（通信与信息系统专业论文）基于空间分集的信道编码技术研究.pdf

中冈科学技术人学幛i 论文摘墨 摘要 随着现代通信技术和计算机技术的迅速发展，每天都在不断涌现新的通信业务和信息 业务，同时用户对通信质量和数据传输速率的要求也在不断提高。传统的信道编码都是通 过在时间域上增加冗余度来达到提高接收数据的可靠性戏纠正错误的目的。近年来，随着 分布式网络和多天线技术的发展，出现了人鼍在空间时间两维上增加冗余度的信道编码技 术，称z 为空时二维信道编码技术，或者称之为基下空间分集的信道编码技术。 本文首先从分析无线信道特点入手，简单归纳总结了近年来时间一维信道编码技术， 空一时_ 二维信道编码技术的发展历史和现状。在介绍了现代无线通信系统中得到广泛应用的 几种典型一维信道编码技术做为基础知识之后，我们把注意力集中在了空时二维信道编码 技术上，分别对单天线系统中的空时二维信道编码技术和多天线系统中的空时二维信道 编码技术进行了讨论。 在单天线系统的讨论中，我们主要研究了分布式协作通信系统。首先以基于用户协作 的空时二维信道编码技术为例，介绍了多设备协作系统中的基本概念和处理方法，然后着 重介绍了基于基站之间相互协作的系统中的空时二维信道编码技术。详细分析了在蜂窝小 区结构中，使用基站协作技术对小区覆盖面积的影响。仿真了基站之间最大比合并和协作 编码对小区内各区域划分的影响，得出基站之间协作编码可以大幅度提高小区覆盖面积， 对相关领域的研究有一定指导意义。在此基础上，我们提出了一种基于基站之间互相协作 的一种分布式t u r b o 编码( d t c ) 结构。d t c 系统将编码后的比特序列通过一个空间交织器 再由三个基站分别同时发送给终端用户，从而获得空间分集增益并可实现在三个小区范 围内分配信道资源。仿真结果表明本文提出的d t c 结构同现行的编码结构相比，在资源 分配成功率和误码性能上均有一定的优势，同软切换技术相比，d t c 结构是对资源分配成 功率和误码性能的一个很好折衷。 在多天线系统的讨论中，我们首先介绍了m 1 m o 系统中空时编码技术的三种分支： s t b c ，s t t c ，b l a s t h l s t 。并着重介绍了最常用的v b l a s t 系统的若干主流检测方 法。为了解决v b l a s t 系统常用检测方法性能不足的缺点，我们提出了v b l a s t 系统的 两级迭代串行检测算法( t i s d ) 。同传统的检测算法相比，它具有更优秀的检测性能，并且 比已有的d u o n g 算法有所提高。由于误码传播是限制串行检测算法性能的瓶颈，我们在 t i s d 的基础上又提出了加窗t i s d 算法( w i n t i s d ) ，它可以有效地抑制误码传统，从而提 高系统性能。w i n t i s d 算法具有比t i s d 算法，d u o n g 算法以及b e n j e b b o u r 算法都优越得 多的检测性能。最后，考虑到误码概率随着迭代的增加不断降低，我们又提出了可变窗长 的w n l l s d 算法，它通过在前几次迭代中减少窗长度以抑制误码传播，在后几次迭代中 增加窗长度以增加分集增益的办法，进一步提高检测性能。 关键字：信道编码，空间分集，分布式协作网，分布式信道编码v - b l a s t ，送代检 测，误码传播抑制 第1 页共1 2 2 页 中田 ：i 一坎求人中博i 论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w 砧t h e r a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e m c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y n e wc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o nc a s e sa l es p r i n g i n ge v e r yd a y ，a tt h es a m et i m e ，t h e r e q u i r e m e n to fc o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n dd a t ar a t e a r ea l s oe n h a n c e dc o n t i n u o u s l y t h e c o n v e n t i o n a lc h a n n e lc o d i n ga d d st h er e d u n d a n c yi nt h et i m ed o m a i