（通信与信息系统专业论文）gbps高速无线通信系统接收机关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着3 g 移动通信系统商用部署的完成，多媒体服务与应用得到了广泛推广，而3 g 在系统容量 和服务质量上的局限性使得各国都在加紧研究容量更大、速率更高、质量更好的第四代移动通信系 统。东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础上，承 担了带宽不大于1 0 0 m h z ，传输距离不小于5 0 米。数据传输速率高于i g b p s 的高速无线通信系统的 设计。本文作为“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发”的一部分，主要研究了g b p s 系统 的多天线检测技术和调制解调技术 本文首先介绍了g b p s 系统的基本结构、系统参数及使用的m i m 0 和0 f d m 两种关键技术并结合 实际系统介绍了无线信道的特性和常见模型。随后深入分析了三类多天线检测算法：第一类是最大 似然检测算法，该算法性能最优但复杂度过高，只能作为一种参考算法：第二类算法是基于排序q r 分解的最大似然算法，这类算法性能和复杂度都适中，可以作为一种候选算法：第三类算法是基于 排序q r 分解的串行干扰抵消算法，这类算法性能最差但复杂度最低，也可作为一种候选算法。此外， 在研究第二类算法时，本文使用了k - b e s t 技术和象限检测技术，k b e s t 技术使得q r _ m l d 算法的复 杂度有了指数倍的降低，象限检测技术又能再使其复杂度降低4 倍以上。结合g b p s 系统的实际情况， 本文选择了最易实现的第三类算法作为初步硬件实现算法。而将改进后的第二类算法作为后续硬件 实现算法 最后，本文给出了q r 分解单元和检测单元的具体算法步骤和硬件实现结构，并根据所设计的硬 件结构对z f - s q r 算法进行了定点仿真进而在f p “上完成了硬件实现。在硬件实现的过程中我们对 算法做了三方蘧的改进：一是通过修改算法来消除q r 分解中的不易实现的开方运算；二是通过查表 的方法将除法运算改进为更易实现的乘法运算；三是通过改变计算顺序来实现流水线结构。此外， 论文还深入研究了g b p s 系统的调制解调技术，给出了其原理和硬件实现方法 关键字：g b p s ，多输入多输出，正交频分复用，多天线检测。排序q r 分解，基于q r 分解的最大似 然检测，快速傅里叶变换，f p g a 。 a b s 仃a c t w i t ht h ec o m p l e t i o no ft h ec o m m e r c i a ld e p l o y m e n to ft h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。m u l t i m e d i as e r v i c e sa n da p p l i c a t i o n sw i l ls o o nb ew i d e l yp r e v a l a n t h o w e v e r , b e c a u s eo f t h el i m i t a t i o no f 3 gi n d a t ar a t ea n di nq o s ，4 gm o b i l es y s t e mw i t hh i g e rd a t ar a t ea n db e t t e rq o si sb e i n gd e v e l o p e di nm a n y c o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d b a s e do nt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c ta n dp r e v i o u s8 6 3r e s e a r c h p r o j e c t , an e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hi sc a p a b l eo ft r a n s m i t t i n g1g b p si nai o o m h zc h a n n e l b a n d w i d t hw i t h i nad i s t a n c eg r e a t e rt h a n5 0m e t e r si sb e i n gd e v e l o p e db yn a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r yo fs o u t h e a s tu n i v e r s i t y a sap a r to ft h e8 6 3p r o j e c t k e yt e c h n o l o g yi n g b p sw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h em u l t i - a n t e n n ad e t e c t i o na n d 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 ) m o d u l a t i o ni ng b p ss y s t e m i nt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，b a s i cs t r u c t u r e ，s y s t e mp a r a m e t e r sa n dt w ok e yt e c h n i q u e s ，n a m e l y m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) a n do f d m a r ei n 仃o d u c e d t h e nw ei n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ec a 3 m m o nm o d e l s o fw i r e l e s sc h a n n e li na p r a c t i c a ls y s t e mv i e w a l t e rt i l a t ，t h r e e k i n d so f m u l t i - a n t e n n ad e t e c ta l g o r i t h ma r ea n a l y z e d ：m l d ( m a x i m u m - l i k e l i h o o dd e t e c t i o n ) a l g o r i t h mi st h eb e s t i np e r f o r m a n c eb u tt h ew o r s ti nc o m p l e x i t y ；q r - m l da l g o r i t h mi sm e d i u mb o t hi np e r f o r m a n c ea n di n c o m p l e x i t y ；q r - s i ca l g o r i t h mi st h ew o r s ti np e r f o r m a n c eb u tt h eb e s ti nc o m p l e x i t y i na d d i t i o n ，t h i s t h e s i sa l s op r o p o s e sk - b e s tt e c h n i q u ea n dq u a d r a n td e t e c t i o nt e c h n i q u ew h i c hc a l l g r e a t l yr e d u c et h e c o m p l e x i t yo fq r - m l da l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fg b p ss y s t e m ，w ec h o o s e q r - s i ca l g o r i t h ma so u ra l g o r i t h mf o rh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na n dq r - m l da l g o r i t h ma sac a n d i d a t e a l g o r i t h m i nt h el a s tc h a p t e ro ft h i st h e s i s ，t h ed e t a i l e da l g o r i t h ma n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r eo fq r d e c o m p o s i t i o nu n i ta n dd e t e c t i o nu n i ta r eg i v e n ，f i xp o i n ts i m u l a t i o no fz f - s q rb a s e do nh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r ei sp r e s e n t e d ，a n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no nf p g ai sd e s c r i b e d i nh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n ，w em a d et h r e ei m p r o v e m e n t s ：e l i m i l a t e ds q a r ep r o b l e mi nq rd e c o m p o s i t i o nt h r o u g h a l t e r i n ga l g o r i t h m ；r e p l a c e dd i v i s i o nw i t hm u l t i p l i c a t i o nt h r o u g hl o o k - u pt a b l em e t h o d ；r e a l i z ea s s e m b l i n g l i n es t r u c t u r et h r o u g hc h a n g i n