（通信与信息系统专业论文）高速无线分组数据分块传输技术仿真研究.pdf

摘要 摘要 下一代无线移动通信的目标是支持高质量高速率的移动多媒体业务。如何有效的实现无差错高 速分组数据传输是下一代无线移动通信技术亟待解决的关键问题。多载波并行传输技术和多天线联 合检测技术的综合解决方案是最有竞争力的系统方案之一。基于这种系统方案，论文着重研究了单 载波分块传输技术在高速分组数据传输系统中的应用。 首先，为设计低复杂度高性能的接收机，利用带循环前缀的导频序列作为时隙间的保护间隔， 构造了一种新的双循环时隙结构。这种时隙结构带来两方面的优点：一方面是消除时隙间干扰的同 时，也消除了时隙中未知数据码元对确定导频序列的干扰；另一方面是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以简单地表示为信道循环矩阵和发送信号 矢量的乘积。 基于这种双循环分块传输方案，重新推导了最小二乘准则下的信道估计算法和最小均方误差准 则下的频域均衡算法，并分析了信道估计算法的均方误差性能以及时不变理想多径信道下基于频域 均衡的q p s k 无编码系统的理论误码率性能。同时论证了基于循环正交导频的信道估计可以得到最 小的均方误差。利用多项式拟合得到数据序列对应信道响应的估计，通过增加较少的实现复杂度换 取比线性插值更准确的信道估计。 最后，在c o c e n t r i es y s t e ms t u d i o 仿真平台上搭建了多载波系统的定点实现框架。讨论了关键算 法的实现结构，并对信道估计和均衡算法作了进一步改进以利于定点实现。最终通过定点仿真，验 证了基于双循环分块传输的信道估计和频域均衡算法的定点可实现性，并得到定点系统的误码率性 能。在附录中给出了c o c e n t r i e s y s t e m s t u d i o 软件生成的关键模块原理图。 关键词：高速无线分组数据传输，分块传输技术，信道估计，频域均衡。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e x t - g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi se x p e c t e dt os u p p o r tt r a n s m i s s i o no f h i g h s p e e dh i g h - p e r f o r m a n c e m o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e s t h e p i v o t a lp r o b l e m t ob er e s o l v e di n n e x t g e n e r a t i o ns y s t e mi sh o wt os u p p o r te r r o r l e s sh i g h - s p e e dw i r e l e s sp a c k e tt r a n s m i s s i o n m u l t i - c a r r i e r p a r a l l e lt r a n s m i s s i o na n dm u l t i - a n t e n n aj o i n td e t e c t i o ni so n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v et e c h n o l o g i e si nt h e f u m r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b a s e do nt h i sp r o j e c lt h ea p p l i c a t i o no ft h es i n g l e c a r r i e rb l o c k t r a n s m i s s i o ni nt h eh i g h - d a t ac o m m u n i c a t i o n si ss t u d i e di nd e t a i l f i r s t l y , i no r d e rt or e a l i z et h el o w - c o m p l e xh i g h - p e r f o r m a n c er e c e i v e r , an o v e lb l o c kt r a n s m i s s i o n s c h e m eb a s e do nd u a lc y c l i cp r e f i xi sp r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，t h eg u a r di n t e r v a lo fb e t w e e nt i m es l o t si s c o m p o s e do f t 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 t h ea d v a n t a g eo fi n t r o d u c t i o no f t h ed u a lc y c l i cp r e f i x e d t i m es l o tl i e si nt w oa s p e