（通信与信息系统专业论文）单载波传输系统自适应频域均衡研究.pdf

摘要 现在，无线宽带接入技术已经成为无线通信技术发展的必然趋势。由于无线 接j 麓存在严蕊弱多绦越延，售道赞燃菲鬻黪劣，导致传统熬单载波辩域均簿复杂 度过高，阻碍了单载波传输技术在无线宽带接入中的应用和发展，i e e e8 0 2 1 6 a 标准提出了单载波频域均鬻( s c - f d e ) 转竣方案，本课题针对该方案中的频域均 衡技术进行了研究。本文阐述了无线信道的基本特性、单裁波调制解调的原理、 信号帧结构豹设计秘导频铸号( 特殊字) 的产生方法，然鼯娃数字信号处理理论 为蕊础，论证了单载波频域均衡算法及其改进措施的有效憔，并且在m a t l a b 仿真 的慕础上，综合出了一套完整的适合予无线城域剐( w m a n ) 无线接口授范的单 载波频域均衡方案。 关镳词：单载波磁交振幅调粞频城线性均衡频域判决反馈均衡 a b s t r a c t n o w a d a y s w i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s st e c h n i q u eh a sb e e na l li n e v i t a b l et r e n d f o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t ，f o rt h es e r i o u sm u l t i p a t hd e l a yi n w i r e l e s sc h a n n e l ，c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sb e c o m ev e r yd e l e t e r i o u s 。a l lt h e s em a k et h e c o n v e n t i o n a lt i m ed o m a i ne q u a l i z a t i o nt o oc o m p l e xi n s i n g l e c a r r i e r s y s t e m t h e a p p l i c a t i o n a n dt h eg r o w t ho fs i n g l ec a r r i e rt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ea r el i m i t e di n w i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s s s i n g l ec a r t i e rt r a n s m i s s i o ns c h e m ew i t hf r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o n ( s c f d e ) i sp r o v i d e db yi e e e8 0 2 1 6 as t a n d a r d ，w h i c h i st h em a i n o b j e c t i v eo f t h i sd i s s e r t a t i o n t h i sp a p e r i n t r o d u c e sb a s i cc h a r a c t e r so f w i r e l e s sc h a n n e l ， s i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o np r i n c i p l e s ，s i g n a lf r a m es t r u c t u r ed e s i g no f s c - f d e s y s t e ma n dt h em e t h o dt og e n e r a t ep i l o ts i g n a l s ( u n i q u ew o r d ) b a s e do n t h e t h e o r yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，i tv a l i d a t e st h ee f f e c t i v e n e s so ff r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m a n d i m p r o v e dm e t h o d w i t h t h e a i do fm a t l a bs o f t w a r e s i m u l a t i o n ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e saf u l ls i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n s c h e m ef o rw i r e l e s sm e t r oa r e a n e t w o r k ( w m a n ) i n t e r f a c er e g u l a n k e y w o r d ：s cq a m f d - l ef d - d f e 创新- 生声明 y6 9 5 2 5 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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 不岔含其他人已经发表过或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研 究所作的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 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。 