（信号与信息处理专业论文）wcdma中2drake接收机的相关技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着移动通信业务的飞速发展、用户数量的急剧增长、移动计算与蜂 窝互联网的业务需求，现有的第二代移动通信技术在系统容量、通信质量 和提供的数据业务等各方面已经难以满足需求。因此，人们提出发展新一 代的移动通信技术第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 。在i m t - 2 0 0 0 标准 中，w c d m a 以其固有的诸多优点成为主流多址方式，而w c d m a 是干 扰受限系统，因此必须采取更为有效的干扰抑制技术。自适应阵列技术( 或 智能天线技术) 与传统r a k e 技术相结合的空时信号联合处理技术在扩大 小区范围、提高系统容量和频谱效率、降低发射功率、减小用户干扰等方 面显示了巨大的潜力，成为当前移动通信领域的个研究热点。 本文以第三代移动通信系统中的标准之一w c d m a 系统的上行 链路空中接口为背景，首先分析无线通信系统中发射机与接收机之间的无 线信道和传播特性，以明确所研究的2 d r a k e 接收机( 空时二维r a k e 接 收机) 所处的环境和要解决的问题，然后介绍了天线阵、阵列波束形成算法 和w c d m a 的物理层技术，而这是2 d r a k e 接收机研究的基础；在此基 础上分析研究了2 d r a k e 接收机的框架结构和阵列的的自适应处理算 法，重点对l s d r m t a ( 最小二乘解扩重扩多目标阵列算法) 进行分析研究， 并根据w c d m a 的物理层上行链路的特点，结合l m s ( 最小均方) 算法，得 出一种新的适合w c d m a 物理层上行链路的特点的l m s d r m t a 波束形 成算法，计算机结果证实了算法的有效性。理论分析和仿真结果表明，采 用该方案不但进一步减小了基站阵列处理的计算量，同时在系统的b e r 性 能和系统容量方面都有明显的改善和提高。 关键词：w c d m ，a 2 d - r a k e 接收机k s - d r m t al m s _ d r m t a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s ，i n c r e a s eo fu s e rn u m b e r ，t h er e q u i r e m e n to fm o b i l e c o m p u t a t i o na n dc e l l u l a ri n t e r n e tw o r k ，t h ee x i s t i n g2 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s c a nn o t s a t i s f y t h en e e do f s y s t e m c a p a c i t y ，q u a l i t y a n ds e r v i c e s ，s ot h en e wg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e 。_ 、3 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ( i m t2 0 0 0 ) i sp r o p o s e d i n i m t - 2 0 0 0s t a n d a r d s ，c d m ah a s b e c o m et h ep r i m a r ym u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u eb e c a u s eo fi t sm a n y b e n e f i t s ，b u tc d m as y s t e mi si n t e r f e r e n c e 1 i m i t e d ，s om o r e e f f i c i e n ti n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o nt e c h n i q u e s a r e r e q u i r e d t h e s p a c e t i m ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ew h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no ft h e a d a p t i v ea n t e n n aa r r a ya n d c o n v e n t i o n a lr a k e r e c e i v i n gt e c h n i q u e s h o w sr e a l p o t e n t i a l f o r i n c r e a s i n g c e l l u l a r c o v e r a g e ，s y s t e m c a p a c i t y a n d s p e c t r u me f f i c i e n c y ，r e d u c i n gt r a n s m i t t i n gp o w e r a n d i n t e r f e r e n c ee t c t h u si tb e c o m e so n eo