（信号与信息处理专业论文）ofdm通信系统信道估计方法研究.pdf

摘要 摘要 o f d m 作为一种高速的多载波传输技术，具有较高的频谱利用率和良好的抗 多径干扰能力，被认为是下一代移动通信系统的核心技术。信道估计作为o f d m 系统的关键技术，成为了人们研究的热点问题。 论文研究了基于导频的信道估计方法。针对块状导频插入方式，讨论了最小 二乘估计算法和最小均方误差估计算法；针对梳状导频插入方式，讨论了常值插 值、线性插值、二阶插值、样条插值和时域插值方法。根据无线信道响应的分布 特点，提出了通过时域滤波进行d f t 噪声抑制的信道估计方法，并对该方法进行 了改进：同时，提出了通过变换域滤波进行d f t 噪声抑制的信道估计方法。实验 结果表明，基于d f t 噪声抑制的信道估计方法能够滤除大部分噪声，同时保留了 大部分信道能量。这种方法可以降低噪声对系统性能的影响，提高信道估计的准 确性。此外，论文研究了基于判决反馈的信道估计方法。针对判决反馈方法存在 较多误判的问题，本文将前向纠错编码技术和判决反馈方法结合起来，提出了编 码反馈信道估计方法。实验结果表明，编码反馈信道估计方法能够有效对抗多径 衰落和多普勒频移，在复杂的信道环境下具有良好的性能。 关键词：o f d m 信道估计导频d f t 判决反馈 a b s t r a c t a sal l i g l l - s p e e dm u l t i c a 玎i e rt r a i l s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，o f d mh 嬲b e e nr c g a r d e d 弱t h ec o r et e c t u l o l o g yo fn e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o i i l 】m l m i c a t i o ns y s t e m sd u et oi t s 王l i 曲b a i l d w i d t t le 伍c i e n c ya i l d r o b u s t n e s sc o m b a ti m e 疵r e n c e a b i i 咄c h a 皿e i e s t i m a t i o n ，嬲t l l ek e yt e c i m o l o g yo fo f d ms y s t e m s ，h a sb e c o m eah o ti s s u et h a t p e o p l es t u d y t h ec h a i m e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do np i l o ti ss t u d i e di nm et h e s i s t b b l o c k - t y p ep i l o ta m m g e m e n t s ，l cl e a s ts q u a r e se s t i m a t i o na l g o r i t l l ma i l dt h em i i l i m u m m e a n s q e e r r o re s t i m a t i o n a l g o r i m m a r cd i s c u s s e d t b c o m b t y p ep i l o t a 础l g e m e n t s ，t h em e m o d so fc o n s t a l l ti n t e 印o l a t i o n ，l i n e a ri n t e 印o l a t i o n ，s e c o n d - o r d e r i n t e 印o l a t i o n ，s p l i n c缸e 印o l a t i o n 锄dt i i i l e d o m a j ni n t e r p o l a t i o n a r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t i o nc 蛔m c t e ro fw i r e l e s sc h a n n e lr e s p o n s e ，也ec h a i l i l e l e s t i m a t i o nm e t h o db 2 l s e do nd f tn o i s es u p p r e s s i o nb yt i m e d o m a i nf i l t e r i n gi s p r o p o s e d ，a 1 1 dm i sm e t h o dt l a sb e e ni m p r o v e d ；a tt l l es 锄et i m e ，t h ec h a m l e le s t i m a t i o n m e t l l o db a s e do nd f tn o i s es u p p r e s s i o nb yt m s f o md o m a i nf i l t e r i n gi sp r o p o s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt 量l a tt h ec h 釉e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nd f t i l o i s e s u p p r c s s i o nc a l le l i m i n a t em o s to fn o i s e ，a tt 1 1 es 锄et i l l l e ，m o s to fc h a l l i l e le n e 玛yi s r e s e r v e d t h i sm e t 量l o dc a nr e d u c ei n n u e n c eo fn o i s eo ns y s t e m sp e r f o m a n c e ，i m p r o v e a c c u r a c yo fc h 锄- r l e le s t i m a t i o n i i la d d i t i o n ，t l l ec h a i l n e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do n d e c i s i o nf e e d b a c ki ss n j d i e di nt h et h e s i s t ot h ed e 诧c tt h a td e c i s i o nf c e d b a c km e t h o d l 弱al o to fi n c o r r e c td e c i s i o n ，t h ef o n v a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gt e c l l l l i q u e 龇l dt | l c d e c i s i o nf c e d b a c km e t h o da r ec o m b i n e di nt h em e s i s ，a i l dm ec o d i n gf e e d b a c kc h 锄e l e s t i m a t i o nm e t l l o di sp r o p o s e d e x p e r i m e n t 面r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o d i n gf e e d b a c k c h a m l e le s t i m a t i o nm e t i l o dc a nc o m b a tm u l t i - p a mf a m n ga r l dd o p p l e r 丘e q u e n c ys m r e f r e c t i v e l y ，w i t l lg o o dp e r f 0 n 】：1 a n c ei nt h ec o m p l e xc h 锄e le n v 油i l i i l e n t k q ，w o r d s ：o f d m c h a n n e le s t i m a t i o np i i o td f td e c i s i o nf e e d b a c k 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景、研究的目的及意义 进入新世纪以来，随着科学技术的进步，移动通信事业取得了前所未有的发 展。继第一代和第二代移动通信系统之后，人们推出了第三代移动通信系统，技 术的更新速度越来越快，移动通信系统可以提供更高的数据传输速率。然而，当 前研究的第三代移动通信系统只是从窄带通信系统向未来无线宽带移动通信系统 的过渡阶段，并不是真正意义上的宽带接入系统。因此，人们越来越关注第三代 以后移动通信系统的研究，使之成为具有广阔发展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利用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的热点【l 】。作为下一代移动通信系统核心 技术之一的正交频分复用( o n 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 术得到广泛的重视和研究。 在无线通信系统中，电磁波在无线信道中的传播是一个复杂的过程，这个过 程中既包括电磁波的散射、反射和绕射，还包括复杂的环境以及移动台的移动对 电磁波传播的影响【2 l 。这些因素的综合作用使得电磁波的传播在不同条件下表现 出动态差异，无法找到准确的线性关系，表现出极为复杂的不规则性和较强的非 线性，接收机接收到的信号是经过多条路径传播来的多个信号的叠加。多径衰落 会导致接收信号的幅度、相位和到达时间发生剧烈变化。如果发射机、接收机或 者周围环境之一或全部处于快速运动的状态，那么接收信号将会变得更加复杂。 在无线通信0 f d m 系统中，由于电磁波在传输过程中要经历多径衰落、频率 选择性衰落以及各种噪声和干扰的影响，o f d m 系统中的时域信号是多个子信道 信号的叠加。为了准确的恢复出发送信号，就必须在接收端对接收信号进行解调。 目前常用的两种解调方式是差分解调和相干解调。