（信号与信息处理专业论文）多用户mimo系统的功率分配策略的研究.pdf

i = i 泉i | 1 | f i u 学院f ! i 。学佗论殳摘垂 摘要 为了满足未来移动通信系统大容量、高速率的需求，提高频谱利用率，学 术界提出了多天线发送和多天线接收的多输入多输出( m i m 0 一m u l t i p l oi n p u t m u l t i p l e0 u t p u t ) 系统的概念。理论研究表明，m i m o 系统可以大幅度提高信道 的容量；l _ i i f 功率分配则是敬得m i m o 系统最大容量的不可缺少的一个环节。已经 弓f 起了人们1 4 j 。j 多的关注。 理论上，功率分配是提高频谱效率的最佳选择，研究人员已经在这方面取 得相当多的成果：但是在多用户m i m o 系统中，上、下行的不同应用环境需要不 州的解决方案：特别是下行情况中，山于其非退化性，其最大可达速率区域更 足个肝放性的问题。 木文二t 要研究的是多用户m i m o 系统的功率分配策略。从单用户系统丌始， 分析了其“注水算法”，把其与“均匀分配”策略作了比较；进而研究了其推广 算法上行多用户“迭代注水”算法，针对其缺少用户问功率分配导致用户 较多时出现的频谱效率降低的现象提出了种改进的算法，加入了用户问的功 率分配内容：进而结合时分策略对改进的算法进行了进一步的简化：并通过建 立与下行多用户系统对偶的上行多用户系统的方式，把改进的上行多用户“迭 代注水”算法做了相应的改动，运用到下行，来取得下行多用户系统的可达速 率，对下行广播信道的容量区域这一丌放性问题作了初步的探讨。仿真结果表 明无论赴上行还足卜- 行，改进的算法都能很显著的提i 寄系统总容量。 天键训： m i m 0 信道容镶多址接入信道( m a c )广播信道( 【j c ) “d jr t yp l p o r ”原理“泣水”算法 “迭代注水”算法 d u a l i t y 南京1 1 | | 5 l u 学院f l ! ；! i 学位论史 a b s t r a c c a b s t r a c t 1 1 h ee m o r g e n c oo f - m u 】t i p l e i n p u tm u l t i p l o o u t p u t ( m l m 【) )l e c h n o 】o g y m c e t st h ed e m a n do f m u l t i m e d i aa p p ljc t ti o n sa 几dh i g hs p e e dw ir o le s sa c c c s s k c s c a r c h c si n d i c a t et h a tt h em i m 0c a ni m p r o v et h ep c r f o r m a n c eo fw 【r o l c s s s y s t e mp r o m in e n t l y ， s u c ha ss y s t e mc a p a c i t y ， d n t ar a t e ，a n d l r e q u e 几c y e f f i c i o n c y a n dth e p o w o ra 1 1 0 c a l i o ns t r a t e g y ， w h i c hisa b s 0 1 u t e ly n e c e s s a r j1yo n cl 扎c h eo fm 【m os y s t e m ， h l sc a u g hlm o r ea n dm o r co u ro y c s 1nt h e ( ) r y ， p o w e ra o c a t i 【) n ist h eo p l i m a lt e c h n i q u ef o rf m p r o v in g s p e c t r u me r f ic i e n c y ，a n d 】o t so fr e s e a r c hw o r kh a db e e 几d o n ea n dm a n yn c w c o n c lu s i o n sw c r ed e r i v e di nt h ed is s e r t a t i o n b u to nt h em u l t f u s e rs y s t e m w i t hm u ll ip l ea n t e n 兀a s ，t h es t r a t e g yi sd i f f e r e n tf o rt h eu p i o a d in ga n d d ( ) w n in gb e c a u s eo ft h o i rd i f f e r e n te n t i r o n m e n t ：e s p o ci a l1yl h ed o w nin g ， i 【sn o n d e g r a d e d ，f o rw h i c ht h eg e n e r a ic a p a c i t yr e g j o njsn ( 1 ty e t k n o w n t h ep o w e