（通信与信息系统专业论文）频率选择性信道下stbcofdm系统性能研究.pdf

中文摘要 摘要 随着互联网和多媒体业务在新一代无线通信中的引入，宽带高速数据通信服 务的需求正在不断增长。无线系统的设计者正面临诸多挑战，这其中包括可利用 的有限频谱：复杂的无线时变环境( 衰落和多径) 。目前，高速、可靠和具有高频 谱利用率的无线传输技术是移动通信领域的一个研究热点。 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线通信领域的重大突破，m i m o 技术利用多个 天线实现多发多收，在不增加带宽和发送功率的情况下，可以有效地提高信道容 量、误码率性能和频带利用率。因此，成为新一代移动通信中的关键技术。空时 编码的提出为解决无线通信系统中的传输速率问题提供了一条新思路，这一技术 在发射端引入了空间和时间相关，通过空间分集提供了分集增益，通过空间复用 提高了系统传输速率，具有很高的编码效率和较好的性能表现，目前已经成为通 信研究的一个热点。正交频分复用( o f d m ) 技术是一种高效的多载波调制技术，它 能有效地对抗多径衰落，使受干扰的信号能够可靠地接收。基于o f d m 的这一优点 使得o f d m 技术倍受关注。 本文紧紧围绕空时编码技术，首先阐述了空时分组编码( s t b c ) 的基本思想和 原理，给出了在平坦准静态衰落信道下空时码的设计准则，然后对空时分组码的 编译码原理、特点进行了全面的分析，对其性能进行了比较，并给出了相应的具 体实例及仿真结果。之后，针对单用户情况，基于s t b c o f d m 系统基本模型，给 出了能够准确恢复信号的带预编码的s t b c o f d m 系统模型，对不同信道条件下的 系统性能进行了仿真分析，给出了性能比较结果。最后，针对多用户情况，提出 了消除多用户问干扰的s t b c o f d m 系统编码方案，对译码算法进行了讨论，通过 蒙特卡洛仿真对多用户s t b c o f d m 系统性能在不同的信道条件下，采用不同的调 制方式进行了分析，并给出了分析结论。 关键词：空时分组码；正交频分复用；多输入多输出：频率选择性信道 英文摘要 t h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so fs t b c - o f d ms y s t e mo v e r f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s a b s t r a c t w i t ht h ei n t e g r a t i o no fi n t e r n e ta n dm u l t i m e d i as e r v i c e si nn e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s , t h ed e m a n df o rw i d e - b a n dh i g hd a t ar a t ec o m m u n i c a t i o n s e r v i c e si sg r o w i n g w i r e l e s ss y s t e md e s i g n e r sa lef a c e d 、析t 1 1an u m b e ro fc h a l l e n g e s t h e s ei n c l u d et h el i m i t e da v a i l a b i l i t yo ft h er a d i of r e q u e n c ys p e c t r u ma n dac o m p l e x t i m e - v a r y i n gw i r e l e s se n v i r o n m e n t ( f a d i n ga n dm u l t i p a t h ) t h e r e f o r e , h i g hs p e e d , r e l i a b l ea n dh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n tw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi sb e i n gt h e i n v e s t i g a t i o n so f h o ts p o t si n t h ea r e ao f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h e 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 o l o g yi s a n i m p o r t a n t b r e a k t h r o u g hi nt h ea