（通信与信息系统专业论文）基于无线移动信道特征的信道估计方法研究.pdf

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。除已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 停和电子版，允许论文被查阅或借阕，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：j 亟盈垂 作者签名： 垒驾塑笪堑 1 年f 月2 f 日 中国科学技术大学碗士论文 摘要 j ；= ；= ；皇i - = ；= = t | - | ；= ；l l ；l j _ i i j e ；= ；，e ；j _ | e ；目= ；i 目| 0 j _ = j 日i e = i j i l = i e ：；= i ；_ = i _ 摘要 支持高速移动是未来移动通信系统的一个重要特征，这就对系统中的信道估计技术提出了很大 的挑战，本论文正是研究在移动环境中的增强信道估计方法，由于待估计的信道可以看成一种信号， 而信号在各个域上的表达均有各自的特点。于是本论文试图充分利用各个域上的特征来达至增强估 计的目的。论文主体分为三个平行的部分，分别基于移动信道在时域、空时域和频域上的特征，提 出了利用这些特征来增强不同系统中的信道估计算法，分别达到提高精度、减小导频开销和降低系 统复杂度的目的。 本论文首先对现代无线移动通信系统的发展状况进行综述。详细介绍了无线移动通信信道的特 征，说明了适时有效的信道估计在现代通信系统中的重要作用，并且总结了基本的信道估计技术， 这是增强信道估计的基础。 奉论文接着通过研究移动信道在时域上的特性多径信道的每一径都是时变的，提出了一种 增强的信道估计方法。以移动中的m i m o o f d m 系统为模型，对每根接收天线的各个o f d m 符号 中的导额进行抽取，在额域进行l s 信道估计然后采用快速傅立叶逆变换到多径域，于是可以在 二维的“时域一多径域”平面上，用多项式模型去逼近多径域中的每一径的时域变化趋势，从而达 到平滑噪声提高估计精度的目的提高了m i m o 系统v b l a s t 检测算法的b e k 性能。该方法不 需要知道信道的统计先验知识，是一种有效简单的利用移动信道时域特性的增强信道估计方法。 本论文然后研究了移动信道在空时域上的特性s t b c 的空时信道正变性受到破坏，提出 种用于s t b c 的m i m o 系统的自适应信道跟踪估计方法。在简单介绍了目前广泛应用的三种自适应 滤波器的原理和s t b c 的空时结构后。提出一种具有优良跟踪性能和柢复杂度的自适应跟踪方法。 首先用a r 模型对信道进行预测，然后用l m s 算法分别跟踪信道经o r 分解后的两个矩阵，并通过 本章定义出的信道矩阵对角非零因子d n f 作为信道衰落大小的度量，以此来调整l m s 自适应算法 的步长，提高了l m s 算法对信道的跟踪估计能力，且保持了l m s 低复杂度的优势。 本论文还研究了移动信道在频域上的特性频域上的多普勒效应展宽信号带宽，提出了一种 白适应于移动速度的增强信道估计方法。利用信道在移动环境下频谱带跟和对称的特征，通过寻找 颇谱自相关的峰擅来确定频域滤波器的带宽。信号在频域豹处理必然会有频谱泄漏问题，传统方法 滤除噪声的同时也去掉了部分信号，对此本章还提出一种恢复出泄漏的频域信号的方法。相对传统 速度白适应方法t 该方法不需要估计多普勒频率或移动速度，降低了系统实现的复杂度：也不需要 信遴的长时统计量或信噪比信息，实时性较高；并且通过补偿频谱泄漏的频域信号使得自适应估计 性能有所提高。 本论文的研究结果可以为无线移动通信系统的设计提供良好的参考，结尾部分还对今后可能继 续深入研究的方向作出了预测。 关键词：信道估计，时变衰落，多普勒效应，m i m o o f d m ，自适应 第1 页，共5 9 页 中国科擘技术大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s u p p o r t i n gh i g hm o b i l i t yw i l lb e i m p o r t a n tc h a r a a t e ro f t h ef m u mw 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 t c h a l l e n g e st h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u eal o t i nt h i st h e s i s ，t h ee n h a n c e dc h a r m e le s t i m a t i o n m e t h o d sf o rh i g hm o b i l i t ym er e s e a r e h c d a d d r e s s “c ha ni s s u ea n dt op r o v i d es o n i cs o l