（信号与信息处理专业论文）wcdma系统中的信道估计技术研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的发展，高质量传输成为现代通信的焦点。信道估计技术是 w c d m a 移动通信中非常重要的一项技术，它是相干r a k e 接收的关键部分。它的性能 好坏直接影响到接收机的误比特率。能够最大精度的估计信道参数是提高系统性能的有 效办法。 本论文深入地讨论了w c d m a 移动通信系统中的信道估计技术，对信道估计误差的 本质和如何降低信道估计误差的原理和方法作了较为深入的分析，提出了自适应的信道 估计方案。主要内容包括： 首先，本论文描述了w c d m a 通信系统的与信道估计紧密关的物理层帧结构，给出 了系统的发射信号模型、信道模型和接收机的详细结构，这是掌握信道估计的基础。接 着详细推导了在多径瑞利衰落信道下数据解调的完整过程、信道估计误差的来源和本 质。 再次，本文在传统算法的基础上提出对自适应l m s 信道估计算法的改进，仿真表明 其优越性。论文中研究的这种基于自适应理论的信道估计算法可适用于移动台处于低 速、高速及混合速率等各种情况下的信道估计。 此外，在论文的第五部分还提出了一种基于新帧结构的信道估计算法，对它的性能 进行了深入的探讨。通过与传统帧结构的性能比较，我们可以知道，在保持性能相当的 情况下，这种新的算法具有较大的优势，极大地提高了带宽的利用率。 最后，论文对各种算法进行了仿真和分析比较，表明了自适应信道估计算法在不同 衰落条件下具有优良性能。 关键词：w c d m a ( 宽带码分多址) ；信道估计；自适应算法；帧结构；第三代移动 通信系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h i g h - q u a l i t yt r a n s m i s s i o n b e c o m e st h ef o c u so fm o d e mc o m m u n i c a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n i q u e si nw c d m a m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 1 1 1 ec h a n n e le s t i m a t i o ni s t h ek e yp a r to fc o h e r e n td e m o d u l a t i o no fr a k er e c e i v e r i t sp e r f o r n l a n c eh a sad i r e c te f f e c t o nt h eb e rp e r f o r m a n c eo fs y s t e m h o wt oe s t i m a t ec h a n n e lp a r a m e t e r sa c c u r a t e l yt ot h e b e s to fo n e sa b i l i t i e si sav e r yi m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t 1 1 ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e so fw c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ed i s c u s s e di n s o m ed e p t ha n db r o a d n e s si nt h i sd i s s e r t a t i o n i tc a r r i e so u tac o n s o l i d a t ea n dc o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so ft h ec h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ra n dp o s s i b l em e t h o d st or e d u c et h ee r r o r e s p e c i a l l yi t p r e s e n t e da na d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e 1 1 1 em a i nc o n t e n ti n c l u d e ： f i r s t l y t h ef r a m es t r u c t u r eo fp h y s i c a lc h a n n e lc o n c e m e dw i t hc h a n n e le s t i m a t i o ni n w c d m a s y s t e mi sp r e s e n t e d t h et r a n s m i t t e rm o d e l c h a n n e lm o d e la n dd e t a i l e dr e c e i v e r s t r u