（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中信道估计技术及其在80216a80216e中的应用.pdf

南京邮电学院硕 。学位论文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波数字调制技术，虽然o f d m 的概念 已经存在了很长时间，但直到最近，随着多媒体业务的发展，它才被认识到是一 种实现高速无线数据通信的好方法，并被普遍认为是下一代移动通信系统和新一 代宽带无线接入系统中的核心技术。 信道估计是实现o f d m 系统的关键技术。本文主要讨论o f d m 系统中信道 估计方法及其在宽带无线接入( b w a ) 协议i e e e8 0 2 1 6 “8 0 2 1 6 e 中的应用，并 初步讨论了m i m o o f d m 系统中的信道估计。寻求适用的、性能优良且实现简 单的信道估计器是本文的任务。 论文首先介绍了o f d m 技术的基本原理，给出了o f d m 的系统结构并分析 了其优缺点。接下来对无线信道进行了分析，并给出了基于8 0 2 1 6 a 协议的固定 无线信道模型和基于8 0 2 1 6 e 协议的移动无线信道模型。然后研究了目前的一些 导频辅助信道估计方法和些改进方案。之后，将最小二乘( l s ) 、线性最小均 方误差( l m m s e ) 及最大似然( m l ) 等估计方法应用于8 0 2 1 6 a0 f 叫系统，并对 其在s u i 一3 和s u i 一5 信道下的性能分别进行了仿真，比较分析了结果，并得出结 论。接着，采用二维信道估计的方法对8 0 2 1 6 e 系统进行信道估计，讨论了导频 分布及导频能量对估计性能的影响。最后，初步探讨了m i m o o f d m 系统，给出了 一种简单的空时编码，比较了西发两收，两发一收，一发一收的性能差异。 关键词：f 交频分复用，宽带无线接入，信道估计，m i m 0 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 e 最大似然估计，线性最小均方误差估计，维纳滤波 南京邮u 学院坝i j 学位论殳 a b s t r a c t a b s t r a c t o f d mi sak i n do fm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u e i tc a nb ec o n s i d e r e da g o o dt e c h n i q u ef o rh i g hs p e e dw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o nr e c e n t l yt h o u g hi th a sb e t h m u g ho u tf o rs o m et i m e n o wi t i sr e g a r d e da st h ec o r et e c h n i q u eo ft h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n db 3 gs y s t e m s c h a n n e le s t i m a t i o ni sak e yt e c h n i q u ei n0 f d ms y s t e m t h i sp a p e rm a i n l y r e s e a r c h e sc h a n n e le s t i m “o nm e t h o d si no f d ms y s t e ma n dt h e i r 印p l i c a i i o ni n 8 0 2 16 aa n d8 0 2l6 es t a n d a r dc h a l l i l e le s t i m a t i o ni nm i m o - o f d ms y s t e mi sa l s o d i s c u s s e ds i m p l y t h i sp a p e r st a s ki ss e e k i n ge s t i m a t o r sw i t hb e t t e rp e r f b r m a n c ea n d l o w e rc o m p i e x i t y f i r s t l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no fo f d ms y s t e m sa r ei n t r o d u c e d ，t h e s y s t e mc o n s t r u c t i o na n ds y s t e mm o d e la r ed e s c r i b e da n ds o m ek e yp r o b l e m si n o f d ms y s t e m sa r ea l s op u t t e df o r w a r d t h e nw ea n a l y z ew i r e i e s sc h a n n e la 1 1 d e x p r e s s 矗x e da 1 1 dm o b i l ew i r e