ft h er e s e a r c hh o t s p o t so f c u r r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d b a s i n go nt h eu p l i n k o fw c d m a s y s t e m ，f i r s t l y ，t h e t h e s i s a n a l y z e d t h ec h a n n e la n dt h er a d i oc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e n t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ri nt h er a d i oc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t o e x p l i c i t t h ee n v i r o n m e n ta n dt h e p r o b l e m t os o l v e t h e ni t i n t r o d u c e dt h ea n t e n n aa r r a y ，t h eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h ma n dt h e w c d m a p h y s i c a ll a y e r t h e ya r er e s e a r c hf o u n d a t i o no ft h e2 d r a k er e c e i v e r a f t e rt h es t u d yw o r km e n t i o n e da b o v e t h et h e s i s a n a l y z e dt h ef r a m e w o r ks t r u c t u r eo ft h e2 d r a k er e c e i v e ra n d s e l f - a d a p t i n ga l g o r i t h mo fa r r a y t h e nt h et h e s i se m p h e r s i s e d o nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s t u d y o fl s d r m t a ，a n dt h ew c d m a p h y s i c a ll a y e ru pl i n k ， u s i n gl m sa l g o r i t h m ，t h et h e s i sp r o m o s e dan e w l m s d r m t a a l g o r i t h m ，t h e r e s u l t so f c o m p u t e r s i m u l a t i o nc o n f i r m e dt h e a l g o r i t h m f r o mt h et h e o r i e sa n a l y s i sa n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s u l t sw ec a ns e et h a tt h ea l g o r i t h mc a nn o to n l yd e c r e a s et h e c o m p u t e r i n gq u a n t i t y ，b u ta l s or a i s et h eb e r a n dt h ec a p a b i l i t yo f t h ew c d m a k e y w o r d s ：w c d m a 2 d - r a k er e c e i v e rl s d r m t a l m s d r m t a 谣南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展历程 蜂窝移动通信在二十世纪下半叶开始发展起来，虽然至今只有短短几十年， 但却取得了令人瞩目的成就。1 9 7 8 年，美国a t & t 的贝尔实验室成功设计了 世界上第一个蜂窝移动通信系统先进移动电话系统( a m p s ) ，并建成了蜂 窝移动通信网，1 9 8 3 年首次在芝加哥投入商用。a m p s 系统采用频分多址方式， 小区之间采用不同的频段，支持扇区化和小区分裂，从而有效地提高了系统容 量。不久，基于不同标准的其他模拟蜂窝移动通信系统也相继推出，如英国的 t a g s ，日本的n a m t s ，北欧的n m t s 等【1 】【2 】。这些系统统称为第一代蜂窝移 动通信系统，由于采用了模拟通信技术，也称为模拟蜂窝移动通信系统。第一 代蜂窝系统最重要的突破是采用贝尔实验室提出的蜂窝网概念，通过频率复 用，大大提高了系统容量。尽管这些系统具有很多相似特性，但没有发展成一 个全球共同的标准。同时，由于具有频谱利用率低、通信容量小、保密性差、 设备复杂、成本高、不能提供非话音业务等这些缺点促进了第二代蜂窝移动通 信系统的发展。 第二代蜂窝移动通信系统全面采用数字技术，也称为数字蜂窝移动通信系 统，以g s m ，p d c 、i s 9 5 为代表【1 】【”。g s m 是由欧洲c e p t 移动通信特别小 组于1 9 8 8 年完成标准制定，1 9 9 2 年投入商用。