（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中基于schur算法的信道估计方法研究.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时 分同步码分多址) 技术是我国自主提出的第三代移动通信系统标准，并已得到国 际电信联盟( i t u ) 批准的主流标准。由于t d s c d m a 系统中许多关键技术，如 智能天线、联合检测等技术都是建立在准确、实时的信道估计基础之上。如果能 够快速的对信道做出估计，那么系统的实时性将会提高。因此在对t d s c d m a 系统研究中，系统对信道冲激响应的快速估计是研究的重点之一。本文对 t d s c d m a 系统中基于s c h u r 算法的信道估计技术进行研究。该算法通过引入 s c h u r b 的位移矩阵，降低了信道估计过程中的计算复杂度，从而实现快速的信 道估计。 首先，本文阐述了t d s c d m a 技术的发展和第三代移动通信的三大主流技 术标准，以及目前信道估计研究的现状和意义。其次，对无线电波传播特性和无 线信道的传输特性进行分析，并给出了无线信道模型及t d s c d m a 系统物理层 结构。f 叫时对训练序列用于信道估计的可行性以及训练序列的相关性进行了分 析，岁f ：对t d s c d m a 系统基于训练序列的信道估计过程进行了阐述，将现有的 儿种皋于训练序列的信道估计算法进行分析比较。针对训练序列码组成的循坏 t o e p l i t z 封i 阵的特点，利片j s c h u r 算法实现低复杂度的信道估计。最后，本文给出 了基于s c h u r 算法的信道i d i o t 过程，分析说明s c h u r 算法用于信道估计可以降低计 算复杂度，并对各种算法的性能进行了仿真比较。仿真结果表明，基于s c h u r 算 法的信道估计与现有的算法相比，系统性能相近，但其计算复杂度较低。 关键词：t d s c d m a ；信道估计；训练序列；s c h u r 算法 a b s t r a c t t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t e c h n o l o g yi st h et h i 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 ms t a n d a r dw h i c hi s p r o p o s e db yc h i n a , a n di th a sb e e na p p r o v e db yt h e 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 n u n i o n ( i t u ) a st h em a i n s t r e a ms t a n d a r d s i n c es o m ek e yt e c h n o l o g i e so f t d s c d m a s y s t e ma r eb a s e do na c c u r a t ea n dr e a l t i m ec h a n n e le s t i m a t i o n ，s u c ha ss m a r ta n t e n n a a n dj o i n td e t e c t i o nt e c h n i q u e s i fw ec a nm a k ec h a n n e le s t i m a t i o nq u i c k l y , t h e n r e a l t i m eo ft h es y s t e mw i l lb ei m p r o v e d s or e s e a r c ho nt d - s c d m as y s t e m ，o n eo f t h ek e yr e s e a r c hp o i n ti st om a k eaf a s tc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h i st h e s i sw ec a r r yo u t as t u d yo nc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do ns c h u ra l g o r i t h mi nt d s c d m as y s t e m t h e a l g o r i t h mc a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o nb y p r o d u c i n gt h ed i s p l a c e m e n ts t r u c t u r e o fs c h u rc o m p l e m e n ta n dt r a n s f o r m i n gt h e g e n