（通信与信息系统专业论文）认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究.pdf

摘要 本文针对认知无线电系统环境及其自适应正交频分多址接入( o r t h o g o n a l f r e q u e n c vd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c e s ，o f d m a ) 技术，研究了o f d m 的信道状 态信息估计技术，包括信道的冲激响应( c h a n n e li m p l u s er e s p o n s e ，c i r ) 和信噪 比( s i g n a l t o n o i s e r a t i o ，s n r ) 。本文首先介绍了o f d m 调制的基本概念和原理， 研究了o f d m 系统下的信道估计以及信噪比估计问题。随后，介绍了基于r e e e 8 0 2 2 2 标准，采用o f d m a 模型的认知无线电系统，并针对认知无线电环境，在 传统的m s t ( m o s ts i g n i f i c a n t t a p s ) 降噪算法的基础上对其进行了的改进和引申， 提出了一种适用于o f d m a 认知无线电系统的信道与信噪比的联合估计方案。该 方案通过时频域转换，对时域信道抽头进行加权和累积反馈加权信息等处理实现 了抑制l s ( l e a s ts q u a r e ) 估计中的噪声提高估计精度的效果，并通过计算计仿 真分析了该算法的性能。仿真结果表明，本文提出的方法能够有效地进行认知无 线电场景下信道状态信息的估计。最后，以i e e e8 0 2 2 2 协议草案为基础，设计 并搭建了认知无线电系统软件仿真平台。 关键词：认知无线电o f d m a 信道估计信噪比估计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ec o g n i t i v er a d i o ( c r ) s y s t e mw h i c ha d o p t sa d a p t i v e o f d m a ( 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 ga c c e s s ) t e c h n o l o g y , t h e e s t i m a t i o nt e c h o n o l g yo fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) ，i n c l u d i n gt h ec h a n n e l i m p u l s er e s p o n s e ( c l r ) a n dt h es i g n a lt o n o i s er a t i o ( s n r ) ，i no f d ms y s t e mi s s t u d i e d f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d mt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h e d l a n n e le s t i m a t i o na n ds n re s t i m a t i o no fo f d ms y s t e m s8 r es t u d i e d s e c o n d l y , t h e c rs y s t e mw h i c hi sd e f i n e db yt h ei e e e8 0 2 2 2s t a n d a r di si n t r o d u c e da n di t s o f d m as c h e m ei ss t u d i e d t h e n , b a s e do nt h em o s ts i g n i f i c a n tt a p s ( m s t ) a l g o r i t h ma n dt h eo f d m as c h e m e ，ai m p r o v e dj o i n tc i ra n ds n re s t i m a t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hu s e st h em e t h o d o l o g yo ft i m e f r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o n ，w e i g h t i n g a n dc h a n n e lt a p sf a d eb a c kt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fn o i s eo nt h el e a s ts q u a r e ( l s ) e s t i m a t i o n ，i sp r o p o s e da n da p p l i e di i lc rs y s t e m f u r t h e rm o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi se v a l u a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n s ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a ne s t i m a t et h ec s ie f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y i nc rs y s t e m s f i n a l l y , ac rs i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do ni e e e8 0 2 2 2s t a n d a r di sd e s i g n e da n d c o n s t r u c t e d t h e nt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sl o a d e da n dt e s t e di nt h ep l a t f o r m k e y w o r d ：c o g n i t i v er a d i o o f d m ac h a n n e le s t i m a t i o ns n re s t i m a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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：趟竺堕丝日期塑咙f ：堑 西安电子科技大学 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j 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期丝： 同期鲨岔。! ：尘 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近几十年来，随着社会经济的快速发展和人们生活水平的提高，人们对通信 的需求也在不断增长，从而带动了通信技术的迅猛发展，呈现出空前的繁荣景象。 通信网络正快速地向包括数据、语音、图像的综合宽带多媒体方向发展，人们对 通信质量、通信速度和通信内容也都提出了新的要求。于是容量更大、传输速率 更高的b e y o n d3 g 移动通信系统便成为了研究的热点，其核心技术：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 i l e x i n g , o f d m ) 技术和自适应调制编码 ( a d a p t i v e m o d u l a t i o na n d c o d i n g ，a m c ) 技术更成为了其中的热点。o f d m 技术 凭借其出色的抗多径信道衰落的特性和极高的频谱利用率，赢得了广泛的关注。 a m c 的主要思想是通过研究无线信道的衰落程度、信噪比等参数动态地改变调 制方式，使信道容量达到最大或者使系统性能达到最佳，从而提高系统的频谱利 用率和信息传输速率，因而对信道估计和信噪比估计技术的研究显得尤为重要。 1 2 认知无线电技术的提出及发展 随着通信行业的迅速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，尤其是随着 w l a n 、w p a n 无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段( u f b ) 已经渐趋饱和。而另外一些特定的通信业务( 如电视广播业务等) 需要通信网络 提供一定的保护，使他们免受其他通信业务的干扰。为此，频率管理部门专门分 配了特定的授权频段( l f b ) 以这些通信业务使用。而目前对频谱资源分配的方 法，造成了有相当一部分频谱资源的利用率是很低的，尤其是在频率需求非常紧 张的3 g h z 以下的无线频带中，一些频带大部分时间内并没有用户使用，另有一 些偶尔才被占用，其他频带使用竞争则很激烈。如何提高频谱利用率，在各地区 和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常关注的技术问题。 m i t r e 公司的j o s e p hm i t o l a 在软件无线电l j j ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 的基 础上，提出了认知无线电s 】( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念，为这个问题提供了 解决方法。 软件无线电是m i t o l a 在1 9 9 2 年5 月提出的一种实现无线通信的新概念和新 体制，是作为多频带多模式的个人通信系统平台出现的。其核心思想是：将宽带 a d ( a n a l o gt od i g t i a l ) 和d a ( d i i g t i a lt oa n a l o g ) 变换器尽可能的靠近射频天 2 认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究 线，而将电台的功能尽可能地采用软件定义，构造一个开放的、标准化的、模块 化的通用硬件平台，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。