（信号与信息处理专业论文）ofdm中空时分组编码和同步技术的研究.pdf

0 f d m 中空时分组编码和同步技术的研究 摘要 随着信息社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要 求也越来越高。作为未来通信系统中不可缺少的组成部分，移动通信 系统需要能够用有限的频谱资源来提供更多的通信业务、更高的传输 速率和更好的通信质量。 移动通信系统要实现上述要求需要克服许多技术挑战，移动信道 的时延扩展带来的符号间干扰( i s i ) 便是其中之一。正交频分复用 技术( o f d m ) 把一个高速数据流分解成若干并行的低速数据流再去 调制相应的子载波，从而构成多个低速率并行发送的系统。由于其码 元的周期相对较长，再加上每个码元又采用了循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 作为保护间隔，所以符号间干扰明显减少，甚至可以消 除。o f d m 技术的这种抗信道时延扩展的特性使其在高速率数据传输 系统中得到广泛的应用，成为下一代移动通信系统的关键技术。 空时分组码是在m i m o 基础上发展起来的一种新的编码技术，由 于它在获得较高的分集增益和频谱效率的同时，其收发端处理非常简 单而备受关注。o f d m 可以有效的对抗多径干扰，将频率选择性衰落 信道转化为平坦衰落信道，消除符号间干扰，空时编码可以有效的提 高信道容量，空时编码和o f d m 系统结合的系统在频谱利用和信噪比 增益上都有很大优势，被认为是第四代移动通信中的关键技术。本文 研究了空时分组编码的编码和译码方法，分析了空时分组编码正交频 分复用( s t b c o f d m ) 系统的模型及在频率选择性衰落信道中的性 能，并研究了一种频域l s 信道估计算法，提出了改进算法。该算法在 初始信道估计阶段，使用一个前置导频符号，导频子载波位置对不同 天线分别位于奇数或偶数位置，用l s 方法获得对应天线在导频子载 波处的信道响应后，通过d f t 算法获得全部子载波处的信道估计，在 数据传送阶段，利用空时分组码的芷交特性，通过判决反馈的方法， 实现对信道响应的跟踪。 同步技术对各种数字通信系统来说是十分关键的，对于o f d m 系统更是如此，因为o f d m 对同步误差十分敏感，一旦同步性能不 好，o f d m 的整体性能将会严重下降。本文分析了o f d m 中三种同 步误差对系统性能的影响，并研究了载波和符号定时同步中基于循环 前缀的最大似然估计方法和利用训练符号进行载波和符号定时同步 的s c h m i d l & c o x 算法，针对前者在多径衰落信道中性能的恶化，提 出了一种加权和多符号平均的改进方法，针对s c h r n i d l & c o x 算法通 过滑动平均的方法减小其定时估计的不确定性，仿真结果表明，改进 后的算法性能大大提高。 关键词：空时分组编码正交频分复用同步信道估计 r e s e a r c ho ns p a c e t i n 匝b l o c kc o d i n ga n d s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi no f d ms y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t y , p e o p l e sd e m a n df o r c o m m u n i c a t i o nh a sg r e a t l yi n c r e a s e di nb o t ha m o u n ta n dq u a l i t y a sa n i n d i s p e n s a b l ep a r t o ff u r o r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，f u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi se x p e c t e dt op r o v i d em o r es e r v i c e ，h i g h e rd a t a r a t ea n dh i g h e rq u a l i t yw i t hl i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e t of u l f i l lt h e 曲o v er e q u i r e m e n t t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m h a ss o m et e c h n o l o g i c a l c h a l l e n g e st oo v e r c o m e o n eo ft h e mi st h e 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 ) a r i s i n gf r o mt i m ed i s p e r s i o no fm o b i l e c h a n n e l o r t h o