l e s sc h a n n e lb a s e do ns t a n d a r d a f t e rt h a t ，w em a i n l y d i s c u s sp i l o tb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sw h i c ha r ea l lb a s e do nc h a n n e l c o r r e la t i o ni nt i m ea n df k q u e n c y l s ，l m m s e ，al o w c o m p l e x i t ym l a l g o r i t h m sa r e a p p l i e dt o 8 0 2 16 as y s t e m ，a n dw ec o n l p a r et h e s ea l g o “t h m si ns u i 一3a n ds u i - 5 c h a n n e l s s ow ed r a ws o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s t h e nw ea d o p tt w od i m e n s i o n s c h a n n e le s t i m a t et e c h n i q u e si n8 0 2 ，l6 es y s t e ma n dd i s c u s sp i i o tp a t t e ma n dp i i o t e n e r g y si n f l u e n c e f i n a l l y m i m o o f d ms y s t e mi sb r o u g h tf o r w a r df o ri m p r o v i n g s y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：o f d m b w a c h a n n e le s t j m a t i o n m i m 0 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 e m l l m m s e w i e n e rn l t e r 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 5 2 9 1 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 含为获得南京邮电学院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：睦造日期：墨! 堂： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：睦造导师签名： 南京邮l u 学院坝i ，学位论殳第一常绪论 第一章绪论 1 10 f d m 技术发展和应用现状简述 近年来，以局域网为代表的计算机通信网和以数字蜂窝电话网为代表的移动 通信网大放异彩，在人们生活的各个领域发挥着越来越重要的作用。随着计算机 技术和多媒体技术发展，通信的数据量越来越大，迫切需要具有传输高速数据能 力的通信系统。多载波传输技术中的乖交频分多路复用o f d m ( 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 曲调制作为一种频谱利用率高和抗多径能力强的 通信方式受到重视并且得到了越来越多的应用。 o f d m 是一种多载波传输技术，多载波传输的思想始于5 0 年代，最仞的目 的是克服电话线路中信道特性不理想对信息传输的影响，后来发现此技术在频率 选择性衰落的无线信道中应用也有较好的性能，但是此时多载波系统中子载波频 谱是不重叠的，频谱利用率不高。6 0 年代中期，r w c h a n g i l l 提出利用并行传输 技术将有限带宽的正交信号在信道中传输的技术。由于子信道的信号频谱可以重 叠，所以频谱利用率高，但是此时缺少较好的实现方法，只能通过模拟电路实现， 需要大量的萨交载波和窄带滤波器组，成本高、实现困难，限制了其应用7 0 年 1 月美国公布一项技术专利：f 交频分复用( o f d m ) 。7 1 年由s b w e i n s t e i n 和p m e b e r 提出用d f t 技术实现多载波传输，可以利用数字电路实现信号的正交调制 解调，实现简单、性能稳定，为多载波传输广泛使用奠定了基础。8 0 年代p e i e d 和r u j z 提出在0 f d m 中加循环日f 级的方法，通过去除循环前缀消除o f d m 符 号问的干扰，接收端可以采用结构简单的均衡器对信号进行均衡，被广泛接受为 实现o f d m 系统的形式。 随着对o f d m 技术研究的进展这项技术也得到了r 益1 泛的应用。在无 线通信应用中，欧洲电信标准委员会f e t s i ) 制定的以0 f d m 为核心传输技术的 数字音频视频广播系统( d a b d v b ) 标准己经投入商业使用，大量实验证明它在 瑞利频率选择性衰落信道上性能良好。