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摘要 m i m o o f d m 系统能够很好地抵抗信道的频率选择性衰落，提高无线信道的 容量，具有很好的频谱利用率。而实现上述增益需要知道准确的信道状态信息， 因此信道估计和均衡技术在整个系统中具有重要作用。本文对以上两个关键技术 进行了深入的研究。 首先，针对大多数已有信道估计算法的计算复杂度较高，不易于实现的问题， 提出了一种基于e m 算法的m m s e 低复杂度信道估计算法。该算法采用低阶近似 取代矩阵求逆运算，并利用信道相关矩阵的统计特性来简化估计运算，避免了频 繁的矩阵相乘。理论推导和仿真结果表明，该算法在系统性能与m m s e 算法几乎 相同的条件下，有效地降低了计算复杂度。 其次，考虑到快衰落信道会引起严重的子载波间干扰( i c i ) ，提出一种频域迭 代子载波间干扰消除算法。该算法将信道传输矩阵分解为数据部分和i c i 部分，从 接收信号中减去用信道的i c i 矩阵生成的干扰信号，之后利用数据矩阵和并行干扰 抵消算法来消除不同发送天线上相同序号子载波的多流干扰。仅考虑邻近子载波 带来的干扰，能够在其性能与原算法几乎相同的条件下，降低计算复杂度。仿真 结果表明该算法在不同的多普勒频移条件下能有效地消除子载波间干扰，并且在 低信噪比下逼近准静态信道下系统的性能。 关键词：多输入多输出正交频分复用信道估计计算复杂度 a b s t r a c t m i m o - o f d m s y s t e mc a l lr e s i s tc h a n n e l sf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，e n h a n c et h e s y s t e m sc a p a c i t ya n dh a v eag o o ds p e c t r u mu t i l i z a t i o n b u ti tn e e d st h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o nt or e a l i z et h i s ，s oc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o np l a ya l li m p o r t a n t r o l ei nt h ew h o l es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h e s et w ok e yt e c h n o l o g i e sf o rm i m o o f d m s y s t e m sa r es t u d i e d f i r s t l y ，d u et oh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fm o s t l yc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sar e d u c e d c o m p l e x i t ym i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) c h a n n e le s t i m a t o rf o rm i m o - o f d ms y s t e m s ，w h i c hi sb a s e do nt h e e x p e c t a t i o n m a x i m i z a t i o n ( e m ) a l g o r i t h mb yl o w - r a n ka p p r o x i m a t i o nt oa v o i di n v e r t i n gl a r g e - s i z e m a t r i c e sa n db yt h eu s eo fs t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so fc h a r m e lc o r r e l a t i o nm a t r i xt od e c r e a s e f r e q u e n t l ym u l t i p l yo p e r a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h ep r o p o s e d a l g o r i t h m d r a s t i c a l l yr e d u c e st h er e c e i v e rc o m p l e x i t ya n dh a sc o m p a r a b l ep e r f o r m a n c ew i t l lt h e o r i g i n a lm m s ea l g o r i t h m s e c o n d l y , s i g n a lt r a n s p o r t e di nt h ef a s tf a d i n gc h a n n e lw i l lc a u s es e r i o u si c i t o e