（通信与信息系统专业论文）基于隐含导频的ofdma上行时变信道估计.pdf

摘要 基于隐含导频的o f d m a 上行时变信道估计 专业名称：通信与信息系统 硕士生：叶晟 指导教师：戴宪华教授 摘要 正交频分多址( o r t h o g o n a lf r c q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o f d m - a ) 是 正交频分复用( o 劬0 9 0 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 ) 的多用户演 进技术。通过将互相正交的子载波分配给不同的用户，它实现了对频谱资源的多 用户高效复用。o f d m a 不仅延续了o f d m 技术优越的抗多径性能，高速率的 传输能力，还具备了自适应编码调制、自适应载波分配等新的特点。上行链路信 道状态信息对o f d m a 系统的相干解调、自适应载波分配有着重要的意义，故 基站接收端的解调前的一个重要任务就是进行信道估计，以获取全体用户上行信 道的实时信息。 本文首先利用复指数基扩展模型( c e b e m ) 来模拟线性时变信道， 然后提出一种全新的基于隐含导频信道估计算法，最后分析并推导估计误差的闭 式解，为工程实现提供了设计参考依据。由于需要多符号平均，传统的隐含导频 估计算法在时变信道下的效果较差。本文中新的加权平均方法通过结合基扩展模 型，实现了对时变信道的有效估计。同时为了获取全体用户完整的信道情况，该 算法在全体子载波上叠加能量不同的导频。此外为了满足发射机能量受限的要 求，本文还提出了一种迭代符号检测算法。通过有限次地迭代，该算法成功地改 善了在低导频能量下算法的估计性能。 与传统信道估计方法相比，本算法以小幅度增加发射信号能量为代价，实现 了对o f d m a 系统频谱资源的高效利用，并能有效地获取全体用户的信道状况。 计算机仿真显示，本算法通过叠加数据能量5 的隐含导频，可获得优于传统导 频算法的性能，因此具有较大的工程实用意义。 关键词：正交频分多址，隐含导频，信道估计，基扩展模型 摘要 t i m e v a r i a n tu p l i n ke s t i m a t i o nf o ro f d m l a u s i n gh i d d e np i l o t s m a j o r ： n 锄e ： c o m m u n i c a t i o n 粕di n f 0 咖a t i o ns y 蚰锄 s h e n g y e s u p e i s o r ：p r o x i 锄h u ad a i a b s t r a c t 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 ea c c e s s ( o f d m a ) i st h em u l t i - u s e r e v o l u t i o nt e c h n i q u eo fo r t h o g o n a lf r c 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 ) a s a l l o c a t i n gs e t so fo r n l o g o n a ls u b c a r r i e r st od i 仟- e r e n tu s e r s ，i tu t i l i z e st 1 1 es p e c t r l l m w i t l lg r e a te 伍c i e n c y o f d m ai i l l l e r i t sc h a r a c t “s t i c so fo f d mt e c 量l i l i q u e ，s u c h 嬲 r o b u s t n e s sa g a i n s tm u l t i - p a t hf 矾i n g ，h i 曲t r a l l s m i s s i o nc a p a c i 吼e t c ，a n de s p e c i a i e x c e l l e n c ei na d 印t i v et e c l l l l i q u e sl i l ( ea d a p t i v es u b c a r r i e ra l l o c a t i o n h o ，e v c r ， m u l t i c a 耐e rt e c h n o l o g yc a l l sf o rr e l a t i v ed e m o d u l a t i o n ，w h i c hn e e d su p l i n kc h 籼e l s t a _ t cm f o n n a t i o n ( c s i ) t h e r e b yc h 籼e le s t i m a 矗o ni sv i t a lb e f o r ed e m o d u l a t i o n i i lm i sp a p e r ，w ep r o p o s ea n da n a l y z ean e wc h 猢e le s t i m a t o ru s i n gh i d d e n p i l o t sf o ro f d m as