c t s ：t h ef i r s ti s ，n o to n l yt h ei n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ，b u ta l s ot h ei n f l u e n c eo f d a t a s e g m e n t so np i l o ts e q u e n c e sa r ee l i m i n a t e d ；t h es e c o n di s ，i nt h er e c e i v e rs i d e ，t h er e c e i v e ds i g n a lc a nb e m o d e l e da st 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 lw i t ht h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s ei n s t e a do f l i n e a rc o n v o l u t i o n 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 et r a n s m i t t e ds i g n a l v 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 f c h a n n e li m p u l s er e s p o n s ev e c t o r l sc h a n n e le s t i m a t i o na n dm m s el i n e a re q u a l i z a t i o na f ed e d u c e df o r t h ep r o p o s e db l o c k t r a n s m i s s i o ns c h e m e a u dt h em e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) o fc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi ss t u d i e d i ti s p r o v e dt h a tc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do nc y c l i co r t h o g o n a lp i l o ts e q u e n c ei so p t i m a lu n d e rt h em s e c r i t e r i o n p o l y n o m i a lf i r i n gb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a ti tc a n 晰n gm o r e a c c u r a t ec h a n n e le s t i m a t i o nt h a nl i n e a ri n t e r p o l a t i o na tt h ep r i c eo f l i t t l ec o m p l e x i t yi n c r e a s e t h eb i te r r o r r a t e ( b e r lp e r f o r m a n c eo fq p s ku n c o d e ds y s t e mb a s e do nt h ee q u a l i z a t i o ni sa l s oa n a l y z e du n d e rt h e t i m e i n v a r i a b l em u l t i p a t hc h a n n e l f i n a l l y , t h ef r a m e w o r ko f f i x e d - p o i n ts i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h em u l t i - c a r r i e rs y s t e mi sc o n s t r u c t e do n c o c e n 研cs y s t e ms t 【i d i os i m u l a t i o np l a t f o r m 。t h ei m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r e so ft h ek e ya l g o r i t h m so f t h em u t l i c a r r i e rs y s t e ma r es t u d i e di nt h i sf r a m e w o r k n l ce q u a l i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s a r ei m p r o v e dt os u i tt h ei m p l e m e n t a t i o nb e t t e r b yf i x e d p o i n ts i m u l a t i o n ，t h e s ea