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大连理工大学硕士学位论文 摘要 未来移动通信技术的目标是个人通信，即实现任何人在任何时间、任何地点以任何 方式的通信，提供话音和高速数据业务。随着用户对于各种多媒体业务需求的不断增加 以及互联网技术的迅猛发展，未来宽带无线通信系统对于系统的频谱利用率和数据传输 速率提出了更高的要求。在当前的各种无线解决方案中，以正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ) 为代表的多载波调制技术是最具有发展前景的 方案之一。 本文主要研究了基于o f d m 系统的信道估计问题。文中分析了移动通信信道的衰 落特性和o f d m 系统的基本原理，在此基础上讨论了o f d m 系统中的盲和半盲信道估 计算法。首先给出了一种基于子空间分解的盲信道估计算法，该算法使用一种补零 ( z p ) o f d m 系统代替传统的循环前缀( c p ) o f d m 系统，方法结构简单，可以有效消除 块间干扰( i b i ) 的影响，而且在信道估计的过程中不需要预先精确知道信道阶数。 其次给出了一种将空时编码与o f d m 相结合，在接收端用子空间法进行信道估计 的半盲信道估计算法，该算法既保留空时编码的分集增益又具有o f d m 的抗多径优势， 同时不需满足同类算法要求信道传输函数互质、发送信号恒模、需对发送信号进行预编 码等限制条件。 最后，结合i m t 2 0 0 0 规定的车载测试信道的特点，对几种信道估计方法进行了仿 真实验，给出了仿真曲线和结果分析。 关键词：正交频分复用( o f d m ) ；盲和半盲信道估计；子空间算法；空时编码 塑三查堂堡主塑丝茎 b l i n da n ds e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do n o f d m s y s t e m s a b s t r a c t t h eg o a lo f f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o r si sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hm e a n st h e u s e r $ c o u l da c c e s st ot h ec a p a b i l i t i e so ft h eg l o b a ln e t w o r ka ta n y t i m ew i t h o u tr e g a r d i n gt o t h el o c a t i o na n dm o b i l i t ya n db ep r o v i d e dw i t hs p e e c ho rh i g h - r a t ed a t as e r v i c e w i mt h e i n c r e a s eo ft h ed e m a n df o r t h em u l t i m e d i aa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，t h e b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn e e dh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dh i g h e r d a t a - r a t ei nt h ef u t u r e c u r r e n t l ym u l t i c a r r i e r sm o d u l a t i o nr e p r e s e n t e db yo f d mi so n eo f t h em o s tp r o m i s i n gw a y si na l lt h ew i r e l e s ss c h e m e s t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h ep r o b l e m so fc h a n n e le s t i m a t i o ni no f d ms y s t e m s a b o v ea l l ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fo f d ma r ea n a l y z e d t h e nb l i n da n d s e m i - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sf o ro f d ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i r s t l y , w ep r o p o s e as u b s p a c em e t h o df o re s t i m a t i n gt h ec h a n n e li nt h e0 f d ms y s t e m w h e r et h ez e r o - p a d d i n g 0 f d m ( z p o f d m ) o t h e rt h a nt h et r a d i t i o n a lc y c l i cp r e f i xo f d m ( c p o f d m ) i s u s e d