（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中的均衡和译码技术研究.pdf

摘罄 摘要 均衡和信道编码技术在现代移动通信系统中发挥着蓬要的作用。在单载波系统中，抵抗 频率衰落选择性信道的判砍反馈均衡器得n 3 j “泛的研究。对于o f d m 系统而言，尽管其 自身的调制和解调结构可以天然的抵抗频率选择性信遵，然而随着近年来研究的深入，在频 率时间双选择性衰落信道f ：o f d m 系统的均衡技术研究也日益成为了o f d m 接收机研究热 点之一。相对于均衡技术而言，信道编码是数字通信中受为重要的核心技术之一，t u r b o 码 因其近s h a n n o n 限的性能被广泛的应用在各个通信系统中。本论文将重点研究均衡和t u r b o 码的译码技术。 论文首先研究了单载波的信道均衡技术。在介绍了d f e 算法的基础上，对算法的参数 设置，算法的运算量和算法性能三方嚣避铂：了研究霸i 优化。运胡偿道矩阵求逆引瑾，给出了 一种降低复杂度的双向d f e 均衡器系数计算的算法，该算法使得两次的矩阵求逆运算降低 为次特殊的荚辘t o e p l i t z 矩阵的求逆运算，扶两大大降低了算法复杂度。我们进一步提出 了一种基于d f e 的低复杂度均衡算法，该均衡算法不仅利刚了双向d f e 所带来的性能增益， 而显利用d d f e 算法教善了单f 鼋蚜衡的性能。分析和仿囊表明，该均衡算法可毅春效地提 高均衡器的性能。 其次，论文疆究了o f d m 系统在双选择性信道下瓣均衡算法。o f d m 系统可敬徭好的 抵抗频率选择性信道，但趋在快速时变信道f ，将会引入i c i 干扰，从而影响了系统的性能。 为此我嚣葫 出了一种基予m a p 准剩的快速衰落信遵“fo f d m 系统频域均衡葬法。通过g i 入 卷积码译码中所使用的t a i l b i t i n gt r e l l i s 幽结构论文提山了t a i l b i t i n gb c j r 均衡算法，该 算法能够获得恢燮信道的i 寸阀选择性分集，弗鞠整瑟获褥庭好舱性能。在该算法豹蒸礁上， 文章结合判决反馈思想，给出了t a i l b i t i n gd f - b c j r 算法，又结合缩减状态的b c j r 算法， 给出了t a i l b i t i n gm b c j r 算法。仿真表明，这些算法在快衰落壤道豹o f d m 系统中均能获 得较好的性能。 最后，论文针对t u r b o 鹨译码中使用豹j a c o b i a n 公式，给出了该公式的一对上爨窝下界， 并把它们应用夜t u r b o 码的译码算法中，所给出的上界方法在特定情况下与l o g - l i n 算法相 同。当同时馒用优化因予| j 寸，本章所给出的f 界方法可以取褥良好的复杂度和性能手斥中，是 一种易于硬件实现的良好泽码算法。 关键词：d f e ，d d f e ，o f d m ，快衰落o f d m 均衡，t a i l b i t i n g ，b c j r ，t u r b o 码译码 a b s t r a c t a b s t r a c t e q u a l i z a t i o oa n dc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g i e sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nm o d e mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s f o rs i n g l ec a r r i e rs y s t e m s ，t h ed e c i s i o nf c e d b a c ke q u a l i z a t i o nm e t h o d ， w h i c h r e s i s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l h a sa t t r a c t e de x t e n s i v er e s e a r c hw o r k f o r o f d ms y s t e m s t h em u l t i p a t hi n t e r f e r u n c c a nb es u p p r e s s e db yi t si n h e r e n tc h a t a c t c d s f i c s r e c e n t j y ，av a r i e t yo fe q u a l i z a t i o nm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e dt om i t i g a t ef r e q u e n c y - l i m e s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e lf o ro f d ms y s l e m s c o m p a r e dw i t he q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s 。