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第三代移动通信系统中信道估计技术的研究 摘要 本文以第三代移动通信系统主流空中接口方案w c i ) m a 系统为背景，主要研究了 w c d m a 上行链路r a k e 接收机中的s y m b o l 级算法一一信道估计技术。由于w c d i d a 系统 上行链路采用的是基于相干解调的r a k e 接收方案，故要求对信号在多径衰落信道 中所经历的衰落作出准确实时的估计，以便在r a k e 接收机中实现相位纠偏和相干 接收。本文以w c d m a 系统上行专用信道所采用的间断导频发送方式为背景，对几类 实用的间断导频信道估计算法进行了研究，而且针对衰落信道的特征，对各类算 法的性能作出了理论分析。并且，本文还就d f a l p ( 基于判决反馈的自适应前向预 测) 算法的结构提出了一种改进算法d f a l p r a k e ，该算法通过增加预判值的多径 平均单元，改善了d f a l p 算法在低信噪比环境下的接收性能。最后，本文对讨论的 几类算法进行了系统链路级仿真，通过仿真结果进一步验证了各种算法在不同信 道环境下的接收性能；同时，仿真结果也表明，d f a l p r a k e 改进算法的确能够使 系统的接收性能在低信噪比环境下得到明显的改善。 关健词：宽带码分多址r a k e 接收规相干检测信道估计衰落信道 一 沙 间断导频相位纠偏最大比合并 t 扩7 第三代移动通信系统中信道估计技术的研究 a b s t r a c t t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri sc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yo ft h er a k er e c e i v e r i nw c d m a s y s t e m ，w h i c h i st h ec h i e fs o l u t i o no ft h e 3 “g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s i n c ew c d m a u p l i n ka d o p tt h er a k e r e c e i v e ru s i n gc o h e r e n t d e t e c t i o ns y s t e m ，t h ee x a c ta n dr e a l - t i m ec h a n n e lf a d i n ge s t i m a t i o no f t h et r a n s m i t t e d s i g n a li sn e e d e dt or e a l i z et h ep h a s ec o r r e c t i o na n dc o h e r e n tr e c e p t i o n ，i nt h i sp a p e r w eb r i n go u ts e v e r a la p p l i e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gt i m em u l t i p l e x e d p i l o ta s s i s t e dt r a n s m i s s i o nf o r m a t a n dw ea l s oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fe v e r y a l g o r i t h mu n d e rv a r i o u sf a d i n gc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r da m o d i f i e d a l g o r i t h md f a l p r a k e b ya d d i n g am u l t i p a t h a v e r a g i n gu n i t ，t h e d f a l p r a k e a l g o r i t h mi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ft h er a k er e c e i v e r a tl a s tt h e p a p e ri n c l u d es y s t e ms i m u l a t i o no f a l la l g o r i t h m s ，a n dt h er e s u l to fs i m u l m i o nu n d e r d i f f e r e n tf a d i n gc o n d i t i o nv e r i f yt h a tt h ec o n c l u s i o no f a n a l y s i si sr e a s o n a b l e a l s od o t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t o ft h em o d i f i e d d f a l p r a k e a l g o r i t h mi nl o w s i rc o n d i t i o n k e y w o r d s ：w c d m ar a k e - r e c e i v e r c o h e r e