（通信与信息系统专业论文）基于正交互补码的mimo+mcosmcdma系统仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着移动通信的飞速发展，为了更有效地提供高速率、高质量的传输来满足人们 的需要，开发更高效的扩频技术、调制方法以及信号处理技术成为提高无线资源利用 率的一个重要途径。正交互补码有很理想的自相关和互相关特性，在c d m a 系统中作 为扩频码时，理论上可以消除多址干扰和多径干扰，可以用它与新型调制方式相结合 提高频谱利用率。多输入多输出( m i m o ) 系统充分利用空间资源，利用多个发送天 线和接收天线来提高系统容量。 本文介绍了序列的相关性，介绍了互补码和正交互补码( o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r y c o d e ，o c c ) 的定义。讨论了o c cm c d s c d m a 系统，分析了o 舔e t s t a c k e dm o d u l a t i o n ( o i t s e t s t a c k e dm o d u l a t i o n ，o s m ) ；讨论了m c o s m c d m a 系统和r a k e 接收机结 构，并对m c o s m c d m a 系统的性能进行了推导；提出了在o c cm c d s c d m a 系 统中，使用循环移位o c c 来扩大系统容量。在相同的信道条件下，对o c c m c d s c d m a 系统和d s c d m a 系统的性能进行了仿真的比较。结果表明，o c c m c d s c d m a 系统性能优于d s c d m a 系统，且信噪比越高，性能越优越。通过不 同偏移间隔和用户数对m c o s m c d m a 系统的性能进行性能仿真，结果表明 m c o s m c d m a 系统性能不受其他干扰的影响，只受噪声的影响。通过仿真不同路径 数对m c o s m c d m a 系统的影响，表明r a k e 接收机能够实现多径分集接收，获取 多径分集增益。最后给出的循环移位o c c 对系统性能影响的仿真结果显示，使用循环 移位o c c 作为扩频码的系统具有很强抗多址和多径的能力。 进一步，论文结合现有的s t b cc d m a 系统，讨论了s t b cm c o s m c d m a 系 统的结构。在s t b co c cm c d s c d m a 系统中，使用循环移位o c c 作为扩频码，不 仅可以扩大系统容量，而且和o c c 一样具有很强的抗多址和多径干扰能力。介绍了 v b l a s t 系统结构和其两种线性译码算法迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 和最少均方误差 ( m i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r , m m s e ) 译码算法，结合v b l a s tc d m a 系统，讨论 了v b l a s tm c o s m c d m a 系统方案，利用多根天线来获得更大的系统容量。介绍 了一种空间时延的新型m i m om c o s m c d m a 系统方案，该系统有很好的抗多径干 扰和多址干扰，可以用r a k e 对多径信号进行接收，获取多径分集。 关键词：正交互补码( o c c ) ；多址干扰；相关特性；o s m ；m i m o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i iii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t si nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t op r o v i d et h eh i g h r a t ea n dh i g h - q u a l i t y t r a n s m i s s i o n sm o r ee f f e c t i v e l yt om e e tr e q u i r e m e n t so fp e o p l e ，i ti se s s e n t i a lt od e v e l o pm o r e e f f i c i e n ts p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e s ，m o d u l a t i o ns c h e m e sa n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e ss oa s t oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y u s e da st h es p r e a d i n gs e q u e n c e si nc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s s y s t e m ，o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d e ( o c c ) c a ne l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c ea m o n gm u l t i p l eu s e r s a n dp a t h sd u et oi t sa u t o a n dc r o s s - c o r r e l a t i o np r o p e r t i e sa n dc a ni m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y w h e nc o m b i n e dw i t hn e wm