（通信与信息系统专业论文）多载波系统抗干扰新技术的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：无线数据与移动计算网络 作者：2 0 0 7 级研究生吴斌 指导老师：曹士坷 题目：多载波系统抗干扰新技术的研究 英文题目：r e a r c ho nn e w t e c h n o l o g i e sf o rs u p p r e s s i n gi n t e r f e r e n c ei n m u l t i c a r r i e rs y s t e m s 主题词：正交频分复用 循环前缀 广线性盲信道辨识 循环平稳 迭代窄带干扰消除 k e y w o r d s ： o f d m c y c l i cp r e f i x w i d e l yl i n e a rb l i n dc h a n n e li d e n t i f i c a t i o n c y c l o s t a t i o n a r i t y s u c c e s s i v en b ic a n c e l l a t i o n 南京邮电大学硕上论文 摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术已经在无线通信领域有了广泛应用，以其有效对抗多径 衰落的特性以及较高的频谱资源利用率而受到广泛关注。本文主要分析了无线环境下的多 载波系统的抗干扰技术，由于多径传输和窄带干扰( n b i ) 的影响，本文采用了多载波调 制( m c m ) 、线性和广线性迫零( w l m m s e ) 均衡等来解决。为节省带宽，采用一种新 颖的基于子空间的盲信道辨识方法广线性( w l ) 方法来辨识信道。 本文首先介绍了移动通信的发展背景，并就多载波技术的分类进行了讨论。在第二章 中阐述了无线通信信道和o f d m 技术的基本原理，分析了o f d m 技术的优势及缺点。第 三章则分别介绍了o f d m 系统中的信道估计中的导频辅助方法及盲信道估计方法。 接着分析了w l 原理及其w l m m s e 均衡在o f d m 系统中的应用，在白噪声下，我 们提出了利用w l 方法实现基于子空间的盲信道辨识算法，有效地解决了信道对阶数敏感 的问题。最后设计了w l m m s e 均衡器，并对w l 盲信道辨识进行了仿真，与传统的的线 性m m s e 相比，w l m m s e 接收机具有更强的抗干扰性能。 第五章中，我们详细地讨论了o f d m 系统中n b i 消除的原理。然后分析了在n b i 时 的w l 低秩盲信道辨识算法，最后提出了一种迭代n b i 抑制算法，与传统的z f 接收机、 m m s e 接收机相比，f n b i s c 接收机具有更优越的抗干扰特性。 关键词：正交频分复用，循环前缀，广线性盲信道辨识，循环平稳，迭代窄带干扰消除 南京邮电大学硕1 ：论义 a b s t r a c t o r t h o g o n a 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 ( o f d m ) h a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nt h e 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 s i ti s p a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o ，b e c a u s eo fi t s p e r f o r m a n c ef o rr e s i s t i n gm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n dh i g he f f i c i e n c yo fs y s t e mb a n d w i d t h t h i s t h e s i sd i s c u s s e st h et e c h n o l o g i e so fs u p p r e s s i n gi n t e r f e r e n c e si nm u l t i c a r r i e rs y s t e mo v e rt h e w i r e l e s sc h a n n e l s i no r d e rt or e s i s ta g a i n s tm u l t i p a t ha n