（通信与信息系统专业论文）移动无线信道仿真与ofdm盲同步.pdf

摘要 正交频分复用技术( o f d m ) 近年来发展迅速，基于o f d m 的算法研究如信 道估计算法，均衡算法，同步算法等一度成为研究的热点。在研究以上问题时， 都不可避免的要涉及o f d m 系统在无线信道中的建模与仿真。本文从系统仿真方 法论出发，充分考虑到实际宽带无线通信系统的频率选择性，建立0 f d m 系统在时 变色散信道中的仿真，并说明了相应参数的设置方法。 相对于单载波系统，o f d m 技术对频偏和定时非常敏感，同步是o f d m 技术 研究的一个重要方面。基于循环前缀的同步算法实现简单，精度较高，但其仍然 是一种半盲同步。针对此不足，本文将o f d m 参数估计引入同步算法，得到一种 基于循环前缀的全盲同步算法。进而针对该算法在多径衰落信道下性能较差的问 题，研究改进了多符号部分相关算法，并用计算机迭代技术实现，提高了算法运 算速度。仿真结果显示，相同条件下，改进算法比与原算法有更好的性能。 关键词：o f d m 盲同步循环前缀最大似然估计信道仿真 a b s 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 o l o g y ( o f d m ) d e v e l o p e d r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h ea l g o r i t h m sb a s e do no f d m ，s u c ha so f d mc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m ，t h ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m ，a n ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb e c a m e h o tr e s e a r c h i na l ls t u d ya b o v e ，t h e y r eu n a v o i d a b l et ob ei n v o l v e di nt h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no fo f d ms y s t e mi nt h ew i r e l e s sc h a n n e l t h i sa r t i c l ef u l l yt a k e st h e c h a r a c t e ro ft h ea c t u a lb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n t oa c c o u n tf r o m t h es y s t e ms i m u l a t i o nm e t h o d o l o g y ，t oe s t a b l i s ht h es i m u l a t i o no ft h eo f d ms y s t e mi n t h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l ，a n dd e s c r i b et h em e t h o do fs e t t i n gt h ec o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r s o f d mt e c h n o l o g yi sv e r ys e n s k i v et ot h et i m i n ga n df r e q u e n c yd e v i a t i o n c o m p a r e dt os i n g l e c a r r i e rs y s t e m s ，s os y n c h r o n i z a t i o ni s av e r yi m p o r t a n ta s p e c to f o f d mt e c h n o l o g y t h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ec y c l i cp r e f i xi ss i m p l e t oa c h i e v e ，a n dh a sah i g h p r e c i s i o n ，b u ti ti ss t i l las e m i - b l i n ds y n c h r o n i z a t i o n f o rt h i s d e f e c t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ee s t i m a t i o no ft h ep a r a m e t e r so fo f d mi n t ot h e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dg e t sab l i n ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e c y c l i cp r e f i x a n dt h e nf o rt h et h ep o o rp e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mi nt h em u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e l ，m u t i - s y m b o lp a r tc o r r e l a t e da l g o r i t h mi sp r o p o s e da n da c h i e v e db y i t e r a t i v ea l g o r i t h mt oi m p r o v et h es p e e do fc o m p u t i n gi nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h e o r i g i n a lu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s k e y w o r d s ：o f d m b l i n d s y n c h r o n i z a t i o n c y c l i cp r e f i x m a x i m u m - l i k e l i h o o d ( m l ) e s t i m a t i o n c h a n n e ls i m u l a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育 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 献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：三阻 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：益垒生本人签名：凹殳生 导师签名： 日期鳗墨出 日期群：星 第一章绪论 第一章绪论 随着无线传输技术和信号处理技术的快速发展，人们希望未来的无线通信系 统能够在日益恶劣的电磁环境中实现可靠的高速数据传输。尽管采样传统技术在 一定程度上也能改善系统在干扰环境下的性能，但要实现更高速率的数据通信， 还需要开发更加有效的技术来提高频谱的利用效率。o f d m 技术是由上世纪出现 的多载波调制技术发展而来的，到上个世纪8 0 年代末，随着各种高速信号处理( 尤 其是f f t ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 芯片的发展，o f d m 技术获得了迅猛发展。目前 它的数据速率已经达到5 0 m b s 以上。由于它具有很强的抗多径衰落性能和很高的 频谱利用率等突出的优点，目前不仅已经广泛应用于无线局域网等领域，而且被 公认为是新一代宽带移动通信以及未来无线高速数据传输网络的核心技术【l j 。 o f d m 技术与各种通信、广播电视新技术的结合更是当前国内外研究开发的热点。 1 1 无线信道的特点 在无线和移动通信系统中，信号通过被调制的电磁波在空间传输至接收端。 由于电磁波在空间传输时会受到反射，散射等影响，会产生复杂的传播机制，如 多径衰落，多普勒效应等等，从而导致接收端信号电平的不稳定，随时间和位置 快速波动。 1 1 1 多径效应 在无线和移动通信系统中，信息通过无线电波传输到达接收机。电波不仅会 随着传播的距离的增加而损耗，并且会受到地形，建筑物的遮蔽而发生“阴影效 应”，而且信号多次反射，折射，以不同的路径到达接收机，在接收端时而同相迭 加增强，时而反相迭加减弱。接收信号产生很大的衰落。移动通信经常在快速移 动中进行，这样会引起多普勒频移，使得电波传输特性发生快速的随机起伏。 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径而来的，而是许多 路径众多的反射波组成。由于电波到达的路径不同，因而各路径来的反射波到达 时间不同，相位也就不同。不同相位的信号在接收端迭加，同相迭加信号增强， 反相迭加信号减弱。接收信号的幅度将急剧变化，即产生衰落。这种衰落是由多 径引起的，所以称为多径衰落。移动信道的多径衰落主要体现在时间和空间两个 方面上。从空间角度上，沿着移动方向，接收信号的的幅度随着距离变动以及地 2 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 形起伏而衰减。从时间角度来看，各个路径的长度不同，因而时间到达的长度也 就不同。例如，发射端发射一个脉冲信号，则接收端可以接收多个脉冲，每个发 送脉冲的衰落和时延，以及脉冲的个数都是不相同的。这种由于多径效应引起的 接收信号中脉冲宽度扩展的现象就叫做时延扩展。 1 1 2 多普勒效应 当接收机在运动中通信时，接收信号的频率就会发生变化，称为多普勒效应。 当接收机向着信源方向移动时，接收信号的频率就会增加，反之就会减少。 这种多普勒频移会造成信道的时变特性，也就是信道出现了时间选择性衰落。 