gt h eo r d e ro fo p e r a t i o n f u t h e r m o r e ，t h em o d u l a t i o nt e c h n i q u eo fg b p s s y s t e mi ss t u d i e di nd e t a i l ，i t sp r i n c i p l ea n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sg i v e n k e yw o r d ：g b p s ，m i m o ，o f d m ，m u l t i - a n t e n n ad e t e c t , s q rd e c o m p o s i t i o n ，q r - m l d ，f f t , f p g a h i 论文专用术语注释表 论文专用术语注释表 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b e y o n d3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b i te r r o rr a t e b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f h x e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v a l u a t i o n f a s tf o u r i e rt r a n s f o i t s g i g a b i tp e rs e c o n d g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s 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 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 r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e l o g - l i k e l i h o o dr a t i o m a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t m i n i m u mm e a ns q u a r ee 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 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 d r a n td e t e c t q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c tb a s e do nq rd e c o m p o s i t i o n s p h e r ed e c o d i n g s o f t - i n p u ts o r - o u t p u t s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s i g n a l t o - n o i s er a t i o s o r t e dq rd e c o m p o s i t i o n u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m v 一撇l蕃嗽一一凹一肿娜一删研皿双一眦脚池一一洲凹畔一ljj吾|淝暑|哪一 东南大学硕士学位论文 v b l a s t z f z f q r d z f s q r d v e r t i c a lb l a s t z e r of o r c i n g z e r of o r c i n gd e t e c tb a s e do nq rd e c o m p o s i t i o n z e r of o r c i n gd e t e c tb a s e do ns o r t e dq rd e c o m p o s i t i o n v i 插图目录 插图目录 图2 - i 抽头延迟线模型图9 图2 2m i m o 系统模型。9 图2 - 3 多载波系统频谱占用示意图。l l 图2 - 4 多载波系统发送信号框图l l 图2 - 5o f 嘲系统频谱图1 2 图2 6g b p s 系统发射机结构1 3 图2 - 7g b p s 系统符号映射星座图1 3 图2 8g b p s 系统接收机结构1 4 图2 - 9g b p s 系统帧结构1 4 图2 - 1 0g b p s 系统子载波分配图15 图3 - im i m f 咖系统简要框图1 7 图3 _ 2s i c 对检测算法性能的改善2 1 图3 - 3 迫零准则下不同检测算法性能比较2 4 图3 - 44 发4 收下m m s e 与z f 算法性能比较= 2 5 图3 - 54 发6 收下m m s e 与z f 算法性能比较。二= 2 5 图3 - 6k - b e s t - o r - m l d 算法流程。2 7 图3 - 7s d q r - m l d 算法流程j 。