n td e t e c t i o n c h a n n e le s t i m a t i o n f a d i n g c h a n n e l t i m e - m u l t i p l e x e dp i l o t p h a s ec o r r e c t i o nm r c 2 第三代移动通信系统中信道估计技术的研究 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统的发展现状 迈入2 1 世纪，我们已经进入到了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们 就无法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限 制地进行信息交流，提高工作的效率和经济效益。 移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手 段。现代的移动通信发展至今，主要走过了两代，而第三代移动通信系统现在正处于紧 张的研制阶段。 第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统。1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研 制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝式移动通信系统。这一阶段相对于以前 的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网， 即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。 为了解决模拟系统中存在的根本性技术缺陷数字移动通信技术应运而生，这就是 以g s m 和i s - 9 5 为代表的第二代移动通信系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其 频谱利用率低，业务种类受限，通话易被窃听，难以满足移动通信系统的发展。到了八 十年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系。随后，美国和日 本也制订了各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了 频谱利用率，支持多种业务服务，并与i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和 低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的d a m p s 系统、i s - 9 5 和欧洲的g s m 系统。 g s m ( 全球移动通信系统) 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的t d l ；i a 标准而 设计的，支持6 4 k b i t s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用9 0 0 删z 频带，使用1 8 0 0 删z 频带的称为i ) c s l 8 0 0 。g s m 采用f d d 双工方式和t d m a 多址方式，每载频支持8 个信道，信号 带宽2 0 0 k h z 。g s m 标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统其容 量增加不多，仅仅为模拟系统的两倍左右，无法和模拟系统兼容。 第一章绪论 3 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。由于网络的发 展，数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头，所以第三代移动通信的目标就是宽带多媒 体通信。 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无 缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任 何地点进行任何种类的通信系统。由于其自身固有的技术优势，c d m a 技术已经成为第三 代移动通信的核心技术。第三代移动通信系统的目标可以概括为： ( 1 ) 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速 率、不同运动状态下获得有质量保证的服务； ( 2 ) 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频非话音等业务，特别 是多媒体业务； ( 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务数字网、 无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统，来提供无缝隙的覆盖； ( 4 ) 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，商保密性能和高质量的服务。 