算复杂度和时域的 p a p r 都很小，容易实现。并且。采用分块的格式b 可以在接收端并行运算，提 高了运算的速度其次，在分析s c - f d e 信号的基础上，根据s c f d e 与o f d m 的对偶关系，得出s c - f d e 信号在频域存在p a p r 问题，不能采用普通数据序列 估计信道特性。通过分析，我们指出n e w m a n n 宁列非常适合作为训练序列，并 给出了仿真结果。最后，我们受文献【4 9 】的启发，将其插入导频估计频偏的方法 应用到频域信道估计中来形成了s c f d e 中基丁= 导频的频域信道估计方法。但 由于该方法中片l 到的导频数日有限，凶此估计精度不高。为了进步提高估计精 度我们又提出可以采用判决反馈估计出信道特性并以此对基于导频估计算法的 结果进行修萨仿真结果表明采用修i f 算法可以大大提高估计精度降低系统 误码率。并且没有增加额外带宽。该修诈算法还可以用来跟踪信道变化只需用 1 1 1 山东入学伸1 4 学位论文 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! - 一i i ! i i _ _ - l - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ - 一 上一帧估计出的信道特性代替基于导频方法估计出的信道特性即可。 文章最后总结了全文并指出了需要进一步研究的一些问题。 关键词；正交频分复用( o f d m ) 、单载波频域均衡( s c f d e ) 、信道估计、时 域训练序列、导频、判决反馈、遗传算法 山东大学礤十学位论文 a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i s am u l t i - c a r r i e r t e c h n o l o g y , w h i c hm o d u l a t e st h ei n f o r m a t i o no n t oag r o u po fo r t h o g o n a ls u b c a r r i e r s ， a n dt r a n s m i t st h e mi np a r a l l e l s o ，t h es i g n a lo ne v e r ys u b c a r r i e rh a sar e l a t i v el o n g e r s i g n a ld u r a t i o n , w h i c h m a k e so f d mar o b u s t t e c h n o l o g y t o i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db ym u l t i p a t hp r o p a g a t i o n o f d mi sa na t t r a c t i v et e c h n o l o g y f o ri t sh j i g hi m m u n i t y t o i s l ，h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n dl o wc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y , a n di sc o n s i d e r e da sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nt h ef o r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) m o b i l en e t w o r k s s i n g l ec a r r i e rw i t hf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( s c - f d e ) i s a n o t h e re f f i c i e n tw i d e b a n d d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b e s i d e st h o s e a d v a n t a g e st h a to f d mt e c h n o l o g yh a v e i t sr e l a t i v el o w e rp e a kt oa v e r a g ep o w e r r a t i o ( p a p r ) m a k e ss c f d ea