（通信与信息系统专业论文）基于pn序列的ofdm无线信道估计方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 具有较高的频谱利用率，而且易于实现，所以在现代 无线通信领域得到了广泛的应用。在o f d m 系统中，为了准确地恢复出发送信 号，必须对信道状态信息进行准确的估计，本文研究基于p n 序列的信道估计 方法，对经典算法的特点进行了分析，并对基于p n 序列的迭代相关检测算法 做了改进，把相关运算得到的信道冲激响应按固定的o f d m 长度分块，并对每 块符号进行补零、f f t ，并且用时频二维平面的插值算法取代经典算法一维插 值，与改进前及典型块状导频估计算法相比较，取得了较好的估计效果。其 次，结合l m s 算法的优点，提出一种用p n 序列作为导频的l m s 估计算法，进一 步的提高了估计精度。 关键词：o f 蹦，信道估计，p n 序列，导频 a bs t r a c t o 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 gt e c h n i q u e ( o f d m ) h a sb e e n w i d e l yu s e d i nm o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e ad u et ot h eh i g hs p e c t m m e f f i c i e n c y ，s i m p l i c i t yt oi m p l e m e n t a t i o n ，e t c i no f d ms y s t e m ，c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o ni st h em a j o rf a c t o rt or e s t o r et h et r a n s m i t t e ds i g n a l s i nt h i sp a p e r ，t h e c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u eb a s e do np n s e q u e n c ei sp r e s e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c 0 ft r a d i t i o n a la l g o r i t h mi sr e s e a r c h e d p n b a s e dt u r b oc o r r e l a t i o nd e t e c t i o ni n t i m ed o m a i nw a si m p r 0 v e di ns o m ea s p e c t ，d e p a r tt h ec h a n n e ls t a t ei n f o 加a t i o n i n t ob l o c k sa c c o r d i n gt 0f i x e d0 f d m l e n g t h f 0 re a c hb l o c k ，z e r o sa r ea d d e da n d f f t o p e r a t i o ni sp e f f o 珊e d i n s t e a do fu s i n gi _ g r a n g ei n t e 叩o l a t i o nm e t h o di n f t e q u e n c yd o m a i n ， c u b i cs p l i n e i n t e r p o l a t i o nm e t h o di nt i m e f r e q u e n c y2 d s u r f a c ei s e m p l o y e da n de s t i m a t i o np r e c i s i o ni s b e t t e rt h a nb l o c k - p o l i t ea n d t y p i c a la l g o r i t h m m o r e 0 v e r ，c o m b i n i n gt h em e r i t s0 fl m sa l g o r i t h m ，p n - b a s e d l m s a 1 9 0 r i t h mi sp r o p o s e d e s t i m a t i o np r e c i s i o ni si m p r o v e d b a ih a o d o n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f q iy j n c h e n g k e yw o r d s ：o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，p ns e q u e n c e ，p i l o t 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 具有较高的频谱利用率，而且易于实现，所以在现代 无线通信领域得到了广泛的应用。