（信号与信息处理专业论文）wcdma系统信道估计技术的研究.pdf

摘要 摘要 移动通信中的无线传输信道，是一个时变的多径衰落信道。为了 使发送数据经过信道衰落后，在接收端被正确接收，数据所经历的信 道衰落影响应被合理补偿。信道估计技术，作为获得信道衰落参数的 方法，是提高无线数据传输接收性能的关键技术之一。 本文主要研究w c d m a 系统上行链路的信道估计技术。信道估 计的任务则是估计无线信道的频率响应，实时地提取无线移动信道的 特征参数。本文的研究工作主要在以下几个方面： ( 1 ) 以w c d m a 系统上行专用信道所采用的间断导频发送方式 为背景，对几类实用的间断导频信道估计算法进行了研究，而且针对 衰落信道的特征，对判决反馈、多时隙加权平均和内插算法的性能做 出了理论分析。 ( 2 ) 研究分析了w c d m a 系统上行链路下的极小方差信道估计 算法以及该算法在r a k e 接收机中的应用。通过计算机仿真验证了极 小方差信道估计能为r a k e 接收机提供尽可能准确的相应时刻的信道 衰落值，从而大幅度地提高系统性能。 f 3 ) 研究了自适应滤波器信道估计算法以及将该算法应用于均衡 器。并且通过仿真验证了该算法能自适应地跟踪信道参数，提高均衡 器的均衡效果。 关键词：w c d m a ，信道估计，r a l ( e 接收机，码问串扰，最大合比 并，多时隙加权平均 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sc h a n n e li sa 脚i n gm u l t i p a t hc h a n n e l i no r d e r t or e c e i v ea n a c c u r a t es i g n a lw h i c hi st r a i l s m i t t e dt l l r o u 曲m o b i l e c h a n n e l ， i t | s i m p o r t a n tt oe q u a l i z et h ef a d i n gd a t ac a u s e db ym o b i l ec k 岫嘴1 c h 锄e i e s t i l n a t i o n ，i so n eo fk e yt e c h n 0 1 0 9 i e st h a ti m p r o v i n gt 1 1 ec a p a b i l i t yo f w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n n l i sp 川) e rm a i n l yr e s e a r c h e sc h a n n e le s t i m a t i o ni nw c d m a u p l i n k s y s l e m t h ep u r p o s eo fc h a n n e le s t i m a t i o ni st oe s t i m a t et h ec h a n n e l i 叫“s er e s p o n s e ( c i r ) ，a n df o v i d et h ec h a r a c t e r i s t i cp a t a r n e t e r so f w i r e l e s sc h a n n e l t h em a i nr e s e a r c h i n g 、v o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nb e s u m m a r i z e da sf b l l o w s ： ( 1 ) i nt h i sp 印e r w eb r i n go u ts e v e r a ja p p l i e dc h a i l n e le s t i m a t o n a l g o r i t h mu s i n gt i m em u l d p l e x e dp i l o ta s s i s t e dt r 肌s m i s s i o nf b 珊a t a n d w ea l s o a 1 1 a l y z e m ep e r f 0 肿a 1 1 c eo fd e c i s i o n f e e d b a c k ， w e i g h t e d m u l t j s l o ta v e 豫垂n ga n di m e r p o l a t i o nu n d e rv a r i o u sf a d i n gc o n d i t i o n ( 2 ) i nw c d m au p l i n ks y s t e m ，d e e p l ya i l a l y z e dl e a s t s q u a r e s c h a 仰e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma i l da p p l i e dt h em e t h o df o rr a k er e c e i v e li t i sd 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 sm a tt l l ea l g o r i m mc a np m v i d e l i n l e a c c u