l i m i n a t es u b c a r r i e r si n t e r f e r e n c e ，a l li t e r a t i v ea l g o r i t h mi n f r e q u e n c yd o m a i ni s p r o p o s e d i nt h ea l g o r i t h m ，c h a n n e lt r a n s m i s s i o nm a t r i xi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ， n a m e l yd a t am a t r i xa n di c im a t r i x 1 1 1 ei n t e r f e r e n c eb e t w e e na d j a c e n ts u b c a r r i e r s ， c r e a t e db yi c im a t r i x ，i st h e ns u b t r a c t e df r o mr e c e i v e ds y m b o l s ，a n df i n a l l yt h ep a r a l l e l i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t i o na n dd a t am a t r i xi s p e r f o r m e dt os u p p r e s st h e m u l t i - s t r e a mi n t e r f e r e n c ef r o md i f f e r e n ta n t e n n a s o n l yc o n s i d e r i n gt h ei n t e r f e r e n c eo f n e i g h b o r i n gs u b c a r r i e r s ，u n d e rt h i sc o n d i t i o nt h ep e r f o r m a n c el o s s i s n e g l e c t a b l e c o m p a r e d 、i t l lt h eo r i g i n a lm e t h o d ，a n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yc a nb er e d u c e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e dm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ym i t i g a t et h ee f f e c to fi c i a td i f f e r e n td o p p l e rs h i f t sa n da p p r o a c ht h ei c i f r e ep e r f o r m a n c ea tl o ws i g n a l - t o - n o i s e r a t i o k e yw o r d s ：m i m oo f d mc h a n n e le s t i m a t i o nc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垄垒丛 日期：丝! i ：圣：! 圣： 西安电子科技大学 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 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：型互竺 第一章绪论 第一章绪论 在过去的二十年里，无线通信获得了迅猛的发展和广泛的应用，极大地推动 了社会经济的发展，改变了人们的生活方式。进入2 l 世纪之后，无线通信更呈现 出前所未有的发展态势。但随着现代无线通信技术的发展，人们对通信的质量以 及信道的容量提出了比以往更高的要求。理想的目标是能够在任何时间、任何地 点、与任何人都能够及时地沟通联系、交流通信。然而带宽的限制、传播的衰减、 信道的时变特性、噪声、干扰以及多径传播问题都严重制约着无线通信业务的发 展。如何解决这些问题，实现随时随地通信是摆在我们面前的巨大挑战。 1 1 无线移动通信的历史和发展前景 1 8 9 6 年，马可尼发明了无线电报。他在1 9 0 1 年把长波无线电信号从英国西南 部的康沃尔跨过大西洋传送到1 8 0 0 英里之外的加拿大纽芬兰岛的圣约翰斯。这一 发明使双方通过彼此发送用模拟信号编码的字母数字来进行通信【l 】，这标志着无线 移动通信时代的开端。 随着b e l l 实验室在1 9 7 4 年提出并实现了蜂窝移动通信系统，无线通信进入一个 蓬勃发展时期。短短几十年，无线通信经历了从模拟通信到数字通信、从频分多 址( f d m a ) 到时分多址( t d m a ) 到窄带码分多址( c d m a ) 、从单一的语音业 务到多媒体业务的飞速发展1 2 j 。在第一代的移动通信系统中承载的业务是语音，采 用f d m a 技术，存在业务单一，话音质量不好，系统容量小等缺陷。