（通信与信息系统专业论文）ofdm系统的信道估计与编码技术研究.pdf

摘要 移动通信进入了快速发展时期。移动通信的发展趋势是宽带多媒体通信。在 无线信道环境中可靠、高速地传输数据是移动通信技术的目标和要求。正交频分 复用( o f d m ) 技术是未来移动通信发展中极具吸引力的技术。它能有效对抗多 径衰落和时延扩展，并且保持较高的数据传输速率；同时由于它采用了离散傅立 叶变换，大大降低了系统的实现复杂度。但是，在高速移动环境中，信道特征是 未知的，而且是时变的，这就要求接收机相关解调用一定的机制来近似每个子信 道的信息特征。此外，为了进一步提高系统性能，还必须采取有效的信道编码方 法。本文主要研究o f d m 系统的信道估计技术和编码技术，并利用m a t l a b 软 件进行各种仿真。具体内容包括以下几个方面： 1 介绍移动通信和o f d m 技术的发展历史和发展趋势。描述和分析了无线 信道模型及其参数。在此基础上建立了o f d m 系统的基带传输模型，介绍了 o f d m 技术的基本原理，以及o f d m 的关键技术。 2 对o f d m 系统的信道估计技术进行了比较全面的研究。详细分析了导频 信号辅助调制( p s a m ) 的信道估计方法，通过仿真给出不同插值算法的性能； 然后简单介绍了盲信道估计和半盲信道估计以及o f d m 信道估计研究的新进展。 总结了各种信道估计方法的优劣。 3 介绍格形编码调制( t c m ) 的理论，研究和分析了t c m 的维特比译码 方法和渐近误码性能。o f d m 和t c m 有机结合，可以有效对抗信道中的衰落。 文中对8 p s k t c m 系统和未编码的q p s k 系统的误码性能作了仿真比较，结果表 明：采用格形编码调制的系统相对于未编码系统具有较高的编码增益。因此格形 编码调制能有效提高系统的性能。 4 有机地结合正交频分复用、格形编码调制和差分编码，提出一种使用子 信道交织技术的差分t c o f d m 系统，并在此基础上将信道估计引入系统接收机， 提出了与解码相联合的滑动指数窗r l s ( s e w r l s ) 自适应信道估计方法。计算 机仿真结果表明，本文提出的联合系统能有效地克服宽带无线通信中的多径衰落， 并在快衰落环境中具有很强的抗信道干扰能力。 论文最后对整个研究进行了总结，并对课题今后的发展方向和研究内容进行 了概括的描述。 关键词正交频分复用：信道估计；导频信号辅助调制；格形编码调制 t c o f d m 竺堡翌三奎兰堡主堂焦笙壅 a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a se n t e r e di n t oaf a s td e v e l o p m e n tp e r i o d f u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o nw i l lb ew i d e b a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n d a t at r a n s m i s s i o ni n w i r e l e s sc h a n n e l sw i t h h i g hs p e e d a n d r e l i a b i l i t y i s r e q u i r e d i nf u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o f d m ( 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 ) i sa c h a r m i n gt e c h n o l o g y f o rf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n i tc a n s t r o n g l y c o m b a t m u l t i p a t ha n dd i s p e r s i v ec h a n n e li n t e r f e r e n c ew i t hh i g hd a t at r a n s m i t t i n gr a t e u s i n g d f t ，i tc a nb ee a s i l yr e a l i z e di nt r a n s c e i v e r s t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fo f d m i n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i sr o b u s ta n dr e m a r k a b l e w h i l ei n h i g h s p e e d m o b i l ee n v i r o n m e n t ，c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s a r eu n k n o w na n dt i m e v a r y i n g - t h e r e c e i v e rn e e d ss o m em e c h a n i s m st oc h a r a c t e r