l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d a n dt h ei m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r ea r ev a l i d a t e d t h ec o e e n 埘cs y s t e ms t u d i os c h e m a t i cg r a p h so fk e y m o d e l si nf i x e d - p o i n ts y s t e ma r ea t t a c h e da tt h ea n do f t h ea r t i c l e k e yw o r & ：h i g h s p e e dw i r e l e s sp a c k e tt r a n s m i s s i o n ，b l o c kt r a n s m i s s i o n , c h a n n e le s t i m a t i o n ， f r e q u e n c y - d o m a i ne q u a l i z a t i o n 。 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： 翌蹇 日期：型2 3 东南大学学位论文使用授权声明 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( 包括干0 登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：王叠导师签名： 日期：2 0 0 3 宇2 3 东南大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第一章绪论 近年来，移动通信业务在全球范围内发展迅猛。移动业务正从话音业务向以伊接入和多媒体应 用为主的方向发展全球范围内移动业务主体的转变和移动用户数耳的迅猛增长，预示着手持移动 终端将逐步取代p c 成为人机接口的主要设备。 为适应未来业务发展的需求，下一代移动通信系统的目标将是1 1 h 2 】p 】 支持全i p 高速分组数据传输，数据速率为数十兆b p s 甚至数百兆b p s ； 支持高的终端移动性，移动速度高达每小时几百公里； 支持高的传输质量，数据业务的误码率低于l o 。6 ； 提供高的频谱利用率，每赫兹数比特以上； 提供高的功率效率，发射功率降低1 0 d b 以上； 有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。 面对未来移动通信系统的发展目标，以提供话音业务为主的传统g s m 和c d 翻技术已逐渐难 以满足需求。下一代移动通信系统在技术特点上将满足以下方面：网络结构方面，将采用全i p 、分 布式、自组织和多层的无线广带个人通信新体制和新模式；空中接口方面，将采用分布式的接八方 式，多天线技术具有至关重要的作用。但即使在多天线环境下，为有效可靠地支持数据速率为数十 兆b p s 甚至数百兆b p s 的全i p 高速分组数据传输，下一代移动通信系统仍然需要很高的带宽，传统 的单载波z d 纠和c d m a 技术无法直接扩展到广带情况以满足系统的技术需求，因此必须采用多 载波并行传输技术。而且，多载波方案应当能够具有广泛的适应性，不仅可以适用于各种多天线环 境，抵抗诸如多径干扰、衰落、频偏和多普勒频移，同步与定时偏差，以及多用户干扰等各种信道 干扰和失真，而且具有易扩展带宽和支持可变的用户速率、用户容量和服务质量的灵活性。 o f d m 技术由于其很强的抗多径能力及简单易行的d f t 实现，得到广泛的重视，并得到广泛 应用，而其在移动通信中的应用仍需深入系统地研究，所存在的高蜂均比问题和对频偏灵敏问题是 其应用于移动通信环境有待解决的关键问题。如何继承o f d m 技术的优点，克服其缺点，并进而构 造新的多载波传输技术方案，是解决下一代系统传输体制问题的另一重要途径。基于此，课题组提 出了广义多载波无线传输技术，研究工作表明，所提出的多载波技术方案具有潜在的技术优势，经 过进一步地发展，能够满足如上所述的技术需求。 本课题根据国家“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，开展下一代移动通 信无线传输链路技术研究，并开发可以验证基本方案和关键技术的实验验证系统。其预期的研究成 果将进一步增强我国在移动通信研究开发方面的竞争力，并为我国向i t u 独立提出下一代移动通信 系统国际标准提案奠定基础。 课题组提出的实验验证系统总称为：广义多载波时分双工混合多址( g m c - t d d - x ，d m , 4 ) 无线传 输方案。其总体框架可描述为： l 第一章绪论 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽约为2 0m h z 的信道分 解成1 6 个3 d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组进行多载波合 路和分路，多载波滤波器组可通过d f t 快速实现；在扩展模式下，可把相邻的基本子载波 合成为带宽为3 8 4m i - l z 扩展子载波，可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不 同的扩展子载波，并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。 