u t i o n s b e c a u s e t h ee s t i m a t e dc h a n n e lc a nb ec o n s i d e r e da sas i g m i ，w h i c hh a si t so w ue x p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si ne y e w d o m a i n , t h i st h e s i st r yt ot a k ea d v a n t a g eo f t h e s ec h a r a c t e r i s t i c st oa c h i e v ee s t i m a t i o ne n h a n c e m e n t t h e m a i nb o d yc o n t a i n st h r e ep a r a l l e lp a r t s ，w h i c hs u b s e q u e n t l ye x p l o r et h em o b i l ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c si n t h er i m e - d o m a i n s p a c e - t i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n a n dt a k ea d v a n t a g eo f t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sf 打 e n h a n c i n g e s t i m a t i o n p e r f o r m a n c e ，r e d u c i n gp i l o t o v e r h e a da n dl o w e r i n g s y s t e m sc o m p l e x n y ， r e s p e c t i v e l y t h et h e s i sb e g i n sw i t ht h ei n t r o d u c t i o n 幻t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm o b i l ec o m m m a i c a t i o n s y s t e m s t h ec h a r a c t e r i s t i c $ o fw h - e l e s sm o b i l ec h a n n e la n dt h ei m p o r t a n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o nf o rt h e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s t h e nt h eb a s i cc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r es u n l i l l a l i z e dw h i c hi st h eb a s i s o f t h ee n h a n c e do n e s t h ef i r s tp a r to ft h er e s e a r c hi st oe x p l o r et h ec h a n n e l at i m e - d o m a i nv a r y i n gf a d i n ga n dp r e s e n t s8 p o l y n o m i a l - m o d e l - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nf o rm i m o o f d ms y s t e m s f i r s t ，t h ec o a i $ el se s t i m a t i o no f t h ec h a n n e lr e s p o n s ea tp i l o tl o c a t i o ni st r a n s f o r m e dt om u h i p a t hd o m a i nb yi f f t t h e nt h et i m e m u h i p a t h p l a i ni sd i v i d e di n t ob l o c k s ，e a c ho fw h i c hi sa p p r o x i m a t e db ya2 - dp o l y n o m i a ls u r f a c ef n n e t i o n t h e n o i s e i ss m 0 0 t b e d b y t h es u r f a c e f u n c t i o n ，s o t h i sa