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(通信与信息系统专业论文)ofdm系统中的自适应调制技术研究.pdf.pdf 免费下载
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0 f d m 系统中的自适应调制技术研究 o f d m 系统中的自适应调制技术研究 摘要 随着经济的发展和通信技术的普及,用户对无线通信的速率和服 务质量提出了越来越高的要求。但是频谱资源的匮乏限制了无线通信 的进一步发展;此外,无线信道的开放性和信道参量变化的时变性对 系统中传输的信号会带来非常严重的损伤。近年来,由于链路自适应 技术能够大大提高无线通信系统的频谱效率和可靠性,从而已经引起 人们越来越多的关注。自适应调制是链路自适应范畴中的一项重要技 术。本论文主要研究了正交频分复用( o f d m ) 系统中的自适应调制 技术。 了解无线信道和o f d m 的原理是设计和评估o f d m 系统自适应 调制技术的基础。论文首先介绍了无线信道的建模和o f d m 系统的 基本原理。然后分析了自适应调制技术的信息论基础,这对于自适应 系统具有重要的指导意义。 在自适应0 f d m 系统中,自适应调制也称为比特加载,就是根据 信道状态信息( c s i ) 在不同子载波上使用不同的调制方式,从而实 现频域和时域两维的链路自适应。论文中总结和比较了几种常见的自 适应调制算法。同时还分析了影响自适应调制系统性能的因素,包括 频率分组、时间长度、信道估计误差和反馈信道时延等。 多输入多输出( m i m o ) 技术和o f d m 技术的结合称为 m i m o o f d m 技术。这种技术不但可以提高数据速率,还可以降低 时延扩展对系统的影响。在分析了m i m o o f d m 技术基本原理的基 础上,论文分析了结合空时分组码( s t b c ) 的m i m o o f d m 自适应 调制技术,并通过仿真进行了研究。最后论文还对新近提出的一种结 合发送模式选择的m i m o o f d m 自适应调制算法进行了研究,该算 法将自适应调整过程扩展到空间域,充分利用了m i m o 系统所提供 的复用增益。计算机仿真结果表明该算法提高了系统频谱效率。 关键词:自适应调制正交频分复用多输入多输出比特加载 北京邮屯大学硕= i 学位论文 o f d m 系统中韵自适应调制技术研究 r e s e a r c ho nt h ea d a p t i v em o d u l a t i o n t e c h n i q u e s i no f d ms y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de c o n o m y , t h ed e m a n df o r h i g h e r d a t ar a t ea n dh i g h e r q u a l i t y i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a ss e e nu n p r e c e d e n t e dg r o w t h h o w e v e go n eo f t h em o s tl i m i t i n gf a c t o r si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si st h es c a r c i t yo f s p e c t r u m i na d d i t i o n ,t h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n dt i m ev a r y i n gn a t u r e o fw i r e l e s sc h a n n e lg i v es o m ei m p a i r m e n tt ot h es i g n a l st r a n s m i t t e di ni t i nr e c e n ty e a r s ,l i n ka d a p t a t i o nt e c h n i q u e sh a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n s ,a st h e yc a nd r a m a t i c a l l yi n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n d i m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo fw 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 nt h i sd i s s e r t a t i o n ,t h ea d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u ei no r t h o g o n a l f 