（信号与信息处理专业论文）rician衰落信道下多址多载波mfsk系统的性能分析.pdf

南京邮电大学硕上研究生学位论文摘要 摘要 随着个人宽带通信业务对多址技术效率的要求越来越高，2 0 世纪8 0 年代以来，很多 研究者提出了多种跳频扩频通信( f h s s m a ) 系统，包括m f s k f h s s m a 系统。但传统 的m f s k f h s s m a 系统也存在一些问题。2 0 0 0 年，s i n h a 和y a t e s 提出了多址多载波 m f s k ( m c m f s k ) 系统，它有较理想的频率分布特性和较好的对远近效应的抑制效果。 本论文分析了m c m f s k 系统在r i c i a n 衰落信道下的性能。论文首先介绍了几种常 见的衰落信道以及它们的数学模型，然后对m c - m f s k 系统模型等基本概念作了一些介 绍。最后论文着重分析了m c m f s k 系统在r i c i a n 衰落信道下的误比特率( b e r ) 性能。 m c m f s k 是一种较新的多址技术，它采用正交频分复用( o f d m ) 技术，将信号调制 在多个并行传输的子载波上发送。为了方便计算机仿真分析系统的b e r 性能，论文推导 出了检测器输出端信号包络的概率密度函数( p d f ) ，而检测器输出信号是多个r i c i a n 衰落 信号和加性高斯白噪声( a w g n ) 的和。本文也对系统的一些参数如子载波的数目、频率分 集的阶数对系统性能的影响作了分析和验证。 由于检测器输出信号包络的p d f 是一个复杂的无穷积分函数形式，计算机仿真和具 体实现比较困难，所以用一个闭合函数形式去逼近这个积分是很有意义的。论文采用了 p a d e 逼近( p a ) 的方法去逼近输出信号包络的p d f ，并据此导出最佳检测门限等参数，从 而作更进一步的性能分析。 关键词：r i c i a n 衰落，概率密度函数( p d f ) ，多址多载波m f s k ，p a d e 逼近 南京邮电大学硕l 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h e19 8 0 s ，s e v e r a lf r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u mm u l t i p l e a c c e s s ( f h s s m a ) s y s t e m si n c l u d i n gm f s k f h - s s m as y s t e m sh a v eb e e np r o p o s e d ，i nr e s p o n s et ot h ei n c r e a s i n g d e m a n df o re f f i c i e n tm u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u e si np e r s o n a lb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s h o w e v e r , t h ec o n v e n t i o n a lm f s k f h - s s m as y s t e m sa l s oh a v es o m ep r o b l e m s i n2 0 0 0 ，s i n h a a n dy a t e sp r o p o s e dan e wm u l t i c a r r i e rm f s km u l t i p l e - a c c e s s ( m e m f s k ) s y s t e mt h a th a s s o m ed e s i r a b l ep r o p e r t i e so ff r e q u e n c yd i v e r s i t ya n dn e a r - f a rr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e r , ap e r f o r m a n c ea n a l y s i sm c m f s ks y s t e mo v e rr i c i a nf a d i n gc h a n n e l si s p r e s e n t e d f i r s t l y , v a r i o u sf a d i n gc h a n n e l si n c l u d i n gt h e i rm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h i sp a p e ri l l u m i n a t e st h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h em c m f s ks y s t e m l a s t l y , i t a