t h e p r o p e r t yo fz e r o p a d d i n gs i m p l i f i e s t h ec h a n n e le s t i m a t i o n , a n dt h ep r o p o s e ds u b s p a c e m e t h o dc a ne l i m i n a t et h ei n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ( i b i ) c o m p l e t e l ya n dn ol o n g e rn e e dp r e c i s e o r d e ri n f o r m a t i o r s e c o n d l y , as p a c et i m ec o d i n go f d m ( s t c - o f d m ) c h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e d o ns u b s p a c ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i tn o to n l yc o n t a i n st h ed i v e r s i t yg a i no fs t c b u ta l s o i n v o l v e st h ea d v a n t a g eo f t h ea n t im u l t i p a t ho fo f d ms y s t e m m e a n w h i l e , t h ea d v a n t a g eo f t h i sa l g o r i t h ml i e si nt h a tt h ec o n d i t i o no fc o p r i m e c o n s t a n tm o d u l u st r a n s m i t t e ds i g n a la n d p r e c o d i n ga l eu n n e c e s s a r y i nt h ee n d c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c u l a rt e s tc h a n n e lo fi m t 2 0 0 0 ， p e r f o r m a n c e so ft h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ed e m o n s t r a t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n n 心r e s u l t s a n da n a l y s i so f s i m u l a t i o na r ep r o p o s e di nt h ee n d k e yw o r d s ：o f d m ；b l i n da n ds e m i - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n ；s u b s p a c ea l g o r i t h m ；s p a c e t i m ec o d i n g i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 盈f 丝 日期： 竺2 ：! ! ：! 大连理王大学硕士垂髯究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士，博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或橇构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存彝汇编学位论文。 作者答名磊? 也 作者签名：秒y 啦 导师签名： 竺2 年上月里目 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 移动通信的发展 现代移动通信集中了无线通信、有线通信、网络技术和计算机技术的最新技术成就 与成果。移动通信系统从模拟通信发展到数字移动通信阶段，并朝着个人通信这一更高 阶段发展，其最终目标是实现任何人在任何地点，任何时间与其他任何人进行任何方式 的通信。移动通信由于其相关技术、消费需求的保障，正以有史以来最快的速度发展。 自1 8 9 7 年马可尼( m a r c o n i ) 第一次通过无线电使在英格兰海峡里行驶的船只保持连 续不断的通信能力以来，运动中的通信能力已经得到了举世瞩目的发剧”。自那以后， 全世界的人们都在热切期盼使用新的无线通信方法和途径。特别在过去的十几年里，在 新的大规模集成电路和其它小型化技术的推动下，无线移动通信在数字和射频电路制造 技术方面获得了巨大的进步。 第一代( 1 g ) 移动通信系统是以美国贝尔实验室研究开发的模拟蜂窝移动通信系统： 高级移动通信系统( a m p s ) 为标志，主要是基于模拟调制和频分多址接入技术，用于承 载窄带电路交换话音业务。第一代蜂窝移动通信系统存在频带利用率低、保密性差、终 端体积大等缺点。 随着数字信号处理与大规模集成电路技术的长足发展，移动通信技术很快进入数字 化，它在关键的空中接口环节上采用了一系列的数字信号处理技术，其中包括信源压缩 编码、数字加密、信道编码、数字调制等。