e r a t o ro ft h ed i s p l a c e m e n ts t r u c t u r e ，a n dt h e nm a k e f a s tc h a n n e le s t i m a t i o n f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f t d s c d m as y s t e ma n dt h e t h r e em a j o rt e c h n i c a ls t a n d a r d so ft h et h i 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 n s ，a n d t h e nd e s c r i b e st h es t a t u sa n ds i g n i f i c a n c eo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o nr e s e a r c h s e c o n d l y , w ea n a l v z et h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ow a v ea n dw i r e l e s sc h a n n e l ，a n d g i v e sw i r e l e s sc h a n n e lm o d e la n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h ep h y s i c a ll a y e rs t r u c t u r e o ft d s c d m as y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sa n a l y z et h ef e a s i b i l i t y a n d r e l e v a n c eo ft h et r a i n i n gs e q u e n c ef o rc h a n n e le s t i m a t i o n ，a n dm a k ead e t a i l e d a n a l y s i sb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o np r o c e s si nt d s c d m a s y s t e m ，t h e na n a l y z ea n dc o m p a r es e v e r a l t r a i n i n gs e q u e n c eb a s e d o nc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc y c l i ct o e p l i t zm a t r i xf o rt h et r a i n i n g s e q u e n c ec o d e ，w eu s i n gl o wc o m p l e x i t yo ft h e s c h u ra l g o r i t h me s t i m a t ec h a n n e l ， m e a n w h i l e ，g i v e nt h ec l a s s i cs c h u ra l g o r i t h mo fd e t a i l e dd e c o m p o s i n gp r o c e s s t h e a n a l y s i ss h o w st h a tc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do ns c h u ra l g o r i t h m c a nr e d u c et h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y o nt h i sb a s i s ，t h ep e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yo f t h e v a r o u sa l g o r i t h m sw e r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t a b s t r a c t c o m p a r e sw i t he x i s t i n ga l g o r i t h m sw ef i n dt h a tt h e i rs y s t e mp e r f o r m a n c e i ss i m i l a r , b u td l a i u l e le s t i m a t i o nb a s e do ns c h u ra l g o r i t h mi sl o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y k e y w o r d s ：t d s c d m a ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；t r a i n i n gs e q u e n c e ；s c h u r a l g o r i t h m 安徽大学硕+ 论文 第牵引言 1 1 论文研究背景 第一章引言 1 1 1 第三代移动通信的发展现状 随着科学技术的发展，移动通信系统也随之呈跨越式的发展。