无线局域网中新的i e e e 8 0 2 1 l a 及 h i 口e r l a n 2 标准中将o f d m 作为其物理层的关键技术在有线通信应用中，1 9 9 3 南京懈也学院颤f 学位论义 第一鼋绪论 年美囡交换载波标准协会通过建议，采用d m t 作为a d s l 的优选线路编码方案， 正交频分复用技术已经应用在高速用户数字线中。 由于o f d m 具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点，成为第三代移动通 信系统c d m a 的后备技术，有可能成为b e y o n d3 g 和新一代宽带无线接入系统 的核心技术，对其研究成为热点。 1 2ie e e8 0 2 1 6 1 6 a 幂口8 0 2 1 6 e 协议 i e e e8 0 2 1 6 协议为第二代无线城域网定义了w i r e l e s s m a n ”空中接口，支 持1 0 一6 6 g h z ( 即传统的l m d s 系统) 的超高频段。该标准描述了一个点到多 点( p m p ：p o i n t t o m u l t i d o i m ) 的固定宽带无线接入系统的空中接口，包括媒体 访问控制( m a c ：m e d i u m a c c e s sc 0 n t m i ) 层和物理层( p h y ：p h y s i c a ll a y e r ) 两大部分。 i e e e8 0 2 1 6 a 协议对i e e e 标准8 0 21 6 进行了修诈，增强了m a c 层的功能 ( 不仅支持p m p 网络结构，还可选用m e s h 拓扑) ，并丌发了新的物理层规范， 直接支持游离和r 益增长的移动用户。协议把空中接口扩展到2 1 l g h z ( 即传统 的m m d s 系统) 的低频段，包括了需要发放牌照的频段和免牌照的工科医( i s m ： 2 4 g h z ) 频段。在这个频段，系统成本更低，用户覆盖范围更大，受阿衰影响 较小。采用新的物理传输技术，系统可以在非视距传输环境下运行，因此能直接 支持慢速移动终端，但速率也相对低些。 8 0 2 1 6 a 为物理层定义了三种传输标准：一是基于单载波调制技术的单载波 系统w i r e l e s s m a n s c ；二是基于采用2 5 6 个子载波的o f d m 调制技术的多载波 系统w i r e l e s s m a n o f d m ，主要用于5 6 g h z 的免牌照频段，称为无线高速免牌 照城域网( w i r e l e s s h u m a n ：w i f e l e s sh i g h s p e e du 州c e n s e dm e t r o p o j i t a na 陀a n e t w o r k s ) ；三是采用2 0 4 8 个子载波的多址技术w i r e l e s s m a n o f d m a 。8 0 2 1 6 a 的m a c 层采用基于动态t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u i t i p l e x i n g a c c e s s ：时分多址) 的协议，支持按不同业务等级( 如语音和视频应用) 按需分配带宽，从而可以保 证一定的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ：服务质量) 。 本文将重点讨论8 0 2 1 6 a 中最重要的一种物理层标准：即基于o f d m 调制技 术的多载波系统。该系统采用了很多高效的物理层技术，如自适应调制、自适应 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 比特和功率分配，允许在信道传输情况较好的子载波上分配更少的功率和采用更 高效的调制技术，而在信道传输情况较为恶劣的子载波上分配更多的功率和采用 效率较低的调制技术：高性能的前向纠错编码技术( 如性能接近s h a n n o n 极限的 1 b o 码) ，以增加冗余度来换取误码率的降低：波束成形和采用多根天线的多 入多出( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm l l l t i p l eo u t p u t ) 技术，改善了系统的非视距性 能，扩大了系统的覆盖范围，增大了系统容量。 i e e e8 0 2 1 6 a 标准是一项全新的无线城域网技术，它能解决8 0 2 1 1 节点至互 联网和校园网的连接，并可作为线缆和数字用户环路( d s l ：d i g i t a ls u b s c r i b e r l o o 口) 的无线扩展技术，从而实现最后一英里宽带接入。从技术上看，8 0 2 1 6 a 具有以下独特的优势：频谱效率高达5 b i “s h z ：能提供最远5 0 公罩的业务覆盖 范围：最大速率为每扇区高达7 0 m b p s ，每个基站最多6 个扇区：具有同时传输 数据、语音和视频的能力，以及对远距离阻挡物( 如墙壁和树之类) 很强的穿透 能力：可同时支持数以百计的t l e l 型高端商业用户和数以千计的d s l 型家庭 用户的高速无线宽带连接，因此完全可以适应用户的不同需求。 