（信号与信息处理专业论文）80216e的ofdma物理层仿真及慢衰落时变信道估计研究.pdf

摘要 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 无线接入系统以实现车载速度下的实时多媒体 业务为目标，以满足未来无线通信高速率、移动化传输的需求。现有关于 i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 物理层的研究大都集中于系统局部的独立功能模块，而 对于系统整体性能的研究并未引起足够的重视；此外，在高速移动环境下，由于 慢衰落信道会随时间发生缓慢的改变，不再满足准静态的假设条件，因此，传统 的基于准静态假设的慢衰落信道估计算法不再适用于这类信道。针对上述问题， 本文对基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 物理层进行了系统的仿真研究，并结合灰建 模理论思想，提出了一种应用于o f d m 慢衰落慢时变信道跟踪估计的实现方案。 主要工作概括如下： 1 仿真研究了两种独立衰落信道下的o f d m a 物理层系统的性能。采用s u i 信 道模型，研究了固定无线信道中o f d m a 接入系统，包括调制、编码及交织 等主要模块的性能影响；采用m 1 2 2 5 信道模型，仿真评估了移动无线传输环 境下，o f d m a 系统及其主要模块的性能。实验结果表明：无论选用何种信 道模型，在高信噪传输条件下，低阶调制方式能够为系统提供良好的性能保 障，而编码和交织技术的应用可观地改善了系统的性能。 2 针对o f d m 窄带慢衰落信道在移动传输环境下的时变特性，提出了一种基于 狄建模的信道估计算法。该算法利用前一时刻的已知信道信息，建立灰色数 学模型，预测估计下一时刻的未知信道信息，实现信道的动态跟踪。理论分 析和仿真结果验证了灰建模在以二维时频变量描述的信道估计领域中的可行 性。与传统方法相比，该算法不仅对窄带慢衰落慢时变信道有良好的估计性 能，而且具有运算低、易于实现等优点。 关键词：正交频分多址正交频分复用灰建模慢衰落信道估计 a b s t r a c t o f d m ab r o a d b a n dw i r e l e s sm o b i l es y s t e mb a s e di e e e 8 0 2 16 ec a nm e e tt h e n e e do fh i g hd a t a - r a t ea n dm o b i l et r a n s m i s s i o ni nf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， w h i c hi se x p e c t e dt os u p p o r th i g h s p e e dm u l t i m e d i as e r v i c e sa p p l i c a t i o n sf o rm o b i l e s t a t i o n sm o v i n ga tv e h i c u l a rs p e e d s m o s tw o r ko ni e e e 8 0 2 16 eo f d m ap h y s i c a l l a y e rf o c u s e do nl o c a li n d e p e n d e n tf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es y s t e m ，n o to nt h e p e r f o r m a n c eo ft h eo v e r a l ls y s t e m m o r e o v e r ，i nh i g h s p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n t ，t h e s l o wf a d i n gc h a n n e l sw i l lc h a n g es l o w l yo v e rt i m e ，a n dn ol o n g e rs a t i s f yt h e q u a s i s t a t i ca s s u m p t i o n s t h e r e f o r e ，t h ec o n v e n t i o n a ls l o wf a d i n gc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m sb a s e do nt h eq u a s i s t a t i ca s s u m p t i o n sa r en o ta p p l i c a b l et os u c hc h a n n e l s a n yl o n g e r a i m i n ga tt h ea b o v ep r o b l e m sm e n t i o n e d ，as y s t e m a t i cs i m u l a t i o na n d s t u d yo fi e e e 8 0 2 16 eo f d m ap h y s i c a ll a y e ra r ep r e s e n t