（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中信道估计技术研究.pdf

摘要本文首先简要介绍了正交频分复用( o f d m ) 的基本原理、系统组成以及o f d m的实际应用。在分析移动信道衰落特性的基础上，分析了多径时变信道的数学模型；并用计算机仿真的方法对信道模型进行了讨论。针对o f d m 系统中信道估计这一关键技术展丌讨论，深入分析了基于导频序列的信道响应的频域估计和时域估计的方法，详细介绍了导频序列选择的理论依据和各种导频序列放置的方式。给出了几种相应的信道估计算法和改进的算法，最后在典型的信道模型牛利用m a t l a b 仿真对这些算法的有效性和可行性进行了分析和验证。关键词：正交频分复用信道模型频域估计时域估计a b s t r a c ti nt h i sp a p e r , t h ef u n d a m e n t ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h ea p p l i c a t i o no fo 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 ) w e r ed i s c u s s e d ，a n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft i m e - v a r y i n gm u l t i - p a t hb a s e do nt h ed i s c u s s i o no fm o b i l ef a d i n gc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i cw e r ea n a l y s e d ，a n dt h ec h a n n e lm o d e lw e r ed i s c u s s e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e sb a s e do np i l o tf o ro f d ms y s t e m st h r o u g hd i f f e r e n ta l g o r i t h m sa n di m p r o v e da l g o r i t h m sf o rc h a n n e lr e s p o n s ee s t i m a t i o na tf r e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i na r ei n v e r s t i g a t e d f i n a l l y , w eh a v ea n a l y s e da n dc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h m si nt h et y p i c a lc h a n n e lm o d e lb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n k e y w o r d ：o f d mc h a n n e lm o d e lf r e q u e n c yd o m a i ne s t i m a t i o nt i m ed o m a i ne s t i m a t i o n创新- | 生声明鹞8 3 8 8 本人卢明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所岁列的内容以外，论文- ：h ；包含其他人已经发明或撰写的研究成果：也不包含为获得西安f ：l 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j 盘所做的任何贡献均在沦文中做了明确的说明并表示了谢意。中请学位论文与资料有不实之处，本人承担一切柏关责任。本人签字：教己，弓岛关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 l - 稗i 校攻渎学位期问的知识产权单位属西安电子科技大学。木人保i e 毕业离校后发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍为西安f 乜子科技大学。学校铂杖保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公夼沦文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩影、或其它复制手段保存论文。( 保密的论史在解密后遵守此规定) 。本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：噬! ：! 鱼缸牛日期：护一，牛日期：型! ；：坐：丝第一章绪论第一章绪论1 1 引言在信息化的时代，建立一个高效、可靠、安全的信息网络已成为现代社会的首要任务。在各种信息技术中，信息的交换和传输是其重要的技术手段，而其中的移动通信在现代通信技术中发挥着越来越大的作用由于其传播的丌放性及用户的随机移动性已成为通信技术中不可缺少的组成部分移动通信属于无线通信范畴，它以空问电磁波为传输载体，使通信双方至少有一方在电磁波的覆盖范围内处于移动状态下进行不问断的通信：移动通信不受时间、空间的限制，具有很大的机动性、灵活性，已成为无线通信中应用最为广泛的一类通信方式。