n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo fm c m f s ks y s t e m t h em c m f s ki san e wm u l t i p l e a c c e s st e c h n i q u e ，i nw h i c ht h es i g n a lt o n e sa r e t r a n s m i t t e do v e rm u l t i p l es u b c a r r i e r su s i n go r t h o g o n a l f 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 no r d e rt oc o m p u t et h es y s t e me r r o rp r o b a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rd e r i v e st h e p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) f o rt h er e c e i v e rd e t e c t o ro u t p u t ，w h i c hi st h ee n v e l o po ft h e s u mo fm u l t i p l er i c i a ns i g n a l sa n dg a u s s i a nn o i s e t h i sp a p e ra l s oc o n d u c t ss i m u l a t i o n st o v a l i d a t et h et h e o r ya n dp r o v i d e sp h y s i c a le x p l a n a t i o n so ft h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r ss u c h a st h en u m b e ro fs u b c a r r i e r so rt h ef r e q u e n c yd i v e r s i t yo r d e ro nt h ec a p a c i t yp e r f o r m a n c eo ft h e m c - m f s k s y s t e m t h ep d fo ft h er e c e i v e rd e t e c t o ro u t p u ti si nt h ef o r mo fad e f i n i t ei n t e g r a lo far a t h e r c o m p l i c a t e df u n c t i o n i no r d e rt oc o m p u t et h ep e r f o r m a n c ee x p e d i e n t l y , ac l o s e d f o r m a p p r o x i m a t i o ns o l u t i o nt ot h i sc o m p l i c a t e df u n c t i o ni sn e c e s s a r y t h i sp a p e ra p p l i e st h ep a d e a p p r o x i m a t i o n ( p a ) m e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m a n df r o mt h ep d f , t h i sp a p e rd e r i v e ss o m e p a r a m e t e r ss u c ha st h eo p t i m a ld e t e c t i o nt h r e s h o l da n da n a l y s e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ： r i c i a nf a d i n g ，p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) ， m u l t i p l e - a c c e s sm u l t i c a r r i e rm f s k ，p a d ea p p r o x i m a t i o n l i 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 缩略语注释表 缩略语注释表 a o s u d a s y m p t o t i c a l l yo p t i m a ls i n g l e u s e rd e t e c t o r n w g n b e r c d m a d s f i r f h s s m a g s m i c i i s i l o s 删 m c m f s k m f s k m g f m l 0 f d m