1 9 9 3 年3 月p d c 在日本正式 投入商用。两者的共同点是数字化、时分多址( ( t d m a ) 、工作频段为9 0 0 m h 、 话音质量比第一代产品好、可传送短消息和低速数据业务、能自动漫游等。i s 9 5 是美国提出的基于码分多j a k ( c d m a ) 技术的蜂窝系统，采用扩频通信，目前窄 带c d m a 系统在美国、香港和韩国已大量投入商用。第二代系统较好满足了 人们对于话音的要求，从其推出至今短短十年间便已遍及世界各地，成为人们 日常生活中不可或缺的通信手段之一。然而，由于近年因特迅速的发展以及光 纤通信技术的飞速发展，人们不再满足于单一的话音业务，而是要求移动通信 系统具有承载包括视频、图像等在内的大容量的多媒体数字业务的能力。这对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 于第二代移动通信系统来说是致命的，其单一的业务传输体制以及低数据速率 无法达到这些要求。因此，以大容量、高数据速率和承载多媒体业务为目的第 三代移动通信系统呼之欲出。 从1 9 9 7 年，欧洲、日本、美国等有关组织便开始筹划第三代移动通信系 统f 又称i m t - 2 0 0 0 ) 的标准制定工作。i m t - 2 0 0 0 包括欧洲提出的w c d m a ，美 国提出的c d m a 2 0 0 0 ，中国提出的t d 。s c d m a 等【2 】【3 】【5 1 。与已有系统相比， i m t - 2 0 0 0 最显著的优点在于高数据率，其室内数据传输率可达2 m b s ，即使在 室外高速运动的情况下也可达1 4 4 k b s 。同时，i m t - 2 0 0 0 可支持包括数据、话 音、视频、图像在内的各种业务，部分实现了移动通信的宽带化和多媒体化。 在关键的多址方式的选择中，码分多址( c d m a ) 由于其良好的抗干扰性、抗衰 落性、保密性等优点而成为i m t - 2 0 0 0 的主流多址方式。i m t - 2 0 0 0 的工作频段 为2 g h z ，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的主要技术参数如表1 1 所示【4 】。 表1 1w - c d m a 和c d m a 2 0 0 0 主要技术参数 c d “c d m a 2 0 信道带宽5 1 0 2 0 m h z1 2 5 5 1 0 ，2 0 m h z 多址方式d s c d m ad s - c d m a m c - c d m a 码片速率 3 8 4 m c h i p s 1 2 2 8 8m c h i p s 的1 ，3 ，6 ，9 ， 1 2 倍 顿长1 0 m s2 0 m s 或5 m s 扩频因子 4 2 5 64 2 4 6 调制方式数据调制：o p s k b p s k数据调制：o p s k b p s k 扩频调制：q p s k扩频调制：q p s k o q p s k 功率控制开环结合快速闭环方式开环结合快速闭环方式 功率控制速度为1 1 6 k h z功率控制速度为8 0 0 h z 越区切换软切换频率间切换软切换频率间切换 w c d m a 技术是i m t - 2 0 0 0 中重要的无线传输技术( r t t ) 之，主要由欧 洲和日本共同提出。随着3 g p p 组织关于系列规范的完善，作为第三代移动通 西南交通大学硕= e 研究生学位论文第3 页 信系统的主要候选技术的w c d m a 系统已初步在欧亚进入商业运营阶段。 1 2 研究背景与意义 在无线通信系统中，无线信号的传播是复杂的多经传播1 6 】 ”，引起传播信 号的时间扩展、多普勒频率扩展和角度扩展，从而使接收端接收信号时产生频 率选择性衰落和时间选择性衰落，进而引起码间干扰( 1 s i ) ；同时为了节省频率 资源，无线蜂窝网采用频率复用技术，也会使基站接收期望用户信号的同时， 产生同信道干扰( c c i ) ；尤其是在w c d m a 系统中所有的用户可能会占用同一 时间和同一频带，唯一不同的是各用户自己的相互正交的扩频码，接收端只需 借助各自的扩频码进行解扩，由于大量的多址干扰( m a i ) 的存在，使得c d m a 系统的接收成为干扰限制。 为了有效地消除i s i 、抑制c c i 和减少m a i ，改善系统的性能，人们作了 大量的工作，研究了很多有效的方法，为了有效消除多径传播带来的影响和支 持高达3 8 4 m c h i p s 的码片速率，w c d m a 中采用了r a k e 接收机技术。它可 以对这些多径干扰进行分离和合并，实现多径分集，即分别接收每一路的信号 进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，在这里多径信号不仅不是 一个不利因素，而且在w c d m a 系统变成一个可供利用的有利因素，以改善 系统的性能。也就是说，在信号接收方面，w c d m a 系统最大的特色是采用了 r a k e 接收技术。 然而，r a k e 接收机是一种典型的时域一维处理方案，其接收信道分辨率 的限制，只能分离时延超过一个码片宽度的不相关多径信号，对时延小于一个 码片宽度的相关多径信号却无法分辨。同时，一个时域可分辨多径分量实际上 是由多个多径信号组成的，尽管这些多径信号在时域上是不可分辨的，它们的 空域特征却是有差别的，即它们的到达方向( d o a ) 是不同的。因此如何利用用 户信号的空间特征进一步提高系统的容量成为有待解决的问题。 