2 9 图3 - 8k - b e s t - s d - o r i i l d 算法流程二3 0 图3 _ 9 象限检测原理图3l 图3 - 1 0q d - k - b e s t - - q r 嗡l d 算法的流程图。3 2 图3 - 1 1k - b e s t - o r m l d 检测算法性能曲线3 3 图3 - 1 2s d - q r - m l d 算法性能3 4 图3 - 1 3 象限检测的k - b e s t 算法性能3 4 图4 - 1g b p s 系统浮点仿真框图3 7 图4 - 2g b p s 浮点仿真流程图3 8 图4 - 3 未编码条件下不同检测算法性能3 9 图4 - 4 软量构造1 6 0 a m 星座图。4 2 图4 - 5 不同软量构造方法的比较4 3 图4 咱不同软量构造方法的误码性能比较。“ 图4 - 7 编码条件下检测算法性能4 4 图4 - 8 不同仿真信道下检测算法性能比较。4 5 图4 - 9z f - s o r d 定点仿真性能4 9 图5 - 1 基带硬件平台设计方案5 2 图5 - 2 基本蝶形单元5 4 仪 东南大学硕士学位论文 图5 - 36 4 点f f t 数据流图5 4 图5 4 流水线结构的f f t 总体结构图5 5 图5 - 5r o m 读地址发生器5 6 图5 - 6 蝶形单元结构图5 6 图5 7f f t 单元的延时线5 7 图5 - 8f f t 的m o d e l s i m 仿真结果5 7 图5 - 9q r 分解硬件结构图上半部分5 8 图5 一l oq r 分解硬件结构图下半部分。5 9 图5 - 1 1q r 分解m o d e l s i m 仿真图6 0 图5 - 1 2z f - s o r 算法解上三角阵硬件实现结构。6 0 图5 - 1 3 解上三角阵单元m o d e l s i m 仿真图6 l x 表格目录 表格目录 表2 - 11 6 q a m 调制方式的o f d m 基本参数1 4 表4 - 1 不同检测算法复杂度比较4 8 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：落翕燧 日 期：吐：兰：梦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：琳一喜师签名： 阻墟i 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来。移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信方式得到了长足发展。一方面入网人数逐 年增加，据最新统计，我国手机用户已经超过6 亿。另一方面人们对通信质量和业务要求也越来越 高，特别是随着无线数据业务的发展，给移动通信系统提出了更高的要求。如何在使用有限带宽的 条件下提供无失真的语音业务以及高速的数据业务成为了下一代移动通信研究的重点。 1 1 论文背景 1 1 1 移动通信系统的演进 自移动通信产生以来，其发展大致经历了以下几个阶段： 第一代移动通信系统起始于2 0 世纪8 0 年代主要采用模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术 第一代移动通信系统使人类实现了无线通信的梦想。但随着用户数量的不断增加，模拟系统也暴露 出了频谱利用率低、系统容量小、通话质量差以及移动台造价昂贵等缺陷。这些促使移动通信系统 向数字化演进。 1 9 9 1 年，g s m9 0 0 m h z 数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世。从此，移动通信跨入了第二代。第 二代移动通信系统采用时分多址( t d 氛饮) 和码分多址( c d m a ) 技术。与第一代模拟通信系统相 比，数字系统容量大，频谱利用率高，通信质量好，业务种类多，保密性高，终端小巧轻便，成本 低然而，由于存在不能进行全球漫游以及数据传输速率低的缺点，第二代移动通信系统已经不能 满足人们的通信需求。 随着数据业务的增长，通用分组无线电业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ，g p r s ) 系统和具有 3 8 4 k b p s 传输能力的增强数据速率技术( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ，e d g e ) 开始出现，并 最终完成向第三代移动通信系统的推进与前两代通信系统相比，第三代移动通信系统一个突出特 色就是，实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点，与任何人，用任意方式、高 质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。 近年来，随着全球范围内移动用户数的增长，互联网业务的增加，为高速业务和多媒体业务设 计的第三代移动通信系统在通信的容量和质量等方面远远不能满足日益增长的需求。因此，在各国 加快推动第三代移动通信系统商业化的同时。一些学者又进行了未来移动通信系统的新构想，后三 代移动通信系统( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n 。