（通信与信息系统专业论文）基于wimax的ofdma上行干扰消除和下行多天线技术研究.pdf

摘要 摘要 随着多媒体通信的迅速发展，人们不再局限于传统的语音通信，而更多地需 要进行大容量数据的通信，同时也要求无线通信具有更高的速率、更大的覆盖范 围和更好的移动性，而w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 技术 的出现恰好能满足这些需求。w i m a x 技术是基于无线城域网i e e e8 0 2 1 6 标准的 宽带无线技术，可以在固定和移动的环境提供高速的数据、语音和视频等业务， 具有广阔的应用前景。作为i e e e 8 0 2 1 6 标准的主流技术，o f d m 和o f d m a 技术 被广泛地应用到w i m a x 系统的物理层中，特别是后者，它支持移动性的 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准，因此对于o f d m a 技术的研究有很重要的现实意义。 本文首先系统的介绍了o f d m a 技术原理及w i m a x 技术中的o f d m a 技术。 由于o f d m a 技术采用正交的子载波来传输数据，因此对载波的正交性提出了很 高的要求。在上行链路中每个用户由于载波频率偏差而存在潜在的不同步，这样 使子载波之间失去正交性，从而在基站接收端产生多用户问干扰。本文针对上行 链路任意分配子载波重点研究了载波频偏估计和多用户间干扰消除的方法。在载 波频偏估计中，本文研究了一种载波频偏的最大似然( m l ) 算法，由于此算法要 进行大量的多维运算，因此我们借助于交替迭代投影( a p ) 算法使最大似然估计 从多维参数估计简化成一系列一维参数估计，降低了运算量；针对多用户间干扰 消除，本文研究了一种能够实现载波频偏补偿的低复杂度迭代信号处理算法，通 过对估计出的每个用户的载波频偏在接收端进行圆周卷积运算，对载波频偏进行 补偿，最后通过迭代干扰消除的方法对多用户干扰进行消除。通过m a t l a b 进行仿 真的结果表明，本文的算法具有很好的性能，改善了上行链路的传输性能。 此外，宽带无线技术能够提供较大的下行链路系统容量，而m i m o 技术能在 不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因而本文也研究 了基于o f d m a 技术的下行多天线技术。本文重点研究了一种能最大增加系统容 量和频谱利用率的基于d s t t d 的多天线技术，详细介绍了o f d m a 技术和 d s t t d 技术在下行链路中结合的模型。在接收端提出了一种矩阵求逆的算法降低 了接收的复杂度，最后通过仿真分析了该系统在频率选择性信道及其相关信道下 的性能。 摘要 关键词：w i m a x 技术，正交频分多址接入，载波频偏，多输入多输出，双空时发 射分集 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ae x m u n u n i e a t i o n ，l a r g ec a p a c i t yd a t a c o m m u n i c a t i o ni sm u c hr e q u i r e dt h a nt r a d i t i o n a lv o i c ec o m m u n i c a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni sd e v e l o p i n g 丽t hh i 曲嚣d a t ar a t e , w i d e rr a n g ea n db e t t e rm o b i l i t y a n dt h ea p p e a r a n c eo f w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) m e e t s t h et r e n do fd e v e l o p m e n t w i m a xi sab r o a d b a n dw i t g l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do ni e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r d , s u p p o r t i n gh i g h e rd a t ar a t e , v o i c ea n dv i d e o c o m m u n i c a t i o ni nf i x 矗a n dm o b i l ee n v i r o n m e n t 。