而移动通信网就是利用无线通信信道将行人、汽车、舰船、匕帆等移动目标同固定的有线电话网相连接的通信网。目前移动通信已从模拟通信发展到数字通信阶段，并向软件无线电这一新的通信体系发展。h 前，第三代移动无线网( 3 g ) 已进入实用化阶段，并形成了二二大主要标准：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a ；它能提供多种业务，尤其是多媒体和高比特分组数据业务；能在高速移动大范围覆盖条件下提供至少1 4 4 k b i t s ，室外步行3 8 4 k b i t s 的业务和在低速移动本地覆盖范围条件f 提供2 m b i t s 业务。随着无线互联网的发展，其业务要求达到：1 m - 2 m b i t s ( 车载快速移动) 、3 6 m b i t s ( 步行)和1 5 m b i t s ( 固定) 。显然3 g 满足不了未来无线通信的要求，于足，有人提出了4 g 的概念，并充分与i n t e r n e t 技术相结合，互为利用，使之成为具有广大应用i j d 景的无线移动通信网络，并且在丌发新频段的基础上充分提高频谱效率以满足大容量的通信要求。因此，各种新的高效移动通信技术已成为研究热点。其中的多载波码分多址( m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o n a c c e s ，m c c d m a ) 技术作为继第三代移动通信技术后( 4 g ) 的核心技术之一得到了广泛的研究。1 2o f d m 技术j f 交频分复用是一种多载波调制( m u l t i c a r t i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术，它是一种近年束发展起来的新型数字调制技术，它用减少和消除码n 悯；扰i | | 勺影h 向来克服信道的频率选择性衰落。所的o f d m 就是将所要传输的数据流分成若二r 个数槲”于流，每个了数据流w j 低褂多的传输比特率并且用这些数据流去并行测制扑卜个十h j 1 i 交的载波。o f d m 系统中信道估计技术研究它在5 0 ，f i 代术6 0 年代初最早应用于军事无线通信，并于1 9 7 0 年在美幽获得了专利。现竹! 这项技术已成功用于电话系统韵数字通信即非对称数字用户环路( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e , a d s l ) 中；无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ，w l a n ) ；数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ，d a b ) ：数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ，d v b ) 等领域中，从而得到快速广泛的发展。如今，实际的o f d m 系统中的载波数量常达数百个，甚至于数千个，采用传统的使用振荡器和锁相环进行相干解调的方式是相当复杂的。出于o f d m 渊制和解调i “ i 离散付立叶反变换( i d f t ) 及离散付立叶变换( d f t ) 柬实现，随着数字信号处理( d s p ) 技术的发展，o f d m 系统可由d s p 束实现，既简化了实现的复杂性，又减少了没备的体积，o f d m 爿1 突破了技术上的障碍。因此o f d m 技术在数字通信领域的应用得到了“泛的研究和应用。1 9 8 5 年；l e o n a r dj c i m i n i ，j r 对o f d m 进行了分析和仿真| 2 l ：1 9 9 3 年，n y e e , g f e t t w e i s 等火最早提出了将o f d m 应用到c d m a 系统中1 9 9 9 年k w a n g c h e n g c h e n 4 s h a n t s u n g w u 提出了基于软件无线电及d s p 技术的可编程结构o f d m - c d m a 系统州；2 0 0 1 年，j u n j i ez h u ，w h o o n gw o n g 等人研究了处理增益对m c 。c d m a 系统性能豹影响，并给出了仿真曲线”l ；这项技术已成为未来无线数字通信最有效的方法之一。从o f d m 原理的提出，到现在d s p 技术的快速发展，o f d m 技术的应用研究得到了广泛的关注。从有效的利用频谱资源、提高系统性能和提商系统容量上考虑，m c c d m a 结合了d s c d m a 和o f d m 的优点。在o f d m 的各予载波之间建立了讯交码冉接序列扩频结构，既有效减小了多址干扰，又经过频域交织后获得较i 酒的频率分集增益。目前，世界各国的研究机构投入大量的人力物力对m c c d m a 的关键技术进行了广泛的研究，主要有信道估计技术、同步技术、用户检测技术、助率控制技术及干扰消除技术等。1 3 本文内容介绍本文i 捌绕o f d m 系统的信道估计技术展开研究工作。在这一过程中，采用理理论分析利计算机仿真相结合的方法，验证理论的正确性和实践的可行性。主要进行了以f ) l 方面的研究工作。