（通信与信息系统专业论文）超宽带mimoofdm信道估计技术的研究.pdf

摘要 摘要 高速率、大容量、多业务、具有自适应功能是新一代无线通信系统的技术发展趋势。提高频谱 利州效率，增加系统有效用户容量，适应无线传输环境下的高速分组数据传输是新一代无线链路传 输技术必须解决的技术难点。u w b ( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 无线通信技术以高传输速率、高分辨 率和低功耗等优点日益受到人们青睐。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 e x i n g t o f d m ) 技术通过把频率选择性衰落信道在频域内转换成平坦衰落信道，从而减小了多径衰落的影 响。多输入多输出( 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 1 m o ) 技术可以在空间产生独立的并行信道同 时传输数据，在同样带宽条件下，提高了系统的数据传输速率。超宽带m i m o o f d m 技术相结合可 以克服无线信道频率选择性衰落，增加系统容量，提高频谱利用率，是未来移动通信最有前途的解 决方案之一。 由于无线信道的复杂性，要保证超宽带m i m o o f d m 系统的传输质量，发挥其优越性，准确的 信道估计就显得异常重要。本文主要就是围绕超宽带m i m o o f d m 系统中基于训练序列的信道估计 技术进行研究的。 本论文首先分析了无线信道的衰落特性，在此基础上建立了超宽带信道计算机仿真模型；其次 阐述了超宽带、o f d m 和m i m o 技术的基本原理以及它们的主要特点，指出信道估计技术是影响超 宽带m i m o o f d m 无线通信系统性能的关键技术之一；接着重点研究了基于训练序列的信道估计算 法，主要讨论了最小平方( l e a s ts q u a r e ，l s ) 估计算法和最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ， m m s e ) 估计算法，在此基础上分析了它们的改进算法，来进一步提高估计的性能和降低算法的复 杂度；最后在l s 估计算法的基础上分析了通过变换域滤波处理的l s 算法和通过时域滤波处理的 l s 算法，并结合系统的实际情况给出了它们各自的改进算法；此外，论文采用理论分析与计算机仿 真相结合的方法对这些算法进行了详细的分析与讨论。 关键词：超宽带多输入多输出，正交频分复用，信道模型，信道估计，插值算法 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hs p e e d ，l a r g ec a p a c i t y , m u l t i s e v i c e , a n da d a p t i v ea r et e c h n i q u ed e v e l o p m e n tt r e n d so fn e w g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i m p r o v i n gs p e c t r a le f f i c i e n c y , i n c r e a s i n ge f f i c i e n tu s e r c a p a c i t yo fs y s t e m s ，a n da d a p t i n gt oh i g l ls p e e dp a c k e td a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s se n v i r o n m e n ta r c t e c h n i q u ed i f f i c u l t i e sw h i c hn e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sr a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n i q u em u s tr e s o l v e n 屺 u l t r a - w i d e b a n d ( u w s ) t e c h n o l o g ya t t r a c t sa t t e n t i o nf o ri t sa d v a n t a g e so fh i g l ld a t ar a t e ，h i g hr e s o l u t i o n a n dl o wp o w e r 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 ( o f d m ) t e c h n o l o g ya l l e v i a t e st h ee 疗c c to f t h em u l t i - p a t hf a d i n gb yc o n v e r t i n gaf r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e li n t oap a r a l l e lb a n ko