（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中符号间干扰抑制方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种无线通信环境下的高速多载波传输技 术，具有较高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，是第四代移动通信系 统的核心技术。当o f d m 系统中载波频率不是很高，且终端的移动速度不是 很快时，通常可认为信道特性在一个o f d m 符号周期内不变化或变化很小， 采用大于信道记忆长度的足够长的循环前缀( c p ) 即可使o f d m 符号间干扰 ( i s i ) 为零、载波间干扰( i c i ) 为零或很小，接收机可采用频域单抽头均衡来补 偿信道失真。 当c p 长度小于信道冲激响应长度时，o f d m 通信系统的子载波间的正 交性遭到破坏，接收信号存在i s i 和i c i ，频域单抽头均衡器不再适用。为了 解决这个问题，通常需对接收信号进行i s i 和i c i 干扰消除。针对频率选择 性衰落信道下的o f d m 系统中的i s i 干扰问题，本文详细分析了循环前缀不 足时i c i 和i s i 的产生机理，并在此基础上研究了一种基于递归最d - - 乘的 o f d m 系统自适应均衡算法，理论分析和仿真结果表明了该算法的有效性， 并且可以显著提高频谱利用率。此外，本文还详细分析和研究了并行迭代均 衡算法和残余r i s i c 干扰消除算法，在r i s i c 算法的基础上研究了种改进 的基于变换域插值信道估计的残余r i s i c 干扰消除算法，并进行了仿真与性 能分析。 关键词：正交频分复用：频率选择性衰落信道；符号间干扰；载波间干扰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr 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 e x i n g ( o f d m ) i sah i g h s p e e dm u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o nt e c h l o n o g yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a n di th a sb e e nr e g a r d e da st h e c o xt e c h n o l o g yo f4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et oi t sh i g hb a n d w i d t h e f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s sc o m b a tm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e w h e nt h ec a r r i e rf r e q u e n c y o fo f d m s y s t e mi sl o wa n dt h es p e e do ft h et e r m i n a li ss l o w , t h ep a r a m e t e r so f t h ec h a n n e lc a nb er e g a r d e da st i m e i n v a r i a n to rs l o w - v a r y i n g t h ei n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i si ) a n di n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) o fo f d m c a nb ee l i m i n a t e db y e m p l o y i n gc y c l i cp r e f i xl o n ge n o u g h ( g r e a t e rt h a nc h a n n e ll e n g t h ) ，a n dt h e r e f o r e t h ed i s t o r t i o no f r e c e i v e ds i g n a l sc a nc o m p e n s a t e db yj u s tas i n g l e - t a pe q u a l i z e r i nf r e q u e n c yd o m a i n i no f d ms y s t e m ，w h e nt h el e n g t ho ft h ec y c l i cp r e f i x ( c p ) i ss h o r t e rt h a nt h e l e n g t h o f c h a n n e l i m p u l s er e s p o n s e ，t h eo r t h o g o n a l i t y b e t w e e no f d m s u b - c h a n n e l si sl o s tb e c a u s eo ft h ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i