nt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f r e c e i v e dd a t ao rc o r r e c t i o ne r r o r s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e dn e t w o r k s a n dm u l t i - a n t e n n a st e c h n o l o g y ，m a n yc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g i e sw h i c ha d dr e d u n d a n c yi nt h e t i m ea n ds p a t i a ld o m a i na p p e a r ，w ec a l lt h o s ec h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g yi nt i m e s p a t i a ld o m a i n o rc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g yb a s e do i ls p a t i a ld i v e r s i t y s t a r t i n gw i t ht h ea n a l y s i so fc h a r a c t e ro fw i r e l e s sc h a n n e l ，w es u m m a r i z et h eh i s t o r ya n d a c t u a l i t yo fc h a n n e lc o d i n gi nt i m ed o m a i n ，c h a n n e lc o d i n gi nt i m e s p a t i a ld o m a i n a t t e rt h e i n t r o d u c t i o no fs e v e r a lt y p i c a lc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g i e si nt i m ed o m a i nu s i n gi nm o d e m 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 ，w ef o c u so nt h ec h a n n e lc o d i n gi nt i m e - s p a t i a l w ec l a s s i f yt h e c h a n n e lc o d i n gi nt i m e - s p a t i a ld o m a i ni n t ot w oc a s e s s i n g l ea n t e u n as y s t e ma n dm u l t ia n t e n n a s y s t c n l i nt h e s i n g l e a n t e n n as y s t e mc a s e ，w em a i n l ya n a l y z et h ed i s t r i b u t e d c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a tf i r s t ，w et a k et h ec h a n n e lc o d i n gi nt i m e s p a t i a ld o m a i nb a s e do nu s e r c o o p e r a t i o na se x a m p l ea n di n t r o d u c et h ec o n c e p t i o n sa n dp r o c e s sm e t h o d si nm u l t id e v i c e s c o o p e r a t i v es y s t e m s t h e nw ei n t r o d u c et h ec h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g yi nt i m e s p a t i a ld o m a i n b a s e do nb a s es t a t i o nc o o p e r a t i o na n da n a l y z et h ee f f e c to f b sc o o p e r a t i o no nc e l