p a p d f s n r a d d i t i v ef 场i t eg a u s s i o nn o i s e b i te r r o rr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i r e c ts e q u e n c e f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e 渐近最优单用户检测器 加性高斯白噪声 误比特率 码分多址 直接序列 有限脉冲响应 f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u mm u l t i - a c c e s s 跳频扩频多址 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s全球移动通信系统 i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e信道间干扰 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 l i n e - o f - s i g h t 视距 m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e 多址干扰 m u l t i p l ec a r d e rm f s k 多载波m f s k m a r yf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g m 元频移键控 m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n矩生成函数 m a x i m u ml i k e l i h o o d最大似然 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 正交频分复用 p a d ea p p r o x i m a t i o n p a d e 逼近 p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n 概率密度函数 s i g n a ln o i s er a t i o 信噪比 v 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：乌啦日期：兰竺幽 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：吾! ：! 昏廛二导师 i 张秘物吼沙”步 南京邮电火学硕士研究生学位论文第1 章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 第1 章绪论 现代移动通信中日益增长的语音业务、数据业务和宽带互联网业务，在传输速率、性 能和系统容量等方面对无线通信系统提出了更高的要求。自从2 0 世纪8 0 年代初期以来，随 着个人宽带通信业务需求爆发式地增长，一些研究者提出了几种跳频一扩频多址 ( f h s s m a ) i j ! i 信系统的概念【1 h 4 】。f h s s m a 为每个用户分配一个唯一的跳频地址用来区 分各个用户，这些用户共享系统的带宽。为了减少多址干扰( m a o ，g o o d m a n 等人早在1 9 8 0 年就将m f s k 技术应用在了f h s s m a 系统中 1 】，并在m f s i g 跳频序列中使用了随机的地址 码。后来，e i n a r s s o n 使用了代数的方法得到一种最优的地址码，相对于随机产生的地址码 有较低的m a i 2 】。 为了改善频谱效率，1 9 8 2 年，t i m o r 等人提出了多跳m f s l 泖h s s m a 系统，并分析了 无噪信道下的误比特率( b e r ) 性能 3 】。后来，m a b u c h i 等人分析了在r a y l e i g h 衰落情况下多 跳m f s 妍h s s m a 系统的性能 4 】。接着，h o n g 等人提出了一种改进的多跳地址码，减小 了m a i ，也分析 r a y l e i g h 衰落信道下系统i 拘b e r 性能【5 】。2 0 0 0 年，s i n h a 和y a t e s 提出了多 载波多址m f s k ( m c m f s k ) 系统，它有较理想的频率分集特性和较好的对远近效应的抑制 效果【6 。 m c m f s k 系统利用正交频分复用( o f d m ) 技术将符号调制在多个并行传输的子载波 上发送，而且o f d m 技术实现也很简单，只需在发送端使用若干i f f t f f t 操作单元即可。 s i n h a 和y a t e s 也分析t r a y l e i g h 衰落信道下m c m f s k 系统的b e r 性能，并指出其优于同条 件下m f s k f h s s m a 系统的性能【7 】。