分析了当今世界在o f d m 技术领域内的最新研究成果；详细分析了无线信道的特点以及用于理论分析的信道模型。全i l i _ i 分析了基1 ：导频序列的信道估计方法，探讨了导频信号插入的原则，分析了j l 币i 导频形式的特点。深入分析了信道的频域估计算法和时域估计算法，以及它f f l 适用的信道。并在此j l ；卜提出了改进的算法，在降低算法复杂度和提高估计精度一j ：进行了分析，m 川算机进行了仿真，得出了有用的结论。小文的内弈分为六章，其结构如f ：第一章绪论前先简要介绍移动通信的特点及移动通信中要解决的主要问题，以及m c c d m a 技术的研究概况。第二二章说明了o f d m 的基本原理，分析了它的技术特点，及主要的应用领域。第三章提出了一种o f d m 的系统结构，分析o f d m 符号及帧结构。第四章介绍了无线信道的特性，分析了信道的数学模型，并建立了计算机仿真分析的模型。第i 章详细分析了导频形式的选择及o f d m 的信道估计方法及内插方法，提出改进的算法，给出了仿真结果；并得出了有益的结论。总结部分总结了全文的内容，提出了这一领域有待于进一步研究的问题。第二章o f d m 的原理及麻第二章o f d m 的原理及应用j2 1 多载波调制的基本原理在o f d m 系统中，高速串行数据码元_ ；e j 、2 。一一、n i 其信号带宽为b ，码元速率为r ，码元周期为t s = l r ，假若信道的最大时延扩展a 。 t s 。经串并变换后为n 个低速的并行码元，其码元速率为r n 、周期为t 。= n t 。，然后冉分别凋制在n个梢互i 卜交的子载波上，最后在时域波形上合并发送至信道。所以o f d m 实质是哥十并行调制方式，将符号周期延长了n 倍，从而提高了对多径干扰的抵抗能力。其原理框图如图2 1 ( a ) 所示。由于子载波的频谱相互重叠，因而町以得到较高的频谱效率。当调制后的信号经移动信道到达接收端时，山于多径效应带来的码问串扰的作用，子载波之问不再保持良好的_ i _ f 交性。因而在发送前在码元之间要插入保护时隙。如果保护时隙6 大于最大时延扩展。，则所有时延小于6 的多径信号将1 i 会延伸到下一个码元期侧，从而有效的消除了码问串扰。c o s ( 2 j r f o t )串( ) 串行数据d ( n ) 。j，rb s并变d 。n i 、换斗9 - |c o s ( 2 而n i t )f f 0 + n t sn = 0 1 ，n - 1( a )发射端o f d m 系统中信道估计技术研究( b ) o f d m 的频谱示意幽c o s ( 2 n f o t )出井变换( c ) 接收端幽2 - 1o f d m 系统的原理框幽陶2 一l 为o f d m 系统的原理框图及频谱图，由此图可知o f d m 的输出信号可表示为：一i= r e 【d ( n ) e x p ( j 2 n f n t ) ，【o ，r 】( 2 1 )式中c f 例为笫n 个删制码元，瓦为码元周期，t = t s + 占， i 而+ ，嘱。而为笫个子载波频率。若不考虑保护时隙，则式( 2 - 1 ) 可写成：如) = r e 莩c ：f ( 一) e x p ( ，静f ) e x p ( ，2 矾明 = r e f ( f ) e x p ( 尼f ) 】( 2 - 2 )一i 考虑载波j | j ! ，j 考虑基带信号，则有：第二章o f d m 的原理及麻j j= 掣m ) e x p ( j 静f )d ( f ) = d f )，v( 2 3 )血以抽样率为1 对d7 ( ，) 进行抽样，即“= 饥，在【0 ，t 矗内八有n = t s t 。个样值，则自：础刚，( ，牲，= 薹m ) e x 刚n k ) o k 1个数掘比特，则总的子载波数为n = l m 。由于o f d m 符号宽度为o f d m 的剧期加上保护时隙，虽然增加n 可以增大有效负荷的比例，但是为了满足每个于载波传输对应的都是慢衰落频率选择性信道，需使o f d m 符号的宽度远远小j 二最大多普) j ( d o p p l e r ) 频移的倒数。所以应综合考虑各种因素，选择合适的n 值。3 2 数据的映射和星座图经过串并转换的数据由m q a m 编码映射，在帧o f d m 倍i 川，所有数掘载波l 叮使川格雷码映射的m q a m ，这些数据由几个比特组成，系统一ir 的n 路q a mo f d m 系统中信道估计技术研究信号i , y 以看成n 个调制在不同载波的q a m 信号，并映射成某一复数z ，复数z含有相位和振幅的信息。如图3 2 所示为6 4 - q a m 编码映射的星坐图。i m ( z )jk1 0 0 ( ) 0 01 0 0 0 1 01 0 1 0 1 01 0 1 0 0 00 0 1 0 0 00 0 1 0 1 00 0 0 0 1 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 i1 0 0 0 l li o l o l i1 0 1 0 0 i0 0 1 0 0 i0 0 1 0 il0 0 0 0 i0 0 0 0 0 i1 0 0 1 0 ll t 】0 1 i l1 0 i l l il o l l 0 i0 0 1 1 0 10 0 1 1 1 10 0 0 1 1 10 0 0 1 0 l1 0 0 1 0 li 0 0 i l l1 0 i l l |i o | 1 0 l0 0 1 1 0 i0 0 l l1 