c t u r ea r ea l s od e s c r i b e d t h e s ea r ef u n d a m e n t a l so ft h ec h a n n e le s t i m a t i o n f o l l o w i n gt h a t t h ew h o l ed a t ad e m o d u l a t i o np r o c e s s ，t h en a t u r eo fc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ra n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c ei nm u l t i - p a t h sr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e la r ed e d u c e d s i m u l t a n e o u s l yw ea n a l y z e h o wt h ep o w e rr a t i oo fp i l o tc h a n n e lt od a t ac h a n n e la f f e c t ss y s t e mp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，a na d a p t i v el m sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h r ni sp r o p o s e do nt h eb a s i so ft h e t r a d i t i o n a la l g o r i t h m si n t h i sp a p e r ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h es u p e r i o r i t yo ft h e i m p r o v e da l g o r i t h m s u c hat h e o r yb a s e do na d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mc o u l db e a p p l i e dt om o b i l es t a t i o ni n al o w - s p e e d ，h i g h s p e e da n dm i x e d - r a t eu n d e rv a r i o u s c i r c u m s t a n c e s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra l s op r o p o s e san e wf r a m es t r u c t u r ef o rt h ec h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h ma n da n a l y s e s i t s p e r f o r m a n c ed e e p l y i nt h ef i f u l p a r t c o m p a r e dw i t l lt h e p e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lf r a m es t r u c t u r e w ec a nk n o wt h a tt h i sn e wa l g o r i t h mh a st h e l a r g e ra d v a n t a g e st h a nb e f o r e ，t om a i n t a i nt h ep e r f o r m a n c ea tac o n s i d e r a b l ec i r c u m s t a n c e s a n dg r e a t l ye n h a n c e st h eu t i l i z a t i o no fb a n d w i d t h f i n a l l y ，m a n yc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h ep a p e r s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea d a p t i v es c h e m e sa n dn e wf r a m es t r u c t u r ea r ev e r y a t t r a c t i v e k e yw o r d s ：w c d m a ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，a d a p t i v ea l g o r i t h m s ，n e wf r a m es t r u c t u r e ， t l l i r d 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 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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 许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：立衅导师签名： e l 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 现代移动通信的发展 移动通信是指移动物体之间或者移动物体和固定物体之间的通信，其发展也经历了 漫长的过程。