c h a n n e l c o d i n gi sd u eo ft h em o r ei m p o r t a n tk e yt e c h n i q u e si nd i g i t a lc o m m o n i e a t i a r bs y s t e m st u r b o c o d e s ，f o ri t sn e g rs h a n n o nl l m i r ep e r f n r m a c e , h a v eb e e nw i d e l yu s e di nc o m m t m i c a t i o n ss y s l e m s , t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ee q u a l i z a t i u nt e e h i q u e sa n dd e c o d i n ga l g o r i t h mf a rt u r b oc o d e s f i r s t l y , w ei n t r o d u c eam e t h o dt od e s i g nb a dw i t hf e w e rp a r a m e t e r sa n da 【le f f i c i e n tf i l t e r l e n g t h f u r t h e r m o r e w ep r o p o s e a l g o r i t h mt or e d u c ei n v e r s ec a l c u l a t i o no f t w om a t 6 c e st ot h a t o f o n ah e r m i t et o e p l i t zm a t r i x , w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h ec o m p a t a t i u n a lc o m p l e x i t r b yu p p i y i n g d d f et oe a c hd i r e c t i o no fb a df l g o f i t h m t h ep r o p o s e db i d i r e c t i o n a la r b i t m t e dd u a ld f e f b a d d ) e q u a l i z e r a c h i e v e s n e a r m a p p e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e w ep r o p o s em a pb a s e de q u a l i z e r sf o ro f d ms y s t e m so v e ft i m e - v a r y i n g m u l t i p a t hc h a n n e l s ，u n d e rt h ea p p r o x i m a t i o no fl i n e a rv a r i a t i o ni nm o f d m s y m b 0 1 i ti se a s yt o o b t a i nt h ee q u i v a l e n tc h a n n e lm a t r i x b a s e do nt h et a i l b i t i n gt r e l l i ss t r u c t u r ea n dt h ef a c tt h a t1 c i e n e r g yi se o n e e n t r a t e di na d j a c e n ts u b c m r i e r s , an e wt a i l h i t i n gb c j re q u a l i z e r , o p e r a t i n gi nt h e f r e q u e n c yd o m a i n ，i sd e v e l o p e d f u r t h e r m o r e ，at a i l b i t i n gd f b c j ra l g o r i t h mi sp r o p o s e dt o a c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e ，a n da nm b c d ra l g o r i t h mi sa l s oi n t r o d u c e dt or e d u c et h e i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y 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 t , 时s u c c e s s f u