dn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ( n b i ) ， m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ( m c m ) ，l i n e a ra n dw i d e l yl i n e a rm m s e ( w l m m s e ) e q u a l i z a t i o n sa r e a d o p t e d t os a v eb a n d w i d t h ，an o v e la l g o r i t h mo fs u b s p a c e b a s e db l i n dc h a n n e li d e n t i f i c a t i o ni s p r e s e n t e d ，t h a ti s ，t h ew i d e l yl i n e a r ( w l ) a l g o r i t h m ，w h i c hi sa p p l i e d f o rb l i n dc h a n n e l i d e n t i f i c a t i o n t h e d e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sf i r s t l yi n t r o d u c e d a n d t h e nt h ec l a s s i f i c a t i o no fm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sa n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d mw e r ee x p o u n d e d ，w ea l s o a n a l y s i st h es u p e r i o r i t ya n dd e f i c i e n c yo fo f d m i nt h et h i r dc h a p t e r , t w ok i n d so fc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m sa l ei n t r o d u c e d ：b a s e do nb l o c kp i l o t sa n db a s e do nc o m b t y p ep i l o t s t h e nt h ep r i n c i p l eo fw la n dt h ea p p l i c a t i o no fw l m m s ee q u a l i z a t i o ni no f d ms y s t e m a r es t u d i e d i nw h i t en o i s e w lm e t h o dc a l lb eu t i l i z e di nt h es u b s p a c e - b a s e db l i n dc h a n n e l i d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hi si n s e n s i t i v eo fc h a n n e lo r d e r c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ll i n e a l m m s e ，w l m m s er e c e i v e rs h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c ei ni n t e r f e r e n c e ss u p p r e s s i n g ，w h i c hc a l l b ec o n f i r m e db yt h es i m u l a t i o n i nt h ef i f t hs e c t o r , t h ep r i n c i p l eo fn b ie l i m i n a t i o nw a sd i s c u s s e di nd e t a i li nt h eo f d m s y s t e m a n dt h e ne x t e n dt h ew ll o wr a n kb l i n dc h a n n e li d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mt