m f s k f h s s m a 系统和m c m f s k 系统主要的区别在 于分集技术，前者通过使用时问分集引入冗余，即在一个符号间隔内跳频多次；后者使用 频率分集，把一单载波扩频到多个载波上而保持符号问隔不变。基于o f d m 技术的 m c m f s k 系统相对于m f s k f h s s m a 系统有很多优势，如硬件实现较简单( 一组 i f f t f f t 处理器) ；由于符号间隔较大从而有效抑制了时延扩展；有相对较大的自由度， 调整频率分集参数对整个系统的带宽几乎没有影响。 从上述的研究成果来看，对于r i c i a n 衰落信道下的m c m f s k 系统的b e r 性能的研 究还相对较少。很多情况下，对于无线通信环境如微蜂窝和微微蜂窝移动无线系统、无线 南京邮电人学硕士研究生学位论文第1 章绪论 局域网等来说r i c i a n 衰落是一个更接近实际情况的信道模型。这些情况下，视距 ( 1 i n e o f - s i g h t ，l o s ) 传播路径分量存在的可能性会更大一些。视距传播路径分量的信号是 一个起主导作用的、不变的、非衰落的信号分量，将它添加到散射波上，原来服从r a y l e i g h 分布的信号包络将服从r i c i a n 分布，它是更一般的r a y l e i g h 分布【8 】。2 0 0 5 年，z h a ny u 等 人分析了r i c i a n 衰落信道下m c m f s k 系统的b e r 性能【9 】。 9 】推导出了接收器检测输出信号包络的概率密度函数并据此来分析b e r 性能。由于 输出信号包络的精确p d f 是一个相对较复杂的无穷积分形式，在实际计算和实现时都比 较困难，其解决方法是通过用拉格朗日多项式展开去逼近这个积分表达式。 本文的工作就是尝试用另外一种闭合形式的数学方法去逼近接收信号包络的p d f ， 并据此导出检测器的最佳判决门限和频率分集参数等，最终通过计算机仿真分析系统的 b e r 性能。 1 2 本文的研究内容 本文的第2 章简单阐述介绍了移动衰落信道的一些基本概念。包括无线衰落信道的基 本形式、多径衰落的概念和冲激模型i 衰落信道的统计模型等。本章主要介绍了三种常见 的衰落信道的统计模型：r a y l e i g h 衰落、r i c i a n 衰落、n a k a g a m i 衰落。本章也简单涉及 了多径衰落信道的分集技术和无线衰落信道的仿真，由于不是本文研究的重点，所以这部 分内容只是作一些概念上的简单介绍。 论文的第3 章详细介绍了m c m f s k 系统，这部分内容重点介绍了其系统模型。包 括多载波m f s k 系统的实现，发送端发送信号、接收端检测信号并译码的原理和过程。 本章还介绍了此系统一般情况下的最优检测门限是如何确定的，并分析了m c m f s k 系 统的频谱效率和对远近效应的抑制等相关性能。 论文的重点和创新点将在第4 章和第5 章介绍。m c m f s k 系统检测器输出信号是多 个r i c i a n 衰落信号与高斯白噪声( a w g n ) 的和，文章的目标在于推导出输出信号包络的 p d f ，并据此对系统的性能进行分析。由于输出信号包络的p d f 是一个复杂的无穷积分 形式，计算机仿真和实现都比较困难。为了便于计算和实现，所以用一种闭合形式的函数 去逼近这个无穷积分是有意义的。本文采用p a d e 逼近的方法得出输出信号包络的p d f ， 并据此对系统的若干性能作了一些分析，这部分内容也是本论文的创新点所在。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章移动衰落信道 2 1 引言 第2 章移动衰落信道 移动通信的目的在于终端用户能够进行自由移动，其位置不受束缚，所以必须利用无 线电波传输信号。移动无线信道作为数字移动通信系统的传播媒介，自身有着许多特殊性 质而且直接影响到通信的质量。与其它通信信道相比，移动无线信道是最复杂的一种。不 同环境下，移动信道的传播特性也不相同。复杂、恶劣的传播条件是移动无线信道的特征。 因此，建立移动通信系统远比有线系统复杂。无线移动信道会产生三种效应： 阴影效应：由大型建筑物和其它物体的阻挡而形成的在传播接收区域上的半盲区。 远近效应：是由于接收用户的随机移动性，移动台与基站之间的距离也在随机地变 化。若各移动台发射功率样，那么到达基站的信号强弱就不同，离基站近的信号强，离 基站远的信号弱，使通信系统的非线性进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱 的现象，通常称这类现象为远近效应。 多普勒效应：由于接收的移动台高速运动而引起传播频率的扩散而产生的，其扩散 程度与移动台的运动速度成正比。 无线电波在空间传输方式是多种多样的：视距直射、多次反射、折射、绕射等传播现 象可能部分存在或同时存在。和有线信道是平衡和可预测的情况不同，无线信道是随机的， 也不易分析。当移动台在运动时，变化的无线传播环境和运动速度都会对信号的衰落产生 影响。 衰落信道的表现可用图2 1 表示。它从表述移动通信的两类衰落现象着手：大尺度衰 落和小尺度衰落。大尺度衰落表示大范围运动产生的信号平均功率衰减或路径损耗。这种 现象受发射和接收机间主要地貌的影响( 山丘、森林、建筑群等) 。