e d u s i n gt h eg r e ym o d e l i n g t h e o r y , an o v e le s t i m a t i o ns c h e m ef o rs l o wf a d i n gt i m e v a r y i n go f d mc h a n n e l si s p r o p o s e d t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e db e l o w ： 1 t h ep e r f o r m a n c eo fo f d m ap h y s i c a ll a y e ro v e rt w oc a t e g o r i e so fi n d e p e n d e n t f a d i n gc h a n n e l si si n v e s t i g a t e d s u ic h a n n e lm o d e li s u t i l i z e dt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fo f d m as y s t e m s i nt h ef i x e dw i r e l e s s c h a n n e l ，i n c l u d i n g m o d u l a t i o n ，c h a n n e lc o d i n ga n di n t e r l e a v i n ga n ds oo n o nt h eo t h e rh a n d ， m 12 2 5c h a n n e lm o d e l i sa l s oa d o p t e dt oe v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb a s i c m o d u l e s t h es i m u l m i o nr e s u l t ss h o wt h a tn om a t t e rw h i c hc h a n n e lm o d e li s c h o s e n ，t h el o w - m o d u l a t i o nc a na l w a y sa c h i e v eab e a e rp e r f o r m a n c ei nh i g hs n r r e g i o n m o r e o v e r , w ec o n c l u d et h a tc o d i n ga n di n t e r l e a v i n gt e c h n i q u e sc a na l s o c o n s i d e r a b l yi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m 2 an o v e lg r e ym o d e l i n gb a s e de s t i m a t i o nf o rn a r r o ws l o wf a d i n gt i m e v a r y i n g o f d mc h a n n e l si nm o b i l ee n v i r o n m e n t si sp r o p o s e d b ye s t a b l i s h i n gt h eg r e y m o d e l ，t h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no ft h ep r e v i o u st i m e s l o t i su t i l i z e dt o d y n a m i c a l l yp r e d i c tt h eu n k n o w nc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no ft h es u b s e q u e n t t i m e - s l o t t h ef e a s i b i l i t yo fg r e ym o d e l i n ga p p l i e df o re s t i m a t i n gt h ec h a n n e l c h a r a c t e r i z e db y2 一dt i m e - f r e q u e n c yv a r i a b l e si sv e r i f i e db yb o t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o n a p p r o a c h e s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mn o to n l yp e r f o r m sw e l li nn a r r o w b a n ds l o w f a d i n gt i m e v a r y i n gc h a n n e l s ，b u ta l s oh a sl o wc o m p l e x i t ya n de a s eo f r e a l i z a t i o n k e yw o r d s ：o f d m ao f d mg r e ym o d e l i n g s l o wf a d i n g c h a n n e ie s t i m a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：酞查坚 本人承担一切的法律责任。 