（通信与信息系统专业论文）mimoofdm物理层的信道估计技术.pdf

摘要 摘要 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 ) 技术成为宽带 无线传输领域的研究热点。o f d m 技术将频率选择性多径衰落信道在频率内转换为平坦 信道，可有效对抗多径衰落的影响。同时，利用多发射天线和多接收天线的m i m o 技 术可以显著提高系统容量，己成为下一代通信系统的关键技术。如何有效利用o f d m 技术以及m i m o 技术实现无差错高速无线传输，有许多关键问题亟需解决。本文研究 了m i m o - o f d m 系统物理层的信道估计技术。 首先，本文讨论了无线信道的三种衰落，并指出对于微小区结构，主要起作用的是 小尺度衰落( 多径衰落) 。在多径衰落下，分析了其衰落特性。介绍了衰落信道的统计 模型和计算机仿真模型。接着介绍了o f d m 的基本原理和m i m o o f d m 中的s t b c s t t c ，b l s a t 结构。 对于m i m o - - - o f d m 系统，研究了基于训练序列的信道估计方法。对于l s 的时 域估计，进行了正交序列设计，研究了简化算法，降低了求逆矩阵的规模。在改进算法 中，采用了最优化训练序列，避免了求逆运算。对于m m s e 估计，给出了一种训练序 列设计方法，转多天线信道估计问题为单天线，并使用s v d 的方法进行低秩近似，进一 步简化算法。 本文在运用空时分组序列转化多天线估计问题为单天线的同时，采用了子空间投 影的方法，并采用了低秩滤波器中的信号子空间跟踪算法，分别是基于q r 分解和g i v e n s 旋转，降低了信道估计的运算量，并有较好的性能。 关键词：m i m o - o f d m ，子空间投影，训练序列，子空问跟踪 a b s r r a c t a b s t r a c t o f d m ( o r t h o g o n a lf 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 ) i sc u r r e n t l yah o tr e s e a r c ht o p i c i nt h ef i e l do fb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 0 f d mc a ne f f e c t i v e l yc o m b a tt h e m u l t i p a t hf a d i n ga n dc o n v e r tt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ee h a n n e li n t of l a tc h a n l l e li nf r e q u e n c y d o m a i n m i m oc a l ld r a m a t i c a l l yi n c r e a s et h ec a p a c i t y , a n dh a sb e e nak e yt e c h n i q u ei nt h e n e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n t h e r eh a v eb e e nm a n yp r o b l e m si no f d ma n dm i m o t e c h n i q u e sf o rh i g hr a t ec o m m u n i c a t i o n t 1 1 i sp a p e rf o c u s e so ne h a n n e le s t i m a t i o ni nt h e m i m o - o f d m s y s t e m f i r s t ，id i s c u s st h r e ek i n do ff a d i n g a m o n gt h e s e ，m u l t i p a t hf a d i n g i st h em o s t i m p o r t a n ti nm i c r od i s t r i c t ，w h i c hi sh i g h l ye m p h a s i s e d t h es i m u l a t i o nm o d e l sa n d s t a t i s t i c a l m o d e l si nc h a n n e la r ei n t r o d u c e d i nt h ef o l l o w i n g ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d ma n ds t b c ， s t t c ，b l a s ti nm i m o o f d m a r ed i s c u s s e d id os o m er e s e a r c ho f fc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do n t r a i n i n gs e q u e n c e s i n m i m o o f d ms y s t e m f o rl se s t i m a t