ot h ec a s eo f n b i l a s t l y ,a n o t h e rr e c e i v e rb a s e d o ns u c c e s s i v en b ic a n c e l l a t i o nm e t h o di s p r e s e n t e d ， c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ll i n e a rz f , m m s er e c e i v e r , f - n b s cr e c e i v e rs h o w sb e t t e r p e r f o r m a n c ei nt h ec a s eo f n b i k e y w o r d s ：o f d m ，c y c l i cp r e f i x ，w i d e l yl i n e a rb l i n dc h a n n e li d e n t i f i c a t i o n ， c y c l o s t a t i o n a r i t y , s u c c e s s i v en b ic a n c e l l a t i o n i i 南京邮电大学硕：f ：论文目录 目录 摘要i z i l b s t r a c t i i 目蜀乏i i i 第一章绪论1 1 1 移动通信发展背景简介1 1 2 多载波技术概述2 1 2 1 时域扩频的多载波技术2 1 2 2 频域扩频的多载波技术3 1 3 多载波系统中的干扰及消除方法3 1 3 1 符号间干扰及消除方法3 1 3 2 载波间干扰及去除方法3 1 3 3 窄带干扰抑制4 1 4 论文的主要工作和结构安排4 第二章无线信道与o f d m 技术基本原理6 2 1 无线信道基本特征。6 2 2 多径衰落6 2 2 1 慢衰落6 2 2 2 快衰落7 2 3 移动信道的几个参数。8 2 3 1 时延扩展8 2 3 2 相关带宽9 2 3 3 相关时间1 0 2 。4o f d m 的基带模型及技术原理l o 2 5 循环前缀1 3 2 6o f d m 发射机和接收机1 3 2 7o f d m 技术的优势及缺点1 4 2 8 本章小结1 5 第三章o f d m 系统的信道估计及均衡1 6 3 1 信道估计的意义1 6 i i i 堕塞唑堕盔堂堕鲨塞旦茎 3 2 系统模型1 6 3 3 导频辅助方法1 7 3 3 1 基于块状导频结构的o f d m 信道估计1 8 3 3 2 基于梳状导频结构的o f d m 信道估计1 9 3 3 3 仿真结果及性能分析2 0 3 4o f d m 系统的盲信道估计2 l 3 4 1 基于循环平稳的o f d m 盲信道估计2 2 3 4 2 基于子空间的盲信道估计2 4 3 4 3 仿真结果及性能分析。2 5 3 5 本章小结2 7 第四章o f d m 系统抗干扰技术2 8 4 1o f d m 系统中的i c i i s i 2 8 4 2 窄带干扰( n b i ) 简介2 8 4 3 多载波o f d m 系统模型2 8 4 4 线性m m s e 接收机3 0 4 5w l 抗干扰。3 2 4 5 1w l 抗干扰原理3 2 4 5 2 基于w l 盲信道估计方法3 3 4 5 3w l m m s e 均衡器的设计3 5 4 6m a t l a b 仿真非盲均衡和盲信道辨识性能3 7 4 6 1 非盲均衡性能3 7 4 6 2 盲信道辨识性能3 9 4 7 本章小结4 2 第五章o f d m 系统的n b i 消除4 3 5 1 窄带干扰对o f d m 系统的影响4 3 5 2 窄带干扰消除的原理4 4 5 3o f d m 中的窄带干扰消除技术4 6 5 3 1 窗函数法4 6 5 3 2 窄带干扰消除算法4 7 5 4 两种窄带干扰消除的算法4 8 5 4 1n b i 时的w l 低秩盲信道估计算法4 8 i v 南京邮i 乜人学硕1 j 论文 目录 _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ - - 。_ 。_ 。_ 。- _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ - _ _ _ _ _ _ _ 。- _ - - _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 。_ 。- - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o o o o o - _ o - _ _ _ - _ 。一 5 4 2 频域迭代n b i 抑制算法。4 9 5 5m a t l a b 仿真5 2 5 5 1w l 盲信道估计抗n b i 性能5 2 5 5 2 迭代n b i 抑制算法性能5 3 5 6 本章小结5 4 第六章论文的总结和展望5 5 6 1 论文的总结5 5 6 2 研究展望5 6 参考文献5 7 英文缩略词表6 0 致谢6 2 攻读硕士学位期间发表的论文6 3 v 南京邮电人学硕：l ：论文第一章绪论 1 1 移动通信发展背景简介 第一章绪论 人类采用无线通信的历史可以追溯到古时代1 8 9 7 年m g 马尼完成了人类历史上的第 一次无线通信。一百多年过去了，随着计算机和半导体技术的飞速发展，无线移动通信理 论和技术的进步，今天的移动通信技术已经与当年有着天壤之别，它也逐渐成为人们生活 中的重要通信方式之一。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字通信，从窄带通信发 展到了宽带通信，移动通信的发展已经经历了3 代。第一代( 1 g ) 采用的多址方式是频分 多址( f d m a ) ，仅达到了一般质量的模拟话音的通信要求，第二代( 2 g ) 采用的多址方式 主要是时分多址( t d m a ) ，主要是为支持话音和低速的数据业务而设计的。目前正商用的 第三代( 3 g ) 主要采用的多址方式是码分多址( c d m a ) ，未采用增强型技术时，在静止环 境下其最高数据速率可达到2 m b p s 。 现代移动通信系统的发展经历了三个阶段【l 】： 第一代移动通信系统是模拟系统。1 9 7 9 年，美国贝尔实验室成功地研制出先进移动通 信电话系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ，a m p s ) ，建立了蜂窝状移动通信网。于19 8 3 年在芝加哥首次投入使用。随后，英国开发出全址通信系统( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t a c s ) ，其它一些工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。第二代移动 通信系统是数字系统。8 0 年代中期，欧洲推出了泛欧数字移动通信网体系( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) ，随后美国和日本也推出了各自的数字移动通信体制。第二 代移动通信系统除提供数字语音通信服务之外，还可提供一些中低速率的数据传输业务和 智能网业务。除g s m 之外，第二代移动通信系统的协议标准还包括数字先进移动电话系 统( d i 西t a la d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ，d a m p s ) 、个人数字蜂窝系统( p e r s o n a ld i g i t m c e l l u l a r ，p d c ) 以及i s 9 5 等。第三代移动通信系统的主要技术采用码分多址( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术。国际移动电信标准2 0 0 0 ( i m e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ni nt h ey e a r 2 0 0 0 ，i m t 2 0 0 0 ) 最初是期望能够在世界范围内定义单一的、 遍布各地的无线通信标准，提供通用的基本网络设备和手持终端，从而为全球所有用户提 供通用的无线通信系统和设备。然而在2 0 世纪9 0 年代中期，由于有多种无线技术都己经 在商业领域获得巨大的成功，因此制定全球通用标准的想法也就变得不可行了。截至到 l 南京邮电大学硕士论文第一章绪论 1 9 9 8 年6 月，国际电信联盟( i t u ) 共接收到了三份i m t 2 0 0 的建议，其中有关移动通信方面 的建议典型的有欧洲和同本提出的w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 以及我国提出的 t d s c d m a 。 第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成了模拟技术向数字技术的转变，但还是 无法达到真正的全球自动漫游。第三代移动通信向个人通信的目标迈出了一大步，但第三 代移动通信仍然不能算是完全个人通信。