（通信与信息系统专业论文）新一代移动通信系统移动终端速度估计技术研究.pdf

摘要 摘要 随着移动通信的发展，新一代移动通信( b 3 g b e y o n d3 “g e n e r a t i o n ) 系统已逐渐成为研究与开 发的热点。正交频分复用( o f d m ，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 ) 技术具备频谱利用率 高、抗多径能力强、带宽扩展性好等优点，是新一代移动通信系统中最有竞争力的技术之一。移动 终端的速度或最大多普勒频移是新一代移动通信系统的重要参数，能应用于无线资源管理、切换以 及接收机物理层性能优化等领域。本文主要研究了o f d m 系统中的移动终端速度估计技术。 论文首先分析了信号在无线传输中所经历的时频选择性衰落特性，推导介绍了单载波系统中基 于接收信号的经典速度估计方法：电平通过率法( l c r , l e v e lc r o s s i n gr a t e ) 、零通过率法( z c kz e r o c r o s s i n gr a t e ) 和协方差近似法( c o y , c o v a r i a n e e ) 等。在此基础之上，通过分析o f d m 系统的信道 模型与信道估计，提出了基于o f d m 系统的速度估计方案；方案以o f d m 系统的信道估计作为速 度估计的输入，应用单载波系统经典速度估计原理，实现了o f d m 系统的速度估计。据此估计方案， 给出了基于o f d m 系统l c r 、z c r 及c o v 速度估计的实现步骤，比较分析了三者在加性白高斯噪 声( a w g n a d d i t i v e w h i t e g a u s s i a n n o i s e ) 信道中的性能，还根据性能分析提出了改进的应用。 论文提出了通过调节协方差计算间隔来降低误差的基于c o v 的精确速度估计。通过对a w g n 信道下的c o v 速度估计精确建模，数值分析了协方差计算间隔对c o v 算法本身精度及噪声因子的 影响；根据分析的结果，以归一化平均误差最小为目标对估计算法进行了改进，获得了基于c o v 的 精确速度估计；最后还对算法的可行性进行了讨论。 从应用出发，论文还对提出的基于o f d m 系统的速度估计方案用v e r i l o g 语言完成了现场可编 程门阵列( f p g a ，f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y s ) 设计。f p g a 设计中，采用等效算法。优化了速 度估计算法中的数值计算，降低了实现的复杂度。最后设计实现了实验验证系统，对f l e a 设计进 行验证，为后续开发建立平台；通过软硬件联调，实测的结果验证了f l e a 设计的正确性。 关键字：正交频分复用，速度估计，电平通过率，零通过率，协方差函数，f p g a 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o no rb e y o n d3 “g e n e r a t i o n ( b 3 g ) s y s t e m sh a v eb e c o m eo n eo f t h eh o t t e s ta r e a si n t h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h eb a n d w i d t he f f i c i e n c y , m u l t i - p a t hr o b u s t n e s sa n de x p a n d a b i l i t y l e a d so r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v 扫i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t ob eo n eo f t 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 s i nn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s e s t i m a t i o no ft h em o b i l et e r m i n a l s ( m t s ) v e l o c i t yo r , e q u i v a l e n t t y , t h em a x i m u md o p p l e rs p r e a d ，i su s e f u li ni m p r o v i n gn e t w o r kc o n t r o la l g o r i t h m s ，s u c ha s h a n d o f f o r c e l l l a y e r - a s s i g n m e n t , a n dn e c e s s a