0 擎d 磁a n do 】期at e c h n o l o g ya r e w i d e l ya p p l i e di nw i m a xp h y s i c a ll a y e ra st h em a i nt e c h n o l o g yi ni e e e s 0 2 1 6 s t a n d a r d e s p e c i a l l yo f d m as u p p o r t sm o b i l ei e e e s 0 2 1 6 es t a n d a r d s or e s e a r c h e s0 1 1 o f d m a a 瓣i m p o r t a n t o f d m at e c h n o l o g yt h e o r i e sa n do f d m ai nw i m a xt e c h n o l o g ya l ei n t r o d u c e d f i r s t l y t r a n s m i t t i n gd a t ai sa c h i e v e db ye x p l o i t i n gt h eo r t h o g o n a l i t yo ft h es u b - c a r r i e r s i no f d m a h o w e v e ri nu p l i n kc h a n n e l ，e a c hu s e rh a si t so w nf r e q u e n c yo f f s e tw h i c h l e a d st o & l o s so f o r t h o g o n a l i t ya m o n gt h es u b - c a r r i e r sa n dm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e 鑫tt h e b a s es t a t i o nr e c e i v e r t h i sp a p e rf o c u s e so nc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ( c f o ) a n dm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ee l i m i n a t i o ni nu p l i n ko f d m as y s t e mb a s e do ng e n e r a l i z e d c a r r i e ra s s i g r a n e n ts c h e m e s 。m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o na l g o r i t h mi si n v e s t i g a t e d i nc f oe s t i m a t i o n t h ee x a c ts o l u t i o n 幻t h i sp r o b l e mt u r n so u tt ob et o oc o m p l e xf o r p r a c t i c a lp u r p o s e sa si ti n v o l v e sa s e a r c ho v e ram u l t i - d i m e n s i o n a ld o m a i n h o w e v e r , t o m a k eu s eo ft h ea l t e r n a t i n g - p r o j e c t i o nt e c h n i q u e , w er e p l a c et h ea b o v es e a r c hw i t ha s e q u e n c eo f m o n o - d i m e n s i o n a ls e a r c h e s t h e n , w ep r e s e n tat o w - c o m p l e x i t ya l g o r i t h m u s i n gi t e r a t i v es i g n a lp r o c e s s i n gt oc o m p e n s a t ef o r t h ec f oi no f d m as y s t e m s m a t l a bs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc o u l de l i m i n a t e m u l t i u s e r i n t e r f e r e n c ea n di m p r o v et h eu p l i n kp e r f o r m a n c eo f o f d m a f u r t h e r m o r e , b r o a d b a n dw i r e l e s st e c h n o l o g yp r o v i d e sl a r g ec a p a c i t yi nd o w n l i n l q a n dm i m et e c h n o l o g yc a ne n h a n c e c a p a c i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c y w i t h o u t i n c r e a s i n gb a n d w i d t h s ot h i sd i s s e r t a t i o na l s or e s e a r c h e sm u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g yi n d o w n l i n kb a s e do l lo f d m a 。