ff r e q u e n c yf i a t s u b c h a n n e l s m u l t i p l e - l n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t a c i l i l o l o g yp r o d u c e sp a r a l l e li n d e p e n d e n tc h a n n e l s t ot r a n s m i td a t as t r e a m ss i m u l t a n e o u s l y , l e a d i n gt oi n c r e a s e dt r a n s m i s s i o nr a t ei nt h es a n l eb a n d w i d t h u n d e rp r o p e rd e s i g n ，u w 8m i m o - o f d ms y s t e mc a l la l l e v i a t ew i r e l e s sc h a n n e lf r e q u a n c y - s e l e e t i v e f a d i n ge f r e c l i n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y , a n di m p r o v es p e c t r a le f f i c i e n c y i ti so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g s c h e m e sf o r f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 。 d u et oc o m p l e x i t yo fw i r e l e s sc h a n n e l s ，c h a n n e le s t i m a t i o ni s v e r yi m p o r t a n t i n a c h i e v i n g t r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n da d v a t a g e so fu w bm i m o - o f d ms y s t e m t h i st h e s i sa n a l y s e st h ec h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n i q u ei nu w bm i m o - o f d ms y s t e mb a s e do nt r a i n i n g s e q u e n c e i nt h i st h e s i s 。w ef i r s tb u i l dc o m p u t e re m u l a t i o n a lm o d e lo f t h eu w bc h a n n e lb a s e do nt h ea n a l y s i so f w i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l s s e c o n d l y , t h ep r l n e i p l eo fu w b ，o f d ma n dm i m o t e c h n i q u ea n dt h e i rm a i n c h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d 。w i t he m p h a s i z i n gt h a tc h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h ep i v o t a lt e c h n o l o g i e s a f f e c t i n gp e r f o r m a n c eo fau w bm i m o - o f d mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d sb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c ea r ei n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gt h el e a s ts q u a r e 皿s ) a n dm i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o rf m m s e ) e s t i m a t i o nm e t h o d s o nt h a tb a s i s i m p r o v e da l g o r i t h m sa r ea n a l y z e df o re n h a n c e d e s t i m a t i o np e r f o r m a n c ea n d r e d u c e dc o m p l