（信号与信息处理专业论文）mimo通信系统自适应均衡技术研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 中文摘要 本文研究的主要内容为信道均衡技术，它是抗衰落技术中最重要的一 种；重点是研究针对m i m o 系统的无线传播环境，适应于m i m o 信道的 自适应均衡技术。 多输多输出( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p i eo u t p u t ) 系统是指发射 端和接收端都为多天线的通信系统，它能在不增加带宽的前提下成倍地提 高通信系统的容量和频谱利用率，应用前景看好。随着数据率的提高，信 道呈现出频率选择性，信号的一些频率成分将产生深度衰落，产生码间干 扰( i s i ) ，影响系统的性能。自适应均衡技术能有效地消除码间干扰。 在本论文中，首先对移动传播环境作了描述，特别是对小尺度多径传 播造成的幅度衰落，多径时延和多普勒频移进行了分析；对不同的衰落进 行分类，给出了造成不同衰落类型的原因。 然后，分析了m i m o 信道的特点，建立了m i m o 信道仿真模型。 再者，详尽地介绍了各种克服码间干扰的自适应均衡技术，特别是针 对m i m o 信道的自适应均衡技术。对自适应均衡的基本原理，各种白适应 算法的推导及其性能( 如最小均方算法，递归最小二乘算法，恒模算法等) 和均衡器的分类都进行了较详细地研究。接下来，对性能较好但目前应用 较少的格型算法进行了研究。现有的自适应均衡器一般采用传统的f i r 滤 波器方案，而格型滤波器由于其复杂性研究地较少。然后分析了分数间隔 判决反馈均衡器，这种均衡器既对时间同步误差不敏感，又能在消除码间 干扰的同时不引入噪声增益。 在论文的最后，在m i m o 系统中对上述各种自适应均衡算法进行了仿真 和比较，给出了大量的曲线。研究结果表明，应用自适应均衡能消除码间 干扰，降低误码率，提高m i m o 系统性能。 关键词：m i m o 自适应均衡格型滤波判决反馈均衡分数间隔均衡 皇王型垫奎堂堡主兰垡堡苎 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，t h e c h a n n e l e q u a l i z a t i o n ，o n e o ft h em o s t i m p o r t a n t a n t i f a d i n gt e c h n i q u e s ，i sr e s e a r c h e d t h e f o c u si st h ee q u a l i z a t i o nf o rt h e m i m o ( m u l t i p l ei n p u t & m u l t i p l eo u t p u t ) s y s t e m s n o w a d a y s ，m i m o h a sb e e n p a i d m u c ha t t e n t i o nt o w i t hm u l t i p l e a n t e n n a sb o t ha tt h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ge n d s ，i t c a r li n c r e a s et h e c a p a c i t y o ft h e s y s t e m a n dt h e e f f i c i e n c y o ft h es p e c t r u mal o t h o w e v e r ， h i g h s p e e d d a t at r a n s m i s s i o nc a u s e st i m e - v a r i a n t m u l t i p a t h f a d i n g a n d i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( 1 s o a d a p t i v ee q u a l i z a t i o nc a ne f f e c t i v e l yc o m b a t i s ia n di t sb a s i ct a s ki st oc o m p e n s a t ef o rt h ec h a n n e la b e r r a t i o n t h ew i r e l e s s p r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n ti s d e s c r i b e df i r s t ：a n a l y z i n gt h e s m a l l s c a l e df a d i n g ，i n c l u d i n ga m p l i t u d ef a d i n g ，m u l t i p a t ht i m ed e l a ya n d d o p p l e rs p e c t r u ms p r e a d ，t h e nt h ec h a r a c t e r so f m o b i l ec h a n n e lo fm i m oa r e a