（信号与信息处理专业论文）调制方式在时变信道上对协作通信性能影响的分析.pdf

调制方式存时褒信道上对协传通信性能影响的分析 摘要 为对抗实际通信中常遇到的多径衰落，改善链路的性能，现代无线通信系统广泛使 用各种分集合并技术。传统的分集技术原理都是将在发射端戎接收端架设多根天线，但 实际通信终端常常受体积、功耗、成本等因素制约，在移动终端设有多根天线具有阑难。 于是产生了种基于中继通信、嗣时还可以利用多个用户分享彼此资源而实现空阆分集 的技术协作分集技术。 协作分集是种新的空域分集，两个移动终端通过中继彼此的信息，共享彼此的天 线形成虚拟天线阵列，获得分集增益。研究结果表明，协作分集可以提升系统容量、增 大数据传输速率、有效对抗袭落以及降低系统的服务中断概率，提高系统的服务质量穰 可靠性等。 首先，在现代豹数字通信系统中，调制解调是其中的一项关键技术。目前，存在的 调制方式众多，如b p s k 、相干f s k 、差分d p s k 等。不同的调制方式由于自身的特点， 而应用于不闭的场合。本文研究时变瑞利信道下，调制方式对于无线通信系统性能的改 善。利用一阶自回归模型建模，得到时变瑞利信道的一阶统计特性；最后得到四种调制 方式在时变德道下的性能，以及霾种调制方式与信道变化率、编码长度之间的关系。 其次，本文以放大前抟协作分集方式为例，重点研究时变衰落信道下。调制方式对 于协作分集系统性能的影响。研究表瞬，各种调制方式采用放大前传协作分集技术后， 牲能都有所改善。 最后，本文讨论了调制方式对于增强中继协作分集系统性能的影响。经过一定的数 学理论推导，最终得到了增强中继策略下系统整体误码率的闭式解。在此基獭上，本文 讨论7 门限值设定对予增量中继的影响。 ， 关键词：衰落信道；分集合并技术：调制解调；协作分集 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a bs t r a c t i no r d e rt oc o m b mm u l t i p a t hf a d i n ga n di m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o n l i n k ，av a r i e t yo fd i v e r s i t yt e c h n i q u e sa r eu s e di nt h em o d e m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e p r i n c i p l eo fc l a s s i c a ld i v e r s i t ya n dc o m b i n a t i o ni st h a t ，t w oo rm o r ec h a n n e l se a r l yc o p i e s o ft h es i g n a lw h i c ha r et ob ec o m b i n e di nt h er e c e i v e rt oi n c r e a s et h eo v e r a l lr e c e i v e ds n r ( s i g n a l n o i s er a t i o ) b u tt h e r ea r es om a n yl i m i t si nt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a st h e s i z e ，c o n s u m p t i o na n dc o s t , i t sh a r dt oa p p l y t h e s p a c ed ! v e r s i t y a s t h er e s u l t , t h e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n i q u ei si n v e s t i g a t e d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n i q u ei san e w k i n do fs p a c ed i v e r s i t y ，t w om o b i l et e r m i n a l s w i t hs i n g l eo rm o r ea n t e n n a sr e l a yi n f o r m a t i o nf o re a c ho t h e r t h u s ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yd i s c u s s e da saw a yt of o r mv i r t u a la r r a y sw i t h o mu s i n gm u l t i p l e a n t e n n a s v a r i o u sr e s u l t ss h o wt h a t ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a