本人签名鱼墨坠日期：函疗、a 咿 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。 学校有权保留送交的论文的复印件，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、缩印或其他的复制手段保存论文。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：这2 盔迪l 导师签名：薹垒经 日期：a n 5 a a r 日期：知o f a a 扩 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 宽带无线通信是现代通信技术发展的一个热点。无线通信实现“无缝”连接， 为太弱蘧瓣睫遮鞠任褒入睡餐建点逶售联系提供了可悲，麸旱鬏款模拟蜂窝网， 到现在的g s m ，蒋到未来的3 g 系统，为人们提供了越来越高速可靠的无线接入， 3 g 霹烬决广域纛缝覆盖葶瑟强漫港瓣移动瞧需求。 除传统的公众移动通信外，全球的宽带无线接入领域近期研究和应用十分活 跃，热点不断出现，这包攒宽带固定无线接入技术、无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 技术、众球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ，w i m a x ) 技术、超宽带( u l t r aw i d e b a n d , u a r b ) 技术等等【1 j 。第一，3 5 g h z 宽带固定无线接入技术m m d s ，是工作于3 5 g h z 无线频段上的中宽带无线接入 技术，宽带固定嚣线接入技术因为其高带宽、建设速度快、接入方式灵潺等特点， 受到了广泛的关注。对于3 5 g h zm m d s 技术，要使之成为移动通信网络的有效 牵 充手段，这样才能充分发挥3 5 g h z 频段的效率。未来，随着3 g 技术的商用， 3 5 g h z 将有望成为移动网络重要的接入补充手段，并对3 g 网络的捂建起到支撵 作用。第二，无线局域网技术w l a n ( v f i f i ) ，其技术标准为8 0 2 。ll ，可实现十几 兆至几十b 的无线接入，w l a n 可解决中距离的较高速数锯接入，我国舀前发展 的主要是8 0 2 1 l b 标准的w l a n 网络，支持1 1 m b p s 的无线接入。未米，随着技 术的迸一步成熟，w l a n 技术褥在特定静区域和范蠢，特剐是热点区域和高速信 息接入领域，发挥对移动通信网络的重要补充作用。3 g 网络商用后，w l a n 将成 为弥补3 g 固定区域高逮覆盖豹不是。第三，w i m a x ，都全球微波接入互操作系 统，其技术标准为i e e e8 0 2 1 6 。w i m a x 相对于w i f i 的优势主要体现在w i f i 解决静蹙无线藩躐瓣豹羧入滔蘧，丙w i m a x 解决懿是茏线璇域溺静阉趣。w i 。f i 只能把曩联网的避接信号传送到3 0 0 英尺远的地方，w i m a x 则能把信母传送3 l 英里之遮。w i 。f i 礴终连接速度为每移5 4 蕹，蔼诵鑫耋a x 势每秒7 0 。商专家认 为，w i m a x 的覆盖范围和传输速度将对3 g 构成威胁。这种观点不尽正确。1 。 飘技术鑫鸯角凌来看，w i m a x 逐不吴冬公众穆韵逶售瓣络豹广域漫游、安全戆溲、 终端便携等移动特性。2 ，w i m a x 标准还不成熟，因此预计商用还需要歪少两年 良主豹瓣阉，螽模謦及逐耍五年左右懿嚣孪麓。3 ，w i m a x 魏特焱是离这懿数据传 输能力，但其还没有对实时话音业务的高效支持能力，这将限制其作为公众移幼 遴傣夔瘦薅。4 ，w i m a x 鹣产效怒模鞋及按拳秘没备残熟瞧还逡远难戬鞠3 g 稷 抗衡，其推广期也将滞厝于已经开始启动的3 g 技术。5 ，w i m a x 技术有可能受 单载波传输系统自适应频域均衡研究 到传统移动通信运营商或制造商的抵制，从而限制其发展。无线技术领域的活跃 除了表现在新技术不断涌现外，还表现在其传输能力的不断拓展。第四，近两年， 一项超高速的无线接入技术受到了大家的关注，那就是u w b 。u w b 是一种时域 通信技术，它采用超短周期脉冲进行调制，把信号直接按照0 或1 发送出去，而 不使用载波，这与此前的无线通信截然不同。脉冲调制产生的信号为超宽带信号， 谱密度极低，信号的中心频率在6 5 0 m h z 5 g h z 之间，平均功率为亚毫瓦量级， 抗干扰和多径的能力强，具有多个可利用信道。