（信号与信息处理专业论文）mimoofdm系统中信道估计的研究.pdf

哈尔滨i ：稗大学硕十学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波传输技术，常用于抗频率选择性衰 落或窄带干扰。多输入多输出天线( m i m o ) 技术可以在不增加带宽的情况 下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率。近年来人们将重点放在了m i m o 技术与o f d m 技术的结合上来，进一步增加了系统的容量，提高了系统的传 输速率，实现在频率选择性衰落信道中提高频谱利用率，并能有效的抵抗多 径衰落和噪声，成为高速无线传输应用的一项关键技术。 本论文研究的是m i m o o f d m 系统的关键技术一信道估计技术，要点 如下： 首先，在讨论无线信道的衰落特性和信道模型的基础上，详细论述了 o f d m 、m i m o 系统的主要原理以及系统组成。并对m i m o o f d m 系统进 行了研究，建立了m i m o o f d m 系统仿真模型。在理想信道状态信息( c s i ) 条件下给出了m i m o o f d m 系统中空时分组编码( s t b c ) 与o f d m 结合的 系统仿真性能曲线。 接着，深入研究了基于训练序列的最小二乘( l s ) 时域估计、l s 频域 估计以及最小均方误差( m m s e ) 估计算法并通过m a t l a b 对这三种算法及其 改进算法进行仿真，验证了改进算法的有效性。 最后，重点研究并改进了基于导频符号的信道估计算法，给出了一种新 的导频插入方式，即在不同符号周期，在不同子载波插入导频。通过在不同 的载波位置插入导频，可以对不同频率位置进行估计，提高算法抗频选的能 力，然后把采用内插计算的结果作为预估计值，再根据信道的具体环境确定 不同的时域加权求和方式( a c e t ) 求出信道估计值。通过在不同多普勒频 移的信道环境下进行仿真，验证了改进算法对系统信道估计精度的提高。 关键词：正交频分复用；多输入多输出；信道估计；训练序列；导频符号 哈尔滨下程大学硕十学侮论文 a b s t r a c t t h eo 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 ) s y s t e mi s a m u l t i c a r r i e rs y s t e ma n du s u a l l yu s e dt or e s i s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n d n a r r o w b a n di n t e r f e r e a n dt h em i m os y s t e mc o u l di m p r o v et h ec a p a c i t yo ft h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n ds p e c t r a lu t i l i z a t i o nr a t i oa td o u b l ei nc a s eo fn o t i n c r e a s i n gb a n d w i d t h r e c e n t l y ，t h em 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 ) s y s t e ma n dt h eo f d ms y s t e ma r ep a i dm o r ea t t e n t i o ni no r d e rt oi n c r e a s et h e s y s t e m i c c a p a c i t yf u r t h e r , r a i s e t h e s y s t e m i c t r a n s m i s s i o nr a t e t h e r e f o r e m i m o o f d ms y s t e mw h i c hb e c o m e sac r u c i a lt e c h n o l o g yo fh i g h d a t a - r a t e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nc a l la c h i e v eh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr e s i s ti n t e r f e r e n c e c a u s e db ym u l t i p a t ha n dn o i s ee f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , c h a n n e le s t i m a t i o no ft h em i m o o f d ms y s t e mh a sb e e n r e s e a r c h e d k e yp o i n t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , b a s e do nt h e b r i e fd i s c u s s i o no ff a d i n gp r o p e r t yo ft h ew i r e l e s s c h a n n e la n