lc o v e r a g e a l s o ， w es i m u l a t et h ee f f e c to f tr e g i o np a r t i t i o no fc e l lw h e nw eu s em r ca n dc o o p e r a t i v ec o d i n g s e p a r a t e l y , a n dw ec a l ls e et h a tc o o p e r a t i v ec o d i n gc a l le n h 3 n c et h ec e l lc o v e r a g eg r e a t l y w e p r o p o s ead i s t r i b u t e dt u r b oc o d i n g ( d t c ) s t r u c t u r eb a s e db sc o o p e r a t i o na f t e rt h ea n a l y s i sa b o v e d t cs y s t e ms e n dt h eb i t sa f t e rc o d i n gt oas p a t i a li n t e r l e a v e r ，a n dt h e nt r a n s m i tt h e mt h r o u g ht h r e e b ss e p a r a t e l yt ot h eu s e r ，t h e nt h es p a t i a ld i v e r s i t yg a i ni so b t a i n e da n dt h ec h a n n e lr e s o u r c e s a l l o c a t i o nc a r lb er e a l i z e di nt h r e ec e l l sr e g i o n t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a td t cs t r u c t u r eh a s a n m ea d v a n t a g ei nr e s o u r c ea l l o c a t i o ns u i 。c ：e s sp r o b a b i l i t ya n db e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lc o d i n gs t r u c t u r e ，a n di t sag o o dt r a d e o f fb e t w e e nl 陀s o u r c ea l l o c a t i o ns u c c e s s p r o b a b i l i t ya n db e rp e r f o r m a n c e h it h em u l t ia n t e n n as y s t e mc a s e ，a tf i r s t ，w ei n t r o d u c et h et h r e eb r a n c h e so fs p a c e - t i m e c o d i n gi nm i m os y s t e m ：s t b c s t t ca n db l a s t 订 l s t t h e nw ee x p l a i nt h em a i nd e t e c t i o n a l g o r i t h m so f v - b l a s t t os o l v et h ed i s a d v a n t a g eo f t r a d i t i o n a ld e t e c t i o na l g o r i t h mo f v b l a s t ， w ep r o p o s e dan e wt w o s t a g ei t e r a t i v es u c c e s s i v ed e t e c t i o nf r i s d ) a l g o r i t h m t i s dh a sb e t t e r d e t e c t i o np e r f o r m a n c ec o m p a r e dt r a d i t i o n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m b e c a u s et h ee r r o rp r o p a g a t i o ni s t h eb o t t l e - n e c ko fs u c c e s s i v ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e ，w ep r o p o s e dt h ew i n d o wt i s d ( w i n - t i s d ) a l g o r i t h mb a s e do ut i s d t h ew i n - t i s da v o i d st h ee i t o rp r o p a g a t i o na n dc a no b t a i ne x c e l l e n t d e t e c t i o np e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ht i s da n do t h e r sa l g o r i t h m s a tl a s t ，c o n s i d e rt h a tt h ee r r o r p r o b a b i l i t yd e s c e n d sw i t ht h ei t e r a t i o n ，w ea l s op r o p o s e daw i n t i s dw i t hv a r i a b l ew i n d o wl e n g t h ， 第页共1 2 2 页 中田“学技术人学博i 论迁 a b s t r a c t i nw h i c h ，w er e d u c et h ew i n d o wl e n g t hi nt h ef i r s ts o m et t e r a t l o n st oa v o i de l t o rp r o p a g a t i o n ，a n d a d dw m d o wl e n g t hi nt h el a s ti t e r a t i o n st oe n h a n c et h ed i v e r s i t yg a i n i n d e xt e r m s ：c h a n n e lc o d i n g ，s p a t i a ld i v e r s i t y ，d i s t r i b u t e dc o o p e r a t i v en e t w o r k s ， d i s t r i b u t e dc h a n n e lc o d i n g ，v - b l a s t ，i t e r a t i v ed e t e c t i o n ，e r r o rp r o p a g a t i o na v o i d i n g 第1 v 页共1 2 2 页 叶j 圃 擘技术人学博f 硷史 幽表日采 插图目录 图1 1 数字通信系统的基本组成部分l 图1 2r a y l e i g h 衰落概率密度函数( p d f ) 1 0 图1 3r i c i a n 衰落概率密度函数( p d f ) 1 0 图1 - 4 直连，多跳和r e l a y 通信示意图1 6 图l 一5m i m o o f d m 系统中一种空时频编码结构图( 两发两收) 1 8 图2 1 二进制卷积码编码器的一般形式一2 l 图2 2 几种典型的二进制卷积码编码器2 2 图2 3 ( 2 ，l ，3 ) 卷积码的网格图表示2 3 图2 - 4 ( 2 ，1 ，3 ) 卷积码的状态图表示2 4 图2 53 g p p 中的卷积码编码器2 5 图2 - 6 t u r b o 码编码器结构框图。2 6 图2 7t u r b o 码编码器等效结构框图2 6 图2 8t u r b o 码编码器一般性结构框图一2 7 图2 - 9t u r b o 码分量编码器例图一2 8 图2 1 0t u r b o 码译码器结构框图2 9 图2 1l 不同交织长度对t u r b o 码性能的影响3 2 图2 1 23 g p p 中的t u r b o 码编码器结构( 虚线仅在归零过程时有效) 3 4 图2 1 3 ( 1 6 ，l ，4 ) 规则l d p c 码的t a n n e r 图表示3 5 图3 1 按信息流的不同流向分类3 8 图3 2 按信息流的不同实现路径分类一3 8 图3 3 按节点行为分类3 9 图3 - 4 不同d f 方案4 0 图3 5 协作型信道编码d f 方案框图4 1 图3 - 6 协作型信道编码d f 方案的不同情况4 l 图3 7 支持型空时编码d f 方案示意图4 2 图3 8 正三角形小区结构4 3 第页共1 2 2 页 f 田f ： 学拙求人乍博i 论文h 在 j 录 图3 - 9 萨三角彤小区内功率分郁图( 路径损耗指数为3 ) 4 3 图3 1 0 正三角形小区区域划分4 