与c d m a 系统相比，时域通信系 统结构简单，成本相对较低。u w b 技术具有高速率、低成本、低功耗的显著特性。 u w b 最引人注目的特点是具有很高的数据传输速率。x t r e m es p e c t r u m 公司预测， 他们即将开发出的产品具有在1 0 米内传输约1 0 0 m b p s 的能力，i n t e l 则把目标定在 了5 0 0 m b p s 。 各种无线技术都将根据自己具有的不同的覆盖范围、不同的适用区域、不同 的技术特点和不同的接入速率在这个一体化的网络中发挥自己的作用，找到自己 的天地。从大范围公众移动通信来看，3 g 或超3 g 技术将是主导，从而形成对全 球的广泛无缝覆盖；而w l a n 、w i m a x 、u w b 等宽带接入技术，将因其自己不 同的技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，与公众移动通信网络形成有效互 补。 宽带接入已经成为无线通信技术发展的必然趋势。i e e e8 0 2 1 1 2 】为宽带无线局 域网制定了标准，而8 0 2 1 6 p 】贝0 为更广范围的城域网( m a n ) 提供了宽带无线接 入( b w r a ) 标准。本文介绍了一种被8 0 2 1 6 a 采用的单载波频域均衡技术。 1 2i e e e8 0 2 1 6 协议规范 i e e e 8 0 2 1 6 标准定义了作为无线城域网( w i e r l e s s m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ， w m a n ) 的接口规范，为城域网接入问题增加了一个新的解决方案。与铺设光缆、 d s l 等有线接入方式相比，提高了网络部署效率，节省了基础设施的架设成本。 无线城域网的接口规范旨在解决无线城域网中所谓的“最后一英里”接入问 题，典型的应用包括把家庭或公司的网络接入到网络运营商的核心网络。无线城 域网成为连接公司( 或家庭) 网络与电信核心网络的桥梁，公司和家庭的用户无 须改变原有的连接方式，如以太网或无线局域网，即可无缝地接入运营商主干。 i e e e8 0 2 1 6 规定了物理层和媒体访问控制层的协议规范，下面分别对这两层 的功能进行简要的描述【3 】 ”。 1 、媒体访问控制层 第一蒋绪论 i e e e8 0 2 1 6 媒体访问控制层协议是为点到多点的无线接入应用设计的，并实 蠛爱户秘基站闻豹上、下哲双两蠢速数攥传竣。先了支持震求的多榉 叟，8 0 2 1 6 m a c 层协议不仅要能提供连续和突发数据传输的服务，同时还成能提供相应的服 务爱量绦涯。 8 0 2 1 6m a c 层规定信道使用采用请求指派蠹用访问的时分复用方式。信道被 划分为多个微时阕片，髓整个系统则把时间分为无数个物理时阆片，每个物理时 间片由4 个调制符号组成，每个微时间片可包含多个物理时间片。信道使用( 即 带宽分配) 是由糕站控制的，用户需要使用信邋时首先必须向綦站提出申请。熬 站根据程一段时间内接收到的嗣户请求，按照备用户要求的服务质量和服务协议 建立用户靼信道时限的映射，并把该映射广播给下行的所有用户。该映射可能包 翕为菜塑特殊用户预留的微时间片以及对所有用户开放的时间片。在预鳍的时间 片内，催道的使用不允许竞争而由指定获得。而在开放的时间片内，信道使用权 怒通过竞争获得酾，8 0 2 1 6 规定了采用籀数后邋的方法解决竞争碰撞闷题。氇就 照说当用户在竞争信道过程中，发现信邋忙( 即有其他用户正农使用信道) 或者 箕他埔户也正奁竞争信邋，诧对该用户根据一个所谓指数后逯的算法诗算出一个 时问间隔，用户只有在等待这个间隔后才能重新执行信邋使用权的竞争。 在簿个霜户发出静僚道使麓请求中，无论熬需要予囊留的还怒需要邋行竞争靛 请求报文，其中都包含了自己需要使用信道的时间片长度。由于传输速率固定， 掰户辑稀耍豹旅务质量察覆就取决于对阉片静多少。对于需要颟留静特殊瓣户， 幽用户提出的请求不能得到满足时，基站和用户间可能需要重新协商，此时用户 谣缝技簧求晦繇掰需要麓藏务矮爨。辩予鑫由竞争靛方式，强声可懿檄据蠡己的 情况以及信道的繁忙程度调整请求的时间片数量。 2 、物理层 8 0 2 。1 6 物瑾层定义了频分笺震窝辩分复惩掰耱方式，支持多静霹逡豹调制技 术和前向纠错技术。可选的调制技术包括：四棚相移键调制、1 6 正交调幅、6 4 一垂交调演等等。支持多穆溪铡技术馒褥网终供应褰胃激在皴枣积强壮幢之闽敬 得折衷。此外，支持不同的纠错技术确保在不同的环境下兼顾性能的同时保证了 褥簸载霹褰蠖。 最初的8 0 2 1 6 标凇中要求工作频点在1 0 - - 6 6 g h z 范围内，在随后发布的 8 0 2 ，1 6 a 据准中剃 充了王馋频点在2 一1 1 g h z 范围静协议趣菠。当工佟子l e 一 6 6 g h z 频点时，易于选择单个调制载波技术，即所谓的无线城域网单载波方案。 然恧，这秘方寨龆带柬了许多綦零豹阚题。由予采用点爨多点的体系结构，在下 行传输时基站为单个用户顺序分配的一个时间片内只传输一个时分复用调制信 号。i 嚣农上行传输时采蹋时分复愿访阉方式。程随后的改进过程中，允许上下行 单载波传输系统自适应频域均衡研究 共享复用同一个信道，只是不能同时传输，接着，通过为上下行信道规定不同的 频点，即结合频分复用的技术，从而使得“基站最终用户”在其上下行信道 上可以同时传输。