在o f d m 系统中，为了准确地恢复出发送信 号，必须对信道状态信息进行准确的估计，本文研究基于p n 序列的信道估计 方法，对经典算法的特点进行了分析，并对基于p n 序列的迭代相关检测算法 做了改进，把相关运算得到的信道冲激响应按固定的o f d m 长度分块，并对每 块符号进行补零、f f t ，并且用时频二维平面的插值算法取代经典算法一维插 值，与改进前及典型块状导频估计算法相比较，取得了较好的估计效果。其 次，结合l m s 算法的优点，提出一种用p n 序列作为导频的l m s 估计算法，进一 步的提高了估计精度。 关键词：o f 蹦，信道估计，p n 序列，导频 a bs t r a c t o 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 gt e c h n i q u e ( o f d m ) h a sb e e n w i d e l yu s e d i nm o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e ad u et ot h eh i g hs p e c t m m e f f i c i e n c y ，s i m p l i c i t yt oi m p l e m e n t a t i o n ，e t c i no f d ms y s t e m ，c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o ni st h em a j o rf a c t o rt or e s t o r et h et r a n s m i t t e ds i g n a l s i nt h i sp a p e r ，t h e c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u eb a s e do np n s e q u e n c ei sp r e s e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c 0 ft r a d i t i o n a la l g o r i t h mi sr e s e a r c h e d p n b a s e dt u r b oc o r r e l a t i o nd e t e c t i o ni n t i m ed o m a i nw a si m p r 0 v e di ns o m ea s p e c t ，d e p a r tt h ec h a n n e ls t a t ei n f o 加a t i o n i n t ob l o c k sa c c o r d i n gt 0f i x e d0 f d m l e n g t h f 0 re a c hb l o c k ，z e r o sa r ea d d e da n d f f t o p e r a t i o ni sp e f f o 珊e d i n s t e a do fu s i n gi _ g r a n g ei n t e 叩o l a t i o nm e t h o di n f t e q u e n c yd o m a i n ， c u b i cs p l i n e i n t e r p o l a t i o nm e t h o di nt i m e f r e q u e n c y2 d s u r f a c ei s e m p l o y e da n de s t i m a t i o np r e c i s i o ni s b e t t e rt h a nb l o c k - p o l i t ea n d t y p i c a la l g o r i t h m m o r e 0 v e r ，c o m b i n i n gt h em e r i t s0 fl m sa l g o r i t h m ，p n - b a s e d l m s a 1 9 0 r i t h mi sp r o p o s e d e s t i m a t i o np r e c i s i o ni si m p r o v e d b a ih a o d o n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f q iy j n c h e n g k e yw o r d s ：o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，p ns e q u e n c e ，p i l o t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p n 序列的o h ) m 无线信 道估计方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学或其他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。 