ra l l o c a t i o ns 乞r a t e g yo fi i i u l t iu s e rs y s t e mw i t hm u 【l i p h j a nl e n n a s i sj n v c s ti g a t e dint h i s p a p e r w cw ill【n l ly s et h c “w a t e r r illjn g ” a l g o r i t h minl h es i n 9 1 eu s e rm l os y s t e m sf l i r s t ly ，a n d c o m n 【r eilw jt ht h e“u n ir o r m ”a 1l o c a t i o nm e t h o d ：t h e nw ef o c u so ni t s c x t e n d e dm el h o d t h c“i t e r a t i v ew a t e r f ii l i n g ” a l g o r t h mo fm u l t i p 】c a c c e s sc h a n n e 】sw it hm l i l t i p l ea n t c n n a s ，a i m jn gh tt h ed o c 】in in g ( ) f s p o c t r u me f f j c i c n c yw h e nt h en u m h e r so fu s e rin c r e a s e s ，w ew i 】la m e li o r a t e it ：a n dw it hc o m b i 八gt h etj m e s h a r i n g s t r a t o g y ， w ew il l p r e d i g o s t i l u r t h e r m ( ) r o i a l e r ， b a s in go nu p l i n k d o w n l in kd u a 】jt y ，w ca p p l yt h e l m e lf o r a t e da i g o r i t h mf o rl h ed o w n l jn kt oo b t a i nt h ec a p a c i t yr e g i o n n u m e r c i a ls i m u l a t j o nr e s u ll sa r ep r ( ) v i d e da n dt h o s es h o wt h ep o t e n t i t i l o f - t h cn r o d o s e ds c h e m e k o y w o r d s ： m l m ( ) c h i n n c 】c t l p a c f t y m u 】l jp l ea c c 。s sc h a n n c l ( m a c ) b r o t 【d c l slc h ；l n n c l ( 1 j c )d irl y p l p c r w t l c r 1 i11in g i t q r h l iv cw a l o r 一( i i l i n gd u a i il y 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 s 2 7 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 含为获得南京邮电学院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：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名蝰日期： 南京邮i u 学院帧i 。学位论史第一章绪论 第一章绪论 随着现代无线通信技术的发展，人们对通信的质量提出了比以往更高的要 求：然l i i i ，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。近儿年新兴的多输入多输出( m i m 0 一 m u l t j p l o n p u tm u l t i p 】e ( ) u t p u t ) 技术为这些问题的解决提供了一条新的途径。 本文所要探时的功率分配策略j f 是m 【m 0 技术的一个重要组成部分。 1 1m i m 0 技术的产生背景 在传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单 天线系统也称为单输入和单输出( s i s o s i n 9 1 ei 叩u t s in 9 1 e0 u t p u t ) 系统。对 1 i 这样的系统，s h a n n o n 【l 】给出了著名的香农公式c = 缈1 0 9 ，( 1 + s ) ( 代 表带宽，s 代表信噪比) ，确定了在有噪声的信道中进行可靠通信的卜限速率 以后的电信： 作者无论使用怎样的调制方案和信道编码万法，只能一点一点 地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、刁i 可逾越的界限，也成了现 代无线通信发展的大瓶颈。 