i z et h ec h a n n e le f f e c t s i nc o h e r e n t d e m o d u l a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f0 f d m ，a ne f f e c t i v ec h a n n e l c o d i n gi sr e q u i r e d t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e s o nt h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ea n d c h a n n e lc o d i n gt e c h n i q u ei no f d m ，g i v e st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nb ym a t l a b s p e c i f i cc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 w ef i r s tg i v eab r i e fd e s c r i p t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a n do f d mt e c h n o l o g y t h e nw eg i v ead e t a i l e ds t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，a n dp r o p o s et h ec h a n n e lm o d e lw h i c ht h i st h e s i s w o u l dd i s c u s s b a s e do nt h ea b o v ed i s c u s s i o n ，w eg i v et h eb a s e b a n dt r a n s m i s s i o n a r c h i t e c t u r eo fo f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i n t r o d u c et h eb a s i sp r i n c i p l eo fo f d m a n dd i s c u s ss e v e r a lk e yt e c h n i q u e so fo f d m 2 r e l a t i v e l ya u a r o u n dr e s e a r c ho nc h a n n e le s t i m a t ei si n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n ga n a n a l y s i so n t h ee x i s t i n gm e t h o d s w ec o n c e n t r a t eo nt h ea n a l y s i so fp s a m ( p i l o t s y m b o la s s i s t e dm o d u l a t i o n ) t e c h n o l o g y ，a n dg e t t h ed i f f e r e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s w h i l eu s i n gd i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o nm e t h o d s a tl a s t ，w eg i v eab r i e fi n t r o d u c t i o no f b l i n da n ds e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e s ，f o l l o w e db y o t h e ra d v a n c e d m e t h o d sb a s e do f d mc h a n n e le s t i m a t i o n 3 w es t u d yt h et h e o r i e so ft r e l l i s c o d e dm o d u l a t i o n ( t c m ) ，a n a l y s i s t h ev i t e r b i d e c o d i n g m e t h o do ft c ma n d i t s c o d i n gp e r f o r m a n c e t h ep a p e rp r e s e n t s a t c o f d ms y s t e m ，w h i c hc o m b i n e so f d m w i t ht c mf o rc o m b a t i n gt h ee f f e c t so f f r e q u e n c ys e l e c t i v ea n dm u l t i p a t hf a d i n go f t i m ed i s p e r s i v ec h a n n