日期业：至：三l 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 。5 k 堂 日期壹尘：墨：皇i 导师签名：办辋日期塑! ! ：多：丝 第一章绪论 第一章绪论 随着集语音、图像和高数据流为一体的多媒体通信技术的迅速发展，人们不 再满足于固定的简单语音通信，而是更多地热衷于大容量、无线化和移动化的通 信方式，这要求无线宽带通信必须具有更高的速率、更大的覆盖范围和更好的移 动性。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的出现正好满足了人们对于无线通信的这些需求。近年 来，作为一种具有高效抗衰落和抗干扰能力的特殊多载波传输技术，正交频分复 用技术( o r t h o g o n a lf 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 ) 已成为一项热门的 研究课题，其及延伸技术一正交频分多址技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s s ，o f d m a ) 现己被i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的物理层所采纳，特别 是o f d m a 技术，具有良好的移动性支持，随着未来无线移动通信主导地位的日 益突显，目前倍受通信行业的关注，因此，对i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的o f d m a 物理 层的研究具有重要的现实意义。 1 1i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的演进过程 i e e e 8 0 2 1 6 标准又称为i e e e w i r e l e s sm a n 空中接口标准，主要任务是开 发工作于2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒质接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层规范，同时还有与空中接口 协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范，i e e e 8 0 2 1 6 规定 的无线系统主要应用于城域网。 最初的i e e e 8 0 2 1 6 协议是2 0 0 1 年1 2 月份i e e e 通过的无线城域网标准，该 标准支持的工作频段1 0 6 6 g h z ，只能承载在视距( l i n eo fs i g h t ，l o s ) 的环境 中，这些限制并不利于固定宽带接入技术的推广，所以在2 0 0 3 年1 月份i e e e 又 发布了扩展协议i e e e 8 0 2 1 6 a ，目的在于使固定宽带接入技术也能支持非视距 ( n o n l i n eo f s i g h t ，n l o s ) 传输，工作频率范围为2 1 1 g h z 需要许可证和免许 可证频段。目前，为了能够使i e e e 8 0 2 1 6 系列标准能够传输从几m b i t s 到几百 m b i t s 的数据，提供高速多媒体业务传输的能力，成为解决接入网“最后一公里” 瓶颈的有效手段。对i e e e 8 0 2 1 6 a 协议进行了改进，提出了融合后的i e e e 8 0 2 1 6 d 协议，也称i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议，目前该协议己成为世界标准，各大厂商都基 于该标准设计和推出各种固定无线接入产品。 2 0 0 1 年1 2 月最初的i e e e 8 0 2 1 6 标准颁布，该标准对固定宽带无线接入系统 的空中接口物理层和m a c 层进了规范，并且规定系统使用的频率范围为 1 0 6 6 g h z 支持执照许可和非执照许可的频段，但由于频率较高，因而需要系统 8 0 2 16 e 的o f d m a 物理层仿真及慢衰落时变信道估计研究 在l o s 范内进行通信。 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准【2 1 于2 0 0 3 年1 月颁布，它是已颁布的i e e e 8 0 2 1 6 标准的扩 展版，主要对使用2 1 1 g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接 口物理层和m a c 层进行了规范。该标准不支持用户终端的移动性，但由于频率 的降低以及一些新技术的使用使得系统可以在非视距范围内通信，覆盖范围最远 可达5 0 公里，通常小区半径为1 0 公里以内，从而使得i e e e 8 0 2 1 6 a 标准成为适 合“最后一公里”接入的解决方案，这在i e e e 8 0 2 1 6 标准的发展过程中具有重要 的意义。