这样设计的无 线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便。近些 年来，随着高速信号处理芯片的发展，软件无线电系统正越来越多的应用于实际 系统中。 以软件无线电为基础的认知无线电是一种新的智能无线通信技术，它可以感 知到周围的环境特征，采用构建理解的方法进行学习，通过无线电知识描述语言 与通信网络进行智能交流，实时调整传输参数，使系统的无线规则与输入的无线 电激励的变化相适应，以达到无论何时何地通信系统的高可靠性和频谱利用的高 效性埘。 信号传 缸一无线电环境 7 传输功率控、无线电环 制和动态频谱r境分析 资勃；( 管理磐尊空洞 ；i i i t 篓荨嚣主门限 i 干扰温度 黎 图1 1 基本认知周期 在认知无线电系统【7 】【s 】中，首先，用户需要检测环境，估计当前信道中的干 扰温度，及其接入对邻近用户的干扰，根据这些测量数据，用户可以自适应地改 变他们的传输参数，最终达到提高网络总性能的目的。图1 1 【2 6 】描述了一个认知 无线电的基本认知周期。可以概括出认知无线电的基本任务是：无线电环境分析； 信道估计和信道预测建模：传输功率控制和动态频谱资源管理。 当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学 者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线 电的重要研究项目。例如：德国k a r l s r u h e 大学的f k j o n d r a l 教授等提出的频谱 池系统，美国加州大学b e r k e l e y 分校的r w b r o d e r s e n 教授的研究组开发的 c o v u s 系统，美国g e o r g i a 理工学院宽带和无线网络实验室i a nea k y i l d i z 教授 等人提出o c r a 项目，美国军方d a r p a 的x g 项目，欧盟的e 2 r 项目等。在这 些项目的推动下，对认知无线电的研究在基本理论、频谱感知、数据传输、网络 架构和协议与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。 i e e e 为此专门组织了两个重要的国际年会i e e ec r o w n c o m 和i e e ed y s p a n 交 第一章绪论 3 流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也将刊发关于认知无线电的专辑。目 前，最引人关注的是i e e e8 0 2 2 2 工作组的工作，该工作组已制定了利用空闲电 视频段进行宽带无线接入的技术标准的草案，这是第一个引入认知无线电概念的 i e e e 技术标准化活动。 总之，认知无线电的提出，为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限 的无线频谱资源之间的矛盾开辟了条行之有效的途径，是未来无线通信产业发 展的方向，正逐渐通过标准化进入到产业领域。然而，认知无线电技术从概念到 应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术需要突破，这也使其成为近年来无线 通信研究的热点。 1 3 本文的主要内容及章节安排 本文主要研究认知无线电环境下自适应o f d m 传输中关于信道估计与信噪 比估计的技术，及认知无线电系统的关键技术。目标是寻求一种适用于认知无线 电场景的多用户o f d m 自适应传输系统的信道估计与信噪比估计的方法。因此， 作者的主要工作如下： 1 分析o f d m 系统的传输环境，并在此基础上深入研究了o f d m 系统的信 道估计算法及信噪比估计相关现有算法。这部分研究工作，为o f d m a 系统下的 估计算法提供了参考。 2 研究了认知无线电系统的关键技术，并重点研究了集中式场景下i e e e 8 0 2 2 2 认知无线电系统。 3 深入研究了o f d m a 系统，以及在该系统下的信道状态信息估计问题。 并针对认知无线电环境，在传统的m s t ( m o s ts i g n i f i c a n tt a p s ) 降噪算法的基础 上对其进行了的改进和引申，提出了一种适用于o f d m a 认知无线电系统的信道 与信噪比的联合估计方案。该方案在频域先进行l s 估计，并将其转换到时域， 通过对时域信道抽头进行加权和累积反馈加权信息等处理实现了抑制噪声的效 果，提高了估计精度，并通过计算机仿真分析比较了该算法的性能。 4 ，设计并搭建了基于i e e e8 0 2 2 2 协议的认知无线电系统软件仿真平台，并 在平台上装载了上述算法，实现了o f d m a 系统的自适应传输。 本文的章节安排如下： 第二章介绍了o f d m 系统的基本原理，对o f d m 系统的组成结构、工作过 程进行了详细的描述。 第三章研究了o f d m 系统的信道估计以及信噪比估计问题，并给出了多种估 计算法的实现方法及其性能对比。 4 认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究 第四章介绍了认知无线电系统的关键技术，研究了基于i e e e8 0 2 2 2 协议的 认知无线电场景，针对该场景，在传统的m s t 降噪算法的基础上对其进行了的 改进和引申，提出了一种适用于o f d m a 认知无线电系统的信道与信噪比的联合 估计方案。