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 ) s y s t e m i ss t u d i e d k n o w l e d g eo fw i r e l e s sc h a n n e la n do f d ms y s t e mi s c r i t i c a l i n d e s i g n i n ga n da s s e s s i n g t h ep e r f o r m a n c eo fa d a p t i v em o d u l a t i o ni n o f d m s y s t e m t h e r e f o r e ,w i r e l e s sc h a n n e lm o d e la n db a s i cp r i n c i p l e so f 0 f d ma r ep r e s e n t e da tf i r s t a st h eb a s i so fa d a p t i v em o d u l a t i o n , i n f o r m a t i o nt h e o r yi sa l s od i s c u s s e d a d a p t i v em o d u l a t i o ni nt h eo f d ms y s t e m ,s o m e t i m e sc a l l e db i t l o a d i n g ,i st oc h o o s ed i f f e r e n tm o d u l a t i o ns c h e m eo ne a c hs u b c a r r i e rw i t h t h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na c c o r d i n g l y , w h i c hr e a l i z e sl i n ka d a p t a t i o n i nb o t hf r e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i n s e v e r a la d a p t i v em o d u l a t i o n a l g o r i t h m s a r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h e s e a l g o r i t h m si sa l s oe v a l u a t e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e , t h ei m p a c t so ft h ef a c t o r si n c l u d i n gf r e q u e n c yg r o u p ,t i m ei n t e r v a l , c h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ra n df e e d b a c kd e l a yo na d a p t i v em o d u l a t i o na r e a n a l y z e d t h ec o m b i n a t i o no fm u l t i - i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ( m i m o ) a n do f d m i sc a l l e dm i m 0 o f d m t h i sk i n do ft e c h n i q u en o to n l yc a ni n c r e a s et h e 北京邮电大学颂= 匕学位论文 o f d m 系统中的自适应调制技术研究 s y s t e md a t ar a t e ,b u ta l s oc a nc o m b md e l a ys p r e a de f f e c t i v e t y b a s e do n t h ea n a l y s i so fm i m oa n dm i m 0 一o f d mp r i n c i p l e s t h i sd i s s e r t a t i o n m a k e sr e s e a r c h e so nt h ea d a p t i v em i m o - o f d ms y s t e mc o m b i n e dw i m s t b c s y s t e mp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , an e w l yp r o p o s e da d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mc o m b i n e dw i t h t r a n s m i tm o d es e l e c t i o ni si n t r o d u c e d t h i s a l g o r i t h