l li n c r e a s et h ec a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，h i g h e rt h ed a t ar a t e ，c o m b a t i n gt h ef a d i n ge f f e c t i v e l y a tt h es a m e t i m e ，t h i st e c h n i q u ec a nl o w e rt h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo fs e r v i c e ，a n di n c r e a s et h eq u a l i t yo f s e r v i c ea n dr e l i a b i l i t yt o o f i r s t l y ，m o d u l a t i o ni sak e yt e c h n o l o g yi nm o d e md i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m u n t i l n o w , h a a n yk i n d so fm o d u l a t i o n sh a v eb e e nd i s c u s s e d , j u s tl i k eb i n a r yp s kq h a s es h i f t k e y i n g ) ，c o h e r e n tf s k ( f r e q u e n c ys h i f t i n gk e y i n g ) ，a n dd i f f e r e n t i a lp s k t h e s em o d u l a t i o n s w i l lb eu s e di nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t sb e c a u s eo ft h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e r i n v e s t i g a t e s t h ep e r f o r m a n c eo ff o u rb a s i cm o d u l a t i o ns c h e m e si nr a p i d l yt i m e v a r y i n g c h a n n e l s w eg e tt h ef i r s to r d e rs t a t i s t i c so ft i m e v a r y i n gr a y l e i g hc h a n n e l sb yu t i l i z i n gt h e a r ( a u t o - r e g r e s s i v e ) m o d e l a f t e rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e r i v a t i o n , w es u m m a r i z e t h e b i te n d rr a t ef o r m u l a sw h i c hp r e s e n tt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec h a n n e lv a r i e dr a t e ，c o d i n g l e n g t ha n ds n r b e s i d e s ，w es t u d yt h ef a c t o r sw h i c hc a np r o d u c e t h ev a r i a t i o no fc h a n n e l t h e n ，w ed i s c u s st h ei m p r o v e m e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c ew h e nw eu c o o p e r a t i v e d i v e r s i t yt oc o m b a tr a y l e i g hf a d i n g ，b yt a k i n ga f ( a m p l i f y i n gf o r w a r d ) m o d ef o re x a m p l e a f t e rt h er e s e a r c h ，w ek n o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fe v e r yk i n do fm o d u l a t i o n sw i l lg e tb e t t e r f i n a l l y ，w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fi n c r e m