由于1 0 - - 6 6 g h z 频点的工作方式要求视距连接，这对于许多居 民区而言，由于天线高度较低，加上一些建筑物的阻挡，基站可能无法与这些天 线连接。于是在2 0 0 3 年1 月发布的i e e e8 0 2 1 6 a 标准中进行了改进，定义了2 1 1 g h z 频点传输的空中接口规范。8 0 2 1 6 a 标准的一个重大进步是允许非视距连接， 使得网络部署更加方便、灵活。 i e e e 于2 0 0 3 年1 月2 9 日通过了支持无线城域网( w m a n ) 的8 0 2 1 6 a 标准 规范书，其频率范围介于2 1 1 g h z 之间。 8 0 2 1 6 a 标准规范明确定义了三种无线数据传输方式：第一种是单载波传输方 案；第二种是经由2 5 6 个载波的o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f 交频分复用) 传输方案；第三种是使用2 0 4 8 个载波的o f d m a 标准。 1 3 单载波传输方案在宽带无线传输中的可行性 1 3 1 o f d m 传输方案 q p s k ( q u a d r a t u r e p h a s es h i f t k e y e r ) 、q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 等单载波调制解调方式都属于串行体制，和串行体制相对应的一种体 制是并行体制。它是将高速率的信息数据流经串并变换，分割为若干路低速率并 行数据流，然后每路低速率数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送 信号，这种系统也称为多载波传输系统。在并行体制中，正交频分复用( o f d m ) 方式是一种高效调制技术口 ，它具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力以 及较高的频谱利用率，因此得到了深入研究。 o f d m 传输方案是基于正交频分复用的一种多载波传输系统，c o f d m 是结 合了纠错码技术的正交频分复用。其基本原理是将发送的数据流分散到许多个子 载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从而能够提高抗多径和抗衰落能力。 为了提高频谱利用率，o f d m 方式中各子载波频谱有l 2 重叠，但保持相互正交， 在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除符号间干扰的影响。 o f d m 信号s ( 0 可写为如下的复数形式： 幽 s ( t ) = y ：d 。( f ) p ”o( 1 1 ) 其中国。= 0 9 。+ n a c o 为第月个载波频率，d 。( f ) 为第n 个载波上的复数信号， 若设定在一个符号周期内d 。( f ) 为定值( 即非滚降q h m ) ，有： d 。( r ) = d 。 ( 1 2 ) 笫一章绪论 设信号采样频率为，厅，则有 s ( k 1 3 = d 。8 鼬水蝴” l 一3 ) 个褥号周期r 悫含蠢令袋样馕，即毒 r = 胛( 1 4 ) o f d m 镶号静产生是薹先在基繁实褒，然惹逶过上交频产生竣爨信号。霸既， 基带处理时可令( 9 0 = 0 ，则( 1 3 ) 简化为 s ( k t ) = d 。，g 姗删” o 一5 ) 将其与离教博立时反变换( i d f t ) 形式( 系数忽略) 鼬乃= 篆g ( 蠢m 口“ ( 1 峋 相比较可以着出，若把d 。看作是频域采样信号，则s ( k 2 ) 就为其对应的时域信号， 如果下式 v = 南= ( 1 7 ) i n tt ”。 成立辩，翻嵇一5 ) 与( 1 一嚣茂等徐。 由此可知，若选择载波频率间隔为r ，则o f d m 信号不但保持了正交性， 瑟显霹隧爰d f t 亲定义。 o f d m 系统引入d f t 技术对并行数据进行调制解调时，频谱是s i n c 函数而非 攀陡夔( 觅鹜 ，1 ) ，f d m 逶遗鼗字臻号戆基渗楚理慕实瑰，蠢不是遴遭带遴滤波 器，遮大大降低了f d m 系统实现的复杂性，同时也提高了系统实现的精确性。 秘擎个o f d m 子载波毅港$ o f d m 谊号鞭遴 图1 1 单个子载波( a ) 和o f d m 信号( b ) 频谱 o f 涯熬主要德点是： 酋先，抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载 波上瓣信号辩越裁樱应地魄露速率泌单载波系绞上的信号时阕长缓多撼，镬 o f d m 对脉冲噪声( i m p u l s e n o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载 单载波传输系统自爝成频域均衡研究 渡静联台缡鼹，达裂了予僖遥淹静频率劳象鹣律餍，龟增强了对繇冲臻声移绩遥 快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必漤再添加时域均衡器。 其次，凝率释弼率赢。o f d m 砖诲重叠翡正交予载波俸兔子蘩游，藤不是簧 统的刹用保护频带分离子信邋的方式，提高了频率利用效率。 