（信号与信息处理专业论文）高速无线传输系统中的多级相关补偿方法.pdf

摘要 题名：高速咒线传输系统中的多级相关补偿方法 研究生姓名：顾颖 导师姓名；獭伟教授 学位授予擎德：东南大学 第遥找移动邋徨是葱囱2 0 1 0 年以后的移动通信系统，窀具有以移动数摆鞭务为主、 传输速率这翻l o o m b p s 、发莉功率眈现存移动逶信系统降低1 0 一1 0 0 镶、采爱多天线戏 分布式天线的系统结构、支持熙为丰富的移动通信业务蒋特征。第四代移动通信殿与 i m t 一2 0 0 0 以及增强型3 g 标准材本质性的区别，因此多天线阵发送和接收、o f d m 和混台 多缓接入、蠡适应镶剿帮编褐、联合检测等羧是复杂豹技术将获褥盛燃。 本论文在此背景下，结合东南大学移动邋信国家重点实验室承担的“8 6 3 ”f u t u r e 研究计划，“广义多载波时分双工混合多址蜂窝移动通信传输技术”，选择了多用户梭测 乍必 i 究方自，i 美裹逮分组无线数握黄簸为乎台，针对多级耀关害 偿冀法，进行了较为 深入的研究并骰了计算机仿真。 c d m a 系统容髓及通信质鬣主要受限于多址干扰，当远近效应存秘的时候，系统性 能会大蝠下海。鼹统的r a k e 接收掇在多径分集合并的同辩，把多址于挽当孛# 噪声处溅， 使系统容量受到黻翻。鸯s 。v e r d u 等人提窭袋优多瘸户裣溺器醵来，诲多学者作了大蹩 的研究，提出了备种改进算法。这当中，并哥亍干扰抵消怒较为实用的种，我们在此基 础上加以改进，对多级相关补偿算法做了些研究。 本文蓄宠在1 发4 毂豹多天线系统环境下，研究了二维空醚努集合弊静r a k e 接浚 机性能，然后进步在二维分集合并之后级连多级相关补偿，改善了系统性能。络台 g m c 仰dx d m a 系统的基带模烈和时隙结构，本文建立了上行链路分集接收联合检测的 分毒厅模型。在瀑惩缀提毫兹对羧牧售号进行d f t 域单点均蟹检溺豹基磷上，本文对予簌 单点均衡之后级涟相关补偿的箨法进行了研究，得到不同率速、不同辩隙结构、不同级 连级数和不同天线分集数下的性能曲线图，对实际系统的设计有指导意义。 关镳词：多址干扰并行干扰抵消相关补偿分集念并联合检铡 a b s t r a c t m u l t i 。s t a g ec o r r e l a t i o nc o m p e n s a t i o n a l g o r i t h m i n h i g h r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m c a n d i d a t e ：g uy i n g s u p e r v i s o r ：p r o f h e n gw e i s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h ef o u r t hg 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 mo r i e n t st oe o m m u n i c a t i o n sa f t e r 筠1 0 i ti sw i t ht h ec h n r a c t e r i 爨c ss u c ha sh i g ht r a n s m i s s i o nr a t eu p t o1 0 0 m b p s d e a l i n g 旗氇 w i r e l e s sd a t as e r v i c e 1 0 w e rt r a n s m i t t i n gp o w e r a so n et e n t ht oo n eh u n d r e d t ha s 氇辩o ft h e p r e s e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n de m p l o y i n gt h es t r u c t u r eo f m u k i p l ea n t e n n a so r d i s t r i b u t e da n t e n n a s ，s u p p o r t i n gm o r ek i n d so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，4 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms h o u l d _ b ed i f & r e n tt ot h ee n h a n c e d3 gs t a n d a r d ，i nw h i c hs o n i c c o m p l e xt e c h n i q u e ss u c h 鑫sm u l t i p l e a n t e n n at r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g + o f d m a n dh y b r i d m u l t i a c c e s s a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n ga n di o i n td e t e c t i o n