（通信与信息系统专业论文）广义多载波移动通信系统中最小二乘信道估计的硬件实现及其改进.pdf

撼璺 摘要 支持高质量高速率的移动多媒体业务的新一代无线通信技术的研究已经在世界各国展开。国家 8 6 3f u t u r e 研究讣划已经拟定了关于新一代蜂窝移动通信系绩的研究目标，根据这个目标，东南 大学移动通信实验室提出广义多载波时分取工混合多址蜂窝移动通信传输技术，以实现峰值传输速 率不低于2 0m b p s 的高效分组数据传输。信道估计是这个方案中的一个重要组成部分。基于该系统 方案，以信道估计为核一t 3 目标，论文重点研究了单载波分块传输系统中以虽小二乘方法实现信道估 计的算法及其硬件实现；并通过对算法本身的研究，结合硬件设计中出现的问题，提出新的信道估 计方案，引入了p a s t 算法，以提高传输效率。 在设计当中，采用一种双循环时隙结构，即以带循环前缀的导频序列作为时隙间的保护间隔。 以实现消除时隙间干扰和时隙中未知数据码元对确定导频序列的干扰；并且如果阱这种时隙结构工 作，可以将将信道冲激响应和发送信号序列的线性卷积转变为循环卷积，从而使接收信号矢量可蚍 简单地表示为信遵循环矩阵和发送信号矢量的乘积。在上述前提下，就有可能设计出复杂度较低， 性能较高的接收机了。 在对传统和新兴的各种信道估计方法进行了简要介绍后，我们对最小二乘方法在各时隙结构情 况的性能进行了分析，并基于一种时隙结构，在硬件上对信道估计进行设计和f p g a 实现。硬件实 现中，采崩流水线处理技术以降低硬件实现的复杂度高效利用硬件资源。硬件结构设计完毕后， 通过软件测试，验证丁信道估计硬件模块的可行胜，并下载到整个系统中进行联合调试。 硬件设计完毕后，针对设计过程出现的问题和最小二乘方法以及时隙结构本身的性能和特点， 对时隙结构的设计进行了改进。提出了分别对应低、中、高三种速度的新的时隙结构，并根据时隙 结构的特点，引入p a s t 算法，结合原最d - - - 乘信道估计算法，设计了一种新的信道计实现方案。 并通过仿真分析这种新方法的性能，与原方法进行各方面，得出对原方案的改进意见。并据此进行 了硬件结构的设计。 关键词；最小二乘法信道估计时隙结构循环保护导频f p g a p a s t a b s t r a c t a l la r o u n dt h ew o r l d ，t h er e s e a r c hf o rt e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m l n u n i c a t i o n h a sb e e nc a r r i e do u t n a t i o n a l8 6 3f u t u r ep r o j e c th a ss e tt h eg o a lo f t h en e wg e n e r a t i o nc e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h i s ，n c r l ( n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) o f s o a t h e a s tu n i v e r s i t yh a si n t r o d u c e dan e wt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ec a l l e dg m c , - t d d x d m a ( g e n e r a l i z e d m u l t i c a r r i e rt i m ed i v i s i o nd u p l e xx d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t oi m p l e m e n tt h ep l a no fh i g he f f i c i e n t p a c k e td a t at r a n s m i s s i o nw i t hp e a kd a t ar a t en o tl e s st h a n2 0 m b p s c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r ti nt h i sp r o j e c t h a v i n gt a k e nt h i sa sak e r n e la n db a s e do nt h es y s t e mp l a n ，l s ( 1 e a s ts q u a r e ) m e t h o dh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，i t sh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nh a sa l s ob e e nc o n s i d e r e d t h r o u g ht h er e s e a r c h o ft h ea l g o r i t h ma n dp r o b l e m so c c u rd u r i n gh a