小尺度衰落是指接收 机与发射机问空间距离的小变化( 如半波长) 引起信号幅度和相位的急剧变化。小尺度衰 落用两种机理来表述，即信号的时间扩展和信道时间的变化。这种衰落是由于同一传输信 号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干扰所引起的。值得注 意的是这两种模型并不是相互独立的，在同一个移动信道中，存在大尺度衰落的同时，也 会存在着小尺度衰落。对移动通信来说，由于发射机和接收机的运动引起传播路径的变化， 信道是时变的，这种传播条件的快速变化是快衰落的原因【1 0 】。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章移动衰落信道 2 2 无线信道的衰落形式 图2 1 衰落信道表述 在移动通信中，经常用来描述多径无线信道特性的两个参数是时延扩展和相干带宽。 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。时延扩展可以直观地理解为在一串接收脉 冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，也就是最后一个可分辨的延时信号与第一个 延时信号到达时间的差值。在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中的一个码元波形会 扩展到其它码元周期中，引起符号间干扰( i s i ) ，相应地使无线通信系统的性能下降，并 且增加了接收机设计的复杂性。为了避免符号间干扰，应使码元周期大于多径时延扩展。 无线信号经过移动信道受到的衰落形式，与发射信号相对于信道特性的性质有关。根 据信号参数( 如带宽、符号宽度等) 和信道参数( 如时延扩展、多普勒扩展) 间的关系， 不同的发射信号受到不同类型的衰减。移动无线信道中的时间弥散和频率弥散机制可能产 生四种效应。即多径时延扩展引起时间弥散和频率选择性衰落，多普勒扩展导致频率弥散 和时间选择性衰落。这两种传播机制彼此独立，是移动信道的电波传播性质在频域和时域 的表现。 多径时延扩展引起时间弥散。由于发射信号的带宽不同，发射信号产生平坦衰落或频 率选择性衰落。如果移动信道在信道带宽内有恒定增益和线性相位响应，且其带宽大于发 送信号带宽，则接收信号将会经历平坦衰落。在平坦衰落中，信道的多径结构仍使发送信 4 南京邮电大学硕l 研究生学位论文第2 章移动衰落信道 号的频谱特征能在接收点保持不变，但由于多径效应引起信道增益的变化，接收信号的强 度会随时间变化。对平坦衰落而言，信号带宽远小于信道相关带宽，信号的符号宽度远大 于信道时延扩展，故近似可认为信道无附加时延。 和上述情况想反，如果信道具有恒增益和线性相位的带宽小于发送信号带宽，则信道 使接收信号出现频率选择性衰落。对频率选择性衰落信道来说，信号带宽大于信道相干带 宽，信号符号宽度小于时延扩展。从频域来看，信号中的不同频率分量有不同的增益，信 道是有频率选择性的。从时域看，多径时延接近甚至超过发射信号的符号周期，引起严重 的符号间干扰和信号失真。由于信号带宽大于信道相干带宽，当信号带宽内的信道增益与 相位随时间发生变化时，接收信号出现失真。 移动信道是时变信道，根据发送基带信号的变化与信道变化的程度，信道可分为快衰 落信道和慢衰落信道。在快衰落信道中，信号冲激响应在一个符号周期内急剧变化，即信 道相关时间小于发送信号的符号周期，这种因多普勒扩展产生的时间选择性衰落( 或称频 率弥散) ，导致信号失真。因此信号经历快衰落的条件为： c 互，忍 b o ，i 乏 ( 2 2 2 ) 应该注意的是，信道快衰落或慢衰落的，并不说明该信道是平坦衰落信道或频率选择 性衰落信道，快衰落和慢衰落仅涉及信道因运动而产生的变化率。 2 3 多径衰落 2 3 1 概述 陆地移动信道的主要特征是多径传播。移动环境中，到达移动台接收接收天线处的信 号不是由单一路径来的，而是许多路径来的多个发射波的合成。各条路径的长度不同，发 射波到达的时间不同，它们的相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有的同相 叠加而加强，有的反相叠加而减弱，使接收信号的幅度急剧变化，即产生衰落。无线移动 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章移动衰落信道 信道是时变信道，信道特征是随机、多变的，因此幅度衰落、时延扩展等信道性能都要用 统计的方法研究。引起多径衰落的无线传播环境十分复杂，移动台接收天线合成的信号包 括多个反射信号、绕射和散射信号，有时也包含有直射信号。 如果在时变多径信道上传输极短的脉冲( 理想情况下为一冲激) ，接收信号将表现为 一串脉冲。因此，多径媒质的一个特征是在该信道上传输的信号上引入了时间扩展。多径 媒质的第二个特征是由媒质结构的时变引起的。时变导致多径特性随时间而变，也可以说， 如果一次又一次地重复脉冲探测试验，将会看到接收脉冲串的变化，包括各个脉冲大小和 脉冲间相对时延的变化，还包括脉冲数量的变化。因此，统计表征时变多径信道是合理的。 