dc h a n n e lm o d e l ，t h ec o r ep r i n c i p l e sa n dt h ec o m p o s i t i o no ft h eo f d m a n dm i m os y s t e m sa r ed i s c o u s e dd e t a i l e d l y t h em i m o o f d ms y s t e mi s r e s e a r c h e da n das i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h em i m o o f d ms y s t e mi ss e tu p t h e p r o p e r t yd i a g r a p ho fs p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) o f d ms y s t e m si s s i m u l a t e dw i t hp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) f u r t h e r m o r e t h ep a p e rs t u d i e sd e e p l yo nl e a s ts q u a r e ( l s ) t i m e d o m a i n e s t i m a t i o n ，l sf r e q u e n c y d o m a i ne s t i m a t i o na n dm i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r ( m m s e ) e s t i m a t i o nb a s e do nt h et r a i n i n gs e q u e n c e t h e s et h r e em e t h o d sa n d t h e i ri m p r o v e dm e t h o d sa r es i m u l a t e db ym a t l a b t h ei m p r o v e dm e t h o d sa r e p r o v e de f f e c t i v e l y l a s t l y , p i l o t b a s e d c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sa r em a i n l yr e s e a r c h e d e m p h a t i c a l l y , an e wp a t t e r no fp i l o t i n s e r ti sp r o p o s e d ，t h a ti sp i l o t sa r ei n s e r t e d 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i n t od i f f e r e n tc a r r i e r sa td i f f e r e n tt i m e t h em e t h o dc a ne s t i m a t et h ec s io fa l l f r e q u e n c i e st h r o u g hp i l o t i n s e r ti nd i f f e r e n tc a r r i e r s ，s oi tw i l le n h a n c et h ea b i l i t y t or e s i s t f r e q u e n c e s e l e c t t h e n i t r e g a r d s t h er e s u l t so fi n t e r p o l a t i o na s p r e - e s t i m a t i o n ，a n d t a k e sd i f f e r e n t a v e r a g e d c h a n n e le s t i m a t i o ni nt h e t i m e d o m a i n ( a c e t ) o nd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n st o g e tf i n a lc h a n n e l e s t i m a t i o n f i n a l l y , t h ee n h a n c e m e n to fc h a n n e le s t i m a t i o np r e c i s i o ni sp r o v e db y s i m u l a t i o n si nd i f f e r e n td o p p l e r - f r e q u e n c e s h i t tc h a n n e lm o d e l k e yw o r d s ：o f d m ：m i m o ；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 ：p i l o t s y m b o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公 开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：砷艳捅 日期：彩年弓月弓日 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 引言 在信息化的时代，建立一个高效、可靠、安全的信息网络己成为现代化 社会的首要任务。