r d w a r ed e s i g n ，t h ep a s ta l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c ya n ds of o r man e wp l a nf o rc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h ed e s i g n ，d u a lc y c l i cp r e f i xi sa d o p t e dw h i c hm a k et h eg u a r di n t e r v a lo fa d j a c e n tt i m es l o t s c o m p o s e do ft h ec y c l i cp r e f i x e dp i l o ts e q u e n c e s b yd o i n gt h i s ，t h ei n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ，a sw e l la st h e i n f l u e n c eo fd a t as e g m e n t so np i l o ts e q u e n c e sw i l lb ee l i m i n a t e d ；a tt h es a n l et i m e ，t h er e c e i v e ds i g n a lc a n b ec o n s t r u c t e da sn ol o n g e rt h el i n e a rc o n v o l u t i o n ，b u tt h ec y c l i cc o n v o l u t i o no ft h et r a n s m i t t e ds i g n a la n d t h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s e t h u s ，t h er e c e i v e ds i g n a lv e c t o rc a nb ee x p r e s s e da sap r o d u c to f t h e t r a n s m i t t e ds i g n a lv e c t o ra n dac y c l i cm a t r i xt h a ti sc o m p o s e do fc h a n n e li m p u l s er e s p o n s ev e c t o rw i t ha l l t h e s ea d v a n t a g e s ，ar e c e i v e ro fl o wc o m p l e x i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c ec a nb ed e s i g n e d a f t e rs o m es i m p l ei n t r o d u c t i o no ft r a d i t i o n a la n dn o v e lm e t h o d sf o rc h a n n e le s t i m a t i o n ，b a s e do n d i f f e r e n tt i m es l o t ss t r u c t u r ea n dt h ei n v e s t i g a t i o no f t h ep e r f o r m a n c eo f l s ，o n ek i n do f t i m es l o ts t r u c t u r e i ss e l e c t e df o rh a r d w a r ed e s i g nw i t hf p g at h eh a r d w a r ed e s i g no fc h a n n e le s t i m a t i o ni si m p l e m e n t e da f e a t l u ec a l l e dp i p e l i n ea r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e dt or e d u c et h ec o m p l e x i t ya n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f h a r d w a r er e s o u r c e sa f t e rt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，s o f t w a r et e s te n s u e st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f h a r d w a r em o d u l et h el a t t e ri sa l s od o w n l o a d e di nt h ew h o l es y s t e mf o rc o d e b u g g i n g w h e nt h ew o r ko fh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sd o n e ，a c c o r d i n gt 。