为了推广遵循i e e e8 0 2 1 6 a ，由全球一些主要的宽带无线接入设备厂商及芯 片制造商共同成立了一个非盈利工业贸易联盟组织w i m a x ( w b r | d i m e m p e r a b i l i t y f o r m i c r o w a v e a c c e s s ，全球微波接入互操作性) ，作为8 0 2 1 6 a 的 官方组织，其目标是帮助推广和认证i e e e8 0 2 1 6 a 设备的兼容性和互用性，定义 和进行互操作性测试。 8 0 2 1 6 e 作为8 0 2 16 1 6 a 的增补方案，在2 6 g h z 频段支持终端以机动车辆 速度移动，从而实现了一个支持固定宽带无线接入与移动宽带无线接入的混合式 系统。它的目的是在现有标准为终端固定的基础上增加终端的有限的移动能力， 真正的移动性将在i e e e8 0 2 2 0 的移动宽带无线接入( m b w a ：m o b i l eb r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ) 系统中充分地展现出来。8 0 2 j 6 e 考虑到了系统本身的移动性优 势和用户对业务移动性的需求，填补了高速率但不支持移动性的系统如w l a n 和高移动性但不支持高速率的系统如u m t s ( 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 s y s t e m ：通用移动通信系统) 之间的空白。 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 1 3 本论文的内容安排 本论文的主要工作是研究0 f d m 系统中的信道估计方法，并将之应用于 8 0 2 1 6 a 及8 0 2 1 6 e 协议中，另外初步研究了m i m o o f d m 系统中的信道估计。 本文的主要任务是提出适用的，性能良好且实现简单的信道估计方法。具体内容 安排如下： 第一章简单介绍了o f d m 技术及8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 e 协议。 第二章介绍了o f d m 的系统结构，数学表达以及循环前缀，参数选择，o f d m 技术的优缺点等等。 第三章介绍了无线信道的建模以及8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 e 的信道模型。 第四章着重研究了目前提出的一些导频辅助的信道估计方法。 第五章把一些信道估计方法应用于8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 e 中，并进行系统仿真 和性能分析。 第六章初步研究了m i m o o f d m 系统及其信道估计方法，比较了m i m o 与 s i s 0 的性能差异。 第七章总结全文的工作，提出系统性能改进的方向及需要进一步研究的0 f d m 信道估计技术。 南京邮电学院硕士学位论文第二苹o f d m 系统介绍 第二章0 f d m 系统介绍 0 f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。它利用频分复用( f d m ： 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 ) 的原理从而允许多个信息在一条无线信道上传 输。传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行数 据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由于各个子载波之间 相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的f d m 系统相比较，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波数很大时，系统的频谱利用率趋于 2 b a u d ，h z 。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思 想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载 波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，通过把高速的串行数据流转换为低 速的并行数据流，就将总的信道的频率选择性转化为每个子信道相对平坦的效 果，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干带宽，因此就 可以大大消除信号波形间的干扰。由于在0 f d m 系统中各个子信道的载波相互 正交，因此它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同 时又提高了频谱利用率。 2 10 f d m 的系统组成 在早期的连续时间的o f d m 系统中，对形成o f d m 信号的信号源一般用p s k 或q a m 方式进行调制，信号可表示为同相分量和f 交分量。将串行输入的信号 流拆分成n 路并行信号，用每一路子信号调制一路子载波。最后，将n 路调制 信号叠加起来发送出去。接收机的步骤基本上是发射机的逆过程。