l l yt a k i n ga d v a m a g eo f t h e d i v e r s i t yg a i nc a u s e db yt i m e s e l e c t i v ec h a n n e l s ，o a fe q u a l i z e r sd e m o n s t r a t eg o o d p e r f o r m a n c ei nf a s tf a d i n ge n v i r o n m e n t s f i n a l l y , am o d i f i e dm a x l ，o g - m a pt u r b od e c o d e rb a s e do i lal o w e rb o u n da n da nu p p e rb o u n d o ft h ej a c o b i a nl o g a r i t h mi sp r e s e n t e d t h r e ei n e q u a l i t i e sa r eu s e di nt h ed e r i v a t i o no ft h et w o b o u n d st h ep r o p o s e dl o w e rb o u n ds c h e m es i m p l ya d d so n ec o r r e c t i o nt e r mt ot h em a x - l o g - m a p c a l c u l a t i o n s i m u l a t i c r l sd e m o n s t r a t et h a tt h i sm e t h o dr e a c h e sn e a rl o g - m a pp e r f o r m a n c ew i t h m o d e r a t ec o m p l e x i t yi n c r e a s eo v e rt h em a x l o g - m a pa l g o r i t h m a n dt h eu p p e rb o u n d 。w h i c h a c h i e v e sb e t 【e rp e r f o r m a n c ea tt h ec o s to fm o r ei m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t ys c h e m e ，a p p e a r s 口a c o i n c i d e n c et oh a v et h es a m eo p t i m u mv a l u ew i t ht h el o g - l i nm e t h o d k e y w o r d s ：d f e ，d d f e ，o f d m ，o f d me q u a l i z a t i o ni nf a s tf a d i n gc h a n n e l s ，t a i l b i t i n g , 8 c j r , t u r b od e c o d i n ga l g o r i t h m 第一章亭谂 第一章绪论 现代科学技术和社会经济的高度发展，推动人类社会由工业化社会向信息化社会的深刻 转变。避傣作为太们在傣患获取和交流巾不霹或缺弱錾簧工具，已经簌当今痿患化霹谯扮演 着越来越滋要的角色。冀中，移动通信作为能够提供快速、便捷和可靠的通信方式更怒倍受 关注。人类“利用各种w 能的网络技术，实现任何人( w h o e v e r ) 在往何时间( w h e n e v e r ) 、 任鹰地点( w h e r e v e r ) 譬任侮人( w h o e v e r ) 避行任何釉类( w h a t e v e r ) 豹僖悫交换”戆个人 通信理怒必将随着逶僖技术、特羽是移幼通信技术的迅速发展而最终褥以实现。 在过去的十几年里，移动通信技术虢得了很大的发展，从单基站大功率系统到多赫站小 砖率系统，扶单一疆羲模式到蜂窝和微蜂蜜覆盖挨式，扶，l 、区域覆菱到大区域覆盖势蜜现了 重内甚至潮际漫游，飙纯话音系统到毽掇低中速数据业务的综合传输系统，从模拟移动通信 系统到数字移动通信系统。这些变化使得移动通信技术襁传输能力和传输质量等方面均取得 了巨大的邀步。 斧麓漪世界范围肉的信息科技革命，通信技术正以前所未有的速度在发展和更新，特剐 是通信技术与计算机以及网络技术的相蕊融合，使得通信技术的发展日新月异，一个全新的 逶信世界藏展现在世人蠢蘸。 1 。1 论文背景 移动通信技术豹出现可以追溯到1 9 髓纪末无线电通信的发明，但链当时由于受剁技术 和社会发展的限制，很长一段时间内，其发展缓慢。一氯到2 0 世纪7 0 年代中期，随蓿社会 进步和耨技术的不凝出瑗，人靛对皇由邋蘩豹要求越来越强烈，簌焉键蠖了移动逶落技术的 蓬勃发展。 1 9 7 8 年底，美国贝尔窳验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状模拟 移动通信瓣。夔之不久，箕辘国家也相继嚣发出了蜂窝鼗公共移动逶穰阙。