o d u l a t i o ns c h e m e s m e a n w h i l e ，t h es p e c t r u me f f i c i e n c yc a nb ee n h a n c e d t h r o u g hm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yw h i c h u s e sm u l t i p l et r a n s m i ta n dr e c e i v e a n t e n n a st ot a k et h ef u l la d v a n t a g eo ft h es p a t i a lr e s o u r c e s s t a r t i n gw i t ht h ei n 仃o d u c t i o nt ot h ec o r r e l a t i o np r o p e r t i e ss e q u e n c e s ，t h et h e s i sp r e s e n t st h e d e f i n i t i o no fo c ca n dt h ed i s c u s s i o n so nm u l t i c a r r i e rd i r e c t s p r e a d i n gc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( m c - d s - c d m a ) s y s t e mb a s e do no c c ，a sw e l la st h ea n a l y s i so fo f f s e t s t a c k e dm o d u l a t i o n ( o s m ) s c h e m e f u r t h e r , t h es t r u c t u r eo fr a k er e c e i v e ra n dt h eo c cm c - o s m - c d m as y s t e ma r e p r o v i d e da n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fo c cm c o s m - c d m as y s t e mi sd e r i v e d a l s o ，t h e c i r c u l a rs h i f to c ci sp r o p o s e dt oe n l a r g et h ec a p a b i l i t yi no c cm c o s m c d m as y s t e m u n d e rt h e s a m ec h a n n e lc o n d i t i o n s ，t h em c o s m c d m as y s t e mi sc o m p a r e dw i t ht h ed s - c d m as y s t e mv i a s i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo fm c o s m c d m a s y s t e mi sb e t t e r t h a nt h a to fd s c d m as y s t e m a n db e t t e rp e r f o r m a n c eo fm c - o s m - c d m as y s t e mc a nb eo b t a i n e d w i t ht h ei n c r e a s i n gs n r m o r e o v e r , s i m u l a t i n gr e s u l t so b t a i n e df o rd i f f e r e n ts h i f ti n t e r v a l sa n d n u m b e ro fu s e r ss h o wt h a tn oi n t e r f e r e n c ee x i s t si nt h em c - - o s m - c d m as y s t e ma n dt h o s eo b t a i n e d f o rd i f f e r e n tn u m b e ro fp a t h ss h o wt h a tt h em u l t i p a t hd i v e r s i t yc a nb er e a l i z e dt h r o u g hr a k e r e c e i v e r t h ef i n a ls i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e df o rt h ec i r c u l a rs h i f to c cs h o wt h a tt h es y s t e mw i t h c i r c u l a rs h i f to c cc a np r o v i d ec a p a b i l i t ya g a i n s tm u l t i p a t ha n dm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e s b a s e do ns p a c et i m eb l o c kc o d ec d m a ( s t b c - c d m a ) s y s t e m ，t h es t r u c t u r eo fs t b c m c - o s m - c d m as y s t e mi sp r e s e n t e di nt h et h e s i s i ns t b co c cm c o s m c d m as y s t e m ，t h e c i r c u l a rs h i f to c ci su s e da ss p r e a ds p e c t r u m ，w h i c hc a nn o to n l yi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t yb u t a l s os u p p r e s st h em u l t i p a t ha n dm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e 。