l g o r i t h m e s t i m a t ee h a r m e l m e i n f o r m a t i o n s e m l r a t e l y ， a n di m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c eo f v - b l a s td e t e c t i o n w h a ti sm o r e , i td o e sn o tn e e dc h a n n e ls t a t i s t i c i n f o r m a t i o n t h cs e c o n dp a r to ft h er e s e a r c hi st o e x p l o r et h ec h a n n e l ss p a c e - t i m ed o m a i nc h a r a c t e r i s t i c n o n - o r t h o g o n a ls t b cc h a n n e lm a t r i xc a u s e db yt h et i m ev a r y i n gc h a n n e l si nab l o c ko ft w os y m b o l s a f t e ri n t r o d u c i n gt h ec l a s s i ca d a p t i v ef i l t e r s ，a hl m s - h a s e da d a p t i v ec l , a n n e lt r a c k i n gm c t h e df o rs t b c m i m os y s t e m si sp r o p o s e d ，c h a n n e le s t i m a t i o na f c e ft r a i n i n gp 两o di sa c h i e v e db yt r a c k i n gt h e p a r a m e t e r sf i o mq rd e c o m p o s i t i o no nt h ep r e d i c t e dc h a n n e lm a t r i x ，b yw h i c ht h en o i s ei se f f e c t i v e l y r e d u c e d b e s i d e s ，i no r d e rt ot r e c km o r ep r e c i s e l y ，t h es t e ps i z eo fl m sa l g o r i t h mi sa d j u s t e db yn o r d e f i n e dd i a g o n a l - n o n z a r o - f a c t o r ( d n f ) ，w h i c hr e f l e c t st h ed e g r e eo fc h a n n e lf a d i n g t h ei m p r o v e m e n t o v e rt r a d i t i o n a ll m st r a c k i n gi ss h o w nb ys i m u l a t i o nr e s u l t s t h i sm e t h o dr c m a i a st h er e l a t i v e l yl o w c o m p l e x 时o f l m sa l g o r i t h m ，c o m p a r e d w i t h k l s t h el a s tp a r to ft h er e s e a r c hi st oe x p l o r et h ec h a n n e l sf r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i cf o ran “ p r o p o s e ds i m p l ev e l o c i t y - a d a p t i v ec h i u m e le s t i m a t i o nm e t h o d i tu $ o sal o w p a s sf i l t e rw h o s eb a n d w i d t hi s d e t e r m i n e db ys e a r c h i n gt h es p e r t m ma u t o c o r r e l a t i o nr e s u l t sf o rt h es e c o n dh i g h e s tp e a kl o c a t i o n t h e c o m p o n e n t sw h i c ha r eh i g h e rt h a nt h em a x i m n md o p p l e rf r e q u e n c ya r ef o r c e dt oz