n a t t r a c t i v e t e c h n o l o g y i nw i d e b a n d d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n t oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h e r ea r em a n yk e yt e c h n o l o g i e s n e e dt ob es o l v e do ri m p r o v e di no f d ma n ds c f d es y s t e m s ，w h e r ec h a n n e l e s t i m a t i o ni so n eo f t h e m i nt h i st h e s i s ，w ed e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t a n dt h ep r i n c i p l eo f o f d ma n ds c f d es y s t c m si nb r i e f a f t e rd e s c r i b i n gs o m eb a s i c c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m si no f d ma n ds c f d es y s t e m s ，w ep r o p o s es o m en e w c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s f i r s t l y b ys t u d y i n gt h et i m ed o m a i ne f f e c to fc h a n n e li m p u l s er e s p o n 辨( c i r ) a n dt h et r a n s m i t t e do f d ms i g n a l w ep r o p o s eat i m ed o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m w h i c he s t i m a t e st h ec i rb ys o l v i n gab a n ko fe q u a t i o n s i nt h i st h e s i s w e d i s c u s st w ok i n d s o f t r a i n i n gs e q u e n c ef o r m a tf o r t h i sa l g o r i t h m f o r e a c ho f t h e m w e s e e kt h eo p t i m i z e dt r a i n i n gs e q u e n c ew i t hg e n 鲥ca l g o r i t h m ( g a ) t h er e s u l t ss h o w t h a t ，t h i sa l g o r i t h mw i t ho p t i m i z e dt r a i n i n gs e q u e n c ec a na c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c e w h i l ei t s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dp a p ri sl o w f u r t h e r m o r e ，t h et r a i n i n g s e q u e n c ef o r m a t ( b ) c a nb es o l v e di np a r a l l e l v 山东夫掌磺卜学位论文 i s e c o n d l y , b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs c f d es i g n a l i nt i m ea n d f i v q u c n c yd o m a i n e n l i g h m n e db yt h ed u a l i t yo fo f d ms i g n a la n ds c - f d es i g n a l ， w ek n o wt h a ts c f d es i g r “h a sal a r g ep a p ri nf e q u e n c yd o m a i n