t h es t r u c t u r eo fv b l a s t ( v e r t i c a lb e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e ) a n dt w oe n c o d i n ga l g o r i t h m s ，z f ( z e r of o r c i n g ) a n dm m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r ) ，i si n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，as o l u t i o nf o r v b l a s tm c o s m - c d m as y s t e mi sp r e s e n t e dt ou s em u l t i p l ea n t e n n a st oo b t a i nl a r g e rs y s t e m c a p a c i t y an o v e ls p a t i a lt i m ed e l a ym i m om c d s - c d m as y s t e mw i t hs a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c ei s i n t r o d u c e d ，w h i c hd e a l sw i t ht h em u l t i p a t hs i g n a l st h r o u g hr a k er e c e i v e rt oo b t a i nd i v e r s i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第t i i 页 n a ri k e yw o r d s ：o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d e s ( o c c ) ；m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e s ； c o r r e l a t i o n p r o p e r t y ；o s m ；m i m o 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 一篙：筑门师篙!日期：沪。勿， 日期： 荔洋1 i! 1 加渺厶f f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 、在o c cm c d s c d m a 系统中，使用循环移位o c c 作为扩频码来增加可用码字个 数；将循环移位o c c 引入到s t b co c cm c d s c d m a 系统中。对基于循环移位 o c c 的c d m a 系统进行了仿真，结果表明通过引入循环移位o c c ，扩大了系统容 量。 2 、将正交互补码引入到m c d s c d m a 系统中，介绍了o f f s e t s t a c k e dm o d u l a t i o n ( o s m ) 技术，研究了采用o s m 和r a k e 接收机的m c d s c d m a 系统，该系统 通过调节码片偏移间隔，实现了多速率传输，提高了频谱利用率。然后对基于正交 互补码和采用o s m 的m c d s c d m a 系统性能进行了分析和仿真。 3 、讨论了正交互补码与s t b c 和v b l a s t 结合的c d m a 系统，对s t b c m c o s m c d m a 系统的性能进行了分析和仿真验证；对v b l a s tm c o s m c d m a 系统进行仿真；最后仿真分析了基于空间时延复用的新型m i m om c o s m c d m a 系统。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 久7， 庐莎 名 移 签 叫 凇 耐 作 耻 划 瑚 幻 日 位 擎 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章首先介绍了课题研究背景和意义，然后对国内外发展现状进行了研究，最后 介绍了本文的主要研究内容及章节安排。 1 1 课题研究背景和意义 下一代无线通信技术要求能够支持高速率和各种多媒体业务，但现有的有限频谱 资源日趋紧张，无法再有效提供高速率、高质量的传输来满足人们的需要，因此开发 更高效的扩频技术、调制方法以及信号处理技术成为提高无线资源利用率的一个重要 途径。同时，我们期望一般的无线通信终端的发展能够实现现在和未来标准的和谐过 渡。 无线移动用户的迅速增多，给无线通信提供了机遇和挑战。2 0 世纪7 0 年代末，以 频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术为主的第一代无线通信1 g 开始商业化。第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 主要代表北美的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l e p h o n es y s t e m ) 、欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。