未来的第四代移动通信应该比第三代移动通信更 接近于个人通信，即在任何人、任何时问和任何地点的基础上，实现任何形式的通信。这 就要求通信的内容除话音外，还有其它媒体包括语音、数据、影像等大量信息通过宽频的 信道传送出去。暂且将第四代移动通信系统称之为“多媒体移动通信( m u l t im e d i am o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 。第四代移动通信不仅仅是为了因应用户数的增加，更重要的是，必须要 因应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。总的来说，未来移动通信系统必须 可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良以及达到高速数据传输的要求。第四 代移动通信系统技术则以正交频分复用( o r t h o g o n a 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 ，o f d m ) 技术最受瞩目。 1 2 多载波技术概述 1 2 1 时域扩频的多载波技术 基于时域扩频的o f d m 和c d m a 相结合的多载波方案，主要有两种形式：多载波 d s c d m a ( m c d s c d m a ，m u l t i c a r r i e rd s c d m a ) 和多音调c d m a ( m t - c d m a ， m u l t i t o n ec d m a ) 。 ( 1 ) m c d s c d m a 方案 m c d s c d m a 是在时域上完成数据信道扩频2 1 。其基本原理是发送数据序列( 已经 过映射和调制) 首先经过串并转换变成并行输出，然后并行的每路数据由相同的短扩频码 扩频，最后再对数据进行o f d m 调制。扩频后的相邻子带之间有1 2 的重叠，且保持正交 关系。扩频后的信号带宽被限制在一个子带内，因此宜采用较短的扩频序列。并且o f d m 信令的引入，有助于建立同步信道，适合于上行通信链路。 ( 2 ) m t - c d m a 方案【3 】 m t - c d m a 发射机利用给定的扩频序列，在时域内扩展经串并转换后的数据流， m t - c d m a 采用与载波数成比例的长扩频序列，使系统可容纳更多的用户。但是在这种方 2 同的信息数据。 ( 2 ) 多速率g m c c d m a 方案 在以往的单速率系统中，每个用户进行的是同样的业务，所需带宽相同，分配给每个 用户的扩频码的码长是相同的。而多速率g m c c d m a 系统中，是按照用户的传输速率要 求，为每个用户选取不同数目的子载波以实现多速率传输。甚至为同一个用户同时提供不 同的业务。 1 3 多载波系统中的干扰及消除方法 1 3 1 符号间干扰及消除方法 在o f d m 系统中，我们通过在每个o f d m 的符号问插入保护间隔，这样一个符号的 多径分量就不会对下一个符号造成干扰，从而消除了由于多径而带来的符号间干扰，因此， 我们要求的保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，然后在接受端对接收信 号进行均衡可有效减小i s i 。 1 3 2 载波问干扰及去除方法 在o f d m 系统中，我们采用窄带正交频率进行信号传输，使得系统对于频率的精确度 要求很高。但是，传输端与接收端载频同步不良将导致频率偏差。另外在无线传输环境下， 多普勒频谱展宽也不可忽视。在o f d m 系统中这些频率偏差会引起频率间干扰，使系统特 性显著下降。由于o f d m 系统采用分块传输，与其相对应的子载频在频域内无限扩展。在 没有频率偏差的情况下，频率间的正交性得以维持。若接收信号与传输信号之间存在频率 偏移，则破坏了子载频间的正交性，从而降低了子载波上有用信号的幅度。同时子载波上 3 南京邮电大学硕1 ：论文 第一章绪论 损失的能量作为干扰信号泄漏到其他子载波上，这就是子载波问干扰。 减小i c i 的方法大体可以分为三类：一类是频域均衡法，其基本原理与单载波系统中 的均衡法大体相同。为了获取符号间i c i 信息，传输端传送一些特定的训练序列。接收端 利用训练序列中得到的信息对接收信号进行均衡；另一类方法是时域窗法。发送端将传输 的时域信号乘上特定的窗函数。时域窗函数的作用使其频域特性加以改善，进而减小i c i 能量；第三种方法为频域编码法。即在调制到子载波的各信号i 、日j 引入特定的编码形式。 