me x t e n d st h e a d a p t a t i o ni n t os p a t i a ld o m a i na n dc a ne f f e c t i v e l yu t i l i z et h em u l t i p l e x i n g g a i np r o v i d e db ym i m os y s t e m s i m u l a t i 0 1 3 r e s u l t ss h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mc a ni m p r o v et h es p e c t r u me f h c i e n c y k e y w o r d s :a d a p t i v em o d u l a t i o n ,o f d m ,m i m o ,b i tl o a d i n g 北京| | | 5 电大学项= l 学位论文o f d m 系统中的自适应调制技术研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外,论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有刁泱之处 本人签名:j 洫业 本人承担一切相关责任。 日期:趁! ! :三:至! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借 阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释:本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释:本学位 本人签名: 导师签名: 适用本授权书。 日期: 竺! :! :型 日期: 兰! ! ! :三:兰 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 现代通信技术的发展正在使人类进入一个崭新的信息化时代。通信技术的 应用已经渗透到现代居民的生活之中,人类社会生活对通信的依赖程度也越来越 强,世界各国都在致力于现代通信技术的研究与开发。 从移动通信技术和业务的发展而言:一方面,随着各种业务的发展,无线资 源如频谱变得越来越紧缺,如何更高效地利用有限的通信资源成为无线通信新技 术发展的焦点所在;另一方面,由于计算机和数字信号处理技术的日趋成熟,通 信终端对于信号在空间域,时间域和频率域的处理成为可能。本论文以提高通信 系统容量,或系统资源尤其是无线资源的有效性和通信系统传输可靠性为目标, 主要研究o f d m 系统中的自适应调制技术及其相关的问题。 本章首先介绍了现代无线移动通信的发展状况,然后讨论链路自适应技术的 主要特征和目前的研究进展,最后介绍了本论文的结构和内容。 1 1 无线移动通信发展现状 意大利科学家马可尼( gm a r c o n i ) 在1 8 9 7 年首次使用无线电波进行信息传 输并获得成功。1 9 0 1 年,马可尼实现了从英国到纽芬兰的跨大西洋无线电信号 接收,这是一次超过2 7 0 0 公里的远距离通信,充分显示了无线通信的巨大发展 潜力。在随后的一个多世纪的时间里,伴随着计算机技术和大规模集成电路技术 的发展,无线通信的理论和技术不断取得进步,今天的移动通信技术已成为人们 日常生活中不可缺少的重要通信方式。 早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域,用户数 量很少。二十世纪六十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。七十年代具有高可靠性 的固态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从二十世纪七十年代末到 现在的二十多年时间里,无线通信系统从以模拟技术、频分多址为特征的第一代 发展到以数字技术、时分多址为特征的第二代,直至目前正在逐渐开始商用的以 宽带码分多址为核心的第三代移动通信系统( 3 g ) 。 最近十年是移动通信迅猛发展的十年,据统计,1 9 9 0 年全球移动电话的用户 仅为1 千万,而2 0 0 3 年底移动电话用户的数量已达到1 3 亿。在中国,截止2 0 0 4 年5 月底移动电话用户总数达到3 0 5 亿,同时在最高峰时每月新增的移动电话 用户数超过1 千万,中国已经成为全球最大的移动通信市场【1 1 。不论是中国还是 全球,移动电话的用户数都已经超过了固定电话的用户数。 北京邮电大学硕士学位论文 o f d m 系统中的自适应调制技术研究 除了蜂窝移动通信系统,还有其他一些无线通信技术也在不断涌现,包括以 d e c t 、p h s 为代表的无线通信系统;以i e e e8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 2 为代表的无 线局域网、以i e e e8 0 2 1 6 为代表的无线城域网( 本地无线宽带接入) 、以蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 为代表的无线个域网以及以数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播 ( d v b ) 为代表的新一代数字广播技术等。