尽管第一代蜂窝移 动通信系统取得巨大的成功，但是在使用过程中出现一些问题，如频谱利用率低、有 限的频谱资源和无限的用户容量的矛盾十分突出、保密性能差、业务种类单一( 主要 是语音业务) 、存在同频干扰和互调干扰、移动设备复杂等缺点。最主要仍然是系统容 量与日益增长的市场之间的矛盾。 随着超大规模集成、低速语音编码以及近二十年来的计算机技术的发展，第二代 移动通信系统( 2 g ) 于2 0 世纪9 0 年代初走向商用。采用数字调制技术，与1 g 相比， 具有频谱效率高，系统容量大，保密性好，语音质量好等优点。具有代表的有欧洲的 时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 系统【1 】【2 】和日本的p d c 系统以及北美的码分多址( c d m a ，c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) i s 9 5 系统p 】等。 为了满足更多用户、更高速率业务以及更高频谱效率的要求，第三代移动通信系 统( 3 g ) 以多媒体业务为主要特征，以c d m a 为核心技术，于本世纪初开始投入商业 运行。主要的代表是北美的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲和日本的w c d m a 及中国提出来的 t d s c d m a 三种系统。与第一代和第二代移动通信系统相比，其主要特点如下： ( 1 ) 全球范围内覆盖和全球无缝漫游系统； ( 2 ) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持h a t e r n e t 业务； ( 3 )高频谱效率和高服务质量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 宣i i i i ! , ! , z 。, 2 , ：一z ii ii m_iih ii i i i i i i i i i i i i i i ( 4 ) 便于过度和演进； ( 5 )低成本和高保密性； ( 6 ) 软容量和软切换； 除此之外，3 g 还有其他许多优点，如提供更可靠的信道编码、灵活配置传输信道 和业务信道、支持多种语音编码方案、为用户提供更为灵活的接入服务等。 c d m a 系统是一个容量受限的系统1 4 】，多址干扰( m a i ，m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ) 和多径干扰( m i ，m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ) 是决定系统性能的两个重要因 素，系统消除m a i 和m i 的能力主要是依靠扩频序列的相关特性。因此，扩频序列对 于c d m a 系统性能来说，具有决定性的影响。寻求理想相关特性的扩频序列也是无线 通信一个很重的方向。正交互补码具有理想相关特性，在c d m a 系统中作为扩频码时， 具有很强的抗m i 和m a i 的能力。 多载波技术，是将高速的数据流串并成多个低比特的数据流进行并行传输，并行 的数据流在不同载波上调制和传输。各载波上信号的符号周期被放大，大于信道延时， 可以消除符号间干扰。传统并行传输的多载波系统把整个带宽划分后送入各子信道， 频带没有重叠，频率利用率较低。正交频分复用技术( o f d m ) 【5 j 是多载波调制技术的 一种特殊形式，其相邻载波间有1 2 的频谱重叠，且保持着正交关系，在接收端可以准 确恢复出原来的信号，提高了频谱的利用率。 多载波技术与c d m a 技术结合促使新的多址技术的发展，主要有频域扩频 m c c d m a 和时域扩频m c d s c d m a 技术。他们都结合了两者的优点，如高频率利 用率，高灵活性，抗窄带干扰能力等。 m i m o 技术是利用多副发送天线和多幅接收天线，充分利用系统空间资源，来提 高系统容量。信息论已经证明：当各发送天线与接收之间的信道为独立平坦衰落时， m i m o 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量【6 】【7 1 。因此， m i m o 系统信道特征有较高的频谱潜力。已经证明，贝尔实验室的分层空时编码技术， 可以获得高达2 0 4 2 b i t s h z 的频谱利用率1 8 j 。 结合m 州o 技术，用正交互补码作为扩频码的m c d s c d m a 的系统，该系统兼 容各技术间的优点。一方面，可以充分利用空间资源，提高频谱利用率；另一方面利 用正交互补码的理想相关特性，消除c d m a 系统的多址干扰和多径干扰。采用o s m 方式和多载波技术，进一步提高了系统的容量，同时还可以实现多速率传输。 1 2 国内外发展现状 现有扩频c d m a 系统中使用的扩频码包括两大类：正交码和伪随机( p n ) 码【9 1 。这 些码字在经历频率选择性信道时，即使在同步的条件下，扩频码的正交性也会被多径 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 信道破坏，使得c d m a 系统自身存在着干扰【10 1 。而c d m a 是个干扰受限的系统， 所以系统容量将受到限制，误码性能受到影响。 为了减缓扩频码在历经多径信道带来的干扰，扩频码应该有着优良的相关性能。 正交互补码( o r t h o g o n a lc o m p l e m e n t a r yc o d e s ，o c c ) 由一群序列集合而成，也叫正交互补 序列集。每个o c c 的自相关函数在非零偏移处为零且互相关函数都为零。应用到 c d m a 系统中，能够抑制干扰，使系统只受噪声的限制。2 0 0 0 年，s h u m i n gt s e n g 等 人l l l j 将正交互补序列集引入到了m c d s c d m a 系统中，提出了一种新的 m c d s c d m a 系统结构，即每个用户分配一个o c c 作为扩频码，每个o c c 的m 个 序列子集分别由m 个载波发送。