而同时若将智能天线应用于移动蜂窝系统，对系统的以下性能有明显的改 善和提高j ： 1 减轻时延扩展及多径衰落； 2 减小共信道干扰( c c l ) ： 3 提高频谱利用效率，增大系统容量： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 4 扩大小区的覆盖范围； 5 提高发射效率，降低发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰和空间 电磁干扰； 6 降低误码率，减小出界概率； 7 减少切换率； 8 动态对小区进行划分； 9 大大降低系统对功率控制精度的要求。 由此可见，采用智能天线带来的好处最终都体现为系统容量的增加和通信 质量的提高，并可能带来系统运行成本的降低。所以，智能天线在无线通信系 统中有着广阔的应用前景和实用价值，特别是对于要求传送多媒体业务的第三 代移动通信系统。 1 3 智能天线和2 d r a k e 接收机的国内外研究现状 由于智能天线系统的上述优点，因而己成为第三代移动通信系统的关键技 术之一，各国及各大公司均投入大量的人力、物力进行移动通信中智能天线的 算法研究和系统的研制开发工作，其中包括： 欧洲先进通信技术与服务( a c t s ) 计划( 1 9 9 5 年以前为欧洲先进通信技术 ( r a c e ) 计划) 中的t s u n a m i 项目。该项目于1 9 9 4 年启动，专门研究用于第三 代移动通信系统的智能天线技术。t s u n a m i 项目己于1 9 9 8 年完成了空分多 址外场试验【l 驯； 日本a t r 光电通信研究所研究了基于波束空间处理方式的多波束智能天 线系统并提出了软件天线( s o f t w a r e a n t e n n a ) 概念，即利用软件方法使用户在不 同的环境中工作于不同的算法【1 4 】； a r r a y c o m m 公司和中国邮电科学技术研究院信威公司分别研制出用于无 线本地环路的简化智能天线系统。a r r a y c o m m 产品采用可变阵元配置，有1 2 元和4 元环形自适应阵列可供不同的环境选用。在日本进行的现场实验表明， 在p h s 基站采用该技术可以使系统容量提高四倍。信威公司智能天线采用八 阵元环形自适应阵列，射频工作于1 7 8 5 m h z 1 8 0 5 m h z ，采用t d d 双工方式， 收发间隔10 m s ，接收机灵敏度最大可提高9 d b 1 5 】； s t a n f o r d 大学信息系统建立了用于验证t d m a 系统空时二维处理算法的实 西南交通大学硕二【= 研究生学位论文第5 页 验系统；美国德州大学奥斯汀s d m a 小组建立了一个智能天线试验环境，对 s d m a 的实现方法和无线信道特征进行了深入研究【l 6 j ； 2 0 0 2 年1 0 月海天天线与大唐电信签约合作开发“t d s c d m a 移动通信智 能天线系统”，2 0 0 3 年9 通信产业报报导了其研究所取得的阶段性成果，圆阵 天线已处于测试阶段，扇区阵中的八单元型阵也处于开始研究阶段【1 7 j 。 同时，目前国内外已有许多学者对智能天线应用于移动通信系统，以及在 w c d m a 系统中智能天线与r a k e 接收机的结合2 d r a k e 接收机，进行 了分析和研究，其中包括s w a i e s 等和l i b e r t y 等以及其他人对采用智能天线后 蜂窝通信系统性能改善的研究1 8 】【9 】，e r t e l 等综述了阵列天线通信系统信道模型 的研究【”l ，r o n g 等提出适于c d m a 的多目标解扩重扩最小二乘恒模算法 1 1 1 】【1 2 】，h 1 w a i 等【卅分别将频率选择性和平衰落条件下的空时分集，简化为近 似独立的时间和空间分集，a en a g u i b 等分析了采用基站天线阵对c d m a 系 统容量的改善( 包括上行链路和下行链路) p ”，并提出了利用主特征矢量估计 阵列权矢量的单用户2 d r a k e 接收机方案 3 6 1 ，还分析了多进制正交调制信 号经空时组合2 d r a k e 接收后的平均b e r 3 7 1 。x w l j 等【3 8 】给出了空时 r a k e 接收机的多种合并方式：( 1 ) 空时m a c ( s m r c d t m r c ) ：( 2 ) 级联空间最 优一时间m r c ( s p o t f m r c ) ( 最优空间处理级联一个r a k e 接收机) ；( 3 ) 级联 空间最优时间最优( s o p t t o p t ) ；( 4 ) 联合域最优合并( j o p t ) 的结构和空时加 权适量的设计方法，并指出空时联合最优接收机具有最好的性能。m f a n g 在 3 9 1 删中分别给出了采用空间选择合并( s c ) 和时间最大比合并( m r c ) 的空时组 合2 d r a k e 相干接收机，以及采用宽带滤波结构和在相关瑞利衰落下仍使输 出信号与干扰噪声功率比幅m - r ) 最大的空时联合2 d r a k e 接收机，并推导了 b e r 的解析表达式，从理论上证明了这些系统由于充分利用了空间和时间域上 的联合分集，都能够给单蜂窝直扩c d m a 通信系统提供十分显著的性能增益。 在此基础上，j l e o 等进一步分析了相关n a k a g a m i 衰落条件下相干 d s c d m a 系统中2 d r a k e 接收机的b e r 性能。 