r y f o r t h e o p t i m a l t u n i n go f p a r a m e t e r s f o rs y s t e m s t h a ta d a p t t oc h a r t g i n gc h a n n e lc o n d i t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nv e l o c i t ye s t i m a t i o ni no f d mm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f i r s t l y , t h et i m e f r e q u e n c yf a d i n gw h i c ht h es i g n a lu n d e r g o e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si s i n t r o d u c e d , a n dt h r e et y p i c a lm e t h o d so fv e l o e i t ye s t i m a t i o nf o rs i n g l ec m t i e rs y s t e m ，z e r o - c r o s s i n gr a t e ( z c r ) ，l e v e l - c r o s s i n gr a t e ( l c r ) ，a n de o v a r i a n c e f u n c t i o n ( c o v ) ，a r ep r e s e n t e d a v e l o e i t ye s t i m a t o rf o ro f d m o ro t h e rm u l t i - c a r r i e rs y s t e m si sp r o p o s e d i n s t e a do fu s i n gr e c e i v e d s i g n a l ，t h i sm e t h o dr e l i e so nt h ec h a n n e le s t i m a t e s e x c e p ti n p u t , i m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o p o s e dm e t h o di s t h es a m ea st h et y p i c a lv e l o c i t ye s t i m a t o r t h es t e p so fl c 艮z c ra n dc o ve s t i m a t o r s f o ro f d ma r e d e s i g n e ds e p a r a t e l y t h e i rp e r f o r m a n c ei na d d i t i v ew h i t eg a n s s i a nn o i s e ( a w g n ) c h a n n e la r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h e yh a v et h es a n l ep e r f o r m a n c e f i n a l l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f p e r f o r m a n c ei na w g n ，a u s e f u la p p l i c a t i o ni sa v a i l a b l eb yi m p r o v i n gc h a n n e le g i m a t i o n a d d i t i o n a l l y , a l la c c u r a t es e h a m eb a s e do nc o ve s t i m a t o ri sp r o p o s e d t h i sm e t h o dc o r r e c t st h e e s t i m a t i o ne t l o r sb ya d j u s t i n ge s t i m a t i o ni n t e r v a l c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fi n t e r v a lo nt h eo r i g m a i e s t i m a t i o na c c u r a c ya n dn o i s ef a c t o r s , t h eo p t i m a li n t e r v a l ，w h i c hm i n i m i z e se s t i m a t i o ne r r o r s ，i sd e r i v e d i t i sr e l