由于当辩遴嫠系 统中的信母处理都是采爝的模拟信号，因此这个阶段的通信系统也被成为第一代模拟移动通 信系统。第一代移动通信系统取得了很大的成功，它使人们无线通话的梦想成为现实。但是 随着移动孀户数量的不鞭增殴，模拟系绫 熟暴露出其频搴测矧率不裹、系统容量有隈、设备 复杂以及成本高等缺硝。遮就健使人稍羿始研究和开发第二代移动通信系统。 从8 0 年代开始，数学移动通信系统进入了发展和成熟时期，并开始被投入使用。这一 末囊夫学蛱 学位论交 代繇统通常被成为第一二代数字移动通信系统。目前我国仍广泛使用的g s m 系统以及 i s - 9 5 ( u sc d m a ) 系统就是震于这类系统，数字穆凌逮薷系凌姥模攘系统舂饕稷文熬魏势， 其腻有更高的颜谱利用率和夏商的安全性能，可l ；l 为人们提供蜜金、方便、快捷的话音业务 和低速率的数据业舞。在这个阶段出现的c d m a 蜂窝移动通信蒜统成为移动通信系统发展 过器孛戆垂翟蘸，为英f 一筏移动透信系统一第三捉塞蒂数字移蘑逶穰系统( 3 g ) 魏出 现骢定了基础。 第- 二代移动邋倍豢统是窄带系统，冈此它所能提供构业务比城单一，而且不能支持高速 率翡移葫逶蔷，氍藏它蓑车黪溺越a 髓霾寨生活靼 ：霞嚣嚣耍。予楚臻c d m a 为菝心鼓寒 的3 g 系统应运丽生。它采用了势熊接入技术和岔糟户检测技术等，提高了原有系统盼频谱 利用率。通过采用分组数据传输的方法，3 g 系统提高了传输裂活性和信道效辫，大大改善 了遴蕊羡藿，曩有支簿多燕葬韭努翱一靛数蒸鼗务魏裁力。采耀这套系统，又镪除了哥臻遥 谲矫。还可以方德的进行i n t e m a t 鱼联，使臻器种网络多媒体会谈。实现随时随琏 i 搴电子商 务游。目前，国际上3 g 系统标准融经形成，有羔种标准被国际认可：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - $ c d m a 。鼠然瑷在3 g 麴耘；箍莠不砖一，毽是宅弼可敬基糖蒙容，麸瓣必实瑷全球 漤游提供7 可髓。 近年来，随糟计算机网络和够； ! i 体技术在稀个锁域的广泛成用。人们对商髓献多媒体业 务和离速率数据照务翡嚣求与器馔增。为了满足入 l 苓凝增长鞠嚣袋驭及超蓠理论臻究熬器 蘩。米来移动通催系统的研究已经矮开。宋来移动通信系统叉被称为后3 g 系统( b e y o n d 3 g b 3 g ) 【l 】【3 】，窀在3 g 的基础上向5 w 的目标义迈进了一步一b 3 g 系统希姥建立起统一 魏全| p 移动遥痿鼹络，教握供不掰褥络襄韭务豹囊出无缝接入，并霹班支持更勰转赣速率 的数援业务。b 3 g 慈统的主要实蕊露标有戳下掩个方面： 传输速率张固定或者低滤移动的情况下达剑至少1 0 0 m b p s 。在高速移动情况下达到 2 0 m b p s ； 系统容帮遮瓣3 g 系统的5 一l o 倍，铸输瓒餐相当予或者恍予3 0 系绕 小区覆盖藏嗣等于或者太于3 g 系统； 在不丽戆速率之鬻髭够蠡凌谣按，强爨诞避售霞量： ， 网络的比特成本低丁 3 g 系统。 饕满足这些要求，b 3 g 系绒必颓在概念和技术上有所创新和突破，从网络结构、空中 菝西、镥赣俸裂，编码与褥餐数及捡测与待谤嚣器拿方垂重簇檠麴系统。 首先在网络方颟。b 3 g 系统将是一个基丁众i p 、分布式、自组织和多层蜂鬻结构的盘 肇一章穿论 适应宽带无线通信网络。它必须能够支持全i p 的高速分组数据业务，可以方便为不同用户 提供不舞遴率、不羁骚务矮鼙要求( o o s ) 、安全霹靠鹣综台韭务。箕次在簧辕技零方露， 人们又开始关注已经沉救多年的o f d m 多载波系统【4 】。o f d m 通过采用正交子载波并行发 送数据，将宽带信号转化为窄带信号传输，有效地克服了信道的频率选择性衰落。而循环前 缀戆整瘸，傻零o f d m 系统旋够有效缝竟簇簿号瓣予挽( i s l ) ，鬟麓系统匏逶蔼壤爨移频 谱利用率。信道编码作为移动通信系统的一个重要组成部分，相关研究也进展迅速，以t u r b o 码和l d p c 码为代表的避番农限的纠错编码在理论和技术上都取得了根火发展。迭代译码也 因此褥到了广泛建研究耱癍建。 1 2 论文研究内容 本论文的主要研究工作概括如下： 1 论文的第二颦研究了基于判决反馈的均衡器，提出了一种蒸于d f e 的低复杂度 静均衡算法，该均衡算法不仅载建了霰囱d f e 鹱带来懿馁戆蹭盏，更避一步糕 用d d f b 算法改善了单向均衡的性能。分析带i 仿真表碉，该均衡算法可以有效 的提高均衡器的性能。另外，针对双向均衡器的两次均衡运算需要的两次矩阵 求递，该章鲶瞧7 一静耨豹算法，该雾法傻褥嚣次豹矩辫浓遂运算降低为一次 特殊的共轭t o e p l r z 矩阵求逆运算，从而大大降低了算法艇杂度。 2 论文的第四章提出了一种基予m a p 准则的快衰落信道下o f d m 系统频域均衡 算法。假设侠衰落信遘在一个赞簸块中成线性变化，接收端可以通过f f t 扶速 计算出均衡器使用的等效撷域信道。通过g | 入t a i l b i t i n gt r e l l i s 图结构，该章给 出t a i l b i t i n gb c j r 算法，该算法能够获得快变信道的时间选择性分集，并因此 两获德矗好鹣性能。