（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中基于导频的信道估计技术研究(1).pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术，具有 很高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，是第四代移动通信系统的核心技 术。信道估计技术是o f 叫系统的研究热点之一，其中基于导频的信道估计是通 过导频信号估计出信道的时域或频域响应，然后用于o f d n 系统的相关检测、子 载波功率分配、均衡、自适应调制等。 论文首先介绍了o f d m 的原理和性能特点，总结了一般无线信道的多径时变 统计特性，建立了平坦衰落和频率选择性衰落信道模型，给出其仿真方法。并 针对o f d m 无线传输系统，分析了信道特性尤其是多径和多普勒频移对系统性能 的影响。在此基础上，对o f d m 系统中信道估计的块状导频和梳状导频图案进行 了的分析和研究，探讨了不同的内插方法来获得完整的信道频响，包括线性插 值、二次插值、样条插值和变换域插值等。论文在不同信道环境下，仿真比较 这些导频图案和插值，结果表明块状导频适合适合慢衰落信道，平坦衰落和频 率选择性衰落对其影响不大；梳状导频适合平坦衰落信道，慢衰落和快衰落对 其影响不大；变换域插值相对于其他插值来说性能最好。本文针对梳状导频的 变换域插值，提出了改进的变换域插值方法，仿真表明改进的交换域方法与传 统变换域方法相比，可以提高2 d b 左右的鲫。增益。论文最后还研究了自适 应的信道估计技术，使得o f d m 系统在满足系统误码率的要求下，选择最少的导 频数量，仿真结果表明自适应的信道估计可以有效地提高系统的频谱利用率。 关键词：正交频分复用；信道估计；最小二乘估计；最小均方误差估计；自适 应信道估计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t o r n l 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 ) i sah i g h - s p e e dm u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o nt e c l f l o n o g yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s , a n di th a sb e e nr e g a r d e da st h ec o r e t e c h n o l o g yo f4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et oi t sb i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n d r o b u s t n e s sc o m b a tm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h l o n o g yi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr e s e a r c hh o t s p o ti no f d ms y s t e m s i nt h ec h a n n l ee b - t i i n a i o nb a s e du p o np i l o t s i g n a l s , t h ec h a n n e lr e s p o n s ei nd i n e - d o m a i no gf r e q u e n c y - d o m a i ni sc a s t i m a t e df i r s t l ya n d u s e di nd e t e c t i o n , s u b c a r r i e rp o w e ra l l o c a t i o n , e q u a l i z a t i o na n da d a p t i v em o d u l a t i o no f o f d m s y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f o f d ma n da n a l y z e st h cw i r e l e s sc h a n n e l t h em u l t i p a t ha n dt i m e - v a r y i n gs t a t i s t i c p r o p e r t i e so ft h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e la g es u m m a g i z e s d , t h em o d e la n ds i m u l a t i o n m e t h o do ff l a t f a d i n gc h a n n e la n df r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e