t h ep r o b l e m sa r i s e d u r i n gt h e d e s i g na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fl sm e t h o di t s e l f , t h ed e s i g no ft i m es l o t ss t r u c t u r ei si m p r o v e dt h r e en e w t i m es l o t ss t r u c t u r ec o r r e s p o n d i n gt ol o wm e d i u ma n dh i g hs p e e di sa s s u m e db a s e do nf e a t u r eo fs u c h s t r u c t u r e ，p a s ta l g o r i t h mi si n t r o d u c e dc o m b i n e dw i t ht h ef o r m e rl sm e t h o d ，an e 、, vs c h e m ef o rc h a n n e l e s t i m a t i o ni sp r o p o s e dt h es u g g e s t i o nf o re n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c ei sp r o p o s e da f t e rl o o k i n gi n t ot h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o nw i t hf o r m e rm e t h o da tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，an e wh a r d w a r e s t r u c t u r ei sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：l sm e t h o d ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，t i m es l o ts t r u c t u r e ，c y c l i cg u a r d ，p i l o t ，f p g a ，p a s t i i 东南大学硕士学位论文 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文冲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：鱼堡：墼! 1 日期：竺侈 东南大学学位论文使用授权声明 一东南大学、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： 杈、焱们1 导师签名： 甜，五，j 日期： 1 1 论文研究背景 第一章绪论 从第- - 4 4 移动通信系统，即模拟通信系统在2 0 世纪8 0 年代中期投入市场以来，移动通信在全球 范围内发展迅猛，移动用户数的增睦超出了预期。随着数字信号处理、大规模集成电路和其他制造 技术的发展，1 9 9 6 年又诞生了第二代移动通信系统，即数字通信系统。出于对“任何州间、任何地 点、任何人”的个人通信技术的不断追求，以及传输高速数据、宽带视频和多媒体、l k 务的需要第 三代无线移动通信网络的研发也取得了积极的进展，目前已经准备进入商用阶段。 目前人机接口的主要殴备是p c ，随着移动通信的发展，移动业务正从话音业务向以l p ( i n t e r n e p r o t o c 0 1 ) 接入和多媒体业务为主的方向发展，手持移动终端将取而代之，逐步成为人机接口和上网 的主要设备之一。 具体来说，第四代移动通信系统有以下六个特点2 ： ( 1 ) 信息传输速率比第三代移动通信系统高一个等级； ( 2 ) 将是一个高度自治的自适应网络，能对其结构进行自适应管理，从而满足用户在业务和容 量的变化和演进； ( 3 ) 实现完全综合的业务，个人通信业务、信息系统业务以及广播和娱乐系统的业务将归并、 统一。用户可以方便、安全、随心所欲地接入这些业务系统： ( 4 ) 能动态地分配资源，处理变化的业务流，对不同的信道条件有很强的自组织性和自适应性， 使低速率与高速率的用户能够共存； ( 5 ) 可使所有移动运营商的用户共享服务，综台业务系统的主要接八方式为移动接入，适合于 所有的话音业务、大部分的高速信息业务以及绝大部分的广捅和娱乐业务，还将接入商业 业务； ( 6 ) 可以向用户提供形式多样、价格低廉的移动设备，并能让削户方便、无缝地接入，这些用 户设备便于携带和使用，用户和这些设备的交互方式多种多样，不仅能听、说、看，而且 还能根据具体的应用提供人类的感觉和环境的数据，此外还可提供服务于残疾人的特殊设 备。 