所谓时间选择性衰落，是由于在信号传输过程中，传输信号的特征已经发生了变 化。信号尾端时的信道特性与信道前端时的信道特性已经发生了变化。多普勒频 移是信道时变性在移动通信系统中的具体体现之一，即单一频率信号经过时变衰 落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，这又可以称之为信道的频 率弥散性。 1 2o f d m 技术发展历史与研究现状 1 2 1o f d m 技术发展历史 o f d m 技术的应用可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，r w c h a n g 在论文中提出了 一种在线性带限信道上同时传输多路信息传输方法，能同时避免子载波问干扰( i c i ， i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( i s i ，i n t e rs y m b o li m e r f e r e n c e ) 。19 6 7 年， b r s a l t z b e r g 提出了相邻信道间的串扰将是信道畸变的主要原因。1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 提出使用离散傅立叶变换( d f t , d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来 实现o f d m 基带系统中的调制和解调功能，并在符号间加入了保护间隔( g i ，g u a r d i n t e r v a l ) 1 2 j 。该系统不再需要利用带通滤波器，而是经过基带处理就可以实现频分 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 ) ，这样在完成f d m 的过程中，不再要 求使用子载波振荡器组以及相关解调器，可以完全依靠f f t 的硬件来实施。1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 使用循环前缀( c p , c y l i cp r e f i x ) 或循环后缀来解决子载波间的正 交性，能很好的解决保持子载波正交性和符号间干扰问题【3 】。随着现代超大规模集 成电路技术的发展，以及d d t 等专用芯片的使用，从而极大的推动了o f d m 技 术在很多领域的广泛应用。 第一章绪论 1 2 2o f d m 技术应用现状 由于o f d m 具有抗干扰性强、频带利用率高，以及较易实现的突出优点，目 前已经被成功的应用于一些新体制的通信、广播电视等系统中。 目前o f d m 技术应用最成熟也是最成功的是其在无线局域网( w l a n ， w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k s ) 中的应用【4 | 。其中，i e e e 8 0 2 1 1 a 1 5 埽口8 0 2 1 l g ( 以及 欧洲标准h y p e r l a n 6 】) 对o f d m w l a n 技术和产业的发展起了重要的推动作用。 这两种基于o f d m 的标准的性能远远优于基于互补码键控( c c k ，c o m p l e m e n t a r y c o d ek e y i n g ) 编码技术的8 0 2 1 1 b 。其中，工作于5 g h z 频段的8 0 2 1 1 a ，其数据 传输率可达到5 4 m b s 。o f d m w l a n 标准的新热点是i e e e 8 0 2 1 1 n ，它计划将无 线局域网的传输速率从8 0 2 1 1 a 的5 4 m b s 提高至1 0 8 m b s 以上，且它为双频工作 模式，( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频段) ，保障与以往的8 0 2 1l a 、b 、g 标准 兼容。 而在欧洲的数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 和数字视频广播 7 1 ( d v b ，d i g i t a lv e d i ob r o a d c a s t i n g ) 中，o f d m 已经成为标准中的一部分。目前 国外已经在伦敦、巴黎、德国的巴伐利亚和柏林坚持了d a b 广播网，在加拿大已 构成全国网。我国从9 0 年代中期开始预研，目前处于试验阶段。 o f d m 技术在接入网中也有应用。目前非对称数字用户电路( a d s l ， a s y m m e t r i cd i g t i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 有三种调制技术可供选用：正交幅度调制 ( q a m ，q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，无载波幅度相位调制( c a p , c a r r i e r l e s s a m p l i t u d e p h a s em o d u l m i o n ) 和离散多音调制( d m t , d i s c r e t em u l t i t o n e m o d u l a t i o n ) 。