e l s a n8 p s k t c m s y s t e ma n dq p s ks y s t e mw i t h o u tu s i n gt c m a r es i m u l a t e d i ti sc o n c l u d et h a tt h e a b s t r a c t p e r f o r m a n c eo f8 p s k t c mi si m p r o v e de f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，t c mi s ap o w e ra n d b a n d w i d t he f f i c i e n ts i g n a l i n gs c h e m e 4 w ep r o p o s ead i f f e r e n t i a lt c o f d ms y s t e mu s i n gs u b c h a n n e li n t e r l e a v i n g t e c h n i q u e ，w h i c hc o m b i n e so f d m ，t c m a n dd i f f e r e n t i a lc o d i n g c h a n n e le s t i m a t i o n i sa l s o a p p l i e d t ot h er e c e i v e rb a s e do nt h e p r o p o s e ds y s t e m ，a n d a ns e w r l s a d a p t i v e c h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e j o i n t e d d e c o d e ri s p r e s e n t e d c o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds y s t e mc a nc o m b a tt h ee f f e c to fm u l t i p a t h f a d i n ge f f i c i e n t l y i nw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a n di ti sr o b u s tt oc h a n n e l i n t e r f e r e n c ei nf a s tf a d i n ge n v i r o n m e n t f i n a l l y ，w e c o n c l u d et h ew h o l er e s e a r c h ，p r o p o s ei t s p r o s p e c t a n do f f e rt h e d i r e c t j o no ft h er e s e a r c hf i e l d k e y w o r d so r t h g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ；c h a n n e l e s t i m a t i o n ；p i l o t s y m b o l a s s i s t e dm o d u l a t i o n ；t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ；t c o f d m m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做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后果由本人承担。 作者签名：l 可志这 日期：2 。口牛年6 月1 日 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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：4 可怎逸 日期：。4 年6 月j 日 导师签名： 名匀 日期：小。舻年6 月f 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 通信技术的迅猛发展对人类社会的进步产生了深刻的影响。在过去的十几年 里，第一代模拟通信系统和第二代蜂窝移动通信系统带领人们走进瞬息万变的信 息时代。目前第三代移动通信系统( 3 g ) 正在进行大规模的商用化，它能够为用 户提供高速数据传输、因特网访问和多媒体服务等。第四代移动通信系统( 4 g ， 或称后3 g ) 的技术研究和标准制定工作也正在全球范围内广泛开展。与3 g 相比， 4 g 能提供更高的数据传输率，同时网络的建设成本和业务费用将更加合理。移动 通信的最终目标是实现任何人在任何地方任何时间与其他任何人进行任何方式的 通信。为了实现这一目标，必须从通信网络的交换、传输和接入等各个环节进行 研究和突破，尤其是研究在复杂的移动环境和有限的频谱资源条件下，如何实现 稳定、可靠的高速率数据传输。在4 g 通信中将采用正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ，简称o f d m ) 技术，它可以在有效提高传输速 率的同时避免由于高速引起的码间干扰。