n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，d i f f e r e n ta d a p t i v ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m st oo v e r c o m et h e i s ia r er e s e a r c h e d ，f o re x a m p l el m s ，r l s ，g a l e ，l s a l ea n dc m a t h e l a t t i c ef i l t e re q u a l i z a t i o ni sn o tw i d e l yi m p l e m e n t e dd u et oi t sh i g hc o m p l e x i t y i nt h i ss e n s e ，a d a p t i v el a t t i c ea l g o r i t h mi ss t i l la l lo p e nt o p i c t h e nt h i sa r t i c l e r e s e a r c h e st h ec o m b i n a t i o no f f r a c t i o n a l l ys p a c e de q u a l i z e r ( f s e ) a n d d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ( d f e ) t h i sk i n do fe q u a l i z e rh a sl o ws e n s i t i v i t y t ot h er e c e i v e r ss a m p l i n gp h a s e ，a n di tc a ne l i m i n a t et h ei s lw i t h o u ta d d i n g n o i s eg a i n a tl a s t ，d i f f e r e n t a d a p t i v ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m sa p p l i e d i nm i m o s y s t e ma r es i m u l a t e d t h er e s e a r c hs h o w st h a ta d a p t i v ee q u a l i z a t i o nd e c r e a s e s i s ia n db e r e f f e c t i v e l ya n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o fm i m o s y s t e m k e y w o r d s ： m i m o ，a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n ，l a t t i c ef i l t e r , d f e ，f s e 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。据我所知，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 为获得电子科技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。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 电子科技大学硕士学位论文 1 1移动通信的发展概况 第一章引言 随着社会的发展，人们对通信的需求目益迫切，对通信的要求也越来 越高。理想的目标是能在任何时候，任何地方，与任何人都能及时沟通联 系，交流信息。显然没有移动通信，这种愿望是无法实现。移动通信是指 移动的双方或至少有一方处在移动中进行信息传输和交换。因此移动通信 是处于特殊环境一移动环境下的无线电通信。 移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也 是在2 1 世纪对人类生活和社会发展有重大影响的科技领域之一 1 。 自从18 9 6 年马可尼发明无线电报以来，由于无线通信使用的灵活性， 给用户带来了方便，用户可以随时随地地使用。近年来，无线通信，特别 是移动通信，得到了迅猛的发展。 1 9 4 6 年a t & t 推出了第一个移动电话，采用的是f m 方式，1 2 0 k h z 带宽传输一路话音信号。 2 0 世纪6 0 年代中期，b e l ls y s t e m 推出了i m t s ，采用f m ，2 5 3 0 k h z 带宽传输一路话音信号。 2 0 世纪6 0 年代末，7 0 年代初期开始出现了第一个蜂窝( c e l l u l a r ) 电 话系统，当时c e l l u l a r 意思是将一个大区划分为几个小区( c e l l ) ，相邻的 蜂窝区使用不同的频率进行传输，以免相互干扰。 2 0 世纪7 0 年代末，由于半导体技术的发展和微处理器的出现，使蜂 窝系统可以处理的复杂度大大提高，从而进一步推动了蜂窝移动通信技术 的迅速发展。