在每个子载波，通过分块传输技术及其自适应时隙结构，增强的多码扩频技术、自适应编 码调制技术、以及多天线空时联合发送和空时联合检测技术等支持高效分组传输，并满足 系统容量提高3 至5 倍以及发射功率降低1 0 d b 以上的要求。 采用t d d 双工方式，支持非对称的数据业务。 采用f d m a 、t d m a 和c d m a 混合多址方式共享无线资源，每个移动用户可动态地占用一 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lk b p s 至1 0 0m b p s 的大动态范围传输的要求。 g m c - t d d - x d m a 方案以3 g 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； 以基于多天线环境的网络结构为构架；以基于分块传输的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；并充分借鉴了o f d m 系统易于用叮实现的优点。这种新一代移动通信系统 传输技术将是开放式的，能够灵活地吸收其它技术优点，具有高频谱利用率、低发射功率和支持大 动态范围分组数据传输的能力，将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。其主要 技术特征可归结为： 与传统的多载波技术不同，它是一种宽子带传输技术，即每个子载波为宽带子载波，从 而降低了对频偏的灵敏度，提供与3 g 系统后向兼容的可能性，具有不同服务需求的移动 终端，可具有不同的复杂度和成本。 是一种宽分块传输技术，降低保护时间的代价，支持高性能低复杂度的发送和检测技术， 支持t d m a 多址方式。 是一种增强的多码传输技术，支持高速分组数据传输，提高抗衰落能力，支持c d m a 多 址方式。 是一种灵活的多载波技术，易于扩展带宽和数据速率，通过滤波器组的优选设计，可以 改善频率利用率，并降低实现复杂度，支持f d m a 多址方式。 可适用于各种多天线环境，显著提高系统性能。 1 2 分块传输技术的发展 分块传输技术伴随着o f d m 技术的发展而提出。最早在1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 1 将d 玎 技术引入o f d m 系统的实现，使多载波调制无需在射频端通过多个振荡器来实现，而只需要在基带 通过信号处理的简单方法就可以得到。d f t 运算必须对一段有限长度的数据序列进行处理，这样发 送数据就被分成小块进行传输。同时，为了避免信道时延弥散产生的码间干扰，他们在o f d m 符号 2 奎塑奎兰婴主兰垡堡茎 间插入保护间隔，最早的保护间隔就是不发送任何数据的空间隔。加入保护间隔的分块结构可以看 作分块传输的雏形。 1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z l s l 提出了循环前缀( c 一的概念，对o f d m 的发展起到了重要的推动作用。 循环前缀作保护间隔的方案不是在o f d m 符号间插入空间隔，而是插入符号的周期扩展。这种方法 有效地将信道冲激响应与传输符号之间的线性卷积转化为循环卷积，若循环前缀的长度大于等于信 道的最大时延，就能很好的保证子信道间的正交性。这样，分块传输技术在o f d m 系统中的应用就 基本趋于成熟了。 虽然o f d m 系统不需要线性均衡，并提高了频谱利用率；但是o f d m 系统在发送端加入的d f t 运算带来了高的功率峰均比，并且子信道间的正交特性提出了精确同步的要求。因此，九十年代初 把o f d m 系统的基本实现手段引入单载波系统嘲。就是将o f d m 系统在发送端的傅里叶变换( d f i o 放到接收端，从而发送端不再进行多载波调制而是在接收端将信道的影响转化到频域，成为单载波 频域均衡系统( s c - f d e ) 。在单载波频域均衡系统中仍然沿用了加循环前缀的分块传输结构【7 】【q ，从 而将分块传输技术引入了单载波系统的应用中。 近年来，对分块传输的保护间隔结构又有了进一步探讨。提出了利用训练序列作保护间隔的方 案州【1 0 1 1 1 】和插入全零后缀的方裂1 2 1 等等。 随着通信业务数据量的增长，高速数据服务成为移动通信产业的主要业务需求。对于高速数据 业务，信道最大时延扩展将是发送码元周期的数十倍甚至数百倍，这就造成了严重的码间干扰。分 块传输技术要求每次分块的保护间隔长度大于等于信道的最大时延，而傅里叶变换( d f t ) 运算的 复杂度决定了每次分块的长度不能太大。这样，如果在单载波情况下传输高速数据，保护间隔所占 码元数目在每块中的比例就太大影响了信号传输的效率，所以基于分块传输的单载波系统无法满足 高速数据业务的需求。 为此，我们引入了广义多载波( g m c ) 系统。广义多载波( g m c ) 系统是将基于分块传输的单 载波技术和基于o f d m 思想的多载波并行传输技术结合起来，克服高速数据业务时信道时延扩展造 成的严重码间干扰。在广义多载波系统的研究背景下，本文主要讨论了分块传输技术的应用。 传统的分块传输技术是面向简便易行的频域均衡而设计的，其循环前缀往往是发送码元序列的 循环扩展。为消除码间干扰，循环前缀在接收端被直接删除，除了起到保护间隔的作用外没有其他 应用，降低了信号传输的效率。