y s t e mi n al 1 r vu p l i i l l ( c h a n n e l i nt h i sa l g o r i t l u n ，t h eu v c h a n i l e li sf i r s tm o d e l e db yc o m p l e x - e x p o n e n t i a lb e m ( c e - b e m ) a n dm e ni s e s t i m a t e d 舶maw e i g h t e da v e r a g eo v e rm u l t i p l eo f d m as y m b o l sb yj u d i c i o u s l y d e s i g n i n gs u p e r i m p o s e dp i l o t sp o w e r t b 向r t h e re n h a n c ep e r f o n i l a n c ei i l l i n l i t e d 订a n s m i t t i n gp o w e rc a s e s ，w ed e v e l o pi t e r 赫es y m b o ld e t e c t i o na l g o r 砒l m c o m p a r e dw i t h 臼a d i t i o n a lp i l c i t a s s i s t e da l g o r i t h m s ，t h i sa l g o r i t h mc o u l do b t a i n c s io fa l iu s e r sw i t hh i 曲s p e c n a 1e f f i c i e n c ya tt h ec o s to ft m s m i t t i n gp o w e ri n c r e 硒e c o m i ) u t | e rs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tw e c o u l da c h i e v eam u c hb e 位e rp e r f o m 觚c et h 觚 t r a d i t i o n a la l g o r i m m ，u s i n gs u p e r i m p o s e dp i l o t sw i t h5 o fi i a t a sp o w e r k e yw b r d s ：o r d 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 ea c c e s s ( o f d m a ) ，h i d d p i l o t ，c b a n n e le s t i m a t i o n ，b a s i se x p a r i s i o nm o d e l ( b e m ) 论文原创性声明 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经引用的内容外，本论文4 包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 习i 謦 日期：a 口刀年歹月罗 口 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：多 表 u 期：摊岁月多口 导师签名：戴宪肆 口期：& 阱；7 月寥日 第1 章引言 1 1研究背景 第1 章引言 伴随着人类社会的发展与进步，信息在当今世界中的作用越来越大，而在其中 信息传输技术即通信技术的地位越发的突出。移动通信作为通信技术中不可或缺组 成部分，经过了几十年的发展，深刻地影响和改变人们的生产生活方式。在经过模 拟通信和数字通信阶段的发展变革后，移动通信正朝向个人通信这一高级阶段发展， 以实现移动通信的最终目标：能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的 通信服务眩3 。 早期的移动通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专业领域，用户数量 很少。贝尔实验室于二十世纪六十年代提出了蜂窝的概念，使得移动通信摆脱了传 统大区制的结构，为日后大规模商用奠定了基础。伴随着计算机技术和大规模集成 电路技术的迅猛发展，无线通信的理论和应用不断取得进步瞳1 。 从二十世纪七十年代末开始到现在的二十多年时间里，移动通信从第一代发展 到第三代，并广泛开展了未来移动通信系统( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 的研究开发工作，进入 了一个飞速发展的时期。1 9 9 0 年全球移动电话用户数仅为一千万，据最新统计数据 表明截止2 0 0 7 年底全球用户数突破2 0 亿大关，并预计2 0 l o 年将增至2 8 亿。在经 过2 0 年的发展，2 0 0 7 年底中国移动电话用户数目达5 0 8 亿，移动通信市场出现空 前的繁荣。 第1 章引言 ( 一) 第一代( 1 g ) 移动通信系统 第一代商用无线通信系统产生于二十世纪八十年代初期，主要是模拟蜂窝系统， 大多数采用频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 技术。