m e dw i t l lm t sv e l o c i t y i no r d e rt or e a c ht h eo p t i m a li n t e r v a l j o i n tv e l o c i t ye s t i m a t i o na n di n t e r v a l c a l c u l a t i o na r ea p p l i e d f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo f p r o p o s e da i g o d t h m si sd i s c u s s e d f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ( f p g a ) d e s i g no ft h ep r o p o s e dv e l o e i t ye s t i m a t o rf o ro f d mi s a c c o m p l i s h e dw i t hv e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( h d l ) u t i l i z i n gs o m ee q u i v a l e n ta l g o r i t h m s ， t h ei m p l e r n e n t a t i o na t r u e t u r e so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa r eo p t i m i z e d a n dt h ec i r c u i ts c a l ei sl a r g e l y r e d u c e d f i n a l l y , me x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e df o rp r a c t i c a lv e r i f i c a t i o no f f p g ad e s i g n i t o f f e r sap l a t f o r mf o rf u t u r ed e v e l o p m e n t k e y w o f c l i b ：o f d m ，v e l o c i t ye s t i m a t i o n , l c r , z c r , c o v , f p g a i i 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：煎塑堕 日期： 2 1 1 ：! ：墨 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( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：翅盟导师签名；弪ii 式日 域镩智 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 以北美的a m p s 和欧洲的t a c s 为代表的第一代移动通信( i g ) 系统形成于上世纪八十年代初 期，它以模拟制式为信号传输手段，所支持的业务仅限于话音业务。伴随着v l s i 的出现和数字信 号处理技术的发展，第二代数字移动通信( 2 g ) 系统于九十年代初应运而生，实现了从模拟系统向 数字系统的转变。2 ( 3 系统包括欧洲的g s m 和美国的i s 一9 5 等，除话音业务以外，2 g 系统还能提供 电传和低速数据传输等多项数字通信业务。做为从2 g 向3 g 的过渡，以g p r s 、e d g e 为代表的2 5 代( 2 5 g ) 系统可以提供更为先进的中等速率数据业务，如电路交换和分组交换。2 g 和2 5 g 系统 目前仍是许多国家的主要移动通信系统。 随着因特网的发展与普及，原有移动通信系统的数据传输速度、传输质量和业务范围已经不能 满足人们通信的需求，人们希望移动通信系统能和固定网一样提供将话音、图像、数据等业务综合 在一起的交互式多媒体业务，因此，与因特网技术相结合的各种宽带多媒体通信业务，如高速因特 网接入技术、高质量图像视频传输技术等是无线通信技术发展的必然趋势，也是第三代移动通信 ( 3 g ) 系统的建设目标。3 g 系统的三大主要候选方案包括北美的c d m a 2 0 0 0 、欧洲的w c d m a 和 中国的t d - s c d m a 。在国际上，3 g 系统的商用化已全面展开；我国的3 g 系统建设也将在近期启动 实施。 全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务主体的快速转变，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。