在各种信息技术中，移动通信在现代通信技术中发挥着越 来越大的作用，由于其传播的开放性及用户的随机移动性已成为信息网络中 不可缺少的组成部分。 移动通信属于无线通信叫的范畴，其特别之处在于：第一，传输链路中 存在以电磁波为载体的空中接口这一重要环节，即所谓的无线连接；第二， 允许用户终端在某一电磁波覆盖范围之内不间断通信并到处移动。以上两个 特点决定了它特有的应用价值和特殊的技术难度。 9 0 年代初，国际电信联盟( 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 t u ) 开始组织研究作为第三代的未来公众移动通信系统，目标是全球统一频段、 统一标准、全球无缝覆盖。目前，第三代移动无线网( 3 g ) 已进入实用化阶 段，并形成了三大主要标准：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a ；它能提 供多种业务，尤其是多媒体和高比特分组数据业务；能在高速移动大范围覆 盖条件下提供至少1 4 4 k b i t s ( 车载移动) ，室外步行3 8 4 k b i t s 的业务和在低 速移动本地覆盖范围条件下提供2 m b i t s 业务。随着移动互联网络的崛起， 用户要求无线传输速率能够达到：1 m 2 m b p s ( 车载快速移动) 、3 6 m b p s ( 步 行) 和1 5 m b p s ( 固定) 。显然3 g 满足不了未来无线通信的要求，于是，有 人提出了4 g 的概念，并充分与i n t e r n e t 技术相结合，互为利用，使之成 为具有广大应用前景的无线移动通信网络，并且在开发新频段的基础上充分 提高频谱效率以满足大容量的通信要求。因此，各种新的高效移动通信技术 已成为研究热点。其中，将正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 一技术与多输入多输出( 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 ) 一技术结合作为继第三代移动通信技术后( 4 g ) 的核心技术之一得 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 到了广泛的重视。 1 2 课题的研究背景和意义 本文的研究重点是m i m o o f d m 系统的信道估计技术。o f d m 技术具 有高频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅可以增加系统容量，更重 要的是它能更好的满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信 息的多媒体业务通过宽频信道高质量的传送出去。但随着频带利用率的进一 步提高，单纯的o f d m 技术并不能完全解决这些问题。在这种背景下，m i m o 技术被人提出并且近年来得到飞速的发展。在占用相同带宽的情况下，使用 m i m o 技术能提高系统性能和数据传输速率。m i m o 系统的空间复用技术能 提高系统的数据传输速率，而空间分集技术能提高系统的性能。因为使用多 信道，几条信道不太可能同时处于深衰落，因此使用m i m o 技术还能提高系 统抗多径衰落的能力。m i m o 和o f d m 技术相结合则具有更大的优势，是一 种非常好的组合。 m i m o o f d m 技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一 起，可以大大提高无线通信中的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落、 抑制干扰和噪声。在实际应用中，为了进一步提高系统的频谱效率， m i m o o f d m 系统通常采用幅度非恒定的调制方式，例如1 6 q a m 等。在这 种情况下，接收端需要信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 才能进 行相干解调，另外，空时编码3 】的译码也需要有精确的c s i 才能完成。因 此，信道估计是m i m o o f d m 系统接收机设计的一项主要任务。 信道估计技术作为获得信道衰落信息的方法，是提高无线数据传输接收 性能的关键技术之一。信道估计技术同时可以提供多用户检测以及空时码解 码等技术所需的关键信息。尤其在无线数据的分组通信中，需要获得每个数 据包历经的信道状态，这使得信道估计成为必不可少的技术。有关 m i m o o f d m 系统中的信道估计已有较多的研究，通常可以分为基于训练序 列的方法、基于导频符号的方法和盲估计方法三类。由于盲估计不需要提前 2 哈尔滨t 秤大学硕十学位论文 在收发机之间传输已知信息，所以对于整个通信系统来说节省了开销；但是 使用盲估计方法时，接收端必须存储大量的接收数据，才能进行处理。这不 仅使得接收端需要开辟很大的缓冲区，而且通信信道必须是慢变的。由于这 些弊端的存在，盲估计算法在移动通信中的应用范围受到了很大的限制。利 用训练序列或导频序列进行辅助的信道估计技术，在m i m o o f d m 系统中得 到了广泛地应用。训练序列，导频序列的插入方式可以从频域方向上插入， 也可以从时域方向上插入，还可以在时域和频域两个方向同时插入。 