4 图3 1 1 正三角形小区内各覆盖区域分稚图( 路径损耗指数为2 ) 4 6 图3 1 2 正三角形小区内各覆盖区域分6 图( 路径损耗指数为3 ) 4 6 图3 1 3 正三角形小区内各覆盖区域分布g f l ( 路径损耗指数为4 ) 4 7 图3 1 4 不同码率t u r b o 码在a w g n 下误码性能曲线4 8 图3 1 5 协作编码后，正三角形小区内各覆盖区域分布图( 路径损耗指数为2 ) 4 8 图3 1 6 协作编码后，正三角形小区内各覆盖区域分布图( 路径损耗指数为3 ) 4 9 图3 1 7 协作编码后，正三角形小区内各覆盖区域分布图( 路径损耗指数为4 ) 4 9 图4 1d t c 系统模型5 2 图4 2d t c 结构框图5 3 图4 3 d t c i i is e l e c t 方案结构框图5 4 图4 4 改进型d t c 编码结构5 5 图4 5 相同负载小区中，资源分配成功率与无线信道空闲概率h 的关系曲线5 6 图4 - 6 不同负载小区中，资源分配成功率与无线信道空闲概率h 的关系曲线5 7 图4 7 信道功率衰落为2 3 ，l ，3 2 时，d t c 的误码性能曲线5 8 图4 8 信道功率衰落为o 5 ，l ，2 时，d t c 的误码性能曲线5 9 图4 - 9 随机信道衰落时，d t c 的误码性能曲线6 0 图4 1 0 随机信道衰落时，用n o r m a l 曲线估计a v e r a g e 和d ，r c 性能曲线6 1 图4 1 l 信道功率衰落为o 5 ，l ，2 时，d t c 在非对称瑞利信道下的误码性能曲线 6 2 图5 1m 蹦o 系统框图6 6 图5 2v - b l a s t 系统发射机结构6 9 图5 3 具有单一编码的h l s t c 发射机结构7 0 图5 - 4 各层独立编码的h l s t c 发射机结构7 0 图5 5d l s t c 和t - l s t c 发射机结构7 0 图5 - 64 状态，4 p s k ，2 发射天线s t t c 网格图7 1 图5 7 a l a m o u t i 方案编码器原理框图7 2 图5 8 单根接收天线时，a l a m o u t i 方案接收机原理框图7 2 第x 页共1 2 2 员 中同科学挫术人学博i 论逆 嗍袁h 录 图6 一lv - b l a s t 系统结构框图7 8 图6 2t i s d 算法框图7 9 图6 3 有误码传播时，v - b l a s t 系统各子流检测性能8 l 图6 - 4 无误码传播时，v - b l a s t 系统各子流检测性能8 l 图6 5 不同天线数时，有无误码传播对v - b l a s t 系统检测性能的影响8 2 图6 6t i s d ( z f n u l l i n g , 一，3 ) 算法检测性能8 5 图6 7t i s d ( z f s i c ，3 ) 算法检测性能8 6 图6 8t i s d ( m m s e n u l l i n c a ，3 ) 算法检测性能8 6 图6 9 不同窗长度对固定窗长w i n t i s d 算法检测性能的影响8 8 图6 1 0 不同迭代次数对固定窗长w i n t i s d 算法检测性能的影响8 9 图6 1 1 固定窗长w i n t i s d 与其他算法检测性能比较9 0 图6 1 2 可变窗长w i n t i s d 与其他算法检测性能比较9 1 图6 1 3 不同第一级检测算法对可变窗长w i n t i s d 算法检测性能影响9 2 表格目录 表1 1 小尺度衰落类型9 表6 1 迭代次数对t i s d ( z f n u l l i n g , ，一) 算法的影响8 7 第x l 页共1 2 2 页 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盗! 垒竺 0 0 7 年y 月7 日 一罔辩学拙求人学碑i 论文 辩i 章绪论 第1 章绪论 1 1 数字通信系统概述 克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息，是通信的任务 1 】。自1 9 世纪开始发展电 通信以来，通信技术的发展日新月异。特别是2 0 世纪5 0 年代之后，香农信息论【2 】的提出 以及晶体管和集成电路的发明。分别从理论和实现上极人地促进了数字通信的发展，使数 字通信成为目前和今后通信技术的主流方向。在各种数字通信方式中，移动通信是其中发 展最为迅速的，它是随着汽车、飞机、火车、轮船等现代交通工具的发展而同步发展起来 的。移动通信也是实现未来真正意义上的个人通信( 即任何人在任何时间、任何地点与任 何人实现任何类型的通信数据、语音、图像) 。