为高速业务和多媒体业务设计的3 g 系统在通信的容量与质量等方 面将远远不能满足要求，世界各国在3 g 系统商用化的同时，目前已把研究重点转入新一代移动通 信系统超三代移动通信( b 3 g ) 系统的研究i l 捌。i t u r w p s f 于2 0 0 3 年6 月完成了一个里程碑 式的文件，即( f u t u r ed e v e l o p m e n to f i m t - 2 0 0 0a n ds y s t e m sb e y o n di m t - 2 0 0 0 ) ，简称为愿景( v i s i o n ) 。 在i t u - r 的这篇建议书中，定义了i m t - 2 0 0 0 的未来发展和超i m t - 2 0 0 0 系统的无线接入网络部分的 未来远景、结构和全面目标。b 3 g 系统的目标是为高速移动用户提供峰值1 0 0 m b p s 数据速率，为游 牧民或固定用户提供峰值l g b p s 的数据速率。i t u 计划2 0 0 7 年国际无线电大会( w r c 2 0 0 t ) 为b 3 g 系统分配所需频谱。2 0 1 0 年完成主要标准，2 0 1 2 年开始商用，2 0 1 5 年大规模商用。在i t u - r 的定 义中，b 3 g 系统具有更高频谱效率，能够提供更高数据速率、更好的覆盖和更强的业务支撑能力1 3 - 5 ， 因此b 3 g 系统的发展面临着艰巨的挑战。 b 3 g 系统面临的最大挑战便是支持高速分组数据传输的要求。为了达到数据速率为数十兆b p s 甚至数百兆b p s 的全p 高速分组数据传输的目的，b 3 g 系统需要的频带范围相当宽，因此宽带传输 也是b 3 g 系统的主要特点。传统的单载波t d m a 和c d m a 技术无法直接扩展到宽带情况，多载波 并行传输技术的抗衰落能力强、对窄带干扰和窄带噪声不敏感、带宽扩展灵活和支持可变用户速率 等一系列特点使其非常适合在宽带无线通信系统中应用，这就是以正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a l f 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 ) 为代表的多载波并行传输技术在沉寂数年之后于近期迅速发展普及 的原因睁1 ”。 总之，大容量、高性能和高灵活性的系统要求，意味着与3 g 系统相比，b 3 g 系统无论是在网 络结构、系统理论，还是在关键技术等方面都要有全面深入的更新和变革。宽带高速数据传输是b 3 g 系统的根本要求，以o f d m 为代表的多载波技术是满足该要求的必要条件，因此本论文的研究工作 以b 3 g 系统的关键技术o f d m 为背景，主要研究了新一代移动通信系统中移动终端速度估计技 术。 在介绍移动终端的速度估计技术之前，先对新一代移动通信系统o f d m 系统做一个简单的 概述。 东南大学硕士学位论文 1 2 新一代移动通信系统概述 本小节首先回顾了新一代移动通信系统o f d m 系统的发展与应用，在叙述了o f d m 系统的 特点后，对o f d m 信号的传输原理进行了介绍。 1 2 1o f d m 系统的发展与应用 多载波技术的使用可以追溯到上个世纪中期，那时，许多低速率信号，如电报信号，即是使用 不同的载波频率在同一个宽带信道中并行传输i l “。在传统的多载波系统中，数据频带被划分成多个 互不交迭的子带，数据在不同的子带上并行传输，接收端利用带通滤波器实现子带信号的分离。由 于具有陡峭截止频率的带通滤波器难以实现，子带之间通常要留有一定的保护频带，子带数目越多， 保护频带占整个信号带宽的比例越大，这种低频谱效率限制了传统多载波技术的发展，也促使人们 去寻求提高频谱利用率的高效多载波传输技术。 6 0 年代中期，rw c h a n g 提出了一种可以完全消除载波间干扰f i c l 。i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ) 和 符号间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e m r c 曲的正交信号多载波传输方案1 6 j ，b r s a l t z b e r g 随后对此方 案做了性能分析，得出“予载波之间的i c i 是多载波系统性能下降的主要原因”的结论，并以此结 论为依据对c h a n g 的方案予以肯定i l ”。c h a n g 的方案仅为o f d m 的雏形，多载波o f d m 技术真正 的普及和推广要归功于s b w e i n s t e i n 等人于1 9 7 1 年发表的题为 d a mt r a n s m i s s i o nb yf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g u s i n g t h e d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ”的文章1 1 0 。