人们对o f d m 技术投以极大的关注， 希望通过这种方法来解决高速数据流在无线信道中的传输问题，从而实现对带宽 要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。 1 2 多载波调制及o f d m 技术溯源 对于日益庞大的高速数据业务来说，单载波调制方式存在很大的缺陷。单载 波调制属于串行数据传输方式，由于无线信道存在时延扩展，而且传输速率越高， 符号持续时间就越短，符号间干扰就越严重“1 。因此对系统中使用的均衡器提出 了非常高的要求，即抽头数要足够大，训练符号要足够长，这时均衡算法的复杂 性也会大大增加。而多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，简称m c m ) 属于并 行数据传输方式。它把数据流分解成若干个子数据流，使每个子数据流具有较低 的比特速率，用这样的低速率符号去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符 号并行发送的传输系统。这样尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是 每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小 于信道的相关带宽，从而可以通过增加信道数来增加符号周期，达到消除符号间 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 ) 的目的。o f d m 技术就是在多载波调 华南理工大学硕士学位论文 制的基础上发展起来的。 利用多载波方式传输数据和频分复用的概念早在2 0 世纪五、六十年代就被提 出来了，例如利用时域正交函数传递信息的方法，也就是离散多音( d i s c r e t e m u l t i t o n e ，简称d m t ) 系统的原形。在传统的多载波传输系统中，总的频带被 划分为多个不重叠的子信道，各个子信道单独由一个符号所调制，实现多个子信 道的频分复用，信号采用传统的滤波器和解调器进行接收。但是为了降低相邻子 信道间干扰( i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，简称i c i ) ，各个子信道间必须预留一定 的频带用作保护间隔，这样就降低了系统的频谱利用率，造成频谱浪费。为了提 高频谱利用率，有学者提出采用子载波频谱重叠的频分复用进行数据并行传输的 思想。然而，频带重叠带来的问题是予载波之间的干扰。为了解决这个问题，必 须要求各子载波之间正交。这种多载波系统就称为正交频分复用即o f d m 系统。 这里“正交”是指各频带之间为了消除相邻载波间干扰而必须保持的一种精确的 数学关系。 可见o f d m 是一种高效的数据传输方式，其基本思想是把高速数据流分散到 多个正交的子载波上传输，使子载波上的符号传输速率大大降低，符号持续时间 相对加长，对时延扩展有较强的抵抗力，从而减少甚至消除符号间干扰的影响。 同时由于各子载波相互正交，调制后的频谱可以相互重叠，不但减少了子载波间 的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。o f d m 各子载波频谱如图1 1 所示。 图1 1o f d m 各子载波频谱 f i g 1 一lf r e q u e n c ys p e c t r u m o fo f d ms u b c a r r i e r s 由于并行传输系统需要基带成形滤波器阵列、正弦波载波发生器阵列及相干 解调阵列，当系统的子载波数目很大时，系统的复杂度和成本会大大增加，同时 系统的鲁棒性会变得很差。这大大限制了o f d m 技术的应用和发展。1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 提出用离散傅立叶变换反变换( d f t i d f t ) 来等效实现多个 调制解调器的功能口1 。这个思想极大地简化了原始的o f d m 系统并促进了o f d m 技术的应用。从图1 1 可以看到，在o f d m 各个子载波的中心频点处不存在载波 间干扰。d f t 采用一组成谐波关系的正弦型基函数，它们的频率是其中最小非零 频率即基频( b a s i cf r e q u e n c y ) 的整数倍，这组谐波正好用作o f d m 系统的子载 波。只要在接收端用d f t 来计算各个载波中心频点间的相关值，就可以恢复传输 2 第一章绪论 的数据。这样不但可以去掉频分复用所需要的子载波振荡器组、解调用的带通滤 波器组，还可以利用那些很方便就可以实现快速傅立叶变换( f f t ) 的专用器件 来实现全数字化的调制解调过程。同时，超大规模专用集成电路( v l s i ) 的发展 也使得快速傅立叶变换的实现变得更加容易。这样o f d m 技术才得到了应有的发 展和应用。 1 3o f d m 技术的发展及应用 o f d m 技术的应用可上溯到2 0 世纪五十年代，研究成果主要用于军用高频 通信系统，例如k i n e p l e x 系统、a n d e f t 系统和k a t h r y n 系统。这些系统 工作于h f 频段，载波数目为几十个，有效速率为每秒几千比特。 1 9 7 0 年o f d m 技术的专利发布生效。