基于训练序列和导频序列的信道估计面临两个问题。其一，导频信息的 插入间隔和优化设计。其二，选取复杂度较低且性能良好的估计算法。而导 频的排列等因素将直接影响信道估计的准确性，即影响信道估计的均方误差 ( m e a n s q u a r e de r r o r , m s e ) ，并最终影响系统的可靠性。为了接收端更准确 的获得信道的冲激响应，我们有必要讨论最优训练序列和导频序列设计方法。 1 9 9 5 年，j - j v a i ld eb e e k 提出使用基于最小均方误差( m i n i m u m m e a n s q u a r e de r r o r , m m s e ) 准则一的信道估计算法来解决m i m o o f d m 系 统信道估计问题，虽然算法精度很高，但是其涉及到大规模矩阵求逆运算， 而且需要在接收端知道信道的相关性。因此，m m s e 算法并没有得到广泛应 用。19 9 9 年，y e ( g e o f f r e y ) l i 提出一种基于最d - - 乘( l e a s ts q u a r e ，l s ) 准 则一的时域信道估计算法，由于涉及到时频转换和大规模矩阵求逆运算， y e ( g e o f f r e y ) l i 又对其算法提出了改进，采用一种基于重要路径选择的算法， 大大降低了矩阵求逆的规模，因而降低了计算复杂度。2 0 0 2 年，h l a i n gm i n n 一 在其算法基础上，利用o f d m 相邻子载波之间的相关性进一步降低了算法的 复杂度。2 0 0 0 年，w o ng ij e o n 提出了基于l s 准则的频域信道估计一算法， 此算法由于不涉及到时、频域之间的转换，因此，复杂度较低，但其精度不 高。同时文献 3 7 4 0 对基于导频的信道估计算法做了研究，本文将从训练序 列和导频序列两方面针对m i m o o f d m 系统中的信道估计问题进一步研究。 1 3 论文的主要内容及章节安排 3 哈尔滨j i ：程人学硕十学位论文 本文围绕m i m o o f d m 系统的信道估计技术展开研究工作，在这一过程 中，采用理论分析和计算机仿真相结合的方法，验证理论的正确性和实践的 可行性。主要进行了以下几方面的研究工作：介绍了m i m o o f d m 系统信道 估计技术的背景和意义；详细分析了无线信道的特点以及用于理论分析的信 道模型；全面分析了基于训练序列和导频序列的信道估计方法，探讨了导频 信号插入的原则；分析了几种导频形式的特点；深入分析了信道的l s 时域 估计算法和频域估计算法以及m m s e 算法；并在此基础上对训练序列和导频 序列提出了改进方案，在降低算法复杂度和提高估计精度上进行了分析，并 用计算机进行了仿真，得出了改进算法优于已有算法的结论。 本论文正文部分分为五章，各章结构安排如下： 第1 章简要介绍了移动通信的特点及本课题的研究背景及意义。 第2 章介绍了移动无线信道的衰落特性，给出了移动无线信道的计算机 仿真模型。 第3 章分别介绍了o f d m 和m i m o 的基本原理，分析了其技术特点， 并在此基础上介绍了m i m o o f d m 的系统结构，分析了基于o f d m 的空间 复用系统和空时编码o f d m 系统的工作原理及性能特点，最后给出在理想 c s i 情况下系统的性能曲线，指出信道估计是决定系统性能的关键因素之一。 第4 章重点讨论了基于训练序列的信道估计方法，依次研究了 m i m o - o f d m 系统中的l s 时域估计算法，l s 频域估计算法和m m s e 估计 算法，在此基础上分别给出上述算法的改进算法，进一步提高了估计的性能、 降低算法的复杂度，并通过m a t l a b 仿真验证了算法的有效性。 第5 章围绕基于导频符号的信道估计方法展开分析，分析了导频信号的 插入原则，重点研究了m i m o o f d m 系统中的梳状导频估计算法和非导频位 置信道估计的方法，并对非导频位置的信道估计算法根据信道环境的不同， 给出了不同的改进方法。最后通过m a t l a b 仿真对这些算法进行了详尽的 分析。 结论部分总结了全文的内容。 4 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 第2 章无线信道的特征 无线信道的传播模型可分为大尺度( l a r g e s c a l e ) 传播模型和小尺度 ( s m a l l s c a l e ) 传播模型两种。大尺度模型主要用于描述发射机与接收机之 间长距离( 几百或几千米) 上的信号强度变化。小尺度模型主要用于描述短 距离( 几个波长) 或短时间内由多径传播、收发机的移动造成的信号强度相 位的迅速变化。这两种模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，既存 在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。了解这些信道特性对于我们要在频谱资 源有限的信道上，尽可能高质量、大容量传输有用信息起着指导作用。本章 我们首先介绍移动无线信道的衰落特性，然后给出计算机仿真模型。 2 1 移动无线信道的衰落特性 无线信道对信号的反射、折射等造成了衰减，使接受信号的功率减小。 无线信道信号功率的衰减由传输路径的长度、直达信号路径中的障碍情况决 定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。 