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基于粒子滤波的o f i ) m 时变信道盲估计与超前预测 专业：通信与信息系统 硕士生：范典华 指导教师：戴宪华教授 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术具有抗多径干扰能力强，频带利用高，能够实现高速 率高质量的传输等优点；同时由于采用了快速傅立叶变换，大大降低了无线通信系统的 复杂度，o f d m 技术在无线通信领域受到广泛的关注。 本文提出了一种基于粒子滤波和自回归( a r ) 模型的o f d m 时变信道盲估计和长 距离超前预测方法。 这种盲信道估计方法综合考虑了过去时刻的信道状态信息和频域接收信号信息，利 用发送字符空间为有限集等特性，通过粒子滤波方法估计出当前时刻的信道状态信息。 这种估计方法具有计算复杂度低，粒子间相互独立使得算法可并行处理等特点，仿真结 果表明在信噪比为2 0 d b 以上时，其估计性能与基于导频的估计方法相近或更好。 时变信道的长距离超前预测问题是下一代无线通信系统实现自适应传输的关键问 题。本文提出一种基于下采样技术和多个a r 模型的长距离预测方法。结合a r 模型较 强的外推能力，采用下采样技术减小预测迭代次数，提出的长距离超前预测方法在一定 的下采样频率范围内可以有效地预测十到几十个毫秒。 关键词：正交频分复用，信道估计，粒子滤波，长距离预测，自回归模型 b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na n da h e a dp r e d i c t i o nf o r0 f d m t i m e - v a r y i n gc h a n n e lb a s e do np a r t i c l ef i l t e r i n g m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a l n e：d i a n h u af a n s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n h u ad a i a b s t r a c t d a t at r a n s m i s s i o nw i t h h i g hs p e e d a n dr e l i a b i l i t yi s r e q u i r e di n f u t u r e w i r e l e s s s y s t e m s d u e t oa v a r i e t y o fa d v a n t a g e s ，s u c ha se x c e l l e n t a n t i - m u l t i p a t hp e r f o r m a n c e a n d h i g h b a n d w i d t h e f f i c i e n c y , 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 ( o f d m ) h a s r e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n s i nt h i sp a p e r , w ea d v a n c eab l i n dm e t h o d ，w h i c hb a s e so np a r t i c l ef i l t e r i n g ( p f ) a n da u t o r e g r e s s i v e ( a r ) m o d e l s ，f o rt h es i n g l e - i n p u t s i n g l e o u t p u t ( s i s o ) t i m e v a r y i n gc h a n n e le s t i m a t i o no fo f d m f i r s t l y , t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n s o ft h ep a s tc h a n n e ls t a t e s ，t h ep r e d i c t i v ed i s t r i b u t i o na n dt h es m o o t h i n g d i s t r i b u t i o na r ec o n s i d e r e d t h e n ，t h ei n t e r e s t e dc h a n n e ls t a t ed i s t r i b u t i o ni s a p p r