s oc o m m o n d a t af l a m e 锄tb eu s e da st h eu a i n i n gs e q u e n c et oe s t i m a t ec l r , a n dt h et r a i n i n g s e q u e n c em u s tb ed e s i g n e dc a r e f u l l y b ys i m u l a t i o n , w ec o n c l u d et h a tn e w m a n n s e q u e n c ec a r lb eu s e da st r a i n i n gs e q u e n c e f i n a l l y e n l i g h t e n e db ya r t i c l e 【4 9 w ec a na r r a n g et h ef r e q u e n c yd o m a i np i l o ti n s c f d es y s t e m s ，s ow ec a nu s et h o s ep i l o t b a s e df r e q u e n c yd o m a i nc h a n n e l e s t i m m i o na l g o r i t h m sp r o p o s e di no f d ms y s t e m st oe s t i m a t ec h a n n e li ns c f d e s y s t e m s h o w e v e r s i m u l m i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h ep i l o t - b a s e da l g o r i t h ma n dt h e u w - b a s e da l g o r i t h mp r o p o s e di na r t i c l e 4 3 】h a sl o wp r e c i s i o n t oi m p r o v et h e e s t i m a t i o np r e c i s i o n ，w ep r o p o s eaf e e d b a c k b a s e da l g o r i t h m w h i c hm o d i f i e st h e c o a r s ee s t i m m i o nr e s u l ta c h i e v e db yp i l o t - b a s e da l g o r i t h mo ru w - b a s e da l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h ef e e d b a c k b a s e da l g o r i t h mc a ni m p r o v ee s t i m a t i o n p r e c i s i o na n dd e c r e a s et h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) d r a m a t i c a l l y t h ef e e d b a c k b a s e d a l g o r i t h mc a na l s o b eu s e dt ot r a c kt h ec h a n n e lv a r y i n gb yr e p l a c i n gt h ec o u r s e e s t i m a t i o nr e s u l tw i t ht h ec l ro fp r e x ，i o u sf r a m e a tt h ee n do ft h i st h e s i s w es u m m a r ) t h em a j o rr e s u l t so b m i n e do ft h i st h e s i s a n do u t l i n ep o s s i b l ef u t u r ew o r ki nt h i sf i e l d k e y w o r d ：o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，s i n g l ec a r r i e r w i t hf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( s c f d e ) ，c h a n n e le s t i m a t i