g o n nf 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 ) c o n s t r u c t s e v e r a lp a r a l l e ll o wd a t ar a t es y s t e m sb yd i v i d i n gah i g hr a t ed a t as t r e a m i n t os e v e l 乜l p a r a l l e l d a t as t r e a m sw h i c hi n d e p e n d e n t l ym o d u l a t e s c o r r e s p o n d i n gs u b c a r r i e r t h ei s ii sg r e a t l ym i t i g a t e do re v e ne l i m i n a t e d b e c a u s eo fr e l a t i v el o n gs y m b o lc y c l ea n dt h ea d o p t i o no fc y c l i cp r e f i x t h i sa n t it i m ed i s p e r s i o np r o p e r t ym a k e so f d m p o p u l a r l yu s e di nh i g h r a t e d i 。百t a l t r a n s f o r ms y s t e m sa n db e c o m ek e yt e c h n o l o g yi nn e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s p a c et i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) i san o v e lc o d i n gt e c h n o l o g yb a s e d o nm u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) t h e o r y i ta b s o r b sm a n ya t t e n t i o n s f o ri t s o u t s t a n d i n g v i r t u e s ：i tc a na c h i e v e h i g hd i v e r s i t yg a i na n d s p e c t r u me f f i c i e n c yt h r o u g hs i m p l es i g n a lp r o c e s s i n ga tb o t ht h e t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r a sw ek n o wo f d ms y s t e mc a nt r a n s f o r ma 矗e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e li n t oap l a to n ea n dm i t i g a t ei s i ，w h i l e s t b ch a sh i l g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , t h es y s t e mc o m b i n e do f d mw i t h s t b ch a sg r e a ta d v a n t a g e si nb o t hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n ds n rg a i n i n t h i st h e s i s ，t h ec o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d so fs t l 3 ci ss t u d i e df a s t ， t h e na s y s t e mc o m b i n e ds t b cw i t ho f d mi sr e s e a r c h e d ，a n di t s p e r f o r m a n c eo nf r e q u e n c y s e l e c t i v en d m gc h a n n e li sa n a l y z e d t h e na c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rt h es t b c - o f d ms y s t e m ，f r e q u e n c y d o m a i nl sa l g o r i t h m ，i sr e s e a r c h e da n da ni m p r o v e da l g o r i t h mi s p r o p o s e d t h ei m p r o v e da l g o r i t