在这一时期，美国推出了a m p s 系统，欧洲推出了t a c s 系 统等能向用户提供商业服务的模拟系统。 2 0 世纪8 0 年代初，蜂窝移动通信系统已开始了真正的运营实验，实 现真正意义的蜂窝移动通信；在此基础上，9 0 年代初各国又相继推出了今 天称为第二代数字移动通信系统的d a m p s ，g s m 和i s 9 5c d m a 系统。 2 0 世纪9 0 年代中期以后，随着移动通信系统的成熟和运营实践的成 功，以及计算机技术的飞速发展和迅速普及，对移动通信系统的业务功能 又有了更高的要求，世界上许多国家相继开始研究第三代及第四代移动通 电子科技大学硕士学位论文 信系统 2 ，3 ，4 。 移动通信的发展过程及趋势概括如下： ( 1 ) 工作频段由短波，超短波，微波发展到毫米波，红外和超长波； ( 2 ) 频率间隔由1 0 0 k h z ，5 0 k h z ，2 5 k h z 发展到1 2 5 k h z 和宽带扩频 信道； ( 3 ) 调制方式由扩幅压扩单边带模拟调制发展到数字调制； ( 4 ) 多址方式由频分多址( f d m a ) ，时分多址( t d m a ) ，码分多址 ( c d m a ) 发展到混合多址，以及固定多址和随机多址的结合； ( 5 ) 网络覆盖由蜂窝发展到微蜂窝，微微蜂窝和混合蜂窝； ( 6 ) 网络服务范围由局部地区，大中城市发展到全国，全世界，并由 陆地，水上，空中发展到陆海空一体化； ( 7 ) 业务类型由以通话为主，发展到传输数据，传真，静止图像，直 到传输综合业务。 1 2 未来无线通信系统关键技术研究现状 1 2 1 m i m 0 技术及其应用 1 9 9 0 年代中期，人们发现了阵列天线可以显著提高通信链路容量这 一令人振奋的成果，为通信和信息理论带来了巨大的变革，从而引发了 m i m o 阵列在通信中应用研究的浪潮【6 ，7 。其中贝尔实验室的t e l a t a r ( 1 9 9 5 ) 8 ，f o s c h i n i ( 1 9 9 6 ) 9 ，t a r o k h ( 1 9 9 8 ) 为m i m o 系统的容量和分集 做了大量开拓性工作。在短短几年里，m i m o 技术用于天线增益，分集增 益，多工增益以及抗干扰等方面取得了丰硕的成果，同时m i m o 技术业已 获得大量的试验验证，并获得众多无线应用、标准化组织的青睐。m i m o 技术已经并且必将继续在未来的无线通信应用中发挥其巨大的潜力和价 值 1 0 ，1 1 】。这也是本文工作的一个重要的原因。 1 2 2 自适应均衡技术特点及应用 码间干扰( i s i ) 是影响数字信号传输可靠性的一个主要因素 1 2 。i s i 电子科技大学硕士学位论文 会造成一个数据流中数据彼此影响，从而造成信号失真。为了克服i s i 引 起的失真，在一个通信系统中常采用被称为信道均衡的信号处理技术。均 衡器通过滤波器或其他技术来重建原始信号，去掉i s i 的影响，从而提高 数据传输的可靠性口3 。 i s i 存在于不同的通信系统中，并且其产生的原因也各不相同。在本 论文中，重点放在如何利用自适应均衡技术消除无线移动信道的码间干扰 上，特别是研究m i i o 信道的情况。由于无线信道通常是多径信道，在这 种信道中，原始信号的延迟信号进入信道，并在信道的输出端与原始信号 进行叠加。在这种情况下，均衡器可用来有效地克服由于i s i 引起的信号 失真 1 4 。 我们知道，无线移动信道是时变的；发射机和接收机的移动，以及传 播环境中障碍物的移动，都会造成信道随时间而变化。由于这个原因，均 衡器常被设置为自适应的。自适应均衡器可跟踪信道的变化，这一过程是 通过自适应算法来实现的。 自适应均衡技术属于自适应滤波技术的一种。主要的均衡器有以下三 类( 按结构划分) ： ( 1 ) 线性均衡器( l e ) ( 2 )判决反馈均衡器( d f e ) ( 3 )最大似然序列估值器( m l s e ) 对于数字蜂窝移动通信，l e 的性能较差，因此一般不常用。常用的均 衡器为判决反馈均衡器d f e 和最大似然序列估值器( m l s e ) ，它们都属于非 线性均衡器的范围。 宽带无线通信系统的主要缺陷在于由于信道多径效应的障碍使目前的 通信系统不能提供高速数据率，从而不能满足因特网、多媒体等应用场合 的需求。而自适应均衡技术通过将宽带频率选择性信道转化为平坦信道， 克服多径效应，简化接收机设计，从而有效地克服这一系统瓶颈。目前自 适应均衡技术已经成为一种非常有吸引力的消除码间干扰方案，g s m 等 标准均选择自适应均衡技术以支持高数据率。在未来的通信领域，自适应 均衡技术也获得了广泛的研究和采纳，被认为是4 g 系统最有可能采用的 克服码间干扰的方案。 电子科技大学硕士学位论文 1 3课题来源及硕士论文主要工作 本项目来源于个人通信技术专题方向的新型天线与分集技术研究课题 ( 课题编号：2 0 0 2 a a l 2 3 0 3 2 ) ，其研究目标是：面向移动通信系统应用，研 究适用于终端和基站的分布式或多天线结构，探索可穿戴式天线或分布式 天线在手机终端上的应用，研究相应的提高系统容量和降低发射功率的方 法。探索其关键技术的实现，完成相应的技术示范。以系统应用为目标， 探索基于分布式天线或多天线阵子的发射分集、空时编码、接收分集技术 及其在手机和基站上的应用，提出相应的解决方案，申请有关发明专利。 