在1 9 8 5 年i t u ( 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 n su n i o n ，国际电信联盟) 就提出第三代移动通 信( 3 g ) 概念，紧接着便成立了专门的机构t g 8 1 进行研究，称之为未来陆地移 动通信系统( f p l m t s ) 。第三代移动通信系统建立的目的，是希望实现和固网 一样，能够将话音、宽带数据、压缩视频、图像等等业务综合起来，实现交互式 宽带多媒体业务，使之具有更好的传输质量和高频谱效率，支持非对称传输模式 和分组交换业务，实现全球高速无缝漫游和全球普及【i 】。 1 9 9 9 年3 月的巴西会议，i t u rt g 8 1 确定了3 g 无线接口标准的大格局，其 中明确了将有多种技术构成第三代移动通信标准。已确定的几大技术板块，这次 会议为中国的t d s c d m a 技术和其他t d d 技术的融合，还有为w c d m a 技术和 c d m a 2 0 0 0 技术的融合等提供了很好的发展舞台。 2 0 0 0 年5 月举行的i t u r 2 0 0 0 年会( r a 2 0 0 0 ) 上使i m t - 2 0 0 0 系统的无线接口 标准通过批准，它被正式更名i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) 无线接口技术规范( m 1 4 5 7 ) 。此规范包括时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 两个大类共5 种无线技术。这其中的，c d m a 多址技术为目前公认的主流技术，它包括两种频分双工( f d d ) 技术和一种时分 双工( t d d ) 技术，分别为i m t - 2 0 0 0c d m a d s 、i m t - 2 0 0 0 c d m at d 、i m t - 2 0 0 0 c d m am c l 2 1 。 表1 1 第三代移动通信系统的发展情况 时间进展情况 1 9 8 5 笠f p l m t s 这一概念被提出 1 9 9 1 年i t u 中的t g 8 1 任务组正是成立 i t u 在这一年召开了世界无线通信系统会议( w a r c ) ，这次会议 1 9 9 2 年 划分f p l m t s 频率 安徽人学硕士论文t d s c d m a 系统中綦于s c h 0 算法的信道估计方法研究 1 9 9 4 年i t u r 和i t u 。t 正式研究f p l m t s 1 9 9 7 年i t u 要求各国提交候选的i m t - 2 0 0 0 无线接口技术方案 1 9 9 8 年i t u 在这一年收到1 5 个候选第三代移动通信无线接口的技术方案 1 9 9 9 年3 月 i t u rt g 8 1 ，在巴西召开，第三代移动通信技术的大格局被确定 1 9 9 9 年5 月c d m a f d d 技术达成融合协议，这是多个国际运营商和设备厂家 商定完成 1 9 9 9 年6 月 i t u rt g 8 1 ，在我国首都召开，此次会议明确了第三代移动通信 无线接口最终规范的详细框架，从而推动力c d m a 技术的融合。 1 9 9 9 年1 0 月 i t u rt g 8 1 最后的会议，最终完成制订了第三代移动通信无线 接口标准的相关工作 2 0 0 0 年i t u 带i 定完成了第三代移动通信的部分标准 2 0 0 1 年各个制式的协议相继完成样机设计 2 0 0 2 年进行现场实验 2 0 0 3 年2 0 0 73 g 逐步在世界上多个国家进入商用阶段，我围早在2 0 0 7 年中国联 年通使用w c d m a 并投入民用。 2 0 0 7 至今世界全面进入3 g 时代，我国三人运营商都提供3 g 服务，3 g 进入 人们的r 常生活。 多年的发展，i m t - 2 0 0 0 已经逐渐的进入商h j 阶段，它的特征一i i 要有：质：鞋较 高；全球范围设计高度：具有袖珍终端能实现全球漫游功能的；扛d 吲定网络业务 在业务上它们具有兼容性；无线接口种类少，并月通信系统的无线接r ：1 要具有高 度共同性；移动终端可接入固定或卫星网络等【3 1 。 1 1 2 三大主流标准的技术比较 目前三大主流标准主要有w c d m a - - d o c o m o 公司( h 本提出) 、c d m a 2 0 0 0 一朗讯和摩托罗拉等公司( 美国提出) 、t d s c d m a - - 我提出的j j 有自主知识 产权。