o x i m a t e db yp a r t i c l e sa n dw e i g h t st h a ta s s i g n e dt ot h ep a r t i c l e s ，s a m p l i n g f r o m i m p o r t a n c e d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n f i n a l l y , t h em e a no ft h ei n t e r e s t e d c h a n n e ld i s t r i b u t i o ni se s t i m a t e d t h i sm e t h o di sb a s e do nt h ef r e q u e n c yd o m a i n s o m eo ft h es u b c h a n n e l sa r es e l e c t e df o rp f , a n do t h e r sa r ee s t i m a t e db yt h e l e a s ts q u a r em e t h o db a s e do nt h es e l e c t e dc h a n n e ls t a t e s t h ep r o p o s e dm e t h o d h a sa sac l o s e l ys i m i l a re f f e c ta st h ep i l o t - a i d e dm e t h o d s ，b yo n l yi n c r e a s i n ga l i t t l ec o m p l e x i t y l o n gr a n gc h a n n e lp r e d i c t i o n i st h e k e yp r o b l e m f o rt h e a d a p t i v e t r a n s m i s s i o ns y s t e m s w ea d v a n c ean o v e lm e t h o df o rt h el o n gr a n gc h a n n e l p r e d i c t i o nb a s e so nt h ed o w n s a m p l i n gt e c h n o l o g ya n dt h ea rm o d e l s i th a sa n e f f e c tp r e d i c t i o no ff u r t h e rt h a nt e nm i l l i s e c o n d sw h e nt h ed o n w n s a m p l i n g f r e q u e n c yi sa b o u t2t o4t i m e so ft h em a x i n m u md o p p l e rf r e q u e n c y k e yw o r d s ：o f d m 、c h a n n e l e s t i m a t i o n 、p a r t i c l ef i l t e r i n g 、l a n gr a n gp r e d i c t i o n 、a rm o d e l i i 第一章绪论 第一章绪论 在当今日益依赖信息化网络的时代，建立一个高效、可靠、安全、便捷的信息网络 已成为现代社会的紧要任务。信息的技术的发展引起前所未有的关注，而作为信息交换 和传输最有前景的移动通信在现代通信技术中发挥着越来越大的作用。移动通信因其传 播的开放性及用户的随机移动性使其成为通信技术中不可或缺的组成部分。 移动通信在最近的几十年里，无论是技术研究还是技术应用上都有了空前的发展。 从二十世纪八十年代出现了第一代移动通信系统( 1 g ) ，即以a m p s ，e - t a c s 等为代表的 模拟通信技术在移动通信中得以应用后，信息通信需求的日益增大极大地推动了通信技 术的发展，移动通信技术的研究和应用可谓空前绝后。在而后的十年里，当数字调制、 c d m a 、使用t d d 和f d d 的t d m a 等无线技术使得数字语音消息传输成为可能时，移动通 信因为需求和技术走向了以数字化为标志的第二代移动通信系统( 2 g ) 。如果说能够提 供语音传送的第一代移动通信是移动通信系统的开始，那么成功实现数字数据传送业务 的第二代移动通信则是移动通信系统的成长阶段。这个阶段的应用系统标准有 g s m d c s 一1 9 0 0 ，c d m ao n e ( i s 一9 5 ) 、p h s 等等。 