h mu s e so n et r a i n i n gs y m b o lt oa c q u i r e c h a n n e lr e s p o n s ei n f o r m a t i o nd u r i n gi n i t i a lc h a n n e le s t i m a t i o ns t a g e t h e p i l o ti sl o c a t e di no d do re v e ns u b c a r r i e rp o s i t i o nd e p e n d i n go nd i f f e r e n t a n t e n n a a f t e rt h ec h a n n e lr e s p o n s ee s t i m a t i o no fp i l o tp o s i t i o ni s a c q u i r e d ，t h ee n t i r ec h a n n e lr e s p o n s ee s t i m a t i o nc a l lb ec a l c u l a t e d t h r o u g hd f tm e t h o d d u r i n gd a t at r a n s m i s s i o ns t a g e ，t h et r a c k i n go f c h a n n e lr e s p o n s ei sa c c o m p l i s h e db yd e c i s i o nd i r e c t e dm e t h o du t i l i z i n g t h eo r t h o g o n a lp r o p e r t yo fs t b c s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y i sc r u c i a li n d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，a si se s p e c i a l l yt r u ei no f d ms y 7 s t e mb e c a u s e0 f d m i sm o r e s e n s i t i v et os y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s y s t e mp e r f o r m a n c eo fo f d mw i l l d r a s t i c a l l yd e g r a d eb e c a u s eo f t h ei m p e r f e c t i o no fs y n c h r o n i z a t i o n i nt h i s t h e s i s ，t h ei n f l u e n c eo ns y s t e mp e r f o r m a n c er e s u l t i n gf r o mt h r e ek i n d so f s y n c h r o n i z a t i o ne r r o ri ss t u d i e d t h e nt w os y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa r e r e s e a r c h e d ：o n ei sc pb a s e dm a x i m u ml i k e l i h o o dc a r d e rd e v i a t i o na n d s y m b o lt i m i n ge s t i m a t i o na l g o r i t h m ；a n o t h e r 。i ss c h r n i d l c o x s a l g o r i t h mw h i c hu t i l i z ep r e a m b l e a sf o rt h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no f t h ef o r m e ra l g o r i t h mi nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ，a ni m p r o v e dm e t l l o d b a s e do nw e i g h t i n ga c c u m u l a t i o na n dm u l t i s y m b o la v e r a g i n gi sp r o p o s e d a sf o rt h el a t e r , as l i d i n ga v e r a g i n gm e t h o di su t i l i z e dt om i t i g a t et h e u n c e r t a i n t yo ft i m i n gm e t r i c s s i m u l a t i o ns h o w st h ei m p r o v e da l g o r i t h m s o m p e f f o r mt h ef o r m e ro n e k e yw o r d s ：s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ，o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o n ， c h a n n e le s t i m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：童盘蒸：日期：! 