由于受 到传输带宽的限制，其不能进行移动通信的长途漫游，只能作为一种区域性移动通 信系统。典型的系统有美国的础p s 、英国的t a c s 和前西德的c 一4 5 0 等，我国主要 采用的是t a c s 系统。 模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但由 于模拟技术十分成熟，因而在发展初期也得到了较为广泛的应用。但由于其系统容 量小，不满足移动通信新业务的需求，所以在日趋激烈的市场竞争中被第二代系统 所淘汰。 ( 二)第二代( 2 g ) 移动通信系统 二十世纪八十年代中末期，无线通信系统发展到了以数字通信技术为代表的第 二代移动通信系统。第二代系统除了能供语音业务外，还能提供少量短信息服务， 并能提供更高的网络容量，改善话音质量和提高保密性，同时引入无缝的国际漫游。 主要包括欧洲的全球移动通信系统( g 1 0 b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o 姗u n i c a t i o n ， g s m ) ，美国q u a l c o 衄公司推出的窄带码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， c d m a ) 蜂窝移动通信系统。除此之外，还有欧洲的d c s 一1 9 0 0 ，美国的i s 一5 4 等。 第二代系统的产生完成了从模拟通信到数字通信里程碑式的变革，但由于全球 制式的繁杂，标准的不统一，用户只能在同一制式覆盖范围内漫游，无法实现全球 漫游。并且第二代系统数据业务受到带宽限制，无法实现移动多媒体等新兴的高速 率业务。 ( 三)第三代( 3 g ) 移动通信系统 与前两代系统相比，以c d m a 技术为核心的第三代移动通信系统将具有更广的带 宽，其传输速率最高可达2 m ，带宽可达5 删z 以上。全球的主流3 g 标准分别是欧洲 提出的w c d m a ，美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d - s c d m a 。3 g 系统不仅能提供 传统的语音服务，还能提供快捷、便利的无线数据服务，实现高速率数据传输和宽 第l 章引言 带多媒体应用。目前3 g 系统已经在部分国家和地区开始商用，我国也将在2 0 0 8 年 北京奥运会期间提供3 g 通信服务。 由于受到c d m a 技术特点的影响、频谱资源的限制以及标准规范的不一致，随着 移动多媒体业务的广泛开展，3 g 系统在传输速率、服务质量、无缝漫游等放方面的 局限性将日渐显现。 ( 四)下一代移动通信系统 自二十世纪九十年代末推出3 g 标准后，下一代无线通信系统的技术和标准化研 究也逐步启动。一个具有更宽带宽，更高传输质量，随需而自适应的下一代通信系 统成为业界的研究目标。 在当前的高速率传输方案中，正交频分复用( 0 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 g ，o f d m ) 陪副技术凭借其固有的对多径时延扩展的抵抗力和较高的频谱 效率两大优势迅速成为研究的热点，极有可能成为下一代移动通信的关键技术之一。 正交频分多址( 0 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 ea c c e s s ，o f d m a ) 5 1 是一种 允许多址接入的多用户0 f d m 技术，其具有高速传输、动态分配和高效频谱利用等特 点。其已经应用于i e e e8 0 2 1 6 e 随1 ( 移动w i m a x ) 以及3 g p pl o n g t e r m e v o l u t i o n ( l t e ) 口1 。伴随着o f d m 技术在未来移动通信领域中的广泛应用，o f d m a 也 必定会得到业界更多的关注。 1 - 2选题意义及目的 在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中的各种物体所引起的遮 挡、吸收、反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路 径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加 会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信 号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠 第l 章引言 和畸变，甚至造成通信系统解调器输出大量差错，以至完全不能通信。此外，如果 发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特征随时间随 机变化，接收到的信号由于多普勒效应( d o p p l e rp h 锄o m 0 n ) 会产生更为严重的 失真8 】 上行信道是指由用户发射机到基站接收机的无线链路，其信道状态信息( c h 锄e l s 讹i n f o n n a t i o n ，c s i ) 对于系统频谱资源的分配、自适应调制及相干检测有着重要 的意义【9 】。 