无线通信中的衰落作用体现在以下3 个方面： 1 路径损耗：当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或数 千米) 变化时，接收信号的平均功率值与信号传播距离d 的n 次方成反比。刀 称为路径损耗指数，l 值的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电 波传播，l 取2 。路径损耗反映了传播在宏观大范围的空间距离上的接收信号 电平均值的变化趋势，见公式( 2 - 1 ) ； 2 阴影衰落：即电波在传输路径上受到建筑物及高山等的阻挡，在这些 障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，引起信号的衰落。 它反映了中等范围内接收信号的损耗，其接收电平的均值变化而产生的损耗 遵从对数正态分布。路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺 度上对传输信号的影响，称之为大尺度衰落。因为这种衰落对信号的影响反 映为信号随传播距离的增加而缓慢起伏变化，所以也称慢衰落，见公式( 2 7 ) ； 哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 3 快衰落损耗：它是由多径传播而产生的衰落，又称为多径衰落。它对 通信质量的影响起主要作用，它可分为以下三类：空间选择性衰落、频率选 择性衰落和时间选择性衰落。它反映微观小范围内接收信号电平的均值变化 而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称为快衰落，也称之为小尺度衰落， 见公式( 2 1 0 ，2 1 1 ) ，如图2 1 所示。 瓣 j。山 删诋 甜芦 加舻俩 i i “瓣碌甜啉 n专y 1 r 矸；7 溅 删 、 肾 l l 1i l 小r 寝囊薷 k 足匿袭 箍 l l 图2 1 小尺度衰落和人尺度衰落示意图 2 1 1 自由空间的路径衰落 在自由空间中，接收天线接收到的信号功率是发射与接收间距离d 的 函数，并服从公式： 删) = 掰 ( 2 - 1 ) 其中，为发射功率；q 和g ，分别为发射天线增益和接收天线增益；l 是与 传播无关的系统损耗因子，三 1 时包括发射衰减、滤波器损耗和天线损耗等， 而l = i 表示通信系统硬件中无任何损耗；五为波长。 天线的增益g 与其有效孔径之间关系如下： g ：竺垒( 2 2 ) 元 天线的有效孔径4 与天线的物理尺寸有关，而波长兄与载波的频率z 的 关系为： 6 o s 0 ，5 0 5 o q o 嘈一q q 喝喵o 蕾_蠢母荽鞯 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 c 九= 一 厂 ，c ( 2 3 ) 式中，丘为载波频率，c 为光速。 当考虑天线增益时，自由空间中路径损耗为： 删) _ l o l g 掰】 ( 2 - 4 ) 当天线增益不计入时，可假定天线具有单位增益，此时路径损耗为： 删h 吣( 等 2 协5 ) 表2 1 不同环境的路径损耗指数 环境路径损耗指数n 自由空间 2 城区( 蜂窝式) 2 7 3 5 城市阴影区( 蜂窝式) 3 5 楼房( 直射) 1 6 1 8 楼房( 被阻塞) 4 - - 6 工厂( 被阻塞) 2 3 以上讨论的是理想的自由空间中电波传播情况。实际中，无论是室内还 是室外无线信道，平均的接收信号功率都随着距离的增加而按对数规律减小， 在距离发射机d 处平均路径损耗可表示为： p l ( d ) = - l o nl g ( d ) ( 2 6 ) 其中路径损耗指数n 取值如表2 1 所示。 2 1 2 阴影衰落 平均路径损耗公式( 2 6 ) 并没有考虑周围环境的杂波在两个具有相同发 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 射和接收距离的不同位置上有可能存在差异。这种差异往往会导致实测的信 号与式( 2 6 ) 预测的平均值大相径庭。大量统计表明，在与发射端相距d 距 离处的路径损失p l ( d ) 是一个服从对数正态分布的随机变量。也就是说，在 距离发射机d 处，如果我们用p l ( d ) 表示按以上路径损耗得到的平均路径损 耗，则实际路径损耗p l ( d ) 是具有以下概率分布函数的随机变量： 肥) = 去e x p 塑等型 协7 ， 其中p l ( d ) 、p l ( d ) 和仃的单位均为d b ，仃的一个典型值约为l o d b 。 2 1 3 小尺度衰落 移动信道环境中，任意时间t 接收的瞬时复信号厂例可以表达为： r ( t ) = 口( f ) p 如( 7 ) ( 2 8 ) 式中，口( f ) 代表接收信号，的包络；步代表，的相位。 瞬时衰落信号的包络a ( t ) 由两个乘性分量吼( f ) 和口，( f ) 表征为： a ( t ) = 吼( f ) 口，( f ) ( 2 - 9 ) 口，( f ) 代表慢衰落，口，( f ) 代表快衰落。 快衰落或短期衰落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。在不存在直射路径( l o s ) 的情况下，通 过多径信道的信号幅度服从r a y l e i g h 分布，其相应的概率密度函数为： 加) ：j 孝e ，腔0 0 ( 2 1 0 ) p ( ，) = 7 。，陀 ( 2 【0 ， ，_ o 此时信道称为瑞利信道。 当存在有直射路径时，由于该路径信号的强度往往比其它路径大的多， 这时通过多径信道的信号幅度将不再是r a y l e i g h 分布，而变成r i c i a n 分布， 其相应的概率密度函数为： 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 舯 警厶( 争庀。 