此外，在多址方式上，采用了更加灵活、高 效的时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术：在业务上，除了移动电话外，还支持 最大速率不超过9 6 k b p s 的窄带数据传输。目前，世界上份额占主导地位的就是具有上 述特点的数字蜂窝移动通信系统，即通常所说的第二代( 2 g ) 移动通信系统。蜂窝电话系 统为在无线覆盖范围内的任何地点的用户提供公共电话交换网的无线接入，能在有限的 频带范围内在很大地理范围内容纳大量用户。它提供了和有线电话系统相当的高通话质 量。高容量的获得主要是因为将每个基站发射站的覆盖范围限制到称为小区的小块地理 区域，这样，相同的无线信道可以在相距不远的另一个基站里使用。一种称作切换的复 杂的交换技术，确保了当用户从一个小区移动到另一个小区时通话不会中断。 目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，其中主要包括g s m 系统、 i s 1 3 6 t d m a 系统以及i s 一9 5 c d m a 系统。g s m 在移动通信领域是最成功的例子，甚至 可以说它与无线移动通信的全球普及有着非常密切的关系，它在整个系统以及各单元的 设计和仿真方面做了大量的工作。 基于0 f i l l 系统的盲和半盲信道估计算法研究 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率数据业务而设计的。到2 0 世纪9 0 年代末，无线通信几乎只用于语音传输，高宽带是一些从多址格式派生出来的系统所需 求的，而不是源于用户独占高带宽的需求。这种情况随着数据传输和多媒体应用进入无 线通信市场而发生变化。为了适应新的业务需求，人们正在发展第三代( 3 g ) 移动通信系 统。3 g 移动通信系统的三大主要候选方案是北美的c d m a 2 0 0 0 系统、欧洲的w c d m a 系统和中国的t d s c d m a 系统。在国际上3 g 移动通信系统的商用化正在全球范围内 进入实施阶段，但是由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心 网结构，所以普遍认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来无线通信系统过渡的阶段。目 前，人们已经把眼光越来越多地投向b 3 g ( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统。该系统可以容 纳庞大的用户数、改善现有通信质量，达到高速数据传输的要求。从技术层面看，3 g 系统主要是以c d m a 为核心技术。而在3 g 以后的系统中正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ) 技术最受瞩目【2 1 。 对于高速数据业务来说，单载波时分多址接入( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t d m a ) 系统和窄带c d m a 系统都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，高速 数据流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰( 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 ) ，这对单载波t d m a 系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头 数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，从而均衡算法的复杂度也会大 大增加。一个好的均衡器可以处理长序列的i s i ，但是有时会受到均衡计算复杂度的限 制。窄带c d m a 的主要问题是扩频增益与高速数据流之间的矛盾。因此，人们开始关 注o f d m 系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可 以满足带宽要求更高的多媒体业务和更快的网络浏览速度。 1 2o f d m 系统的优缺点 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看成是一种多载波 调制技术，也可以被当作一种复用技术【3 - s l 。相对于采用高复杂度均衡器的单载波传输技 术，o f d m 技术提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输的另一种途径。 o f d m 的主要思想是把一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流，以并行方式 在多个子信道上传输，这样，在每个子信道上，符号持续时间比信道的最大延迟大，从 而可以消除符号间干扰。 o f d m 技术有以下优点； 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 有效克服符号间干扰。把高速数据流通过串并变换，使得每个子载波上的数据 符号持续时间相对增加，从而有效地减少无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰 ( i s i ) ，这样就减少了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用 插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) 易于实现。