差分解调不需要知道信号的参 考值，只需要知道相邻两个信号的相位和幅度的差值。相干解调则是利用信号的 参考值来检测信号，这就需要知道信道的状态信息，如信道的阶数、多普勒频移、 多径时延或者信道冲激响应等参数。相比于差分解调，相干解调具有3 d b 的信噪 比增益【3 1 。在使用相干解调的时候，需要对信道参数进行估计，信道估计是无线 通信0 f d m 系统中的一项关键技术。能否获得准确的信道响应估计值从而在接收 端对发送信号进行准确的解调，直接决定了o f d m 系统的性能。 本文研究的重点问题是o f d m 通信系统中的信道估计方法。为了能够在高速 传输数据的同时保持较高的频谱利用率，o f d m 系统需要使用密度更高的星座点 进行符号映射。接收端进行相干解调，需要知道信道冲激响应。在无线通信o f d m 2 o f d m 通信系统信道估计方法研究 系统中，由于移动台的运动和接收端所处的环境不可预知，信道冲激响应是未知 并且随时间变化的，接收端需要通过信道估计获得高精度的信道冲激响应。在使 用高密度星座点的o f d m 系统中，信道估计精度对系统的性能有很大的影响。为 了能够在接收端进行正确的解调，o f d m 系统一般使用插入导频符号的方式来进 行信道估计，但是导频符号需要占用一定的频谱资源。此外，如何减少信道估计 算法的复杂度，如何减小信道估计的均方误差，如何减少导频符号的数量以提高 o f d m 系统的频谱利用率都是需要研究的问题。 1 2 信道估计的研究现状 针对0 f d m 系统中信道估计问题，国内外学者已经做了大量的研究，取得了 不少的研究成果。信道估计方法可以分为三类：第一类是基于导频的信道估计方 法；第二类是盲信道估计和半盲信道估计方法；第三类是基于判决反馈的信道估 计方法。下面分别介绍这三种方法的研究现状，重点介绍基于导频的信道估计方 法，简要介绍盲信道估计、半盲信道估计方法和基于判决反馈的信道估计方法。 1 基于导频的信道估计方法 无线通信o f d m 系统中的基于导频的信道估计方法是在发送的数据符号中 插入导频符号，对于快速衰落信道，信道估计器必须能够跟踪上时变信道的变化， 这就需要导频符号以某种连续的方式插入到发送数据中。在接收端，所有信道响 应都可以通过导频符号估计出来。 基于导频的信道估计方法的过程是：发送端在适当的位置插入导频符号，接 收端利用导频符号恢复出导频位置的信道响应，然后利用某种处理方法( 如内插， 滤波，变换等) 获得所有数据符号的信道响应。这里主要涉及到三个问题，也就 是基于导频的信道估计方法的三个主要研究方向。发送端导频的选择和插入；接 收端导频位置信道响应的获取方式；通过导频位置获取的信道响应如何较好的恢 复出所有数据符号位置上的信道响应。 基于导频的信道估计方法根据导频的插入方式可分为基于块状导频的信道估 计、基于梳状导频的信道估计以及基于其他导频插入方式的信道估计【4 】；根据实 现准则分为最小二乘估计( l s ) 、最小均方误差估计( m m s e ) 、最大似然估计( m l e ) 等【5 j ；根据滤波器的实现及结构分为一个二维滤波器、两个一维级联滤波器等【6 】。 通过分析块状导频结构下的l s 算法和m m s e 算法，表明性能最好的信道估 计是采用m m s e 算法，该算法能满足信道估计值最优的要求。然而，m m s e 算 法需要计算一个q 矩阵的逆。当q 矩阵很大时，需要进行大量的运算，使得系统 变得比较复杂，从而限制了它的应用。目前解决这个问题主要采用两种方法，一 种是采用l s 算法1 7 j ，另一种是对m m s e 算法进行改进。一种改进思路是忽略信 第一章绪论 3 道中幅度较小的多径，这样就会降低计算量【8 】；另一种改进思路是在导频位置的 训练序列采用特殊结构【9 】，这样q 矩阵将会是一个单位矩阵，对它的求逆将会十 分简单。如何降低q 矩阵求逆的复杂性，是信道估计的研究热点之一。 在理论上可以得到最小均方误差的滤波器是二维维纳滤波器【l 州。但是二维维 纳滤波器的实现比较复杂且计算量较大，在实际的无线通信o f d m 系统中难以得 到很好的应用。于是，人们提出了分离滤波器方法，将二维维纳滤波器分解成两 个级联的一维滤波器【i l 】，一个频域滤波器和一个时域滤波器，这样就充分的利用 了时域和频域这两维信息。这两个级联的一维滤波器和一个二维滤波器在性能非 常相近，计算量却大大降低。另外，还有基于奇异值分解的信道估计方法【l 引，基 于d f t 的信道估计方法，基于离散余弦变换( d c t ) 的信道估计方法【1 3 j 等。 2 盲信道估计方法和半盲信道估计方法 盲信道估计方法是基于传输信息符号的有限字符特征和信号统计特性的信道 估计方法，如基于子空间的信道估计方法【1 4 1 、多步线性预测的信道估计方法【l 引。 盲信道估计实现复杂度较高，但是这种方法无需插入导频符号，具有较高的频谱 利用率，越来越受到国内外学者的关注。半盲信道估计方法是在盲信道估计的基 础上，利用少量的导频符号进行信道估计，简化了算法的复杂度，提高了信道估 计的性能。 在已有的几种盲信道估计方法中，一些是基于自相关矩阵子矩阵的盲信道估 计方法【1 6 1 ，其核心是对自相关矩阵的子矩阵进行c h 0 1 e s k y 分解；一些是基于子空 间分解的盲信道估计方法【r 7 1 ，适用于加尾零的o f d m 系统；此外，还有基于输入 数据循环平稳性的盲信道估计方法【l 引。 