自从贝尔实验室将蜂窝移动通信的概念带给全世界之后，现代蜂窝移动通 信系统发展主要经历了三个阶段：第一代模拟系统( 1 g ) 、第二代蜂窝移动通信系统( 2 g ) 和第三代移动通信系统( 3 g ) 。我们知道，第一、第二代蜂窝移动通信系统是针对传统 的话音和低速率数据业务的系统，这仅能够满足人们基本通话和简单业务的要求，而第 三代移动通信结合了第一、第二代的性能，简化了第二代向第三代通信系统的过渡，是 一个全球无缝覆盖、全球漫游，包括卫星移动通信、陆地移动通信和无绳电话等蜂窝移 动通信的大系统，它能够满足未来移动通信的目标：能在任何时间、任何地点、向任何 个人提供快速可靠的通信服判1 1 。 第三代移动通信系统中主要应用了码分多址技术( c d m a ) 。它最初是用于军事领 域，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电 信技术。在通信中，要求多个用户能够同时与基站通信时，基站必须区分各个用户的信 号。这就是移动通信中的多址技术，其具体方法主要有三种：通过分配给用户不同的频 率( f d m a ，频分多址技术) ，不同的时隙( t d m a 时分多址技术) 和不同的码字序列 ( c d m a ) 。这三种多址接入方式也代表了蜂窝移动通信的发展历程。f d m a 是第一代模 拟蜂窝系统唯一的多址接入方式，而t d m a 在第二代数字蜂窝系统中占据统治地位，第 三代移动通信则是c d m a 的时代。图1 1 是典型的扩频通信系统模型。 图1 - 1c d m a 通信系统框图 f i g u r e1 1t h ed i a g r a mo fc d m as y s t e m c d m a 是采用扩频技术的一种多址方式，不同的用户传输信息由相关特性比较理想 的伪随机序列来扩频，实现用户的区分，用户数据通过伪随机序列扩展为宽带低功率信 江南大学硕士学位论文 号；接收端采用相关处理的方法将宽带信号恢复成窄带的基带信号，从而解调出用户数 据，这样可以实现在同一频带内传输不同用户的信息，与其他多址方式相比，所具有的 优点如下： ( 1 ) 采用扩频宽带传送技术，采用地址码相关特性获取信息，其抗干扰、抗多径衰 落、抗多普勒效应能力比其它多址方式强。同时，c d m a 是干扰受限系统，干扰的抑制 可以直接转化为系统容量的增加； ( 2 ) 整个频段为每个小区共享，避免复杂的频率规划，易于将来的扩展；能够进行 越区软切换，方便实现移动台小区间漫游； ( 3 ) 具有软容量的特点，系统忙时通话用户增多，信噪比下降，通信质量下降；反 之上升，系统设计以平均性能为标准，其系统容量要比f d m a 和t d m a 高很多； ( 4 ) 利用多码字c d m a 或变速率的扩频技术可以支持多速率业务； ( 5 ) 低功率传输有利于延长移动台的电池使用，降低功耗，也便于移动台的微型化； ( 6 ) 保密性好，鉴权、数字格式、宽带信令和根据受话人制定的通话保护措施，可 以提供最佳的保密特性，防止手机号码被盗。 随着近几年移动通信技术的迅速发展，发达国家的移动电话普及率已经达到7 0 以 上，有的地区甚至接近1 0 0 。在我国，移动通信同样具有良好的发展势头。但由于频 率资源的紧张和更多增值业务的需要，第二代移动通信网络( 2 g ) 已经逐渐不能满足需 求，亟待一种功能更新更好的网络来满足需求。因此，第三代移动通信网络( 3 g ) 的发 展及更高数据传输速率的移动通信网络的研究和开发已经是必然趋势。其主要功能如下 图1 2 所示： 图卜23 g 的功能图表 f i g u r el 一2t h ef u n c ti o nc h a r to f3 g 目前，针对3 g 的要求，国际电信联n o t u ) - - 共确定了全球四大3 g 标准，它们分 别是w c d m a ( 宽带码分多址技术) 、c d m a 2 0 0 0 ( 即为c d m a 2 0 0 01 x e v ，是一种3 g 移动通信标准) 、t d s c d m a ( 时分同步码分多址技术) 和w i m a x ( 微波存取全球互 2 笙二雯笙丝 通：w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 。其中w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 是三种主流技术f 2 】。在这三种技术中，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 采用频分双 工( f d d ) 方式，需要成对的频率规划【3 】。