因此，本文中也是将移动通信作为主 要研究对象。 传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统，图1 1 显示了一个数字通信系统 的功能性框图和基本组成部分【3 】。其中信源输入变换器，信源编码器，信道编码器，数字 调制器属于通信发送机：数字解调器，信道译码器，信源译码器，输出变换器属于通信接 收机。信源输出的可以是模拟信号也可以是数字信号，但是该信号在时间上是离散的，并 且具有有限个输出字符。 输 圈1 1 数字通信系统的基本组成部分 为了减少信源输出符号序列中的冗余度( 传输和恢复消息时所需必要的信息以外的剩 余信息在信源全部信息中所占的比重) ，提高所传输符号的平均信息量，对信源输出的符 号序列所施行的处理过程称为信源编码或数据压缩。信源编码可分为无失真信源编码，限 失真或信息率失真信源编码两类。前者适用于离散信源或数字信号，后者主要用于连续信 源或模拟信号【4 】。对于离散信源，从无失真信源编码定理出发，1 9 4 8 年，s h a n n o n 在论文 中提出s h a n n o n 编码。1 9 5 2 年，霍夫曼( d a h u f f m a n ) 构造了霍夫曼编码方法，并证明 了它是最佳码。但实际上，信源输出的信号往往是取值连续的连续信号，对任何一个带限 的实际信道来说，实现无失真地传输信息是不可能的，1 9 5 9 年香农提出了“保真度准则下 的编码定理”f 5 1 ，导出了平均失真限制在某个值以内所必须的d 信道信息率r 即月( d ) 第1 页共1 2 2 页 中嗣年 掌技术人学博 论z鹅l 帝绪论 函数，从此逐步形成了信息率失真理论。j 义地说，切旨住减少兀余度而对信游输出 符号序列所施行的变换或处理如过滤、预测、域变换和数据压缩等，均可! f 入信源编码的 范畴。近二十年来，随着信息技术特别是多媒体技术的发展，图像，音频和视频压缩技术 成为当下信源编码技术中的热点。 信道编码器的作用与信源编码器恰恰相反，它是在二进制信息序列中以受控的方式引 入一些冗余，以便于在接收机中用来克服信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影 响。因此，信道编码器中所增加的冗余是用来提高接收数据的可靠性以及改善接收信号的 逼真度的，它可以用来纠正或者检测信号传输中产生的错误，这与信源编码器中去除的数 据冗余有两点不同：一、信道编码增加的冗余是人为可控的，并且为了高效率译码，必须 满足一定的代数结构，而信源编码里的冗余是信源信号自身的特征一般没有特定的数学 结果；二、信道编码方案一般跟具体的信道有关，不同的信道决定了增加冗余的方式差 别。近年来。虽然有些关于信源信道联合编码的研究【6 - 8 】，但是目前还未成为主流方向。 如果信道编码器一次取k 个信息比特，将其映射成唯一的h 比特序列，其引入的冗余度的 大小用比率n k 来度量，其倒数，即k n ，称为码率。关于信道编码器，下文将有进一步 介绍。 数字调制器是通信信道的接口，它将二进制信息序列映射成适合通信信道传输的波形 符号。对于m 元调制，调制器每次从肘个波形符号中选取一个发送出去这样每次可以 传输1 0 9 ：吖个二进制信息比特，这样每个信息比特能量毛= e l o g ：m ，其中e 是每个调 制波形符号的能量。 数字解调器，信道解码器和信源解码器分别实现以上调制器，信道编码器，信源编码 器的逆过程，这里就不赘述了。但是由于通信信道的未可知性( 信道估计技术可以近似估 计信道衰落，但不可能完全准确并且热噪声是完全不可估计的) ，解调、解码的算法要比 调制，编码复杂的多，也是影响系统性能的重要因素。 通信信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物理媒质。通信信道不像发送机和接 收机可以受人为控制，但是它却是整个通信系统分析和设计中的关键。通信系统的目的就 是克服通信信道的影响，将信息从信源传给信宿。信道的特征一般会影响通信系统基本组 成部分的设计。无论用什么物理媒质来传输信息，其基本特点是发送信号随机地受到各种 各样于扰的影响，例如由电子器件产生的加性热噪声，人为噪声( 如汽车点火噪声) 及大气 噪声( 如在雷暴雨时的闪电) 。 最后，由于解调，信道译码的差错以及信源编码器可能引入的失真，在信源译码器输 出端的信号只是原始信源输出的一个近似。在原始信号与重构信号之间的信号差或信号差 的函数或者人们主观感觉到的差异是数学通信系统引入失真的一个度量，也是衡量一个通 信系统好坏的标准之一。 