各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅立叶逆变换 ( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o 肌。i d f t ) 和离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ， d f t ) 的方法来实现。在子载波数很大的系统中，可以通过采用快速傅立叶逆变换( i n v e r s e f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l ，i f f t ) 和快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f r ) 来实现。随 着大规模集成电路技术和d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 ( 3 ) 频谱利用率高。传统的频分多路传输方法中将频带分为若干个不相交的子频带 来传输并行的数据流，接收端用一组滤波器来分离各个子信道，其优点是简单直接，缺 点是频谱的利用率低，子信道间要留有足够的保护频带，且多个滤波器的实现也有困难。 而o f d m 系统中子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，与传统的频分复 用系统相比，能最大限度地利用频谱资源。 ( 4 ) 易于非对称传输。无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中的数据传 输量要远远大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速数据传输， 而o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同 的传输速率。 ( 5 ) 易于与其他系统结合。o f d m 系统易于和其它多种接入方法结合使用，构成 o f d m a 系统，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 o f d m 技术的不足之处： 尽管o f d m 技术有如此多的优点，但由于o f d m 系统内存在多个正交的子载波， 而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，o f d m 系统尚存在如下 主要缺点： ( 1 ) 易受频率偏移的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对他们之问的正交性 提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中会出现无线信号的频谱偏移， 或者由于发射机与接收机本地震荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之 间的正交性遭到破坏，导致子载波间干扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e , i c i ) ，这种对频率偏 移的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。o f d m 系统的输出是多个信道信号的叠加，因此 如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功 基于o f 咖系统的盲和半盲信道估计算法研究 率，导致较大的峰值平均功率比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 。这就对发射机内 放大器的线性度提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会 给信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性 遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 1 3 本文研究背景及意义 进入2 1 世纪以来，移动通信得到了极大的发展和广泛应用，多媒体和计算机通信 在现代社会中起着不可忽视的作用。目前，基于c d m a 技术的第三代( 3 mg e n e r a t i o n ，3 g ) 移动通信系统已经进入实用化的阶段。它的最大传输速率可以达到2 m b p s ，可以为移动 用户提供话音、数据、w c b 浏览、文件传输和e m a i l 等多种业务服务。 随着数据业务的不断发展，3 g 已经不能满足未来无线通信的要求。从数十到数百 m b p s 的高质量实时多媒体、非实时的高速数据传输到多业务融合等更高的要求迫使人 们把目光投向超三代( b e y o n d3 g b 3 g ) 移动通信技术。由于正交频分复用( o f d m ) 技术 具有高频谱利用率、易于实现、抗符号间干扰、在频率选择性信道下鲁棒性好以及成本 低等优点，因此被认为是b 3 g 系统的主要备选技术。目前它已经成为欧洲数字音频广播 ( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) 、美国的d m t 、i e e e 8 0 2 1 l a 、h i p e r l a n 2 等无线局域 网的标准【6 】。 