i o ni nt i m ed o m a i n ，iu s eo r t h o g o n a ls e q u e n c e s ，w h i c h c a nr e d u c et h ec o m p l e x i t y i nt h ei m p r o v e da l g o r i t h m ，o p t i m a lt r a i n i n gs e q u e n c e sa r eu s e dt o a v o i dt h ei n v e r s eo fam a t r i x f o rm m s ee s t i m a t i o n ，am e t h o du s i n gt r a i n i n gs e q u e n c ec a n e o n v e r tt h em u l t i a n t e n n a sc h a n n e le s t i m a t i o ni n t os i n g l ea n t e n n a t h e ns v dm e t h o di su s e d t os i m p l i f yt h ea l g o r i t h m w h i l eu s i n gs t b ct r a i n i n gs e q u e n c e ，s u b s p a e ep r o j e c t i o ni sa l s op r o p o s e d a n dt h e s u b s p a c et r a c k i n ga l g o r i t h mi nl o w r a n ka d a p t i v ef i l t e r , s u c ha sq rf r a e t i o ns u b s p a c et r a c k i n g a n dg i v e n sr o t a t i o ns u b s p a e et r a c k i n g ，c a nm a k eag o o dc o m p r o m i s ob e t w e e nt h ec o m p l e x i t y a n de f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：m i m o o f d m ，s u b s p a e et r a c k i n g ，t r a i n i n gs e q u e n c e ，s u b s p a c ep r o j e c t i o n 1 1 1 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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 乒牝日期：翠f 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：盟 7 。_ 一导师签名：性日期： 导师签名：、匿堡：丕日期： 第一章绪论 第一章绪论 当前，随着i m e m e t 商用化所带动的视频、音频及数字通信技术的发展，人们对无线通信寄予了 更高的希望。无线移动通信作为通信行业的新兴领域正在进行着日新月异的发展，寻求一种大容量、 高速率的无线网络已经成为无线通信发展的必需和必然。为此，在过去的十多年中，向第三代无线 通信标准( 3 t 1 1g e n e r a t i o n ，3 g ) 发展的全球性浪潮使各个厂商纷纷参与了新技术的标准化工作。然而， 信息产业在新一代技术刚推出市场之后，更新的技术应用已经在实验室进行研发。在我们期待3 g 系 统所带来的优质服务的同时，第四代无线通信标准( 4 g ) 的最新技术也在实验室悄然进行当中。在新 世纪之初，世界各国都己把研发的焦点聚集到“无线宽带多媒体通信系统( w i r e l e s sb r o a d b a n d m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，w b m c s ) ”上来，宽带化、分组化、综合化、个人化的未来无线通 信系统，使实现“全球信息村”这个美好愿望的蓝图正在不断地清晰起来。正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ) 技术以其突出的优势在众多领域得到了广泛的应用，成为未 来移动通信标准的主要传输技术候选。 1 1 无线移动通信系统的发展 无线移动通信系统经历了第一和第二代，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，当前正在经历 着第三代及b 3 g ( b e y o n d3 g ) ，并向更为诱人的第四代移动通信系统发展。从9 0 年代中期，随着数 字多媒体业务需求的发展，适应移动数据和移动多媒体运作需要的3 g 移动通信系统开始兴起，迄 今为止，比较成熟的3 g 标准主要包括：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 以及t d s c d m a ，它们目前都已经进 入小规模商用阶段。3 g 系统定位于多媒体i p 业务，具有大传输容量、高灵活性、高频谱利用率， 高服务质量和高保密性等特点，其通信标准分为核心网和空中接口两大部分。