w c d m a 即宽带c d m a 技术，其扩频码速 率为3 8 4 m c h i p s ，载波带宽为5 m h z ，而c d m a 2 0 0 0 的扩频码速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ， 载波带宽为1 2 5 m h z ；另外，w c d m a 的基站间同步是可选的，而c d m a 2 0 0 0 的基站 间同步是必需的，因此需要全球定位系统( g p s ) ，以上两点是w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 最主要的区别。除此以外，在其它关键技术方面，例如功率控制、软切换、扩频码以及 所采用的分集技术等都是基本相同的，只有很小的差别。t d s c d m a 是我们国家提出 的一种3 g 标准，它采用时分双工( t d d ) 、t d m a c d m a 多址方式工作，扩频码速率 为1 2 8 m c h i p s ，载波带宽为1 6 m h z ，其基站间必须同步，与其它两种技术相比采用了 智能天线、联合检测、上行同步及动态信道分配、接力切换等技术，具有频谱使用灵活、 频谱利用率高等特点，适合非对称数据业务。而本文中研究的w c d m a 通信系统主要 起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动。w c d m a 是种开放的无线接入技术， 能够提供高级移动多媒体业务，如音乐、电视和视频等丰富的娱乐内容和互联网接入。 对于运营商来说，w c d m a 意味着容量扩大、效率提高和收入增长，是第二代g s m 运 营的自然延伸和扩展，它们的网络是可以兼容的。 下表1 1 总结了三种主流的第三代移动通信系统标准的主要技术参数1 3 j 。 表1 - 1 第三代移动通信系统标准的主要技术性能比较表 t a b l e1 - 1t h em a i nt e c h n i c a lp e r f o r m a n c es t a n d a r d sc o m p a r i s o no ft3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m 1 2w c d m a 通信技术 w c d m a 技术具有下述主要特色： ( 1 ) w c d m a 物理层采用d s c d m a 多址技术，将用户数据和利用c d m a 扩频码 垩塑奎兰堡主堂垡迨奎 得到的伪随机序列即码片( c h i p ) 序列相乘，即可将用户信息扩展到较宽的带宽上( 可 以根据具体速率要求，可选用不同的扩频因子) ； ( 2 ) w c d m a 支持f d d t d d 两种工作模式。其中f d d 要求为上下行链路成对分配 频谱，而t d d 可以使用不对称频谱给上下行链路共享，上行和下行链路采用两个不同 时隙来区分、在相同的频段上工作的双工模式，即上、下行链路的信息是交替发送的。 因此，从某种意义上说，t d d 可以更节省地使用频谱资源； ( 3 ) w c d m a 支持异步基站操作，网络侧对同步没有要求，因而易于完成室内和密 集小区的覆盖； ( 4 ) w c d m a 采用发送数据为1 0 m s 的帧长，码片速率为3 8 4 m c h i p s 。其3 8 4 m c h i p s 的码片速率要求上下行链路分别使用5 m h z 的载波带宽，实际载波间距离的要求根 据干扰的不同在4 4 m h z 5 m h z 之间变化，变化步长为2 0 0 k h z 。对于人口密集地带可 选用多个载波覆盖。其1 0 m s 帧长允许用户的数据速率可变，虽然在1 0 m s 内用户比特 率不变，但1 0 m s 帧之间用户的数据容量可变【3 】； ( 5 ) w c d m a 在上下行链路均利用导频相干检测，因而扩大了覆盖范围。w c d m a 空中接口包括先进的c d m a 接收机，它利用了多用户检测和自适应智能天线技术，这 些手段可以较好地提高系统覆盖范围和容量； ( 6 ) w c d m a 允许不同q o s 要求的业务进行复用； ( 7 ) w c d m a 系统允许与g s m 网络共存和协同工作，支持系统间的切换； 一般地，w c d m a 通信系统采用的是f d d 模式，其优势在于：码片速率高，有效 地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分集，可以解决多径和衰落问题；采用 t u r b o 信道编解码，提供较高的数据传输速率；f d d 制式能够提供广域的全覆盖；下行 基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间的严格同步；采用连续导频技术，能够 支持高速移动终端，而且能够从第二代g s m 系统进行平滑过渡，保证运营商的投资， 为3 g 运营提供了良好的技术基础。图1 3 为2 g 向3 g 的自然过渡过程。 