r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e i n gt h ek e yt e c h n o l o g yo fn e w g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s , i tc a l lb eu s e dt oi m p r o v et h ec a p a c i t y , e r r o r p r o b a b i l i t ya n df r e q u e n c ye f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l yw i t h o u te x t r af r e q u e n c yb a n d w i d t h s a n dt r a n s m i t t e dp o w e r s p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n o l o g yi n t r o d u c e ss p a t i a la n dt e m p o r a l c o r r e l a t i o na tt r a n s m i s s i o n i ti n d i c a t e san e wi d e ao f p r o v i d i n gh i g ht r a n s m i s s i o nr a t ei n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dh a sr e c e n t l yr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n 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 ) i sam u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o n s c h e m et h a tc a np o t e n t i a l l ya t t a i nh i g h - r a t et r a n s m i s s i o nd u et oe n h a n c e dt e m p o r a l s p e c t r a le f f i c i e n c y ，w h i c hl e a dt ot h a to f d mt e c h n o l o g yh a so b t a i n e dm o r ea t t e n t i o n t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h es p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e f i r s t l y , w e i n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fs p a c e - t i m ec o d ea n dg i v et h ed e s i g nc r i t e r i ao fi tf o r q u a s i - s t a t i cf l a t - f a d i n gc h a n n e l s s e c o n d l y , w ea n a l y z et h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n g t h e o r i e s ，f e a t u r e s ，a n dc o m p a r ep e r f o r m a n c e so fv a r i o u ss p a c e - t i m eb l o c kc o d es c h e m e s s i m u l t a n e o u s l y , w ep r e s e n tt h ee x a m p l e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s l a t e r , b a s e do nt h e b a s i cm o d e lo fs t b c o f d ms y s t e m ，w ep r o p o s et h es t b c o f d ms y s t e mm o d e l i n g w i t l lp r e c e d e r ( p s t - o f d m ) ，w h i c hc 锄r e c o v e rt h es i g n a la c c u r a t e l ya n dg i v et h e p e r f o r m a n c er e s u l t so fs