si ) a n di n t e r c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ( i c i ) i nt h i sc a s e ，t h eo n e t a pf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e rc a nn o tb e u s e da n ym o r e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ei s ia n di c ic a n c e l l a t i o no ft h e r e c e i v e ds i g n a l sm u s tb ec o n s i d e r e di nt h er e c e i v e r f o c u so nt h ep r o b l e mo f o f d mi s ic a n c e l l a t i o ni nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ，i nt h i st h e s i sw h e n c y c l i cp r e f i xi sn o te n o u g h ，t h em e c h a n i s mo fi s ia n di c ig e n e r a t i o ni sa n a l y z e d ， ak i n do ff r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e ru s i n gt h er e c u r s i v el e a s ts q u a r e ( r l s ) a l g o r i t h m i sr e s e a r c h e di nd e t a i l f u r t h e rm o r e ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi se f f e c t i v ea n dc a ng r e a t l yi n c r e a s e t h ef r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c y i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sa l s os t u d i e st h ep a r a l l e l i t e r a t i v ee q u a l i z a t i o ns c h e m ea n dr e s i d u a li s ic a n c e l l a t i o na l g o r i t h m ，a tt h es a m e t i m e ，a ni m p r o v e dr i si cs c h e m ef o ro f d ms y s t e m sb a s e do nt r a n s f o r m d o m a i n _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ - - - 一i _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ _ - - - _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 p r o c e s s i n gc h a n n e le s t i m a t i o ni sr e s e a r c h e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i s s c h e m ec a n1 e a dt ot h er e d u c t i o no fb i te r r o rr a t e k e yw ords ：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 ) ；f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l ；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 n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ( i c i ) 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 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：参姨哥指导老师签名：叼f 争 日期：冲6 砂 日期。纠i z 西南交通大学学位论文创新性声明 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的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、针对频率选择性衰落信道下，在循环前缀不足时o f d m 系统中存在的i s i 消除问题，本文研究了将r l s 频域自适应均衡算法应用到o f d m 系统的 具体方法，仿真结果验证了该方法的有效性。 