2 g 2 5 g3 g 图1 - 32 g 向3 g 过渡的过程 最后，w c d m a 技术的主要特点，可总结如下： 业务灵活性 4 圈固 兰二皇丝笙 频谱效率 容量和覆盖范围 每个连接可提供多种业务 网络规模的经济性 卓越的话音能力 无缝的g s m u m t s 接入 快速业务接入 终端的经济性和简单性 1 3 课题背景和研究来源 在第三代移动通信规范提案的概念评估过程中，宽带码分多址( w c d m a ) 技术以其 自身的技术优势成为3 g 的主流技术之一。相比第二代的移动通信制式，w c d m a 具有： 更大的系统容量、更优的话音质量、更高的频谱效率、更快的数据速率、更强的抗衰落 能力、更好的抗多径性、能够应用于高达5 0 0 k m h 运动速度的移动终端的技术优势等， 而且能够从g s m 系统进行平滑过渡，保证运营商的投资，为w c d m a 运营提供了良好的 技术基础。因此对w c d m a 的研究成为当今世界的最热点，全世界都在进行着w c d m a 的研究和开发工作。 由于中国在进行第二代移动通信系统研究中由于起步晚、市场发展需求快，明显处 于被动地位，使得外国公司得益非浅。在第三代移动通信系统的研究开发中，我国必须 抓住时机，采取积极主动的方式，把第三代移动通信系统产业打好基础。现如今，3 g 在我已经逐步发展起来。三种主流技术的分布情况：中国移动支持3 ( 3 中的国产技术 t d s c d m a ，中国电信主要负责c d m a 2 0 0 0 ，而联通主要支持研发w c d m a 技术。 本文课题的研究内容主要来源于此。由于地理环境的复杂性和多样性，移动用户的 随机性和多经传播等现象的存在，使得无线通信系统的信道变得十分复杂。因此，在接 收端必需要对整个信道上的特性掌握才能够进行正确的接收。我们可以清楚地知道，信 道估计技术的本质即为能够实时地提取无线移动信道的特征参数，从而提高系统接收性 能。由物体移动和多经传播引起的多径衰落现象则是移动信道的主要特征。移动通信的 多径衰落包括三种【4 】：时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。在不同的 技术发展时期，对信道研究的侧重点是不同的。在模拟通信中，主要关心的是信号幅度 与包络，所以自然就十分关心时间选择性衰落。随着数字通信的进一步发展，时延扩展 引起的码间串扰的问题就变得突出起来了，所以频率选择性衰落问题就引起了人们的重 视。 对于w c d m a 系统而言，宽带信号在多径环境中呈现频率选择特性。由于扰码良好 的自相关性和很低的互相关性及其伪随机性，超过一个码片周期的多径分量彼此不相 关。w c d m a 系统采用了专用控制信道和一个公共导频信道，而且上行和下行链路都采 用相关检测【5 】。当信号经过多个路径传送到接收机时，由于不同路径的时延不同，接收 到的信号幅度、相位的衰减也都不相同。如果不采用信道估计，而将相关累加器或者匹 兰堕奎兰堡主堂垡笙壅 配滤波器的输出直接合并，各项累加的结果可能不会使输出最大，甚至有可能使输出最 小，从而无法接收到正确的数据信号。所以，一定要在接收端加入信道估计器的环节。 信道估计技术的目的就是设法获得移动信道参数的估计值，与此同时也体现出对相位误 差的消除。为消除相位误差而进行的信道估计是通过对导频符号进行各种不同算法的操 作而得到的。第三代移动通信系统中上、下行链路都采用导频信号，使得在前向和反向 链路中都可以采用相干解调1 6 j ，通过对各个路径信号的相位作出估计后，消除相差影响。 在w c d m a 通信系统中，其物理信道中发送的帧结构中导频符号的发送方式有两种：时 分导频和连续导频【7 】。由于发送导频信号要占用无线信道资源，所以从系统优化的角度 而言，我们应该使每个用户的导频信号的发送功率尽量低，数据信道的发射功率尽量高， 但是由于过低功率的导频信号往往会导致质量差的信道估计，那么就会降低系统容量。 另外，如何利用导频符号设计适当的算法使信道估计在不同的环境下具有广泛的适应性 和精确性是w c d m a 通信系统中一个关键不可或缺的部分，也是关系到系统性能好坏的 一项重要技术。 1 4 国内外发展现状 目前，信道估计技术主要分为两大类【8 】：盲信道估计和非盲信道估计。盲信道估计 是指在对信道进行估计的时候仅利用了信道和信号的结构特征，而对信道和接收信号的 具体形式一无所知，具体的算法依赖于不同的应用问题指定未知参数的特征。盲信道估 计的接收端实现复杂度很高，但可以节约信道资源，减小开销，不必开设已知的导频字 段，从而增加了系统容量。而非盲信道估计是指利用发送端发送的己知导频序列，通过 对带有信道信息的己知导频序列的判决接收，通过相应的说法，就可以提取出所需的信 道特征参数。两者相比，非盲信道估计的实现复杂度较低，接收性能也较好，但其需要 发送额外的导频序列。鉴于其良好的特性，现在的实际应用很多。非盲信道估计的基本 思路方向主要可以分成以下三类： ( 1 ) 导频辅助方式【9 ，lo 】：导频辅助调制p s a m 是一种利用导频来进行信道估计的算 法，这种方法在数据流中插入一定数量的已知数据( 导频) 来进行信道估计，因此就可以 通过己知点上的信道响应的采样值来估计出整个信道的响应。它是目前研究最多的信道 估计方法； ( 2 ) 对无线信道参数和传输信号进行的联合估计和检测( 如结合信道估计的多用户 检测技术) 1 1 - 1 4 1 ； ( 3 ) 判决反馈方式【1 5 , 1 6 】：在估计器中加入反馈环节，并通过多步迭代的方法使得信 道估计的结果更加准确。 