（系统分析与集成专业论文）mimo系统的抗噪声性能及资源效率研究.pdf

一j 目录 摘要i a b s t r a c t i l 第一章绪论l 1 1m i m o 技术概述一l 1 2m i m o 技术发展趋势一2 1 3 课题主要工作4 第二章m i m o 系统模型5 2 1m i m o 系统模璎一5 2 2m i m o 信道小尺度传播模型6 2 2 1 延迟扩展与相干带宽。8 2 2 2 平坦衰落与频率选择性衰落一8 2 2 3 多普勒扩展与相干时间1 0 2 2 4 慢衰落( s l o wf a d i n g ) 及快衰落( f a s tf a d i n g ) 11 第三章m i m o 系统抗噪声性能分析1 3 3 1s i s o 系统抗噪声性能分析1 3 3 1 1 高斯自噪声下误码性能1 3 3 1 2 瑞利衰落下的误码性能1 7 3 2s i m o 系统抗噪声性能分析1 8 3 3m i m o 系统的抗噪卢性能分析2 8 第四章m 1 m o 系统抗噪声性能仿真研究3 l 4 1 最大似然检测( m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n ，m l d ) 3 2 4 1 1 不同天线数量的性能仿真与分析3 3 4 1 2 不同接收分集阶数的性能仿真与分析3 5 4 1 3 不同调制方式的性能仿真与分析3 6 4 2 干扰逐次消去( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，s i c ) 3 8 4 2 1 不同天线数量的性能仿真与分析3 9 4 2 2 不同接收分集阶数的性能仿真与分析4 l 4 2 3 不同调制方式的性能仿真与分析。4 2 4 3 反向信道检测( 玳v e r s ec h a n n e ld e t e c t i o n ，i c d ) 4 3 4 3 1 不同天线数量的性能仿真与分析“ 4 3 2 不同接收分集阶数的性能仿真与分析。4 6 4 3 3 不同调制方式的系统性能仿真和分析4 7 4 4m l d 、s i c 、i c d 三种检测法的仿真比较和分析一4 8 4 5 本章小结4 9 第五章m i m o 系统总体资源效率一5 l 5 1 总体资源效率概述5 l 5 2 数字调制系统的资源需求平面5 l 5 3 数字调制系统的总体资源测算5 3 5 4 数字调制系统的比较5 4 5 4 1m i m o m l d 系统的比较一5 5 5 4 2m i m o 。s i c 系统的比较5 6 5 4 3m i m o i c d 系统的比较。5 8 5 4 4m i m o - q p s k 系统的比较5 9 第六章总结。6 0 参考文献6 l 作者简介6 4 j 变谢6 5 摘要 无线通信技术的快速发展极大地改变了人们的生活。进入2 1 世纪，人们对通信服务的 需求与要求日益提升，希望得到更快速，更优质的服务。但在有限的无线频谱资源条件下， 我们要提供高速数据传输和服务更多用户，依靠现有技术是十分困难的。多入多出( m i m o ) 无线通信技术是一种关键的宽带无线传输技术。它在有限的频谱范围内可提供高速率高容 量的服务。 本文在国内外相关研究工作的基础上针对m i m o 无线通信系统所涉及的若干关键理论 与技术进行了深入研究，特别是在m i m o 传输抗噪声性能方面，对影响抗噪声性能的因素及 内在规律进行了系统分析，在此基础上测算了m i m o 系统的总体资源效率。本文所做的主要 工作如下： 1 、对数字传输系统在无线衰落信道传输时的误码性能和误比特性能进行了分析和仿 真。对单天线传输和多天线数字系统的传输进行了的分析。 2 、仿真了m i m o 系统三种不同检测方法下的误比特性能。我们得知：增加接收天线， 利用分集技术提升了信号传输的可靠性，采用最大似然准则检测信号，系统拥有很好的误 比特性能；而增加发射天线，可有效提高信息传输速率，提升了带宽效率。上述分析和仿 真可为无线通信接收机的设计提供信号接收算法参考。并指导我们根据实际要求，选择是 满足高系统分集度还是高系统容量和高数据传输率，同时为下一步的测算提供数据支持。 3 、最后，我们给出了测算系统总体资源效率的方法，测算了m i m o 系统的总体资源效率。 给出了分析系统总体资源最优的方法。 