1 9 7 1 年，人们提出利用d f t 实现o f d m 系统的全部调制解调功能，为实现o f d m 的全数字化方案作了理论上的准备。大 阶数的f f t 专用芯片及可用软件快速实现f f t 的数字信号处理( d s p ) 通用芯片， 使利用f f t 来实现o f d m 技术成为可能。 进入八十年代，随着集成电路工艺技术的迅速发展，o f d m 技术的研究已经 发展到高速调制解调器、数字移动通信和高密度磁记录等方面。用于电话网的不 同速率的o f d m 调制解调器相继研究出来，不过仍属于窄带应用，如h i r o s a k i 于1 9 8 1 年用d f t 完成的o f d m 调制技术，成功试验了1 6 q a m 多路并行传送 1 9 2 k b i t s 的电话线m o d e m 。针对无线信道的特点，人们对o f d m 技术进行了 改进。1 9 8 4 年，c i m i n i 提出了在码元间插入保护间隙的o f d m 传送方案”1 。后来 的大多数o f d m 方案即以此为原形实现的。 九十年代以来，o f d m 技术的应用又涉及到了利用移动调频( f m ) 和单边带 ( s s b ) 信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路( h d s l ) 、 非对称数字用户环路( a d s l ) 和广播领域等通信系统。其中e t s 标准的音频广 播( d a b ) 的信道数据率为2 4 m b i t s ”1 ，数字视频广播( d v b ) 的数据率为 4 9 8 m b i t s 。3 1 6 7 m b i t s ”1 。1 9 9 9 年i e e e8 0 2 1 l a 通过了个5 g h z 的无线局域网 标准，把o f d m 调制技术定为它的物理层标准。e t s i 宽带射频接入网( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术”1 。1 9 9 9 年1 2 月，爱立信、诺 基亚、w i l a n 等7 家公司发起了国际o f d m 论坛( h t t p ：w w w o f d m f o l u m c o m ) ， 致力于策划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。我国信息产业部也已参加了 o f d m 论坛。o f d m 在无线通信的应用已引起国内外通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提 议采用o f d m 技术作为i e e e8 0 2 6 3 城域网的物理层( p h y ) 标准。随着i e e e 8 0 2 1 l a 和b r a nh i p e r l a n 2 标准在局域网的普及应用，o f d m 技术将会进一步 3 华南理工大学硕士学位论文 在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。图1 - 2 给出了九十年代以来 o f d m 系统与单载波系统在提高传输速率方面的比较。 g 盘 d 孳 糌 嘲 舞 啦 1 2 0 一户 一 ，石 1 9 9 11 9 9 21 9 9 4 1 9 9 61 9 9 71 9 9 82 0 0 02 0 0 1 二! q 里堕墨笙! ! 望垫壅丕笙】 图l 一2o f d m 系统与单载波系统速率的比较 f i g 1 - 2t r a n s m i t t i n gs p e e d o fo f d ma n ds i n g l e c a r r i e rs y s t e m s 由图可见，o f d m 系统在高速数据传输性能上有着单载波系统无法比拟的优 势。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综 合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着d s p 芯片技术的发展，傅立叶变 换反变换、高速m o d e m 采用的6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 技术、格形编码技术、软判 决技术、信道自适应技术、插入保护间隔以及减少均衡计算量等成熟技术的逐步 引入，开发o f d m 技术在移动通信领域的应用正逐渐成为通信学界关注的焦点。 1 4 论文的主要工作和章节安排 o f d m 技术具有频谱利用率高、抗干扰能力强、数据传输速率高等优点，是 未来第四代移动通信的核心技术之一。为了使o f d m 技术更广泛地应用在无线通 信领域，近年来国内外对o f d m 的各种关键技术进行了深入的研究，包括载波同 步、信道估计、信道编码以及改善系统对非线性的敏感等。在快衰落信道下实现 相干接收依赖于信道估计的实现，研究高速移动状态下的信道估计问题将是一项 迫切而有意义的工作。为了进一步改善高速数据传输下的系统性能，还必须采用 有效的信道编码技术。本文对o f d m 系统的信道估计技术进行了详细的分析，并 阐述了t c m 编解码的原理，在此基础上提出了一种结合自适应信道估计的 4 加 o 第一章绪论 t c o f d m 系统。全文共分六章，主要结构如下： 第一章绪论，主要阐述o f d m 技术的发展背景和应用情况，说明o f d m 技 术在未来移动通信系统的核心地位。 