（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信中的信道预测研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着宽带无线通信的发展和人们对移动通信的需求，极大促进了人们对通信 系统的研究。s c f d e 和o f d m 都是基于循环前缀( c p ) 的分块传输技术，具有 相同的抗多径传输的能力、基本相同的系统复杂度和频谱效率，被认为是未来移 动通信中的两种主要支撑技术。在移动通信的过程中，恶劣的无线信道环境会导 致系统性能的降低，而自适应传输技术可以根据时变信道的特性随时调整传输系 统的调制方式，发射功率，编码方式等，能够大大提高系统性能。 在宽带无线通信系统中使用自适应传输技术，需要预先知道信道变化信息。 信道预测可以在快变信道环境中预测得到比较准确的c s i ，为采用自适应传输技 术提供可靠的数据。 本文首先对时变信道进行介绍。其中包括时变信道主要特征的描述及多径信 道的频率选择特性和衰落特性。然后，以大家熟悉的o f d m 系统为参照介绍了 s c f d e 系统，并简要介绍最优信号子空间理论，自适应传输技术对无线通信系 统的意义和作用以及一些现有信道状态利用的方法。并仿真分析在时变信道中自 适应o f d m 和s c f d e 的性能。最后，介绍本文的重点信道预测。文中总结 了现有的几种信道预测方法，并主要讨论了m m s e 自适应信道预测方法。然后分 析信道长期预测的意义：长期预测可以比较准确的预测信道长期变化信息，为传 输系统利用自适应传输技术提供了所需的数据。本文介绍了目前流行的长期预测 算法思想，并以此为基础，提出一种新的信道长期预测算法，该算法是基于短期 预测方法并对预测结果进行修正，能够达到较好的长期预测效果，而不会增加系 统负担。仿真结果表明，本文提出的算法在预测效果上与前人的方法性能相当， 但是，本算法不需要在采样点上发送训练帧或者导频，大大提高数据传输效率。 在本章节最后，分析了结合长期预测的自适应b i t - l o a d i n g 算法，该算法利用信道 预测得到的未来信道的信道状态信息，提前对调制方式做出适应性调整，使均衡 后信噪比尽量控制在要求的范围内，进而使系统误码性能满足要求，减少重选信 道次数，并使系统达到较好的性能。仿真结果表明，该算法可以大大改善系统的 山东大学硕士学位论文 性能。 关键词：正交频分复用( o f d m ) 、单载波频域均衡( s c f d e ) 、信道状态信 息( c s i ) 、时变信道、信道预测。 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dh u m a n - b e i n g s r e q u i r e m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ng r e a t l yp r o m o t e st h er e s e a r c ho f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n g l ec a r r i e rw i t hf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( s c - f d e ) a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) a r eb o t hb l o c k w i s e t r a n s m i s s i o ns c h e m e sb a s e do nc y c l i cp r e f i x ( c p ) ，w h i c hb o t hh a v ei m m u n i t yt o m u l t i - p a t hf a d i n ga n da l m o s tt h es a m es y s t e mc o m p l e x i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c y t h e ya r er e g a r d e da st w om a i ns u p p o r t i v et e c h n i q u e so fp h y s i c a ll a y e ro fw i d e b a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i nt h ep r o c e s so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , b a dw i r e l e s s c h a n n e le n v i r o n m e n tc a nr e d u c et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，h o w e v e r , a d a p t i v e