t b c - o f d m o v e rd i f f e r e n tf a d i n gc h a n n e l s f i n a l l y , as c h e m e f o rm i t i g a t i o no fm u l t i p a t hf a d i n ge f f e c t sa n ds u p p r e s s i o no fm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e 英文摘要 ( m u di sp r e s e n t e d u s i n gt h em o n t ec a r l os i m u l a t i o n , p e r f o r m a n c e so fm u l t i u s e r s t b c - o f d m s y s t e m sa r ea n a l y z e dw i t l ls i m u l a t i o nr e s u l t sg i v e n k e yw o r d s ：s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ；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 ) ； f r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e l s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 麴奎选捶性信道工墨卫g ：q 至旦丛丕统性能研窥二。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：龟藕擗弓月冯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：嚷匆导师签名：僻 日期：劢醒年；月眵r 频率选择性信道下s t b c - o f d m 系统性能研究 第1 章绪论 进入2 l 世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户 对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，未来无线通信技术 将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利。然而带宽的限制、传播 的衰减、信道的时变特性、噪声、干扰以及多路径问题却严重制约着无线通信业 务的发展。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无 线通信中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术。近几年 新兴的智能天线技术的发展为这些问题的解决提供了一条新的途径。本文所要介 绍的空时编码技术正是智能天线技术中的一个重要组成部分。并且，在当前能提 供高速率传输的各种无线解决方案中，以正交频分复用为代表的多载波调制技术 是最有前途的方案之一。所以将二者相结合是一种更为有效的解决方案。 1 1 本文研究背景 早期的无线通信主要用于船舶、航空、公共安全等专用领域，用户数量很少。 2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，使无线通信摆脱了传统的大区制 结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代，具有高可靠性的固 态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从2 0 世纪7 0 年代末到现在的 2 0 多年时间里，无线通信系统从第一代发展到第三代，进入了一个飞速发展的时 期。目前，移动通信市场出现了空前的繁荣。 随着各种数字多媒体业务的迅猛发展，对无线信道高速数据通信的要求已经 越来越紧迫了，无线通信技术面临的最主要问题是时变的衰落信道，这也是它和 光纤、铜线通信等相比面临的一个重要挑战。在衰落环境下降低误码率相当困难， 在加性高斯白噪声信道( a w g n ) 下，用典型的调制和编码方式，把误比特率( b e r ) 从1 0 2 降到1 0 。3 信噪比需要增加1 - 2 d b 而在多径环境下要获得同样的性能改善， 信噪比需要增加1 0 d b i u ；同时能够利用的带宽资源也十分有限，因而通过在发射 端采用更高的功率进行发射或者采用额外的带宽来改善系统性能，在下一代通信 第1 章绪论 系统中都不合适，与下一代通信系统的要求相违背。因此，关键是要在不需要额 外的功率和不牺牲带宽的情况下，有效的减少多径衰落对基站和移动台的影响。 信息领域的研究表明在无线通信中使用m i m o 技术可以显著提高通信容量和误码 率性能【2 胡。非常适合下一代移动通信中高速率业务的要求。 