e n t a lr e l a y i n gc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw i t h d i f f e r e n tm o d u l a t i o n sa n dd i f f e r e n tt h r e s h o l d so v e ri n d e p e n d e n tn o n i d e n t i c a lr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l s f o re v e r yk i n do fm o d u l a t i o n ，m a t h e m a t i c a le q u a t i o nf o rb i te r r o rr a t ea n dt h es n r 调制方式在时变信道上对协作通信性能影响的分析 h 粥b e e nc o n s t r u c t e d i nt h el a s tp l a c e ，t h i sp a p e re x p l o r e st h e e f f e c to ft h r e s h o l dt o t h e i n c r e m e n t a lr e l a y i n gc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y k e yw o r d s ：f a d i n g c h a n n e l ；d i v e r s i t y a n d c o m b i n i n gt e c h n i q u e s ；m o d u l a t i o n a n d d e m o d u l a t i o n ；c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 第l 荤绻论 _iiiiiiiiiiiiii| j t 嗣焉 。 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 无线通信的迅猛发展，已经使得它成为现代通信领域的大支柱，和以光缆为主体 的骨干核心网齐头并迸。无线透信发展至今，人们对无线通信的要求不断提高。数据的 传输速率要求越来越快，服务范圈要求越来越多样。与第一、第三代光线通信系统的主 要业务是语音和数据不同，第三代及第四代无线通信系统的主要业务将变成多媒体宽带 数据业务，这就要求无线通信系统支持更高的数据传输速率，并能够实现全球覆盖与多 媒体通信。因此，如何进一步扩大信道容量、改善通信质量成为目前国内外学术界、产 业界普遍关注的问题。 制约未来宽带无线通信系统传输速率和传输可靠性的主要障碍主要有三种，分剃是 由无线信号的多径传输所引起的衰落、移动台的快速移动所引起的多普勒频移以及多个 用户同时进行通信所弓| 起的多用户之闻的干扰。因此，研究各种技术遭遇衰落时系统整 体的性能变化，以及如何减弱多径衰落和多普勒衰落所造成的影响，是十分有意义的。 调制技术是通信系统的关键技术之一，通信系统的性能在很大程度上由调制方式所 决定，而对数字透信系统，数字调制技术更关系到透信系统性能的优劣。为了对抗无线 衰落信道的多径效应鞠时交性，首先应采用更适合于其信道传输特性的调制解调方案， 以降低系统的传输差错率；其次，在不增加发送功率或系统带宽的情况下，采用各种分 集技术克服多径衰落。 1 2 国内外研究现状 分集技术通过在发射端发射多个信号样本，在接收端合并多个经历独立衰落的信号 的方法，成为对抗无线倍道的衰落的宥效技术。常见的分集方式圭要有时闻分集、频率 分集、编码分集与空间分集。目前为止，传统无线通信技术对信号的时域、频域与码域 信息的利用已达到一个前所未有的高度，但仍然无法满足未来无线互联网多媒体透信的 需求。对信号空域信息的探索为解决这些问题带来了新思路。空间分集由予不占用额外 的时间和带宽资源，并且可以和其它分集方式相结合，因而趸具吸引力。 近年内研究热点多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 天线系 统，就是一种基于空间分集的技术。多输入多输出( m i m o ) 天线系统通过在发送和接 收两端同时安置多副天线，以获褥很高的分集阶数，极大地提高了信道容量。理论分析 表明，+ 当接收天线数大于发射天线数时，信道容量会随着发射天线的个数量线性增长， 哈尔滨： 稃大学硕士学位论文 从而突破了传统单输入单输出( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t , s i s o ) 信道的香农容量限。 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，能够在不增加 带宽的情况下成倍地提高系统容量和频谱利用率。多输入多输出( m i m o ) 技术因其潜 在的巨大信道容量而具有广泛的应用前景，成为了移动通信系统的一种关键技术，并逐 渐被新一代无线通信系统的主流协议所接纳。 