w i l lb e a d o p t e d u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h es u b j e c to ft h i st h e s i sf o c u s e so nm u l t i u s e rd e t e c t i o nb a s e d o n8 6 3 f u t r u 嚣p r o j e c tg e n e r a l i z e dm u h i - c a r r 趣r t i m e 蚤i v i s i o nd u p l e xx - d i v i s i o n m u l t i p l e - a c c e s s ( g m c t d d 喂d 狱a ，c e l l u l a rm o b i i e 脚搿搬瓣l 鼯a t i o nt r a n s m i s s i o n 稼霸n o l o g y w h i c hi sb e i n gr e s e a r c h e db vn a t i o n a tc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r yo fs o u t h e a s t u n i v e r s i t y o nt h ep l a t f o r mo f w i r e l e s sh i 窟hr a t ep a c k e tt r a n s m i s s i o n ，w eh a v ed o n ed e t a i l e d r e s e a r c ha n d p e r f o r m e d s o m es i m u l a t i o n + 麓e c a p a c i t y a n d 镪eq u a i l t yo fs e r v i c eo fc d m a s y s t e ma l em a i n l yl i m i t e db y m u l t i - a c c e s s i n t e r f e r e n c e ( m a i ) 。n e a r - f a re f f e e l a r g e l yd e g r a d e ss y s t e mp e r f o r m a n c e 。 t r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e rt r e a t sm a la sn o i s ew h e nc o m b i n i n g m u l t i p a t hs i g n a l c o m p o n e n t st h u sl i m i t st h ec a p a c i t y m a n ys c h o l a r sh a v ed o n e al o to fr e s e a r c ho nm u l t i * l a s e r d e t e c t i o na n di n t r o d u c e dv a r i o u si m p r o v e da l g o r i t h m ss i n c es 。v e r d up r e s e n t e dh i so d 噻i m a t 檬蟠t i - u s e rd e t e c t o r a m o n gt h e s ea l g o r i t h m s ，p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l 曩t i o n 露i c ) s c e n t s l ob em o r e p r a c t i c a l w jr e s e a r c h e dm u l t i w s t a g ec o r r e l a t i o nc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mb a s e d o n p i ca n di n t r o d u c e ds p a c e - t i m ei o i n td e t e c t i o na l g o r i t h ma c c o r d i n gt os y s t e mp e r f o f i n a n c e r e q u i r e m e n t t w 潍o n et r a n s m i ta n t e n n aa n df o u rr e c e i v ea n t e n n a s t h er a 联r e c e i v e ro f2 d d i v e r s i t y , a s t h e f i r s t 戤a g eo fc o r r e l a t i o nc o m p e n s a t i 张。