学位做作者躲白磕鱼山期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 白砖窝， 导师签名：堡銎堑塑奎 华北电力大学硕士学位论文 1 1课题的目的及研究意义 第一章绪论 近年来，个人通信和移动无线通信得到迅猛的发展，同时对传输速率和通信的 质量提出了更高的要求，对无线带宽也提出了较高的要求，0 f d m 技术具有频谱利用 率高，抗多径时延性能好、以及易于实现等优点，已经成为解决这一问题的主要方法 1 】 o 无线信道的衰落特性会影响到0 f d m 系统的性能，一般地，导致接收信号发生 畸变的主要原因是频率选择性衰落和时间选择性衰落。这两种衰落特性导致接收信 号在幅度、相位和到达时间的剧烈变化，为了在接收端准确恢复出发送信号，必须 要对信道状态信息( c s i ) 进行准确地估计，利用估计出来的c s i 对接收信号进行 均衡乜】，得到较准确的接收数据。 目前，0 f d m 信道估计技术有很多研究，方法也很多，将p n 序列作为导频进行 信道估计是一种近几年提出的较新的信道估计方法，与传统的导频辅助方法相比， 由于p n 序列有很强的自相关性，所以在用做信道估计导频的同时，还可以用来对接 收信号做定时同步，可以较大程度地节约系统资源，除此之外，如果把p n 序列作为 普通意义上的导频的话，在做信道估计时，可以结合现有所有的信道估计方法( 如 l m s 算法) 。所以，用p n 序列作为导频用做信道估计，是一个有较好前景的研究领 域，也得到了越来越广泛的应用，现行国内的d m b t 中采用的就是基于p n 序列的 频域信道估计方法。 1 2o f d m 技术的发展 正交频分复用是一种特殊的多载波调制技术。p 3 而多载波技术是在2 0 世纪6 0 年代研究人员针对宽带数字通信的要求提出的。在数字通信中，如果发射信号的带 宽超过了信道相关带宽，信号通过信道时将经历频率选择性衰落，信道也将呈现出 频率选择衰落特性，如果使用单载波调制方式，并且接收端没有采用相应的均衡处 理消除频率选择性衰落，系统性能将严重恶化，甚至失去通信能力；而系统采用的信 道均衡方法在复杂度和性能之间不容易很好地折衷。为此上个世纪6 0 年代，研究人 员提出了与单载波调制方式相对应的多载波调制方式，具体方法是将发射的高速数 据流分配为多个低速的支数据流在多个载波上独立并行的传输，每个支数据流独立 占用一个子载波，但系统共占用的带宽将小于信道相关带宽，从而各支数据流的信 号经过信道将经历平坦衰落，各符号间也不存在码问干扰( i s i ) ，多载波系统采用 华北电力大学硕士学位论文 复杂度相对较低的信道均衡措施就能够很好的消除子载波上的平坦衰落，并且得到 很好的传输性能。同时，多载波系统可以通过信道编码充分利用频率分集增益。 在使用多载波技术进行并行数据传输的发展过程中，研究人员提出了三种典型 的方法对系统所占频带进行子载波划分，每一种划分方法之间最大的区别是在各个 子载波上发射的信号功率谱之间是否存在重叠和重叠程度，从系统频谱利用率的角 度分别将三种子载波分割方法描述如下。 第一种方法是使用传统的成型滤波器完全分割子载波上发射信号的功率谱，将 系统占用的整个频带分割为多个子载波，功率谱完全独立，并且互相不交叠，这种方 法来源于传统的频分复用技术。为了减小或者消除各个子载波之间的相互干扰，按 照传统的频分复用技术要求，各个子载波之间必须存在一定宽度的保护带宽，保护 带宽的存在限制了系统频谱利用率的提高，与是，又提出了第二种子信道划分方法。 第二种分割方法的每个子载波使用了交错正交幅度调制技术，其各个子载波的功率 谱在一处发生交叠，系统的频谱用率可以较第一种分割方法提高一倍，各个子载波 发射信号的可分性依靠交错系统两个正交通道上发射数据的半个符号周期来获得， 从而在接收端可以独立地恢复各个子载波的数据。为了进一步提高系统频谱利用 率，c h a n gr w 等提出了第三种具有多个正交子载波的多载波传输系统h 5 l ，这样的 多载波调制技术被称为0 f d m 技术。在系统中，每个子载波的功率谱为s i n c 函数，各 个子载波的功率谱通过系统时域矩形窗形成，各个子载波的功率谱紧密地相互交 叠。大大提高了系统的频谱利用率。在接收端，子载波信号从接收信号中分离出来 不能通过传统的滤波器组方法实现，而是通过对接收信号进行基带处理来实现，即 通过基带信号处理来实现频分复用。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和p m e b e r t 哺提出了用 快速傅里叶变换技术实现o f d m 调制，同时，由于大规模集成电路技术的发展，实现 高速大点数f f t 的芯片面世，促进了技术的广泛应用。但是直到2 0 世纪8 0 年代中 期，随着欧洲在数字音频广播( d t v ) 方案中采用，该方法才开始受到关注并且得到 了广泛的应用。自从2 0 世纪8 0 年代以来，已经在数字音频广播、数字视频广播、 基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w l a n ) 以及有线电话网上基于现有铜双 绞线的非对称高比特数字用户线技术( 例如a d s l ) 中得到了应用，其中大都利用了 0 f d m 可以有效地消除信号多径传播所造成的符号间干扰( i s i ) 这一特征。 1 9 9 5 年，由欧洲电信标准协会( e t s i ) 在a m 和f m 等模拟广播基础上制定了d a b 标准n 】，这是第一个使用o f d m 的标准，其可以提供与c d 相比美的音质，以及其它的 新型数据业务。