该文章提出利用离散傅立叶反变 换( i d f t , i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换( d f t , d i s c r e t elo u d e rt r a n s f o r m ) 变换 实现子载波发送端的信号并行传输( 合并) 和接收端的信号分离，并将此合并和分离过程做为调制 和解调的一部分，这样就可以用一个模拟前端来代替传统多载波系统中各子载波分别需要的多个模 拟前端，并且d f t 可用f f t 快速算法来实现，大大减小了系统复杂度。伴随着v l s i 技术的发展， o f d m 技术于8 0 年代初期迎来了它的第一个发展高峰1 1 4 , 1 5 1 。 近年来，随着高速数据传输需求的增大，o f d m 技术的应用日益广泛。由于它具有很强的抗频 率选择性衰落的能力，因此被采纳为欧洲d a b d v b 系统的标准1 1 6 , 1 7 1 ，在有线通信系统中，o f d m 技术被应用在v h d s l 和a d s l 系统中，并被冠名为离散多音频( d m t , d i s c r e t em u l t i t o n e ) 调制1 1 s l 。 移动w l a n 的标准i e e e 8 0 2 1 l a 、m m a c 和h i p e r l a n 2 也把o f d m 做为物理层的传输手段【1 9 , 2 0 1 。 由于o f d m 技术可以较好的解决高速无线移动通信中的多径干扰和宽带传输等问题，它已经成为 b 3 g 系统的候选方案“j 。 1 2 2o f d m 系统的特点 做为多载波并行传输技术之一，o f d m 除了具备多载波系统共有特点之外，还有其独特的优点： 1 ) o f d m 系统是一种分块传输系统，通过在每个数据块的前端插入c p ，该系统可以完全消 除i s l 和i c i ，因此其信道均衡可以由单抽头均衡器完成，与具有多抽头的单载波信道均衡 器相比，其复杂性大大降低，与传统的无c p 多载波系统只能部分地消除i s l 也有着本质 区别。 2 ) o f d m 系统各子载波完全正交，因此，虽然各子载波的频谱相互交叠，接收端仍可以将子 载波完全分离，从而完美重现发送信号。与利用带通滤波器实现子载波分离的传统多载波 系统相比，o f d m 系统具有更高的频谱利用率田1 。 3 )o f d m 系统的多载波调制与解调可以通过i d f t 和d f t 来实现，存在f f t 快速算法，使 o f d m 技术具有很强的可实现性。 4 )o f d m 系统具有很强的抗窄带干扰的能力，因为此类干扰只会对部分而不是全部子载波产 生影响。此外，由于无线信道的衰落存在随机性，所有的子载波同时处于深衰落的情况的 概率较小，因此可以采用自适应调制的方法，充分利用信噪比较高的子载波来传输高阶调 制的数据符号，而利用信噪比较低的子载波来传输低阶调制的数据符号，有效提高系统的 频谱效率。 2 第一章绪论 5 ) o f d m 系统易与其它多址技术相结合，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息 的传递。 上述特点使o f d m 技术成为宽带无线传输领域的研究热点，关于o f d m 系统的研究包括时频 同步 2 4 , 2 “、信道估计和信号检测”6 l ，降低峰均比1 2 7 7 ”、自适应编码调制州以及与m i m o 相结合的 m i m o - o f d m 技术p l i 等许多方面。 1 2 3o f d m 传输技术原理 1 2 3 1o f d m 基本原理 以既表示第t 个子载波上传输的经过p s k 或q a m 调制之后的信号，其符号持续时间为r 4 ， 信号的起始时刻为f j ，对于含有n c 个子载波的o f d m 系统，发送信号在一个符号持续时问r 内的 等效基带表达式为 u c 2 一l厂 - 、 x ( r ) = 唧+ c ，2 e x p lj 2 # t ( t 一) i ，r + 丁 ( 1 2 3 1 ) i 一, r e l 2 每个子载波上的传输信号在一个符号持续时间r 内都恰好经历整数倍的符号周期，而相邻子载 波中心频率的间隔均为l ，乃这就形成了子载波相互正交的事实，接收端可以利用此正交性，通过数 学方法而不是带通滤波器完成子载波的分离( 解调) 。以第m 个子载波为例，接收端只需对接收信 号在r 时间内做如下积分，即可得到第m 个子载波的解调结果 = + c ，2 t ( j 2 # k ( t 训卜m ： 子载波的相互正交性不仅使子载波完全分离的目标得以实现，还由于允许频谱交叠而极大的提 高了频谱效率，图l - l 为予载波数目为8 时，发送信号为矩形脉冲的o f d m 系统的子载波频谱分布 示意图。因为矩形脉冲的频谱呈s i n c 函数波形，带外谱衰减很慢，实际系统中，为了加快带外谱的 衰减，降低o f d m 系统对频偏的敏感性，还要通过各种各样的发送信号脉冲成型技术来改善o f d m 系统的子载波频谱结构阻目j 。 在数字通信系统中。式1 2 3 1 和式1 2 3 2 可分别由i d f t 和d f t 变换来实现。