然而这些理论研究和算法都比较复杂，距离实际应用还有一定的距离，而 提出一个结构合理的模型和算法是2 d r a k e 接收机能真正走向商用的关键， 也是本文的研究内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 本文进行的工作和论文的结构安排 综上所述，若将智能天线与r a k e 接收技术结合起来，组成空时 r a k e ( 2 d r a g e ) 接收机，就能够弥补各自的不足，充分利用用户多径信号的 空间与时间的可分辨性，有效抑制多址干扰和对抗多径衰落，从而有效解决 c d m a 系统反向信道的容量受限问题。传统的智能天线仅利用了空域自由度对 干扰进行抑制，因此其有效性要受到天线阵元数的限制，在较为复杂的多用户 无线信号环境下，它的实际应用十分有限。 因此，本文以w c d m a 无线通信系统中的智能天线与r a k e 接收机的结 合为研究对象，同时由于目前2 d r a k e 接收机的理论研究和算法都较复杂， 离实用还有一段距离，而提出一个结构合理的模型和算法是2 d r a k e 接收机 能真正走向商用的关键，也是本文的研究目标，因此本文围绕这一目标将从以 下几个方面来展开工作： 1 认真分析w c d m a 系统的物理层，尤其是上行链路的d p c c h 信道 的信息结构和上行链路的扩频、扰码等信号处理参数和过程，进而寻 求天线阵的权向量更新的更为简捷可行和易于现有的软硬件的实现 的算法。 2 对目前众多的权向量更新的算法，结合c d m a 系统的扩频码的特点， 找出较适合的算法，并结合上行链路的导频信号的信息结构迸行迸一 步的分析和修改，并通过相应的仿真验证其在b e r 和系统容量等方 面比改进前有明显的提高。 3 对智能天线的信号处理流程和r a k e 接收机的信号处理流程以及 w c d m a 系统的整个上行链路的信号处理流程分析比较，进而得出 一令物理可实现的模型和算法可行的2 d r a k e 接收机结构，结合本 文提出的相应的算法，并通过相应的仿真以验证其在b e r 和系统容 量等方面都有相应的提高。 本文全文共分五章，第一章主要介绍移动通信技术的发展，分析传统的智 能天线和r a k e 接收机的优缺点和介绍了目前国内外智能天线的研究现状以 及本文所做的工作和论文的结构安排。 第二章着重介绍2 d r a k e 接收机的相关的基础：信道是能量和信号传输 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 必须经历的通道，对于移动无线通信系统，无线信道的电波传播特性极为重要。 对无线信道深刻而有效的认识，为后续的2 d r a k e 接收机研究中建立恰当的 信号模型奠定了基础；对智能天线和w c d m a 系统进行简单分析，在智能天 线方面主要分析天线阵和空时处理算法；而在w c d m a 系统方面主要分祈 w c d m a 系统物理层上行链路帧结构、信道组合、信号处理过程和一维r a k e 接收机。 第三章较详细地分析、推导了l s d r m t a ( 多目标解扩重扩最小二乘) 算法， 并根据c d m a 系统的扩频码的特点和导频符号的信息结构，结合l m s 算法( 最 小均方算法) 进行相应的改进( 即l m s d r m t a ) 以便降低运算量，加快收敛速 度，以便其更易于物理实现。下一章将其应用于2 d r a k e 接收机中作进一步 的分析。 第四章在分析比较文献【4 5 】提出的三种2 d r a k e 接收机的结构基础上，认 真分析w c d m a 物理层上行链路的帧结构和d p c c h 信道的信息结构以及 r a k e 接收机的信号处理过程，确定2 d r a k e 接收机的结构，并对 l m s d r m t a 算法进行进一步的改进，使其运算更快，收敛速度更快，进而更 接近实际的应用；并进行相应的仿真，通过的仿真以验证其在b e r 和系统容 量等方面都有相应的提高。 第五章在前面研究的基础上，对全文进行一个总结，同时对2 d r a k e 接 收机的硬件实现等问题做了个人粗浅的展望。 本文中：n 、a 、a 分别表示变量、向量、矩阵，上标t 、h 分别表 示矩阵( 或向量) 的转置、复共扼和共扼转置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章2 d r a k e 接收机的基础 分析研究2 d r a k e 接收机的根本目的就是充分利用多径信号的空间和时 间可分辨性，有效抑制多址干扰和对抗多径衰落，进而提高w c d m a 系统的 通信容量，因此本章首先对无线信道及传播特性进行分析介绍。而在w c d m a 系统中实现智能天线和r a k e 接收机结合( 即2 d r a k e 接收机) ，是在w c d m a 系统的物理层上进行结合，因此需要充分考虑天线阵的特点和w c d m a 系统 的物理层的信号组织结构。图2 - 1 是一种2 d r a k e 接收机的实现方案。从图 中可看出，2 d r a k e 接收机主要由三部分构成：天线阵列、权向量的更新算 法( 空时信号处理) 和r a k e 接收机。其中，天线阵列由按某种规律排列的单元 天线构成，常用的阵列形式有直线阵列和圆形阵列。自适应算法是智能天线的 核心，算法的功能是根据一定优化准则主动地适应周围电磁环境的变化，将来 自每个阵元的信号加权相加。其中权系数为复数，即每路信号的幅度与相位均 可改变。这其中涉及天线阵、r a k e 接收机和自适应算法等，因此本章分析介 绍2 d r a k e 接收机基础：无线信道、天线阵、空时信号处理、w c d m a 系统 的物理层和r a k e 接收机。 