为实现上述目标，对其无线传输技术( r t t ：r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ) 提 出了以下要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少2 mb i t s ； 室内外步行环境至少3 8 4 k b 1t s ； 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i t s ； 卫星移动环境至少9 6 k b it s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路能适应不对称需求。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，当时称为未来 公众陆地移动通信系统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) ，1 9 9 6 年更名为1 m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 一2 0 0 0 国际移动通信2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b i t s ， 预期在2 0 0 0 年左右得到商用。主要体制有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 4 第三代移动通信系统中信道估计技术的研究 1 2 本文的主要内容 本文的主要内容为：以第三代移动通信系统的主流空中接口方案w c d m a 为背景， 针对w c d m a 系统中无线基站部分( n o d e b ) 的相干解调机制，主要研究了系统上行链 路r a k e 接收机中的s y m b o l 级算法一一信道估计技术。我们知道w c d m a 系统采用的是 间断导频辅助的r a k e 相干解调方式；而这种相干解调方式需要一个前提条件：即实时 的提供多径衰落信号各径所经历的衰落因子值，以便于对解扩后的s y m b o l 级数据符号值 进行相位纠偏，由于矢量的最大比合并技术( m r c ) 要求合并前的各径矢量信号与发 送矢量信号相位一致，否则在瑞利衰落环境下无法利用相干解调方式恢复出数据符号， 所以要求信道估计单元能够尽可能准确的计算出相应时刻的信道衰落；同时又要具有相 对较小的估计延时。 针对以上要求以及w c d m a 上行链路专用控制信道中间断导频辅助的传输帧格式， 本文对以下几类实用的信道估计技术进行了较为深入的研究：1 插值类算法( 线性插值， 高斯二阶插值) ：2 w m s a 算法( 多时隙平均加权滤波) ；3 d f a l p ( 基于判决反馈的 自适应前向预测) 算法。首先，本文以w c d m a 系统上行链路为背景，针对各类算法给 出了详细的介绍和相应的理论分析，并且针对d f a l p ( 基于判决反馈的自适应前向预 铡) 算法的结构提出了改进型算法d f a l p r a k e ，该算法在d f a l p 结构中增加了数据 符号预判值的多径r a k e 平均单元，利用多径衰落之间的独立性，可以使得在信噪比条 件较差的情况，减小估计算法数据符号预判决的误判概率，从而提高系统接收性能。 本文还针对以上的各类信道估计算法进行了系统级仿真，以验证其在不同信道环境 下的接收误码率性能。主要内容包括：1 墒化的w c d m a 系统上行链路的建模，主要包 括数据发送端( d p d c h ，d p c c h ，b p s k ) ，3 g p p 协议规定的典型无线信道( r a y l e i g h , a w g n ) ，接收端r a k e 接收机( 信道估计，相位纠偏，r a k e 合并) ，以及误码率统 计等部分的建模，并且本文还对链路使用的信道模型进行了相应的参数测试，以达到系 统仿真要求：2 根据建立的系统仿真链路模型，对各类算法在3 g p p 协议规定的典型高速 衰落和低速衰落信道环境下的误码率性能进行了仿真；并且根据对各算法误码率曲线的 分析，进一步验证了各类算法性能的理论分析；同时，对d f a l p - r a k e 改进算法的性 能仿真也体现了该改进算法在信噪比环境较为恶劣的情况下会明显的改善接收端的误 第一章绪论苎 码率性能。 本文的内容安排如下： 第一章绪论：主要介绍了第三代移动通信系统的发展现状系统特点。 第二章w c d m a 系统结构：主要介绍了3 g 主流空中接口体制w c d m a 系统的组 成结构：包括各子系统的功能以及各个传输接口的说明。 第三章移动通信信道：由于信道估计技术的目标是对无线信道中信号所经历的 衰落参数进行实时估计，所以本章对移动信道的基本衰落类型以及r a y l e i g h 多径传播的 基本特征给予介绍。 第四章w c d m a 系统上行链路信道估计算法的研究：主要介绍了上行链路r a k e 接收机的结构以及信道估计算法的分类，并且对各类算法及改进算法作出了详细的讨论 和分析。 第五章w c d m a 系统上行链路信道估计算法的性能仿真分析：对系统仿真所需链 路的建模给出介绍，对各类算法的仿真结果( 误码率性能) 作出相应的理论分析。 第六章是全文的总结和结束语。 6 第三代移动通信系统中信道估计技术的研究 第二章w c d m a 系统结构 2 1 概述 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 、通用移动通信系统) 是采用 w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把u m t s 系统称为w c d m a 通信 系统。