这些特点决定了以提供话音业务为主的传统g s m 和c d m a 技术己难咀满足需求。而就第三代 移动通信系统而言。虽然它是为高速业务和多媒体业务没计的，但是它无法满足高速率( 峰值、 k 务迷 率大于2 0 m b i t s 或更高1 、大业务动态范围( s k b i t s 2 0 m b i t s 动态可变) 和多种q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 需求：所以必须研究能更好支持非对称业务、宽带多媒体、i n t e m e t 及其综合业务的高速移 动无线通信技术，提供高速率、高频谱效率、人容量和低成本的无线多媒体通信系统。 为了适应这种发展的需要，我国高度重视对未米移动通信技术的研究。科技部高技术研究发展 中心和国家“8 6 3 ”计划未来移动通信总体专家委员会专门致力于未来移动通信研究，一些人学包括一 些旨干企业也投入力量进行了预研和广泛的国际台作。国家“8 6 3 ”计划已经把第四代移动通信正式列 为“十五”期闻发展战略的重点，并肩动了名为f u t u r e ( f u t m et e c h n o l o g e sf o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t ) 的未来移动通信研究计划。 根据国家“十五”8 6 3 计划无线通信f u t u r e 计划确定的研究目标，课题组提出了名为：广义 多载波时分双工混合多址( g m c t d d - x d m a ) 无线传输方案。开展下代移动通信无线传输链路 技术研究，并开发验证基本方案和关键技术的实验验证系统。 东南大学坝l 学位论义 1 2g m c t d d x d m a 系统简介 根据后3 g 关键技术的研究结果和对国内外最新进展的综合分析，b 3 g ( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n l 课题组认为丌展后3 g 蜂窝移动通信系统研究开发的有效途径是 1 ：演进技术为出发点，充分考虑 新一代蜂窝通信系统的后向兼容性，以基丁多天线环境的网络结构为构架，以联合空时信号处理和 新型t u r b o 接收机技术为提高系统性能的主要手段，以高效的多相分解滤波器组( f i l t e rb a n k ) 实现 方式为降低系统实现复杂性的主要方法，并借鉴o f d m ( 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 j n 系统易于f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 实现的优点，研究开放式的、能够灵活地吸收其它技术优点的 新一代蜂窝移动通信系统传输技术，使之具有高频谱利用率、低发射功率和支持火动态范同分组数 据传输的能力。基于上述考虑，我们提出广义多载波t d d ( g m c t d d ) x d m a ( g e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e r t i m e d i v i s i o n d u p l e xx - d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术。 该系统的主要特点包括： ( 1 ) 在系统中采用t d d 模式分开上行链路和下行链路 ( 2 )在基本模式f ，整个系统带宽为2 0m h z ，分成1 6 个带宽均为1 2 8m h z 的子载波。在 1 6 个子载波中，使用其中1 2 个传输数据，不使用频谱边缘的4 个子载波。将来还可以 根据未来不同国家的频谱分配情况，使用扩展模式，把相邻的基本子载波合成为带宽为 3 8 4m h z 扩展子载波，实现与3 g 系统的共存与后向兼容。 ( 3 ) 采用多载波技术。本系统有别于o f d m 系统和传统的多载波系统，比如c d m a 2 0 0 0 3 ， 所以称之为综合多载波系统。使用滤波器组实现多载波调制。在系统中，相邻子载波问 的重叠是可以调整的。 ( 4 )本系统综合了f d m a ，t d m a 和c d m a 三种多址方案，因而称之为x d m a 方案。在系 统中应用f d m a 意味着不同的子载波可以分给不同用户使用，每个移动用户可动态地 占用 个或多个基本子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道 等，从而达到从1k b p s 至1 0 0m b p s 的大动态范围传输的要求。在这一点上，本系统优 于o f d m 系统，f d m a 很难应用于后者当中。在本系统中应用t d m a 意味着对不同用 户的服务由不同的时隙分隔。 ( 5 ) 可扩展至多天线环境，通过设置多于发射天线数的接收天线，使系统频谱利用率线性提 高，或使发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 - 5 倍，发射功率降低1 0 d b 以上 的要求。 ( 6 ) 本实验系统拟采用的扩频码片速率为12 8 m c p s ( 基本子载波) 或3 8 4 m c p s ( 扩展子载 波) 。