3 g 系统采用了传统的 单载波( s i n g l e - c a r r i e r , s c ) 调制方式，并利用码分多址( c o d ed i v i s i o nm u r i p l ea c c e s s ，c d m a ) 作为其 接入技术，具有强抗多径能力、灵活的数据传输速率以及相对于2 g 具有更高的频谱利用效率等特 点。3 g 可以提供足够高的数据传输速率( 6 4 k b p s - 2 m b p s ) ，能够支持包括互联网接入、语音通信和移 动视频电话在内的较为广泛的应用：此外，利用移动终端与固定网络之间的互通性，还导致大量潜 在的全新应用方式的出现。 为满足人们日益增长的需求，世界各国在推动3 g 通信系统商用化的同时，已经将目光重点放 在对新一代移动通信系统的研究上来。4 g 系统不只是简单地为了适应用户数和带宽的增加，更为重 要的是它必须适应多媒体的传输需求，将多媒体例如语音、数据、影像等大量信息通过宽带信道高 l 东南大学硕士学位论文 速传送出去；并且包括对通信服务质量( q o s ) 更高的要求。现有的通信系统主要是为了特定的应用而 设计，而下一代无线宽带多媒体通信系统w b m c s 将会把这些不同的功能和应用集成在起，为客 户提供数据率超过2 m b p s 的单一服务到多种服务；终端可以是固定、移动或便携式的；用户根据自 己不同需要选择使用一个或多个不同信道动态分配系统带宽等。总的来说，对下一代移动通信系 统在性能方面主要有以下要求：用户速率在准静止情况下达2 0 m b i t s 以上，在高速移动情况下达 2 m b i t s ；传输容量要达到现有系统的5 1 0 倍；系统服务质最要求小区覆盖率达到或接近9 8 9 9 5 ； 系统具有不同传输速率间的自动切换能力，以保证通信质量：且网络传输成本低于3 g 等。无线通 信的最大技术瓶颈在于空中接口，若要在高速无线信道中以高质量传输如此高的数据率，必须选择 一种强有力的传输技术。目前从通信传输的技术层面来看，o i d m 调制技术在4 g 系统中受到了广 泛的瞩目，它以其高频谱效率、强抗噪能力等优点受到了众多无线通信专家的青睐。目前，专家学 者针对o f d m 技术存移动通信上的席刚，j 已经提f l j 了人晕相关的理论基础。 1 2 1o f d m 技术的发展演进 o f d m 技术最早源于2 0 世纪5 0 年代后期的军事高频通信系统中的频分复用( f 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 ，f d m ) 。1 9 6 1 年，d o e l z 等提出了一种各个载波频率在符号周期内正交的f d m 技术， 此类结构大大提高了系统的频谱利用率。t 9 6 6 年，贝尔实验室的r w c h a n g 申请了o f d m 结构的 专利，提出了在数字通信中采用正交多频信号的概念。他提出了种在线性带限信道实现无信道间 干扰( i c i ：i n t e r - - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和无符号间干扰( i s i ：i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的多信道传 输的方法：将频谱划分成若干个子信道，各子信道之间保持止交，并可以相互重程，可充分利用频 谱资源。在各个子信道上并行传输数据，降低数据传输速率以消除1 s i 。但当时o f d m 系统的结构 非常复杂，收发信机需要大量的子载波振荡器组及相干解调器，代价昂贵，限制了o f d m 技术的进 步推广。直到1 9 7 1 年，w e i s t e i n 和e b e r t 1 】把离散傅立叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统中， 作为调制和解调过程的一部分，从而大大简化了系统的处理过程，为o f d m 的演进做出了巨大的贡 献。并提出了通过插入一段空白区作为保护间隔米消除符号间干扰( i s i ) ，但不能保证经过多径信 道后，各子载波之间的止交性。1 9 8 0 年ap e l e d 和a r u i z 2 提出了循环前缀( c p ) 的概念，他们 不是在符号间插入空白的保护间隔，而是插入o f d m 符号的周期扩展。这样使信道和传送符号间的 线性卷积近似成循环卷积，当循环前缀长度大于信道冲激响应长度时，子载波间仍保持良好的正交 性，但循环前缀的使用会造成一定程度的能量的损失。 2 第一章绪论 之后，围绕o f d m 技术面向商业应用的研究工作得以全面展开：八十年代，研究重点放在了如 何将o f d m 技术应用于有线高速传输m o d e m ；进入九十年代以来，对o f d m 技术的研究逐渐深 入到高速宽带无线传输上来。o f d m 作为一种可以替代传统单载波的无线调制技术，可以为未来的 通信系统提供更高的容量潜力和灵活的无线接入方式。 迄今为止。