据资料统计，1 9 8 5 全球移动用户为5 5 3 万户，1 9 9 7 年增长到2 亿户，而2 0 0 0 年更 是达到5 亿户，面对日益膨胀的用户需求，第二代移动通信系统开始无法招架，随着新 技术的发展，如新的通信标准应需求而出，即目前即将投入运营的第三代移动通信系统 ( 3 g ) 。第三代移动通信系统以c d m a 为标志，全球有三大标准，包括欧洲和日本的 w c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a ；3 g 的特征是能提供多种业务， 特别是多媒体和高比特分组数据业务，高速移动大范围覆盖下达到至少为1 4 4 k b i t s 的传 输速率，可全球漫游，接口开放，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等。然而，当通 信要求进一步提高，( 例如速据传输速率要求达到几十m b i t s ，通信质量要求误码率低 于1 0 。5 时) ，3 g 使用简单的c d m a 技术已经不能满足要求。正交频分复用( o 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 ) 技术开始成为人们研究的新热点，o f d m 被广泛认为 是4 g 系统中提高传输速率的最重要的关键技术之- 1 1 。 中山大学硕士学位论文 1 i 研究背景及意义 本论文的研究背景是o f d m 技术应用在无线移动通信中，即蜂窝无线o f d m 移动通信 系统 2 ，3 。无线信道的不可靠性主要是由于无线衰落信道的时变性和多径传播引起的， 如何有效地对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高速无线通信的必要条件。所以在 无线o f d m 通信系统中，存在许多关键技术，包括同步技术，信道估计，信道预测，降 低峰均比( p a r ) ，信道编码以及分集技术( m i m o o f d m ) 等等。论文的主要研究工作是 无线o f d m 系统中的盲信道估计和信道超前预测问题。 第三代移动通信系统投入商用以后，多媒体业务将广泛使用起来。而单纯使用c d m a 技术的3 g 系统的局限性，包括在传送速率、服务质量、无缝传输等方面的局限也将是 日益显现。一个具有更宽带宽，更高传输质量，随需而自适应的4 g 通信系统是我们研 究的目标。4 g 通信系统的研究工作目前处于初期阶段，有关方面的标准制订还需要一个 过程，而需要研究的问题和技术也很多，包括如何融合各种接入技术，形成无缝连接； 如何提高传输质量( q o s ) 和传输速率：如何支持i p v 6 向全i p 网演进，减少网络建设 成本；如何扩大覆盖范围等等。 新一代移动通信系统( b e y o n d3 g 或4 g ) 与3 g 等已有的数字移动通信系统相比，应 具有更高的数据率、更好的业务质量、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能 性、更高的传输质量、更高的灵活性。具体要求包括： ( 1 ) 支持全i p 高速分组数据传输，数据速率为数十m b i t s 甚至数百m b i t s ： ( 2 ) 支持高的终端移动性，移动速度高达几百k m h 条件下速率达到2 m b i t s ； ( 3 ) 支持高的传输质量，数据业务的误码率低于l o “； ( 4 ) 提供高的频谱利用率和功率效率，发射功率降低1 0 d b 以上； ( 5 ) 能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动 态范围的变化。 如上所述，下一代移动通信系统要求信息传送的速率和准确率有一个质的提高，那 么无线通信中物理层的调制解调技术是关键之一，o f d m 技术被普通认为是后3 g ( b e y o n g 3 g ) 或4 g 移动通信系统最有潜力，最重要的调制解调技术。 1 1 1o f d m 技术 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波调制( m u l t i - - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 2 第一章绪论 传输技术，它既可以看作是一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。o f d m 的基本 思想是将发送的数据流分散到许多子载波上，使各个子载波的符号速率大为降低，从而 提高抗多径和抗衰落的能力；0 f d m 信号的各个子载波之间相互重叠且保持正交，极大地 提高了频谱利用率。在接收端分离出各个子载波，同时也消除了i s i 的影响 4 。 0 f d m 的优点有如下几点： 有效克服符号问干扰i s i ，适用于多径衰落下的高速数据传输； 通过各个子载波的联合编码，使之具有很强的抗干扰能力； 信道频谱利用率相当高，比传统频分复用节省一半频谱资源； 接收机恢复信号复杂度降低，用非常简单的均衡就可以恢复信号。 