图1 1 给出了不同无线系统在覆盖范 围和数据速率上的差别。 数据速率t m b i t s ) 图1 1 不同无线系统在覆盖范围和数据速率的差别 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,无线 通信的这种发展趋势将继续。预计到2 0 0 6 2 0 0 7 年间,全球蜂窝电话的用户数量 将超过2 0 亿,其他无线技术如无线局域网、无线城域网、无线个域网等也将有 更大的市场需求。 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。其中的关键技 术包括: ( 1 ) 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 ) 技术 对于第四代移动通信系统( 4 g ) 的高速数据速率,如果采用单载波传输,码 间干扰将十分严重,需要复杂的均衡器。而o f d m 由于具有频谱利用率高、抗 频率选择性衰落能力强、实现简单、对抗窄带干扰、易于实现子载波间的自适应 比特和功率分配、支持多种多址方式等优点,已经被视为是4 g 系统空中接口最 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 有可能采用的技术。 ( 2 ) m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 多天线技术 m i m o 技术是指在发送端和接收端都采用多根天线的技术。从信息论角度已 经证明,在多天线系统中,信道容量可以随信噪比线性增长,而不是单天线系统 中的对数增长,因此可以大幅度的提高无线系统的频谱效率。实际中,多天线技 术可以有多种用途,主要包括: a ) 空间复用,多个数据流并行传输,使用相同的带宽,可以提高数据传 输速率,如v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a bl a y e r e ds p a c et i m ec o d e ) 系统: b ) 分集,空间维是分集技术中很重要的一维,尤其是空时码技术; c ) 天线增益,利用波束成形提高接收端的信噪比; d ) 干扰消除,利用目标信号和干扰信号的不同空间特征来降低、消除干 扰。 ( 3 ) 新型信道编译码 数据业务对可靠性提出了更高的要求,t u r b o 码和l d p c 码在理论上接近仙 农极限,具有很好的性能,是第四代移动通信系统( 4 g ) 系统中最有希望采用 的两种编码。 ( 4 ) 链路自适应技术 采用自适应的方法,根据信道、用户和业务的改变,在满足一定条件下,改 变系统中的某些参数,如发射功率、调制方式、符号速率、编码码率、扩频系数、 交织参数、天线加权系数等,达到系统的最优化,是无线通信系统中提高频谱利 用率的重要手段。特别是在未来的4 g 系统,各种类型的无线业务( 语音、数据 和多媒体) 的广泛应用,需要无线容量和速率的进一步提高,链路自适应必然是 核心技术之一。在论文中将主要对自适应调制技术进行研究。 1 2 链路自适应技术的发展 频带是无线通信中最宝贵的资源,随着人们对无线数据业务需求的快速增 长,如何在有限的带宽上最大限度地提高数据传输速率,也就是如何最大限度地 提高频带利用效率,逐渐成为移动通信的研究热点。而链路自适应技术( l i n k a d a p t a t i o n ) 正是由于在提高数据传输速率和频谱利用率方面有很强的优势,从 而成为目前和未来移动通信系统的关键技术之一。 自适应技术在二十世纪6 0 年代末就已经被提出,但是在当时并没有引起人 们的注意,主要的原因是硬件的限制以及缺乏良好的信道估计技术。直到二十世 纪9 0 年代,随着技术的发展,这些限制逐渐得到解决,因此自适应技术重新成 为研究的热点。表1 1 列出了目前移动通信中主要使用的自适应技术。 北京邮电大学硕士学位论文 o f d m 系统中的自适应调制技术研究 表1 1 自适应技术分类及其应用情况 类别技术名称实际应用系统 自适应天线阵t d s c d m a 自适应接收技术 自适应均衡g s m 、i s - 1 3 6 i i s - 9 5 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 功率控制 口 ( 押r s 、e d g e 、h s d p a 、 自适应调制c d m a 2 0 0 01 xe vd o d v 、 自适应发送技术 8 0 2 1la 、h i p e r l a n 2 等 自适应编码同上( 两者一般结合使用) 可变扩频增益w c d m a 、c d n l 墟0 0 0 自适应发射天线分集w c d m a 、c d l 屹0 0 0 自适应无线资源 管理技术 动态信道分配 p h s 、d e c t 警 无线自适应技术是一个比较宽泛的概念,可以认为涵盖所有具有自适应特性 的无线技术。上表中的分类是根据其所在层面和主要功能给出的。其中自适应发 送技术也就是一般所称的链路自适应( l i n ka d a p t a t i o n ) 技术。