在第二代移动 通信系统中采用数字技术代替了模拟技术，用t d m a 代替了f d m a 技术，可以承载 语音和低速数据业务，但仍然存在一些缺点，如：不能同时承载两种业务，不同 的通信系统间不能漫游，系统容量满足不了日益增长的用户需求。移动通信技术 在2 0 世纪9 0 年代呈现出加快发展的趋势。美国q u a l c o m m 公司于9 0 年代初推出了 c d m a 蜂窝移动通信系统，这是移动通信中具有重要意义的事件，推动了第三代 移动通信系统( 3 g ) 的开发与研究，移动通信进入一个全新的发展阶段。i m t 2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 提出的第三代移动通信系统，最早称为未来公众陆地移动 通信系统。i m t 2 0 0 0 总共包括了五个大的标准体系，其中t d s c d m a ，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三个标准己经成为3 g 通信系统的主流标准。 随着第三代无线移动通信技术的不断发展，人们对无线通信业务的需求也日 益增长 3 1 。新的业务需求，巨大的市场潜力以及未来移动通信的发展趋势促使人们 加快了对新一代移动通信技术的研究。早在2 0 0 0 年1 1 月，日本的n t t d o c o m o 移动 通信公司就已经开始研发4 g 通信系统的相关技术。欧盟在第五框架研究计划的基 2m i m o o f d m 系统下的信道估计和均衡 础上，成立了世界无线通信研究论坛( w w r f ) ，着手进行“i m t 2 0 0 0 以后的第 四代移动通信的概念、需求以及基本框架研究，并在欧盟第六框架计划( f p 6 ) 计 划中优先支持b 3 g 移动和无线通信技术的研究项目。 1 9 9 9 年6 月2 9 日，中国原邮电部电信科学技术研究院( 大唐电信) 向i t u 提出 了t d s c d m a 标准【4 j 。该标准是由中国大陆独自制定的3 g 标准，将智能无线、同 步c d m a 和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支 持的灵活性、频率灵活性及成本等方面展现了独特优势。另外，由于国内庞大的 市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣 布可以支持t d s c d m a 标准。中国在第三代移动通信市场中站稳脚跟后，将目光 投向了第四代移动通信系统，并正式将4 g 的开发列入“十五”国家高科技研究发 展计划( 8 6 3 研究计划) ，并已于2 0 0 2 年启动了名为f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o r u n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 的未来移动通信研究计划。 在2 0 0 2 年1 1 月举行的“未来移动通信国际论坛暨中国欧盟b e y o n d 3 g 研讨 会上，与会专家对第四代移动通信系统提出了以下要求：传输速率可以达到1 0 m b p s 甚至l o o m b p s ，以移动数据为主，面向i n t e m e t 大范围覆盖高速移动通信网络；支持 更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率视频业务、会议电视和虚拟实现业务等； 采用多天线或分布式天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用软件 无线电等新技术；发射功率比现有的移动通信降低1 0 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁 干扰问题。其最终目的是使用户在任何时间、地点可以获得任何所需的信息服务， 且保证服务质量p j 。 归纳起来，第四代移动通信系统与以往的移动通信系统相比具有高频谱效率、 高频段、高速率和高移动速度的特点。第四代移动通信系统取得成功的关键之一 就是需要在物理层1 6 j 的传输技术上寻求创新和突破。 1 2m i m o o f d m 技术的发展现状 一o f d m 技术 第四代移动通信系统是一种多媒体通信，其数据传输率可以达到1 0 m b p s 甚至 1 0 0 m b p s 。如果直接对数据率这么高的数据进行传输，码元的持续周期将非常短， 传输信号将严重受到信道多径衰落的影响。为了能够准确传输，就必须克服信道 多径效应所造成的频率选择性衰落和符号间干扰。传统的方法是采用自适应信道 均衡器和r a k e 接收技术。但是在高速数据传输的无线宽带通信系统中，这种方法 会使得传统信道均衡滤波器变得非常复杂，不便于工程实现。而o f d m 技术是将 宽带频域选择性衰落信道分割成许多窄带的平坦衰落子信道，从而极大地延长了 码元周期，提高了系统的抗多径性能。 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 技术的应用越来越广泛【7 l 。经过多年的发展，该 技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用，其中包括a d s l ，e t s i 标准 的音频广播和数字视频广播等。