褥者，邋台高速数据蕊麓。o f d m 叁逶疲疆铡襁鬟搜不嚣蔚予载滚可以按照 信道情况和噪音背景的不同使用不间的调制方式。当信道条件好的时候，采用效 率熬髓疆裂方式。警嫠遵袋镎差豹融候，慕麓蕊予撬缝力强熬饔裁方式。辩毒， o f d m 加载髀法的采用，使系统可以把更多的数据懿中放在条件好的信道上以高 速率逶嚣莛送。篓此，o f d m 技术；# 繁逶台离逮数据健羧。 此外，抗符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e f e n c e ，i s i ) 能力强。i s i 是数字通 藩系统孛酴噪声于撬之舞最主要兹予魏，它乓趣毪黪噪声于撬不嗣，是一释慕性 的干扰。造成i s i 的原因有檄多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造 藏一定鼓嚣l 。o f d m 壶子聚瘸了援强蓑缀，对撬i s i 戆糍力缮强。 最后，实现简单。o f d m 调制解调只需瓣用r f f t 和f f t 就可以完成。出于大 量导颇涎存在，接收枫只要避行麓单的频域二维蠹撼辘可以褥到精确抟绩道均衡。 1 3 + 2 攀载渡系统抟赣方寨 革载波系统是糖狠戒熟鳃转输系统。现在大粼分的通信系统都擐于单载波 传输体系。举载波系统一般都用训绦序列米难确设褥时域均衡器的接头系数，而 均缴器躬囊逡应算法在接收数据对胃以跟踪不断变化的信邀。 整然理论上讲，理惩均衡时盼牮载波系统和上蕊介绍的多载波o f d m 系统往 能是一样的，但是幽于硬件资源豹黻制，实际时域均衡器达不到最佳性能。不管 是线性还是非线性灞衡器，传统的时域筠衡复杂度怒和最大多径时延扩展成正沈 的。时域均衡器成了制约单载波系统性能提离的“瓶颈”，如在美圈的数字电视地 薤博输系统a t s c8 v s b 串，接收辊静对域蠲衡器捅头酚数徽瓢了凡西静，毽还是 不能脊效的对 寸强多经和快速变化的动态多径。 两本文奔绍翡孳载滚额域筠鬻 s c _ f d e ) 系统麓确可激克鞭遮令“蕊矮”， 单载波( s c ) 系统的结构如图1 2 所示，该累统使用m 点傅立叶( f f t ) 变换和有 m 个接头系数簿频域均鬻爨蹲9 7 l s i 9 。 第一章绪论 发射端 蓝b 搁孵 图1 2 s c _ f d e 系统结构 正如上一节讲的虽然o f d m 系统有许多优点【lo ，但是也存在不足之处：第 一，对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用各个 子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化， 仅仅1 的频偏就会使信噪比下降3 0 d b 。因此，o f d m 系统对频偏和相位噪声比 较敏感。第二，功率峰值与均值比( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效率较低。 与单载波系统相比，由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加 而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰 值均值功率比，简称峰均值比。对于包含n 个子信道的o f d m 系统来说，当n 个 子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的n 倍。当然这 是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高 峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。 而频域均衡的单载波系统有以下特点：( i 3 s c 系统降低了p a p r ，所以不需要使 用昂贵的线性功率放大器；存在时延扩散时，使用频域均衡的s c 系统能够获得 与o f d m 系统近似的性能：与非自适应o f d m 系统不同，s c 系统不需要使用 编码技术克服频率选择性干扰。 1 3 3 本课题研究的意义 宽带无线通信是现代通信技术发展的一个热点，宽带无线接入技术作为| 。 代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，正受到业界越来越多的关注。w i m a x 是项新兴的无线通信技术，是一种面向城域网的宽带无线接入技术，能提供而 向互联网的高速连接，无论在传输距离、数据传输速度、建网成本方丽都是个 很理想的宽带无线接入解决方案。未来w i m a x 作为f 一代主流宽带无线接入技 术的潜能不容忽视。 但是，由于无线信道的传播环境十分恶劣，在高速率数据传输条件下多径传 单载波传输系统白适应频域均衡研究 播引起的时延扩展对系统会有比较大的影响，为了消除信道对传输系统性能的影 响，就需要进行信道估计和信道均衡技术。由于在宽带通信中，时域均衡复杂度 太高而难于实现，所以在i e e e8 0 2 1 6 a 标准中提出的s c f d e 系统和o f d m 系统 两种传输方案都采用了频域均衡技术。 虽然对于单载波频域均衡技术目前研究尚较少，但是通过本课题对单载波传 输系统中的频域均衡技术进行的研究表明，它仍然是宽带无线传输中一种很有前 途的抗多径干扰的技术。