e x i t y i nt h ee n d , b a s e do nt h el se s t i m a t i o nm e t h o d ，t h e t r a n s f o r m d o m a i na l g o r i t h ma n dt h et i m e - d o m a i nf i l t e r i n ga l g o r i t h m 黜a n a l y s e d , a n di m p r o v e d a l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h ea b o v ea l g o r i t h m sa r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i lt h r o u g ht h e o r y a n a l y s i sa n dc o m p u t e re m u l a t i o n k e y w o r d s ：u w b ，m i m o ，o f d m ，c h a n n e lm o d e l ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，i n t e r p o l a t i o nm e t h o d - l i 东南大学学位论文独创性声明 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i i i i i 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， 也不包含为获得东南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： 崖香日期：望! z 儿绍 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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、缩印或其他复制手段保存论文。本人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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 巨自导师签名：丞益理日期：2 翌z ! 堑! 挚 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 现代社会已步入信息时代，随着人们生活水平的不断提高，人类社会对通信的要求也越来越高 无线通信的发展更是突飞猛进。相对有线通信，无线通信最大的优点是摆脱了有线连接，而付出的 代价则是需要面对恶劣的无线信道环境和有限的频谱资源。 1 9 8 7 年马可尼完成的无线通信试验标志着人类首次使用无线电波进行信息传输并获得成功。 通过世界各国成千上万个科学家和工程技术人员的努力，新的科学理论和应用不断得到发展。无线 通信被认为是最重要的发展之一，它的应用非常广泛，从远程控制电视和无绳电话到手提电话和卫 星电视系统。它在各个方面影响并改变着人们的生活。 无线个域网( 蓝牙) 和无线局域网( w i f i ) 的成功使得人们对无线网络产生了巨大的兴趣。这种动 力产生的直接影响是在随后的无线标准中数据传输速率大幅度提高，例如：i e e e8 0 2 1 5 3 和i e e e 8 0 2 1l a g ，并且还延伸到了广域网标准，i e e e8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 a 以及8 0 2 1 6 d 。 高速率、大容量、多业务、具有自适应功能是新一代无线通信系统的技术发展趋势。提高频谱 利用效率，增加系统有效用户容量，适应无线传输环境下的高速分组数据传输是新一代无线链路传 输技术必须解决的技术难点。另外，未来移动通信的目标是，能随时随地向任何人提供快速可靠的 通信服务。为了达到这一目标，各个领域都在加大投入力度进行相关研究，各种新技术新思想不断 涌现。 1 2 课题研究背景 无线通信技术发展到现在，宽带和移动性已经成为业务发展的两大动力。未来无线移动通信系 统的要求是更高的传输速率和更可靠的通信质量，这就要求物理层技术能根据通信环境和业务服务 质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 等的要求自适应地提供更高的频谱效率和功率效率“1 。 超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，l r w b ) b 】【3 】通信是近年来通信领域兴起的一种无线通信技术，具有高 数据率、低功耗、结构简单和价格低廉等特点，能够满足宽带i n t e m e t 无线接入和宽带多媒体业务增 l 丈的需要，是未来移动通信的核心技术之：，在数字多媒体等领域具有巨大的市场和诱人的应用前 景。按照美国联邦通信委员会( f c c ) 的规定，室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z 。 