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 g h z 的无线局 域网标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准。e t s i t 8 】的宽带射频接 入网的局域网标准也把o f d m 定为其调制标准技术。 在1 9 9 9 年1 2 月包括爱立信、诺基亚和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际 o f d m 论坛，致力于策划并建立一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。我国信 息产业部也参加了该论坛。o f d m 技术在无线通信领域的应用也引起了国内通信 界的重视。1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 工作组成立了8 0 2 1 6 工作小组来专门研究宽带无线 接入标准。8 0 2 1 6 d t 9 j 采用s c 2 o f d m o f d m o f d m a 2 物理层体制，使用2 11 g h z 频段，占用2 0 m h z 带宽，时速率可达7 5 m b i t s ；点对多点大蜂窝工作时， 主要采用o f d m o f d m a 体制。为了适应无线业务的发展需求，2 0 0 3 年1 2 月i e e e 开始制定移动宽带接入标准( 8 0 2 2 0 ) 。该标准主要采用o f d m 技术，工作在3 5 g h z 载频下，覆盖范围高达1 5 公里，单用户的最高数据传输率超过1 m b p s ，虽然在数 据速率上与3 g 系统相比并无太大优势，但是其高效的移动性却远胜后者【j o l 。 由于o f d m 技术固有的抗多径性能，能够克服第三代移动通信采用的直接序 列扩频码分多址( d s c d m a ) 在支持高速数据传输时符号间干扰增大的问题，并 且具有频谱效率高，硬件实现简单等优点。因此，o f d m 被看成是第四代移动通 信系统的核心技术之一。 二m i m o 技术 无线通信系统中，m i m o 可以定义为同时在无线链路的发送端和接收端配置 多个天线阵列时所构成的一种通信结构，也可称之为空时通信结构。在通信领域， m i m o 并不是一个新的概念，利用多天线空间分集和天线极化分集改善无线链路 传输性能一直都是人们讨论和研究的热点。 从8 0 年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分集可进一步改 善无线链路性能并能够增加系统容量，s a t z 和w y n e r t l lj 在其技术报告中针对两径 传播信道模型，分析了单用户m i m o 高斯信道中空间分集对信道容量以及容量分 布的影响。w i n t e r s 在文献【1 2 】中讨论了在干扰受限的无线系统中，利用多天线空 间分集和最优合并所能带来容量增益，并明确地指出了增加分集天线数目可以增 加系统容量。到了1 9 9 5 年，b e l l 实验室的研究人员t e l a t a r 在假定接收端己知信道 参数的情况下，分析了在高斯平坦衰落信道中同时在接收端和发送端使用多天线 阵列时的系统容量的情况，并推导了m i m o 信道容量、信道分布以及错误指数三 者之间的关系【i 引。 b e l l 实验室的分层空时( b l a s t ) 系统是最早研制的m i m o 实验系统【1 4 1 。该系 统工作频率为1 9 g h z ，发射端为8 天线，接收端为1 2 天线，并且采用对角分层空时 4 m i m o o f d m 系统下的信道估计和均衡 ( d b l a s t ) 算法，其频谱利用率可以达到了2 5 9 b i t s s h z 。与单输入、单输出天 线( s i s o ) 相比，传输上取得了1 0 2 0 d b 的好处，从而增加了系统容量。另外，发 射端的不同的发送天线必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速 率可以加倍。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于应用在3 g 、4 g 中尚有相当大距离。 随着b l a s t 系统的研制，b l a s t 技术得到了广泛的认同。b l a s t 技术是利用 每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识 ，在接收端对其进行恢复。应用 b l a s t 技术如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用多用 户检测技术，准确高效地传送用户数据，从而极大地提高了前向和反向链路容量。 理论研究证明，采用b l a s t 技术，多天线阵的应用能够充分利用多径传播，提高 系统容量。系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，在一定程度上， 只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。2 0 0 2 年1 0 月，b e l l 实验室 研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了b e l l 实验室分层空时m i m o 技术 的芯片。