所以，对于高容量、高移动速度的无线移动通信系统而言，o f d m 是一个很好的技 术，并且在今后的无线移动通信网络发展中将扮演越来越重要的角色。 1 1 4 粒子滤波 粒子滤波( p a r t i e l ef i l t e r i n g ) 是蒙特卡罗方法( m e n t oc a r l o ) 与递推贝叶斯滤 波的结合，即模拟统计方法与递推贝叶斯方法的结合，是一种非常好的滤波方法。粒子 滤波最早在2 0 世纪5 0 年代被应用于化学领域的单晶生长方面 5 6 ，后来还被用到物 理和工程研究等方面。但是由于粒子滤波串行计算量大，而计算设备条件落后等方面的 原因，限制了粒子滤波方法的应用。直到最近二十年，随着计算机处理能力的飞速发展， 以及粒子滤波方法本身的优越性，粒子滤波成为目前很多领域研究的新热点方法。粒子 滤波方法近年来被应用在数字图像处理，数字信号处理等领域。在e 7 ，8 中，作者将粒 子滤波应用到无线通信多径衰落信道估计中， 9 将其应用到c d m a 系统的信道参数估计， 还有一些研究文献在c d m a 系统中应用粒子滤波与进行信号检测 1 0 1 3 。 粒子滤波的优越性主要体现在三个方面，一是粒子滤波用一个粒子集合( 离散测度， 包括采样及样本出现的可能性大小) 来描述动态系统的状态分布函数曲线，将分布曲线 离散化，大大降低计算复杂度；二是粒子滤波方法既可用来处理线性动态系统，又可处 理非线性动态系统，在噪声为非高斯的情况下，仍可保持很好的滤波性能，这是粒子滤 波最具吸引力的优点之一，是其它滤波方法包括卡尔曼滤波( k a l m a nf i l t e r i n g ) 、扩 展卡尔曼滤波( e x t e n d e dk f ) 1 4 17 不可比拟的：三是粒子滤波每个粒子之间相互独 立，所以算法可并行处理，相对计算时间减小e 1 4 。 中山大学硕士学位论文 1 2o f d m 信道研究现状 在无线o f d m 系统中，为了提高系统的频谱利用率，常采用幅度非恒定的调制方式， 例如m 元正交幅度调制( m q a m ) ，这种情况下，接收机需要相应的信道状态信息( c s i ) 才能进行相干解调，即使对于下交相移键控( q p s k ) 这样的幅度恒定的调制方式，利用 c s i 进行相干解调系统的性能提高3 - 4 d b 1 8 。所以信道估计是系统接收端的一个重要环 节。虽然相干o f d m 系统需要知道c s i 才能解调而使接收机变得复杂，但获得了更好的 系统传输效率和性能，所以通信系统中还是使用相干解调 2 。 由于信道的快变，使得发射端和接收端并不能够总是最优化地利用信道资源。为了 对抗信道的快时变，近年来提出了不少自适应传输方法，例如，自适应调$ 1 j 1 9 1 2 3 1 ， 自适应信道编码 2 4 1 3 0 1 ，自适应功率控制【2 0 ， 2 6 ， 2 7 和智能天线 3 1 1 1 3 5 1 。这些自适应 传输系统在发射端利用信道状态信。g ( c s i ) 来改变发射星座的大小，传输符号率，编码率， 传输功率电平，天线权值，或者是几种自适应传输方式结合使用。而上述大部分技术都 与信道的条件息息相关。对信道参数进行几十甚至上百个符号位的预测在自适应传输中 至关重要( 在块传输系统中表现为块预测) 。 1 2 1o f d m 信道估计研究现状 o f d m 系统中的信道估计算法粗略的可以分成两大类，一类是基于导频训练序列的估 计算法( p i l o tb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o n ) ；另一类是信道盲估计算法( b l i n d e s t i m a t i o n ) 。在接收端利用插入的导频训练序列进行信道估计是无线o f d m 系统中目前 最常用的方法，常见的有时域插入导频、频域插入导频以及时域二维插入导频三种 3 6 4 6 。 目前已有几种o f d m 系统盲估计算法。其中一些是基于倩道统计特性的盲估计算法。 如 4 7 中提到的基于自相关矩阵的子矩阵分解的盲估计算法； 4 8 提到的适用于加尾零 ( t r a i l i n gz e r o e s ，c o ) 的o f d i 系统的基于子空间分解的盲目信道估计算法，这种算 法利用时域中表示输入输出关系的信道矩阵为高矩阵，将信道状态求解问题归结为一超 定方程的求解问题；还有 4 9 中提出的基于子空间的盲信道估计方法，在系统中加入虚 拟载波( v is u a lc a r r i e r ，v c ) 来诱导，使得接收信号产生信号子空间和噪声子空间， 从而达到盲估计的目的，与之类似的还有 5 0 中基于o f d m 信号循环前缀的盲信道估计方 法，它利用循环6 u 缀是o f d m 符号尾部若干码元的搬移的特点，对接收信号构造自相关 4 第一章绪论 矩阵，同样组成高矩阵，然后分解信号子空间和噪声子空间；还有一些基于输入数据的 循环平稳性的盲信道估计算法 5 1 ，通常盲估计算法利用的发送信号的循环平稳性的都 是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的，但是由于o f d m 符号中 插入了循环前缀，使得发送和接收信号都具有循环平稳性所以可以进行盲估计。 