【0 ， r o 式中，参数彳为直射波的最高幅值，厶为修正的零阶第一类b e s s e l 函数，此 时信道称为莱斯信道。r i c i a n 分布用参数k 可以完全刻画，k 称作r i c i a n 因 子，表达式为： 肛1 0 1 0 9 l o 寺( d b ) q 。1 2 ) 二u 显然，若不存在直射路径( 即彳= o ) ，k 趋近于0 0 时，则r i c i a n 概率密 度函数式( 2 1 1 ) 退化为r a y l e i g h 概率密度函数式( 2 1 0 ) 。地面移动通信 信道通常是瑞利信道，在微蜂窝中为莱斯信道。 移动通信中最难克服的就是快衰落引起的时变特性。以下对几种快衰落 分别进行介绍： 1 空间选择性衰落 信号在本地散射体影响下呈现角度上的扩展，导致天线元素之间存在一 定的相关性，这称为空间选择性衰落，常用相干距离来描述。 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是由多径的反射和散射引起的发射角的展宽。在 某些情况下，一路径的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关的。角度 扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落，即信号幅值 与天线的空间位置有关。 相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。 相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，则角度扩展越小。 2 频率选择性衰落 信号的多径传播会导致时延扩展，其结果是发生符号间干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，体现在频域就是频率选择性衰落，即信号在不同频率上遭 受的衰落是不同的。描述无线信道多径效应的两个重要参数是时延扩展 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( d e l a ys p r e a d ) 和相干带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。 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，这就使得接收信号的能量在时间上被扩展了。最大时延扩 展是第1 个到达接收天线的信号分量与最后一个到达的信号分量之间的时间 差。根据不同的定义，时延扩展有最大时延扩展、平均时延扩展f 、均 方根时延扩展仉等多种参数描述方法。一般来说，室内环境下的最大时延扩 展值眦。约为4 0 - 2 0 0 n s ，室外环境下约为1 2 0 9 s 。 相干带宽是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率 范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在 相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。通常，相干带宽近 似于最大多径时延的倒数。 从频域看，如果相干带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接 收信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值得到加强，而 另外一些频率成分的信号的幅值则受到衰减。在这种情况下，信道冲激响应 具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中 包含经历了不同衰减和时延的多径波形的叠加，因而接收信号产生了失真。 频率选择性衰落是由信道对发送信号的时间色散引起的，它导致了数字信号 传输过程中会出现i s i 。 反之，如果多径信道的相干带宽大于发送信号的带宽，则接收信号经历 平坦( f 1 a t ) 衰落，或频率非选择性衰落。在平坦衰落情况下，信道的多径结 构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。但是，多径效应导致信 道增益的起伏，是接收信号的强度会随着时间变化。在平坦衰落信道中，发 送信号带宽的倒数远大于信道的多径时延扩展，因此信道的冲激响应可近似 看作是一个冲激函数。 3 时间选择性衰落 无线信道的时变性是由于发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物 体的运动所引起的。信道的时变性导致时问选择性衰落，表现在信号的频谱 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 被展宽。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。 对于电磁波而言，多普勒频率偏移记为： 厶= 正兰c o s 缈 ( 2 一1 3 ) 其中，兀为接收端检测到的发射机频率的变化量，简称多普勒频移；工是发 射机的载频；v 是发射机与接收机之间的相对速度；缈为移动方向与电波入 射方向的夹角；c 为光速。 相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，接收信号的幅值具有很强 的相关性，即在相干时间内，信道的冲激响应保持不变。