该芯片支持最高4 x 4 的天线布局，用于移动通信可处理的最高数据速率 可以达到1 9 2 m b p s 。鉴于对无线通信理论的突出贡献，b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年 度美国t h o m a se d i s o n 发明奖。 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，m i m o 技术已经成为移动 通信技术发展进程中炙手可热的课题。在众多新技术中，m i m o 作为未来一代宽 带无线通信系统的框架技术l l5 1 ，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一 个必然途径，同时由于o f d m 在宽带无线通信系统中技术良好的抗多径衰落性能 和高的频谱利用率，未来移动通信技术领域m i m o 和o f d m 技术的融合成为了一 种必然的趋势和选择。 1 3 信道估计和均衡技术概述 大多数对m i m o 信道容量和空时编码系统的研究，都是在假设接收机完全获知 信道状态信息( c s i ) 的情况下进行的。但是在实际的无线通信系统中，c s i 是不 可能提前获得的，接收机首先需要进行信道参数的估计，然后对信道的影响进行 均衡，才能够正确地接收信息。无线通信的可靠性极大地依赖于信道估计和均衡 技术的精确度，因此信道估计和均衡技术是m i m o o f d m 系统研究的热点技术。 1 3 1信道估计技术 信道估计技术一般分为两大类：盲估计【1 6 1 和非盲估计【1 7 1 。盲估计一般都是基 于二阶或高阶统计量的，它需要大量的数据来获得统计信息从而进行估计，并且 一般计算复杂度较高。而非盲估计方式是在一个数据包或者分组中额外地发送训 第一章绪论 练序列或插入导频，并在接收端利用已知的训练序n 导频来进行估计。虽然这种 估计方式在一定程度上浪费了带宽或者发射功率，但是与盲估计相比，它有着如 下优点： 1 ) 快速、简单、有效：估计仅仅通过训练序n 导频来进行，一个经过精心设 计的训练序列导频可以使估计的复杂度有效地降低； 2 ) 分离估计和检测过程：盲估计往往是和有效信息的检测联合在一起的，这 样可能导致接收机非常复杂，而非盲估计方式能够使估计和检测分离成两个相对 独立的部分，大大减化了接收机的设计。 现有文献 1 8 】研究的基于训练的估计方式基本可以分为二类：基于时分复用训 练的估计方式和基于叠加式训练的估计方式。两者在结构上的区别如图1 1 所示： 时分复用式 _ l _ _ l 二_ i _ _ _ 叠加式一 犁蓊口蓉誓_序列信息_ 图1 1 分时复用训练与叠加式训练的对比 顾名思义，时分复用的训练就是训练序列和数据在不同时间发送。两者互不 干扰，而叠加式的训练则是训练序列和数据同时发送，两者互相干扰。目前只有 少部分文献研究叠加式的训练方式。叠加式训练的估计方法、同步等问题，以及 与时分复用的训练方式的比较目前仍然是值得研究的课题。 1 3 2 信道均衡技术 均衡技术的发展最早可以追溯到1 9 2 8 年，h n y q u i s t 提出了在理想带限信道中 判决时刻无码间干扰的充分条件。1 9 6 5 年，r w l u c k y 提出了能够自动跟踪信道 慢变化的自适应均衡器。此后，均衡技术的研究成果层出不穷。 均衡技术的发展和应用极大地提高了通信系统的性能i l 州。从均衡器的结构形 式上，主要有线性均衡器( l e ) 、判决反馈均衡器( d f e ) 、分数间隔均衡器( f s e ) 、 格型均衡器( l a t t i c ee q u a l i z e r ) 等等。从均衡准则上，主要有最小均方误差准则 ( m m s e 准则) 、迫零准则( z f 准则) 、最大后验概率准则( m a p 准则) 、最 大似然序列估计准则( m l s e 准则) 等等。从均衡算法上，主要有最小均方( l m s ) 算法、递归最小二乘( i 也s ) 算法、最大似然序列估计( m l s e ) 算法、最大后验 概率( m a p ) 算法等等。从实现方式上来说，主要可以分为基于训练序列和盲均 衡两种方式。 均衡技术在慢衰落信道中已经相当成熟和完善，但是随着数字通信技术向着 6m i m o o f d m 系统下的信道估计和均衡 宽带、高速、大容量方向的发展，m i m o o f d m 系统需要适应快衰落信道。在这 种情况下，码间干扰就阻碍了均衡算法在快衰落信道中的应用和发展，因此如何 消除码间干扰问题成为了均衡技术研究的一个热点。 1 4 本文的研究意义和主要章节的安排 无线移动通信在整个国民经济发展中具有极其重要的地位，已经逐渐演变成 为社会发展和进步必不可少的工具。为了摆脱移动通信技术标准受制于人的情况， 国家高技术研究发展计划委员会已经将下一代移动通信研究列入重大科研项目。 本课题来源于国家“8 6 3 项目：“多体制信号识别与调制解调技术研究”。 本论文主要是针对现有的m i m o o f d m 系统中的信道估计算法的计算复杂度 比较高，难于广泛的应用到实际中，以及均衡技术在快衰落信道中的i c i 消除问题， 进行了一系列研究。