o n , t i m ed o m a i n t r a i n i n gs e q u e n c e ，f e e d b a c k , g e n e r i ca l g o r i t h m ( o a ) v i 山东大学毋士擘位论文 符号说明 产生o f d m 数据符号的抽样长度 保护i 日j 隔的抽样长度 整个符号帧的抽样长度 最大多普勒频移 丘相对于子载波间隔的归一化值 o f d m 发送信号的频域表示 o f d m 发送信号的时域表示 o f d m 接收信号的频域表示 o f d m 接收信号的时域表示 加性噪声 信道冲击响应 信道冲击响应的频域表示 数掘符号占的时域抽样点数( f f m f f t 变换的点数，o f d m 的子载波 保护间隔占的时域抽样点数 方差 k r o n e c k e r 8 函数 v n 轴 玷 t k “ ” h 叭虬 盯 肌始“ 一 聃 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑盘垒： 1 3期：兰芝壁垒呈 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：! 送盘叁导师签名：鑫垒盏日期：星丝生 山东大学硕士掌位论文 第一章绪论 随着i n t e r n c t 的迅速发展，人们对通信速率的要求也越来越高，这些要求刺 激了通信技术特别是宽带无线通信技术的飞速发展现在广泛应用的宽带无线通 信技术主要有：正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术、码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术、单载波频域均衡( s i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n , s c f d e ) 技术。 现在无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) 系统大多数采用 i e e e8 0 2 1 l b 标准，最高传输速率可以达到l l m b p s 1 一些新的无线局域网标 准，如i e e e8 0 2 1 l a 2 、h i p e r l a n 2 3 4 ，采用o f d m 技术可以提供高达5 4 m b p s 的数据传输速率，但这仍然不能满足人们对无线局域网应用中数据传输速率的要 求 在蜂窝移动通信系统中，人们对传输速率也提出了更高的要求现在广泛应 用的第二代移动通信系统( 2 g ) ，如g s m ，i s 9 5 主要采用时分多址和码分多 址技术传输速率一般为9 6 k b p s 一1 4 4 k b p s 。虽然能满足人们现在对语音业务的 需求，但不能满足人们对i n t e r a c t 接入业务、多媒体业务、图像业务、数据业务 的需求，因而要求更高传输速率的蜂窝移动通信系统出现第三代移动通信系统 ( 3 g ) 均采用c d m a 技术。在室内环境下能提供2 m b p s 的数据传输速率，在移 动环境下可以提供1 4 4 k b p s 的数据速率然而，3 g 仍是地面标准不统一的区域 性通信系统，尽管其传输速率可高达2 m b p s ，但仍无法满足多媒体通信的要求。 因此，第四代移动通信系统( 4 g ) 的研究随之应运而生，而o f d m 被认为是4 g 的 核心技术之一 1 1 宽带无线通信技术 1 1 1o f d m 技术 o f d m 技术采用多载波方式并行调制，可以提供比c d m a 更高的数据传输 速率，频谱效率也高于c d m a 系统，是4 g 中一种很有竞争力的调制技术。o f d m 山东大学硕士学位论文 将数据调制到各个互相正交的子载波上并行传输，降低了符号的传输速率，可以 更好地克服无线环境中多径传播引起的符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ， i s i ) o f d m 不同于传统的频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 技 术f d m 技术的各个子载波是相互分离的，相互之间设置保护频带以防止各个 载波之间产生干扰o f d m 不仅各个子载波之间没有保护频带，而且频谱主瓣 还有重叠，大大提高了频谱效率。其主要优点如下： 第一：o f d m 有非常高的频谱利用率o f d m 系统各子载波之间不但没有 保护频带，而且相邻子载波间信号的频谱主瓣还相互重叠。