另一些是基于最大似然的盲估计算法。如c h o t i k a k a m t h o m 和s u z u k i 在 5 2 1 中提出一 种基于确定性最大似然原则的方法，它的基本思路是通过寻找合适的信道参数和输入信 号序列来联合最大化它们的似然函数。【5 3 】中对m l 方法进行改进，对最大似然函数进 行简化，通过损失一定d b 的估计准确率来换取计算复杂度的降低，得到次佳的效果。 1 2 20 f d m 信道预测研究现状 前面提到对信道参数进行几十甚至上百个符号位的预测在自适应传输中至关重要 ( 在块传输系统中表现为块预测) 。虽然很多学者提出了关于当前信道衰减估计的方法， 但是对于未来衰减信道参数的预测直到最近才有人提出来。在5 4 忡，e s p r i t 算法被用 来做基于显性正弦的估计。然后利用这些正弦函数的插值来预测。从结论中我们看到， 这种算法在信道取样间隔选取适当时，可以可靠地预测一个波长( 或者说当载波频率为 1 g h z ，移动速度为l o o k m h 时，大约相当于超前预测l o m s ) 。在 5 5 】中，多变量自适应 回归样条模型( m a r s ) 可以在高速运动的情况下超前预测大约几毫秒。而且在该论文 中，利用了信息论分析其长距离预测的能力。还有例如求根m u s i c 法【5 6 】、基于神经网 络的预测【5 7 】、非线性伏尔泰拉自适应预r ! l 5 8 1 、基于普朗尼算法的信道预测 5 9 】。这些 算法都只能可靠地预测有限的几个符号位到几毫秒。 1 3 本文主要研究工作 本文主要对无线o f d m 通信系统中时变信道的估计算法进行研究，提出基于粒子滤 波( p a r t i c l ef i l t e r i n g ，p f ) 的o f d m 时变信道估计方法，包括基本的采用重要性采 样与再采样结合的粒子滤波( s i s rp f ) 和高斯粒子滤波( g a u s s i a np a r t i c l ef i l t e r i n g ， g p f ) 盲估计方法，并分别进行计算机仿真。另外在长距离超前预测方面，提出基于下 采样和多个a r 模型的预测方法。 在完成本论文过程中，主要有以下几个创新点： 将最近的新热点方法粒子滤波应用到o f d m 无线通信s i s o 系统的时变信道盲估计中， 中山大学硕士学位论文 基于粒子滤波的估计方法解决了现有o f d m 时变信道盲估计方法中存在的计算复杂度 高、收敛速度慢等问题。 本文提出的基于粒子滤波和线性自回归( a r ) 模型的盲信道估计方法，是针对o f d m 信道为快时变，即前后两个o f d m 符号块的之间变化很大的信道而提出的。该方法利 用前几个o f d m 符号的粒子滤波信道估计信息，先建立频域信道的最初a r 模型；然 后模型预测的信道作为粒子滤波的参考信息，进行下一块符号的信道信息估计；估 计信道后更新信道模型。在信噪比为2 0 d b 以上的环境中，我们提出的方法与基于导 频方法的估计性能接近，2 5 d b 以上时，估计性能比导频方法还要好。这种方法可以 并行处理，适用于实时信道估计，但是这种方法的性能是以相对导频方法较大的计 算量为代价的。 信道超前预测方面，本文提出基于下采样技术和多个a r 模型的o f d m 频域信道的长 超前预测方法，该方法达到较好的预测效果。在信噪比为1 8 d b 以上，选取不同的下 采样频率可以分别超前预测1 0 3 0 毫秒。 1 4 论文结构安排 论文中第一章主要阐述了本课题的研究背景、研究意义、研究现状以及本论文的主 要工作及创新。 第二章介绍无线信道的特点和常见信道统计模型瑞利时变信道模型。 第三章详细介绍o f d m 无线通信系统模型，包括基于多径信道的模型和相应的简化 模型，并证明了o f d m 系统中予载波频域信道的一些随机统计特性，为后面的信道估计 作理论依据。 第四章，本章中我们提出了基于粒子滤波的o f d m 时变信道盲估计方法。首先分析 了现有盲信道估计方法的缺陷，介绍了粒子滤波原理之后，接着介绍我们提出的基于粒 子滤波( 包括基于基本的粒子滤波和高斯粒子滤波) 的o f d m 时变信道的盲估计方法。 并对提出的方法进行计算机仿真验证。 