拟采用白适应链路技术( 包括自适应编码调制、自适应时隙结构等) ，使系统能够 根据应用环境( 如信噪比、移动台移动速度等) 和业务要求的不同而自适应地调整链路 参数，最大限度地提高无线资源的利用率。 ( 7 ) 本系统采用单天线发送、四天线接收的形式，可使系统容量较单天线收发系统提高达2 倍。 1 3 实验验证系统简介 为了验证g m c t d d x d m a 传输方案能否达到预定的主要目标，并为后期研究开发提供必 要的依据，开发了题本课使用的实验验证系统o 。g m c t d dx d m a 实验验证系统如幽( 11 ) 所示。 第一童绪论 叠画 外部因特网接口 接入点 移动台终端计算机 图( 1 1 ) g m c t d d x d m a 实验验证系统构成示意图 具体来说，它由一个接入点( ap a c c e s sp o i n t ) 和两个移动终端( m t , m o b i l e t e r m i n a l ) 组成。 其中a p 由固定台和接口组成，能够接入外部因特网。移动终端由移动台和终端计算机组成，可以 通过a p 接入外部因特网，且移动终端之间具备直接通信的能力。 整个系统的硬件设计是在链路定点仿真的基础上，利用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) ：r 具，采用自顶向下的设计方法，基于f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 设计实现的。 系统硬件平台如图( 1 2 ) 所示，主要由模拟前端、基带处理、系统主控c p u 、接口电路四个主 要部分组成。 各部分的功能简单说明如p 图( 1 2 ) 系统硬件平台 ( 1 ) 模拟前端：包括发送天线，接收天线，射频接收机，频率合成器和射频基带接口，用于接收 和发送信号的中频与射频处理。 ( 2 )基带处理：包括基带发送、基带接收、系统定时三个部分，如图( 13 ) 所示。基带发送部 一$ 一 、甲a 一申e h k 一 _ 。 f 举 警 东南大学硕士学位论文 一 分由多载波合成滤波器组和若干个单载波基带发送部分等组成。其中单载波发送部分包括自 适应编码调制、多码道扩频等部分。基带接收部分包括多载波分析滤波器组和若干个单载波 基带接收等部分，其中每个单载波基带接收包括：扩频码捕获与跟踪、空时联合检测、多码 道解扩、维特比译码等部分。系统定时提供整个系统接收与发送所需的各种定时信号，其中 码片定时和符号定时由扩频码捕获与跟踪部分提供。 ( 3 )系统主控c p u ：负责移动台( 固定台) 的系统控制与管理、协议处理以及它们与终端计算 机( n n n ) 的连接。移动台和固定台可采用统一的m p c 8 2 6 0 主控板。根据两者基带和射 频的不同要求在实时多任务操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ( v x w o r k s 或v r t x 等) 平台上灵活配置并装载相应的控制驱动、简单信令和业务协议。 ( 4 )接口电路：实现移动台( 固定台) 与外界的接i s l ，本系统将采用以太口或1 3 9 41 2 1 。 图( 1 3 ) 基带处理部分示意图 1 4 论文的主要工作及结构 本论文的主要工作是对g m c 。t d dx d m a 实验验证系统中的信道估计算法进行探讨得仿真；基 于最小二乘算法对信道估计进行f p g a 硬件实现；再对信道估计算法做进一步的探讨，研究盲方法 在信道估计中的应用，对其中的子空间算法进行仿真。 论文的结构如f ： 第二章首先论述了无线移动信道的基本特性及其计算机仿真的算法实现。 第三章给出了信道估计所基于的最小二乘算法的基本公式和时隙结构，并在此基础上提j 设计 步骤以及总体上和各个模块的设计方法。 第四章根据笫三章中设计所遇到的问题，提出对信道估计方法及时隙结构的改进意见，探讨p a s t 算法在信道估计中的应用，并进行仿真。 第五章总结全史。 第二章光线信道及其仍真 第二章无线信道及其仿真 2 1 移动无线信道的特性 2 1 1 概述 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收现之间的传播路径非常复杂， 从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道不像有线信道那 样固定并可预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。甚至移动台的速度都坐对信号电平的衰 落产生影响。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决一般利用统计方 法，并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行。 电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归结为反射、绕射和散射。无线信号无论是在 前向链路还是在反向链路的传播，都会以多种方式受到物理信道的影响。此外，由于不同物体的多 路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离 的不断增加而引起电磁波强度的衰减。 