2 、本文对循环前缀不足时的残余r i s i c 算法进行了详细分析，在此基础上 研究了一种改进的基于变换域插值信道估计的残余r i s i c 干扰消除算法， 并进行了仿真与性能分析。 学位论文作者躲呶器 日期：哟占 i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究背景 1 1 1 引言 第1 章绪论 现代社会己步入信息时代，由于人们对通信业务种类越来越广泛的需求， 及对通信质量越来越高的要求，为此世界各国致力于现代通信技术的研究、 开发以及现代通信网络的建设【i 】。个人通信是人类通信的最高目标，它使用 各种可能的网络技术，实现在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的 信息交换。这种使用户彻底摆脱了终端束缚的通信方式就是移动通信，它是 现代通信系统中不可缺少的组成部分。 目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字通信阶段，以先进移动电话 系统( a d v a n c em o b i l ep h o n es e r v i c e s ，简称a m p s ) 和北欧移动电话( n o r d i c m o b i l et e l e p h o n e ，简称n m t ) 为代表的第一代针对语音的模拟蜂窝无线系 统，已经被以全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ， 简称g s m ) 和数字a m p s 为代表的第二代支持语音和数据的数字蜂窝无线系 统所代替；随着无线多媒体业务和无线i n t e r n e t 接入需求的不断增强，第三 代无线通信( 3 g ) 技术( 包括过渡的2 5 g 技术) 逐渐成熟并开始走向实用。3 g 通信能够满足数据传输速率高达2 m b s ，而新一代的移动通信技术4 g 具 有2 g 和3 g 不可比拟的优势：传输速率最高能达到1 0 0 m b s ；发射功率降低 1 0 1 0 0 倍，不易受到其它设备的电磁干扰；支持网络与手机的互动功能；支 持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视业务等，使用户在 任何地方都可以获得任何所需的信息服务【2 1 。 4 g 系统的一个比较普遍的期望是支持2 0 m b s 以上的数据速率，比3 g 系统要高一个数量级。要实现如此高速率高质量的多媒体无线数据传输，无 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 线通信系统需要克服许多技术难题。对于目前高速数据业务来说，单载波 t d m a 系统和窄带c d m a 系统都存在很大的缺陷，由于无线信道存在时延 扩展，而且高速数据流的符号宽度又很小，所以符号之间存在比较严重的符 号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，简称i s i ) 。因此，人们开始关注多载波 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n e yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称o f d m ) 技术， 以此来解决高速率无线数据传输所引起的衰落和多径问题。本课题正是针对 第四代移动通信系统中的关键技术- - - - o f d m 展开研究的。 1 1 2o f d m 技术特点及现状 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线 大多是非平坦的，而o f d m 技术是将信道分成若干正交子信道，并把高速数 据信号转换成并行的低速数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号 在接收端采用相关技术分开，可以在一定条件下减少子载波间干扰 ( i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，简称i c i ) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相 干带宽，因此每个子信道可看作平坦衰落信道，从而消除了符号间干扰( i s i ) 。 o f d m 之所以越来越受关注，是因为它具有许多优点：( 1 ) o f d m 技术抗 频率选择性衰落和载波间干扰能力强，而且它通过将各子信道联合编码，实 现了子载波间的频率分集作用，从而使系统的整体性能得以提高。( 2 ) 频谱利 用率高。o f d m 使用正交的子载波作为子信道，子载波间的频谱互相重叠。 当子载波个数越多时，系统的频谱利用率越高。( 3 ) o f d m 的自适应调制可以 根据信道环境来选择更合理的调制方式，并通过使用加载算法，将数据集中 到条件好的信道上进行高速传输。( 4 ) 接收机结构简单，实现容易。o f d m 把 高速率数据流进行串并转换，并采用插入循环前缀的方法，消除了i s i 造成 的不利影响，甚至可以不用均衡器，减小了接收机内均衡的复杂程度。