la g ee s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l y a i m i n ga tt h eo f d ms y s t e m , t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e db yc h a n n e l p r o p e r t i e s , e s p e c i a l l ym u l t i p a t h f a d i n ga n dd o p p l e rs h i f ta 托a n a l y z e d b a s e do nt h e s e a n a l y s i s ，t h eb l o c k - p i l o ta n dc o m b - p i l o ta r r a n g e m e n to fo f d ms y s t e m sa a n a l y z e da n d r e s e a r c h e d s e v e r a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m st oa c q u i r et h ee n t i r ec h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s e s a l ed i s c u s s e da n ds i m u l a t e di nd i 疵r e n t f a d i n gc h a n n e l , s u c h a sl i n e a r i n t e r p o l a t i o n , s e c o n d - o r d e ri n t e r p o l a t i o n , s p l i n ei n t e r p o l a t i o n , t r a n s f o r md o m a i ni n t e r p o l a t i o na n ds oo n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb l o c k - p i l o ts c h e m ea d a p t st os l o wf a d i n gc h a n n e l s , w h i l e b o t hf i a tf a d i n ga n ds e l e c t i v ef r e q u e n c yf a d i n gh a v eat i t t l ei n f e c t i o no ni t o nt h eo i h e fh a n d , t h e c o m b - p i l o ts c h e m ei se x p e c t e dt oh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c ei nf i a tf a d i n gc h a n n e l s , w h i l eb o t h s l o wf a d i n ga n d f a s tf a d i n gh a v eal i t t l ei n f l u e n c eo ni t i na d d i t i o n , t h et r a n s f o r md o m a i n i n t e r p o l a t i o np e r f o r m sb e t t e rt h a nt h eo t h f xi n t e r p o l a t i o na l g o f i t h m s a c c o r d i n g 幻t r a l 碰o r u l d o m a i ni n t c r p o h f i o na l g o f i t h mb a s e do nc o m b - p i l o ts c h e m e , t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n i m p r o v e dt r a l 戚o n l ld o m a i ni n t e r p o l a t i o nm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d m e t h o de a m s 一2 d be b n og a i nt h a nt h ec o n v e n t i o n a lo n e s f i n a l l y , t h ea d a p t i v ec h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d a p t i v ec h a n n e l e s t i m a t i o nc 衄a c h i e v eh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c y k e yw o r d s ：o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；l s ；m m s e ；a d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 无线通信中信道的多径衰落，多普勒效应及加性噪声等问题，一直是影响 通信系统性能的重要因素。