1 2 川m o 和空时编码技术 为了实现新一代无线通信的目标，关键因素之一需要在物理层采用更加高速 的无线传输技术，而且还必须寻找提高频谱利用率的解决方案。在众多的信号处 理技术中最引入注目的是m i m o 技术。 1 2 1 帅技术 m i m o 技术最早是由m a r e o i n 于1 9 0 8 年提出的，7 0 年代有人提出将m i m o 技术用于通信系统，但是对无线通信系统m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则 是9 0 年代中期由a t tb e l l 实验室完成的。1 9 9 5 年，b e l l 实验室的t e l a t a r l 3 1 、 f o s c h i n i l 4 1 等人基于r a y l e i g h 衰落、信道有大量散射体、信道系数不相关、最优编 解码、发射端信道信息在接收端准确可知的假设条件下，从理论上证明了接收和 发送端均使用多天线可以使通信链路容量成倍增加的结果，即在m 个发送天线、 m 个接收天线的m i m o 系统中，信道容量随m i n ( n ，m 线性增加。 m i m o 技术的核心思想是信号的空间一时间联合处理【5 】，即数字信号固有的时 间维度与多个空间分离天线带来的空间维度联合起来。在某种意义下，m i m o 系 统也可以看作传统智能天线技术的扩展，它利用空间增加的传输信道，在发射端 和接收端采用多天线同时发射和接收信号。能够克服传统通信中存在的多径衰落 因素的影响，有效利用随机衰落和可能存在的多径来提高传输性能。另外，由于 各发射天线同时发送信号占用同一个信道，所以在不增加带宽的情况下系统频谱 利用率也会由大幅的提高。m i m o 系统的重要特征是它能利用无线通信的多径传 播特性来提高系统的性能。也就是说，m i m o 技术能够有效地利用无线链路中的 随机衰落和延迟扩展特性来成倍地提高传输的速率或可靠性。 频率选择性信道下暇d f 【 m 系统性能研究 1 2 2 空时编码技术 伴随着通信技术的飞速发展以及各种传输方式对可靠性要求的不断提高，信 道编码技术作为抗干扰技术的一种重要手段，在数字通信技术领域和数字传输系 统中显示出越来越重要的作用。特别是近年来移动通信技术的快速发展也为信道 编码技术提出了新的课题，各种新的信道编码方案不断涌现，性能距香农提出的 最佳限越来越近。这其中，使用空时编码( s t c ) 是达到或接近m i m o 无线信道容量 的一种可行、有效的方法。空时编码是一种用于多发射天线的编码技术。该编码 在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。 空时编码在编码结构上有很多种方法，包括分层空时码( l s t c ) ，空时网格码( s y r c ) 和空时分组码。所有这些编码方案的核心思想是利用多径来获得较高的频谱利用 率和性能增益的目的。 1 分层空时码 1 9 9 6 年由b e l l 实验室提出了分层空时编码的概念【3 1 ，并于1 9 9 8 年提出了空 时编码的结构框架【6 j 。这种系统的结构简单，易于实现。分层空时编码技术的基本 思想是把高速数据分解为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器编码后， 对其进行并行的分层编码。分层空时编码最大的优点是其频带利用率随着发射天 线的增加线性增加。但其抗衰落性不是很好。分层空时码适用于发射和接收天线 较多的情况。 2 空时网格码 空时网格码是1 9 9 8 年由a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出的【2 1 。用于高速数据 无线通信的空时网格码同时利用了传输分集和信道编码技术。这种空时码以格型 编码调制为基础，具有很高的编码增益和分集增益，能够有效地抵抗衰落、抑制 干扰和噪声，在各种信道环境下都能获得较好的性能，频带利用率也较高【刀。空时 网格码也有不足之处：首先空时网格码的频带利用率不会随天线个数的增加而增 加，而且其译码采用v i t e r b i 译码，复杂度随分集度和传输速率的增加而成指数增 长，好码的设计也是一个难点。这些问题限制了它在通信系统中的实际应用。 第1 章绪论 3 空时分组码 由于空时网格码编译码比较复杂，a l a m o u t i ( 1 l 提出了一个使用两发射天线的空 时发射分集方案，这种编码的最大优点是采用最简单的最大似然译码准则，可以 获得完全的天线增益。t a r o k h 进一步将两天线的s t b c 编码扩展到多天线的形式【8 】， 并提出了通用的正交设计准则。虽然它的性能比空时网格码的性能略差，但由于 其构造容易，译码简单，并且分集度和传输速率的增加不会对空时分组码的译码 复杂度造成大的影响，所以很快受到了通信界的广泛关注。 1 3 多载波技术 多载波调制本质上是一种频分复用技术。