日前随着移动通信的普及和广泛应用，各种数字多媒体_ k 务的迅猛发展，用 户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈；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 速率的增加。 般来说，提高移动通信的信道容景有两种力。法：( 1 ) 拓宽己使用的频带：( 2 ) 提- 筒频谱的使j 丰j 设牢。为了便于提高无线通信的传输速牢，有人建议把日自i 使用 的频带打i _ l 芝到毫米波段，冈为作毫米波段有更宽的频带【j 丁供使用。n 3 足就i l6 d 的 技术的水平米晚，这样做的代价足相当昂贵的，而且目6 h 无线通信f f 场迫切需求 的址介二j ：u m s 和w 1 a n 之m 设备，它们使用的足微波波段，对fu 们s 和i s m ( 二i ： 、i p 、科j j f 和医疗) 使川的频率在2 ( j l z 附近，而w i 。州使用的频率扯2 【；到5 ( ；i z 。 j 此看来，俞理的选择足设法提高频潜的使f j 效：蕾。 n _ 譬统的尤线系统一i ，楸妣s h a n n o n 给的信道容量公式，增加信噪比叫以 m 糸1 1 | | i i u 学院坝卜二位论殳 第一学埔沦 提高频谱的使用效率：信噪比每增加3 d b ，信道容螭每秒每赫兹增加l 比特；然 而，存衰落环境下降低误码率相当困难：在加性高斯e l 噪声信道( a w g n ) 下，用 螋，融的调制和编码方式，把比特错误率( b e r ) 从1 0 。降到1 0 一，信噪比( s n k ) 需要增 加【一2 d b ：而经多径环境下要获得同样的性能改善信噪比需要增加l o d 8 ；而j 1 在蜂窝( 多用户) 方案中，由于来自其他用户的 ：扰电平通常高于系统的热噪声， 增加某一h = | 户的发射功率也就相当于增加对其他用广t 的f ：扰，将会出现“功率攀 升”的现象；因而通过在发射端采用更高的功率进行发射米改善系统性能是行不 通的。 提高频谱使用效率的另种方法是使川分集技术。如果发射端使j f j 坼根天 线，接收端使j f 】多根天线，这种分集通常称为接收分集，也称之为单输入多输f | ( s f m 0 一s i n g l ci n p u tm u l t i p l co uc p u t ) 系统，采用最佳合并的接收分集技术通 常能改善接收端的舒限从而提高信道的容量和频谱的使用效率。如果发射端使 川多根天线，接收端使塌雏撤天线，这种分集通常称为发射分集，也称之为多输 入单输出( m i s o m u i t i p iejn p u ts i n 9 1 e o u t p u t ) 系统，如果发射端知道信道的状 态信息，存多发射天线中采用波束形成技术和臼适应分配发射功率，也有助于提 高信道容量。s i m o 和m l s 0 技术的发展自然演变成多输入多输出( m i m 0 一m u l t jp l e 【n p u tm u l t i p l e0 u t p ) 技术，即在无线链路的两端都使用多根天线。t e l a t a r 【2 】和i ? o s h i n i 【： 】分别证明了m i m o 系统js i m 0 和m l s 0 系统相比，可以取 得h 火的信道容鞋，该信道容量突破了传统的单输入单输出信道容量的瓶颈，是 s h a n n o n 信道容量的推广。与日i j i 已实现的信道容量相比，有望提高几个数量级。 此无线m 【m ( ) 技术住第一：代( ：j ( ：) 乃至代以后( n ：的移动通信系统 ，有着广 | l i 寸n 0 、州j 前景。目时，光线m i m f j 技术d 成为了免线通信领域的。大研究热点。 1 。2m i m 0 技术简介 为了满足术水移动通f 蠢系统火容量、岛速率的需求，提高频谱利刖j 钲，多天 线发送硐j 多人线接收的多输入多输 j j ( m 【m ( ) ) 系统的概念应运j i 生。 南京邮i b 学院f ! i j 学位硷文筘一章绪论 1 2 1m i m o 系统的概念 多输入多输 ( m i m 0 ) 系统是在无线通信智能火线技术的娃础二发展起来 的，j l ：要特点就足在通信系统的收发两端采用多天线配胃，以解决未术移动通 信系统夫容量、高速率传输和卜1 益紧张的频潜资源删的矛盾。和智能天线技术巧i 一样的是，在m i m o 系统- f | 从任意一个发送天线到任意个接收天线i h j 的无线信 道足相互独立的或者具有很小的相关性。 多径通常会引起哀落，这在普通的通信系统中是非常不利的。但对于m i m o 系统来说，多径却可以作为一个有利因素加以利用。图l l 所示为mj m 0 系统的 原理图。m i m ( ) 技术于发送端和接收端使用多根天线，在发送端串行数据符哆流 经过些必要的空时处理后被送到天线进行发射，在接收端通过各种空时检测技 术进行数据符号的恢复。通常为了保证各个子数掘符号流能够有效分离，备个天 线之n i j 必须保持足够人的距离( 通常要求半个载波波氏以上) ，以防i i ：接收信号| 1 j 过大的相关性。 