2 3 2 多径信道模型 发送信号一般司表不为 s ( f ) = r e is t ( t ) e y 2 州口i ( 2 - 3 1 3 ) 假设存在多条传播路径，且与每条路径有关的是传播延时和衰减因子，传播延时和衰 减因子两者都因媒质结构的变化而随时间变化。于是，接收的带通信号为 z ( f ) = ( f ) s ( 卜厶( f ) ) ( 2 3 2 ) 式中，是第r 条传播路径上接收信号的衰减因子，l ( f ) 为第刀条传播路径的传播延时。 将( 2 。3 1 ) 的sf ，f j 代入( 2 3 2 ) ，得 x c r ，= r e 0 ) ( 2 3 1 4 ) q 定义为：q = e ( r 2 ) ，且参数m 定义为矩的比值，称为衰落指数 m = 南m 马2 叫5 ) = _ - -k 2 一， ( 厶j 1 ) e ( 尺2 一q ) 2 】 、 7 当m = 1 时，n a k a g a m i - m 分布就简化成了r a y l e i g h 分布：当m - 1 2 时，n a k a g a m i m 分布就变成了单边高斯分布。 2 4 多径衰落信道的分集技术 改善多径衰落的方法之一就是分集技术。如r a y l e i g h 衰落会把误码率对信噪比的指 数依赖性转变成复杂的非线性关系，从而造成很大的信噪比损失。分集是一种对此非常有 效的补偿方法，它通过给接收方提供同一信息的多个衰落信号来改善信号。分集技术基于 当信道衰减大( 即信道处于深度衰落) 时接收中将发生差错的事实，如果能够把独立衰落 信道上发送的几个相同的信息信号的副本供给接收机，那么所有信号分量同时衰落的概率 将大大减小。也就是说，如果p 为任一信号衰落低于某一临界值的概率，则p 是相同信 9 南京邮电人学硕十研究生学位论文第2 章移动衰落信道 号的所有个独立衰落的副本低于该临界值时的概率。有几种方法可为接收机提供携带 相同信息的信号的个独立衰落信道。通常可以从七个方面进行分集：空间，角度，极 化，场分量，频率，多径和时间t 1 4 。常用的频率分集，即携带相同信息的信号在三个不 同载波上发送，相邻载波的间隔等于或超过信道的相关带宽( 6 f ) 。时间分集，即携带相 同信息的信号在三个不同时隙上发送，相邻时隙的间隔等于或大于信道的相干时间( ，) ， 以获得携带相同信息的信号的个独立衰落分量。空间分集的常用方法是采用多天线。 例如，可以采用单个发射天线和多重接收天线。后者必须分隔得足够远，使得信号中的多 径分量到达天线的传播时延有很大的区别，以获得独立的衰落信号。一种更复杂的分集方 法是采用带宽远大于信道相干带宽( 6 f ) 。的信号。带宽为形的信号将分辨多径分量，从 而将若干独立的衰落信号路径提供给接收机，这是r a k e 接收机的基础。 2 5 移动衰落信道的仿真 在无线移动通信系统中，信号经无线移动移动信道由发射机传播到接收机。在系统设 计中，要充分考虑移动信道的衰落、时延和多普勒频移的影响，保证系统在设计、研制完 成后能满足预定的性能指标。无线传输信道的仿真方法有两种。一种是硬件仿真，用硬件 实现信道模型；另一种方法是软件仿真，用计算机程序实现信道模型。有时也可采用硬件 仿真和软件仿真相结合的方法。而仿真的关键是提出符合仿真对象物理过程且易于实现的 仿真模型。下面将介绍几种常用的仿真模型。 1 对高斯噪声滤波 构造衰落仿真器的一个直接方法就是对两个相互独立的高斯白噪声源进行低通滤波。 如图2 2 所示。g 心) 和g o ( t ) 的功率谱密度由低通滤波器的平方幅度响应决定。两个不同 的噪声源必须具有相同的功率谱密度才能产生r a y l e i g h 衰落型包络。这种方法的主要局 限性是只能生成有理形式的多普勒频谱。对于离散时间仿真，低通滤波器hf ，是利用数 字滤波器来实现的。最简单的方法是使用可以基本上把衰落过程模拟成马尔可夫过程的一 阶低通数字滤波器 15 】。 l o 南京邮屯大学硕士研究生学位论文第2 章移动衰落信道 ( f ) = g q ( t ) + j g f ( f ) 图2 2 利用对高斯白噪声进行低通滤波的衰落仿真器 2 正弦函数累加法 j a k e s 提出了高效信道仿真的另一种构造方法，这种方法是建立在正弦波累加的基础 上的。这种方法假定多径分量强度相等，接收包络具有以下形式： g ( ) = p m 哪湖幺圳( 2 5 1 ) n 为正弦波的个数，。是由下面的式子给出的随机相位： 矽一= 一2 z c ( f 。+ 厶) f 一 ( 2 5 2 ) j a k e s 通过选择个在角度上均匀分布的分量来近似二维各向同性散射环境，即 见= 等，= l ，2 ， ( 2 5 3 ) j a k e s 通过选择2 为基数，并令m = 三( 譬一1 ，将g f ，夕改写成以下形式 g ( ，) = g t ( f ) + j g q ( ，) =芝2善c。s忽c。s2万zf+q互cosacos2x五+j2善sm孱c。s2万厶r+isinacos2rcll 厶， j n = l jl月暑l ( 2 5 4 ) 其中 口= = 一矽一 ( 2 5 5 ) = 厅= 一矽一万 ( 2 5 6 ) 利用上面的式子，图2 3 中的仿真器就构造完成了。其中有m 个低频振荡器，其频 率为z = 厶c o s ( 2 n n n ) 。