i sr e s e a r c h e d 强e l lm u l t i l s t a g e c o r r e l a t i o nc o m p e n s a t i o nw i t ht h ea d v a n t a g eo f h i g hp r e c i s i o ni si n t r o d u c e dt oi r e p r o v et h e p e r f o t t n a n c e f u r t h e n a c c o r d i n g t ot h eb a s e b a n dm o d e la n dt i m es l o ts t r u c t u r eo f g 鹾e 。曩) d 嗡d m a s y s t e m ，t h em o d e lo f u p l i n k o i n td e t e c t i o n r e c e i v e ri sb u i t du p b a s e do n t h es i n g l ep o i n te q u a l i z a t i o ni nd f td o m a i nd e t e c t i o na l g o r i t h mo fo u rg r o u p ，t h i sa r t i c l e p r e s e n t sc o r r e l a t i o nc o m p e n s a t i o nc o n e a t e n a t e da f t e rs i n g l ep o i n te q u a l i z a t i o na n dc o m p a r e s t h es y s t e mp e r f 0 1 3 n a n c eu n d e rv a r i o u sv e h i c l es p e e d s v a r i o u st i m es l o ts t r u c t u r ea n dv o x i o u s a n t e n n an u m b e rw h i c hi so f i n s t m c t i v em e a n i n gt op r a c t i c a ls y s t e m d e s i g n ， k e yw o r d s ：m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) ；p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( p i e ) ； c o r r e l a t i o nc o m p e n s a t i o n ；d i v e r s i t yc o m b i n a t i o n ；j o i n td e t e c t i o n 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已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：殛额日期：墨竺坚， 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。 研究生签名歪亘翅 导师签名：丝兰壶 日期：哆置， 塑二兰一生坠一 第一章绪论 现代科学技术和社会经济的高度发展，直接推动了人类社会由工业化向信息化的转 变。通信作为人们在信息获取和交流中不可或缺的重要工具，已在当今信息化时代扮演 着越来越重要的角色。因此，世界各国都在致力于现代综合通信网的建设，其中移动通 信作为能够提供快速、便捷、可靠的通信方式更是倍受关注。移动通信的快速发展，将 使人类“不论何时，不论何地都能与任何人交流任何信息”的个人通信愿望逐步成为现 实。 1 1 移动通信系统的现状与趋势 就目前而言，移动通信是发展最快、技术进步迅速、市场容量最大的产业。截止到 2 0 0 1 年7 月，我国的移动通信用户数也己经达到1 2 0 6 亿，超过美国，成为世界第一大 移动通信网络。与发达国家的话音业务趋于饱和的情形相比，我国移动通信仅就话音业 务的市场空间而言，仍然十分巨大。但是，随着人们物质生活水平的提高，以提供信息 点播业务、多媒体短信业务、移动上网浏览业务、移动电子商务、交互式娱乐业务等多 媒体业务为主的新一代移动通信系统将在未来具有广阔的发展前景。 9 0 年代出现的第二代移动通信系统主要提供语音业务，支持电路交换。2 g 系统的应 用范围遍及世界，是今天的主流通信系统。然而，2 g 系统的无线传输速率很有限，通常不 超过几十k b s 。当前人们研究及讨论的热点，3 g 蜂窝通信系统一i m t 一2 0 0 0 可以在室内 环境下支持高达2 m b s 的数据速率、步行环境下支持3 8 4 k b s 的速率、车载环境下支持 1 4 4 k b s 的速率i l l 。 从2 0 0 1 年1 0 月n t t d o c o m o 开始提供3 g 商用业务以来，一些国家也陆续准备部署 3 g 网络。与此同时，世界各国也已经开始或者计划开始新一代移动通信技术的研究，争 取在未来移动通信领域内占有一席之地。这里所提到的新一代移动通信是指后 ( b e y o n d ) 3 g或者4 g 。 i t u对i m t 一2 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 ) 的未来发展和后i m t 一2 0 0 0 系统也提出了框架体系要求，对 i 舸一2 0 0 0 的初期演化预期在2 0 0 2 年使数据速率达到1 0 j f e p s ，而其后期进一步演化预 期在2 0 0 5 年左右使数据速率达到2 0m b p s ，甚至3 0 - - 5 0m b p s ；对预期在2 0 1 0 年出现 的后i m t 一2 0 0 0 系统的数据速率则更是要求高达i 0 0m b p s 。 