o f d m 系统各子载 波上的信号频谱在频域上是相互正交的，并且各子载波在时域上也是正交的， o f d m 系统正是依靠这种正交性来完成各子载波信号的解调另外，o f d m 还 可以使用多进制调制( 如m p s k ，m q a m ) ，进一步提高频谱利用率 第二：o f d m 实现简单当子载波上采用m - q a m 或m p s k 方式调制时。 调制过程可以用i f f t 完成，解调过程可以用f f t 完成，硬件实现时直接采用相 应的d s p 芯片或专用集成电路即可 第三：o f d m 抗多径干扰能力强，均衡简单一般地，o f d m 系统采用循 环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 作为保护间隔在一定条件下c p 可以完全消除信号的 多径传播造成的码间干扰，因此o f d m 具有较好的抗多径能力o f d m 的子载 波把整个信道划分成许多相对较窄的子信道，尽管整个信道可能极不平坦，但在 各子信道上的信道特性却是近似平坦的这使得o f d m 系统予信道的均衡特别 简单，往往只需要单抽头的频域均衡器即可实现 尽管o f d m 具有诸多优势，但目前用于移动通信还有一些困难。其中最主 要的制约之一就是o f d m 系统的信道估计问题众所周知，移动无线通信环境 可以表征为一个多径衰落信道，多径信道对发送信号的影响主要表现在两个方面 多径时延扩展和时变特性由于存在多条传输路径，接收端接收到的信号表现为 发送信号不同时延样本的叠加，这就需要采用均衡技术消除信道影响，恢复原始 信息而o f d m 中的均衡技术通常是在信道估计技术估计出信道特性的基础上 进行的，所以信道估计结果的好坏直接影响到系统的性能另一方面由于无线信 道的时变特性，要实时地跟踪信道特性的变化就需要用到信道跟踪技术本文将 山东大学硬士擘位论文 在第4 章讨论o f d m 系统中的信道估计技术 1 1 2s c f d e 技术、 s c - f d e 技术与o f d m 类似，也是采用分块传输，通过引入循环前缀( c y c l i c p r e f i x , c p ) 将多径信道对信号在时域的线性卷积作用转化为循环卷积作用，因 而采用频域均衡技术可以方便地消除多径传播引起的符号问干扰。因此它具有与 o f d m 相似的抗多径能力，同样可以采用单抽头频域均衡器对其进行均衡因 此，与传统的单载波时域均衡系统相比，其均衡复杂度大大降低同时。由于它 是一种单载波系统，因此不存在o f d m 系统固有的p a p r 问题，对发射功率放 大器的线性范围要求低。降低了设备成本。与传统单载波系统中的时域均衡技术 不同，0 f d m 和s c f d e 系统的频域均衡必须要作显式的信道估计，即均衡时必 须知道各子信道衰落特性的幅度和相位信息，因此信道估计也是s c - f d e 系统的 研究的重点之一本文将在第5 章讨论s c ，f d e 系统中的信道估计与跟踪技术 1 2 论文安排 因为无线信道的特性直接影响到无线通信系统的复杂度和实现方式因此， 对无线通信系统的了解是十分必要的本文将在第2 章简单介绍无线信道传播环 境的特点，无线信道的计算机建模，克服信道衰落的方法等问题。 第3 章将主要介绍o f d m 和s c - f d e 系统的基本原理和它们各自的特点， 并指出s c f d e 与o f d m 的对偶关系：s c - f d e 的时域信号与o f d m 的频域信 号具有相似的特性，而s c f d e 的频域信号与o f d m 的时域信号有相似的特性 由此，我们指出普通的s c - f d e 数据帧在频域存在p a p r 问题，不能作为信道估 计的训练序列，必须对训练序列进行合理的设计 第4 章中我们介绍了o f d m 系统中一些现有的信道估计方法，并提出了一 种时域信道估计方法该算法具有估计精度高、同时适用于c p - o f d m 和 z p o f d m 系统、p a p r 小等优点 第5 章中我们简单介绍了s c f d e 系统中的信道估计技术，并应用s c - f d e 中的导频插入技术实现了一种基于导频的信道估计算法，指出了它的优缺点由 于它估计精度有限，我们又给出了一种采用判决反馈修正的信道估计算法，该算 3 山东大掌硕士掌位论文 法既可以用在准静态信道中提高估计精度，又可以用在时变信道中跟踪信道的变 化 第6 章对论文进行了总结，并指出了下一步工作的方向 山东大学囊士学位论文 第二章无线通信传播环境 无线移动信道的衰落情况直接影响无线通信系统的性能，因而需要对无线移 动信道进行深入的研究无线信道可能是从发射机到接收机之间的直射路径形成 的单径信道，也可能是由于建筑物，树木、山峰等的遮挡和反射而构成的多径信 道发射机与接收机相对运动速度的不同对信道的衰落情况也有直接的影响。