通过仿真分析了该算法的性能。 第五章以i e e e8 0 2 2 2 协议草案为基础，设计并搭建了认知无线电系统软件 仿真平台。该平台具有良好的使用和演示界面，为认知无线电先进的信号处理算 法的研究提供了一个很好的先期验证环境。 最后对全文的工作进行了总结。 第二章o f d m 的基础理论及信道模型 5 第二章o f d m 的基础理论及信道模型 通信系统按调制载波的多少可以分为单载波系统和多载波系统。单载波系统 在进行高速通信时，由多径效应带来的多径时延对信号符号间的干扰很严重，即 使通过复杂的均衡算法也无法避免码间干扰，同时复杂的均衡难以实现并且代价 很大【4 1 。为了解决这个问题，人们提出了多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ， m c m ) 的方案，其基本思想是通过将串行的高速数据流分解成若干个并行子数据 流，得到多个低速的子数据流并用每个子数据流去调制相应的载波，从而减小了 多径干扰的影响。多载波调制，按其实现方式可分为：多音实现( m u l t i t o n e ) ， o f d m ，多载波码分多址( m u l t i 。c a r t i e rc o d ed i v i s i o na c c e s s ，m c c d m a ) 和编 码m c m ( c o d e dm c m ) 等。因为在无线通信中应用最为广泛的是o f d m 技术， 所以本文主要研究的对象也是o f d m 调制技术。在本章中主要研究了o f d m 的 基本原理和无线通信系统的传输环境。 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它既可以被看作一种调制技术，也可 以被看作一种复用技术。它由于抗频率选择性衰落能力强、频谱利用率高、便于 与其他接入方式结合使用、可以使用高效的i f f t f f t 来实现等优点使它成为最 有发展前途的多载波调制技术”1 1 2 。 2 1 1o f d m 的基本原理模型 o f d m 的基本原理是，将串行的高速数据流分解成若干个并行的低速子数据 流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载波上的信号 叠加合成一起输出。 o f d m 系统的基本原理如图2 1 所示： 与舻 手一， 自 + 井 鱼q 一 d w - 变 换 卫q 一 信 道 井 自 变 换 教迸增援收端 图2 1o f d m 系统基本原理模型 6 认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究 从上图可以看出：o f d m 的调制端的基本原理就是把输入数据经过串并变换 成路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。 而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换输出原 始数据。 2 1 2o f d m 信号的表达式及其正交性 从上文对o f d m 基本原理的论述可以看出：其实现的根本思想是通过串并变 换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，其关键点是保证各个子载波之间 的正交性。下面先看看o f d m 信号的表达式。 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波信号都可以进行相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果表示子 信道的个数，r 表示一个o f d m 符号的时间宽度，面( i = o ，1 ，a v - 1 ) 为每个子信 道的数据符号，尼是第0 个子载波的载波频率，则卢f s 开始的一个已经调制的 o f d m 符号可表示为： 一1 j ( f ) = d i e m + + 肌t ，t t ，+ t ( 2 一1 ) j = 0 然而在多数文献中，通常采用复等效基带信号来表示o f d m 的输出信号，如 式( 2 2 ) 所示。其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际 应用中可以分别与相应的子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，再叠加成o f d m 信 号。 j ( f ) ：n - 1d t e j 2 f 抄f ，f f ，+ r ( 2 2 ) 从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 都可以看出，o f d m 信号相邻子载波间的间隔为o f d m 的 码元速率即1 t ，这样就有： w w 。d t ：一1 r e j 2 r t e j 2 r t d t 。 ：巍伽孚t 疵： m 3 t 如 【0 n m 式( 2 3 ) 说明了只要使各个子载波之间的间隔为1 t 就保证了各个子载波之间 的正交性。正是这种正交性使频谱互相重叠的各个子载波信号能够被正确的分离 出来。