第二章详细分析了无线通信信道的特性，着重讨论了无线信道的多径衰落、 多普勒效应，描述了本文所要研究的o f d m 系统的信道模型和信道参数。给出了 国际电联规定的仿真用多径信道模型。 第三章介绍了o f d m 技术在实际应用中的优缺点；在描述o f d m 系统数学 模型的基础上，阐述了o f d m 技术的基本原理；并且对o f d m 系统的关键技术 进行概括的分析。 第四章研究与分析o f d m 系统的信道估计技术，主要阐述了基于导频的信道 估计技术，包括导频形式的选择、基于导频的内插估计方法( 例如线性内插、分 离滤波、奇异值分解、基于d f t 内插和低通滤波等) ；最后简单介绍了盲信道估 计与半盲信道估计，以及o f d m 信道估计技术研究的新进展。 第五章在t c m 编解码的基础上，提出了一种结合实时s e w r l s 自适应信道 估计算法和交织技术的差分t c - o f d m 系统，并通过计算机仿真对系统进行性能 分析。分析结果表明，该系统能充分利用t c o f d m 系统的优点，对信道变化有 很好的跟踪能力。 第六章是全文的总结，主要总结了作者的研究工作，并提出了课题今后的研 究方向。 5 华南理工大学硕士学位论文 第二章无线信道分析 传输信道的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。按传输媒介的 不同，物理信道可萌分为有线信道和无线信道两大类。有线信道是平稳的和可预 测的，而无线信道通常是极其随机的，并且不易分析。由于无线信道的复杂性， 一个通过无线信道传播的信号往往会沿不同的路径到达接收端，这一现象称为信 号的多径传播。多径传播导致信号在不同维( 时间、空间、频率) 的扩展，使通 信信号产生明显的衰落，这是无线信道的最大特征。本章紧紧围绕无线信道的物 理分析和数学描述，对信道的衰落进行分析，并介绍了衰落信道的各种特性；对 多径信道模型作理论分析；最后给出国际电联制定的仿真用多径信道模型参数。 2 1移动通信的传播环境 与其他通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。在理想无线信道中，接 收信号只包括一条直接的路径，在接收端可以完美重现传输信号。在实际陆地移 动通信系统中，一方面由于移动台处于城市建筑群中或地形复杂的区域内，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障碍 物的反射、折射和散射路径；另一方面随着移动台本身的移动，发射机与接收机 之间的距离不断变化，使得移动台和基站之间的无线信道具有极大的随机性并且 难以控制。所以，当无线信号通过这种时变信道时将会受到来自不同途径的衰减。 对于移动通信系统中的移动台来说，可以在很短的时间内快速地跨越一定的 距离，所接收的能量会起伏不定，呈现明显的随机波动现象，这种现象称为衰落。 在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在1 秒之内的显著衰落 可达数十次，衰落深度可达3 0 d b 1 。衰落现象会严重恶化接收信号的质量，影响 通信可靠性。不同环境下移动信道传播特性不尽相同，例如高楼林立的城市和开 阔平坦的农村相比，移动信道的衰落特性大有差异。可见，复杂和恶劣的传播条 件是移动通信信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。 一般来说，无线移动环境中信号的衰落可以归纳为如下三类： ( 1 ) 路径损耗。由发射机与接收机之间的距离d 决定，表征在以千米计的大范 围内接收信号的变化特性，即在一定时间内接收信号的大区间平均功率( a r e a m e a np o w e r ) 随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化。无论在室内还是室外， 路径损耗随距离d 的对数衰减。 6 第二章无线信道分析 ( 2 ) 阴影衰落。路径损耗没有考虑到在收发距离d 相同情况下，不同位置的周 围环境的差别。如果考虑到周围地形起伏和其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落， 则对任意d 值，某特定位景的路径损耗服从对数正态分布，称为对数正态阴影衰 落。它描述了在由相同收发距离d 所围成区域的短区间平均功率，是慢变信号。 ( 3 ) 多径衰落。描述在几个波长量级的距离或秒量级这样短的时间内信号的快 速变化，即信号的局部平均功率( 1 0 c a lm e a np o w e r ) 。在移动传播环境中，到达 移动台天线的信号不是由单一路径来的，而是由许多路径来的反射波的叠加。由 于各路径的距离不同，因而由各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。 不同相位的多个信号在接收端叠加，使接收信号的幅度急剧变化，产生了衰落。 即使接收机处于静止状态，接收信号也会由于在无线信道所处的环境中的物体的 运动而产生衰落。多径衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分布。 一般而苦，路径损耗和阴影衰落属于大尺度衰落，表征接收信号在一定时间 内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化；多径衰落属于小尺度衰落， 表征接收信号短时间内的快速波动。