（信号与信息处理专业论文）同步时间扩展、时频扩展技术——无线通信中衰落处理技术研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 同步时间扩展、时频扩展技术 一一无线通信中衰落处理技术研究 摘要 扩频通信、分集、信道均衡、信道编码等技术都是处理信道衰落 的较好措施，但它们处理快速衰落的效果都不是十分理想。本文在这 些研究成果基础上，研究采用时间扩展和时频联合扩展方法，提高处 理衰落的能力和增强对不同衰落的适应性，特别是改进处理快变衰落 的性能。 1 、同步时间扩展技术研究 扩频技术可以区分多径信号进行r a k e 分集接收，是一种有效处 理多径效应的手段。与此对应，时间扩展可以在频域上进行r a k e 分 集接收，有效处理时变衰落带来的影响。同步时间扩展可以有效控制 和处理时间扩展带来的符号间干扰。获得1 0 4 误码率，本文同步时间 扩展分集接收算法( 扩展长度1 0 2 4 ) 在时变衰落信道中所需的信噪 比与a w g n 信道不分集处理所需的信噪比只相差1 4 d b 。 创新点： 设计了解决时间扩展符号间干扰的同步扩展模型，提出了衰 落信道中同步时间扩展信号的分集接收技术。 2 、0 f d m 信号在时变衰落信道中接收技术研究 o f d m 是同步时间扩展的一种具体形式。o f d m 信号在时变衰 落信道中传输时存在载波问干扰i c i ，传统的o f d m 接收技术的性能 较差。基于衰落信道的多谱勒分解，o f d m 信号在时变衰落信道中的 传输时可以等效成信息数据直接通过无衰落的离散白噪声滤波器模 型信道传输，维特比算法可用于接收这类信号。该接收技术可以有效 去除传统o f d m 系统中的载波间干扰i c i ，消除误码的地板效应，提 高了系统性能，使o f d m 信号适合在时变衰落信道中传输。 创新点： 提出了时变衰落信道传输o f d m 信号的白噪声等效滤波器模 型，设计了最大似然接收算法。 3 、时频扩展技术研究 时间扩展技术与扩频技术结合，实现时频联合扩展。时频联合扩 展既拥有扩频通信技术处理多径效应的优势，也具有时间扩展处理衰 北京邮电大学博士学位论文 落变化的能力，可同时在不同的衰落环境和噪声环境中使用，具有较 强的适应能力。时频联合扩展信号的多径一多谱勒联合分集接收，提 高了时频扩展的性能，增强了它的“鲁棒性”。 创新点： 设计了同步时频扩展模型，提出了多径衰落信道中时频扩展 信号的综合分集接收算法。 4 、时间扩展应用研究 移动卫星信道韵芬层m a r k o v 链信道模型比较综合地反映了影响 信号传输的各种因素，较好地解决了因素的全面性和处理的复杂性间 的矛盾。移动卫星通信中存在复杂的频率发散效应，时间扩展适应不 同频率发散能力强，可以很好地利用频率分集来增强通信效果。 创新点： 提出移动卫星信道分层m a r k o v 链信道模型，进行同步时间扩 展在移动卫星通信等移动通信领域中应用研究。 关键词：衰落时间扩展o f d m 时频扩展信道分解分集 i i 北京邮电大学博士学位论文 s y n c h r o n o u st i m es p r e a d i n ga n dt i n 皿一 f r e q u e n c y s p r e a d i n gt e c h n i q u e s 一f a d i n gp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ss t u d yi nw i r e l e s s c o n 眦u n i c a t l 0 n a b s t r a c t s p r e a d i n gs p e c t r u m ，d i v e r s i t y , c h a n n e le q u a l i z e ra n dc h a n n e lc o d i n g a r et h ew a y st oh a n d l ew i t hs o m et y p e sc h a n n e lf a d i n g b u tt h e ya r el i t t l e e f f e c t i v et oc o m p e n s a t et h ee f f e c t so ff a s tf a d i n g i nt h i sp a p e r , b a s e do n t h o s et e c h n i q u e s ，t i m es p r e a d i n ga n dt i m e - f r e q u e n c ys p r e a d i n gw a y s a r es t u d i e dt oe n h a n c et h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eo v e rf a d i n g c h a n n e l s ，e s p e c i a l l yf a s tf a d i n gc h a n n e l s 1 ，s