00 0 0 | 1 00 0 0 l o c1 1 0 1 0 01 1 0 1 1 01 1 l i l 0i l l l 0 0o l l l 0 00 | i1 1 00 1 0 1 1 00 1 0 1 01 1 0 1 0 l1 1 0 l i ll | i i l ll l l l 0 10 i i l o l0 l i i i l0 1 0 1 1 l0 1 0 1 01 1 0 1 0 il 1 0 0 l l1 1 1 0 i ll l1 0 0 i0 l 1 0 0 l0 1 1 0 1 10 1 0 0 l | 0 1 0 0 0 l1 1 0 0 0 0l 1 0 0 1 0l l1 0 1 011 1 0 0 00 1 1 0 0 00 1 1 0 1 00 1 0 0 1 00 1 0 0 0 (幽3 - 26 4 q a m 映射及相应的比特分布3 3o f d m 符号及帧结构r e ( z lo f d m 符号及帧结构如图3 3 所示。每个符号由一组持续时i h jt 的载波组成。t 包括有用信号时间和保护问隔两部分，保护间隔插在有用信号之前。通常将k s个符号组合为个o f d m 帧，其帧长t f = k s t ；并由几个帧组成一个超级i l i ! | 睇。山j ：o f d m 信号包括了许多分别被调制的载波，可依此将每个符号分解成单元，每个单兀埘应于个符号持续时问内对某一载波的调制。除了所传输的数据外，一个o f d m 帧还包括：散步的导频单元和连续的导频单元以及传输参数信令( t p s ) ，这些导频信号用于帧同步、频率同步、时间同步、信导估计、信道编码、传输模式u 剧、调制参数等，也能用于跟踪相位噪声。tj ：o f d m 信号包括了许多分别被调制的载波，可依此将每个符t 。1 分斛成单元，1 4 个啦i 坩应t ：一个符号持续时i b j 内对某一载波的调制。除了所传输的数据外，个o f d m 帧还包括：散步的导频单元和连续的导频单元以及传输参数信令( t p s ) ，这_ j 导捌信号用于帧同步、频率同步、时间同步、信逆估计、信通编f i ：5 、第二章o f d m 的系统结构传输模式泌剐、调制参数等，也能用于跟踪相位噪声。子载波十f s = i tk c卜斗t( a ) o f d m 符号o f d m 符号t f = k s t( b ) o f d m 帧图3 - 3o f d m 符号及帧结构b = k c f so f d m 帧内的某些单元被调制为接收端已知传输数值的参考信息。包含参考信息的各单元是在提升的功率电平上发射的，即导频信号功率是大于数据载波的平均功率。传输的信息即为散布或连续的导频单元。其数值由伪随机二进制序列发生器( p r b s ) 得到，它是一连串的数值，每一个对应于一个传输载波，按p r b s序列w k 束调制导频，w k 对应于它们各自的载波指示k 。p r b s 序列可按图3 - 4 所示的伪随机序列产生器产生1 2 ”。将p r b s 初始化，使p r b s 的第一个输出比特与第一个有效载波重合，在每个使川的载波，不管是否导频均由p r b s 产生一个新的数值。伪随机序列发生器的多项式为：x “+ x 9 + l初始化序列为：1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1幽3 - 4p r b s 序列发生器t p s 载波用于给出与信道编码和凋制参数有关的信令。如：q a m 的星座图类) 卧保护f j n 、内码编码率、超级帧所含的帧数等。o f d m 系统中信道估计技术研究t p s 唯儿足在“标称”功率电平上传输的，它传输的能量等于所韵数据单元的平均能量。每个t p s 载波可用d b p s k 调制，并传送相硎的信息。3 4o f d m 的谱结构o f d m 符号构成了- - n 并置的等间隔正交载波。按照前面叙述的编码映射过程，数据堆，i 的幅度和相位随符号不同而变化。o f d m 符号的包络不是恒定的，有较大的动态范围。每个载波的频率为： = ，+ ( k i ) 忙。k k 。)( 3 1 )棚应的功率潜密度为：斛掰 2睁z ，理恕的o f d m 传输信号的功率谱密度如图3 - 5 所示，图中只画出了相邻三个载波的功率谱密度，已调数据单元载波的总的功率谱密度是所有这些载波的功率i ：f 密度之年。从图l l 叮以看出，由于o f d m 符号持续期大于载波问隔的倒数，因此，每个载波功率谱密度的主瓣比2 倍载波间隔窄。幽3 - 5o f d m 功率谱密度号世伸船特督第四章移动信道特性及仿真模刑9第四章移动信道特性及仿真模型4 1 移动通信信道的特性采用计算机仿真的方法来分析o f d m 信号在无线移动信道传输的性能，就需要分析信道的各种特性对o f d m 信号的影响。而地面移动信道是各种常见信道中最为复杂的一种，例如，模拟有线信道通信中信噪比的典型值约为4 d b ，信噪比的变化范围通常为l 2d b 。而在典型的移动信道中，衰落深度可达3 0d b ，衰落速率为3 0 4 0 次秒。这主要是由接收机与发射机相对运动造成的，即移动信道是时变多径信道。移动信道属于无线信道，它既不属于传统的有线信道，也与一般固定的无线信道有所区别。其主要的特点为，第一，通过电磁波在自由空间的传播来传输信息；第二，发射和接收环境的复杂性和多样性，可大体分为室内与室外环境；第三，用户的随机移动性，包括步行及高速车载时的通信。