目前，随着第三代移动通信系统技术的研究开发，国内外很多学者提出了多种 w c d m a 系统中的信道估计方法，其具体的研究途径可以归纳如下所述： ( 1 ) 插值法【l7 博j ：这种方法用于时分复用导频体制下，时隙中数据段信道参数的估 计根据导频段的估计值通过某种插值算法来实现，包括：线性算法( 如线性内插、多时 隙加权平均等) 和非线性算法( 如高斯内插、拉格朗日内插等) 。这些方法一般只能用于 6 在信道变化平缓时效果较好，而不能有效地适用于高速信道。 ( 2 ) 滑动平均法【3 , 1 9 , 2 0 ：在连续导频体制下，利用导频信号估计出的连续多个信道数 据的采样值进行平均以抑制噪声。为了适应移动台不同的运动速度，可以采用自适应的 方法调整平均区间的大小。 ( 3 ) 子空间分解的方法【2 1 2 2 】：这种方法利用接收信号协方差矩阵的特征结构，把信 号波形的观测子空间分解成信号子空间和噪声子空间，利用信号分量在噪声子空间中投 影为零的性质来估计信道参数。它没有得到估计结构的闭式解，而且有很高的计算复杂 度，所以一般无法满足在实际中的实时应用。 ( 4 ) 自适应滤波器的方法【2 抛6 1 ：在导频辅助的情况下，通过维纳或卡尔曼滤波，为 了得到统计意义上的最小均方误差( 此时可以得到最优解) ，这些方法一方面要求知道 信道的统计特性，而另一方面由于功率控制改变了衰落信道的统计特性，不可能预先知 道其特性，所以很难在实际应用中实现。1 9 6 0 年，w i d r o w 和h o f ! f 专黾出了最小均方( l m s ) 算法【2 l 】，它是一种自适应滤波算法，能够调整自身的参数，以满足在某种最佳准则的要 求。 1 5 论文内容与结构安排 本文围绕w c d m a 系统中的信道估计技术展开分析研究。在无线通信中，发射源信 号通过无线物理信道进行数据传输，接收端为了检测出正确的传输信息，很有必要了解 正确的物理信道相关参数。这样就可以对接收信号进行补偿性恢复接。接收端的接收机 和均衡器都要求信道估计单元能够尽可能准确的计算出相应时刻的信道衰落；同时又要 具有相对较小的估计延时。针对以上的要求，在研究过程中，采取了理论分析和计算机 仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究的正确性和可行性。 本文主要内容有两大方面：首先，在传统的l m s 估计算法基础上提出一种新的自适 应l m s 信道估计，优化了自适应的变步长的选取( 在m s e 的准则意义下最优) ；其次，针 对传统帧结构，本文也提出了一种新的传输帧结构，以提高带宽利用率。具体方法为： 仅在帧头和帧尾部分设置导频信息，这样可以更多发送有用信息。在快速移动时，可适 当的加入导频跟踪信息，即使如此也在很大程度上提高了带宽利用率，增加了系统容量。 最后各部分仿真实验表明，采用本文提出的改进的变步长自适应l m s 信道估计，其性能 优于传统的w m s a 和基于w m s a 结构的固定步长的l m s 估计算法。在第五章，提出的新 帧结构同传统的时分导频结构相比较，具有一定的优势。在低速、高速运行环境下均有 良好的性能。 本论文接下来的具体结构安排如下： 第二章介绍了移动通信信特征，w c d m a 系统的移动通信信道，以及w c d m a 物理 层帧结构的分析。 第三章简单介绍了w c d m a 的下行链路专用物理信道的扩频和调制方式以及帧结 构，然后介绍了w c d m a 下行链路发送结构，细致分析了几种典型的信道估计方法。 第四章通过分析自适应的信道估计算法，提出了改进的符号级自适应变步长l m s 信 7 江南大学坝士学位论文 道估计算法，优化了自适应步长的选取，并通过仿真进行了比较。 第五章提出了一种基于新帧结构的信道估计算法，下行链路信道估计算法的性能仿 真分析，仿真表明本文提出的新帧结构的信道估计算法，在低速、高速移动环境均有良 好的性能，具有一定的优势，在很大程度上提高了频谱利用率。 第六章全文总结，总结本文的工作，并指出进一步研究工作的方向。 第= 章移动通信信道和w c d m a 4 层舟绍 第二章移动通信信道和w c d m a 物理层介绍 无线通信信道作为数字移动通信系统的传输媒质，自身有着很多的独特性质并且直 接影响着移动通信的质量。传输信道的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问 题。按传输媒介的不同，物理信道可以分为有线信道和无线信道两太类1 5 l 。有线信道是 平稳的和可预测的，而无线信道通常是极其随机的，并且其特性不易分析。因此，分析 移动信道特性是解决移动通信关键技术问题的前提。本章以下部分将首先针对移动通信 信道的特点和实质进行分析，然后针对本文信道估计的需求给出相应的信道模型以及对 w c d m a 物理层的结构简明阐述。 2 1 通信信道概述 无线通信信道通常被认为是自然界中的一种较为恶劣的通信介质，图2 - 1 为无线传 播环境的示意图。充分认识无线传播信道特性是无线通信系统设计过程中的首要条件。 移动通信信道是无线信道的一个子类，它不仅具有所有无线信道的特点，而且还具有通 信用户随机移动性的新特点。任何一种通信系统都是围绕着通信的数量与质量两个类型 优化，其指标包括有效性、可靠性和安全性。所谓有效性是指占用尽可能少的信道资源 ( 如频段、时隙和功率) 传送尽可能多的信源信息，它是通信的数量指标。