尽管多输入多输出( m i m o ) 技术具有明显的优势，但理想的多输入多输出( m i m o ) 天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，使得在移动终端上很难安置多天 线。由于移动终端受质量、体积和功耗等因素要求的限制，所以很难实现多天线技术。 现有的多天线都设计在基站上，所获得系统性能的改善与理论上仍有很大差距。为了克 服此问题，s e n d o n a r i s 等人1 9 9 8 年在多输入多输出( m i m o ) 系统思想的基础上更进一 步，提出了一种新的空间分集技术协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 。其核心思想 是使位于移动通信系统同一蜂窝内的不同用户，通过相互协作来发射信号来实现分集发 送。这种移动终端相互协作发射信号，进而增加发射分集增益的技术称为协作分集。协 作分集技术的产生使得单天线的移动终端也可以实现空间分集。研究表明：在衰落环境 下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。从这个意义上讲， 协作分集思想为多输入多输出( m i m o ) 技术走向实用提供了一条新的途径。 协作通信的思想，来源于t m c o v e r 和e i g a m a l 的中继信道信息论，在文献 5 4 】 中首次提出协作通信的很多基本思想。2 0 0 3 年，j n l a n e m a n ( i s j 等人在假设天线半双 工条件下，提出了几种协作分集策略，并以中断概率为性能指标，分析了各种协作分 集策略在高信噪比条件下的性能。此后，h u n t e r l 2 5 矧提出了编码协作方式。2 0 0 4 年， a ，s t e f a n o v i 冽等人提出了编码协作分集的概念，将纠错编码技术与协作分集技术相结 合，来优化系统的整体性能。 与传统蜂窝系统相比，协作分集系统带来了性能上的改善。它可以提升系统容量、 增大数据传输速率、有效地对抗衰弱以及降低系统的中断概率，提高系统的服务质量和 可靠性。而且协作分集技术解决大小受限的移动终端无法安置多天线的问题，推进 m i m o 技术实用化，带来无线通信领域的巨大变革。 协作分集在实际中有很多的应用。首先，它可以应用于蜂窝移动通信系统，显著提 高系统性能。其次，它可以与无线a dh o e 网络相结合，在无固定移动设备的区域展开 灵活机动的通信。还可以将协作分集技术应用于无线传感器网络中，大大提高网络的能 量的利用率，节省大笔资源。此外，协作分集技术可以与卫星通信相结合，在远洋舰船、 野外科考、自然灾害的搜索与营救等方面有着广泛地应用。 第1 章缝论 - - 。 l l l l l l l l li i i i i ii i i i i i i mi i i i i ii ii i i i i i i 墨i 蔫 1 3 论文的工作内容及结构安排 。论文主要研究调制方式在时变信道上对协作通信性能影响。在简要会绍无线信道衰 落特性的基础上，理论分析了时变信道下各种调制方式性能与信道变化率的关系，并相 互进行性能比较。同时结合前面研究内容，讨论时变信道下，调制方式对于协作通信性 貔的影响。 论文的章节具体安排如下： 第一章为绪论部分。首先对无线通信的发展进行了回顾稻概述，指出了研究时变衰 落信道对于改善移动通信质量的重要意义；其次，介绍抵抗衰落的有效方法一分集技 术，以及传统空闻分集技术的局限性；最蓝，引入协作分集概念，简述协助分集技术的 发展过程及实际应用。 第二章介绍了无线信道的特性，主要包括其传播特性、大尺度衰落和小尺度衰落等； 第二部分则结合本文研究所需，重点阐述了无线信道的多径衰落模型，以及无线信道的 时变特性；然后，简要叙述无线信道三种基本衰落的分布，包括瑞利( r a y l e i g h ) 衰落、 莱斯( r i c e ) 衰落和n a k a g a m i ，m 衰落；最后，介缨利用分集合并技术来抵抗衰落信道 对于通信系统的干扰。 第三章主要研究时变璃利信道下，调制方式对于系统性能的影响。首先介绍了所要 研究的蹿种调制方式的基本理论知识；利用一阶鸯回归( a r ) 模型建模，推导时变瑞 利信道下，信道衰落参数的统计特性；在时变信道下，以误码率作为指标，讨论备种调 制方式系统整体性能与信道变化率、编码长度之间的关系，并得到相应的表达式；最后 对所推导的内容进行了仿真，并分析? 结果。 第四章主要研究调制方式对协作分集性能影响。首先，详细介绍了协作分集的意义、 基本思想以及协作分集的类型；然后，针对本文研究的单中继协作分集，进步介绍其 结构图和数学模型。本章最后部分是分析调制方式对于放大前传和增强中继两种协作 分集方式性能的影响。 论文最后对所做王作进行总结，并对未来的研究工作进行了展望。 3 第2 章无线信道的特性 第2 章无线信道的特性 信道是发射机和接收枧之闻的传输介质，无线电信号在前向链路和后向链路传输 时，都必然要受到无线信道特性的影响。本章将主要介绣无线信道的特 生，为蘑续章节 的研究做铺垫。 2 1 无线信道传播特性 无线信道具体形式有；地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造 卫星中继和各种散射信道等。