研制2 - 5 g 频段的、适用于终端或基站的分布式或多天线结构，基站天线 等效阵子数不少于8 个，手机天线等效数阵子不少于4 个，阵子间等效间 距不小于1 2 波长，可支持未来的多输入多输出( m i m o ) 发射与接收分 集和系统应用。 本文研究工作是此课题的重要研究内容，目前论文以取得的成果有： 宽带m i m o 信道的特性、建模和仿真的研究、m i m o 信道自适应信道均衡 技术研究等几个方面。 本论文的结构如下： 第一章引言：介绍本论文的背景，意义和目前与本课题有关的大致研 究情况。 第二章分析了移动信道的传播特性，特别是小尺度衰落特性。 第三章根据移动信道的特性建立了m i m o 多径衰落信道模型。 第四章介绍了自适应均衡技术的原理和均衡器的分类( 如线性均衡器， 判决反馈均衡器，分数间隔均衡器) 。 第五章分析了自适应算法( 如l m s 算法，r l s 算法，梯度格型算法， 最小二乘格型算法和恒模算法) 。 第六章针对m i m o 传播环境，对不同的自适应算法进行了计算机仿 真，对其性能进行了比较。 第七章得出结论，总结全文。 4 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线信道特征 与其它通信信道相比，移动信道是较复杂的一种 1 5 】。陆地无线信道 中信号的骤然降低即所谓的衰落是经常发生的，衰落深度可达到3 0 4 0 d b 。 一辆快速行使的车辆上的移动台在一秒钟内的显著衰落可达数十次。这种 衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性。对于数字传输来说， 衰落将使误码率大大增加。移动信道与非移动点对点信道相比，信号传输 的误码率比后者高1 0 6 倍。移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。 不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。而移动传播环境是十分复杂的， 这使得移动信道特性也是十分复杂的。 2 1陆地移动无线电波传播 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信号会遭受来自不同 途径的衰减损害。这些损害可归纳为三类：即自由空间传播损耗与弥散， 阴影衰落，多径衰落。接收信号的功率可表示为： 尸( 五) = l d | _ ”s ( 百) r ( i ) ( 2 一1 ) 式中，l a i 表示移动台与基站的距离，即接收信号的功率是距离的函数， 矢量西表示了距离的方向性。当移动台运动时，距离又是时间的函数。 通过( 2 - 1 ) 式，看到信道对传输信号的作用有三类： ( 1 ) 自由空间传播损耗与弥散，用i 1 1 表示，其中n 一般为3 4 。 ( 2 ) 阴影衰落，用s ( a ) 表示。这是由于传输环境中地形起伏，建筑物 及其它障碍对电波的遮盖引起的衰落。 ( 3 ) 多径衰落，用r ( a 1 表示。这是由于移动传播环境的多径传输引 起的衰落。多径衰落是移动信道特性中最有特色的部分。 在数十波长的范围内，接收信号的场强的瞬时值呈现快速变化的特性。 这就是多径衰落。无线信号经过短时间或短距离其幅度快速衰落，以致大 尺度路径衰落可忽略不计，我们称其为小尺度衰落。传播损耗和阴影衰落 主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计可消除这种不利影响；而多 径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术 来减少其影响。在这里我们重点研究小尺度衰落。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 小尺度多径传播的特征 无线信道的多径性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要表现为； ( 1 )通过短距离或短时传播后信号幅度的急速变化 16 。 ( 2 )在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率 调制。 ( 3 )多径传播时延引起的时延扩展。 在移动传播环境中，由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展 的现象，成为时延扩展。扩展的时间可以以第一个码元信号和最后一个多 径信号之间的时间来测量。在模拟无线通信中，主要考虑多径效应引起的 接收信号的幅度变化，而数字无线通信中主要考虑多径效应引起的脉冲信 号的时延扩展。这是因为时延扩展将引起码间串扰，严重影响信号的传输 质量。 如果无线信道的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰 落只与空间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空 问变化看作瞬时变化。在空中不同多径波的影响下，高速运动的接收机可 在很短的时间内经过多次衰落。由于移动台与接收台的相对移动，每个多 径波都经历了明显的频移过程。移动引起的信号频移称为多普勒频移。它 与移动台的运动速度，运动方向，以及接收机多径波的入射角有关。 