而未来的无线通信要求更高数据传输速率支持下的 高品质多媒体通信。面对人们对无线通信提出的更高要求，正交频分复用( 0 f 删) 技术日益受到重视。o f d m 是一种多载波并行传输技术，通过延长传输符号的周 期，增强其抵抗无线多径的能力，接收端采用基于信道估计的相干解调，成本 大大降低，是一种非常有潜力的高速数据传输技术。 o f d m 是一种特殊的多载波调制技术，具有多载波传输系统的共有优点【l l ： 1 ) 相同传输速率下，符号周期延长，可以有效抵抗子信道上的码问串扰； 2 ) 不需要对整个信道做均衡，采用基于信道估计下的单拍均衡，可大大简化接收 端处理；3 ) 对窄带噪声有鲁棒性；4 ) 可以对各个子信道灵活分配数据容量 和功率，选择不同的调制编码方式达到动态速率分配。另外，o f d m 的子载波之 间有正交性，频谱利用率高，可以采用f f t 快速算法高效实现。 o f 喇的优点使其在许多领域都得到了广泛应用1 2 l ： 1 数字音频广播( d a b ) ：欧洲的数字音频广播- - d a b e u r e k a l 4 7 计划已成功 地使用了o f d m 技术。该系统克服了城市多径、阴影、多普勒频移造成的频率选 择性衰落和时间选择性衰落，在移动接收的条件下仍能听到c d 品质的音乐。 2 高清晰度电视( i d t v ) ：欧洲于1 9 9 2 年推出的数字h d t v 系统h d - d i v i n e ， 把o f d m 作为发展地面数字电视的基础；日本也将o f d m 用于发展便携电视和安 装在旅游车、出租车上的车载电视。 3 卫星通信：v s a t 的卫星通信网使用了o f d m 技术，由于通信卫星是处于 赤道上空的静止卫星，因此o f d m 无需设置保护间隔，利用f f t 技术实现o f d m 将极大地简化主站设备的复杂性，尤其适用于向个小站发送不同的信息。 4h f c 网：h f c ( h y b r i df i b e rc a b l e ) 是一种光纤同轴混合网。近来， o f d m 被应用到有线电视网中，采用光电混合传输方式，提高了图象质量，扩大 了有线电视的使用范围。 5 移动通信：第四代移动通信系统计划以o f d m 为核心技术提供增值服务， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 它在宽带通信领域的应用具有很大潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种 新技术的0 f 删具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以 增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数 据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽带信道高品质地传送出去。 o f 咖具有众多的优点，也得到了广泛的运用，但是o f d m 系统中时域信号 是多个子信道信号的叠加，与单载波系统相比，仍存在许多需要研究和解决的 问题，其中一个就是如何估计信道冲击响应的问题。要进行高速率的数据传输， 同时要保持较高的频谱利用率；o f 叫系统需要使用密度更高的星座点进行符号 映射；接收端采用相干检测技术，接收端在解调时需要知道信道冲击响应。在 无线通信中，由于移动台的运动和接收端所处的环境不可预知，信道冲击响应 是未知的并随时间变化，接收端需要通过信道估计获得对传输信道高精度的信 道冲击响应的估计。在使用高密度星座点的o f 叫系统中，信道冲击响应的估计 精度对系统的性能有较大地影响。为了接收端能够进行信道估计，经典无线 0 f 嗍系统均使用在频域插入导频的方式，但导频需要o f 喇系统工作子载波的 一部分进行传输，因此需要消耗一定频谱资源。如何减少信道估计算法复杂度， 如何减小信道冲击响应估计的均方误差，如何减少频域的导频以进一步提高 o f d m 系统频谱利用率都是值得研究的问题。 1 2o f d m 信道估计的国内外研究现状 针对0 f 咖系统中的衰落信道估计与跟踪问题，许多学者已经做了大量的研 究，取得了不少的研究成果，大致可以分为以下几类：第一类是基于导频信号 的信道估计方法；第二类是盲信道估计和半盲信道估计方法；第三类是基于隐 训练序列信道估计方法。下面分别介绍这三种方法目前的研究现状，重点介绍 无线通信系统中常用的基于导频信号的信道估计方法，简单介绍盲信道估计、 半盲信道估计和基于隐训练序列信道估计方法。 1 2 1 基于导频信号的信道估计 这种信道估计方法性能好而且实现所需的复杂度低，但是训练序列和导频 符号的使用必然占用一定的有效带宽，从而使系统的传输效率降低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 无线o f d m 通信系统中的基于导频信号的信道估计方法就是在发送的信息 符号中插入导频，对于衰落信道，信道估计器必须能够跟踪上时变信道的变化， 这就需要导频符号以某种连续的方式插入发送序列中。