然而要想完全实现o f d m 技术所带来的性能提高，还需要进行相关技术的研究和实 现，信道估计就是其中之一。对无线信道特征的掌握和了解，将直接影响新技术的应用 和发挥，直接影响通信容量和通信质量，是重要的决定性因素之一。但是，当前人们对 无线信道的研究和利用，基本上还停留在第一代和第二代移动通信系统研究开发的水平 上。因此，对无线信道的进一步研究，包括对无线信道的表征和描述、对无线信道参数 的估计和预测、对无线信道与新技术结合课题的研究，显得越来越重要，将是未来移动 通信发展面临的重大课题。信道估计是无线移动通信领域中的一个研究热点，它是进行 相干检测、解调和均衡的基础，它对o f d m 技术实现高速率的数据通信起着至关重要的 作用。 1 4 信道估计的发展及研究现状 移动通信系统中，无线信道是一种很复杂的信道，它的信道特征是时变和无法精确 描述韵。信号在无线信道中传播将引起信号失真导致符号间干扰( i s i ) ，对抗这种干扰的 一种有效方法是在接收机中引入均衡器补偿或减小i s i 。而均衡前必须要进行信道辨识 获取信道特征的估计。信道估计技术的实质就是实时地提取无线信道的特征参数。 4 大连理工大学硕士学位论文 信道估计技术可以分为三类：非盲信道估计、半盲信道估计和盲信道估计。非盲信 道估计是指利用发送端发送的己知导频或训练序列，通过对带有信道信息的已知导频序 列的判决接收，提取出所需的信道特征参数。根据插入的导频符号在i d f t 之前还是之 后分为时域导频符号和频域导频符号插入法。例如w i n n e r 滤波【”、加权多时隙平均 w m s a 引、自适应w m s a e 9 1 、线性及高斯内插方法【1 0 1 、最小二乘意义下的二次曲线内插 1 1 1 1 、变信道估计积分长度的方法【1 2 】、空时信道迭代估计方法【1 3 】等，这些方法的特点是性 能较好且复杂度低，但是不足之处是训练序列和导频符号的使用必然占用一定的有效带 宽，浪费了宝贵的信道资源。 盲信道估计是指对信道参数估计时，仅利用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。 目前已有的几种适用于o f d m 系统的盲信道估计方法，其中有的是基于自相关矩阵子矩 阵的盲估计算法【1 4 1 ，有的是基于子空间分解的盲信道估计算法【l5 1 ，还有的是基于发送符 号循环统计量的相关匹配盲信道估计算法 1 6 - 1 8 】。类似的还有基于信号循环前缀的盲信道 估计算法1 明以及基于输入信号高阶统计量的盲信道估计算法 2 0 l 。这一类的算法不需要插 入导频或训练序列，很大程度上节省频谱资源。然而此类算法计算的复杂度要高于第一 类算法。 半盲信道估计是介于二者之间的一种估计法，它只发送少量的导频或训练序列作为 辅助信息，利用信道或信号的统计特征进行信道估计。这类算法的根据着手方向的不同 主要分为三种：第一种是利用特殊编码和特殊导频序列的半盲信道估计，如利用v i t e r b i 编码【2 ”，利用前导频信号【2 2 】等；第二种是使用k a l m a n 滤波器实现半盲信道估计的算法 2 3 - 2 4 ；第三种是基于子空间分解方法，这类算法是使用少量导频信号确定模糊矩阵的半 盲估计方法【2 5 2 6 。较之前两类信道估计算法，半盲信道估计算法在计算的复杂度和频谱 利用率方面进行了折中，降低了复杂度且提高了频谱利用率。 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， 占用了一定的信道带宽，从而降低了频谱利用率。而半盲和盲信道估计虽然在接收端实 现复杂度较高，但可以节约信道资源，减小开销，不降低系统容量。因此，半盲和盲信 道估计具有更高的研究及应用价值，逐渐成为研究的热点，同时也是本文的研究方向。 1 5 本文主要工作及内容安排 本文的主要工作是研究了o f d m 系统中的信道估计算法，尤其是盲及半盲信道估计 算法。论文的内容安排如下： 首先在第一章介绍了本文的研究背景和研究意义以及信道估计算法的发展历程和 基丁二o f d m 系统的盲和半盲信道估计算法研究 研究概况。第二章是对无线通信信道的基本特征以及多径信道的物理模型和数学模型的 描述。第三章主要介绍了o f d m 系统的基本原理及其一些关键的技术。 第四章重点研究了基于子空间分解的o f d m 系统盲信道估计算法。通过改进系统模 型，用尾部补零( z e r op a d d i n g , z p ) 方法来替代传统的循环前缀( c y c l i cp r e f i x c p ) 作为保 护间隔，并在此基础上应用子空间算法进行信道估计。最后通过仿真实验对该算法与传 统的几种算法的性能进行了比较。第五章的重点在于空时编码o f d m 系统的研究，给出 了一种与空时编码相结合的o f d m 系统子空间半盲信道估计算法。通过在i m t 2 0 0 0 规定 的车载测试信道模型下的仿真实验证明了该算法的有效性。 最后一部分内容是对本文主要工作的总结和展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 无线信道的传播特性 2 1 无线信道简介 各类信号经过发射端发送以后，在到达接收端之前所经历的路径统称为信道，它是 任何一个通信系统所不可或缺的组成部分。按传播媒介的不同，信道分为有线信道和无 线信道两大类。有线信道是平稳的、可预测的，而无线信道则是极其随机的。其中，如 果传输的是无线电信号，电磁波所经历的路径我们则称之为无线信道。无线信道是一个 非常复杂的动态信道，是取决于用户所在地点环境条件的客观存在的信道，其信道参数 是时变的。无线信道的主要特点为：第一，通过电磁波在自由空间的传播来传输信息； 第二，发射和接收环境的复杂性和多样性；第三，用户的随机移动性。