（信号与信息处理专业论文）现代无线移动通信系统的信道估计算法研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 在无线移动通信中，由于时延扩展和信道带宽限制，引起码间串扰，产生频 率选择性衰落。由于基站与移动台之间的相对运动，每条路径都会有一个明显的 多普勒频移，导致信道的随机频率调制，也称时间选择性衰落。一般的，信道既 是频率选择性的又是时间选择性的。为了得到可靠的通信，接收端需要对信道进 行估计和均衡以克服衰落信道的影响。本文主要研究在现代无线移动通信系统中 如何估计同时存在频率选择性和时间选择性衰落的信道，包括w c d m a 上行链 路，采用双天线空时发射分集的w c d m a 下行链路和m i m o 系统。本文的研究 工作主要在以下几个方面： 深入研究了w c d m a 上行链路中时变信道的估计方法，分析比较了平均滤 波、多时隙加权平均和内插等算法的性能，并把判决反馈的思想用在信道估计算 法中，得到了比原方法更好的性能。对阵列天线接收时的情况也作了简单地介绍。 分析了w c d m a 下行链路s t t d 发射分集的结构，给出了利用公共导频信 道进行信道估计的算法及性能。由于公共导频信道无功率控制，有可能在接收端 接收到的公共导频信号的功率很低，使得信道估计的误差变大。为了在公共导频 信号较低时也有准确的信道估计，本文还介绍了利用公共导频信道和专用物理控 制信道进行联合加权的信道估计方法。 研究了在频率选择性时变r a y l e i g h 衰落信道中，m i m o 系统中的信道估计 与均衡问题。利用k a l m a n 滤波算法来跟踪信道的变化，利用最小均方判决反馈 均衡器来均衡信道，通过多项式拟和的方法来连接卡尔曼滤波器和均衡器之间的 时间间隔。 对于各种算法，文中都给出了计算机仿真结果，使得各种算法的性能比较显 得很清晰。 关键词：w c d m a ，m i m o ，信道估计，发射分集 电子科技大学硕士论文 a b s t r a ( 玎 i nw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h ed e l a yd i s p e r s i o na n dt h el i m i t a t i o no f c h a n n e lb a n d w i d t hm a yc a u s ei n t e r s y m b o lj n t e r f e r e n c eo s i ) a n dt h u st h ec h a n n e lj s f r e q u e n c ys e l e c t i v e t h er e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na n dt h em o b i l e r e s u l t si nr a n d o mf r e q u e n c ym o d u l a t i o na n d 山ec h a n n e lb e c o m e st i m es e l e c t i v e g e n e r a l l yt h ec h a n n e l i sb o t hf r e q u e n c ys e l e c t i v ea n dt i m es e l e c t i v e i no r d e rt o a c h i e v er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ，t h er e c e i v e rm u s te s t i m a t ea n de q u a l i z et h ec h a n n e l t oc o m b a tt h ed i s t o r t i o n si n t r o d u c e db yt h ec h a n n e l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee s t i m a t i o n a l g o r i t h m s o f t i m e ，v a r y i n gf r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n c li nm o d e mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n c l u d i n gw c d m a u p l i n k w c d m a d o w n l i n kw i t hs p l a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t ya n dm i m os y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s e a r c h i n g w o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o nc a l lb es u m m a r i z e da sf o u o w s ： s o m ee s t i m a t i o nm e t h o do ft i m e v a r y i n gf r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e la r ed e e p l y s t u d i e di nw c d m a u p l i