d m t 可以提供更高的下行速率和更远的传输距离，因而被美国国家 标准学会定为a d s l 传输标准，而d m t 实质上就是o f d m 技术。 1 2 3o f d m 技术的研究热点 随着o f d m 日益广泛的应用，o f d m 的各项相关技术也成为了无线通信领域 研究的热点。目前，国际上对于o f d m 技术的研究主要集中在以下几个方面。 数字通信系统中，同步是一个非常重要的问题。而o f d m 技术本身对同步的 要求很高，因为子载波之间的间隔较小，所以系统对由多普勒频移或收发端载波 频偏产生的频率偏差比单载波系统要敏感得多，频偏会破坏子载波之间的正交性， 引起i c i 。o f d m 是按帧传送数据的，若帧定时发生偏差，落在c p 范围之外，系 统的解调结果将完全错误。 o f d m 系统中虽然可以用差分调制来简化接收机，但同时也会使噪声增强而 降低了系统的性能，若希望提高系统的性能，则必须在o f d m 中使用相关解调， 4 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 这就需要进行精确的信道估计。信道估计也就成为了人们研究的热点。 o f d m 系统还有一个问题是多载波调制后的发送信号幅度变化很大，在很多 情况下会超出功率放大器的线性区域，导致很高的带外辐射。因此，在o f d m 系 统中，如何降低多载波信号的功率峰均值比( p a p r ，p e a kt o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 也是一个很重要的研究课题。 1 3 本文主要工作及内容安排 本文主要围绕两个方面展开，移动无线信道仿真和o f d m 盲同步。首先，对 无线移动通信信道进行了研究和分析，确定了o f d m 通信系统所对应的无线信道 仿真模型，并做了相应的仿真。其次，研究了在全盲条件下，基于循环前缀的同 步算法，并对其进行仿真和分析。 第二章中简要介绍了o f d m 系统的基本概念和原理，调制及解调流程，以及 同步在系统中的作用。 第三章中针对o f d m 信号的特点进行无线通信信道的仿真。首先介绍信道仿 真的基本原理，逐步深入推导出了适合o f d m 通信系统特点的信道模型，并进行 了仿真分析。 第四章中则围绕全盲条件下的同步展开，主要介绍了一种基于循环前缀的全 盲同步算法以及最大似然同步联合估计算法的原理，以及其在多径衰落信道下的 改进算法，并对算法进行了仿真分析。 第五章中总结了本文的研究成果，并提出了对未来的展望。 最后是致谢和参考文献。 第二章o f d m 系统及其同步概述 第二章o f d m 系统及其同步概述 o f d m 技术是多载波传输技术的一种，它的特点是把窄带信号分割至频率较 低的多个正交子载波在信道上并行传送，各个子载波相互正交，故可以并行传送 而不互相干扰。由于是并行载波的低码率数据流，符号的维持时间变长，因此由 多径时延扩展造成的时间弥散下降。在o f d m 系统中，采用基于载波频率正交的 f f t 调制，各个载波的中心频点没有其它载波的频谱分量，各载波频率互相混迭， 大大提高频谱利用率。另外，还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间 隔大于无线信道的最大时延扩展，可以最大程度地消除由于多径带来的符号间干 扰( i s i ) ，而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免信道干扰( i c i ) 。 2 1 1o f d m 系统的结构 2 1o f d m 系统的基本原理 图2 1 是o f d m 系统的发射与接收原理框图。基带信息比特流经过编码、调 制，串并转换分成个支路，即把数据调制到n 路子信道上，然后对各个子信道 数据进行逆快速傅立叶变换i f f t 处理实现正交调制，再插入保护间隔( 长度为l ， 大于信道最大时延扩展) ，经过低通滤波之后由射频放大送出。接收端接收到射频 信号后先进行射频解调，把信号从射频移到基带，然后对其进行采样量化，进行 定时和频偏估计，移除c p ，用快速傅立叶变换f f t 对各个子信道信息流解调，转 换为串行数据流后，再解调译码恢复信号。 发射 图2 1o f d m 系统发射与接收原理框图 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 2 1 2o f d m 系统调制原理 图2 2 所示为o f d m 调制解调原理图。 c o s ( 2 矿1 ，) 图2 2o f d m 调制解调原理图 经过多载波调制的基带等效信号可以表示为： c o s ( 2 a f o ) t ) 弘l ! c o s ( 2 n f ”t 、 磐o i e o s ( 2 n 矿g n 弘l 0 t t 。 ( 2 1 ) 式中，口【尼】表示第k 个子信道上经过星座映像的复数信号，矽表示子载波频率间 隔，c 表示o f d m 符号持续时间，n 为子载波个数。