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 的标准也开始投入使用，在应用中，被典 型地当作离散多音调制( d m t ) ，成功的应用于有线环境中，可以在l m h z 带宽内提 供高达8 m b i t h z 的数据传输速率此后，e t s i ，b r a n 以及m m a c 也纷纷采用o f d m 作为 物理层的标准。此外，0 f d m 还易于结合空时编码，分集，干扰抑制以及智能天线等技 2 华北电力大学硕士学位论文 术，最大程度上提高了物理层信息传输的可靠性，如果再结合自适应调制，自适应编 码以及动态子载波分配，动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步得到优化。 1 3o f d m 系统中信道估计的研究意义 在整个0 f d m 系统中，无线信道提供了发送端和接收端之间的连接，也使得无 线通信面对了复杂的移动环境，无线信道问题的研究一直都是移动通信的经典课 题，也是移动通信的发展基础。除此之外，由于移动台的运动和接收端所处的环境 不可预知，导致信道状态信息( c s i ) 是随时间变化的，在这种情况下，信道估计 显得更为重要。 信道估计可以分为对慢衰落信道的估计和快衰落信道的估计。当信道慢衰落时， 可以对信道在较长时间范围内做不变的假设，然后使用时不变信道的估计技术与均 衡技术，比较典型的是l s 算法。而当信道快衰落时，对信道在较长时间范围内做不 变假设是违反实际情况的，此时的信道估计比慢衰落信道估计更为复杂。在实际应用 中，无论是快衰落还是慢衰落环境，信道估计都是必要的，第三代移动通信系统协 议规范( 3 g p p ) 中也明确要求：移动台不管是静止还是高速移动，移动系统都要求 能够稳健地估计信道。 1 4o f d m 系统信道估计的研究现状 有关o f d m 系统中的信道估计已有较多的研究，也提出了很多新的方法，在不 同的时变色散信道中都得到了较好的估计效果，通常可以分为：基于导频符号的方 法和盲估计哺1 方法两大类。 盲估计是指不使用导频信息，通过相应信号处理技术获得信道的估计值。盲信 道估计方法可分为两种：文献口3 提出的统计型方法和文献n 们提出的确定型方法。统 计型方法利用了发送信号和接收信号的统计特性，其中主要是基于信号的高阶( 主要 是二阶) 统计特性的盲信道估计。确定型方法为一种基于有限字符集的盲信道估计 方法，该方法充分利用了发送调制信号的有限字符集特性，但计算量大，不易实现。 导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和 序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列，按照某些算法进行信道估计。在单 载波系统中，导频符号和导频序列只能在时间轴方向插入，在接收端提取导频符号 估计信道脉冲响应。在多载波系统中，可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入导 频符号，在接收端提取导频符号估计信道传输函数。只要导频符号在时间和频率方 向上的间隔相对于信道带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传 输函数。具体的导频符号插入的方式有梳状插入n 副、块状插入和时频结合的散布状 3 华北电力大学硕士学位论文 导频插入n 3 1 方式三种。 1 5 本文研究的主要内容及论文安排 本论文的主要任务是研究o f d m 无线传输系统中基于p n 序列的信道估计方 法。对现有经典算法的进行了研究，发现尚且存在的不足之处，并提出改进方案， 最后对改进前后的算法性能进行分析和仿真结果对比，除此之外，结合l m s 算法 的优点，提出一种新的估计方法。 论文的内容安排如下：第二章介绍必要的无线信道基本知识，对移动时变信道 的特性进行了全面的分析，介绍了多径衰落信道中相干时间，相关带宽，多谱勒频 移等基本概念，和多径衰落信道的仿真方法。 第三章详细介绍o f d m 技术，包括其基本原理和结构，关键技术及存在的优缺 点，结合第二章中介绍的无线信道的特点，指出系统中信道估计的必要性及重要性。 第四章介绍o f d m 系统现有的一些基于导频的信道估计算法以及相关的插值 算法，并对各自特点进行了分析对比。 第五章首先介绍现有的基于p n 序列的信道估计方法，并对这些算法在多径衰 落信道中进行比较仿真，找出性能最优的算法，在之基础上，提出一种基于p n 迭 代相关检测的改进算法，最后进行仿真结果的对比，其次，结合l m s 算法的优点， 提出一种用p n 序列作为导频的估计算法，进一步提高了估计精度。 第六章总结全文工作，提出进一步研究的方向。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章移动通信信道 o f d m 信道估计的目的，是对传输信道状态信息进行准确的估计，然而，无线 通信的传输过程实质是电波在空间的传输，因此，掌握无线信号的空间传输方式、 无线信道的特点、以及无线信道的建模方法，是进一步研究信道估计的前提和基础。 2 1移动通信中的无线电传播 无线通信中，移动台由于要进行自由移动，其位置不受束缚。所以必须利用无 线电进行传输，但与有线传播媒介相比，无线电波的传播特性一般都会很差，而且 不同用户的传播信号在传输过程中还会互相干扰。对其分析，主要存在以下几方面 的特点： 首先，移动通信的工作环境十分复杂，电波不仅会随着传播的距离的增加而发 生弥散损耗，并且会受到地形、建筑物的遮蔽而发生“阴影效应”，而且信号经过 多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的同幅度、相位和到达时间 都不一样，它们相互叠加会产生电平快衰落和时延扩展。 