目前普遍认为后3 g 的最高传输速率将超过i o m ( 1 0 m i o o m ) ；覆盖范围将会更广， 能够实现全球无缝漫游；具有非常高的灵活性，能自适应地进行资源分配；提供的多媒 体业务种类会更多：支持下一代i n t e r n e t ( i p v 6 ) ，而且是全i p 网络；当然服务成本低 也将是后3 g 的一个重要特征。日本的d o c o m o 公司对4 g 的理解可以用一个词“m a g i c ” 来概括：即m o b i l e m u l t i m e d i a ( 移动的多媒体) ：a n y t i m e 、a n y w h e r e 、a n y o n e ( 任何时间、 查堕查堂堡主兰丝堡塞 任何地点、任何人) ：g l o b a l m o b i l i t y s u p p o r t ( 全球范围的移动性支持) 、 i n t e g r a t e d w i r e l e s s s 0 1 u t i o n ( 集成一体化的无线网络解决方案) 。它将4 g 看成是对3 g 蜂窝无线网络的延伸和扩展。 由于牵涉到未来移动通信市场的巨大经济利益，世界各主要电信强国纷纷启动新一 代移动通信系统的研究计划，抢占技术制高点。欧盟在前期研究计划( 第五框架研究计 划) 的基础上，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 ”之后的第四 代移动通信研究的概念、需求与基本框架研究。日本总务大臣的咨询机构信息通信审 议会专门委员会于2 0 0 1 年6 月1 5 日完成了继第三代移动通信系统“i m t 一2 0 0 0 ”之后的 第四代移动通信系统( 4 g ) 框架建议。韩国有关运营商和通信研究所e t r i 也向政府提出 了相应的有关第四代移动通信研究计划。在我国，第四代移动通信已被正式列入国家八 六三“十五”研究计划，已于近期启动。 1 2 新一代移动通信系统可能采用的关键技术 从技术的角度来说，第四代移动通信应与i m t 一2 0 0 0 以及目前制定之中的增强型3 g 标准有本质性的区别。这是由于第四代移动通信系统的峰值传输速率应为3 g 系统的1 0 至5 0 倍，达到2 0 m b p s 至l o o m b p s 。若简单地重复使用3 g 相同的技术，则其发射功率则 同样需要增加1 0 至5 0 倍，从而使电磁干扰问题达到无法忍受的地步。解决此问题的一 个重要方法是根据信息论原理引入多天线环境及其相关的新型空时信号处理方法，从而 达到大幅度降低发射功率，提高频谱利用率之目的。理论研究结果表明，当接收机的天 线数目多于发射机天线数目时，假定发送天线数为m ，接收天线数是n ，在每个天线发送 信号能够被分离的情况下，有如下信道容量公式： c = m l 0 9 2 ( n m s n r ) n m 其中s n r 是每个接收天线的信噪比。因此对于采用多天线阵发送和接收技术的系统，在 理想情况下系统容量可随天线的数目成比例增长，或达到发射功率线性降低之目的。 多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好的抗干 扰能力；进一步将多天线发送和接收技术结合信道编码技术，可以极大地提高通信系统 的性能。这样导致了空时编码技术的产生，空时编码技术真正实现了空分多址，是将来无 线通信中必然选择的技术之一。m i m o 解调解扩接收机主要分成2 个部分，一是空时r a k e 接收机，主要功能是分离不同的扩频码扩频的信号，合并多径信号；二是v b l a s t ，即对 垂直空时码进行译码，分离出不同天线发送的空间叠加的信号。空时编码是一种把编码、 调制和空间分集结合起来的新兴技术，也将成为后3 g 技术中重要的一部分。目前空时 发送分集( s t t d ) 技术已经进入了3 g 协议，发送分集和接收分集可以提高系统的容量， 将编码、调制、分集技术有机地结合起来 2 。 由于带宽的增加，传统的t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 和c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术由于其频谱率利用率、实现复杂性、灵活性和发射功 第一章错论 率等方面的局限性，难以直接应用于传输速率为2 0 一i 0 0m b p s 的蜂窝移动通信系统，o f d m 以及多载波( m c ) 与t d m a 和c d m a 相结合的技术将是较具竞争力的空中接口技术。o f d m 应用开始于2 0 世纪6 0 年代，主要用于军事通信中，但因其结构复杂限制了进一步推广。 7 0 年代，人们提出了采用离散傅氏变换实现多载波调制，由于f f t 和i f f t 易用d s p 实 现，使o f d m 技术开始走向实用化。