在该算法的基础上，文章结合判决爱缓思想，绘如7 t a i l b i t i n gd f - b c j r 算法，叉绪台缩减状态静b c j r 算法，给出了t a i l b i t i n g m b c j r 算法。仿真表明，遥蝗算法在快衰落信道的o f d m 系统中均能获得较 好的性能。 3 。 论文的第五耄麓先回顾并慧臻t u r b o 码镌缡礴拳i 译码算法。针对j a e o b i a n 公式， 本章给出了该公式的一对上界和下界，升把守们应用在t u r b o 码的译码算法中， 所给出的上群方法在特定情瑰下与l o g - l i n 算法袒同。当掰时使用优化困子辟重， 本章赝给出静下界方法哥 冀彀得赛好静复杂瘦和佳能辑串，是一种易于磷俘实 现的良好译码算法。 东南天学续l 学毽建交 2 。1 弓 言 第二章无线移动通信信邋 信道是无线移动邋信系统的一个重要组成郏分，信道状态的女 蛛直接影响精邋信系统豹 避穗质量。无线移动逶售系统孛黪很多缀残静势懿蚜蓊器、蔫道缡妈、鑫透藏控零等都是镑 对倍道特性设计的。目的就在丁：帮助系统克服幽甲信道衰落和时苴正所起的传输信号的失真。 无线移动信道魑舞釉通信信遴审最为复杂的种。无线信号金受到传输路径上备秭建筑 翡，出黪承流敬爱其缝镑露熬吸收积爱毒垂，露对还会霹鸯移动台螽秀运凄 l 怒镶遂特性赫鞋 变和信号的频率偏移。冈此多榉琏落和时变衰落成为无线移动通信信道的两个主要制约因 素+ 它们一方面制约了当前通信籁统舶性能，增加了系统设计和实现的复杂皮；另一方面也 兔耨接零鲡务集接蔽等静蓬耀挺供了西施，蔌丽提薅了系统豹舞掺涟麓。 2 2 无线移动道信信道 光线电波通过移动信道时会灞# 各种各样的障错物，g 起能锵的吸收和穿避辨及电波的 反射、散射和绕射锋。这些电波遭受来自不同途释的衰减损害，这些损害可以归纳为二类： 路径传播损耗( 自由空间的潞径损耗) ；它是指电磁波谯空潞传播穿过释粹奔质造 成的电平损耗，它反映了传播在宏观人撒闱( 即公里缀级) 的空间距离上的接收信 号逛平警均壤赫交往趋势。 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上凝建筑物及由精等的阻挡掰产生静荫影效 应而造成的损耗。它反映了中等范围内的几百波长量缀接收电平的均德变化而产生 熬损耗，一毂逆飙霹数正器玲毒，箕交稼较馒。 侠衰落损耗( 多径衰落) 。它主要楚蠹麓一传输信譬潘两个或多个路径传播，璐 微小的时间差到达接收机的信号相互干涉，从而引起撼收信号场强瞬时值呈现快速 变纯豹现象。它爰浃擞蕊小范攥内，l 十波& 麓缀骢援救逛平魏均蕴交纯褥产生约擐 耗。接蔽信号场强盼交纯强度联凌于多释波静强度，耀瓣镑撬酵瓣，轼及抟摇信号 每个采样点的延迟时间。 蠢上嚣播述，凭线窀蔼号逶琏移动遥售售遂辩会雯二个方落黪衰落援失，遮铎凌钌可 以将接收信号的功举表示为， 第二掌薏线移动逶萤繁滋 p ( 厅) = i 孑f ”s ( 孑) 尺( 孑) ( 2 1 ) 上式孛d 表示距离矢量，箕绝对值| 翻裘示移动琢户与熬站髓距离。岛翦面三释信道损害对 应，i 孑r 寝示信道的路径损耗，s ( 厅) 袭示阴影衰落，r ( 孑) 表示多径衰落。 无线信道的传播模型可分为大尺度漤落模型霸l ，、尺度衰落模型弧种( 图2 。1 ) 。大尺度路 径损耗，塞饕指乎缘路径损耗窝信遂籀衰落( 霹蘸影效痘磊产生熬簇耗) ，它 j 圭簧影响 无线小区的覆盖。小尺度嶷落通常也认为是短期衰落，魑指由多径衰落引起的信号损耗，它 严重影响信号传输的质餐，必须采用抗衰落技术来抑制它的影响。后文中描述的信道模型主 要是捂缮邀鹃夺足疫衰落模型。 案 、一 张 睽 距离( 对数) 圈2 1 无线信道路径损失和信遴衰落示意盈 2 3 多径衰落信道 由予缝磊和瘸墓建筑物静反囊聿，发瓣蘩号逶零会经避蔻象不舞静踉径，经遂苓弱憨瓣廷 后到达接收天线。这样若发送端发射一个冲激信号，接收端则会在不同的时刻收到由该冲激 源产生的爨到不同程度衰落的冲激响应。图2 2 描述了这个过程。 2 t o t t lz = t l + 毛t = t l4 - 龟 图2 2 多衽信道冲激响应尔意图 n 肖 末毒大学颤l 举位论空 多往信道的等效低邋冲激响麻可以袭示为， e ) = 级0 ) 唧一歹2 嘭气5 ( r 一气( f ) ) 2 ，2 ) 上面式子中，c ( r ；t ) 表示信道在，一f 时刻加入的冲激在f 时刻的响应，( ，) 为第栉条径在 f 肘刻的时延，( t ) 为第押条彳爷农f 时刻的衰落网子 2 。3 1 多普勒扩展 无线信号在传输过程中，由予移动台或者路彳簪上反射物的快速移动，会导致接收信号豹 簇率发生一定程发瓣偏移，这夺岛移动台速率戒正院静颓率编移被称秀多罄赣颠移，它霹蕴 ：”s o - t c o s o ( 2 3 ) 办= ( 2 3 ) 其中v 是移动台的速率，五楚发射波的波，0 为入射波与移动台的夹角。警0 = o 时，多 酱勒频移有最大假为五= v 五，称为最大多静勒频移。 程接收端获褥黝信号遥常楚来爨多个不同爱射径主静信号，这些信号强不慰静入射危被 天线接收。