t os u p p o r th i 垂s p e e dc o m m u n i c a t i o na n dl a r g e s ts y s t e m i l l a b s t r a c t c a p a c i t y , 鑫d o w n l i n km o d e lb a s e do f d m a a n dd - s t t di sp r o p o s e d a na l g o r i t h m a b o u ti n v e r s em a t r i xi sp r o p o s e da tt h eb a s es t a t i o nr l 黼i v e r ) s ot h a tt h ec o m p l e x i t yo f r e c e i v e rc o m p u t a t i o nh a sb e e nr e d u c e d a tl a s t ，t h r o u g hs i m u l a t i o n , w ea n a l y s e st h e d o w n l i n kp e r f o r m a n c ei nf r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l sa n dc o r r e l a t i v ec h a n n e l s k e y w o r d s ：w i m a x , o f d m a , c f o , m i m o ，d - s i t d i v 图目录 图目录 图2 1 多径信道模型1 7 图3 - 1o f d m 信号的频谱图2 3 图3 - 2o f d m 符号时域结构图2 3 图3 3o f d m a 基带发射框图2 5 图3 - 4o f d m a 基带接收框图2 5 图3 5 子信道和子载波关系2 6 图3 - 6 采用t d d 模式的o f d m a 帧格式2 7 图3 7o f d m a 上行子载波分配图2 8 图4 1 频偏估计收敛性能3 4 图4 - 2 算法的循环次数( s n r = 2 0 ) 3 7 图4 3 不同用户的载波频偏估计性能3 9 图4 4 未编码的b e r 性能3 9 图4 5 不同用户数目的系统性能4 0 图5 - 1 空时分组码原理4 2 图5 - 2d s t t d 四天线发射框图4 5 图5 3 误码率随接收机的信噪比的变化5 0 图5 4s t t d 在5 m h z 和1 0 m h z 下的性能5 1 图5 5d s i t d 在5 m h z 和1 0 m h z 下的性能5 l 图5 - 6 误码率随相关系数的变化5 2 v i i 表目录 表目录 表1 1 各空中接口标准表3 表3 1o f d m a 可扩展参数表2 9 表5 1 两个符号周期内的符号表4 6 表5 2 仿真参数设置表4 9 i i 缩略词表 a w g n b e r b p s k c d m a c f 0 c p d f t d s t i d f d d f d m f f t h s d p a i c i ) f t i f f t i s i m m o m i s o m m s e o f d m o f d m a p a p r q a m q o s q p s k s 口m 0 s m 缩略词表 a d d i t i v ew l l i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es 1 l i f ik e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t c y c l i cp r e f i x d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d o u b l es p a c ct i m et r a n s m i td i v e r s i t y f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p i e x i n g