（通信与信息系统专业论文）考虑qos保证的机会调度改进算法研究.pdf

南京邮l u 人学倾i t i ) f j u 生学位论义摘要 摘要 机会通信作为一种对无线通信系统设计具有革命性意义的概念j 下受到越来越多的关 注。一直以来，信道衰落都被视为一种导致不可靠传输的有害因素，然而在机会通信理论 中，衰落可以作为一种“机会”被加以利用，在多用户系统中获得多用户分集增益。另一 方面，未来无线通信系统不仅需要承载传统的话音业务，还要承载只益增多的数据业务和 多媒体业务，不同的业务有不同的服务质量( q o s ) 要求，因此，如何优化分配有限的无 线资源以提高系统资源利用率、增加系统容量，同时为不同用户的不同业务提供服务质量 保障，是未来无线通信的关键问题之一。 本文基于多用户的机会通信模型，探讨其中的机会调度算法。最大载干比算法能达到 系统吞吐量性能的上界，最大程度地获得多用户分集增益；轮询调度算法能达到公平性性 能的上界，但完全没有多用户分集增益；比例公平调度算法( p f ) 在系统吞吐量与公平性 之间取得折中，获得一定的多用户分集增益。但是三者都没有考虑用户的q o s 需求。所以， 本文对传统的p f 算法作一些改进，根据用户的目标速率设置不同的加权值、根据时延设 置不同的历史平均窗长，以提供一定的q o s 保证。然后分析了该算法在m i m o o f d m 系 统下行链路中的性能，仿真结果表明改进的p f 算法能根据用户需求提供相应的q o s 保证， 同时获得多用户分集增益。 南京邮i u 人学f 嗍i j 研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t o p p o r t u n i s t i cc o m m u n i c a t i o nh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s t r a d i t i o n a l l y , c h a n n e lf a d i n gi sv i e w e da ，sas o u r c eo fu n r e l i a b i l i t yt h a th a st ob em i t i g a t e d i nt h ec o n t e x to f o p p o r t u n i s t i cs y s t e m ，h o w e v e r , f a d i n gc a ni n s t e a db ec o n s i d e r e da sas o u r c eo fr a n d o m i z a t i o n t h a tc a nb ee x p l o i t e d o nt h eo t h e rh a n d ，d a t as e r v i c e sa n dm u l t i m e d i as e r v i c e sa r ee x p e c t e dt o c o n s t i t u t eas i g n i f i c a n tp a r to ft r a f f i ci nt h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dd i f f e r e n t s e r v i c e sw o u l dh a v ed i v e r s eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s s o ，o p t i m i z i n gt h ew i r e l e s s r e s o u r c ea l l o c a t i o ns t r a t e g yt oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t ya n ds p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，m e a n w h i l e p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e sf o rd i f f e r e n tu s e r sa n dd i f f e r e n tt r a f f i c ，w o u l db eac r i t i c a lp r o b l e mi n t h ef u t u r er e s e a r c h b a s e do nt h em u l t i u s e ro p p o r t u n i s t i cs y s t e mm o d e l ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h eo p p o r t u n i s t i c s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s u n d e rm a xc ia l g o r i t h m ，t h eh i g h e s tc e l lt h r o u g h p u ti sa c h i e v e d w h i l e u s i n gr o u n dr o b i na l g o r i t h m ，c o m p l e t ef a i r n e s si sa c h i e v e d t h ec o n v e n t i o n a lp r o p o r t i o n a l f a i m e s s ( p f ) a l g o r i t h mc a nb et r e a t e da sat r a d e o f fo ft h r o u g h p u ta n df a i r n e s s b u tn o n eo ft h e t h r e ea l g o r i t h m ss u p p o r t sq o s t h i st h e s i sp r e s e n t sam o d i f i e dp fa l g o r i t h mi no r d e rt op r o v i d e q o sg u a r a n t e e s ，b