另外，i e e e 8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供了q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证机 制，可支持语音和视频等实时性业务。 i e e e 8 0 2 1 6 d 标准【4 1 是i e e e 8 0 2 1 6 、i e e e 8 0 2 1 6 a 、i e e e 8 0 2 1 6 c 3 l 系列标准一 个修订版本，也是相对成熟并且最具有实用性的一个标准版本，已经于2 0 0 4 年6 月在i e e e 8 0 2 委员会获得通过，并以i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 名称发布。它对1 0 - 6 6 g h z 和小于1 1 g h z 频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和m a c 层进行了详细规 范，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和s c ( s i n g l e c a r t i e r ) 、s c a 、0 f d m 、o f d m a 多个物理层标准。作为i e e e 8 0 2 1 6 最重要的标 准之一，i e e e 8 0 2 1 6 d 基本达到了i e e e 8 0 2 1 6 工作委员会最初的目标，最大覆盖 距离高达3 0 k m ，在2 0 m h z 带宽下最大空口传输速率可达7 4 4 m b i t s ，可以支持 具有不同q o s 需求的业务，实现非视距传输，支持多种上层传输速率，具有良好 的无线安全机制，网络支持点到多点和m e s h 拓扑结构，从协议上看具有良好的 可扩展性。面对信息技术和通信技术快速发展的市场，i e e e 8 0 2 16 d 标准无疑具 有较强的竞争力。但由于该标准是对前几个i e e e 8 0 2 1 6 标准的整合和修订，因此 仍属于固定宽带无线接入规范。 i e e e 8 0 2 。16 e 标准【5 】又称i e e e s 0 2 16 e 2 0 0 5 ，它的规范主要是在i e e e 8 0 2 16 d 的基础上进行的，它的目标是能够向下兼容i e e e 8 0 2 1 6 d 。在i e e e 8 0 2 1 6 e 标准 中，主要将i e e e 8 0 2 1 6 d 中o f d m a 子集进行了扩展，提出了可扩展o f d m a 概 念，以o f d m a 技术为基础，根据可用带宽选择所用子载波数，另外，该标准还 引入了m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 和a a s ( a d a p t i v ea n t e n n as y s t e m ) 天线技术，增加系统增益。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准有别于前几个标准的最大区别在于 对移动性的支持。该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工 作在2 - 6 g h z 适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时 i e e e 8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不受到影响。另外，i e e e 8 0 2 1 6 e 标 准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能，其标准化工作主要集中在安全、 切换等方面。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准已于2 0 0 5 年1 2 月7 日获i e e e 批准。 i e e e 8 0 2 1 6 f 标准【6 】定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库以及相 关的管理流程。i e e e 8 0 2 1 6 f 协议于2 0 0 5 年1 2 月正式发布。 第一章绪论 i e e e 8 0 2 1 6 9 7 j 的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接1 3 ，以实现 8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。 i e e e 8 0 2 1 6 m 1 8 j 标准主要考虑i e e e 8 0 2 1 6 的标准演进，其结果将输出到i t u ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 中作为i m t - a d v a n c e d ( i n t e m a t i o n a m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d ) 的一种空口技术。