一个o f d m 符 号持续时间内的发送信号序列可表示为 砌，) _ 寿善m ) 唧( - ，2 石瓦n k - o ，l c - l ( 1 z 3 3 ) 其中因子l 瓦是为了变换前后信号总功率保持不变而添加的功率归一化因子上式的矢量表示为 i ( 玎) - f 。 。s ( 功 ( 1 2 3 4 ) 8 严格来讲，一个o f d m 符号持续时间l 应包括原信号的符号持续时间r 与c p 占用的时间岛，即瓦= r + - 此 处暂未考虑c p ，故令丁0 2 0 ，l = t 3 o 艄蛩一丁 丁仇 劢 ，_ _ 0 d ” ； 弘争。卜。寤z拦丁，鸭 ，l l d d ”h 嚣p ￥ 东南大学硕士学位论文 f f 为功率归一化的 t 点d f t 矩阵，【n 】。，。= ( 1 万) e x p ( - j 2 7 r m n ) ，( ) ”为矩阵或矢量的 共轭转置。i ( ”) 和0 ( ”) 均为含有c 个元素的矢量，”称为数据块索引，所谓数据块，是包含o f d m 在内的分块传输技术中信号的基本传输单位。 o f d m 系统带宽 图i - 1o f d m 系统的子载波频谱分布 1 2 3 2o f d m 数字基带信号模型 无线信道的多径效应使串行发送的信号互相影响，给信道均衡器的设计带来很大困难。离散信 道的冲击响应h ( 1 ；n ) 可以看作一个具有时变抽头系数的f i r 滤波器，= 0 ，l ，三。工为滤波器阶数， 也表示i s i 影响的符号数目。h ( 1 ；n ) 中的n 7 暗示了信道冲击响应的时变性。关于无线信道的特性在 论文第二章会有详细介绍，为了下文讨论o f d m 块传输结构方便，暂且假定信道为时不变的， 厅( ，：胛) = 而们 用矢量”) 表示发送信号中长度为的一段，x ( ，磅= b ( ，棚，加z m - 1 ) ，x ( n n + n - d 7 ， 厶 i s i 对接收信号的影响可以通过如下表达式反映 r ( 甩) = h o x ( 胛) + h 1 x ( n 一1 ) + i i ( 疗)( 1 2 3 5 ) 其中i i ( 疗) 是白高斯噪声矢量，h 0 和1 均为n n 矩阵，o 反应了当前段内信号的相互影响，h l 则反应了前一段内的信号对当前段内信号的影响，0 和h 1 可具体表示为 h o = ，h = 4 0 而( 上) ；0 0 。 o o 矗( 1 ) ： 矗( 三) 0 o ( 1 2 3 6 ) o o ；o o o 配 。邶 )、， 7哆o 第一章绪论 分块传输是o f d m 技术中消除i s i 的关键技术之一，目前正被许多无线传输系统所借鉴 3 4 , 3 5 1 。 事实上，o f d m 系统能够完全消除l s i 这一结论是针对式1 2 3 3 中的调制信号s ( d 来说的，对进入 信道之前的信号x ( n ) 来说，只要多径信道存在，i s i 就不可能消失，分块传输技术所做的只不过是 消除了信号x ( n ) 的“块间干扰”i b ! 首先，将发送信号序列x ( n ) 分为长度为 r c 的小段，第，l 段由x ( 功表示，i = x ( m v c ) ， x ( n n c + 1 ) , 。x ( n n c + n c - i ) 7 。由于i b i 的影响全部来自前一数据段x ( n - 1 ) 的最后上个符号，因此在分 段之后，从每段的尾部复制长度为工的一段 x ( n , v c + n c - l ) ，x ( n n c + n c - 1 ) r , 三l ，称为循环前 缀( c e c y c l e p r e f i x ) 或保护间隔。将c p 添加到面) 的前端，形成长度为n s = n c + e 的一段新的数据， 用- ( 疗) 表示。图1 2 所示为添加c p 过程的示意图，该过程用数学形式可以表达为i ( 疗) = 1 b x ( 力， 其中1 高皇li 三ci r ci 。，称为c p 添加矩阵，i 厶c 是单位阵i c 的最后三行。i ( 刀) 称为一个完 整的o f d m 数据块或符号块，简称o f d m 块。o f d m 系统的数据就是以这种块为单位传输的，故 称为分块传输。传输一个块所需要的时间称为一个o f d m 符号持续时问瓦，其中c p 时间为z k ，瓦 = r + z o ! l 三 i 一云- i - c 图1 - 2 添加c p 过程的示意图 数据块- ( 玎) 前后相继，串行经过多径信道到达接收端，接收端对接收数据也是以长度为s 的 块为单位进行处理。在去掉块前端的冗余c p 之后，块内剩余数据的i s i 均来自幻o 内部，与x ( - - o 再无关系，从而消除了i b i ，该过程的数学表达式为 y ( 帕= r c p ( i t o - ( 力+ h 1 i ( n 一1 ) ) + ：i i ( 刀) = r 。h 0 1 矗i ( 以) + r c p h lt e x ( n - 1 ) + i i ( n ) 、。- 、，。一 - ”( 1 2 3 7 ) = r 口h 0 1 品i ( 功+ - ( 哟 = b x ( n ) + i i ( 玎) 气b 类哆，r c p 称c p 删除矩阵，r 。