n ks y s t e m n ea l g o r i t h m so f o n es l o ta v e r a g i n g , w e i g h t e d m u l t i s l o ta v e r a g i n g ( w m s a la n di n t e r p o l a t i o na r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d t h e i d e a o fd e c i s i o n f e e d b a c ki sa l s oa p p l i e di nt h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o da n db e t t e r p e r f o r m a n c ei s a c h i e v e d t h ec a s ew h e nt h er e c e i v e ru s e sa n t e n n aa r r a yi sa l s o i n t r o d u c e ds i m p l y t h es p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ( s t r d ) a r c h i t e c t u r ei nw c d m ad o w n l i n ki s a n a l y z e d a n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec o m m o np i l o t c h a n n e l ( c p l c h ) i si n v e s t i g a t e d b e c a u s et h e r ei sn op o w e r c o n t r o li c p i c h ，t h e r e c e i v e dc o m m o n p i l o ts i g n a lp o w e r i sp o s s i b l yv e r yl o wi ft h em o b i l ei sf a rf r o mt h e b a s es t a t i o n a n dt h i st i m et h ec h a r m e le s t i m a t e si si n a c c u r a t e a m e t h o do fc o m b i n i n g c p i c ha n dt h ep i l o ts y m b o l si nd e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a r m e l ( d p c c h ) i s i n v e s t i g a t e dt oc o m b a t t h i ss h o r t c o m i n g t h e p r o b l e m o f t i m e v a r y i n gf r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o ni nm u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m i ss t u d i e d k a l l l l a nf i l t e ri s u s e dt ot r a c kt h ec h a n n e lv a r i a t i o na n dt h em i n i m u mm e a r ls q u a r ee r r o rd e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z e rr m m s e - d f e ) t oe q u a l i z et h e 曲a n n e l p o l y n o m i a lf i t t i n gi su s e dt o b r i d g et h eg a pb e t w e e n t h ec h a n n e le s t i m a t e sp m d u c e db yt h ek a l m a nf i l t e ra n dt h o s en e e d e df o r t h ed f ed e c i s i o n t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e df o rt 1 1 ea l g o r i t h m si n v e s t i g a t e di nt h i s d i s s e r t a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o ni sl e 西b l e k e y w o r d s ：w c d m a , m 1 m o ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，t r a n s m i td i v e r s i t y 1 1 勘误 1 在2 8 、5 4 页上用最小二乘拟合多项式时，( x 1x ) x 7 应改为( x 7 x ) 。1 x 7 。 2 在5 2 、5 3 页上所有的d 都应改为6 。 文中所有的“拟和”二字都应改为“拟合”( 目录i i i 、5 页、2 6 页、2 8 页、2 9 页、 3 0 页、3 2 页、3 3 页、3 4 页、4 l 页、4 6 页、5 4 页、5 6 页) 。 