( 5 ) 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输要大于上行链路 中的数据传输量，o f d m 系统可以自动地调整子信道数来实现上、下行链路 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 中不同的传输速率。( 6 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用。o f d m 易 于与空时编码、分集、干扰抑制、智能天线等技术相结合，最大限度地提高 物理层信息传输的可靠性。 综上所述，o f d m 技术的的这些优点使其在许多领域都得到了广泛应用。 目前，o f d m 不仅被许多无线通信标准所采用，例如数字音频广播( d a b ) 、 数字视频广播( d v b ) 、低压电力线通信、基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的本地无线局 域网( w l a n ) 、基于欧洲标准的无线本地高速网络( h i p e r l a n ) 等都采用了 o f d m 技术，而且i e e e 8 0 2 1 1t 作组还将其作为w l a n 的物理层接入方案， 这也是o f d m 第一次被用到分组业务通信中，随后i e e e 8 0 2 1 6 也选用了 o f d m 用于无线城域网( w m a n ) 的物理层【3 】。 虽然o f d m 已成为新一代无线通信最有竞争力的技术，但它本身也有一 定的局限性：( 1 ) 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱互相重叠，这对它 们的正交性提出了更高的要求。而无线信道存在时变性，在传输信号时出现 的频率偏移、发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会导致 o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而引起子载波间干扰。( 2 ) 峰值 平均功率比较高。o f d m 系统的输出是多个子信道信号的叠加，当多个信号 的相位一致时，所得叠加信号的瞬时功率就会远远高于平均功率，出现较大 的峰值平均功率e 1 1 ( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) ，引起信号发生畸变， 叠加信号的频谱也发生变化，从而使各个子信道间的正交性遭到破坏，导致 系统性能恶化，因此对发射机内放大器的线性提出了更高的要求。 1 1 3 符号间干扰的产生和危害 在数字通信中，我们通常讨论的都是没有i s i 的理想情况，而实际信道 的频带总是有限的并且偏离理想特性，因此造成通过的信号在频域上产生线 性失真，而在时域上发生时间弥散效应。这种效应对通信系统所造成的危害 被称为i s i 。在无线移动信道中，接收机所接收到的信号是通过不同的直射、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 反射、折射等路径到达接收机的，这种多径效应导致了接收到的信号是发送 信号不同增益、不同相位和不同时延的多路信号的叠加，相当于发送信号在 时间上被扩展，从而产生了i s i 。i s i 的存在限制了通信系统的最大传输速率， 从而导致接收端符号检测产生较大的误码率。另外，无线信道的特性还随着 环境和时间作随机变化，从而使信道情况更加难以预知，因此在实际传输系 统中存在i s i 是必然的现象，再加上各种噪声干扰，经常造成接收端的判决 错误，从而影响了信号的传输质量【4 1 。 应用o f d m 技术的一个最主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。 为了最大限度地消除i s i ，在各种o f d m 系统中必须加入一定长度的各种形 式的保护间隔g i ，并且这些g i 的持续时间必须大于或等于无线信道的最大 延迟时间，以克服无线传播环境多径时延扩展所引起的i s i 。在高速公路、高 速铁路等实际的电波无线移动传播环境中，信道是随时随地变化的，这种变 化包括信道时延扩展长度和信道冲激响应系数两方面。正是由于这种信道长 度的未知性，在o f d m 系统设计中往往采用具有一定冗余的保护间隔，即保 护间隔g i 的长度稍大于统计意义上的无线信道估算的可能最大时延扩展。 为了消除多径所造成的i c i ，通常在o f d m 符号的保护间隔内插入循环前缀 符号，从而保持了子载波的正交性。这种预留更长的保护间隔来适应可能变 化的信道长度的设计方法，无疑降低了o f d m 系统的频谱效率。但是在高速 公路、都市闹市区等无线传播环境中，无线信道多径时延超过循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 长度的情况并不罕见，由此引起的i s i 必将导致常规o f d m 解调 方法的解调性能及网络频谱效率的下降。本文主要研究循环前缀不足时 o f d m 系统中的i s i 抑制方法，从而提高o f d m 系统的频谱效率并且保持较 好的通信质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 国内外研究现状 针对为提高o f d m 系统频谱效率而降低c p 长度，导致c p 长度不足产 生的i s i 问题，近年来国内外学者进行了广泛深入的研究，出现了大量研究 成果。从查阅的各类文献来看，出现了一些有价值的i s i 干扰消除技术和方 法。 目前国内外已经对o f d m 的均衡技术做了大量的研究。