因此其传输损耗为，首先，自由空问的传播损耗，它反映了传播在宏观大范围的空间距离上的接收信号电平均值的变化趋势：其次，慢衰落损耗即电波在传输路径上受到建筑物及高山等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗，它反映了中等范幽内接收信号的损耗，其接收电平的均值变化而产生的损耗遵从对数正态分布：第三，快衰落损耗，它是【_ b 多径传播而产生的衰落，又称为多径衰落，它反映微观小范围内接收信号电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称为快衰落，它对通信质量的影响起主要作用，它可分为以下三类：空自j 选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。当移动台在基站覆盖范围内移动时，接收信号来自多条路径，具有随机的相位和幅度，在经矢量合成而得，当几个主径信号的相位基本一致时，信号得到加强，反之则减弱。经过大量的理论研究和实验数据分析表明：在不存在视线路径的情况下，接收多径信号的电平一般遵从瑞希l ( r a y l e i g h ) 分布，此时的信道称为瑞利信道；当有视线路径时，遵从广义瑞利分布，称为莱j 0 i ( r i c i a n ) 信道。多径效应是移动信道的主要特点之一，它对接收信号的影响是多方面的，尤其是对数字信号，主要有以下几个方面。第一，多径效应会引起接收信号幅度的深度衰落，这会严重影响数字通信的质量，当信号电平在某些时间问隔内低于接收机的检测门限电平时，会增大误码率，甚至使通信中断。第二i ，多径效应造成的时延扩展将在接收信号中引起码问串扰( i s o ，导致误码率增加。在码元速率较高时，当信号带宽接近或超过信道的相关带宽时引起频率选择性衰落，使波形严重失真。o f d m 系统中信道估计技术研究定义时延谱为不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱，p ( t ) 是归一化的时延特征曲线。利用宽带伪随机噪声信号测得的典型时延诺如图4 - l 所示。0 d b3 0 d bl”( t )垒! ；能、一rz 厂_：lli & 纛_幽4 - 1多稃传捅的时延谱幽年2多谱勒功率谱1 | 4 - l 中横坐标为时延t ，纵坐标为相对功率密度。定义p ( d 的阶矩为平均时延f ，p ( t ) 的均方根值为时延扩展f ，r 。是最大多径时延差，这晕为连续状态的信号时延谱，因而r 。表示归一化的包络特征曲线p 下降到一3 0 d b 处所对应的时延差。亍= f 妒( 珊r( 4 1 )( r ) 2 = l _ ( r 一亍) p ( f ) d r( 4 2 )式( 4 2 ) c p 的时延扩展f 是对多径信道时延特性的统计描述，它是多径信道的重要的参数。已知频域两频率f l ，t 2 问的相关函数为：p ( _ ，2 ) 2 雨丽j 1 而爵4 - 3 定义相关带宽为：e = 一s , i 圳：瑚s2 面l ( 4 - 4 )棚关带宽是指在一个特定频率范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。它表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率问隔。也就是晚，衰落信号的两个频率分量，当频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性；当频率n u 隔大j 二相关带宽时，它们就不相关了，其衰落具有不一致性。在时域中，脉冲f 卉号经过多侉传播后，由于路径不同，因而到达时间不同，若发射一个脉冲，第四章移动信道特性及仿真模，“2那么接收信号中包含了各延迟信号，其脉冲的宽度就要增加，这种现象称为时延扩展。由于这种时延扩展的存在，接收信号的一个码元的波会扩展到其它码元中去，引起码白j 串扰，导致误码率的增加，使接收质量降低。时域的扩散也会带来邻道干扰。与时延扩展有关的一个重要概念是相关带宽当信号在移动信道中传播时，会引起多径衰落，对于信号中不同频率成分，所受到的衰落是不一样的，当信号带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落，反之，则发生频率选择性衰落，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应，导致哀落信号波形的失真。在实际中，常用最大多径时延r 。的倒数来规定相关带宽，即e = 1 f 。第三，移动用户高速运动而引起的多普勒( d o p p l e r ) 频移f ，= 导c o s 口，由于多，l径效应，这种频移成为多普勒频率扩展风。多普勒频率扩展的功率谱具有如图4 2所示的u 型谱，其表达式为：彻= 扑 _ - 小件s ，式中，尼为载波频率o 为各向同性的天线接收到的平均信号功率，磊为最大多谱恸频移。衰落信号中频率的这种随机变化将造成随机调频噪声，多普勒频移与移动速度及：1 ：作频率有关，有时可达几百赫兹。随机调频会增加误码率，如果单增加发将射功率，也只能将误码率减少到一定程度，还存在剩余误码率。多普勒频率扩展是谱展宽的测量值，这个谱展宽是无线信道的时间变化率的一种度量。多普勒频率扩展被定义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱有非零值。如果基带信号带宽远大于b d ，则在接收机端可忽略多普勒频率扩展的影响。此时的信道是一个慢衰落信道。