ys e t t i n gd i f f e r e n tw e i g h t e df a c t o r sa n dd i f f e r e n tl e n g t h so fh i s t o r yw i n d o w s a c c o r d i n gt ou s e rr a t e sa n dt h ed e l a yr e q u i r e m e n t sr e s p e c t i v e l y p e r f o r m a n c ea n a l y s i si sc a r d e d o u ti nt h ed o w n l i n ko fam u l t i a n t e n n am u l t i c a r r i e rs y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e m o d i f i e dp fa l g o r i t h mi sa b l et og i v eu s e r sd i f f e r e n tq o sg u a r a n t e e sb a s e do nt h e i rr e q u i r e m e n t s ， w h i l ee x p l o i t i n gm u l t i - u s e rd i v e r s i t yg a i n s 南京邮i u 人学顺i 例f 究生学位论义英义缩略语 1 g 2 g 3 g 3 g p p 4 g a m c a m p s a t m a w g n b 3 g c p c s i c d m a d f t d s p e d g e f d m a f f t f t p g p r s g s m h a r q i c i i e t f i f f t i i d i s i 英文缩略语 t h ef i r s tg e n e r a t i o n第一代移动通信系统 t h es e c o n dg e n e r a t i o n第二代移动通信系统 t h et h i r dg e n e r a t i o n第三代移动通信系统 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 第三代移动通信合作计划 t h ef o u r t hg e n e r a t i o n第四代移动通信系统 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制编码 a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m 先进移动电话系统 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性高斯白噪声 b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n超三代移动通信系统 c y c l ep r e f i x 循环前缀 c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n 信道状态信息 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址接入 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶变换 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理 e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n增强数据速率g s m 演进 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址接入 f a s tf o u r i e rt r a n s f o t i n 快速傅立叶变换 f i l et r a n s f e rp r o t o c o l 文件传送协议 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线服务 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n全球移动通信系统 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合自动请求重传 i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e信道间干扰 i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e因特网工程任务组 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶反变换 i n d e p e n d e n ti d e n t i f yd i s t r i b u t i o n 独立同分布 i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符号问干扰 s 6 南京邮l u 人学倾i f u f 究生学位论义英文缩略语 i t u i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n i w f q l o s l t e m a c m a s s e m a xc i m i m o m i s o n m t o f d m o f d m a p a p r p d c p d f p f s p s t n q o s r r r i 泓 s b f a s i s 0 s i m o s n r t a c s t d m a u m t s w f q i d e a l i z e dw i r e l e s sf a i rq u e u e i n g l i n eo fs i g h t l o n gt i m ee v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 国际电信联盟 理想公平调度算法 视距传播 长期演进 媒体接入控制 