大体上，尽管以上的方案个不甚相同，然而在3 g 系统 l 采j j 宽j 箝码分多 址技术方面，全球上都已经达成广泛的共识。下面对这三大主流标准的技术进行 比较见表1 2 。 安徽人学硕l ：论文 第一章引言 表1 2 三种主流标准的主要技术性能比较裂2 】 参数w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 码片速率 3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m c s 1 2 8 m c s 帧长 1 0 m s2 0 m s10 m s ( 分两个子帧) 载频问隔 5 m h z1 2 5 m h z1 6 m h z 快速功控：上、下反向：8 0 0 m h z 功率控制 0 2 0 0 m h z 行1 5 0 0 m h z前向：慢、快功控 基站同步 不需要需要 需要 频率间切换支持支持支持 下行发射分类支持支持支持 d w p c h 、u p p c h 、 信道估计公共导频前向、反向导频 中缀码 检测方式相干解调相干解调联合检测 编码方式卷移 码t u r b o 码卷积码t u r b o 码卷积码t u r b o 码 1 1 3t d 。s c d m a 系统的关键技术 在t d s c d m a 无线通信系统中，该系统采用了很多的当前较为先进的关键 技术，如智能天线技术、联合枪测( j u d ) 技术、软件无线电技术、同步c d m a 技术等等，用这些技术来提高无线通信系统的性能，显示其系统优越的性能，下 面简单的介绍这些关键技术2 1 。 1 智能天线技术【4 】 智能天线原名为自适应天线陋；列，军事方面原米用的比较常见，它可以被用 来完成空问滤波和定位。山于无线通信环境较为恶劣，智能天线技术可以利用空 域资源，对抗或减小干扰。智能天线是一种较好的收缩性技术，采用智能天线可 以实现较大的增益要比采用单天线来的容易。另外智能天线技术可以减弱多径效 应引起的衰落。在上行接收机端，智能天线技术也可以与联合检测、矢量信道估 计以及d o a 的估计等技术结合，从而可以使系统的性能获得较大的提高。鉴于 智能天线技术的这些优点，智能天线技术在3 g 标准中的地位显得尤为重要。 2 联合检测技术【5 】 安徽大学硕l 论文 t d - s c d m a 系统中基于s c h u r 算法的信道估汁方法研究 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 技术是在多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 技术基础上提出来的。该技术能够降低系统对功率控制精度的要求，能够 简化功率控制技术，是减弱或消除多址干扰、远近效应和多径干扰等干扰的有效 方法。由于正交扩频码的互相性不好会对系统产生影响，而联合检测会对这种影 响进行改善，从而联合检测就可以提高系统的容量，扩展小区的覆盖范围，提高 了系统的性能等。 所谓的联合检测技术就是利用多址干扰的信息，将所用的用户的信号都从接 收信号中，一步就分离出来。在传统的检测技术中是采用直接序列扩频理论的， 它对每个用户的信号都进行扩频码匹配的处理，其在接收端用一个和发送端相匹 配的发送地址码或者匹配滤波器即相关器，这样就可以实现信号的分离操作，然 后再对匹配滤波器的后面进行一个解调判决。这里的匹配滤波器是结合信道响应 的，相当于r a k e 接收机，从而实现多径响应的作用。然而这种方法只能在理想 的情况下，才能有效的消除多址干扰对系统的影响。如果在正交不是很理想的时 候，这样的方法反而会对系统产生很大的影响，会提高系统的误码率。而联合检 测技术就是建立在这样的多用户检测技术上的，它可以充分利用所有的用户的信 号和多径信号的先验信息，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合 检测过程米实现，使系统具有非常好的抗多径等干扰性能，从而就降低了 t d s c d m a 系统对功率控制精度的要求，因此这样系统就可以更加有效地利 用- e 行链路频谱资源，从而提高系统容量。 3 同步c d m a 技术 司步c d m a ( s c d m a ) 是指基站解调器完全与上行链路中的各个终端信号 互梢同步，同步c d m a 可以通过物理层设计及软件来实现，要使正交扩频码的各 个码道之问接收到的信号在解扩时候达到完全的f 交，这样就可以使码道之问相 互不会产生类似多址干扰等，克服异步由于时问不统一造成的码道不是正交而造 成的影响。这样同步c d m a 技术就可以提高通信系统容量、降低成本、简化硬件。 系统巾上行同步通常是利用一定的算法由基站向终端发送s s ( s y n c h r o n i z a t i o n s h i f t ) 命令达到同步的效果。上行同步显示了多种优点：如每个数据到达基站时 都要保持同步，而这个是联合信道冲击响应的基本条件；上下行链路采用j 下交扩 频码保持f 交可以较少干扰，提高系统容量等等。