比如要解调第_ ，个子载波，根据图2 1 和式( 2 3 ) 有： 第二章o f d m 的基础理论及信道模型 7 矗i = * s “畸一j d t = 亭r + 篓d ，e ，2 f ；( ，一) e 一，2 f ；( f 一) 疵。：4 ， = 亍n 狲- | t i 甲* ? d l = d i 这种正交性在时域的表现为：每个子载波在一个o f d m 符号周期内包含整数 倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。如图2 2 所示。 图2 2o f d m 信号正交性的时域表现 这种正交性也可以从频域得到更直观的体现。因为每个o f d m 符号包含了多 个非零的子载波，所以其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与各个子载 波的脉冲响应函数d ( f ) 的卷积。图2 3 显示了o f d m 信号频谱中各个子信道频谱 的情况，其中每个子信道的频谱为8 i n c ( p f t ) 函数，它在中心频率处有最大值，在 1 t 的整数倍频率上的值为零，因此，在每个子载波的频谱最大值处，所有其他 子载波的值为零。在解调时，需要计算各个子载波频谱的最大值，只要保证各个 子载波的频率没有偏移，就可以准确的解调出每个子信道上的数据而不受其他子 信道的影响。从图2 4 所示的频带占用示意图可以看出：在o f d m 信号频谱中， 由于各个子信道频谱相互重叠，o f d m 信号的带宽是进行一般频分复用信号带宽 的一半，即频谱利用率提高了一倍。这是o f d m 给我们带来的最大好处之一。 删i ，、v 枞v v v i 图2 3 子信道角度的o f d m 信号的频谱 图2 4 一般的f d m 和o f d m 频带占用示意图 8 认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究 2 2o f d m 的i f f t f f t 实现 在上文中，图2 1 只是从理论上说明了o f d m 系统的基本原理，若按图2 1 来实现o f d m 系统是非常的困难和不可取的。因为当子载波数目多，子载波间隔 非常小时，难以实现这么高的频率分辨率，而且解调时每一路子载波都要进行积 分，导致系统结构庞大，非常的浪费资源，因此需要寻找一种易于实现的方案。 在o f d m 复等效基带信号表达式( 2 2 ) 中，若令t s = 0 ，对信号s ( 力以删的速 率进行采样，即令t = k t n ( 扣o ，1 ，2 n - 1 ) ，可以得到： 一1 i k j = d i e “4 矿0 k n 一1 ( 2 - 5 ) i = 0 式中s t 可以看作对面进行离散傅立叶反变换( i d f t ) 运算。同样在接收端， 为了恢复出原始的数据符号西，对觑进行反变换，即进行离散傅立叶变换( d f t ) 得到： d ，：笔叩2 8 争 o f 一l ( 2 - 6 ) 根据以上的分析可以看出，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 完成。通过点i d f t 运算，把频域数据符号盔变成时域数据符号觑，经过射频 载波调制之后，发送到无线信道中。其中，每一个i d f t 输出的数据符号乳都是 由所有子载波信号经过叠加而生成，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信 号进行抽样得到的。 这样，通过d f t 的方法来实现o f d m 好处在于，它大大简化了调制解调器 的设计，使用i d f t d f t 便可完成了多路子载波的调制和解调，而且i d f t d f t 早就有了成熟的快速算法i f f t f f t ，它可以方便的在d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 芯片中实现。使用i f f t f f f t 实现o f d m 系统方法如图2 5 所示。 调制 图2 5o f d m 基本原理的i f f t f 】盯实现 解调 第二章o f d m 的基础理论及信道模型 9 2 3 添加循环前缀 o f d m 的一个最主要优点是它可以有效的对抗多径时延扩展，从而大大提高 了系统的抗码间干扰( i s i ) 能力，这是多载波调制也是o f d m 的一个明显好处。 这是因为，通过串并变化把输入数据转换到个并行的子信道中，使每个子信道 信号的符号周期扩展为原来的倍，时延扩展与符号周期的比值也就降低了 倍。为了最大程度的消除码问串扰，还可以在每个o f d m 符号的之间插入保护间 隔，保护间隔的长度疋一般要大于最大时延扩展。在保护间隔内，如果不插入任 何信号，使其成为一段空闲的传输时段，由于多径传播的影响，会产生信道间干 扰( i c i ) ，即子载波间的正交性遭到破坏，子载波之间产生干扰，如图2 6 所示。 从图中可以看到，在f f t 时间长度之内，子载波0 和带有时延的子载波1 之间周 期个数不再是整数。解调本地子载波0 时，它和子载波1 相乘积分不再为0 ，也 就是说予载波1 对子载波0 产生了干扰。同样，在解调子载波1 时也会有子载波 0 带来的干扰。 保护间隔 f f t 时间长度 图2 6 插入空保护间隔时，多径时延带来1 c i 由上所述，单纯的插入空的保护间隔时，多径时延会带来i c i 。为了消除i c i ， 需要改变保护间隔的插入方法。