m a x i m u ma v e r a g es y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c y 最大平均系统频谱效率 m a x i m u mc a r r i e r t o i n t e r f e r e n c er a t i o最大载干比 m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t多输入多输出 m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t多输入单输出 n o r d i cm o b i l et e l e p h o n es y s t e m 北欧移动电话系统 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 g 正交频分复用 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 ea c c e s s 正交频分多址接入 p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o 峰值平均功率比 p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a rs y s t e m 个人数字蜂窝系统 p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n概率密度函数 p r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g 比例公平调度 p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k公用电话网络 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r o u n dr o b i n 轮询 r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t无线资源管理 s e r v e rb a s e df a i ra p p r o a c h基于服务器的公平策略 s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t 单输入单输出 s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t 单输入多输出 s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m全接入通信系统 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多址接入 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 ns y s t e m全球移动通信系统 w e i g h t e df a i rq u e u e i n g 加权公平排队 5 7 南京邮电大学学位论文原创性声明 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 不包含为获得南京邮电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：竖良受 同期：堑生：篁 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 或其它复制手段保存论文。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 p 研究生签名： 蛊! 交嚣 导师签名： 南京| | | l j i u 人学硕i ：研究生学化论义 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着物理科学和材料科学的飞速发展，移动通信技术也得到了长足的发展， 第一代模拟通信及第二代数字通信给我们的生活提供了极大的方便，但随着人们对生活质 量要求的不断提高，它们已经不能满足人们新的需要。于是即将投入运营的第三代( 3 g ) 移动通信和未来的第四代移动通信系统除了能提供现有的各种电话业务，还要为高速移动 的用户提供宽带数据接入服务，比如高速率的宽带多媒体业务、高质量的话音、分组数据 业务以及实时的视频传输等。由于未来无线通信具有宽带、移动和多业务的特点，要实现 信息的宽带无线传输，必须高效综合利用系统的空间、时间、频率和功率等各种资源，使 系统具有更大的用户容量、更高的传输速率和可靠性。 1 1 研究背景及意义 从2 0 世纪7 0 年代末开始运营的第一代商业蜂窝系统算起，移动通信己发展到了第三 代( 3 g ) 以及基于全i p 的超三代( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 【1 ，2 1 。 第一代移动通信系统( 1 g ) 主要用于传输模拟话音信息，它能提供基本的移动性支持。 代表性的第一代系统是a m p s 、n m t 、t a c s 等，但它们在各国的规范是互不兼容的。第 一代移动通信系统的主要推动力是解决系统的兼容性、容量、覆盖和传输质量等问题。 第二代移动通信系统( 2 g ) 的发展始于2 0 世纪8 0 年代初，主要强调网络的兼容性， 话音业务仍是主要支持的业务，同时数据业务和补充业务( 如用户数据加密) 也纳入了2 g 的标准中。代表性的系统是g s m 、d a m p s 、p d c 、c d m a 。第二代蜂窝通信系统如g s m 和i s 9 5 ，它们能够为移动用户提供9 6 k b p s 的低速话音业务。被称为2 5 代的g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n ) 系统增强了分组 数据业务的传输能力，将最大传输速率分别提高到1 6 0 k b p s 和3 8 4 k b p s ，使移动用户能够 获得除话音以外的更多的无线数据服务。随着移动通信、数据通信和i n t e m e t 的飞速发展 与r 益融合，移动用户对于多种业务服务的需求不断增长，亟需研究出能够提供更大带宽、 更大容量和更灵活服务的第三代移动通信系统。 