另外，人们提出了基于期望最大化的半盲信道估计方法f 1 9 】，将未知数据信号 假设为独立同分布的零均值高斯随机变量；还有将盲信道估计器和基于训练序列 估计器的代价函数结合起来，进行联合线性加权的盲信道估计方法等【2 0 j 。 3 基于判决反馈的信道估计方法 基于判决反馈的信道估计方法是假设在两个o f d m 符号的时间间隔之内信 道基本上是不变的。在发送数据符号之前，先发送一个已知的训练符号，用来获 取信道响应的初始值，在数据传输的过程中，利用o f d m 符号解调后的训练序列 来获取信道响应的估计值【2 l l 。由于判决反馈信道估计方法不需要在传输数据中插 入导频符号，这样就可以提高系统的频谱利用率【2 2 】。这种方法的缺点是当信道发 生突发错误时容易产生误差扩散，这就会降低系统的性能，只有当新的训练符号 到达时才能重新工作。为此，人们提出了消除累积误差量的信道估计方法【2 3 1 ，还 有基于前向平均时域滤波的信道估计方法等1 2 4 j 。 4 o f d m 通信系统信道估计方法研究 1 3 论文的主要工作 信道估计的精度直接决定了o f d m 系统的性能，它是o f d m 系统的关键技 术。本文主要研究了在无线多径衰落信道下的o f d m 通信系统中的信道估计方 法。论文的主要内容可以通过以下六章进行阐述： 第一章介绍了课题的研究背景，重点讨论了信道估计方法的研究现状。 第二章讨论了无线信道的主要特征。分析了无线信道的三种衰落，重点介绍 了小尺度衰落下信道的多径特性和时变特性；建立了瑞利信道模型和莱斯信道模 型；研究了平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的建模方法。 第三章主要讨论了无线通信o f d m 系统。介绍了单载波传输系统和多载波传 输系统，分析了o f d m 技术的优缺点；研究了o f d m 多载波调制的原理和该技 术用d f t 实现的方法，讨论了保护间隔和循环前缀中在o f d m 系统的作用：给 出了o f d m 通信系统的参数设计方法。 第四章主要研究了基于导频的信道估计方法。讨论了常见的导频图案；分别 研究了基于块状导频和基于梳状导频的信道估计方法；提出时域滤波和变换域滤 波这两种基于d f t 噪声抑制的信道估计方法，并对通过时域滤波进行d f t 噪声 抑制的信道估计方法进行了改进。 第五章主要研究了基于判决反馈的信道估计方法。讨论了判决反馈信道估计 方法的基本原理；将判决反馈方法和前向纠错编码技术结合起来，提出基于编码 反馈的信道估计方法。 第六章对论文的工作进行了总结，并提出论文中需要改进的地方。 第二章无线信道分析和建模 第二章无线信道分析和建模 无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约。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，到各种复杂的环境，如建筑物，山脉，森林 等，使得无线信道具有很强的随机性，找不到准确的线性关系。而无线信道的建 模历来是无线通信系统设计中具有挑战性的难点。本章将简要的介绍无线信道的 传输特性和论文中使用到的信道模型。 2 1 无线信道的特性 由于无线信道的复杂性，通过无线信道传播的电磁波往往会沿一些不同的路 径到达接收端。电磁波传播的形式很复杂，但是一般可以归结为反射、绕射和散 射这三种基本形式。 无线信道是一种时变信道，信号通过无线信道时会受到各种衰减损失。接收 信号功率可表示为【2 5 】： p = ci d i - ”s ( d ) r ( d )式( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中，表示本地平均发射功率，e 表示接收功率，d 表示距离向量， 其绝对值表示移动用户与基站的距离。从式( 2 1 ) 可以看出信道对信号的影响可以 归纳为三类。 1 自由空间的路径损失例：也被称为大尺度衰落。这是由移动台经过较大 距离的运动引起接收信号的功率衰减和路径损耗。 2 阴影衰落s ( d ) ：也被称为中尺度衰落。这是由无线信道中的地形起伏， 建筑物和其他障碍物对电磁波反射引起的衰落。 3 多径衰落r ( d ) ：也被称为小尺度衰落。这是由于无线信道中存在着多径， 造成信号沿着多条路径到达接收端。每个信号分量的时延、幅度和相位都各不相 同，在接收端对多个信号分量进行叠加的时候会造成同相增加，异相减小的现象。 另外，由于移动台的运动，使无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现是出现 多普勒频移。 无线信道的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设 计就可以消除这种不利的影响。 2 2 大尺度衰落 电磁波在无线信道中的传输，其功率会随着传播的距离的增加而减小，这会 对数据速率和系统性能带来不利影响。最简单的大尺度路径衰耗的模型可以表示 6o f d m 通信系统信道估计方法研究 成： 三= 鲁= k 方 式( 2 2 ) 只 d 7 、 其中，表示本地平均发射功率，霉表示接收功率，d 表示发射机和接收机 之间的距离。对于典型的无线信道来说，路径损耗指数，一般在3 4 之间选择。 