u m t s 系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无线接入网络( r a d i o a c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 和核心网络( c o r cn e t w o r k ，c n ) 。其中无线接入网络用于 处理所有与无线有关的功能，而c n 处理u m t s 系统内所有的话音呼叫和数据连接，并 实现与外部网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上分为电路交换域( c i r c u i ts w i t c h e d d o m m n ，c s ) 和分组交换域( p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n ，p s ) 。u t r a n 、c n 与用户设备 ( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 一起构成了整个u m t s 系统。其系统结构如图2 1 所示。 图2 1i i m t s 的系统结构 从3 g p pr 9 9 标准的角度来看，u e 和u t r a n ( u m t s 的陆地无线接入网络) 由全新 的协议构成，其设计基于w c d m a 无线技术。而c n 则采用了g s m g p r s 的定义，这样 可以实现网络的平滑过度，此外在第三代网络建设的初期可以实现全球漫游。 2 1 1u m t s 系统网络构成 u m t s 网络单元构成如图2 2 所示。 第二章w c d m a 系统结构 7 图2 2i j i i t s 网络单元构成示意图 从图2 。2 的u m t s 系统网络构成示意图中可以看出，u m t s 系统的网络单元包括如下 部分： 1 u e ( u s e re q u i p m e n t ) u e 是用户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及 应用层软件模块等：u e 通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分 组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、i n t e m e t j 立用。 u e 包括两部分： m e ( t h em o b i l ee q u l p m e n t ) ，提供应用和服务 u s i m ( t h eu m t ss u b s r i b e rm o d u l e ) ，提供用户身份识别 2 u t r a n ( u m t gt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k u m t s ) u t r a n ，即陆地无线接入网，分为基站( n o d e b ) 和无线网络控制器( r n c ) 两 部分。 n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，包括无线收发信机和基带处理 部件。通过标准的l u b 接口和r n c 互连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要 功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的 相互转换等功能。 n o d eb 由下列几个逻辑功能模块构成：r f 收发放大射频收发系统( t r x ) ，基 带部分( b b ) ，传输接口单元，基站控制部分。 r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) !第三代移动丑信系统中信道估计技术的研究 r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源 管理控制等功能。具体如下： ( 1 ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能； ( 2 ) 切换和r n c 迁移等移动性管理功能： ( 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。 2 1 2 系统接口 从图2 2 的u m t s 网络单元构成示意图中可以看出，w c d m a 系统主要有如下接口： 1 c u 接口：c u 接口是u s i m 卡和m e 之间的电气接口，c u 接口采用标准接口。 2 u u 接口：u u 接口是w c d m a 的无线接口。u i ! 通过u u 接口接入到im f r s 系统的固 定网络部分，可以说u u 接口是u m t s 系统中最重要的开放接口。 3 i u 接口：i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口。i u 接口是一个开放的标准接口。这 也使通过i u 接口相连接的u t r a n 与c n 可以分别由不同的设备制造商提供。 4 1 u r 接口：i u r 接1 3 是连接r n c 之间的接口，i u r 接口是u m t s 系统特有的接口，用 于对r a n 中移动台的移动管理。比如在不同的r n c 之间进行软切换时，移动台所有数 据都是通过i u r 接口从正在工作的r n c 传到候选r n c 。i u r 是开放的标准接口。 5 1 u b 接口：i u b 接口是连接n o d eb 与r n c 的接口，i u b 接口也是一个开放的标准接 口。