以 r 正的速率对( 2 - 1 ) 式 的信号进行抽样可得： 咖阳( 争= 妒 o n n - 1 p 2 ) 当匀z = 1 时，各子载波间隔相差一个o f d m 符号周期，子载波间相互正交，即： 九斫： 卜2 半出：0 = ( 2 - 3 ) 丁，j o丁j j o 此时： 虹刀 = a k e2 彬= 研丁m ( 2 - 4 ) 也就是说，可以用i d f t 实现o f d m 正交多载波调制。同理，对接收信号， 可采用d f t 实现多载波解调： 够 七2 e七口 脚 = 、_ 一 x 第二章o f d m 系统及其同步概述 7 口【庀j = d f t x n j 2 万is 毛v - 1 科玎】p 。2 础 2 万l 刍v - - l 毛t v - - ia p 2 删) p 。2 彬m ( 2 - 5 ) 2 万毛j v - i 口【所 n 8 聊一明 = 讲七】 综上所述，可以使用i d f t d f t 实现o f d m 的正交多载波调制和解调。实际 运用中，通常可采用更加方便快捷的i f f t f f t 。 2 1 3 循环前缀 o f d m 采用并行数据传输，每个调制子载波的符号周期比单载波系统符号周 期长得多，因此，o f d m 系统可以有效的对抗多径时延扩展。为了更好的消除符 号间干扰，可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) 。如果 在保护间隔内是一段空白传输时段，由于多径的影响，会产生载波间干扰( i c i ) ， 即子载波之间的正交遭到破坏，不同的子载波间会产生干扰。在实际的o f d m 系 统中，通常将符号的最后长度为上的数据复制填充到保护间隔的位置，称作循环 前缀( c p ) 。图2 3 所示为添加了循环前缀的o f d m 符号结构。 复制到 循环前缀 保护间隔工 一一j i 醇r 忸f 几z 杯 一裂馏扳茯厦 一 图2 3o f d m 符号加循环前缀不意图 添加循环前缀是利用了离散线性系统中的一个概念。在连续时间域，时域信 号的卷积就等于频域信号的乘积。而在时间离散情况下，只有使用无限大的样值 点或至少有一个卷积信号是周期性的时，这个定理才成立。实际应用中，当然不 可能使用无限大的样值点，那么只能通过某种方式使信号具有周期性，这个办法 就是添加循环前缀哺j 。 在添加了循环前缀后，o f d m 信号表现出周期性，信号与信道冲击响应的卷 积就成了圆周卷积。依据离散时间线性系统原理，这种圆周卷积就相当于o f d m 8 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 信号的频率响应和信道频率响应的乘积，也就是说，使用循环前缀保证了卷积特 性的成立。循环前缀也可以用来改善系统的性能，如用来进行同步和信道估计等 盘 寸口 2 1 4o f d m 子载波之间的正交性 由于引入了正交的子载波，使得o f d m 系统对子载波的频率偏移很敏感，因 此，保持系统子载波的正交性成为o f d m 系统中的关键技术之一。在o f d m 系统 中，正交性源于组成一个o f d m 符号的子载波之间的精确关系：( 1 ) 在给定的时 间间隔t 内，每个子载波正好有整数个周期宽度，也就是每个子载波频率是基本 频率的整数倍；( 2 ) 个符号时间段内，两个相邻子载波间的周期数严格地相差 一个周期，此特性保证了两个子载波间的正交性，允许每个子载波能被接收并独 立地解调，而不会受其它子载波产生的干扰影响。0 f d m 信号的频谱见图2 4 。 图2 4o f d m 系统中子信道符号的频谱 要保持正交，o f d m 的子载波必须具有循环前缀保护时间，必须认真控制或 同步处理子载波之间的精确关系。要满足正交性还需要时间同步，还要求o f d m 接收机解调子载波之前，必须找到符号边界。此信息用于发射机和接收机的时间 同步，这也是解调时正确去除c p 和保证适当的f f t 持续时间所必须的。 2 2o f d m 系统中的同步 当信号在移动无线信道中传输时，信号无可避免的受到噪声，多径衰落以及 多普勒效应等的影响。这样，o f d m 接收机的设计牵涉到两个问题，o f d m 字符 的到达时间未知和载波频率偏移的补偿。因此，在研究o f d m 系统中同步问题时 主要研究符号定时同步和载波频率同步【9 1 。 第二章o f d m 系统及其同步概述 2 2 1 符号定时偏差 发送信号经过信道传输后，由于受信道特性的影响，在接收端会出现f f t 观 察窗口与发送窗口不一致，即f f t 观察窗口扩展到两个连续的o f d m 符号，这会 导致i s i 和i c i ，如图2 5 所示。 图2 5f f t 观察窗口的位置示意图 如观察窗口滞后，下一个符号的采样点会干扰当前o f d m 符号；反之，观察 窗口b 超前，当前o f d m 符号的一些采样点会被丢弃，而由前一个符号的样点填 充，两种情况都会出现符号间干扰i s i ，正确的位置应该是窗口a ，接收端的观察 窗口恰好与一个o f d m 符号的起始位置吻合，符号可以正确地解调出来，不会出 现干扰。 2 2 2 载波频率偏移 因为频率偏移会导致所有子载波上的i c i ，所以o f d m 系统的频率同步比单 载波系统要求更精确。o f d m 的缺点之一在于对频率偏移非常敏感，一般需要使 频偏小于子载波间隔0 o l 。频偏会带来两个弊端，其一是信号幅度的减小，其二 是引入了i c i ，破坏了子载波之间的正交性。 