其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅可以引起多普勒频移，产生随 机调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏。因此可以认为，无线传播 环境是和种随时间、环境和其他外部因素而变化的传播环境n l 】 2 1 1自由空间的电波传播 信号的无线传输，也就是电波在空间的传播过程，理论研究电波的传输过程时 主要针对自由空间中的信号传输情况，自由空间是指在理想的、均匀的、各向同性 的介质中传播，电波从发送端到接收端不发生发射、折射、绕射、散射和吸收现象， 只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。在这种情况下，发射点处的发射功率r 和接收端的功率为p ，两者之间有关系如式2 1 ，即： p r = 去只g f ( 2 1 ) 式中4 一鲁，2 为工作的波长；倪，g 分别表示发射天线和接收天线增益； 为发射天线和接收天线的距离。 在电波传输过程中，会有一部分信号功率会在传播过程中将损耗掉，也就是说 由于功率损耗的存在，所以发送端发送的功率和接收机接收到的功率会有一定的差 5 华北电力大学硕士学位论文 异，将功率损耗定义为： 工s ( 2 2 ) p 由式2 1 ，且当铎6 1 时，自由空间的传播损耗可写作： l 掣) z ( 2 3 ) 以分贝表示，有陋】= 3 2 4 5 + 2 0 l 矿+ 2 0 l 配，式中，( m h z ) 为工作频率，d ( k m ) 为收 发天线的距离。 2 1 2 三种电波的传输机制 在实际无线传输过程中，理想的、均匀的、各向同性的理想介质是不存在的， 所以一般认为，在移动通信系统中影响传播的3 种最基本的机制为反射、绕射和散 射，这也是导致多径效应的主要原因，掌握这种电波的几种传输方式，是分析多径 信道的基础。 第一种传输方式为反射，当电磁波遇到比其波长大得多的物体时就会发生反 射，反射是产生多径衰落的主要因素。但电磁波在不同物体的反射效果具有不一致 性，这些反射界面可能是规则的，也可能是不规则的；可能是平滑的，也可能是粗 糙的。理论研究只考虑反射表面是平滑的，即所谓理想的介质表面，如果电磁波传 输到理想介质表面，则能量都将反射回来。 入射波与反射波的比值称为反射系数尼反射系数与入射角矽，电磁波的极化方 式和反射介质的特性有关。反射系数可表示为： r 。! ! 璺旦= 三 s i n 8 + z ( 2 4 ) 式中z ；垒! 竺! ( 垂直极化) ；z ；止i = i 百( 水平极化) ；而g 。：一j 6 0 砚， e 0 f 为介电常数，仃为电导率，a 为波长。 第二种传输方式为绕射，当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡 时会发生绕射。由于阻挡表画产生的二次波分布于整个空间，甚至绕射干阻挡体的 背画。另外，当发射机和接收机之间不存在视距路径时( l o sl i n e0 fs i g h t ：视距 路径是指移动台可以看见基站天线；n l o s 非视距是指移动台看不见基站) ，围绕阻 挡体也产生波的弯曲 第三种传输方式为散射，当无线电波遇到粗糙表画时，反射能量散布于所有方 向，这种现象称为散射。散射给接收机提供了额外的能量。反射一般采用平滑的表 6 华北电力大学硕士学位论文 画，而散射发生的表画常常是粗糙不平的。给定入射角q ，可以得到表画平整度的 参数高度： 吃；击 ( 2 5 ) 式中，a 为入射电波的波长。若平画最大的突起高度| i l 小于j l 。，则可认为该 表画是光滑的；反之认为该表画是粗糙的。计算粗糙表画的反射时需要乘以散射损 耗系数见，以表示减弱的反射场。表面高度是具有局部平均值的高斯( g a u s s j a n ) 分布的随机变量，此时： 几。e x p 【_ 8 ( 掣) 2 】 ( 2 6 ) 其中，吼为表画高度的标准差。 以上三种电波的传输方式是对无线信号从发送端到接收端的电波传输过程进 行的分析，也是信号多径传输的本质，但一般研究信道特性时是以信道本身为出发 点，而不是传输的信号本身，描述无线衰落信道常的主要概念有：大尺度衰落与小 尺度衰落，时延扩展和相关带宽，多普勒频移和相关时间。 2 2 大尺度衰落和小尺度衰落 通常，无线信道的衰落特性可以用大尺度衰落( l a r g e - s c a l e ) 和小尺度衰落 ( s m a l l s c a l e ) 描述n 钔。 大尺度衰落是由移动通信信道路径上的固定障碍物( 建筑物、山丘、树林等) 的阴影引起的，衰减特性一般服从矿律，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有 对数正态分布的特征。利用不同测试环境下的移动通信信道的衰落中值计算公式， 可以计算移动通信系统的业务覆盖区域。从无线系统工程的角度看，传播的衰落主 要影响到无线区的覆盖。 小尺度衰落由移动台运动和地点的变化而产生的，主要特征是多径。多径产生 时间扩散，引起信号符号间干扰；运动产生多普勒效应，引起信号随机调频。不同 的测试环境原有不同的衰落特性。