这也使通过i u b 接口相连接的r n c 与n o d eb 可以分别由不同的设备制造商提供。 2 2u t r a n 的基本结构 如图2 - 3 所示，u t r a n 包含一个或几个无线网络予系统( r n s ) 。一个r n s 由一个 无线网络控制器( r n c ) 和一个或多个基站( n o d eb ) 组成。r n c 与c n 2 间的接口是 i u 接1 3 ，n o d eb 和r n c 通过i u b 接口连接。在u r r a n 内部，无线网络控制器( r n c ) 之间通过i l i r 互联，l u r 可以通过r n c 之间的直接物理连接或通过传输网连接。r n c 用来 分配和控制与之相连或相关的n o d eb 的无线资源。n o d eb 则完成i u b 接口和u u 接口之 间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管理。 第二章w c i ) m a 系统结构 9 图2 3u t r n 的结构 2 2 1r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) r n c ，即无线网络控制器，用于控制u r r a n 的无线资源。它通常通过i u 接口与电 路域( m s c ) 和分组域( s o s n ) 相连，在移动台和u t r a n 之间的无线资源控制( i t r c ) 协议在此终止。它在逻辑上对应g s m 网络中的基站控制器( b s c ) 。 控制n o d eb 的r n c 称为该n o d eb 的控制r n c ( c r n c ) ，c r n c 负责对其控制的小 区的无线资源进行管理。 如果在一个移动台与u t r a n 的连接中用到了超过一个r n s 的无线资源，那么这些 涉及的r n s 可以分为： 服务r n s ( s r n s ) ：管理u e 和u t r a n 之间的无线连接。它是对应于该u e 的i u 接 口( u u 接口) 的终止点。无线接入承载的参数映射到传输信道的参数，是否进行越区 切换，开环功率控制等基本的无线资源管理都是由s r n s 中的s r n c ( 服务r n c ) 来完 成的。一个与u t r a n 相连的u e 有且只能有一个s r n c 。 漂移r n s ( d r n s ) ：除了s r n s 以外，u e 所用到的r n s 称为d r n s 。其对应的r n c 则是d r n c 。一个用户可以没有，也可以有一个或多个d r n s 。 通常在实际的r n c 中包含了所有c r n c 、s r n c 和d r n c 的功能。 2 2 2n o d eb l o 第三代咎动通信系统中信道估计技术的研究 n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，通过标准的i u b 接口和r n c 互 连，主要完威| u u 接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解 扩、解调、信道解码。还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能。同时它还完成 一些如内环功率控制等的无线资源管理功能。它在逻辑上对应于g s m 网络中基站 ( b 弼) 。 n o d eb 由下列几个逻辑功能模块构成：r f 收发放大，射频收发系统( t r x ) ，基 带部分( b a s eb a n d ) ，传输接口单元，基站控制部分。如下图2 _ 4 所示： 图2 - 4n o d eb 的逻辑组成框图 第三章移动通信信道 第三章移动通信信道 3 1 无线移动信道概述 无线移动信道作为数字移动通信系统的传输媒质，自身有着很多的特殊性质并且直 接影响着移动通信的质量。第三代移动通信系统许多性能参数发生了变化，如：载频工 作在2 g h z ，移动台速度允许高达5 0 0 k m h ，系统采用了宽带码分多址接入技术，c h i p 速率达：至i j 3 8 4 m c s ，3 g 系统的这些性能参数势必会对移动信道的跟踪性能提出新的要 求；同时，r a k e 接收端为了达到良好的接收性能，需要对时变的多径快衰落信道作出 准确的估计，以去除该多径衰落，减小信道译码的误码率。所以本章先对无线移动信道 作一个介绍。 电波的传播特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。不同频段的无线电 波，其传播方式和特点是不同的。对于工作在v h f 和u h f 频段的移动通信系统来讲， 电波的传播方式主要是空间波，即直射波，折射波。散射波咀及他们的合成波。陆地移 动通信系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，其天线将接收从多 条路径传来的信号，再加上移动台本身的运动，使得无线信道多变且难以控制。与其它 通信信道相比，移动信道是最复杂的一种。举例来说，模拟有线信道中典型信噪比约为 4 6 d b 即信号电平要比噪声电平高4 0 0 0 0 倍。与此相比，陆地移动无线信道中信号强度 的骤然衰落是经常发生的，衰落深度可达3 0 d b 。在城市环境中一辆快速行驶车辆上 的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化接收信号的质 量。而且，移动信道与非移动点对点无线信道相比，信号传输的误比特率要高1 0 6 倍， 这样，在有线信道中能够正常工作的语音编码器、调制解调器和同步装置在移动环境中 工作性能将会极大恶化。 