我们可以得到平均信噪比( s i n g a ln o i s er a t i o ，s n r ) 为： 舢= 号= k 劳嘉 式( 2 哪 只d 7 “b 一、 7 其中0 表示噪声的单边功率谱密度，b 表示信号带宽，k 是独立于距离、功 率和带宽的常数。为了保证可靠接收，要求鲫氓舯心，其中鲫峨表示信噪比 门限，则路径衰耗会给比特速率b 和对信号的覆盖范围d 带来限制。 肛茄岳川 瓦 b 。s b c 非色散时间色散 平坦衰落信道 频率平坦衰落频率平坦衰落 瓦 吃 频率色散时间和频率色散频率选择性衰落信道 时间平坦衰落 慢衰落信道快衰落信道 2 4 1 信道的多径衰落 由于无线信道存在多径衰落，发射机发出的信号将沿着不同的路径传播到达 接收机。每条路径都有不同的长度，它们到达接收机的时间也各不相同，使得接 收到的信号轮廓不清或者被扩展，这种现象称为时延扩展。在无线通信系统中， 时延扩展会引起码间干扰，这就限制了多径信道的最大传输速率。 信号从发送机沿着不同长度的传播路径到达接收机时，要受到信道多径衰落 的影响。假设发送机发送一个脉冲信号6 ( ，) ，那么接收到的信号为： ，( f ) = 6 ( ，一f 。) p 川 式( 2 6 ) 8 o f d m 通信系统信道估计方法研究 式( 2 - 6 ) 中，f 。表示第刀个信号到达的时间，口。表示第刀个信号的幅度。 通常用多径延迟扩展的均方根f 。，来描述功率延迟分布的情况，它被定义为 功率延迟分布的标准差，即二阶中心矩的平方根。 如果数据比特持续时间大于均方根延迟扩展，信道产生的码间干扰( i s i ) 就可 以忽略。作为一个近似，均方根延迟扩展的倒数可以作为信道的相干带宽e 的度 量： 忍= 1 f 。式( 2 7 ) 相干带宽e 是指在这样的带宽上信号的传输特性是相关的，在这个频率范围 内信道以近似相等的增益和线性相位通过全部频率分量。因此相关带宽代表一个 频率范围，在这个频率范围内两个接收信号的幅度、相位具有高度的相关性，即 这两个信号的频谱分量以类似方式受到信道的影响，如出现衰落或不出现衰落。 因此，如果传输信号的带宽玩比相干带宽b 大的话，称信道是频率选择性衰 落信道。这种情况下，信号中的不同频率分量遇到不同的增益和相移。相反，如 果传输信号的带宽巩比相干带宽最小的话，则信道是平坦衰落信道，所有频率分 量将遇到几乎相同的增益和相移。 2 4 2 信道的时变性 相干时间和多普勒扩展是描述信道时变特性方面的重要参数。相干时间瓦是 信道特性没有显著变化的那段持续时间。信道的时间变化在频域中表示为多普勒 扩展，它定义为单一频率正弦波( 载波未调制) 传输时的频谱宽度。如果在频率厂 值的范围内，多普勒功率谱s ( 厂) 不为0 ，那么这样的频率范围称为频谱展宽或信 道的衰落带宽。由于多普勒功率谱s ( 厂) 和时间相关函数r ( 出) 之间是傅立叶变换 关系，认为多普勒扩展的倒数是对信道相干时间磊的度量，也就是瓦1 玮。 显然，变化慢的信道相干时间大，等效为小的多普勒扩展。而无论是信道参数瓦 还是环都可以被用来表征衰落的陡度，所以砩还代表了信道的衰落速度。 多普勒扩展如还被认为是多普勒频移厶，移动台的运动会引起多普勒频移， 一般情况下每一条路径的多普勒频移都和另一条路径不同。多普勒频移对接收信 号的影响可以看作是发射信号频率的多普勒扩展或频谱展宽，而不是看作为频偏。 如果从基站到移动台接收机只有一条路径的话，那么从基站将观察到的是与载波 频率的简单偏移结合在一起的零多普勒扩展。多普勒频移和a 。有关，a 。是移动台 运动方向相对于来波的角度。 对于以固定速度，运动的移动台来说，所接收的载波发生的多普勒频移为： 厶，| = 厶c o s 仅一= c o s a 。= 二zc o s a 。式( 2 8 ) f 其中，厶。是第珂条路径上的多普勒频移，厶是最大多普勒频移，z 是载波 第二章无线信道分析和建模 9 频率，c 是电磁波的传播速度即光速。 如果比特持续时间瓦小于信道相干时间磊，信道衰减和相移至少在一个比特 持续时间瓦内基本固定不变，信道呈现慢衰落。因此，如果数据速率1 瓦大于衰 落速率1 瓦，称信道为慢衰落信道。相反，如果比特持续时间瓦大于信道相干时 间瓦，或者数据速率1 瓦小于衰落速率1 瓦，称信道为快衰落信道。 为了避免快衰落引起的信号失真，需要保证数据速率1 瓦大于信道衰落速率 1 瓦，使得信道表现为慢衰落。 2 5 无线信道建模 无线信道的主要特征是多径传播，这是由电磁波传播路径上的建筑物、森林 以及地形的反射、散射和绕射造成的。具有不同延时和相位的多个信号分量在接 收端叠加，会导致信号的幅度的急剧变化，这种由多径效应引起的现象称为多径 衰落。信号经过互相邻近的散射体散射后形成多个的不可分辨径的相互叠加，形 成了某一个可辨别径上的衰落。而距离较远的建筑物、森林和地形等的反射，形 成了多个可分辨径上的衰落。 假设要传递的信号为( ，) ，经过无线信道传输后接收到的信号为，( f ) 。把发 送信号o ) 的幅度调制在频率为z 的载波上，发送的已调制的信号形式为： s ( f ) = i k 【( f ) e x p ( j 2 万z f ) 】 式( 2 9 ) 假设有条传输路径，接收信号r ( f ) 为经过各个路径传输来的信号的和为： 尺( f ) = q ( ，) s ( f 一靠( f ) ) 式( 2 - 1 0 ) 七= l 式( 2 1 0 ) 中，吼( f ) 是第七条路径的衰减；t o ) 是第j i 条路径的传播时延。 