研究表明，在保护间隔中插入循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 可以解决这个问题，即将o f d m 符号的尾部插入到该符号的前面。 因为插入循环前缀后，只要多径时延小于c p 的长度，在f f t 的计算时间内各个 子载波的包含周期数是整数，也就是说各个子载波之间保持正交，没有i c i 。c p 的插入方法如图2 7 所示，也就是把每个o f d m 符号的后疋时间的样点复制到 o f d m 符号的前面，形成前缀。此时o f d m 的符号周期为：昂n 疋。 1 0 认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究 l 趟 例2 7 循环前缀的添加 从图2 7 也可以看到，在循环前缀和o f d m 符号主体交界处t i ，信号相位是 连续的。这是因为在每个符号周期内都包含整数倍个子载波周期，也就是说对每 个子载波来说其相位在t l 、t 2 时刻是相同，所以它们叠加合成的信号在t l 、乏时刻 相位也相同，因此循环前缀和o f d m 符号主体交界处，信号相位是连续的。 插入的循环前缀占用了时间和功率资源但不携带任何信息量，也就是说造成 了功率和信息速率的损失。功率损失可以表示为： r v 删= 1 0 l 0 9 1 0 ( 4 - 1 ) ( 2 - 7 ) 从上式可以看到，当保护间隔占到2 0 时，功率损失也不到l d b 。而此时造 成的信息速率损失达到2 0 ，虽然插入循环前缀可以有效的消除i s i 和多径引起 的i c i ，但是也导致了功率和信息速率的损失，且c p 的长度越大功率和信息速率 的损失也越大。在实际系统中，c p 的长度通常选择为时延扩展均方根值的2 到4 肛【3 】 4 】 l 口。 添加c p 之后通过i f f t f f t 实现的基带o f d m 系统模型如图2 8 所示。数据 流经过串并变换实现了把串行数据流变换成 r 个并行数据流( 为o f d m 系统的 子载波个数) 后，进行点的i f f t 变换，从而在基带上实现把 r 个并行数据调 制到n 个并行的正交子载波上，为了最大程度的消除码间串扰( i s i ) 和信道间干 扰( i c i ) ，在每个o f d m 数据符号前面添加了长度为札的循环前缀( c p ) ，最后 经过并串变换和d a 变换发送到信道中。 在接收端进行逆处理。信道来的信号经过a d 变换之后，首先要进行符号同 步和频率同步，从而才能逐个取出每个o f d m 符号，进行串并变换，去除循环前 缀，进行f f t 变换，并串变换，就得到串行的输出数据流。 第二章o f d m 的基础理论及信道模型 图2 8 基带o f d m 系统模型 2 4o f d m 的无线信道模型 无线电波传播特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。无线通信中 的电波的传播特性非常复杂，它直接关系到一系列为提高通信系统能力所必须采 用的技术措施和技术手段等系统设计问题。 2 4 1 无线信号传播环境 无线信道是一种时变信道，信号通过信道时会遭受不同程度的衰减。通常， 无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。用于描述发 射机和接收机( t - r ) 之间长距离( 几百或几千米) 内的信号强度变化的信道模 型称为大尺度模型，而用于描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信 号强度快速变化的信道模型称为小尺度模型。这两种模型并不是孤立的，在同一 个无线信道中，既存在大尺度衰减，也存在小尺度衰落。一般而言，大尺度模型 表示接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化， 主要是指由信号的特征( 载频、信号频率等) 和收发距离以及阴影效应引起的衰 减；小尺度模型表示接收信号短时间内的快速波动，主要是由电波反射、绕射和 散射等导致的多径传播以及移动台的运动速度导致的多普勒扩展引起的【4 】【“。 无线信号在传输中会受到收发之间复杂地形，移动物体，大气变化特性的影 响，从而产生反射，折射，衍射和散射等。与有线传输的静态特性相比，无线信 道更多地呈现出一种随机特性和时变特性。这种时变性和随机性引起的信号衰落 可以分三类【4 1 5 】： 1 1自由空间传播的损耗和弥散： 自由空间传播指的是在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反 射、折射、散射和吸收现象，只存在电波能量扩散而引起的传播损耗。应用电磁 场理论，在自由空间传播条件下，若发射点的发射功率为p ，以球面波辐射，接 收的功率为p ( d ) ，则有p j ： 1 2 认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究 p r ( d ) 2 只7 薪g ，g ，( 2 - 8 ) 式中，g ，与g ，分别是发射天线与接收天线的增益，a 为波长，d 为接收天线和发 射天线之间的距离。 定义自由空间的传输路径损耗为有效发射功率与接收功率之比为： 工：曼：( 4 r i d ) 2 。