造 成信道特性随时间变化相对有线信道而言，无线信道特性更加复杂，它除了多 径效应以外还具有时变性以及时交的随机性。因而无线移动信道很难进行预测 所以，一直以来无线信道的建模就是无线通信系统中很重要的组成部分。在分析 无线信道的建模之前对无线信道中各种衰落的形成原因及特性进行介绍是必要 的，详细分析可参照【5 】【6 】【7 】 2 1 无线电波传播特性 2 1 1 阴影效应 无线电波传播的三种基本传输方式为：反射、绕射和散射 反射：当电磁波在传播过程中遇上比它的波长大很多的表面时会产生反射， 例如：地面、建筑物和墙面。反射强弱由反射面的材料来确定。山脉、高大建筑 物都是很好的反射体。并且由于无线电波在传播过程中受到障碍物对电磁波的反 射和吸收作用，使障碍物后面的电磁波场强大大减弱，从而形成阴影区 绕射：当电磁波在传播过程中受到具有尖锐边缘的障碍物阻挡时，会在障碍 物边缘处产生绕射，这时电磁波可以达到阴影区域，使阴影区的场强加强。 散射：实际移动无线环境下的接收信号能量通常要大于用反射、绕射模型分 析所得的数值，这是由于存在散射当电磁波遇到一个租糙的表面时，信号会被 反射到各个方向，这就是散射在无线传播环境中，路灯、树木通常会引起散射 由上述三种原因形成的在长距离( 几百米甚至更长) 内接收信号的场强的缓 慢变化，通常称为大尺度衰落。它是由发射天线和接收天线之间传播路径上的山 坡、湖泊以及建筑物等造成的一般来说，它与发射天线和接收天线之间的距离 山东大学硕士学位论文 成反比，并且在不同的地区有不同的衰减因子了解大尺度衰落对于移动通信中 的功率控制以及蜂窝移动通信中小区的设计与规划具有重大意义。人们已经建立 了很多陆地移动通信路径损耗传播模型来预测大尺度衰落造成的传输损耗，如宏 小区传播模式中的o k u m u r a - h a t a 模型、c o s t 2 3 1 - h a m 模型、l e e 模型等；微小 区传播模式中的l u r i d 大学模型等不同环境下的衰落预测模型 2 1 2 多径效应 无线电波传播的三种基本传输方式除了造成大尺度衰落外，还产生了小尺度 衰落小尺度衰落描述短距离( 几个波长) 或短时间( 几秒) 内接收信号强度的 快速变化。由于移动无线信道的主要特征是多径在接收端各个传播路径信号经 过不同延时到达并且相互叠加，有时同相叠加增强，有时反相叠加抵消，使得接 收信号在很短的距离( 几个波长) 内幅度变化很大，如果接收机在空间移动将使 接收信号的幅度急剧变化，从而产生了快衰落。图2 1 给出了一个典型的接收信 号功率的变化示意图 图2 1 一个典型的移动台接收信号功率随时间变化示意图【8 ，p p1 0 6 由于移动通信信道的多径、移动台的运动和不同的散射环境。使得移动信道 在时间上、频率上和角度上造成了色散因此信号在经过信道后分别形成了频率 选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落，也分别产生了时延扩展、多普 勒扩展和角度扩展 1 频率选择性( 时延扩展) 频率选择性和时延扩展都是由于接收端收到的经过不同时延的多径信号叠 山东大学硕士学位论文 加所产生的效果这两种效应是同时出现的，只是表现的形式不同：频率选择性 体现在频域，时延扩展体现在时域。时延扩展就是把发送端的一个信号在时间轴 上展开，使接收信号的持续时间比这个信号发送时的持续时间长而频率选择性 是指信道对发送信号进行滤波，对信号中不同频率分量的衰落幅度不同：在频率 上接近的分量，它们的衰落特性也很接近；而在频率上相隔很远的分量，它们的 衰落特性则相差很大 所以如果发送信号的带宽足够窄，那么发送信号的所有频率分量几乎经历相 同的衰落，此时的信道衰落特性表现为平衰落，接收信号的包络服从瑞利分布( 如 果不存在强入射径) 或莱斯分布( 如果存在强入射径) 如果发送信号的带宽增加到一定程度，不同频率分量经历的衰落不再相同， 从而形成频率选择性衰落在数字通信中，频率选择性衰落会产生码问干扰，使 信号波形严重畸变，造成误码 为了衡量一个信道中两个频率分量相隔多大会经历不同的衰落，人们定义了 相干带宽& 来表示包络相关度为某一特定值时的带宽如果两个频率分量的间 隔小于相干带宽，则它们经历的衰落特性相同，此时信道对信号表现为平衰落： 反之，如果两个频率分量的间隔大于相干带宽，则它们将经历不同的衰落，此时 信道对信号表现为频率选择性衰落相干带宽& 是从i t n s 时延扩展得出的一个 确定关系值 当相干带宽定义为包络相关系数等于o 5 时。相干带宽皮的表达式为 & ：上( 2 1 ) 2 硒 如果相干带宽定义为包络相关系数等于0 9 时，相干带宽& 的表达式为 & ：上 ( 2 2 ) 5 0 a r , 市区传播环境下，典型尺寸小区的时延扩展一般认为是2 芦。此时相关带宽 大约8 0 k h z 。 