f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e m u l t i p l e - i n p u tm u l t i o u t p u t m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r 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 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 a c c e s s p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e q u a t e r n a r yp h a s es l l i f ik e y i n g s i n g l e - i n p u tm u l t i - o u t p u t s p a t i a lm u l t i p l e x i n g i x 加性高斯白噪声 误比特率 二进制相移键控 码分多址接入 载波频偏估计 循环前缀 离散傅立叶变换 双空时发射分集 频分双工 频分复用 快速傅立叶变换 高速下行分组接入 载波间干扰 离散傅立叶逆变换 快速傅立叶逆变换 符号问干扰 多输入多输出 多输入单输出 最小均方误差 正交频分复用 正交频分多址接入 峰值平均功率比 正交幅度调制 服务质量 四相相移键控 单输入多输出 空间复用 缩略词表 s n r s t b c s t i d t d d w i m a x w l a n z f s i g n a l - - t o - - n o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d e s p a c et i m et r a n s m i td i v e r s i t y t i m ed i v i s i o nd u p l e x w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 、) l ，i r e l e s sl o c a ia r e an e t w o r k z e r of o r c i n g x 绩噪魄 窄时分组编弼 空时发射分黛 时分双工 全球微波接入互操 作性 无线局域网 遗零 主要数学符号表 主要数学符号表 论文中所用到的主要数学符号列表如下： 符号类别示例 变量 a 矢量 a 矩阵a 叁苎篓兰 a t , a t 矩阵转置 共轭运算a 共轭转置 a “ 矩阵伪逆a 。 圆周卷积运算 。 单位矩阵 i ， 由矢量元素构成的对角矩阵d i a g ( a 1 字体和说明 小写斜体 小写粗体 大写粗体 ( ) t ( ) + ( ) “ ( ) - 1 7 n x 卅阶单位矩阵 将m x l 维矢量a 的元素排 放到全零方阵的对角线上 构成的新方阵 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： 眺中多月z 扫 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： 言篓篡描 日期一7 年彭月别 第一章引言 第一章引言 1 1 无线宽带接入技术及其发展现状 无线宽带接入技术常分为移动接入和固定接入两大类。移动接入又可分为高 速接入和低速接入两类，高速接入一般用以蜂窝系统、卫星移动通信系统、集群 系统等来实现，而低速系统可用p c n ( 个人通信) 系统，如c d m a ( 码分多址) 本地环路、p a c s ( 个人接入通信系统) 、p h s ( 个人手持电话系统) 等来实现。 固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入，它实际上是p s t n i s d n 网( 公共交换电话网综合数字业务网) 的无线延伸。随着多媒体通信的迅速发展， 人们不再局限于传统的语言通信，而更多地需要进行大容量数据的通信，而且随 时随地都能进行通信。无线高速上网、无线v o i p 、无线视频点播正在改变着人 们的通信方式，同时也要求无线通信具有更高的速率、更大的覆盖范围。目前主 干网已普遍采用光纤，所以其所提供的宽带已足以保证目前的多媒体通信的需要。 但是要做到光纤到户或光纤到路边，其成本太高，目前还不太好实现，提高通信 的最大瓶颈还是在接入这一环节。采用无线宽带接入，并提高其传输速率已成为 人们研究的热点。 目前，在国内或国外市场上已经存在了多种无线宽带接入的方式，广泛使用 的主要有：l m d s ( 本地多点分配业务) 、m m d s ( 多信道多点分配业务) 、w i ，a n ( 无线局域网) 、直播卫星系统( d b s ) 。近几年来，无线局域网技术得到广泛的 应用，人们已经能够通过无线局域网实现高速的无线上网。但是无线局域网技术 存在一些缺点，比如说覆盖范围小、移动性差、q o s 和安全性不健全等。