缺点也有，主要是保持同步技 4 安徽人学硕上论文 第一章引言 术要采用g p s 技术，这就增加系统的开销。 4 软件无线电技术 通信中的软件无线电是指在一个硬件平台上我们利用不用的软件可以实现 不用的业务功能，如利用软件可以来处理基带信号。目前利用软件无线电来实现 无线通信功能是相当热门的技术之一。该技术有很多优点：良好的可编程性及灵 活性；通过软件方式完成硬件功能；可实现较为复杂的功能，替代昂贵的硬件电 路；便于系统升级，降低用户设备费用；对环境的适应性也好，从而不会老化。 在t d s c d m a 系统中，同步检测、载波恢复和智能天线技术都可以用软件无线 电技术来实现。该技术可通过制定不同软件来从而实现不同无线电设备的一些业 务功能，它也可任意的改变调制方式或多址方式，不同标准可利用不同软件实现， 构成具有高度灵活性的多功能基站和多模手机【6 】。 1 2 信道估计研究现状和意义 1 2 1 信道估计的研究现状 所谓的信道估计是指从接收端接收到得数据中将数据通过这个信道模型的 信道参数估计出来的过程。当信道模型的信道是线性的时候，则信道估计就是对 通信系统的信道冲激响应进行估计。我们可以把信道估计看做是对信道输入信号 影响的一种数学表示。目前信道估计按接收信息中是否有先验信息的角度分为二 类：盲信道估计和非盲信道估计。 盲信道估计就是指在承载信息中没有任何的先验信息，采用判决反馈的方 法，或足利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征来进行 信道估计。由于没有将承载信息中加入先验的一些信息，这样在信道估计的整个 过程中系统的丌销是较小的，然而采用这样的信道估计方法，其估计的信道参数 的准确性较低。 非盲信道估计是根据特定的标准确定要估计的信道参数，或是根据一些要求 进行逐步跟踪和调整要估计的参数的估计值。它的特点是必须借助特定的信号作 为信道估计的参考信号，即导频信号或训练序列。对于突发方式传输的系统来说， 我们可以采用基于训练序列的信道估计算法。通信系统发送参考训练序列，将其 作为参考信号，在接收端利用其进行信道估计，当系统发送有用的信息数据时， 可以利用开始的信道估计信道参数值对接收数据进行一个判决更新，这样就系统 5 安徽大学颀十论文t d s c d m a 系统中皋于s c h u r 算法的信道估计方法研究 就完成了信道的估计。对于连续传输的系统，可以再发送信息数据的时候数据中 插入可作为参考的导频符号，这样就可以得出导频位置的信道估计值，接着利用 导频位置估计出的信道结果，通过内插得到数据位置的信道估计值，这样就实现 了系统的信道估计。由于实时性的要求，在t d s c d m a 系统中，系统通常采用 基于参考信号的信道估计。本文针对基于时域参考信道的信道估计的研究，主要 是对现有基于参考信号的信道估计算法的复杂度较高的现象，我们利用s c h u r 算 法对信道估计进行快速实现，该算法可以降低信道估计中算法的计算复杂度。 1 2 2 信道估计的研究意义 实际的移动信道传输环境比较复杂，信号在传输时经常会发生幅度衰落、相 位畸变，这样对于想在接收时能解调出用户的准确信息，就必须要在接收端通过 某种算法来估计出信道的变化，这就是信道估计技术。其实质就是在最小代价的 情况下准确估计出无线移动信道的时变参数。信道估计对移动通信系统来说起的 作用是至关重要的。如果信道估计不能准确、高效地估计出信道的时变参数，那 将直接影响无线通信系统中很多关键技术，如r a k e 接技术、均衡技术、收码匹 配滤波技术、信道编译码技术、功率控制技术、智能天线技术、多j f j ，、检测技术 等。这些技术都是用来克服共信道干扰、码间干扰、多址干扰、邻区二f i 扰及一噪 声等于扰。所以一旦信道估计结果受到影响，那么整个通信系统的。t _ l - 能将人人的 降低。 有关资料【7 】表明，在信噪比为2 0 d b 的情况下，信道估计误差为1 就叮以下 降大约l 3 信道容量，而信道估计误差为1 0 就可以使通信系统的信道容量f 降 7 5 。由此我们可以看出在移动通信系统的各项技术中，信道估计是否准确直接 关系到系统性能的高低。因此我们可以说信道估计的高效是移动通信系统的有力 保障。 1 3 论文主要内容及章节安排 本文主要研究t d s c d m a 系统中基于s c h u r 算法的信道估计方法。首先， 简单介绍了t d s c d m a 的系统结构，对训练序列的相关性进行了分析，而且 对训练序列作用于信道估计的可行性进行了研究。然后，对信道估计的过程进 行了分析，重点对信道估计中常用的算法进行了分析比较。最后，针对现有算 法复杂度较高的问题，研究了基于s c h u r 算法的信道f f i 计方法，s c h u r 算法可以 6 安徽人学硕士论文 第一章引言 快速求解信道估计中线性方程组求解的过程，从而降低信道估计的复杂度。 本文主要结构如下： 第一章引言部分，主要介绍论文的研究背景、研究现状和目的意义、以及 出现的问题进行了分析。 第二章分析移动信道的特性、信道传输特性和信道模型，详细阐述目前 t d s c d m a 系统的一些和信道估计相关的基本原理。 