o f d m 技术己经广泛应用到各类民用通信系统中，被多个通信标准所采纳，如：欧 洲地面数字视频广播d v b ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g f o r t e r r e s t r i a l ) 标准，数字音频广播d a b ( o i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ) 标准，日本综合业务地面数字广播i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g f o rt e r r e s t r i a l ) 标准，高速数据传输数字用户环线x d s l ( d i g 蹦s u b s c r i b e rl i n e ) 标准；高速无线局域 网( w i r e l e s sl a n ) 标准如e t s i 的h i p e r l a n 和i e e e $ 0 2 1 l a ；在i e e e 8 0 2 1 6 3 标准中，o f d m 技术还 被应用于固定无线接入f w a ( f i x e dw i r e l e s s a c c e s s ) 系统等等。o f d m 作为一项高频带利用率和抗多 径干扰的通信技术正在受至0 广泛的重视。正因为o f d m 潜在的多径对抗能力，且可以灵活地和其他 接入方式结合成衍生系统，所以o f d m 已经被列为第四代移动通信系统的一种候选方案，用来实现 超过2 m b p s 的移动无线多媒体和数据通信。 近年来，o f d m 系统已经越来越得到人们的关注，其主要原因在于o f d m 系统存在如下的主要 优点： ( 1 ) 带宽利用率很高。【3 】在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，各子信 道频带间严格分离，接收端通过带通滤波器虑除带外的信号来接收每个子信道上的数据，频谱利用 率低。而o f d m 系统中由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互混叠，因此与常规 的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频 谱利用率趋于2 b a u d h z 。 ( 2 ) 把高速数据流通过串并转换，调制到每个子载波上进行并发传输，使得每个子载波上的数据 符号持续长度相对增加，有效地减小由于无线信道的时间弥散所带来的i s l 。此外，o f d m 采用了循 环前缀技术【4 】，即将o f d m 符号的后几个样值复制到o f d m 符号的前面，有效的抵抗多径衰落的 影响。减小了接收机内均衡的复杂度，甚至可以不采用均衡器。 ( 3 ) 各个子信道的正交调制和解调可以通过离散傅立叶反变换( i d f t , i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 的方法来实现。在子载波数很大的情 3 东南大学硕士学位论文 况下，可以通过采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。近年来，随着大规模集成电路和d s p 技术的发 展，f f t 和i f f t 技术都非常容易实现，进步推动了o f d m 技术的发展。 ( 4 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数 据量。另一方面，移动终端功率一般比较小，传输速率较低。而基站恰恰相反。因此无论从用户数 据业务的使用要求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输， 而o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 o f d m 系统由丁，采用了正交多载波技术，因此与单载波系统相比存在如f 缺点 ( 1 ) 对同步误差十分敏感，o f d m 子信道的频谱相互混叠，信号的解调是通过f f t 变换实现的， 要求各个子载波之间保持正交，才能解凋得到每一路数据。而无线信道具有多径时变特性，在传输 过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会破坏r 载 波间的止交性，引起严蠹的子信道间干扰( i c i ，i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，每个子载波上的数据都 将受至u 其余多个子载波l 数据的干扰，解调性能迅速恶化。 ( 2 ) 峰值平均功率比( p a p r ) 较高。o f d m 系统的输出是多个子信道信号的叠加，输出信号的 包络起伏很大，当多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远人于信号的平均 功率，导致出现较大的峰值平均功率比。当峰值平均功率比较大时，要求发射机内放大器具有很大 的线性动态范围。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会引起信号畸变，导致各个子信 道信号之间的正交性遭到破坏，使系统性能恶化。【5 1 1 6 提出通过预编码的方法，使各子载波间的传 输信息相互关联，以达到降低p a p r 的目的。f 7 】提出了限幅法，当然还有别的一些方法，如编码和 调制相结合的方法，选择性映射的方法等，这些方法虽然都有一定的效果，但迄今为止仍然没有一 种很好的解决方法可以兼顾性能和复杂度问题。 1 3m i m o 技术简介 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的 重大突破，它利用空闻中增加的传输信道。