移动逶信系统中，信道主要存在三种影响信号传播的基本 物理现象，分别是：反射( r e f l e c t i o n ) 、散射( s c a t t e r i n g ) 和绕射( d i f f r a c t i o n ) 。 当电磁波在传输时遇到尺寸比波长大褥多的物体肘，将发生反射( r e f l e c t i o n ) 。通 信中常常用几何光学的反射理论来处理电磁波的反射现象。 当电磁波所在的传输介质中存在与波长相当或小于波长的物体时，将发射教射 ( s c a t t e r i n g ) 。散射多发生予粗糙介质表面、不规则物体。 当发射机和接收机之闯的直视路径存在密度较大、尺寸比波长大得多的物体，则射 频信号的能量不能直接到达接收端，也不熊穿透障碍物。由阻挡表恧产生的二次波散布 予空间，使得射频麓量可以绕过障碍物传输到接收端，此为绕射( d i f f r a c t i o n ) 。绕射 多发生于高大的建筑物、也丘、森林等障碍物。 实际的无线移动通信系统中，接收的毫磁波是由建筑物、树木等障碍物导致的反射、 数射和绕射丽产生的，来自于不同方向波的叠加两形成的，这种现象叫做多径传输 ( m u l t i p a t ht r a n s m i s s i o n ) 。由于多径传输，使接收信号豹振幅、相位以及角度可以产 生强烈的波动，这种现象叫做多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 。 2 2 移动通信的衰落 2 2 1 大尺度衰落g l b 尺度衰落 移动无线信号在传输过程中会产生各种衰减，这些衰减最明显的特点是时变性和隧 桃性。一引起信号衰减的原因，首先取决于传输的距离、空浏传输介质对电磁波的吸收以 及地表物的及射与散射等。因此当信号经过无线信道转输，到达接收端时要比发射信号 弱得多。 对于移动通信，主要存在有弼类衰藩：大尺度衰落( l a r g e - s c a l ef a d i n g ) 和小尺度 ( s m a l l 。s c a l ef a d i n g ) 衰落。大尺度衰落主要是指路径衰落。当发射机和接收机在大范 围内移动时，会由于路径损耗丽产生平均信号能量的减少。这种路径损耗产生的原因是 4 第2 章无线信遵f q 特性 嘲_ _ 1 l i l l ii i ii i i i iii i i ii i i i i i 蔫躺鼍蔫嗣甬i 嗣一 收、发端之间地表曲率、地形变化( 如高山、丘陵) 、植被情况( 如森林、草原) 、以 及建筑群等大规模、丈尺度传输环境的影响。大尺度衰落的统计模型将路径损耗作必距 离的函数，平均路径损耗服从距离n 次方的关系，信号强度采用以围绕均值的对数正态 分布变量来描述。 由予接收机和发射机之间空间位置的微小变化引起信号的幅值、相位的急剧变化是 小尺度衰落的特点。小尺度衰落的发生，一般是由于发射机和接收机之闻存在反射体， 从而造成传输路径的变化，进而弓| 起的信道特性的变化。 如果发射机和接收机之阀存在大量反射路径，蔼不存在直视路径( l i n eo fs i 出t , l o s ) 时，此时的小尺度衰落称为瑞利衰落( r a y l e i g hf a d i n g ) ，接收信号的包络符合 瑞利概率分布。如果发射机和接收机之间存在大量反射路径的同时，还存在一条直视传 输路径，即：在接收信号中存在个主要信号分量，则此时的小尺度衰落称为莱新衰落 ( r i c ef a d i n g ) ，接收信号包络服从莱斯概率分布。信道的传输特性很大程度上决定了 通信系统的传输镶能。 基予理论的传播模型和基于测量的传播模型都表明，无论是室内还是室外，大尺度 衰落对通信系统性能的影嚷可以预测，因此可以利用大尺度无线传播模型来估算出信道 中的路径损耗。在发射梳功率恰当的情况下，大尺度衰落不会对通信造成复杂的效应， 即大尺发衰落对通信系统的性能一般不会造成实璇性的损害。 。小尺度衰落是发射机和接收枫在很小范围巾的相对移动，孵时接收到的信号强度发 生快速的、大幅度的变化。小尺度衰落的发生来源于空阀存在着反射和散射体，两接收 信号正是所有反射及散射信号之和，这些反射及散射信号之和构成了空间驻波场。由于 每个多径分量经历了不同的路径，因此接收到的各个多径分羹的相位是随机的，这导致 多径信号的和信号的幅度变化可能毒# 常剧烈。尽管接收机的移动范围可能没超出一个波 长，接收信号的功率的变化范围却可达3 0 , - - , 4 0d b ，甚至更大。因此，小足度衰落会对 移动通信系统的性能造成巨大的影响。 2 2 。2 无线信道的多径衰落 在无线信号传输过程孛，小尺度衰落会弓| 起信道特性的急剧变化，小尺度衰落的特 性主要取决于两个因素，一是信号传输路径上的反射体积散射体的分布，二是发射机和 接收机之间的相对运动。幽第一种原因产生的衰落称为多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) ，由 第二种原因产生的衰落称为多普勒衰落( d o p p l e rf a d i n g ) 。 