t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ec a nm o m e n t a r i l ya d j u s tt h em o d u l a t i o n , t r a n s m i s s i o np o w e r a n dc o d i n gm e t h o d , a n dt h el i k e ，o ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et i m e - v a r y i n gc h a n n e l ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v e ss y s t e m t h ea p p l i c a t i o nt h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei nw i d e b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mn e e d st h ei n f o r m a t i o no fc h a n n e lc h a n g e si na d v a n c e c h a n n e l p r e d i c t i o nc a np r e d i c tc o m p a r a t i v e l ya c c u r a t ec s i i nf a s t - f a d i n gc h a n n e le n v i r o n m e n t t op r o v i d er e l i a b l ed a t af o ra p p l y i n gt h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ew h i c hd o e s n o to n l yn e e dt h ec h a n n e lv a r i a t i o ni ns h o r tt e r mi na d v a n c e , b u tg e t si m p o r t a n t i n f o r m a t i o nf r o mt h ec h a n n e lv a r i a t i o ni nl o n gt e r m t h ef i r s t p a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e st i m e - v a r y i n gc h a n n e l ，i n c l u d i n g t h e d e s c r i p t i o no ft h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et i m e v a r y i n gc h a n n e la n dt h ef r e q u e n c y s e l e c t i v i t ya n dt h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p a t hc h a n n e l t h e nw e i n t r o d u c et h e s c f d es y s t e mr e f e r r i n gt ot h ew e l l - k n o w no f d ms y s t e ma n db r i e f l yi n t r o d u c et h e c o n c e p to fo p t i m a ls i g n a ls u b s p a c e ，t h em e a n i n g a n df u n c t i o no fa d a p t i v et r a n s m i s s i o n t e c h n i q u ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n ds o m eu s i n gm e t h o d so fc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，a n ds i m u l a t e sa n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fa d a p t i v eo f d ma n d i i i 山东大学硕士学位论文 s c f d ei nt h et i m e v a r y i n gc h a n n e l f i n a l l yw ei n t r o d u c et h em a i np a r to ft h e p a p e r - c h a n n e lp r e d i c t i o n t h ep a p e rs u m m a r i z e ss o m ep r e s e n tc