这样，实际的无线信道衰落因子可表示为： 刁( f ) = 乳) f 0 )( 2 1 ) 玎( f ) 表示信道的衰落因子，孝( f ) 表示小尺度衰落，f ( f ) 表示大尺度衰落。 多径衰落是移动信道特征中最具特色的部分，其衰落速度之快，以致大尺度 衰落的影响往往可以忽略不计。从无线工程的实施来看，路径损耗和阴影衰落主 要影响无线区域的覆盖范围，合理的设计能使不利因素降到最低限度。而多径衰 落却对信号的传输质量有着严重的影响，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技 术来减少其作用，包括分集、扩频跳频、均衡、纠错编码和交织等。另外，信号 传输方式，如调制方式，对信道衰落也要有一定的适应能力。 多径效应可以从时间和空间来描述和测试。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。其中，本地反射物所引起的多径效 应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而起伏下降的曲线，反映了地 形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。从时间角度来看，各个路径的长度不同， 信号到达的时间就不同。这样，从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包 含该脉冲，还包含它的各个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号脉冲宽 度扩展的现象，称为时延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) ，如图2 - 1 所示。扩展的时间 可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来测量。多径信号的振幅、 相位和入射角都是随机分布的，即使移动台处于静止状态，由于信道中障碍物的 运动仍然会造成信号参数的随机分布现象。通常，在模拟移动系统中主要考虑多 径效应引起的接收信号幅度的变化，而在数字移动系统中则主要考虑多径效应引 起的脉冲信号的时延扩展。这是因为时延扩展将引起码间干扰，严重影响数字信 号的传输质量。 7 r ll厂厂 t = t ot = tzt = t i + 钼1t = t l + a 2 厂 厂r iin f = t o + t 7 rt = t 2t = f 2 + f 2 l t = t 2 + 2 2 图2 1 时变多径信道对短脉冲的响应 f i g 2 1r e s p o n s eo f at i m e - v a r i a n tm u l t i p a t hc h a n n e lt oan a r r o w p u l s e 2 2 多径衰落模型 2 。2 。1 影响多径衰落的因素 无线信道中有许多物理因素会影响多径衰落，包括： ( 1 ) 多径传播。无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一个不 断变化的传播环境。这样一个环境造成信号在幅度、相位和到达时间上的变化， 形成多个不同的无线电波。各个无线电波的幅度和相位随机分布，使合成信号的 功率产生波动起伏，导致多径衰落和信号失真等现象。多径传播常常会延长信号 基带部分到达接收机所用的时间，造成码阅干扰。为了减少码间干扰，就要加大 码元周期。 ( 2 ) 移动台的运动速度。移动台和基站之间的相对运动会产生多普勒频移，不 同多径信号的多普勒频移是不同的，由多普勒频移所产生的调频也呈随机化。多 普勒频移是正频移或负频移，取决于移动台是朝向还是背向基站运动。 ( 3 ) 信道中障碍物的移动速度。如果信道中有移动的物体，那么这些物体也同 样会造成多径信号的多普勒频移的差异。如果移动台速度远大于环境物体速度， 可以忽略环境物体运动速度的影响。如果环境物体以大于移动台的速度运动，那 么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。 ( 4 ) 信号的传输带宽。如果信号的传输带宽大于多径信道的带宽( 多径信道可 以看成是一个时变系统，它的带宽可以用相干带宽表示) ，那么接收信号会失真， 但是接收信号的能量在很小的范围内变化不是很大( 也就是小尺度衰落现象并不 严重) 。如果发射信号的带宽与信道相比是窄带的，那么信号的幅度变化就会很快， 但信号不会出现时间失真。所以，小尺度信号的强度和短距离传输后信号模糊的 可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。 8 笙三茎垂垡笪遵坌塑 2 2 2 多普勒效应 由于移动台与基站之间的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。 由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒( d o p p l e r ) 频移，频移的大小与相 对运动速度和运动方向以及载波频率工有关。