皇l o c 。ri c j ，h 为一n c x n c 循环矩阵， 【h i 。月= 1 l ( ( 册一n ) m o d n c ) i t = 5 ( 1 2 3 8 ) ) 9川；一邶 ； ； ； ； 。：； ；邶；o o； 、， ) 77o 东南大学硕士学位论文 显然，添加保护问隔是消除j b i 的必要条件，但保护间隔的形式则未必要限制为c p ，以全0 序 列做为保护间隔，一样可以消除i b i i ”i 。添加c p 的目的是根据o f d m 系统d f t 调制的特点，利用 循环矩阵的一个性质使o f d m 系统的信道均衡进一步简化，该性质表述如下： 缰叠筮堕堕塑鱼丝：对循环矩阵由分别前乘和后乘矩阵f c 及其共轭转置畦，将得到一对角 矩阵。其对角元素为离散信道冲击响应的n c 点d f t 变换。该性质的表达式为 f c 豆畦= d c ( g ) ( 1 2 3 9 ) 其中g 又称为子载波增益矢量，它的第t 个元素对应o f d m 系统第1 个子载波的信道增益 【g 】t = 扣) e x p ( 咖寿 若以h 表示离散信道冲击响应矢量，h = 陋( o ) ， ( 1 ) ，h ) 】7 ，则h 与g 有如下关系 g = w 急h w l 为 r c 点d f t 矩阵的前( 工+ 1 ) 行组成的子矩阵。 ( 1 2 3 1 1 ) 将1 2 3 4 和式1 2 3 9 代入式1 2 3 7 ，稍加整理，即得到o f d m 系统在d f t 变换之后的接收数 据矢量r ( ，1 ) ， “功2f c y ( 厅) 2 d 心( g ) s + f c - ( 胛) = d c ( g ) s ( 功+ 呱以) 其中q 是经过变换后的噪声矢量，由于f n c 是功率归一化的满秩矩阵，因此q o ) 中元素的统计特 性与i i ( 肝) 的完全相同，相互独立并且呈均值为0 方差为蠢的高斯分布。 式1 2 3 1 2 给出了o f d m 系统的信号传输原理，文字描述为：o f d m 无线通信系统可以等效为 r c 个并行的、具有不同增益的相互独立的高斯信道。显然在o f d m 系统中，发送信号s ( 0 之间的i s i 已经完全消除。如未加特别说明，后文提到的o f d m 符号块均指调制信号矢量0 国) 。图1 3 与图1 4 分别给出了o f d m 系统的数字基带系统框图及其等效形式。 图1 - 3o f d m 数字基带系统框图 6 第一章绪论 g ( o 哪玎( o 町 li s ( o ，帕 - o - o ，帕 g ( n c - l j , 一r 。 jl s ( n c - i ，帕_ 圆_ o - - - - - - - * r ( n c - i ，帕 图1 - 4o f d m 系统等效的并行高斯信道示意图 需要指出，如果在一个o f d m 符号持续时间瓦内信道矢量h 发生了变化，h 与g 便不再有式 1 2 3 1 1 所示的关系，这将导致子载波的正交性被破坏，式1 2 3 1 2 也不再成立。因此，多数文献在 分析o f d m 系统的性能之前，都要给出“在一个o f d m 符号持续时间内信道保持不变”的假设， 事实上，在宽带无线o f d m 通信系统中，只要恰当的选取子载波数目、保护间隔长度等参数，这种 假设总是成立的，这是由时频选择性衰落信道的特性决定的。 1 3 移动终端速度估计技术简介 移动终端速度估计就是获知移动终端移动速度的方法和过程，实时、准确的速度估计对于优化 移动通信系统的性能至关重要。本小节将详细介绍移动终端速度估计技术的应用与发展现状。 1 3 1 移动终端速度估计技术的应用 在移动通信系统中，移动终端的速度是一个非常重要的参数，通过它，能从底层的物理层到高 层的协议层来全面优化系统的性能。 移动终端估计的速度是实现多层蜂窝结构( h c s ，h i e r a r c h i c a lc e l ls t r u c t u r e ) 的必要信息，用于蜂 窝层的分配策略与无线资源管理p ”9 1 。在现代移动通信系统中，为了提供更高的数据数率、更好的 覆盖和更强的业务支撑能力，为了提高系统的容量，提出了多层蜂窝结构。所谓多层蜂窝结构就是 在服务区内由若干层不同大小的蜂窝实现重叠覆盖，并根据用户的移动速度分配不同的服务层，提 供不同的服务，高速移动的用户由上层宏小区覆盖，提供必要的服务，低速或固定用户由下层微小 区覆盖，提供全面的服务。根据多层蜂窝结构的定义，其系统的综合性能完全依赖于移动终端的速 度估计。 移动终端的速度估计也可应用于切换，得到速度自适应的切换算法 4 0 4 3 。在蜂窝移动通信网络 中，如果快速移动终端的切换请求不能得到较快的处理，那么将会发生过多的掉话。基于快速跟踪 的硬切换算法，可以部分解决这一问题。在此方法中，短时平均窗被用来探测大且突发的信号强度 衰落。跟踪窗的长短与移动终端的速度有关。此外，平均固定时间间隔使得硬切换性能对速度变化 很敏感，且在某一特定的速度可获得最佳性能。