目前，绝大多数u w b 系统的实际使用频谱范围为3 1 , - 4 8 g h z ，虽然采用了极低的发射功率( f c c 规定有效各向同性发射功率( e f f e c t i v el s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ，e 1 r p ) 不超过- 4 1 3 d b m m h z ) ，可 以与其他通信系统共用这段频谱，但是还是会影响其他通信系统。而6 - - , g g i - i z 的相对高频部分，别 东南大学硕士学位论文 的通信系统一般很少用到因此，这一频段的开发就具有重要意义。本论文研究的u w b 系统的频 谱范同为6 3 3 6 - - 8 4 4 8 m h z ，为未来u w b 系统的研究开发奠定了基础。 多输入多输出( 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 ) 1 4 】f 5 】f 6 】技术的出现有着深刻的历史渊源， 早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来抵抗衰落。随着近年来移动通信业务的1 s 速发展、用户数量的急剧 增k = 以及多媒体业务的不断涌现，现代通信技术在传输速率、性能和系统业务容量等方面对无线通 信系统提出了更高的要求。m 1 m o 技术采用多天线发送和接收结构充分利用了空间资源，极大地 提高了信道容量，并且不以增加频谱资源或者信号发射功率为代价，可以满足高传输速率、高传输 性能和高系统业务容量的要求，这一系列的优点使得m i m o 技术成为无线通信领域研究的热点之一。 冈此，在众多层出不穷的新技术中，m i m o 技术作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实 现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信系统理论和传输技 术显示了巨大的市场潜力和发展前景， 无线通信信道的突出特点之一是信道存在多径时延扩展，衰落具有频率选择性。当信号带宽超 过信道的相干带宽时，产生频率选择性衰落，带来信号的失真。为了有效克服频率选择性衰落，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 e x i n g ，o f d m ) 【7 ) 【8 l 【9 1 技术已经越来越得到人们的 广泛关注。o f d m 技术是多载波技术的一种。它的应用已经有近四十年的历史。它是把高速数据流 分散至多个正交的子载波上传输，相当于把频率选择性衰落信道划分为多个并行的平坦衰落信道， 不但提高了频谱利用率，而且也提高了抗频率选择性的能力。现在，o f d m 技术已经被广泛应用于 j h 播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括非对称数字用户线( a d s l ) ，数字音 频j i 播( d a b ) ，数字视频广播( d v b ) ，高清晰度电视( h d t v ) 。无线局域网( w l a n ) 等。 超宽带m i m o o f d m 技术相结合可以克服无线信道频率选择性衰落，增加系统容量，提高频谱 利川率，成为下代移动通信中的关键技术。 1 3 论文的研究安排以及创新点 本文围绕超宽带m i m o - o f d m 系统中的信道估计技术展开分析研究，在分析移动无线信道衰落 特性的基础上，建立了超宽带信道仿真模型阐述了超宽带m i m o o f d m 系统的基本原理，并围 绕该系统中信道估计这一关键技术，深入研究了基于训练序列的信道估计方法，给出几种相应的信 道估计算法以及它们的改进算法，最后结合m a t l a b 仿真对这些算法的有效性和可行性进行了全面 地分析与比较。在论文的研究过程中，采取了理论分析和计算机仿真相结合的方法，在理论和实践 两方面对所作研究的正确性和可行性进行了验证。 论文的具体安排如下： 2 第一章绪论 第章绪论简要介绍了超宽带m i m o o f d m 系统中的超宽带技术、m i m o 技术和o f d m 技术 的研究背景以及它们应用于无线通信系统的前景。 第二章主要讨论了无线信道的衰落特性、扩展特性以及包络统计特性，根据不同的分类标准对 多径衰落信道进行了简单分类并给出了超宽带信道的计算机仿真模型。 第二章以超宽带m i m o o f d m 技术为核心，阐述了超宽带、o f d m 和m i m o 技术的基本原理 以及它们的主要特点，讨论了超宽带m 1 m o - o f d m 的系统结构指出信道估计是决定系统性能的关 键因素之一。 第四章研究了超宽带m i m o - o f d m 系统的基于训练序列的信道估计算法，首先讨论了训练序列 的设计，接着研究了l s 估计算法和m m s e 估计算法在此基础上给出了它们的改进算法，来进一 步提高估计的性能和降低算法的复杂度。在基本信道估计算法的基础上，本章还研究了通过滤波处 理的信道估计算法，分别介绍了通过变换域滤波处理的l s 算法和通过时域滤波处理的l s 算法。并 赴此基础上结合本论文所讨论的系统的实际情况给出了它们各自的改进算法 第五章对第四章提出的算法进行了仿真，并对仿真结果进行了详细的讨论分析，权钨算法复杂 度和系统性能，得出了适合本系统的信道估计算法。 