关键字：误比特率，多输入多输出，信号检测，系统性能仿真，总体资源效率 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sc h a n g e0 1 1 1 d a i l yl i f eg r e a t l y n o w a d a y sh i g h e rd a t a t r a n s m i s s i o nr a t ea n dm o r ev a l u e - a d d e da p p l i c a t i o n sw i l lm a k et h ed e v e l o p m e n to fn e wp h y s i c a l l e v e lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sm o r ec h a l l e n g e a b l et ot h er e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r s b e c a u s e t h er a d i os p e c t r u mr e s o u l v , ew h i c hc a nb ea s s i g n e dt ou s ei sl i m i t e d ，t h e r em u s tb es o m e t e c h n o l o g yi n n o v a t i o n s 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 ( m i m o ) t e c h n i q u e sc a ns a t i s f yt h en e w d e m a n d s i tc a np r o v i d eh i g hs y s t e mc a p a c i t ye v e nt h er a d i o 联烙o u r c ei sc o n s t r a i n e dt oan a r r o w r a n g e i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hw o r k , a th o m ea n da b r o a do nt h eb a s i so fm i m ow i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rt h et h e o r yi n v o l v e di nan u m b e ro f k e yt e c h n o l o g ya n dc o n d u c t e di n d e p t hr e s e a r c h ，h a sb e e nm a d eo np r o g r e s ss u c ha st h ea n t i - n o i s ep e r f o r m a n c eo f m i m o s y s t e m ，a n a l y z e dt h ei n t e r n a lr u l e so f i n f l u e n c ef a c t o r so f a n t i n o i s ep e r f o r m a n c e b a s e do nt h e a n a l y s i s ，t h i sp a p e rm e a s u r e dt h eo v e r a l lr e s o u r c ee f f i c i e n c yo fm i m os y s t e m t h em a j o rw o r k d o n eb yt h ef o l l o w i n g ： 1 t h i sp a p e ra n a l y z e da n ds i m u l a t e dt h es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) a n db i te r r o rr a t e ( b e r ) o f m o d u l a e ds i g n a l st r a n s m i a i n gi nw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e lo f d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 h a si m u l a t e dt h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h r e es i g n a l sd e t e c t i o n si nt h em i m o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fs y s t e mp e r f o r m a n c e , w eg e tt h a tt h em i m o s y s t e mc a np r o v i d eh i g hs y s t e md i v e r s i t yo r d e r , s ot h a ti tc a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs i g n a l t r a n s m i s s i o n o nt h eo t h e rh a n d , t h em i m os y s t e mc a np r o v i d eh i g