频分复用( f d m ) 技术早在1 9 世纪以 前就已经被提出，它把可用宽带分成若干相互隔离的子频带，同时分别传送一路 低速信号，从而达到信号复用的目的。各子载波上的被调制数据可以来自同一信 号源，也可以来自不同信号源。这种传统的多载波传输方式复杂性比较高，因为 各子载波都需要自己的模拟前端，同时为了使得接收机可以区分各子频带，各子 频带之间必须有足够的间隔，从而避免经过信道后发生频谱混叠，所以频谱效率 通常很低。但是在这种并行传输机制下，因为各载波上的数据速率较低，相应的 信号的码元符号周期较长并远大于信道的最大时延扩展，从而可以有效地减小由 于信道单位时延扩展引起的符号问干扰问题。近年来受到人们广泛关注的一项宽 带传输新技术是以正交频分复用为代表的多载波传输技术。 1 4 本文研究内容及章节安排 本文系统介绍了空时编码和o f d m 的基本理论，并通过蒙特卡洛仿真方法研 究和分析了单用户和多用户系统在各种信道环境下的误码性能。 全文分为七章，具体章节安排如下： 第2 章对移动通信的环境的特点和几种典型的信道模型进行了简要的介绍。 第3 章描述o f d m 技术的基本原理，及基带传输的信道模型。 第4 章概述空时分组编码的基本原理，重点介绍了空时分组码的编码和译码。 给出了空时分组码在n a k a g a m i 衰落信道下的误比特性能。 4 频率选择性信道下s t b c - o f d m 系统性能研究 第5 章对空时分组编码在o f d m 系统中的应用进行研究，具体介绍了 s t b c o f d m 系统中的编码方案和译码算法。给出了该系统的误比特性能。 第6 章通过蒙特卡洛仿真对多用户s t b c - o f d m 系统在不同的信道条件下， 采用不同的调制方式进行仿真，并进行比较和分析。 第7 章对全文的工作进行总结，并对未来的研究方向进行展望。 第2 章移动通信信道模型 第2 章移动通信信道模型 无线信道的传播模型可分为大尺度( l a r g e - s c a l e ) 传播模型和小尺度 ( s m a l l s 叫e ) 衰落两种【9 1 。大尺度传播描述了长距离内接收信号的强度的缓慢变化， 这些变化是由发射天线和接收天线之间传播路径上的山坡或湖泊以及建筑物等造 成的。小尺度传播则描述了短距离或短时间内接收信号强度的快速变化。而移动 无线信道的主要特征是多径，由于这些多径使得接收信号的幅度急剧变化，产生 了衰落，因此本章将介绍小尺度衰落信道。 2 1 小尺度衰落信道分类 根据信道的频率选择性，可以把信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信 道；根据信道的时间选择性，可以把信道分为快衰信道和慢衰信道；根据信道的 空间性，可以把信道分为标量信道和矢量信道【1 0 1 下面将详细介绍。 2 1 1 平坦衰落信道和频率选择性衰落信道 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展；当发送端发送一个极窄的脉 冲信号时，接收端收到许多不同时延的脉冲组成的信号。从频域上来看，信道对 发送的信号进行了滤波，对信号中的不同频率分量衰落幅度不一样，因此，根据 信道对信号频率的选择性，也就是时延扩展和相关带宽，把衰落信道分为平坦衰 落信道和频率选择性衰落信道。 假设基带传输信号s ( f ) 具有低通谱s ( ) ，即 4 0 - - l f s ( f ) e x p ( j 2 万f t ) d f ( 2 1 ) 定义其带宽： 忍= 臀 ， 对于基带信号e 1 时，h 0 ) ( 厂) 、日2 ( 厂) 成为主要成分，这样日( ) 就和频率有关，出 现了频率选择性衰落，即不同的频率分量经历的衰落各不相同。发生频率选择性 衰落的条件可以概括为置 毽，z t c 且b s b c 。从频域上可看出，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增 加而加剧。 当信道上的相干时间远远大于发送信号的周期，且基带信号的带宽反远远小 于相关带宽既时，信道冲激响应的变化比要传送的信号码元周期低得多，可认为 该信道是慢衰信道，即t s b c 。在慢衰落信道中，可以认为信道参数 在一个或多个信号码元周期内是稳定的。 2 1 3 标量信道和矢量信道 根据信道是否考虑了空间选择性，把信道分为标量信道和矢量信道。把只包 括了时间、频率二维信息的信道，成为标量信道：而把包括了时间、频率、空间 三维信息的信道，称为矢量信道。因此，矢量信道的建模不仅需要考虑无线信道 的衰落、时延等变量的统计特性，还必须考虑有关角度的统计特性，如到达角度 ( a o a ) 、离开角( a o d ) 和角度功率谱( p a s ) 等。 2 2 衰落信道的统计模型 由于无线移动信道中的多径现象，使得接收信号的包络呈现随机性。包络一 般服从瑞利分布、莱斯分布两种。在移动无线信道中，瑞利衰落分布是常见的用 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；莱斯分布是由于在瑞利衰落分布的基础上，存在一条直射路径的影响而造成 的。