当移动螽之闯不存在赢遮径，苴入射荦夺数足够多时，可 三l 假设入射角月获( - x ，万】 上的均匀分布，由此可以得到接收信号功率谱为， 盼耕一( 钭 - - ， 上式中，匕是各向同性天线接收划冉勺平均功率，z 为发射信号的频率。此式即表示c l a s s i c 落，囊惩霹班霉如蠡然发嚣颧率为攀一教率z 瓣整号，接收缓号黪凌辜谱鞠扩震到了扶 z 一以到五+ 力的范围，这个过稃就是多簿勒扩展 2 3 2 辩延扩展 从图2 2 中可以籍出，发送信母是通过多个不同时亘芷的传播路径至达接收端的，所以在 某一时刻的接收信号通常是不同时刻发送信号经过不同幅度衰落的总和。设发遴端发送信号 为艿 f ，劐逶蓬多经磊接收馕号班表示舞： 0 r ( 小= 嘶- 8 ( t - r t ) ( 2 5 ) i = 0 其中璐为第f 条移豹裳落因子，为第z 条释豹传摄时廷。由此戏可以看出，t 时刻的发送 信母程缓收端将扩麟为多个可辩径上的信号，定义接收端接收到懿第一个信号分窳豹时延到 晟厩个可辨径上信号的时延间隔长度为多径信邋的时延扩展。 第二枣凳线莓砖运稼薪遴 信邀的时延扩展有时也用信道的最大时延夏来描述。它表示接收髂号比直达信号功率 下簿裂一个瓶定程蘑熟最大静扩震肄蘧蕊。 2 。3 3 储邋失真与分熊 痿遴必赛分为瑟静：颓率选择整帮裴薄失真。藏奉选择性楚盘痿遵懿多径扩囊耩零l 藏静， 而衰落变化则取决于信邋的彩普勒扩展。前先在时间域上考虑多普勒扩展，用式( 2 ，6 ) 来 定义信遘的橱干时闯： 嚣；去 t ：蓐， 上式中的捆千时间表示了惰道随时间变他的快慢。类似的在频率域上，用式( 2 7 ) 米定义 萋遘麓携手赘宽： 或一丢 眩， 上式援手紫寒赠表示落遵对不犀频率信号袋藩戆摇荚蠖。匿2 3 楚要撼述了离教多径臻邀串 备令耱理褥经韵美系。 阐2 3 离教多移倍道物理持能荧系韬 令r 免技籀楼萼的对闫阚淡，毒w = l f 为镗输售号的繁窭。如果满定影篷，粼谈海 蓿遘是频攀嚣选择缝静。就瓣蔹较豹多经分餐是不可分辫鹣，帮可蕊认毙髂遂输a 藩母串豹 所有频率分嫩在经过信道传输时经历了棚闹的衰减和相穆。如果同时满熙e 和 f 乏，嚣为f 小于信邀的柱于时闻t 霞两可敬认为锩道戆衰减和朝移在一令售号孵铸输 对惩褒基本保势苓变。瓣震该条箨豹籍遂称为馒衰落髂遂。 东南人学颤l 擘健论文 2 4 衰落信道仿真模型 本文仿真中采用的信遂模碓为包络服扶r a y l e i g h 分布，相能服从【o ，2 刀) 上均匀分布的 多径衰落信道。现有文献中已经给出了多种仿真j 【f = | 的信道模型，其中j a k e s 模型就是一种被 广泛涎耀躲r a y l e i 秘信邀统计摸犁。营先为评价信遂援璎的念壤性，运常认为理想的多径 信遂参数在统计意义上麻满足 蕊两个条件【5 】： 对于每一掇径上豹信遴，冀信道参数静实踯捌虚邦赧钛零均蓬的相互狱崴静夏裹掰 过程，置它们具有相同的功率谱和盘相关龉数。由魏得到的信道参数的包络服从璃 利分布，就相位服从均匀分布。 经典豹j a k e s 模犁是通过蜊多个正弦信号譬如的方法来仿真信道特燃的衰落信递 模型，蠢j a k e s 模l 产生黥时交衰落信遴的多箨勒额移落为经典多簿勒频移谱。由 于单纯的j a k e s 模型升不能产生多个独立的衰落信道，所以本文中仿真采用的是改 进的j a k e s 模犁f 6 】。 下蔷奔绍改遴的j a k e s 模翠，蔼先考虑频率1 选择往信遴戆受、渖激响应麓z ) ，舞唾由僖 道模型有下面的表达式， z ( f ) wz a t ) + s z ，( ，) ( 2 8 a ) 乏( ，) 3 云蕃c o s ( 啄f c 。s 辑+ 磊) 2 曲 互( f ) 2 刍萎c 。s ( 线f c 。s 辑+ 藐) 2 其中暂球。= 2 e m i - - n + 0 ，丸、编莆l 鼓相互统计独立且服从卜硝，筇) 上的均匀分布哟为 对感7 ：c t 。= 0 时的融大多普勒频移一上式中当m 墩无穷大时，z ( t ) 复包络服从瑞利分布 警僖遴舞颓率滤择性磺零l 衰落倍递簿，在上述模翠蠹搴基硪上，各条径分剐对余弦函数热 上蕊不相关的初始相位即可。设五( ，) 为第k 条可辨多径的衰落飚数，为保证不问路径衰落 乙( f ) 、互0 ) ，( 后毋，) 互不相芙，谢如f 表示： 硼= 序s 啪s 碱，】+ 夸。s 啦瓯州 ， 其中有吼= 垒翌二4 盟n ，丸、纯，。和哦相互统计独藏且对于所有的雌，服从 【一万，上静鹭勾分雍。 第二耄凭绫移动运莆嫠滋 2 5 本颦小结 与宥绒通信信递相比，无线移动道德傣道特性复杂，在移动通信系统中起着决定健作用。 在本章中，我们首先介绍了无线移动通信信道分析了信遒中二种不同袭落产生的原因和特 点。在髭基秣上，文章分攒了典型戆多径r a y l e i g h 襄落穰道麓物理褥缝，荠壤摇戴绘礁了 多径衰落偿邀的分类方法。最后，文章详细描述了被广_ 泛埘于仿真的j a k e s 衰落信道绕计模 型，并给出了本论文在第四章仿真中所采用的改进j a k e s 模型及多径信遄模型。 东南大学城l 学证论文 第三章判决反馈均衡器及其改进 3 。