r a t e l y c i rt or a k er e c e i v e r 6 m e l y a n di m p r o v em e p e r f b m l a n c eo fs y s t e m ( 3 ) i 沁s e 砌e da u t o a d a p t i v ef i l t e rc h a n n e le s t i m a t i o na n da p p l i e d m ea l g o r i m mi ne q u a l i z e r i “sd e m o n s t m t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s m a tm ea l g o r i t c a l la u t o a d 印t i v e l y 廿a c kt l ec h a 加e lp a r 锄e t e r sa n d i m p r o v e t l l ee 丘如to f e q u a l i z c r k e y w o r d ：w c d m a ，c h a i 】n e le s t i m a t i o n ，r a k er c c e i v e r i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，m a ) 【i m a lm t i oc o m b i n i n g ，w e i g h t e dm u l t i s l o ta v e r a g i n g i i 独创性声明 y 8 7 9 8 2 1 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。尽本人所知，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，也不包含为获得北 京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 醢啦 日期：丛年二l 月上生日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名： 日期：尘堕年上月坐日 第一章绪论 移动通信是现代通信技术中不可缺少的一部分，它是一门复杂的 高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集 中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模拟通 信发展到了数字通信阶段，从窄带通信发展到了宽带通信，并且正朝 着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，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务l lj 。 1 1第三代移动通信的现状 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业 务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容， 并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系 统。由于其自身固有的技术优势，c d m a 技术已经成为第三代移动通 信的核心技术。第三代移动通信系统的目标可以概括为： ( 1 ) 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游， 且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务； ( 2 ) 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频非 话音等业务，特别是多媒体业务： ( 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、 综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统，来 提供无缝隙的覆盖： ( 4 ) 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和 高质量的服务。 北京交通大学硕士学位论文 为实现上述目标，对其无线传输技术( r t t ：r a d i ot r a n s m i s s i o n t e c l l i l o l o g y ) 提出了以下要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少2 mb i “s ； 室内外步行环境至少3 8 4 k b i t s ； 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i “s ； 卫星移动环境至少9 6 k b i “s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路能适应不对称需求。