hs y s t e mc a p a c i t ya n dh i g h i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e , w h e ni ti m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o ns i g n i f i c a n t l y t h e p e r f o r m a n c eo fm li sb e t t e rt h a nt h a to fs i ca n di d c t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h eb a s i c c o n c e p t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , s u c ha sc h a n n e l sm o d e l s ，m o d u l a t i o n sa n dm u l t i p l ea c c e s s m e t h o d s t h ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c eo fv a r i o u sd e t e c t i o na l g o r i t h m sc a nb er e f e r e n c e st ot h e d e s i g no fc o m m u n i c a t i o nr e c e i v e ra n dg i v eu sar u l et ot r a d eo f fd i v e r s i t yo r d e ra n ds y s t e m c a p a c i t y 3 i nt h ee n d , t h i sp a p e rg i v e su saw a yt om e a s u r et h eo v e r a l lr e s o u r c ee f f i c i e n c yo fd i g i t a l m o d u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：b i tr a t ee r r o r , m i m o ，p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n , s i g n a l sd e t e c t i o n , o v e r a l lr e s o u r c e e f f i c i e n c yo f t h es y s t e m 第l 章绪论 1 1m i m o 技术概述 第一章绪论 随着i n t e r n e t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代移动通 信系统( 即：b 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有的第二代移动 通信( 2 g ) 系统和第三代移动通信( 3 g ) 系统更高的传输速率，更大的覆盖范围，更稳定 的性能，而且还要能够满足各种业务的传输要求。为了实现上述目标，国际上普遍认为 b 3 g 4 g 系统应当在i o o m h z 无线频段范围内达到i g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率商达 l o b p s h z ；同时，为了满足绿色环保要求，b 3 g 4 g 系统的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系 统。 然而，由经典的香农信息论陋1 可知，上述对b 3 g 4 g 系统容量的要求远远超过了传统的 香农信道容量极限。换句话说，采用传统的通信手段根本无法获得如此高的信道容量的。 因此，要想超越经典香农理论设定的信道容量极限，必须要有全新的理论支持。 贝尔实验室的t e l a t a r 旧1 和f o s c h i n i h 剐等人的最新研究成果显示：在无线反射衰落环 境下采用多个发射天线和接收天线可以成倍地提高无线通信系统的信道容量，这种采用多 个收发天线的系统通常被称为多入多出( m i m o ) 系统，其信道容量近似与收发天线数目的 最小值成正比，这意味着：通过增加收发信机两端的天线数目就可以大幅度提高无线系统 的频谱效率。1 9 9 8 年，贝尔实验室垂直分层空时结构( v b l a s t ) 系统的实验平台在2 4 - 3 4 d b 的信噪比下成功地实现了高达2 0 - 4 0 b p s 的频谱效率哺1 。 