第三代移动通信系统( 3 g ) 于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出。3 g 与2 g 相比 有以下特点： 雨京邮i u 人学帧f j 训_ 宄生学位论义第币绪论 全球普及和全球无缝漫游系统：2 g 移动通信系统一般为区域或国家标准，而3 g 移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，它将使用共同的频段，全球统一 标准。 具有支持多媒体业务的能力：它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能 根据需要，提供带宽。i t u 规定的第三代移动通无线传输技术的最低要求中，必须满足以 下三种要求： ( 1 ) 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b p s ； ( 2 ) 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b p s ； ( 3 ) 室内环境，最高速率达2 m b p s 。 便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所 以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。 高频谱效率：频谱利用率更高、系统容量更大。 高服务质量：满足通信质量能达到与固定网络相比拟的高质量业务要求。 低成本：包括设备和服务两方面。 高保密性。 3 g 系统相对于2 g 系统在通信速度和质量上都有了很大的提供，并可以支持多媒体和 i p 类型的业务。然而3 g 仍然存在一些问题：主流3 g 标准均采用c d m a 技术，由于c d m a 的干扰、功率和频谱扩展限制，很难达到预想的频谱效率；3 g 所采用的语音交换构架仍承 袭了2 g 的电路交换，而不是纯i p 方式，传输效率不理想；3 g 的数据传输速率不够高， 多媒体的应用不满意；没有达到人们预先对3 g 的期望效果等。于是就有了对超3 g 或第四 代移动通信( 4 g ) 的讨论和研究。 超3 g 是1 t u 定义的“s y s t e m sb e y o n di m t - 2 0 0 0 ”简称，意为超越3 g 的系统，或称 b e y o n d3 g 、超i m t - 2 0 0 0 等，目前的4 g 实际上就是i t u 提出的b 3 g 。b 3 g 或4 g 的讨论 始于1 9 9 9 年，该年成立的i t u r 的w p 8 f 工作组的主要任务是负责3 g 未来发展和b 3 g 的研究。w p 8 f 提出的b 3 g 系统的要求主要包括： ( 1 ) 更高的数据率和系统容量：对于大范围高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ，数据速率不 低于2 m b p s ；对于中速移动用户( 6 0 k i n h ) ，数据速率不低于2 0 m b p s ；对于低速移动用户 ( 室内或步行应用) ，数据速率在1 0 0 m b p s 以上。b 3 g 提供的系统容量至少是现在3 g 的 1 0 倍。 ( 2 ) 更加平滑的兼容性：应当具有接口丌放、能够跟多种网络互连、网络间实现无 缝切换、终端多样化及能从现有网络平稳过渡的特点。 堕室! ! ! ! ! ! ! 叁兰堡! 型堕! 兰兰竺笙竺笙二童堑笙 ( 3 ) 高度智能化的网络：以分组交换为基础，形成一个高度自治、自适应的网络结 构，具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性，用以满足不同环境、用户的通信需求。 ( 4 ) 业务的多样性和自适应性：提供广泛的业务功能，并能根据业务流量的大小白 适应的进行资源分配。 表1 1 给出了从l g 到4 g 发展过程中的主要技术参数。 表1 1 第- - 4 匕n 第四代移动通信的基本技术参数 l g 2 g3 g b 3 g ，4 g 数字语音、低速更高数据速率、多媒体、 业务模拟语音高速数据、多媒体 数据全i p c d m a 结合 多址方式f d m a c d m a ，t d m a c d m a o f d m a t d m a 主要频段 8 0 0 m h z8 0 0 + 19 0 0 m h z2 g h z2 g h z + 5 g h z g s m ，i s - 9 5 ， w c d m a ， 代表 a m p s t a c s c d m a 2 0 0 0 ， 单一的融合标准 p h s t d s c d i a 数据速率 1 9 k b p s 14 4 k b p s 2 m b p s1 0 0 m b p s 核心网p s t np s t n分组网分组网 从以上论述可以看出，移动通信系统的发展目标之一是：更高速率的数据业务和更高 的频谱利用率，同时随着用户对q o s 要求的不断提高，保证各种不同速率业务的q o s 需 求已经成为网络运营商和通信系统能否取得成功的关键。无线移动通信系统的独特性质， 决定其q o s 的要求及控制机制和固定网的不同，q o s 将是3 g 及未来移动通信系统研究工 作的一个关键问题。 然而，移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，在技术上将面临着下面这些挑战： 复杂的电波传播条件：移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反 射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。 无线媒质的丌放性：无线通信受到噪声和干扰的影响，如在城市环境中的汽车火 花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。 有限的频带资源：无线电频率是一种宝贵资源，随着移动通信的飞速发展，频谱 资源的有限性和移动用户急剧增加的矛盾越来越尖锐，出现了“频率严重短缺”的现象。 受限的信号发射功率：从延长移动用户设备的电池寿命、绿色环保、或者设备成 本的角度，一般发射机的功率都受到限制，这就要求具有高功率效率的技术。 为了解决以上问题，人们纷纷寻求更智能的物理层信号处理技术，比如多载波传输技 3 ! 