e r o sb e c a u s et h e ya r e j u a tf r o mn o i s ei f t h e r ei sn os p e c t r u ml 龆k a g e w h i c hi si nf a c tn o tt h er e a lc a s od u et ot h et r u n c a t i o ni nt h e t i m ed o m a i n t h e r e f o r e ac o m p e n s a t i o nf o rt h er e m o v e dl e a k i n gs i g n a li sm a d ea f t e rz f ( z e r of o r c i n g f i l t e r c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lo n e a ，n ov e l o c i t yo rd o p p l e rf r e q u e n c ye s t i m a t o ri sn e e d e d ，w h i c h g r e a t l y l o w e r s t h e c o m p l e x i t y , a n d n oc h a n n e l s h i g i l e r o r d e rs t a t i s t i c s o r s n r i n f o r m a t i o n i sn e e d e de i t h e r , w h i c hr e d u c e sd e l a y t h em s ek e e p sl o wi naw i d er a n g eo f v e l o c i t y a n di sc l o s et ot h a to f t h ei d e a lc a s e 第3 页，麸5 9 页 中国科擘技术大学硕士论文 a 拈t r a c t i nw h i c hd o p p l e rf r e q u e n c yi sp e r f e c t l yk n o w n , a n dt h ec o m p e n s a t i o nf o r t h el e a k i n gs i g n a l si m p r o v e st h e a c c u r a c yo f c h a n n e le s t i m m i o n t h er e s e a r c ho ft h et h e s i sc a np r o v i d es o m eg o o dr e f e r e n c e st ot h ew i r e l o s sm o b i l ec o m m a n i e a t i o n s y s t e m s d e s i g n i t e n d s w i t h t h e p o s s i b l e d i r t i o n f o r t h e f u t u m m s e a r c h k e y w o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o n , t i m e - v a r y i n gf a d i n g d o p p l e re f f e c t , m i m o o f d 札a d a p t i v e n e s s 第4 页，共页 中国科学技术大学硕 = 论文 插图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图l - 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 插图目录 数据速率和移动性的增长趋势1 0 经典功率谱 4 发4 收m i m o 信道的空间选择性衰落1 4 s v d 低阶信道估计器 1 6 m i m o o f d m 系统框图2 0 多天线导频插入图案2 l 多径一时间域二维信道冲激响应实部( 虚部与之独立同分布，省略) 2 3 2 发2 收多普勒频率7 0 h z 时m s e 性能2 5 2 发2 收多普勒频率5 0 0 h z 时m s e 性能2 5 2 发2 收多普勒频率7 0 h z 时b e r 性能2 6 2 发2 收多普勒频率5 0 0 h z 时b e r 性能2 6 4 发4 收多普勒频率7 0 h z 时b e r 性能2 9 系统结构模型。3 3 h 1 的实部跟踪曲线3 7 h l 的虚部跟踪曲线。3 8 m s e 性能3 8 s e r 性能3 9 一次2 5 6 点f f t 实现的信号频谱及其自相关4 2 导频辅助调制帧结构4 3 速度自适应信道估计方法一个处理周期的实现框图4 4 截断的频谱泄露效应4 5 窗函数及其频谱。