针对这个问题，提出了速度自适应切换算法这一 算法在恶劣的传播环境中，也能表现出很好的鲁棒性，比如在市区微蜂窝系统中就是这样。 移动终端速度估计更能用于无线接收器的最优化1 4 “”。在移动通信系统中，传播的信号需要经过 衰落信道，衰落信道变化的快慢取决于移动终端的速度，移动终端速度越高，信道变化越快。这就 可以根据移动终端的速度信息动态地调节系统参数，获得最优的接收性能。例如作为接收机关键技 术的信道估计，可以根据移动终端的速度信息得到最大多普勒频移，然后从最小均方误差( m m s e ) 的准则出发，利用维纳滤波的原理来优化估计器的性能。其它的与移动终端速度相关的自适应参数 还包括交织深度、调制参数、信道跟踪参数、均衡参数、导频滤波器的带宽、自动增益控制环路的 带宽以及功率控制参数等。 7 东南大学硕上学位论文 1 3 2 移动终端速度估计技术的发展 移动通信系统中，移动终端速度估计技术主要有三大类：附加设备辅助估计、蜂窝网络辅助估 计和移动终端直接估计，下面分别介绍这三大类估计技术。 第一大类是附加设备辅助的速度估计。其中一种实现就是全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 法，通过使用几个g p s 卫星的信号来精确地测量移动终端的位置与速度”w 。当与g p s 卫 星通信正常，g p s 接收机能在任何地方以米级的精确度确定位置。通过计算确定时间间隔内g p s 接 收机位置的变化，就能得到相应的接收机速度。带有g p s 芯片的移动终端能实时、准确地获得其位 置、速度信息。然而附加的g p s 芯片以及处理g p s 信号的能耗是不期望的。除此之外，在密集的市 区道路上，由于周围高楼的阻挡，接收g p s 信号会十分困难，有应用死角。 微传感技术也能用于移动终端的速度估计。在单片微电子机械系统( m e m s ，m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) i ? 实现的惯性传感器和加速计能获得非常精确的速度测量值”。但是与g p s 法 一样，它需要一个附加芯片。 另一大类实现方法是基于蜂窝网络的速度估计。本类方法主要利用移动终端在蜂窝中的逗留时 间来估计速度，一般认为蜂窝逗留时间与速度大致成反比关系。y e u n g 和n a n d a 基于移动终端在长 时间间隔中通过的蜂窝数量来估计速度，并用此速度来进行多层蜂窝结构的择层i ，j j 。s u n g 和w o n g 利用呼叫建立到第一次切换的时间来获得速度p 。c h u n g 和l e e 则利用两个蜂窝重复覆盖区域组成 的广义蜂窝，优化了基于蜂窝逗留时间的实现p 7 1 。此类基于蜂窝逗留时间的速度估计方法实现简单， 但是很不精确，并且需要很长的估计时间。因此这种技术只适合估计长时间的平均速度，而不适合 短时间周期的速度估计。 基于蜂窝网络的速度估计还有利用蜂窝网络定位技术的方法。w a r m 和c h e r t 提出了利用蜂窝网 络定位技术确定移动终端位置，然后用k a l m a n 滤波器来对位置信息序列进行处理，从而得到了速度 及位置的精确估计m 。而利用线性回归算法处理位置信息得到速度的方法，也由h e l l e b r a n d t 等提出 p 羽。 最后一大类的移动终端直接估计方法是发展最丰富、应用最广泛的一类，也是本论文研究的重 点，此类方法依赖于移动终端接收信号的快衰落特性。在一个有很多反射障碍物的环境中，移动终 端的接收信号是衰落的p 3 1 。信号在宏蜂窝条件下呈瑞利衰落，在微蜂窝条件下为莱斯衰落。衰落特 性又表现为无线信道的多普勒频移特征p ”。关于移动终端使用接收信号的快衰落特性来估计速度或 最大多普勒频移的研究非常多，下面分别进行介绍。 首先，接收信号的包络过级率( l c i ll e v e lc r o s s i n gr a t e ) 和同相、正交分量特性的过零率 ( z c r , z 日o c r o s s i n g r a t e ) 可以用来测量速度1 4 2 , 4 3 , 5 5 s 6 1 ；同样，基于接收信号相关特性的自相关函数法 ( a c f , a u t oc o r r e l a t i o nf u n c t i o n # 5 ”9 】和协方差近似法( c o mc o v a r i a n c e ) 1 4 3 州1 1 也是经典的速度估计方 法。 另外还有，h e l l e b r a n d t 提出的利用接收信号特征空间的方法1 4 9 、z h a o 提出的衰落持续期的方法 啤j 和n a r a s i m h a n 提出的基于谱估计的速度估计方法【6 3 j 等。 一些数字信号处理方法也在速度估计中得到了应用。在文献中，葡q a r a s i m h a n 提出的基于小波 分析的速度估；f t 1 6 36 4 1 ；有b e l l o 提出的的多向量测试法1 6 ；有a b d i 等提出的基于高阶统计量的方法1 6 6 ) ； 还有a z e m i 等提出的利用时频分析的方法1 0 7 j ；而最近才由a z e m i 等提出的