在接收端，所有的信道 衰减因子都可以通过导频估计出来。这种技术可以认为是单载波中导频符号辅 助调制的推广1 3 】如果信道是慢衰落信道，则o f d m 符号的每个予载波对应的子 信道的衰减因子可以认为是恒参的，所以可以采用一帧o f 叫符号作为导频信 号，但这种方法带来了巨大的频谱资源浪费1 4 , s 1 为了提高频谱利用率，可以在 o f 咖符号中的一些子信道间隔地插入导频，然后通过滤波来估计其余子信道的 衰减因子 6 1 。更先进的方法就是在频率和时间方向分别间隔地插入导频，并通 过滤波器来估计出其余信道的衰减因子，这种方法频谱利用率高，并充分利用 了信道的相关性。导频之间的间隔与信道的相干时间和相干带宽有关，并且都 要满足n y q u is t 抽样定律同。 、 基于导频的信道估计从导频插入位置而言可分为面向判决方法和导频辅助 调制( p s a m ) 方法1 5 j ；从实现准则可以分为最小均方误差( 姗s e ) ，最小平方( l s ) ， 最大似然估计( m l e ) 1 9 1 等；从滤波器的实现及结构分为二维滤波，两个一维级联 滤波等i 埘。 基于导频o f 删的估计算法的基本过程是：在发送端适当位置插入导频，接 收端利用导频恢复出导频位置的信道信息h ，然后利用某种处理手段( 如内插， 滤波，变换等) 获得所有时段的信道信息h 这里涉及到三个主要问题，这也 是目前0 f 咖的非盲估计算法研究的三个方向：( 1 ) 发送端导频的选择与插入： ( 2 ) 接收端导频位置信道信息获取的方式；( 3 ) 通过导频位置获取的信道信息 如何较好的恢复出所有时刻信道的信息。 文献 1 1 分析了导频的选择与插入问题，文中给出两种导频的插入方案， 一种是在0 f 咖系统中每一个符号中使用一些子信道作导频( 即p s a l 方法，这 里称为方案a ) ，然后根据这些导频处的信道信息得到所有信道的信息；另一 种是将0 f 咖系统中的某些符号全部作为导频信号( 即面向判决方法，这里称为 方案b ) 。文中指出，在a w g n ，时不变信道条件下，两种方案的性能完全一样； 但在信道快变化的条件下，方案a 要优于方案b 。其中的原因在于方案a 的导 频插入的方式分散在不同的o f d m 符号当中，因此能够较好的跟踪了不同符号下 信道状态的变化，特别是在信道快变化的条件下这种优势更加明显；方案b 的 估计实际假设了信道在连续几个符号内不变，这样根据当前的导频符号得到的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 信道估计值可以用于连续几个o f d m 符号，在慢衰落信道下这种做法还可实行， 但在快的信道衰落下它的性能会急剧下降。文献 1 2 从时域的角度研究了导频 插入的问题，在时域进行导频插入，在时域或频域进行滤波。模拟仿真表明； 时域导频插入可以得到较高的导时信息与噪声比，从而在接收端减小混叠，进 而避免噪声门限现象的发生 文献 1 3 分别研究了块状导频结构l s 、m m s e 和l 删s e 算法，表明性能最好 的是采用删s e 方法，这满足了h 最优的要求；然而遗憾的是删s e 需要计算一 个q 矩阵的逆，当矩阵很大时计算量很大，这一点不符合实现复杂度小的要求， 因此限制了它的应用。目前对这个问题的解决主要采用两种方式：( 1 ) 采用l s 准则 1 4 ，( 2 ) 对删s e 方法进行改进 1 5 - 1 7 ：文献 1 5 的改进思路是不考虑多 径信道中某些有较小幅度的多径，这样q 的维数将会减小，计算量也会降低； 文献 1 6 的改进思路是从训练序列考虑的，如果导频位置的训练序列采用特殊 的结构，这样q 矩阵将是一个对角矩阵，对它求逆将是非常简单；文献 1 7 的 思路在于对于接收的数据通过某种处理进行数据解耦，从而减去了矩阵的求逆。 总之，删s e 方法的复杂度主要在于q 矩阵的求逆问题，因此，在删s e 方法的 基础上改进主要集中在矩阵取逆的改进之上，这也是信道估计的研究热点之一。 通过导频位置获取的信道信息恢复出所有时刻信道的信息的最优准则是 删s e ，理论可以得到最小均方误差意义上的最佳滤波器是二维维纳滤波器。但 是二维滤波的方法比较复杂( 需要信道的某些信息) 且计算量非常大，在实际系 统中往往不能得到很好的应用。文献 1 8 给出分离滤波器的方法，它将二维滤 波器分解成为两个级联的一维滤波器：一个频域滤波器和一个时域滤波器，这 里频域滤波器利用信道的频域相关信息进行滤波，时域滤波器利用信道的时域 相关信息滤波，由于充分利用了时频域两维信息。因此两个级联的一维滤波器 和二维滤波器的性能非常相近，而计算量和复杂度则大大降低。另外还有基于 奇异值分解的信道估计方法1 1 9 1 ，基于d f t 的信道估计方法1 2 0 ! ，以及文献 2 1 提 出了线性内插，高斯内插以及c u b i c 内插的方法等。 1 2 ，2 盲信道估计和半盲信道估计 盲信道估计是基于被传输的信息符号的有限字符特性和其统计特性的信道 估计方法。如基于子空间的信道估计【矧、多步线性预测方法【矧，这种方法实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 复杂度高，但是它无需训练信号，节省带宽，现在越来越受到国内外学者的关 注。