第六章对论文工作进行总结，并展望下一步的研究工作。 论文的创新点如下： 1 设计了一种特殊的o f d m 符号结构，并根据该结构针对信道估计符号分别包含一个o f d m 符号、两个o f d m 符号和四个o f d m 符号的情况，分别设计了每根天线上传输的不同的 训练序列。根据仿真结果对此三种训练序列结构进行了分析与讨论，并最终得出适合本系 统的训练序列结构。 2 结合本论文设计的系统的实际情况，对通过变换域滤波处理的l s 算法进行改进，并通过计 算机仿真得到其性能曲线。 3 结合本论文设计的系统的实际情况，对通过时域滤波处理的l s 算法进行改进，并通过计算 机仿真得到其性能曲线。 4 设计了用于仿真的系统模型，并在此基础上对各种信道估计算法的仿真结果进行比较分析。 - 3 第二章无线信道模型 第二章无线信道模型 通信信道是任何一个通信系统的必要组成部分。发送机发出的信号通过物理媒质传播后传给接 收机这个物理媒质就称之为通信信道。信道形式多种多样，包括电缆、光缆和无线等。按照传播 媒质的不同，可以将信道分为有线信道和无线信道两大类。随着移动通信的发展。无线信道越来越 引起人们的关注。通信最大的障碍就是信道对信息俦输所带来的各种不利因素l o l l l l 。因此，仔细分 析无线信道的传输特点是提高无线传输效率和质量的前提。 与相对同定的有线信递不同，无线信道具有很大的随机性，所以对无线信道的分析也就相对较 难。在无线通信中，由于传播环境非常复杂，从发射机发出的信号受至地形地物的影响，如大楼、 街道、树木以及移动的汽车等，会产生反射、折射和散射。这样，接收机收到的信号就是多条路径 信号的叠加。因此，无线信道的主要特征是多径传播。信号在空间传播过程中会受到各种各样的损 害，产生阴影效应、多径效应和多普勒效应。从而产生各种衰落和信道扩展”l 。 本章首先讨论了无线信道建模的重要性，重点研究了无线信道的衰落特性，最后介绍了超宽带 信道的计算机仿真模型。 2 1 无线信道建模的重要性 通信的目的是传输信息，信道特性的不理想是产生信息传输错误的主要原因。所以，在通信系 统的设计中，对信道的研究就显得尤为重要。 无线通信系统的传播环境非常复杂，从室内传播到几千米或几十千米的室外传播，会遇到各种 各样复杂的干扰，严重影响着信号的正确接收。因此我们首先应该十分清楚地认识信道特性，然 后根据信道特性采取一系列抗干扰和抗衰落的措施，这样就可以保证传输质量和传输容量方面的要 求。在频谱资源日益紧张的今天，这一点是很重要的。所以，为了提高无线系统的传输效率和传输 质昔，我们必须建立信道模型。 2 2 无线信道的衰落特性 信道的衰落是指无线信号所经受的传播损耗，表现为接收信号的电平在时间、空间或频率的某 个区域内围绕平均值起伏变化。根据信道特性的不同，无线信道的衰落可分为大尺度衰落和小尺度 衰落两种。 2 。2 。l 大尺度衰落 人尺度衰落描述了长距离( 几百米甚至更长) 内接收信号的强度的缓慢变化，这些变化是由传 播路径中的地形地物造成的。一种典型的大尺度衰落为阴影衰落。产生阴影衰落的原因是电波在传 5 东南大学硕士学位论文 播路径上遇剑障碍物就会产生电磁场的阴影区。当移动台通过不同的阴影区时，接收到的信号均值 就会发生变化。阴影衰落的信号幅度变化相对较为缓慢，一般又称之为慢衰落。它的主要特点是衰 落与发射大线和接收天线之间的距离，发射天线与接收天线的高度，建筑物的高度、位置、分布等 有很人关系。阴影衰落的示意图如图2 1 所示。 图2 - 1阴影衰落示意图 在发射大线和接收天线之间的距离一定时，由于阴影效应导致的路径损耗可以用对数正态分布 来描述。对数止态分布的概率密度函数可表示为： 础，2 南唧c 掣， 汜， 式中，x 表示信号中值( 设p ( x ) 的累积分布函数( c u m u l a t i v e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ，c d f ) 为f p ) ， 则满足条件f ( x ) = o 5 的石值称为信号中值) ，以表示信号中值的平均值。z 表示x 的标准差。 随频率、天线高度和环境而变化，该值通常取5 1 2 d b 。 2 2 2 小尺度衰落 小尺度衰落是指短距离( 几个波长) 或短时间内接收信号强度的急剧变化。小尺度衰落又称之 为快衰落。它是由接收到的多径信号的合成信号在幅度和相位上随时间快速变化造成的小尺度衰 落具有很大的随机性。单靠提高信号能量无法克服，是制约通信质量的主要原因。对小尺度衰落的 研究有助于我们采用相应的抗干扰、抗衰落技术，具有重要意义。 小尺度衰落的三个主要效应表现为： 1 ) 经过短距离或短时传播后信号强度的急剧变化； 2 )存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制： 第二章无线信道模型 3 )多径时延扩展引起的信号的时间弥散效应。 影响小尺度衰落的因素【1 q 包括： 1 ) 多径传播 信道中反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境导致信号幅度、相位及时 间的变化。这些因素使发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多 径成分具有的随机相位、幅度、入射角和到达时间各不相同，引起信号强度波动导致小尺度衰落、 信号失真等现象。