y n c h r o n o u st i m es p r e a d i n g b ys p e c t r u ms p r e a d i n g ，t h em u l t i p a t hs i g n a l sc a l lb ed i s t i n g u i s h e d a n dr e c e i v e db yt i m ed o m a i nr a k er e c e i v e r t i m es p r e a d i n gc a na l s o u s er a k ed i v e r s i t yr e c e i v e ri nf r e q u e n c yd o m a i n s y n c h r o n o u st i m e s p r e a d i n gc a no v e r c o m et h e i s ii n t r o d u c e db yt i m es p r e a d i n g t o a c h i e v e10 4b e rp e r f o r m a n c e ，t h es n rr e q u i r e di nt i m e - v a r y i n gf a d i n g c h a n n e l sb yo u rd i v e r s i t yr e c e i v i n ga l g o r i t h mw i t h1 0 2 4b i t ss p r e a d i n g l e n g t hi so n l y1 4 d bm o r et h a nt h a ti na w g n c h a n n e l sw i t h o u td i v e r s i t y 2 ，o f d ms i g n a l sr e c e i v i n gt e c h n i q u ei nt i m e v a r y i n gf a d i n g c h a n n e l s o f d m ，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 nm u l t i p l e x i n g ，i sas p e c i a l c a s eo fs y n c h r o n o u st i m e s p r e a d i n g t h e r e e x i s ti 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 ) p h e n o m e n aw h e no f d ms i g n a l sa r et r a n s m i t t e do v e r t i m e v a r y i n gf a d i n gc h a n n e l s t h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lo f d m c o m n l u n i c a t i o n s y s t e m sa l s o d e c r e a s e s b a s e do nd e c o m p o s i n go f t i m e v a r y i n gf a d i n gc h a n n e l s ，o f d ms i g n a lc a nb et r e a t e da sd a t a t r a n s m i t t i n go v e rad i s c r e t e t i m ew h i t en o i s ef i l t e rm o d e lc h a n n e l d i r e c t l y t h ev i t e r b ia l g o r i t h mi su s e dt or e c e i v et h es i g n a l b yt h i sw a y , t h ei c ia n d “e r r o rf l o o r ”i nt r a d i t i o n a lo f d ms y s t e ma r er e m o v e d ，a n d t h ep e r f o r m a n c ei se n h a n c e ds i g n i f i c a n t l y 3 ，t i m e f r e q u e n c ys p r e a d i n g i i i 北京邮电大学博士学位论文 w h e nt h es i g n a l sa r es p r e a di nt i m ed o m a i na n ds p e c t r u md o m a i n t o g e t h e r , t i m e - f r e q u e n c ys p r e a d i n g i sa c h i e v e d t i m e - f r e q u e n c y s p r e a d i