从l l i r u 1 2 j 的仿真结果可以看出，基于互补序列集的 m c d s c d m a 系统有很好的抗干扰性能。后来不少人在此基础上不断改进和创新。 2 0 0 1 年，h s i a o h w ac h e n 1 3 j 等人提出了一种新型系统，该系统最大的特点是：采用了 o c c 独特的调制方式，即o f f s e t s t a c k e dm o d u l a t i o n ( o s m ) 。o s m 是将m c - d s c d m a 系统中用户相邻两个数据扩频后，偏移若干码片进行叠加。采用o c c 作为扩频码，使 用新的调制方式o s m 的通信系统有着众多的优点，如抗多址和多径干扰，无远近效应， 高频谱利用率，能实现多速率传输等等【1 4 】【1 5 】【1 6 1 。c d m a 系统在频率选择性信道中，用 r a k e 接收机可以获得多径分集，克服信道衰落的影响。而在o s m 的c d m a 系统中， 当偏移间隔较少时，也就是扩频效率较高时，多径信号与数据符号可能完全重合，此 时r a k e 接收机不再适用，得采用递归接收机将多径信号滤除，会导致错误传播【l 4 1 。 当信道条件和偏移间隔适当的话，此时采用r a k e 接收机同样获得多径分集【1 7 】f 1 8 】。 基于o c c 和o s m 的m c d s c d m a 系统，简称为m c ，o s m c d m a 系统，非常 适合当今的高速和多速率数据传输以及多媒体业务的通信系统，该系统与m i m o 技术 结合达到更高频谱效率的目的。 多输入多输出( m i m o ) 技术是指在发射端和接收端都使用多副天线，能够有效提高 系统的传输速率和容量以及频谱利用率。m i m o 空时编码技术主要分为空时分组码 ( s p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ，s t b c ) 和分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ，l s t c ) u 圳。 m i m o 技术与o c c 结合的空间很大，c k h i r a l l a h 等人【2 0 】【2 1 】介绍了一种 m i m o c c c d m a 系统方案，该系统为l s t c 与基于互补序列集的m c d s c d m a 系 统结合，使用多根接收和发送天线，实现空间复用的，但不能获取分集增益。0 5 年， h h c h e n 2 2 1 等将空时编码和o c c 结合起来，获取分集增益，并且把基于o c c 的s t b c c d m a 系统与传统的s t b cc d m a 系统进行了比较，结果表明，基于o c c 的s t b c c d m a 系统有着更好的误码性能，特别是在高性噪比时。0 6 年，h h c h e n 2 3 】【2 4 】又提 出了一种开放无线结构的空时互补编码( s p a c et i m ec o m p l e m e n t a r yc o d e ，s t c c ) ，将 配对o c c 作为扩频码，该系统中采用o s m ，实现空间分集和空间复用的联合。其他 m i m o 和基于o c c 的c d m a 技术相结合的系统也有不少，如j l i 等人在0 6 年【2 5 】提 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 出的，将基于o c c 的c d m a 巧妙和多根发送天线结合起来，获得空间时延复用。通 常基于v b l a s t 的m i m oc d m a 系统要求知道信道状态信息，且接收天线数目不少 于发送天线，或者使用更加复杂的译码算法【2 6 1 。而该系统则不要求接收天线数和信道 状态信息，且有很好的抗多径和多址干扰能力，同时还可以用r a k e 接收机对各多径 分量进行接收和最大比合并【27 1 ，实现多径分集，获取多径分集增益。 结合m i m o 技术和o c c 的m c d s c d m a 的系统主要有三类：一类是基于空间 分集的，目的在于获得发送和接收分集，从而获取分集增益，主要是基于s t b c 的m i m o m c o s m c m d a 方案。一类是基于空间复用，目的在于提高频谱利用率。主要是基于 v b l a s t 的m i m om c o s m c d m a 方案。最后一类是同时获得空间分集和空间复用 的，主要是基于s t c c 的m i m om c o s m c d m a 方案等。上述的三种方案最大的特 点是，使用o c c 作为扩频码，都可以用o s m 来提高扩频效率，而且都有着较强的抗 多径和多址干扰的能力。 1 3 论文的主要研究内容及章节安排 本文介绍o c c 作为扩频码的m c d s c d m a 系统的抗多址和多径的优良性能，同 时采用了o s m 来提高扩频效率和频谱利用率，将o c c 的m c d s c d m a 采用o s m 的 系统引入到m i m o 中，有很强的抗多径和多址干扰的能力以及高频率利用率的优良性 能。具体工作内容安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了课题的研究背景和意义，并对国内发展现状进行了分 析和研究，最后阐述了本课题的主要研究内容及章节安排。 第二章主要介绍了移动无线信道的特性，对多径延时扩展和多普勒扩展进行了简 单的介绍，然后讨论了无线信道的分类，最后介绍了j a k e s 模型来模拟移动无线衰落信 道。 第三章先介绍了序列的三种相关函数，然后给出了互补码、完全互补码以及正交 互补码的定义，最后介绍了用串接或者交织的方法产生完全互补码和通过求解一系列 相关函数方程组来产生o c c 。 第四章主要讨论了基于m c o s m c d m a 系统，分析了o 凰e t s t a c k e dm o d u l a t i o n ( o s m ) ，同时对系统的性能进行了推导。