由式( 2 1 0 ) 可以看出，等效的接收信号为： ，o ) = 唧( f ) o r ( f ) ) e x p ( 一2 7 r 正f i ( f ) ) 式( 2 - 1 1 ) 七置l 因为，( f ) 是无线信道对发送信号o ) 的响应，那么信道响应就可以利用如下 时变脉冲响应来描述： 办( f ，f ) = 吼o ) 6 ( f f i ( f ) ) e x p ( 一，2 石正r t q ) ) 式( 2 - 1 2 ) 2 5 1 瑞利信道模型 当无线信道的多径数目大于6 时，信道的时域冲激响应厅( f ，f ) 可以看成一个 以时间f 为变量的高斯随机过程。其概率密度为： l o o f d m 通信系统信道估计方法研究 烈，) = 高懿p ( 一寺) 眶k 岚2 。1 3 ) 它的包络甜( ，) 服从瑞利分布。在无线信道中，瑞利分布是最常见的用于描述 平坦衰落信号或独立多径分量接收信号包络统计时变特征的一种分布类型。其概 率密度为： m ) = 孝e x p ( - 参) 眍认 式( 2 1 4 ) 其中，d 是包络检波之前接收信号的均方根值，仃2 是包络检波之前接收信号 的时间平均功率。瑞利分布的均值为1 2 5 3 3 仃，方差为o 4 2 9 2 仃2 。 它的相位e 均匀服从均匀，即： p ( 9 ) = 三l o p 2 万 式( 2 一1 5 ) 2 5 2 莱斯信道模型 当存在直视路径传播时，信号就相当于在瑞利多径衰落上叠加了一个的非衰 落的静态分量，输出端就会在多径分量上叠加一个直流分量。它的包络“( r ) 服从 莱斯分布2 7 1 ，其概率密度为： m ) = 事e x p ( 一等) 厶学) 彻 龆- 1 6 ) 其中，j d 为主信号幅度的峰值，厶0 ) 为第一类贝塞尔函数。当p _ 0 时，随 着主信号幅度值的减小，莱斯分布就变为了瑞利分布。所以说，莱斯分布是瑞利 分布的扩展，而瑞利分布是莱斯分布的一个特例。 2 5 3 平坦衰落信道的建模 由于在无线信道中，直视路径传播是不存在的，所以一般采用瑞利信道模型。 根据信道的频率选择性可将其划分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道。实际 上平坦衰落信道只有一条可辨径，而频率选择性衰落信道是有由多条可辨径合成 的。即频率选择性衰落信道由多条具有不同时延的平坦衰落信道组合而成。 本文采用j a k e s 仿真器【2 8 j 的方法生成平坦衰落信道，它能较好的吻合信道的 统计特性。图2 1 给出了用j a l ( e s 仿真器对平坦衰落信道的建模方法。 第二章无线信道分析和建模 c o s ( 2 万z f ) c o s ( 2 万氏f ) 去c o s ( 2 丌印) 西8 【2 丌厶f ) 瞄( h f ) 麟( 2 石氐，) 去c 0 i s ( 2 疗五f ) 万c o s ( 2 疗印) 其中： 2 c o s 届 + 2 豳区 + 式( 2 1 8 ) 中： 式( 2 1 9 ) 中： 2 瓦 j o o f 2 瓦 丁- ( ，) = c ( f ) + ( f ) 图2 1 由o + 1 个低频振荡器组成的j a k e s 信道模型 = 4 o + 2 瓦( f ) = c l ，。c o s ( f ) h = l ，0 + l c o ) = c 2 ，c o s ( r ) 式( 2 - 1 7 ) 式( 2 - 1 8 ) 式( 2 一1 9 ) 铲甓三= 龆珈， = 兽= 都捌， 1 2o f d m 通信系统信道估计方法研究 ： 叩s 警删 2 ，“ 抑2 ) 【一= “+ 1 成= 7 r 拧 n n 7 r 4 刀= 1 ，2 ，0 刀= 0 + 1 式( 2 2 3 ) 2 5 4 频率选择性衰落信道的建模 平坦衰落信道的时延扩展远远小于信号周期。但对于高速率的数据来说，这 个要求就很难满足。当信道的时延扩展大于信号周期时，称信道为频率选择性衰 落信道。从频域上来看，不同的频率分量经历了不同的衰落；从时域上来看，接 收信号经历了多个可分辨的衰落，出现了严重的符号间干扰( i s i ) 。频率选择性衰 落信道常建模为广义平稳非相关散射( w s s u s ) 模型【2 9 l ，如图2 2 。 x ( ，) 口。 ，尚型 上 i 鬻卜舀一舀 午 t 瑞利衰落 久 、 仿真器 一y y y y ； 口工一l 上 t 1 瑞利衰落 一 久一 仿真器一y y 7 k | l ，( f ) 图2 2频率选择性衰落信道模型 由图2 2 可以看出，频率选择性衰落信道的建模一般分为两个步骤： 1 先用j a k e s 仿真法生成有多个可分辨径的平坦衰落信道。 2 然后在每一个平坦衰落信道上乘以相应的系数q ，加上相应的离散传播时 延f ，它们的共同作用就是频率选择性衰落信道。 第二章无线信道分析和建模 2 6 本章小结 本章研究了无线信道的传输特性。介绍了无线信道中的三种衰落方式，重点 研究了小尺度衰落下信道的多径衰落和时变性，讨论了时延扩展、相干带宽、多 普勒频移以及相干时间对无线信道的影响。