其意义相当于3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 的l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 和3 g p p 2 的 a i e ( a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n ) 。 1 2i e e e 8 0 2 16 e 标准及物理层核心技术 1 2 1i e e e 8 0 2 1 6 e 标准简介 i e e e 8 0 2 1 6 e 1 5 j 被业界视为目前唯一能与3 g ( t h i r dg e n e r a t i o n ) 竞争的下一 代宽带无线技术标准，其制订目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户具 有移动性的宽带无线接入解决方案。协议在i e e e 8 0 2 1 6 d 标准的基础上对移动业 务、小区间切换和多小区组网等方面进行了规范。协议主要加强了对移动性的支 持。对切换的规范包括了对切换过程和切换的m a c 层信令的定义，以及对切换 过程中测距( r a n g i n g ) 操作的完善，同时还增加了基于多天线的软切换功能等。 对移动终端的支持包括了确定省电模式，增加了低复杂度、低延时的l d p c ( l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e s ) 信道编码。同时为了适应多变的移动信道环 境，增加了灵活使用带宽的功能，增强了h a r q ( h y b r i d a u t o m a t i c r e p e a t r e q u s t ) 、 a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o n c o d i n g ) 、智能天线和空时码的功能，增加了t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ) 的闭环发送功能。 为了增加对移动性的支持，i e e e 8 0 2 1 6 e 标准在物理层主要选用了o f d m a 多址接入方式，支持t d d 和f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g ) 两种双工方式， 此外，标准还采用了s t c ( s p a c e t i m ec o d e ) 发射分集以及m i m o 、a a s 等技 术。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准最重要理论特色之一就是对o f d m a 进了扩展，使得 o f d m a 系统可支持长度为2 0 4 8 、1 0 2 4 、5 1 2 和1 2 8 的f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 点数，并且通过p u s c ( p a r t i a lu s a g eo fs u b c h a n n e l s ) 和f u s c ( f u l lu s a g eo f s u b c h a n n e l ) 分布式子载波排列方式来获得一定的子载波分集增益。通常向下数 据流被分为逻辑数据流，而这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不 同的信号功率接入到不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接 入，通过下行发送的媒质接入协议分配子信道，传输上行数据流。虽然o f d m 技 术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了灵活的s c a l a b l e f f t ，可以根据不同的无 线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准支持全i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 网络层协议，8 0 2 1 6 e 设备可 4 8 0 2 16 e 的o f d m a 物理层仿真及慢衰落时变信道估计研究 作为一个路由器接入到现有的i p 网络。该标准也可通过一个a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e ) 汇聚子层将a t m 信元映射到8 0 2 1 6 e 的m a c 层，即具备支持3 g 核心网的潜力，因此i e e e 8 0 2 1 6 e 系统可支持与3 g 系统的互通和融合。 i e e e 8 0 2 1 6 e 的m a c 层支持多种q o s 等级以适应不同的业务类型，包括主动分 配带宽、实时轮询、非实时轮询和尽力而为，其中最后一种为竞争接入的调度机 制。i e e e 8 0 2 1 6 e 增加了节电模式的内容，以支持移动终端，除正常工作状态外， 还支持空闲状态和睡眠状态。 