提出了在o c cm c d s c d m a 系统中，使 用循环移位o c c 最为扩频码和o c c 一样有很强的抗干扰能力。在相同信道条件下， 对m c o s m c d m a 系统和d s c d m a 系统进行了仿真比较，还仿真了不同偏移间隔、 循环码片数以及路径数对系统的影响。 第五章从分析s t b c 和v b l a s t 入手，分析了s t b c 和v b l a s t 的m i m oc d m a 系统，提出了s t b cm c o s m c d m a 系统和v b l a s tm c o s m c d m a 系统方案，通 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 过理论分析和仿真，基于o c c 的m i m oc d m a 系统性能得到改善。最后介绍了o c c 空间时延复用的新型m i m om c d s c d m a 系统。 第六章是结论与展望，总结了本文的主要内容，分析了不足，指出了改进方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i t * 一im7 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第2 章无线传输信道 无线通信的传输媒质，即是无线信道，更确切的说，无线信道是基站天线与用户 天线之间的传播路径。天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在 自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。电磁波的传播路径可 能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。了 解无线信道的特点对于理解无线通信系统是非常必要的。 2 1 无线传输信道的特t l 生 在无线移动通信系统中，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，无线通信系 统的性能主要受到移动无线信道的制约。信号在无线信道传播时会受到周围环境中的 作用，产生绕射、反射或散射的传播路径，同时移动台相对于发射台移动的方向和速 度也对接受信号有很大的影响。由于这些原因使得信号沿着多条路径传播，这种现象 叫做多径传播。此时各个信号的传播路径和传播时间不同，到达接收机的时间、幅度 和相位也各不相同，这些信号的相互作用造成了瞬时接收信号相位和幅度的随机波动， 引起多径衰落，具有多径衰落特性的信道被称为多径衰落信道，多径衰落是移动无线 信道最基本的特性。表征无线信道特性的参数有很多，主要有时延扩展或相干带宽、 多普勒扩展或相干时间等。 2 2 多径延时扩展 多径传播是无线信道的主要特征，信号在无线信道传播过程中会受到各种障碍物 的影响，以致接收到的信号是来自不同传播路径的信号的叠加。信号从发送端到接收 天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这就使接收信 号在时间上被扩展了，其结果是接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号造成 i s i ；体现在频域就是频率选择性衰落，即信号在不同的频率上遭受不同的衰落。我们 主要用时延扩展和相干带宽来描述无线信道的多径效应。 时延扩展是由反射和散射传播路径引起的现象，是描述多径信道特性的重要参数 之一。时延扩展会使接收信号中的一个码元波形叠加到其它的码元波形上，产生i s i ， 严重的i s i 会使接收机的符号判决性能严重下降。为了不影响信号的传输，信号的码元 宽度要明显大于时延扩展，这也说明，时延扩展限制了数字多径信道的最大码速。最 大多径时延扩展f m 驭是指第一个和最后一个到达接收天线的信号分量的时间差【2 8 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在多径信道中，信道频率选择性是由相干带宽召c 来度量的。相干带宽是一定范围 内的频率的统计测量值，是指在某一频率范围，在这个频率范围内的任意两个频率分 量都有很强的幅度相关性。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数，即 皿：上 ( 2 1 ) r m 联 在多径衰落信道中传输的信号，当信号带宽风小于信道相干带宽时，信号通过无 线信道后各频率分量受到相同的衰落，其幅度、相位等具有较强的相关性，此时信号 的衰落与频率无关仅随时间变化，这种衰落称为频率非选择性衰落或平坦( f l a t ) 衰落， 有这种特性的信道称为频率非选择性信道。平坦衰落不会引入i s i ，但使在信号衰落时 会造成信噪比下降，因此性能仍会下降。由以上分析我们可以看出为了避免系统产生 i s i ，应保证信道为平坦衰落信道，即 鼠 b 。 ( 2 - 2 ) 时域上就是要求最大多径时延扩展小于码元周期。信号带宽远大于信道相干带宽 时的信道被称为频率选择性信道。传输信号在经过该信道时会经历频率选择性衰落， 即某些频率成分的幅值被加强，而另一些频率成分的幅值被减弱，此时接收信号中包 含经历了不同时延和衰减的信号的叠加，因此接收信号会产生失真【2 8 】。 2 3 多普勒扩展 前面一节描述的相干带宽和时延扩展是用于描述无线信道时间色散特性的两个参 数，但不能描述无线信道的时变特性。这种时变性是由发射机和接收机的相对运动或 者信道中其它物体的运动会引起的。信道的时变性是指信道的传播函数是随时间而变 化的，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。信道的时 变性将导致时间选择性衰落，表现在信号的频谱被扩展。多普勒扩展和相干时间是描 述无线信道时变性的两个参数。 在移动通信系统中，时变性的具体体现之一就是多普勒频移，即单一频率信号经 过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号。