= l ，2 ，m ) ，其中肘= 圭( 譬一1 ) ，另外还有一个振荡器频率 堕室业皇奎兰! 些堕究生学位论文 第2 章移动衰落信道 为厶。除了频率为厶的振荡器有一个1 互倍的振幅外，其他振荡器的振幅都是一致的 【1 6 】。 补偿振荡嚣 g ( ，) = g ，( r ) + 嘞( f ) 图2 3 产生衰落包络的j a k e 衰落仿真器 3 宽带多径衰落信道的仿真 ( 1 ) f 间隔模型 f 间隔模型是利用在不同延迟处设置抽头的延迟线来模拟信道的。每个抽头都是大量 多径分量的结果，因此抽头会有多径衰落。令s ( ，) 为发送信号的复包络，则接收信号的复 包络为 ， ，( ，) = g ) s ( ，) ( 2 5 7 ) 且可以由下面的抽头增益向量描述 g ( t ) = ( g l ( f ) ，9 2 ( ，) ，岛( f ) ) 抽头延迟向量为 f = ( ，l 2 ，r t ) ( 2 5 8 ) ( 2 5 9 ) 有时抽头延迟是某一很小数r 的倍数，就可以很方便地得到图2 4 所示的f 间隔抽头 延迟线信道模型。在抽头线上，有许多抽头系数为零，这反映了在这些延迟点上没有接收 1 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文第2 章移动衰落信道 到能量。 ，( f ) 图2 4 离散多径分量的带宽多径衰落信道模型 ( 2 ) c o s t 2 0 7 模型 c o s t 2 0 7 模型是为g s m 系统提出的标准化模型。c o s t 2 0 7 模型中规定了4 个不同 的多普勒频移，适用于几种不同的情况。在c o s t 2 0 7 的研究中还定义了一些具体模型。 ( 3 ) r 间隔模型 一个典型的数字通信系统由发送滤波器、调制器、波形信道、解调器和接收滤波器联 合构成。信息码元每隔r 秒被送入发送滤波器，这时在接收滤波器的输出端就得到了丁 间隔抽样，其中丁为波特带宽。从发送滤波器的输入到采样器输出的整个系统可以通过 一个等效的丁间隔有限脉冲响应( f i r ) 信道来模拟。z 间隔信道模型与f 间隔信道模型类 似，只是信道抽头是丁间隔的。通常，丁间隔模型的抽头都是非零且相关的。抽头相关性 经常会在分析和信道有关的数字通信系统性能时带来困难。这些分析中的困难可以通过假 设丁间隔抽头不相关来解决。 2 6 本章小结 本章主要介绍了移动衰落信道的基本概念和常见的几种衰落信道的数学模型，也简单 介绍了分集接收技术和无线衰落信道的仿真方面的内容。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章m c m f s k 系统 3 1 概述 第3 章m c m f s k 系统 m c - m f s k 是一种较新的扩频多址通信技术。这种技术兼有跳频( f r e q u e n c y - h o p p i n g ， f h ) 和直接序y l j ( d s ) 扩频技术的优点，同时也能克服它们的一些缺点。m c m f s k 系统利 用正交频分复用o f d m ( 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 ) 技术将一个符号调制 在多个子信道上并行地传输。m c m f s k 系统具有很好的频率分集特性，也能较好地抑制 远近效应，对多径的分解也处理得较好。m c m f s k 是一个相对简单而且很有应用前景的 扩频技术，在未来的高速无线通信系统中将会扮演重要的角色。 m c m f s k 系统就是应用了多载波技术( 如o f d m ) 的m f s k 系统。m f s k 比较传统的 应用就是在跳频系统中，如【3 】中介绍的f h m f s k 系统。其中，作者论述了f h m f s k 系 统可能会产生较大的时延，而且具体实施起来也有问题。m c m f s k 系统在这两方面都有 所改善。o f d m 技术实现也比较容易，实质上就是若干i f f t f f t 操作，只需几组振荡器 就能完成。此外，多载波技术通过减小各独立子信道上信号的传输速率，能有效地减小较 大时延的影响。和f h 系统一样，m c m f s k 也有着良好的频率分集特性，以及对远近效 应的抑制效果。尽管m f s k 和直接序列扩频系统在多径分解的能力上相近，但他们的不 同之处体现在对远近效应的抑制方面。和传统的直接序列扩频系统相比，m c m f s k 系统 不易受远近效应的影响。这里先对上述的f h m f s k 系统做一些介绍。 3 2f h m f s k 系统简述 在f h m f s k 发送端，在丁时间间隔内，b 比特的信息加载到一个移位存储器中，作 为发向缓存器的码字m ，m 1 ，m l ，这里m = 2 口。假设系统有个相互正交的子信道， m 是可能信号的数量，显然= m 。此后，把第m 个信号映射到发送端第m 个子信道的 单频点( t o n e ) 上。如果不存在a w g n 、多址干扰( m a i ) 和衰落，发送端将发送这个单频信 号到接收端，接收端会准确地解码从而得到期望的信息。