下面具体介绍多径传播对数字传播的影响。 2 3 多径传播对数字传播的影晌 2 3 1 时延扩展 在多径条件下，会产生时延扩展。当发射端发射一个极窄的脉冲信号 s o q ) = a 0 巧( ，) 至移动台时，由于存在着多条不同的传播路径，路径长度不同， 并且传播路径又随移动台的运动而变化，因而移动台所接收到的信号s ( t ) 由许多不同延时的脉冲组成，表示为： 6 电子科技大学硕士学位论文 s ( f ) = o o ( f ) d ，6 ( f f ，) p 刖= e ( t ) e ” ( 2 2 ) ，= 1 这里n 为脉冲数，r ，为第i 条路径的时延，a 为反射系数。由于移动 台的运动，n ，一，q 都是变化的。对于不同的传输信道，接收信号的每个时 延脉冲可能是离散的，也可能连成一片。 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到 其他码元周期中，引起码间串扰。为了避免码间串扰，应使码元周期大于 多径效应引起的时延扩展，即码元速率几小于时延扩展的倒数，即 r 1 a ( 2 - 3 ) 2 3 2 相干带宽 与时延扩展相关的一个概念是相干带宽。当信号通过移动信道时，根 据不同频率分量受到的衰落是否相同，可把多径衰落分为频率选择性衰落 和非频率选择性衰落( 即平坦衰落) 。频率选择性衰落是指信道对信号中 不同频率成分有不同的随机响应。由于信号中不同频率成分衰落不一致， 所以衰落信号波形将失真：非频率选择性衰落是指信号中各频率成分的衰 落具有一致性，相关性，因而衰落信号的波形不失真。 是否产生频率选择性衰落，是由信号和信道两方面决定的。对于移动 信道来说，存在一个相干带宽。当信号的带宽小于相干带宽时，产生非频 率选择性衰落；当信号的带宽大于相干带宽时，产生频率选择性衰落。 假设两个信号的频率分别为石，止，其频率差为a f 爿石一正i 。则其包络 相关系数为： 以) = i 高 ( 2 - 4 ) 可见相关系数与信道的时延扩展有关。当信号包络相关系数等于0 5 时所对应的频率间隔被称为相干带宽，其表达式为： b ：上o 2 ，地 ( 2 5 ) 相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。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 电子科技大学硕士学位论文 衰落具有一致性；当频率间隔大于相干带宽时，它们的衰落就不具有一致 性了。对于具有某一时延扩展的移动信道，衰落信号中的两个频率分量是 否相关，取决于它们的频率间隔。 相干带宽实际上是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计量 度。对于某个移动环境，其时延扩展可由大量实测数据经过统计计算出来， 并可由此估计这个信道的相干带宽。 当一个具体的信号通过信道时，出现频率选择性衰落还是平坦衰落， 取决于信号本身的带宽。对于数字移动通信来说，当码元速率较低，信号 带宽远小于信道相干带宽时，信号通过信道传输后各个频率分量的变化具 有一致性，无码间串扰，为平坦衰落；当码元速率较高，信号带宽大于信 道相干带宽时，信号通过信道传输后各个频率分量的变化不具有一致性， 这将引起波形失真，造成码间串扰，为频率选择性衰落。 在实际中，常用最大时延l 的倒数来规定相干带宽 1 7 ，即： 皿= 毒 2 3 3 多普勒频展和相干时间 ( 2 - 6 ) 由于移动台和基站问的相对移动，造成了移动信道的时变性。我们用 多普勒频展和相干时间来描述小尺度信道时变特性 1 8 。 由于移动台的运动，接收信号会产生多普勒频移。在多径环境中，这 种频移会成为多普勒频展。衰落信号中这种频率的随机变化被称为随机调 频。移动信道的多径环境，可用图2 一l 来表示 1 9 。图中t 为发射台( 基 站) ，r 为接收台( 移动台) ，虚线表示移动台运动轨迹，当移动台处于r 点时，从发射到接收的传播路径中，对所有延时为f 的路径，其反射点都 在以t 和r 为焦点的椭圆上。而时延为r + f 的话播路径的反射点都在更 大些的椭圆上。 电子科技大学硕士学位论文 方向 图2 一l多径环境示意图 若接收信号为n 条路径来的电波，其入射角都不尽相同，当n 较大时， 多普勒频移就成为占有一定频宽的多普勒频展。当移动台以恒定速率v 运 动，波长为五，则多普勒频移厶为： ，= - - ：c o s 口 ( 2 7 ) 其中a 为电波传播方向与移动台运动方向的夹角。由上式可知，多普 勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向与无线电波入射方向之间的 夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正；若移动台 背向入射波方向运动，则多普勒频移为负。信号经过不同方向传播，其多 径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。 假设移动台天线为全向天线，其入射角口服从0 2 x 的均匀分布，则 入射角1 2 到口+ d a 之间到达的电波功率为： 善i d a i ( 2 8 ) 其中只，是所有到达电波的平均功率。 