h a n n e lp r e d i c t i o n m e t h o d s ，m a i n l yd i s c u s s e sm m s ea d a p t i v ec h a n n e lp r e d i c t i o nm e t h o da n dt h e n a n a l y z e st h em e a n i n go fc h a n n e ll o n g - t e r mp r e d i c t i o n ：l o n g - t e r mp r e d i c t i o nc a n c o m p a r a t i v e l yp r e d i c tt h ec h a n n e ll o n g t e r mv a r y i n gi n f o r m a t i o n , t h u sp r o v i d i n gt h e n e e d e dd a t ao ft h ea p p l i c a t i o no ft h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei nt r a n s m i s s i o n s y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m ep o p u l a ri d e a so fl o n g - t e r mp r e d i c t i n ga l g o r i t h m ， b a s e do nw h i c han e wc h a n n e ll o n g - t e r mp r e d i c t i n ga l g o r i t h mi s p r o p o s e d t h e a l g o r i t h mi sb a s e do ns h o r t t e r mp r e d i c t i n gm e t h o da n da m e n d st h ep r e d i c t e dr e s u l t ， t h u sa c h i e v i n gab e t t e rl o n g - t e r mp r e d i c t i o ne f f e c tr a t h e rt h a ni n c r e a s i n gs y s t e mb 1 1 r d e n t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r e d i c t i n ge f f e c to ft h ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h e p a p e ri se q u a lt op r e v i o u sm e t h o d s ，h o w e v e r , t h ea l g o r i t h mn e e d sn o tt os e n dt r a i n i n g f r a m eo rp i l o to ns a m p l i n gp o i n t s ，t h u sg r e a t l yi m p r o v e sd a t at r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y t h el a s tp a r ta n a l y z e st h ea d a p t i v eb i t l o a d i n ga l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hl o n g - t e r m p r e d i c t i o n ，w h i c hu s e st h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no ft h ef u r t h e rc h a n n e lg o ti n c h a n n e lp r e d i c t i o nt oa d a p t i v e l ya d j u s tm o d u l a t i o ni na d v a n c ei no r d e rt oc o n t r o lt h e e q u a l i z e ds i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) i nt h en e e d e dr a n g e ，w h i c hc a nr e d u c ec h a n n e l r e s e l e c t e dt i m e sa n df e e d b a c kt i m e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i sa l g o r i t h mc a n i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ei