堕：兰：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 兰翌：兰：兰 日期：洳：五墟 北京邮电大学硕士学位论文0 f 删中空时分组编码和同步技术的研究 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。人们对 通信的理想要求是希望能在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟通联系。显然没 有移动通信这种愿望是无法实现的。移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。 从1 8 9 7 年马可尼首次使用无线电进行通信以来，由于无线通信带来的灵活性，移动通信 越来越受到人们的青睐。移动通信已经成为当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的 领域之一。到今天，移动通信的发展经历了三个历史性的阶段。 应用于二十世纪8 0 年代的第一代移动通信系统使用模拟调制和频分多址。典型的系 统有美国的a m p s 、英国的t a c s 等。模拟系统的主要缺点是频谱利用率低、抗干扰能力差、 系统保密性差等。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入了发展和成熟时期。数字移动 通信系统取代了模拟系统，出现了一系列的数字移动通信系统，其多址方式一般采用时 分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术加上f d m a ，其中具有代表性的系统分别是： g s m ( t d i v l ) 和i s 一9 5 ( c d m a ) 。系统支持的业务也由单一的话音业务向低速率电路交 换的数据业务( 9 6 k b s ) 扩展。 当前，移动通信正从第二代向第三代过渡，原来单一支持语音业务的窄带移动通信 系统已远不能满足用户需求，大家都在期盼支持语音服务、收发e m a i l 、上网浏览、下 载图片( 视频) 等多媒体业务的宽带移动通信系统的到来。作为第三代移动通信系统的 i m t 一2 0 0 0 标准在静止和步行环境下最大可以提供2 m b s 的数据传输，在低速和高速移 动环境下分别能够提供3 8 4 k b s 和1 4 4 k b s 的数据传输。目前，国际上最具竞争力的 i m t 一2 0 0 0 无线传输技术主要有两种：即日本和欧洲一些厂家提出的w c d m a 技术和北美提 出的基于i s 一9 5 c d m a 系统的c d m a 2 0 0 0 技术。另外，我国也提出了具有自己知识产权的 t d s c d m a 系统。今天，第三代移动通信系统即将在全世界范围内投入试运行或商用。 尽管今天第3 代移动通信系统的正式商用才刚开始起步，研究者们已经把目光投入 到“第四代移动通信系统”。下一代无线通信系统规范目前尚未成形，但有一点是肯定 的：下一代无线通信系统要支持比3 g 系统更高的数据传输速率，能有效支持无线多媒 体通信和高速宽带i n t e m e t 接入。第四代移动通信系统不仅是为了扩容，更重要的是要 解决多媒体业务的传输需求当然还包括通信质量的要求。总的来说，第四代移动通信系 统性能方面主要有以下要求：( 1 ) 用户速率在准静止( 低速移动和固定) 情况下达2 0 m b i t 北京邮电大学硕士学位论文0 f d m 中空时分组编码和同步技术的研究 s ，在高速移动情况下达2 m b i t s ：( 2 ) 容量要达到第三代系统的5 1 0 倍，传输质量相当 于甚至优于第三代系统：( 3 ) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统：( 4 ) 具有 不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量。根据第四代移动通信系统性能方面的要 求，未来的移动通信系统需要能够用有限的频谱资源来提供更多的通信业务、更高的传 输速率和更好的通信质量。 要实现如此高速率的高质量多媒体无线数据传输，无线通信系统需要克服许多技术 挑战。其中移动传播环境的恶劣是一个需要解决的重大问题。无线通信中发送信号经多 次反射、折射和散射等达到接收机，当多个这些信号几乎同时达到接收机时，它们随机 叠加可能造成接收信号幅度的极大变化，表现为衰落现象。同时由于复杂的地形地物的 影响，非视线传播的发送信号往往经过多次反射、折射后达到接收机，由于这些反射或 折射的信号复本经过不同的路线达到接收机，不同的路线长度造成信号达到接收机的时 间上的延迟，表现为时延扩展现象。