随着多 媒体通信的发展，人们需要一种更高速率、更大覆盖率以及具有移动性的无线宽 带接入方式。在众多的宽带技术中，无线技术尤其是移动通信技术成为近年来通 信技术市场的最大亮点，是构成未来通信技术的重要组成部分，而w i m a x 技术 的出现恰好能满足这些需求。w i m a x 技术是基于无线城域网i e e e8 0 2 1 6 标准的 宽带无线技术，可以在固定和移动的环境提供高速的数据、语音和视频等业务， 具有广阔的应用前景。作为i e e e8 0 2 1 6 标准的主流技术，o f d m ( 正交频分复 用) 和o f d m a ( 正交频分多址) 技术被广泛地应用到w i m a x 系统得物理层中， 特别是后者，它支持移动性的i e e e8 0 2 1 6 e 标准的基础，因此对于o f d m a 技术 电子科技大学硕士学位论文 豹磅变鸯镀霪要静瑶实意义。 1 2w i m a x 技术概述 i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e ! 懿sm a n 空中标疆，瓣王箨予不弱菝鬻豹 无线接入系统空中接口进行了规范。报据使用频带高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分 为应用于视距和非视距两种，其中使用2 l l g h z 频带的系统可应用于非视距 ( n l o s ) 燕强，纛使雳l o - - 6 6 g h z 频带豹系统应溺予视距( l o s ) 范疆。壤攥是 否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又可分为固定宽带笼线接入空中标准和移动宽带无 线接入空中标准。 i e e e8 0 2 1 6 标准系列主要包搬8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 。1 6 d 、8 0 2 1 6 e 标准 1 1 2 1 1 3 4 1 ，焚中8 0 2 ，1 6 、8 0 2 。1 6 a 、8 0 2 1 6 d 满予嚣定无线攘入空孛袋羽标准，露8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入擞中标准。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标凇，对工作在1 0 撕6 g h z 频段的固定宽带j l j 线 接入系统豹空孛接盈魏壤屡窝m a c 瑟送霉了援藏，由手其霞麓瓣频段较蠢，因 此仅能应潮于视距( l o s ) 传输。 2 0 0 3 馨1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准j 行了扩展，对使 用2 l l g h z 许可秘免诲可频段的圈定宽带无线接入系统的空中接日物理艨帮 m a c 层遴幸亍了规范，该频段其有j 褫距( n l o s ) 传输静籍点，覆盖蓖圈蓑逡可 达5 0 公里，通常小区半径为1 0 公里以内。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供了q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时饿业务。 8 0 2 。1 6 d 振准是8 0 2 1 6 蠡凑系翔瓣一令骖订黢本，是穗瓣院较残熬置其蠢实 用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对1 0 6 6 g h z 频段和小于l l g h z 频段的固定宽带 无线接入空中接口物理滕和m a c 层进行了详细规定，定义了支持多种业务类型 粒固定宽鬻无线接入系绫褥m a c 艨程辐对应黪多个物理层。该标准对裁咫令 8 0 2 1 6 标凇进行了整合酾修订，仍满予固定宽带免线接入瓣范。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 派式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 。1 6 e 标准区别予前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规定 了霹嚣嚣支褥霾定彝移麓宽豢无线接入豹系统，z 终在参予6 g h z 逶宣予移旗瞧 的许可频段，可支持用户终端以车辆滤度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接 入用户能力并不因此受到影响。8 0 2 1 6 e 标准规定了支持基站或扇区间高层切换的 功能。裁定8 0 2 。1 6 e 标璇豹委戆是棼麓蔻够提出耪疑戆提供离速数据业务又使 2 第一窜日l 言 蘑产曩骞穆麓毪夔奏誉嚣辘攘天瓣淡骞寰。8 0 2 1 酶鞣箍曩予2 0 0 5 枣趁雾莩瑟获 得t e e e 批潍。 8 0 2 1 6 瀑列各空中接口标准的比较如表i - 1 肼辩。 