通过本文所做的工作，能够对现有m i m o o f d m 系统的信道 估计算法的计算复杂度大大降低，提高了m m s e 估计算法的实际应用能力，消除 了均衡技术在快衰落信道中的i c i 干扰，并在一定程度上降低了i c i 消除的计算复 杂度。本论文的主要章节安排如下： 第二章介绍了无线信道的传播特性，重点讨论了无线衰落信道的幅度特性和 相位特性，并针对r a y l e i g h 衰落分析了几种经典的信道模型，其中对本文用到的 j a k e s 模型进行了重点研究。 第三章对m i m o o f d m 系统的信道估计和均衡技术的基本原理进行了深入的 研究。首先通过对m i m o 和o f d m 基本原理的研究，理解m i m o o f d m 系统的 基本原理，然后重点研究了信道估计的基本原理以及常用的估计算法，最后分析 了均衡技术的基本原理和i c i 的消除问题。 第四章首先研究了在m i m o o f d m 系统中现有的几种常用信道估计方法，然 后重点针对现有信道估计方法的计算复杂度都较高的问题，对m m s e 估计算法进 行了改进，提出了一种基于e m 算法的m m s e 低复杂度信道估计方法。该算法通 过低阶近似的方式来避免矩阵的求逆运算，并利用信道的相关特性来减少矩阵乘 法，降低信道估计的计算复杂度，提高了信道估计的实际应用能力。 第五章对m i m o o f d m 系统在快衰落信道下，由多径效应的影响引起的子载 波间正交性受到破坏，所带来的子载波间干扰进行的分析和研究，在分析了系统 模型的基础上，提出了一种频域迭代i c i 消除算法，并对该算法进行理论上的推导， 最后针对仿真结果进行了分析。 第六章是全文的总结以及进一步研究工作的展望。 第二章无线衰落信道的特性和常用信道模型 7 第二章无线衰落信道的特性和常用信道模型 信道是通信系统的三大组成部分( 信源、信道、信宿) 之一，是任何一个通 信系统不可或缺的组成部分，是发射端和接收端之间传输媒介的总称。按传播媒 介的不同，信道可以分为有线信道和无线信道两大类。有线信道通常是稳定且可 预测的，而无线信道则具有很大的随机性。无线通信系统的性能在很大程度上受 限于无线信道的特性。因此分析和了解其物理特性，给出合适的数学模型是研究 无线通信系统的首要问题。 无线移动信道是现代通信系统中最为复杂的信道。它一般是随机和时变的， 因此信道往往不能简单地用线性时不变冲激响应函数 ( f ) 来表示。移动无线通信系 统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机和接收机之间的传播路径非常复 杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地形及障碍物，如建筑物、山脉和树 叶等，甚至移动台的移动都会对信号电平的衰落产生影响。由于无线信道具有很 大的随机性，非常难以分析，因此无线信道的建模历来是无线通信系统设计中的 一个难点。该问题的解决主要是利用统计方法，并且根据对特定频带上的通信系 统的测量值来进行。 2 1 无线信道的传播特性 无线电波在空间传输时，会遇到各种建筑物、树木、植被，以及地形起伏等 原因，引起能量的吸收，并造成电波的穿透、反射、散射和绕射等。无线电波在 空间传播时的损耗可以归纳为三类【2 0 j ： 1 ) 路径传播损耗：它是指电波在空间传播时所产生的能量损耗，它反映了 传播在宏观大范围即公里量级的空间距离上的无线电波在接收端接收信号电平的 平均值变化趋势。 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而产 生的损耗。建筑物及山丘等障碍物对无线电波的影响很类似于对光波产生的阴影 效应，因此称之为阴影衰落。它反映了在中等范围即几百波长量级内接收电平的 均值变化而产生的损耗，般服从对数正态分布，其变化率较慢。 3 ) 多径衰落损耗：它主要是由于多径传播过程中不同路径信号对消而产生 的损耗，它反映了在微观小范围即几十波长量级内接收电平的平均值变化所产生 的损耗，并且接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般服从 瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分布。 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均场强的预测和特定位置附 8m i m o - o f d m 系统下的信道估计和均衡 近场强的变化口1 1 。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于 它们描述的是发射机与接收机之间长距离( 几百米或上千米) 上的场强变化，所 以被称为大尺度传播模型。另一方面，描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收场强的快速波动的传播模型，称为小尺度衰落模型。图2 1 从频域和时域两 方面对无线信道的衰落特性进行了概括性的描剥2 2 1 。 无线多径衰落信道 大尺度衰落ll 小尺度衰落 平均路ll 覆盖li 时间色散l i 频率色散i 径损耗il 预测i j 时延扩展ji 多普勒频率扩展 频率选择性衰落li 平坦衰落li 快衰落ii 慢衰落 图2 1 无线信道的衰落特性分类框图 无论是现今的无线通信系统还是未来的宽带移动通信系统，都因为码元周期 的减少，传输的信号将会严重受到信道多径的影响，因此本文主要讨论无线信道 的小尺度衰落和多径效应。 