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出， 当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n d m o b i l et e l e c o m m u i l i c a t i o ns y s t e m ) ， l9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ，国际移动通信一2 0 0 0 ) ， 意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b i “s 。主 要体制有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 下面简单介绍一下第三代移动通信系统的3 种体制： l 、w c d m a w c d m a 最初主要由爱立信、诺基亚公司为代表的欧洲通信厂商 提出。这些公司都在第二代移动通信技术和市场上占尽了先机，并期 望能够在第三代依然保持世界领先的地位。同本由于在第二代移动通 信时期没有采用全球主流的技术标准，而是自己独立制订开发，很大 程度上制约了日本的设备厂商在世界范围内的作为，所以希望借第三 代的契机，能够进入国际市场。以n t td o c o m o 为主的各个公司提出 的技术与欧洲的w c d m a 比较相似，二者相融合，成为现在的w c d m a 绪论 系统，w c d m a 主要采用了带宽为5 m h z 的宽带c d m a 技术，上、下 行快速功率控制，下行发射分集，基站间可以异步操作。 w c d m a f d d 的技术优势在于，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，可以解决多径问题和衰落问 题；采用t u r b o 信道编解码，可以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 需基站之问严格同步；采用连续导频技术，可以支持高速移动终端； 在下行链路中，各用户相干检测所需的导频信号是用时分复用方式来 发送的，并且每条链路对应一个导频信号，所以可以被用来进行信道 估计。 2 、c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 也称为c d m am u l t i c a m c r ，由美国高通北美公司为 主导提出，摩托罗拉、l u c e m 和后来加入的韩国三星都有参与，韩国 现在成为浚标准的主导者。这套系统是从窄带c d m ao n e 数字标准衍 生出来的，可以从原有的c o m ao n e 结构直接升级到3 g ，建设成本低 廉。但目前使用c d m a 的地区只有日、韩和北美，所以c d m a 2 0 0 0 的 支持者不如w c d m a 多。不过c d m a 2 0 0 0 的研发技术却是目前各标准 中进度最快的，许多3 g 手机已经率先面世。 c d m a 2 0 0 0 采用m c c d m a ( 多载波c d m a ) 多址方式，可支持 话音、分组数据等业务，并且可实现q o s 的协商。c d m a 2 0 0 0 包括l x 和3 x 两部分，也可扩展到6 x ，9 x ，1 2 x 。对于射频带宽为1 2 5 m h z 的 c d m a 2 0 0 0 系统，采用多个载波来利用整个频带，如果频带划分以 5 m h z 为基准，则可以同时支持3 个载波，即c d m a3 x 技术。 c d m a 2 0 0 0 采用的功率控制有开环、闭环和外环三种方式，速率为8 0 0 北京交通火学硕十学位论文 次秒或5 0 次秒。c d m a 2 0 0 0 还可采用辅助导频、f 交分集、多载波 分集等技术来提高系统的性能。 3 、t i 卜s c d m a t d s c d m a 技术规范是第一份由我国自己提出的被i t u 全套采纳 的无线通信标准。t d s c d m a 以g s mm a p 为核心网的基础，实现了 与第二代移动通信网的平滑过渡，并使用了同步c d m a 技术、联合检 测、智能天线、软件无线电和非对称传输技术。在2 0 0 0 年5 月的 i t u r r a 2 0 0 0 会议上正式批准t d s c d m a 作为m 1 4 5 7 建议的部 分，并提交到3 g p p 。在2 0 0 1 年3 月结束的3 g p pt s gr a n 第1 1 次全会 上，将t d ，s c d m a 列为第三代移动通信系统标准之一，包含在3 g p p r e l e a s e4 中。 t d s c d m a 与其他第三代移动通信系统标准相比具有的优势主 要体现在以下几个方面：采用t d d 方式，仅需要1 6 m h z ( 单载波) 的 最小带宽，因此，频率安排灵活，不需要成对的频率，可以只用任何 零碎的频段，能较好地解决当前频率资源紧张的矛盾，若带宽为5 m h z 则支持3 个载波，在一个地区可组成蜂窝网，提供高速移动业务；频 谱利用率高，抗干扰能力强，系统容量大，适于在人口密集较大的大、 中城市传输对称与非对称业务，尤其适合移动i n t e m e t 业务；全面满足 l t u 要求，适用于多种环境：设备成本低，系统性价比高。 4 、三种标准的比较 表1 1 对w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种主流标准的主 要技术性能进行了比较。 