n gs i g n a l sc a nb er e c e i v e db ym u l t i p a t ha n dd o p p l e rd i v e r s i t y r e c e i v e r t i m e f r e q u e n c ys p r e a d i n gg e t sb o t ht h ea d v a n t a g e so ft i m e s p r e a d i n ga n dt h a to fs p e c t r u ms p r e a d i n g ，a n di t i s r o b u s tt oc h a n n e l f a d i n g 4 ，a p p l i c a t i o ns t u d yo ft i m es p r e a d i n g t h em a r k o vc h a i nm o d e lo fm o b i l es a t e l l i t ec h a n n e lc o l l e c t sm o s to f t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h em o b i l es a t e l l i t es i g n a l ，b u tt h em o d e li sa l s oe a s y t ou s e t h em o d e lc a ni l l u s t r a t et h ec o m p l i c a t e df r e q u e n c ys p e c t r u m d i s p e r s a le a s i l y d i v e r s i t yr e c e i v i n ga l g o r i t h mo fs y n c h r o n o u s t i m e s p r e a d i n gs i g n a lc a nc o l l e c tt h ed i s p e r s e de n e r g ye f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：m u l t i p a t h f a d i n g ，t i m es p r e a d i n g ，o 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 nm u l t i p l e x i n g ，t i m e s p e c t r u ms p r e a d i n g ，c h a n n e l d e c o m p o s i n g ，d i v e r s i t y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之 本人签名：耋毛量叁扛 处，本人承担一切相关责任。 日期： o ，。3 口 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名：。三幽 剔磁辄考时厅u 甲7 叉， 适用本授权书。 日期 日期 口i r ，) 汐 北京邮电大学博士学位论文 1 1 移动通信无线信道 第一章绪论 在过去的十多年里，通信领域的一个重大事件是数字移动通信的发展，移动 通信的到来给人们生活带来了很大便利，在一定程度上改变了人们的生活方式。 同时移动通信的发展也促进了移动无线信号处理研究的深入。无线信道不同于有 线信道，它是以空气为传播媒质，存在信号衰落、多径效应、频谱带宽受限、易 受外部干扰等因素，移动通信中由于收发信台的移动又带来了信道的时变性，而 且存在信号突发和来自同一小区和不同小区的网内干扰。受到这些因素的影响， 移动信道的可靠性较差，必需通过进一步的信号处理才能满足移动通信对质量的 要求。 1 1 1 无线信道对信号传播的影响 在无线通信系统中，电磁波经过信道传播时会以不同方式受到物理信道的影 响。电磁波传播方式可分为反射、绕射和散射三种基本方式。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 称为信号的多径效应。在传播过程中，由于用户移动等原因会造成传播信道的变 化，移动无线信道也是一种时变信道。 信道对无线信号的影响可以归纳为三类“。3 3 。 第一类是由于信号在自由空间传播引起的损耗和弥散，称为距离衰落，又称 大尺度衰落。距离衰落是移动台和基站间距离的函数，描述的是大尺度区间( 数 百米或数千米) 内接收信号强度随传播距离变化的特性。距离衰落幅度一般与“ 成正比，其中d 表示信号传播距离，n 为衰落因子，与传播环境有关，一般取2 到4 。 第二类是阴影衰落，主要是由于传播环境中的地形起伏、建筑和其它障碍物 对电波的阻塞或遮蔽所引起的衰落。阴影衰落描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电平值的慢变化特性，衰落幅度一般服从对数正态分布。 