表| 器整枣饕鼙_ 蠹漆畿 8 0 2 1 68 0 2 1 融8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e 至潞1 年i 2 燕程2 0 0 3 霉i 嚣爰式菱麓辩攀6 嚣2 3 窭2 0 0 5 每i 王筵警壤 羲囊 惑毫 式茇帮 姆获批 获撬 l 伽省6 g 硅z 使瘸频段l 蝴e 莲拙奎手j l 好l k夺于6 磷簸 巷擎 l 毯建 信道条伴视距 菲 鳓瓶榄躐十非视距非视躐 器定，移动镘露定鬻艇露定器蘑+ 漫游 2 5 6 0 弼粼 2 5 6 0 f d m 2 5 6 0 f d m ( b p s k q p s 驸 主流调制坶 q f s k 、1 6 q a m( b p s k q p s k 矗雾秘q 燃 ( b p s k q p s k 1 9 2 6 躲避6 蠢差 1 6 q a m t 6 4 q a m ) 1 6 q a m , 2 6 c q a m )l 勰惩 荔l 锾露潞髓 粼o 毯) 弼 a o f d i v i a 傣道带宽2 弛8 跳 1 2 5 2 0 m h z1 然一2 0 m h zl 。2 s t 2 0 m h z 3 2 - 1 3 4 蝴 在2 0 a 稚赫惰道上 在2 0 m b z 信道土猩5 黼盹信潋点 传输速犁 ( 以2 8 m h z 为 提供约7 5 m o p s 的 提供蜘7 5 m o p s 的搬供约1 5 榔的 载渡繁塞)建攀速搴速率 额定，j 、莲举 b w 2 ： 6 ( 2 - 2 ) 即要求信道为平坦衰落信道。从时域上讲，就是要求码元周期大于最大时延扩展， 如果接收机中没有均衡器的话，信道的相干带宽就决定了传输速率的上限。此外， 虽然频率非选择性信道的衰落与频率无关，但它仍是随时间变化的时变信道，其 衰落取决于相干时间或多普勒扩展。 另外一种情况是，如果信号带宽比信道相干带宽大得多，传输信号中的不同 频率分量的衰落就会不同，从而产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅 值被加强，而另一些频率成分信号的幅值被衰减。这种信道称为频率选择性信道， 信道冲激响应具有多径时延扩展，接收信号中包含经历了不同衰减和时延的多径 波形的叠加，因此接收信号会产生失真。 顺便指出，如果系统的信道带宽小于相干带宽，则称为窄带系统；如果信道 带宽大于相干带宽，则称为宽带系统。 2 2 3 时变特性 前面所介绍的时延扩展和相干带宽描述了无线信道的时间色散特性，但不能 描述无线信道的时变特性。无线信道的时变特性是由发射机和接收机的相对运动 或者信道中其他物体的运动引起的，多普勒扩展和相干时间是用来描述无线信道 时变特性的重要参数。 ( 1 )多普勒频移 当发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。具体而言， 两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；两者作反向运动时，接收 信号的频率将低于发射频率，这种现象被称为多普勒效应。 多普勒效应会产生多普勒频移，它由两个参数决定，即接收机相对于发射机 的运动方向和运动速度，计算公式为： 几= ，。c o s 口。= 盖c o s 口。= j ，。c o s 口。 ( 2 3 ) lc 式中，厂埘为最大多普勒频移，c 为光速，口一为接收信号与接收机矢量速度之间 的夹角( 或者说是移动台运动方向相对于来波的角度) 。 1 4 第二章无线信道模型 显然，多普勒频移被限制在- + f ，它通常比载频厂。小得多。从移动台前面来 的波有正的多普勒频移，从移动台后面来的波有负的多普勒频移，即接收信号的 各个分量被不同的多普勒频率所偏移。 ( 2 )多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 由于多普勒效应，随着移动台的运动，散射体或反射体也发生了变化，经多 径传播后，接收信号频率会发生变化，被称为多普勒频率扩展现象，它是由信道 的时变特性引起的，因此，多普勒效应又常被称为时间选择性衰落效应。 多普勒扩展描述了无线信道的时变特性所引起的接收信号的频谱展宽程度。 当发射机在无线信道上发送一个频率为厂n 的单频正弦波时，由于上述的多普勒效 应，接收信号的频谱将被展宽，包含了频率为厂。一厂。厂。+ ，。的频谱分量，其中 厶为多普勒频移，这一频谱被称为多普勒频谱。 接收信号的多普勒频谱上不等于0 的频率范围定义为多普勒扩展，用吼来表 示。如果所传送的基带信号带宽远大于吼，则在接收机中多普勒扩展的影响可忽 略，这种信道被看作是慢衰落信道。反之，如果基带信号带宽小于扔，则此时多 普勒扩展的影响不可忽略，信道被看作是快衰落信道。 ( 3 )相干时间( c o h e r e n c et i m e ) 相干时间在时域描述了信道的频率色散的时变特性，它与信道估计、纠错编 码和交织方案的设计等有关。