不同的传播环境典型的时延扩展从几个纳秒到几十 微秒不等。对数字传输系统，当这种信道的时延扩展跟数据符号的持续时间可以比拟时， 会造成符号间干扰( i n t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，严重影响数字通信系统的性能，尤 其是对高速率数据传输系统。 在传统的单载波通信系统中，通常采用自适应均衡器来减小符号间干扰。但是，在 高速移动通信系统中，信道的时延扩展往往远大于码元周期，此时自适应均衡器将变得 非常复杂。正交频分复用技术( 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 ) 是 另一种克服信道时延扩展的传输手段。它把一个高速数据流分解成若干并行的低速数据 流再去调制相应的予载波，从而构成多个低速率符号并行发送的系统。由于每个子载波 的调制符号速率比较低，则其码元的周期相对较长，再加上每个码元又采用了循环前缀 ( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 作为保护间隔，所以符号间干扰明显减少，甚至可以消除。o f d m 技术的这种抗信道时延扩展的特性使其在高速率数据传输系统中得到广泛的应用。 1 2o f d m 的历史与发展 o f d m 调制技术的并行传输思想早在1 9 5 7 年就已经提出，当时采用这种思想的是一个 “k e n i p l e x ”的m o d e m 系统“1 ，它用于电话线或者h f 无线信道。该系统采用的数字调制 是q p s k 调制，使用t 2 0 个子载波，且各子载波的频谱互相重叠又是正交的，大大地提高 了频谱利用率。其相邻子载波的间隔近似等于符号速率。可以看出，其基本思想类似于 现代的o f d m ，可以说是o f d m 系统的雏形。 之后出现了各种基于o f d m 的并行传输系统，以及相应的对这些系统的理论研究。早 期的正交频分复用系统都使用正弦波发生器组和相干解调器组实现调制和解调，当子信 北京邮电大学硕士学位论文0 删中夺时分组编码和同步技术的研究 道数目很大时，系统复杂性太高，造价昂贵难以接受。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离 散傅立叶变换应用到并彳亍传输系统中“。，并通过插入保护间隔来消除符号间干扰，同时 在时域便用了升余弦窗。虽然他们的系统在弥散信道中不能保持很好的正交性，但d f t 的引入避免了使用频分复用系统中的子载波发生器和相干解调器组，使得全数字化的 o f d m 实现成为可能，对o f d m 技术是一个重要的贡献。1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 采用 循环前缀”。的方法使信号经过多径信道后仍然保持子载波间正交。1 9 8 5 年，c i m i n i 将 o f d m 应用于数字蜂窝系统“。，从此，0 f d m 开始了应用于无线移动系统的研究。 o f d m 的数字化的d f t 实现和v l s i 技术的发展大大推进了o f d m 系统在有线 传输和无线传输中的应用。例如，欧洲数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ，简写为d a b ) 标准采用了带差分相位调制的o f d m ，数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ，简写为d v b ) 标准包含了多幅度调制的o f d m ，有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称数字用户环 路( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，简写为a d s l ) ，基于5 g h z 频段的高速无线按入 局域网的标准8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n ，2 也采用t q a m 调制的o f d m 。 1 3 本论文的研究内容 1 o f d m 中的空时分组编码技术 多输入多输出( m i m o ) ”。技术是近年来研究的热门技术，它可以成倍地提高衰落信 道下的系统容量，空时编码( s p a c et i m ec o d i n g ) ”1 技术正是在此基础上发展起来的种 新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无 线通信中的系统容量和传输速率，为解决无线信道的带宽问题提供了一条新的途径。其 中空时分组码( s t b c ) 在获得较高的分集增益和频谱效率的同时，接收端的最大似然 ( m l ) 译码算法非常简单，非常适于当前和未来的第四代移动通信系统的高速下行信道。 本文将空时分组编码( s t b c ) 技术与正交频分复用( o f d m ) 技术结合，分析了空时分 组编码正交频分复用( s t b c o f d m ) 系统的模型及其在频率选择性衰落信道中的性能， 并研究了一种频域l s 信道估计算法“。