山于各了数据符呼流同时发送到信道，它们芡用刚一频带，l 列而并未增加带 忧。若各发射接收天线问的信道响应相互独莎，则多入多出系统可以创造多个并 i 空问信道。通过这些并行空问信道独立地传输数据符号，数据率必然可以提高。 空列 楚曩 空时 娃曼 hl 一1m i m 0 系统原理i 冬l 1 2 2m i m o 技术的优点 随着m i m 0 技术研究的逐步深入，人们埘m ( ) 技术的认u 也伽f i 断捉商。耻 n ：l 经i f 遍认为，mj m o 技术足一种通过多人线的配胃充分利 j 信号的空| 1 i j 资源， 彳】效提高衰落f 者通信通容登的力。法。 l 柯京| | | | j i u 学院倾i 化沦卫籀- 市绪论 系统容量指通信系统在一定信噪比条件卜| 所能达到的最大传输速率，足衡量 通信系统的重要指标之一。对于肘发收的m 1 m o 系统，假定信道为独立的 胁y l c l g h 衰落，则系统的容量可以表示为【3 】： ( = l 0 9 2 d e t ( ， + 号月) ( 鱼融，拓) ( 1 一1 ) 其中。p 是接收端j f 均信噪比，h = ( j 。) 。、。是信道传输矩阼，其元素扛，。是 从发射天线m 到接收犬线n 之问的信道衰落系数。 当m ，n 微大，则信道容量c 近似为： czm i n 吖，v l 0 9 2 ( p 2 1( 1 2 ) 和s i s ( ) 倍道的容最公式相比可以看出，m i m o 系统的信道容量随着天线数疑 的增大而线性增大。也就是说m i m 0 技术可以在不增加带宽和天线发送功率的情 况卜，成倍地提高频谱利 f j 率，从而成倍地提高尤线信道容量。 时问和频率都是一维的资源，而空间是三维的资源：如果对信号的空间资源 加以充分利片j ，则潜力是巨大的。从移动通信的发展过程u 丁以看出，m i m o 技 术的出现是人们对空问资源逐步j 1 ：发利用的必然结果，因为m 1 m ( ) 系统较以往 的诸如智能天线的方法更能充分地利用空间资源。 简吉之，m j m ( ) 技术的优点主要是通过多大线的配置来充分利用信号的空 间资溺i ，从而达到提高系统容量的目的。在无线频谱资源紧缺的条件下，戈疑 m f m 0 技术足提高频谱利刖率和数据传输速率的有效方法之一。 1 2 3 目前无线m i m 0 技术的研究和应用概况 无线m f 【) 通信足一个崭新的、富有挑战性的研究领域。信息沦预示了见线 m 0 系统具钉潜n ! 的 人的信道容量，似在实际l f i 是获得这个容量的全卉| ；还足 部分以及为此甜要化赞多大代价等等，都值得我们仔细研究。因此，目前全i c | = 界 仃y f ：多学术机构、人公- d ( t 耍分柿在欧洲和北荧附家) i f 在对m l m 0 技术胜j r 更 深入的研究，推动卉这项技术f i 益占月实川化山阳发腱。最近l t u 干：删，pl l f 制定n ： ( ；雨jb ： ( ；的移动通信i f 】使用m i m ( ) 技术的仃天标准。对 j 3 ( ；，m ( ) 及 e 川天们技术t 叮以看成址川3 ：捉商数抓流最、系统性能和频谱效率方面i 的_ r 力补 允，i 口l 彳r 很烈的吸0 l 力。与此十 1 天的技术包括自适应调制和编码、混合 m 京l | | | f i u 。院坝i 。学位论史 和快速蜂窝选择等。在蜂窝移动通信中，日前还没自商用化的m 【m o 产品，矗：3 ( ； 中，除了使川纯发射分集的解决方案( m l s o ) 外，也没有使片jm i m 0 技术。几年6 口， 朗迅( ( f e nl ) 通信技术公司己做过了m 1 m o 系统的早期实验，并丁去年成功地测 试了两款b 1 s t ，吝片，芯片的最高速度达到了1 9 2 m b p s ，而且b l a s t 研究小组 最近取得了以前难以想象的无线频谱效率：2 0 4 0 b p s h z 。比较而言，使用传统的 无线凋制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为l 一5 b p s l l z ，对于点 对点的微波通信系统取得的频谱效率为1 0 1 2 b p s h z ；而且在3 0 k h z 的带宽内， f j e | l 实验宅d ：上述的频谱效率上实现了0 5 m b p s 一1 p s 的有效载荷数抓速牢： 而使用传统的技术，在浚带宽内墩得的数据速率仅为5 0 k b p s 。 i i 述内容只是口前无线m i m 0 技术在应用研究方面已取得的一些进腱的简竹 i i l 顾，实际r j 能远不止这些。堪管立此，但避还订i ，| = 多实际问题需蛋解决，这 些问题 ：要包括以下几个方面： 1 ) 天线的数量和间距 天线的数量和各天线之间距离是m l m o 系统设计的关键参数。在丛站安装火 量的犬线，它们之白j 的距离一般选择为1 0 个波长：对于终端，选择半个波氏的 天线问距足以保证有相当数邕的不相关衰落终端天线的最大数量预计为4 根：但足实际对于蜂窝手机，山于尺寸太小，即使选择最小的数目2 根也成 问题。 