第三章分析了训练序列用于信道估计的可行性，并对训练序列的相关性进 行了分析，详细阐述了基于训练序列的信道估计系统的模型，并对现有的一些 信道估计算法进行了分析，发现现有算法的计算复杂度普遍较高。 第四章针对现有算法计算复杂度较高的问题，研究了一种基于s c h u r 算法 的信道估计方法；该算法通过引入位移矩阵，可以有效的降低计算信道估计中 线性方程组的求解过程的复杂度。并对现有算法的复杂度进行分析比较。 第五章搭建仿真平台，首先通过两个仿真方案分别对算法估计的准确性和 算法应用于t d s c d m a 系统中的误码率进行仿真，其次就各算法的复杂度进 行了比较。最后从仿真结果看，在没有系统误码率的情况下，系统信道估计的 计算复杂度得到了降低。 安徽人学颂j ：论文t d s c d m a 系统中基于s c h u r 算法的信道估计方法研究 第二章无线信道模型及t d s c d m a 系统 2 1 移动无线信道的概述 在移动无线信道中，我们可以将信道看成是传输信息的通道，抽象的看将信 道看成是一段频带。无线信道可以让一些特定频率的信号顺利实现传输，同时也 可以阻挡或限制一些信号的传输。具体来讲，信道是信号传输的介质，是一个载 体。无论如何它都是移动通信系统不可或缺的组成部分嘲。 通常的移动通信信道都是比较复杂的动态信道。移动台常处于地形复杂的区 域中，其接收天线将接收从多条路径传来的发送信号，如果再加上移动台本身的 运动，这就使得移动台和基站之间的无线信道变的更加复杂而且是无法控制的。 因此对无线信道特点的研究是解决移动通信关键技术问题的重点之一，是产生移 动通信中各类新技术根本点。 2 2 无线电波传播特性 现代移动通信已广泛使用15 0 m h z ( v h f ) 、4 5 0 m h z 、9 0 0 m h z 、 1 8 0 0 m h z ( u h f ) 频段，因此，必须熟悉他们的传播方式和特点【剐。 发射机天线发送的无线电波，可依各不相同的路径到达接收机，当频率 厂 3 0m h z 时，尢线电波在窄f i j 中町分为四利，情况传播： + ( 1 ) 直射波 直射波是指无线电波在视距内无遮挡的传播或在自由空间的传播。接收机 接收剑的山直射波传播的信弓的能景是最强的。 在自 空问中，无线电波到达距离发送端为d 处，它此时的辐射功率密度 为： p = 器( 2 - 1 ) 4 丌，了 其中， 为f 乜波的发射功率，g ，为发送天线的增益。 在移动通信电路设计中，通常用传输损耗来表示通过传输介质时的功率损 耗。定义发送功率# 与接收功率e 之比为传输损耗k 。其表达式为 安徽大学硕士论文第二章无线信道模型及t d s c d m a 系统 k = 每= ( 等) 2 ( 2 - 2 ) 损耗常用分贝表示，则有 厶= 3 2 4 5 + 2 0 1 9 f + 2 0 1 9 d ( d b )( 2 - 3 ) 其中，距离d 以k m 为单位，频率以m h z 为单位 ( 2 ) 反射波 由于电磁波的发射特性，当两个不同介质形成一种界面，电磁波射到这样 的界面上时，就会产生反射。当然界面面积要比电磁波波长大的多。因此，大 地和大气也可以形成这样的界面，这样当电磁波在传播时就会产生反射。 这里入射波和反射波会形成一个比值，我们称之为反射系数，用符号f 表 示，因此，我们从物理知识中可知反射系数f 与入射角0 、反射介质的特性和 电磁波的极化方式相关，因此f 为 善= 蓑( 2 - s 1 n - i - z 4 ) 这罩，当表示垂直极化分量是，z = 岛- c o s 20 氏；当表示水平极化分量时， z = s o - - c o s 2 矽而= g j 6 0 r 2 ，s 为介电常数，r 为电导率，五为波长。 当多径为条路径时，在距离发送天线d 处的接收功率尸为 e 卅刍) 2 g ，ql + 善n - 1 和吣鸲，1 2 亿5 ， 其中，只为无线电波发射功率，g f 为发送天线的增益，g ，为接收天线的增 益，专为第i 个路径电磁波的地面反射系数，为第i 个路径电磁波的与直射 波的相位差。 ( 3 ) 绕射波 当电波绕过阻碍物，在物体的后面形成场强，这样的电波就是绕射波。在 通常的条件下，我们在考虑传输损耗的时候，应该还有将各种阻碍物对无线电 波形成的损耗，我们称之为绕射损耗，当然还要考虑在自由空间中的视距传输 损耗。接收端接收到的绕射波的电波能量与接收到的发射波的电波能量基本相 9 安徽大学硕上论文t d s c d m a 系统中基于s c h u r 算法的信道估计方法研究 , , x t r 寸o ( 4 ) 散射波 由于物体表面可能是粗糙的，当电波射到这样的表面时，电波就会散射向 四周所有的方向，能量就被散射。这样的情况，我们称之为散射波。散射将会 给接收端接收到更多的能量。 以前讲到的反射都是发生在平滑的介质表面，这里的散射波一般都是发生 在粗糙的表面。这里我们规定入射角为口，则我们可以得到介质表面平整度的 参数高度 吃= 志( 2 - 6 ) 这里，a 为入射波的波长。 我们可以用介质表面的平整度的参数，介质表面最大突起高度h 小于平整 度参数允，我们就可以认为介质表面是光滑的，否则可以认为该介质表面是粗 糙的。