2 时间选择性( 多普勒扩展) 在无线传播环境下，发送端与接收端之问的相对运动，以及传输路径中物体 的运动都将引起接收信号功率随时间变化，并且相对运动越快变化越剧烈时间 选择性和多普勒扩展正是描述这种变化的参数由于时变的存在，在不同的时刻 山东大学硕士掌位论文 发送相同的信号，接收端接收到的信号也是不同的 如果信号的持续时间比较短，在这个时间内信道特性还没有比较显著的变 化。我们说信道是准静态的：如果信号的持续时间进一步增加，信道的特性在信 号的持续时间内发生了比较显著的变化就会使信号产生失真失真随信号的持续 时间增长而增加 为了衡量时变的大小，人们引入了相干时间的概念，它定义为信道冲击响应 保证一定相关度的时间间隔。在相关时间内信号经历的衰落特性具有很大的相 关性 信道按时变的快慢可以分为以下几种： 静态信道：信道在整个信息传输过程中是固定不变的，因此只需要在通信开 始之前估计出信道，在整个通信过程中采用该估计值进行均衡即可，不需要对信 道进行跟踪； 准静态信道：信道在较长的一个时间段内不变，在o f d m 中表现为几个 o f d m 帧内不变，这几个o f d m 帧被称为一个块在通信中，只需要在块的开 始时估计出信道特性，在整个块的传输过程中不需要对信道的估计值进行修正。 直到下一个块到来时，再一次估计信道或修正信道的估计值： 快变信道：信道变化较快，前后两帧信号中的信道特性不能再认为是固定不 变的，所以每帧信号都需要估计或跟踪信道的特性。但一般在一个o f d m 帧内 的信道特性可以认为是不变的 如果信道的变化太快，在一个o f d m 帧内信道特性有显著变化则应缩短 o f d m 帧的持续时间，使其满足上面说的快变信道的要求，否则信号将受到严 重失真，并且不能采用均衡手段补偿 3 空间选择性( 角度扩展) 近年来广泛研究的多输入多输出( m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t , m i m o ) 系统就 是利用了多天线系统中不同位置上的天线接受到的信号经历的衰落不同的特性 来提高信息传输速率的 相关距离是信道冲击响应保证一定相关度的空间间隔。大于此距离则接收信 号将经历不同的衰落特性相关距离一般要大于信号波长的一半，低散射环境下 的天线间隔要比高散射环境下的天线间隔长一些 i 山东大学硕士学位论文 2 2 无线信道的建模 2 2 1 平坦衰落信道建模旧 所有信道模型的仿真都基于多个不相关的有色高斯随机过程仿真平衰落中 的瑞利和莱斯过程需要两个有色高斯随机过程，对数正态过程则需要三个而频 率选择性衰落相当于存在多个可分辨径，每一个可分辨径可以建模为一个平坦衰 落信道，所以产生有色高斯随机过程对于信道的计算机建模来说是至关重要的 产生有色高斯随机过程的方法一般有两种：成形滤波器法和正弦波叠加法 成形滤波器法如图2 2 所示，在线性时不变滤波器圄的输入端输入白高 斯噪i 占v ( t ) ，且v ( ，) 一 ，( 0 ，1 ) ，则输出过程p ( t ) 的功率谱密度为： 鼢= l 胃r ( 2 3 ) 所以为了产生具有特定多普勒功率谱密度的随机过程，可以采用相应的成形滤波 器实现 正弦波叠加法的实现框图如图2 3 所示，它是由多个加权谐波叠加实现的： 声( f ) = 厶c o s ( 2 矾h 吃) ( 2 4 ) r - i 其中，厶= 2 = 驻露丽，石= 疗v ，岛是【o ，幼) 内均匀分布的随机变量跏是 功率谱密度，五为离散多普勒频率 咂芦咖酽 图2 2 成形滤波器法产生有色高斯随机过程 2 ，昨+ i ) 2 习伊+ 毛) 2 _ 睁+ b ) + 图2 3 正弦波叠加法产生有色高斯随机过程 ， 山东大学颧士学位论文 以上两种方法各有优缺点第一种方法所要求的成形滤波器的带宽相对于抽 样率来说是非常窄的，所以复杂度较高为了设计出这样的一个窄带的数字滤波 器而减小运算复杂度，通常采用的方法是首先设计一个低抽样率的数字滤波器， 然后采用线性插值的方法将抽样率提高，这个插值过程同样具有很大的运算复杂 度这样的方法仿真出来的信道特性较好而第二种方法能有效地减少运算量， 更容易用硬件或者软件实现，因此得到了广泛的应用 产生了有色高斯噪声以后，就可以仿真具有特定多普勒功率谱密度的莱斯和 瑞利过程了图2 4 给出了莱斯过程的一个统计分析模型。其中，p 。为有色高斯 随机过程，可以由成形滤波器法或正弦叠加法实现。 j ，l i t # c o s ( 2 # + 巳) _ i 、 b _ b 口) 。p 血( 2 i 吒l + 易) 图2 4 a 具有j a k e s 功率谱的莱斯过程 1 1 = p c 碱2 叼+ 鬈) _ ，( i ) ip n ( 2 车0 + e o ) 图2 4 b 具有g a u s s i a n 功率谱的莱斯过程 2 2 2 频率选择性信道的建模嘲 上一节描述的是平坦衰落信道的建模，即信号的持续时间远远大于信道的时 延扩展。