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道冲激响应 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。 时间的扩展存在着相干带宽，频率的扩展则存在着相干时间。变化慢的信道 相干时间要大，等效的多普勒频率扩展就小。因此，相干时间( & ) ，可以表示为多 普勒频移或多普勒扩展的倒数，即 ( 出) 。2 万12 瓦1 ( 2 4 ) 式中，如果数据速率尼大于衰落速率圪岛。，或者信号带宽巩大于多普勒扩 展b 。，此信道被称为慢衰落信道( 时间非选择性信道) ；如果比特时间t 。大于相 干时间( 缸) 。，或者信号带宽曰。小于多普勒扩展m ，此信道被称为快衰落信道( 时 间选择性信道) 。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 角度扩展与相干距离 角度扩展和相干距离是描述信道在角度上的色散和空间相关性的重要参数， 它们也是实现天线分集和多天线技术( 如m i m o 技术) 的基础。 ( 1 )角度扩展( a s ：a z i m u t hs p r e a d ) 角度扩展是描述功能谱在空间上色散程度的重要参数，它是由移动台或基 站周围的本地散射体以及远端散射体引起的，与角度功率谱( p a s ：p o w e r a z i m u t h s p e c t r u m ) 有关，它是智能天线的波束成形算法的基础。 总体而言，角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度就越高； 相反，角度扩展越小，则表明散射环境越弱，信号在空间的色散度就越低。 ( 2 ) 相干距离( c o h e l - e l l c ed i s t a n c e ) 相干距离d 。是信道冲激响应保证一定相关度的空间间隔，它是空间自相关函 数的特有参数。在相干距离内，信号经历的衰落具有很大的相关性，可以认为空 间传输函数是平坦的。也就是说，如果无线元素放置的空间距离比相干距离小得 多，信道就是非空间选择性信道。 2 3 多径信道模型 时变时延扩展的无线信道是一个二维的随机过程，应当用二维概率密度函数 表征其统计特性。在t 时刻，一个发射天线与一个接收天线之间的无线信道时变 时延扩展复基带冲激响应可以用下式进行描述： 口 h ( t ，f ) = ( d p m 。7 可+ 。- 谚( f f 4 ) ( 2 5 ) 口卸 式中，厂。表示第g 条路径的多普勒频移；以代表示第g 条路径传输时延引 起的相移；万( f ) 表示各条路径相对于首达路径的延迟时间函数：岛表示以首径为 参考点，第g 条路径的相对时延；r q ( t ) 表示信道第g 条路径的复增益。图2 - 1 为 多径传播模型。 t 6 第二章无线信道模型 求 和 ： y ：( f ) e 玎2 石厂。，+ 口：) 图2 - 1 多径信道模型 由于移动台的运动，r 。o ) 通常为具有一定多普勒功率谱的窄带复高斯过程， 其实部和虚部为相互独立且具有相同均值和方差的窄带高斯过程，方差由信道的 功率延迟谱( p d p ：p o w e rd e l a yp r o f i l e ) 决定。 信道的p d p 定义为 以r ) = e ， p ( t ，f ) ( 2 6 ) 式中，西 表示对时间求整体平均值，p ( t ，f ) = i ( f ，r ) 1 2 为瞬时功率延迟谱。 在t 时刻，一个发射天线与一个接收天线之间的时变传输函数为信道冲激响 应对延时f 的傅里叶变换： + d h ( t ，门= o ，f ) e - j 2 # , d f = 艺，g ( f ) p 叫2 町q ( 2 7 ) 曲 q = l 假设对于信道冲激响应中不同的路径，。( f ) 具有相同的多普勒功率谱，等价 于各条路径具有相同的归一化时间相关函数，即： r - ( 出) 2 瓦1 砧- 绷f + 出) = 邢石，。p ) ( 2 8 ) 式中，= br 。( f ) ，：( f ) 表示第g 条路径的平均能量；+ 表示对变量进行共轭运算 d o ( 2 月 f 。声) 表示零阶b e s s e l 函数，f 。一表示最大多普勒频移 电子科技大学硕士学位论文 k = 量 其中，v 袭示发射端和接收端之间的捅对速度，a 表示系统载波波长。 在这榉的假设条 牛下，信道的时阆提关函数袭示如下： 霁( f ) = y o ( 2 , r f d 。岔) 2 。4m i m o 信遘模型 2 4 1m i m o 技术简介 ( 2 9 ) 2 ，1 0 ) 多输入多辕基( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i # e - o u t p u t ，m i m o ) 搜拳，最早由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出来的，它剩用多天线采抑制信道衰落。