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：瑟麦垒 日期：幻莎年广月j 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二董焘垒 导师签名： 日期 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 现代移动通信系统的发展现状 迈入2 1 世纪，我们已经进入到一个信息化的社会，没有信息的传递和交流， 人们就无法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、 不受时空限制地进行信息交流，提高工作效率和经济效益。 在过去的十几年里，移动通信技术获得了巨大的进步。从传统的单基站大功 率系统到蜂窝移动系统，从本地覆盖到区域、全国覆盖，并实现了国内甚至国际 漫游，从提供语音业务到提供低速数据的综合业务，从模拟移动通信系统到数字 移动通信系统等。 第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统。1 9 7 8 年美国贝尔实 验室成功研制出先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝式移动通信系统。这一 阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在7 0 年代提出的 蜂窝网的概念。蜂窝网也即小区制，由于实现了频率复用，所以大大提高了系统 的容量。 模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其频谱利用率低，业务种类受限，通 话易被窃听，难以满足移动通信系统的发展。为了解决模拟系统中存在的根本性 技术缺陷，数字移动技术应运而生，这就是以g s m 和i s 9 5 为代表的第二代移 动通信系统。到了8 0 年代中期，欧洲受限推出了泛欧g s m 数字蜂窝系统，随 后美国从扩容并兼容的观点开发了采用t d m a 技术的d - a m p s 数字蜂窝系统， 此后为了进一步扩大容量。又推出了采用c d m a 技术的数字蜂窝系统。 为了满足迅速增长的移动用户群和多样化的移动业务需求，9 0 年代国际电 联( i t u ) 提出了第三代移动通信系统的概念i m t 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n 一2 0 0 0 ) 。它工作在2 g h z 频段，提供高质量、高保密性、低成 本的话音、分组数据和多媒体业务，综合寻呼、蜂窝、卫星移动通信系统，并具 智能化、个人化特点的全球漫游系统。其主要体制有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 。 w c d m a 由欧洲和日本的方案融合而成，技术特点是频分双工，可适应多 种速率、多种业务，上下行快速功率控制，支持不问载频问切换，基站之间无须 同步，电磁干扰影响小，适用于高速环境，是一种较有前途的技术方案。 t d c d m a 由欧洲提出，技术特点是时分双工，采用t d m a 帧结构，时隙 内为c d m a 结构，采用联合检测技术，可减小其它用户的噪声干扰，适用于低 电子科技大学硕士论文 速环境，与g s m 的兼容性好，缺点是电磁干扰影响大。 1 9 9 8 年初欧洲电信标准协会e t s i s m g 2 巴黎会议对欧洲第三代移动通信 系统u m t s 的地面无线电接入0 j t r a ) 技术达成如下一致意见：在u m t s 的成对 频带将采用频分双工( f d d ) 、宽带码分多址技术( w c d m a ) ，用于广域高速移动 通信：在非成对单频带将采用时分弼3 ( t d d ) 、时分一码分多址技术f r d c d m a ) ， 用于室内低速移动通信。决定采用基于w c d m a 和t d c d m a 的统一空中接口， 支持2 5 m h z 频带宽度，提供f d d t d d 双模动终端。 c d m a 2 0 0 0 是由美国提出的，技术特点是反向信道连续导频、相干接收， 前向发送分集，电磁干扰影响小，与i s 一9 5c d m a 的兼容性好，综合经济技术性 能较好。 t d s c d m a 由我国提出，技术特点是应用同步和智能天线技术，适用于低 速接入环境。它已经成为国际第三代移动通信的重要标准之一，是中国百年电信 史上第一次提出的完整标准，标志着中国从跟踪向创新转变的历史性的一步，预 示着我国民族移动通信工业在错过第一代、赶上第二代移动通信的脚步后，能够 在第三代技术的研究开发上与世界潮流保持同步，并在未来的移动通信市场获得 更大的发展空间。 进入2 1 世纪以来，随着第三代移动通信的发展和商业应用，随着后 3 g ( b e y o n d3 0 ) 的开发，以自适应调制解调技术、自适应编解码技术、正交频分 复p 日( o f i ) m ) 技术、多输入多输出( m 1 m o ) 技术等为代表的移动通信新技术得到了 越来越多地重视。各大国际通信公司，如m r r ，d o c o m o ，s i e m e n s ，n o k i a 等， 都在各种场合提出了各自的后3 g 或4 g 的概念。在下代移动通信的空中接口 技术方面，o f d m 、m c - c d m a 、t d m a c d m a 、c d m a 等按入技术中何种方 式将成为下一代的主要接口技术标准，这不仅取决于技术的发展，在很大程度上 也取决于市场、经济、政治等诸多因素。 