本节研究多径衰落对予通信的影响，不考虑多普勒衰落。假设产生多径的反射体表 5 嗡尔溟“f 释大学硕十掌俺论文 箍形状稳定、位置固定，阕时骰设发射机和接收视均是静止。 多径信邀模型如下： 假设发射端发射傣号站 ) 的解耩形式隽 0 = s ( f ) e x p ( j o g c t )( 2 1 ) 其巾s ( ) 为发射信号酶包络，致为信号载频。 ( 1 )不考虑信道噪声 假定信号经历n 条路径传输，剡接收端接收刘盼信号) 淹 ， t o o ) = 辑f ；) 南卜秭( 2 。2 ) 其孛r ；f ) 隽第箨条路径的健输衰减弱子，它与多径倍道的空嗣和时翘特性有关； 靠f ) 建第秀条潞径所对癍贻传输延避。将式( 2 * 1 ) 代入式( 2 - 2 ) 得 磊( f ) ：n - 1 嚷) s 卜气e x p j o 醢c ( f 一气) ) 兰n - i ，叫) 小删e x p ：一溉删1 。e x p ( j a 屯t e x p ( j a ，, t ) 2 蠢) 兰，f ； ) 荸卜靠( ) )：一溉靠f ) | 。k 令。 ，积) 攀( r ；，) s 一) ) e x p - j 幽o , r ( t ) 】 4：(2-4)撵 麓批t ) - e x p - j o l ，, r ( t ) s ( t - r ( o ) 竖g 接收信号f ) 的表达式w 表示为 咯，) 燃，( ) e x p ( j 彩d ) ( 2 5 ) 其中，( 0 为接收信号的包络，致荛信号载频。 设气为最大跗加融延，当气缀小对，羹| j 辫手搴带信号s ( f ) 蕊富，出多径延迟0 萼l 起酌复包络鹣变纯也是很小熊，帮 。 葶一气( f ) ) 籍菩f 一) ( 2 - 6 ) 因此接收信号包络，( f ) 的表达式w 近似为+ ，o ) 煳 辑，p ：磅e x p 【_ 鲰气“) 】 冀p t o ) ( 2 - 7 ) 令 群( 心磅盎嗽p ；f ) e x p - 藏, 菲酗) i ( 2 - 8 ) 则称蹬( f ；f ) 隽多径信道递予( m u l t i p a t hc h a n n e lf a c t o r ) 。 予是，接收信号包终，f ) 斡表达式可记淹 蝣 霓2 章无线倍j 蓬的特性 ，9 ) 搿( r ；f ) s ( t t o ) ( 2 9 。从式( 2 9 ) 可知，当最大附加时延气很小时，多径信道对于接收信号的影响效果 等效予对接收信号的复包络进行乘性加权。这种多径信道称为频率菲选择衰落 ( f r e q u e n c y * n o n s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ) 信道，或平坦衰落信道( f l a tf a d i n gc h a n n e l ) 。 ( 2 )考虑信道噪声 在实际通信巾，信道必然含有各种噪声。假定信道噪声为加性高靳自嗓声( a w g n ) 。 在频率菲选择性衰落信道中，接收信号可表示为 r ( t ) = o r s ( f ) + 托( f )( 2 1 0 ) 其中疗( f ) 为发射信号，口为多径信道因子，撑( f ) 是窄带自噪声。 瞬时符号信噪比y 定义为 y = 搿2 岛7 氓)( 2 1 1 ) ，式( 2 1 1 ) 中，露为信号在个符号内的能量，纸为离噪声的单边谱密度，刘 ( 壤7 ) 是通过匹配滤波器后，得到的信噪比。内于嚣配滤波器是对符号匹配的，所以 瞬时信嗓比y 也被称为符号内信噪比。 平均符号信噪比罗表达式为 7 = e r - d e , ( r ) e r = e l , , 2 ( w n 0 ) ( 2 1 2 ) 基中( y ) 为瞬时信噪比厂的概率密度蘧数。，令髓= e 壤2 ，则 尹垒q ( & n o ) ( 2 。1 3 ) y 拳工? 。 ，( 。3 从式( 2 1 3 ) 可知，可以等效地把频率非选择衰落信道仍看作是高斯信道，但接收机端 豹信噪比下降为露( 乓峨) 。由于频率菲选择信道的信噪比下降，从而导致了通信系 统性能的下降。 2 。2 3 无线信道的时变特性 。 当发射机与接收机之间存在相对运动时，接收机接收到的信号频率会发生交化，这 个频率变化取决于发射信号频率与运动速度，这个现象称为多普勒效应。由予发射机与 接收机之间楣对运动所弓| 起的信道衰落的物理机理是多普勒( d o p p l e r ) 效应。 设接收机与发射机的距离为葶，当两者之间无相对运动时，其间波数篇名，波 长孟= ，c 与工分别为光速与载波频率。 如果发射械与接收机之间以速度匀速相向运动。则接收枫收到的信号频率z 为 7 嗡尔缀1 。群大宁姣t 掌俺论文 = l 一旦l ( 2 1 4 ) 蚝 由于物体运动速度远远小于光速，即v o # ，则式( 2 。1 4 ) 有 ，小五( t + 詈) 协 因此，发射机与接收枫之间是匀速相向运动融，接收机收到豹信号频率增大，与 相对静止时相比较，两者的频率改交量为 俨z = 五2 导 ( 2 1 6 ) 如果发射枫匀速背向接收机运动时，接收机收到的信号频率为 l ：= ( t 一詈) ( 2 1 7 ) 因此，发射机与接收机之间是匀速相反运动时，接收机收到的信号频率，减小，与 相对静止甜相比较，两者的频率改变量为 肛z 黧一鲁( 2 - 1 8 ) 令五：al f 1 为多普勒频移，则无论发射机与接收机之间是匀速相向运动，还是匀 速相反运动，均有多普勒频移五为 五： l lj l( 2 。