b 3 g ) 的研究1 1 】b 3 g 系统要求能提供更高的传输速率，更 大的覆盖范围，更稳定的性能，而且还要能够满足各种业务的传输要求对下一代移动通信系统主 要有以下性能要求【2 1 ：在静止或低速移动情况下传输速率达到1 g b p s ，在高速移动情况下达到 1 0 0 m b p s ：系统服务质量要求小区覆盖率达到9 5 9 8 5 ；具有在不同传输速率下切换的能力，并保 l 东南大学硕士学位论文 证通信质量，且成本要低于3 g 因此，b 3 g 系统必须在网络结构、空中接口、传输体制、编码与调制以及天线与射频等各个方 面都有创新的模式。b 3 g 采用许多新的技术和新的方法来支撑，包括自适应调制和编码技术( a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 、自动请求重发( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 技术、多输入多输出 ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，m i m o ) 和正交频分复用( 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 ) 技术等。 1 1 2 低速移动下的4 g 系统研究概况 日本n t t d o c o m o 公司在2 0 0 5 年5 月进行实验，实现了最大速度1 g b p s 的无线通信系统，并 于2 0 0 6 年在原来的系统中采用了多值化技术，将解调方式由1 6 q a m 改为了6 4 q a m ，将多路输入 输出( m 瞰o ) 天线由4 x 4 增加到了6 6 ，从而实现了最大2 5 g b p s 的分组信号传输，所占带宽为 1 0 0 m h z 频率利用效率高达2 5 b p s i - i z ，终端以大约2 0 k m h 的速度移动时也可接收信号2 0 0 6 年 1 2 月，n 2 h d o c o m o 在1 0 千米时速下实现了5 g b p s 的传输速率，m i m o 收发天线数量为1 2 个。 2 0 0 6 年8 月，韩国三星电子利用高传输率的m i m o 技术，通过8 个收发天线同时收发信号，在 静止时实现了3 5 g b p s 、6 0 千米时速下1 0 0 m b p s 传输速率的实验结果。2 0 0 7 年1 0 月韩国电子通信 研究院( e 1 触) 展示了4 g 无线系统，在低速移动状态下实现了3 6 g b p s 的传输速率。e t r i 实现了对 8 0 个高清电视频道同时进行实时传输，还利用f t p 文件传输展示了高速传送移动数据。 国际电信联盟f l t u ) 对于4 g 技术的定义是静止状态下速率1 g b p s ，高速移动状态1 0 0 m b p s 。目 前“4 g 标准”尚未成型，但各国已经在争相研究开发4 g 通信系统。提前抢占4 g 的话语权对国家 民族有着十分重要的意义 东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然科学基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础 上，设计能够在小于1 0 0m h z 的无线传输带宽内，5 0 米的传播距离内，实现的无线传输速率超过 1 g b p s 的通信系统。为我国在下一代无线通信系统的核心技术掌握、标准制定、乃至今后实际系统 的建设等方面提供技术储备，推动我国从无线通信大国到强国的跨越。本文作为8 6 3 项目“g b p s 无 线传输关键技术与试验系统研究开发”的一部分，在前期基础上继续深入研究了接收机关键技术的 理论研究和硬件实现。 1 1 3 多天线检测算法研究概况 自然界和人类社会中信息的传输与交换，都是通过信号这一物理实体来完成的。信号是信息的 载体和传送者。在信号的产生和传输过程中，必然受到各种干扰因素的影响；因而必须加以处理， 才能提供给信息接收者使用由于被传输信号本身和各种干扰往往具有随机性，信号处理设备必须 具有进行统计分析。而这个统计分析的基本任务就是检测信号是否存在和估计携带信息的信号参 量由此可知信号检测与估计理论就是信号处理的统计理论，所要解决的问题是信息传输系统的 2 第1 章绪论 基本问题，因而具有广泛的应用 多天线检测算法有很多分类方法。从检测性能上可分为最优检测算法、次最优检测算法和次优 检测算法。 最优检测算法，即最大似然检测算法。m l 检测是通过搜索星座图中具有与接收信号点最小距 离的点来完成检测的。根据信号检测理论，它拥有比其他算法都优越的性能。然而，由于要搜索星 座图上所有的星座点，随着天线数和调制指数的增加，m l 检测的运算复杂度呈指数倍增长。因此， 在实际应用中，m l 检测算法通常不会作为硬件实现算法而是作为性能比较基准。 次最优检测算法是指性能比最大似然检测有稍微下降，但算法复杂度却有大幅降低的检测算法。 它主要包括q r - m l d ，球形译码( s p h e r ed e c o d i n g ，s d ) 检测算法和k - b e s t 最优路径检测算法。这 些算法对信道矩阵进行了q r 分解，不需进行矩阵求逆运算，所以复杂度较低，而它们又在检测过 程中保留了最佳路径，所以检测性能也较好 次优检测算法包括线性检测和非线性检测。