本文所涉及的信 道就是无线信道。利用这类复杂的信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点 和实质，然后才能针对存在的问题给出相应的技术解决方案。 任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的三项基本指标一有效性、可靠性和安 全性进行不断的优化。移动通信中的各类新技术，都是针对无线信道的动态时变特性， 为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。因此，分析无线信 道的特点是解决移动通信关键技术的前提，是产生移动通信中各类新技术的源泉。 2 2 无线信道中的三类损耗 在实际的无线环境中，虽然电磁波传播的方式很复杂，但总体上可以归结为散射、 反射和绕射【2 ”。由于周围高大建筑物、山川等物体的遮挡，通过无线信道传播的信号往 往会沿着一些不同的路径到达接收端。因为各个信号的传播路径和传播时间不同，它们 到达接收端的时间、幅度和相位也各不相同，这些信号的相互作用造成了瞬时接收信号 相位和幅度的随机波动，这也就是通常所说的多径衰落。多径衰落是无线信道最基本的 特性。 无线传输信号通过信道时会受到各个方面的衰减损失，接收功率可表示为： p ( d ) = i d i - “s ( d ) 尺( d ) ( 2 1 ) 其中i d i 表示移动台的到基站的距离，由式( 2 1 ) 可知，信道对无线信号的影响可以大致 归纳为三类i 自由空间的路径损失( 也称传输损失) 、阴影衰落、多径衰落。 ( 1 ) 自由空间的路径损失( 也称传输损失) 矧一：描述的是在大尺度的空间( 数百米 或数千米) 内接收信号强度随发射到接收的距离而变化的特性。 基t - o f d m 系统的盲和半盲信道估计算法研究 ( 2 ) 阴影衰落s c d ) ：由传输环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电波的阻塞 而引起的衰落。描述的是中等尺度区间内( 数百波长) 信号电平中值的慢速变化特性。 ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由移动传播环境中的多径传输而引起的。描述的是小尺度范围 内( 数个或数十个波长) 接收信号场强瞬时值的快速变化特性。 由于路径损失和衰落的影响，接收信号要比发射信号的强度弱得多。路径损失主要 由平方率扩展、水气和叶群的吸收、地表反射等引起，它与距离有关。对快速移动的用 户而言，平均路径损失变化非常慢，信号的变化主要表现为衰落。阴影衰落常被称为慢 衰落，也称长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物的阻塞效应。多径衰落常称快衰落， 又称短期衰落或瑞利衰落，由移动用户附近的多径散射产生。多径传输还导致信号在不 同维度( 时间、频率、空间) 的扩展，它们对通信信号都有明显的影响。 要 静 督 夼 逛 路径损失 距离( 对数) 图2 1 室外衰落信号的路径损失，慢衰落与快衰落 f i g 2 1 p a t ha t t e n u a t i o n 、s l o w f a d i n g a n d f a s t f a d i n g o f t h es i g n a l o u t d o o r 路径损失、慢衰落、快衰落以及各种扩展构成了信道对无线信号的主要影响。图2 1 所示的是室外衰落信道的路径损失、慢衰落和快衰落，图中的距离用对数表示。 图2 2 分别画出了一室内无线通信系统的小尺度衰落( 信号强度的瞬时变化) 和大尺 度路径损失( 局部中值的慢速变化) 。所谓局部中值，是指在局部时间内，信号电平大于 或小于它的时间各占一半。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 雩 糌 雷 血 逛 ij i j乱翔u儿 嗡d i 矾1l pq f珊删门j f i t种 御。j i i - l1 i lffh n i止i _皿上 i l l w lr i i l i r l l i 1 1 l r f i i l ii 1 41 51 61 7 1 81 92 02 i2 22 32 42 52 62 72 8 距离( 对数) 图2 2 室内衰落信号的慢衰落与快衰落 f i g 2 2 s l o wf a d i n ga n df a s tf a d i n go f t h es i g n a li n d o o r 对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。为了提高移动通信系统的 性能，在复杂的传播环境下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消 衰落的不利影响。现有的抗衰落技术主要包括分集、扩频跳频、均衡、交织和纠错编码 等。另外，信号传输方式，如调制方式对信道中的衰落也有一定的适应能力。 2 3 无线信道的选择性衰落 接收信号的相位特性由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性刻画，这些特性 分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。多普勒扩展、时延扩展和角 度扩展都是无线信道的参数。根据信号参数( 如带宽、码元间隔) 和信道参数之间的关系， 不同的发射信号会发生不同类型的衰落，这些衰落分别具有空问选择性、时间选择性、 频率选择性，统称选择性衰落。 