1 3 3 窄带干扰抑制 窄带干扰指的是相对于有用信号来说带宽很窄而功率较强的干扰信号，它是在实际的 通信系统中常见的一种干扰。在o f d m 传输系统的接收端，由于离散傅里叶变换( d f t ) 所带来的频谱泄漏效应，非正交的窄带干扰的频谱会被扩展到整个o f d m 的频率范围之 内，在很大的带宽范围里影响到多个子载波。 目前对于o f d m 系统中的窄带干扰消除算法的研究主要有两种不同的思路。一种方法 是窗函数算法，其原理是利用旁瓣较低的窗函数末代替接收机f f t 模块中的矩形窗函数， 从而降低非正交窄带干扰在频域的扩展。接收机窗函数不但可以抑制窄带干扰的影响，同 时也能减少其它原因所带来的i c i 。另一种思路是窄带干扰消除算法。它的原理是在o f d m 信号的频域上设置一些空的子载波，在接收端，根据空子载波上接收到的干扰信号来估计 出其它子载波上的干扰信号，最后将干扰信号的估计值从接收信号中减掉，从而消除干扰 的影响。这种方法的关键之处在于如何根据仅有的几个频点上的干扰信息估计出整个频域 上的干扰信号。 1 4 论文的主要工作和结构安排 第一章简要介绍了移动通信发展的过程，多载波系统描述及多载波系统中的干扰消除 方法。 第二章就无线信道基本特征进行了分析，包括多径衰落及移动信道的几个关键参数。 然后介绍了o f d m 的基本模型及技术原理，讨论了循环前缀，最后分析了o f d m 技术的 优势及缺点。 第三章研究了o f d m 系统的信道估计技术，就信道估计的分类，介绍了导频辅助方法 下的块状导频和梳状导频，盲信道估计下的循环法和子空间算法。 第四章分析了o f d m 系统的抗干扰技术，介绍了m m s e 接收机。采用w l 方法：( 1 ) 4 南京邮电人学顾十论文 第一章绪论 对o f d m 系统进行w l m m s e 均衡，有效抑制n b i ；( 2 ) 利用非坏特性，设计基于子空 间的w l 盲信道辨识方法，可解决对信道阶数敏感的难题。并设计了w l m m s e 均衡器。 第五章分析了o f d m 系统中窄带干扰的影响及其消除的原理，并就o f d m 系统中的 两类窄带干扰消除技术( 接收窗技术及窄带消除算法) 的原理进行了分析。讨论了w l 盲 估计下的n b i 消除及z f 接收机下的连续n b i 消除算法。 第六章研究工作总结和展望。 5 南京邮电大学硕上论文第_ 二章无线信道与o f d m 技术摧奉原理 第二章无线信道与o f d m 技术基本原理 由发射机到接收机之间的无线链路称为无线信道，发射机与接收机之间的传播路径非 常复杂，从简单的视距传输到各种复杂的由各种各样障碍物，如建筑物、山脉、街道和其 它移动的物体而引起的反射、折射、散射和绕射传播，这对无线信号的传播产生了重要的 影响。所以说，无线信道是影响蜂窝通信系统性能的一个重要因素。 o f d m ( 正交频分复用) 技术是未来无线宽带接入系统的基本技术之一，并且被普遍认 为是第四代移动通信系统的核心技术。o f d m 的优越性在于它可以抗无线信道中的多径衰 落，同时提高频谱利用率。 2 1 无线信道基本特征 在无线传输过程当中，电磁波一般是经过反射、衍射和散射的传播路径到达接收机的。 在接收端观察到的信号是经过不同传输路径到达的所有信号的叠加，每个电波不仅幅度衰 减和相位偏移不同，而且到达的时间也不同，因此在接收机处接收到的信号呈现出移动通 信所特有的衰落特性。在移动通信中，散射体的运动和移动台的运动对接收信号的影响是 一致的。如果移动台与附近的散射体始终保持静止，则所接收到的信号包络保持不变；如 果二者存在相对运动，则接收信号包络有起伏变化，信号强度随距离不断变化即信号产生 了衰落。其中，信号强度特性曲线的中值呈慢速变化，即所称的慢衰落。曲线的瞬时值呈 快速变化，即快衰落【4 】。 2 2 多径衰落 2 2 1 慢衰落 接收信号强度的中值出现缓慢变化，称为慢衰落。变化的原因主要有两方面：一是地 区位置的改变；二是气象条件的变化。后一原因引起的变化较小，通常可被忽略。电波在 传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，手机通过不同的阴影区会引起中值变化， 因此这种衰落也叫阴影衰落。 慢衰落信号变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、变化频率、障碍物和移动台移动 6 壹室! ! ! ! ! 皇厶兰塑：! ：鲨塞笙三童歪垡鱼堕! iq 里望坚垫查茎查堕堡 速度。慢衰落信号强度近似服从对数正态分布： p ( ) ：去e - ( 一口) 2 2 ， ( 2 - 1 ) v z t 式中a 为信号幅度的均值。