链路自适应技术 主要可以分为功率控制和自适应调制两大类。 由于功率控制在c d m a 系统中起着举足轻重的作用,因此已经有了很多深 入的研究。此外,一般功率控制需要从系统角度考虑,而不只是单个链路。因此 目前一般都将功率控制从链路自适应中独立出来,而把链路自适应等同于自适应 调制技术。 无线通信有别于有线通信很重要的点,就是无线信道的动态性。这主要是 由于信道传播的开放性和信道参量变化的时变性,引起信道的频率选择性衰落和 时变衰落。制约无线通信系统传输质量的因素归纳起来主要有以下三个方面: 1 ) 移动通信信道是时变信道,该信道会引入严重的多径和阴影衰落。 2 ) 随着移动通信传输业务量的不断增加,频谱资源就显得越发紧缺。 3 ) 通信终端必须体积小,功耗低,重量轻,这些要求也限制了性能的提高。 由于这些因素的存在,必须采取频谱和功率高效的抗衰落技术来提高系统性 能。一些常用的方法包括功率控制,增加链路容量预留或采用信道编码交织。但 是,这些技术都是相对于最差情况下的信道条件来设计,这对频谱、功率等都是 宝贵资源的无线通信来说是一种很大的浪费。因此,就需要通信系统能动态地根 据信道的状态来改变一些相应的参数来提高系统的效率。 4 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 “一个有效对抗这些有害( 衰落) 效应的方法,是根据接收端获得的接近瞬 时信道质量信息,自适应地调整调制和信道编码的方式以及其他系统参数,这些 信道质量信息利用一个反馈信道反馈回发送端”,这是h a y e s 6 】在1 9 6 8 年就提出 的自适应准则,也是自适应技术的开端。 h a y e s 6 j 提出使用传输功率的自适应,而c a v e r s 7 】提出根据接收信道质量采用 变化的符号长度。变功率技术的缺点是它会提高平均发送功率要求和对其他用户 的共信道干扰( c c i ) ,同时要求使用线性度较高的a 类或a b 类功率放大器。 而变符号速率则会引起带宽的变化,同时硬件实现也比较复杂。 相比于上面两种方法,自适应调制是利用衰落的更简单有效的方法。s t e e l e 和w 曲b 瞵j 提出了基于星形q a m 的自适应调制技术。 斯坦福大学的g o l d s m i t h 教授及其领导的研究小组,对自适应调制有深入的 研究。根据对瑞利衰落信道的信道容量分析,g o l d s m i t h 9 i 正明了联合功率速率自 适应方式从接近信道容量来说很有吸引力,并且得到了变功率a q a m 的吞吐量 性能的表达式。但是,他们也发现对于大多数类型的衰落信道来说,变功率辅助 自适应相比于恒定功率变速率方式所获得的额外流量是少量的。他们还分析了 n a k a g a m i 衰落信道中,平均功率受限条件下,三种功率和速率调制方案的性能, 自适应调制与接收分集相结合时所得到的仙农信道容量,并指出分集技术可以进 一步提高信道容量【lo j 。此外,对自适应调制系统中自由度的分析得到,利用自 适应调制系统中一个或两个自由度,就可以十分接近利用所有自由度可能达到的 最大频谱效率【l 。 英国南安普顿大学的h a n z o 教授也在自适应调制技术的研究中取得了很大 的成就。t o r r a n c e 和h a n z o 1 2 j 提出了基于切换电平的自适应调制,用于获得较高 的每符号比特数,而保持目标平均误比特率( b e r ) 不变。c h o i 和h a n z o 1 3 】进 一步提出,在高信道s n r 的条件下,降低模式切换门限,鼓励使用高阶调制方 式,就可以获得更高的数据速率。t a n g m 】进一步提出,用智能学习的方法来适当 修正自适应调制中的切换门限。 c h u a 和g o l d s m i t h l l 5 j 研究了在窄带环境中信道编码结合自适应调制的性能, 其中使用了没有信道交织的网格码,使用发送端和接收端之间的反馈控制调制模 式。仿真和理论结果表明,这种方案与非自适应的网格编码相比可以获得很高的 频谱效率。h o l e 2 3 j 等进一步研究了平坦衰落信道中自适应多维编码调制。近来, 也有研究将自适应调制与t u r b o 码或l d p c 码相结合【l 。 一般的自适应调制只是在时间域上进行,即由于信道时变,调制方式随时间 进行相应的变化。但是随着多载波o f d m 和多天线技术的使用,未来4 g 系统 有多个信号域,即o f d m 系统中的频率域和多天线系统中的空间域。因此o f d m 北京邮电大学硕士学位论文o f d m 系统中的自适应调制技术研究 系统和多天线系统中的自适应调制也是近来研究的热点。 k e l l e r 和h a n z o 1 8 】提出了自适应多载波调制,同时提出了以子带为单位进行 自适应调制的概念。另外有很多学者提出了将自适应调制用于o f d m 系统中的 白适应算法。g r t i n h e i d 和r o h l i n g 旧】贝0 研究了o f d m 系统中的自适应调制与多 址方式,并进行了性能比较。 自适应调制应用于多天线系统可以有多种方式,例如空时码与自适应调制相 结合,其他发射分集方式与自适应调制的结合,以及利用部分信道状态信息( c s i ) 的自适应调制m i m o 系统等。 