根据收发端天线的数羹， m i m o 还可以包括单输入多输出( s i n g e - i n p u tm u l t i - o u t p u t ，s i m o ) 和多输入单 输出( m u l t i # e a n p u ts i n g l e - o u t p u t ，m i s o ) 。m i m o 技术研究的动力来源予b e l l 实验室鹣磷究入员e 。t e l a t a r 帮j f o s h n i n i 独立褥爨鹃无线m i m o 系统懿s h a n n o n 容量。它突破了传统的单天线发送和单天线接收的s h a n n o n 信道容量的界限。而 后，贝尔实验室提出了采用m i m o 技术的分层空时结构，从理论研究上升到了实 际夔痤瘸。 m i m o 利用空间增加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线( 或天线阵 列) 同时发送信号。由于各发送天线同时发送的信号占用同一个频带，所以在未 增加带宽的情提下，成德地提高了系统的容量和频谱利用率。广义浆m i m o 技术 包括发射分燕技术帮空鞫复餍技术。发射分集技术，指豹是在苓嗣静天线上发射 包含同样信息的信号( 债号可能并不棚同) ，从而达到空间分级的效果。这样剁用 m i m o 信道提供的空问分集增益，可以提高信道的可靠性，降低误码率。空间复 震技寒冬爱袈分集不瓣，宅在苓弱瓣天线上发送戆楚不嚣戆蔫惑。空蘑复焉鼓零 是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，真正体现出了m i m o 系统容量提商的 本质。 2 。4 + 2m i m o 售道建模 假设脊n ，个发送天线，有n 。个接收天线。 发送壤号表示秀： 1 8 第二章无线信道模飘 s p ) = s ；国，s ：( 囊，s 。澎) ( 2 i i ) 接收信号表示为： y ( ) = p ，( f ) ，y ：锨岁。( f ) 】7 ( 2 - 1 2 ) 式中f r 表示转置。 发送端和接收端的宽带m i m o 光线信道可表示为： 珏f ) = t l ：( r - r , ) ( 2 - 1 3 ) 式中，h p ) 1 ”；h ，= l 矗2l 为第f 个路径的信道转移矩阵，表示为： - # x # r 产 艚 譬 触艘 h e h 一) ，h 。 i t ，。 ( 2 。1 4 ) 瓣是表涿第m 根发送天线到第 i 根接收天线之闻的信道增益，表示可分辨多径 躬数嚣。鞭蓝接收穰号y 与发送薅号s 之阗懿关系为： y ( f ) = h ( f ) s ( t - f ) d r ( 2 - 1 5 ) 2 。4 。3m i m o 信道蜜爨 加性离斯白噪声环境下，信道容馕由下式表承： c c = w l o g ( 1 + 习( 2 - 1 6 ) ￥ a 式中，矿为信号带宽，兰为信噪比，c 的单位为h ：特，秒。 v m i m o 信道容量的罨出是基于以下几个假设： ( 1 ) 信道是准静态戆，帮癌道参数在一个突发菝麓阂傈撩不变，蔼在赖与蔽 之间是一个随机变量。 ( 2 ) 倍道参数对发送端未知，接收端可以通过跟踪估计获得。 ( 3 ) 傣号为窄磐臻号，无菝攀逡祭性衰落。 1 9 卿忻似轴：n磁础：磁 电子科技大学硕士学位论文 ( 秘务条路径鹭麓薅琴 | 衰落，冀籀互独立。 ( 5 ) 不考虑多用户千扰。 m i m o 系统信道容爨公式的数学模型可以参考前面所提出的信道模型：仍旧 霰设殍，爻发射天线数；嚣。受接收天线数；s 玲必发瓣痿号，箕憨发袈臻率为；， 且与n ，无必。v ( f ) 为接收端的噪声，以。是维加性简斯白噪声，统计独立，在每个 天线的功率均为n ；r ) 为接收信号，雅。维信号，每个接收天线豹平均功率为p 。 p 为每个接收天线的输出的信噪比，户2 面- , ，与h r 无关g ( f ) 为信道冲激晌威矩 阵，是一。x 撑，维矩阵，其傅立叶变换为g ，并照认为在传输频带内为常数，记 为g ，并愚记g 的归化形式为胃，恩满足关系式；g ：痧眉。基本的接收 公式为： r ) = g ) s 秘) + 雄) 2 1 7 ) 利用香农倍道容量的标准公式又可写为： c = l o g ：( i + a h l 2 ) ( 2 1 8 ) 在这里c 的单位是细置髓，是指单位带宽的信道容量，p 是接收端信噪比，襁单 个天线下，日是一个复数，而不是一个向量。信邋容量随着信噪比按对数增长。 当发送痿号是拜，缭统诗独立、戆囊秘霹、褰戆努毒戆复彝豢嚣雩，瓣瓣售瀵容 量的一般表达式： c=log。f蛾k+咯)鳓n1秘，胁(2-19)lj 拧 式中：d e t ( ) 代表对矩阵浓行列式；，。代表忍。维单位矩阵；日是方差为1 的，l 。x ”， 归一化复储道矩阵，h ”代表日的共辘转置矩阵。特别地，当盯；z 。时， 2 5 本耄夺结 g ；抖1 。9 2 ( 1 + ( 争) 。沥p 当撑啼m 时( 2 一1 8 ) 第二章无线信道模型 本章讨论了无线移动通信信道的传播特征，介绍了平坦衰落、频率选择性衰 落、快衰落和慢衰落的概念及划分方法和多径信道模型。最后，本章