当移动用户和基站之间的距离为d 时，传播路径损耗和 慢衰落可以联合表示为： t ( a ，孝) = d ”1 0 盎 ( 2 2 ) 式中刀表示路径损耗因子，f 表示由于慢衰落产生的对数( d b ) 损耗，服从零平均和 标准偏差仃( 一般为8 d b ) 的对数j 下态分布。式( 2 2 ) 用d b 表示变为：，( 拈) = 1 0 n l g d + 善。 2 2 2 快衰落 接收信号强度出现快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落，也称为小区间瞬时 值变动。统计表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包络起伏近似于瑞利 ( r a y - l e i g h ) 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落。快衰落的衰落幅度变化与地形地物有 关，可达1 0d b 3 0d b ，衰落速度与移动台移动速度有关。例如：车速为4 0 k m h ，电波频 率为8 0 0 m h z 时，衰落速度达每秒3 0 - - , 4 0 次。在没有直达路径的情况下( 当多径数较多时， 各路径信号幅度差异很小) ，快衰落服从瑞利分布： p ( ) = 事者o 鸠霓者r 二 ( 2 7 ) z 式中乃表示码元周期，吃表示码元速率。平均时延扩展为： 南京邮电大学硕1 ：论 乃= 嚣 ( 2 8 ) 式中d ( f ) 表示时延概率密度函数，可以表示为指数形式和均匀形式，其中f d ( f ) 出= l 。 对于近距离散射体、距离高大建筑物和远山的环境，多径时延扩展可近似为指数分布，指 数形式的时延扩展表示为： d ( f ) = _ 1e 古 o f 乃时，会产生时间选择性衰落。一般情况下， 乃 ，其中正为抽样周期并且满 足帽= 1 a f ，鲈为子载波间距，为信道的最大延时。如图2 - 4 所示，比特数据经映 射，串并转换后变为x ( k ) ( k = o ，l ，n 1 ) ，再经i d f t 后成为x ( n ) ，j n _ l ：c p ，成为x p ( n ) ： 讳( ，z ) ：i 1 己n - i x ( 后) p ，等破，一g 刀s 一1 ( 3 1 ) vk = 0 1 6 有用符号周期，t 为时延时间因子，t 为第i 条路径的时延，以为抽样时刻。 对接收符号y p ( 刀) 去除c p 并进行d f t 运算得到r ( m ) ，即： 】，( 朋) = 胛秒( 刀) ) = 少( 刀) p 川k = o ，l 1 ”，n 一1 ( 3 4 ) 在理想接收条件下，o f d m 接收信号不会存在i s i ，所以上式又可表示为： v ( k ) = x ( 尼) 日( 尼) + ，( 七) + 形( 尼) ，k = o ，1 ，2 ，n 一1 ( 3 - 5 ) 其中 耶) = m 驴- i h 掣p 川毗似 协6 ) ，( 七) 2 专m 善1 善i 岛x ( m ) 1一一 w ( k ) = d f t w ( n ) i 面鬲万e - j 2 ，r n m r i n ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 其中日( 七) 为信道的频响值，而，( 七) 为因多普勒频偏产生的i c i ，形( 后) 为a w g n 。 3 3 导频辅助方法 常用的信道估计的方法有基于导频信道和基于导频符号这两种【7 ，8 1 ，对于o f d m 这样 的多载波系统采用导频符号的辅助信道估计更灵活。具体方法是在发送端的信号中某些固 定位置插入一些已知的符号和序列。由于导频信号独立于接收到的业务信号，因此在接收 端可以利用这些导频符号和导频序列按照具体的算法进行信道估计。插入导频的方法有以 下两种类型：第一种是可以将导频信号以一定的周期插入到o f d m 信号中，在接收端，可 以根据每个周期内的导频信号估计本周期内的其它o f d m 信号，我们把这种方法叫做块插 型( b l o c kt y p e ) ，这种插入法特别适用于慢衰落信道，具体插入方法如下图3 1 。 1 7 南京邮i 乜人学硕1 ：论文第三章o f d m 系统的信道估计及均衡 频率 。 数据符号 导频符号1 丁杉h 1 jl 了 时间 图3 1 块状导频下的o f d m 符号结构 另外一种方法是将导频信号插入到每一个o f d m 信号的一些子载波上，接收端可以根 据本载波的导频信号估计其他子载波信号，我们将这种方法叫做梳插型( c o m bt y p e ) 7 , s , 9 】，这 种插入载频的方法对于快衰落信道具有一定抵抗能力，具体插入方法见下图3 2 。 