建立了常见的信道模型，包括瑞利信 道模型和莱斯信道模型，并给出了平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的建模方 法。 1 4 o f d m 通信系统信道估计方法研究 第三章无线通信o f d m 系统 第三章无线通信o f d m 系统 o f d m 技术的思想源自于f d m 多载波传输系统。在f d m 系统中，所有低速 率符号被独立的调制到载波上进行并行传输，用户的信号在频域上是独立的。为 了能够准确的解调出每个用户的信号，子载波之间应留有足够的间隔。另外，相 邻的两个子载波之间要设有保护带，以便设计出相应的滤波器将不同频段的信号 分离出来。因此，f d m 系统的频谱利用率是比较低的。 针对f d m 系统存在着频谱利用率低等问题，人们提出了o f d m 系统。o f d m 系统是一种特殊的多载波传输系统，它的基本思想是将整个信道划分为许多个子 信道，各子信道之间是相互正交的。把高速的数据流分配到多个正交的子载波上 进行并行传输，这样就可以降低数据符号传输速率，延长符号的持续时间。o f d m 系统可以减轻时间弥散和载波间干扰( i c i ) ，成为了学者们研究的热点。 3 1o f d m 系统的基本知识 3 1 1 单载波和多载波传输系统 1 单载波传输系统 目前使用的无线通信系统大多数都是属于单载波传输系统。对于单载波 t d m a 系统来说，在数据传输速率较低的情况下，多径效应造成的符号间干扰( i s i ) 不是很严重，只要在接收端采用合适的均衡方法就可以保证单载波传输系统的正 常工作。但是对于未来宽带通信系统来说，由于数据传输速率比较高，符号宽度 相对较窄，无线信道存在的时延扩展会造成符号之间的相互干扰，从而产生i s i ， 这就对均衡提出了更高的要求。另一方面，当信号的带宽超过或者接近信道的相 关带宽时，信道的时间弥散会造成频率选择性衰落，使同一个信号在不同的频率 段表现出不同的衰落特性，这样就会降低系统的性能。对于窄带c d m a 系统来说， 它的主要问题是扩频增益和高速数据流之间的矛盾。在保证相同带宽的前提下， 高速数据流使用的扩频增益就不会太高，这就限制了c d m a 系统能对抗噪声的优 点，使得系统的软容量受到一定的影响。如果要保持原来的扩频增益，则必须提 高相应的带宽。另外，c d m a 系统采用闭环功率控制，这在电路交换系统中比较 容易实现，但是对于分组业务来讲，对信道进行预测，然后再返回功率控制命令 会导致较大的时延。因此对于高速的无线分组业务来讲，这种闭环的功率控制问 题也存在缺陷。 2 多载波传输系统 多载波传输系统是通过把高速数据流分解成若干个子数据流，使每个子数据 1 6o f d m 通信系统信道估计方法研究 流具有比单载波传输系统低得多的数据传输速率。用这样低速率传输数据形成的 低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行传输的系 统。图3 1 给了多载波传输系统的结构框图，其中g o ) 为匹配滤波器。 图3 1 多载波传输系统的结构框图 子载波间存在三种不同的设置方案。第一种是传统的频分复用，将整个频带 划分为个不重叠的子带，在接收端使用滤波器组对信号进行分离。这种方法的 优点是直接、简单，缺点是系统的频谱利用率低，子信道之间要有保护频带，且 多个滤波器的实现比较复杂。第二种是采用偏置q a m 技术，在3 d b 处载波的频 率重叠，它的复合谱是平坦的，子带之间的正交性是通过交错同相或正交子带的 数据得到的1 3 0 】。第三种方案就是o f d m ，各子载波有1 2 的重叠，但保持相互正 交，信号在接收端通过相关解调技术就分离出来，避免使用滤波器组，同时将频 谱效率提高了近一倍。多载波传输系统对脉冲干扰的抵抗能力强，能够降低多径 传播和频率选择性衰落的影响，提高了频谱利用率。多载波传输系统的缺点是对 符号定时和载波频率偏差比较敏感。同时，其峰值平均功率比较大，对前端放大 器的线性度要求很高。 3 单载波和多载波传输系统的比较 表3 1 对单载波和多载波传输系统进行了比较。单载波系统的传输形式是串 行数据流，每一个数据符号的频谱都可以占据整个可利用的带宽。多载波系统进 行并行传输，许多数据符号同时被传输。将输入数据符号串并变换到个并行的 子信道中，每一个调制子载波的数据符号周期比原始数据符号周期扩大倍，因 此时延扩展和符号周期的数据比也降低倍。而且，某一时刻只会有少数子信道 受到深衰落的影响，可以动态选择每个子载波的调制模型和可传输的比特数，提 高系统的传输效率。 母? 田 第三章无线通信o f d m 系统 1 7 表3 1 单载波和多载波传输方式的比较 。一 单载波 多载波 系统参数 符号时间 1 s | nz 符号速率 n | t tl 正 总频带带宽 2 z2 z + 0 5 z i s i 敏感度较敏感较不敏感 3 1 2o f d m 系统的优点 与传统单载波传输系统相比，o f d m 系统具有很多优点，将成为在下一代移 动通信系统中取代c d m a 的技术。它的主要优点包括以下几个方面： 1 数据传输效率高。o f d m 系统采用多个正交的子载波进行并行传输，原 先速率很高的数据流经过串并变换后，被调制到各个子载波上进行并行传输。这 样就使得数据速率大大降低，在多径衰落信道中所受到的i s i 相对变小。 2 频谱利用率高。