m i m o 信道容量的新发现是信息理论的一次重大飞跃，它将经典的香农信息论扩展到更 加广义的m i m o 信息论，从根本上打破了人们以往对无线频谱效率认识上的桎梏，对无线通 信的系统结构、分析方法、调制技术、编译码算法、信号检测技术、信道估计技术等各个 方面都产生了极其深远的影响，极大地激励了各种传统通信技术向m i m o 技术的跨越式发 展，涌现出如贝尔实验室分层空时结构( b l a s t ) 、空时编码等系列令人耳目一新的技术， 在无线通信领域掀起了一场强劲的“m i m o ”风暴h 引。 将m i m o 技术与一些高效的宽带无线传输技术相结合，可以有效地对抗宽带无线信道的 频率选择性衰落，大幅度提高无线通信系统的数据吞吐鼍。目前，国际上公认的最有效的 结合是将m i m o 与正交频分复用( 0 f d m ) 技术阳1 结合而成的m i m o - o f d m 技术n 训，它集中了m i m o 技术和o f 蹦技术的诸多优点，具有更为强大的通信潜力，能够在宽带无线信道上获得极高 的频谱效率，达到惊人的吞吐量。2 0 0 5 年6 月，日本n 1 - td o c o m o 宣称，该公司的4 g 实验 一 南京信息工程大学硕士论文 系统利用m i m o - o f d m 技术在1 0 0 姗l z 带宽内成功实现了1 g b p s 的峰值速率，频谱效率高达 l o b p s h z 。当前，m i m o - o f d m 己被看作是b 3 g 4 g 系统的核心物理层技术，各国政府、各大 通信公司、科研机构等都已经针对基于m i m 帅f d m 技术的b 3 g 4 g 系统制定了周密的研究发 展计划，并开展了非常密集的研究工作，例如：我国的8 6 3 “f u t u r e ”计划，欧盟的“w i n n e r ” 计划，日本的“m i t f ”等。此外，其它各种无线通信标准的物理层技术也正在向m i m o - o f d m 技术逐步过渡，如：3 g p p t l e 、i e e e 8 0 2 1i n 、i e e e 8 0 2 1 6 、i e e e 8 0 2 2 0 等。 1 2m i i 矗o 技术发展趋势 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。 0 f 蹦通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影 响。而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效的增 加了系统的传输速率，即由m i m o 提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加 频谱效率。这样，如果我们将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系 统很高的传输速率，另一种是通过分集达到的很强的可靠性。同时，在m i m o - o f d m 系统中 加入合适的数字信号处理的算法能更好的增强系统的稳定性。 i m o - o f d m 系统能够同时增大空间复用技术和o f 咖技术的能力，有利于增加系统的容 量和高速率的传输。通过多路数据流在发送天线的同时发射，实现了在相同带宽的情况下 的多路空间并行信道。这样的系统不仅发挥了o f d m 和空问复用技术的优势，同时也有效的 利用了空间的并行性和频率选择性。在接收判决一方将接收信号转化为若干子信号分别通 过o f 删的子载波立方式。 m i m o 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空 间域结合起来进行信号处理。因此，m i i l o 技术可以看作是智能天线的扩展。在多天线技术 中，最受关注的是智能天线技术，国际电联己明确将智能天线技术作为三代以后移动通信 技术发展的主要方向。智能天线通常也被称作自适应天线，主要用于完成空问滤波和定位。 从本质上看，智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系，即利用了信号的相位关 系，这是它与传统分集技术的本质区别。从一定意义上看，智能天线可看作是一种空分多 址s d m a ，在s d m a 中，多个用户可共享一个信道，这将极大地增加系统容鼍。 智能天线技术可以定义为：具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天线波束， 实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、多址干扰以及多 径干扰信号。智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线 和自适应阵天线。更高数据速率和越来越复杂的工作特性必然要求下一代无线通信的天线 2 第1 章绪论 系统提供精确而且灵活的干扰控制。而智能天线提供了一种方案来解决困扰无线网络的根 本问题。因此，智能天线一定会在移动通信系统中得到广泛的应用。 