但由于数字信 号处理技术和集成电路技术的发展，现在实际上的应用方式并不是在发射端产生 数目众多的载波( 这样做使得发射机成本昂贵且结构复杂) ，而是使用离散傅立 叶变换( d f t ) 来实现多载波调制，其中完成i d f t d f t 的模块即可看作多载 波调制解调模块。 一个基于导频的o f d m 基带系统的组成如图2 一l 所示。首先，对输入的二进 南京邮电学院硕士学位论文 第二章o f d m 系统介绍 制信息比特流进行基带调制，如q p s k 、1 6 q a m 调制。经过串并( s p ) 变换，并 插入一定数目的导频后，调制信号 x ( 女) ) 被送入i f f t 处理器，转变为信号 x ( n ) ) ： 一l x ( n ) ；i d f t 彳( t ) = x ( 七) p 2 “，n = o ，1 ，一l ( 2 1 ) 其中为子载波数。插入长度为上的c p 后变为： k c 一，= “三三? ：二i i | j - 1 1 cz z ， 锢倒班一机， 锢世曼一， 坳) ：艺 。m 品刚叫 ( 2 4 ) 其中，r 为多径数一是第f 径的复脉冲响应，厶是第f 径的多普勒频移 它引起了接收信号的i c i ，丑是时延扩展系数，r 是第f 径的时延被采样时问归 一化的值。从炸( 月) 中去除c p 得到的y ( 疗) 经过f f t 后得到 l ，( 七) = 。f t 似枷= 专篓_ y ( 咖1 2 “，七= 0 l ，一l ( 2 5 ) 假设c p 的长度大于信道脉冲响应的长度，则无i s i 存在，y ( 七) 可以表示为 6 南京邮电学院硕士学位论文 第二章o f d m 系统介宝开 y ( 七) = x ( 七) ( 七) + ，( ) + ( 七) ，i = o ，1 ，一，一1 ( 2 6 ) 其中，h ( 女) 是信道脉冲响应的傅立叶变换，( 七) 是多普勒频移引起的i c i ， 矿( t ) 为w ( ) 的傅立叶变换，且： 一耖崛7 警e 奇。 z ， ，c m ，= 专萎萎 x c 世，篱等 c2 一s ， 这之后再经信道估计、基带解调等，就可以恢复出发送的信息比特流。当然， 在实际中，为了进一步提高系统性能，通常还将增加交织和信道编解码等功能模 块。 在式( 2 6 ) 中，假设无i c i ，则： y ( t ) = r ( 女) h ( 七) + 缈( t ) ( 2 9 ) 可以看出，整个系统模型可视为图2 2 所示的一组相干衰减并行高斯信道模 型，下文中的分析均是建立在此模型基础上的。 + r ( o ) + _ 争+ y ( o ) 掣；1 ) ( 1 ) - o + o - ) ： 州乍”州7 。1 ： x ( 一1 ) 斗区卜+ 饪卜+ y ( ，一1 ) 2 20 f d m 的数学表达 o f d m 实际上是一种频分复用方式，由一系列在频率上等间隔的子载波构成。 每个载波可以用复数表示为： 疋( f ) = 爿。( f ) 8 帆“1 ( 2 一lo ) s 。( f ) 的实部就是真实的信号。一。( ，) 与。( ，) 是载波的幅度和相位，会随符号的不 同而变化，但是在一个符号间隔f 中保持不变。 因为0 f d m 包含多个载波所以复数信号可以表示为： 南京邮电学院硕士学位论文 第二章o f d m 系统介绍 s ，( ，) = 专爿。( f ) e 儿”俐 ( 2 1 1 ) yn = l 这里，w 。= w o + 以w 这是一个连续的信号，如果我们考虑信号的参数在一个符号间隔内不变，那 么变量爿。( f ) 和。( ，) 为恒定值，信号仅与载波频率有关。所以可写为： 4 。( f ) = 爿 ， 妒( f ) = 妒。 ( 2 1 2 ) 如果信号以采样频率圭采样，那么得到的信号可以表示为： s ，( 女r ) = 寺p “”吨1 ( 2 - 1 3 ) v h = l 如果在一个符号间隔内采样，那么存在以下关系：f = 7 。这样就可以简 化( 2 1 3 ) 式。设w 。= o ，则可得到的信号表达式为： 蹦打) _ 专善印聃p m 汜。1 4 将( 2 1 4 ) 与i d f t 的表达式比较： 舯= 专篓g c 瞳m 爿p 脯是采样在频率域的信号的定义，而s ( r ) 是时域的表达，那么当下式 成立时，( 2 1 4 ) 与( 2 一1 5 ) 式相等。 ， ：竺：上：三( 2 一1 6 ) 。 2 万? 。f 上式同时也是保持f 交性的条件。因此，一系列保持f 交性的0 f d m 信号可 以用傅立叶变换来定义。 设o f d m 系统共有个子载波，其频率分别为厶，z ，厶由于它们之 间限定为相互正交，因此满足如下关系： = ：+ 七r ，七= o ，l ，j 一i ( 2 一1 7 ) 其中，：- 是最低的使用频率，f 为o f d m 符号间隔。从( 2 - 1 7 ) 式可以看 出，在一个0 f d m 符号间隔r 内各个子载波恰好都有整数个周期，而且各个相 邻的子载波之间相差一个周期。这个特性如图2 3 所示： 南京邮电学院硕士学位论文第二章0 f d m 系统介绍 图2 3 一个0 f d m 符号内包含四个子载波的例子 这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即 亭h 荆唧荆出= 怯：i ：( 2 _ 1 8 ) 这种正交性还可以从频域角度解释 2 】：每个o f d m 符号在其周期f 内包含多个 非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与一组位于各 个子载波频率上的j 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( 弦) 函数，这种函 数的零点出现在频率为1 f 整数倍的位置上。