无论何种技术被采用，移动通信系统总的趋势是：数字化、宽带化、综合化、 智能化以及高容量和高可靠性，最终实现人类通信的最高目标，即实现任何人 ( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e o 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o e v e 0 ；i 茳彳t f ： 何种类( w h a t e v e r ) 的信息交换。 1 2 课题的背景意义 由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 电子科技大学硕士论文 研究的侧重点是不同的。在模拟通信中，所关心的是信号的幅度和包络，所以十 分关心时间选择性衰落。随着数字通信技术进入到移动通信领域，时延扩展所引 起的码间串扰问题就变得突出起来了，所以频率选择l 生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间串扰 ( 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 ) f 口 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一段时间内不变，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r a k e 接收机来分别接收。r a 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。为了避免符号间干扰，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 a k e 接收机就能够恢复原 始信息，并不需要额外的均衡。 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 o l 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 a x i m a l r a t i o c o m b i n i n g ，m r c l 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。 电子科技大学硕士论文 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 对带有信道信息的已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间断导频估计体制。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，许多学者已经做了大量的研究，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【1 】介绍了用简单的导频信号平均方法来估计信道 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【2 】介绍了多时隙加权平均( w m s a , w e i g l l t e dm u l t i s l o t a v e r a g i n g ) l 拘方法。该方法是将相邻几个对隙估计得弱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 方法利用了当前第口时隙以前的k 一1 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。s a d a y u k i a b e t a 等人将w m s a 方法扩展到了s y m b o l 级p j ，该方 法在一个时隙内不同位置的符号处用不同的加权因子估计得到每个符号位置处 的信道参数，来提高对快衰落信道的跟踪能力。上面提到的三种方法都需要根据 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器长度，信道衰落较快时选用较短的滤波器长度。 f 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 电子科技大学硕士论文 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【4 】。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 a k e 接收机的分支。文献【5 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是内线性变化的，首先利 用已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f 6 1 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。除了利用 导频符号来估计跟踪信道参数外，文献吲提出了联合导频符号和数据符号的信 道跟踪方法。这种方法充分利用w c d m a 的物理帧的传播特点，即在w c d m a 上行链路中，专用物理数据信道的数据与专用物理控制信道的数据并行通过无线 移动信道，因此接收到的这两种信号包含有相同的无线移动信道特征。于是，利 用控制信道中的导频信号估计出信道参数 。( n ) 和数据信道中的数据信号估计 出信道参数k 。0 ) ，然后在m s e 的准则下合并这两个信道估计值。这种方法需 要知道信道的统计特性、噪声功率以及判决的差错概率。 ( 3 ) 自适应的方法。