由于m i m o o f d m 系统可以将无线资源在时间、频率和空间这三个维上进 行划分,将自适应调制应用于m i m o o f d m 系统可以对资源的利用更加细化、 灵活和有效。 1 3 论文的结构和内容 链路自适应技术适应未来移动通信系统的高速率和高服务质量的要求,是很 有前景的- - 看e o 无线传输技术。自适应调制技术属于链路自适应技术的范畴。:本论 文在充分分析无线信道特性的基础上,深入研究了o f d m 系统中的自适应调制 技术,包括算法及其性能,并研究了m i m o o f d m 系统中的自适应调制技术及 其性能。 本论文第二章针对研究内容所需具备的基本原理一无线信道特性和o f d m 基本原理进行了分析和阐述。其中重点分析了大尺度衰落和小尺度衰落的特性, 以及衰落信道的模型和仿真模型的建立。同时,介绍了o f d m 技术的原理和系 统模型以及o f d m 技术的特点。 第三章集中研究了o f d m 系统的自适应调制技术及算法。首先分析了自适 应调制的信息论基础和实现方式,并在此基础上介绍了自适应调制o f d m 系统 的原理和数学模型。重点研究了o f d m 系统的自适应比特功率分配算法的性能。 最后,讨论了实际应用中影响自适应调制系统性能的几种因素。 第四章集中讨论m i m o o f d m 系统中的自适应调制技术。首先介绍了m i m o 系统的原理和信道模型,并介绍了m i m o o f d m 系统的原理。在此基础上研究 和分析了结合s t b c 的m i m o o f d m 自适应调制系统的性能。最后,研究和分 析了一种新的结合发送模式选择的自适应调制算法,并对其性能进行了计算机仿 真验证。 第五章是本论文的总结。概括了论文的主要工作,并提出了今后进一步的工 作建议。 6 北京邮电大学硕士学位论文第二章无线信道特性和o f d m 基本原理 第二章无线信道特性和o f d m 基本原理 本章将介绍无线信道基本特性,分析大尺度衰落和小尺度衰落,尤其是多径 传播和多普勒频移对于信号的影响,并给出系统分析中常用的无线信道模型。然 后分析o f d m 系统的基本原理、时域和频域模型以及其技术特点。 2 1 无线信道的特性 信号从发射天线到接收天线的过程中,会经过各种复杂的传播路径,包括直 射路径、反射路径、衍射路径、散射路径以及这些路径的随机组合。同时,电波 在各条路径的传播过程中,有用信号会受到各种噪声的污染,包括加性噪声( 如 高斯白噪声) 、乘性噪声的污染,因而会出现不同情形的损伤,严重时会使有用 信号难以恢复。无线信号在传播时不仅会受到自由空间固有的传输损耗,还会受 到由于建筑物、地形等的阻挡而引起信号功率的衰减,这种衰减还会由于移动台 运动和信道环境的改变出现随机的变化。 无线衰落信道的这种随机性和时变性大致可以划分为三个组成部分: ( 1 ) 路径传播损耗:它是指电波在空间传播所产生的损耗,它反映了传播 在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 ( 2 ) 慢衰落:它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产 生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值 变化而产生的损耗,一般遵从对数正态分布,其变化率较慢故又称为慢衰落。 ( 3 ) 快衰落:它主要是由于多径传播而产生的衰落它反映微观小范围内 数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗,一般遵从r a y l e i g h ( 瑞利) 分布 或r i c a n ( 莱斯) 分布,其变化率比慢衰落快,故称它为快衰落。 一般把路径传播损耗和慢衰落称为大尺度衰落特性,而快衰落则称为小尺度 衰落特性。 2 1 1 大尺度衰落 。通常情况下,当接收机和发射机之间的相对位置在1 - - 一1 0 米的范围内变化时, 接收信号功率的平均值基本保持不变,但当它们的相对位置的改变远超过上述范 围时,接收信号的平均功率会有几个数量级的变化。大尺度衰落正是用来描述接 收机和发射机之间的距离有大尺度的变化时,接收信号的平均功率值的变化规 律。 北京邮电大学硕士学位论文0 f d m 系统中的自适应调制技术研究 在自由空间传播条件下,接收机接收的平均功率万可由下式给出【2 0 】 耳= 只( 南k , ( 2 - ,) 其中,只是发射功率,是发射天线增益,毋是接收天线增益,五是电波波长, d 发射机与接收机之间的距离。于是以分贝为单位的路径损耗公式为 一 百 p l ( d b ) = 一1 0 1 0 9 詈 _ 3 2 4 5 + 2 0 1 0 9 f + 2 0 l o g d g t g , ( 2 - 2 ) 其中,为电磁波频率,g ,和g ,分别为发射和接收天线增益( d b ) 。由式( 2 2 ) 可 以看出,自由空间中接收信号的功率与距离的平方成反比,即 只芘素 ( 2 3 ) 在实际的移动环境中,传输损耗要比自由空间中的大许多,通常用下式表示 只o c 方 ( 2 - 4 ) 其中口2 称为路径损耗系数,一般可取为3 - 4 。 