2 ) 接收机的复杂性 m j m 0 接收机与坼天线接收机柏比，复杂性明显要增加，具体表现在h 】二多 j h 户、多天线的存在，消除空m 二卜扰的空时合并器和信0 检测器的设计变得片常 复杂：j 扎为整个信道矩阵的姆条路径延时，都需要及时跟踪和更新，m l m ( ) 信 逝 _ _ | 叱要导敛复杂性的增加；额外的复杂性还来f _ l 增加的r r 链( 与r x 天线的 数l | 十等) 和川应的旗带运算j n ，还仃接收机的隔离钎法等。 ：j ) m l m ( ) 俯邋模型 川m ( j 系统的性能，n ：很人的私度 ：跟所处耶境的多径信寸的性质仃天，特 ! i ) j j 婴受再条路径之m 的相天发、时延扩腱平角度扩蜒的影响，此，了解平掌握 p 内干户外环境- h 尤线m 【m ( ) 信道的特性。对实脱潜和的巨人信通容量、墩得 预划的性能、选择合适的系统 构平设汁优良的信j 处理算法伞天重要。为此除 筲京| | 【l f l u 学院i ! j ! i 。学位论文第。啦缔论 了一些必要的实际测鞋外，必须建立合适的信道模型，用f 预测系统的性能和评 估算法的优劣。传统的无线系统的传播模型己成为了标准【4 】，1 i 过到h 前为止， i t u 还未制定柏应的m i m o 信道模型标准；3 g p p 已制定h 了有关m 【m ( ) 的信道模型 十，j ；准【5 】。 1 ) 信道状态信息( ( c s i ) 获取和利用 如何准确地获取信道的状态信息并及时地反馈给发射机是m i m o 系统设计c l 个值得深入研究的课题。信道容量实际j 二是信道特征模式的函数，m l m 0 信道 容越的实现将得益于知道信道状态信息的发射机，因为发射端叮以利用信道的状 念信息或郝分反馈信息依据注水原理而不足平均分配发射功率。而凡，如果已知 信道的十天矩随：还可以使信道编码、每一支流的比特分配年放大器的功率管理 做剑最佳。在【5 】中讨论了各种功率分配算法，它f f 埔2 在不同的信道条件下做 剑最佳。 除上述阅索外，还有其他一些埘素也会使m 0 系统的性能退化，例如：小1 i i 确的信道估计、夫线单元之问存在榭关性、较高的多普勒频移等。 1 3 本论文的主要内容 理论 ：，抵抗信道衰落，取得信道最大容量的最好方法是进行功率控制 存个多用户通信的m i m 0 系统咀，根据信道状况( c s i ) 在发送端的各个天线| 日j 如何分配发射功牢，以取得最大的传输容量是本论文讨论的主要内容。本论文的 章肖安排如卜- ： 第：嚣稿! 分析了无线信道特点的基础上，阐述了m i m ( ) 信道的特征并建立了 数学模型。 第一i 辑根抓对信道信息( c s l ) 的了解程度，分类讨论了一：阳条件卜单f h ，、， 川m ( 】系统的助率分配策略，霞_ i 分析了著名的“j f 水”算法，并时其作了仿真。 筇p u 章分刖对多f 】户m ( ) m a c 系统( j ： j ：) 羊多川户m ( ) | c 系统( f 行) 的功率分配策略进行了探 j ：分析了i ：行多川“迭代注水”算法的优劣针刈 je 4 i 足之处捉了改进的策略；依据i ：f i j ：的刈1 倡原雕，把改进的算法川j ：多川 ，、广插系统，以取得1 e 可达的最人总容量；并仿真、比较了这蝗算法的陀能。 笫“章总结了全文的t 婴：i ：作，并探讨了订待进一步深入研究的一些问题。 m 京i | | i i i u 学院坝l 学位论史 第一章绪论 本章的参考文献： 【l 】c e s h a n n o n ，”am a t h e m a t i c a lt h e o r yo fc o m m u n i c a t i o n ”，r e p r i n t e d w i t hc o r r e c t i o n sf r o mt h eb e l ls y s t e mt e c h n i c a lj o u r n a l ，v 0 1 2 7 ， p p 3 7 9 4 2 3 ，6 2 3 6 5 6 ，j u l y ， o c t o b e r ， 1 9 4 8 【2 】e t e l a t a r ， ”c a p a c i t yo fm u l t i a n t e n n ag a u s s i a nc h a n n e l s ”，b e l l l a b st e c h m e m 0 ，p p 卜2 8 ，1 9 9 5 【3 】 g j f o s c h i n i a n dm j g a n s ， ”0 nl i m i t so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si naf a d i n ge n v i r o n m e n tw h e nu s i n gm u l t i p l e a n t e n n a s ”，w ir e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 6 ，p p 3 1 1 3 3 5 ， m a r c h1 9 9 8 【d 】 ”( ；u i d e l i n e sf o rt h ee v a l u a t i o no fi m t2 0 0 0 ，i t ur e c o m m e n d a t i o n ” i t u ，t e c h r e p m 1 2 2 5 【5 】l u c e n t ，n o k i a ，s i e m e n s ，a n de r i c s s o n ，as t a n d a r d i z e ds e to fm l m o r a d i op r o p a g a t i o nc h a n n e ls ”， t e c h r e p 3 g p pt s gr i 一0 l l1 7 9 ， 2 0 0 】 7 南京i | | | i l b 学院f i ! j 。