o f d m 在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道 间保持正交，频谱相互重叠，这样减少了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每 个子信道上信号带宽小于信道带宽，虽然整个信道的频率选择性是非平坦的，但是每个 子信道是平坦的，大大减少了符号问干扰。此外，通过在o f d m 中添加循环前缀可增加 其抗多径衰落的能力。由于o f d m 把整个信道分成相互正交的子信道，因此抗窄带干扰 能力很强，因为这些干扰仅仅影响到一部分子信道。正是由于o f d m 具有抗多径能力强， 频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注。 但是传统的o f d m 技术存在一系列固有的缺点：首先，难以实现与3 g 和增强型3 g 的后向兼容：其次，对反向信道引入的定时误差和频率偏差、多普勒频偏极为敏感；第 三，峰值功率远远大于平均功率，使信号的动态范围变化较大，因此必须使用高线性和 低效率的射频放大器。多载波技术可作为o f d m 的广义形式，通过精心的构造，既能吸 取o f d m 的易于f f t 实现的优点，又能调节各个子载波的带宽、子载波之间的交叠程度， 克服o f d m 系统的定时和频偏敏感性、难以与3 g 和增强型3 g 的后向兼容的缺点。可以 构成混合多址( x d m a ) 接入方式，具有不同业务需求的用户，可以动态地占用一个或多 个子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而克服o f d m 系统的高峰 均比问题、对非线性效应的敏感性问题 3 。 实际的无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性。时变特性是由终端、反射体、 散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的细微变化引起的。因此，无线信道的 信道容量也是一个时变的随机变量，要最大限度地利用信道容量，只有使发送速率也是 一个随信道容量变化的量，也就是使编码调制方式具有自适应特性。自适应调制和编码 ( a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g ) 根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定 合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率。a m c 技术给系 统带来的新的要求就是更精确的同步跟踪和更加复杂的信道估计来保证接收机可以得 到理论的性能。在传统的蜂窝移动通信系统中，时隙结构通常是固定的，为了保证能适 应不同的移动速度，需要按照支持的最高移动速度来进行时隙设计，往往导致了系统资 源的浪费。为了充分利用信道资源，可以根据多谱勒频移估计采用自适应时隙结构 3 。 未来信号处理器以及专用集成电路的大幅提高，也将使一些较为复杂的技术，如联 合发送、联合检测等，在实现上成为可能。目前信号检测面临的问题有远近效应、异步 问题、多径效应等。人们通过研究提出联合检测，即多用户检测，同时使用均衡技术， 以消除符号间干扰和多址干扰。传统的均衡技术需要用户发送训练序列，由于训练序列 的频繁发送，增加了大量的信道开销。盲信道均衡和盲识别技术的研究已经成为当今通 信领域的一个热点。在信道的盲均衡中，用户不用发送训练序列，接收端通常只知道输 变堕奎兰堡主兰垡堡壅 出信号及输入信号的一些统计信息。目前已经提出了很多的盲均衡算法，但是这些算法 速度慢而且很难收敛。另外联合接收与天线分集技术、t u r b o 码技术结合起来，可以得 到更好的接收性能。使用联合检测技术可以有效地克服传播路径损耗、阴影效应和快衰 落现象。 1 3g m c - t d dx d m a 系统简介 4 系统目标 根据8 6 3f u t u r e 研究计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标以及国 内外研究发展的状况和趋势，东南大学移动通信实验室正在研究广义多载波时分双工 ( g m c t d d ，g e n e r a l i z e dm u l t ic a r r i e r t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 混合多址( x d m a ， x d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术，以实现峰值传输速率不低于2 0 m b p s 的高效分组数据传输。广义多载波t d d ( g m c t d d ) x d m a 蜂窝移动通信传输技术的 总体目标是： 1 ) 支持峰值速率为2 0m b p s 1 0 0m b p s 的高速i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 分组传输， 在车载环境，峰值速率不低于2 0m b p s 。 2 ) 支持8k 一2 0m b p s 速率变化、不同q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 和非对称的多媒 体业务。 3 ) 系统容量达到3 g 系统的3 - 5 倍。 