而多径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可 避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。 这两种衰落并不是独立的，在同一个无线信道中既存在大尺度衰落，又存在小 尺度衰落，如图所示： 7 华北电力大学硕士学位论文 衰落 幅度 0 图2 一l大尺度衰落和小尺度衰落 无线信道的整衰落特性可用衰落因子r p ) 描述： ，o ) = 优o ) p ) ( 2 7 ) 式中， 朋( f ) 表示大尺度衰落，厂o o ) 表示小尺度衰落。 2 3 时延扩展和相关带宽 发送端的发送信号，由于经过多个不同距离的路径到达接收端，因而到达的时 间先后不同，强度也是不同的。这样，接收到的信号由许多不同时延的脉冲组成， 各个脉冲可能是离散的，也可能是连成一片的，这就造成了信道的时间弥散性( t i m e d i s p e r s i o n ) 1 们。 时延扩展定义为最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后一个可分辨的时 延信号与第一个时延信号到达时间的差值，实际上就是脉冲展宽的时间。图2 2 示 出了典型的对最强路径信号功率的归一化时延谱。 p q 图2 2多径时延谱 描述多径时延谱的参数有： p ( t ) ：未归一化时延信号的包络，近似为指数函数： 8 华北电力大学硕士学位论文 p ( c ) = e x p ( 一t ) ( 【0 )( 2 8 ) 为归一化时延谱曲线的均方值时延扩展： 2 。工。一) p 扣f ( 2 9 ) t 。为平均延时，定义为归一化时延谱曲线的时延统计平均： t - 2 正f p p 矽f ( 2 1 0 ) 均方值时延扩展是对多径信道时延特性的统计描述，其含义表示时延谱扩展 的程度。值越小，时延扩展就越轻微，反之，时延扩展就越严重，表征时延扩展 对平均延时的偏离程度。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到下一个 符号当中，造成符号间干扰。为了避免产生符号间干扰，应该令符号宽度要远远大 于无线移动信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。由于 移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测量到的时延扩展都可能是不同的， 因此需要采用大量测量数据的统计平均值。表2 1 给出两种不同信道环境下的时延 扩展值。 表2 1不同信道环境下的时延扩展和到达路径差 环境最大时延扩展最大到达路径差 室内 4 0 n s 一2 0 0 n s1 2 m 一6 0 m 室外 lps 一2 0 s3 0 0 m 一6 k m 在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相关带宽，实际应用中通常用 最大时延扩展的倒数来定义相关带宽： ，1 ( 2 1 1 ) 从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信号 中不同的频率成分，无线传输信道会呈现出不同的随机响应，由于信号中不同频率 分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。由此可以看 到，当信号的速率较高，信号带宽超过无线信道的相关带宽时，信号通过无线信道 后各个频率分量的变化是不一样的，会引起信号波形的失真，造成符号间干扰，此 时就认为发生了频率选择性衰落：反之，当信号的传输速率较低，信号带宽小于无 线信道的相关带宽时，信号通过无线信道后各个频率分量都受到相同的衰落，因而 衰落波形不会失真，没有符号间干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选 择性衰落。相关带宽是无线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频 率选择性衰落还是平衰落，这样取决于信号本身的带宽。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 多普勒频移和相关时间 移动通信与固定通信的不同在于通信时移动台所处的环境是移动的，所以无线 移动信道的传输函数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收 端收到的信号是不同的，这是信道的时变性。时变性在移动通信系统中的具体体现 之一就是多普勒频移n ，即单一频率的信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一 定带宽和频率包络的信号，这又可以称为信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i 伽) 。 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移( 厶) ，具体计算方法见2 1 2 式。 厶；暑c o s 口 ( 2 m ) 式中，v 表示移动速度；a 表示波长；口表示入射波与移动台移动方向之间的 夹角；从计算方法中可以看到，多普勒频移和移动台移动速度成正比。