nl o wc o m p l e x i t y k e y w o r d s ：o r t h o g o n a lf 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 ( o f d m ) ；s i n g l e c a r r i e rw i t hf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( s c f d e ) ；c h a n n e ls t a r ei n f o r m a t i o n ( c s i ) ；t i m ev a r y i n gc h a n n e l ；c h a n n e lp r e d i c t i o n ； i v 山东大学硕士学位论文 符号说明 环卷积 ：性卷积 g n 噪声的时域形式 g n 噪声的频域形式 。差 ：阵的转置 矩阵的共轭转置 信道时域冲激响应 信道传输函数，信道状态信息 时间延迟 信道多径扩展 信道相干带宽 信道多普勒扩展 信道相干时间 载波频率 多普勒频移 最大多普勒频移 时域基向量 傅立叶基向量 单位矩阵 d f t 变换矩阵 d f t 逆变换矩阵 v ： r 圩 ， 1 o 。 y 矿 0 o 日 f 乙 论 岛 恤 z 厶 厶 口 厂 j f r 山东大学硕士学位论文 v l s n r p 。, s n r 恻 s c f d e 系统接收端均衡前信噪比 s c f d e 系统接收端均衡后信噪比 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：笠壁望 日论文作者签名： 蒸e 丝 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：杠导师签名：缎j 日期：q 蚶 山东大学硕士学位论文 绪论 1 无线通信技术概论 无线通信近些年来得到飞速的发展，随着i n t e m e t 技术的进展，人们对无线接 入的需求在不断增加，刺激着当前无线通信向宽带高速方向发展。目前，蜂窝移动 通信网和无线局域m ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) f l 邑够提供一定的无线数 据接入业务。移动通信技术已经历了三个主要发展阶段。第一代起源于2 0 世纪8 0 年代，主要采用模拟和频分多址( f d m a ) 技术，其主要缺点是频谱利用率较低。第二 代( 2 g ) 起源于9 0 年代初期并取得巨大成功，主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址 ( c d m a ) 技术，主要向用户提供数字话音业务，但是数据传输速率非常低，而且不 同的网络之间也不能实现资源共享。第三代( 3 g ) 移动通信主要以c d m a 为主要 技术，包括北美的c m d a 2 0 0 0 系统、欧洲和日本的w c d m a 系统以及中国的 t d s c d m a 系统。其主要特征是：支持多媒体业务，在室内、室外和行车的环境中 能够分别支持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度，能够在全球范围内 更好地实现无缝漫游等。然而，随着数据通信和多媒体业务的需求，数据传输速率 的要求会进一步提高，3 g 中采用的c d m a 技术已经无法满足需要，因此，第四代 移动通信系统( 4 g ) 的研究随之应运而生。4 g 的定义到目前为止依然有待明确，它的 技术参数、国际标准、网络结构、乃至业务内容均未有明确说法。 4 g 通信的关键技术： 1 正交频分复用( o f d m ) ：o f d m 是一种多载波传输技术，它将高速数据流变 换为多个速率较低的并行数据流，并用相互正交的载波传输这些并行数据，很好的 克服了无线传输过程中由于多径传播引起的符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e , i s i ) 。同时又提高了频谱利用率。o f d m 技术由于具备上述特点，是对高速数据传 输的一种解决方案，是4 g 系统关键的支撑技术。 2 单载波频域均衡s c f d e 同o f d m 一样采用分块传输，也利用循环前缀和 频域均衡。与o f d m 不同的是，信号在s c f d e 系统发射端完成符号映射之后不经 过i d f t ，直接送入信道进行传输。在接收端，信号被接收下来后，变换到频域，就 山东大学硕士学位论文 可以利用单抽头均衡器进行频域均衡，因此这一单载波系统被称之为单载波频域均 衡( s c f d e ) 系统，它跟o f d m 有相同的复杂度、频谱效率和抗干扰性能，但系统 性能有所区别。s c f d e 具有o f d m 不具备的优点，因此也成为4 g 研究的热点。 