4 ) 提供与3 g 系统反向兼容性和与其他无线通信系统交互工作的可能性。 5 ) 提供无线资源优化配置的灵活性。 6 ) 具备不同业务需求的用户其移动手持终端所需成本的合理性。 解决方案的总体框架 1 ) 在基本模式下，把总带宽( 连续或非连续) 为2 0m h z 的信道分解成1 6 个3d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组( f i l t e rb a n k ) 进 行多载波合路和分路，多载波滤波器组通过本课题组的发明专利技术多相 分解和f f t 快速实现；在扩展模式下，把相邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4 m h z 扩展子载波，并可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩 展子载波，并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。 2 ) 采用t d d 双工方式，以方便地支持非对称数据业务。 3 ) 支持x d m a 混合多址方式：每个基本子载波或扩展子载波可采用t d m a 方式、多 码道c d m a 方式、自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结构 等技术以及它们之间的相互组合，以达到支持高效分组传输之目的。 4 ) 采用极为灵活的x d m a 混合多址方式共享无线资源，每个移动用户可动态地占用 一个或多个基本子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、 码道等，从而达到从1k b p s 至i 0 0m b p s 的大动态范围传输的要求；并可通过 墨二至堑丝 不同小区间的基本子载波或扩展子载波的灵活指配，避免t d d 系统所可能遇到 的时隙碰撞问题。 5 ) 可扩展至多天线环境，通过设置多于发射天线数的接收天线，使系统频谱利用 率线性提高，或使发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 5 倍，发射功 率降低1 0d b 以上之要求。 系统硬件平台由模拟前端、基带处理、系统主控c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 、 接口电路四个主要部分组成。如图1 1 所示： 1 4 本文工作内容 图1 1 固定台和移动台整体结构示意图 本文主要根据广义多载波时分双工混合多址( g m c _ t 叩x d m a ) 移动通信系统的要 求，研究了多级相关补偿的联合检测方法。第一章介绍了移动通信系统的现状与趋势， 下一代移动通信系统可能采用的关键技术。第二章介绍了陆地无线通信的信道特点，描 述了仿真中使用的信道模型。第三章在分集接收合并的原理基础上，简要介绍了r a k e 接收机，并针对更高的系统性能要求，在1 发4 收的天线系统基础上对空时二维分集合 并做了仿真。第四章在简要介绍了几种基本的多用户检测算法之后，着重在种新颖的 多用户干扰抵消算法一一基于并行干扰抵消的多级相关补偿方法上进行了研究。通过仿 真我们认为，三级相关补偿可以在二维分集合并的基础上，在信噪比为6 一l o d b 时，将 误比特性能提高1 个数量级以上。第五章在广义多载波t d dx d l v 悄系统的基带模型和时 隙结构的基础上，建立了上行链路分集接收联合检测的分析模型，在课题组的d f t 域单 点均衡算法基础上，研究了单点均衡级连相关补偿的空时联合检测算法，可以将位错率 在单点均衡的基础上进步提高。 第二章移动通信信道及其仿真 2 1 引言 第二章移动通信信道及其仿真 信源和信宿间的所有环节广义上讲都是信道，常规的信道定义包括了收发之间的 信号传输介质和所有的设备。为了仿真，就必须对构成信道的各个模块进行建模。本章 所讨论的信道与上述定义的信道是有区别的，定义为发信机和收信机之间用以传输信号 的媒介或途径，比如自由空间、波导、光纤等介质。信道可认为只是数学或算法形式的 表达。该表达式通常不是基于基础的物理现象，而是基于外部观察。通常这种信道的定 义包括了某些物理条件和几何限制，如载波频率、带宽和物理环境等。 信道按传输媒质分为两种：有线信道和无线信道。有线信道般是恒参信道，通信 质量高，而且随着科学技术的进步，它将逐步趋向理想的传输信息的信道。无线信道则 不然，它是随参信道，时变的信道参数给输入输出的关系带来了不确定性。移动通信信 道是无线信道的一个子类，不仅具有所有无线信道的特点，而且还具有通信用户随机移 动性的特点。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播 条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施抵消信道的不利影响。移动 通信中的各类新技术都是针对移动通信的信道特点，以解决可靠性、有效性及安全性为 目标而设计的，而分析移动信道是提高移动通信质量的关键技术之一。 2 2 移动通信信道 移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。