塑生业! ! 叁堂竺! 型! 壅竺兰丝堡苎笙二翌堕堡 术( 如讵交频分复用技术，o f d m l 3 1 ) ，多天线技术【4 1 各种动念资源分配【5 1 及自适应编码 调制等技术。除此以外，人们也寻求各种资源优化策略，高效的资源分配调度算法将是保 证用户服务质量的一个有效途经。通过对无线资源的动态分配可以实现对无线资源的有效 利用和满足为移动用户提供高质量服务的要求。 另一方面，机会通信作为一种对无线通信系统设计具有革命性意义的概念正在受到越 来越多的关注。传统的无线通信系统设计技术的着眼点通常是“点对点”通信，并且是面 向对时延要求严格的语音通信，所以其目标是使信道尽可能恒定，接近加性白高斯噪声 ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) 信道，采取的技术措施有空间分集、时间分集、 频率分集和宏分集等技术，以及干扰平均技术( 如c d m a 系统中的功率控制和扩频技术， o f d m a 系统中的跳频技术等) 。由于未来无线通信是面向数据的，信息论研究结果表明， 如果发射端和接收端均知道信道的状态信息，利用时间域上的注水策略( 即信道较好时刻 分配较多功率，信道较差时分配较少功率甚至不分配功率) ，可提高衰落信道的容量，但 遗憾的是，只有在低信噪比条件下，衰落信道容量才高于a w g n 信道容量。然而，如果 我们的观点从传统的“点对点”通信转向多用户系统的“点对多点”通信，情况将发生很 大的变化。信息论分析结果表明，如果多用户的信道衰落相互独立，且某一时刻只服务于 一个具有最好信道质量的用户，则系统总的吞吐量可以最大化，而且，系统总容量与用户 数成正比，几乎在所有用户数下，衰落信道的容量都高于a w g n 信划6 。引。这种动态时分 多址( d t d m a ) 的思想已经在c d m a 2 0 0 0l x e v d o 下行链路中得以实现【9 j 。这说明信道 衰落是可以作为一种“机会”被加以利用的，这可以通过适当的调度算法实现，并同时考 虑到不同的业务要求，使每个用户在具有较好信道条件下得到公平服务。 当前，世界上关于未来宽带无线通信的研究f 紧张进行，其中有许多理论和技术问题 需要解决，但归根到底就是要充分挖掘和综合利用各种系统资源，并且提高系统的抗干扰 能力，使系统的容量不断提高。同时，用户的业务需求正从语音、电子邮件向包括视频流、 实时交互业务在内的多媒体业务转变，而多媒体业务具有高带宽、低时延等q o s 需求。如 何实现网络资源的有效利用，保证多种类型业务的q o s 要求，是当日i 的热点研究课题。3 g l t e ( 长期演进) 下行链路已确定采用o f d m a 为多址技术，研究m i m o o f d m 技术与多波 束机会波束成形相结合的动态三维资源调度理论与技术，进一步提高系统容量、保障服务 质量具有重要的理论和现实意义。 4 南京邮i 【1 人学倾i j 研究生学位论义第一章绪论 1 2 本文主要工作及内容安排 本文在已提出的基于机会波束成形的d t d m a 技术基础上，主要研究考虑q o s 保证 的机会调度算法，首先分析研究了现有的几种经典的机会调度算法，然后提出了一种考虑 q o s 保障的比例公平调度改进算法，以达到为不同类型的业务提供相应的服务质量保证的 目的。 全文内容安排如下： 第一章绪论，简要介绍了移动通信的发展，未来的发展趋势是面向多类型的高速分 组业务，保证各类业务的q o s 将是我们面临的重要问题；其次简要说明了机 会通信的概念，最后表明本文的主要内容就是研究考虑q o s 保障的机会调度 算法； 第二章介绍了无线信道的基本衰落特性、常用的三个信道衰落模型，及m i m o 、o f d m 技术的基本原理；然后介绍了无线网络中的q o s 管理及无线领域的调度算法； 第三章机会通信作为当前的研究热点，对其进行介绍，引入多用户分集的概念，通 过仿真分析了三种典型的机会调度算法，并介绍了多天线、o f d m 技术在机 会通信系统中的应用； 第四章针对传统的比例公平机会调度算法未能考虑q o s 的问题，对它提出了改进， 在多用户系统中获得多用户分集增益的同时，保障不同用户和不同业务的q o s 需求，并进行了仿真分析； 第五章对全文进行总结并对以后的研究工作做了展望。 南京| f | l j l u 人学倾i j 研究生学位论义第二章尤线通f 弃相关理论和技术 第二章无线通信相关理论和技术 2 i 无线信道的基本特性 无线通信是基于电磁波在空间的传播来实现信息传输的【1 0 1 。电磁波在自由空间传播的 主要方式有直射波、反射波、散射波及它们的合成波。再加上移动台本身的运动，使得移 动台与基站之间的无线信道多变并且难于控制。无线信道的信道强度随时问和频率而变 化，一般来讲，这种变化大致可以分为如下两种类型( 图2 1 ) 。 大尺度衰落( l a r g e - s c a l ef a d i n g ) ：它是由随距离而变化的信号路径损耗和由建筑 物、山脉等大型障碍物的阴影造成的，当移动台运动的距离与小区尺寸相当时，就会 出现通常与频率无关的大尺度衰落。信道质量时间 小尺度衰落( s m a l l s c a l ef a d i n g ) ：它是由发射机与接收机之间的多条信号路径的 相长干扰( c o n s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c e ) 和相消干扰( d e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c e ) 造成的， 当空间尺度与载波波长相当时，会出现小尺度衰落，因此，小尺度衰落与频率相关。 信道质量 时间 图2 1 信道质髭随多种时间尺度而变化。在慢尺度时，信道质量的变化是 由人尺度衰落效应引起的；在快尺度时，信道质蛀的变化是由多径效戍引起的 2 1 1 大尺度衰落 路径损耗： 无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据 速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为： 6 南京邮i u 人学顺i j 研究生学位论义 第二章无线通f 片相关理论和技术 ：旦：k 上 只d 7 ( 2 1 ) 其中只表示本地平均发射信号功率，耳表示接收功率，d 是发射机与接收机之间的距离。 