3 智能天线( s a ) ：智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生 空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) ，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信 号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信 号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户 信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增 加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。智 能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延扩展、支 持高数据速率、抑制干扰、改善系统性能、增加系统容量、提高频谱效率等等， 被认为是未来移动通信的关键技术。 4 多输入多输出天线m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系统：2 0 世纪9 0 年 代a t & tb e l l 实验室的研究，对无线移动通信m i m o 技术的发展产生了巨大的推动。 1 9 9 5 年t e l a t e r 和1 9 9 8 年f o s e h i n i 关于m i m o 信道容量的理论分析，奠定了m i m o 无线通信的信息论理论基础。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了可以利用m i m o 信道容量的 b l a s t 技术。该系统通过使用空间复用技术可以提高系统的数据传输速率，而利用 空间分集技术可以提高系统的性能。对于频率选择性衰落信道，m i m o 系统并没有 很好的解决办法，目前解决m i m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡 技术，还有一种是利用o f d m ，也就是m i m 0 + o f d m ，可以提供更高的数据传输 速率。 2 问题陈述 在移动通信中，反射、绕射和散射普遍存在于各种环境，不可避免存在多径传 播；发射端与接收端的相对移动，又不可避免的产生多普勒扩展。由于宽带无线信 道中的多径扩展和多普勒扩展，使宽带无线信道呈现出频率选择性和时变特性，从 而使无线传播环境变得复杂。 移动通信中，恶劣的无线传播环境导致传输信号失真。为了降低系统的误码率， 2 山东大学硕学位论文 通常利用估计得到的信道信息均衡接收到的信号。但是对于快变信道，利用传统的 基于判决反馈的信道估计方法得到的信道状态信息是过时的信息，不能反映当前的 信道状况。如果在传输系统采用自适应传输技术，比如自适应功率控铝t ( p o w e r c o n t r 0 1 ) 、自适应调制，混合自动请求重传、自适应编码技术等，那么我们需要及时 准确地得到信道的变化趋势：信道总体增益的变化、每个子信道上状态信息的变化 趋势，从而进行白适应传输。这就要求利用信道预测来得到未来信道较为准确的状 态信息。 信道预测是指根据信道当前和过去的历史数据预测未来的信道状态信息 ( c s i ) 。信道预测分长期预测和短期预测两种。本文中短期预测指利用当前和先前 相邻几帧的信道增益准确预测下一帧的信道增益，由于预测效果较好，故主要用于 均衡，提高系统性能。长期预测指预测信道间隔较长一段时间后的信道增益的变化 情况，通过长期预测可以明确信道是在变好还是变坏，这种变化信息可为多种自适 应算法提供参考。信道长期预测的意义即在于：无论信道变化快还是慢，信道长期 预测可以根据先前间隔相同帧数的信道增益预测出将来间隔同样帧数的信道增益， 进行自适应处理，而利用信道估计方法却无法得到未来的信道状态信息 信道长期预测相对于短期预测，预测精度一般较差，对一些应用产生不利影响。 现有的短期预测方法也可用于进行信道长期预测，但会存在诸多问题。比如：信道 状态信息不够准确，趋势变化滞后等等。目前长期预测算法思想主要是：以至少大 于多普勒频移两倍，远小于数据率的采样率进行采样 1 3 。在采样点上传输导频或 者训练帧以获得准确的信道信息。然后利用短期预测方法( 比如m m s e ，r l s 方法) 进行预测，来实现长期预测的目的。由于导频或者训练帧可以获得比较准确的信道 状态信息，因此，这种方法也可以得到比较好的长期预测效果，但是需要在采样点 上发送训练帧。本文以现有的信道短期精确预测为基础，提出一种长期信道精确预 测的方法：以短期预测算法为基础，对预测值进行斜率修正，对通过对短期预测的 结果进行修正，以达到修正长期预测结果的目的，从而显著提高长期预测的精度， 同时不需要发送训练帧，大大提高数据传输效率。同时，把长期预测和自适应算法 相结合，利用信道预测得到的未来信道的信道状态信息，提前对调制方式做出适应 性调整，使均衡后信噪比尽量控制在要求的范围内，进而使系统误码性能满足要求， 山东大学硕士学位论文 减少重选信道次数，并使系统达到较好的性能。 3 论文安排 本论文第一章将主要介绍介绍多径衰落信道的主要特征。 