多径传播会引起信号在时间域上的展宽，从而带来符号问干扰，进一步引起信号 模糊。 2 ) 终端运动速度 收发信机之间的相对运动会引起随机频率调制。导致接收的复合信号产生非线性失真，这是由 于备多径分量受到不同的多普勒频率调制。在载波频率一定的情况下，移动速度越高，多普勒频移 对接收信号的影响越严重。 3 ) 环境物体的运动速度 如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若环境物体的相对运动速 度大子收发信机之间的速度，那么这种运动将对小尺度衰落产生较大影响。 4 ) 信号的传输带宽 宽带信号和窄带信号在多径信道中表现出来的衰落特性有所不同。如果信号带宽比多酱勒扩展 人得多，则信号对多普勒频移引起的失真将不敏感。若传输信号带宽比信道相干带宽宽。接收信号 将产生失真。若传输信号带宽比信道相干带宽窄，则信号在时间上不会出现明显的失真。但是当信 号带宽窄到可以和多普勒扩展相比拟时，信号对多普勒频移引起的失真将较为敏感。 2 3 无线信道的扩展特性 由于通信信道的多径和不同的散射环境等因素的影响，经过通信信道传输的信号能量在时间、 频率和空间上造成了扩散，这一现象称为信道扩展。信道扩展包括时延扩展、频率扩展和角度扩展 通常用功率延迟分布( p o w e r d e l a y p r o f i l e ，p d p ) 来描述信道时延扩展，用多普勒功率谱密度( d o p p l e r p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ，d p s d ) 来描述信道频率扩展，用角度功率谱密度( p o w e r a z i m u t hs p e c t r u m ， p a s ) 来描述信道角度扩展。 2 3 1 时延扩展 在多径传播环境中，发射机发出的信号经过不同路径到达接收机，导致各个路径信号的到达时 间有所差异，时延扩展就是接收信号在时域内的扩展。信道的频率选择性是指信号中的不同频率分 - 7 东南大学硕士学位论文 苗将经历不同的幅度衰落。在频率上很接近的分量，它们的幅度衰落也很接近，而在频率上相隔较 远的分擎，它们的衰落就会相差很大。时延扩展与信道的频率选择性有关。信道相干带宽表明了载 波频率不同的信号包络衰落的相关性，它反映信道的时间分布。相干带宽的物理意义在于：为保证 信号的传输，信号带宽应远小于相干带宽：若想得到具有独立衰落的信号，则独立衰落信号的频域 间隔麻犬于相干带宽。相干带宽与时延扩展成反比。 用来描述时延扩展的参数有平均附加时延f 、均方根( r o o tm e a ns q u a r e ，r m s ) 时延扩展c r f 和 最人时延扩展m 。其中平均附加时延f 和r m $ 时延扩展q 由功率延迟分布尸( f ) 来定义，最大 时延扩展。定义为多条路径中最大的时延。功率延迟分布是一个基于固定时延参考f o 的附加时延 r 的函数，通过对本地的瞬时功率延迟分布取平均而得到。 f 恧分别给出平均附加时延f 和r m $ 时延扩展正的定义式； f = f f 尸( f m ( 2 2 ) c r r = 瓜而 眩s ， 功率延迟分布一般可建模为指数分布，其概率密度函数为： 尸( r ) = ；e ； o r 。 ( z 。) 式中，t 为常数，是多径时延的平均值。 将式( 2 4 ) 分别代入式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 中可得：f = c r t = t 。因此可以得出结论：当功率延 迟分布服从指数分布时，平均附加时延f 和r m s 时延扩展以都等于多径时延的平均值 相干带宽忍表示包络相关系数为某一特定值时的信号带宽，它与r m $ 时延扩展q 有关，取包 络相关度为。5 时，e = 上2 n x r r , 相干带宽可用于描述信道的频率选择性当茸比发送信号带宽小 时信号将产生严重失真，称这样的信道为频率选择性信道；反之，称之为频率非选择性信道。 2 3 2 频率扩展 肖接收端和发送端存在相对运动时，每个多径波的频率都会存在一定的偏移，这种现象称为多 酱勒频移。多普勒扩展是由多普勒频移引起的衰落过程的频率扩散，也称之为频率扩展。这时的信 道是时变的，具有时间选择性衰落，会造成传输信号的失真。相干时间是信道冲激响应保证一定相 关度的时间间隔。在此间隔内，信道特性没有明显的变化，信号经历的衰落具有很大的相关性。相 第二章无线信道模型 干时间是描述信道时变特性的参数，与多普勒频移有关，它是衡量信道变化快慢的一个参数。相干 时间越大，信道变化越慢；反之，相干时间越小，信道变化越快。 多酱勒频移以的大小与移动速度成正比，且与电波到达的路径方向有关，其关系式可以表示为： 正一- t c o s a ( 2 5 )厶=( 2 5 ) 式中，v 表示移动速度，力为无线电波的波长口为散射波入射方向与运动方向的夹角。当c o s o r = i 时，式( 2 5 ) 变为厶2 三，定义为不同路径中最大的多普勒频移 描述多普勒扩展的参数有平均多普勒频移b 和多普勒扩展，它们都与多普勒功率谱密度 s ( 厂) 有关，, - i v a # as ( 力来定义。多普勒功率谱密度s ( 厂) 是由所有频谱分量相叠加形成的。 