第三类是多径衰落，它由移动传播环境中多径传输而引起的，它描述的是小 尺度区间( 数个或数十个波长) 内接收信号场强瞬时值的快速变化特性。主要多径 效应有： 信号强度在一段很小的传播时间或距离间隔内快速变化； 不同路径信号的多谱勒频移变化引起的随机频率调制： 多径传播时延引起的扩展。 北京邮电大学博士学位论文 根据在信号传播中是否存在直射路径，衰落幅度分别服从r a y l e i g h 分布和 r i c e 分布，更一般的表达形式是n a k a g a m i 分布。 1 1 2 时变多径衰落信道模型及信道特性 时变性是多径衰落信道的一个重要特点，多利用时变冲激响应来描述多径衰 落信道模型。令s m 是信道上传输的信号，c ( r , o 为信道时变冲激响应，它表示 时刻的冲激在t 时刻的响应1 ，r 似为接收信号，则它们满足以下关系。3 1 ： r a t ) = ic ( f ，t ) s f o r ) d r( 1 - 1 ) 目前普遍采用b e l l o 提出的广义平稳不相关散射( w i d e s e n s es t a t i o n a r y u n c o r r e l a t e ds c a t t e r ，w s s u s ) 模型描述信道的时变特性 4 】，将时变冲激响应c 一0 可视为稳态复高斯过程。在该模型中，不同时延( 对应不同路径) 的信道响不相 关。采用二阶统计量描述为 1 _ 3 e c ( r 1 ，t 1 ) c ( f 2 ，t 2 ) ) = r ( r l ，t 1 一t 2 ) ) 6 ( r l 一吒) ( 1 - 2 ) 式中矿n 砂为c n 0 的复共轭。 多径引起的信号时延扩展 相对运动引起的信号时变 频率域 厂 l 类似的机j 广制、 l l 慢衰落( 造脚r 的损失) l 信道衰落速率 信号带宽 时间域 图1 i 衰落的分类和影响 衡量移动衰落信道特性的两个主要参数是多谱勒扩展b d 和多径扩展t 。多谱 勒扩展b d 也可用相干时间( t ) 。来表示，( t ) 。1 1 3 。当信号传输间隔 砌时，衰落随频率变化不明显，是平坦衰落，而且信道引入的 符号干扰可以忽略“。衰落的分类与影响见图1 1 。3 。 1 1 3 信道衰落的影响及主要处理方法 不同类型衰落特性的信道表现出的误码性能也不同，b e l l o 在文献 4 中研究 了不同类型衰落信道的误码性能，见图卜2 。信道衰落影响了通信性能，衰落信 道的误码性能远低于没有衰落的加性噪声信道，而且频率选择性衰落和快速衰落 较平坦衰落和慢衰落对通信性能影响更为严重。 误 码 直 图卜2 不同种类衰落的误码性能比较“1 为了降低衰落的影响，人们根据衰落类型人们采用了不同的措施进行处理。 对于距离衰落和慢衰落，较为有效的方法是功率控制进行处理，通常采用的 功率控制措施有开环功率控制和闭功率控制。功率控制措施已广泛运用于各类通 信系统中，是移动通信系统中不可缺少的功能。 针对不同多径衰落类型，人们也采取了相应的措施。降低频率选择性衰落和 符号间干扰的措施有均衡、扩频、正交频分复用o f d m 、加入导频信号等；处理 快速衰落的方法有适应力强的信号调制技术、提高符号速率、编码与交织等。为 了降低多径衰落带来的信噪比损失，针对慢速衰落和平坦衰落，可以通过分集技 术获取不相关的信号来增加信噪比，也可通过纠错编码降低通信系统对信噪比的 要求。 1 2 信道均衡 北京邮电大学博士学位论文 均衡器可以处理多径传输引起的符号间干扰i s i “1 “，并且具有较低的计算复 杂性。通信过程中如果前后通信符号间发生相互重叠，则会产生符号间干扰。通 过均衡，会削弱前后通信符号间的影响，从而提高了信道性能。消除i s i 的均衡 过程是将分散的通信符号能量收集到初始时间间隔的过程。实现过程中，均衡器 通过引入一个滤波器进行信道补偿，通过滤波产生一个具有线性相位的平坦响 应。均衡技术的核心是滤波器抽头系统调整的算法，目前常用的调整准则有峰值 失真准则和均方误差准则。由于移动系统中信道响应是随时间变化的，均衡滤波 器也必需能够适应时变的信道，这就是自适应均衡器与自恢复( 盲) 均衡。 均衡技术在现代通信系统中得到了广泛的应用，如在g s m 移动通信系统中使 用了v i t e r b i 均衡器进行衰落处理”3 。 1 3 信道编码 信道编码通过增加冗余信息来提高通信的可靠性，大大提高了通信信道的质 量，是目前移动信号处理的一种重要方法。常用的信道编码有卷积码、r s 码、 t u r b o 码等“。3 , 7 - 9 jy 另外l d p c 码目前也正处于深入研究和推广应用过程中“。在 第2 代与2 5 代的移动通信系统中，如g s m 、i s 一9 5 等，都采用了卷积码来增加 信道的可靠性“”；在第三代移动通信系统中，如c d m a 2 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 等移动通信系统中又增加了t u r b o 码来提高信道的可靠性“3 1 “。 信道编码在不同的信道条件下性能也不同，在a w g n 信道中的编码处理研究 得最为充分，编码性能也最好，但在衰落信道中，编码性能较a w g n 信道中的性 能要逊色。