文献 6 】和文献 7 分别使用了基于z f 准则和m m s e 准则的判决反馈均衡( d f e ) 方法，这两种 方法都使用d f e 方法在时域上抑制i s i ，然后分别根据不同的准则来消除残 余i s i 引起的i c i 。m m s e d f e 方法的性能要比z f d f e 更好，但由于它包 含大量的矩阵运算，因此它的计算复杂度相对比较高。而无线局域网通常工 作在信噪比较高的环境下，这时m m s e d f e 与z f d f e 相比性能改善并不 明显。文献 8 最早提出了循环重构( c r ) 抵消方法，该方法首先使用简单的判 决反馈方法去除i s i ，然后在频域均衡之前恢复时域信号的循环性，最后使用 简单的单抽头均衡器进行信道均衡，可见c r 方法的复杂度要比d f e 方法低 得多。 d u k h y u n t 9 】等人提出了c r 方法的迭代改进方法一一残余i s i 消除 ( r e s i d u a li s ic a n c e l l a t i o n ，r i s i c ) 方法。即在时域用相邻o f d m 符号抵消的 方法来克服i s i ，循环重复地矫正i c i ，并采用压缩编码方法进行错误控制， 结果显示该算法能够在平坦衰落或者慢衰落信道下有效地抵抗i s i 干扰。目 前r i s i c 算法已经被应用到地面高清晰电视广播系统，但该算法不适合应用 于非整数倍采样间隔的多径信道。在此基础上，文献 1 0 提出在时域用相邻 o f d m 符号抵消的方法克服i s i ，然后利用信道参数在频域内对消除i s i 后的 信号均衡，一次实现i c i 的矫正。并经过仿真说明了在信道时延扩展比较大、 频率选择性衰落严重的信道中，该方法好于文献 9 的r i s i c ( i = 2 两次循环矫 正o f d m 正交性) 方法。文献 1 1 提出了一种频域均衡器，解决了o f d m 通 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 信系统在循环前缀不足情形下的频域均衡问题。当循环保护前缀( c p ) 长度小 于信道冲激响应长度时，o f d m 通信系统的子载波间的正交性遭到破坏， 接收信号存在符号间干扰( i s i ) 和子载波间干扰( i c i ) ，频域单抽头均衡器不再 适用。为解决这个问题，通常的方法是对接收信号先进行时域均衡，减少信 道的有效冲激响应长度和恢复子载波间的正交性。但时域均衡器结构复杂， 且其收敛性不能保证【1 2 1 3 ，1 4 ，15 1 。而该频域均衡器的设计利用了o f d m 系统 的空闲子载波信息，其频域均衡矩阵如图1 1 所示，具有稀疏矩阵结构，因 图1 - l 均衡矩阵元素分布 此计算量小。理论分析和仿真表明：它能有效消除由于循环前缀不足引起的 符号间干扰和子载波间干扰，从而较好地恢复传输信号。文献 1 6 提出一种 判决辅助r i s i c 算法，该算法优于r i s i c 算法，由于该方法不需要对信道冲 激响应进行估计所以可以用于非整数倍采样间隔的多径信道。该方法由于只 使用f f t 和i f f t 来进行残留符号间干扰估计，在判决和去除残余符号间干 扰时计算相对简单，并且计算量比文献 1 1 的频域均衡算法还要小，所以具 有明显的优势。文献 1 7 提出了一种新的o f d m 传输方案来克服循环前缀长 度小于多径时延扩展长度所带来的i s i 。只依赖于调整移动台的保护间隔来消 除i s i 也许是一种简单的解决方案，但保护间隔的变化同时会引起o f d m 符 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 号长度和帧长度的变化，这会增加移动台系统时间的初始时刻同步的复杂度。 在该方案中，c p 长度的改变不再影响o f d m 的符号长度，更重要的是系统 可以单独考虑各个移动台的多径时延，通过利用这种灵活的循环前缀，传输 效率的损失可以降到最小。它通过抽样速率控制该c p 长度，因此可以容纳 各种多径时延。文献 2 5 1 和 2 6 提出了一种时域均衡结构，即增加一个时域均 衡器，应用各种标准来缩短信道的有效长度，以减小循环前缀的长度，但此 方法依然未能完全去掉循环前缀，且增加了硬件结构复杂度。文献 2 7 1 提出 用一些期望信道和一个时域均衡器来构建代价函数进行均衡。 但是这些方法和技术分别基于不同的o f d m 应用场景，具有不同的适用 范围和前提条件，且少有直接针对w i m a x 网络环境开展的研究。因此，本 文针对w i m a x 典型网络环境下，研究在短c p 、长多径时延条件下的低计算 复杂度的有效i s i 的干扰消除方法。 1 3 论文的主要研究内容与章节安排 在未来的通信系统中，频谱资源会变得越来越珍贵，因此，充分提高频 谱利用率是一个值得研究和解决的问题，另外，在时变信道条件下的o f d m 系统中，各个子载波之间正交性的保持也是一个亟待研究和解决的热点问题。 本文主要针对w i m a x 典型网络环境下的o f d m 系统，缩短循环前缀长度来 提高频谱利用率的自适应均衡算法和残余i s i 干扰消除算法进行研究。 全文具体内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了本课题的相关研究背景以及o f d m 系统中符 号间干扰消除技术的国内外现状。 