4 5 频谱相关法与理想情况的m s e 性能比较4 8 补偿频谱泄漏与否的m s e 性能比较4 9 舞7 页，共5 9 页 中国科学技术大学碗士论文第l 章绪论 第1 章绪论 本章首先介绍了所做研究的背景，即现代无线移动通信系统的发覆状况和无线移动 通信信道的特征。然后说明了适时有效的信道估计在现代通信系统中的重要作用，并总 结了基本的信道估计技术，这是增强信道估计的基础。最后给出本论文的结构和主要的 贡献。 1 1 无线移动通信系统的发展 近年来，在全球通信产业的发展中，以移动通信技术和宽带l p 数据通信技术发展最为迅速。整 个通信产业豹技术发展呈现出三个趋势一无线化、宽带化和口化。其中无线移动通信系统经历了 二十年的快速发展，已经从第一代模拟窄带通信系统发展到如今实现商用的第三代数宇宽带通信 ( 3 g ：t h e 3 “g e n e r a t i o n ) 系统。3 g 系统是为移动多嫫体通信而设计的支持高速移动下的语音业务 和多种多样的数据业务，例如手机电视移动互联网业务等。目前。针对后三代( b 3 g ：b e y o n d 3 g ) 和第四代( 4 g ) 移动通信系统的研究正在全球范围如火如荼地开展。同3 0 等已有的数字移动通信 系统相比，4 g 系统应具有更高的数据率、更好的业务质量( q o s ：q u a l i t y o f s e r v i c e ) 、更高的频谱 利用率，更高的安全性，以及更高的智能性和灵活性；4 g 系统应能支持非对称性业务，并能支持多 种业务；4 g 系统应体现移动与无线接入网和l p 网络不断融合的发展趋势。其中，就更高的数据速 率而言，对4 g 提出的目标是；对于大范围高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ，数据速率为2 0 m b p s ；对于 中速移动用户( 6 0 k m t h ) ，数据速率为l o o m b p s ：耐于低速移动用户( 室内或步行者) ，数据蘧辜 至少为l g b 阳。同时与移动通信系统平行发展的各种宽带无线接入系统，一方面在不断提升目标 速率，另一方面也在朝着支持终端移动性的目标发展。比如2 0 0 5 年底标准化的i e e e8 0 2 ，1 6 e 协议【1 1 就是在原有8 0 2 1 6 d 协议中加入了支持移动性的技术方案，又比如图l - 1 所示的一些当今无线通信 系统的发展趋势。可见无线化又以实现移动化为最终目标。 要实现下一代移动通信系统的目标，在技术上还面临着诸多挑战，这些困难主要来自于： 复杂的电波传播信道一移动终端可能位于各种环境中，电磁波在传播时会产生反射、折 射、散射和绕射等现象并带来多径效应和多普勒效应等，使信号受到衰落和畸变； 无线媒质的开放性无线通信受到噪声和各种外界干扰的影响，如在城市环境中的汽车 火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等： 有限的频带资源无线电频谱是一种宝贵资源，随着移动通信的飞速发展，急剧增加的 频带需求导致频率严重短缺的现象； ， 受限的信号发射功率一从延跃移动用户设备的电池寿命、绿色环保、或者设备成本的角 度考虑，一般发射机的功率是受隈的。 因此。研究具有高数据速率、高频谱利用率和高性能的通信方式是无线通信领域的当务之急。目前 已经提出了正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o r m lf 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 ) 技术【2 】，多天线输 第9 页，共毋页 中国科学技术大学顼士论文 第1 章绪论 x 输t t t ( 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 ) 技术【3 】，超宽带( u w b ：u l t r aw i d e b a n d ) 技术【4 1 以及认知无线电( c r ：c o g n i t i v er a d i o ) 技术 5 】等先进技术。 移动性 ， 车载 步行 静止 仉1 l1 0 l 数拥 圉1 - 1 数据速率和移动性的增长趋势 1 2 无线移动通信信道的特征 盘( m b s ) 出于空间物体的反射、绕射、散射等作用，电磁渡的传播经受多种损耗1 6 】1 7 】。由发射机和接收 机之间的空同距离，以及大型障碍物遮断而造成的电磁波平均场强的变化、衰减被称为是无线信道 的大尺度衰落。另一方面，无线信号在很短的传播时问或距离内有很大的幅度衰落，而且这种衰落 的程度和影响远远大于由于传播损耗和阴影衰落等原因引起的大尺度衰落，这就是信道估计所关注 的，对传输信号产生扭曲和畸变的小尺度衰落小尺度衰落主要由以下几个方面引起：多径传播引 起的时延扩展( 时问色散) 表现为信号的频率选择性衰落：多普勒( d o p p l e r ) 效应造成的频率偏 移( 频率色散) ，表现为信号的时间选择性衰落；多天线阵在有散射体的空间收发引起的角度色散， 表现为信号的空间选择性衰落。 1 2 1 小尺度衰落的通用模型 当信道快速变化时，n a k a g a m i - m ( o 5 9 i n 。 