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预钡噼口特定位置附近场强的变化。 对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机与接收机之间 ( t r ) | 受距离( 几百米或几千米) 上场强的变化，所以被称为大尺度传播模型。另一一方面，描述短 距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内的接收场强的快速波动的传播模型，称为小尺度衰落。 2 1 2 大尺度衰落和自由由传播模型 自由空间传播模型”1 用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时的接收信号场 强。它与大多数大尺度无线电波传播模型类似。 自由空间模型预测接收功率的误差为t r 距离的函数( 幂函数) 。自由空间中距发射机d 处天线 的接收功率，d q f r i i s 公式给出： 删) = 器 - ， 其中，p 是发射功率；p ( d ) 是接收功率t 为tr 距离的函数；g 是发射天线增益；g ，是接收 天线增益：d 是t r 间的距离，单位为米；上是与传播无关的系统损耗因子：丑为波氏，单位为米。 天线增益g 与有效孔径a 。相关， g ：掣 ( 2 2 ) 。 波长五与载波频率相关， z c 一 其中c 为光速。 ( 23 ) 东南大学硕士学位论文 代表信号衰减的路径损耗可以表示为 删b ) 1 1 0 l 。s 吾 叫o t o s 舞 2 1 3 小尺度衰落和多径效应 ( 2 4 ) 小尺度衰落“1 或简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距传播后其幅度快速衰落，以致大尺 度路径损耗的影响可以忽略不计这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时 间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。这些波称为多径波。接收机天线将它们合成一个幅度和 相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。 无线信道的多径效应导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为： ( 1 ) 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 ( 2 ) 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的随机频率调制。 ( 3 ) 多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 无线信道中许多物理因素影响小尺度衰落，包括： ( 1 )多径传播无线信道中反射体和散射体的存在会产生一个不断变化的无线环境，使得 能量在幅值、相位和时间延迟方面发生弥散。这些效应会使发射信号经过不同路径到达 接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不同多径分量的随机幅值和相 位合成会引起信号强度的随机扰动，从而产生小尺度衰落或信号畸变。多径传播通常会 使信号到达接收端所需要的时间加长。多径传播可能引起码间干扰，导致信号污损。 ( 2 )移动台的运动速度基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多 普勒频移，从而引起接收信号的随机频率变化。多普勒频移可正可负，取决于移动接收 机与基站之间的传播路径是缩短还是加长。 ( 3 )环境物体的移动速度如果信道中的物体处于运动中，它们就对多径分量产生随时间 变化的多普勒频移。若周围物体以明显快于移动台的速度运动，这种效应就会压倒小尺 度衰落。否则，周围物体的运动就可以忽略，只需考虑移动台的速度。 ( 4 )信号的传输带宽如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自 相关时间小于多径信号的时延差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显。若 发射信号带宽相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅度将快速变化，但在时间上没有 畸变。 由上各点可知，从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖， 而多径衰落则严重影响信号传输质量，必须采用抗衰落技术来减少其影响。而要研究这些技术，首 要的工作便是深入了解移动信道本身的特性，并在此基础上研究信道的统计特性，建立合适的随机 信道模型。 2 1 4 无线移动信道的近似数学模型 通常我们使用的信道模型是由b p o 提出的宽平稳非相关散射模型i “。这种信道模型是由一组不 相关的分量线性叠加生成，并至少在一段时间内保持广义平稳特性。 宽平稳非相关散射模型i 能够体现信道时延扩展和多普勒频偏两个重要统计特性。