上( 2 9 ) +prg t gr 损耗通常用分贝表示，由式( 3 2 ) 可得： l = 3 2 4 5 + 2 0 1 0 9 f + 2 0 l o g d 一1 0 l o g ( g ，g ，) ( 2 - 1 0 ) 式中，厂为工作频率，单位为m h z ，d 的单位为k m 。 由式( 2 1 0 ) 可知，在自由空间传播模型中，接收机功率与收发距离d 的平方成 反比，接收功率与距离的关系为2 0 d b 1 0 倍程。 2 ) 阴影衰落： 阴影衰落是一种慢衰落。当无线电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、 植被等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影；接收信号通过不同的障碍物的阴 影时，场强中值发生变化，从而引起阴影衰落。通过大量的研究发现，这种阴影 衰落服从对数正态分布。 另外，由于气象条件随时间的变化，大气介电常数的垂直梯度发生慢变化， 使电波的折射系数也随之变化，结果造成同一地点的场强中值随时间的慢变化。 统计结果表明，这种中值变化也服从对数正态分布。 3 ) 多径传播引起的衰落： 多径传播是无线信道的主要特征。无线电波在传输的过程中会遇到各种建筑 物、树木、植被以及起伏地形，导致能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和 绕射等，到达接收天线的信号不是经过单一路径到达，而是由许多不同路径的反 射波合成的。又由于不同方向的电波通过每条路径的距离不同，因而各条路径的 反射波的到达时间不同，相位也不同。不同相位的多个接收信号在接收端叠加， 有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。因此，接收信号的幅度将发生急剧 变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象而引起的，称为多径衰落。 由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程，这种 现象被称为多谱勒频移，它与移动台的运动速度、运动方向以及接收机多径波的 入射角有关。假设移动台以恒定速率1 ，在长度为d ，端点为x 与y 的路径上运 动时收到来自远端源s 发出的信号，如图2 9 所示。 第二章o f d m 的基础理论及信道模型 1 3 无线电波从源s 出发，在x 与y 点 上分别被移动台接收时所走的路径差 为a i = d c o s 0 = y a t c o s 0 。这里血是 移动台从z 到y 所需的时间，臼是x 与 】，处入射波的夹角，由于远端距离很 远，可假设x 、y 处的夹角是相同的。 所以，由路程差造成的接收信号相位变 化值为： v 图2 9 多谱勒效应示意图 口：2 x a l ：兰! 兰竺c o s 秽( 2 1 1 )p = = 【2 一1 1 ) 则多谱勒频移为： 厶= 去等= j 一0 ( 2 - 1 2 ) 从上式可以看出，若移动台朝向入射波方向运动，则多谱勒频移为正( 即接 收频率上升) ，反之，则多谱勒频移为负( 即接收频率下降) 。由于多径分量经由 不同的方向传播到达接收机，从而造成接收机信号的多谱勒扩散，因而增加了信 号带宽。 2 4 2 多径传播特性和衰落类型 上文所述的三类信号衰落中，自由空间损耗、阴影衰落属于大尺度衰落，距 离长，影响无线通信的距离和覆盖范围，可以通过天线的合理布局来消除其不利 影响。而多径衰落属于小尺度衰落，表示接收信号短时间内的快速波动，主要是 由电波反射、绕射和散射等导致的多径传播以及以动态的运动速度导致的多普勒 扩展，会严重影响传输信号的质量，也是室内无线传输信道中的主要影响因素。 下面重点介绍小尺度衰落的特性及对o f d m 系统的影响。 小尺度衰落反映了在短时间( 较短距离) 内的幅度和相位的快速变化，无线 信道的多径效应导致了小尺度衰落。引起小尺度衰落的因素有以下几个【6 j ：经过 短距离或短时传播后信号强度的急速变化；在不同多径信号上，存在着时变的多 普勒频移引起的随机频率调制；多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 描述信道的小尺度衰落的参量有两个，一个是信道的相干带宽，相干带宽是 指一特定的频率范围，该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。相干带宽 可以近似为： e z 去 ( 2 _ 1 3 ) 1 4 认知无线电场景中信道状态信息估计技术研究 这里a ：为多径信道的均方根( r m s ) 时延扩展： 。，：厮， 其中尸( q ) 为信道的时延功率谱。 ( 2 - 1 4 ) 另一个是信号的相干时间。而相干时间是指信道的冲击响应维持不变的时间 间隔的统计平均值，即指在一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 相干时间可近似定义为： o z 2 i 1 6 瓷 q 。5 ) 这里厶为多普勒频移。 信号通过无线信道所经历的衰落类型取决于传输信号的性质和信道的统计特 性。根据信号参数( 如带宽、符号问隔等) 与信道参数( 如均方根时延扩展、多 普勒频率扩展) 之间的关系，不同的传输信号将经历不同类型的衰落。多径时延 扩展引起时间分散导致信号经历平坦衰落或频率选择性衰落，而多谱勒扩展则引 起频率色散导致信号经历时间选择性衰落，这两种传播机制是相互独立的。图2 1 0 给出了小尺度衰落的分类结果。 