第二章主要介绍目前宽带无线通信中的两种基于c p 的分块传输技术o f d m 和 s c f d e ，主要分析s c f d e 系统的特点，简要介绍最优信号子空间系统和现有信道 状态信息的利用方法，然后介绍时变环境下的自适应o f d m 和s c f d e 系统，并简 单分析两种系统的性能。 第三章是本文的重点，也是本文的创新点本章主要介绍时变信道短期和长期预 测算法。首先介绍几种短期预测方法，然后介绍长期预测的基本思想，介绍作者提 出的基于斜率修正的长期预测算法，并讨论斜率修正长期预测对预测精度的改善情 况并分析与目前流行长期预测算法相比的优缺点，最后，结合长期预测和自适应算 法，分析系统的性能的改善。 第四章对论文进行总结，提出下步的工作方向。 4 山东大学硕士学位论文 第一章宽带无线信道介绍 在移动通信中，反射、绕射和散射普遍存在，不可避免存在多径传播；而接收 端和发射端的相对移动造成了多普勒扩展。由于宽带无线信道中的多径扩展和多普 勒扩展，使宽带无线信道呈现出频率选择特性和时变特性，从而使无线传播环境变 得复杂。这一章将重点讨论时变多径信道的特征【4 】。 1 i 时变多径信道对无线通信的影响 在我们的日常生活环境中，无线通信是必不可少的通信手段。随着通信技术的日 臻完善，人们对通信质量的要求也越来越高。但是，由于无线信道中各种反射物的 存在，比如城市中的建筑，山间的高峰等等，导致信号在幅度、相位以及时间上产 生变化。这些因素使信号到达接收机时，在时间、空间上形成互相分开的多个信号 分量，造成多径扩展，形成多径传播效应。这些多径成分具有随机分布的幅度、相 位和入射角度，它们在接收端被接收机接收叠加合并，从而使接收信号产生失真。 与此同时，由于发射端与接收端的相对运动，比如当我们乘坐汽车等交通工具时， 就会造成多普勒扩展，空间的瞬时变化转换为信号的瞬时变化，这就导致无线信道 的时变现象。在空间不同的多径分量的影响下，高速运动的接收机可以在很短时间 内经过若干次衰落，接收机甚至可能在一段时间内停留在某个衰落很大的位置上。 由此可见，无线信道很多情况下都是多径的，时变的，致使通信质量变差，也 使无线通信环境变得复杂。为了提高通信质量，我们有必要了解宽带无线通信信道 的基本特征。 1 2 时变多径信道的主要特征 根据j o l l i lgp r o m d s 的定义 5 】，将要讨论的无线传播环境称为多径衰落信道， 或时变多径信道。下面分别简要介绍多径和衰落的具体含义 5 】。 山东大学硕士学位论文 1 2 1 多径信道的特征 多径强度分布( 信道多径扩展) 信道等效低通冲激响应c ( r ；t ) ，假设c ( f ；f ) 是广义平稳的复随机过程，其自相关 函数为 统( r i ，吃；f ) = 去研c ( r l ；t ) c ( 乞；f + ) 】 ( o 1 ) 二 多数情况下信道是非相关散射的，即路径延时为和路径延时厶时的信道衰落 和相移是不相关的，这时上面的自相关函数可以写为： 1 去可c ( ；d c ( 乃；f + f ) 】= 疙( ；垃) 艿( 一乞)( o 2 ) 令a t = 0 时，吮( f ；o ) 兰晚( _ r ) 称统( f ) 为多径强度分布或延时功率谱，而称统( f ) 基本非零的f 的范围为信道多 径扩展，记作瓦。 频率间隔相关函数( 信道相干带宽) 对等效低通冲激响应c ( f ；f ) 作傅立叶变换得到时变转移函数： c ( 加) = 广, - j z f 7 d r ( 0 c ( r ；t ) e - j 2 d r 3 ) c ( 厂；f ) = i 7 ( 3 ) 当信道为非相关散射时其自相关函数为 丸( z ，a ；a t ) 三龙( v ；& ) 非相关散射的假设意味着c ( ；f ) 的频域自相关函数仅仅是频率差厂= 正一石 的函数，因此将其称为信道的频率间隔、时间间隔相关函数。令a t = 0 时，得到频 率间隔相关函数龙( 。 同时，对多径强度分布函数疙( f ) 作傅立叶变换，也得到频率间隔相关函数 龙( 鲈) = 统p ) e - j 2 # r d f ( o 4 ) 九( a f ) 是以频率为变量的自相关函数，提供了信道频率相关性的一种度量。由 傅立叶变换的关系，信道相关带宽是多径扩展的倒数，即 6 山东大学硕士学位论文 ( a f ) 。 ( o 5 ) 埘 信道相干带宽可以解释为，当两个频率间隔大于( 鲈) 。的正弦波通过信道时，两 个正弦波受到的信道的影响不同。 多普勒功率谱( 信道多普勒扩展) 定义龙( y ；垃) 对变量& 的傅立叶变换为函数& ( ；允) ，即 是( 鲈；名) = 龙( 鲈；& 弘川础d f ( o 6 ) 令鲈为零，由& ( o ；五) 量& ( 五) ，上式变为 s a z ) = 龙( & 矿口础d f ( o 7 ) 称函数& ( 五) 为多普勒功率谱，它表示了信号强度与多普勒频率a 之间的关系。 而品( 五) 基本非零的见值的范围叫做信道的多普勒扩展饬。 时间间隔相关函数( 信道相干时间) 谚c ( a f ；a t ) 中令a f = 0 时得到时间间隔相关函数龙( & ) ，由龙( 出) 和& ( 五) 的傅 立叶变换关系，多普勒扩展易的倒数为信道相干时间的度量，即 ( & ) 。万1 ( 0 8 ) 由上述定义，给出多径衰落信道的解释。