由一个两维散 射函数可以唯一确定信道的特性【7 】，函数的两个自变量时延f 和多普勒频偏厶则分别对应信道的多 6 第二章无线信道及其仿真 径特性和移动时变特性。 假设模型实现中叠加的分量个数趋于无穷大，则根据中心极限定理，叠加得到的随机过程应服 从高斯分布。这种高斯分布的宽平稳非相关散射信道模型与我们实际应用中测量得到的信道统计特 性是相符合的。 假设信道传输的信号表示为： j ( f ) = a ( t ) c o s 2 ，r f d + 口( f ) = r e s , ( t ) e 2 ”印)( 2 5 ) 其中s ，( t ) 表示发送信号的等效基带信号。 接收信号表示为： r ( r ) ( t ) s t - r ，( f ) 】+ 竹( f ) = r e z a ，o 扣一2 矾。s f i t r ，o ) p 2 矾) + 九( f ) j 接收信号的等效基带信号可以表示为： 叶( f ) = ( f ) p 。2 札。s m f 。( f ) 】+ 珂。( r ) + j ( f ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，口，( f ) 表示p 路径的衰落系数f i ( f ) 表示一路径的时延，n 0 ) 表示加性噪声。这里的口。( r ) 和f ( r ) 都是时变函数。 我们可以定义函数： ( f ，r ) = 口，( f ) 8 一2 矾州。占【f f 。( f ) 】 ( 2 8 ) j 这样，接收信号的等效基带信号可以表示为： _ ( ) 2i 。6 ( t ) 墨u - r ) d r + 唑) 二堡q ( 2 9 ) ：( f ) 从等式中，我们可以看到衰落信道可等效看作是一个时变参数的滤波器，其等效基带冲激响应 为h ( r ，f ) 。 2 1 5 无线移动信道的统计特性 在给定时间点f = 如，参数口，( f ) 和z f ( f ) 变为常量。此时刻的信道的冲激函数相应表示为 h ( r ，r = “) 。其傅里叶变换如下式 h ( f ，r - f o ) = i ( r ，r = t o ) p 1 圳7 d r ( 2 1 0 ) 我们不妨将时变信道看作是时不变信道随时间变化的连续序列： h ( f ，f ) = r 。矗( f ，) e 川竹d f ( 2 11 ) 信号通过这样的信道将经历时间相关的幅度畸变和包络延时畸变。也就是我们通常所说的经历了时 7 堡堕叁兰竺! ! 堂! 望堡兰 域和频域的衰落。我们将这种时变多径衰落信道称为双衰落信道。h ( r ，f ) 被定义成自变量为r 和t 的 随机过程。其相关函数和功率谱密度函数能够表示多径衰落信道的特性。通常，将脉冲响应函数 h ( t ，f ) 看作是一个广义平稳( w s s ) 随机过程。 f 面研究h ( r ，n 的自相关函数： 九( f 1 ，r 2 ，t 2 ) = e h + ( r l ，r 1 ) ( r 2 ，t 2 ) ) = 丸( f l ，f 2 ；出) ( 2 1 2 ) 假设非相关散射，自相关函数简化为： 丸( f l ，f 2 ；a t ) = 九( f l ；f ) 占( r l q ) ( 2 1 3 ) 基于这种假设的信道称为非相关散射广义平稳c w s s u s ) 信道。总之，九( r ；a t ) 给出了在观察时间a t 内的平均能量输出和实际测量时延f 的关系。我们用九0 ) ；九( r ；0 ) 来描述各路径的信道强度。 下面，再来研究信道系统函数h ( j 、，f ) 的相关特性。 九( ；， 扎f 2 ) = e h + ( 一，f t ) h ( f 2 ，f z ) ) ( 21 4 ) = f 玎 丸( f l ，r 2 ； l ，f 2 ) ) 对于w s s u s 信道，自相关函数可队简写为： 如石”屯：蹴：删z x t ) c z l 5 ) = f f 丁 丸( f ；1 协 其中，= 一 ，出= r ：一f 。我们记九( 可) ；“( v ；o ) ，九( ) = f f t 一( f ) ) 。 “( ，) 非零的带宽部分称为相关带宽b ，= l l 。l 称为信道最大多径时延。 假设传输信号的带宽为w ，如果b 。 w ，那么对于信号的所有频率分量信道特性都是相同 的，我们称这样的信道为频率非选择性信道。经过频率非选择性信道的信号仅仅发生幅值畸变，而 没有发生包络延时畸变，也就是频率非选择性信道没有产生码间干扰。如果b 。 w ，信道称为 频率选择- 陛信道。经过频率选择性信道传输的信号将经历幅值畸变和包络延时畸变，频率选择性信 道产生码问干扰。 定义散射函数为： s ( r ，y ) = e e 如( ，r ) g 川舢p 印利d a t d a f ( 2 - 16 ) 散射函数将信道输出的平均能量定义成时延r 和多普勒频率v 的函数。我们对。( v ；a t ) 关于a t 作傅里叶变换得到： s h ( ，y ) = e ，( 矽，咖印删抛f ( 21 7 ) 其中，称为多普勒频率。信道的多普勒功率谱定义为： 第二章无线信道及其仿真 乳( y ) = s h ( o ，) = e 九( a t ) e j 2 ”a , d f( 2 1 8 ) 多普勒功率谱给出了信道强度和多普勒频率的芙系。如果信道是非时变的，九( a t ) = 1 。那么 s 。