收发两端射频中心频率不匹配、衰落信道多普勒偏移等会导致载波频率发生 偏移a f = 一无，对接收信号的影响是：相位偏移i t k ( a f ，f ) = 2 ，r a f i ，f z ( l ) ，频 域内接收到的信号频谱发生偏移。当载频偏移厂是载波间隔f ，的整数k 倍时，在 频域内子载波间虽仍保持正交性，但是在解调信号时相应信道的信号却落在了其 它信道上，因此会导致很高的误码率；如果载频偏移厂不是载波间隔凡的整数 倍时，在频域内子载波间不能保持正交性，出现载波间干扰i c i 。 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 2 3 本章小结 本章对o f d m 系统的基本原理进行了简要的介绍，其中包括调制解调实施方 法，保护间隔循环前缀的实现原理，以及同步问题产生的原因，同步要解决的问 题等。通过阅读本章，可以对o f d m 系统具备完整而概括的了解。 第三章无线移动通信信道 第三章无线移动通信信道 无线信道是移动通信的传输媒体，信道性能的好坏直接决定着人们通信的质 且 里o o f d m 系统作为第四代宽带移动通信系统的候选技术之一，一度成为研究热 点。基于o f d m 的算法研究如：信道估计算法，均衡算法，同步算法等都不可避 免的要涉及o f d m 系统在无线信道中的建模与仿真。无线信道的建模向来是移动 无线通信系统理论中具有挑战性的难点。任何无线通信系统的标准都需要指定一 个信道模型作为性能评估和比较的基础，而该模型必须充分体现出目标应用信道 的各种特性。信道建模通常采用统计的方法进行，根据所研究信号在特定环境下 的特性来选择不同的信道模型1 9 j 。 目前在o f d m 系统的仿真中涉及的无线信道的仿真方法中，可以利用国外仿 真软件中的现成模块，模型也比较精细。但仿真时因为不清楚模块产生的具体原 理，往往不能合理的设置仿真的参数，达不到理想的仿真效果。 本章从通信系统仿真的角度出发，充分考虑无线通信信道的频率选择特性对 信号造成的影响，依次分析了无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及产生 这些变化的原因，这些变化对o f d m 信号的影响，从而建立了o f d m 系统不同条 件下的信道模型，并说明了参数设置方法。 3 1 衰落与多径效应 陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制来表征，这三种传播机制是根据 距离尺度大小来区分的，大尺度的传播机制是用来描述区域均值，它具有幂定律 传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比变化；中尺度的传播 机制描述的是阴影衰落，它是重迭在大尺度上，电波特性的中值电平上的平均功 率变化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分布，通常称为对数正 态阴影；小尺度传播机制的信号包络的变化是描述多径衰落的，它通常服从瑞利 概率密度函数，因而也称为瑞利衰落。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 可能选择高质量、大容量传输有用信息起着指导性的作用。讨论大尺度传播不仅 对分析信道的可用性，选择载波频率以及切换有重要意义，而且对于网络规划也 很重要；而讨论小尺度衰落则对传输技术的选择和数字接收机的设计至关重要。 本文从小尺度衰落的角度出发，考虑移动通信信道的多径，移动台的移动，以及 1 2 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 不同的散射环境使得移动信道在时间上频率上造成的色散。本文不考虑空间和角 度色散，只考虑标量建模。 无线移动信道的主要特征是多径传播【l 。移动信道是充满了反射波的传播环 境。到达移动台天线的信号不是单一路径而来的，而是许多路径的众多的反射波 的合成。由于电波即通过各个路径的距离不同，因而各路径来的反射波的到达时 间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而加 强，有时反向迭加而减弱。这样，接收机信号的幅度将急剧的变化，即产生了衰 落。这种多径是由多径引起的，所以称为多径衰落。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面上 来描述和测试。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离 变动而衰减，其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部 均值为随距离增加而起伏的下降的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间 扩散耗损。 从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这样， 如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包括该脉冲，而且还包含它的各 个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象，称为 时延扩展。