对于典型环境来说，路径损耗指数y 一般在2 4 中选择。由此可以得到平均信号噪声比 ( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 为： s n r ：生：k 互上 d 7n o b ( 2 2 ) 其中“是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的常数。如 果要保证可靠接收，要求s n r s n r o ，其中s n r 。表示信噪比门限，则路径损耗会对比特 速率带来限制： b 丝 d 7 n o s n r o ( 2 3 ) 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： d f 垡1 l ，( 2 - 4 ) l n o b s n r o 可见，如果不采取其它特殊的技术，数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很 大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对 移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 阴影衰落： 当电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生 电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落。这就是阴影衰落，它是一种宏观衰 落，足以较大的空间尺度束衡量的，其衰落特性符合对数正念分布。其中接收信号的局部 场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加容易 穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。 2 1 2 小尺度衰落 多径衰落： 无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直 射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因此各条路径中 7 雨京f 1 | i j l u 人学坝i ：研究生学位论文第一二辛尢线迪1 万相关理论和于立术 发射波的到达时i 白j 、相位都小相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则 会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧 变化，从而产生衰落。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的扩展到其它符号当中，造成 符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。为了避免产生i s i ，应该使符号宽度远远大 于无线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。 在频域内，与时延扩展相关的一个重要概念是相干带宽，实际应用中通常用最大时延 扩展的倒数来定义相干带宽，即： 1 ( a b ) ，l ( 2 - 5 ) f m “ 其中f 一表示最大时延扩展。 从频域角度来看，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不同的随机响应。由于信号中的不同频率分量的衰落是 不一致的，所以经过衰落以后，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干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一 样的，引起信号波形的失真，造成i s i ，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，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同 的衰落，因而衰落波形不会失真，没有i s i ，则认为信号只是经历了平坦衰落，即非频率选 择性衰落。相干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 性衰落还是平坦衰落，这要取决于信号本身的带宽。 多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是 任何波动过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递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相同的。时变性在移动通信系统中 的具体体现就是多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) ，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，这也可以称为信道的频率弥散性。 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移，可以表示为： 厶：v c o s 秒：兰i c o s 秒：厶c o s l 9 ( 2 6 ) f 其中以表示载波频率，c 表示光速，厶表示最大多普勒频移，v 表示移动台的移动速度。 可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台的移动速度成正比。 r 南京邮l 【! 人学顺l j 研究生学位论文第一：章无线通信相关理论和技术 由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号厶到达接收端的时候，其频谱不再是位于 频率轴石处的单纯万函数，而是分布在( f o - y ，五十厶) 内的、存在一定宽度的频谱。 