l 雩l 言 在移动通信系统中，无线信道的多杼传播造成了信号的时盎麓扩腱，当信号的带宽大于相 干带赛鼹，裁形成了羧率选择愁裘薄e 在鞋域上， 羹羲形戒了符号鬓予撬( | s l ，i m e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。为了搠出l s l 耩带来的性能损失，嚣从频率选铎健信遂中恢复鑫骥治的发送牟 列，通常可以采用倍道均衡技术。人体上，信道均衡技术可以分为二类： ， 线性殇簿器t 魏l m m s e 均簿器( l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 、追零键簿器翟e z e r of o r c i n g ) 荆匹配滤波器( m rm a t c hf i l t e r ) 。 潮凌爱缓粪蚜爨嚣，翔判凌茂馔均骜器d f d e c i s i o n f e e d b a c k 数强e z 班l 蛳、双判决爱 馈均衡嚣( d d f f 。d u a ld f e ) 、磺彝嵇裁斑决裁馁均鬻器( b a db i d i r e c t i o n a la r b i t r a t e d d f 勘。 最霞均籀器，懿最大似然艨列嵇诗均缴器( m l s em a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c e e s t i m a t e ) 、最大厝验概率均衡器( m a p , m a x i m u ma p o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y ) 。 均撼器算法中，妇织获得复杂艘触性能的折中直是研究的热点问题。线性均衡的复杂 壤最低，燕是整麓鞍整。基予m l s e 鹈m a p 穗燃鹃缘瓣嚣静髓麓理论上霹玟送终最甓，毽 所滞鼹计算的状态数随着信道的板度的增加噩指数增长。当信道的多径时延较大鼠采用高阶 调制时，复杂度将难以接受。判决度馈类均衡器刹刚发送信号越有限集合这一个特点，将已 鬟检测篷来戆符鸯骶鬻寒麓i s l 予捷去豫，获丽带来经麓黥蓬蕊，蘧是蠹子镫谈判决矮带亲 的错误传播问题，判决反馈类均衡器的性能不及m l s e 和m a p 均衡器。 本章将研究基f 判决反馈的均衡器算法。蓠熙介绍了基本的累统模型，然搿讨论了d f e 麓衡器。接着零章介缀tb a d 舞法，莽锋黯荬中的滤渣嚣参数设计逮霞了簦新嚣德往，援 出了一种新的滤波器参数计算方法，使得原来两个矩阵求逆的遮掉降为一个熬辘t e e p l i t z 矩 阵的求逆，大大降低了运算量。针对在深衰落倦邋下b a d 算法性能较差的缺点，本章提出 套攀路坶露孛羁爱d d f e 蓦法替代躲采蘸d f e 舞法，该羹法实臻蕊单，莹囊瑗实谈算法臻 原b a d 算法有较大的性能增盏，在某些情况f 可阻达f 接近最优的m a p 算法的性能。 。1 0 - 第三章判决爱镶瑶熟器及冀段避 3 2 浆统模型和基本假设 莺3 i 敲掌系统等效纂带摸鼙 本章将考虑数字通倍系统在频率选抒性信道下的传输。一般来讲，在数字通信祭统的发 送端，我们需要将发送信息进行信源编鸸和信道编码。谯信遵编码后。我们将对编码斌序列 蓬孬星照黧映嚣，获蠹形成簿号痔饔。这熬蒋号痔舞将避行袋形滤波，载渡璃籍，势懑过频 率选择性衰落信道后到遮接收端。在接收端，接收信号将下变频，井缎过接收滤波器和采样 器后进行垒b 理。图3 1 是数字系统的等效基带模型。在这个系统中，傣母将经过一个饕嫩基 繁模蛩箍述熊频率选择整僚避，弗显接裁簿号还会鹈：蕊健噪声舞污染。在邃争系统孛，在接 收机前端一按收信号将通斌一个白化匮配滤波器，在这之后，信号将按照系统采样速率进行 抽样，从耐得到接收端的采样序列。f o r n e y 在1 9 7 2 年的文献【7 】中指出，这样的采样序列是 攘鬏禧惑黪窥势统毒 羹。嚣魏，最往接殴搬站褥一般帮是嚣菇势瓣为先邋过一个鑫纯蒗蕊潞 波器吲。鹅外，白化滤波器的存在保证丁在接收端采样膨剐中的噪声魑自噪声。 w ( n ) 嚣3 2 数字系统骛纯摸琏 在接收机算法描述中，可以更多的省到图3 2 所描述的数字系统的觞化模型。在该模型 中信道的意义有所扩大，遮恩的信道是发遴滤波器，物瑷傣遵和接收的融化匹配滤波器墨誊 耪卷积赛蔌鼹籀藏懿。当然，在赛踩系统率，蓉蔽端缝往茏法舞道实嚣；遁过籍信遥，遵常使 用的是信道估计所确定的信道，所以完荚的白化匹配滤波器往往是傲不刹的，通常的做法是， 接收端的白化匹配滤波器将用一个简单的向发送成形滤波器所匹配的泌波器所替代。在下丽 静算法描述审，饕栗疆蹲3 2 所表示静簿健模型，该鬟裂辩遴蘑链傻褥簿法霹驻妻程秘撂震 到其他的数字接收祝中，稀系统中，本章将考虑块传输数审通信系统，并且基于上面的系统 模型，本章附系统有如下蝗假设。 ， 强设3 1 在一个块传输韵时渊内。信道可以建横成为一个线性非时变( l t i ，l i n e a r t i m ei n v a r i a n t ) 有限长度( f l rf i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器。 东寓太学嫒t + 学位论文 实际上，绝大多数数字通信系统都是一个时变系统。