当移动台向 入射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信号频率会增加：如果背 向入射波方向移动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于 存在多普勒频移，所以当单一频率信号编) 到达接收端的时候，其频谱不再是位于 频率轴而处的单纯d 函数，而在分布在( 厂o - 厂功如+ 厂m ) 内的，存在一定宽度的频谱。 表2 2 给出了两种载波情况下( 9 0 0 m h z ，2 g h z ) 不同移动速度时的最大多普勒频移值。 表2 2 最大多普勒频移( h z ) 1 0 0 k m h7 5 k m h5 0 k m h2 5 k m h 9 0 0 m h z8 36 24 22 l 2 g h z1 8 51 3 99 34 6 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相关时间，实际应用中通常 取最大多普勒频移的倒数。 名。1 牖 ( 2 1 3 ) 相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相关 时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果 基带信号带宽的倒数，一般指符号的持续时间大于无线信道的相关时间，那么信号 的波形就可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也成为快衰落： 反之，如果符号周期小于无线信道的相关时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢 衰落。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 5 多径接收信号的表示 在实际移动环境中，尤其是城市地区，由于存在各种建筑物，接收信号中含有 大量的反射波。考虑多普勒频移，处于运动中的移动台的接收信号可以表示为： j o ) _ 口oc o s ( 婢f + 犹f + ) ( 2 1 4 ) 口。为信号幅度，婢为载波频率，五为多普勒频移，是电波到达的相位 一劢z 丸，j 为传播路径的长度，丸为电波的频率。 为了对多径信号做出数学描述，首先给出下列假设： ( 1 ) 在发射端与接收端之间没有直射波通路： ( 2 ) 有大量的反射波存在，且到达接受天线的方向角是随机的，相位也是随机的， 且在0 一幼之间均匀分布： ( 3 ) 各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。而一般来说在离基站较远，反射物 较多的地区是符合上述假设的。在上述假设条件之下，条路径来的接收信号 可以表示为： p ) 2 善口；c o s ( 吐f + 犹f + 仍) 2 1 5 令绣= 犹f + 够，则： o ) 一罗qc o s ( 吡f + b ) = 疋c o s 耶i 1 1d j ( 2 1 6 ) 箭 这里瓦 2 荟口rc o s b ，瓦 = 荟q s i n 色 t s 和t c 分别是品 的水平和正交分量。由此可以知道，当很大时，瓦( 力和瓦( f ) 为高斯随机变量，其概率密度姒耻南e x p ( 一番) p ( 耻壶唧( 一若膳里 6 。和6 ，是瓦和瓦的均值和方差。瓦和瓦具有零均值和等方差，即： 、 e ( z ? ) 。e ( z ? ) ；6 。一6 ，- 6 符号e ( ) 表示统计平均。可以证明，瓦和瓦的协方差为零，则它们是不相关的， 彼此独立。因此，瓦和瓦的联合概率密度等于两者的概率之积： p ( 碉叫吼p ( 驴刍唧( 一簪) ( 2 - 1 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 将直角坐标变为极坐标的形式： p ) ，去e x p ( 一鲁)厶7 正，二j 这里，。巧+ 乎，日一口r c 培伍t ) 。 在( 0 ，) 区间内对，积分，可得到r 的概率密度： r r 2 p ( r ) 。寺e x p ( 一矛) 舢) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 表明，接收信号的相位服从( 0 ，2 石) 的均匀分布。 在移动通信系统中，无线多径衰落信道也可以表示为时变线性滤波器。该线性 滤波器可以表示为时变信道冲击响应j i l ( t ，f ) ，数学上可以表示为： 2 著魄o ) 6 ( f 一气( f ) ) ( 2 - 2 0 ) 对于发送信号s ( f ) ，经过信道后的接收信号，( t ) 可以表示为： r o ) 2 善獬。一( f ” ( 2 - 2 1 ) 2 6 加入高斯白噪声后的多径信道 加入高斯噪声后，信道不但有多径效应，而且有加性高斯噪声，在这种情况下， 接收信号可以表示为： ，o ) s o ) 幸j l p ；f ) + w o ) 一罗魄( f ) s o t o ) ) + w 1 0 f ) 例 其中，为多径信道的总路径数，| l i ( f ) 为第f 条路径上的复数增益， 路径上的时延。 2 7无线多径衰落信道的建模与仿真 ( 2 2 2 ) t o ) 为第i 条 对于无线衰落信道，仿真的方法和算法有很多，这里只介绍本文用到的j a k e s 仿真的基本原理。j a k e s 仿真器模拟的是在均匀介质散射环境中频率非选择性衰落信 道的复低通包络，用有限个( 大于等于1 0 个) 低频振荡器来近似构建一种可分析的 模型。 