从时域米看，与多普勒频移相关的一个概念就是相干时i 日j ，即： ( 峨万1 ( 2 - 7 ) 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，在此问隔内，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，一般指符号宽度大于无线信道的相干时问，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，也称为快衰落：反之，如果符号的宽度小于相干 时间，则认为是时间非选择性衰落，也称慢衰落。 2 2 无线信道衰落模型 这早的衰落模型，主要是讨论多径信道的包络统计特性。一般而言，接收信号的包络 根据不同的无线环境服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c e ) 分布。另外，还有一种具有 参数m 的n a k a g a m i m 分布，参数m 取不同的值对应的分布也不相同，因此更具有广泛性。 2 2 1 瑞利分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之问的反射体、散射体和折射体的数量是相当 多的，所以信道的冲激响应表示如下： 、 l 办( r ) = 4 万( f 一乃) p 西 ，= i ( 2 8 ) 其中l 代表到达的多径的径数，4 代表第l 条路径的信号幅度，一代表第2 条路径相对第一 条路径( 俨0 ) 的时延，力代表第? 条路径的信号相位。 假设发射机和接收机之间没有直射波路径；有大量的反射波存在，且到达接收机天线 的方向角是随机分布的( 在0 ：2 兀之间均匀分布) ；各个反射波的幅度和相位都是统计独 立的，则到达接收机的信号包络r 服从瑞利分布： 时) = 孝e x p ( 一嘉) ( 例) ( 2 - 9 ) 9 南京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论义第二章无线通信相关理论和技术 信号幅度，的均值为序，方差舸。当尸砒，取得最大值。 瑞利分布的概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，p d f ) 如图2 - 2 所示： 2 2 2 莱斯分布 图2 2 瑞利分布的概率密度函数 当j 妥收信号甲有砚距传措( l i n eo f s i g h t ，l o s ) 的直达、敌信号时，税距信号成为主馁 收信号分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时的接 收信号幅度，就呈莱斯分布，甚至高斯分布： p = 孝e x p ( 一等) 1 0 ( ( 么 0 r o ) ( 2 1 0 ) 其中盯2 为，的方差，彳是主信号的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。莱斯分布常 用参数k 来描述，k = 等，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 表示： k ：1 0 l g 罢 ( 2 1 1 ) 盯 堕室! ! ! ! ! ! ! 叁兰堡：生婴塑竺兰篁堡塞笙= 三要垄垡望笪塑叁些堡塑垫查 k 值称为莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a 寸0 ，k 一一o o d b ，此时在接收信号 中没有主导分量时，混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在 使得接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱斯分布 将向高斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数如图2 3 所示。 图2 - 3 莱斯分布的概率密度函数 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条路径就 是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落 也服从莱斯分布。 2 2 3n a k a g a m i m 分布 n a k a g a m i m 分布由n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代提出，通过基于场测试的实验方法， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a m i 。r 1 1 分布对于无线信道的描述具有很好的 适应性。 若信号的包络，服从n a k a g a m i i n ，则其概率密度函数为： m = 丽2 m m r 2 m - ie x p 【_ 百m r 2 ) ，( r 。) ( 2 - 1 2 ) p ( 广) 5 丽e x p 【_ 百) ，( r u ) 。z 。1 z 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文第二章无线通信相关理论和技术 其中聊= 器，是n 她锄i 衰落参数，为不小于l 2 的实数：贮砸2 ) r ( 旷p 功 是g a m m a 函数。n a k a g a m i m 概率密度函数见图2 4 。 图2 - 4 伽l ，n a k a g a m i m 分布的概率密度函数 对于功率s = r 2 2 的概率密度函数，则有： p = c 争高e 醑争 式中，5 = e ( s ) = 纠2 ，为信号的平均功率。 当m = l 时，有： ( 2 1 3 ) ，= 告唧c 一毒= 知一争( 2 - 1 4 ) 则n a k a g a m i m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布可以用m ( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关 系来确定，即： 二：堡监 2 k + 1 1 2 ( 2 1 5 ) 南京邮i u 人学坝l j 研歹生学位论艾第二章无线通f 古相关理论和技术 2 3m i m o 及o f d m 技术简介 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量需求j 下 在迅速增长。另一方面，可利用的无线频谱是有限的，如果通信频谱的利用率没有得到显 著提高，就不可能满足通信容量的需求。因此，未来无线通信系统需要能有效抑制无线信 道衰落、