其他用户 图2 - 12 d r a k e 接收机的一种实现方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 无线信道 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称。它是任何一个通信系统不可 或缺的组成部分。按传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大 类。有线信道是平稳的和可预测的，而有些无线信道则是极其随机的，并且不 易分析。无线信道有中、长波的地表面波传播，短波的电离层反射传播，超短 波和微波的直射传播以及各种散射传播等。本章只讨论无线信道的各种特性及 影响的有关描述。 在无线通信系统中，由基站发射机到移动台的无线连接称为前向连接或下 行连接；而由移动台到基站接收机的无线连接则称反向连接或者上行连接。典 型地，前向连接和反向连接被分成不同类型的信道；无线电信号无论是在前向 连接，还是在反向连接的传播，都会以多种方式受到物理信道的影响。 由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信道往往会沿着一些不 同的路径到达接收端，这一现象称为信号的多径传输。虽然电磁波传播的形式 很复杂，但一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式。 2 1 1 移动通信的无线电传播 移动通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会受到各 个方面的衰减损失，由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号要比发射的信 号弱的多。接收信号功率可表示为： p ( d ) 一竹“s ( a ) r ( a )( 2 - 1 ) 其中d 表示距离向量，其绝对值表示移动用户与基站的距离。上式表示 信道对无线电信号的影响可归纳为三类： 1 自由空间的传播损耗与弥散，用川“表示，其中托一般为3 4 ； 2 用影衰落，用s ( a 1 表示。这是由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其 它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落； 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 3 多径衰落，用r f d l 表示。这是由于移动传播环境中的多径传输而引起的 衰落。多径衰落是移动信道特性中最有特色的部分。 事实上，以上三种效应描述的是在三种不同的区间范围内信道对信号的作 用： 1 长区间中值随距基站的距离而变，其衰减特性一般服从i d l ”律。它表明 的是以公里计的较大范围内接收信号的变化特性。路径损失主要由平方律扩 展、水气和树叶群的吸收、地表反射等引起，它与距离有关。 2 在数百波长的区间内，信号的短区间中值也出现缓慢变动的特征。这就 是阴影衰落s ( d ) ，其衰落特性符合对数正态分布：这种衰落速率较慢，又称慢 衰落；在较大区间内对短区间中值求平均可得长区间中值。它主要来自建筑物 和其他障碍物的阻塞效应 3 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征。这 就是多径衰落r ( d 1 ，由移动用户附近的多径散射产生。其衰落特性符号瑞利 分布。这种衰落由于衰落速率较快，又可称快衰落或短区间衰落。在数十波长 范围内对信号求平均，可得到短区间中值。 无线传播信道中的许多物理因素都会影响衰落，主要有： 1 多径传输 信道中反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号在 幅值、相位和时间延迟方面产生弥散：这些效应会使得发射信号经过不同路径 到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不同的多径分量 的随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落、信号畸变或二 者兼有。多径传播通常会使信号到达接收端所需要的时间加长，它可能引起码 间干扰，从而导致信号受到污损。 2 移动台的速度 基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移， 从而引起接收信号的随机频率调制。多普勒频移有可能为正，也可能为负，取 决于移动接收机与基站之间的传播路径是缩短还是加长。 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 3 周围物体的速度 如果信道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生时间变化的多普 勒频移。若周围物体以明显快于移动台的速度运动，这种效应就会压剧小尺度 衰落。否则周围物体的运动就可以忽略，只需要考虑移动台的速度。 4 信号的发射带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关时 间小于多径信号的延时差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显。 相干带宽是信号在幅值上仍然保持强相关时的最大频率差的测度。若发射信号 相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅值将快速变化，但信号在时间上将没 有畸变。