复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是由于在运动中进行无线通信这一方 式本身所决定的。对于移动通信来说，恶劣的通信信道是不可回避的问题。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来抵消衰落的不利影 响。而各种抗衰落技术都是针对移动通信的信道特点而产生的。包括分集、扩频、均衡、 交织和纠错编码等。另外，信号的传输方式，如调制方式，对信道的衰落也要有一定的 1 2 第三代咎动通信系统中信道估计技术的研究 适应能力。 3 2 电波的空间传播损耗及阴影衰落 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰 减。这些衰减可归纳为三类。接收信号的功率可表示为： p ( d ) = | d i _ ”s ( d ) 胄( d ) ( 3 - 1 ) 式中，| d l 表示移动台与基站的距离。可见，接收信号功率是距离的函数，矢量d 表 示了距离的方向性。对接收信号而言，知道其功率p ( t ) 与知道场强e ( t ) 和幅度r ( t ) 是等效的。式( 3 一1 ) 是信道对传输信号作用的一般表示式。这些作用有三类： ( 1 ) 自由空间传播损耗，用蚓”表示，其中n 般为3 4 ；该损耗表现在信号长 区间中值随距基站的距离而变，其衰减特性一般服从负指数函数，它表明在以公里计的 较大范围内接收信号的变化特性。 ( 2 ) 阴影衰落，用s ( d ) 表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物以及其 它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。阴影衰落表现在数百波长的区间内，信号的短区间 中值也出现缓慢变动的特征。其衰落特性复合对数正态分布。这种衰落速率较慢，又称 为慢衰落。 ( 3 ) 多径衰落，用r ( d ) 表示。这是由于移动传播环境的多径传输而引起的衰落； 多径衰落是移动信道中最具代表性的特性。它表现在数十波长的范围内接收信号场强 的瞬时值呈现快速变化的特征。多径衰落的衰落特性符合瑞利分布。由于衰落速率较快， 多径衰落又称为快衰落。 从无线系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线小区的覆盖。而多 径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可避免的( 小区规划无法消除多径衰落) ，所 以只能采用抗衰落技术来减少其影响。 第三章移动通信信道 3 3 多径传播的基本特征 陆地移动信道的主要特征是多径传播。在移动通信系统中，无线信号的传播环境中 存在大量的自然、人为物体，移动台和基站接收到的信号是经过多条路径而非经过单一 路径到达的，因此接收的信号是众多经由不同路径而来的信号的合成。由于电波经过的 各个路径的距离不同各路径中物体对电波的相位和幅度的影响也不同，导致到达接收 机的信号的幅度、时间和相位不同，这些信号中相位相同的信号相叠加而增强，相位相 反的信号相叠加而削弱，导致总的信号的幅度急剧变化，即产生了衰落。由于这种衰落 是由多径传播引起的，故称其为多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 。由于衰落信号的包络服 从瑞利分布( r a y l e i g h d i s t r i b u t i o n ) ，多径衰落又称为瑞利衰落( r a y l e i g h f a d i n g ) 。 。一上一 信号包络的概率密度函数为：p ( ，) = - e ：。1 ( 3 2 ) 仃一 其中，r 为接收信号幅度。 当移动台处于离基站较近的区域中，通常有较强的直射波，此时的接收信号中存在 着占支配地位的信号，这样，接收信号包络服从p d c i a n 分布其概率密度函数为： 肿) = 孝州一争k 争( 3 - 3 ) 其中，为直射波幅度。j 。为零阶修正b e s s e l 函数。 现在的移动通信系统中，有多种蜂窝结构：宏蜂窝、微蜂窝以及微微蜂窝，它们的 信号传播环境有着显著的不同。在宏蜂窝中，由于基站天线通常架设在大楼或铁塔顶端， 而移动台尤其是手持机的天线通常低于周围环境的散射体。这样，引起多径的主要原因 是移动台周围的物体( 1 0 c a ls c a t t e r e r ) ，包括建筑物、车辆甚至行人。移动台周围的区 域称为近端区域离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域中只有高大的物体 ( d o m i n a t er e f l e c t o r ) 的反射才能构成显著的多径成分，远端区域引起的多径信号的损 耗和到达接收机的时延都要比近端区域引起的多径信号大的多，因此由近端区域内的物 体造成的反射是形成多径效应的主要原因。 多径效应造成接收信号的时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 和多普勒频展( d o p p l e rs p r e a d ) ， 这两种扩展效应分别会造成传输信号的两种衰落：频率选择性衰落和时间选择性衰落。 下面我们分别研究这几种衰落： 1 4 第三代移动通信幕统中信道估计技术的研究 1 时延扩展和相关带宽： 信号经过不同的路径到达接收机，这些路径的长度不相同，因此这些信号的到达时 间就不一样，接收机接收到的信号是以不同时延到达的多径信号的合成。