相关时间t c 是多普勒频率扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性，则t = i l l ，、扁是最大多普勒频率。相关时间是信道冲击响应维持不变的时间问隔的统计平均值。换句话说，相关时问就是指在一段时问间隔内两个到达信号有很强的幅度相关性，如果基带信号带宽的倒数大于信道相关时间，那么传输中基带信号可能会发生改变，导致接收信号失真。当信号通过移动无线信道时，其衰落类型决定于发送信号特性和信道特性，信号参数( 带宽、符号问隔) 及信道参数( 时延扩展、多普勒扩展) 决定了不同的发送信号将经历不同的衰落。移动无线信道的时间色散和频率色散可能产生四种不同的效应，这些是由信号参数及信道特性决定的。多径的时延扩展会引起时m 色敞及频率选择性衰落，而多普勒扩展会引起频率色散及时n u 选样性衰落，这o f d m 系统中信道估计技术研究两种机制彼此垃独立的。如上所述，多径衰落信道存在着两种扩展：多径效应引起的时问上的时延扩展，多普恸效应引起的多普勒频谱扩展。时延扩展使接收信号在时域上的波形展宽，多普物频嘴扩展使接收信号在频域上的频谱展宽。这是移动通信的信道的电波传播特性分别在时域和频域上的表现。如果移动无线信道带宽大于发送信号带宽，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的衰落过程。在平坦的衰落情况f ，信道的多径效应使发送信号的频谱特性在接收机内仍保持不变，然而，由于多径效应导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随着时间变化。平坦衰落信道即幅度变化的信道，可看成窄带信道，这是因为信号带宽比平坦衰落信道的带宽窄得多。即：b s b c 。根据信号与信道变化快慢的比较，信道可分为快衰落信到和慢衰落信道。在快衰落俯道i p ，信道的冲击响应在符号周期内变化很快。即信道的相关时问比信号周期短。山于多普勒扩展引起频率色散( 也称为时自j 选择性衰落) 导致信号失真。从频域上看，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。产生快衰落的条件为：b s b d 。多址干扰是移动通信中的另一种主要干扰，它与前面分析的信道衰落和多径于扰刁i 同，它与多址接入技术，以及具体的信号多址划分技术有直接的关系。一般在传统的频分与时分多址技术中，由于频分、时分划分的正交性，多址干扰小到可以忽略的程度然而对于码分多址技术却不然，这是由于具体码组设计，码组之问f 相关性，特别是互相关性不理想造成的多个用户之间的干扰。要克服各种衰落和干扰，可以采取不同的手段。用于抗白噪声的信道编码与调制技术，如t u r b o 码技术；用于抗慢衰落远近效应的功率控制技术；用于抗频率选择性衰落的r a k e 接收技术：用于抗时间选择性衰落的信道交织技术：用r 抗多址丁扰的多川，- 检测技术等。第四章移动信道特性及仿真模7 n4 2 多径信道的数学模型目前对移动信道进行研究的方法主要有以下三种：一为理论分析，即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用数学模型来描述信道。往往需要对信道进行简化，因而，数学模型对信道的描述是近似的，并不能准确的刻划信道的特征。其次为现场电波传播实测，即在不同的传播环境下，做电波传播实测试验。测试接收信号幅度、延时以及其他反映信道特征的参数。对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果。现场实测可以准确的反映一个地区或一个城市中移动信道的特性，一直是研究移动信道的重要方法。第三为计算机仿真，是近年来随计算机技术的发展而出现的研究方法。计算机在硬件的支持下，能灵活快速地模拟各种移动环境，因而在工程上具有一定的意义。用数学模型来全面描述实际无线移动信道中的多径信号，其分析过程是相当复杂的。为了简化，不考虑空间域，只考虑时域、频域两维情况。描述它的模型有很多，其中最为常用的一种就是线性时变信道模型。设发射信号为s ( t ) ，则它的等价的低通信号s l ( t ) 来表示：s ( ，) = r e ( s ( ，) 4 p 2 4 “)( 4 - 6 )f c 为载波频率。假若信号经过的是线性时变多径信道，接收端的运动速度为v 则多普勒( d o p p l e r ) 频移为 = 导c o s 口，那么到达接收端的信号为：，( ，) = h ，( 删( 卜f 心) ) e 1 “( 4 7 )式e f ；f ：n 为多径数，t i ( t ) 为第i 条路径在t 时刻的时延，h i ( t ) 为第i 条路径在t 时刻的衰减幅度。由以上两式得：哟=re龆协。q-r,q)i=0一m 。p 件s ，= l 已( f 蜿t w 一“一2 蛳。忙驯( 4 - 8 )u -j j则等价的低通信号为：丘( f ) = 红( f 弦l o t o ) ) $ e 一7 2 ”，r 叫。 p 一7 2 4 7( 4 9 )i 纠为等价的低通接收信号为低通信道脉冲响应与等价的低通发射信i ，的卷积，则等价的低通线性时变多径信道脉冲响应为：o f d m 系统中信道估计技术研究一lh ( r ，) = 曩( f ) j ( r r ，( ，) ) p ”7 “，= o( 4 1 0 )用0 ( t ) 代表第i 条路径上的相位2 兀缸i ( t ) ，则式( 4 1 0 ) 可表示为：- ih ( r ，) = h , ( t ) 8 ( r - r ，o ) ) e 一9 p 一7 2 4 7 ”( 4 1 1 )i = 0通常式( 4 - 1 1 ) 可描述线性时变信道模型的冲击响应，有时为了进步简化，往往将上述时变参量看成时不变的，这时有：n l ( r ) = h , 8 ( r - r ，) p 。