1 2 无线通信信道特征 上节已经提到，信道的特征会影响通信系统基本组成部分的设计，包括信道编解码器 的设计，本节着重讨论一下移动通信中所经历的无线通信信道的特征关于无线信道，在 第2 页共1 2 2 页 中 日车4 学坎米人学博l 论文 旃i 帝绪论 很多专著( 9 1 2 中都有比较详细的描述，这里只是做简单介纠，也为后面的研究i ：什做一 些铺垫。 发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，无线信道不像有线信道那样同定并可预 见，而是具有很大的随机性，特别雉以分诉，无线信道的建模一般利用统计方法，并且根 据对特定频带上的通信系统的测量值来进行。 电磁波传播的机理总体上可以归结为反射，绕射和散射。对传播模型的研究，传统上 集中于结定范围内平均接收场强的预测和特定位置附近场强的变化。对于预测平均场强 并用于估计天线覆盖范围的传橘模喇。由下它们描述的是发射机与接收机之间( t r ) k 距离 ( 儿百米或几千米) 上的场强变化，所以被称为大尺度传播模掣。另一方面，描述短距离u l 个波k ) 或短时间( 秒级) 内的接收场强的快速波动的传播模型，称为小尺度衰落模型。 1 2 1 无线信道大尺度传播模型 当移动台远离发射机时，当地平均接收场强逐渐减弱( 一般由传播路径损耗、阴影衰落 等因素所影响) ，该平均接收场强由大尺度传播模型预测。典型地，当地平均接收场强由 从飘到4 0 1 范围内信号测量值计算得到，对于频率2 g h z 的蜂窝系统，相应的测量在0 7 5 米到6 米范围内。 1 2 1 1 自由空间传播模型 自由空间传播模型用来预测接收机和发射机之间是完全无障碍的视距路径时的接收信 号场强。自由空间中距发射机d 处天线的接收功率，为t - r 距离的幂函数，由f r i i s 公式给 出： 删) = 器 ( 1 - 1 ) 其中，c 代表发射功率，g ，代表发射天线增益，q 代表发射天线增益，d 是t - r 之间距 离，是与传播无关的系统损耗因子，a 为波长。 由式( 1 1 ) 可知，接收功率随t r 距离的平方衰减，即接收功率衰减与距离的关系是 2 0 r i b l l 0 倍程。不过，f r i i s 自由空间模型只有在d 为发送天线远场才适用，即d 必须满足 条件： d 2 d 2 1 0 - 2 ) d d ( 1 3 ) d陟丑0-4) 其中，d 是天线的最大物理线性尺寸。 路径损耗。表示信号衰减，定义为有效发射功率和接收功率之比，取l o g 后单位为 d b ，可以包括也可以不包括天线增益。包括天线增益时，自由空问路径损耗为： p l ( d b ) = 1 0 l o g 导= - 1 0 l o g l g , g , t 2 刁 ( 1 _ s ) 第3 页共1 2 2 页 中围科学于五术人学啤i 论芷第1 帝绪沧 当不包括犬线增箍时假定g = g ，= 1 ，其路释损耗为： p l ( 招) = 1 0 1 0 9 罢c - 叫o l o s 淼 ( 1 - 6 ) 1 2 1 2 对数距离路径损耗模型 与自由空间传播模型不同，大多数传播模型都是通过分析和实验相结合的方法获得 的。实验方法依赖于测试数据的曲线或者解析式拟合，它的优点在于通过场强测量考虑了 所有的传播因素，包括已知的和未知的。缺点是对于不同的频率和环境等条件一i - ，需要重 新测量以验证该模型是否有效。 基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离的 对数衰减，因此对数距离路径损耗模型是一种被广泛使用的模型。该模型下平均大尺度路 径损耗表示为： ，、 p l ( d ) o c | 导i ( 1 7 ) k a o j 或者 一一 rj 、 p l ( d ) ( d b ) = 戌( 矗) + 1 0 n l o g i l ( 1 - 8 ) l 4 0 其中以为近地参考距离，应在天线的远场处，以避免远近效应对参考路径损耗尸e ( 矗) 的 影响：d 为t - r 距离；n 为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增长的速率。e l ( a ) 上方 的横线表示对给定值d 的所有可能路径损耗的平均。n 的取值依赖于特定的传播环境，对 自由空间，n 为2 ，这样式( 1 - 7 ) ，( 1 - 8 ) 与( 1 5 ) ，( 1 - 6 ) 是等效的。 路径损耗是移动通信系统规划设计的一个重要依据，特别是对覆盖、干扰，切换等性 能影响很大。在分析传播损耗对系统的影响时，不同路径损耗指数n 对噪声受限系统和干 扰受限系统的影响不一样。在噪声受限系统中，设计人员总是希望单个发射台的覆盖区域 尽量大或者当给出边界处的信噪比指标后使基站发射功率最小，通常这是调度系统、寻呼 系统或大区制蜂窝移动电话系统的要求。这时路径损耗指数越大，对系统设计越不利。