绪论 表1 1 三种主流第三代移动通信系统标准主要技术性能比较表 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 载频间隔5 m h z1 2 5 m h z 1 6 m h z 码片速率 3 8 4 m c ，s1 2 2 8 8 m c s1 2 8 m c s 帧长 1 0 m s2 0 m s1 0 m s 基站同步不需要需要，典型方法是g p s需要 功率控制快速功控：上、下反向：8 0 0 h z o 2 0 0 h z 行1 5 0 0 h z前向：慢速、快速功控 r 行发射支持支持支持 分集 频率间切支持，可用压缩模 支持支持，可1 = i j 空闲 换式进行测量时隙进行测量 检测方式相干解调相干解调联合检测 信道估计公共导频前向、反向导频 d w p c h 、 u d p c h 、中问码 编码方式卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 1 2 课题的背景意义 出于地理环境的复杂性和多样性，用户移动的随机性和多径传播 等现象的存在，使得移动通信系统的信道变得十分复杂。而由移动和 多径传播引起的多径衰落现象则是移动通信信道的主要特征。移动通 信中的多径衰落包括三种：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。 北京交通大学硕士学位论文 在模拟通信中，所关心的是信号的幅度和包络，所以十分关心时阳_ 】选 择性衰落。随着数字通信技术进入到移动通信领域，时延扩展所引起 的码问串扰问题就变得突出起来了，所以频率选择性衰落问题便引起 了重视。 为了将智能天线和自适应天线技术应用于移动通信系统中，以充 分发挥空域中的潜力，就需要对多径衰落信道在空间角度域上的扩散 特性进行细致地研究。为了得到高速可靠的通信，对于频率选择性衰 落信道引起的码问串扰( i m e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 问题，接收端在 抽样判决之前有必要对数字信号的畸变进行处理，这种用来消除i s i 的信号处理方法就是均衡。当信道缓慢变化时，可以近似认为信道在 段时间内不变，然后使用线性时不变信道的均衡技术。由于移动衰 落信道具有随机性和时变性，线性时不变信道的假设在实际通信系统 中由于时延扩展和多普勒效应是很难成立的，此时必须自适应地跟踪 信道参数，提高均衡器的均衡效果。 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，可以用蹦【e 接收机来分别 接收。r 丑k e 接收的原理就是使用相关接收机组，对每个路径使用一 个相关接收机，各相关接收机与同一期望信号的一个延迟形式做相 关，然后合并各路输出。当然，此时的时延扩展应该小于一个符号周 期，如果时延扩展大于一个符号周期，说明符号速率大于信道的相干 带宽，将会导致严重的符号间干扰。为了避免符号问干扰，符号速率 应小于信道的相干带宽。只要信道的时延扩展小于符号周期。r 矗k e 接收机就能够恢复原始信息，并不需要额外的均衡。 6 绪论 r a k e 接收的前提是实时地提供各条路径的信道参数，以便于对 解扩后的s y m b 0 1 级数据符号值进行相位纠偏，由于矢量的最大比合 并技术( m “i m a l 黜血oc o m b i n i n g ，m r c ) 要求合并前的各径矢量信号 与发送矢量信号相位一致，否则在瑞利衰落环境下无法利用相干解调 方式恢复出原始的数据符号，所以要求信道估计单元能够尽可能准确 的估计出相应时刻的信道衰落值。理想的信道估计应该能够快速跟踪 信道的变化，在保证及时性的前提下，尽可能提高信道估计的准确性。 3 g 系统的载波频率为2 g h z 左右，比第二代系统高一倍多，所以， 3 g 系统中的最大多普勒频移要比第二代大得多，这也意味着3 g 系统 中信道的衰落速度有可能非常快。第三代移动通信系统协议规范 ( 3 g p p ) 中也要求：在移动台速度高达5 0 0 k m h 时，移动通信系统也能 稳健地估计信道。此时有效地估计信道衰落并跟踪信道的变化是非常 重要的。 1 3 国内外的研究状况 信道估计技术的本质即为实时地提取无线移动信道的特征参数。 目前该技术主要分为两大类：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，增大了系统容量。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，提取出 所需的信道特征参数。非盲信道估计的实现复杂度较低，接收性能也 北京交通人学硕十! 学位论文 较好，但其需要发送额外的导频序列。 在w c d m a 系统中，上下行链路均采用了辅助导频的信道估计 体制，不同的是下行链路除了在专用物理控制信道发送时分导频符号 外，还在公共导频信道发送专门的连续的公共导频符号。这是由于发 送端基站不受复杂度和功耗的限制。而上行链路由于移动台复杂度及 功耗的限制，采取了在专用物理控制信道中时分插入固定导频符号的 白j 断导频估计体制。针对w c d m a 系统中辅助导频的衰落信道估计 与跟踪问题，许多学者己经做了大量的研究，取得了不少的研究成果， 大致可以分为以下几类： ( 1 ) 加权平均的方法。文献p j 介绍了用简单的导频信号平均方法 来估司信道的衰落参数。该方法假设信道参数在一个时隙或几个时隙 内保持不变，用导频符号的解扩输出乘以相应已知导频符号的复共轭 得到初始的信道估计值，然后在一段时间内进行平均，平滑噪声的影 响。