2 2 小尺度衰落和多径效应 小尺度衰落是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落，以 致大尺度路径衰耗的影响可以忽略不计的一种衰落效应【23 。这种衰落是由于同一 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所 引起的。这些信号就称为多径波，接收天线将其合成为一个幅度和相位都急剧变 化的信号，从而导致了信号的模糊。无线信道中影响小尺度衰落的物理因素主要 包括三方面的因素。 1 ) 多径传播：信道中反射和反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的 环境，导致信号幅度、相位及时间发生变化。这些使得发射信号到达接收机时形 成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同的多径成分具有的随机相位和 幅度引起信号强烈波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长 信道基带部分到达接收机所用的时间，导致码间干扰，从而引起信号模糊。 2 ) 移动台及环境物体的移动速度：基站和移动台间的相对运动会引起随机频 域调制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象。决定多普勒频移是正频移还 是负频移取决于移动接收机是朝向还是背向基站运动。不光如此，如果无线信道 中的物体处于运动状态，也会引起时变的多普勒频移。若环境物体以大于移动台 第二章无线衰落信道的特性和常用信道模型 9 的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。否则，可以仅考虑移动 台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。 3 ) 信号的传输带宽：如果信号的传输带宽比多径信道带宽宽很多，接收信号 就会失真，但本地接收机信号强度不会衰落很多，即小尺度衰落不占主导地位。 若传输信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速改变，但信号不会出现时间失 真。由此可知，小尺度信号的强度以及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。 无线信道环境中某一个时间f 接收到的瞬时复信号厂( ，) 可用式( 2 1 ) 来表示： ，f ，1 af f l e 朋l j ( 2 1 ) 其中a ( t ) 代表接收信号，( f ) 的包络，l f ，( f ) 代表，( f ) 的相位。下面分别针对接收信 号的包络特性和相位特性进行研究。 2 2 1包络特性 接收信号的电平信息可以由信号包络口( ，) 来表示，将a ( ，) 分解为两个乘性分 量a ，( ，) 和a ，( f ) ，其中a 。( ，) 表示慢衰落，a ，( r ) 表示快衰落。因此 a ( r ) = o r ，( ，) 口，( t ) ( 2 2 ) 下面分别对两种情况进行分析。 一慢衰落 慢衰落a 。( f ) 表示接收信号的长期变化，可以认为，它表征的是快衰落信号的 局部中间值随时间变化的情况。大量观测数据表明，该信号的局部中间值变化较 慢，在r a y l e i g h 范围内，其平均接收功率服从对数正态分布，可用式( 2 3 ) 中的 概率密度函数来描述【2 4 1 ： m ，= 去唧 _ 掣 删 协3 ， 【0 x o 协5 ， p ( 加 懿p r 矿卜l 了，j ( 2 - 5 ) 【 o， o 其中，a 为直射波的最大幅度值，- t o ( x ) 为第一类修正零阶b e s s e l 函数。在不存在 直射波的情况下，即a = 0 时，- i o ( 0 ) 的值为1 ，r i c i a n 分布就是r a y l e i g h 分布。 2 2 2相位特性 在介绍了瞬时衰落信号的包络特性之后，进一步对其相位特性进行分析。接 收信号的相位特性主要由衰落过程的频域特性、时域特性以及空间特性所决定【2 5 1 ， 而这些特性又分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。下面对 其进行一一介绍。 一多普勒扩展( 时间选择性衰落) 多普勒扩展是一种由多普勒现象引起的衰落过程的频率扩散，又称为时间选 择性衰落。由于移动用户与基站之间存在相对运动，所以每条多径波都会有一个 明显的频率偏移。由相对运动引起的接收信号频率的偏移称之为多普勒频移，用厶 表示，它与移动用户的运动速度成正比，其关系式为 f o 丢c o s 0 ( 2 - 6 ) 其中，v 为移动台的移动速度，a 为无线电波的波长，p 为无线电波与移动台运动 方向之间的夹角，即到达角。当ic o s 0i - l 时，可以得到多普勒扩展的最大值： 厶：；：堕 ( 2 7 ) 信道的相关时间是多普勒扩展在时域的表示，描述了信道频率扩展的时变特 性。相关时间与多普勒扩展成反比，它是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统 计均值，在此间隔内，两个到达信号之间有很强的幅度相关性。