根据3 g p p 组织的定义，h s d p a ( 高速下行分组接入技术) 最早是3 g p pr e l e a s e s 规范为 了满足上下行数据业务不对称需求而提出的一种新技术，其目的是在不改变现行w c d i 妊a 网 络结构的情况下，把下行链路峰值速率提高到1 0 8 m 1 4 4 m b p s 。作为w c d m a 的演进技术， h s d p a 将大大提高系统网络的性能和容量。它不仅能有效地支持非实时业务，同时也可以 用于许多实时业务，如流媒体等。在h s d p ap h a s e1 ，通过使用链路自适应和适应性调制 ( q p s k 1 6 q a m ) 、姒r q 及快速调度等技术，将峰值速率提高到1 0 跏1 4 4 m b p s ；在h s d p a p h a s e2 ，通过引入一系列天线阵列处理技术( 对于单天线的移动设备，将使用具有波束赋 形技术的灵巧天线；对于具有2 4 幅天线的移动设备，将引入m i m o 技术) ，峰值速率可提 高到3 0 m b p s ；在h s d p ap h a s e3 ，通过引入o f 咖空中接口技术，使用天线阵列处理相结合 的o f 蹦( 正交频分多址复用) 和6 4 q a m 等，将峰值速率提高到1 0 0 m b p s 以上。 不少强调信号传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始采用m i m o 的技术，推出 高传输率的无线网络产品。m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，成为 新一代移动通信系统必须采用的关键技术。m i m o 是一种颠覆性的技术，该技术有望极大地 改变未来十年的无线电产业。该技术正在渗透到每一种无线技术标准，包括3 g 蜂窝网络、 w l a n 、w i b r o 、w i m a x 、8 0 2 2 0 和4 g 蜂窝网络。很多公司试图将自己定位于利用m i m o - o f d m 技术，以获得相对于其他技术带来的数据速率、覆盖范围、频谱效率上的好处。 软件无线电与m i m o 技术的相结合：软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平 台，所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。该技术将能保证各种移动台、各种移 动通信设备之间的无缝集成，并大大降低了建设成本。软件无线电与m i m o 技术相结合，将 根本改变其实现方式，实现无线宽带通信的技术融合并能容纳各种标准、协议，提供更为 开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。在未来移动通信中，软件无线电将改变传统的 观念，给移动通信的软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远的影响，并将在 本世纪形成和计算机及程控交换机相当的巨大产业。 软件无线电技术是最近几年提出的一种实现无线通信的新体系结构。软件无线电技术 可与m i m o 技术相结合在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能，其优势已经得到了充分的 体现。软件无线电技术的使用将会给m i m o 无线通信系统带来以下好处：可克服微电子技术 的不足；系统增加功能通过软件升级来实现；减少用户设备费用支出：可支持多种通信体制 并存；便于技术进步和标准升级。 软件无线电可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特 点，实施采用最佳接入模式，灵活分配无线资源，实现m i m o 移动通信系统的动态管理和优 化。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供 3 南京信息工程大学硕士论文 方便：从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可以根据无线电环境的变化而自适应 的配置收发信机的数据速率，调制解调方式，信道编译码方式，调整信道频率、带宽以及 无线接入方式的智能化，从而更加充分的利用频谱资源，在满足用户q o s 要求的基础上使 系统容量达到最大。 1 3 课题主要工作 本文采用理论分析和计算机仿真相结合的方法，验证理论的正确性和实践的可行性。 论文主要进行以下几方面的研究工作： 1 、对数字传输系统的误码性能和误比特性能进行分析和仿真。通过理论的推导更进一 步的分析多种调制方式的抗噪声性能。 2 、对数字传输系统在无线衰落信道传输时的误码性能和误比特性能进行了分析和仿 真。对单天线传输和多天线数字系统的传输进行了的分析，并仿真其误比特性能。 3 、对多输入多输出( m i m o ) 系统三种检测方法( 最大似然检测法、干扰逐次消去法、 反向信道法) 的误码性能和误比特性能进行理论分析。同时重点仿真了其使用不同检测方 法、信号调制方式、天线数量时，m i m o 系统的误比特性能。为下一步的系统总体资源效率 的分析，提供数据支持。 