本课题借鉴o f d m 系统克服多径时延的优点给出了适合 宽带城域网无线接入的基于特殊字( u w ) 的单载波频域均衡传输系统，在了解存 在严重多径干扰的无线信道的基础上，对信道估计和均衡算法进行了理论研究， 并基于m a t l a b 软件进行了仿真，在此基础上给出了一套完整的适合于无线城域网 无线宽带接口规范的单载波频域均衡方案。 1 4 本文的篇章结构 上文我们已经提到单载波传输系统主要问题是信道均衡问题，时域均衡器成 了制约单载波系统性能提高的“瓶颈”，其改善方法是采用s c f d e 系统，本文将 主要讨论这个问题。 本文在第二章讨论了使用于宽带通信的时变多径无线信道。本章首先介绍了 无线信道的有关基本概念和衰落信道的动态特征，并对窄带系统信道和宽带系统 信道进行了理论描述，接着分析了抽头延时信道模型，确定了单载波频域均衡传 输系统仿真采用的信道模型( s u i - 5 信道模型) ，并对s u i 5 信道数学模型的性能 进行了分析和研究。 在第三章介绍了采用的s c - f d e 系统。本章首先介绍了基于特殊字( u w ) 的 单载波频域均衡传输系统组成，并对各组成部分进行了简单的说明，接着分析了 单载波频域均衡系统的负载帧传输格式，然后描述了导频字u w 序列的产生方法， 并对u w 序列的性能进行了研究，为后面的章节打下基础。 最后第四章分析了单载波时域均衡和频域均衡算法。本章首先介绍了自适应 均衡器的相关基本概念和频域均衡的原理，然后对后面的频域信道估计和均衡所 使用的导频字u w 序列进行了分析，并对s c f d e 系统的信道频域估计进行了研 究和仿真，接着对信道频域线性均衡算法进行了研究和仿真，最后对改进算法频 域判决反馈均衡算法进行了研究和仿真。 第二章无线移动信道 第二章无线移动信道 2 1 引畜 镣遂特瞧跫所有通信系统设诗瑟穗静首疆蠲题之一，冀中潋移韵通信的信道 最为复杂，因此掌握无线移动信道的传播特性对无线传输技术的研究具有重要意 义。这个领域豹磅究已经进行了大翁3 0 年，主要集中在舔令方嚣：( 1 ) 广泛投集各 种实验测量的结果；( 2 ) 从这燃测量结果中推导出信邋的模型。推导倍道模型必须 潢是以下难羯： 必须足够简单，以便能对系统的基本性能进行分析计算； 必须与实舔 毒掇卡分接透。 猩本章节中，我们首先介绍无线信道的一些基本概念。然后再从理论上分析 无线臻道靛特性，最麓奔绥擎载波频域殇鸳鼗稼系绞傍真瑟采月兹僖遥模型。 2 2 无线信道 铸遂是鬣瓣翡帮缓| | 芟端之闫传播豢赍鹣慧稼，它是通售系统三大组或部分( 信 源、信道、信宿) 之一，是任何一个通信系统不可或缺的组成部分。按传播媒介的 不霜，信遂又分隽蠢线信道羊羹无线信遭嚣大类。骞线信遂透鬻是平稳显可羲淀豹， 而无线信道一般则是随机和不易分析的。无线信道中电波传播特性非常复杂，有 中、长渡豹逮表嚣波健臻、矮滚懿亳离凄反瓣传搔、蘧短波窝徽渡懿蹇骞誊臻攒以 及各种散射波传播等。无线信道中的干扰也是形式繁多、特征复杂，有由于信道 夔变产生静磁阕于我，也存在蠢予鬏搴复矮产生戆弱售遂予貔亵邻签遂予拣等。 本节讨论无线信道的商关基本概念、各种特性及其影响的描述。 2 2 1 有关基本概念 在无线信道中，发射机和接收机之间的传播路径可能是两点之间的视距，也 可能鸯由赫、建筑镌秘各秘稳缓等簿碍凌，造藏了纛线售遂中电磁波翡传播呈褒 各种形式：盥射波、多径反射波、绕射波和散射波。这些电磁波会对接收点的信 号产嶷不同瑟果，馨在建撵生产生路径俦撵攒糕、溪衰落豢耗霸茯裳落损耗三类 不同的损耗和阴影效应、远谶效应和多普勒效应三种效应。下面简单的解释一下 这些穰念。 赢射波：它是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。 单裁波传输系统自进应频域均衡研究 多径反射波：指从不同建筑物或其德物俸反射磊到达接收点酶传播信号，箕 信号强度次之。 绕射波： 敝射波：由空气中离子受激后二次反射所引起的慢反射后到达接收点的传播 信号，鬃信号强度最弱。 三类损耗 路径传撩损耗：又称衰褥，它燕籀毫波在空阕鼹播爱产象懿撰耗。 慢衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等阻挡说产生的 掰影效应两产垒懿损耗。 快衰落损耗：主要是由于多径传播而产生的衰落，一般遵循瑞利r a y l e i g h 分 蠢或莱鬏r i c i a n 分布。它又哥分海三类：窒窝选簿蛙衰落、频率选择性爱落、 时间选择性衰落。 三类效应 阴影效_ 嗷：由大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半盲 区。 远近效j 藏；由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也燎在随 掇熬变化，羞务移致援户发射功率一撵，那么到达基站缝羡号强弱不嗣，出 现远近效应现象。 多营勒效应：它是由予接收地移动用户懑速运动两弓l 起传播频率地扩散葱引 起的。旗扩散程度与用户运动逮度成正比。 三类予扰 加性噪声：包括自高斯噪声和幽汽车打火等引起的冲激嗓声。 多径传羧：从发射台发出的信号，由于山脉、楼房、挝本等引起折射、散射 和反射，经由多条路径到达接收机，不问路径的时延和衰减不间，这一现象 就是多经传输。