然而，上行链路信道估计也是一件十分有挑战的工作，因为每个独立用户的信道 冲击响应要在基站同时被估计跟踪。由于自适应载波分配的要求，上行链路的信道 估计不仅仅针对单个用户所分配的那部分子载波，对于全部的子载波也都要进行估 计。所以，o f d m a 上行链路的信道估计是影响其性能的关键问题之一。现有的 o f d m a 上行链路估计方法均是采用在子载波位置插入相应的导频符号的方法。如 前文的分析，此种方法会降低系统的有效数据速率，减少数据的吞吐量，尤其当在 快速变化的信道中，对性能的影响更为显著。 本文的目的就是研究一种能在时变信道条件下对o f d m a 系统上行链路信道估 计的新方法，这种方法无须占用系统宝贵的频谱资源，以叠加隐含导频的方式对全 体用户信道状态进行估计，为系统资源的合理分配提供依据。 1 3 创新点及论文结构 本文的主要工作是，首先利用复指数基扩展模型( c e - b e m ) 对o f d m a 系统上行时 变信道建模，然后提出了基于隐含导频信道估计的新方案，并分析推导估计误差的 闭式解，最后进一步利用迭代符号检测方法改善低导频一数据能量比下的估计性能。 在这些工作中主要创新点如下： 1 时变信道下的加权平均新算法 隐含导频估计算法的核心在于多个符号间的算术平均，这在时不变信道( l t i ) 信道下是可行的，但在时变信道( l t v ) 下便会引入很大的估计误差。本文通过结合 第l 章引言 复指数基扩展模型( c e b e m ) 来模拟l t v 信道，采用了加权平均的方法完成多个符 号间的处理。实验仿真表明，新的加权平均能有效地估计时变信道，获得远优于传 统算法的性能。 2 能量受限情况下的迭代符号检测新算法 隐含导频算法的优点在于不占用o f d m a 系统的频谱资源，但这是以增加发射信 号能量为代价。在移动通信中，发射机系统多数都是能量受限的，故如何降低导频 所占用能量便备受人们的关注。 本算法中提出了一种迭代符号检测方法。利用有限次迭代恢复的数据联合估计 信道。通过逐步迭代求精，有效地降低了导频和数据之间的互相干扰，获得了在低 导频能量下良好的估计性能。由于能有效消除数据序列对隐含导频的干扰，该算有 效降低对导频能量的要求。计算机仿真显示，本算法通过叠加数据能量5 的隐含 导频，可获得优于传统导频算法的性能，因此具有较大的工程实用意义。 3 新的隐含导频叠加方案 在传统估计算法，由于导频的插入被限制于用户各自分配的子带中，故在基站 接收端仅能获得用户所在子带内的信道状况。为了更好地结合自适应传输技术，我 们设计了一种新的隐含导频叠加方案。在全体子载波上叠加能量不同的导频，通过 加权平均及迭代符号检测算法，我们能在基站端获得每个用户全体子载波上信道状 况。 本论文结构安排如下： 第l 章引言 介绍论文研究背景、选题意义及主要工作 第2 章无线信道与估计概述 介绍无线信道的特征、信道参数及常用的信道模型，并简要分析了当前信道估 计领域的三类算法。 第3 章o f d m o f d m a 技术基本原理 第1 章引言 介绍正交频分多址复用技术，构成论文研究相关背景。 第4 章基于隐含导频的o f d m a 上行信道估计 本章利用复指数基扩展模型描述o f d 凇上行时变信道，然后提出一种全新的隐 含导频信道估计算法。本章还提出了一种迭代符号检测算法，改善了在低导频能量 下算法的估计性能。实验仿真结果显示，在低信噪比情况下，新算法比传统插入导 频方法获得较大的性能增益。 第5 章结束语 总结论文所作的工作，并支持存在问题及后续工作的展望。 第2 章无线信道与估计概述 第2 章无线信道与估计概述 信道( c h a n n e l ) 是指以传输媒质为基础的信号通路，是任何一个通信系统中 不可或缺的组成部分。信息是通过信道传送的，因此首先必须分析和掌握信道的 特点与实质，才能针对存在的问题对症下药，给出一一解决的技术方案。 作为通信领域中的一个研究热点，信道估计是进行相关检测、解调、均衡的 基础。本文的信道估计是基于o f d 姒系统下进行的，因此本章介绍的信道估计主 要局限于o f d m 系统。 2 1无线信道特征与建模 移动通信信道属于无线信道，但它既不同于传统的有线信道，也与一般的固 定接入无线信道有所区别。在有线通信中，信号的传输媒质从一开始的明线发展 到同轴电缆，一直到目前广泛使用的光纤缆线都是人为制造的恒定参量信道，它 们的传输特性在相当长的时间内是十分稳定的。与之不同，无线信道是开放式的 客观存在的变参量信道。移动通信信道是无线信道的一个子类，其不仅具有所有 无线信道的特点，而且还具有通信用户随机移动性的新特色。根据发送方向的不 同，可以分为由基站发射机至移动台的下行链路( d o w n l i n k ) 和由移动台至基站接 收机的上行链路( u p li n k ) 移动通信信道具有以下三个主要特点n 们 1 ) 传播的开放性 一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传输的。 2 ) 接收点地理环境的复杂性与多样性 一般可以将地理环境划分为下列三类典型区域： 高楼林立的城市中心繁华区； 第2 章无线信道与估计概述 以一般性建筑为主的近郊小城镇区； 以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊地区 3 ) 通信用户的随机移动性 慢速步行时的通信； 高速车载时的不间断通信； 本文中所至的无线信道特指移动通信信道。