扩展的时间可以用第一个到达的信号至最后一个到达的信号之间的时 间来测量。时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。多径主要 包括以下视距路径和非视距路径两种：( 1 ) 视距路径( l o s ) ：接收机和发射机之 间的直接路径；( 2 ) 非视距路径( n l o s ) ：经过反射到达的路径。视距路径( l o s ) 和非视距路径( n l o s ) 如图3 1 所示。 图3 1l o s 和n l o s 不慈图 假设，无线信号都是带通的，而且几乎都是窄带信号时，分析信道给信号带 来的影响。 ( 1 )信道对信号复包络的影响 静态情况下，建立多径信道对信号复包络影响的数学模型。传送的带通信号 的复包络可以表示为： 第三章无线移动通信信道 s ( t ) = r e s ( t ) e 7 2 硼 ( 3 - 1 ) 式中，正为载频。信号在多径环境中传送，移动台周围布满散射体，移动台速率 为v 。 假设：第i 径的路径长度为蕾，反射系数为q 。接收到的带通信号为： y 缸) ，a t s ( t - 詈) 。军qr e 敝，一詈) e x p 【2 矾。一詈) 】) 。3 埘 = r e 军口，j o 一詈) e x p 2 万( 正r 一) 】 式中，c 是光速；允= c ly g 波长。提出公因子后，接收信号的复包络可以表示为： 少( f ) = r e 眇( f ) p 2 硼】( 3 - 3 ) 接收信号的复包络是衰减、相移、时延都不同的路径成分的总和。 y ( f ) = 军口，p 2 f 专m 一詈) = 军口，7 2 矾m 一啪 ( 3 4 ) 式中，时延f ，= 一c 。上式即为接收信号的复包络模型。 在某些情况下，不仅有散射路径，还存在从基站到移动台的视距路径( l o s ) 。 视距路径第一个到达接收端，因为其它路径需要经过更多的间接路径才能到达接 收端。视距路径通常是单个路径中最强的，但不一定比其它路径的总和强。 ( 2 )多普勒频移 通常情况下，线性时不变( l t i ) 系统的输出、输入信号的频率成分是相同的。 也就是说，一个l t i 系统不会将频率偏移引入到它的输入信号中。而非线性系统 和时变系统会把新的频率成分引入到输入信号中。对于无线环境来说，由于移动 用户或者周围散射体的运动，信道是线性时变的。因此，一个无线信道就会将频 率偏移引入到传输的信号中，这种现象即多普勒效应，引入的频率偏移为多普勒 频移。 由于一个无线信道可以等效地在时域和频域表征，信道在时域中的时变性意 味着在频域中引入多普勒频移。实际上，由于无线信道经常引入连续分布在某一 范围内的多普勒频移，所以信道对传输信号的影响在频域表现为频谱展宽，即多 普勒扩展，而不仅是一个频率偏移。 图3 2 为多普勒频移示意图，如图所示，远程源发送信号，接收信号的移动台 在时间f 内，以速度v 从x 运动到n 位移d 。设基站和移动台之间的距离足够 1 4 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 名：vco_sa(t)：监c。s口(r)(3-5)dd -vv v ， ，7：吞 ，蚴心、蚴”呀 二- - 一o 一 爿扩一y 图3 2 多普勒频移示意图 ( 3 )信道对信号复包络的影响( 动态情况下) 当移动台运动时，由于移动台周围的散射体较杂乱，导致路径的长度发生变 化。设路径f 的到达方向和移动台的运动方向之间的夹角为舅，则路径长度的变化 量是移动台的速度v 和时间的函数，即： x ，= 一v tc o sa ， ( 3 - 6 ) 这样就使每条路径的频率都发生改变，变化量的大小取决于到达角e 。在这 种情况下，信道输出信号的复包络为： 第三章无线移动通信信道 y 舻印厅华嘶一半) = 伽暑p 伽妄只m 一詈+ 孚)( 3 - 7 ) = 军即胁却m 一分i 叩腻删舻 = j p ) 水h ( t ，r ) 式中，厶是最大多普勒频移，厶= v i a ；s ( f ) 是复基带发送信号；办( f ，f ) 为信道冲 激响应，符号牛表示卷积。 设最小和最大多径时延分别是f 。和f ，信道冲击响应为： h ( t ，f ) = 口f p 7 2 办刚万( f j q ) ( 3 8 ) f 暑l 假定f 。是第一个到达的多径( 即f 。= 0 ) ，则将好 ( f ，f ) 归一化得到乃( f ) ： 坼) = 善n 而1 矾删叫咖刷f ) _ 肌) ( 3 - 9 ) 如果信号是为宽带信号，也就是说， 信号就是发送信号的多个副本之和， 的基带等效信道的归一化冲击应为： 信号经过信道后受到频率选择性衰落，接收 将这些多径称为可分离径。这时，宽带信道 由上式可以看出，如果各径的时延差超过了a b ，秒内，则这些到达路径在接 收机处相互迭加，若在数位通信中，就形成了i s i 码问干扰。 综上所述，无线信道中主要存在以下两个主要效应：( 1 ) 时间选择性衰落， 是指信道冲击响应随观察时间的不同产生变化，它与信号经历的各径多普勒频移 有关，是由于移动台在散射环境中运动造成的；( 2 ) 频率选择性衰落，是指信道 冲击响应随输入频率的不同而产生变化的，它与信号经历的各径时延有关，是由 于散射体位置不同而导致各径路径长度不同而造成的。 