因此小尺度信号强度的统计特征和小尺度距离范围内信号畸变的可能 性在很大程度上与多径信道的幅值特性、时延以及发射信号的带宽有关。 多径传输还导致信号在不同维( 时间、频率、空间) 的扩展，它们对通信信 号有明显的影响。 2 1 2 信道的参数特征 多径移动信道中存在两类扩展：多径效应引起的在时间上的时延扩展和 多普勒效应引起的在频率上的多普勒频展f n ，这实际上是移动信道的电波传 播特性在时域和频域两个方面的表现。 2 1 2 1 时延扩展 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，或称时延散布。当发射端 发送一个极窄的脉冲信号至移动台时，由于存在着多条不同的传播路径，路径 长度不一样。则发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，而且传播 路径又随着移动台的运动而变化。对于不同的传输信道，接收信号中的各个时 延脉冲可能是离散的，也可能联成一片。 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，记为。实际上，就是脉冲展宽的时间。若发送的窄脉冲为t ，则接 收信号宽度为t + 。 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中的一个码元的波形会扩展到其 他码元周期中，引起码间干扰。为了避免码间干扰，应使码元周期大于多径效 应引起的时延扩展，或者等效地说码元速率r 。小于时延扩展的倒数。即 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 2 2 ) 上面对时延扩展的解释虽然很直观，但不是确切定义。实际上，由于移动 传输环境十分复杂，在不同的地域，不同的地点，甚至不同的时间，实测的时 延差都不尽相同，因而要定量地给出时延扩展值，只能是大量实测数据的统计 平均。时延扩展可以用实测信号统计平均的方法来定义。 定义时延谱尸( f ) 为由不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱。 定义p 扛) 的一阶矩为平均时延k ，p ( r ) 的均方根值为时延扩展，即 靠一r f p ( f ) 如 2 一f ( r 一卅) 2 p ( f ) d r ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 另外，还定义一个参量：最大多径时延差已，即归一化的p 一) 包洛特性曲 线下降到3 0 d b 处所对应的时延差。 由上面给出的时延扩展是对多径信道时延特性的统计描述，其含义是表 示时延谱扩展的程度值越小，时延扩展就越轻微。反之，值越大，时延谱 扩展就越严重。 2 1 2 2 相关带宽 与时延扩展有关的一个重要概念是相关带宽。当信号通过移动信道时，会 引起多径衰落。那么信号中不同的频率分量的衰落是否相同? 这个问题的答案 对于不同的信道和不同的信号是不一样的。根据衰落与频率的关系，可将衰落 分为两种：频率选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落。 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信 道对信号中不同频率成分有不同的随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落 不一致，听以衰落信号波形将产生失真。所谓非频率选择性衰落是指信号中各 分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后。各频率分量所遭受的衰落具 有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。 + 实际上，对于移动信道来说，存在一个相关带宽；当信号的带宽小于相关 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性 衰落，信号包络相关系数等于0 5 时所对应的频率间隔称为相关带宽。若信号 衰落服从瑞利分布，相关带宽 皿z ，1 = 去( 2 - 5 ) 相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。也就是说， 衰落信号中的两个频率分量，当其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的， 其衰落具有一致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们就不相关了，其衰落具 有不一致性。对于具有某一时延扩展值的移动信道，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。 相关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度量。 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处理计算出来， 并可进一步确定这个移动信道的相关带宽皿。也就是说，相关带宽是移动信道 的一个特性。