这种现象如图2 4 所示，图中给出 了相互覆盖的各个子信道通过矩形波形相乘得到符号的正弦函数频谱。在每个子 载波频谱最大值处，所有其他子载波的频谱值恰好为o 。由于在对0 f d m 符号 进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频谱的最大值，因此 可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每个子信道符号，而不会受到其他子信 道的干扰。从图2 4 可以看出，0 f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则， 即多个子信道频谱之间不存在相互干扰，其实这是该准则在频域中的表达形式。 图2 40 f 叫符号频谱 9 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 系统介绍 刁专： 实际系统中连续传输的o f d m 基带信号其时频域波形如图2 5 和图2 6 所 名 量 量 图2 - 5o f 删基带信号的时域波形 图2 6o f d m 基带信号的频谱 2 3 保护间隔和循环前缀 使用o f d m 技术最重要的原因之一就是它抗多径时延扩散的能力强。为了消 除码间干扰i s i ，在每个o f d m 码元中引入了保护间隔g i ( g u a r di n t e r v a l ) 。 只要g i 大于最大可能的时延扩散，一个码元的多径分量就不会影响到另一个码 元。从图2 7 中可以清楚的看出保护间隔的思想。其中，瓦是f f t 周期，即码 元周期，l 为保护间隔，t 为码元间隔，它们之间的关系满足： 1 0 南京邮电学院硕l ：学位论文 第一章o f d m 系统介绍 r = 瓦+ t ( 2 1 9 ) 幽2 7 保护蚓隔科l 硝纠、前掰 保护间隔可以不包含任何信号，但是这样会产生载波间干扰i c i ，破坏子 载波间的正交性。为了消除i c i ，o f d m 码元在保护间隔中被周期扩展。具体来 说，就是把o f d m 码元时域上信号波形的后面一段复制到最前面形成保护间隔即 循环前缀c p ( c y l i cp r e f ix ) ，这样就保证了在f f t 周期中，延迟的o f d m 码元 总是有整数个周期，通过f f t 后即可消除。可见，只要多径延迟小于保护间隔 就不会引起i c i ，这一点同样可以从图2 7 中石出。 图2 7 中展示了多径信道中三个分离的子载波。现实中。一个0 f d m 接收机 只会看到这些信号的总和。假设o f d m 的子载波是用b p s k 调制的，那么在符号 的边界将可能会有1 8 0 0 的相位跳变，对于多径分量，相位跳变会发生在一定时延 之后。如果最大多径时延小于保护时蚓，在f f t 间隔中就没有相位的跳变。因 此，一个0 f d m 接收机只“看到”纯的f 弦波的总和以及些相位偏移。这种累 加并不影响子载波之间的f 交性，仅仅是在子载波之| b j 引入了不同的相位偏移。 如果多径时延大于保护时日j 就将破坏子载波之问的诈交性。在这种情况下，延时 后的路径的相位偏移将会落在接收机f f t 的i 日j 隔内。第一个路径的f 弦波和时 延信道的相位调制的波形的总和将不再产生纯的正弦波因此将会产生一定程度 的干扰。 但是，循环前缀的加入也给系统带来了一定的性能损失。首先，系统损失了 南京邮电学院硕士学位论文 第二章o f d m 系统介绍 一定的能量，能量的工，( + ) 被用来传送循环前缀，而循环前缀在接收端解调 时是被删除不用的。其次，循环前缀降低了系统的有效带宽利用率，使得系统的 带宽利用率降为原来的“工+ ) 。 虽然循环前缀对系统造成了一定的性能损失，但与其带来的好处相比，这点 损失是可以允许的。一般的系统中，三要控制在v 的2 0 之内。 2 40 f d m 参数选择 0 f d m 参数的选择需要对多项要求进行折衷考虑。通常，首先要确定的是 三个参数：带宽、比特速率和时延扩展。其中，时延扩展直接决定保护间隔即 c p 的长度，一般情况下，c p 的长度应该为时延扩展均方根值的2 4 倍。 一旦确定了c p 长度，符号周期长度就可以固定。为了最大限度地减少由 于插入c p 带来的信噪比的损失，希望o f d m 符号周期长度要远远大于c p 长度。 但是符号周期长度又不可能任意大，否则就意味着o f d m 系统要包含更多的子 载波，从而导致子载波间隔响应减少，增加系统的实现复杂度，同时还会加大系 统的峰值平均功率 e ( p a p r ：p e a kt 0a v e r 矩ep o 、e rr a t i o )，并且使系统对频 率偏差更加敏感。因此在实际应用中，一般符号周期长度是c p 长度的5 倍，这 样由于插入保护比特所造成的信噪比损失只有1 d b 左右。 在确定了符号周期和保护间隔以后，子载波的数量可以直接利用3 d b 带宽 除以子载波间隔( 即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数) 得到，也可以利用系 统所要求的比特率除以每个子信道的比特率来确定子载波的数量。