除了路径损耗,大尺度衰落还包括阴影衰落。阴影衰落使得实际的损耗成为 一个随机变量,由式( 2 1 ) 求出的是与发射机距离为d 处的平均路径损耗。一般认 为实际的损耗服从对数正态分布。 综合考虑路径损耗和阴影衰落,大尺度衰落下路径损耗可以表示为 p l ( d b ) = 常量+ 1 0 口l o g d + 几( 2 5 ) 其中几表示由阴影衰落引起的路径损耗( d b ) ,是一个正态分布的随机变量, 均值为0 ,方差为o - 鼬2 。在大多数的经验公式中,标准差仃可以取4 1 2 d b 。 在蜂窝移动通信系统中,尤其是在室内环境条件下,一般蜂窝半径( 有时达 到5 0 0 m ) 比较小,结构为微蜂窝或者微微蜂窝,此时无线信道的大尺度衰落并 不是无线衰落信道所考虑的主要问题。而在郊区、平原、海滨或者海平面等宽阔 地带,蜂窝移动通信系统大都采用宏蜂窝结构,这种环境下的无线信道大尺度衰 落就成为传播损耗所考虑的主要问题。 2 1 2 小尺度衰落 无线信道的小尺度衰落是无线通信环境的重要衰落特征,包括因信道多径效 应而引起的衰落和信道时变性引起的衰落,其中,由于反射、散射等影响使得实 北京邮电大学硕士学位论文 第二章无线信道特性和o f d m 基本原理 际到达接收机的信号是发射信号经过多条传播路径后的信号分量叠加而成,这称 为多径效应;信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的,即在不同的 时刻发送相同的信号,在接收端收到的信号是不相同的。 多径时变信道根据无线移动环境的统计信道可以划分为几种典型的信道,其 划分依据主要从两个角度出发:1 ) 多径时延扩展特性( 信号包络的随机衰落) ;2 ) 时变特性( 信号相位的随机衰落) 。 多径效应会引起信号的时域弥散性。+ 与多径时延扩展有关的一个重要概念就 是多径信道的相干带宽( c o h e r e n tb a n d w i d t h ) 臃,它反映了不同频率分量所经 历的衰落的相互关系( 即其包络的相关性) 。信道的相干带宽与均方根时延扩展 仃,成反比,如果将相关函数大于0 5 认为相关,一般有下面的关系【2 0 】 皿击 ( 2 - 6 ) 实际应用中,也常用下面的定义 院:上( 2 - 7 ) “ 其中f 一为最大多径时延扩展。 相干带宽反映了无线移动信道对信号包络的衰落具有频率选择性。根据多径 信道的相干带宽和信号带宽的关系可将信道分为平坦衰落和频率选择性衰落。 1 平坦衰落 若多径信道的相干带宽大于信号的带宽,这时,由于多径信号的时域弥散性 而造成的衰落为平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 。在这种条件下,发射信号的频谱特性通 过多径信道后,在接收端信号的频谱仍然可以得到保持。 2 频率选择性衰落 若多径信道的相干带宽小于信号的带宽,这种条件下的多径衰落为频率选择 性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。这时,从时域上看,信道多径时延脉冲响 应大于符号周期,出现符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ,简写为i s i ) 。 无线移动信道的时变性反映在衰落信号相位的随机变化,它是一种随机调频 现象。在多径环境下,收发天线间相对运动以及传播环境中的移动物体的随机移 动,造成了多普勒频谱扩展,即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具 有一定带宽的信号,这又可以称为信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。 信号发生多普勒扩展后的频谱范围为b d = 丘一厶。觚,五十厶m 。】,其中, 9 北京邮电大学硕士学位论文o f d m 系统中的自适应调制技术研究 厶。缸= 要为最大多普勒频移,丘为载波频率,1 ,和五分别为相对运动速度和电波 几 波长。 类似地,可以定义信道的相干时间( c o h e r e n tt i m e ) r 来表征时变信道变化 的快慢。相干时间与多普勒扩展成反比,一般可以有 1 t ( 2 - 8 ) ,d m a x 类似相干带宽,根据“相干程度”的不同,还有不同的定义为 q t 二一 ( 2 9 )。 1 6 兀:f a 、7 根据信号的符号周期和信道的相干时间的关系,可以将信道分为快衰落信道 和慢衰落信道。 1 快衰落 若时变信道的相干时间小于信号的符号周期,这时的时变信道称为快衰落信 道。类似于频率选择性衰落,快衰落信道也称为时间选择性衰落。 2 慢衰落 若时变信道的相干时间远远大于信号的符号周期,这种时变信道称为慢衰落 信道。在这种条件下,时变信道衰落系数在多个连续的符号周期内是静态的,基 本不会出现变化。 从前面的讨论可以看出,多径效应和多普勒效应是造成无线移动信道环境恶 劣的两个相对独立的传播机制。 根据多径效应和多普勒效应对无线移动信道的影响,或者说根据相干时间和 相干带宽与发送的符号周期和信号带宽的关系,我们把信道划分为: 1 ) 平坦衰落信道: 2 ) 频率选择性衰落信道; 3 ) 慢衰落信道; 4 ) 快衰落信道。 不同参数下的信道衰落类型如图2 :1 所示。