至于信号通过时，是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，当码片速率较低，信号带宽远小于 信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，则信号 波形不失真，无码间干扰，此时的衰落为平坦衰落：反之当码元速率较高，信 号带宽大于相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化是不一致的， 将引起波形失真，造成码间串扰，此时的衰落为频率选择性衰落。 实际应用中，常用最大时延瓦的倒数来规定相关带宽，即 b , - i 1 ( 2 6 ) 2 1 2 3 多普勒频移 由于移动台运动，接收信号会产生多普勒频移。在多径环境，这种频移会 成为多普勒频展。衰落信号中频率的这种随机变化称为随机调频。移动信道的 多径环境中，若接收信号为条路径来的电波，其人射角都不尽相同，当较 大时，多普勒频移就成为占有一定宽度的多普勒频展。 设发射频率为，对于到达移动台的单个路程，若入射角为口，则多普勒 频移为厶= 厶c o s a ，这里厶= ，为最大多普勒频率。 用r 表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义为相干时间： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 t = ( 2 - 7 ) ，d 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由于多普勒效 应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，换句话说，就是信道在时域 具有选择性。因而这种衰落又称为时间选择性衰落，其速率就是必，。时间选 择性衰落对数字信号的误码性能有明显影响，为了减少其影响，要求码元速率 远大于衰落节拍的速率。 2 1 3 衰落信道的类型 如上所述，多径移动信道中存在两类扩展：多径效应引起的在时间上的时 延扩展和多普勒效应引起的在频率上的多普勒频展已，这实际上是移动信道 的电波传播特性在时域和频域两个方面的表现。 时延扩展在时域上使接收信号的波形扩展，并相应在频域上规定了相关带 宽。 多普勒频展在频域上使接收信号的频谱展宽，并相应在时域上规定了相干 时间。 无论时域中还是频域中的扩展都意味着弥散，即本来分开的波形或频谱出 现了交叠。出现了弥散的信道称为弥散信道。从严格意义上，移动信道都是弥 散信道。然而，根据数字信号的码元周期丁和发射的信号带宽与时延扩展 和多普勒频展r 的关系将移动衰落信道分为四种类型。 1 非弥散信道 当下面条件满足时，就构成非弥散的衰落信道： 11 f n 二且二 。 z 。 在这种信道中，接收信号所遭受的瑞利衰落，既不是频率选择性的也不是 时间选择性的，因而又称为平坦衰落。 2 时间弥散信道 这种信道仅在时域发生弥散，在频域不发生弥散。当下述条件满足时，就 构成时间弥散信道： 11 f n 三且三 。 i 。 3 频率弥散信道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 j 页 这种信道在频域出现弥散，在时域不出现。它满足下面条件： 11 f o 二且a 二 一 1 。 在这种信道中，接收信号所遭受的衰落为时间选择性衰落，因而又称为频率平 坦衰落。 4 时间频率弥散信道 在这种信道中，接收信号既遭受频率选择性衰落又遭受时间选择性衰落。 也就是，在时间和频率上都是非平坦的。 一般来说，当信号的码元速率很低时，系统就处于频率弥散信道中，当码 元速率很高时，系统就处于时间弥散信道中。 2 2 阵列天线基础【3 0 】 无线通信通过天线发射和接收电磁波。为了提高电波的利用率，天线应具 有一定的方向性，做到定向地发射和接收：而当对方位置改变时，天线波束的 指向也应随之变化。对于移动通信，基站要面对众多的用户，而且用户的方向 是多变且无法预知的。早期的基站采用全向天线，不仅能量利用率不高，而且 造成相互影响，因为一个用户的信号对其他用户相当于干扰。这就提出了智能 天线的问题：使多天线同时形成多个波束，且波束的指向可控，从而使发射和 接收波束均能指向所需要的用户。更进一步，还希望可以控制波束的形状，使 波束的零点指向干扰电波的来波方向，对消掉干扰。 采用阵列天线易于控制波束的指向：即在空间分开布置一系列的阵元，并 将各阵元接收到的信号作加权组合。这类似于有限冲激响应( n r ) 滤波器通过延 迟线将不同时间的采样值加权组合。改变f i r 滤波器的权值，可使频率特性变 化：而改变阵列的权值，可使波束形状随之变化。 与f i r 滤波器的时域处理相对比，阵列的空域处理有类似的对偶关系：f i r 是在时域对时间信号作离散采样，而阵列则相当于在空域对空间信号作离散采 样。因此，和f i r 滤波器一样，阵列处理也可对信号作一系列的运算，如滤波， 分离和参数估计等。与f i r 滤波器不同的是，阵列所研究和处理的对象是空间 信号。下面就对其进行分析。 西南交通大学硕二l 研究生学位论文 第1 6 页 - 一一 图3 2 阵兀接收信号与位置的关系 令信号的载波为e j “，并以平面波形式在空间沿波数向量k 的方向传播( 见 图3 - 2 ) ，设基点的信号为5 ( f ) e 皿，则距离基点r 出的阵元的接收的信号为： 。( r ) = s ( ，一詈r r a ) e x p 【，( r r 7 k ) 】 ( 2 8 ) 式中 k 为波数向量； a 2 l 为电波传播方向单位向量。 l k i - o j c 。2 ，r i 为波数，其中c 为光速， 为电磁波的波长。 三，a 为信号相对与参考点的延迟时间。 c r r k 为电波传播到离基准点r 距离的阵元处相对于电波传播到基准点的滞 后相位( 弧度) 。 图3 2 中，0 为电波传播方向角，它是相对于x 轴的