第二章首先介绍了无线移动通信信道模型中的小尺度衰落信道，随后介 绍了o f d m 的原理、i s i 的形成、关键技术以及插入保护间隔对o f d m 系统 的影响，这些知识为后续章节的研究打下了理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第三章首先分析了在频率选择性衰落信道下，o f d m 系统在循环前缀不 足时i s i 和i c i 的形成原因；继而在l m s 自适应均衡算法的基础上研究了消 除o f d m 系统中符号间干扰的r l s 自适应均衡算法；最后对所研究算法进 行了计算机仿真和性能分析。 第四章首先对o f d m 系统在c p 不足时并行迭代均衡算法( p i e 算法) 进 行仿真和结果分析；随后研究了残余r i s i c 算法并在此基础上研究了改进的 基于变换域插值信道估计的r i s i c 算法，仿真结果表明该算法是有效的。 最后一章对本文的研究成果进行了概括和总结，并指出了今后的研究方 向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章无线信道与0 f d m 技术 要实现信息的无线传输，必然要经过信道。因此，本章将简要介绍有关 无线通信信道的特征，随后分析了w i m a x 系统仿真测试时所采用的典型信 道移动无线接入的m 1 2 2 5v e h i c u l a r a 信道，最后详述了o f d m 原理、 o f d m 系统中i s i 形成原因和o f d m 的关键技术。 2 1 无线移动信道概述 在无线通信中，关于信道对接收信号的影响，我们可按大尺度效应 ( l a r g e s c a l ee f f e c t s ) 和小尺度效应( s m a l l s c a l ee f f e c t s ) 从统计特性上来分别 加以讨论。当接收机处于空间中某一位置时，它在该位置附近接收到的信号 功率的本地平均值( l o c a lm e a n ) 将受到信道大尺度效应的影响。这些影响包 括视距( l i n e o f - s i g h t ) 路径损耗、绕射( d i f f r a c t i o n ) 、阴影( s h a d o w i n g ) 及雨或 植被造成的衰减等效应。大尺度效应将主要影响无线小区的覆盖范围。而小 尺度效应主要描述由于无线信号的多径传播，当接收机或发射机稍有移动， 或传播媒介稍有变动，接收机接收到的信号幅度将出现剧烈起伏的现象。这 些损害可归纳为如下三类【l 剐： 路径传播损耗( 大尺度衰落) ：它是指电磁波在空间传播穿过各种介质 造成的电平损耗，它反映了传播在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的 接收信号电平平均值的变化趋势。 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所 产生的阴影效应而造成的损耗。它反映了中等范围内的几百波长量级接收电 平的均值变化而产生的损耗，一般服从对数正态分布，其变化较慢。 小尺度衰落( 多径衰落) ：它主要是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，从而引起接收信号场 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 强瞬时值呈现快速变化的现象。它反映微观小范围内几十波长量级的接收电 平的均值变化而产生的损耗。接收信号场强的变化强度取决于多径波的强度、 相对传播时间以及传播信号每个采样点的延迟时间。 由上面描述，无线电信号通过无线信道时会受到三个方面的衰落损失， 这样我们可以将接收信号的功率表示为： p ( d ) = | di 一s ( d ) 尺( d ) ( 2 1 ) 式中，d 表示距离矢量，i dl 表示用户与基站的距离。与前面三种信道 损害对应，i dr 表示信道的路径损耗，s 似) 表示阴影衰落，r ( a ) 表示多径 衰落。在相对较小的时间和距离范围内，与小尺度衰落相比，传播损耗和阴 影衰落的影响可以忽略不计，因此下文将主要讨论小尺度衰落效应。图2 - 1 对移动无线信道的衰落特性进行了概括描述。 图2 - 1 移动无线信道的特性 2 2 小尺度衰落信道分类 小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化 ( 小到半个波长) 而导致信号幅度和相位发生较大变化的现象。根据信道的频 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 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。 2 2 1 多径时延扩展产生的衰落效应 1 、平坦衰落 多径特性引起的时间色散，导致发送的信号产生平坦衰落或频率选择性 衰落。移动无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定的增 益及线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信 道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。然而，由于 多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随着时间变化。 经历平坦衰落的条件可概括如下： b 。e ( 2 - 2 ) c o 。 ( 2 - 3 ) 其中，五为信号周期( 信号带宽b s 的倒数) ，最是信号带宽，o 。和眈分别 是时延扩展和相干带宽。 2 、频率选择性衰落 如果信道具有恒定的增益并且线性相位的带宽范围小于发送信道带宽， 则该信道特性会导致接收信号产生选择性衰落。这种情况下，信道的冲激响 应具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号 中包含经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波，因而导致接收信号产生 了失真。频率选择性衰落是由信道中发送信号的时间色散引起的，这样信道 就引起了符号间干扰( i s i ) 。频域中接收信号的某些频率分量比其他分量获得 了更大的增益。 在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，实际应用中 通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即： 最= 1 6 。 ( 2 - 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 相干带宽曰，是指在这样的带宽上信号传播特性是相关的，在这个频率范 围( 带宽) 内信道以近似等增益和线性相位通过全部频率分量。因此相干带宽 代表一频率范围，在这个频率范围内两个接收信号的幅度、相位都有高度的 相关性，即这两个信号的频谱分量以类似方式受到信道的影响，如出现衰落 或不出现衰落。信号产生频率选择性衰落的条件是： b 。 皿 ( 2 - 5 ) l 疋 ( 2 7 ) e b d ( 2 8 ) 信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。 2 、慢衰落 当信道的相干时间远远大于发送信号的周期，且基带信号的带宽口，远远 小于多普勒扩展召n 时，信道冲激响应的变化比要传送的信号码元周期低得 多，可认为该信道是慢衰落信道，即 正 疋 。 ( 2 9 ) b ，b d ( 2 1 0 ) 在慢衰信道中，可认为信道参数在一个或多个信号码元周期内是稳定的。 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，即： 1 z = 二 ( 2 - 11 ) l b d 多普勒扩展b d 还被认为是多普勒频移厂d 。当移动台以恒定速率v 在长度 为d 、端点为x 和y 的路径上运动时收到来自远源s 发出的信号，如图2 3 所示。 x + 厂+ y 给_ v 图2 - 3 多普勒频移示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 无线电波从源s 出发，在x 点与y 点分别被移动台接收时所走的路径差为 a x ，= dc o se i = v a t c o se _ 。这里f 是移动台从x 运动到y 所需时间，只是x 和y 处与入射角的夹角。由于源端距离很远，可假设x 、y 处的幺是相同的。所以， 由路程差造成的接收信号相位变化值为： a g = 2 x f a ：t 2 a v a tc 。s 岛 五力 式中，旯为波长。由此可得频率变化值，即多普勒频移厶为： 兀= 去警= 够 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 其中， 与入射角无关，是乃的最大值。厶= 称为最大多普勒频移。 , i t 以 由式( 2 1 3 ) 可知，多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与 无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普 勒频移为正( 即接收频率上升) ；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频 移为负( 即接收频率下降) 。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信 号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。 基于以上介绍的不同参数时间色散参数( 时延扩展和相干带宽) 、频 率色散参数( 多普勒扩展和相关时间) ，可将小尺度衰落信道分为平坦衰落信 道和频率选择性衰落信道，快衰落信道和慢衰落信道。总结如下表，如表2 1 所示。 表2 - 1 小尺度衰落信道分类 基于参数衰落信道分类满足条件 平坦衰落信道只 t 且b ， b d 多普勒扩展b d 慢衰落信道c b d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 3 典型信道参数 通过前面对无线通信环境的描述，可以建立起瑞利多径衰落信道模型， 如图2 4 所示为瑞利慢衰落无线信道模型【4 1 。其中最大信道时延扩展值持续， 个样值，工是多径信道的输入，系数嘶，是不同路径的衰落因子，这些 系数是服从瑞利分布的随机变量，互表示单个样值的延迟时间。多径信道的 输出可表示为： j y ( ，z ) = x ( 刀一i ) ( 2 1 4 ) i - - 0 考虑到a w g n 噪声v ( n ) ，接收信号可以表示为： ， y ( 刀) = x ( 甩一i ) + v ( ，z ) ( 2 1 5 ) i = o 由式( 2 1 4 ) 可见，多径衰落影响，个样值，如果没有在接收端采取相应 处理措施就会引入i s i 和i c i 。 