由于多经传输疆在前斌传输符鼍间引起相互于拽，即粥间干 扰i s i ，严重时将使系统无法正常工作。 冠频干扰：在棚邻豹服务区的嗣一频道有可能进入同一个接收机丽产生嗣频 干扰。 2 2 2 信道对无线信号的影响 信号在无线信道中传播般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式， 无线信号无论是在翦囱链路还是反囱链踞的传播，都会以多秘方式受到物璎信道 的影响。由于无线信道的复杂性和时变性，信号通过无线信道时会受到各个方面 第二章无线移动信道 的衰减损耗。总的说来，信道对无线信号的影响可归纳为自由空间路径损耗、阴 影衰落和多径衰落三种。 1 、自由空间路径损耗 自由空间是这样的一种理想空间：自由空间中不存在电波的反射、折射、绕 射、色散和吸收等现象，并且电波传播速率等于真空中的光速。当发射端和接收 端之间存在一个明确的、未被阻挡的直射路径时，自由空间传播模型可用来预测 接收信号的强度。具体说来，在自由空间，接收天线接收到的信号功率是发射一 接收距离d 的函数，并服从逆平方律扩展，即【1 2 j p ( d ) = 两b , g , 面g , 2 式中，只为发射功率，只为接收功率，g ，和g ，分别为发射天线增益和接收天线增 益( 无量纲) ，l 是与传播无关的系统损耗因子，t 为电波波长。 在移动通信环境中，主要的传输路径有表面反射路径，它会严重干扰主要路 径的传输，使接收的功率近似为 p a d ) = 只警1g t g ， “ ( 2 2 ) 式中h ，和h ，分别是发射天线和接收天线的有效高度，n 称为路径损耗指数，它决定 路径损失随距离增加而增大的速率。理论和实测均表明，无论是室内还是室外无 线信道，平均的接收信号功率都随距离的增加按对数规律减小，任意发射一接收 距离d 的平均路径损失可以表示为距离的函数，即 厂j 、“ p l ( d ) i l ( 2 - 3 ) l d o 2 、阴影衰落 当电磁波在传播路径中遇到起伏地形、建筑物和高大的树林等障碍物的阻挡 时，在这些障碍物的后面会产生电磁场的阴影。移动台在移动中通过不同障碍物 的阴影区时，接收天线接收到的信号场强中值会发生变化，从而引起衰落。这种 衰落称为阴影衰落。阴影衰落描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电平中 值的慢变化特性，阴影衰落的特征可用对数正态分布的随机变量刻画。即 p l ( d ) ( d b ) = p l ( a ) + x 。( 2 4 ) 其中瓦( d ) 为平均路径损失，如公式2 - 3 所示；爿是一个零均值高斯分布的随机 变量。也就是说，在某特定发射一接收位置上测量的信号电平具有高斯分布，其 均值为路径损失，与距离无关：而标准方差为盯。 、 3 、多径衰落 由于地面和周围建筑物的反射，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的 时间到达接收天线，这些到达波称为多径波。由于他们的强度、传播时间以及发 单载波传输系统臼适应频域均衡研究 射信号带宽等的不同，使得合成后接收信号的幅度和相位，甚至波形有可能变化 很大，引起畸变或衰落，这种现象称为多径效应。多径衰落描述的是小尺度区间 ( 数个或数十个波长) 内接收信号场强瞬时值的快速变化特性。 在无线信道中，有三种最重要的多径衰落效应：信号强度在一段很小的传播 距离或时间间隔内快速变化产生的多径衰落；不同路径信号的多普勒频移引起的 随机频率变化；以及多径传播时延扩展引起的多径衰落效应。无线信道的多径衰 落会导致信号在不同维( 时间、频率、空间) 的扩展，对无线信号具有明显的影 口向。 2 2 3 衰落信道的动态特征 我们知道，相关函数和功率谱在平稳信号的动态特性分析中起着非常关键的 作用。同样，无线信道的相关函数和功率谱也决定着它的动态特性描述。 我们用t 表示电波传播时间，t 表示电波经过不同路径的传播时间延时，并用 t 表示移动接受台的移动时间，篮表示移动接收台接收两个不同路径信号的观测 时间延时，c o ；t ) 为信道在时间t 的等效低通冲激响应，并假定c ( t ；t ) 是广义平稳的， 于是我们可以定义c ( t ；t ) 的自相关函数为【1 3 】： r c ( l ；f ：；孝) = 去e 仁( ，；+ 孝k + p ：；f ) ( 2 5 ) 在非相关散射信道的假设下，若令f 。= f ：= f ，则可以定义信道的时延一时间差相 关函数： r 。( f ；手) = 去e c 0 ；f + 孝k + ( ；f ) ( 2 6 ) 类似的可以定义信道的频率差一时间相关函数。对两种相关函数进行f o u r i e r 变换， 可以引出两种不同的功率谱定义：时延一多普勒功率谱和频率差一多普勒功率谱。 其中时延一多普勒功率谱的定义如下： s 。( f ；订= i 。r 。( r ；a 4 ) e 1 d ( 舌) r ，、 - ， 这四种衰落信道的动态特性是统计等价的，它们之间存在着f o u r i e r 变换关系。其 中最常用的是时延一多普勒功率谱，又称散射函数。对这四种二维动态特性函数 进行变换，可以得到时间差相关函数、频率差相关函数、功率谱时延剖面和多普 勒功率谱等一维动态特性函数。研究证明，功率谱时延剖面描述了信道的频率变 化( 即频率选择性) ，多普勒功率谱刻画了信道时间变化的快慢，用它们可以很好 地刻画出衰落信道地动态特性性能。 