通过插入确定性序列构造新的循环前缀结构，使得循环前缀在起到 保护间隔作用的同时，作为信道估计的导频序列。同时，利用循环前缀分块传输可以将多径信道的 影响由线性卷积转变为循环卷积的特点，在导频序列前同样引入循环前缀，建立了一种新的双循环 保护结构。在这种新的双循环前缀结构下，可以得到低复杂度高精度的信道估计器和线性均衡器。 本文在这种双循环分块传输结构的基础上，基于广义多载波一发多收系统，推导了最小二乘( 厕 信道估计和最小均方误差( 岔掇d 线性均衡算法，并从理论上分析了算法的性能，同时在定点系统中 验证了算法的硬件可实现性。 1 3 论文的主要工作及结构 论文主要任务是：基于广义多载波多天线接收系统，设计一种新的循环前缀分块传输结构，并 3 第一章绪论 在新的传输结构基础上推导信道估计和线性均衡算法。本文的主要工作是： 掌握并了解分块传输技术在通信系统中的应用及发展。在此基础上结合无线移动信道的特 点设计一种新的双循环前缀分块传输结构。 在新的双循环前缀分块传输结构基础上，推导传统的最t j 、- - 乘信道估计和最小均方误差频 域均衡算法在新系统中的具体实现形式。 理论分析在双循环结构下的信道估计和线性均衡性能，并基于j a k e s 信道模型得到多载波 系统的误码率性能曲线。 对提出的算法进一步优化，进行定点模块设计，验证系统的硬件可实现性。 论文的结构如下： 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。第三章在多径信道模 型基础上介绍了信道时延扩展对信号传输的影响；以及传统分块传输技术的基本思想和循环前缀 ( 、全零后缀( z p ) 两种基本实现方法；并在广义多载波系统中，提出了新的双循环分块传输方 案。基于这种新的分块传输结构和一发多收透信系统，在第四章详细推导了最小= 乘信道估计算法 和最小均方误差频域均衡算法；并从理论上对算法性能作出分析。最后一章在以上三章论述的基础 上，利用c o c e n t r i e s y s t e m s t u d i o 仿真平台完成了广义多载波定点系统的搭建，着重描述了信道估计 器和均衡器的定点实现结构，论证了算法的定点可实现性。 4 东南大学硕士学位论文 第二章无线移动信道的特性及其仿真 2 1 无线移动信道的特性 2 1 1 大尺度衰落、小尺度衰落对信号的影响 无线移动信道是一种时变多径信道。周围环境对传输信号电波的反射、绕射和散射引起了接收 信号的多径扩展；同时接收端和发射端以及周围环境之间的相对移动造成了信道参数随时间发生的 变化i l w 。无线移动信道的时变多径特性对通信系统的性能带来极大的影响。因此，研究信道的统计 特性，建立合适的随机信道模型是非常必要的 通常我们使用的信道模型是由b e l l 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 不想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。它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，函数的两个自变 量时延f 和多普勒频偏厂d 则分别对应信道的多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。 无线移动信道中主要存在两种衰落：大尺度衰落和小尺度衰落【1 5 l 【1 6 1 。大尺度衰落是指信道变化 速率远远低于信号传输的速率，主要是由距接收端较远的大型障碍物或地形地势造成的。大尺度衰 落仅仅影响接收信号的均值能量。小尺度衰落又称为多径衰落，是指信道变化的速率和信号传输速 率在同一量级上，主要是由接收端周围物体产生的反射波相叠加引起的。叠加使接收信号的能量在 均值周围产生抖动，也就是小尺度衰落影响了接收信号的细节。因此，衰落信道的冲击响应可以看 作是一个时变均值的随机信号。 当信号经过时变多径衰落信道时，信号能量在时域扩散，同时这种多径特性随时间而改变。如 果仅仅从接收信号来看，信道的时变是不可预测的，因此从统计特性的角度来查看时变多径信道的 特性是合理的。 2 1 2 无线移动信道的近似数学模型 我们假设经信道传输的信号表示为： j ( f ) = a ( t ) c o s 2 n f 。t + 口o ) 】= _ ! r s t ( t ) e j 2 4 。) ( 2 1 ) s t ( t ) 表示发送信号的等效基带信号。 一 接收信号表示为： 5 第二章无线移动信道的特性及其仿真 ，( r ) = 甜，( ，) s ，一t ( f ) 】+ n ( f ) ：走 口，( t ) e - j 2 矾q ( f ) j ， f q ( r ) 】e ；2 矾一) + n o ) 2 2 接收信号的等效基带信号可以表示为： r t ( t ) = 口。( ，弦7 2 矾q o 占，i t f ( f ) 】+ ( r ) + 咖，( f ) ( 2 3 ) 其中，口。( f ) 表示尹路径的衰落系数，f 。o ) 表示p 路径的时延，拧( f ) 表示加性噪声。这里的口。o ) 和f ( ，) 都是时变函数。 我们可以定义函数： h ( r ，r ) = 口，( f 弦一7 2 矾1 o 研f 一( ，) 】 ( 2 4 ) 这样，接收信号的等效基带信号可以表示为； o ) = f = 矗( ) s 以一r ) d r + 巡! ：! 