1 9 ) 。 当发射概接收机相对运动的方廊与发射机接收机连线夹焦为e 时，多普勒频移为 五c o s 分。当夹角移= 詈时，d o p p l e r 频移为o ；当夹危毋= o 时，多普勒频移为。躐 此；兀被称为最大多酱勒频移，记为厶。 移动台运动速度和方向的变化会弓| 起信号载频的多普勒频移，颡移大小为 厶e o s e 。实际上邸使移动台运动速度和方向保持不变，由于多径韵存在，其多径信号 的方向是随机的，所以由多普勒效应产生的多普勒频移不是简单的载波谱线的平移，蔼 是载波频谱在( 丘厶) 范围内发生震宽。 2 3 信道衰落模型 常见的信道衰落类型有瑞利( r a y l e i g h ) 信道、莱斯( r i e e ) 信道和n a k a g a m i - m 信 道。本文豹信道背景选择为瑞利衰落信道，故对此进行重点介绍，其余两者进行简单的 概述。 鏊 第2 章无线信道熊特性 i 警黼 1 一i i i i 一， 一i i i l l ：i i i l i1 1 1 l i l li i i l l i 1 i l r i i i i i 1 1i 黛囊焉i 麓高毒薯嗣麓置赢一 2 3 1 。瑞利分布 瑞利( r a y l e i g h 多径衰落倍道下，发射端和接收端之闻不存在鱼视路径( l o s ) ， 并且要求信道内有足够多的散射体，而且分布较均匀，接输信号在不同的物体上反射并 造成隧机的时延。假定有一些回波在网一时阐到达接收端，即这些信号应具有相同的时 延，则这些信号是被那些分布在同个椭球面上的物体反射到达接收杌的。 根据文献【7 】，瞬时信嗓比豹均值7 为 瑚郫 ( 2 艺o ) 其中，o = e l 饼2i 。 瑞利分布下，瞬时信噪比y 的概率密度函数为 + 肺) = 罗1 e x p ( 2 2 i ) 从式( 2 2 1 ) 可知，经过频率非选择性衰落瑞利信道后，瞬时信噪比r l r 从指数分 布： 。 瞬时信噪比，的矩生成涵数为 m r ( 善) 鬻j ( 棚y = ( 1 一s t ) q ( 2 - 2 2 ) 瞬时信噪比y 的各阶矩函数为 衅( 曲| 脚拦囊! ( ( 2 - 2 3 ) 2 3 2 莱斯分布 莱斯( r i c e ) 衰落信道具有一条壹视路径( l o s ) 和多条较弱的散射路径。莱斯( r i c e ) 衰落信道的信号包络的概率密度函数为 他，= 一2 ( 1 + k ) e - x a 唧( 一竿m 廖卜 e 2 圳 其中厶( ) 是第一类零阶修币贝塞尔函数；q 拳e l 口2 | 。 鬈代表菜斯( r i c e ) 衰落参数，k 的物理意义是信号的直达功率与散射功率之比， 变化范圈为( o ，0 0 ) ，表达式如下 譬2 k 2 2 a 2 ( 2 _ 2 5 ) 令瞬时信噪比厂= 穰2 ( e u n o ) ，则y 的分布为 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加，= 孚e x p ( 一半卜2 严笋卜。 协2 6 ， 。 厂l 厂 v 厂 ， 莱斯信道的瞬时信噪比的矩生成函数为 啪，= 燕岛唧( 蒜尚) 协2 7 ， 当k = 0 时，莱斯分布转化为瑞利分布。 2 3 3 + n a k a g a m i - m 分布 n a k a g a m i - m 分布由日本著名学者n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代初提出。他通过基于 现场测试的实验方法，用曲线拟合来描述信道，以寻求近似分布。因为当路径数较少的 时候，信道环境中散射体空间分布严重不对称，远近分布严重不均匀，用瑞利概率密度 函数拟合实验值的直方图相当粗糙。而用n a k a g a m i - m 分布可得到与实验测量的很好近 似。n a k a g a m i m 分布可被理解为由几组多径波组成的分布，在任何一组内的散射波的 相位是随机的但具有相近的时延，而不同组的时延差别比较大n a k a g a m i - m 分布中， 参数m 对n a k a g a m i m 分布的形状起着关键的作用，所以m 也经常被称为形状因子( s l l a p e f a c t o r ) 。 假设未调载波通过某种衰落后，瞬时信噪比厂的矩生成函数帆，( s ) 为 = ( 1 一詈) ，肌三1 像2 8 ) ，”j ， z 则我们定义该信道衰落因子口服从n a k a g a m i - 1 1 1 分布。帆，( s ) 的下标，表示的是 n a k a g a m i 脚衰落信道对应的瞬时信噪比，。 在n a k a g a m i m 分布中，参数m 为朋o 5 的实数，并不要求m 为整数。 瑞利分布是n a k a g a m i m 分布在m = l 时的特例。 2 4 对抗衰落的技术 无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。