1 2 2o f d m 和o f d m a 技术 ( 1 ) o f d m 技术 o f d m 概念始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 7 0 年o f d m 的专利被发表，基本思想 是通过采用一种允许子信道频谱重叠但又互不影响的频分复用( 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 ，f d m ) 技术来并行传送数据。早期的o f d m 系统中，发 射机和相关接收机所需的子载波阵列都是由正弦信号发生器产生的，系统复杂且 昂贵。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了使用d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 实 现o f d m 系统中的全部调制和解调功能，简化了振荡器阵列以及相关接收机中本 地载波之间严格同步的问题，理论上实现了o f d m 系统的数字化。近年来随着计 算技术的飞速发展，o f d m 技术应用于实际系统已成为现实。 o f d m 技术【9 j 是一种特殊的多载波调制技术，但其并不是一个真正的调制技 术，准确地说它是一种传输技术或复用方式。它的基本原理是：首先把系统频带 分割为路正交子载波，将经信道编码后的发送序列以r 比特为单位划分为块， 每个块经串并变换转换成组并行子数据，根据每组所含的比特数目，采用 m a s k 、m q a m 和m p s k 等调制方式将这些比特流映射成复信号，再对这组 复信号进行i f f t ( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 和并串变换生成一个有用符号， 加入循环前缀，形成一个o f d m 符号，再经d a 转换为模拟信号后通过发射天 线发送到无线信道进行传输；接收端实行发送端的反操作，对接收到的信号进行 a d 转换，删除循环前缀，再经串并变换和f f t 分离出调制信号，最后再经过并 串变换解调出实际发送的信号序列。这一技术通过降低码元传输速率，增加信号 带宽的方式来提高系统的抗衰落和抗干扰能力，具有很好的鲁棒性，因而常被用 于易受外界干扰或抗外界衰落、干扰能力差的高速率无线传输环境。 目前，o f d m 技术的应用非常广泛，如欧洲的数字音频广播d a b 、d v t - b 和3 g 、l t e 、4 g 以及本文研究的i e e e 8 0 2 1 6 e 等多个下一代无线通信标准。近 年来，随着d s p ( d i g t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 和超大规模集成电路技术的发展，实 现o f d m 的f f t 处理能力大幅度提高，这一定程度上促进了o f d m 的实用化。 第一章绪论 ( 2 ) o f d m a 技术 o f d m a 技术【1 0 h 11 1 是一种基于o f d m 的多用户复用和接入技术。对于o f d m 系统，一般采用与t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s ) 技术进行复用，常用 的复用方式为o f d m t d m a ，即对于每个时隙，o f d m 系统将所有的子载波都 分配给一个用户使用，而各用户通过时隙分配来实现数据传输。而对于o f d m a 系统，所有的子载波被事先划分为多个子信道，每个子信道由若干个子载波组成， 系统可以从子信道和时隙两个维度来分配资源，因此，资源分配的粒度较之 o f d m t d m a 要小很多，且灵活性有了很大的提高。 o f d m a 与o f d m 物理层的区别在于前者在上行和下行均支持子信道化，后 者仅在上行支持子信道化。此外，o f d m a 不同于o f d m ，并不是对于不同载波 采用相同的调制编码方式，而是根据不同的子信道情况采用不同的调制编码方式， 从而提高了信道利用率。 与传统的o f d m t d m a 方式比较，o f d m a 具有如下优点： 通过可变f f t 点数的o f d m a ，可以支持多种信道带宽。 当采用o f d m a 时，有可能实现频率复用系数为l 。 具有较高的频谱效率，可在子载波级进行分配，具有最大灵活性。 在o f d m a 中子载波在子信道中的分配无需邻接，有利于实现频率分集。 由于子载波具有正交性，无需严格控制功率，故o f d m a 能支持对每帧 子载波传输进行优化功率控制。 1 3 信道估计研究现状及灰色系统理论 1 3 1 信道估计研究现状 对于信道估计的研究，目前国内还是比较落后，一些先进算法均来自国外。 主要有l s ( l e a s ts q u a r e ) 算法、m m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ) 算法l i z 。、 子空问算法【1 3 】、盲估计算法【1 4 】、基于时频结合的插值算法【1 5 】、基于d f t 的信道 估计算法【1 6 】以及基于o f d m 的块状导频和梳状导频算法【1 7 】，其中包括了如 k a l m a n 、l m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) 、r l s ( r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ) 等算法。 