如果基站发射 脉冲信号，则移动台接收信号是许多脉冲的合成。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称为时延扩展。扩展的时间可以用接收到的第一个脉冲到最后一 个多径信号之间的时间来表示。 由于时延扩展随时间、地点而会有很大的不同，因此要想定量给出时延扩展的值， 只能是大量实测数据的统计平均。定义平均时延t m 、时延扩展： = e = ft p ( 砷d t ( 3 4 ) 2 = ，n t 。) 2p ( x ) d t ( 3 - 5 ) 式中，p 是归一化功率时延特征函数， 此外，定义最大时延扩展t 。也是有意义的最大时延扩展t 。是归一化功率时延特 征函数p m 从0 d b 下降到3 0 d b 时所对应的时延。根据实测结果，市区的平均时延般为 1 5 2 5 坤，最大时延5 0 1 2 0 咿，郊区的平均时延为0 卜2 0 s ，最大时延为0 3 7 0p s 。 定义相关带宽为：b 。= l “2 t c ) ( 3 6 ) 相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔，当两个频率分量间隔 小于相关带宽时，它们的衰落是相关的，其衰落具有一致性，当其间隔大于相关带宽时， 它们就不相关了。它们经历的衰落不具有一致性。相关带宽实际上是对移动信道传输具 有一定带宽信号能力的统计度量，当信号带宽小于相关带宽时信号经过信道后各频率 分量的变化具有一致性，即经历了平坦衰落，当信号带宽大于相关带宽时，信号经过信 道后各频率分量的变化是不一致性的，即经历了频率选择性衰落。反映在时域中可解释 为：当信号带宽小于相关带宽时，传输符号的持续时间远大于多径的时延扩展，故时域 的时延不会的信号产生衰落，而当信号带宽大于相关带宽时，多径的时延扩展远大于传 输符号时间间隔，此时，接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波， 因此产生了信号失真。 由上述可知，延迟扩展和相干带宽都是从不同的角度来描述多径衰落信道的特性。 相干带宽是分散性的量度，应用于m q 也或均衡接收机，较小的相干带宽意味着较高的 分散性。如果传输带宽等于相干带宽的n 倍，则等效于发送信号的频谱经受n 个相互不相 关的衰落，在接收端可以获得n 重等效的频率分集。相应的在时域，最大延迟扩展可用 来计算在信道中存在多少条可分解的路径用于r a k e 接收。 2 多普勒频展和相干时间 移动台在运动中通信时，移动台接收的来自基站的每一条多径信号和基站接收的来 自移动台的每一条多径信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，多普勒效应引起的附 加相移称为多普勒频移。多普勒频移的大小与移动速度以及信号与移动方向的夹角有 关。大量的不同角度的多径信号的多普勒频移形成多普勒频展。 设信号与接收机的运动方向夹角为旺，则多普勒频移为： f d - - - - f r , e o s 旺( 3 - 7 ) 式中，f m 刮九为最大多普勒频移，九是信号波长 当基站发射一个单频信号c o s 2 r f f 。，移动台接收的信号的功率谱函数为： 期= 妾【1 _ ( 譬) 2 】 i h 阻( 3 - 8 ) 式中，p a v 为所有到达信号的平均功率。 旃奉蕞 r 图3 2 典型的功率谱一频率特性曲线 9 , 1 薹t 3 2 可以看出，由于多普勒效应，尽管发射的是单频信号，接收的信号的功率 谱被展宽从 f m n f o + 矗的范围。 令f t r = 2 f m 表示多普勒频展的宽度，定义相干时间为：t c = i f d ( 3 9 ) 相干时间表征的是由于多普勒效应引起的信号衰落的节拍，发生在特定的时间段 上，即信道在时间上具有选择性，这种衰落称为时间选择性衰落。 堕第三代移动通信系统中信道估计技术的研究 相干时间t c 是多普勒频展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特 性。相干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，相干时间 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。如果传输的基 带信号带宽的倒数大于信道相干时间，日l l t s t c ( 基带信号周期太于相干时间) ，则在 一个符号周期内，信号在时域会遭受不相干的衰落，产生时间选择性衰落：我们可以看 出，由于相干时间是传输信号由于移动性而产生的频率色散在时域的反映，故移动台的 移动速度和状态直接决定了信道的相干时间。 第三代移动通信系统有大量的无线运行环境。它们包括大小城市，具有各种类型的 房屋结构，以及热带丛林、郊区、沙漠和山区等。系统的结构，如天线的设计和高度也 将影响无线运行环境。因为在设计无线移动通信系统中不可能把所有可能的运行环境都 考虑到，考虑更为一般的模型是必要的，对于大量可能的运行环境可以归结为三类：车 辆运动的运行环境、从室外到室内或步行的运行环境，以及室内办公室的运行环境。运 行环境对应于下列小区类型：宏小区、微小区及微微小区。车辆运行环境的特征是大的 宏小区和大的发射功率。一般有视线分量，再加上各种反射分量。接收信号的平均功率 随距离的增加而减少。路径损失的衰减指数在3 5 之间。遮蔽损失服从对数正态分布。 标准偏差约1 0 d b 。典型的延迟扩展在0 8 微秒至数十微秒。从室外到室内或步行的运行 环境的特征是小的微小区和低的发射功率。视线和非视线传播都可能存在。其路径损失 分量变化很大。