文献 8 1 1 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 】【1 1 】将信道参数建模为一a r 过程，用k a m a i l 滤波的方法来实时 地跟踪信道参数的变化。文献【7 】介绍了用w i e n e r 滤波来估计信道参数，w i e n e r 滤波和k a l m a n 滤波的方法都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 1 2 1 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，当信道变化很快时不再适用。 在m i m o 系统理论及性能研究方面已有非常多的研究工作。但是由于无线 移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多入多出系统i 1 3 j ，尚有大量问题需要 研究。比如说，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 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。 目前，对于频率选择性m i m o 信道的处理方法主要有两种，一种是利用正 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 nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术，另一种是 电子科技大学硕士论文 m i m o 宽带均衡。o f d m 是把频率选择性m i m o 信道分割成若干个并行的平坦 衰落信道，从而得到一种m i m o o f d m 的结构【1 4 】。m i m o o f d m 仍具有很高的 复杂性， 1 5 在降低这一复合结构的复杂性上作了相应的研究。当然，从性能的 角度来讲，【1 5 是一种次优的方案，其以微小的性能牺牲来换取明显的复杂性降 低。第二种方法是在接收端使用均衡器来对每个接收天线上的信号进行均衡，消 除由多径引起的符号间干扰【1 6 l 。【1 8 】，从而将频率选择性信道改善为平坦衰落信道， 继而采用空时结构来实现m i m o 系统。对于快速衰落的信道，信道估计器应实 时跟踪信道的变化，以配合均衡器的工作。 1 4 本文的主要工作和章节安排 本文主要研究了现代无线移动通信系统中的信道估计技术，包括第三代移动 通信w c d m a 系统上行链路、采用空时发射分集的w c d m a 系统下行链路和 m i m o 系统。分析了几种常用的辅助导频的信道估计算法，并提出了一些改进方 案，、仿真分析、比较了这些信道估计算法的性能。文章结构安排如下： 第二章分析了无线移动通信信道的数学模型及其特点，并且研究了r a y l e i 曲 衰落信道的a r 过程模拟问题，为以后的工作开展打下了基础。 第三章研究了w c d m a 上行链路常用的信道估计算法，包括导频平均、 w m s a 和内捅等算法，并且把判决反馈思想用到了某些信道估计算法中，提高 了系统的性能。对于阵列天线接收时的情形，本章也作了简单的介绍。 第四章研究了w c d m a 下行链路采用s t r d 发射分集时的信道估计算法。 包括利用公共导频信道的信道估计算法和联合专用物理控制信道和公共导频信 道的信道估计算法。 第五章研究了在m i m o 系统中基于k a l m a n 滤波和最小均方判决反馈均衡器 f m m s e d f e ) 的时变r a y l e i g h 信道跟踪与均衡算法，详细推导了m i m o 系统中 的最小均方判决反馈均衡器的计算公式并且阐述了如何联合k l a m a n 滤波器来实 时跟踪信道的时变响应。 第六章为全文总结。 6 电子科技大学硬士论文 第二章无线移动通信信道 2 1 无线移动通信信道概述 信道是发送端和接收端之问的传播媒介的总称，它是任何一个通信系统所不 可或却的组成部分。在无线移动通信系统中，由基站到移动台的无线连接称为前 向链路( f o r w a r dl i n k ) 或下行链路( d o w n l i n k ) ，由移动台到基站的无线连接成为反 向链路但e v e r s el i n k ) 或上行链路( u p l i n k ) 。 移动通信与固定通信的不同在于通信时电台所处的环境是移动的，因此移动 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发射、折 射和散射的路径，无线信道的传播特性具有极度的随机性。同时，随着发射机和 接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减，而且移动台相对于发射台 移动的速度和方向也对接收信号有很大的影响。因此模拟无线信道直是移动无 线设计的一个难点，对移动信道的研究只能在统计意义上来进行。 复杂、恶劣的传播环境是移动信道最主要的特征，这是由在移动中进行无线 通信这一方式本身所决定的。对于移动通信来说，恶劣的通信信道是不可回避的 问题。与其它通信信道相比，无线移动信道是最复杂的种。在移动无线信道中， 信号强度的骤然降低即所谓的衰落是经常发生的，衰落深度可达3 0 d b 。一辆快 速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰 落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠，眭。要在这样的传播条件下保 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。