在发送端和接收端采用多天线( 或天线阵列) 同时发送信号。 由f 各发射大线同时发送的信号占用同一个频带，所咀并朱增加带宽，因而能成倍地提高系统的容 量和频谱利用率。 m 1 m o 技术t 要包括发射分集和空间复用技术。其中的发射分集指的是在不同的天线上发射包 4 第一章绪论 含同样信息的信号( 信号可能并不相同) ，从而达到空间分集的效果。发射分集主要是空时码技术，包 括空时分组码( s p a c et i m eb l o c kc o d e ，s t a c ) 和空时格码( s p a c et i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 。空间复用 则是在不同的天线上发射的是不同的信息，分层空时码( 1 a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e ，l s d 是空间复用技 术的典型应用，最早应用于l u c e n t 公司的b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e ) 系统中。分 层空时码包括水平分层空时码( h o r i z o n t a lb l a s t ，h - b l a s t ) ，垂直分层空时码( v e r t i c a lb l a s l v - b l a s t ) 和对角分层空时码( d i a g o n a lb l a s ld - b l a s t ) 。 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 8 提出了一种非常简单的发射分集技术一空时分组( s p a c e - t i m eb l o c k c o d e , s t b c ) 。空时分组码由于其简单的结构和良好的性能得到了广泛的研究，并很快进入了3 g p p 标准。同样在1 9 9 8 年，贝尔实验室的t a r o k h 等人【9 】提出空时格码( s p a c e - t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) ，可 以看作是一种扩展到多天线情况下的卷积码，其编码方法也与卷积码类似。 1 9 9 6 年贝尔实验室的f o s c h i n i 等人最早提出来分层空时码的编码体系结构，该b l a s t 后来被称为 d - b l a s t ( d i a g o n a lb l a s t ) 。采用基于l m m s e 的干扰抵消检测，d - b l a s t 是可以达到分集和复用的 最优折衷。由于其编码和检测过程较为复杂，又提出了简化版本v - b l a s t ( v e r t i c a lb l a s l ) 。在 v - b l a s t 中，每个发射天线( 也称子层) 上的数据流经过信道编码之后，就在发射天线上依次发射。 v - b l a s t 是一种空间复用技术，但该方案发送端非常灵活，且有较高的频谱利用率，但是分集增益 较小。v - b l a s t 检测时要求接收天线数目必须不小于发射天线数目。 m 1 m o 结构可以为通信系统带来多种好处。信息论的研究表明在系统容量方面m i m o 比s i s o 系 统具有更高的优越性，同时多天线结构可以带来分集增益( 包括发射分集增益与接收分集增益) ； 采用空时编码技术，可以得到编码增益。目前，m i m o 方案已经被初步应用于w l a n ，3 g ，4 g 等网络， 而且多种类型的实验系统也正在研制和完善之中。 1 4 论文主要研究问题及章节安捧 m i m o 技术能否应用到实际通信系统的一个重要因素就是其信道估计算法性能的好坏和复杂度 的高低，信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n , c s 0 在s t t c 的v i t e r b i 解码等方面起很重要的作用。 本文主要研究m i m o o f d m 系统的信道估计问题。 第二章首先介绍了无线移动通信的信道特性，其中着重介绍小尺度衰落。接着介绍了仿真用的 无线信道模型。 东南大学硕t 学位论文 第三章讲述了o f d m 的基本原理和m i m o - o f d m 中的s t b c ，s t r c ，b l s a t 结构。 第四章对于m i m o o f d m 系统，研究了基于训练序列的信道估计方法。对于l s 的时域估计，进 行了正交序列设计，研究了简化算法，降低了求逆矩阵的规模。在改进算法中，采用了最优化训练 序列，避免了求逆运算。对于m m s e 估计，给出了一种训练序列设计方法，转多天线信道估计问题 为单天线，并使用s v d 的方法进行低秩近似，进一步简化算法。 第五章在运用空时分组序列转化多天线估计问题为单天线的同时，采用了子空间投影的方法， 并采用了低秩滤波器中的信号子空间跟踪算法，分别是基】二q r 分解和g i v e n s 旋转，降低了信道估计 的运算量，并有较好的性能。 第六章总结与展望 6 第二章无线通信系统的信道特性 第二章无线通信系统的信道特性 2 1 无线信道的衰落 移动通信系统的性能要受到移动无线信道的制约。在移动无线信道中，发射机与接收机之问的 传播路径非常复杂，既有简单的直线传播( 也称视距传播) ，也可能遇到物体而产生反射信号，同时移 动站的运动对信号电平的衰落规律也会产生影响。