其中线性检测又包括迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 线性检测 和最小均方误差线性检测( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r , m m s e ) 检测。非线性检测也包括迫零和 m m s e 两种。线性检测需要对信道矩阵进行求逆运算，所以运算复杂度很高。非线性检测则用到了 排序、q r 分解以及串行干扰抵消等技术，所以不但是在性能上有很大提高而且还在运算复杂度上也 有很大降低，是一种适用于硬件实现的检测算法。 1 2 主要研究内容和安排 本文是作者在攻读硕士学位期间，参与移动通信国家重点实验室8 6 3 项目“g b p s 无线传输关键 技术与试验系统研究开发”，对多天线信号检测技术和f f t 模块的研究与实现在阅读文献和报告 的基础上使用c 语言仿真平台对最优检测算法、次最优检测算法和次优检测算法进行了性能仿真 并对q r - m l d 算法进行了改进最后对迫零检测算法和低复杂度的k - b e s t 检测算法进行了硬件分 解和f p g a 验证。 本文的主要内容安排如下： 第一章介绍了无线通信系统和检测算法的研究概况以及论文的工作安排。 第二章介绍了无线信道模型和特性及g b p s 系统的模型和关键技术，为后续章节打下基础。 第三章详细介绍各种不同的检测算法，并给出了理论推导。算法流程和性能分析。并简要介绍 了l d p c 编解码原理和g b p s 项目的软量构造方法。 第四章介绍了g b p s 系统链路仿真平台，给出了不同检测算法的仿真曲线图并进行性能分析 第五章在定点仿真的基础上。设计检测算法以及f f r 模块的f p g a 的实现 第六章对论文的工作做出总结。并提出了改进的建议和下一步的研究方向。 3 第2 章g b p s 系统结构及信道模型 2 1 引言 第2 章g b p s 系统结构及信道模型 g b p s 试验系统基于多输入多输出正交频分复用( m i m o - o f d m ) 技术，实现无线传输速率超过 i g b p s ：系统采用时分双工( t d d ) 模式，工作在3 5 g i - i z 频段，占用带宽不大于1 0 0 m h z 。本章首 先介绍无线信道特性，给出g b p s 系统的信道模型。然后在着重介绍g b p s 系统的两种关键技术，最 后给出g b p s 系统发射机和接收机的结构以及系统参数。 2 2 无线信道特性 2 2 1 衰落效应 无线电波通过移动信道时会遇到各种各样的障碍物，引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、 散射和绕射等这些电波遭受来自不同途径的衰减损害，这些损害可以归纳为三类 4 1 ： 1 ) 路径传播损耗( 自由空间的路径损耗) ：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 2 ) 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，一般遵从对数 正态分布，其变化较慢。 3 ) 快衰落损耗( 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。 无线信道的传播模型可分为大尺度衰落模型和小尺度衰落模型两种。大尺度路径损耗。主要指 平均路径损耗和信道长期衰落( 因阴影效应而产生的损耗) ，它们主要影响无线小区的覆盖。小尺度 衰落通常也认为是短期衰落是指由多径衰落引起的信号损耗，它严重影响信号传输的质量，必须 采用抗衰落技术来抑制它的影响。 2 2 2 多径效应 在无线通信中，由于地面和周围建筑物的反射，来自发射机的射频信号通常会受到各种障碍物 和其他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和 5 东南大学硕士学位论文 无线系统通常工作在载频尼周围带宽眈一w 1 2 ，c + w 2 范围内，然而系统的主要处理，包括调制 解调，信道编解码等都在基带上完成，无论从系统的设计角度看还是从仿真角度看，用等效基带表 示通信系统都比较合理和方便。多径信道冲激响应的等效基带形式为1 5 i ： c ( f ；f ) = e a n ( t ) e x p ( - j 2 x f c r n ( t ) ) e 罗( r - r n ( t ) )( 2 1 ) 矗 其中，为虚数单位，c ( 硝) 表示信道在t f 时刻加入的冲激在t 时刻的响应r n ( t ) 为第n 径在t 时刻的时延，a n ( t ) 为第n 径在t 时刻的衰落因子。 1 ) 时延扩展 发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这使 得接收信号的能量在时间上被扩展。设发送端发送信号为j ( f ) ，则通过多径后接收信号可以表示为f 6 1 ： 工 ，( f ) = a , s ( t - r )( 2 2 ) i = i 其中嘶为第，径的衰落因子，f f 为第z 径的传播时延。定义接收端接收到的第一个信号分量的 时延到最后一个可辨径上信号的时延间隔长度为多径信道的时延扩展。 2 ) 瑞利莱斯衰落 如果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号的包 络，服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布，而相位在( 0 ，2 万) 区间内均匀分布： p ( ，) = ，2 每2 0 r 2 ( 曲 佃) ( 2 3 ) 盯。 