图2 - 4 多径衰落信道模型 为区别不同的多径信道，可以采用一些多径信道的量化参数来描述信道 状况，包括平均附加时延、均方根( r o o tm e a ns q u a r e ，r m s ) 时延扩展以及附 加时延扩展等参数。 为了测试移动无线接入系统性能，i e e e 8 0 2 1 6 e 建议采用i t u r m 1 2 2 5 1 1 9 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 v e h i c u l a rt e s ta 信道作为测试信道模型，这也是本文在随后章节仿真所采用 的信道模型。此模型由抽头数、各径相对于第一径的时延和平均功率及各径 的多普勒频谱来表征，其多普勒功率谱为经典的j a k e s 谱模型，且信道各径 的功率之和也被归一化。具体参数如表2 2 所示： 表2 - 2 丌u r m 1 2 2 5v e h i c u l a rt e s t a 信道模型 c h a n n e la t a p d o p p l e r r e l a t i v ed e l a y a v e 脊台罗0 w 盯 s p e c t r u m ( n s ) l 0 0 0c l a s s i c 23 1 0一1 0c l a s s i c 37 1 0- 9 0c l a s s i c 410 9 01 0 0c l a s s i c 517 3 01 5 0c l a s s i c 625 1o- 2 0 0c l a s s i c 2 40 f d m 及其关键技术 2 4 1o f d m 系统模型 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有n 个子载波) ，各载 波可采用同一数字调制方法，也可使用不同的调制方法。o f d m 技术的基本 原理是把高速的数据流通过串、并变换，分配到传输速率相对较低的若干子 信道中进行传输，各子载波在整个符号周期上是正交的，因此子载波信号频 谱可以相互重叠，大大提高了频带利用率，如图2 5 所示，其中丁为符号周 期长度。 从图2 5 中可以看出，在每一子载波频率的最大值处，其它所有子信道的 频谱值恰好为零。因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个 子信道符号，不受其它子信道干扰。值得注意的是，o f d m 的高数据速率与 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 _ _ 一一_ ，_ _ - _ - _ 一 子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。在o f d m 中， 由于符号周期被延长，相对时延不超过符号周期，i s i 就会避免。 w v ￥ 1 ； 。l i 一li 一一7 一 澎糍夔 镁獬 箩 一i 姒v 8 - 6- 4- 20 46 螽虫 图2 5o f d m 的子信道频谱 典型的o f d m 系统如图2 6 所示，假定o f d m 系统中通信信道分为n 个子 载波，图中墨。为第f 个码元中第，z 个子载波上的复数数据，鼍，。为i f f t 输出的 第k 个抽样值，可以表示为： = 面1 驴n o l e 争o k n - 1 ( 2 - 1 6 ) 如果在信号中不加入c p 直接发送，信号通过冲激响应向量为 h = h o ，啊，h 。r 的多径信道后，接收端收到的时域信号为： 乃t 2 岛薯从一f ) + 呜薯一l ( 七一，) + m i ，o k l 一1 瑚f i “1 ( 2 1 7 ) 嘁( + v f t ，l k n 一1 这里，( 七) n 为七对n 取模运算，m 。为a w g n 。可以看到，当前码元中的 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 前l 个抽样受到前一个码元中一些抽样的干扰，即存在i s i 。 图2 6o f d m 系统的基带模型 在o f d m 系统中，较低的码元速率对多径传播产生的i s i 有一定的抑制作 用。此外，还通过在每个o f d m 符号前端插入一定的保护间隔来分离相邻的 符号，从而进一步提高系统的抗i s i 能力同时还可以对抗时间偏差。o f d m 中 一般是插入循环前缀，就是把o f d m 符号时域波形的最后g 个样点复制到该 符号的最前端作为c p 。只要多径时延不超过保护间隔，子载波间的正交性就 不会破坏。图2 7 为保护间隔采用c p 的的形式【3 1 。 矿 一、n c p ：复制原始码元的 八 最后c d 采样点 八 fll入 v 、， _ ， 一 l 、， c p 原始码元 加入c p 后待发射时域信号： 7 原始码元：n 个采样点 ( n + g ) 个采样点 图2 7 循环前缀的使用 发送端的i f f t 输出数据在插入包含g 个抽样的c p 后可以表示为： 薯= t + 女，一g k 一l ( 2 - 1 8 ) 去除循环前缀后，o f d m 系统接收机收到的时域信号为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 咒i = g + i t 岛五n f ) 。+ 鸣h ( 七+ g - f ) + - 七 o k l g 一1 7 = o 7 霉6 + 七+ 1( 2 1 9 ) 、 岛