在传统的多载波传输系统中，为了分离各子信道的信号， 需要在相邻的子信道间设置一定的保护间隔，以便在接收端使用滤波器分离出相 应子信道上的信号，这样就造成了频谱资源的浪费。而在o f d m 系统中，各子载 波是正交的，相邻子信道间的信号频谱的主瓣相互重叠。这样不但减小了子载波 间的相互干扰，同时也可以较大地提高频谱利用率。与传统的频分复用系统相比， o f d m 的频谱资源可以近似节省一半。 3 抗干扰能力强。o f d m 系统采用循环前缀，这使得它在一定的条件下可 以完全消除信道的多径传播造成的i s i ，完全消除多径传播对子载波正交性的破 坏，因此o f d m 具有较强的抗干扰能力。o f d m 把整个信道划分为很多窄的子 信道，尽管整个信道可能是频率选择性衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近 似平坦的。 4 实现复杂度低。o f d m 系统利用数字信号处理技术【3 l 】，在发送端采用i f f t 把频域的调制数据转换为时域的信号发送出去。在接收端，通过f f t 把接收到的 时域信号转换成频域信号，然后进行判决解调，恢复频域的调制数据。采用f f t 技术，可以快速实现o f d m 技术的调制与解调，电路十分简单，这样就大大降低 了o f d m 实现的复杂度。 5 支持非对称性无线数据业务。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的大于上行链路传输的数据量，移动终端发射功率与 基站发射功率相差很大。对于移动通信系统来说，物理层需要支持非对称高速数 1 8o f d m 通信系统信道估计方法研究 据传输。o f d m 系统可以的通过使用不同数量的子信道来实现不同的传输速率。 3 1 3o f d m 系统的缺点 由于o f d m 系统存在多个正交的子载波，其输出信号就是多个子信道上信号 的叠加。因此，o f d m 系统存在以下缺点： 1 易受频率偏差的影响。由于o f d m 系统中子信道的频谱相互覆盖，这就对 它们之间的正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，信号在传输过程 中会出现频率偏差，这就会破坏o f d m 系统子载波之间的正交性，产生子信道间 干扰。这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 存在较高的峰值平均功率比。多载波传输系统的输出是多个子信道信号的 叠加，因此如果多个信号的相位相同时，得到的合成信号的瞬时功率要远远的高 于信号的平均功率，这就会导致较大的峰值平均功率比。这就对发送机内放大器 的线性提出了很高的要求，这样可能会带来信号的畸变，使信号的频谱发生变化。 从而导致子信道间的正交性被破坏，使系统的性能恶化。 3 20 f d m 系统的基本原理 3 2 1o f d m 信号的生成 一个o f d m 符号之内可以包括多个经过相移键控调制( p s k ) 或者正交幅度调 制( q a m ) 的子载波。其中，表示子载波数，r 表示o f d m 符号的持续时间，西 表示分配给第，个子信道的数据符号，万表示第，个子载波的载波频率，矩形函 数阳甜( ，) = 1 ，丁2 ，从丁开始的o f d m 符号可以表示为： rr 一l、 即) ： r e t 善咖阳砸。他) e x p u 2 硝o 铎， p 丁 式( 3 - 1 ) lo其他 一旦将要传输的符号分配到各个子载波上，用某种调制方式将它们映射成子 载波的幅度和相位。通常用等效的基带信号来描述o f d m 符号，即： 一1 ： s o ) = z ，p 订( ，一一丁2 ) e x p 【2 万专。一) 】 ，+ 丁式( 3 - 2 ) ，= o 上 其中s ( ，) 的实部和虚部分别对应着o f d m 符号的同相分量和正交分量，这在 实际系统中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成了最终的子信 道信号和合成的o f d m 符号。由式( 3 - 2 ) 可以看出，每一个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，并且相邻子载波之间相差1 个周期。这一特点 可以用来解释子载波之间的正交性，即： 第三章无线通信o f d m 系统 1 9 ；知c 俐唧c 卿舻 毛三 拥， 匆2 亨曼+ r e x p 卜2 石手。一篓z e x p l f 2 7 r 事。一，础 式。3 4 ， = 亭善4r 酬2 兀等”雠= 嘭 一卜 能 j 馨 图3 2o f d m 系统中子信道符号的频谱 从图3 2 中可以看出：每一个子载波频谱值的最大处，其他所有子载波的频 谱值恰好为零。在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算每个子载波取最大 值的位置所对应的信号值，因此可以从相互重叠的子信道符号频谱中提取每个子 o f d m 通信系统信道估计方法研究 信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。 从图3 2 中还可以看出，o f d m 符号的频谱是满足奈奎斯特准则的，即多个 子信道频谱之间不存在相互干扰