8 e - 2 。7 。( 4 1 2 )j = 0图4 3 所示两种典型信道的冲击响应。( a ) 莱斯信道( b ) 瑞利信道幽4 - 3 典型信道的冲击响席4 3 移动信道的计算机仿真模型t l j 于移动无线信道特性是随时问变化的，在进行性能仿真时就不能采用固定的信道模型，而需要采用随机的信道模型。在 艮多文献中吲【2 6 l ，广义平稳非相关散射信道( w s s u s ：w i d e s e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ) 被公认为是能够显示时延扩展和多谱勒扩展的最简单的随机过程。当不牛h 关的路径数足够大时，信道冲击响应的二次分量变为高斯，。义平稳非川关散射( 中心极限定理) ，高斯“义平稳非相关散射模型与许多实际的信道模型干h 吻合。第四章移动信道特性及仿真模刊一般来说，高斯广义平稳非相关散射信道的计算机仿真方法有两种：调相衰落仿真器和二次型调幅衰落仿真器。在调相衰落仿真器中，多径信道的冲击响应为：h ( t ，力= 告娶a 丸勘 n 砸一l o ) )( 4 - 1 3 )li = 1式中第i 条路径的随机相位i 在【0 ，2 】内均匀分布，多谱勒频移石和时延t 。( t ) 之问千h 互独立。这个模型实现简单，在l 趋于无穷大时，上式变为精确相等。然而，为了达到所要求的近似的精度，l 选择多大尚不清楚。在二次型调幅衰落仿真器，多径信道的冲击响应可以近似表示为：向( r ，f ) = h i ( t ) 一九“8 ( r - r i ( t ) ) ( 4 - 1 4 )式中 ( ，) ，( ，) ，f i ( r ) 分别为第n 条路径的幅度、相位和时延。假设各多径分量满足( w s s u s ，即广义平稳非相关散射信道) 时，不相关的多径数足够大时，并且输入信号为带限信号时，式( 4 1 4 ) 即变成了具有固定延迟的抽头延迟线，其抽头系数为高斯过程。生成上述抽头随机过程的常用方法是将l 个独立的高斯白噪声加给l 个抽头的滤波器，其噪声的方差由信道的功率延迟谱决定。事实上由于噪声源产生的是高斯白噪声，故其i j 后两次产生的值是相互独立的，那么这样产生的信道l 嘀度的时变性将十分强烈，这并符合实际的移动信道特性。根据以前的分析，住相关时间内信道幅度的变化应该比较缓慢，时间上相邻的信道幅度应该是相关的，那么为了准确仿真信道的时变特性，要求h i ( t ) 的功率谱密度满足多谱勒功率潜分析j 。根据随机过程理论，具有带限功率谱( 式( 4 5 ) ) 的复信号可由级数在均方意义下任意逼近，因此h i ( t ) 可由下式近似表达：一，( ，) = l i 望! c k e 2 ；rk l ；i ire 一；，一手c a 一，s )l l-j式中，为不相关的复随机变量，其均值为零，方差为：e 2 - 琏) 矽“埘帆)( 4 _ 1 6 )山j 二多普勒频率扩展的功率谱密度是带限的中的n 应该是有限的，即：= 陪爿即f 一 ，+ 六，】，冈而式( 4 - 1 5 )( 4 1 7 )o f d m 系统中信道估计技术研究其中n 取不大于( ，。，f , 一l 2 ) 的最大整数，f o u r i e r 展开式中基波的频率值而取决于所要求的精度，当逼近误差较小时，矗可以按下式计算： ：鸳( 4 - 1 8 )7 z 实际。卜1 种简单的实现方法是用f f t 计算式( 4 1 5 ) ，那么，需要先对( t ) 进行过采样，采样频率为口，：。位2 ) ，将式( 4 1 5 ) 改写为：于是确其中，诤l 。! ：。，t = 二_ ，= - n ，n( 4 - 1 9 )f o ( 2 n + 1 ) 7。驴办，毓k = = ：新“2 ”k = - n2 = 了1 色幼打肥+ ”k = ok = 0 ，| k = n + 1 ，2 v( 4 2 0 )时，( 4 2 0 ) 两边f 0 乘以1 ( 2 n + 1 ) ，得：五，_ 晶 f 一- - i 而1 嚣一2 栅“2 州(4捌)2n+ l2 + l 箭“。上式即为典型的i f f t 变换。根据以上分析，高斯广义平稳非相关散射信道的计算机仿真模型u j + 由以下步骤实现：1 ，根掘给定的逼近精度p 和仿真时问t ，由式( 4 - 1 8 ) 计算而。2 ，救抛式( 4 1 7 ) 计算n 。3 ，产生2 n + 1 个复高斯随机变量h ，均值为零，方差由式( 4 1 6 ) 确定，f | ：f t 1 式( 4 2 0 ) 得到蛾 。4 ，给定过采样闪f - ，并在投) 后面补27 一( 2 n + 1 ) 零，以满足f f tk 度的要求( 2 的幕次方) 。其中整数应满足下列不等式：2l ( 2 n + 1 ) a 27p参=p白1第四章移动信遵特性及仿真模，删5 ，刚f f t 计算式( 4 2 1 ) 中的离散序列溉 的离散f o u r i e r 变换得 j ；， ，选出其最前和最后的m = 叽丁2 个点，利用下式计算：r ( 2 + 1 ) ，r = q l i 一，mh r2 1 ( 2 | v + 1 ) ，r ：一m ，一l6 ，使用插值法将离散序列以) 恢复成连续函数h i ( f ) 。