第2 章m 订0 系统模型 2 1m i m o 系统模型 第二章m 0 系统模型 m i m o 系统模型如图2 - 1 ： 串并 变换器 ( a ) 发射机 并串1 变换器r 检测器 ( b ) 接收机 图2 - 1m i m o 系统模型 n 个天线 m 个天线 图中给出采用多个发射和接收天线来增加数据率的通信系统的一般结构。首先，数据 被编码和交织。在编码数据的情况下，必须采用交织器，以便确保编码比特或符号各自独 立衰落。然后，对个符号块进行串并变换，每个符号馈送给个相同调制器中的一个， 而且每个调制器连接到一个空间上隔开的天线。这样，个符号并行传输，并通过m 个 空间上隔开的接收天线进行接收。 假设从发射天线到接收天线的每个信号都经历非频率选择性瑞利衰落。其次，假设信 号从个发射天线到m 个接收天线传播时问差相对于符号持续时间丁是很小的，以使得 对于实际情况，从个发射天线到接收天线的信号是同步的。从而，可以把信令间隔内接 收天线上接收到的等效低通信号表示为 ， ( f ) = 历螂( f ) + 钿( f ) ( o f r ，m = l ，2 ，m ) ( 2 1 ) 打= l 南京信息工程大学硕士论文 其中g ( f ) 为调制滤波器的脉冲波形( 脉冲响应) ，a m 为第r 1 个发射天线与第m 个接收天 线之间的复数值，零均值高斯信道增益：函为第刀个天线发射的符号，孙( f ) 为加性高斯 白噪声( a w g n ) 过程的采样函数。信道系数 口胍一 是等分布的、从信道到信道统计独立的， 而且服从编码符号到编码符号带有交织的。 来自m 个接收天线中每个天线上的信号调制器由一个对脉冲g ( ，) 的匹配滤波器组 成，其输出在每个符号间隔端点进行采样。对应于第k 个信令间隔内的第m 个天线的解调 器输出可以表示为 蜘( 七) = 芝：盔( 七) 口m 一( 七) + 刁m ( 七) ( 研= l ，2 ，。， ，) ( 2 - 2 ) 其中信号脉冲g ( t ) 的能量归一化为1 ，7 m ( 七) 为加性高斯噪声分量。解调器的m 个软输出 通过信号检测器。上式用矩阵形式表示为 y = a d ( 2 - 3 ) 其中y = 【y ( 七) ，y 2 ( k ) ，弘( 七) r ， d = 【而( 七) ，d 2 ( k ) ，a ( 七) r ，7 = 【忉( 七) ，r 2 ( k ) ，r m ( k ) r ，a 为信道系数的m xn 矩阵。下图示出了多个发射器和接收器信号的模型。 0 击一 d l一 啦a i j ，。 d 2受鬣y - j d 2 - - p , 串并变换 漆器 检测器并串变换 ； d n 函y u 图2 - 2 多天线通信系统的离散时间模型 2 2m i m o 信道小尺度传播模型 小尺度传播模型n 州1 2 1 是用来探讨小尺度衰落( s m a l ls c a l ef a d i n g ) 的现象，小尺度衰 6 第2 章m i m o 系统模型 落也简称为衰落( f a d i n g ) ，主要是用来描述无线信号经过一段很短的时间( 或是很短的距离) 所产生的快速变化，这些变化包括振幅、相位、频率、多重路径所造成的延迟等等，也因 为是在很短的时间内观察信号的变化，因此由大尺度传播所造成的功率散逸可以被忽略。 在这种衰落中，仅仅在几毫秒( m s ) 之内，信号的强度可能会相差数百至数f 倍，甚至是到 达万倍的等级，对于通信工程师来说，这种衰落是基带信号处理所必须要面对的主要问题。 简单的来说，大尺度传播模型是用来描述在一段较长的时问之内，信号所呈现的平均功率 变化，而小尺度传播模型则是描述讯号在短时间之内，受到信道影响瞬间所产生的变化。 影响小尺度衰减最重要的两个因素是多重路径效应和多普勒效应。多重路径效应会造 成各个路径信号到达接收机时有不同的相位、振幅、与时问延迟，因此会产生信号的时散 ( t i m ed i s p e r s i o n ) 效应与频率选择性衰落：多普勒效应则会产生信号的频散( f r e q u e n c y d i s p e r s i o n ) 效应与时间选择性衰落。这四种效应在信道中是同时存在的，可是某种特定 效应是否明显，却是取决于传送信号的带宽与码元周期，而无线通信系统可以由它们自己 所感受到的信道特性来对信道做分类。 在了解无线信道的分类之前，我们先对这几个信道的效应做深入的探讨对信道效应有 深入的了解，是一个无线系统工程多重路径传播效应( m u l t i - p a t hp r o p o g a t i o ne f f e c t ) 。 当无线信号由传送端送出，经由天线送入大气之中，此时无线电波是以发散的状态来传播， 然后经过各个不同的路径到达接收机。由于各个传播路径的环境不同，信号将会遭受不同 程度的衰落以及延迟。由于传播路径的长短不一，因此到达接收端的时间也将不同，如此 便造成了多重路径效应。因此，多重路径效应主要是造成接收信号在时问上的弥散效应， 所以接收到的信号时间长度，会比传送信号的时间长度来得大，这便是我们所谓的时散效 应。