由于无线信道是影响移动通信系 统性能的一个重要因素，无线信道研究的成果是移动通信的发展基础。因此，无 线信道问题的研究是移动通信的经典课题。 在近二十年里，移动通信的编解码技术、调制解调技术、多址复用技术和 r f 收发技术等都有相当大的发展和进步，商用系统从第一代的模拟系统发展到 第二代的数字系统，并且第三代系统也已经投入商用。以自适应调制解调技术、 混合自动重发请求( a r q ) 机制、自适应编解码技术( 如t u r b o 码和低密度稀疏检验 矩阵码) 、正交频率数字复用( o f d m ) 技术、多入多出( m i m o ) 无线资源的自适应管 理技术等为代表的移动通信新技术得到越来越多的重视。这些新技术的研究和应 用，都离不开对无线信道的研究和应用。对无线信道特征的掌握和了解，直接影 响这些新技术的应用和发挥，直接影响通信容量和通信质量，是重要的决定性因 素之一n 仉1 1 1 。 因此，对无线信道的进一步研究，包括对无线信道的表征和描述、对无线信 道参数的估计和预测、对无线信道与新技术结合课题的研究，显得越来越重要， 将是未来移动通信发展面临的重大课题n 刳。 2 1 1 无线信道的衰落 在理想的条件下，接收信号是由沿唯一路径传播的发射信号得到的。但在实 际情况下，信号往往要经历各种衰落，沿不同路径传播之后在接收端相互叠加。 另外由于移动台的运动，无线信道还会呈现出时变性。 无线电信号通过移动信道时会受到各个方面的衰减，接收信号功率可表示为 下式【8 】： 第2 章无线信道与估计概述 p ) 爿d l ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) p ( d ) 爿d ls ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 其中表示移动台与基站的距离向量，m 表示移动台与基站的距离。根据上式， 无线信道对信号的影响可以分为三种随1 ： 1 ) 路径损耗： 当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或数千米) 变化时，接 收信号的平均功率值与信号传播距离d 的n 次方成反比。n 称为路径损耗指数， n 值的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，n 取2 。 2 ) 阴影衰落： 电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面 会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落。 阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。 3 ) 小尺度衰落： 在无线通信中，由于电波经过多条路径的距离不同，因而各条路径中的发射 波到达接收机的时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果 同相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。当发射机和接收机 之间的距离在较小的尺度上( 数个波长) 变化时，接收信号的功率发生急剧的变 化，称之为小尺度衰落。 图2 1 清楚地说明了以上三种衰落。此外，由于移动台的运动，还会使得无 线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是会出现多普勒频移。自由空间的传 播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种 不利影响。 路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的 影响，称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增 加而缓慢起伏变化，所以也称慢衰落。小尺度衰落又称快衰落，它反映了无线信 号在较短的距离或时间之内的快速变化特性。实际测量发现，快衰落情况下，在 非常短的距离内，接收机信号的起伏可达1 0 3 0d b 。 第2 章无线信道与估计概述 接收功率 ( d b ) 图2 1 无线信道的三种衰落 下面分别对路径传播的大尺度衰落与小尺度快衰落n 3 1 做简要的介绍分析 ( 一)大尺度损耗 通常把均匀无损耗的无限大空间视为自由空间，但这只是一种理想情况：现 实的电波传播媒质是有损耗的且是不均匀的，电波在传播过程中，功率也会随着 传播距离的增加而减小。这种现象产生的原因是收发端之间地表轮廓的影响，如 高山、森林、建筑群等。 自由空间基本传输损耗k ，指的是自由空间中两个理想点源天线( 增益系数 g t = 1 的天线) 之间的传输损耗。它表示在自由空间中，增益系数g t = 1 的发射天 线输入功率p t 与增益系数g r = l 的接收天线输出功率p r 之比，即 k = = ( 等) 2 2 ， 其中是d 收发端的距离，力是传输信号的波长。 以分贝表示为 k - l o 唔2 0 l 颤等) ( 2 - 3 ) 或者 l h = 3 2 4 5 + 2 0 l g 厂( h 他) + 2 0 l g d ( 五聊) ( 2 4 ) 自由空间是理想介质，不会吸收电磁能量。