根据c l a r k e 模型n 引，接收端波形可表示为经历了条路径的一组平面波的叠加， 接收信号为： 如o ) 一厶g c o s ( 吐f + q f + 识) ( 2 2 3 ) 1 2 华北电力大学硕士学位论文 q 一c o s q ( 2 2 4 ) 式2 2 1 中，岛是余弦波的幅度；g 表示第，l 条路径的衰减；口表示第疗条路径的 到达角；吮表示经过路径n 后附加的相移；吐是载波频率；是最大多普勒频移。 不同路很能够的相移屯是相互独立的，且九是在( o ，2 石) 均匀分布的随机变量。为 了方便将如o ) 标准化，使其功率归一化，得： 尺o ) 一2 e c o s ( 哆f + f c o s q + 纯) 一鼍g ) c o s 心“置p ) s i n q f ( 2 2 5 ) 式中： 置o ) 。压耋c c o s ( f c 0 s + 丸) ( 2 2 6 ) 鼍( f ) = 一2 es i n ( f c o s + ) ( 2 2 7 ) 假设平面波有个入射角，且在( 0 ，2 万) 均匀分布，则模型中的参数为： 如；望 n ；等以o ：1 ，2 ，) a 一。百以o 2 璩，) q = p ( 叫口- 去d 口一专 c 。| s 幼 q 。c 0 8 百万 将这此参数代入式2 2 l 得： ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 删一后和咿啪s 厣训 3 3 ， 对于发送速率为1 0 7 的发送速率，用1 6 个振荡器的j a c k s 模型来仿真模拟衰落 信道，多普勒频移特性和幅度包络线如图2 3 ，图2 4 所示： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 基于j a c k s 模型的多普勒频移特性 图2 4 基于j a c k s 模型的幅度谱 由以上两图j a c k s 模型的多普勒频谱接近经典分布，衰落特性接近瑞利分布。 2 8 小结 本章对移动通信中的移动时变信道进行了全面的分析，介绍了空间电波传输的 特点，以及多径衰落信道中相干时间，相关带宽，多普勒频移等基本概念，最后介 绍了基于j a c k s 模型的多径信道的仿真方法。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1o f d m 系统基本思想 第三章0 f d m 系统 在无线通信系统，正交频分复用( o f d m ) 以其较高的频谱利用率，而且易于实现， 得到了广泛的应用，o f d m 是多载波调制的一种n 耵，其主要思想是：将信道分成若干 正交子信道，同时，将高速数据信号转换成并行的低速数据流，调制到各个子信道 进行传输。正交信号在接收端可以通过相关技术来分开，这样可以减少子信道之间 的相互干扰i c i 乜o 】。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 道可以看成平坦衰落信道，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小部分，信道均衡变得相对容易。在向b 3 g 4 g 演进的过程 中，0 f d m 是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以 及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。 3 2o f d m 系统结构 o f d m 基带系统构成如图3 1 所示： 耿f j 、 a w 硎 l i ( 1 图3 1o f d m 基带系统 整个系统对信息的处理过程如下：对输入的信息比特流进行基带调制，如m p s k 、 m q m a 调制等，调制后的符号流进入串并转换模块，形成k 路并行符号流，对这 路符号进行多载波调制，即似瓞肋点i f f t 变换。这里设定瓞的原因是，在某 些应用环境中，会有一部分子载波用来传送用做信道估计的导频信号，或者考虑到 滤波器的性能，两端都要留出几个虚载波，当作保护频带，这样，实际用来传送有 用信息的子载波数就小于总的子载波数，即i f f t 变换的点数肌i f f t 处理器除 实现i f f t 变换外，还可根据系统的要求，实现选定导频信号、虚载波及符号波形 1 5 华北电力大学硕士学位论文 成形等功能。处理后的数据经过并串转换，转换为长度为的串行数据流，对这 ， 个数据进行循环扩展，将这个数据的后位复制再插到这个数据之前，即插入 循环前缀，构成一个基本的o f d m 符号，o f d m 符号经数模转换( d a ) ，送入传输信道： 在接收端滤波后进入模数转换( d ) 器，对输出的数据流进行定时同步和估计频偏， 同步后的数据流删除循环前缀，按o f d m 符号转换成路并行数据，进行多载波解 调，即f f t 变换，f f t 处理器同时还能纠正数据的频偏，并实现信道估计，从而对 解调数据进行信道均衡。从处理后的彤个数据中取出点信息数据，经并串转换、 基带解调后，得到接收的信息比特流。 3 3用l d 州d f t 实现o f d m 0 f d m 之所以易于实现，一个主要的原因就是调制、解调过程可以用离散付立叶 反变换( i d f t ) 和离散付立叶变换( d f t ) 来等效，其中每个子载波都可以受到相 移键控或者正交幅度调制等的调制，但在多数文献中，通常采用复等效基带信号来 描述o f d m 的传输信号，它可以表示为一组并行传输的调制载波信号： + 一l+