l m s 算法【l8 】和r l s 算法【l9 j 均是以最小均方误差准则推导得出的，二者的主 要区别在于r l s 算法引入了遗忘因子的概念，也就是说当前得到的信道参数估计 值不仅和当前时刻的输入输出有关，而且还与过去时刻的输入输出有关，当然当 前的参数估计值要比过去的重要，这个重要的衰减系数即遗忘因子。较之与l m s 算法，r l s 算法极大地提高了收敛速度，但它要求在其计算长度内信道参数要近 似不变，从这个意义上来说，遗忘因子的选取对算法的性能有着极大的影响，选 取过大，则会造成误差，选取过小，就不能充分利用数据，从而影响收敛速度。 6 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 物理层仿真及慢衰落时变信道估计研究 目前来讲，l m s 算法的收敛速度已经不适应于发送接收端移动速度在3 0 0 k m h 以上的快速衰减信道。 鉴于上述两种算法的缺陷，学者们开始了基于模型的自适应算法的研究，1 9 7 9 年，m a y b e c k 2 0 l 提出了运用时变k a l m a n 滤波器构建均方误差线性优化算法来估计 回归参数，并且证明了这种算法可用于信道估计，但其极高的复杂度阻碍了它的 进一步应用：1 9 9 0 年，b e n v e n i s t e l 2 1 l 等人探讨了超模型在回归模型自适应算法中 的应用，但之后，包括b e n v e n i s t e 在内的许多学者对这一算法的研究，只是局限 于慢时变信道的情况，这虽然对于系统的分析和设计，弱收敛理论和各种各样的 分布都是非常有效的手段，但不适用于快速时变信道。 近年来，还涌现出了一些其它的先进算法，但大多也都是集中于对c d m a 系统的研究。d s c d m a ( d i r e c t s e q u e n c ec o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 已经成 为蜂窝移动通信中最主流的技术之一。由于无线信道的多径效应，d s c d m a 系 统在信号传输过程中存在着码间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，i s i 将会 严重影响基于带限信道的高速数字通信的可靠性。对于这一问题，目前的研究大 都聚焦在改进基于多径衰落信道的多用户检测技术的性能上，这种性能主要体现 在估值器是否精确有效地跟踪了信道的变化。在文献 2 2 】中，m l ( m a x i m u m l i k e l i h o o d ) 算法被提出并应用于信道估计。这一算法通过使信道参数的似然函数 最大化来近似估计信道的特性。此外，m m s e 也是一种常用的算法。 为了得到高速可靠的通信质量，各种抗衰落技术和数字传输技术的研究对发 展数字移动通信系统是十分重要的。应运而生的是基于各种信道模型的信道估计 器的设计。但需要指出的是，在仿真建立无线信道时，应该充分考虑到无线传输 环境的时变特征，模拟出更加准确、逼真的信道模型，这样才能对新获得的信道 估计方法作出正确、客观的评估，使之更好地应用于实际的工程中。 1 3 2 灰色系统理论发展及原理 1 9 8 2 年3 月，邓聚龙教授在北荷兰出版公司出版的国际杂志( ( s y s t e m sa n d c o n t r o l l e t t e r s ) ) ( 系统与控制通讯) 上，发表了灰色系统理论奠基性论文“t h ec o n t r o l p r o b l e m so f g r e ys y s t e m s ”( 灰色系统的控制问题) ，首次提出灰色系统理谢2 3j 1 2 4 j 。 自问世以来，灰色系统理论获得迅猛的发展，其灰关联分析与灰色预测思想与方 法已广泛应用于经济、农业、工业、能源、交通、石油、地质、气象、水文、生 态、环境、医学、军事、图像处到2 5 】等领域，成功地解决了生产、生活和科学研 究【2 6 卜【2 7 1 中的大量实际问题。作为一种独具特色的新理论，灰色系统理论已为国 内外学术界公认为对科学发展产生了巨大作用。已召开了九次全国性的学术会议， 灰色系统理论正从理论的初创期逐步走向理论的成熟期。 第一章绪论 灰色系统理论的主要任务之一，就是根据社会，经济，生态等系统的行为特 征数据，寻找不同系统变量之间或某些系统变量自身的数学关系和变化规律。灰 色系统理论认为任何随机过程都是在一定幅值范围和一定时区内变化的灰色量， 并把随机过程看成灰色过程。 狄色系统理论实质是运用灰色系统理论的思想和方法，将抽象的现象或因素 予以量化，对数据进行处理，对未来作出定量预测和决策，并将结构关系和机制 都不十分清楚的对象或系统作预测控制，以完成系统分析。 灰色系统理论的核心技术是狄建模，灰建模是在削弱原始信息随机性，建立 灰色“模块 的基础上，应用微分拟合法直接将时间序列转化为微分方程的，建 立的是抽象系统发展变化的动态模型。运用这种模型对系统进行分析，可以反映 出系统内部机制变化过程的本质，可用以预测控制。这是一种用不足信息建立信 息尽可能充分的模型的途径，是充分发挥白色信息作用的途径，是用离散数据建 立微分方程的一种方法，可以使抽象系统模型化、实体化。 