这里讲的自由空间损耗l h ，是 第2 章无线信道与估计概述 指球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电磁波能量自然扩散引起的，反映 了球面波扩散损耗，其大小只与频率厂和距离d 有关。 ( 二)小尺度损耗 小尺度衰落是由无线信道的多径( m u l t i p a t h ) 性引起的，即由于同一传输信 号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的。 三个主要效应表现为n4 1 ：经过短距或短时传播后信号强度的急速变化；多径传播 时延引起的扩展；在不同多径信号上，存在着时变的多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 引起的随机频率调制。 下面，我们介绍两种主要的小尺度衰落，分别是多径引起的小尺度衰落和多 普勒扩展引起的小尺度衰落： 1 ) 多径衰落 无线移动信道的主要特征是多径传播。由于电波通过各个路径的距离不同， 各反射波的时延、衰落和相位都不相同，在接收端叠加时，会造成同相增加，异 相减小的现象。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落，如图2 2 所示。 图2 2 无线多径信道示意图 从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。 从时间上来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间也就不同o 例如从基 站发送一个窄脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，还包含它的各个时延信 号，这就造成了信道的时间色散性( t i m ed i s p e r s i o n ) 。 信道的时间色散特性在频域上可用信道的相干带宽来描述。相干带宽是指一 特定频率范围，在该范围内，两个频率分量具有很强的幅度相关性。在实际中， 第2 章无线信道与估计概述 常用最大多径时延的倒数来规定相关带宽b 。，即有下式n 习 。 l 廿c 一 ( 2 5 ) 多径特性引起的时间色散，导致发送的信号产生非频率选择性( 平坦) 衰落或频 率选择性衰落，见下表 表2 1 踟 基于多径时延扩展的衰落效应 平坦衰落频率选择性衰落 信号带宽 相干带宽 时延扩展 符号周期 2 ) 多普勒扩展 在多径条件下，由移动体的运动速度和方向收起信号频谱展宽的现象称为多 普勒效应，如图2 3 所示。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒扩展，可用下 式表示池1 1 ，1 6 ： 厶= 羞c o s 口 式中口是入射电波与移动台方向的夹角，v 是移动台运动速度，名是波长。 上式中，v 五与入射角无关，是石的最大值，兀= ，五称为最大多普勒频移。 移动台 图2 3 多普勒效应示意图 由于移动台与基站之间的相对运动引起的，或是由于信道路径中物体的运动 引起的多普勒频移，会造成信道的频率色散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 的时变特 性。在时域描述频率色散，可用相干时间t 表示，它指的是一段时间间隔，在此 第2 章无线信道与估计概述 间隔内，两个到达的信道具有很强的幅度相关性。t 与厶成反比，即下式随3 l 去 6 ， 多普勒扩展引起频率色散，导致信号产生时间选择性衰落( 快衰落) 和非时间选 择性衰落( 慢衰落) 表2 2 8 1 基于多普勒扩展的衰落效应 快衰落慢衰落 高多普勒频移低多普勒频移 相干时间 符号周期 信道变化快于基带信号变化信道变化慢于基带信号变化 2 1 2 无线信道模型 理论分析和实测时延结果表明，无线信道的各种衰落特性，使得信号经过多 径传播后为时变信号，接收端观察到的信号是经过不同传输路径到达的所有信号 的叠加，每个电波不仅幅度改变，信号相位也发生偏移。 ( 一) 加性噪声信道n 6 1 加性噪声信道是无线通信信道中最简单的模型，在此模型中，发送信号x ( t ) 受到加性随机噪声过程n ( t ) 的损伤。从物理意义上看，加性噪声过程有来自通信 系统接收端的电子元件和放大器端，也有来自无线电信号传送过程中遇到的干 扰。这类噪声具有高斯噪声过程的统计特性，因而信道的数学模型通常称为加性 高斯噪声信道。由于这种信道模型适用于多种无线信道，并且易于进行数学处理， 因而它成为通信系统分析和设计的主要信道模型。 ， 信道的衰落很容易并入此模型，当发送信号在信道上经历衰减时，接收信号 的表达式如下： y o ) = 叩( f ) x ( ，) + 拧o ) ( 2 7 ) 其中7 7 ( f ) 为衰落因子 第2 章无线信道与估计概述 ( 二)无线信道统计模型n 7 1 加性噪声信道实际上是一个单径信道，实际的无线信道由于存在散射，反射 和衍射等现象，往往存在多径效应。当有n 个散射路径时，若各路径的信号幅度 为高斯分布，相位为均匀分布，则接收点处合成的信号的包络分布为瑞利分布。 若n 个路径中有一个强直射波，其余为多径散射时，则合成信号的包络分布为莱 斯分布。 