0 ( ， o ) 其中盯是包络检波之前所收到的接收信号的均方根值。 另一种常见的模型是，信道中存在能量较大幅度已知的直射路径，同时信道中还存在大量的独 立路径。如果发射机和接收机之间的多径传播中存在一个主要的静态信号( 非衰落) 分量，即存在 视距传播路径( l o s ，l i n eo fs i g h t ) ，则接收信号的包络符合莱斯( r i c i a n ) 分布。这种情况下，从 不同角度随机到达的多径分量叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随机多径 分量上叠加一个直流分量。则接收信号包络的概率密度函数为： p ( ，) = ，2 每2 盯2 如( 冬) ( r 她彳卸) ( 2 4 ) 仃盯二 。 0 ( r b c 时。 信道被称为频率选择性信道，信道由多个抽头表示。此时会产生码间干扰( i s i i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。 2 2 3 时交效应 无线信道的时变性是由发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物理的运动引起的。描述无 线信道时交性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时问 1 ) 多普勒频移 无线信号在传输过程中，由于移动台或者路径上反射物的快速移动，会导致接收信号的频率发 生一定程度的偏移当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率，当两者作相反运动时， 接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。由多普勒效应造成的频率偏移取决于 两者相对运动的速度，可以表示为： 力专s 0 ( 2 7 ) 其中，是移动台的速率，五是发射波的波长0 为入射波与移动台的夹角当0 - - 0 时，多普勒频 移有最大值为f d - - v a ，称为最大多普勒频移。 2 ) 多普勒扩展 在接收端获得的信号通常是来自多个不同反射径上的信号，这些信号从不同的入射角被天线接 收。当移动台之问不存在直达径，且入射径数足够多时，可以假设入射角服从( - s ，万】的均匀分布， 由此可以得到接收信号功率谱为： l 鼢甜一c 訾，r 亿8 ， 上式中，屹，是各向同性天线接收到的平均功率f c 为发射信号的频率。此式即表示c l a s s i c 谱， 由此可以看出虽然发射频率为单一频率先的信号。接收信号的功率谱却扩展n t 从f c - f d 到f c + f d 的范围，这个过程就是多普勒扩展 3 ) 相干时间 相干时间在时域上描述信道的频率色散的时交特性它与多普勒扩展成反比，是信道冲激响应 东南大学硕士学位论文 维持不变的时间间隔的统计平均值。用式( 2 9 ) 来定义信道的相干时间： 2 3g b p s 系统信道仿真模型 砭百i ( 2 9 ) g b p s 系统的信道仿真模型首先采用改进的j a k e s 模型方法产生包络满足瑞利分布、相位满足【0 ，2 n ) 的均匀分布的瑞利衰落径。然后有天线相关矩阵和不相关的瑞利衰落径合成空间相关的信道径， 1 ) 、改进的j a k e s 模型0 7 1 嗍嗍 我们知道，经典的j a k e s 产生的时变衰落信道的多普勒频移谱为经典多普勒频移谱。但并不能产 生多个独立的衰落信道。而改进的j a k e s 模型则能生成任意多个相互独立的瑞利衰落径。若我们要产 珊) = 焉警【伽( 2 哟s 眦针而卜肺( 2 石允如锨仆硝) 】 ( 2 1 。) 锄七2 可气而 ( 2 1 1 ) 而n 为j a k e s 模型每抽头使用径数，如和如为初始相位。 其中l 是每信道径数，r 是第1 径延迟( 相对采样率归一化) ，x ( 七) = q ( 七) 。x 2 ( k ) ，帅( 七) ， n ( 七) 气j i l ( 七) ，砣( 七k ，曩 ，矗( 足) 】r ，y ( 七) = 叻 ) 沈( | | i ) ，棚( 七炉分别是七时刻的输入信号矢量。噪声矢量， 输出信号矢量。h ，( 七) 是在k 时刻第z 径的信道矩阵， i l ，l ( 七，f ) l ，n t ( 七) l h f ( 七列 i。 ； f ( 2 1 3 ) 【 帐，l ( 七，) ，竹( 七，) j 8 第2 章g b p s 系统结构及信道模型 抽头延迟线模型图如下。 图2 - i 抽头延迟线模型图 2 4g b p s 系统中使用的关键技术 g b p s 系统要求在占用带宽不超过1 0 0 m 的情况下，传输速度要达到1 g b p s 而根据香农公式： c = b l o g ( 1 + s n ) ( 2 1 4 ) 我们知道，对于单天线系统，在l o o m 带宽下，信噪比在3 0 d b 时，传输速度也最多只能达到3 0 0 m b p s 。 因此我们需要使用新的技术来提高系统容量，贝尔实验室的t e l a t a r 和f o s c h i n i 等人的研究成果【1 0 l 【l l 】 显示：在无线富反射衰落环境下采用多个发射天线和接收天线可以成倍地提高