当计算粗糙表面的反射时，就要乘以一个系数，这个就是散射损耗系数p ， 用来表示减弱的反射场。当h 时，反射场强可以用粗糙表面的修正反射系数 来表示，即 i - r o u g h2 p i - ( 2 - 7 ) 一般情况下，散射波传输的信号是到达接收机端所有信号中最弱的信号。 2 3 移动无线信道的传输特性 在移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群和其他地形地物比较复 杂的环境中，其传输信道的特性是随时随地变化的，因此移动信道是典型的随 参信道。下面我们就移动通信中和本文相关的几个比较突出的问题进行讨沦， 如加性高斯白噪声、大尺度的传播效应、小尺度的传播效应等吲。 ( 1 ) 加性高斯白噪声 a w g n ( 加性高斯白噪声，a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 足从概率统计角 度来看的一种噪声，该噪声是随机，它的特点是在通信信道上的信号分布在很 宽的频带上进行通信。这罩的“加性噪声”指的是随机的无线噪声，我们通常 将其作为信道模型的本底噪声。“高斯”是指幅度取值时服从概率为q ( x ) 的商斯 l o 安徽大学硕士论文第二章无线信道模型及t d s c d m a 系统 函数；“白”是指恒定的功率谱。如果采用简单的信道模型，我们就可以使用 a w g n 信道 y = 等删 ( 2 8 ) 、l 公式中，y ( f ) 为输出信号；x c t ) 为输入信号；疗( f ) 为噪声；f 为信号功率损耗。 ( 2 ) 大尺度传播效应 一般电波在传播环境中都会产生损耗，这样的在接收端和发送端之间的能 量损耗，就是路径损耗，这样的损耗可以造成信号的很大的衰弱。我们可以在 一般的情况下，建立路径损耗的模型，表示为如下 f 扭= 1 0 v l o g ( d 九) + c ( 2 9 ) 上式中的参数d 是指发射机和接收机之间的距离，v 表示的是路径的指数，以表 示的是功率度量参考点之间的距离，c 是常数。 由公式( 2 9 ) 我们可以知道路径损耗i 拈与发射天线、接收天线之问距离d 的 相互关系。但在实际情况中，当发射天线与接收大线之i n j 的距离d 一定时，路 径损耗不一定是相同的，这是因为信号在传播过程中受到了不同情况的干扰。 因此，在实际的环境中，我们在计算实际的信号路径损耗时，加入这样的彳i 可 预测的情况称之为遮蔽衰落。以此其路径损耗的表达式可表示为如下公： f 拈= 1 0 v l o g ( d d c ) ) + c + 5 ( 2 一1 0 ) 其中，s 表示的是遮蔽衰落的值。通过实验的测吊，随机变量s 符合均值为0 ， 标准方程为0 的高斯分布。因此遮蔽衰落是高斯变量，且符合正态分布。 ( 3 ) 小尺度传播效应 由前面的介绍，我们可以知道，人尺度衰落的原凶主要是受到距离凶素等 的影响。而在实际的环境中，我们还要考虑多径的影响。通常情况下，信号在 经过无线信道的时候，都会通过信号的反射，散射，绕射等，这样发送端的信 号在经过信道环境后，可以通过多种路径到达接收端，而且接收到的每个路径 信道的时延不同，并且每个信号的十h 位差也不同，这样就使的不i 司相位的信号 可以在接收端合成。若信号的方向相同这样信号就会加强，若方向相反这样就 会使信号消弱。最终在接收端接收到的信号的幅度t j 发生信号州比会产生很大 安徽大学硕j ：论文 t d s c d m a 系统中基于s c h u r 算法的信道估计方法研究 的误差，这样由多径引起的衰落，我们称之为多径衰落。从以上分析，在通信 技术中，一般把由于发射信号的多个副本通过不同的路径，不同时间达到接收 端引起的，接收到的信号的在相位和幅度上都产生了变化，我们将其定义为小 尺度衰落。这样的衰落引起的信号变化程度，可以忽略距离产生的信号变化。 我们这罩用x ( f ) ，y ( f ) 分别表示发送端信号和接收端信号。则在信号的带 宽大于信道的相干带宽的情况下，这样发送的信号与接收端接收信号之间的关 系如下： y ( f ) = h i ( t ) x ( t - r i ( t ) ) ( 2 - 1 1 ) j = i 上式中，囊( ，) 表示的是在t 时刻第，条路径的衰落因子，( f ) 表示的是在f 时刻 第i 条路径的时延，为接收端接收到的实际情况下信道冲激响应的数目。这个 模型的前提是模型信道是线性的，即y ( t ) 是x ( f ) 冲激响应j l l ( f ，r ) 在时延f 处的卷 积。从式( 2 1 1 ) 0 7 ，我们可以求得信道冲激响应为： h ( t ，z - ) = 吩( f ) 万( f l ( f ) ) ( 2 - 1 2 ) 其中，8 ( 0 表示是巾化时问冲激响应函数。