假设移动台以恒定速率v 在长度为 d 、端点为x 和y 的路径上运动时收到来自远端源s 发出的信号，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 多普勒效应示意图 f i g 2 2i l l u s t r a t i o no fd o p p l e r e f f e c t 无线电波从源s 出发，在x 点和y 点分别被移动台接收时所走的路径差为 a i = d c o s 0 = v a t c o s 9 。a t 是移动台从x 运动到y 所需的时间。目是x 和y 处的入 射角，由于源端距离很远，可假设x 、y 处的一是相同的。所以，由路程差造成 的接收信号相位变化值为： 妒：_ 2 r 5 a 1 ：半c o s 0( 2 2 ) 定义多普勒频移五为频率变化值，即： 厶= 瓦1i a p = 一五v c o s 口 ( 2 3 ) 0 4 一互；i f 一五 9 o 一。 出公式( 2 3 ) 可看出，多普勒频移是移动台运动速度v 、移动台运动方向与无线电 波入射方向之间夹角0 的函数。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) 。f o = v , z = v l c 称为最大多普勒频移。多普勒频移的范围为f o ， 通常比载波频率f 小的多。接收信号的不同频率成分对应不同的多普勒频移，从 而造成接收信号的多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) ，因而增加了信号带宽。 在o f d m 中，由于系统对载波相位的偏移极为敏感，多普勒频移直接影响同 步信号的定时和频率偏移估算。当多普勒频移较大时，信号的错误定时概率增大， 会导致解调性能急剧下降。 9 华南理工大学硕士学位论文 2 2 3 多径信道的描述参数 2 2 3 1 多径信道的冲激响应模型 移动无线信道的小尺度变化与信道的冲激响应直接相关。因为移动无线信道 可建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器，其中时变是由于接收机的空 间运动所引起的。信道的滤波特性以任一时刻到达的多径波为基础，其幅度与时 延之和影响信道滤波。冲激响应是信道的一个有用特性，可用于预测和比较不同 移动通信系统的性能以及某一特定移动信道条件下的传播带宽。 根据线性时变系统理论，假定无线信道是具有加性白高斯噪声( a w g n ) 的 时变多径瑞利衰落信道，而且多径信道的各个路径分量是独立的，其复基带冲激 响应可用抽头延迟线模型来描述，表达式为： l i 如，r ) = a i o 胁一0 0 ) ) ( 2 4 ) j = o l 是离散多径分量的数目。口i ( f ) 表示第7 个多径分量在t 时刻的复值增益，a i ( ) 服 从高斯分布并受多普勒频移影响；在某一个延迟时间内，可能没有多径分量到达 接收天线，此时a ，) 为零。是第一次到达的多径分量的额外时延，同时忽略了 发送与接收间的传输时延；f ( f ) 是在t 时刻第j 个多径分量与第一个多径分量之间 的相对时延，称为额外时延( e x c e s sd e l a y ) 。6 ( t ) 为迪约克( d i r a c ) 脉冲。 2 2 3 。2 时延扩展 从时域的角度看，由于传播路径随移动台的运动而变化，各条路径的传播长 度不同，接收到的信号不但包括该脉冲，还包括它的各个延迟信号，这种由于多 径效应引起的接收信号的波形展宽现象，称为时延扩展。扩展的意思是接收信号 与发射信号比较而言，能量不集中，在时间上散开了。信号的最大传输时延和最 小传输时延的差值是脉冲扩展的时间。对于数字系统，由于时延扩展有可能使接 收信号中一个码元的波形扩展到其它码元中去，引起码间干扰，因此限制了数字 频分复用系统的最大传输符号率。 时延扩展通常用平均多径时延亍的均方根( r m s ) 表示： 2 = l f 一于) 2 p ( _ ) 如 ( 2 5 ) m 其中，p ( f 1 是不同时延信号的平均功率的归一化时延谱。 在i t u rm 1 2 2 5 中，时延扩展不直接用( 2 5 ) 式表示，而是给出不同测试环 1 0 第二章无线信道分析 境的信道冲激响应模型的基本参数和抽头时延线参数，用这些参数仿真时延扩展 信道n 0 1 。 2 2 3 3 相干带宽 从频域的角度研究多径信道，相于带宽酆表示信号保持很强相关性的最大带 宽。在相干带宽以内，信号的各频率分量之间有很强的相关性，即衰落特性具 有一致性；而在砟以外，衰落特性不具有一致性。 当时延扩展为时，相干带宽可表示为： b c - 去( 2 - 6 ) 需要说明的是，虽然相干带宽所与时延扩展之间建立了数量关系，但这仅 是近似值，两者之间并无确定关系。 2 2 3 4 多普勒扩展与相千时间 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间扩散特性的两个参数。但是它 们并未提供信道对变特性的信息。时变特性是由移动台与基站之问的相对运动引 起的，也可能是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展和相干时间就是描 述小尺度模型中信道时变特性的两个参数。 多普勒扩展b 。是频域参数，反映信道随时间的变化。扩展的意思是接收信号 的频谱展宽了，展宽幅度依赖于多普勒频移厶。b 。定义为一个频率范围，在此范 围内接收信号有非零多普勒扩展。当发送正弦信号的频率为f ，最大多普勒频移 为，d 时，接收信号的频率在( 正一f o ) 至( 丘+ f o ) 之间变化。对多普勒扩展进行理 论分