学位论文 第一章无线侪道分析艟业模 第二章无线信道分析及建模 本章在深入分析无线无线信道特点的基础上，给出了本文后续章节中所使 用的m i m o 系统的信道模型。 2 _ 1 无线信道的特点 确定一个通信系统，首先必须分析该通信系统的信道特征。之所以需要对 信道特征进行分析和建模，一方面因为信道特征决定了信道的容量【l 】，也即 单位功率所能达到的最大传输速率；另一方面，通信系统中的编解码、调制解 调和各种接收技术等通信模块都是针对特定的信道特征来进行设计的。所以， 无线信道的特征分析和相应数学模型的建立对进一步的研究和仿真非常重要 是研究和j 1 ：发通信系统的首要问题。 2 1 1 无线信道分析 移动通信使用一定频率的无线电波进行通信，而且随着无线通信的发展， 频率的使用也越来越优化。现在移动通信的频率范围在甚高频( v h f ) 、超高频 ( u i f ) 的范围，这些频段的传播方式受地形地物影响很大。 山于电磁波传播时的反射、散射和绕射等原因，空问传播环境( 如地形地貌、 树木房屋、空问悬浮物和其它阻挡物等) 的复杂性将对电磁波的传播产生复杂的 影l 响。从大尺度( 收发信机之间的一般距离) 意义上，电磁波主要经历自山空间 路径损耗、阴影衰落等变化比较缓慢的衰落因素的影响。由于大尺度传播模型 0 本文研究问题关系不大，在此就不作介绍，详细的分析与建模可以参考【2 】、 【3 】等。本章重点讨沦小尺度衰落的特点及模型。 所谓小尺度衰落，足指无线信号在很短的传播时删或距离内有很大的幅度 褒落，| ： l 这种衰落的程度和影响远远大于山于传播损耗和阴影衰落等原因引 起的人j t 度衰落。小尺度衰落主要山以卜j l 个方面引起：d o p p l e r 效应造成的 频率调制、多径传播引起的时延扩展、环境因素的急速变化导致的信号强度突 然改变、信号带宽大于无线信道的相干带宽时出现的频率选择性衰落。 缃京蜘；l 乜学院帧l 学位论殳 箱二章尤线竹道分析驶矬模 ld o p p l e r 效应 山于移动台的不断运动，当达到一定速度时，固定点接收到的载波频率将 随运动速度的不同，产生不同的频移，也就是说频率发生了变化和偏移，通常 把这种现象称为d o p p l e r 效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变 高，远离基站时频率变低；这就好像对信号又进行了一次频谱的搬移。因此， d o p p l e r 频移实质上是一种非人为的频率调制。 处于无线信道中的物体的运动也会引起时变的d o p p l e r 频移，如信号反射 面发生移动时，也相当于收发端之间有相对移动。当环境物体的速度足够大时， 浚运动物体将对小尺度衰落起重要作用。 移动台与接收机之间的相对运动引起的d o p p l e r 频移可由公式( 2 1 ) 来表 示： 厶= ；c o s 口 ( 2 一1 ) 其中，v 表示移动台的移动速度五表示载波波长，口为速度方向与收发端 径向之问的央角。由公式2 1 ，可以容易地得到最大d o p p l e r 频移： 正。= m a x _ ( 2 2 ) 容易看出，当移动台向接收端移动时，d o p p l e r 频移为f 反之为负。 若假设各个方向到接收端的入射角口( 一石，石) 是均匀分布的，则接收信号 的功率谱密度为： 2 丧【i _ ( 等) 2 】“2 ，f 一厶，正饥 ( 2 _ 3 ) 其i i ，正是载波频率，只是各向同性天线接收到的平均功率，此式即是 c l s jc 谱【2 】。可见信号的功率谱被扩展到( 工一厶，一+ 厶。) 中去了。 i 【j j j ：移动台与基站之间的相对运动及多信道环境物体的运动造成信道的时 变特性，导致在无线数字通信中，接收端每过段时i l j 即要对信道进行估计， 以捕获信道的时变信息，从而即时调整接收端的信道模型参数，提高相关接收 的性能。一般采用相关时问的概念来表征信道参数基本维持不变的时| 、日j 问隔。 相关时l 、日j 定义为： 7 ：= l 厶 ( 2 4 ) 9 南求l | j | i i u 学院埘i 学位论殳 第一章 七线儒道分析驶矬摸 在相关时问问隔内，信道具有很强的相关性。若基带信号的带宽远大于最 人d o p p l e r 频移，则信号的时域宽度远小于相干时间。由时域卷积知识易知 信号脉冲近似卷上一个常数信号，因此接收机接收到的信号在个符号周期内 变化不大，可以认为一个符号内的传输不受d o p p l e r 频移的影响。 