信号的多普勒频移是 由接收端和发射端位置的相对移动产生的，当两者做相向运动时，接收信号的频率将 高于发射频率，当两者做反相运动时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称 为多普勒效应。对于电磁波而言，因为多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运 动的速度，对于速度为v 的移动台，接收端的频率偏移店为： 厶= 厶c o s 0 - - fv c o s o ( 2 3 ) c 式中，尼是发射机的载频，劝移动方向与电波入射方向的夹角，c 为光速。磊为最大 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 多普勒频移，常用来描述无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱扩展的程度，即 多普勒扩展。从式( 2 3 ) 可以看出，多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。 相干时间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， 它与多普勒频率成反比。相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值， 即指一段时间间隔，在此时间间隔内，接收信号的幅值具有很强的相关性。如果基带 信号带宽的倒数大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化，造成 信号的畸变，产生时间选择性衰落即快衰落；反之，如果信号的宽度小于相干时间， 则认为是非时间性选择性衰落，即慢衰落。相干时间疋可以表示为多普勒频移或多普 勒扩展的倒数，即： 乃2 万12 瓦1 ( 2 4 ) 2 4 无线传输信道的分类 无线信道的传播模型可分为l a r g e s c a l e ( 大尺度) 传播模型和s m a l l s c a l e ( 小尺 度) 传播模型两种1 2 引，如图2 1 所示。大尺度模型描述了长距离( 几百米甚至更长) 内接收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的传播路径上的 山坡或湖泊以及建筑物等造成的。一般来说，大尺度衰落与发送天线和接收天线之间 的距离成反比，且在不同的地区( 如海边和内陆地区、城市和乡村) 有不同的衰减因 子。小尺度传播模型描述的是短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度 快速变化的。移动无线信道的主要特征是多径，由于这些多径使得接收信号的幅度急 剧变化，产生了衰落，因此，小尺度衰落信道对我们移动通信研究中传输技术的选择 和数字接收机的设计尤为重要。 无线通信的距离或者无线区的覆盖范围主要受大尺度效应的影响，通过合理的天 线布局等设计可以消除其不利影响；而小尺度效应是在数十个波长范围或极短时间内 呈现快速剧烈的随机性起伏，信号传输质量会受到严重的影响，并且不能通过前述的 手段消除。本文中主要是研究小尺度衰落模型，我们可以将小尺度衰落信道进行分类， 如表2 1 所示。其中，毋和疋分别为信号带宽和周期，良和疋分别为信道的相干带宽 和相干时间，而和fm a x 分别为多普勒扩展和时延扩展。根据信道的频率选择性，可以 把信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道；根据信道的时间选择性，可以把信 道分为快衰落信道和慢衰落信道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i _一_lm i _m _m i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 信号 强度 。捷嶷落釉 ”， 图2 1 无线信道衰落示意图 表2 1 小尺度衰落信号分类 时间 基于参数满足条件衰落信道分类 鼠 “ 平坦衰落信道 时延扩展 毋 玫，瓦 t c b s 如 快衰落信道 多普勒扩展 正 而 慢衰落信道 2 4 1 平坦衰落信道和频率选择性衰落信道 通过前面的分析我们可以看出，接收信号在多径传播条件下会发生时延扩展。信 道对发送的信号在频域上进行了滤波，使信号中的不同频率分量的衰落幅度不一样。 在频率上很接近的分量，它们的衰落也很接近，而在频率上相隔很远的分量，它们的 衰落相差很大。因此，根据信道对信号频率的选择性，可以把衰落信道分为平坦衰落 信道和频率选择性衰落信道。 当多径信道的相干带宽远大于发送信号的带宽，即信道的时延扩展远远小于信号 周期时，接收信号经历平坦衰落，如表2 1 所示。经过平坦衰落信道后，不同的频率 分量在频域上经历了相同的衰落；而在时域上，接收信号只经历了一个可分辨径的衰 落，i s i 可以忽略不计，这时可以用发送信号和信道冲激响应的乘积表示接收信号。在 平坦衰落情况下，多径信道使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。但是， 多径效应会导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随着时间变化。 与平坦衰落相反，当多径信道的相关带宽小于发送信号的带宽，即信道的时延扩 展大于信号周期时，接收信号经历频率选择性衰落。信号在经过频率选择性信道后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 不同的频率分量在频域上经历了不同的衰落，即某些频率成分信号的幅值将得到加强， 而另外一些频率成分的信号的幅值则受到衰减；接收信号在时域上经历了多个可分辨 径的衰落，出现了严重的i s i ，这时可以用发送信号和多径信道冲激响应的卷积表示接 收信号。 2 4 2 快衰落信道和慢衰落信道 移动台与基站之间存在相对运动会产生多普勒扩展，引起信道随时间变化，产生 了信道的时变特性。根据发送信号与信道变化快