其特点是对于慢衰落信道，参数估计将有很高的估计精度：对于 快衰落信道，由于估计周期长，响应慢，将不能实时跟踪信道的变化。 文献【4 】介绍了多时隙加权平均( w m s a ，w e i g h t c dm u l t i s l o ta v e r a g i n g ) 的方法。该方法是将相邻几个时隙估计得到的信道参数进行加权平 均，得到信道参数较准确的估计。w m s a 方法利用了当前第4 时隙 以静的k 1 个时隙和以后的k 个时隙，加上当前时隙，共2 k 个时隙。 但w m s a 方法是一个非因果系统，使用中将产生k 个时隙的时延， 并且当移动台高速运动时，相邻时隙的信道参数有较大的变化， w m s a 算法跟踪信道的能力降低，故而信道估计的误差也将增大。 上面提到的两种方法都需要根据信道的衰落速度( 正比于移动台的移 动速度) 来选取滤波器的长度，即信道衰落较慢时选用比较长的滤波 绪论 器长度，信道衰落较快时选用较短的滤波器长度。 ( 2 ) 信道的插值方法。在上行链路中，导频符号和其它控制符号 是时分复用的，在下行链路中，虽然有连续的导频符号，但公共导频 信道并没有功率控制，是以恒定功率发送的，所以当移动台处于小区 边缘时，公共导频信道的信噪比会比较低，此时应利用专用物理控制 信道中的时分导频符号来估计信道1 5 j 。由于导频符号只是存在于某一 段时间内，所以可以用插值的方法估计在导频符号不存在的时间内的 信道参数值，以实现对时变信道的估计。对于每一个r a k e 接收机的 分支，先用己知的导频符号获得初始的信道估计，然后利用插值方法 得到最终的信道估计，最后用最大比合并r 丑k e 接收机的分支。文献 1 6 】介绍了最基本的线性内插的方法，该方法假设信道参数在相邻两个 时隙内是线性变化的，首先利用己知的导频符号获得连续两个时隙导 频符号处的初始信道估计值，然后根据信道参数变化的线性获得两段 导频符号之间的信道参数。相对于线性内插的方法，文献j 介绍了基 于多项式拟和的方法，该方法把一段时间内信道参数的变化看成了非 线性的，用拟和多项式的方法来获得信道参数的准确估计。 ( 3 ) 自适应的方法。文献【s 9 】通过估计信道的多普勒频移，自适应 地调整估计算法中的某些参数，从而保证在不同车速下，信道估计均 能及时跟踪信道的变化。文献【1 0 】【j 将信道参数建模为一a r 过程，用 k a l m 姐滤波的方法来实时地跟踪信道参数的变化。k a i m a i l 滤波需要 已知信道和噪声干扰的统计特性，这在一般情况下很难估计。文献i l 副 介绍了基于l m s 算法的自适应信道跟踪算法，这种算法需要较高的 信噪比并且其收敛速度比较慢，当信遒变化很快时不再适用。 很多文献中大多假设信道为慢衰落信道或平坦衰落信道，这对于 北京交通大学硕士学位论文 宽带信号系统及室外快速移动的系统来说是远远不够的，因此必须采 用更复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对 信道为频率选择性衰落和移动台快速移动时的情况进行研究。 1 4 本文的主要工作及章节安排 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f 确的传输信息，很有必要了解f 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。接收端的r a k e 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，我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，主要进行了以下两方面工作： ( 1 ) 基于w c d m a 系统的信道估计技术，深入分析了信道估计技 术在国内外的最新研究成果，总结出该技术领域的两大研究方向，即 盲信道估计和非盲信道估计，然后对以下几类实用的辅助导频的信道 估计算法进行了较为深入的研究：1 基于判决反馈的算法；2 多时隙 加权平均( w m s a ) 算法( 基本w m s a 算法，改进w m s a 算法) ；3 插值类算法( 线性插值，高斯二阶插值) 。首先，本文以w c d m a 系统上行链路和r 丑l 【e 接收机为背景，针对各类算法给出了详细的介 绍和相应的理论分析。其中，多时隙加权平均法和插值类算法都是只 利用了导频符号来估计信道衰落因子。基于插值的方法就是利用导频 符号处所估计的信道衰落因子值来内插信道，进而得到导频符号之间 的信道衰落因子。而基于判决反馈( d e c i s i o nf e e d b a c k ) 的信道估计方 1 0 绪论 法，不仅利用了已知的导频符号值。而且通过判决反馈这种手段利用 了专用物理控制信道( d p c c h ) 中其它控制符号的值来参与信道估计 过程。 ( 2 ) 以w c d m a 系统上行链路为背景，主要研究了极小方差信道 估计算法在r a k e 接收机中的应用。由于w c d m a 系统上行链路采用 的是基于相干解调的r a k e 接收方案，故要求对信号在多径衰落信道 中所经历的衰落做出准确实时的估计。以便在r a l ( e 接收机中实现相 位纠偏和相干接收。同时还研究了自适应滤波器信道估计在均衡器中 的应用。由于移动信道的多径衰落特性造成的码间干扰( i s i ) 十分严 重，必须采用自适应均衡技术才能消除，而基于最大似然序列估计 ( m l s e ) 准则的自适应均衡技术需要预先知道信道的冲激响应，本文 的自适应滤波器信道估计算法则是：每当收到一个新的突发序列时， 利用己知的训i 练序列和收到的样值序列进行相关计算，估计出新的信 道冲激响应：由于信道一直在变化，本文用l m s 算法对信道参数进 行跟踪和调整。