2 多径效应 一般情况下，移动通信系统多建子大中城市的市区，在这种移动信道环境 l f ，由于城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异使得移动通信 传播路径较直视的无线通信更复杂，信道中电波的传播不是单一路径，而是许 多路径而来的众多反射波的合成。山于电波通过各个路径的距离不同，因丽各 个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同，不同相位的多个信号在接收 端迭加，有时迭加而互相加强( 方向相同) ，有时迭加而相互减弱( 方向相反) 。 【q 此，接收端信号的幅度将会随机地急剧变化。多径特性是移动信道的最j i 要 特点。 当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延 的脉冲组成，称之为时延扩展。信道的多径时延扩展7 ：。的倒数可近似地定义为 信道的相于带宽f 。 瓦= l 只 ( 2 一j ) 山图2 一l 可以看出，当信号的带宽比相干带宽f 小时，信道对信号的所有 频谱分量有大体相同的衰落影响，即信号的所有频率分量在信道内的衰落是一 致的，信号波形不会产生失真，信道表现为频率非选择性( 平坦) 衰落( 信号的时 域宽发远大于多径时延扩展，时延扩展区间内散落着若干个无法分辨的多径， 多径信号之洲的相位差很小，只要信号的自相关特性比较理想，信号的形状不 会彳fj 儿j 姓的变化，从而荩本保持其厥始的谱特性) ：反之，当信号的带宽比棚 ： 带宽f 人时，信道对频率间隔大于c ，的信号频谱处的衰落是不相干的，有的 频二# 分链衰减火，有的频率分量衰减小，信号波形将产生严重失真，信道表现 为频率选择性的( 信号的时域宽度小于多径时延扩展，时延扩展区问内散落着若 干个多径，而且其中必定有一部分多径表现为可以分离的情形，多径信号到达 的十 j 位蔗可以取到0 ，2 疗) 的任意值，相位差为1 8 0 。的多径信号对的时消将引严 o 南京邮i u 学院颁i 岸位论文 第一二章尤线竹馗分析技建模 霞的衰落，从而信道使信号严重失真) 。在实用中，频域均衡和多载波技术可以 补偿或克服频率选择性衰落。 骊率造开垃 i 兰| 2 2 1 2 信道衰落的分类 颓率誊遣社性 l 频率选择性衰落示意蚓 信号通过无线信道时，信号参数与信道参数共同决定了衰落的类型。多径 和d o p p l e r 效应导致的小范围衰落对通信的破坏力最强。频率选择性衰落会导 致码问干扰( 【s i ) ，使得精确地理解收到的符号变得更加困难。平坦衰落会使 刚r 恶化，因为反射会导致矢量成分互相抵消。快衰落会使发送的基带数据脉 冲失真，可能会导致锁褶环同步问题。慢衰落也会降低s n r 。 小尺度衰落通过被总结为出多普勒扩展和多径时延扩展两个信遥因素和信 号带宽因素的不同关系决定的，主要有以下几种分类： 快衰落在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号 在一秒钟之内的显著衰落可能达到数十次，而且衰落深度可能达到3 0 d b 以t 。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠性，称 为快衰落。 慢衰落接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值( 平均值) 也 会出现缓慢变化。主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的， 以致电波的折射传播随时f 、日j 变化而变化，多径传播到达固定接收点的信 号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为 慢衰落。 频率非选择性衰落平坦衰落是指信号的带宽比信道带宽窄，各种频谱 分鞋能以捆同的衰落增益通过信道，经历一种平坦的衰落过程，这种衰 落在窄带通信 - 最为常见。在这种衰落情况下，信道的多径结构并未使 村京峨l u 学院坝i ：学位论文 第一二常七线f a j 苴分析技迎攘 信号的频谱特性发生变化，但由于衰落使信道的增益呈现时变特性，接 收信号会随时问的变化而变化。这种衰落实际上就是单径信道模型。 频率选择性衰落当信号的带宽大于信道带宽时，则必定有部分信号 频谱信道的恒定衰落段之外，其经历的衰落与其它部分不一样，信号频 谱中的某些频率成分比其它的成分获得了不同的增益，信道就会使信号 经历频率选择性衰落。 r a p p a p o r t 在【2 】中将小尺度衰落总结为树状图，如图2 2 所示。 小 尺 度 袁 幕 ，一慢衰落： 1 抵多菁粒频骖 i乞捌千时阕) 净号周期 3 锭道熏忱爱乎基赘辏号变化 1 一侠衰藩 1 高多簧薪颡晷 2 ，榴：时伺 信道相干带竞 2 尉延扩腰符号周期 幽2 2 小尺厦衰落类删树状不意幽 从以t ：分析可以看出，复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是山 在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。