每个信道中所 传输的比特速率可以由调制类型、编码速率和符号速率来确定。 另一个影响参数选择的问题就是要求在f f t ，l f f t 运算时间内和符号间隔内 的采样数量必须是整数。 2 5o f d m 技术的优缺点 0 f 叫调制的优点主要体现在以下几个方面： 第一，子信道信号频谱重叠，有效的利用了频谱。在信道特性以知时，可以 采用动态比特分配技术，各子信道功率分配遵循信息论中的“注水定理”，即优 南京邮电学院硕 + 学位论文第二章o f d m 系统介绍 质子信道采用多进制调制，差的子信道采用低进制调制，充分利用优质信道，进 一步提高数据传输速率。 第二，0 f d m 系统采用循环前缀，消除了符号间干扰i s i ，使o f d m 系统抵抗 由于多径传播照成的频率选择性衰落的能力增强。 第三，当信道的频率选择性使得某些子信道信号的衰落较深，或信道中存在 窄带干扰时，信道的不理想只影响部分子信道的信号，可以采用编码与交织技术 提高o f d m 系统抗衰落的性能。 第四，o f d m 信号的解调是在o f d m 符号时间内的积分，所以0 f d m 系统对宽 带脉冲干扰的抵抗能力比单载波系统大得多，提交c c i t t 的测试报告表明，能引 起多载波系统发生错误的脉冲噪声的门限电平比单载波系统高l l d b 。 o f d m 调制也存在缺点，主要体现在以下几方面： 第一，0 f d m 系统各子信道的中心频率间隔很近，各子信道间的频潜有重叠， 当存在频偏时，子信道信号问将互相干扰，与一般的多载波系统相比，0 f d m 系 统对频率偏移更敏感。 第二，o f d m 系统调制信号是多个单载波信号的叠加，信号的动态范围很大， 峰值功率与平均功率的比值大于单载波系统，因此要求r f 放大器有较大的线性 工作范围，否则r f 放大器的非线性作用将对信号产生附加的调制，破坏信号的 正交性，产生信号问的相互干扰。 南京邮电学院硕j 学位论文第三章无线信道分析及建模 第三章无线信道分析及建模 本章在深入分析无线信道特点的基础上，给出了本文后续章节中所使用的 o f d m 系统的信道模型。 3 1 无线信道的特点 3 1 1 信道决定通信系统的结构 确定一个通信系统，首先必须分析该通信系统的信道特征。之所以需要对信 道特征进行分析和建模，一方面因为信道特征决定了信道的容量 3 ，也即单位 功率所能达到的最大传输速率，另一方面，通信系统中的编解码、调制解调和各 种接收技术等通信模块都是针对特定的信道特征来进行设计的。所以无线信道 的特征分析和相应数学模型的建立对进一步的研究和仿真非常重要，是研究和开 发通信系统的首要问题。 在理论研究方面，数学模型是对客观通信系统中各种因素之间关系的一般反 映，也是人们以数学方式认识和描述通信系统的最基本的形式 4 。现代移动通 信系统是一个十分复杂的工程系统，是很多技术模块的组合。由于技术的复杂性， 在现代移动通信技术中，普遍采用计算机仿真技术来进行系统分析和设计 5 。 只有建立了工程问题的数学模型，才能通过计算机进行描述和仿真，达到对系统 分析和检验的目的。 当然，由于移动通信系统的复杂性，直接建立一个完全意义上的数学模型是 相当复杂的。因此，通常建立系统的数学分析模型，都是在一系列假设条件之下， 针对主要考察因素来给出通信系统中变量关系的数学描述。然后通过仿真，进一 步论证每个方案的可行性，还可以在多个方案之间进行性能比较。 无线信道是对无线通信中发送端和接收端之间的电波传送通路的一种描述， 对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端之间，并没有一个有形的连接媒体， 而且由于电波传播的反射等特性，它的传播路径也有可能不只一条，通常为了形 1 4 南京邮电学院硕士学位论文第三章无线信道分析及建模 象地描述发送端与接收端之间的链路，可以想象两者之间有一个看不见的通路链 接，称之为无线信道。如图3 1 所示，移动台和基站之间就是通过无线信道进行 通信的。无线电波在无线信道中担任媒介角色，无线通信通过把待传送的信息加 载到无线电波上进行信息传输。 丘f-矿。i三， -j l n l i i 1 1 厶 移动舍( ) 3 1 2 无线信道分析 罄动交授- i 心( 瞄c ) 图3 一l 移动通信系统示意图 移动通信使用一定频率的无线电波进行通信，而且随着无线通信的发展，频 率的使用也越来越优化，现在移动通信的频率范围在甚高频( v h f ) 、超高频( u h f ) 的范围，这些频段的传播方式受地形地物影响很大。 由于电磁波传播时的反射、散射和绕射等原因，空间传播环境( 如地形地貌、 树木房屋、空间悬浮物和其它阻挡物等) 的复杂性将对电磁波的传播将产生复杂 的影响。从大尺度( 收发信机之间的一般距离) 意义上，电磁波主要经历自由空 间路径损耗、阴影衰落等变化比较缓慢的衰落因素的影响。由于大尺度传播模型 与本文研究问题无关，在此就不作介绍，详细的分析与建模可以参考 6 7 等。 本章重点讨论小尺度衰落的特点及模型。 所谓小尺度衰落，是指无线信号在很短的传播时间或距离内有很大的幅度衰 落，而且这种衰落的程度和影响远远大于由于传播损耗和阴影衰落等原因引起的 大尺度衰落。