半盲方法在盲算法的基础上，利用少量的导频信号进行估计，简化了算法 复杂度，可以提高信道估计器的性能。 目前，已有几种o f d m 系统盲信道估计算法。其中一些算法是基于自相关矩 阵的子距阵的盲信道估计算法【2 4 l ，其核心是对自相关矩阵的子矩阵进行 c h o l e s k y 分解。另外一些基于子空间分解的盲信道估计算法i 纲，适用于加尾零 的o f d m 系统。由于预编码加入t z ，时域中表示输入输出关系的信道矩阵为高 矩阵。因此，整个系统的求解问题归结为一超定方程的求解接收信号的自相 关矩阵可以分解为信号子空间和噪声子空间。根据正交性原理可以求得信道的 冲激相应的解。另外一种基于子空间的盲信道估计方法，是在系统中加入虚拟7 载波来诱导i 纠，使得输出信号产生信号子空间和噪声子空间，从而达到盲信 道辨识和估计的目的。类似的还有基于0 f d m 信号循环前缀的盲信道估计算法 1 2 7 1 ，它利用循环前缀是o f d m 符号尾部若干码子的搬移的特点，对接收信号构。 造自相关矩阵，同样组成高矩阵，可以分解为信号子空间和噪声子空间，从而 进行盲信道估计。还有一些基于输入数据的循环平稳性的信道盲估计算法【2 8 】。 目前在通信系统中信道盲辨识和盲信道估计所用的循环平稳性，通常通过发射 机诱导或分数间隔采样或天线阵列的方式来获得。但是在o f d m 系统中，由于插 入了循环前缀，使得输入信号具有循环平稳性，因此用输出序列的循环平稳性 可进行信道的盲估计。c h i nk e o n gh o 2 9 等人对上述三种方法进行了分析比较， 并提出了改进的c d 分解算法，从而使自相关矩阵的子矩阵的盲信道估计算法的 复杂度大大降低。上述三种盲辨识方法的主要缺点是不能保证所有的f i r 信道 均能辨识。在0 f 咖系统中，基于输入信号的高阶统计量进行信道的盲估计首先 由s h e n g l iz h o u 3 0 提出。该方法主要用到产生信息的符号的统计特性：1 ) 有限字符特性；2 ) 产生信息的符号在信号星座中为等概率分布和0 f d m 系统中 各个子载波相互独立的特性。这种方法的主要优点是不管信道是否有零点，均 能保证辨识。 文献 3 1 3 提出了基于期望最大化的半盲系统，其中的未知信号数据被假设 为独立同分布的零均值高斯随机变量。文献 3 2 3 就使用了将盲信道估计器和基 于训练序列估计器的代价函数进行联合线性加权的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 3 基于隐训练序列信道估计 目前，隐训练序列信道估计受到关注，这种方法是将导频符号序列叠加在 数据符号序列上一起传输，接收端把接收到的信号序列和导频符号序列关联起 来，从而获得信道估计 3 3 j 。由于同时传输导频符号序列和数据符号序列，基 于隐训练序列的信道估计方法有很高的频谱利用率。导频符号序列和数据符号 序列的相关性决定了信道估计的准确性。采用长导频序列会降低导频序列和数 据序列的相关性，但会降低了信道跟踪的能力。文献 3 4 提出带选择的隐训练 序列信道估计，这种信道估计方法从一组导频序列( 事先定义好的) 中选择一 个导频序列分配给相应的数据序列，因此降低了导频序列和数据序列的相关性， 提高了信道估计信能。相比基于导频序列的信道估计，本方法能有效的提高频 谱利用率，适应快衰落信道情况下信道估计，缺点是需要导频序列与数据序列 有良好的不相关性。这也是此方法需要改进和优化的地方。 1 3 论文的主要工作及安排 信道估计技术是o f d m 系统的关键技术之一，信道估计的精度对系统的性能 有较大地影响。本文主要研究0 f d m 系统中基于导频的信道估计技术，利用 m a t l a b 搭建0 f 咖系统进行仿真。 第二章对无线电波的传播环境进行了讨论，总结了一般无线信道的多径时 变统计特性，根据电波在不同衰落情况对信道进行了分类，建立了平坦衰落和 频率选择性衰落信道模型，给出其仿真方法。本章还讨论了o f 叫的基带传输系 统，分析了信道特性尤其是多径和多普勒频移对系统性能的影响。 第三章首先对o f d m 系统中信道估计的导频图案进行了的分析和研究，分 别介绍了梳状导频下的线性插值、二阶插值、样条插值和变换域插值以及块状 导频下的直接替代、线性插值和判决反馈，论文在不同信道环境下，仿真比较 这些导频图案和插值方法，仿真研究表明块状导频适合适合慢衰落信道，平坦 衰落和频率选择性衰落对其影响不大，梳状导频适合平坦衰落信道，慢衰落和 快衰落对其影响不大；变换域插值相对于其他插值来说有较好的性能。文中针 对梳状导频的变换域插值提出了一种改进方法，通过在时域忽略次要采样来消 除其带来的噪声和干扰，从而提高估计的准确性，仿真表明改进的变换域方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 具有很好的性能，但忽略次要采样太多或太少都会影响系统性能，有可能使得 改进的变换域方法性能反而变差。 第四章研究了自适应的信道估计技术，使得o f d m 系统在满足系统误码率 的要求下，选择最少的导频数量，仿真结果表明白适应的信道估计可以有效地 提高系统的频谱利用率。 