各种 抗衰落技术都是针对移动通信的信道特点而产生於，包括分集、扩频、均衡、交 织和纠错编码等。另外，信号的传输方式，如调制方式，对信道的衰落也要有一 定的适应能力。 2 2 多径衰落信道的数学描述和实现结构 多径衰落的无线信道可以用线性时变滤波器来描述。设信道有l 条可分解的 路径，则基带中信道的单位脉冲响应可表示为【1 9 1 ； 2 善岛p 一_ ( f ) ) ( 2 - 1 ) 上式中，单位脉冲响应 ( r ，t ) 是信道在时刻f 对作用于时刻f f 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，t i ( f ) 是第 7 电子科技大学硕士论文 f 条路径的传播时延。第f 条路径的复振幅岛( f ) = 旧( f ) i e 。帅，也称为第f 条路径 的信道增益或衰落因子，皇( f ) 和孝，( f ) 不相关( 若i 一，) ，岛( f ) = 2 ，e l r , ( t ) 满足均匀 分布，为载波频率。因为传播路径的时延随时问的变化远慢于路径的衰落因子 随时问的变化，大多数情况下q o ) = q ，于是式( 2 1 ) 可以简化为 土 0 ，f ) 一 1 岛( r 弘0 一) ( 2 2 ) ，= f 上式的关系可用图2 - 1 所示的抽头延时线模型来表示，抽头数为己，抽头增益喜( f ) 是复值的和时变的，抽头位置不一定是均匀的，即不要求qa 巧一一一，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皇o ) 进行抽样，而各一 值必须取抽样间隔r 的整数倍。 图2 - 1 多径衰落信道的抽头延时线模型 信道路径的衰落因子蓦o ) 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，则皇o ) 近似为零均值复高斯过程，其包络满足瑞利 f r a y l e i g h ) 5 2 j - 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，则禹8 ) 满足菜期( m d a n ) 分布。 2 3 无线信道的动态特性 z 3 1 时延扩展与相干带竟 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。发送端发送一个窄带脉冲信 号，其通过多条长度不同的传播路径到达接收端，这样接收信号由许多不同时延 的脉冲组成，各个脉冲可能是离散的，也可能是连成一片的。时延扩展定义为最 大传输时延f 一和最小传输时延f 。的差值，即最后一个可分辨的时延信号与第 一个可分辨的时延信号的到达时间的差值，实际上就是脉冲展宽的时间。 电子科技大学硕士论文 a f = f 一一靠i n ( 2 - 3 ) 显然，a f 是随机变量，因此可用统计的方法得到平均延迟t 及方差。统 计参量盯，的物理意义在于它表征时延扩展的离散程度。在数字传输中，由于时 延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其它码元周期中，引起i s i 。为了 避免i s i ，应使码元周期大于多径引起的时延扩展。 信道的相干带宽表征信号的不同频率分量通过多径衰落信道后其包络 衰落的相关性，它是一个频率范围的统计量，可与时延扩展的标准差盯，建立一 定的联系，即 ；l 。2 ，r 口一 ( 2 4 ) 相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。信号中的两个 频率分量，在其频率问隔小予相干带宽时，它们是相关的，衰落特性具有一致性； 在其频率间隔大于相干带宽时，衰落特性不具有一致性。 2 3 2 多普勒( d o p p l e r ) 扩展与相干时间 时延扩展与相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。然而， 它们并没有提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由移动台和基站之 间的相对运动引起的，或者是由信道路径中的物体的运动所引起的。多普勒扩展 和相关时间就是描述信道时变特性的两个参数。 多普勒扩展口。是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化 率的一种量度。多普勒扩展定义为一个频率范围，在此范围内接收的信号有非0 多普勒扩散。当发送频率为五的正弦信号时，出于多普勒频移的作用，接收信号 的频谱在正一厶至丘+ 丘之问变化，其中丘是多普勒频移。谱展宽依赖于丘，尤 是移动台的相对运动速度、移动台运动方向与散射波入射方向之间夹角p 的函 数。如果基带信号带宽远大于曰。，则在接收端可忽略多普勒扩展的影响。 九。；c o s 0( 2 5 ) 其中a 为载波波长，v 为运动速度，= l 为最大d o p p l e r 频移。 信道的相干时间瓦是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率 色散的时变特性，l 与多普勒扩展成反比，即 一 ( 2 - 6 ) 信道的相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话 说，相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达的信号有很强的幅度 相关性。如果基带信号带宽的倒数大于信道的相干时间，那么传输中基带信号可 能发生变化，导致接收机解码失真。 23 3 无线信道的选择性衰落 ( 1 ) 时延扩展引起的衰落 若无线移动信道在比发射信号带宽大的多的信道带宽内具有不变的增益和 线性相位响应，则接收信号将发生非频率选择性衰落( 平坦衰落) 。