近年来，灰色系统理论还得到国际学者的认同，目前，英国、美国、德国、 日本、澳大利亚、加拿大、奥地利、俄罗斯、新加坡、台湾、香港等国家和地区 的许多知名学者都在从事灰色系统理论的研究和应用，并且涌现了一大批新的研 究成果。短短几年中，灰色系统理论以其强大的生命力自立于科学之林，奠定了 其作为一门新型横断学科的学术地位。 1 4 本文结构安排 本文余下部分的内容安排如下： 第二章首先主要介绍了无线信道的传播特征、及小尺度衰落下的无线信道衰 落类型( 包括平坦衰落、频率选择性衰落、慢衰落和快衰落) ，然后概括性地给出 了适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 物理层标准的两种固定移动信道模型一s u i 信道模型和 m 1 2 2 5 信道模型。 第三章以o f d m 及o f d m a 技术原理为基础，首先对i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的 o f d m a 物理层技术背景以及方案标准进行了研究分析。其中包括对o f d m a 的 符号结构、发射信号数学表示、主要参数、数据单位( 时隙) 及数据映射进行详 细的描述；然后介绍了o f d m a 系统发送和接收的原理及具体流程，包括随机化、 信道编码、交织、数据调制、子载波分配及i f f t 与加入循环前缀和信道估计与 均衡等主要技术；最后在m a t l a b 环境下，搭建了o f d m a 物理层仿真平台， 给出了从发送到接收整个系统的仿真实现流图，并通过仿真实验对主要模块的性 能进行了客观评估，给出了结论。 第四章针对移动通信环境下慢衰落信道的时变特性，本文以o f d m 系统为应 8 8 0 2 16 e 的o f d m a 物理层仿真及慢衰落时变信道估计研究 用研究背景，首次将灰建模理论应用于以二维时频变量描述的信道估计领域，并 从窄带慢衰落慢时变信道和宽带慢衰落慢时变信道两方面讨论研究了灰建模理论 在慢衰落慢时变信道估计中的应用。 对于窄带慢衰落慢时变信道，本文提出了一种基于灰建模的信道估计算法。 该算法根据前面时刻的已知信道信息，建立灰色数学模型，预测估计未来时刻的 未知信道信息，以完成信道的跟踪估计。理论分析和仿真结果验证了灰建模在以 二维时频变量描述的信道估计领域中的可行性。与传统的l s 估计算法、线性内 插估计算法相比，该算法不仅对窄带慢衰落慢时变信道有良好的估计性能，而且 具有运算低、易于实现等优点：对于宽带慢衰落慢时变信道，考虑到信道模型己 由乘积变为卷积，而本文所提出的灰建模信道估计算法已无法有效实现对它的估 计，因此，参照相关文献，本文对其跟踪估计进行了试验性的探索研究。 第五章总结论文的全部工作，对下一步研究的方向进行了展望。 第二章无线信道模型 第二章无线信道模型 为了消除信道对发送信号的影响，准确地实现接收信号的均衡及解调，同时 也为了对新获得的通信系统及理论算法作出客观、正确的性能评估，因此，对无 线衰落信道进行详细的研究是十分必要的。本章我们首先主要介绍了有关无线信 道的基本知识，然后分析给出了适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 物理层仿真测试的两种信道 模型：固定无线接入的s u i 信道模型嗍和移动无线接入的m1 2 2 5 信道模型。 2 1 无线信道概述 无线通信系统中，电磁波通常在非规则、非单一的环境中传播，由于地理条 件、移动台的移动等因素的影响，造成了移动传播环境中的阴影效应、远近效应、 多径效应( 如图21 所示，由发射端至移动接收端，a 为衍射信号，b 为直射信 号，c 为散射信号，d 为反射信号) 和多昔勒效应，从而使得接收端的信号产生 路径传播损耗及各种衰落损耗，严重影响了通信质量因此，在了解无线信道特 性的基础上建立合适的信道模型，对于在频谱资源有限的信道上，以尽可能高质 量、大容量地传递有用信息起着指导性的作用叫。 图2 1 多径效应示意圈 一般移动无线通信信号可阻用大尺度传播模型、中尺度传播模型和小尺度传 播模型三种传播横型来表征p ”，这三种传播模型是根据距离尺度的大小来区分 的，大尺度的传播模型主要用于描述长距离( 几百米甚至更长) 内接受信号强度 的缓慢变化这些变化是由发射天线和接收天线之间传播路径上的山坡或湖泊以 及建筑物等造成的。一般来说，大尺度衰落与发射天线和接收天线之间的距离成 反比，且在不同地区( 如海边和内陆地区、城市和乡村) 有不同的衰减因子；中 1 0 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 物理层仿真及慢衰落时变信道估计研究 尺度传播模型描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平 均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分布，通常称为对 数正态阴影：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，它是由于同一传输信号沿多个路径传播，以微小的时间差 到达接收机的信号相互干涉引起的，通常服从瑞利分布。需要指出的是，上述三 种模型并不相互独立，在同一个无线信道中，可能既存在大尺度衰落，也存在阴 影衰落和小尺度衰落。 ( 1 ) 大尺度衰落 无线电电磁波在自由空间内