其中： 衰落参数：m = e 2 口) ，砌，( ，) = e 2 ( z 2 ) ，f “，一e ( x 2 ) 】2 平均能量参数：n = 占( ，) ， t 慨艄= 篇i t 笋ij ，l l 埘。 若取特殊的参数值，则对应了一些特殊的分布： 若m = l ， ( ，) 是r a y l 啦h 分布： 地卜孝呻f 丢i 俐 其中仃是r a y l e i g h 分布中各项高斯分布的标准差。 若m = 5 芸筹，厶( r ) 是r i c i m 分布： 厶= 扣 - 之爿( 事) 其中常数l 是直接路径成分的信号强度。 若珥_ 抽o ， ( ，) 趋于高斯分布； 删= 志唧 一笋) m z 。 其中是均值。 1 2 2 多径效应 ( 1 2 ) ( i 3 ) 1 4 ) ( 1 5 ) 功率延迟分布( p d p ，p o w 小1 ) c i a y p r o 矗l e ) 通常用于描述由多径引起的无线信遭在时间上的色 散它是一个基于周定时延参考量的附加时延的函数通常以相对接收功率图的形式表示，将基于 本地的瞬时功率延迟分布取平均即可得到功率延迟分布。 多径信道的时延扩展特性用平均附加时延f 和均方根( r i n s ) 时延扩展以来定量描述。平均辫| 加时延f 是功率延迟分布的一阶矩。定义为； p ( 1 k b 与丽 。固 其中爿k ) 为时延为q 的第女径信号的平均功率，n n $ 时延扩展o r 是功率延迟分布的二阶矩的平方 根，即 q = f 2 一( f ) 2 ( 1 7 ) 其中 第l i 页，菇5 9 页 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 一p ( h 2 ，2 蔚 o 。8 相干带宽窟用于在频域描述信道时问色散的频率选择特性。它跟咖s 时延扩展成反比关系。所 谓相干带宽是指一个特定的频率范围，在该范围内两个频率分量有很强的幅度相关性，如果蒋相关 带宽定义为包络相关系数为0 5 ，则相干带宽可近似为： e 1 1 5 0 , ( 1 9 ) 当信道时延扩展远小于信号周期或者信号带宽远小于相干带宽时，称该信道为平坦的。从频域 上来看，不同的频率分量经历了相l 司的衰落；从时域上看，接收信号只经历了一个可分辨径的衰落， 符号问干扰( i s i ) 可忽略不计。而当信道时延扩展大于信号周期或者信号带宽大于相干带宽时，称 该信道为频率选择性的，从顿域上来看，不同的频事分量经历了不同的衰落；从时境上看，接收信 号经历了多个可分辨径的衰落，出现了严重的【s i 。 1 2 3 多普勒效应 多普勒功率谱密度s o ( d p s d ，d o p p l c r - p o w v r - s p e c t r a l d e n s i t y ) 用于描述由于移动台和基站 之间的相对运动、或者信道路径中物体的运动而引起的信道在频率上的色散。无线信道的频率扩展 特性通常用多昔勒扩展玛来定量描述，它被定义为多普勒功率潜二阶矩的平方根，郢： = 厄万而面丽 其中 百：垦墨堕 is u ) d f ( 1 1 0 ) 移动台和基站之闻多普勒颓移计算公式如下t 五= - ! ；c o s ( 目) ( 1 | 1 2 ) 其中，v 表示移动台的移动速度，卫表示载波波长，口为速度方向与收发端径向之间的夹角。 由公式( 1 1 2 ) ，可以容易地得到最大多普勒频移： 厶= ( 1 1 3 ) 若假设电磷渡的传播发生在二维平面内接收机位于散射区域的中心，接收天线是全向天线 到达接收天线的入射波入射角均匀分布在( 一石，露】之问- 则接收信号的功率谱密度符合j a k e s 模型 9 】 称为经典功率谱，也叫“u ”型谱： 第1 2 页，共5 9 页 中国科学技术大学硕士论文 第1 章绪论 其中，- i ：是载波频率。己是各向同性天线接恒到的平均功率，可见信号的功率谱被扩展到 职一厶一，正+ 五一) 中去了，如图1 2 所示。 由于d o p p l e r 频率造成的信道的时变特性，导致在无线数字通信中，接收端每过一段时间就要 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，提高接收机性能， 一般采用相干时问的概念来表征信道参数基本维持不变的时间间隔的，相干时间定义为： 1 乏= _ 二一( 1 1 5 ) d 一 当信号周期远小于相干时间或者信号带宽远大于多普勒扩展时，可以认为信道参数在一个或多个信 号码元周期内是稳定的，称该信道为慢衰落的。当信号周期大于相干时问或者信号带宽小于多普勒 扩展时信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧，此时称该信遭为快衰落的。 i 2 4 角度色散 们七肛i m h z 村m 辨7 p 即1 w ) x1 矿 图i - 2 经典功率谱 角度功率谱e ( o ) ( p a s ：p o w e r - a z i m u t h - s p e c t r u m ) 用于描述信道在角度上的色散。