多径衰落信道的相关性与编码性能有着密切的联系。不同的码对抗相 关性衰落的性能也不一样。广泛应用卷积码对相关性的衰落非常敏感，它在不相 关性衰落( 完全交织) 情况下的性能远远优于相关衰落( 无交织) 情况下的性能”， 图卜3 为卷积码在相关衰落信道和不相关衰落信道下的性能“”。 图卜3 衰落的相关性对卷积码性能的影响 4 北京邮电大学博士学位论文 提高衰落信道中编码性能是目前编码研究的一个热点，其中一个方法就是通 过和其它方法相结合，依靠其它方法改善信道条件，从而提高编码性能，如与交 织器相结合。”等。 1 4 分集 无线移动通信中的多径衰落效应严重影响无线移动通信的性能，分集技术是 处理信道衰落的一种有效措施。分集技术是通过查找和利用自然界无线传播环境 中独立的( 或者是高度不相关的) 多径信号来实现的。w s s u s 信道模型就呈现了 信道内在的分集潜能。常见的分集技术有时间分集、频率分集、空间分集和极化 分集，目前前三种比较常用，极化分集在通信系统中也有使用。一般用r a k e 接收、 纠错编码结合交织实现时间分集，多载波调制o f d m 技术可以实现频率分集；多 发射和接收天线可以实现空间分集。2 1 。 1 、交织技术 衰落效应往往呈现时间选择性，严重的衰落往往会集中在某一段时间内，而 在另一段时间内衰落又不严重，内在原因是衰落信号内存在相关性。交织技术通 过改变数据的顺序可以在一定程度上减小衰落的相关性，从而提高信道编码等其 它信号处理的增益。 常用的交织技术有两类，块交织和卷积交织“。最常见的类型是块交织，常 用在数据分块分帧的情况下，如i s 一9 5 、g s m 、3 g p p 标准中。另一种卷积交织是 对连续数据流来说比较实用的类型，如d v b 标准。“。块块交织容易实现，卷积交 织有很好的性能。 交织技术减小了衰落的相关性，但其本身没有增益，往往与编码技术结合处 理可带来较好的效果。如在相关衰落信道中，不交织和充分交织可带来l o d b 甚 至更多的增益“。交织技术实现简单，已广泛地应用在现代无线通信系统中。 2 、r a k e 接收 r a k e 接收最初由p r i c e 和g r e e n 于1 9 5 8 年提出“，现已广泛地运用于各类 扩频通信系统中。它的基本思想是利用扩频信号带宽远大于信息比特带宽的性 质，采用相关接收机组，分离多径信号后进行解扩、合并，因此能够有效地克服 频率选择性多径衰落。 3 、多载波调制 多载波调制也叫正交频分复用( o f d m ) ，基本思想是把高速信息数据分割成若 干路低速率的数据流，然后一组相应数量的载波调制、叠加发送出去，其中各子 载波保持相互正交。”2 “。由于多载波调制把信息分散到多个载波上，使得各子载 北京邮电大学博士学位论文 波的信号速率降低，从而削弱了多径传播造成的符号间干扰的影响。o f d m 技术 抗信道时延扩展的特性格外受到高速率数据传输系统的青睐，在实际的高速率数 据传输系统中得到广泛应用。2 3 “1 。当前多载波调制的主要研究焦点是同步问 题、频偏影响频率正交问题、如何降低信号峰平比问题等。 多载波调制对频率偏移很敏感，移动环境下的多谱勒频移对其影响较严重， 限制了它在移动环境场合中的应用。 进行分集处理的关键是如何区分不同的路径信号，广义地讲，有三类分集信 号处理技术：选择性合并( s d ) 、等增益合并( e g c ) 和最大比合并( m r c ) c i t o r a k e 接收和o f d m 技术可以进行e g c 或m r c 处理。 选择性分集系统中只有具有最强信噪比的一个信号( 如多径) 被用于解调， 其它的信号都被弃之不用。信号分量的选择可以在检测( 或解调) 前进行也可以 在检测后进行，既可以对进入接收处理之前的射频接收信号进行选择，也可以解 调后对基带数据流进行选择。 等增益合并接收和最大比合并接收机中各支路信号都加以利用，不同的是处 理各支路的权重方法不同，等增益合并中，各支路信号按相同的权重进行合并， 最大比合并接收中按支路信号的信噪比进行合并。同时利用各支路信号需要完成 信号相位的同步，最大比合并m r c 中还要完成信噪比检测，只有这样才能完成所 有信号的相干叠加。已经证明，最大比合并m r c 是合并的最优方式口“。 分集处理后错误率近似与信噪比s n r 的l 次幂成反比减小，从而带来很 大的处理增益，可以较好地改善通信系统的性能，是目前主用的对抗多径衰落的 手段。 1 5 扩频 扩展频谱通信的理论基础是s h a n n o n 的信道容量公式“3 c = w l 0 9 2 ( 1 + 书 ( 1 - 3 ) 其中c 为容量，用比特秒表示，n 为噪声功率，w 为带宽，用赫兹表示，s 为 信号功率。该公式表明，对于任意给定的信号与噪声功率比下，通过增大传输信 息的带宽能得到尽量低的信息差错率，也就是说，扩展频谱系统良好的性能是以 带宽为代价的。扩展频谱通信具有抗外部干扰、低截获率、随机多址通信、高精 度的测距分辨能力等优点瞳”1 ，在现代无线通信系统中得到了非常广泛的应用。 