但是通常在无线通信系统中， 穆遂戆露交遮凌稳对手块转竣瓣一个包嫒持续瓣时翔采凌逶院较馒鹃，在多黪勃扩震较 小的情况f 。我们可以假设在一个块传输的时问内，信道韪非时变的。因为物理信道的 时延扩展往往是在一个有限时闻艮皮之内的，所以有限k 度滤波器假设是数字通信系统 貔一个普遍联设。因噩乏崮3 2 掰撵述耱系统露敬接连为， l - t z ( 行) = 向( ) z ( 栉一后) + w ( 一) 。 ( 3 1 ) * 0 其中z ( 撑) 是接收序列的第摊个采样值，x ( n ) 是第押个发送序列符号，坤( 摊) 为等 效黥累栩在z 辩) 上的骤声，我 f j 定义h = p ( o ) h o ) h ( l - o 7 为长度五静信递津 激响应。从式( 3 1 ) 我们可以看剑，接收序列的第t 1 个采样值不仅与第h 个发送符号 霄关，丽且与第牲个发送符号之兹豹若干个符号相关，这也就是裁西所提到的l s l 干扰。 假设3 2 储道冲激相麻h 也接收端是已知的。 在实际系统中，在接收端偿道冲澈晌廊越未知豹，需要邋过信道估计算法得到近似 静信逮摔激嘀癍。僵篷霹t 研究缘衡莽浚褥专，可懿馁菠接牧端己鲡完美信遂信意 ( p e r f e c tc s l ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 。 镁设3 3 啜芦孝歹眭w ( 拜) 霹数建模戒一令方差走懿蕊搿鸯噪声亭列，雾董可班 认为噪声序列与发送的濑序，0 不相关。 在这个假设下，均衡器系数的推导将会得到简化。 3 3 判决反馈均衡器工作机理 划决反馈均蟹器包含翦馈滤波器( f f f , f e e d f o r w a r df i l t e r ) 和魇馈滤波器( f b f , f e e d b a c k f i l t e r ) 模块。闰3 3 怒d f e 均衡器椴圈。 假设f f f 的冲激相应为f = i 厂( o ) ，( 1 ) f ( l y - 1 ) 。f b f 的冲激响应为 b 。p ( 1 ) 6 2 ) 6 ( 瓦) 7 。三角| | l 代表的是系统柏划次模块，谈模块将根据釜( 柳) 的值， 在麓建闰中我出欧氐距最小酶f 搬 作为列决输出。注意刽这燕并没有使用群箨为瞎闯撵 标。后面可以知道 嵌判决时需要引入判决时延。 1 2 篝兰掌藏撩疑溃驽藉嚣囊莛致避 图3 3 【) f e 框图 霎融 黻裘示舞 # f 矗 羹( 肼) = z s ( k ) z 和一未) 一5 ( 露) 伽一对。 锄) 硼 _ l 圭手笨魏的判决模块势誉爨个线馊竣淡，丽虽惠予棼谯错误辫决黪溅霹，穰难攒镬戏 嵇茹蘩零窭撩筑藩f f f 嚣f b f 懿参鼗。在d e e 系数静隶麟审青下蠢这个蘩要羲簸莰， ， 镁竣3 。假设d f e 勰樽爨戆弼决戏馕馕是没有镄谡躲。 赛繇土，逶翥播嚣下遮楚一争不荔穗翁襞囊，翟鼹簿予设诗粼荣谨，这个簸浚 至篾藤露。理想的剡决反馈大大简化了d f e 均衡器的数学模型。从而使得简单求 解d f e 熊系数成为耀躲。但是，瞧予假琵并 # 礁硪，错误的判决槛往会带来健畿 懿鬃必，d f e 孛嚣精密戆疆谖蒋瓣黼蘩蓑是茁鬏漫辫蕾寒羲一个芦重黎薅疆。 基于假擞3 4 ，在匿3 , 4 啦+ 我们给出了煺想削决反馈情况1 f - 箩, l 决炭鳢均衡器系统摧燃。 注意娶在鋈3 4 孛，系统裂入了弼疆薅延箨，裁凌辩廷是d f e 魏一令羹象设谤参鼗，蒙耪 穗意义上来讲，例如对于检测符号z ( 珂) ，w 姐在接收到符姆# ( 胛) 时进行檎测，但是系统黼 黻并不这样做，接收机往往黼毅在时延艿之尉避荦亍判决，蝴在接收到三0 十毋) 畦，对符蜷 列f 磷进霉醺溅爨凌。 帮( 网3 4 完美反馈假设d f e 糕煳 * 1 3 - 东鸯五学蛾 学证谂文 根据假设3 4 - 斌( 3 2 ) 可以艘求为 膏o 。艿) ：笙，_ j ) ：积一_ j ) _ 妻务x ( 斥一书一素) 。 ) k = o # l 缀设是痿逶积饕缓淀滚嚣掰缀逐掰形或黪漳激拣癍，帮e 。h $ f ，那么 e = i c ( o ) c ( 1 ) 三+ t 一2 玎，定义= 五+ 三，一l ，鄂么( 3 3 ) 可敷雩成r j ld + h 譬( 辩一j ) = c ( 拶) x ( ”一万) + c ( v | ) x ( 玎一j j ) 十( c ( | j ) 一6 ( _ ； ) ) x ( 栉一k ) 一罂 ，l ：型 ， s( 龇2，一l t $ 癣 十c ( t ) 并( 栉七) + f ( k ) w ( n k ) ：! ：垫竺 ，毪l 一。一 d 上式孛。a 燕镪含需要检测符号豹蘸努。8 是雹舍盔于蜒遥判决嚣繁来酌簿瑗珞ke 是w 以抵消的后项i s i 。d 是残余的后项i s l 。e 琏滤波之后的噪声。显而易见，我们希望滤 波嚣的设计能够擞捌驭f 姐点， 对于a ，邋过设计前馈滤波器，使得c ) 为c 中最人的冗素。 对于b 釉d ，通过设计穆馈滤波器使得c ( 意) * o ，o 豇_ 8 - 1 艿磊十l s 囊s 匆一2 对于c ，通过设计反馈滤波器，使得c ( m ) = 6 ( _ ) ，8 + i g 七艿+ 厶 对于e ，希望f 7 f 尽量小 程下一节中，我们将介绍m m s