然而随着信息传输速率的提高，要求信号的带宽越来越宽，信号的持续 时间也越来越短当持续时间小于信道的时延扩展时就表现为频率选择性信道 所以宽带通信要求对频率选择性信道进行计算机建模 山东大学碛士擘位论文 频率选择性信道从频域上看，不同的频率分量经历了不同的衰落；从时域上 看，接收信号是信号经历了多个可分辨径衰落后的叠加，将产生严重的l s i 这 时接收信号可以表示为发送信号与信道冲击响应的卷积所以，频率选择性时变 信道的输出信号可l ；【表示为： 嘶) = s ( ，一r ) j z ( f ，f m ( 2 5 ) 其中，j ( f ) 表示输入信号，j l ( r ，r ) 表示信道的冲击响应 由式( 2 5 ) 可知，一个频率选择性衰落信道可以用一个抽头延迟线模型来 表示，如图2 5 所示 图2 5 频率选择性信道的确定性仿真模型 图中表示了一个三径的多径信道，其中z 表示每个可分辨径的衰减因子t 其 具体值可以从一些信道测量标准中查到；厄( ，) 表示复高斯随机过程，其产生方 法如前所述；月( r ) 表示信道的加性高斯噪声 2 2 3 计算机仿真结果 一般地，假定信道冲激响应在一个符号内为常数，在厶正较小的情况下这个 假设是成立的，定义为采样间隔由于计算机中的量都是离散量因此必须对 确定性模型进行离散化，使之成为确定性离散模型，一般取，= ，i = 七c 对每 一个死， k - - - - - c 。，s ( 碗，t 瓦+ 瓦) 在一个周期内取样图2 6 给出to f d m 系统 中的一个多径时变信道仿真例子仿真中用到的信道模型为c o s t 2 0 7 标准的农 村地区模型。各径的功率衰减因子如下表所示： i l 山东大学硕士学位论文 表2 1c o s t 2 0 7 标准中农村地区模型 路径号 0123 4 5 相对时延( f s )o 0 1o 2o 30 4o 5 功率衰减( d b ) o 4 81 21 62 0 信道的频率选择性和时间选择性如图2 6 所示，图中的o f d m 系统采用2 5 6 点f f t 变换，相当于把i m h z 的带宽划分为2 5 6 个子信道 t 图2 6 一个多径时变信道仿真的例子( 兀= 5 0 h z ，t - - 1 0 - s ) 2 3 克服信道衰落的方法 前面所述的各种衰落都对通信系统的性能有直接的影响，所以要求我们采用 一些有效的方法克服这些衰落造成的影响。 克服频率选择性衰落的方法有t 均衡技术：均衡器使得一个符号的分散能量集中起来同时在其他符号的抽样 山东大学硕士学位论文 点上不造成干扰由于移动环境下的信道冲击响应是时变的，因此要求均衡器也 能够随时问而变化，也就是通常所说的自适应均衡通常均衡器需要已知信道的 频域特性或时域的冲击响应，这就需要用到信道估计技术。本书的第4 、5 章将 介绍0 f d m 和s c h ) e 中的一些信道估计技术。 扩频技术：对直接序列扩频d s s s 系统，i s i 本身可以看作一种干扰，通过 p n 码的相关接收可以抑制i s i 。尽管如此，接收端解调时会发生信号能量的损失， 于是人们提出了r a k c 接收技术r a l ( e 接收机实际上是一个抽头延迟线接收机， 收集来自所有接收信号路径的信号能量，发送信号的延时副本都在延时线覆盖的 范围内并携带相同的信息【9 】 如果跳频速率不小于符号速率那么跳频系统f h s s 能消除频率选择性影响 与d s s s 不同，跳频接收机是通过迅速改变发射频率波段，采用躲避的方式消 除i s i 0 f d m 技术：0 f d m 将整个信道分成若干个并行的子信道，每个子信道上 的符号速率都很低，从而每个子信道都表现为平衰落信道，采用单抽头的频域均 衡器即可消除信道的影响 克服时变衰落的方法有； 对于快衰落失真通常使用不需要进行相位跟踪的鲁棒调制技术，如菲相关解 调或差分解调等 通过增加数据冗余来增加符号速率，使得符号持续时间小于信道的相干时 间，从而克服快衰落其代价是浪费了一定的发射功率和信道带宽 使用纠错编码和交织技术克服快衰落也是一种有效对抗快衰落的方法，但其 缺点也是以牺牲信道带宽为代价的 1 3 山东大学硕士学位论文 第三章o f d m 与s c f d e 的基本原理 3 1o f d m 基本原理 与传统的频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , f d m ) 相似，o f d m 也是一种频分复用技术，只不过o f d m 的载波间隔更小，其子载波之间甚至使 重叠的，从而提高了频谱效率 f d m 的一个简单例子是各个电台采用不同的载频同