来自t 2 和一口的电波引起相同的多普勒频移，使信号的频率为： 厂= 工+ 工，c o s 口 ( 2 - 9 ) 多普勒频移厶为入射角a 的函数，当入射角从o r 变到口+ d a 时，信号 的频率从f 变到厂+ 够。在从f 变到厂+ 矽之间的射频功率为： s ( f ) l a f t = 2 茜i d 口i ooe石(2-10) 其中s ( f ) 为接收信号功率谱。 由上式得 2 0 ： 9 电子科技大学硕士学位论文 s ( ，) = 了丽i d o l a f 刀ll 又有： 彤= 一，s i n a d a 又因为： s i n 口：打二i i i ： 将( 2 12 ) 和( 2 一i3 ) 代到( 2 1 1 ) ，得 跗，= 州等 2 1 ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 1 ( 2 1 3 ) ( 2 14 ) 多普勒频展b 。是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间 变化率的一种量度 2 1 。多普勒频展被定义为一个频率范围，在此范围内 接收的多普勒谱有非零值。谱展宽依赖于多普勒频移。若基带信号带宽远 大于b d ，则在接收机端可忽略多普勒频展的影响，为一个慢衰落信道。 与多普勒频移相关的一个概念是相干时间r ，它是多普勒扩展在时域 的表现，用于在时域描述信道频率色散的时变性 2 2 。 它与多普勒频移成反比，即： t “万1 ( 2 1 5 ) 相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。就是指 在一段时间间隔，两个到达信号有很强的幅度相关性。若基带信号带宽的 倒数大于相干时间，则传输中基带信号可能发生改变，导致接收机信号失 真 2 3 。若时间相关函数定义为大于0 5 ，相干时间近似为： z 。) _ 1 6 须。 ( 2 1 6 ) 其中z = v 2 为多普勒频移的最大值 2 4 。在现代通信中，一种普遍 的定义方法是将相干时间定义为以上两式的几何平均，即： t = 0 4 2 3 ( 2 1 7 ) 辱 电子科技大学硕士学位论文 2 ，4 小尺度衰落的类型 当信号通过移动无线信道时，其衰落特性取决于发送信号的特性和信 道特性。无线信道中时间色散和频率色散可能产生四种显著效应，这是由 信号发送速率和信道特性决定的。多径的时延扩展引起的时间色散及频率 选择性衰落时，多普勒频展就会引起频率色散及时间选择性衰落 2 5 。 2 4 1多径时延扩展引起的衰落效应 多径特性引起的时间色散，导致发送信号产生平坦衰落或频率选择性 衰落。 若移动无线信道带宽大于发送信号带宽，且在带宽范围内有恒定增益 及线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落 2 6 。经历平坦衰落的条件如 下： 只 盯， ( 2 1 8 ) 其中l 是信号带宽的倒数，e 是信号带宽，盯，e 分别为时延扩展和 相干带宽。 若信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该 信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落 2 7 。在这种情况下，信道 冲击响应具有多径时延扩展，此时接收信号中包含了经历了衰落和时延的 发送信号波形的多径波，因此产生接收信号失真。频率选择性衰落是由信 道中发送信号的时间色散引起的。这样信道就引入了码间干扰。信号产生 频率选择性衰落的条件是： e 且，i t ，最 b d ( 2 2 0 ) 在慢衰落信道中，信道冲击响应变化率l p , 发送的基带信号变化率低得 多，因此可假设在一个或j l - 个- 带宽的倒数间隔内，信道均为静态信道。在 频域中，这意味着信道的多普勒扩展比基带信号的带宽小得多。所以信号 经历幔衰落的条件是： r b d ( 2 2 1 ) 显然，移动台的速度( 或信道路径中物体的速度) 及基带信号发送速 率，决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。 24 3 小尺度衰落类型总结 下面对小尺度衰落类型进行总结： 小尺度衰落 平坦衰落 ( 1 ) 信号带宽 符号周期 图2 2基于多径时延的小尺度衰落类型 小尺度衰落 快衰落 ( 1 ) 高多普勒频移 ( 2 ) 信道变化快于基带信号变化 ( 3 ) 相干时间 符号周期 图2 3基于多普勒频展的小尺度衰落类型 电子科技大学硕士学位论文 第三章m o 系统信道 在无线频谱资源相对贫乏的今天，m i m 0 系统已经体现出优越性。信息 论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线互不相关时，m i m 0 系统 能很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量，例如：当 接收天线和发射天线数目都为8 根，且平均信噪比为2 0 d b 时，链路容量 可高达4 2 b i t s h z ，这是单天线系统所能达到容量的4 0 多倍。因此，在 频率带宽受限的无线信道中，m i m 0 技术是实现高数据速率，提高系统容量， 提高传输质量的空间分集技术。这样，为了更好地利用m i m 0 技术，就必 须研究m i m 0 信道的特性，特别是空间特性；与传统信道不同的是，多天 线信道在多数情况下都是具有某种空间相关性的，而不一定是相互独立 的。