第五章中，我们提出基于下采样技术和多个a r 模型的o f d m 频域信道的长超前预测 方法，该方法达到较好的预测效果。 第二章无线信道的特征 第二章无线信道的特征 任何一个通信系统，信道是必不可少的组成部分。按传输媒介的不同信道可分为有 线信道和无线信道。移动通信系统中由发射机到接收机之间的无线链路称为无线信道。 无线信道根据发送方向不同，又可分为由基站发射机到移动台的无线连接称为前向信道 或者下行链路( d o w n l i n k ) 和由移动台到基站接收机的无线连接则称为反向信道或者上 行链路( u p l i n k ) 。 由于无线信道在移动通信系统中有不可或缺的作用，近年来人们投入不少的精力对 无线信道进行研究并取得了不小的成果。但是目前对无线信道的认识还远不能满足第三 代，第四代移动通信水平的要求，直接影响了其它通信新技术的应用和发展。因此，对 无线信道的进一步研究，包括对无线信道的表征和描述、对无线信道参数的估计和预测、 对无线信道与新技术结合课题的研究，将是未来移动通信发展面临的重大课题。 2 1 无线信道的多径特点 在无线传输过程中，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。 在接收机端观察到的信与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。图2 1 说明了移动无线信道的传输特点。 这一节中主要讲述无线信号的多径传播以及无线信道的各种衰落特性，并对快衰落、 慢衰落、时延扩展与相关带宽等进行介绍。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；如果二者存在相对的运动，则接收信号包络有起伏变化。其中， 信号强度特性曲线的中值呈慢速变化，即图中所称的慢衰落。曲线的瞬时值呈快速变化， 即图中所称的快衰落 6 0 1 。 2 1 1 信号幅度慢衰落 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，接收机通过不同的阴影区会引起中 中山大学硕士学位论文 值变化，因此这种衰落也叫阴影衰落。 图2 1 无线信道的传输路径 障碍物d 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 动速度。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： 互 l ( d ，亭) = d ”1 0 ” ( 2 1 1 ) ”表示路径损耗因子，掌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 差盯( 一般为8d b ) 的对数正态分布。式( 2 1 2 ) 用d b 表示为： f ( d b ) = 1 0 nl g ( d ) + 掌 ( 2 1 2 ) 2 1 2 信号幅度快衰落 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 0 d b 3 0 d b ，衰落速度与移动台移动速度有关。 2 2 衰落参量与选择性衰落 产生快衰落的原因主要有两个：多径效应和多普勒频移。由于移动体周围的局部散 第二章无线信道的特征 射体引起的多径传播效应称为多径效应，它表现为快衰落。从空间角度来看，沿移动台 移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰落，幅度的变化反映了地形起伏所引起的 衰落以及空间扩散的损耗。从时间角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时 间就不同。 在多径条件下，由移动体的运动速度和方向收起信号频谱展宽的现象称为多普勒效 应。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示： 兀= c o s 口 ( 2 2 1 ) i i , 式中口是入射电波与移动台方向的夹角，v 是移动台运动速度， 是波长。上式中，v 五 与入射角无关，是厶的最大值，兀= v i a 称为最大多普勒频移。 2 2 1 多径效应和时延扩展 由于多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象称为时延扩展，在本论文中用 f 表示。时延扩展会造成数字系统符号之间干扰，因此限制了数字系统的最大符号率。 为了避免码问串扰，应使码元周期大于多径引起的时延扩展，或者用下式来表示： 瓦 r 或r 一1 ( 2 2 2 ) r 式中瓦表示码元周期，表示码元速率。 平均时延扩展为f 。：f t d ( t ) d t ( 2 2 3 ) 一f d ( 。出 “ 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d ( t ) d t = 1 。 