相干时间的一种定 义方法为： 互_ 0 4 - 2 3 ( 2 一1 4 ) ，一 其中厶为最大多普勒频移。 2 2 移动无线信道建模 研究移动信道中信号传输技术的第一步工作就是认识移动信道本身的特 性并建立相应的模型。由于移动传播环境的复杂性，不可能建立单一的信道 模型。不同的信道模型都有一定的适用范围。另外，移动信道特性还受到系 统工作频率和移动台运动状况的影响。一般来说，为解决通信系统的设计问 题，必须搞清楚三个问题：无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发 生这些变化的原因；对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统 性能有什么影响；有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。由无线电 信号传播时所遭受的反射、散射等多径效应和通信双方的相对运动引起的多 普勒频移以及信号的带宽超过信道的相干带宽而引起的严重的i s i 等小尺度 的衰落是本文建立信道模型的主体。 多径传播模型是无线信道模型最重要的部分，是信道估计的主要研究对 象，移动通信系统一般都是针对特定的多径传播环境进行设计的。本文主要 哈尔滨i ：程人学硕十学何论文 针对基带信道模型进行研究。假定待发送的基带信号为置( f ) ，发射载波频率 为尼，则发送到信道的信号x ( t ) 可表示为： x ( t ) = r e x 1 ( t ) e x p ( j 2 x f c t ) 】 ( 2 15 ) 则经过可分辨多径信道后的接收信号】，( f ) 可表示为： 】，( f ) = x ( t - r t ) u t ( t - r t ) e x p ( j b t ( t - r t ) ) 7 。1 ( 2 1 6 ) = x ( t - r t ) f l t ( t r 1 ) 其中p a t - r , ) = u o 一乃) e x p ( 办o 一) ) ，l 为可分辨路径数。 因此，等效低通信道的冲激响应可描述为： h ( t ，r ) = f l t ( t ) t 罗( t - r t ) ( 2 一1 7 ) 1 = 1 当多径不可分辨时，式( 2 1 5 ) 的接收信号应建立为连续多径分量的积分形 式： y ( f ) = 口f e x p ( - j 2 7 r f m t c o s o i ) x ( t t ) ( 2 1 8 ) f 其中口，、谚分别为第f 条路径的发射系数、到达方向和移动台运动方向之间 的夹角。 此时信道的等效低通时变冲激响应为： h ( t ，f ) = 口fe x p ( - j 2 x f , t c o s o ) 8 ( t 一f ) ( 2 1 9 ) f 由式( 2 1 9 ) 可见，信道冲激响应的幅度是随机的，因为幅度因子a ( r ，f ) 随时 间的变化而随机变化。而相位变化只与各径的延时有关。从而h ( r ，t ) 是一个 复随机过程。一般地，当媒质具有随机散射特性时h ( r ，f ) 可以建模成零均值 的复随机过程。当还存在固定散射或固定的直射、反射信号时，则可建模成 均值不为零的复随机过程。 以上较为详细分析了由于反射、绕射和散射引起的时延扩展以及由于移 动台运动引起的多普勒频移对接收信号的影响。由于数字无线通信系统的性 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 能在很大程度上受多径传播的影响，而这种影响又是随时间变化的。因此在 性能仿真时，就不能采用确定性的信道模型，而需要寻求合适的随机信道模 型。 最常见的的信道模型是c l a r k e v 6 j 模型，其冲激响应参考模型的数学表达 如下： g ( t ) = g 。( f ) + j g ，( f ) ( 2 2 0 ) f ， 0 g o ( 力2 慌善咖( 2 万f r n t c o s a n + 舶 f ，o g s ( d2 意荟8 i n ( 2 叽t c o s a + 舶 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 其中o 代表谐波个数，厶为最大多普勒频移。 当o 趋于无穷大时，g ( f ) 变为高斯分布，l g ( ，) j 变为瑞利分布。 这种模型能够很好的模拟随机信道的性能，但是由于口。和吮是两个随机 变量给仿真带来了很大的麻烦。所以在实际应用中，人们常用的是j a k e s 模 型的数学表达形式6 1 引如下： “( f ) = u c ( f ) + 办，( f ) ( 2 2 3 ) 厂：m + 1 o 卜慌擎螂喊力( 2 - 2 4 ) 厂： ，。“ o 卜慌善吃c o s 。( 2 - 2 5 ) 其中，m 。代表谐波个数，锡为最大多普勒角频率，n o = 4 m 。+ 2 ， = 2 石厶，且 1 2 c o s 尾刀= 1 ，m o 2 1 压c 。s 风0 + i ，z ：眠+ l n = 1 ，m o n = m o + 1尾哦 n 一强压 l i 以 哈尔滨i ：稃大学硕十学位论文 成= 万，l m o 石 4 2 3 本章小结 n = 1 ，m o 刀= m o + 1 ，z = 1 ，m o 刀= 坂+ 1 移动通信系统的传输性能同其信号经历的信道有非常密切的关系，信号 在移动信道中传输时会受到多径效应、多普勒频移以及路径衰落的影响。