由于移动台在通信区域内随时 移动，刁i 可知吲素也随之增多，移动信道变化很复杂，为了建立通信过程和保 持通信的连续，需要随机选用无线信道，进行频率和功率控制、地址登记等多 种订线通信中不需要的技术，而且在入嘲和计费方式上也有特殊的要求，这就 使l e 通信比固定网要复杂得多，无线信道的特殊性、复杂性使得系统设汁要考 虑的因素大大增多，需要采用的技术模块也相应增加，移动通信系统的设计也 怒 窿 扩 扩 跫 铀 时 嚣 径 多 多 于 干 纂 篓 r。，；。，。，弋。，。l 一 南京帅i u 学院埘! i ：学位论史第一二搴无线n 道分析技建模 就比一般的有线通信系统复杂得多。但对于移动通信来说，这种恶劣的信道特 性足不可回避的问题。要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必 须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。这就是各种抗衰落技术，包括分 集、扩频跳频、均锈、交织和纠错编码等。各种抗衰落技术和数字传输技术的 研究埘发展数字移动通信系统是十分重要的。 总而占之，无线信道包括了电波的多径传播，时延扩展，衰落特性以及 d o p p l e r 效应，在移动通信中，必需要充分考虑这些特性以及解决的方案。而 且。i f i 是出于无线信道的诸多特殊性爿使得无线信道研究变得非常复杂。通信 系统的设汁人员只有理解了无线信道的特点，才能深入地研究各种移动通信技 术。 2 2 移动信道的模型 研究和丌发移动信道中数字传输技术的第一步工作就是认识移动信道本身 的特性并建立相应的模型。实际上，移动信道已成为许多理论分析和现场实测 的课题，并已褥出许多有关其特性的结果。其中有些可给出精确的数学拙述， 另一螳则给出统计模型。然而，由于移动信道的复杂性，仍有许多待研究课题。 例如，不可能用单一的数学模型来描述所有的移动环境，不同地区、不同城市 中的移动信道特性究竟如何，只有在这些坏境中用场强实测获取的数据中来确 定。 通常分析无线信道的方法是根据无线电传播的特点，考察无线电信号的大 尺度的传播损耗和小尺度的慢、快、平坦和选择性等各种衰落【2 】。大尺度传 播损耗指无线电信号传播过程中的所经历的自由空间传播损耗、由树叶、建筑 物等造成的阴影效应等，这与本文关注的主题关系不大，在本文中并不作分析 研究。衙l l f 无线f u 信号传播时所遭受的反射、散射等多径效应和通信双打的相 对运动引起的d o p p l e r 频移( 或称d o p p l e r 调频) 以及信号的带宽超过信通的相 f ：惜资j n 引起的，重的i s i 等小尺度的衰落是本文建立信馗模型的主体。 2 2 1 多径衰落信道模型 多径传播模型是移动无线信道模型最重要的部分，是移动通信领域中的 南京1 | i i f i u 学院坝i j 学位论史 筘二章无线信道分析厦i l ! 摸 个不呵回避的话题，也是移动信道估计的主要研究对象。移动系统一般都是针 对特定的多径环境进行设计的。本文主要针对基带信道模型进行研究。 假定待发送的基带信号为岛( ，) ，发射载波为正，则发送到信道的信号s ( f ) 可 表_ i 为： s ( ，) = r e “( f ) 2 5 ，：， ( 2 6 ) 则经过町分辨多径信道后的接收信号y ( f ) 可表示为： y ( f ) = 6 0 0 弦。一o ( f ) ) ( 2 7 ) 将式( 2 6 ) 代入到式( 2 7 ) ，可得 y ( f y = r e 口m p 讲毗5 一柏) ) ( 2 8 ) 则山式( 2 8 ) 可知，等效低通接收信号为： 一( f ) = 吼( f ) e 一2 ”“巾唧( f 一( f ) ) ( 2 9 ) 因此，等效低通信道的冲激响应可描述为： 岛( f ；f ) = 吒( f ) e 叫占( 卜柏) ) ( 2 一i o ) 当多径不可分辨时，式( 2 7 ) 的接收信号应建立为连续多径分量的积分形 式： y ( ，) = 口( f f ) s ( 卜f ) d f ( 2 一1 1 ) 代入式( 2 6 ) 到式( 2 1 1 ) ，可得 y o ) = r e 口( f ；f ) p 一2 8 _ ( f r ) d r 】p 2 ”) ( 2 12 ) 此h 、1 信道的等效低通时变冲激响应为： ( f ；f ) = a 。( f ；f ) e 一。2 ”7 ( 2 一1 3 ) 山式( 2 一1 3 ) 町见，信道冲激响应的幅度是随机的( 凶为幅度因子a 。( r ；f ) 随 时n 帅q 变化而随机变化) ，而相位变化只与各径的延时有关。从而 ( r ；f ) 是+ 个 复随机过榭。一般地，当媒质具有随机散射特性时， ( f ；f ) 可以建模成0 均值 的复随机过程；还存在固定散射或固定的直射、反射信号时，则可建模成均位 小为0 复随机过程。 南京懈i 乜学院伸。 位论文 第一二章尤线竹道分析驶建横 2 2 2 常见信道模型 1 i a k e s 移动信道模型 j a k e s 假设从发射机到接收机之l 日j 存在无数条传播路径，这些路径到达接收 机的分布是离散均匀的。设输入信号为s ( f