它们常用来描述从多径信道接收的信号的统计起伏性，都属于小尺度传播模 型。还有一种n a k a g a m i m 分布，参数m 取不同的值时对应不同的分布，因此它更 具广泛性。 2 2 1 瑞利衰落 在典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，并且移动单元只能接收 8 频率选择性信道下s t b c - o f d m 系统性能研究 到反射波。根据中心极限定理，当反射波数量比较大时，接收信号的两个正交分 量是均值为零、方差为仃2 的互不相关的高斯随机过程。因此，任意时刻的接收信 号包络服从瑞利分布，相位服从( 一万一万】的均匀分布。瑞利分布的概率密度函数为 肿卡三 瑞利分布随机变量的均值( 用以表示) 和方差( 用蠢表示) 可以表示为 z = ( 2 - 万2 ) o r 2 = 0 4 2 9 2 0 2 归一化瑞利分布的概率密度函数曲线如图2 1 所示。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 2 2n a k a g a m - 研衰落 n a k a g a m i - m 模型在仿真衰落信道时，通过参数m 的调整，能够仿真信号衰落 环境从严重、适中、轻微到无衰落，它包含了r a y l e i g h 模型和r i c i a n 模型，所以 在衰落信道的仿真中有着广泛的应用。 对于n a k a g a m i m 信道模型，根据【1 】可知其概率密度函数叫f ) 为： 厶( ，) = 而2 m m 面r 2 m - ie 删旷，o ，掰0 5 q o ( 2 1 0 ) 式中r ( ) 代表g a m m a 函数，q = 研月2 】- r 2 ，目】表示取均值， m = 錾1 2 ，是一个参数，它控制着幅度衰落的情况，其具体含义为：当 i 一舻j 0 5 鱼n l 时，则表明信道衰落情况好于瑞利衰落；当m = 时表示没有衰落。图2 2 给出了朋取不同值时的概率密度曲线。 第2 章移动通信信道模犁 图2 1 瑞利分布概率密度曲线 f i g 2 1t h ep d fo fr a y l e i g hd i s t r i b u t i o n 图2 2m 取不同值时的概率密度曲线 f i g 2 2t h ep d fo fn a k a g a m i - md i s t r i b u t i o n 2 2 3 仿真中随机变量的产生 能够产生服从n a k a g a m i - m 分布随机变量的方法有多种，y i p 和n 寸1 1 提出了 一种基于一个b e t a 过程的平方根和一个复高斯过程乘积的方法，它要求0 5 砌 l 。d c r s c h 和r u e g g t l 2 】提出了一种半经验的方法，它需要通过一些已测量到的数据 计算出某些系数。这些方法要么应用范围太小，要么难于在计算机上仿真。正弦 求和法，由于其简单实用的特性，已广泛应用于无线信道的仿真中。基于j a l 【鹤【1 3 1 模型得到的r a y l c i g h 信号的方法在过去的十几年中被广泛的应用，然而此模型中， 为了仿真方便，预先假设它的相位变化是相关的，因此它并不具有严格的广义平 稳特性。p o p l l 4 】在j a k e s 模型中插入了随机的时延，使得改进的模型更接近实际情 况。 正弦求和法利用改进的j a k e s 模型，以获得广义平稳特性，把随机序列分解成 整数和小数两部分，其信号表达式为： g ( f ) = ( 2 1 1 ) 其中口=2pm+生x2驴pm(1+p)-2m，fl=2m-ap,口和分别调整整数和小数部 分的参数，以达到更好的仿真。m 为n a k a g m i m 的系数，p 为2 m 整数部分，9 2 彬、 频率选择性信道下s t b c - o f d m 系统性能研究 9 2 0 ( t ) 分别为改进的j a k e s 模型的同相分量和正交分量。 j a k e s 模型 j a k e s 模型由个低频振荡器组成，如图2 3 所示，每一个低频振荡器对应于 一个多普勒频率。即 g ( f ) = 吒e q ，( j f 国i c o s 幺。一) 一魄】) ( 2 1 2 ) 其中g ( f ) ，吃，( f ) 和l ( f ) 分别代表相应的低频信号，载波频率，第刀路信号的 幅度增益和第刀路信号的时延。第刀路信号的到达角度服从均匀分布，即， 幺= 2 万n n ，力= l ，2 ，n 。代表最大多普勒频移，= 2 删丸，其中1 ，和气 分别代表移动台的移动速度和载波的波长。定义西。= 弋吐+ c o s o o ) r 。为第l 路 信号的相位，重写式( 2 1 2 ) 如下： g ( f ) = 二。c re x p j ( t o , , e o s o , t + o 。) ) ( 2 1 3 ) 那么当给定一个偶数时，并假设各路信号有相同的幅度增益，= l ， 刀= l ，2 ，n ，g ( t ) 有单位能量，并且中。