扩频处理中带宽的扩展是通过与信息数据独立的码字完成的；在接收端用相 同的码字进行同步接收，其中包括解扩和信息数据的恢复。 北京邮电大学博士学位论文 扩频通信可采用r a k e 相关接收，区分多径信号，实现分集接收，可以较 好地克服多径效应带来的码间干扰，是目前抗多径干扰的一个主要手段。r a k e 接收所实现分集的路数由下式确定“1 三= k 矿j + 1 ( 1 - - 4 ) 其中乃为多径扩展时间，为信号占用带宽，表示1 z l 不大于互的最小整数。 式( 卜4 ) 表明，分集路数厶近似与信道多径时延成正比，分集处理的差错率 与信噪比的l 次幂呈反比减小“3 ，因此扩频通信的r a k e 接收大大增加了系统处 理多径衰落的性能，特别是在频率选择性衰落信道中的性能。 1 6 时间扩展 移动多径衰落信道频率选择性衰落和时间选择性衰落严重影响了通信的性 能，特别是快速移动环境下时间选择性衰落目前尚无十分有效的解决办法。目前 采取的成熟措施只是交织与信道编码，但这种方法的性能增加有限，受到 r a y l e i g h 界的限制“”1 。 将信号的持续时间加以扩展，在信号的持续时间内，会经历较多的衰落变化， 以长时间的衰落统计值代替瞬时值将会在相当程度上削弱衰落的变化程度，克服 瞬时衰落和突发干扰的影响，特别是快变衰落造成的影响，提高信道的性能。分 析表明，经过时间扩展处理，衰落被平均了，呈现白噪声化1 。另外，与扩频可 以进行r a k e 多径接收相似，时间扩展增加了信号持续时间的同时也增加信号 内衰落变化的相对频率，增强了多谱勒效应，意味着时间扩展具备多谱勒分集处 理的潜力。时间扩展是一种非常有希望解决信道快速变化影响的技术。 时间扩展示意图如下： 数据比特 妥驻疆田三嚣酒娶叠五 蕊薤! 正了旦匿雾匿! i j 盈： 时间 时间扩展信号 图卜4 时间扩展示意图 时间 北京邮电大学博士学位论文 时间扩展克服衰落变化和突发干扰示意图见图卜5 。 功率 时间 时i 司 图1 - 5 时间扩展克服衰落变化和突发干扰示意图 时间扩展也存在自身的缺限。其中最大的问题就是符号间干扰。信号持续时 间的扩展将产生前后信号扩展序列在时间上发生大量重叠，产生符号间干扰。目 前提出的各种上时间扩展模型都是在一定程度上减轻了符号间干扰的影响，而且 在理论分析时往往又忽略符号间干扰，因此系统性能上并无很大的提高，并且因 为符号间干扰存在“误码地板效应”。”。另外，大量扩展序列的重叠会产生强 的瞬时信号，它远远大于信号的平均强度，时间扩展技术存在的另一问题是信号 峰平比问题。 如何降低、消除时间扩展带来的符号间干扰是影响时间扩展性能的关键障碍 点，也阻碍了时间扩展技术的应用与发展。 1 7 时频扩展处理 时间扩展和频率扩展都具有潜在的抗干扰能力，也表现出较好的抗衰落能 力，时间扩展处理抗快变衰落能力好，频率扩展抗频率选择性衰落、克服符号间 干扰性能强。将时间扩展和频率扩展结合起来，可以增加同时处理时间选择性衰 落和频率选择性衰落的能力，增强衰落处理技术的适应性。因此时频扩展处理是 一种处理衰落的理想方法。 与时间扩展一样，时频扩展处理也面临扩展序列间相互重叠造成符号间干 扰，影响系统性能的问题。信号峰平比问题也是所面临的一个问题。 目前尚无明确的时频扩展模型提出，但s a y e e d 、h a r t 、t a y l o r 等人在研究中都 已用到时频联合处理的概念。7 “1 ，并利用伪随机序列的相关特性来处理符号间干 扰。 北京邮电大学博士学位论文 1 8 本论文所做的工作 多径衰落下的通信处理技术研究是通信处理研究的一个热点，编码、分集、 扩频等技术都在一定程度上改善了通信的可靠性。时间扩展和时一频扩展存在严 重的码间干扰限制了它们的应用与发展。目前对信道快速变化所造成的时间选择 性衰落的处理尚无有效的方法。 本文在这些研究成果基础上，研究采用时间扩展和时频联合扩展方法，提高 处理衰落的能力和增强对不同衰落的适应性，特别是改进处理快变衰落的性能。 文章结构如下： 第一章对信道衰落及其处理的相关背景进行介绍； 第二章提出可以克服符号间干扰的同步时间扩展模型，分析多径衰落信道特 点，设计实现多谱勒分集的最优接收技术； 首先简要分析了信道衰落的特征和异步时间扩展模型的不足，提出了解决方 案：同步时间扩展模型，然后在时变信道多谱勒分解基础上提出了一种与扩频通 信r a k e 接收相结偶的分集接收算法。最后进行性能分析和仿真，说明同步时间 扩展的分集接收技术可有效处理时变衰落带来的影响，并且解决了异步扩展的不 足，没有明显的“误码底板”效应。 该部分创新点： 设计了解决时间扩展符号间干扰的同步扩展模型，提出了衰落信道中同 步时间扩展信号的分集接收技术。 第三章分析同步时间扩展的一种特殊形式一0 f d m 时间扩展，提出等效白噪声 滤波器信道模型和设计接收技术，使o f d m 信号适合在时变衰落信道中传输； 首先说明o f d m 是同步时间扩展的一种具体形式，然后在时变信道多谱勒分解 基础上，提出了时变衰落信道传输o f d m 信号的白噪声等效滤波器模型，并在信 道均衡基础上设计了最大似然接收算法，仿真证明这种算法使o f d m 信号具备了 在时变衰落信道中传输的能力。 