在一个平坦衰 落信道中，传输信号带宽的倒数远大于信道的多径时延扩展，此时有： b a 7 ，t 盯， ( 2 7 ) 其中b 。为发射信号带宽，r 为码元周期。 若无线移动信道在比发射信号带宽小的信道带宽内具有不变的增益和线性 相位响应，则接收信号将发生频率选择性衰落，此时有： 且 a f ，i 口，( 2 - 8 ) 在频率选择性衰落信道中，信道脉冲响应具有大于传输信号带宽倒数的多径 时延扩展，接收信号包括多种经过衰落和时延的波形，因此信号波形发生形变。 频率选择性信道是由于信道对传输信号的时间散布，而引起符号问干扰。从频域 里看，接收信号的某个频率分量的增益就会比其它分量的增益大，从而使接收信 号发生畸变。 ( 2 ) 多普勒扩展引起的衰落 多普勒扩展导致了频率的扩散，造成了时间选择性衰落，即信道在不同时间 对信号有不同的衰落程度。时间选择性衰落对数字信号的误码性能有明显的影 响。如果信道冲击响应的变化时间比信号码元的持续时间要短，则认为该信道属 于快速衰落的信道，此时有： e ( 2 - 9 ) 对于慢衰落信道，信道冲击响应的变化时间比信号码元的持续时间要长，信 道在一个或几个码元周期内被认为是静止的，此时有： b f ，r ( 21 0 ) 应该指出的是，快衰落还是慢衰落取决于基带信号的变化相对于移动台的速 度或信道中物体的移动速度的快慢；快、慢衰落与平衰落、频率选择性衰落是相 互独立的，所以一个信道可以是它们相互组合的以下四种中的一种：平坦慢衰落、 电子科技大学硕士论文 平坦快衰落、频率选择性慢衰落、频率选择性快衰落。图2 2 和图2 3 示出了多 径时延扩展( 频率选择性衰落) 和多普勒扩展( 时间选择性衰落) 的分类情况。 多径时延扩展 频率非选择性衰落( 平坦衰落) 1 信号带宽小于信道的相干带宽 2 时延扩展小于码元间隔 频率选择性衰落 1 信号带宽大于信道的相干带宽 2 时延扩展大于码元间隔 图2 - 2 多径时延扩展引起的衰落分类 多普勒扩展 快衰落 1 大的多普勒扩展 2 相干时间小于码元间隔 3 信道变化比基带信号变化快 慢衰落 1 小的多普勒扩展 2 相干时间大于码元间隔 3 信道变化比基带信号变化慢 图2 - 3 多普勒扩展引起的衰落分类 2 4 r a y i e i g h 衰落信道的a r 过程模拟 2 4 1 r a y l e i g h 信道的功率谱密度 在移动无线信道中，r a y l e i 曲分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多 径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。多径r a y l e i g h 衰落信道是指在 式( 2 2 ) e e 衰落因子的幅度服从r a y l e i g h 分布，相位服从均匀分布，信道的衰落 因子建模成实部和虚部相互独立的复高斯随机过程，且不同路径之间的衰落因子 相互独立。在这种模型下，无线信道在时域上的变化就表现在复高斯过程的自相 关函数( a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，a c f ) 上。这种二阶统计特性一般取决于信道的 物理特性和移动台的运动速度。r a y l e i 曲信道衰落因子的实部或虚部的功率谱密 度( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , p s d ) 在理论上为u 形带限形式 2 0 l ，也即所谓的j a k e s 模型，其表达式为： 电子科技大学硕士论文 s ( ，)吨踊 o ，ls ，卅 其他 ( 2 - 1 1 ) 其中， = 唬c 为最大多普勒频移，v 、丘、c 分别为移动台的移动速度、载 波频率和光速。 s ( ，) 所对应的离散时间自相关函数为【2 0 】： r ( n ) = t ，。( 妨磊z 怫 ( 2 1 2 ) 其中，j o ( _ ) 为第一类零阶b e s s e l 函数，r 为采样周期。理想的r a y l e i g h 信道 衰落因子的实部和虚部都具有式( 2 1 2 ) 形式的自相关函数。 2 4 2a r 过程对r a y i e i g h 信道的模拟 一个复的q 阶a r 过程司以在时域上通过递推而获得。 ( n ) 口。”( ，l 一日) + v ( n ) ( 2 1 3 ) 其中，v ( n ) 为实部和虚部不相关的复高斯过程。如果用a r 过程来产生r a y l e i g h 变量，则p 印) 应为零均值。由上式可知，a r 过程的模型参数包括 q ，口：，口o 和 源噪声v o ) 的方差口? 。a 阶的a r 过程的功率谱密度具有以下形式【2 1 l ： 蹦，) - 厂豆1 ( 2 1 4 ) j 1 + e x p ( 一j 2 z q ) l 任意形状的功率谱密度都可以由a r 模型来近似逼近，如果n p ( q ) 的自相 函数等于r a y l e i g h 信道衰落因子理论上的自相关函数，则该a r 模型就和j a k e s 模型等价。a r ( q ) 的参数和期望模型的自相关函数r 。沏) 之间有以下基本关系： f 一倥。风。( 一q ) + a ； m = o 只。( 胁) = j p 1 f口 l _ 薹r ”( m _ q ) ，i 1 p 1 5 ) 用矩阵形式表示为： r 。a = v m ；1 2 ，。，o( 2 - 1 6 ) 厂。l = 电子科技大学硕士论文 其中 q ，屯( o ) + a ，r 。( q ) 口- l a 。 q ，n 。卜 k 憾 v _ 【r 。( 1 ) ，r 。( 2 )