与主 要传送语音业务的第一、第二代无线通信系统不同，第三代及第四代系统的主要业务将 变成多媒体宽带数据业务，这就要更高的数据传输速率。因此，进一步扩大信道容量、 改善通信质量成为目前国内外学术界、产业界普遍关注的问题。 无线通信中，由于传播的开放性，使得信道的传输条件比较恶劣，已调制信号在恶 劣的信道中受到多径衰落，在接收端接收的信号质量严重下降。所以，多径衰落是影响 信道容量和数据传输效率的关键因素。分集合并技术通过在发射端发射多个信号样本， 在接收端合并多个经历独立衰落的信号的方法，成为对抗无线信道的衰落的有效技术。 1 0 第2 章无线倩逆的特性 2 4 1 分集技术 按照接收信号的统计特性和结构，常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空 间分集。 ( 一)时间分集 时间分集是利用一个随机的衰落信号，当取样点之间的时间间隔足够大时，两个样 本之间的衰落在统计上是互不相关的这个特点。即：利用时间上衰落统计特性，实现抗 时间选择性衰落。 具体步骤是：将待发送信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足 够大，则各次发送信号所出现的衰落是相互独立的。时间分集主要用于在衰落信道中传 输数字信号。 在移动通信中，多普勒频移的扩散区间与移动台的运动速度及工作频率有关。因此， 为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性，时间间隔应不小于相干时间 r ，即 娩竹2 方= 南 ( 3 - 2 9 ) 2 厶2 ( v 五) u 屹列 其中厶为衰落的频率，1 ，为发射- 接收之间相对的移动速度，允为信号的波长。 当用户处于静止，或者是准静止的步行状态时，移动台的速度，= 0 ，此时要求重复 发送的时间间隔趋近于无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。 ( - - )频率分集 频率分集将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上，来进行发射。是利用位 于不同频段的信号经历衰落统计特性的差异，实现抗频率选择性衰落。 ( 三)空间分集 空间分集是利用不同地点位置上衰落性质不同，收到的信号在统计上不相关，来实 现抗衰落的功能，空间分集的典型结构为单个发射天线，多根彼此不相关的接收天线。 具体结构如图2 1 所示 杀 3 时，增益改善不明显。并且分 集天线数髓的增加，会导致整个系统的复杂度增大，一般取一2 4 即可。 2 4 2 合并技术 发射信号经过多条路径后到达接收端，为褥到准确的信号信息，常常将信号送给解 调器之前，先将多个接收到的独立信号进行合并技术处理。在多链路信道传输模型下， 考虑条相互独立、慢衰落信遵上的接收信号。这毛条独立支路的信道状态信患为 强) 二， 谚 ：， t 二，分别代表着衰落信道的幅度，相位和时延参数，三者是相互独立 的。合并技术的主要嗣的是对此独立的衰落信号进行合并，减小多径的影响。 对多路的接收信号进行相干合并能带来接收空闻分集的阵列增益。在没有衰落的情 况下，相干合并也能够提高平均接收信噪比。这种无衰落时的信嗓比增益为阵列增益， 更确切她说，含并输密的平均信曝比糊怼于单支路的平均信嗓比的增益。所有的分集会 并策略都具有阵列增益。 衰落信道中，多个衰落路径的信号合并，能改善信嗓比的分布，从而降低系统的平 均误码率和中断概率，由此带来的系统的性能增益称为分集增益。常见的合并技术有最 大比合并( m r c ) 。等增益合并 0 ) 来使各支路同相。这需要各支路 进行相干检测褥到各留的相位谚。 无予扰情况下，无论具有何种统计特性的衰落，从合并后输出的信噪比最大化方面 来看，最大比合并是最佳的线性合并策略。但最大比合并需要给不同分集支路以不同的 时延补偿，相移加权重，从而必须知道信道的衰落参数 啦 二， 瞑 ：。， ：，的精确信息， 增加了接收机的复杂性。因此只有需要接收机具有最佳性能时，才采用最大比合并方案。 ( 二) 等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g ，e g c ) 为降低最大比合并( m r c ) 要求精确估计衰落信道状态信息( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n , c s i ) 所带来的复杂性，提出了等增益合并( e g c ) 策略。等增益合并的合 并策略对各分集支路设置其具有相同的加权权重，因此等增益合并不需对各分集支路的 衰落因子进行估计，只需对备分集支路的相移和时延进行储计即可。因此，等增益合并 是i # 常适用的次最优方案。 尽管采取最大比合并( m r c ) 和等增益合并( e g c ) 技术接收后，系统的性能都比 较优越，但是两者都要求每根接收天线都存在对应的接收机，这无疑增大了系统的成本 和系统的复杂度。此外，两者为了可以进行幅度加权和相位补偿( 其中等增益合并合并， 只进行相位补偿) ，都要求每条合并支路的接收机可以获得准确的信道状