如果时间相关函 数定义为大于0 5 t 2 6 1 ，则信道的相关时间近似为 瓦= 丽9 ( 2 - 8 ) 当信道的相关时间小于发送信号的周期时，信道冲激响应在码元周期内变化 很快，从而导致信号失真，产生快衰落。反之，当信道的相关时间大于发送信号 的周期时，信道冲激响应的变化要比传送信号码元周期慢得多，也就是慢衰落， 所产生的信号失真相对很小。在慢衰落信道中，可以认为信道参数在一个或者多 个信号码元周期内是恒定不变的。 第二章无线衰落信道的特性和常用信道模型 1 l 二时延扩展( 频率选择性衰落) 在多径传播环境下，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。 时延扩展是用来描述本地信道时间扩散特性的重要参数，时延扩展主要会引 起频率选择性衰落。 信道的平均附加时延为 i f = - 臂乃砰 ( 2 9 ) 则信道的均方根时延扩展为 f ，= r 2 一f ( 2 1 0 ) 相关带宽是用来描述信道传递函数的幅度能够保持恒定的频率范围的宽度， 其与信道的时延扩展有着紧密的联系。频率相关性为9 0 的相关带宽可以近似为： 去 q 小， 当系统带宽大于信道的相关带宽时，系统面临的是一个频率选择性衰落信道， 此时信道的频率响应在整个系统带宽上剧烈变化并且某些深衰落的地方可能出现 零点，从而严重衰减该频率处的信号。相反地，当系统带宽小于信道的相关带宽 是，信道相当于是一条平坦衰落信道。 三角度扩展( 空间选择性衰落) 无线通信中的移动站和基站周围的散射环境不同使得多天线系统中不同位置 的天线经历的衰落不同，从而引起了角度色散，即空间选择性衰落。角度扩展给 出了接收信号主要能量的角度范围，也就是说信号幅值与天线的空间位置有关。 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扩展。同样发 射端的角度扩展指的是有多径的反射和散射引起的发射角展宽。在某些情况下， 路径的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关的。研究表明，角度功率谱一 般服从均匀分布、阶段高斯分布或者截断拉普拉斯分布。 角度扩展定义为角度功率谱的二阶中心距的平方根，即 a = f ( o 一石) 2p ( 8 ) d 9 f p ( o ) d o ( 2 1 2 ) 其中， 万= j c o 日尸( 9 ) d 9 j c op ( 日) d 日( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 2 ) 描述了功率谱在空间上的色散程度。 1 2m i m o o f d m 系统下的信道估计和均衡 相关距离是信道冲激响应保证一定相关度的空间间隔。令相关距离4 是相关 系数为0 5 时的距离，则相关距离为 n ：里旦( 2 1 4 ) c o s 0 在相关距离内，信号经历的衰落具有很大的相关性，可以认为空间传输函数是 平坦的。 2 3 经典信道模型 无线移动通信信道模型作为推动整个无线移动通信发展的关键技术之一，已 经成为无线移动通信研究中的热点，国内外都对它做了大量的研究，并取得了不 少的成果：为了更好的对无线衰落信道进行建模和仿真并评估仿真模型的性能， 经常会涉及到一些经典的信道模型的应用和研究。无线移动通信信道通常是时变 多径的广播信道，由于移动通信系统的性能与散射、反射、绕射引起的多径传播 有直接的联系，因此，这里重点针对小尺度衰落信道建模进行分析。研究信道模 型对人们研究和应用移动衰落信道起着重要的指导作用1 27 。 2 3 1抽头延迟线模型 至今人们已经提出了很多可用于计算机仿真模拟的信道模型，它们都是基于 信道的统计特性提出的。为了简化信道，采用固定多径，也就是说多径的数量在 模型中是假设不变的，从实际测量的数据来看，这种假设并不影响模型信道对数 据的预测。根据每一径的包络服从r a y l e i g h 分布或r i c i a n 分布，相位服从【0 ，丌】之间 均匀分布这一特性，可以用抽头延迟信道模型【2 8 j 来表示多径时变信道，其中每一 个抽头代表的是一个时延相同的多条路径的集合。 图2 2 抽头延迟信道模型 无线移动信道可以用抽头延迟线来实现，如图2 2 ，其中每个抽头的系数都是 时变的。因此信道冲激响应可以写成： 第二章无线衰落信道的特性和常用信道模型 1 3 厅( ，f ) = a ，( t ) e x p ( f l p , ( t ) ) s ( r - r ，) ( 2 一1 5 ) t = i 其中，n 表示的是抽头的总数，4 ( t ) = 口f ( f ) e x p ( 仍( ，) ) 是与时间有关的抽头系数， 并且每个抽头都是由一个多普勒频谱来描述其系数随时间变化的特性，q “) 和 仍( f ) 分别表示的是抽头系数的包络和相位。是输入到第i 个抽头的延迟。不失一 般性，通常可以令l = 0 。 对f ，的选择，有两种可能：一是它们与实际路径的到达时间完全一致：二是它 们等间隔分布，抽头间距a r 由抽样定理来决定。对后者来说，抽头系数一般不是 统计独立的。 如果抽头是等间隔的，且抽头系数被定义为统计独立的，则模型可以进一步 简化。如果存在视距成分，这种模型就称为延迟莱斯衰落模型；如果不存在视 距成分，则称为延迟瑞利衰落模型。对于这种模型，我们通常进一步假设抽头 系数只在远大于传播数据的一个符号周期的时间内才发生改变，也就是说，在传 输