设待传输信号的等效低通表示为s t ( t ) ， 其频谱为s ( 厂) ，信道等效低通冲激响为c ( r ；t ) ，信道时变转移函数c ( f ；t ) 。 应当不考虑加性噪声的影响时，接收信号的等效低通表示为： 巧( f ) 2e c ( r ；t ) s , ( t r ) d r( o 9 ) 或者 ( f ) = c ( 厂；f ) 墨( 厂) 2 即矽 ( o 1 0 ) 由上式可以看出，时变转移函数使信号产生失真。时变转移函数是频域变量厂和 时域变量t 的二元函数，仅考虑频域变量变化时时变转移函数对信号失真的影响， 如果信号置带宽大于信道的相关带宽( 鲈) 。，则s t ( f ) 在其带宽范围内受到不同 的增益和相移，这种情况下对于信号s t ( f ) ，信道叫做频率选择性信道。仅考虑时 域变量时，时变转移函数使接收信号的强度发生变化，这种情况下信道称为衰落信 7 山东大学硕士学位论文 道。 1 2 2 移动信道的分类 当携带信息的信号通过信道传输时，如果( 钔。比发送信号的带宽小，那么该信 道称为频率选择性信道。这种情况下，信道使信号严重失真。如果( v ) 。比发送信号 的带宽大，那么该信道称为频率非选择性信道。 1 如果选择发送符号间隔t 满足条件7 已，意味着信号的带宽矿“了1 ，即信 m 号带宽远小于信道带宽，因此该信道是频率非选择性的，也就是说所有频率分量在 通过信道传输时经受相同的衰减和相移。这种情况下，多径分量是不可辨的。相反， 信号的带宽w i 1 ，信道则变为频率选择性信道，此时信号中的多径分量是可分 1 朋 辨的。 同样，如果信号传输间隔t 满足条件t ( a t ) 。，则信道为慢衰落信道。因为t 小于信道的相干时间，所有信道衰减和相移至少在一个信号传输间隔内基本不变。 反之为快衰落信道。 应当强调，频率选择性和衰落被视为两种不同的失真。前者取决于多径扩展， 大体由相干带宽表征；后者取决于信道的时间变化，大体上由相干时间表征。 3 山东大学硕士学位论文 1 3 时变多径信道中两种典型信道的基本特征仿真【4 l 文中仿真采用的信道模型是i m t 2 0 0 0v e h i c u l a rt e s te n v i r o n m e n tc h a n n e la 6 】和 c o s t 2 0 7t y p i c a lu r b a nm o d e l ，首先给出所采用的信道模型的几个样本【4 】。 多径和频率选择性： 越 】馨 径数 频率选择性 05 01 0 01 5 0 2 0 0 2 5 0 子载波 图1 1 随机选取一个信道样本，其时域冲激响应和频域传输函数 时变和衰落： 2 5 2 蛰s 1 0 5 o 衰落 o5 01 0 01 2 0 02 5 0 子载波 图1 2 不同时刻抽取的信道，其时域冲激响应和传输函数的比较 从图中可以看出，信道在不同时刻多径的数目和位置都发生了变化，相应的增 益也有明显的差异，这种差异在频域传输函数上表现的更明显。 i m t 2 0 0 0v e h i c u l a rt e s te n v i r o n m e n tc h a n n e la 【6 和c o s t 2 0 7t y p i c a lu r b a nm o d e l 9 山东大学硕士学位论文 总体信道增益： 图1 3i m t 2 0 0 0v e h i c u l a rt e s te n v i r o n m e n tc h a n n e la 载波频率2 g ，采样率为 1 0 m ，多普勒频移为1 0 0 h z 。 图1 4c o s t 2 0 7t y p i c a lu r b a nm o d e l 载波频率2 g ，采样率为1 0 m ，多普勒频移 为1 0 0 h z 。 由图1 3 和1 4 可以看出，i m t 2 0 0 0v e h i c u l a rt e ae n v i r o n m e n tc h a n n e la 和 c o s t 2 0 7t y p i c a lu r b a nm o d a l 这两种信道，其总体增益变化很快，即使相邻两帧信 道的总体增益差别也比较明显。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章分块传输系统及其信道状态利用方法概述 2 1 从o f d m 系统结构看s c f d e 2 2 1 系统框架 作为两种倍受关注的宽带无线通信传输技术，o f d m 和s c f d e 被多种标准建 议为物理层传输技术。o f d m 作为频谱效率极高的一种多载波传输技术，经过多年 的研究已经相对成熟，已被i e e e 8 0 2 1 l a 、h i p e r l a n 2 、i e e e 8 0 2 1 6 等标准建议为 物理层传输技术。s c f d e 是人们在研究o f d m 的基础上提出来的。1 9 9 4 年由h s a d 和i j e a n c l a u d e 提出 7 】。d f a l c o n e r e t a l 将o f d m 与s c - f d e 进行了比较 8 1 0 】。