因此无线信道不象有线信道那样是固定并可预见 的，而是具有极大的随机性。无线信道的主要特点是具有随机衰落。 在信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说，接收信号的功率衰落可以表达 为：【1 0 】 尸( d ) 刊di - ns ( d ) 矗( d ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，蚓表示移动台与基站的距离。根据上式，无线信道对信号的影 响可分为三种： ( i ) 大尺度衰落：电波在自由空间内的传播损耗l d r ，其中n 一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( 田：由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或遮蔽而g 起的衰落，被称为中尺度衰落 ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波载空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以 经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落，和相位都不相同，因此在接收端对多个 信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象，也被称为小尺度衰落。 2 1 1 无线信道的大尺度衰落 当信号在接收机和发射机之问完全无遮挡的传播时，接收信号的强度可以用自由空间传播模型 描述。自由空间是指在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反射、折射、绕射、散射 和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间。无线电波在自由空间内传输，其信 号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大 7 东南大学硕士学位论文 尺度路径损耗的模型可以表示为 上：兰：足上( 2 1 ) pd 7 其中n 表示本地平均发射信号功率，只表示接收功率，d 是发射机与接收机之间的距离。对于典型环 境来说，路径损耗指数，一般在2 到4 中选择。 在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模较小，大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独 加以考虑。 2 1 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些建筑物后面会产生电磁波的影 响，造成场强中值的变化，从而引起衰落。被称为阴影衰落。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏 观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布。其中接收信号的局部场强 中值变化的幅度取决丁信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物， 而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。当电磁波在接收机和发射机之间的传播，存在 周围环境中地形地物的散射和绕射时，接收功率不只受传播距离的衰减，还受到这些地形地物的影 响。在这种情况下可以根据不同的环境特点，通过实测等手段建立些比较接近实际的信道模型， 如室外传播模型中l o n g l e y r i c e 模型和室内传播模型中的衰减因子模型等等。 2 1 3 小尺度衰落 当无线信道中同一信号沿不同路径传播，以微小的时间差到达接收机并相互干涉叠加时，形成 了小尺度衰落。这些电磁波称为多径波，多径波相互叠加的现象也被称为多径效应。小尺度衰落的 二个主要表现为： 1 经过短距离或短时间传播后信号强度的急速变化 2 在不同多径信号上，存在着时变的多谱勒频移引起的随机频率调制 8 第二章无线通信系统的信道特性 3 多径传播时延引起的扩展。 无线信道中有许多物理因素影响小尺度衰落，包括 l 多径传播：不同多径成分具有随机相位和幅度，引起信号强度的波动，导致小尺度衰落、信 号失真等现象。多径传播延长信号基带部分到达接收机所用时间，导致码间干扰引起信号模糊。 2 移动台的运动速度：由于多径分量存在的多谱勒频移现象，基站与移动台之间的相对运动会 引起随机频率调制。 3 环境物体的运动速度：如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多谱勒频移。 若移动物体速度大于移动站速度，那么这种运动将对小尺度衰落起决定性作用。否则，仅可考虑移 动站的运动，忽略环境物体的运动。 4 信号的传输带宽：如果信号的传输带宽比多径信道的相干带宽大得多，就会产生频率选择性衰 落。若传输信号带宽比信道带宽窄，会产生平坦性衰落。 所以，小尺度信号的强度和短距离传输后信号衰落情况与多径信道的带宽、时延扩展及传输 信号的带宽有关。 本文主要研究的是在多径环境下如何估计信道参数，我们将考虑为小尺度衰落信道模型。 