，提出了改进算法，该算法在初始信道估计阶段， 使用一个前置导频符号，对子载波进行奇偶子载波分组，用l s 方法获得对应天线在导频 子载波处的信道响应后，通过d f t 算法获得全部子载波处的信道估计，在数据传送阶段， 利用空时分组码的特性，通过判决反馈的方法，实现对信道响应的跟踪。 2 0 f d m 中的同步技术 同步技术对各种数字传输技术来说是十分关键的，对于o f d m 系统更是如此，因 为o f d m 对同步误差十分敏感，一旦同步性能不好，o f d m 的整体性能将会严重下降。 本文分析了o f d m 中三种同步误差对系统性能的影响，并研究了载波和符号定时同步中 北京邮电大学硕士学位论文o f d m 中空时分组编码和同步技术的研究 基于循环前缀的最大似然估计方法”。和利用训练符号进行载波和符号定时同步的 s c h m i d l & c o x 算法”。，针对前者在多径衰落信道中性能的恶化，提出了一种加权和多符 号平均的改进方法，仿真结果表明，改进后的性能大大提高。 本文的章节安排如下： 第二章首先分析移动传播环境，主要研究了多径信道的特征，并给出了多径衰落信 道的仿真方法，在分析移动信道特性的基础上，介绍了o f d m 系统及其i d f t 实现的原理， 分析了o f d m 系统中循环前缀的作用，讨论了o f d m 系统的优缺点。 第三章研究了空时分组码的编码和译码方法，分析了空时分组编码与0 f d m 相结合的 系统的结构和性能，研究了一种针对多天线发送分集的频域l s 信道估计算法并对其进行 了改进，并通过仿真对其性能进行验证。 第四章分析了o f d m 系统中的同步需求，分别对o f d m 载波、符号和采样同步的误 差对o f d m 系统的影响进行了研究，研究了基于循环前缀的联合载波和符号定时估计的 算法，提出了一种改进算法，对s c h m i d l & c o x 算法及其改进进行了研究和仿真。 第五章总结全文工作，指出需要进一步研究的0 f d m 技术。 北京邮电大学硕士学位论文o f 珊中空时分组编码和同步技术的研究 第二章移动传播环境与o f d m 技术 2 1 移动传播环境 信道，是信息传送的途径，也是通信系统模型中的一个重要组成部分。同样，移动 信道也是移动通信所面临的一个重要客观条件。对移动信道的分析是解决移动通信中各 种关键技术的前提， 移动信道属于无线信道，它不同于传统的有线信道，也与一般的 固定接入无线信道有所区别。它除了具有所有无线信道的特点外，还具有接收机随机移 动性的新特点。只有认真的分析和掌握了移动信道的特点与实质，才能针对所存在的问 题提出适当的技术解决方案。 由于地理环境的复杂性与多样性，用户移动的随机性和多径传播现象等因素的存 在，移动通信系统的信道变得十分复杂。关于信道对接收信号造成的影响，我们可以按 大尺度衰落和小尺度衰落从统计特性上来分别讨论。当接收机处于空间中某一位置时， 它在该位置附近接收到的信号功率的本地平均值将受到信道大尺度效应的影响，这些影 响包括视距路径损耗、绕射、阴影以及雨和植被造成的衰减等效应。大尺度衰落描述了 发射机和接收机之间长距离( 几百米或几千米以上) 的场强变化，主要用于预测接收信 号场强和无线覆盖范围。而小尺度衰落主要描述了由于无线信道的多径传播，当接收机 或发射机稍有移动，接收机收到的信号幅度将有剧烈起伏的现象。本节将研究移动通信 中大小尺度衰落的特性及多径衰落信道的仿真，对于移动信道的详细描述可参见文献 1 0 卜 1 5 2 1 1 大尺度衰落 信道的大尺度衰落主要描述了接收信号功率的本地平均值随接收机与发射机之间 距离变化的情况。基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信 号功率随距离的对数衰减。平均大尺度路径损耗可以表示为 鳓o c - 沼- ， 或瓦( d ) 【扭】- 瓦( 哦) + 1 0 n l o g f 车1( 2 2 ) l g o 其中，d 为接收机和发射机之间的距离，矾为近地参考距离，由测试决定，n 为 路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，1 1 值依赖于特定的传播环境，例如， 在自由空间，n 为2 ，当有阻挡物时，i n 变大。 北京邮电大学硕士学位论文珊瑚中空时分组编码和同步技术的研究 表2 - 1 给出了不同无线环境下，路径损耗指数。 表2 - 1 不同环境下路径损耗指数 环境路径损耗指数n 自由空间2 市区蜂窝2 由- 3 5 市区蜂窝阴影3 5 建筑物内视距传播1 0 1 8 被建筑物阻挡 4 一石 被工厂阻挡2 3 式( 2 2 ) 未考虑在相同发射机和接收机之间距离情况下，不同位置的周围环境差 别，所以我们要把路径损耗描述成一个随机变量。因此，实际的路径损耗可以表示成 一一 rd 、 e l ( d ) d b 】= p l ( d ) + 以= e l ( 或) + 1 0 n l o gj i + 艺 ( 2 3 ) 口o 其中，置，为零均值的高斯分布随机变量，单位为d b ，标准偏差为盯，单位也为d b 。 由此可见，大尺度衰落可以分为两项，p 三( d ) 表示信号在空间传播过程中所产生的 损耗，该类损耗是由于电波传播的弥散特性造成的，它反映了公里量级的空间距离内， 接收电平均值的变化趋势。