对于以上的两种研究，都结合计算机仿真分析了它们 的误码性能。 论文总共分为六章，结构安排如下： 第一章综述了移动通信的现状、课题的研究意义、国内外的研究 状况以及本文的主要工作。 第二章分析了无线通信信道的传播环境和信道模型，并给出了国 际电联仿真用的多径信道模型的参数。 第三章以w c d m a 系统上行链路和& i k e 接收机为背景，讨论和 比较了几种常用的信道估计技术的原理。 第四章和第五章是本文的重点，以w c d m a 系统上行链路为背 北京交通大学硕士学位论文 景，主要研究了极小方差信道估计算法及其在r a k e 接收机中的应用。 还研究了自适应滤波器信道估计及其在均衡器中的应用。同时对这两 种方法都进行了计算机仿真。 第六章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问 题，并展望该领域的研究发展趋势。 无线通信信道分析 第二章无线通信信道分析 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 的特殊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大类。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，并且不易分析。由于无线信道的 复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿不同的路径到达接收 端，这一现象称为信号的多径传播。多径传播导致信号在不同维( 时 间、空间、频率) 的扩展，使通信信号产生明显的衰落，这是无线信 道的最大特征。本章紧紧围绕无线信道的物理分析和数学描述，对信 道的衰落进行分析，并介绍了衰落信道的各种特性；对多径信道模型 作理论分析；最后给出国际电联制定的仿真用多径信道模型参数。 2 1 无线通信的传播环境 无线信道与固定通信的不同之处在于通信时电台所处的环境时 移动的，因此，无线通信信道是影响无线通信系统性能的一个基本因 素。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播到 各种复杂的具有各种各样障碍物的反射、折射和散射路径，无线信道 的传播特性具有极大的随机性。同时，随着发射机和接收机之间距离 的不断增加，还会引起电磁波急剧的衰减。而且，移动台相对于发射 台移动的方向和速度也对接收的信号有很大的影响。因此，模拟无线 信道一直是移动无线设计的一个难点，对无线信道的研究只能在统计 意义上来进行。 北京交通大学硕士学位论文 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 ) 传播模型两种。大尺度模型主要用于描述发射 机和接收机之问长距离( 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( 秒级) 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衰落可以归纳为如下三类： ( 1 ) 路径损耗。由发射机与接收机之间的距离d 决定，表征在以 千米计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 豹对数衰减。 ( 2 ) 阴影衰落。路径损耗没有考虑到在收发距离d 相同情况下， 不同位置的周围环境的差别。如果考虑到周围地形起伏和其它障碍物 对电波遮蔽所引起的衰落，则对任意d 值，某特定位置的路径损耗服 从对数f 念分布，称为对数i f 态阴影衰落。它描述了在由相同收发距 离d 所围成区域的短区间平均功率，是慢变信号。 ( 3 ) 多径衰落。描述在几个波长量级的距离或秒量级这样短的时 间内信号的快速变化，即信号的局部平均功率( 1 0 c a lm e a np o w e r ) 。在 移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是由单一路径来的，而是 由许多路径来的反射波的叠加。由于各路径的距离不同，因而由各路 径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在 接收端叠加，使接收信号的幅度急剧变化，产生了衰落。即使接收机 处予静止状态，接收信号也会出于在无线信道所处的环境中的物体的 运动而产生衰落。多径衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分 靠。 1 4 无线通信信道分析 一般而言，路径损耗和阴影衰落属于大尺度衰落，表征接收信号 在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化；多 径衰落属于小尺度衰落，表征接收信号短时问内的快速波动。这样， 实际的无线信道衰落因子可表示为： 叩( t ) = 掌( t ) f ( t )( 2 1 ) 玎( t ) 表示信道的衰落因子，乎( t ) 表示小尺度衰落，f ( t ) 表示大尺 度衰落。 多径衰落是移动信道特征中最具特色的部分，其衰落速度之快， 以致大尺度衰落的影响往往可以忽略不计。从无线工程的实施来看， 路径损耗和阴影衰落主要影响无线区域的覆盖范围，合理的设计能使 不利因素降到最低限度。