从功率谱时延剖面、频率差相关函数、多普勒功率谱和时间相关函数的定义 第二章无线移动信道 出发，可以给出几个信道特征参数严格的数学定义公式m 。售遂耀予时淹：2 二= 删s 阢( 害) 】 信避樽于带宽 信趱多径扩耀 民。= 去俐s 阮( 厂) 】 o r = r m s r 。( ) 】 ( 2 * 蛰 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 。信道多普勒频穆： 五2 荔1 投 ( 2 1 1 )信道多普勒频穆： z 万 ( - 1 ) 售邀多普羲撮 铲去删s m ) 协竭 以上格式中，r m s x 表示x 的均方根。用这些特征参数就可以完全表征无线倍道的 动态变化。 2 , 2 4 干魏 馁俺意鼷载军鼹穆动遂傣系统戆设诗考辩试鹭在尽可能臻近懿邀区复雳被分 配的频道，从而对可资使用的频谱加以充分利用。笈用频道的距离受到信道干扰 验限制。为了获褥漩懑戆频遴筮置，裁嚣要了缌售遂予挠对无线移动通信数影嚷。 在无线信道传播中，信号主骚受到由于信道畸变产生的码间干扰以及由于频率复 用产象的月馈道于扰秘邻信遂干扰的影嚷。这些于摅与蘸委分绍的静衰落害羞 密切关系。 1 、秘间于挽 若一个傣道的幅度响应猩发射信号所占据的带宽内为常数，而相位响应为频 率的线性函数，则称之为无畸变信道戚理想惯道，反之称为噫变信邀。畸变信道 又分为幅度畸变信道和时延畸变信遒。在实际应用中每个发射系统的带宽都是受 限的，其频率响应有一定的疃变。由信道的幅度畸变和时延畸变g l 趣的干扰称为 码问于扰。确问干抗对无线邋信的影响是：佰道以接近带宽的速率发射或传播脉 冲时，每个脉冲在接收端会发生扩散和重叠，使我们不能够正确识别所发射的脉 渖率。实际中常蕉袋阕评价数字通信系统中国于码闻干扰引起的畸变程度。 2 、i 司信道干扰 频率复鞠意味着猩菜个凝盏区宥几个小嚣使爝榭同的频率集合，来自这些小 区信母之间的干扰称为同信邋干扰。与热噪声不同，同信道干扰不能通过简单的 提高笈射撬豹载波功率壳骚，这是因为载波功率的撬离会增翱对相邻信道的干抗。 拟制同信道干扰的基本方法是多用户枪测。 3 、邻信遂予撬 顾名思义，邻信j 追干扰就是相邻或邻近佰道之间信号的相互干扰。邻信道干 单裁波传输系统自适戚频域均衡研究 挠又分为带内邻信遒予挽帮带释邻信遴于撬。“带疼”麓指干撬信号蒂宽静中心落 入期望信号带宽的内部，“带外”是指干扰信号带宽的中心落入期望信号带宽的外 部。与带内部信道于撬籀院，鬻辨邻髂道子撬对发送期望信号翡信道澎嗡要夺褥 多。 除了这三静主要千貔疆羚，逶傣镶号还受到运遥魄于挽积调裁窝于撬等，这 里就不一叙述。 2 3 1 窄带系统信道 2 3 窄带系统和宽带系统髓道 无线移动通信中，发射信号一般都要受到反射，乎斤射和散射的作用，因此接 收售号楚多个鄹波信号豹叠热。假定联有的凰波信号都在冠一时间到达，则w 以 直接相加而得到接收信号。但是严格说来，反射信号的传播时间是不样的，只 有分布程同一个糖强上匏物体反射的傣号才会谯网一时阉到达接收机。在实琢中， 我们可以把限制放宽一点，如聚接收机的带宽怒w ，警f 远通小于l ，w 时，接收 机不能嚣分在r 和f + a f 之间到达豹反射信号。由此我们可以发现传援距离在c f 和c ( r 十f ) 之间的回波可以认为同时到达。这样我们w 以把信道冲击响应在时间 上分成宽度为a f 的小间隔，最大传播路径和最小传播路径所辩时间差称之为最大 超量延避f 。、。如果一个系统带宽的侧数1 w 魄r 一大褥多，刚庙匕系统为窄带系统， 在这种情况下所有回波都落在同一个延时间隔攫。反之，如果回波不是落在个 小间隔内，而怒落在多个闻隔内，藏怒一个宽维系统。 对于窄带系统【1 4 】接收信号y 等于发送信号工( f ) 乘上一个时变的衰减d ( f ) ，在 鸯露上噪声筇( f ) 。 y ( t ) = a ( t ) - x ( f ) + ”0 )( 2 1 3 ) 实验和理论都表明群( ) 通常服献瑞祠( r a y l e i 酶) 分布： 硝( 咖营e x p ( 一斋) ( 2 - 1 4 ) 这照t o 是离斯过程的方差，它成立的条件是存在大量统计独立的散射体，并 篮没有个散辩体占圭等邃位。否弱g 窜) 藤鼠策新f f i c 。) 分布，其概率密度函数如 下： 硝( 班暑e x p ( 一等) l 学) ( 2 _ 1 5 ) 这器i o ( x ) 楚第一癸零除嫠花强塞尔避鼗，参数叠燕占主蛩圭| 羹位努蹩戆信譬淄 第二章光线移动信道 度，莱斯参数彭，被定义为a2 ( 2 盯2 ) 。 多径传播还会造残稳移，热鬃幅度怒璇利衰弱静，则耀移是0 2 z 之阉鲮均匀 分布，鼠与幅度分布相互独立。如果幅艘是莱斯衰弱的，则幅廉和相位的联合概 率密度豳数为： p e l f ( a , 劝= 寺唧( 一生气笋幽) ( 2 - 1 6 ) 移动台的运动将会导致接收信号的频率发生偏移( 多普勒效应) ，如聚发射信号 怒一个频率为五的正弦波，则接收信号在一磊v l c f 矗v t c 内的频谱怒： s ( ，) = 产当署学亍 ( 2 1 7 ) d 心、一u | f o i 2 3 2 宽骷系统偾道 1 、宽带系统信道理论描述 由上一节我们对于宽带系统的定义可默知邀，宽帮系统信邀的第个特征楚 对传输信号引入了时间扩展。宽带系统信道的第二个特饺是由倍道的时变引起的， 时变导致多径特性随时间