所谓可靠性， 主要是指在信息传输中，对抗各类客观自然干扰的能力，它是通信的质量指标。 基站 圉2 - 1 无线传播环境的示意图 f ig u r e2 - 1t h es c h e m a t i ed i a g r a mo fw ir e l e ssp r o p a g a t i o ne n v i f o f l l l l 0 1 篱 江南大学硕上学位论文 2 1 1 移动通信信道的主要特点 无线信道对信号的作用从分析的结果来看是：完成对数据信号的加衰落功能和加噪 功能。根据各方面材料的总结，对于移动通信的信道特点，我们可以总结为以下两个主 要特征： ( 1 ) 复杂、恶劣的传播条件，电波传播具有开放性； ( 2 ) 移动通信用户接收地理环境的复杂和多样性； 现实问题是，移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却 与日俱增。如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的重点。为了解决这 一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段，另一方面要研究各种新技术和新措施，以压缩 信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。 2 1 2 移动通信信道的模型 通常，无线信道的传播模型可分为大尺度( l a r g e s c a l e ) 传播模型和小尺度 ( s m a l l s c a l e ) 两种传播模型【4 】。大尺度模型主要用于描述发射机和接收机之间长距离( 几 百或几千米) 内的信号强度变化。小尺度模型用于描述短距离( 几个波长) 或短时间内接 收信号强度的快速变化。 一般来说，无线移动环境中信号的影响可以归纳为如下三种： ( 1 ) 路径损耗：由发射机与接收机之间的距离d 决定，表征在长距离的大范围内接收 信号的变化特性，即在一定时间内接收信号的大区间平均功率( a r e am e a np o w e r ) 随传播 距离和环境的变化而呈现的缓慢变化。无论在室内还是室外，路径损耗随距离d 的对数 衰减【2 7 】。 ( 2 ) 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴 影效应而产生的衰落，反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值变化而产生的衰 落等等，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢，故又称为慢衰落。对于这种衰落，通 常可以利用宏分集和功率控制技术加以克服【2 7 】。 ( 3 ) 多径衰落：它主要是由于多径传播而产生的衰落，多径衰落是无线信道中最具 代表性的特性。由于传输中要经过许多建筑物、树木以及各种起伏不定的复杂地形，就 会引起电磁波的反射、散射及绕射，还有能量的损失。这样就造成了移动传播环境的复 杂性。信号可以通过多条路径到达，不是单一的路径了。由于到达的路径不同，故而时 间也不一样，从而使到达的相位也是不同的。由于众多信号的叠加，就造成接收信号的 幅度将急剧变化，便产生了衰落，称为多径衰落。它反映微观小范围内几个波长量级接 收电平的均值变化而产生的衰落，其包络一般遵从瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯分布，其 变化率比慢衰落快，故又称为快衰落。 比较常见的衰落包络的概率分布有4 种【2 8 】：r a y l e i g h 分布，r i c e 分布和n a k a g a m i 分布 和对数正态分布( l o g n o r m a ld i s t i r b u t i o n ) ： ( 垆孝侧一奇 1 0 ( 2 1 ) 第二章移动通信信道和w c d m a 物理层介绍 其中，仃2 是高斯随机分布的方差。理想情况下的瑞利包络分布如下图2 2 所示，此时取 仃2 = l 。 图2 - 2 理想瑞利分布 f i g u r e2 - 2 t h e i d e a lr a y l e i g hd i s t r i b u t i o n 此外，多径衰落信道的抽头延迟线模型如下图2 3 所示。为了进一步理解多径衰落 信道的特性，我们可以通过下图2 4 来认识。从图中可以看到其信道的幅频响应的波形， 在不同的数字频率下对输入信号的衰减差异很大。图2 5 反映的是其相位的变化，其横 轴表示为归一化后的频率。 