= - o 一。= ，圻o ，刀= l ，2 ，m ， = m - 0 ，则式( 2 1 3 ) 可以写为下式： g ( t ) = g ，( t ) + j g o ( t ) = 压雨 【2 ：i c 0 如。o a s r o t + x f 2 c , o s c o s o t ( 2 1 4 ) + j t 2 e ：i s i n o 。c o s c o j + x 2 s i n c o s c o j 其中q = c o s 幺，代表多普勒频移，o = 1 2 ( n 2 一1 ) 。如果足够大，根据 中心极限定理，g ( f ) 近似为复高斯随机过程，它的正交分量和同相分量g q ( ) ，g l ( t ) 服从均值为0 方差相等的高斯分布。那么k ( f ) l 是服从瑞利分布的。我们知道一个 过程如果是广义平稳的，那么它的均值是恒定的，自相关函数只和时间差有关， 即研g ( f ) 】= 研白( f ) 】+ 埘岛( f ) 】_ 0 ，自相关函数为： 第2 章移动通信信道模跫 a g ( t n ，t 2 ) = 4 n e , i 【c o s 峨( 乞一 ) + c o s q ( f 2 + ) 】 + 2 m c 0 s ( 乞一f 1 ) + c o s ( 乞+ ) 】 从上式可以看出j a k e s 模型不是广义平稳的。 2 c o o i ) 卜 j 两 2 c o s ( m 以上 i川一 o 7 v v 2 c o s ( 中肌+ 1 ) ，卜 2 s i n ( o - 卜 2 s i n ( o )上 百 l 一v 、， 7 2 s i n ( m n o + n ) ，卜 ) = 乏( f ) + 口：( f ) ( 2 1 5 ) 图2 3j a k e s 仿真器模型 f i g 2 3 j a k e ss i m u l a t o rm o d e l 改进的j a k e s 模型 在j a k e s 模型的低频振荡器中插入一个随机的相位，则得到的合成信号是广义 平稳的，图2 4 给出了产生广义平稳输出信号( f ) 的结构。9 2 ( f ) = 9 2 ，( f ) + 唐2 口( f ) ， 它的自相关函数如下： 频率选择性信道下涮旬d m 系统性能研究 ( ，乞) = e 9 2 ( t - ) 9 2 ( t 2 ) = 2 ：l c o s c o ( t 2 - t , ) + c o s c o , r t 2 - t , ) = 厶( r ) 当n - o o 2 c o s ( 0 1 ) z ( f ) + t ( f ) 图2 4 引入随机相移后改进的j a k e s 仿真器模型 f i g 2 4j a k e ss i m u l a t o rm o d e lw i t ht h es t o c h a s t i cp h a s e - s h i f t ( 2 1 6 ) 2 3 频率选择性信道模型 多径传播信道的信道脉冲响应模式是模拟一个离散的广义平稳非相关散射模 重g ( w s s u s ) 5 。这样的频率选择性衰落信道应该满足两个条件：1 ) 在时间间隔t 的时间内，衰落的统计特性是平稳的；也就是说，在时间间隔t 内只有多普勒频移 的影响；2 ) 电波到达角口和传播时延是统计独立变量。在离散的广义平稳非相关散 射信道( w s s u s ) 中，接收信号可以表示为输入信号的时延分量和独立零平均复高 第2 章移动通信信道模型 斯时间变化过程乘积的和。 x ( f ) 和y ( t ) 分别代表信道输入和输出的复数低通样值，h ( r ，t ) 是关于时延和时 间的多径传播信道的冲激响应，它对应的n ( f ，f ) 是关于频率和时间的信道传输函 数，h ( r ，f ) 和h ( f ，t ) 是复低通函数。对于某一个特定的f ，h ( r ，f ) 是具有平坦衰落 特性的冲激响应| i l ( f ) 的平均复高斯时间变化过程。对于不同的f ，h ( r ，f ) 彼此是不 相关的。由工个多径信道组合而成的时变冲激响应为： ( f ，f ) ：l - i 磁( f ) 万( f 一乃) i = 0 ( 2 1 7 ) 式中，曰为第z 个时延时间的功率；舒( f ) 为第，个时延分量，是复高斯过程，它 的功率谱就是第，个路径的多普勒频谱，它控制第，个路径的衰落率。实际上，过 程蜀( f ) 可以理解为在某一时延间隔内从不同入射角到达的不可分辨的多径分量的 组合。f ，为抽头时延。总的来说，时延系数毋和离散传播时延乃决定着频率选择 性衰落信道的多径特性。这样经过信道后的信号可以表示为： y ( f ) ：工- i 雁( f ) 工( t - r t ) ( 2 1 8 ) 多径时延扩展信号的功率用连续的指数函数p ( r ) 。可以把指数函数p ( r ) 离散 化，分成个离散值表示时延信道的时延和时延对应的平均功率值。 