该部分创新点： 提出了时变衰落信道传输o f d m 信号的白噪声等效滤波器模型，设计了 最大似然接收算法，使o f d m 信号适合在时变衰落信道中传输。 第四章提出可以克服符号间干扰的同步时频扩展模型，并设计同时实现多 径一多谱勒联合分集的最优接收技术； 北京邮电大学博士学位论文 首先在同步时间扩展和扩频的基础上，提出了时频联合扩展的方法，时频联 合扩展同时具有扩频和时间扩展处理衰落的特性，具有较强的适应能力。然后基 于衰落信道的时一频联合分解，提出了多径效应一多谱勒效应联合分集接收技 术。最后仿真了模型和算法的性能。 该部分创新点： 设计了同步时频扩展模型，提出了多径衰落信道中时频扩展信号的综合 分集接收算法，增强了扩展技术的适应能力。 第五章研究时间扩展、时频扩展在移动通信中的应用； 首先研究了移动卫星通信信道建模和时间扩展在移动卫星通信中的应用，提 出了移动卫星信道分层m a r k o v 链信道模型。这种模型比较综合地反映了影响信 号传输的各种因素，较好地解决了因素的全面性和处理的复杂性间的矛盾，实用 性非常好，可以用于解决卫星移动系统的分析、设计和优化问题。 移动卫星通信中存在卫星摄动、地面移动台一卫星间的相对运动和移动台相 对地面环境的运动三种运动，产生了不同的频率发散效应，时间扩展适应不同频 率发散能力强，可以很好地利用频率分集来增强通信效果。 时间扩展不仅可以运用在卫星移动通信中，也可运用在其它无线通信系统， 如第二代、第三代移动通信系统中。 创新点： 提出移动卫星信道分层m a r k o v 链信道模型，较好地解决了全面性和复 杂性间的矛盾，同步时间扩展可以较好处理移动卫星通信中多种频率发 散，具有非常好的性能。 第六章进行总结，并展望下一步的研究工作。 l o 北京邮电大学博士学位论文 参考文献 1 j p r o a k i s ，d i 百m l c o m m u n i c a t i o n s ，m c g r a w h i l l ，n e w y o r k ，4 t he d ，2 0 0 1 2 s l d a r , b ， r a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l si nm o b i l ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i c h a r a c t e r i z a t i o n ，i e e ec o r r m a u n m a g ，v 0 1 3 5 ，s e p t 1 9 9 7 ，p p 1 3 6 1 4 6 3 张贤达，保铮，通信信号处理，国防工业出版社，2 0 0 0 4 pa b e l l o ，“c h a r a c t e r i z a t i o no fr a n d o m l yt i m e v a r y i n gl i n e a rc h a n n e l s ，”i e e e t r a n s c o n h n u n ，v o r c o m 一1 1 ，p p 3 6 0 - 3 9 3 ，1 9 6 3 5 b s k l a r , “r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l si nm o b i l ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s - - p a r ti i ： m i t i g a t i o n ，”i e e ec o m m u n m a g ，v 0 1 3 7 ，p p 1 0 3 1 0 9 ，j u l y1 9 9 7 6 e t s ig s m0 5 0 8 ：”d i g i t a l c e l l u l a rt e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( p h a s e2 + ) ；r a d i o t r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n ”，1 9 9 9 7 s t e p h e n6w i l s o n ，d i g i t a lm o d u l a t i o na n dc o d i n g ，p r e n t i c e - h a l l ，e n g l e w o o dc l i f f s ，n j ， 1 9 9 6 8 】王新梅，肖国镇，纠错码一一原理与方法( 修订版) ，西安电子科技大学出版社，2 0 0 1 【9 c b e r r o u ，a g l a v i e u x ，a n dpt h i l i m a j s h i m a , n e a rs h a n n o nl i m i te r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n g a n d d e c o d i n g ：t u r