其中,召。发送信号带宽,c 为符 号周期。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章无线信道特性和o f d m 基本原理 不( 1 e ) 图2 - 1 衰落信道类型和信号、信道参数的关系 2 0 1 2 1 3 多径时变信道的冲激响应模型及包络特性 t 。( 1 五。) 基于多径信道模型,并考虑到信道响应的时变性,无线移动信道的冲激响应 可以表示为 2 4 】 p ( f ) h ( t ,f ) = ( t ) a ( r - r p ( f ) ) ( 2 1 0 ) 其中g p ( f ) = l 哪( f ) ie j 9 p ( f ) 、 c p ( r ) 、砟( f ) 均是时变的随机变量,分别为第p 条径 的复衰减因子、时延和相移,p ( t ) 为时刻r 时的总路径数。 图2 2 给出了多径信道的冲击响应的示例: 图2 - 2 信道的多径效应和时变性示意图 2 0 】 北京邮电大学硕士学位论文 o f d m 系统中的自适应调制技术研究 设发射信号为x ( t ) ,于是接收到的信号y ( r ) 可以表示为 y ( t ) = 办( f ,f ) 木x ( f ) + 门( f ) = x ( 卜r ) 办( 留) 如+ 船( r ) ( 2 - 1 1 ) = 坼( r ) x ( 卜( f ) p + 门( f ) i p = l 式( 2 1 0 ) 充分反映了无线移动信道的多径效应和时变效应。迸一步,多径信 道冲激响应的频域表示为 h ( t ,国) = 町庇( = e 办( 船) 一7 d r ( 2 - 1 2 ) 从无线移动信道冲激响应的多径时延( f ) 和相位特性九( f ) 的分析出发,这 里给出式( 2 一i 0 ) 中各路径衰落因子的包络特性,即i 口p ( r ) l 的分布特性。 由于建筑物和地面等的非镜面反射及散射,每一条径复数增益( r ) 实际上 代表了无数条具有相同时延的路径综合,所以( f ) 可以近似为一个复高斯随机 变量。在非视距传输条件下,- = 1 ( f ) 阳艮从瑞利分布 面) = 考唧 专卜。 ( 2 1 3 ) 其中仃为接收信号包络的均方根值。 当存在视距传输时,r 服从莱斯分布 p ( ,) = 考e 印 等 厶( 等) 一。 其中a 为主径的峰值幅度,厶( ) 为第一类零阶修正贝塞尔函数。莱斯分布通常 可以用衰落系数k 来描述,其定义为主径分量和其他非视距多径分量的功率之 比,即 4 2 k = 啬 ( 2 - 1 5 ) 2 盯2 、 当k :0 ,莱斯分布即为瑞利分布;而当k = o o 时,信道退化为高斯白噪声 ( a w g n ) 信道。 瑞利分布和莱斯分布都是在一定的假设条件用数学方法得到的。但是,某些 实测数据并不能与之匹配。因此,人们主要通过经验的测量值推导出了一个更一 般的衰落分布,这个分布称为n a k a g a m i 分布【2 6 】 1 2 北京邮电大学硕士学位论文第二章无线信道特性和o f d m 基本原理 比) - 2 ( 署) “需e 冲k ) 一。 陪峋 其中q = e ( r 2 ) 为平均功率,m 为n a k a g a m i 衰落参数( 朋1 2 ) ,i ( ) 则表示伽 马函数。衰落参数m 取不同值时,n a k a g a m i 分布也可以对应不同的衰落。当 聊= 1 ,n a k a g a m i 分布就成为瑞利分布;当m = ( k + 1 ) 2 ( 2 x + 1 ) ,式( 2 1 6 ) 的 n a k a g a m i 分布就可以变为参数为k 的莱斯分布;当m = 时,就可以得到 a w g n 信道。n a k a g a m i 分布不仅可以覆盖很多分布的情况,还有一个优点是在 数学推导中容易得到闭式表达式,因此在肿1 2 1 2 厶匕i :1 v , 分析中经常被使用。 2 , 1 4r a y l e i g h 衰落信道模型的建立 产生单径信道瑞利衰落序列,可以使用j a k e s 模型或c l a r k 模型。j a k e s 模 型使用一组复正弦函数相加,近似瑞利过程,同时对复正弦的频率进行调制,得 到多普勒频谱。 c l a r k 模型也称为高斯噪声成型滤波器方法,其思路是首先在频域上产生 正交和同相两路高斯噪声源,然后通过多普勒频谱成型滤波器,再转换到时域输 出为正交和同相两路信号。 在本论文的仿真中,采用j a k e s 模型建立仿真信道。下面叙述j a k e s 模型的产 生方法【2 7 1 : 一 接收信号是平面波的叠加 e ( f ) = r e t ( t ) e 。掣( 2 - 17 ) 其中: 丁o ) = e oz c e 。5 + 九 2 = p ( a ) a a = a a ( 2 - 1 8 ) n 是平面波的数目,国。是最大多普勒频移,丸是第n 个平面波的初始相位。 我们假定达到信号的角度是均匀分布的,即口= 等,= 弓,z = 1 ,2 , 这样c n 22 专,这个序列可以展开为: f n 1 2 - i 丁( 归茜 n = l 眇旭碱- e 旭“幻) 】+ 一h 托h “) ) ( 2
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