不同路径延迟的差距如果够大，接收机便可以清楚的分辨出来，这些路径我们就称为 是可解析的( r e s o l v a b l e ) 。但是，有时会有两个甚至是多个以上路径的讯号几乎同时到达 接收端，对接收机来说，看起来就像是同一个路径的信号，这些路径我们就称为是无法解 析( u n - r e s o l v a b l e ) 。 值得特别注意的是，在众多无法解析的路径之中，我们所谓不同路径的信号几乎同时 到达，这是以码元的观点来看，先后到达的码元，由于到达时问的差异有限，所以接收机 是无法分辨的：但是以载波的观点来看，由于无线通信系统中的载波频率通常很高，这一点 点时间上的差异，就足以造成接收讯号相位的显著差异。这相位的差异，会使众多无法解 析的路径，有时造成接收讯号的增益( 建设性干涉) ，有时造成接收讯号的衰落( 抵消性干 涉) ，视各路径延迟的长短而有不同的变化。因此，对某个可解析的路径而言，它的信号其 实是由许多不同路径的信号组合而成，只不过这些路径信号到达接收机的时间，对一个码 元周期而言差距不大，所以这些的码元信号是不可解析的，而这些不可解析讯号所结合而 成的接收信号，其振幅会是一个瑞利分布( r a y l e i g hd i s t r i b u t i o n ) 的随机变量。在扩频通 7 南京信息- t 程大学硕士论文 信系统中，如果不同路径的延迟差距不超过一个子码的时间，我们便称这些路径是不可解 析的，反之我们便称为是可以解析的。 2 2 1 延迟扩展与相干带宽 延迟扩展( d e l a ys p r e a d ) u 3 1 是用来描述在时域上，由多重路径所造成的信号波形扩 散效应，简单来说就是，由传送端送出的一个脉冲信号，如果信道的多重路径效应造成数 个可解析的路径，所以在接收端会收到来自不同路径却包含相同信息的信号，每个可解析 路径的信号皆有特定的延迟，此为著名的延迟扩展。不同的环境会有不同的延迟扩展。延 迟扩展的参数基本上是由环境所决定的，一旦用户所处的环境是静止不动的，这些参数的 值也就不会随着时间而改变。与延迟相关的参数，基本上是环境对讯号在时域上所产生的 影响，在此我们将介绍一个与频域相关的参数：相干带宽，这个参数是由均方根延迟扩展 所定义而来的。我们先由相干带宽的物理意义来说明这个名词，所有在相干带宽( 厂) 。范 围里的信号，其所受到信道的影响是类似的( 相关性很高) ，也就是说，在相干带宽内的所 有信号，有大约相等的振幅增益和线性的相位关系。若是任意两个正弦波讯号，其频谱问 隔超过相干带宽( 厂) c ，它们所受到信道影响的关联性就很低。接下来我们要给相干带宽 正式的定义：一般定义同调带宽的大小有两种方式，都是以不同频率之信号的相关性来决 定的。若是要求不同频率之信号的相关函数( c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) 必须要大o 9 ，则相 干带宽大约是： 1 厶厂k 二( 2 4 ) l 得注意的是，式( 2 - 4 ) 只是一个粗略的估计，相干带宽和延迟扩展的确切关系式并不存 在，而且相干带宽的大小，也与系统的调制与解调方法有关。实际上在设计无线通信系统 时，还是必须针对特定的系统选择正确的信道模型。一点特别值得注意的：均方根延迟扩 展是从时域上来观察信道的特性，相干带宽则是从频域上来观察，两者之间是成反比的关 系，均方根延迟扩展越小( 大) 时，相干带宽越大( 小) ，而这两个参数基本上都是由环境决 定的，如果用户所处的环境不变，这两个参数基本上也不会随着时间而改变；当然，当用 户移动或是环境随着时间而变动时，这两个参数也会随着时间而改变。 2 2 2 平坦衰落与频率选择性衰落 宽带( w i d e b a n d ) 和窄带( n a r r o w b a n d ) 是从相干带宽衍生而来的概念。简单来税，所谓 8 第2 章m i m o 系统模型 窄带系统指的就是传送信号的带宽小于信道的带宽，这里信道带宽指的是相干带宽。在窄 带通信系统中，因为所有的信号都在相干带宽之内，所以所有的信号都有相似的振幅增益 和线性的相位响应：在窄带系统中，系统信号在各个频率的增益或是衰落情况，几乎是一个 常数，我们也因此称窄带系统的衰落是平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 。值得特别注意的是，这里 的“平坦”指的是对于任意的一个固定时间，信号在不同频率增益或衰落情况，几乎是一 个定值，所以平坦是一个相对于频域的概念；然而在时域上，各个频率信号的增益或衰减 情况，还是有可能一起经历快速而剧烈的变化；此外，窄带系统指的是信号带宽相对相干 带宽而言是较窄的，而不是相干带宽本身是较窄的。 宽带系统指的就是传送信号的带宽大于信道的带宽，由于信号的带宽已经超过相干带 宽的范围，每一频谱区段的信号响应也就不尽相同，因此我们称宽带系统的衰落是频率选 择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) ；很明显的，这也是一个频域上的概念，而随着 时间的改变，各个频率的增益或衰减情况，还是有可能经历不同的消长；同样值得注意的 是，宽带系统指的是信号带宽相对同调带宽而言是较宽的，而不是相干带宽本身是较宽的。 