移动台可能经受1 5 2 5 d b 的突然变化。遮蔽的标准偏差变化为1 0 1 2 d b 。 时延扩展在0 2 微秒量级。室内办公室的运行环境的特征是发射功率小，基站及移动台 均在室内。路径损失衰减指数为2 5 ，它依赖于散射与墙壁、楼板，及金属结构的衰耗。 墙壁和楼板的插入损失为3 d b 到2 0 d b 。典型的平均r l l l s 延迟扩展在5 0 - 2 5 0 n s 。 3 4 多径传播的仿真模型 如前所述，陆地移动信道的主要特征是由于多径传播所引起的快衰落、时延扩展和 由于移动台运动而引起的多普勒频移。综合各种因素，移动无线信道可用信道传输函数 h ( e t ) 来描述，它是频率以及时间的函数。h ( f t ) 所对应的信道冲击响应h ( t t ) ， 这里设h ( f t ) 和h ( t ，t ) 都是复等效低通函数。 ( 1 ) 平坦衰落： 第三章移动通信信道 旦 在平坦衰落的情况下，时延扩展的因素可以忽略，信道冲击响应为h ( t ) 。设接收 信号含有n 条多径，则h ( t ) 可以表示为： h ( t ) = h c ( r ) + 执( f ) ( 3 1 0 ) 其中 吃( f ) = e o q c o s ( 脚。f + 只) ( 3 1 1 ) ，o ) = 磊c 。s i n ( c o 。t + o ，) ( 3 一1 2 ) 这里c ，和只分别为第i 个来波的幅度和相位，e 。为h ( t ) 的均方根值。当n 很大时，h ( t ) 的两个正交分量成为零均值的高斯随机过程。h ( t ) 的包络服从瑞利分布，相位服从均匀 分布。可以证明 c ( f ) 和吃( f ) 互不相关。h ( t ) 的功率谱密度为： 期= 妄c 击，； 协 式中厶是最大多普勒频移，盯2 是h ( t ) 的方差t ( 2 ) 频率选择性衰落： 频率选择性衰落信道可用复低通冲击响应h ( z ，t ) 描述；首先定义广义平稳非相关散射 信道( w s s u s ) ，它满足以下两点假设： 在若干码元期间，衰落的统计特性可以认为对于时间t 是近似平稳的； 环境对电波的散射是连续且不相关的，也就是电波的到达角度与传播时延t 是统计 独立的变量。 可以证明，在一定范围内频率选择性衰落信道是满足上述假设的。 在w s s u s 信道中，对于某个特定的r 。，h ( r ，t ) 为具有平坦衰落特性冲击响应h ( t ) 的 零均值复高斯随机过程。非相关散射意昧着，当r f 时，h 心t ) 和h ( r ，t ) 互不相关， 且相互独立。这样，h 0 ，t ) 关于时延变量的相关函数为： 凡( f ，f 。) = ( 3 1 4 ) = p ( r ) 5 ( r f 、 其中， 表示集合平均，r p ( r ) = qh ( r ，) 1 2 p ( f ) 即为实测到的多径时延谱，即信道输出的平均功率关于时延r 的函数。p ( f ) 的 竺l 一 苎三垡登塾塑蔓篓垡堕笪盐垫查盟堡塞 实测特性表明，其分布近似为指数函数，显然h ( f ，t ) 和h ( t ，t ) 的特性可由p ( r ) 获得。 将h r ) 用l 个离散的。来分割 p ( l ) = f j ：7 p ( 州f ( 3 1 5 ) 这样，连续的指数分布的时延扩展谱尸( r ) 被分为等间隔的l 个离散值，尸( l ) 的值 服从指数函数变化，l 为间隔的中心，f 为间隔宽度的一半。 这样若信道输入信号的复包络为u ( t ) ，则接收信号v ( t ) 为： v ( ，) = ( f ，f ) “( ，一f ) d f ( 3 1 6 ) ， 其中h ( t ，t ) 可表示为： ( f ，) ：l 九( r ) 占。一。) ( 3 - 1 7 ) 丸( f ) = k ( f ) + 巾。( f ) ( 3 1 8 ) 每个九( ，) 是独立复高斯随机过程，并且具有平坦衰落信道冲击响应h ( t ) 的特性。信 道的输出可表示为v ( f ) ：l 吃( ，( t - t ) ( 3 - 1 9 ) ，信道模型如图3 3 所示： 第四章w c d m 上行链路信道估计算法的研究 第四章w c d m a 上行链路信道估计算法的研究 4 1 上行链路接收机背景介绍 本节主要介绍w c d m a 系统上行链路接收机的组成逻辑框图，信号流向以及工作流 程的概述，同时对各个子系统也作了相应的描述：最后，对基带处理部分作了详细的介 绍，包括r a k e 接收机的原理介绍以及w c d m a 采用的相干检测( b p s k 信号) 机制对 信道估计技术所提出的要求。 4 1 1 上行链路结构介绍 图4 1 上行链路基本处理框图 由图4 1 可以看出w c d m a 系统的基站部分可以从总体功能上分为射频子系统，数 字中频子系统和基带处理子系统三部分： 1 射频子系统： 首先空中接口的无线信号由u u 接口传输至射频予系统，由于w c d m a 系统射频工 作在2 g h z ，首先接收信号经过低噪声放大器，然后输入射频收信机r f ，经过两次模拟 下变频后生成中频的模拟上行信号，送入数字中频子系统。 2 数字中频子系统： 采用数字中频技术的主要原因是考虑到模拟器件指标变化比较大，同时个体的不一 致性差异也比较大。在设计时需要按照最坏的情况对每个部件可能带来的整体接收机性 能损失进行评估，才能得到可靠的设计参数，同时模拟中频还存在着i ，q 路不平衡， 垫第三代移动通信系统中信道萤计技术的研究 不正交，非线性和直流漂移问题。 而且，随着软件无线电技术的发展，也提出了尽可能的减少模拟器件数量的要求， 这也要求我们把模数变换( a d c ) 和数模变换( d a c ) 的位置尽可能向射频部分前移