最后一章为本文总结和对未来工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 引言 第二章无线信道分析与o f d m 原理 移动无线信道是时变多径信道，从微区的移动无线基站向移动台发出的无 线信号，在传播过程中不仅受到陆地传播路径损耗的影响，而且受到城市微区 内复杂且时变环境的多径反射、散射、绕射的严重影响产生传播信号的衰落。 如果在一个时变多径信道上发射一个非常窄的脉冲( 理想情况下是发一个冲激 信号) ，则接收信号将呈现一个脉冲序列，所以时变多径传播信道的第一个特性 就是引起传播信号的多径时延扩散。第二个特性是由于传播信道的随机时变特 性而使得多径也有随机时变的特性，即所接收的脉冲信号随着时间变化将会出 现脉冲幅度大小的变化和各脉冲之问相对时延的变化，以及接收序列中脉冲数 目的变化。由于这种时变特性对于信道用户来说是无法预知的，因此用统计的 方法来表征时变多径信道是合理的 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从空间、时间和频率三 个方面进行描述。由于移动台随机运动的多普勒效应引起的信道频率色散，造 成了传播信道的时间选择性衰落；由于微区环境使信号传播多径时延引起的信 道时间色散，造成了传播信道的频率选择性衰落；无线电波的不同入射角传播 引起的信道角度色散，造成了传播信道的空间选择性衰落。因此在城市的蜂窝 移动无线通信中所接收信号的各种选择性衰落与信道中存在的各类传播色散有 着密切的关系，蜂窝移动无线信道也可以看作为衰落色散信道。从衰落上看时， 它是时间一频率一空间选择性衰落信道；而从色散上看时，它又是频率一时间一角 度色散信道。 2 2 无线信道的特征 在复杂的移动无线通信环境中，电磁波传播的机理是多种多样的，但总体 上可以归结为散射、反射和绕射。在城市的蜂窝无线环境中，由于周围高大建 筑物的遮挡，从发射机和接收机之间很少有可视路径传播信号，到达接收机的 信号都经历了各种障碍物的绕射、反射和散射。因此，接收信号是由各种散射、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 反射和绕射信号组成，由于各个信号的传播路径和传播时间不同，它们到达接 收机的时间、幅度和相位也各不相同，这些信号的相互作用造成了瞬时接收信 号相位和幅度的随机波动，这也就是通常所说的多径衰落。多径衰落是移动无 线信道最基本的特性。 文献【3 5 】中指出，陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制来表征，这 三种传播机制是根据距离尺度大小来区分的，大尺度的传播机制是用来描述区 域均值，它具有幂定律传播特征，既中值信号功率与距离长度增加的某次幂成 反比变化；中尺度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性 的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分布，通常称为对数正态阴影；最后，小尺度上信号包络的变化是描述多径衰 落的，它通常服从瑞利概率密度函数，因而也称为瑞利衰落。图2 - 1 对移动无 线信道的衰落特性进行了概括描述。 2 2 1 大尺度衰落特性 图2 - 1 移动无线信道的特性 对传播模型的研究，传统上集中于给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无线覆盖范围的传播模 型，由于它们描述的是发射机和接收机之间长距离( 几百米或几千米) 上的场 强变化，所以被称为大尺度传播模型。 大尺度衰落表征了由于移动台经过较大距离的运动而引起的平均接收信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 功率衰减或者路径损耗。大尺度衰落的统计特性给了我们一种将路径损耗的估 计值以距离为因子的函数计算方法，可以由均值路径损耗和对数正态分布的均 值来表示它。 路径损耗代表的是大尺度衰落的传播特性，它具有幂定律的传播特征，主 要反映自由空间传播损耗与传播中的弥散损耗。在较早的受接收机噪声限制的 移动通信系统( 通常成为噪声受限系统) 中，路径损耗确定了信噪比( s n r ) 和 最大覆盖范围。在频率复用的移动蜂窝通信系统( 通常成为干扰受限系统) 中， 路径损耗确定了同频、邻频的干扰程度，因此也就关系到可以采用什么样的复 用方案。 对于移动无线系统，o k u m u r a 对较大范围的天线高度和覆盖区域作了比较 早的路径损耗测试。h a t a 将o k u m u r a 的数据转换成了参数公式对于移动无线 系统，平均路径损耗l ( d ) 是发射机与接收机之间距离d 的方程，它相应于距离 d 处以距离d 。处作为参照并遵守如下公式【刈： l p 似) ( 扭) 一工。似。x d b ) + 1 0 n i o g ( d d 。) ( 2 - d 一般的，对于大蜂窝区域d 。取为1 公里，微蜂窝取为1 0 0 米，室内信道取 为1 米。工，似) 是在给定的d 值的平均路径损耗( 经过不同地点) 。幂指数n 与 频率、天线高度以及传播环境有关。在自由空间中，n = l 。在一个电波传播加强 的情况下( 比如两边有高层建筑物的城市街道) ，n 有可能小于2 。当存在阻挡 物时，n 的值就比2 大了。在离发射机为d 。处的参考点的路径损耗为工，似) 一 般通过测量得出。 