下面分别给出平均多普勒频移b 和多普勒扩展目的表达式： 豇器 饬= ( 一百) 2 s ( f ) d f ( 2 6 ) ( 2 7 ) 多酱勒扩展岛是频谱展宽的一个测量值，是无线信道时间变化卒的一种度量。如果基带信号带宽忍 远人于多普勒扩展饬，则接收端可以忽略多普勒扩展的影响，反之则不能 取信号包络相关度为0 5 时，可以得到相干时间疋的表达式为 乏= 丽9 ( 2 8 ) 定义信号的码元周期为c 。如果瓦，则传送的信号经历了时变衰落，这种信道称为时间选择 性衰落信道。反之，如果正瓦，则传送的信号在码元周期内的不同时间经历了相同的衰落。这种 信道称之为时间非选择性衰落信道，又称为时问平坦衰落信道。 2 3 3 角度扩展 角度扩展分为接收端的角度扩展和发射端的角度扩展，前者是指到达接收机天线的多径信号到 达角度的展宽，后者是指由多径散射和反射引起的发射角在多个方向上的展开。角度展宽给出了信 号主要能量的角度范围，导致了空间选择性衰落，使得信号幅度与天线的空间位置有关。相干距离 9 东南大学硕士学位论文 是指信道冲激响应保证一定相关度的空间间隔，可以用来描述信道的空间选择性。 角度功率谱是信号功率在角度上的分布，角度扩展与角度功率谱密度尸( 口) 有关。若角度扩展用 符号来表示，则角度扩展可以由下式来表示： 式中 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 角度扩展描述了信号功率谱在空间上的扩散程度，取值范围为 0 ，2 万】。角度扩展越大表明 散射环境越强，信号在空问的扩散程度越高；反之，角度扩展越小，表明散射环境越弱，信号在空 间的扩散程度越低。 取信号相关系数为0 5 时，信号的相干距离d j 可以表示为： d ：旦1 旦( 2 1 1 ) 。 c o g 口 式中，口为到达角。 由上式可以看出，信号的相干距离d c 与角度扩展成反比。另外，相干距离见还与电波到达 角口有关。在相干距离内。信号经历的衰落具有很大的相关性，信号的空间选择性较小。可以认为 空间传输函数是平坦的，称之为空间非选择性信道；反之，在相干距离外，信号的空间选择性较为 严重，称为空间选择性信道。 以上我们分别介绍了信道的时间扩展、频率扩展和角度扩展，并由此引出了信道的频率选择性 衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落及相关度量参数。表2 - 1 对以上讨论的信道特性给出了一 个总结。 表2 - 1 信道特性 信道选择性信道扩展 相关参数 频率选择性 时延扩展相干带宽 时间选择性多普勒扩展相干时间 空间选择性角度扩展相干距离 一l o 第二章无线信道模型 2 4 无线信道的包络统计特性 在传统的无线通信中，常用瑞利分布和莱斯分布作为近似信道特征的模型。当发射端和接收端 之间存在直接传播路径时，用莱斯分布模型来描述信道的特性。而当发射端和接收端之间不存在直 接传播路径时，则采用瑞利分布来描述信道的特性1 4 ) 。瑞利分布和莱斯分布常用来描述经过多径信 道传播的信号的统计起伏性，它们都属于小尺度传播模型。另外，还有一种具有参数脚的 n a k a g a m i m 分布，参数埘取值不同对应的分布也不同。这里我们主要讨论以上三种分布的包络统 计特性。 2 4 1 瑞利分布 当信遵中不存在一个较强的直达径对，其信号包络服从瑞利分布。瑞利分布是常见的用于描述 平坦衰落信号或独立多径分量接收中包络的时变统计特性的一种衰落类型 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 ) 为： p ( ，) = - 了rp 一了 o s ， 。o ( 2 1 2 ) 口。 式中，表示衰落幅度，也就是信号包络，盯是包络检波之前接收到的电压信号的均方根值，盯2 为 接收信号包络的时间平均功率。 对包络r 的概率密度函数p ( ，) 求积分，可以得到其累积分布函数( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ，c d f ) ，( ，) ： f ( r ) = r p ( ，涉= r 孝，万d r = 1 一p 驴 ( 2 1 3 ) 一r l 包络r 的均值f 及方差2 分别为； m = 胁) d r = 居 包 町2 = e r 2 】坷- ( 2 一争盯2 ( 2 1 5 ) 式中 e r 2 】= f ，2 p ( ，) d r = 2 0 2 ( 2 1 6 ) 设信号的均方根为。，则 = 扛两= b ( 2 1 7 ) 东南大学硕士学位论文 满足条件f ( ，卅) = 0 5 的0 值称为信号包络样本区间的中值，于是得到： 一主 1 82 0 2 = o 5 ( 2 1 8 ) 求解得： o = 厮= 1 1 7 7 a r ( 2 1 9 ) 实际应用中。衰落数据的测量般采用中值而不采用均值这样做的原因是不同衰落分布之间 易丁j 比较。 2 4 2 莱斯分布 当存在视距传播时，直达波信号成为主要接收信号分量，同时还有很多随机多径分量和直达波 信号混叠在起。这样，接收机接收到的信号包络服从莱斯分布。当主信号消失时，即没有视距传 播时，混合信号的包络又服从瑞利分布。 莱斯分布的概率密度函数为： 如) 寺e 一气( o _ r o o 眩z 。， 式中厶( x ) 为第一类零阶修正贝塞尔函数。厶( x ) = 去f e 一9 d 口。参数p 指主信号幅度的峰 值。