重复以上6 个步骤，得到l 条路径的抽头加权系数囊( ，) ，i = 1 ，。图( 4 4 ) 给出了在l = 6 ，p = 0 0 0 0 1 ，t = 0 0 0 5 s ，o = 0 d b ，= 2 ，f m = 5 0 h z 及f m = 2 0 0 h z 时仿真的信号衰落情况，当f m = 5 0 h z 时衰落深度约为1 2 d b ，当f m = 2 0 0 h z 时衰落深度约为2 5 d b ，从图中可以看出多谱勒频移越大衰落越严重。( a ) f m = 5 0 h z幽4 - 4 信号包络的衰落情况( b ) f l m = 2 0 0 h z第五章o f d m 的信道估计技术第五章o f d m 的信道估计技术5 1 信道估计的常用方法在移动通信系统中，调制方式分为差分调制和相干调制，在差分调制中，信息是山柏邻两个符号的差来编码的，可以不需要信道估计，并使系统减少了复杂度，但柏对而言数据传输率较低。在o f d m 系统中，接收端须知信道的信息，而移动信道属于多径衰落信道，o f d m 系统中每个子载波在传输的过程中其幅度和相位都会随载波频移、相位噪声、定时偏移等因素而变化，在时域和频域引起衰落，产生码问干扰，降低了系统性能。因此如何在接收时能检测出这些变化的因素已成为能否准确地解调原信号的关键，这正是信道估计器耍解决的问题。目前，信道估计的方法有许多种，主要有两类，一类是盲估i t - ，根据信号在时间或频率上的相关性对信道进行估计，如线性最小均方误差( l m m s e ) 估计，最小二乘( l s )估计，此类估计需要所有n 个子载波的相关性，算法复杂，计算量大，估计器结构复杂，文献1 9 1 1 3 2 1 和文献i 0 1 分别对上述两种算法进行了改进，降低了复杂性。最小均方误差( m m s e ) 性能较好，但复杂性高，最小二乘( l s ) 复杂性较低，但。盹能不如( m m s e ) 2 8 1 。另一类是基于导频方式的估计，此类信道估计的常用方法有两种：基于导频信道的估计和基于导频符号的估计。基于导频信道的方法是在系统中设置专用导频信道来发送导频信号。由于o f d m 系统具有时频二维结构，因此采用导频符号辅助信道估计更加灵活。所谓的基于导频符号的信道估计是指在发送端的信号中的某些位置插入一些接收端已知的符号或序列，接收端利用这些信号或序列受传输衰落影响的程度，根据某些算法来估计信道的衰落性能，当然也可以用( m m s e ) 和( l s ) 算法，这一技术叫作导频信号辅助调制( p s a m ) ，在各种衰落估计技术，( p s a m ) 是一种有效的技术p ”。在单载波系统中，导频符号或序列只能在时问方向上插入在接收端提取导频信号估计信道的冲击响应厅( r f ) 。而在多载波系统中，导频信号可以在时问和频率两个方向上插入，在接收端可提取导频信号估计信道的传递函数h( f ，t ) 。只要导频信号在时间和频率方向上问隔对于信道带宽足够少，就可以采用二维内插滤波的方法来估计传递函数h ( f ，t ) ，也可以采用分离的一+ 维估计。在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：是导频信号的选择，盯于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，l 习此导频信号也必须1 i 断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的没讣，在确定导频发送方式和估计准则条件f ，寻找最佳的信道估计器结构。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的没训通常又足相互荚联的，o f d m 系统中信道估计技术研究因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。然f | f ，在多载波c d m a 系统中，由于多址接入，必然受到信道干扰，加性噪声和窄带干扰，即使在插入导频信号的情况下对信道的估计也是很困难的。因此，在保征系统容量、性能、可靠性的前提下，采用有效的估计方法可使系统性能得到明显的提高。另外，还有一种基于直接序列扩频的导频编码方式，其信号在f f t 变换前的时域表示式为x ( n ) = a ( n ) c 。+ c ：；其中c ，c ，为相互f 交的扩频码，这种方式适合于多径频率选择性快衰落信道【3 “。5 2 导频形式的选择基于岢频符号信道估计的o f d m 系统，其导频形式的选择决定于两个重要的参数，最人速度( 决定最小相关时问) 和最大多径时延( 决定最小相关带宽) 。为了能够跟1 3 4 输函数的时频变化，导频符号应浚放置得足够近，但导频符号又不能太多，这样一束会降低数据速率，因而必需综合考虑。导频符号由特定的o f d m子载波传播，其在o f d m 帧中位置是一定的。在接收端，对信道的估计可以看做对信道冲击u 向应h ( k ) 的二维采样采样必须满足采样定理。因此，导频符号的最低密度由n y q u i s t 频率确定【2 9 j ，即：m = l 2 a f r ，n ，= 1 2 f ；，t 。在实际c 1 1 为了获得更加可靠的估计，在时频方向上放置采样定理阴倍的导频符号数，则在时问方向的问隔n t 和在频率方向的间隔n f 分别为po j ：仆争去。，n ，一吉+ 嘉式中：f 为j f 载波带宽，t s