相 对于o f d m ，s c f d e 以自身的一些优点，使其受到越来越多的关注，但关注程度 还远不及o f d m ，仅仅在i e e e 8 0 2 1 6 标准中与o f d m 一起被建议为物理层传输技 术。 2 1o f d m 离散时间系统框图 图 图 山东大学硕士学位论文 2 2s c f d e 离散时间系统框图 由图可以看出，o f d m 系统和s c f d e 系统非常相似，二者的构成模块是相同 的，只是i f f t 模块的位置不同，在o f d m 系统中i f f t 位于发射端加循环前缀前， 而s c f d e 系统中位于接收端均衡之后。因此o f d m 和s c f d e 系统的复杂度是一 样的，只是发射端复杂度o f d m 系统要比s c f d e 系统高一些，而接收端复杂度 s c f d e 系统要比o f d m 系统高一些。 2 1 2c p 与频域均衡 为了克服i s i 对o f d m 系统的影响，人们引入了保护间隔，即在相邻的两帧 o f d m 信号之间插入一定长度的保护间隔，使多径传播引起的前一帧符号的拖尾不 会影响到当前帧。保护间隔有多种方式，分块传输系统中常用的有：零填充( z e r o p a d d i n g ，z p ) 1 2 - 13 】和循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 。这里主要介绍循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 。 c p ( c y e l i ep r e f i x ) 循环前缀： c p ( c y c l i cp r e f i x ) 循环前缀由a p e l e d 和a r u i z 首先提出 1 l 】，最初用于o f d m 系统。c p 的作用为：1 ) 做为数据帧之间的保护间隔，2 ) 将信号与信道的线性卷积 转化为循环卷积，从而可以进行简单的频域单抽头均衡。 均衡 o f d m 系统一个显著的优点就是其复杂度比较低，除了快速傅立叶算法降低了 予载波调制和解调的复杂度，简单的频域均衡也是一个重要原因。循环前缀正是使 得简单的频域均衡得以实施的原因。但是循环前缀不依赖于o f d m 这一特定系统， 单载波频域均衡技术就利用了循环前缀。由于加入了循环前缀，离散时域上信道和 信号的线性卷积可以转化为循环卷积，进而可以在离散频域表示为乘积运算，这样 均衡算法可以采用简单的单抽头线性均衡迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 或最小均方误差 ( m i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 5 】。下面简单介绍两种均衡方式。 1 2 山东大学硕士学位论文 迫零均衡： 迫零均衡的表达式为： s ( 尼) = c ( k ) r ( k )( o 1 ) 即均衡系数为： a 的2 赢 2 ) 其中r ( k ) 是接收信号的频域形式，表示第l ( 个频域予信道上的信号，h ( k ) 是第k 个频域子信道的频率响应，实际应用中，用信道估计或预测的值力( 后) 代替。迫零均 衡可以完全消除i s i ，但是当信道有深衰频点时则会放大噪声。 最小均方误差均衡： m m s e 均衡中，均衡表达式同迫零均衡式( o 1 ) ，均衡系数为： 鳅) ：盟 1 日( 硝+ 孑o v 2 ( o 3 ) 其中，吒2 和巳2 分别表示噪声功率和信号功率。m m s e 均衡使得均衡后的信号与实 际发送的信号的均方误差最小，也就是均衡系数c ( 后) 要使得e i ( j | ) 一s ( 后) 1 2 最小。 与迫零均衡不同，m m s e 均衡不会放大噪声。这是因为s n r ( k ) 寸0 时，c ( k ) - - 0 ， 而不是c ( k ) 专。m m s e 均衡虽然不会放大噪声，但是它不能完全消除i s i 。 下面根据s c - f d e 系统的离散时间框图，具体说明其信号处理过程。 假设帧s c f d e 信号有n 个符号，s ( ，z ) ，r l = o ，l ，n - 1 。加c p 后得到待 传输信号( ，z ) ，有 ( ，z ) = j ( 刀+ 一三) ，l = 一l , - 三+ 1 ，一 ( o 4 ) ( 挖) 。s ( 订) ， 以= o ，l ，n 一1 经过多径信道后，接收信号为 r ( 研) = j i l ( ，z ) 木嘞( 刀) + y ( 聊) ，m = o ，l ，n + 2 l 一2 ( o 5 ) 山东大学硕士学位论文 去c p 后上式变为 ，( ，z ) = 五( 刀) 圆j ( 矗) + v ( 刀) ，刀= o ，1 9 w 9 n - 1 ( o 6 ) 因此，可以利用点离散傅立叶变换完成子载波解调。进行点傅立叶变换， 将r ( n 1 变换到离散频域，有： r ( k ) = d f t n ( ，( 刀) ) = 日( 七) s ( 后) + y ( 七) ，k = o ，l ，n - 1 ( o 7 ) 观察式( 0 7 ) 可知，均衡算法可采用简单的单抽头