b oc o d e s ，”i np r o c i c c 9 3 ，g e n e v a ，s w i t z e r l a n d ，m a y1 9 9 3 ，p p 1 0 6 4 1 0 7 0 1 0 】r ，gg a l l a g e r , “l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e s ，”i r et r a n s i n f o r m t h e o r y , v 0 1 i t - 8 ，p p 2 1 2 8 1 9 6 2 1 1 】e t s ig s m0 5 0 3 ：”d i 百t a lc e l l u l a r t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( p h a s e2 十) ；c h a n n e lc o d i n g ”， 1 9 9 9 1 2 t i a e i ai s - 9 5 s t a n d a r d ，“m o b i l es t a t i o nc o m p a t i b i l i t ys t a n d a r df o rd u a l m o d ew i d e b a n d s p r e a ds p e c t r u mc e l h d a rs y s t e m ，”w a s h i n g t o n ，d c ，1 9 9 3 1 3 r r u t ，3 0 p pt s2 5 2 1 2 ：”m u l 却l e x i n ga n dc h a n n e lc o d i n g ( f d d ) ”，2 0 0 1 f 1 4 i t u - t ，3 g p pt s2 5 2 2 2 ：”m u l t i p l e x i n ga n dc h a n n e lc o d i n g ( t d d ) ”，2 0 0 1 1 5 】m o d e s t i n o ，j w ，a n dm u i ，s y ，“c o n v o l u t i o n a lc o d e so nr i c i a nf a d i n gc h a n n e l s ”，i e e e t r a n sc o m m u n i c a t i o n s ，p p 5 9 2 噩1 9 7 6 a l s oi e e et r a n s c o m m u n i c a t i o n s ，p p 1 0 7 5 i f , 1 9 7 7 1 6 】l e e ，j s ，a n dm i l l e r , le ，c d m as y s t e me n g i l l e e f i n gh a n d b o o k ，a r t e c hh o u s e ，1 9 9 8 中 译本：许希斌，周世东等译，c d m a 系统工程手册，人民邮电出版社，2 0 0 1 1 7 】e t s i ，t r1 0 11 9 0v 1 1 1 ( 1 9 9 7 1 2 ) - t e c h n i c a lr e p o r t - d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) ； i m p l e m e n t a t i o ng u i d e l i n e sf o rd v bt e r r e s t r i a ls e r v i c e s ；t r a n s m i s s i o na s p e c t s ，1 9 9 7 1 8 p r i c e ，r ，a n dg r e e n ，pe ，j r ，“ac o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ef o rm u l 却a t hc h a n n e l s ，”p r o c i r e ，v o i 4 6 ，p p 2 2 1 2 - 2 2 1 7 ，j u n e ，1 9 5 8 北京邮电大学博士学位论文 1 9 r w ，c h a n g ，“s y n t h e s i so fb a n d - l i m i t e do n h o g o n a ls i s a l sf o rm u l t i c h a r m e ld a t a t r a n s m i s s i o n ”，b e l ls y s t t e c h j ，v 0 1 4 5 ，d e c ，1 9 6 6 , p p 1 7 7 5 1 7 9 6 2 0 】br ，s a l t z b e r g ，“p e r f o r m a n c eo fa ne f f i c i e n tp a r a l l e ld a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m , 1 e e et r a