1 ) 瑞利衰落信道 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数 量是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下： 厅( f ) = 彳。口一7 ( 2 万厶，h ( 2 8 ) 其中，对于第n 个散射点，a 。是幅度，f n 是多普勒频率，吃是相位。n 是散 射点总数。当信道多径数n 较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响 应办( f ) 可以看成一个复高斯过程，其包络的值a 符合瑞利分布： p ( 彳) = 事p 告，。么 信号包络的均值为仃，方差为盯2 。 相位符合均匀分布的，即： p ( ) 2 去，o 2 万二， 此种信道被称为瑞利信道。 2 ) 莱斯衰落信道 当多径扩展远远小于信号的符号周期时，衰落信道模型经常用于仿真通信系 统在多径信道上的性能。通常我们假设衰落过程相对于信号的符号速率要慢得 多，因此我们可以精确地估计信号的相位。所以我们只需考虑幅度衰落带来的影 响，而不必关心相位的影响。同时还假设符号间的衰落是相互独立的。莱斯衰 落信道模型经常用于仿真一个因直射路径和多个教射路径共同产生的幅度衰落 信道模型。通常假设这些路径的延迟远远小于信号带宽的倒数，即延迟远小于符 第2 章无线信道与估计概述 号宽度。一个信号x ( t ) 经过莱斯信道后的输出y ( t ) 可以表示为： y ( f ) = x ( f ) z ( f ) 这里z ( t ) 是幅度衰落因式，它表示为： z o ) ：污雨百i 两 这里x l ( t ) 和】【2 ( t ) 是高斯随机变量n ( 0 ，o ) ，衰落信道的功率由以下条件归一化表示 2 盯2 + 么2 ：1 a 和。的值由砌c e 衰落因子k 决定。 么= 扛丽 ”7 瓯 当k = 0 时为纯粹的散射信道( 瑞利衰落) ，k = o 。时是简单的频带信道( 无衰落) 。 ( 三)无线信道的冲激响应模型n 们 冲激响应是一种宽带信道特征，它包含了仿真和分析任何一种通过信道进行 无线电发射所需要的所有信息。移动通信中的信道应该是时变的，可以用具有时 变冲激响应的线性滤波器来描述。信道的滤波特性是在任意时刻瞬间多个到达波 的幅值和相位的叠加产生的，冲激响应是一种非常有用的信道特征，因为它可以 用来预测和比较许多不同移动通信系统的性能，以及对一个特定的移动信道条件 预测和比较发射带宽。 收发信号之间的关系是线性的，若将发射台作为输入，接收台作为输出，并 将传输过程( 含多径) 看作一个线性系统，则用线性系统的冲激响应来描述传输 特性是合适的。 建模时，采用复等效低通信号域上的多抽头时变横向滤波器来表征宽带多征 无线信道，横向滤波器的抽头系数为时变的复高斯随机过程，如图2 - 4 所示【8 1 。 第2 章无线信道与估计概述 图2 - 4 横向多抽头滤波器表征的信道模型 定义厅o ，f ) 为时变多径无线传输信道冲激响应，办o ，f ) 完全表征了信道的特 性，它同时是r 和f 的函数。变量f 表示接收台机械运动时间变化，f 表示的是对 于固定时间f 的信道多径延迟。 图2 5 离散化的信道冲激响应【8 】 接收信号，( f ) 可以表示为传输信号s ( f ) 与时变信道冲激响应的卷积，即： ，o ) = s o ) 固厅o ，f ) ( 2 9 ) ( 四)无线信道仿真模型1 胡 有很多关于信道仿真的文献提出了不少信道仿真模型，其中关于瑞利分布信 第2 章无线信道与估计概述 道仿真的模型主要分两大类，统计模型和确定性模型。确定性模型中的j a l ( e 移 动信道模型是i e e e8 0 2 2 0 标准采用的信道仿真模型，是一个标准的频率单调衰 落基带等效模型。该模型假设从发射机到接收机之间存在无数条传播路径，并且 这些反射达到移动目标接收机的路径是离散均匀分布的。对于时域输入波形 石( f ) ，其输出波形j ，( f ) 可以表示为： 少( f ) = ，；( f ) 宝( f ) 一( f ) 舅( f ) ( 2 一l o ) 这里要( f ) 是x ( f ) 的希尔伯特变换。i 、q 两路的基带等价( 复数形式) 描述 为： ，；( f ) ：2 兰c 。( 展) c o s ( 2 万船+ 幺) + 三c 。s ( 口) c o s ( 2 万厶f ) _ ( f ) = 2 s i n ( 屏) c o s ( 2 万五，+ 以) + 2 s i i l ( 口) c o s ( 2 万厶，) 厶= 最大多普勒扩展 以= 厶c 。s ( 2 唬) 三= 2 ( 2 + 1 ) n = 7 r f 4 p t = 砥| n = 模型中的路径数 吼= 2 万( 融所( o ，1 ) ) ，o 砣万间的随机数 上述描述中设最大多普勒频移为厶，则多普勒频移范围为( 一厶，厶) ，同时也 假设延时扩展远远小于信号带宽频率的倒数。，；( ，) 和( f ) 是信道传输函数的基带 等效部分。在多数条件下，信道仿真都利用了基带等效原理，而不必在进行载波 级仿真。只不过这里的最大多普勒频移厶与载波频率z 及接收机最大移动速度 相关，此时利用多普勒频移公式可计算出最大多普勒频移： 厶= 监z 上式中c 为光速，也即无线电波传播速度3 1 0 8 1 1 1 s 。例如一个接收机以 1 5 州s 的步行速度移动，发射机的载波频率为l g h z ，则由此引起的最大多普勒 频移为士5 王z 。