一般地，可以用一个冲击响应函数来描述多径信道。假设信道冲击响应具有时不变性，至少在 短时间或短距离内具有不变性，那么多径信道的冲击响应为 一1 h ( t ，f ) = p 埔万( f 一乙) 其中n 为传播路径的个数，为第n 条传播路径的幅度衰减，杰为信号经第n 条路经传播后与直射信 号的相位差，为第n 条传播路径的时间延迟，其中a n 和分别为直射路径的幅度衰减和传输时延。 9 东南大学硕士学位论文 2 2 多径衰落对信号的影响 从发射机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用，产生绕射、反射 或散射。这样，到达接收机时将是从多条路径传来的多个信号的叠加。多径传播引起接收信号的幅 度、相位和到达时间的随机变化，同相叠加使信号增强，反相叠加使信号减弱。这样，接收信号的 幅度将急剧变化，即产生所谓的衰落。这种衰落是由多径现象所引起的，因此称为多径衰落 移动信道环境中，任意时间t 接收的瞬时复信号r ( o 可以表达为 ，( f ) = c t ( t ) e j 。 i ( 2 3 ) 式中，c t ( t ) 代表接收信号“t ) 的包络，( r ) 代表r ( t ) 的相位。以f 分别研究接收信号的包络特性和 相位特性。 瞬时衰落信号的包络口( r ) 由两个乘性分量口，( f ) 和口，( f ) 表征为 口( f ) = 哎( f ) 口，( ，) ( 2 4 ) 织( ) 表示接收信号的长期变化，又称为长期衰落，它是由建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的， t r r ( t 1 对应于接收信号在空间的迅速扰动是由移动用户附近的障碍物对信号的散射引起的。 瞬时衰落信号的相位y ( f ) 由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性来刻画，这些特性分别 与多径信号的多酱勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。 2 2 1 多普勒扩展( 时问选择性衰落) 和相干时间 由于移动用户与基站的相对运动，每条多径波都会有一个明显的频率偏移。由运动引起的接收 信号频率的偏移称为多普勒频移，用厶表示，它与移动用户的运动速度成正比。设载波频率为z 入射角为口，移动台的速度为u ，则多普勒频偏为厶：五c 。s 口，其中厶：监为最大多普勒频 c 偏，c 为光速。 假设移动台犬线为全向天线，且入射角口服从0 2 x 的均匀分布，即多径波均匀地来门各个 o 第二章无线通信系统的信道特性 方向，则角度口9 a + d a 之间到达电波的功率为匕l d o t i 2 万，其中匕是所有到达电波的平均功 率。 来自角度口和一口的电波引起相同的多普勒频偏，使信号的频率为： 1 = | c + m c o s f 】f l2 5 1 由式( 2 5 ) 知，接收信号的频率确扩展到五一厶到五十厶范围，这就是多普勒频展。时间 选择性衰落信号的幅度变化符合瑞利分布，通常称为瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧变化，又被称 为“快衰落”。但瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，故称为“慢衰落”。如图( 2 1 ) 所示。 图2 1 频率扩展导致时间选择性衰减 多普勒频偏厶为入射角口的函数，当入射角从口变化到口+ 础，信号的频率从，变化到 厂+ a f 。因此，频率从f 到，+ d f 之间的射频功率为： d s u ) l 矽 二芝l d 口1 0 口 万( 2 6 ) 万 其中，s ( ) 为接收信号功率谱。公式( 2 6 ) 还考虑到了多普勒频偏关于入射角的对称性。 由公式( 2 5 ) 有a f = 一厶s i n f z d a ( 2 7 ) 又s i n 口：打磊： 东南大学硕士学位论文 扪e 一沏= 甜一降 r ( z 。， 由于信道的频率扩散是随机的，因此也就造成了接收信号电平的随机起伏，即时间选择性衰落。 对于时间选择性衰落，起伏变化的接收信号电平不再相关的最小时问间隔称为信道的相干时问。对 于时间选择性衰落，只有时间差足够大时，前后两时刻的接收信号电平的起伏变化才不再相关。而 时间差不够人时，前后两时刻的接收信号电平之间就有一定的相关性。相干时间只是一个相对参数， 而不是一个绝对的界限。当观测时间差大下相干时间以后，接收信号电平的起伏变化就可以基本认 为不相关了。 时问选择性衰落信道的相干时间定义为 r o ：1 ( 2 10 ) j 。 相干时间与多普勒频偏成反比，它是指信道随时间变化快慢的一个测量。基带信号带宽的倒数， 即符号宽度，大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就有可能发生变化，造成信号的畸变，产 生时间选择性衰落，即成为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性 衰落，即慢衰落。 2 2 2 时延扩展( 频率选择性衰落) 和相干带宽 在多行传播环境下，由于传播路径的差异导致多径信号以不同的时间到达接收端，如果基站发 射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，移动用户接收到的将是多个具有不同时延的脉冲信号的叠加， 显然，接收信号的波形比原脉冲展宽了。