无线信道的 角度色散特性用角度扩展( a s ：a z i m u t hs p r e a d ) 定量描述，它描述了功率谱在空间上的色敞程度， 被定义为角度功率谱二阶矩的平方根， 其中 ：f a e ( o ) d a 肚前而 第1 3 页，共5 9 页 ( 1 16 ) ( 1 1 7 ) 中国辩学技术大学硕士论文 第1 章绪论 角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落，即信号幅值与天线的空间 位置有关。空问选择性衰落用相干距离口描述，它跟角度扩展成反比关系。所谓相干距离是指一段 距离间隔。在此间隔内两个到达信号很强的幅度相关性，当相干距离定义为包络相关系数为0 5 时， 相干距离近似为： d o = 蕊0 1 面8 7 ( 1 ，1 8 ) 其中口为信号的到达角( a o a ；a n g l e o f a r r i v a l ) 。只有在相关距离内才可以认为空间传输函数是平 坦的。在角度扩展不为零的情况下，随着多天线系统的引入，使得不同位置上的天线经历的衰落各 不相同，这样天线就实现了空间分集。而如果仅仅采用单天线系统，则其受到的衰落仅仅是某一固 定空阃点收到的衰落。圈l - 3 示意了一个时刻的空间选择性衰落信道幅值，参数选白3 g p pt r 2 5 9 9 6 1 1 0 ，基站发出信号的离开角( a o d ：a n g l eo f i 帅) 为5 0 0 ，角度扩展2 0 ；移动台收到信 号的到达角为6 7 5 0 ，角度扩展3 5 。 图1 - 34 发4 收m i m o 信道的空间选择性衰落 1 3 信道估计的基本方法 信道估计是相干接收机不可缺少的重要模块的。通过对信道的估计，可以补偿和纠正无线衰落 信道对发送信号的扭曲，从而为后续解调解码的正确性提供了保证。此外。系统的链路自适应也必 须知道信道的信息，以此信息作为自适应的判断依据例如发送端利用接收端反馈回来的信道信息 进行多用户调度和资源分配自适应编码调制和波束成型( b e a m f o r m i n g ) 接收端联合信道估计， 均衡、解调、解码进行t u r b o 迭代接收1 1 1 1 ，等等。 信道估计的算法总的来说分为两种。一种是基于训练序列( t r a i n i n g 船x l u e n r , e ) 或者导频( p i l o t ) 的估计算法一种是基于发送数据自身统计特性的盲估计算法。基于导频的估计算法是利用接收机 已知的发送信号的信息来进行估计，特点是导频需占用一定的资源开销，如时域的对踪或者频域的 第1 4 页，共 页 。 ” o 拍 o 。 相鲆魁孽籍犟 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 带宽，是以降低信道传输效率为代价选到估计的目的。盲估计算法则不用导频，而是利用传输数据 的二阶或者高阶统计信息。特点是不会影响传输效率，特别是节约了宝贵的频谱资源，但是复杂度 和运算量比较大，是以降低估计的适时性为代价达到估计的目的。 在估计问题中，估计方法取决于采用的估计准则，比如最小二乘估计( 最小平方估计) ，最小均 方误差估计、线性最小均方误差估计、贝叶斯估计、最大后验概率估计、最大似然估计等准则。对 于倍道估计，利用的准则主要有最大似然( m l ) ，最小平方( l s ) 和最小均方误差( m m s e ) 准 则。研究信道估计的一般出发点是寻求性能、开销和复杂度三者的折中。基于导频的算法，需要解 决三个关键的问题，一是发送端导频的选择与插入方式：二是接收端导频位置信道信息获取的方式； 三是用导频位置获取的信道信息如何较好的恢复出所有时刻所有频率信道的信息。 纵观现在各种无线通信系统无论是g s m ，c d m a 系统还是o f d m 或者m i m o 系统，虽然信 道估计的方法各不相同- 但是最基本的估计方法都是接收端利用已知的p r e a m b l e 1 2 ，m i d a m b 蚪1 3 】 或者p i l o t 1 4 ，t r a i n i n g 女q u e n c e 1 5 ，采用l s 或m l 进行最初的估计l s 或m l 估计的基本原理 是 1 6 1 ，假设发送的时域或者频域的训练序列由三个符号组成，表示成向量x = kz ，r ， 接收端处的信号可咀表示为 y = f i x + n ( 1 1 9 ) 其中，【l r 表示向量的转置，接收序列y = h 虬虬】1 ，信道响应h 是上工的矩阵，高斯白噪 声n = h 如月j 1 则由l s 准则估计出的信道响应为# 直。z y x t 其中x 表示x 的广义逆。如果列向量x 是行满秩的 右逆求出： ( 1 2 0 ) 则它的右逆一定存在。它的广义逆便可以用 x 十；x ”( x x ”) - ( 1 1 2 1 ) 其中( ) “表示共轭转置。至于其它更高级的算法，都是在基于这个“粗估计”的基础上进行修正。 比如知道了噪声的方差和信道的自相关矩阵等二阶统计量信息，就可用线性最小均方误差准则 ( l m m s e ) ，对l s 估计值进行滤波，得到更准确的估计值： 蠹啪= r 。