图2 - 3 多径衰落信道的抽头延时线模型 f i g u r e2 3 t h et a p p e d d e l a yl i n em o d e lo fm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l 江南大学硕士学位论文 d 蜊 粤 多径信道幅度响应 图2 - 4 多径衰落信道的幅频响应 f i g u r e2 - 4t h ea m p li t u d ef r e q u e n c yr e s p o n s eo fm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l 籁 瑙 辽 罂 多径信道相位响应 图2 - 5 多径衰落信道的相位响应 f i g u r e2 - 5 t h ep h a s er e s p o n s eo f m u lti p a t hf a d i n gc h a n n e l 1 2 第二苹移动通信信道和w c d m a 物理层介绍 在第三代移动通信系统中，一个多径衰落信道可以由一个时变f i r 滤波器来建模， 可以用下面两个参数来描述： ( 1 ) 路径时延：r j ； ( 2 ) 复信道系数：7 j i = i 忽l e j o , ； 信道估计实际上就是寻找可以得到关于信道参数h 的最小均方误差下的信道估计 值h ，即： h = a r g r a i n e ( s ，- ) ( 2 2 ) 其中s 为传输信号，厂为接收信号，而为他们的误差性能函数。 2 1 3 移动通信信道中的关键概念 由于无线信道的复杂性，这里针对其中的疑点难点，总结出以下概念： 1 相干时间与多普勒频移 由于移动用户与基站之间的相对运动，接收到的信号频率会有一个明显的频率偏 移。由运动引起的接收信号的频率偏移称为多普勒频移，它与移动用户的运动速度成正 比。多普勒扩展是一种由多普勒频移现象引起频率扩散的衰落过程，又称为时间选择性 衰落，用仃n 表示。 多普勒扩展可以用信道的相干时间来表征。相干时间乙就是两个瞬时时间的信 道冲激响应处于强相关情况下的最大时间间隔。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信 道随时间变化的一个度量：相干时间越大，信道变化越缓慢；反之，相干时间越小，信 道变化越快。鉴于两者之间的关系，从衰落的角度来看问题，多普勒扩展引起的衰落与 时间有关系，故称为时间选择性衰落。根据衰落随时间变化的快慢，又可以分为快衰落 与慢衰落【5 】。即当基带信号带宽比多普勒扩展仃n 大得多时，则多普勒扩展的影响在接收 端就可以忽略不计，这被称为是一种慢衰落信道。否则，就应该考虑多普勒扩展的作用， 这便是快衰落信道的情况。下图2 6 展示了慢衰落与快衰落的关系。 2 相干带宽与时延扩展 由于各路径长度不同使得信号到达时间不同，基站发送一个脉冲信号，则接收信号 中不仅含有该信号，还包含有它的各个时延信号。这种由于多径效应使接收信号脉冲宽 度扩展的现象，称为时延扩展。时延扩展可以直观的理解为一串接收脉冲中，最大传输 时延和最小时延的差值，可以记为仃。在数字传输中，由于时延扩展，接收信号的一个 码元波形会扩展到其它码元周期中，从而引起了码间干扰。为了避免这种情况的发生， 应使码元周期大于多径时延扩展以。 相干带宽是指信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大频率差，用 表示。在实际应用中，常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽。衰落信号中的两 个频率分量，当其频率间隔小于相干带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性，衰落 波形不会失真，没有符号干扰，则认为信号只是经历了平坦衰落，即是非频率选择性衰 落。 江南大学硕士学位论文 弋： 商基一 誊 p 距| f 嚣( 对数) 图2 - 6 无线信道特性 f i g u r e2 - 6w i r e l e s $ c h a n n e lc h a r a c t e r is ti c s 当频率间隔大于相干带宽时，它们就不相关了，其衰落具有不一致性，会引起信号 的失真，造成符号间的干扰，此时就认为信号发生了频率选择性衰落。相干带宽实际上 是对移动信道传输具有一定带宽信号能力的统计度量。对于某个移动环境，它的时延扩 展可以通过大量实测数据经过统计处理计算出来，可以进一步确定相干带宽。即相干带 宽是移动通信信道的一个重要特征。通过图2 7 可以清楚地看到时延扩展的过程；图2 8 展示了时延扩展与衰落的关系。 1 4 g ndaer p s y al图弛意f 示 。 展 锄 扩盯 延h时d c ， 1 一 t 1 二 a m 图比 cs7 2eru g f 第二章移动通信信道和w c d m a 物理层介绍 图卜8 多径信号关系图 f i g u r e2 - 8r e l a ti o n s h i pb e t w e e nl d u lti p a t hs i g n a l s 3 衰落和多径 多径传播是陆地上移动通信传输的主要特征。移动通信中多径环境所引起的信号多 径衰落，可以从空间和时间两个方面进行描述和测量。从空间看来，沿移动台移动方向， 接收信号的幅度随距离或时间变化而衰落。此外，接收信号的局部中值是随距离增加而 起伏下降的曲线，反映了地形起伏引起的衰减以及空间扩散损耗。从时间来看，各路径 程度不同，因而信号到达时间是不同的，故而从基站发射一个脉冲信号，则接收信号中 不但包括该脉冲信号，还包括它的各个延时信号，这就是由于多径效应引起的脉冲扩展 现象，成为时间扩展。可以用地一个码元信号和最后到达的多径信号的时间来测量。如 下图2 - 9 归纳了多普勒扩展与衰落之间的关系。 图2 - 9 多普勒扩展与衰落的关系 f i g u r e2 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e