竺虫 ( 2 5 ) = ( 1 ) 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 n 。 2 1 3 无线移动信道的统计特性 在给定时间点t = t o ，参数口，o ) 和q ( f ) 变为常量。此时刻的信道的冲激函数相应表示为 h ( r ，t = t o ) 。其傅里叶变换如下式： h ( f ，t - - 4 。) = f = ( ，。) e - j e x f r d f ( 2 6 ) 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 ，r ) = r 矗( f ，t ) e 叩加d f ( 2 7 ) 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 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 ，) 被定义成自变量为f 和f 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 ( r ，t ) 看作是一个广义平稳( w s s ) 随机过程。 下面研究h ( r ，f ) 的自相关函数： ) 82 ( d 吒p九 = 乞20 妒 f p 6 r t e = 、， 乞 r 吒p九 东南大学硕士学位论文 假设非相关散射，自相关函数简化为： 丸“，f 2 ；f ) = 丸( f l ；f ) j ( q f 2 ) ( 2 9 ) 基于这种假设的信道称为非相关散射广义平稳( w s s u s ) 信道。总之，九( r ；a t ) 给出了在观察时间& ，内的平均能量输出和实际测量时延f 的关系。我们用九( f ) ；九( f ；o ) 来描述各路径的信道强度。 下面，再来研究信道系统函数h ( f ，f ) 的相关特性。 如( 石，a ；t t ) = e h ( z ，f 1 ) 汀，r 2 ) ) ( 2 1 0 ) = f f t 口；h ( l ，7 2 , t l ，屯) 对于w s s u s 信道，自相关函数可以简写为： 姒矗厶 ：糕删k v ( 2 其中，v = 厶一石，a t = t 2 一t 。我们记如( 钔；如( 矽；o ) ，如( 钔= 用叮 九( f ) 如( 匀) 非零的带宽部分称为相关带宽b m = v t 。称为信道最大多径时延。 假设传输信号的带宽为矽，如果b m 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问干扰。如果b m w ，信道称为 频率选择性信道。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 道产生码间干扰。 定义散射函数为： s h ( r , v ) ：rr 如( ，g - 归e 一2 a 吐f f 。 (2at)e-j2 e y 2 a a t a a f 1 2 )s ) 2 上二【如( v ， 归 ( 散射函数将信道输出的平均能量定义成时延f 和多普勒频率妒的函数。我们对九( v ；a t ) 关于o 作傅里叶变换得到： ( 够矿) = f ：如( v ，a t ) e 印删础。 ( 2 1 3 ) 其中，称为多普勒频率。信道的多普勒功率谱定义为： 昂( 矿) t ( o ，) = e 如( f ) e 啦删矗& ( 2 1 4 ) 多普勒功率谱给出了信道强度和多普勒频率的关系。如果信道是非时变的，九( a t ) = l 。那么。 s ( ) = 艿( ) 。传输信号将不经历任何频域扩展。 如( f ) 表示了信道的时间相关函数，函数非零的时间间隔乃称为相关时间。相应的，s h ( ) 7 第二章无线移动信道的特性及其仿真 非零的带宽b 。称为多普勒扩展b d * 1 乃 假设传输信号的时间脉冲宽度为n 如果t 1 b az 乃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 a * 死不成立，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 t ( t ) = 6 l p ) p 一。2 矾州j ，p f ，( f ) 】+ z ( f ) ( 2 1 5 ) 如果信号的带宽远小于信道的带宽呒 b m ，那么接收信号可以表示为： 巧( f ) = ( o t f o ) e - j 2 可“) j ，p 一( r ) 】+ z o ) = h ( o ；t ) s ，( f t o ) + z ( ，) (216)gel 假设本地的到达路径f 足够大，则根据中心极限定理日( o ；f ) 为复高斯过程： 月( o ；f ) = x 。( f ) + j y 。( f ) = a ( t ) e 8 ( 2 1 7 ) x o ( t ) 和儿( 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： 巧o ) = a e ) a j ，o ) + z o ) o ，t ( 2 1 8 ) a e j 9 是复高斯随机变量。这样的信道称为平坦衰落慢变信道。 转换角度考虑上文中提到的呒 b m ，也就是指相对于信号带宽，信道只有一条可辨多径。 那么a ( t ) e 归。为零均值复高斯随机过程，而幅度4 ( r ) 服从瑞利分布，相位口( r ) 服从均匀分布。 