如果以1 4 4 k m h o u r 的速度移动，则多普勒频移将增加到士1 2 0 h z 。 在一个实际的环境中，接收信号经过不同的路径长度并且在每个达到路径上的移 第2 章无线信道与估计概述 动速度一般都是不一样的。即便是接收机和发射机之间相对静止，如果一个人或 物体快速移动到传播路径范围内，也会引起多普勒频移。因此，如果发射机发送 一个单一正弦波，在接收端除了受到多普勒频移影响外，还会产生多径衰落，导 致接收机收到的是一个频谱。可以认为一个正弦信号频率被扩展成为一个窄带频 谱。在j a k c 信道中该频谱可表示为： 彤十丽 - l 2 2 无线信道估计概述 ( 2 1 1 ) 在实际o f d m 系统中，通常有相干和非相干系统之分。在非相干o f d m 系统中， 发射机对连续传输的符号中对应子载波上的符号进行差分编码后，再送入i f f t 处理并加入循环前缀。接收端通过差分解调的方法获得对传输符号的估计。这种 方法的最大优点是，不需要信道的状态信息，因此接收机比较简单。其缺点是系 统性能比相干o f d m 系统要降低3 4 d b 。相干o f d m 系统需要用到准确的信道状态 信息，所以信道估计在相干系统中尤为重要。 2 2 1 导频信道估计 普遍使用的是基于导频辅助的信道估计方法是在发送端信号中的某些固定 位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和序列按某种算法 来进行信道估计。根据插入的导频符号在i f f t 之前还是之后，分为频域导频符 号插入法和时域导频符号插入法。基于导频辅助的估计能够有效地减轻和补偿无 线信道多径衰落的影响，性能好且复杂度低，所以成为目前o f d m 系统中常用的 估计技术。但是导频符号和序列的使用必然占用一定的有效带宽，从而使系统的 传输效率降低；特别是快时变信道情况下，为了获取准确有效的信道瞬时状态信 息，必须频繁地发送导频符号和序列，这样，信道中的传输速率就会大大降低， 第2 章无线信道与估计概述 严重影响数据传输速率。 2 2 2 盲信道估计 盲估计方法基于被传输的信息符号的有限字符特性和其统计特性的估计法， 它不需要传输训练序列，所以有效数据传输效率就大大提高。和导频情形一样， 现在已经提出各种不同的盲信道估计和均衡方法。当以比波特率进行采样时，接 收到的信号是离散平稳的，而且通常具有非最小相位特性。当以比波特率更高的 速率进行采样时，接收到信号是离散标量循环平稳的，可以等效地将其表示为离 散向量平稳序列n 引。在以波特率采样时可以利用接收信号的高阶统计量。这种思 想可以追溯到w i g g i n s 2 0 。、d o n o h o 、g o d a r d 2 2 1 和b e n v e n i s t e 等人2 3 3 以及其他 作者富有开创性的研究工作。然而，基于高阶统计量的算法有一个缺点，就是采 用高阶统计量得到的估计具有较大的方差，尤其当存在噪声的时候。这种缺点常 常导致实时方法的收敛速度很慢。t o n g ，x u 和k a i l a t h 乜4 3 的研究成果，指出了如 何仅利用接收信号的二阶统计量完成信道盲估计，其关键是考虑了多输出信道， 这种模型可以采用天线阵得到。此后，又有研究者提出在子空间情形下口2 1 得到 了类似的结果。 虽然盲信道估计方法不需要占用带宽来发送导频信号，信道传输速率得到提 高，然而，其算法复杂，导致接收机构造复杂，且由于其算法固有缺陷，盲信道 估计效果往往不如导频估计。 2 2 3 隐含导频信道估计 基于导频的信道估计与盲估计都存在一定的缺点和弊端：基于导频的估计由 于要周期性发送训练序列，导频序列占据了系统的资源( 时隙或带宽) ，降低了 信号的传输速率，减小了系统有效的信息吞吐量。如果为了跟踪快速变化的信道 情况，导频序列则需要频繁地周期性发送。 盲估计虽然避免了使用训练序列，但由于其基于高阶统计量的算法需要很长 第2 章无线信道与估计概述 的观测数据，算法的复杂度高。在实际工程中对硬件实现提出了很高的要求，计 算比较耗时，不利于信道的实时估计，特别实在快变信道中。 近年来，人们提出了一种基于隐含导频的新的信道估计方法。隐含导频的思 想是基于以功率换带宽，系统利用额外的功率在数据信号上叠加导频信号，导频 信号以隐含的方式与数据一起发送到接收端。叠加的导频信号并不占用系统的有 效带宽，因而没有传输率的损失。 2 3 本章小结 本章主要介绍了无线信道的特征、信道参数及常用的信道模型，并简要分析 了当前信道估计领域的三类算法。 第3 章o f i ) m o f d m a 技术基本原理 第3 章o f d m o f d m a 技术基本原理 正交频分复用( 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 ) 羽 是一种具有良好抗多径性能的高速传输技术。它的基本原理就是在频域内将系统 的总带宽划分成许多子信道，每个子信道都采用彼此正交的并行子载波来进行传 输。基本的o f d m 技术在任意时刻只能为单个用户提供服务，为了支持多用户接 入的实际环境，便演进出正交频分多址( o n 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 a c c e s s ，o f d m a ) 技术崎1 。 3 1 o f 脚技术原理 作为一种多载波( m u l t i c a 仃i e r )