小尺度衰落主要由以下几个方面引起：d o p p l e r 效应造成的频率偏 移、多径传播引起的时延扩展、环境因素的急速变化导致的信号强度突然改变、 信号带宽大于无线信道的相干带宽时出现的频率选择性衰落 1 d o p p i e r 效应 _ 1 u 南京邮电学院硕士学位论文 第三章无线信道分析及建模 由于移动台的不断运动，当达到一定速度时，固定点接收到的载波频率将随 运动速度的不同，产生不同的频移，也就是说频率发生了变化和偏移，通常把这 种现象称为d o p p l e r 效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远 离基站时，频率变低，这就好象对信号又进行了一次频谱的搬移，因此，d o p p l e r 频移实质上是一种非人为的频率调制。 而且处于无线信道中物体的运动也会引起时变的d o p p l e r 频移。如信号反射 面发生移动时，也相当于收发端之间有相对移动。当环境物体的速度足够大时， 该运动物体将对小尺度衰落起重要作用。 移动台与接收机之间的相对运动引起的d o p p l e r 频移可由公式( 3 一1 ) 来表 示： 厶= c o s 口 ( 3 一1 ) l 其中，v 表示移动台的移动速度， 表示载波波长，口为速度方向与收发端径向 之间的夹角。由公式( 3 2 ) ，可以容易地得到最大d o p p l e r 频移： 厶= m a x 抗) = ( 3 2 ) 容易看出，当移动台向接收端移动时，d o p p l e r 频移为正，反之为负。 若假设各个方向到接收端的入射角口( 一万，万) 是均匀分布的，则接收信号的 功率谱密度为： 跗，= 斗2 ，2 一一珊厶c 。一s ， 其中，正是载波频率，只。是各向同性天线接收到的平均功率，此式即是c l a s s i c 谱 6 。可见信号的功率谱被扩展到( 丘一厶，正+ 厶) 去了。 由于移动台与基站之间的相对运动及多信道环境物体的运动造成信道的时 变特性，导致在无线数字通信中，接收端每过一段时自j 即要对信道进行估计，以 捕获信道的时变信息，从而郎时调整接收端的信道模型参数，提高相关接收的性 能。一般采用相关时间的概念来表征信道参数基本维持不变的时间间隔的。相关 时间定义为： 瓦“l ，丘 ( 3 4 ) 在相关时间间隔内，信道具有很强的相关性，若基带信号的带宽远大于最大 1 6 南京邮电学院硕士学位论文第三章无线信道分析及建模 d o p p l e r 频移，则信号的时域宽度远小于相干时间，由时域卷积知识易知，信号 脉冲近似卷上一个常数信号，因此接收机接收到的信号在一个符号周期内变化不 大，可以认为一个符号内的传输不受d o p p l e r 频移的影响。这就为信道估计提供 了基础，关于信道估计的讨论，将在本章后面进行详细的分析讨论。 2 多径效应 一般情况下，移动通信系统多建于大中城市的市区，在这种移动信道环境中， 由于城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异，使得移动通信传播路 径较直视的无线通信更复杂，信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径而 来的众多反射波的合成，由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的 捌3 2 移动信遭多径模型不惹幽 反射波到达时间不同，相位也就不同，不同相位的多个信号在接收端迭加，有时 迭加而互相加强( 方向相同) ，有时迭加而相互减弱( 方向相反) 。因此，接收端 信号的幅度将会随机地急剧变化。多径特性是移动信道的最主要特点。当发送端 发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，称 之为时延扩展。信道的多径时延扩展的倒数可近似地定义为信道的相干带宽： 乙= l c ( 3 5 ) 由图3 3 可以看出，当信号的带宽比相干带宽f 小时，信道对信号的所有频谱 分量有大体相同的衰落影响，即信号的所有频率分量在信道内的衰落是一致的， 信号波形不会产生失真，信道表现为频率非选择性( 平坦) 衰落( 信号的时域宽 度远大于多径时延扩展，时延扩展区间内散落着若干个无法分辨的多径，多径信 号之间的相位差很小，只要信号的自相关特性比较理想，信号的形状不会有明显 的变化，从而基本保持其原始的谱特性) ；反之，当信号的带宽比相干带宽只大 1 7 南京邮电学院硕士学位论文 第三章无线信道分析及建模 时，信道对频率间隔大于c 的信号频谱处的衰落是不相干的，有的频率分量衰 顿率选择性顿串棼选择性 图3 3 频率选择性衰落不惹图 减大，有的频率分量衰减小，信号波形将产生严重失真，信道表现为频率选择性 的( 信号的时域宽度小于多径时延扩展，时延扩展区间内散落着若干个多径，而 且其中必定有一部分多径表现为可以分离的情形，多径信号到达的相位差可以取 到 o ，2 万) 的任意值，相位差为1 8 0 0 的多径信号对的对消将引起严重的衰落，从而 信道使信号严重失真) 。在实用中，频域均衡和多载波技术可以补偿或克服频率 选择性衰落。 3 信道衰落的分类 由上述可知，当信号通过移动无线信道传播时，其衰落类型取决于发送信号 特性及信道特性。信号参数( 如带宽、符号间隔等) 与信道参数( 如均方根时延 扩展和多普勒扩展) 决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。移动无线信 躁 匪 曲 啦 心 坦 幽 瓤 ee 平坦慢衰落平坦快衰落 频率选