小尺度衰落 基于多径时延扩展 基于多普勒扩展 厂 厂 平坦衰落 频率选择性衰落 快衰落 慢衰落 信号带宽t 信道带宽信号带宽，信道带宽高多瞢勒颁移低多管勒频移 延迟扩艘 符号周期相干时问c 符号周期相干时问，符号周期 信道变化快于基带信号变化 信道变化慢于基带信号变化 图2 1 0 小尺度衰落类型 根据o f d m 系统的实际传输环境，我们研究的o f d m 的信道模型是一个有 加性白噪声的无符号间干扰的频率选择性慢衰落信道。图2 1 1 描述了在较大和较 小多普勒频移下的典型瑞利衰落无线信道的特性。图中蓝色曲线表示的是多普勒 频移为1 0 0 h z 时的信道衰落情况，而红色虚线表示多普勒频移为1 0 h z 时的信道 衰落情况。从图中可以清楚的看见，多普勒频移对信道衰落速度的影响。当多普 勒频移较大时，信道衰落的速度明显提升了。 监啪塾以娶加石器 一仁 第二章o f d m 的基础理论及信道模型 1 5 t i m e ( m s ) 图2 1 1 典型瑞利衰落 2 5 小结 本章首先介绍了o f d m 调制的基本原理，接着分别从时域和频域的角度分析 了o f d m 各个子载波正交性，给出了用i f f t f f t 技术实现o f d m 调制的方法， 并介绍了添加循环前缀的意义和实现。之后，得到了o f d m 的基带系统模型。在 本章的最后，研究了o f d m 系统的无线信道环境，为进一步研究o f d m 系统下 的信道状态估计问题提供了重要的参考。 一一口c一膏日止 第三章o f d m 系统中的信道状态信息估计 1 7 第三章o f d m 系统中的信道状态信息估计 对于o f d m 系统来说，信道状态的估计问题分为信道估计和信噪比估计。信 道估计是用来描述在某一时刻，信道在一个频率范围内的信道传输响应情况；而 信噪比估计可以用来描述在一段时间内，信道的传输能力。本章分析了o f d m 系 统的导频结构，深入研究了基于导频辅助的l s ，m l ，l m m s e 等信道估计算法 和相关插值算法，并分析比较了采用数据辅助的信噪比估计算法和盲信噪比估计 算法在o f d m 系统中的性能。 3 1o f d m 系统中的信道估计技术 大多数o f d m 系统都采用相关检测方案，相对于差分检测，大约有3d b 左 右的信噪比增益【”，但接收机需要有信道状态信息( c s d 的支持。在发送端同样 也需要c s i 来支持某些技术的应用，例如，自适应调制，自适应功率控制，天线 合并等技术。o f d m 系统的信道估计方式有时域估计和频域估计两种，而通常都 采用频域估计。而在频域估计算法大都是基于导频的，因此本文主要讨论导频辅 助( p i l o t s y m b 0 1 a i d e d p s a ) 的信道估计算法。 3 1 1o f d m 基于导频插入的信道估计系统模型 o f d m 基于导频插入的信道估计系统模型如图3 1 所示。在发送端，通过一 个混合器( m u x ) 将数据符号与导频符号组成频域的数据流 x ( | j ) ) ，之后把数据 流( 1 j ) ) 通过i f f t 变换器，将信号从频域变换到时域 工( 栉) ) ： 工( 甩) = i f v r x ( k ) = 寺x ( 后) p 口”，n = o ，1 ，n - 1 ( 3 1 ) 其中n 为予载波数。再在每个o f d m 符号前插入循环前缀用以消除i s i ，最后得 到的信号 咄n ) ) 为： x g ( n ，= ： z _ ”x ：= 。- ，n 。，s , - ，n s 一+ ，1 ，一1 c s - 2 ， 二! 坠塾垂垡皇堑墨主堕望鉴查笪星堡盐垫查婴窒 敷据符号 导顿符号 数据 输出 图3 1o f d m 基于导频插入的信道估计系统模型 其中，以是循环前缀的长度。之后，将信号发送到多径衰落信道上。接收信号为： y g ( n ) = ( 栉) 圆矗( ”) + w ( n )( 3 - 3 ) 其中，矗( 疗) 为信道的冲激响应( c i r ) ，w c n ) 为加性高斯白噪声，符号“o ，表示卷 积。在接收端，假设定时准确，在移除循环前缀后得到的接收信号为： y c ”，= 妻 ：，以f o ：r 。，：! j 嘉：i 一1 c 。4 ， 之后，将y ( n ) 送入肝r 模块得到： 】，( 后) = f f t y ( n ) ：掣 ) = 1 “n 。 那么接收端f f t 模块的输出信号的形式如下： r ( k ) = x ( k ) h ( k ) + w ( k )k = 0 , 1 ，n 一1 f 3 - 6 ) 其中，( 七) = d f t h ( n ) ，形( j i ) = d f t w ( 以) ) 。此后，将接收的导频符号e ( 七) 从 】，( | j ) 中取出，而导频符号原始数据彳， ) 为已知，这样根据式( 3 6 ) 就可以估计出 插入导频的那些子信道的信道频率响应力。( 七) 。之后，可以由导频子信道的频率 响应彬他) ，根据不同的插值算法在频率和时间两个方向进行内插滤波估计出整 个信道的响应疗( 后) 。因此，在接收端，接收到的数据r ( 后) 将被修正为： 船器，1 ，2 ，- 1 ( 3 - 7 ) 3 1 2 基于插入导频的信道估计 在o f d m 的传输机制中，每一帧的o f d m 信号都是一个时频二维结构，因 此，我们可以很方便的同时在时间轴和频率轴上插入导频符号，进行信道估计。 第三章o f d m 系统中的信道状态信息