而多径衰落却对信号的传输质量有着严重的 影响，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其作用，包括 分集、扩频跳频、均衡、纠错编码和交织等。另外，信号传输方式， 如调制方式，对信道衰落也要有一定的适应能力。 多径效应可以从时间和空间来描述和测试。从空间角度来看，沿 移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。其中，本地 反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离 增加而起伏下降的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散 损耗。从时间角度来看，各个路径的长度不同，信号到达的时间就不 同。这样，从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲， 还包含它的各个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号脉冲宽 度扩展的现象，称为时延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) ，如图2 1 所示。扩 展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来 测量。多径信号的振幅、相位和入射角都是随机分布的，即使移动台 北京交通大学硕士学位论文 处于静止状态，由于信道中障碍物的运动仍然会造成信号参数的随机 分布现象。通常，在模拟移动系统中主要考虑多径效应引起的接收信 号幅度的变化，而在数字移动系统中则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干扰，严重影响数字 信号的传输质量。 门n l 喾f 口f 罩“ 啊 f ：如+ 口 九 r 主nf 三1 2 + f 玎，茸n + r 妞 圈2 1 时变多径信道对短脉冲的响应 2 2 无线通信信道模型 与其他通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。在理想无线 信道中，接收信号只包括一条直接的路径，在接收端可以完美重现传 输信号。在实际陆地移动通信系统中，一方面由于移动台处于城市建 筑群中或地形复杂的区域内，发射机与接收机之间的传播路径非常复 杂，从简单的视距传播到各种复杂的具有障碍物的反射、折射和散射 路径；另一方面随着移动台本身的移动，发射机与接收机之间的距离 不断变化，使得移动台和基站之间的无线信道具有极大的随机性并且 难以控制。所以，当无线信号通过这种时变信道时将会受到来自不同 途径的衰减。 对于无线通信系统中的移动台来说，可以在很短的时间内快速地 mn 嚣n目= = 军 f 无线通信信道分析 跨越一定的距离，所接收的能量会起伏不定，呈现明显的随机波动现 象，这种现象称为衰落。在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动 台的接收信号在1 秒之内的显著衰落可达数十次，衰落深度可达 3 0 d b i ”】。衰落现象会严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性。 不同环境下移动信道传播特性不尽相同，例如高楼林立的城市和开阔 平坦的农村相比，移动信道的衰落特性大有差异。可见，复杂和恶劣 的传播条件是移动通信信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这 一方式本身所决定的。 2 2 1多径信道衰落因素 无线信道中有许多物理因素会影响小尺度衰落，包括： ( 1 ) 多径传播。无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线 组成了一个不断变化的传播环境。这样一个环境造成信号在幅度、相 位和到达时间上的变化，形成多个不同的无线电波。各个无线电波的 幅度和相位随机分布，使合成信号的功率产生波动起伏，导致多径衰 落和信号失真等现象。多径传播常常会延长信号基带部分到达接收机 所用的时间，造成码问干扰。为了减少码自j 干扰，就要加大码元周期。 ( 2 ) 移动台的运动速度。移动台和基站之间的相对运动会产生多 普勒频移，不同多径信号的多普勒频移是不同的，由多普勒频移所产 生的调频也呈随机化。多普勒频移是正频移或负频移，取决于移动台 是朝向还是背向基站运动。 ( 3 ) 信道中障碍物的移动速度。如果信道中有移动的物体，那么 这些物体也同样会造成多径信号的多普勒频移的差异。如果移动台速 度远大于环境物体速度，可以忽略环境物体运动速度的影响。如果环 北京交通人学硕士学位论文 境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决 定作用。否则，可仅考虑移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运 动速度的影响。 ( 4 ) 信号的传输带宽。如果信号的传输带宽大于多径信道的带宽 ( 多径信道可以看成是一个时变系统，它的带宽可以用相干带宽表 示) ，那么接收信号会失真，但是接收信号的能量在很小的范围内变 化不是很大( 也就是小尺度衰落现象并不严重) 。如果发射信号的带 宽与信道相比是窄带的，那么信号的幅度变化就会很快，但信号不会 出现时间失真。