频率 导频符号 数据符号 时间 图3 2 梳状导频下的o f d m 符号结构 3 3 1 基于块状导频结构的o f d m 信道估计 在基于块状导频结构的信道估计中，假设信道是慢衰落信道，则o f d m 信道估计所用 的导频是周期的，即通常是用一帧o f d m 符号作为导频，而接下来的一帧或几帧o f d m 符号则用来传输数据，相邻两个作为导频的o f d m 符号之间的距离为以，导频结构如上 图3 1 所示。 基于这种导频结构的信道估计所常用的方法是l s 和m m s e 算法1 0 1 。l s 估计算法是 使( 】，一x f z ) ( y x f a ) 最, j 、，可表示为： 吼s = x 叫y( 3 9 ) m m s e 估计算法是使 l 疗一日1 2 ) 最小， a s e = f r 哪& * 可表示为： 其中表示日和】，的互相关矩阵， ( 3 1 0 ) 是】，的自相关矩阵，f 为d f t 旋转因子矩阵。 1 8 童室唑垒厶堂堡鲨塞笙兰童q 旦坚壅丝塑堕堕笪生丛望堑 l s 算法简单，但其性能较差；m m s e 算法复杂，性能较好，凶其运算量大，所以不利于 未来无线多媒体通信高速率的要求。为降低m m s e 算法的运算复杂度，文献 1 1 1 提出了一 种l m m s e 算法，表示如下： a 悯e = r h h k r 哪+ l ) o ( h 、。a l s ：( + 蒜叮1 丸 。1 。 其中为a w g n 的方差，系数为一个与信号星座图有关的常数。通过对进行 奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 以及低阶近似的方法对算法进行简化， 也能得到较好的一蚪i - r _ 台月g 匕【1 。 但基于块状导频结构的信道估计，因其频谱资源浪费巨大，另外，随着多普勒带宽的 增加，无线信道可能变为快衰落信道，所以基于块状导频结构的信道估计受到了系统的应 用限制。 3 3 2 基于梳状导频结构的o f d m 信道估计 在基于梳状导频结构的信道估计中，n 。个导频通常根据以下等式等间隔地插入发送 的o f d m 符号的子信道中，即 耶) 叫啡+ f ) - 竺瑚，zk 一。所= 0 ，1 ，以一 ( 3 - 1 2 ) 式中，为导频间隔，在接收端，根据导频位置求出相应予信道的频响值 q ( m ) = 霸y p ( m 瓦n f 而+ i ) 所= o ，1 ，“，一1 ( 3 - 1 3 ) 其中匕和x ，分别为带有导频的子载波的输出与输入。对于其它的子信道，可以采用 插值滤波器估计其衰减因子。插值滤波器可为线性内插滤波器、二阶多项式插值滤波器以 及采用变换域插值滤波器。对于时不变信道或者是慢衰落信道，也可以在每种插值滤波器 前加上一个低通滤波器以减少由于噪声和i c i 带来的信道估值的误差。当然也可以通过其 它滤波方式来估计出其余子信道的衰减因子。下面简单地介绍几种插值滤波器【1 2 , 1 3 ： ( 1 ) 线性插值滤波 日( 后) = h ( m l + k ) = 圭一( m + 1 ) 一( 一加( 聊) c r = = 等忌j = ：2 ，3 ，z ：( 3 - 1 4 ) 1 9 塑壅些生叁堂堕：! ：迨塞笙兰童q 里坚墨堕丝堡重笪生丝望煎 线性信道插值可通过使用诸如f a r r o w 型的数字滤波器来实现，并且如果，是2 的幂次， 则乘法器可以采用移位操作来代替，因此，在线性信道插值中不需要乘法器。 ( 2 ) 二阶多项式插值滤波器 _ 2 ；，( ：) = = ，h ( m l + k ) ，、，、| j ；：2 ，3 ，z ：( 3 - 1 5 ) = c i h 口( m + 1 ) + c o h p ( 朋) + c _ 1 日p ( m 1 ) 一。 其中 卜掣 c ：= ( 1 一口) ( 1 + 口)口= 等 卜掣 ( 3 1 6 ) 变换域插值滤波方法的主要思想是设导频位置上的频响值为一频域的值，通过对其进 行i d f t 使之变成时域的值，然后通过在时域内补零，再对其进行d f t 求出对应所有子信 道的频响值。 3 3 3 仿真结果及性能分析 ( 1 ) 基于块状导频结构的信道估计必须要求信道是慢衰落信道，这样信道在几个 o f d m 符号期间是基本不变化的，因此，基于块状导频结构信道估计就受到相干时问的影 响，而且系统的带宽和频谱资源也受到了很大的限制。如下图3 3 所示，我们采用l s 算 法、m m s e 算法以及l m m s e 算法分别对衰落信道进行估计。 图3 3l s ，m m s e 和l m m s e 随s n r 变化的s e r