莱斯分布常用参数描述，定义参数f 为主信号的功率与多径分量的方差之比，则表达式可以写 为： f = 参 旺z t ， 用分贝表示为： 肛1 0 l g 告 泣2 2 ) f 被称为莱斯因子，可以完全确定莱斯分布。在式( 2 2 2 ) 中，令p 啼0 ，则占寸- - - 0 0 ，即主信号 幅度减小到足够小时，莱斯分布转变为瑞利分布。 综上所述，莱斯分布是瑞利分布的一个扩展，瑞利分布是莱斯分布的一个特例。通常情况下， 地面移动通信信道为瑞利信道，在微蜂窝系统中为莱斯信道。 2 4 3n a k a g a m i m 分布 当信号包络r 服从n a k a g a m i m 分布时，其概率密度函数可以表示为： - 1 2 第二章无线信道模型 p ( r ) = 丽2 m m r 2 m - 1e 一譬o s r 豌 ( 2 2 7 ) t ( 2 2 9 ) e 忍且z 瓦且只 l 时，信道出现 分簇的现象；当k 1 时，多径的分布比较均匀。 一足模型在时间片n 上的信道冲激响应的幅度可以用对数正态分布来近似，并且随时延呈 指数f 降，即 式中， 2 0 l o g l o ( 1 a 。i ) n o r m a l ( u ，c r 2 ) 口 k 。i = 1 0 2 0 p 。cn o r m a l o a ，叮2 ) e 附2 = 呐p 牵 熊= 业铲一警 q 为第径的平均功率，瓦为第 径的时延，r 为包络衰减因子。 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 一足模型较好的描述了u w b 信道多径按簇分布的现象，但是在很多情况下不能很好的拟合 实测数据，存在缺陷。 2 6 2s v 模型 s v 模型是s a l e n - v a l e n z u l a 模型的简称，是室内离散信道脉冲响应最普遍的统计模型。在多 数情况f ，可以较好地拟合u w b 信道中的实测数据。 s v 模型最大的特点是使用两个相互独立的泊松过程来刻画多径信道。第一个泊松过程描述 簇的第一径的到达，第二个泊松过程摇述簇内其它多径相对于第一径的到达。簇和径的到达时间概 率为： jp 叩1 ) = a e x p 【一a ( t i - t i 1 ) 】 陇 ( 2 3 7 ) l p ( 巧，l t 一j x ，) = 2 e x p 一见( 吒一t 一l ) 】 | | 2 式( 2 3 7 ) 中变量的定义如下： z ：第，簇的第一径的到达时间； 以j ：第f 簇中的第七径相对于其第一径的到达时间，由定义q ，= 巧； 人：簇到达率； z ：簇内的径的到达率。 _ j 展j 表示第，簇中第七径的幅度，该幅度服从瑞利分布，且按双指数规律衰减，其均值可以表示为： 第二章无线信道模型 e 【助】= e 聪】e x p ( 一 ) e x p ( 一争 2 6 3i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型 根据对实测数据的研究分析，i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组对s 一矿模型进行了改进，提出了组u w b 室内信道模型【1 6 1 。 在s 一矿模型的基础上将每一径的幅度由原来的瑞利分布调整为对数正态分布，以便于更好 的拟合实测数据。模型中信道冲激响应函数可表示为： i 吩( f ) = 五，1 8 ( t - t 。一吒) i = 1 女1 ( 2 3 9 ) 其中： ， 是信道的第f 个实现中第，簇第七径的增益系数； 乃。) 是第拍葵的额外时延； 是 第，簇第| j 径相对于第，簇第一径的时延； k 是里对数正态分布的信道阴影衰落系数。 巧。 和 的分布如式( 2 3 7 ) 所示。 为了方便表述，下面的描述均省略上标f 定义吼，= 仇j 毒屈，p k j = 1 表示由反射引起的 信号符号翻转，亩和孱j 分别表示第，簇和第，簇第七径的衰减，且两者的乘积服从对数正态分布 2 0 1 。g ( 岛反) t r o 堋口f ( 段，f ，砰+ 正) 或者旧孱小：1 0 ( “j + n l + n ( 2 4 。) 式( 2 4 0 ) 中n io c n o r m a l ( o , 订) ，n 2o c n o r m a l ( o , ，霹) ，n l 和n 2 分别对应簇和径的衰落， 且相互独立，蔷屈，满足以下条件 砩盔斤。e x p ( 一- ) e x p ( 一 ( 2 4 1 ) q 为第一簇第一径的平均功率，r 和，分别表示的是簇时延因子和径时延因子从j 定义为： 黝= 些业器竺业一学 ( 2 4 2 ) 基于上述数学模型，i e e e8 0 z 1 5 ，3 a 工作组给出了四种典型的信道模型的实现，即c m i 、c m 2 、 c m 3 和c m 4 。它们代表的环境分别为：0 4 米的有直达径( l o s ) 环境、o 4 米的无直达径( n l o s ) 环境、o l o 米的无直达径( n l o s ) 环境以及极端无直达径( n l o s ) 信道环境。 另外，i e e e8 0 2 1 5 3 a 的信道模型中，还包含了路径损耗模型。这一路径损耗模型基于自由空间 1 7 东南大学硕士学位论文 衰减模型建立。它主要是反映传输距离对系统的影响，以便检查各种物理层方案是否能在指定的距 离