所以，小尺度信号的强度和短距离传输后信号模糊的 可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。 2 2 2 多普勒效应 由于移动台与基站之间的相对运动，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( d 0 p p l e r ) 频移，频移的大小与相对运动速度和运动方向以及载波频率有关。假 设移动台以恒定速率，在长度为端点为x 和y 的路径上运动时收到 来自远端源s 发出的信号，如图2 2 所示。 图2 2 多普勒效应示意图 无线通信信道分析 无线电波从源s 出发，在x 点和y 点分别被移动台接收时所走 的路径差为r = d c o s 口= v f c o s 口。m 是移动台从x 运动到y 所需 的时间。目是x 和y 处的入射角，由于源端距离很远，可假设x ，y 处的口是相同的。所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为： 妒：掣：掣。o 。护( 2 2 ) 口= = c o s6 2 - 2 ) 定义多普勒频移正为频率变化值，即： 厶= 去等= 盖_ c o s 臼 ( 2 3 ) 由公式( 2 3 ) 可看出，多普勒频移是移动台运动速度v 、移动台运 动方向与无线电波入射方向之间夹角目的函数。若移动台朝向入射波 方向运动，则多普勒频移为正( 即接收频率上升) ：若移动台背向入 射波方向运动，则多普勒频移为负( 即接收频率下降) 。厶= 姜= 堕 称为最大多普勒频移。多普勒频移的范围为厶，通常比载波频率工 小的多。接收信号的不同频率成分对应不同的多普勒频移，从而造成 接收信号的多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) ，因而增加了信号带宽。 2 2 3多径信道的冲激响应模型 移动无线信道的小尺度变化与信道的冲激响应直接相关。因为移 动无线信道可建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器，其中 时变是由于接收机的空间运动所引起的。信道的滤波特性以任一时刻 到达的多径波为基础，其幅度与时延之和影响信道滤波。冲激响应是 信道的一个有用特性，可用于预测和比较不同移动通信系统的性能以 及某一特定移动信道条件下的传播带宽。 北京交通大学硕七学位论文 根据线性时变系统理论，假定无线信道是具有加性白高斯噪声 ( a w g n ) 的时变多径瑞利衰落信道，而且多径信道的各个路径分量是 独立的，其复基带冲激响应可用抽头延迟线模型来描述，表达式为： 向( f ，f ) = 毒( r ) 万( f q o ) ) ( 2 - 4 ) ，- l 上式中，单位脉冲响应矗( f ，f ) 是信道在时刻t 对作用于时刻卜r 的一 个脉冲的响应。r 表示持续时间变量，即路径的时延变量。l 为可分 辨的路径数，0 ( f ) 是第，条路径的传播时延。第f 条路径的复振幅 眚( f ) = 障( 叫矿妈”，也称为第，条路径的信道增益或衰落因子，毒( f ) 和 掌，( f ) 不相关( 若f ，) ，辞( ，) = 2 万z f ，( f ) 满足均匀分布，z 为载波频率。 因为传播路径的时延随时间的变化远慢于路径的衰落因子随时间的 变化，大多数情况下，( f ) = f ，于是式( 2 4 ) 可以简化为： 向( f ，r ) = 毒( f ) 占( f q ) ( 2 5 ) 上式的关系可用图2 3 所示的抽头延时线模型来表示，抽头数为l ， 抽头增益当( r ) 是复值的和时变的，抽头位置不一定是均匀的，即不要 求= r 一一。相等。也可以用一个f i r 数字滤波器来实现，这需要 对滤波器系数喜( f ) 进行抽样，而各_ 值必须取抽样间隔t 的整数倍。 2 0 无线通信信道分析 圈2 3 多径衰落信道的抽头延时线模型 信道路径的衰落因子磊( f ) 随时间的变化称为衰落。如果在传播路径上 存在着大量随机移动的散射物，则喜( f ) 近似为零均值复高斯过程，其 包络满足瑞利( r a y l e i g h ) 分布。若在随机移动的散射物之外，还存在 着固定的散射物和信号反射器，则隔1 卣( r ) i 满足莱斯( r i c i a l l ) 分布。 2 2 4 无线信道的描述参数 l 、时延扩展 从时域的角度看，由于传播路径随移动台的运动而变化，各条路 径的传播长度不同，接收到的信号不但包括该脉冲，还包括它的各个 延迟信号，这种由于多径效应引起的接收信号的波形展宽现象，称为 时延扩展。扩展的意思是接收信号与发射信号比较而言，能量不集中， 在时间上散开了。信号的最大传输时延和最小传输时延的差值是脉冲 扩展的时间。对于数字系统，由于时延扩展有可能使接收信号中一个 码元的波形扩展到其它码元中去，引起码间干扰，因此限制了数字频 分复用系统的最大传输符号率。 时延扩展通常用平均多径时延；的均方根表示： 北京交通大学硕士学位论文 2 = r ( f f ) 2 p ( 郴r ( 2 6 ) 其中，p ( r ) 是不同时延信号的平均功率的归一化时延谱。 在i t u - rm 1 2 2 5 中，时延扩展不直接用( 2 5 ) 式表示，而是给出 不同测试环境的信道冲激响应模型的基本参数和抽头时延线参数，用 这些参数仿真时延扩展信道。 2 、相干带宽 从频域的角度研究多径信道，相干带宽且。表示信号保持很强相 关性的最大