本 章主要分析了无线通信信道的基本理论知识，并详细介绍了无线信道中存在 的路径衰落、阴影衰落、小尺度衰落，最后给出无线信道的计算机仿真模型 的理论和方法，并详细介绍了c l a r k e 和j a k e s 信道模型的建模方法。 1 4 万一 ，堡虬 0 d c d 。 = q 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第3 章m i m o o f d m 系统概述 未来通信主要应用到的技术有o f d m 技术、智能天线技术、软件无线电 技术以及m i m o 技术。 m i m o 技术与o f d m 技术相结合的m i m o o f d m ( 多输入多输出一j 下交 频分复用技术) 系统兼具两者的优点。m i m o 技术可以有效地提高系统的容 量，改善系统的性能，还可以显著地提高网络的覆盖范围和传输的可靠性。 而o f d m 技术也因其具有的抗多径时延特性、抗频率选择性衰落以及高频谱 利用率等特点受到了普遍的关注。m i m o o f d m 技术相结合将成为未来移动 通信技术核心的解决方案。m i m o o f d m 系统通过o f d m 调制把频率选择 性衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，并利用m i m o 提高了信道的容 量。 3 1o f d m 系统简介 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制方式，实际上是多载波调制 ( m u l t i - - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 的一种。o f d m 的主要思想是将信道分 成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每 个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这 样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相 关带宽，因此每个子信道上的衰落可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号 间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一部分( 几十分之 一，甚至更少) ，信道均衡变得相对容易，甚至不用信道均衡。为了能够完全 消除i s i ，通常在o f d m 符号中引入保护间隔，最常用的保护间隔是使用符 号的循环前缀，即把符号结尾的一段复制加到符号的起始。由于码元符号是 周期的，保持了子载波间的正交性，减小了载波问干扰( i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) 的影响。只要选取的保护间隔大于信道的最大时延扩展， 就会完全消除i s i 和i c i 的影响。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 1 1o f d m 基本原理 图3 1o f d m 系统原理框图 如图3 1 所示，输入数据信元的速率为r ，经过串并转换后，分成m 个 并行的子数据流，每个子数据流的速率为r m ，在每个子数据流中的若干个 比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如p s k 、q a m 等。m 个并行的子数据信元编码交织后进行i f f t 变换，将频域信号转换到 时域，i f f t 块的输出是个时域的样点，经过并串转换后，再将长为的 循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 加到n 个样点前，形成循环扩展的o f d m 符号， 因此实际发送的o f d m 信元的长度为+ m p ，经过模数转换后发射。接收 端接收到的信号是时域信号，此信号经过d a 转换后移去c p ，如果c p 长度 大于信道的记忆长度时，i s i 仅仅影响c p ，而不影响有用数据，去掉c p 也 就去掉了i s i 的影响。 每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的 调制方式可以选择p s k 或者正交幅度调制q a m 。 设一个o f d m 信号由频率间隔为厂的k 个子载波构成，这样系统的总 带宽b 被分为k 个等间距的子载波，所有子载波在一个间隔长度为t = 1 ( a f ) 的时间内相互正交。假设x 。是调制在各个子载波上的基带信号，k 表示子载 波在该o f d m 内的位置，且k = o ，1 ，k 一1 。同时令正为载波频率，则t = f ， 开始的o f d m 符号可以表示为： 2 j+ t 一 一 瓜 px 川脚上压 = x 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 在很多情况下，通常采用如下的等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： x ( f ) = 面1 铲k - i 2 每) t s t i m ，各态历经的信道容量在一时可以表示为： c = n l 0 9 2 ( 1 4 - j d ) ( 3 1 3 ) 可以看到，各态历经的信道容量随接收天线的数目增长也呈线性增加， 这说明了m i m o 衰落信道里隐藏着较大的容量增益。以上m i m o 系统信道 容量的推导是在假定发送方不了解信道状态时考虑的