眠) = e 聊) d f ( 2 1 9 ) c o s t 2 0 7 模型 抽头时间线模型的一个特例是c o s t 2 0 7 模型，它给出了四种典型环境下的功 率延时分布( p d p ) 或抽头权重和多普勒频谱。它给出的p d p 已被在法国、英国、 荷兰、瑞典和瑞士等国进行的大量试验测量所评估。这四种典型环境是： 乡村地区( r a ) 频率选择性信道下暇旬f d m 系统性能研究 0 f 0 7 z s 其他 叫寸) 。? 以f ) = 0 r 5 s 5 f 1 0 , u s 0其他 山区地形( h d p ( r ) = 唧( - 3 5 云) 叭e x p p 剖 0 f 2 9 s 1 5 f 2 0 9 s 0 其他 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 在抽头时延线模型中，每个信道都有一个瑞利分布的幅度和一个多普勒频谱， 其中i 表示第i 个抽头。在c o s t 2 0 7 模型中，定义了以下四种多普勒频谱，其中d 眦 表示最大多普勒频移，g ( 彳，q ，呸) 是高斯函数： g 吣一唧( - 譬) 亿2 4 ， 、j r 一硒 劫r i ， 、，l 引 p 嘲 懿 _ ，一 ) 第2 章移动通信信道模型 彳是使得p ( d ，f ) d 。= l 的归一化常数。 a ) c l a s s 是经典的( j a l ( 鹤) 多普勒频谱，用于延时不到5 0 0 n s ( r , o 5 m ) 的路径， 对于d 卜d 眦，】： ( d ，) = ( 2 2 5 ) b ) g a u s i 是两个高斯函数的和，用于延时在5 0 0 n s 和2 9 s 之间的路径 ( 0 5 p s t 2 a s ) ： 只( d ，) = g ( 彳，- 0 8 q 锄。，0 0 5 q 啦) + g ( 4 ，0 ，0 1 d 眦) ( 2 2 6 ) 这里4l g , 4 低l o d b 。 c ) g a u s 2 是两个高斯函数的和，用于延时大于2 s 的路径( 毛2 t t s ) ， 只( u ，q ) = g ( 丑，- 0 7 ，0 1 u l 。) + g ( b i ，- 0 4 ，0 1 5 ) ( 2 2 7 ) 这里骂比b 低1 5 d b 。 mr i c r e 是一个经典多普勒和一条直射路径的和，所以整个多径分布与一条直射 路径的分布相同。它适用于乡村传播模型中的最短路径。舜j ve - - o m x ，】： 只( d ，q ) = 0 4 1 + o 9 1 d ( v - 0 7 ) ( 2 2 8 ) 表2 1 2 4 列出了c o s t 2 0 7 建议的将这些多普勒频谱用于四种典型传播环境 的四种方法。 频率选择性信道下s t b c - o f d m 系统性能研究 表2 1 乡村地区( 没有山坡) ( r a ) 的参数 t a b 2 1t h er u r a la r e a ( d o e sn o th a v eh i l l s i d e ) i r a ) p a r a m e t e r 表2 2 城市地区( 没有山坡) ( t u ) 的参数 t a b 2 2t h eu r b a na r e a ( d o e sn o th a v eh i l l s i d e ) f l u ) p a r a m e t o r 表2 3 有山坡的城市地区( b u ) 的参数 t a b 2 3h a st h eh i l l s i d eu r b a na r e a ( s u ) p a r a m e t e r 1 7 - 第2 章移动通信信道模型 2 4 m o 信道模型 随着移动通信的发展，出现了许多新的业务，比如因特网和多媒体业务，使 得世界范围内无线通信的容量需求在迅速增长。另一方面，可以利用的无线频谱 是有限的，如果频谱的利用率没有得到显著的提高，就不可能满足通信容量的需 求。在单发单收通信系统中，采用先进的编码可以接近香农容量极限。通过增加 发射天线和接收天线能够迸一步显著提高频谱利用率。 图2 5m i m 0 信道系统模型 f i g 2 5t h em o d e lo fm i m o c h a n n e l ss y s t e m 假设一个点对点m i m o 系统有个m 发射天线和m 个接收天线。系统框图如 频率选择性信道下s t b c - o f d m 系统性能研究 图2 5 所示。用m 1 列矩阵x 表示每个符号周期内的发送信号，其中第f 个元素薯 表示第i 根发射天线发送的信号。 用，m 的复矩阵h 描述信道。表示矩阵h 的第 j 个元素，代表从第j 根 发射天线到第f 根接收天线之间的信道衰落系数。为了规范，假定r 根接收天线中 每一根天线的接收功率等于总的发射功率。这种假定实际上忽略了信号传播过程 中的信号衰减和放大，包括阴影、天线增益等。于是得到了有确定系数的信道矩 阵日的元素限定，如下式所示 n 2 ：f j = i 当信道矩阵是随机变量时，规范就是对上述表达式取期望值。 ( 2 2 9 ) 第3 章o f d m 基