( r 。+ 一( x x ”) _ 1 ) 1 直 ( 1 2 2 ) 其中r 删= e h h ” 为信道冲激响应的自相关矩阵，吒2 是噪声方差。注意到在m m s e 估计中有一个 矩阵求逆运算，而且每当训练序列x 变化时，求逆运算和r 。都要随之变化。为了降低算法的复杂 度。可以用两个办法解决；一种是选择训练序列肌叫= c ( 其中c 为常数) ，另一个更普遍的方法 是对传输的导频数据取平均，即用e ( x x ”一j 代替( x x ”) 一，而且仿真结果表明这种近似带来的 性能恶化可以忽略，于是简化了的l m m s e 估计为： 白一2 r u 一( r t m + 者鼍1 ) 。矗 ( 1 2 3 ) 其中信噪比s n r = 华蹦i 叫南卜依赖于信号鼬图的徽可以舰如果 s n r 和r 珊这些信道的统计量可以事先知道( 统计量变化很慢，可咀事先测量得到然后用于信道估 第1 5 页共5 9 页 中国科学技术大学颤士论文第t 章绪论 计中) ，( r 删+ 喾；i ) “只用计算一次。进一步减小运算量，可以采用奇异值分解( s v d ) 来简化 l m m s e ，这种估计算法叫低阶估计( 1 0 w - r a n ke s t i m a t i o n ) ，框围如图卜4 所示。s v d 分解的表达 式： i t h h = u a u 7( 1 2 4 ) 其中a = d f a g 2 。， 4 小0 ，o ) r = r a n k ( a ) ，u 是酋矩阵a 于是最佳低阶( r ) 估计： 包。= u 除：u h 虬 n 瑚 其中a ，是对角矩阵，对角线上元素研q = 器 ，七= o 1 - r 。 娴+ 靠 雷l s v d 低阶搐道估计器 由于待估计的信道可以看成一种信号。丽信号在各个域上的表达均有各自的特点，于是本论文 试图充分利用各个域上的特征来达到增强估计的目的本论文研究内容是。充分挖掘和利用移动无 线信道的特征，包括时域，空时域和频域的特征，对“粗估计”进行处理，得到更加准确有效的。辅 估计”。 1 4 论文结构与贡献 本论文的主体分为三个平行的部分。分别基于移动信道在时域、空时域和频域上的特征提出 了利用这些特征来增强不同系统中的信道估计的算法，分别达到提高精度、减小导频开销和降低系 统复杂度的目的。 论文的第二章，利用移动信道在时域上的特性，提出了一种增强的信道估计方法。在移动中， 多径信道的每一径都是时变的。移动速度越快，时变衰落越剧烈。本章以下一代移动通信的重要技 术多输入多输出正交频分复用( m i m o o f d m ) 为系统模型，对每根接收天线的各个o f d m 符号( s y m b 0 1 ) 中的导频进行抽取，做l s 信道估计后，采用快速傅立叶逆变换( w f t ：i n w r s e f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) 到多径域，然后在二维的“时域一多径域”平面上，用多项式模型去逼近多径域 中的每一径的时域变化趋势，利用了时域的相关性，从而达到平滑噪声提高估计精度的目的，提高 第1 6 页，共5 9 页 中国科学拄术大学硕士论文第1 章鳍论 了m i m o 系统v b l a s t ( v e r t i c a l b e l l l a b o r a t o r i e s l a y e r e d s p a c e t i m e ) 检测算法的误比特率( b e r ： b i te r r o rr a t e ) 性能。 论文的第三章，利用移动信道在空时域上的特性，提出一种用于空时分组编码( s t b c ： s p a c e - t i m eb l o c kc e d i n g ) 的m i m o 系统的自适应信道跟踪估计方法。由上一章知道，移动信道会带 来时变衰落。本章剩甩时变衰落使得s t b c 正交的空时倍道不再正交的特性，定义出一争度量时变 衰落大小的信道矩阵“对角非零因子”( d n f ：d i a g o n a ln o n z e r of a c t o r ) 。信道跟踪是指在相邻导 频间对信道进行跟踪估计。先用导频进行信道估计，然后用改进的最小均方( l m s ：l e a s tm e a n s q a r e ) 自适应算法分别跟踪空时信道矩阵经正交分解( q r 分解) 后的分量。l m s 的跟踪步长用 d n f 来调整，提高了对信道的跟踪估计的能力。 论文的第四章，利用移动信道在频域上的特性，提出了一种白适应于移动速度的增强信道估计 方法。移动会导致频域上的多普勒效应，展宽信号带宽。利用信道在移动环境下频谱受限和对称的 特征，通过寻找频谱自相关的峰值来确定频域滤波器的带宽。相对传统速度自适应方法，该方法不 需要估计多普勒频率或移动速度。降低了系统实现的复杂度；也不需要信道的长时统计量或信噪比 信息，实时性较高。信号在频域的处理必然会有频谱泄漏问题，传统方法滤除噪声的同时也去掉了 部分信号，对此本还提出一种恢复泄漏的频域信号