综上所述，我们先由信道的时散性定义出均方根延迟扩展，再由均方根延迟扩展定义 出相干带宽；把信号带宽和相干带宽比较，信号带宽较窄的，我们称为窄带系统，信号带 宽较宽的，我们称为宽带系统；窄带系统会遭受平坦衰落，宽带系统会遭受频率选择性衰 落。以下我们便对多重路径效应所产生的衰落做一个整理。 一、平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 窄带( n a r r o w b a n d ) 系统 l 、信号带宽 码元周期 相较于以上所提的窄带系统，如果信道维持固定振幅增益和线性相位响应的带宽，小 于传送讯号的带宽时。我们便称此信道为频率选择性衰落信道。在此情况下，因为信道的 延迟扩展大于码元的周期，因此多重路径的综合效应，会在接收端形成数个可解析的路径， 当然，每一个可解析的路径还是包含了数个不可解析的路径。因此，传送端所发射的同一 个信号，我们将会在接收端收到数个不同延迟的信号，同一个信号在不同的时问到达，彼 此之间就会造成干扰，因此信号将会有失真的情形发生，这种干扰是另一种形式的码间干 扰。这里所谓的码间干扰和一般数字通信系统的码间干扰是不一样的，一般数字通信系统 的码间干扰指的是邻近码元间所产生的干扰，而频率选择性衰落信道所产生的码问干扰， 则是来自同一个码元。 从频域的观点来看，信道的频率选择性衰减会使不同频段的信号，遭受到不同大小的 增益与衰减，这也是为什么我们称这种信道为频率选择性衰落的原因。 从时域的观点来看，同一个传送信号会在不同的时间到达，这就是频率选择性衰落信 道的时散效应。从时域的观点来看，因为各个频率的衰落或增益程度会随着时问而有不同 的变化，所以接收信号的失真情况也会随着时问而改变。在频率选择性衰落信道之中，各 个可解析路径的信号之间，虽然会有码间干扰而使信号失真，然而各个路径的衰落情况是 相互独立的，这也是另一种形式的多样性( d i v e r s i t y ) ，对接收信号提供了额外的保护，如 果有某几个路径遭受严重的衰落，接收机可以凭借其他的路径来还原传送的信号。从频域 的观点来看，因为不同频段所遭受到的衰落情况不同，如果有某几个频率遭受严重的信号 衰落，接收机可以从其他的频段来还原传送的信号。对频率选择性衰落信道来说，因为多 重路径的综合效应会在接收端形成数个可解析的路径，因此我们在使用计算机仿真频率选 择性衰落信道时，会把几个相互独立的平坦衰落信道结合在一起，并把信号经过每一个平 坦衰落信道之后的振幅当成是一个随机变量， 每一个平坦衰落信道有各自的信号平均功率， 们区别开来。 2 2 3 多普勒扩展与相干时间 而这些随机变量都是相互独立的瑞利分布， 各信道之间也都在时问上有不同的延迟把它 所提及时域的延迟扩展和频域的相干带宽，二者皆是用来描述信道的时散特性，而信 道的时散性是由多重路径效应所造成的，其中多重路径效应的影响是由环境所决定的，只 l o 第2 章m i m o 系统模型 要系统中所有相关的地形地物都是静止的，基本上这些效应与参数都不会随着时间而改变。 不过，当传送端和接收端有相对运动的时候，或是信道中相关的地形地物随着时间而有所 变化，上述的参数就无法描述信道的时变特性。在考虑到信道的时变性时，频域的多普勒 频移和时域的相干时间，就成为描述此信道特性最重要的两个参数。这里有一个很有趣的 现象，从时域上来看，多重路径效应造成了信号的时散性，而从频域上来看，传送端与接 收端的相对运动，则因为多普勒频移产生了信号的频散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i v e ) 。 当传送端和接收端有相对运动的时候，信号便有多普勒频移的产生，这造成了信号频 谱的展延。如果传送的是频率为压的正弦波，在没有多普勒效应的影响下，信号的功率谱 密度( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y ) 为一冲激函数( d e l t af u n c t i o n ) ，所有的信号能量会集中 在中心频率附近，如果传送端和接收端有相对运动之后，多普勒效应将会使功率谱密度往 最大多普勒频移( m a x i m u md o p p l e rs h i f t ) 集中伤= v 五) 而形成【，字形，对传送信 号而言，多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 指的就是接收信号的多普勒频谱不为零的频率范围。 由于整个信号频谱的能量集中在两侧，使得中心频率附近的能量密度较低，因此在做信号 检测时，必须在接收机设计一个适当带宽的低通滤波器，将受到多普勒频移的信号滤出， 而此滤波器的带宽必须根据当时的车速而做适当的调整。当传送端和接收端有相对运动时， 或是信道中相关的地形地物随着时间而有所变化，信道对讯号所产生的影响，也就会随着 时间而改变。 在考虑信道的时变性时，从频域的角度来看，我们有多普勒频移