而 对于干扰受限系统，对通信质量指标影响最大的是由于采用频率复用后，引起的来自其他 小区的同频干扰或邻频干扰。它们带来的麻烦胜过了接收机噪声问题，这是所有蜂窝移动 通信系统的特点。对于干扰受限系统，大的路径损耗指数可以降低同频干扰或邻频干扰， 但是同样也会降低有效信号传播范围，因此这是一个折衷的问题。当然，对于实际的通信 系统，路径损耗指数只与系统环境有关，不属于可人为控制的范畴。 1 2 1 3 对数正态阴影路径损耗模型 对数距离路径损耗模型没有考虑到在相同t r 距离情况下，不同位置周围的环境差 别，这导致测量信号与式( 1 8 ) 预测的平均结果有很大差异。研究 1 3 ，1 4 表明，对任意的d 值，特定位置的路径损耗p l ( d ) 为随机正态对数分布，即 第4 页共1 2 2 页 中圈羊 肇技术人学博l 论迁 籀l 幸持论 p l ( d ) d b 】p l ( a ) + x o = p l ( d 。) + l o h i o g l l + 以 ( 1 - 9 ) l 4 0 其中，j 0 是0 均值的高斯分布随机变量，标准差是口，单t 奇都是d b 。 对数上e 态分布描述了在传播路径上，具有相同t r 距离时，不同位置的随机阴影效 应，这种现象叫对数正态阴影。对数正态阴影意味着在特定t r 距离的测量信号电平是以 e l ( a ) 为均值的高斯正态分布。这样，利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效戍。 对数正态阴影传播模犁是由于基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响，在信号到 达的时候，已经经历了多次反射或绕射，每次反射或绕射都可以用衰减来表征，也就是每 个单独的信号都是有某种程度上衰减的随机变量，因此最后由多个随机变肇叠加后的接收 信号值就是对它们取对数后进行相加( 用d b 表示的话) 。由中心极限定理，多个独立同分布 随机变量的和的分布趋近于正态分布。在自然单位中( 也就是，不用d s ) ，其和对应于对数 正态分布。 阴影效应除了对小区覆盖边缘影响外，还会在覆盖区内产生覆盖盲区。这个问题在上 行链路中尤其突出，因为在上行链路中移动台的发射功率较小。另外我们还可以在靠近小 区边缘处发现盲区。在那里上下行链路两个方向上的传播损耗都很大，形成覆盖盲区的可 能性也就很大。由于阴影效应的存在，使小区的实际边缘只能近似地确定。使移动台从一 个小区切换到另一个小区时变得困难，可能会导致频繁切换，增加系统开销。 1 2 2 无线信道小尺度衰落模型 小尺度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，相互干涉所引起的。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、相对运动速度以及传输信号的带宽。 由于移动通信大多采用v h f 、u h f 频段( 3 0 0 m h z - 3 0 g h z ) 。在这些频段内的最大波长 只有l m ，与传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的线度相比要小得多或者近似，故电 波主要以直射，反射、散射、绕射等方式传播，因此传播方式通常呈现多径现象，但沿不 同路径传播的电波大体上是相互独立的。空间任一点的移动台接收到的信号都由许多平面 波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分被接收机天线按向量 合并，从而使接收信号产生衰落失真。多径信道的接收信号由许多被减弱、有时延、有相 移的传输信号叠加而成，其基带冲激响应模型可表示为： n 一- i h b ( t ，f ) = q ( f ，r ) e x p j ( 2 f r # ) + 仍( f t r ) ) 】d ( f f j ( f ) ) ( 1 _ 1 0 ) i ；o 其中，a j ( t ，f ) 。t ( ，) 分别是在t 时刻第i 个多径分量的幅度和附加时延；2 t r f r , ( t ) ， 仍“f ) 分别是第i 个多径分量由多普勒频移产生的相移和附加随机相移。下面着重介绍一 下多普勒频移f 和附加时延r i ( f ) 。 第5 页共1 2 2 页 中i h 科学技术凡学博l 论文第l 亭绪论 1 2 2 1 多普勒扩展和相干时问 多普勒扩展和相干时间是描述小尺度内移动无线信道频率色敖或者时变特性的两个重 要参数。在移动通信系统中，由于移动台相对丁基站的运动，其接收剑的信号频率所产生 的变化值，称为多普勒频移，其表达式为： c i 垒竺：上一2 ”v a t c o s 0 2 兰c o s p ( i -