根据信道的频率选择性，可以把信道分为平坦衰落信道和频率选择性信道， 事实上，平坦衰落信道只有一个可分辨径( 包括了多个不可分辨径) ，而频率选择 性信道是由多个可分辨径组合而成( 其中每一个可分辨径就是一个平坦衰落信 道) ，也就是说，频率选择性衰落信道的建模比平坦衰落信道的建模更加复杂，它 乃 ) 叽 乃 胁 一 上厄啾 o删屏 ll = = 移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 是由多个具有不同时延的平坦衰落信道组合而成。因此，平坦衰落信道是标量信 道建模的基础，在此基础上，介绍频率选择性衰落信道的建模与仿真。 3 2 1 平坦衰落信道建模 3 2 平坦衰落信道建模及其仿真 ( 1 )c l a r k e 信道模型 c l a r k e 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信道。其 移动台接收信号场强的统计特性是基于散射的，这个正好与市区环境中无直视通 路的特点相吻合，因此广泛应用于市区环境的仿真中【1 2 】【1 3 】。 基站和移动台之间的传播环境主要特征是多径传播，即并不仅仅是来自一条 直射路径，而更包括由于建筑物、树木以及起伏的地形引起反射、散射，以及绕 射后的信号，由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径来的反射波到达的 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，有时同相迭加而 加强，有时反向迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生衰落。 对于典型的市区环境，具有以下特点： 发射天线放置在建筑物顶端，在接收天线的远场区空间上只存在很少的可分 离的远程散射体，且每个主反射体一般只有一个主要路径，在发送端和接收端的 附近存在大量的反射体，由于它们产生的多径信号相对时延很小，所以可以认为 任何平面波都没有附加时延，又由于不存在直射路径，只存在散射路径，使得到 达波都经历了相似的衰落，具有几乎相等的幅度，只是具有不同的频移和入射角。 由于移动台的移动，使得每个到达波都经历了多普勒频移，假设发射天线是 垂直极化的，入射到移动天线的电磁场由个平面波组成。对于第1 个以角度口。 到达x 轴的入射波，多普勒频移为： 厶= c o s a 。( 3 - i t ) l 式中a 为入射波波长。 到达移动台的垂直极化平面波存在的电场e 和磁场日的场强分量分别为： 上 e ：= e 0 c 。e o s ( 2 n f c f + 吼) ( 3 - 1 2 ) n = l pn 日，= 一鲁c 。s i n a 。e o s ( 2 z r f c t + 8 。) ( 3 - 1 3 ) 第三章无线移动通信信道 髟= 一了e o 喜g s i n a c o s ( 2 矾f + 见) ( 3 1 4 ) 式中，e o 是本地磁场平均的实数幅度；e 表示不同电波幅度的实数随机量，7 是 空间固有阻抗( 3 7 7 f 2 ) ；丘是载波频率，第疗个到达分量的随机相位以为： 幺= 2 矾，+ 织 f 3 1 5 ) 由于多普勒频移与载波相比很小，因而三种场分量可以用窄带随机过程表示。 若足够大，三个分量e ：、h 。、h y 可以近似为高斯随机变量。假设相位角在【0 ，2 z ) 间隔内有均匀的概率密度函数，则上式可以用同相分量和正交分量表示为： e z = t c ( t ) c o sw c t t , ( t ) s i nw d ( 3 1 6 ) 式中： n t ( f ) = c 。c o s ( 2 z f t + o 。) ( 3 1 7 ) n = 1 c ( ，) = 磊c 。s i n ( 2 z f , t + 孽o 。) n = l 根据中心极限定理上面两式具有以下统计特性： e 疋( r ) 】：e l ( f ) 】= 0 e t r y ( 纠叫黝】= 譬 ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) r 瓦l ( r ) = e 疋0 ) t 0 + r ) 】= 0 ( 3 2 1 ) 即使它们是互不相关的、均值为零、方差为1 的高斯过程。它们的包络服从瑞利 分布即： 一2 p ( “) = 当p 一2 0 - 20_uoo(3-22) 仃。 式中： f 2 仃= 丝 2 ( 3 - 2 3 ) ( 2 ) 多普勒功率谱 由于接收机的运动和多普勒效应，使得接收机的到达波产生了多普勒频移。 1 8移动无线信道仿真与o f d m 盲同步 不同的入射角产生不同的多普勒频移，所有的散射( 反射) 分量的迭加就形成了 连续的多普勒功率谱，也就是常说的“多普勒功率谱”。根据散射( 反射) 环境不 同，接收端的多普勒功率谱也不尽相同【1 4 】。在移动无线信道中常用的有j a k e s 功率 密度函数，g a u s si 功率谱密度，g a u s si i 功率谱密度，以及r i c e 功率谱密度。根 据c o s t 2 0 7 ，典型的这四种d o p p l e r 功率谱密度函数s 。( 厂) 的表达式如下： “j a k e s