2 2 2 阴影衰落 由前面的论述可知，在几十到几百个波长距离上的信号小尺度变化要用瑞 利统计描述。由于阴影遮挡、地形变化引起的信号中尺度变化，要采用高斯统 计描述。因为通过起伏地形和高度随机变化的成排建筑物的传播呈现的是慢衰 落统计特性，或小范围内取平均的变化，这就给上一节介绍的路径损耗加上一 个随机变化。 阴影衰落使所预测的路径损耗会产生相当大的变化。由于阴影变化是由基 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 站和移动台之间的地形特征，如在宏小区中的建筑物和丘陵以及在微蜂窝中像 车辆这样较小的物体所产生，在宏小区中，障碍物的有效变化尺度一般为几百 个波长，所以阴影的影响在几十个波长内基本上保持不变。如果围绕一条以基 站为圆心的圆形路线( 也就是保持基站和移动台之间的传播路径长度不变的路 线) 上收集数据时，在正态概率纸上画出的用分贝表示的平均接收功率将是一 线性分布，因而称为对数正态一阴影传播机制。 对数正态一阴影传播机制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有某种程度上衰减的随机变量，因 此最后有多个随机变量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) 由中心极限理论可知在一般情况下其和的分布则是正态分布， 因而显示出高斯统计。在自然单位中( 也就是不用d b 表示) ，其和对应于对数 正态分布。 如果把路径损耗和阴影变化结合起来，在离基站距离d 处的几十个波长间 隔上的平均接收功率给出为1 3 q ： j ，口- p o d s - l o o g d + q 。扫， ( 2 2 ) 这里的阴影变化电平q ，应该是具有o d b 均值( 如- o d b ) 的正态分布量， 并与所在位置有关。如果在同样距离d 的另外一些位置上测量平均功率的话， 虽然不同的障碍物在起作用，但将会发现画出了类似的高斯( 正态) 信号集合。 2 2 3 小尺度衰落特性 小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化 ( 小到半个波长) ，而导致信号幅度和相位较大的变化的现象。小尺度衰落有 两种机理，一种是信号时延扩展，另一种是信道时变特性。时延扩展机理在时 域描述成多径时延散布，在频域中描述为信道相干带宽。时变机理在时域描述 成信道相干时间，在频域描述成信道衰落速率或者d o p p l e r 扩展。 对于移动无线系统，因为发射机与接收机之间的相对运动造成传播路径变 化，所以信道是时变的，这些传播特性的变化率决定了信号的衰落速率。小尺 度衰落包含几种衰落模式，其中一种为r a y l e i g h 衰落。当反射路径很多并且没 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 有可视路径，接收信号包络由r a y l e i g h 过程描述。当有一个支配路径存在时， 例如可视传播路径，那么小尺度衰落可以由r i c e 过程描述当移动台在较大的 区域内随机游走时，接收信号必定经历两种衰落模式：大尺度衰落( 阴影衰落) 和叠加在其上的小尺度衰落。 影响小尺度衰落的主要因素有多径传播、移动速度、周围物体的移动速度 以及信号的传输带宽小尺度衰落根据传输信号的带宽、移动速度和不同的传 播环境，可以分为四种不同的衰落类型非频率选择性( 平坦) 衰落和频率 选择性衰落，快衰落和慢衰落，如表2 - 1 所示。其中，口，为传输信号带宽，& 为信道的相干带宽，瓦为传输码元周期，l 为信道的相干时间。 表2 1 小尺度衰落类型 信道模型 瓦 瓦 非色散时间色散平坦衰落信道 b w 频率色散时间和频率色散频率选择性信 时间平坦衰落道 慢衰落信道快衰落信道 相干时间和多普勒扩展是描述信道时间特性方面的重要参数。相干时间l 是信道特性没有显著变化的那段持续时间。信道的时间变化在频域中表示为多 普勒扩展，它定义为当单一频率正弦波( 载波未调制) 传输时的频谱宽度。如 果在频率f 值的范围内，多普勒功率谱s ( f ) 不为0 ，那么这样的频率范围称为 频谱展宽或信道的衰落带宽。由于多普勒功率谱s ( f ) 和时间相关函数r ( a t ) 之 间是傅立叶变换关系，所以多普勒扩展的倒数是对信道相干时问瓦的度量， 也就是t o i b 。显然，变化慢的信道相干时间大，或者等效为小的多普勒扩 展。无论是信道参数l 还是，都可以被用来表征衰落的陡度，因此b 。还代 表了信道的衰落速度。 多普勒扩展曰。还被认为是多普勒频移厂d 。因此移动台的运动会引起多普 勒扩展，每一条多径路径的多普勒频移一般都和另一条路径不同。对接收信号 的影响可以看作为发射信号频率的多普勒扩展或频谱展宽，而不是看作为频偏。 如果从基站到移动台接收机只有一条路径的话，那么从基站将观察到与载波频 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 率的简单偏移结合在一起的零多普勒扩展( 多普勒频移) 。多普勒频率变化和口 有关，a 是移动台运动方向相对于来波的角度。 对于以固定速度v 运动的移动台，所接收的载波发生的多普勒频移为： ，d ，- 厶s - c o s 吒一二，c s 口。 ( 2 - 3 ) c 其中，d 是第n 条路径上的平面波的多普勒频移，_ 是最大多普勒频移， ，c 是载波频率 如果比特持续时间瓦小于信道相干时间r o ，则信道衰减和相移对于至少一 个比特持续时问内基本固定不变，在这种情况下，信道呈现慢衰落或准静态。 因此，如果数据速率i r , 大于衰落速率1 瓦，称信道为慢衰落信道相反，如 果比特持续时间瓦大于信道相干时间瓦，或者说，数据速率t r , 小于衰落速率 1 r , ，称信道为快衰落信道。 因此，为了避免由快衰落引起的信号失真，必须保证数据速率i r , 超过信 道衰落速率1 t o ，使得信道显示慢衰落。 相干时间和多普勒扩展有关，而相干带宽是基于信道的延迟扩展。延迟扩 展发生在由于多径散射使接收到的脉冲信号有值得注意的加宽时。 由于多径反射，发射天线发出的无线信号将沿着不同的路径传播到接收机 处每条路径都有不同的路径长度，所以每条路径到达的时间不同，使得接收 到的信号轮廓不清或被扩展，这种现象称为延迟扩展。在数字系统中，延迟扩 展会引起码间干扰，因而限制了数字多径信道的最大码速。 信号从固定基站经过不同长度的路径传播到当地市区内的接收地点时，收 到多径散射。假设发射机发射一个脉冲6 ( 0 ，接收到的信号为： ，( f ) 一罗口。6 0 l n 弘加- d ( f 弦朋 ( 2 4 ) 7 其中，t 为第n 个信号到达的时间，其幅度为口d ( t ) 为延迟概率密度函 数，在市区环境中，通常将延迟概率密度函数近似为指数分布。 通常用均方根( r m s ) 多径延迟扩展f 。来描述功率延迟分布的情况，它定义 为功率延迟分布的标准差，也就是二阶中心矩或方差的平方根。 如果数据比特持续时间大于均方根延迟扩展，那么信道产生的码间干扰 ( i s i ) 可以忽略。作为一个近似，均方根延迟扩展的倒数可以作为信道的相干带 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 宽e 的度量： e5 1 f 。 ( 2 5 ) 相干带宽e 是指在这样的带宽上信号传播特性是相关的，在这个频率范围 ( 带宽) 内信道以近似等增益和线性相位通过全部频率分量。因此相关带宽代 表一频率范围，在这个频率范围内两个接收信号的幅度、相位都有高度的相关 性，即这两个信号的频谱分量以类似方式受到信道的影响，如出现衰落或不出 现衰落。 因此，如果传输信号的带宽占0 比相干带宽尻大的话，称信道是频率选择 性信道。在这种情况下，信号中的不同频率分量遇到不同的增益和相移。反之， 如果相干带宽见比传输信号的带宽占0 大的话，信道则是非频率选择性信道， 所有频率分量遇到同样的衰耗和相移。 扩频系统的系统带宽一般大于相干带宽，这就意味着在这种情况下，信道 是频率选择性的频率选择性衰落失真是指信号的各频谱分量不是同等的受到 信道衰落的影响当e 风，时，发生频率非选择性衰落或平坦衰落，此时信 号的所有频谱分量都以类似方式受到信道衰落的影响。平坦衰落不引入信道引 起的码间干扰( i s i ) 失真，但由于信号衰落时信噪比( s n r ) 下降，性能仍然 会下降。为了避免信道引起的i s i 失真，通过保证e 丑0 = 1 瓦，即要求信道 是平坦衰落。式中把码率1 r 取作等于信号带宽园0 。 综上所述，相干带宽是两信号仍然强相关时的最大频率之差。相干带宽和 延迟扩展成反比( 也就是说延迟扩展越小，相干带宽越大) ，延迟扩展和相干 带宽是对多径衰落信道特性的不同观察。如果信号的发射带宽大于相干带宽的 话，信号将经受频率选择性衰落，只有载频部分是衰落的。如果相干带宽和发 射带宽一样大，那么整个接收频谱都将观察到衰落。如果信号的发射带宽小于 相干带宽的话，则属于平坦衰落信道。 2 3 平坦衰落信道建模与仿真方法 c l a r k e 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信道。 在c l a r k e 模型中，其移动台接受信号的场强的统计特性基于散射。这种模型假 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 设有一台具有垂直极化天线的固定发射机。入射到移动天线的电磁场由n 个平面 波组成，这些平面波具有任意载频相位、入射方位角以及相等的平均幅度。注 意，相等的平均幅度的基础在于不存在视距通路，到达接收机的散射分量经小 尺度距离传播后，经历了相似的衰减。 1 9 1 2 - 2 入射角到达平面不意图 如图2 2 所示，在没有多径时延的假设下，每个波同时经历多普勒频移效应。 对于第1 3 个以角度口到达x 轴的入射波，多普勒频移是： ；s q ( 2 6 ) 其中a 是入射波的波长。垂直极化的平面波到达移动台，电场e 和磁场h 的 场强分量分别是： e ：一c c o s ( 2 # f + 吼) ( 2 - 7 ) 以- 一茅e 荟nc - s i n q c o s ( 2 # f + 以) ( 2 8 ) 即专羹q c o s ( z - 矿 吣) ( 2 - 9 ) 其中，e 。是本地平均e 场的实数幅度，c 是表示不同电波幅度的实数随机 变量，j 7 是自由空间的固有阻抗，正是载波频率。第1 1 个到达分量的随机相位以 为： 吼一碱 ( 2 - 1 0 ) 对场强进行归一化后，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 q - 1 ( 2 1 1 ) 由于多