2 3 1 空间选择性衰落 信号在本地散射体的影响下呈现角度上的扩展，导致天线元素之间存在一定的相关 性，这通常被称为空间选择性衰落。空间选择性衰落常用角度扩展和相干距离来描述。 ( 1 ) 角度扩展 铷 勘 瑚 彤 挪 彤 枷 彤 加 基t - o f 叫系统的盲和半盲信道估计算法研究 接收端的角度扩展指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端 的角度扩展指的是多径的反射和散射引起的发射角展宽。在某些情况下，路经的到达角 ( 发射角) 与路经时延是统计相关的。角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生 空间选择性衰落，即信号的幅度值与天线的空间位置有关。角度扩展与功率谱的关系 如式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 所示【2 8 】： a = f 妒一万) 2 e ( o ) d o ( 2 2 ) 其中 万：o e ( 一o ) d o ( 2 3 ) j e ( o ) a o 根据环境情况的不同，角度扩展在o - 3 6 0 度之间分布。比较典型的角度扩展值为：室内 环境3 6 0 度，城市环境2 0 度，开阔的农村环境1 度。 ( 2 ) 相干距哥2 8 】 相干距离的定义是两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。在相干距 离内，信号经历的衰落具有很大的相关性。当距离相关系数为o 5 时，相干距离为： 见= 瓦0 1 面8 7 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中是角度扩展，护为到达角。从上式可以看出，相干距离珍除了与角度扩展有 关，还与接收波到达的角度有关系。当天线到达角相同的情况下，角度扩展越大，不同 天线接收到的信号之间的相关性就越小，即信号的空间选择性衰落就越严重。反之，角 度扩展越小，不同天线接收到的信号之间的相关性就越大，信号的空间选择性衰落就越 小。 2 3 2 频率选择性衰落 多径效应在时域上造成信号波形的展宽。假设发射一时问宽度极窄的脉冲信号，经 过多径信道后，由于信道时延的不同，移动用户接收到的信号为一串脉冲，即接收信号 的波形比原脉冲展宽了。展宽后的信号会造成符号间干扰等不良的影响，体现在频域就 大连理工大学硕十学位论文 是频率选择性衰落。频率选择性衰落可以由两个参数来描述：时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 和相干带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。 ( 1 ) 时延扩展【习 在无线通信环境中，发射机发出的无线电信号在传播过程中往往受到各种障碍物及 其他移动物体的影响，使得到达接收端的信号是来自于不同路经的信号之和。到达接收 端的各路信号经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这就使得接收信号的能 量在时间上被扩展了。时延扩展通常有如下的三种定义方式： 平均时延扩展f 彘p ( r k ) r k b 袁2 艺丽 曲 其中，a k 为第k 条路径的衰落因子，p ( 吒) 是时延点上多径衰落的相对功率。 均方根( r m s ) 时延扩展以 其中： c = = 1 。一 q = f 2 一( f ) 2 p ( t ) 严2 莳2 靠 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 均方根时延扩展的典型值对室外无线信道为毫秒级，对于室内无线信道为纳秒级。 最大时延扩展f 一 在实际应用中，一般取第一次可以被接收机检测到的接收信号的到达时刻作为计算 信道时延的时间起点，记作f 0 = o 。相对于f o 而言，最大的信道时延就是最大时延扩展。 一般来说，室内环境下的最大时延扩展值大约是4 0 - 2 0 0 n s ，室外环境下的最大时延扩展 大约1 2 0 z s 。 ( 2 ) 相干带宽 基于o f 蹦系统的盲和半盲信道估计算法研究 相干带宽b 表示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。相 干带宽与信号带宽之比越小，信道的频率选择性越强；反之，相干带宽与信号带宽之比 越大，信道的频率选择性就越弱。 相干带宽是信道频率选择性的测度，通常它近似的等于最大多径时延的倒数。如果 相干带宽定义为频率相关系数大于0 9 的某特定带宽，则相干带宽近似为【2 】： 尻2 击 舟 应该注意的是，相干带宽和均方根时延扩展之间并没有严格确定的关系。如果对频率相 关性的要求降低，如大于0 5 ，则： 芝“石1 ( 2 9 ) 2 3 2 时间选择性衰落 无线信道的时变性是由于发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物体的运动 所引起的。描述无线信道的时变性通常有两个参数：多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 和相干 时间( c o h e r e n c et i m e ) 。 ( 1 ) 多普勒扩展 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。由运动 引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移。