复杂、恶劣的传播条件是移动 信道的特征，这是由运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。无线电信号通过移动 信道时会遭受不同的衰减损害。一般来说，这些损害可以归纳为三类 5 】。 1 多径衰落，又称快衰落，电磁波在无线信道中有直射、反射、绕射和散射等多 种传播方式，而大多数蜂窝无线系统工作在城区，使发射机和接收机之间无直达径。由 于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互干涉引起信号深度且快速的 衰落。接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其信号的包络变化特性接近瑞利分 布。 2 阴影衰落，又称慢衰落，由于移动台的不断运动，电波传播路径上地形起伏、 建筑物及其它障碍物对电波的遮蔽引起接收天线处的场强中值随地点、时间以及移动台 的速度作比较平缓的变化，即所谓的阴影衰落。阴影衰落近似服从对数正态分布。 3 自由空间里的传播损耗，电波在自由空间里的传播不受阻挡，但当电波经过一 段路径之后，能量仍会受到衰减。随着发射机与接收机之间距离的不断增加而引起的电 查宣查堂堡主兰垡笙苎 磁波强度的衰耗，反映了在宏观大范围的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。 从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖，而 多径衰落则严重影响信号传输质量，必须采用抗衰落技术来减少其影响。下面对多径衰 落信道进一步进行讨论。 目 埒 替 口i p 妲 距离( 对数) 图2 1 某一衰落信号的路径损失、慢衰落与快衰落 2 3 小尺度衰落和多径效应的特性 对无线电波传播模型的描述分为大尺度传播模型和小尺度衰减模型 6 。大尺度传 播模型描述的是长距离( 几百米或几千米) 上场强的变化；小尺度衰减模型描述的是短 距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内的接收场强的快速波动。影响小尺度衰落的因索 有：多径传播、移动台运动速度、环境物体的运动速度、信号的传输带宽。小尺度衰落 有两类特性：( 1 ) 由于多径引起的时延扩展( 2 ) 由于发射机和接收机相对运动造成信 道时变，即路径数目和每条路径的时延和衰减的幅度在随机变化。在不同因素的影响下， 信号通过无线信道会呈现不同的衰落类型( 见下表) 6 。下面将对这几种类型详细讨论。 8 第二章移动通信信道及其仿真 表2 1 小尺度衰落类型 小尺度衰落类型 基于多径时延扩展基于多普勒扩展 平坦衰落频率选择性衰落快衰落慢衰落 1 信号带宽 信道带宽l ，高多普勒频移1 低多普勒频移 2 延迟扩展 符号周期 2 相干时间 符号周期 3 信道变化快于基带3 信道变化慢于基带 信号变化信号变化 2 3 1 多径时延扩展和相干带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) 。当发射端发 送一个极窄的脉冲信号8 ( 0 时，由于存在多径时延，信号沿各个路径到达移动台的时间 就不同，其接收信号，( f ) 可表示为 ，( f ) = ( r ) 班f r a t ) n ( 2 - 1 ) 这里n 是路径数，( r ) 是第h 条路径的反射系数，( f ) 是第 条路径的时延。由于 移动台运动，拜，口。( f ) ，f 。( f ) 都是时变的。最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号 到达时间之差为时延扩展，记作乙。如果发送端码元宽度t l ，接收信号的多 径分量都还在本码持续时间内，不会对其他码产生大的干扰，称信道为非频率选择性衰 落或平坦衰落。 与时延扩展有关的一个重要概念是相干带宽。信号通过移动信道时，会引起多径衰 落，对于信号中不同频率分量，所遭受的衰落可能一致，也可能不一致。若信号带宽过 大，不同频率获得不同的增益，就会引起严重的失真。对于移动信道来说，存在一个相 干带宽b ，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，即信号经过传输后， 各频率分量所遭受的衰落具有一致性( 相干性) ，因而衰落信号的波形不失真。当信号 带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落，即传输信道对信号中不同频率成分有不同 的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。 相干带宽b 是从时延扩展得出的在一特定的频率范围内的统计测量值，在该范围内 9 东南大学硕士学位论文 两个频率分量有很强的幅度相关性。一般认为b a 1 乙，准确的关系要靠信号分析才能 得到，并且即使两个信道有相同的l ，它们每个径的时延可能不一样，这样信道的相干 带宽也不会相同的。 一般说来，窄带信号通过移动信道将引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起频率选 择性衰落。 