然而，检测器常会受到信道差错 和多址干扰的影响，所以在发送信号中引入冗余是很有必要的。在【1 】介绍的系统中，发 送端采用时间分集的方法，对于每个单频信号m 通过发送一个三维向量a 来引入冗余。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第3 章m c m f s k 系统 向量a 等于单频信号m 加上( 丰莫加) 地址向量二： a 。= 1 ) o 二 = i r a ，聊】ro 西，况】r = 【4 ，以】1 ( 3 2 1 ) 这里地址元素磊长度为b 比特，1 是长度为三的元素全为l 的向量，o 表示模加。发 送器以间隔时间f 发送向量d 中的三个单频信号。接收端通过检测各子信道的能量并与门 限值比较，从而检测并确定各个子信道。然后从接收信号的频谱中减去特定用户的地址向 量二，并选用一种逻辑判决准则来恢复出期望信号所，同样，此处减法也是模n 的。对于 每个b 比特码字，总的发送时间t = t 秒，所以每个用户的发送速率为毛= b l , 比特秒。 则所需带宽至少为w = 2 且r = n r ( 假设各频点之间无重叠且相互正交) ，于是有 形恐= 2 b l b ，重写上式得l = w b i r 0 2 口。这表明一旦给定带宽为w ，数据速率吃以及 载入到移位存储器的比特数召，则时间分集因子三就确定了。在f h m f s k 系统中，并不 能通过增加三来补偿恶劣的信道，这就限制了系统的灵活性。 在【1 】中作者指出，f h - m f s k 系统有一些缺陷。首先，多径信道的延时扩展吒不可能 使信号到达基站时间达到精确同步。因此，信道之间可能不会相互正交并且在相邻信道会 发生“能量溢出 现象，导致信道间干扰i c i ( i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。为了避免i c i ， 可在信道间引入防护带，这就增加了系统带宽从而也降低了系统的频谱效率。其次，系统 硬件的实现也会遇到一些困难。 3 3 多载波m f s k 系统 这里提出的多载波m f s k 系统和f h m f s k 系统很相似，与f h m f s k 是串行传输最 大的不同是，多载波m f s k 系统的各单频信号在子信道上并行地传输( 所以叫做多载波 m f s k 或者m c m f s k ) 。一个用户发送的信号在并行的子信道上传输，这里用三表示子 信道的数目，因此三也可看作是频率分集因子。图3 1 和图3 2 分别描述了m c m f s k 系 统发送端和接收端。 1 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文第3 章m c m f s k 系统 单频信号 口 工卫皿 0腰n 一1 扩额岳诺号 图3 1m c m f s k 系统发送端 扩频后信号 田 1 工工五口 检测出的单频信号 口 工卫皿 0口n l 图3 2m c m f s k 系统输出端 如前所述，在发送端，b 比特的信息存储在一个缓冲器内，它表示信息_ ，l ，2 b = - - - n 。 为了发送信息，选择相应的单频信号并且利用用户特定的地址a 进行扩频。扩频后的信号 用d m 表示，如( 3 2 1 ) 所示。解扩和译码过程将在下面的章节中详细介绍。 m c m f s k 系统相对于f h m f s k 系统有一些优势。我们可根据信道的情况和需求选 择频率分集因子三，这在设计系统的时候就增加了自由度，可根据信道状态的变化动态地 改进系统的性能。并行传输也减轻了f h m f s k 系统的时延扩展和同步的问题。利用 o f d m 多载波技术可降低各子载波的数据传输速率，而且时延扩展瓯会小于信号码元时 间间隔【1 7 】，使保持系统同步变得更加容易。这将有助于保持各子载波间的正交性，因此 l r 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章m c m f s k 系统 会有更高的频谱效率。此外，m c m f s k 系统的硬件实现也比较容易，只需一组i f f t 僭f t 操作单元即可。 3 3 1 译码过程 译码过程口 用f 面的一个简单的例子来说明。图3 3 说明了一个m c - m f s k 系统收发 信机译码过程的例子，图3 4 和图3 5 说明了这个收发信机的实现。本例中= 8 ，m = 5 ， 二t ：【l ，3 ，7 】，相应的a ： 6 ，0 ，4 】。接收端对每个子信道采用非相干检测，利用子信道上 检测到的能量构造集合s 。在子信道歹上，若检测到的能量大于特定的门限值，则表 示此子信道上的能量被检测到 18 】。因此，子信道_ ，s ( 当q ，= l ，n ) ，令 s = 矗，咱) ，阎表示集合s 的基数( isl _ n ) 。为了译出用户信息，接收端从s 中减去 地址向量二中的每个元素。因为： 二l ，况】有l 个元素，将得到l 个不同的集合 s ，s l 。 s = 置一“，鼍s l - a ) ； 瓯= j 。- - a 。l , - - - , s i 司一二c ) ( 3 3 1 ) 上述的减法可看作是解扩的操作，每个用户需进行三蚓次减法操作。接收机选择在集 合