当发射机和接收端作相向运动时，接收信 号的频率将高于发射频率；反之，接收信号的频率将低于发射频率。多普勒频移与移动 用户的运动速度成正比。 力= f o v c o s q , ( 2 1 0 ) f 其中，力为接收端检测到的发射机频率的变化量，称为多普勒频移；工是发射机的载频； ，是发射机与接收端的相对速度；妒为移动方向与信号入射方向的夹角；c 是光速。当 驴= 0 0 时可以得到最大多普勒频移 l = f o v ( 2 1 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 最大多普勒频移常用来描述无线信道时变性所引起的接收信号的频谱展开程度，因 此它也被称为多普勒扩展。通常用平均多普勒频移后和多普勒扩展b 。这两个参数来描 述多普勒扩展。它们都与多普勒功率谱密度s ( 门有关。 平均多普勒频移百是多普勒功率谱密度s ( f ) 的均值，表示为： 百：e j ：s ( 一f ) d f ( 2 1 2 ) is ( ，) a t 是多普勒功率谱密度s ( 力的二阶中心矩的平方根，表示为： = ( 2 1 3 ) 是频谱展宽的一个测量值，它是无线信道时间变化的一种度量。如果基带信号的带 宽远大于，则无线信道是一种慢衰落信道，接收端可以忽略多普勒扩展的影响。否 则，就应该考虑多普勒扩展的作用，这是快衰落信道的情况。 ( 2 ) 相干时间 相干时间描述信道的频率色散的时变性。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道 随时间变化快慢的一个测度。相干时问越大，信道变化越慢；反之，相干时间越小，信 道变化越快。相干时间的一种定义方法为 2 1 ： z2 _ 0 4 3 3 ( 2 1 4 ) 2 4 无线信道的衰落模型 无线信道传输通常建模为多径信道，信道的冲激响应可以写为： ( f ) = a le x p ( - j 2 ，r f c t t ) 6 ( r f ，) ( 2 1 5 ) i = i 其中，a t 为时变的不同路径的复数增益，f f 为不同路径的时延，z 为载波频率，为 路径数。 基于0 f i ) i 系统的盲和半盲信道估计算法研究 对式( 2 1 2 ) 做傅立叶变换，就可以得到多径函数的频率响应： 日( ) = e ( ) e x p ( - j 2 r c f r ) d r ( 2 1 6 ) 当信道是时变信道时，路经复增益和延时成为时间的函数，因此时变信道冲激响 应为： ( f ) = a t ( t ) e x p ( - j 2 r f j t ( t ) ) g ( r - r t ( t ) ) ( 2 1 7 ) i = i 相应的信道频率响应变为： h ( f ，r ) = e ( r ，t ) e x p ( - j 2 l r f r ) d r ( 2 1 8 ) 信号经过该信道以后将产生衰落，其衰落输出可以表示为： r ( f ) = s ( f ) 圆 ( f ，f ) + n ( f ) = h ( r ) s ( t - r ) + n ( t ) ( 2 1 9 ) ，= l 其中，”( f ) 表示加性高斯白噪声( a w g n ) 。 2 5 本章小结 本章中首先分别讨论了无线信道对接收信号造成的三类损耗，包括了大尺度衰落、 阴影衰落以及小尺度衰落。对于大尺度衰落，给出了信号功率会随着传播距离的增加而 减小的结论；对于阴影衰落，给出了信号的频率对阴影衰落的影响；最后，较详细的讨 论了小尺度衰落的影响，其中包括无线信道的三类选择性衰落对信号的影响，以及对无 线衰落信道性能和指标的分析和介绍，并给出无线信道的衰落模型。 大连理工大学硕士学位论文 3 o f d m 的基本原理 随着对无线通信的数据传输速率要求的提高，正交频分复用( o r t h o g o n a lf 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 ) 作为一种多载波传输技术，引起大家越来越多的关注。正 交频分复用技术之所以可以实现信息的高速传输，是因为它把高速数据流分成许多较低 的并行数据流，分别调制各个子载波后加在一起并行传输，增加了符号时间宽度，从而 多径时延扩展的相对数量变小，减少了符号间干扰( i s i ) 的影响f 2 9 1 。而符号间干扰正是实 现高速无线通信的最大障碍之一。 3 1o f d m 系统的基本模型 o f d m 的基本原理是将一高速数据流分解成在多个子载波上同时传输的低速的数 据流。对于每个子载波而言，由于数据速率较低，所以符号周期增长，符号周期的增长 就使得由信道造成的相对时间弥散变小。从频域角度分析，o f d m 将整个传输频带分割 成多个带宽较窄的子带。信道在整个频带上呈现频率选择性衰落【2 捌，但在每个子带上 则呈现平坦衰落的特性。而且，通过引入定的保护间隔，o f d m 符号间的干扰几乎可 以完全消除掉。 在传统的频分复用中，各载波的信号频谱互不重叠，频谱利用率较低。在o f d m 系 统中，各子载波在整个符号周期上是正交的，即加于符号周期上的任何两个载波的内积 等于零，因此各子载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频谱利用率。由于o f d m 系 统中的载波数量多达几百上千，所以在实际应用中不可能使用几百个振荡器和锁相环进 行调制。随着d s p 技术的飞速发展，采用快速傅里叶变换( f f t ) ，利用高速d s p 芯片实 现o f d m 的调制与解调，可大大降低系统成本。 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信