以则表示阴影效应，它是由于信号在传播路径上受到建筑 物及山丘等障碍物的阻挡所产生的阴影效应而引入的损耗。它反映了数百波长内接收电 平均值的变化趋势。 2 1 2 小尺度衰落 在移动信道中，当接收机或发射机即使移动了载波波长这样小的距离，接收信号的 幅度也会经历剧烈变化，这种剧烈变化主要是由于接收信号是从不同方向的多个路径的 信号叠加引起的，我们把这种接收信号的剧烈变化称为小尺度衰落。 对于小尺度衰落，我们主要关心信道的两种特性。首先是由于多径信道中各路径有 不同的延时，多径信道将使接收信号产生时延扩展。其次是接收机、发送机和传播媒介 的移动，将引入多普勒扩展，即无线信道是时变的。 ( 1 ) 时延扩展和相关带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发送端发送一个极窄的脉冲信号 时，由于存在多条不同的传播路径，接收的信号是由许多不同时延的脉冲组成。描述时 延扩展的参数有：平均附加时延f ，r i l l $ 时延扩展盯，附加时延扩展( 置d b ) 。 北京邮电大学硕士学位论文o f 孤中空对分组编码和同步技术的研究 平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为 耀 和索 q 4 其中魂为第k 条多径的衰减因子，t 为第k 条径的延时。 r m s 时延扩展是功率延迟分布的二阶矩平方根，定义为 吧= 户一( f ) 2 ( 2 5 ) 其中， 一壤2 靠2 ，2 莳 ( 2 - 6 ) 附加最大时延( 置d b ) 定义为多径能量从初值衰落到低于最大能量卫d b 处的 时延。 信道的相关带宽且可以用来描述在多宽的频率范围内信道的传输函数的幅度保持 恒定，它可以由信道的i t l l s 时延扩展获得。频率相关性为9 0 的相关带宽可以近似为 e z 击 ( 2 7 ) 时延扩展与相关带宽是用于描述信道时延扩展特性的参数。当系统带宽置大于信道 的相关带宽乓或信号的符号周期小于时延扩展时，我们称系统经历的是频率选择性衰 落。此时针对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现出不同的随机响应，由于信 号中不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。从 时域上看，接收信号中一个符号的波形会扩展到其它符号中，造成符号间干扰( i s i ) 。 这种情况下，接收机需要采取措施来抵抗频率选择性衰落，比如均衡，或者o f d m 技 术。 当系统带宽e 小于信道的相关带宽或信号的符号周期大于时延扩展时，信号经历平 坦衰落，此时发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。信道相当于只有一条径， 但这时如果该径处于深衰落时，则信号面临完全被衰减的危险。 ( 2 ) 多普勒扩展和相干时间 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，这种现象称为多普勒效应， 这是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，其值为 北京邮电大学硕士学位论文o f o m 中空时分组犏码和同步技术的研究 正= ”口= f mc o s c t - - ；- c o s c o s 厶2 口= ( 2 8 ) 其中a 是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是移动台运动速度，兄是波长， l = 称为最大多普勒频移。 在移动环境中，接收信号是许多条路径接收信号的叠加，每条径都经历不同的多普 勒频移，因此，接收信号会表现出频谱的展宽。假定接收机使用全向天线，并认为信号 到接收机天线的入射角是一个均匀分布于 o ，2 石】的随机变量，则当发射机发射一个单频 信号时，接收信号的功率谱密度函数为 o ( 力= ( 2 9 ) 其中j 为接收到的平均功率，五为载波频率。该功率谱密度就是所谓的j a k e s 模型 其形状如图2 1 所示 o e ( f - f c ) , f i n 图2 - 1j a k e s 功率谱 信道的相关时间i 是多普勒扩展在时域的表示，相关时间的一个近似公式为 8 北京邮电大学硕士学位论文0 f 蛐中空时分组编码和同步技术的研究 c “半 ( 2 1 0 ) 相关时间是信道冲激响应具有很强相关性的时间间隔的统计平均值，换句话说，相 关时间就是指在这一段时间间隔内，信道冲激响应基本维持不变。 如果发送信号的符号宽度大于信道的相关时间，我们称信号经历了时间选择性衰 落，也称为快衰落：反之，如果符号的宽度小于相关时间，则经历非时间选择性衰落， 也称为慢衰落。 2 1 , 3 多径衰落信道的仿真 在本文的后续章节中，需要对系统在多径衰落信道中的性能进行仿真，这里给出信 道的仿真方法。根据i t u - r 的m 1 2 2 5 建议，多径时延信道采用延时抽头模型来仿真。 如图2 2 所示。 发 佰i l l 输出 图2 - 2 信道的延时抽头模型 信道的输出是发送信号经过一个延时抽头滤波器叠加上高斯噪声的结果。