图2 2 时延扩展导致频率选择性衰减 2 3 2 多普勒扩展和相干时间 当发射机和接收机之间有相对运动时，接收机的频率会产生偏移，称为多普勒效 应，所引起的附加频移称为多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 6 ，表示为 ，d = v c o s e l x ( 2 - 2 ) 其中p 是入射电波与接收机运动方向的夹角，v 是运动速度，兄是载波波长。厶= 是 的最大值，称为最大多普勒频移。 在多径环境中，衰落信号的频率随机变化( 称为随机调频) ，多普勒频移会成为多 普勒频展。对于移动台来说，由于周围物体的反射作用，其接收信号为n 条路径来的电 波，入射角都不尽相同。假设移动台天线为全向天线，路径数n 较大，且不存在直达径， 则可认为多径的接收电波均匀地来自各个方向，入射角a 服从0 到2 耳的均匀分布。设 p 。，是所有到达电波的平均功率，可以求得接收信号功率谱 ， ，一! 盯) 2 击 卜学小正一厶娜正+ l 。) 第= 章移动通信信道及其仿真 其中，f 。为载波频率，厂为随机调频后的频率。这便是典型谱( c l a s s ) ，参见图2 3 。 图2 3 多普勒功率谱 由上式可见，虽然发射频率为正，但接收电波的功率谱s ( 厂) 却展宽到工一厶到 正+ 厶范围。当信号带宽b 厶时，我们称为慢衰落；当信号带宽b 疋时，认为信道是慢衰落的，当码元宽度t t 时，认为 信道是快衰落的。 东南大学硕士学位论文 信号谱密度信号强度 图2 4 频率扩展导致时间选择性衰减 2 4 多径信道的统计描述 由于移动信道是时变的，接收端观测到的脉冲强度和数目随时间变化。对于这种随 机现象必须采用统计的方法加以研究。 设发射信号为 s ( f ) = r e 扰( f ) e 7 2 ”。 ( 2 4 ) u ( t ) 是s ( t ) 的等效低通形式，正为载波频率。经过多径传播后，接受信号为 x ( o = 口心) s f _ f ( f ) ( 2 5 ) 口啡) ，f 。( f ) 分别是第i 径的衰减因子和传播时延。( 2 4 ) 代入( 2 5 ) 得 雄，= 鼬髀啪矿口印哪十2 毋 。， 由( 2 6 ) 知接收信号x ( t ) 的等效低通形式为 ，o ) = 甜，( f 弦一。2 矾。“u t 一p ) 】( 2 7 ) 若发射信号是未经调制的频率为f c 的单频载波时，u ( t ) = 1 ，接收信号为 ，( f ) = ( f ) p 谓。( 2 8 ) 其中 只( ，) = 2 矾f ，0 ) ( 2 9 ) 第二章移动通信信道及其仿真 故接收信号可以看成许多时变向量之和，这些向量的幅度为口，( r ) ，相位为o a t ) 。一 般认为只( f ) 是 0 ，2n 间均匀分布的随机变量，这意味着( 2 8 ) 式表示的接收信号可以 视为一个随机过程。当多径数目很大时，由中心极限定理知r ( t ) 可以用复高斯随机过程 来描述。设h ( t ：t ) 表示信道冲击响应的等效低通形式，其中变量t 表示滤波器的响应 ( 传播时延) ，t 表示信道冲击响应的时变性。与此相应地，信道的时变传递函数为 h ( f ；t ) = h ( r ；t ) e x p ( - j 2 n f r ) d v ( 2 - 1 0 ) 当发射信号是频率为正的正弦波时，h ( f ；t ) 表示的是该正弦信号的接收波形。若 h ( t ：t ) 是均值为零的复高斯过程时，其包络lh ( 7 ：t ) f 为r a y l e i g h 分布，这种信道被 称为r a y l e i g h 衰落信道 7 。r a y l e i g h 分布的概率密度函数为 础) 2 考e x p ( _ 等) 倒( 2 - 1 1 ) 当信道中存在直达径时，h ( t ：t ) 的均值不再为零，其模值ih ( t ：t ) i 具有r i c e 分 布，这种信道称为r i c e a n 衰落信道。r i e e a n 分布的概率密度函数为 6 时) = 素e x p ( 一等乩哆) 倒，a 0 ( 2 - 1 2 ) 其中参数a 指主信号幅度的峰值，。( ) 是0 阶第一类修正贝塞尔函数。贝塞尔分布常用 参数k 来描述，k 被定义为主信号的功率与多径分量方差之比。 r i c e 衰落信道模型经常用于仿真一个由直射路径和多个散射路径共同产生的幅度 衰落信道 6 ，通常假设这些路径的延迟远远小于信号带宽的倒数，则一个信号x ( t ) 经 过r i c e a n 信道后的输出y ( t ) 可以表示为 y ( t ) = z ( ，) z ( ，)( 2 - 1 3 ) 这里z ( t ) 是幅度衰落因式，它表示为 z p ) = x 1 0 ) 2 + 爿+ x 2 ( f ) 】2 ( 2 - 1 4 ) 这里x i ( f ) 和x 2 ( f ) 是满足高斯分布n ( 0 ，o - ) 的随机变量，衰落信道的功率由以下条件归一 化表示 2 2 + a 2 = 1 ( 2 一1 5 ) a 和。的值由r i c e 衰落因子k 决定 肚+ 1 一k 2 ( 1 +) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 东南大学硕士学位论文 当k = 0 时，是纯粹的散射信道；k = 0 0 时，是简单的频带信道( 无衰落) a 2 5 移动信道的仿真 研究和开发移动信道中数字传输技术的第一步工作就是认识移动信道本身的特性。 实际上，移动信道已成为许多理论分析和现场实测的课题，并已得出许多有关其特性的 结果。其中有些结果已经给出