( ) = 6 ( v ) 。传输信号将不经历任何频域扩展。 如( a t ) 表示了信道的时闻相关函数，函数非零的时闻间隔乃称为相关时间。相应的，s h ( ) 非零的带宽b d 称为多普勒扩展b dz 1 乃。 假设传输信号的时间脉冲宽度为t 。如果t 1 b dz 疋成立，那么多普勒扩展相对于系统速 率很小，也就可以认为在信号脉冲宽度t 内信道响应保持不变，信道称为慢衰落信道。如果 t 1 b dz 乃不成立，那么信号脉冲宽度t 内的信道时变必须考虑，信道称为快衰落信道。 从上文我们已知接收信号的等效基带信号表示为： _ ( r ) = ( f ) e 讲州，i t 一2 i ( f ) + z ( ，) ( 2 1 9 ) 如果信号的带宽远小于信道的带宽以 b 。，那么接收信号可以表示为 _ ( f ) = ( ( f ) 8 叫纠，) ) s 肛一( f ) 卜z ( f ) 三h ( o ；t ) s 心一t o ) + z ( f ) (220)ael 假设本地的到达路径i 足够大，则根据中心极限定理h ( o ；r ) 为复高斯过程： 日( o ；f ) = x a ( r ) + 抄。( f ) = a ( t ) e 8 ( 22 1 ) x a ( f ) 和y 。( f ) 是不相关的高斯过程。如果同时，信道是慢衰落信道t 乃，那么接收信号为 _ ( r ) = a e 。s ，( f ) + z ( f ) 0 t t o e 一是复高斯随机变量。这样的信道称为平坦衰落慢变信道。 ( 2 2 2 ) 转换角度考虑上文中提到的吸 一 日 1 打 脚 耿 。 畦 唧 旦铲土劢 东南大学碗二 学位论文 的，因此在性能仿真时，就不能采用确定性的信道模型，而需要寻求台适的随机信道模型。上文中， 我们简要阐述了信道的统计特性，如何通过计算机仿真得到具有这些统讨特性的信道模犁一直是仿 真研究的重点。计算机仿真无法如理论推导一样模拟信遭的统计性能，更无法列举山信道所有的可 能情况。但是通过仿真可以得到随机信道的一次样本实现，不妨假设信道的随机模型是各态遍历的， 那么一次样本实现就完整描述了信道的特性。下面我们来介绍时变信道的计算机仿真算法。 2 2 1 信道仿真算法概述 时变多径信道的计算机仿真要完成以下几个步骤：首先，生成一条可辨信道路径的时变冲激响应 函数，冲激响应函数的幅值满足瑞利分布，相位满足均匀分布，表征其二阶统计特性的功率谱体现 多普勒频偏特性；其次，生成多条不相关路径的冲激响应函数，每条路径的统计特性服从单径的要 求，并且各条路径间的互相关为零；再次，根据信道模型的要求建立相应的抽头延迟线模型，每两 个抽头间的延迟码元数根据时延要求和发送码元速率折算，每个抽头的时变加权值在上面两步基础 上乘以归一化的信道平均强度就可以得到。 从上文仿真步骤的论述中，我们可以看出仿真的关键在于生成多个不相关的复高斯随机过程， 其二阶统计特性满足多普勒功率谱的要求。虽然实际信道是连续变化的，但是计算机仿真只能得到 相应的离散抽样值，而且抽样值之问必定是相关的，这种相关特性又取决于信道时变的多普勒特性。 根据这些特性我们常用的信道仿真模型主要是j a k e s 方法p 1 和s m i t h 方法p 1 两种。s m i t h 方法是 对独立的正态分布随机序列作离散傅里叶变换，然后将得到的序列经过一个数字滤波器。而j a k e s 方法是将多个独立同分布的复指数随机序列叠加。我们将在下文重点阐述1 a k e s 方法在我们系统仿 真中的应用。 2 2 2j a k e s 算法的发展 d a k e s 算法是一种广泛应用的确定性仿真算法。算法将多个独立同分布的复指数随机过程叠加生 成复高斯随机过程。假设有个等强度的反射波到达移动接收端，个反射波的入射角口。是均匀 分布的t 每个反射波的多普勒频偏就相应为0 9 。= 0 9 mc o s ( 甜。) ，其中m = 2 万i c 是最大多普勒 频偏，v 是接收端的移动速度，厂是载波频率，c 是光速。如果足够大，那么根据中心极限定理 我们可以认为，由多个反射波叠加得到的入射波满足复高斯分布。根据这种假设，来看j a k e s 方法 的实现过程。 原始的j a k e s 方法对入射角分布的要求是口。，= 2 z n n 。每个入射角对应的多普勒频偏在四 个象限是对称的。( 口。= o ，时除外) 所阻，衰落波形可以通过o + 1 个复数振元叠加生成，其中 n 。= ( n 2 1 ) 2 。生成的信道衰落波形表示如下： 这里的t ( t ) 是沿用文献中所经常使用的标注，等同于上文信道特性描述中瑞吞u 信道部分的( f ) e 。8 1 0 钔 n 一 州 吣 卜 户 叫 上压呻 h d 茎二萱垄垡堕堕丝苎堕皇 信道乘性衰落的表示。 上式中，k 是归一化闪子；口，尾是入射角；0 ，是初始相位，通常殴为0a 通过上文中的论述， t ( o ( 也就是上文中的a ( t ) e 。9 ) 的实部和虚部( x 。( r ) 和y 。( r ) ) 应该是不相关的零均值高斯过 程。为保证实部和虚部的互相关为零，应该取口= 0 ，成= ，m ( o + 1 ) c 如果需要生成多个不相关的瑞利衰落波形，, l a k e s 方法建议将初始相位设定为 眈，= 成+ 2 z ( m 一1 ) ( n o + 1 ) c 2 2 6 ) 其中m =