因此，对m i m 0 信道的研究主要放在相关特性的研究上。本节将介绍 m i m 0 信道的建模，仿真以及3 g p p 相关的协议。 3 1m im 0 信道建模 图3 1 是一个m i m 0 系统的框图。设基站( b s ) 有n 个天线，移动台( m s ) 有m 个天线，则基站天线信号可表示为 y ( f ) = 【( f ) ，y 2 ( r ) ，y n ( ) 7 ( 3 1 ) 式中，比表示第1 2 ( ，一1 , 2 ，n ) 个天线的信号， ，表示转置。 同样，移动台信号可表示为 s ( t ) = s 1 ( r ) ，s 2 ( f ) ，- ，s ，( ，) 】7 ( 3 - 2 ) 考虑上行链路，也就是移动台到基站传输的情况，则m s 和b s 间的宽 带m i m o 无线信道可表示为 h ( f ) = h ，a ( r f f )( 3 3 ) 电子科技大学硕士学位论文 图3 一l散射环境下的天线阵列 式中，爿( r ) c “”；h ，= 喊? 】。为第l 条路径的信道转移矩阵 h = 础 g 野磺 础 ，h 。2 ( ，o 础 g ；向船 式中，硝： 是表示m s 的第m 根天线到b s 的第n 根天线之间第，条路径 的信道增益，l 表示可分辨多径的数目。因此接收信号y ( t ) 与发送信号 s ( t ) 之间的关系为 y ( t ) = i h ( f ) s ( f r ) d r ( 3 - 4 ) 研究m i m 0 信道模型时，通常假定在远区场有很少的空间独立的主要反 射体，一个主要的反射体有一个主要路径，此路径含有大量的引入波，这 些波是由接收机和发射机附近的本地散射体的结构引起的，它们的相对时 延很小，接收机不能分离出来，即为不可分辨径。由于角度扩散不为零， 所以将导致空时衰落 2 8 。 3 1 1 信号模型 一个空时信道有m 个发射天线和n 个接收天线。系统框图如图3 1 所 示。通常，m i m o 系统结构可分解为m 个单输入多输出( s i m o ) 系统。则矢量 1 4 电子科技大学硕士学位论文 h 。( f ，f ) = ，o ( f ，f ) ，( f ，f ) ，乜一，( f ，r ) r ( 3 5 ) 表示从第m 个发射天线到所有接收天线的信道冲击响应。所以，接收 信号可以表示为m 7 。个发射天线的信号的叠加，即 y ( f ) ：芝1 塞“) 吃( f ，卜女乙，) + 地) + h ( f ) ( 3 6 ) 式中，i ( t ) 表示干扰，n ( t ) 表示噪声。 把第p 个分辨径对应时延记为f 。，则第p 个路径的第m 根发送天线和 第r 根接收天线之间的传播时延t 。，表示为 r m j _ o + 畦，+ 筇， ( 3 7 ) 式中，a “p 。，是由发送端第f 【l 根发送天线造成的时延，苫，是由第r 根 接收天线造成的时延。 同样，n 时刻第p 个路径的第m 根发送天线和第r 根接收天线之间的 合成路径系数c p , m , r ( n ) 定义为 c p ，m , r ( ”) = 巴y ，( n ) ，。( ) ( 3 8 ) 式中，0 表示平均路径损耗：，( n ) 描述慢衰落( 阴影衰落) ；，( ) 描述空时快衰落。 通常情况下，o a p , ，蜂因此平均路径损耗0 = p l ( ) 对所有 的发送天线和接收天线都是常量，每个路径的平均功率取决于传播时延 f 。，且定义为 p l ( r p ) d b 】_ p r 。f + 1 0 n l o g ( r p r r c f ) ( 3 - 9 ) 路径损耗指数2 1 3 6 ，由传播环境决定。 远地射t * p j 发送天线 o 螺 l i2 l 飞磷 图3 - 2 传播环境示意图 一w 接收天线 电子科技大学硕士学位论文 3 12m im 0 信道模型 由于发射机和接收机附近本地散射体的作用，将产生许多具有微小延 时的不可分辨多径，使得角度扩展不为零 2 9 。假设第p 个可分辨径的到 达角度( a o a ) 和离开角度( a o d ) 分别为岁，痧，是反映关于天线阵列和主要 反射体位置的量；且把发送阵列，接收阵列视线( l o s ) 方位角分别定义为 矿，则接收端第p 个可分辨径的角度扩展o p ( 妒芦) 为 ( 鲈) 器丽_ ( - x 矿t 2 ( 3 - 10 ) 式中，庐盎表示第p 个可分辨径中的第q 个不可分辨径对应的到达角 度；q 表示不可分辨径的数目。同理可定义发送端的角度扩展盯，( ? ) 。 假设接收天线在发送天线的远区场，因此可假定接收天线接收的信号 是平面波 3 0 。则第r 根接收天线的接收信号相对于第1 根接收天线的附 加时延为苫， 蜂，= p - 1 ) d “s i n 口垆c ( 3 1 1 ) 式中，d “是两根相邻的接收天线的距离。 因此对应第r 根接收天线的接收信号相对于第l 根接收天线的附加相 移巾嚣为 o “p , r = 中，( 够) = 2 衅，c t ( 3 1 2 ) 接收端均匀线阵的传播矢量a 宇可表示为 a r 。x ： 1 ，e 一，p 悱r x l ，9 】7 ( 3 - 1 3 ) 同样可得，第m 根发送天线的接收信号相对于第1 根发送天线的附加 相移2 。为 鳞，= ( m - 1 ) d “s i n 妒芗c ( 3 1 4 ) 所以对应的附加相移中翟，为 中= 巾。