p o ( 口) = 争e x p ( _ a 2 脚2 ) a o ； p o ( o ) = 去o p 气。， 一 、一一 - t i ( b ) 图( 2 1 ) ( 娘，d 自皤算法和( b ) 修正j a k e s 算法中的相位选取 2 2 3 改进1 a k e s 算法 我们所采用的仿真方法是对j a 妇j 方法的进步改进”，既不需要对各径的波形用正交函数加 权，又满足了各径波形不相关的特性。 假设需要m 个独立的衰落波形，每个波形通过个入射波叠加。选择入射角为 口础= 三芋+ 2 f n 鬲k + 口 甩=o，1，2，|，n00 - 1 j i = o ，1 ，2 ，m - 1( 2 2 7 ) 口础= j f + j 汤f + 口 甩= o ，l ，2 ，j i = o ，1 ，2 ，( 2 2 7 ) 则第k 个波形的表达式为： 免，。 2 击 、彳a m， 、 一 专 彩2 石 气k入 图( 2 2 ) 改进j a k e s 算法中的相位选取 第二章无线移动信道的特性及其仿真 五p ) = c z e x p j ( c o uc o s ，+ 丸) 】 n = 0 m - 一l2 m 一1 = c e x p 【，( c o s o r 础- f + 丸) 】+ c 艺e x p j ( r o uc o s o r 础- f + 疵) 】 ”= 0 月= 3 ，一i4 - 一l + c e x p j ( c o fc o s ，+ 办) 】+ c - ue x p j ( c o mc o s 口n k 纯) 】 月一2 n o 月。3 n o nn一1ki = c z e x p j ( c o mc o s g m 丸) 】+ c e x p j r o uc o s q r 2 + a m ) 丸0 】 n * 0n = 0 n 一in 。4 + c e x p j c o 村c 0 5 ( 7 + 口础) r ，+ 丸+ 2 虬】) + c 艺e x p j o mc o s ( 3 n 2 + a t , ) ，+ 丸+ 3 虬】， z 骂n o - 1 ”o = c e x p j ( c o uc o s o t 时f + 九) 】+ c e x p j ( 一国 s i n t z 础f + 丸+ 0 ) 】 程l ”o n l + c e x p j ( 一国mc o s g 础f + 丸+ 2 “) 】+ c - - e e x p _ ，( 缈s i n = z 时f + 丸“乩) 】 其中，| i = 0 , 1 ，2 ，m 一1 ，c 是归一化因子，( - 0 m 是最大多普勒频偏。 如果适当选择以的值使下面的等式成立： e x p ( j 丸+ 2 虬) = e x p ( 一，丸) ”= o ，1 ，2 ，o - 1 一e x p ( j 奴托) = e x p ( - j 以+ 3 虬) = e x p ( - j 谚, ) 矗= o ，1 ，2 ，o 一1 瓦p ) 的表达式可以简化为： 其中， 瓦o ) = ( f ) + 强( ，) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) n 一1 o ) = 2 c e c o s ( c o s h 丸) ( 2 3 2 ) n 卸 0 一i 珞o ) = 2 c s i n ( c o uc o s t 2 础f + 残) n = 0 分别是疋( f ) 的实部和虚部。吮和残是随机相位，作为生成不同五( f ) 的随机种子。 从上文中入射角的生成表达式，我们可以看到f j + “衰落波形的一组入射角是将矿衰落波形的 入射角逆时针旋转2 n i m n 得到的。如果a o o 满足下面的条件：0 口0 0 = 0 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) e 仉勘互( ，+ r ) ： 4 c 2 篓哇c o s ( c o s 岱肿f ) + 吉c o s ( 衄a m f ) 】，忌= f ( 2 5 0 ) lo ，k ， 上式说明瓦( r ) 的实部和虚都是相互独立的，t a t ) 和z ( f ) 也是相互独立的，弥补了j a k e s 模型及修 正模型的缺陷。 为了使t k ( t ) 能量归一化，选取 为了计算简单，可以选择 那么t a t l 最终可以写为： ，1f j 、瓦。 口= ，r 2 m w ( 2 5 2 ) 瓦( f ) ：、瓜窆 c 。s ( 国kc o s o r n t - t + c n ) + ，s i n ( n kc o s 口础f + 彰) 】，尼：o ，1 ，m 一1 ( 2 5 3 ) 舯0 = 4 口。= 百2 ；r 1 7 1 + 焉+ 三2 m n 2 3 3 计算机仿真实现的统计性能 我们通过计算机仿真给出改进j a k e s 算法得到的信道冲激响应函数的统计特性。仿真中选取： n o = 4 0 ，丸= 彤= 0 ，= 2 z r x 5 9 2 5 9 2 6r a d s ( 对应载频正= 3 2 g h z 车速 v = 2 0 0 拥h ) ，采样频率为1 2 8 脚- z ，统计样本点数5 0 0 ，0 0 0 。 图( 2 1 ) 和图( 2 2 ) 分别比较了信道冲激响应的幅值和相位的概率分布密度，从比较的结果可 以看到幅值满足瑞利分布，相位满足均匀分布的要求。 图( 2 3 ) 比较了单径信道冲激响应实部和虚部分量的二阶统计特性。从结果中看到冲激响应的 实部和虚