由于信号波形的展宽是由信道的时延引起的，所以称之为 时延扩展。 时延扩j 畏( d e l a y sp r e a d ) ：$ - - 种由多径现象引起的衰落过程的时间扩散( t i m ed i s p e r s i o n ) ，又称频 率选择性衰落( f r e q u e n c ys e t e c t i v ef a d i n g ) _ j 来描述时延扩展的参数有平均附加时延f ，均方根( r m s ) 时延扩展盯，和附加时延扩展x ( d b ) 他们都与功率延迟分布( p d p ) p ( f ) 有关。功率延迟分布是一个基丁二固定时延参考量f o 的附加时 延f 的函数，通过对本地的瞬时功率延迟分布取平均而得剑。【1l 】 1 2 第二章无线通信系统的信道特性 平均时延f 是功率延迟分布的一阶矩，定义为 q 2 p ( ) q 知素2 靠2 1 1 其中吼为第k 条传播路径的幅度衰减，尸( t ) 为在时延点吒上多径衰落的相对功率。 均方时延扩展q 是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为 o t = 矗孓西爵 p ( 吒) 舯以，卜前2 商1 3 最大附加时延x ( d b ) 瓦。定义为一，其中是第一个到达的信号，是最大时延值，其间 到达多径分量不低于最大分量减去x o b ) 。最大附加时延x ( d b ) 定义了高于某特定门限的多径分量的 时间范围。 有两个频率间隔靠的很近的衰落信号，这两个衰落信号存在着不同的延时，可能使两个信号变 得相干起来。符合这一条件的频率间隔取决于时延扩展。这个频率间隔被称为相干带宽e 。 在实际应用中，常用最大时延7 懈的倒数来定义相干带宽，也即： e ：1 ( 2 14 ) k z 为码元间隔，忍为发射信号带宽，当e 忍或者t l 。，窄带信号通过移动信道会g 起平坦衰落，移动无线信道具有不变的增益和线性相位，发射信号的频谱特性在接收端得到保持。 反之，e 趣或者t 瓦。，宽带信号将引起频率选择性衰落，信道会引起码间干扰，使信号发 生畸变。如图( 2 2 ) 所示。 1 3 东南大学硕士学位论文 图2 2 时延扩展导致频率选择性衰减 2 2 3 角度扩展( 空闻选择性衰落) 和相关距离 接收端的角度扩展指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展 指的足由多径的反射和散射引起的发射角艘宽。在某些情况下，路径的到达角( 或发射角) l 路衿时延 是统计相关的。 角度扩展( a n 百es p r e a d ) 给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落( s p a c e s e l e c t i v ef a d i n g ) ，意即信号幅值与天线的空间位置有关。 随着智能天线和多输入多输出( m i m o ) 系统的引入，信道信息从原来的二维一时间、频率， 扩充到包含时间、频率、空间的三维信息，充分利用了诸如到达角( a o a ) 之类的空间角度的信息。 角度扩展和相关距离是描述空间选择性衰落的两个主要参数。 所有的角度信息都与散射环境密切相关。移动环境主要有以下三种散射体： ( 1 ) 移动台周围的本地散射体 ( 2 ) 基站周围的本地散射体 ( 3 ) 远端散射体。如远离基站和移动台的山脉，建筑物等。 角度扩展是_ l 玎来描述空间选择性衰落的重要参数，是由移动台或基站周围的本地散射体以及 远端散射引起的，它与角度功率谱( p a s ) p ( 口) 有关。所谓角度功率谱( p a s ) 是信号功率谱密度 在角度上的分布。考虑到微小区和微微小区，基站和移动台周围都分布着较多的散射体所以它们 4 第二章无线通信系统的信道特性 的p a s 都倾向于均匀分布。 角度扩展等于角度功率谱( p a s ) p ( 力的二阶中心矩的平方根，即 a = p 一歹) 2 p ( o ) d o 0 tp f 。口、d n 1 8 p 惭8 式中歹= 等一( 2 1 6 ) _ f e ( o ) a o 角度扩展描述了功率谱在空间上的色散程度，根据环境的不同，角度扩展在【o ，3 6 0 。i 之间分 布。角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度越高；相反，角度扩展越小，表明散 射环境越弱，信号在空间的色散度越低。 相关距离眈是信道响应保证一定相关度的空间间隔。在相关距离内，信号经历的衰落具有很大 的相关性。在相关距离内，可以认为空间传输函数是平坦的。也就是说，如果天线元素放置的空间 距离比相关距离小很多，即z d c ，信道就是非空间选择性信道。 绱 j 强发 信号妇；泼 图2 3 角度扩展造成空问选择性衰落 东南大学硕士学位论文 2 3 衰落信道的几种统计模型 研究表, f l 1l 】，在移动无线信道里，接收信号的包络一般服从瑞利分布、莱斯分布两种分布。在 移动无线信道中，瑞利衰落分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收中包络的时变 统计特性的一种衰落模型；莱斯分布是在瑞利衰落分布的基础上，存在一条直射路径的影响而造成 的。 ( 1 ) 瑞利分布 当信道中传送到接收机的信号敌射分量数目很大时，应用中心极限定理可得