( 疗) = 2 鹕，c l ( 3 1 5 ) 则发送端均匀线阵的传播响应矢量a ：可表示为 a t 。x ： 1 ，已一臌，p 瓣，r 】7 1 6 ( 3 一1 6 ) 电子科技大学硕士学位论文 由于判决时间有限，不是所有信号的到达反射波都能分离开来。假设 移动台或散射体发生运动，每一个本地散射体的路径长度发生变化，发生 时变复衰落过程 3 1 。对于给定速率v ，最大频率偏移为厶= 正v 兄，正为 载波频率。第p 个可分辨径的第m 个发送天线和第r 个接收天线间的空时 衰落系数。，( t ) 为 以，。j ( 归去a 。( 啦) a 峨) , d p , q e y 2 x f a tc o s ( 琅q = 。( ) 沙一“( 3 - 1 7 ) 叫蟛q = u 每一个到达路径经历的衰落为v 。，假定v 。，是由随机过程产生，且 盯。= l 。通常在仿真时认为a o d 均匀分布在0 2 z ，这样可得到经典功率谱。 在固定i 】1 和r 的情况下，v p , m , r ( ，) ，焉，( ，) 表征着时间域的衰落特性；而 固定时间t 时，不同的m 和r 对应的v p , m , r ( f ) ，p “, m ，( f ) 则反映阵列的空间特性， 其相关特性由两个阵列传播响应矢量a 。，( 乏) ，a ，( 庐盎) 决定。记第p 个空间 主散射体的可分辨多径的时延f 。且一般假设它们间的衰落过程相互独 立。不同的空间环境对应不同的分布 3 2 。 如图3 3 所示，由于发射机周围本地散射体的作用，在主反射体和接 收机间的距离相对较大时，r x l 到达角的角度扩展较小，因此接收端仅仅 引起时间衰落，而无空间衰落；而r x 2 却不同，由于接收天线周围的本地 散射体较多，造成较大的角度扩展，因此接收端产生空时衰落 3 3 。 图3 3接收端不同的本地散射体的情况 3 1 3 g p p 推荐的m im o 信道模型 3 g p p 于2 0 0 1 年1 1 月的会议中由朗讯，诺基亚，西门子和爱立信公司 联合提出了3 g p p 的标准化m i m o 信道的建议 3 4 。该信道模型( 见图3 4 ) 1 7 电子科技大学硕士学位论文 的特点为： ( 1 ) 适用于不同m i m o 算法的链路级比较 ( 2 ) 尽可能地后向兼容i t u 信道模型 因此，3 g p p 建议的m i m o 信道模型和i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e le c o m m u n i c a t i o nu n io n ) 的s i s o 信道模型一样，都是基于抽头一延迟线 信道模型( t a p d e l a y l i b e c h a n n e l m o d e l ) ，参数为多径的数目，每径 时延，每径的多普勒频谱等仿真环境参数。其中每径的多普勒频谱特性决 定于时域的衰落特性( 快衰) 。 本节将对3 g p p 关于m i m o 模型的建议进行简单介绍 3 5 。在3 g p p 和 3 g p p 2 对m i m o 信道的融合工作中，3 g p p 和3 g p p 2 对m i m o 信道标准化的目 的在于：对m i m o 技术在高速下行分组接入( h s d p a ， h i g h s p e e d d o w n l i n k p a c k e t a c c e s s ) 和1 x e v d v 系统中的性能进行评 估。 空间信道参数 基站和终端参数： 相关矩阵信道模型 空间信 到达角，离开角 道仿真 角度扩展 模型 角度功率谱 每一可分离径的特 一射线跟踪信道模型 点 图3 4信道仿真模性特征示意图 3 2 m o 信道模型 下面对信道模型进行介绍。首先对空间信道的一些主要参数进行介绍， 并对模型的搭建方法进行简单讨论 3 6 。 1 每径的空间参数 每一可分辨径都有独立的空间特性参数：角度扩展( a s ，a z i m u t h s p r e a d ) ，到达角度( a o a ，a n g l e o f a r r i v a l ) ，角度功率谱( p a s ， p o w e r a z i m u t h s p e c t r u m ) ，且假设所有可分辨径间都假设是独立的。 电子科技大学硕士学位论文 2 b s 和m s 的天线阵列结构 所搭建的信道模型应该支持各种天线结构。在m s 侧，天线间距的参考 值为o 5 。在b s 侧，天线间距的参考值为o 5 a ，4 a j l j l 0 2 。 3 b s 侧的空间参数 ( 1 ) b s 侧的角度扩展和到达角度 基站处每一径的角度扩展定义为基站接收径的角度的均方根( r m s ， r o o tm e a ns q u a r e ) 值。3 g p p 对应于不同的到达角度( a o a ) ，定义了两个角 度扩展的取值 a s = 2 。，当a o a 为5 0 。 a s = 5 。，当a o a 为2 0 。 需要指出的是，对链路级的结果进行比较时，应注意角度扩展和到达 角度参数，因为对于某些天线阵列，不同角度的天线增益是不同的。 ( 2 ) b s 每径的角度功率谱( p a s ) b s 每径的角度功率谱定义为拉普拉斯分布。给定到达角度( a o a ) 的取 值口和角度扩展的方均根盯，基站的角度功