每个延时 抽头代表一条径，延时抽头的复零性因子，其幅度服从瑞利或莱斯分布，相位服从均匀 分布，同时，还要体现其时变特性，即其功率谱应为经典谱、平坦谱或r i c j a n 型谱中的 一个。 在本文中，我们采用j a k e s 模型产生各个抽头的复乘性因子，其多普勒频谱为经典 谱。图2 - 3 是l a k e s 模型的结构图。 9 北京邮电大学硕士学位论文删中空对分组编码和同步技术的研究 图2 - 31 a k e s 仿真模型 这种仿真方法是由n o 个低频振荡器产生频谱c o s ( 簪) ，其中n = 4 州o + 2 ， m ，：2 疗厶。各个振荡器乘以对应的增益因子2 c o s 成和2 s i n 成，其中成服从均匀分布， 其概率密度表达式为击。每个振荡器的输出加在一起得到相应的同相和正交分量 “ 2 c o s ( r c o s o ) ，f ( 2 1 1 ) h a t ) = 2 z e o s f l , e o s r o , t + v r 2 e ，f ( 2 n = l ：2 u ，。i 压 (212)h,ct) s i n , & c o s o g t + s m ( z c o s o ) , n t= 2 ( 2 图2 4 是最大多普勒频移为5 h z ，取样频率为2 0 0 h z 时，仿真所得的瑞利衰落因 子的幅度波形。 0 北京邮电大学硕士学位论文- - - - o f d m 中空时分组编码和同步技术的研究 2 2o f d m 技术 图2 - 4瑞利衰落因子波形 本章的第一节曾经提到，无线信道中存在多径传播效应。多径效应会造成在无线信 道传输的信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，严重影响信号的传输质量，这就 是无线信道的时间扩展。在信号的传输速率比较高的情况下这种情况尤为明显。当信号 的传输速率较高时，信号带宽较宽，当信号带宽接近或超过信道相干带宽时，信道的时 延扩展特性将对接收信号造成频率选择性衰落。为了保证正确的数据传输，必须对信号 的传输速率加以限制。可见，由于时延扩展使得无线信道传输速率受到限制限。 正交频分复用( o f d m ) 将高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若 干个正交的子载波中进行传输，因此，每个子载波中的符号周期会相对增加，可以减轻 由于无线信道的时延扩展性对系统造成的码间干扰。因此，o f d m 系统可以达到很高的传 输速率。 本节分析o f d m 系统基本原理及其优缺点，关于o f d m 系统更详尽的描述可参见 1 6 卜e i s 北京邮电大学硕士学位论文o f 蹦中空时分组编码和同步技术的研究 2 2 1o f d m 子载波正交性 一般的多载波传输使用互不交叠的频分复用多载波，为减少各载波间相互干扰，通 常各载波间要有一个保护频带，这就造成了系统带宽资源的浪费。使用正交多载波传输， 各子载波之间允许交叠，但由于各子载波之间相互正交，载波间干扰可以为零，因此可 以保证系统带宽资源充分利用。 图2 5 是0 f d m 系统复等效基带模型框图。 图2 - 50 f d m 系统基带模型 输入的二进制比特信息通过符号映射后分别由不同的子载波进行调制。假设子载波 数目为n ，0 f d b l 符号宽度为t ，五( 1 c = 0 ，i ，：一n - 1 ) 是分配给各个子载波的数据符号， 第k 个子载波的频率为 五= 事， ( 2 - 1 3 ) 则从r = 开始的o f d m 符号可以表示为， x o ，= 篓x 。e x p ( ，2 万事。一) ，x e ： x ：，x ：，x ；一：) 这样，发送矩阵可以表示为 f x ex o 【一肠施j 因此上述系统可以等价为图3 - 4 北京邮电大学硕士学位论文- - - - 0 f i ) m 中空时分组编码和同步技术的研究 - 7 , o * ) q x e * x o 图3 - 4等价的s t b c - o f d m 系统框图 输入的信号经串并变换得到长度为n 符号块x e 和x o 。然后进行空时编码，注意 此时的编码是对符号块进行编码，编码后输出的块分别进行n 点i d f t ，并添加循环前 缀后发射。 第1 个符号时刻，从天线1 、2 发射的经过循环前缀扩展的o f d m 信号分别为 爿( n ) = 万1n 刍- 1 皿( 七) e 冲( j 扰百n k ) ， 雄。g ，一1 ( 3 - 1 3 ) 是( 雎) - l 窆x o ( 七) e x p ( j 协万n k ) 玎= 一g ，一l ( 3 - 1 4 ) 第2 个符号时刻，从天线1 、2 发射的经过循环前缀扩展的o f d m 信号分别为 奸( 一) = 专薹一肋砸) e x 町2 厅等) ，t = 一g ，一1 ( 3 - 1 5 ) ( 行) = 土n 芝, 。- o 皿+ ( 七) e x p ( j 2 石争，h = g ，一1 ( 3 _ 1 6 ) 假设系统的信道模型为频率选择性慢衰落信道，信道在相邻的几个o f d m 符号内 近似不变，信道的多大时延扩展不超过l 个样值，且不同发送、接收天线对之间相距足 够远，他们之间满足相互独立。为了方便起见，只考虑一个接收天线的情况并且假设接 收端达到精确的符号同步和载波同步，则去掉循环前缀后