当无线系统是时不变的，则接收信 号通过公式( 2 1 2 ) 简化为公式( 2 1 3 ) 形式： h ( t ，f ) = h i x ( 1 - r 加) ) i = l 则信道的冲激l ；, j , v z i 叮表示为： 办( f ) = h j 6 ( t - r ，) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 4 移动无线信道的信道模型 在发射端，我们假设发送端发送的是一个符号序y l j b i ( i = 1 ，2 ，m ) 的二进 制序列，信号经过调制后，产生的待发送的信号用x t ( t ) ，表示为： m 坟( f ) = b i s 如) ( 2 15 ) 安徽人学硕_ l 论文第二章无线信道模型及t d s c d m a 系统 其中，墨( 术) 表示为与第f 个符号相对应的调制波形。 目前的移动无线通信系统中基本上都采用多址接入方式，系统对每个用户 都使用同样的建模方式，因此我们可以将公式( 2 1 5 ) 改为公式形式，即多路发送 信号的形式，其公式如下： t x a t ) = b k i s , ，t ( f ) ( 2 1 6 ) 其中，t x k ( t ) 表示第后个用户的发送信号，b k i 为第k 个用户产生的符合序列， 。( f ) 为第k 个用户第i 个符号的调制波形，k = 1 ，2 ，k ，为第k 个用户。 这罩我们再看接收端，当发射端的信号经过无线信道环境后到达接收端时， 接收端所接收到的信号p ( f ) 可以表示为： e ( f ) ：k m 瓯川e 吃( f ，f h ，。( f ) 如+ 讹) + 俐) ( 2 - 1 7 ) 其中，h a ( f ，r ) 为第足个用户信号经过的无线信道的信道冲激响应，f ( z ) 为无线信 道问的干扰，肝( f ) 为无线环境中的噪声。 根据多径传播的环境特点，我们可以得出第七个用户的信道冲激响应h k ( t ) 可表示为： ( ，) = g “万( 卜“，) ( 2 18 ) 其中，厶为第七个用户在移动信道中与接收端之问的路径数，即信道冲激响应 的多径，g “为第k 个用户在第，条路径上的信号增益，气，为第足个用户在信道 中第，条路径上的信号时问延迟，万( 木) 为d i r a c 函数。 由上面的分析，我们可以得出信号在无线移动信道中的传输模型，其中用 户数为k 个，模型如图2 1 所示 安徽大学硕 ：论文 t d s c d m a 系统中基于s c h u r 算法的信道估计方法研究 e ( f ) 图2 1 移动信道传输模型 2 5t d s c d m a 系统物理层结构 t d s c d m a 系统的空中接口为移动台和接入网之间的接口u u 。通常网络层、 数据链路层和物理层共同组成了t d s c d m a 系统的空中接口。t d s c d m a 技术 标准主要区别就是体现在物理层上的无线传输技术等主要技术。物理层方面尤为 重要。物理层是向其高层提供服务的，这些服务主要是提供数据传输服务，它通 过信道传输来实现的。下面我们从以下几小节中了解物理层的主要结构【3 j 。 2 5 - 1t d s c d m a 系统物理信道 t d s c d m a 系统定义的物理信道主要由四层结构组成，它们分别是系统帧、 无线帧、子帧和时隙码，在时域上系统的时隙用于区分不用用户的信号，从而 具有t d m a 等特性。t d s c d m a 定义的物理信道格式可以用图2 2 表示 在t d d 模式下，t d s c d m a 物理信道在所分配的无线帧的特定时隙上可以 将一个突发发送出。无线帧可以连续分配，即物理信道获得每个帧的这个特定的 时隙的分配。当无线帧不连续分配给物理信道时，可以将部分无线帧中特定的时 隙分配给该物理信道。一个突发结构有三部分组成，一是训练序列即中问 ( m i d a m b l e ) 码部分、二是数据部分和保护间隔组成的。系统中的一个时隙就足 一个突发持续的时间。发射机可以同时发送多个突发结构。在这种情况下，多个 1 4 安徽人学硕一f 二论文第二章无线信道模型及t d s c d m a 系统 突发结构的数据部分使用的正交扩频码( o v s f ) 的信道码必须不同，然而这里 使用的扰码则必须相同。突发中的中间码部分使用同一个基本中间码，基本中间 码通过生成偏移码用于突发的中间码，臣l l i j l l 练序列码。 系统帧( 1 0 m s ) f ：时隙撑盯o = o ，6 ) ：第疗个业务时隙，8 6 4 个鲋 k ； d w p t s ：卜行甘频时隙，9 6 个码j i 长； u p p t s ：i - a ? 导频时隙，1 6 0 i 。5 艮： g p ：l i 保护f u j 隔，9 6 个伊5 ”k 度。 图2 2t d s c d m a 的物理信道信号格式 一个子帧的突发中的数据部分都是由扰码和信道码芪i 州扩频产乍的。这- 甲的 信道码就是一个o v s f 码，系统规定扩频因子的取值可以是l 、2 、4 、8 或1 6 ，o v s f 码所采用不同的扩频因子可以决定物理信道中传送的数掘速率不川。凶此，时隙、 频率、无线帧分配和信道码就可以定义物理信道。系统r - 的每个小区采用可以广 播的扰码和基本中间码，它们可以是不变化的。当一个物理信道被建立时，系统 就会给出物理信道的起始帧号。持续物理信道时间可以是无限长的，当然它也可 以是有限长的持续时间。