测试数据表明，不同环境下平均时延扩展是不一样的。时延扩展的参数如表2 - 1 所示： 表2 1多径环境下时延扩展参数的统计值 参数市区效区 最大延迟时i 闭p s ( 相对于包络最高值一3 0 d b ) 5 0 1 2 00 3 7 0 延迟扩展范围f 四1 o 3o 0 2 2 o 平均时延扩展, u s 1 3 0 5 最大有效延迟扩展脚3 5 2 0 中山大学硕士学位论文 2 2 2 多普勒频移和相干时间 信道相干时间r ，就是时域信号的前后样点之间要满足统计无关条件时的最小间 距，即：= l m ，i n 陋b o ) + s o + ) d = 0 i ，同时也可以认为t 是两个瞬时时间的信道冲激 l oj 响应处于强相关情况下的最大时间间隔。对任意r ，周期为t 的对称方波信号，如果各 个方波周期内的符号是独立的，则信号的相干时间就是t 。而如果信号本身是d s 扩频 后的信号，则信号的相干时间就是l t ( l 为扩频系数) 。r 用于表征信道频率扩散特性 在时域中的时变特性。它与多普勒频谱扩展成反比，乙“1 b 。，它是信道随时间变化 快慢的一个测度相干时间越大，信道变化越慢；反之，相干时问越小，信道变化越 快。 2 2 3 相干带宽 信号通过移动信道时会引起多径衰落，因此需要考虑信号中不同频率分量所受到衰落 是否相同。相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。衰落信号中的 两个频落分量，在其频率间隔小于相干带宽时，它们是相干的，衰落特性具有一致性。 在其频率间隔大于相关带宽时，它们是不相干的，衰落特性不具有一致性。在实际应用 中，常用最大时延f 。的倒数来规定相关带宽e ，即： b ：一(224)c 1 f 一般地，窄带信号通过移动信道时将引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起频率选 择性衰落。 2 2 4 选择性衰落 选择性衰落可分为以f 三类：频率选择性衰落，时间选择性衰落和空间选择性衰落。 所谓选择性，是指在不同的频率、不同的时间和不同的空间，其衰落特性是不同的。根 据频率与衰落的关系，衰落可分为频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 和非频 率选择性衰落，即平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 。根据相干时问参数或者多普勒频移引起的频 1 0 第二章无线信道的特征 率扩展，使得信号在经过多径传输后可能引起时问选择性衰落。多径信号到达天线阵列 的到达角度的展宽称为角度扩展。角度展宽给出信号的主要能量的角度范围，产生空间 选择性衰落。 2 2 4 1 平坦衰落与频率选择性衰落 若移动无线信道在比发射信号的带宽大得多的信道带宽内具有不变的增益和线性相 位响应，则接收信号将发生平坦衰落，此时有， b ， 盯， ( 2 2 5 ) 其中t 为码元间隔，b 。为发射信号带宽。若移动无线信道在比发射信号的带宽小的信道 带宽内具有不变的增益和线性相位响应，则接收信号将发生频率选择性衰落，此时有， e b 。，t b d ，t r c ( 2 2 8 ) 2 3 无线信道模型 理论分析和实测试验结果表明，无线信道的各种衰落特性，使得信号经过多径传播 后为时变信号，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 1 1 中山大学硕士学位论文 电波不仅幅度改变，信号相位也发生偏移。 2 3 1 无线信道统计模型 当有n 个散射路径时，若各路径的信号幅度为高斯分布，相位为均匀分布，则接收点 处的合成信号的包络分布为瑞利分布。若n 个路径中有一个强直射波，其余为多径散射 时，则合成信号的包络分布为莱斯分布。 2 3 1 1 瑞利衰落信道 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相 当多的，所以信道的冲激响应表示如下： h ( f ) = 爿。p 。2 ( 2 3 1 ) 其中，对于第n 个散射点，a ”是幅度，六是多普勒频率，庐n 是相位。n 是散射点总 数。当信道多径数较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响应办( r ) 可以看成 一个复高斯过程，其包络的值a 符合瑞利分布： p ( 彳) = 7 ap 一，0 a o o ( 2 蚴 信号包络的均值为必盯，方差为盯2 。 2 3 1 2 莱斯衰落 当多径扩展远远小于信号的符号周期时，衰落信道模型经常用于仿真通信系统在多 径信道上的性能。莱斯衰落信道模型经常用于仿真一个因直射路径和多个散射路径共同 产生的幅度衰落信道模型。通常假设这些路径的延迟远远小于信号带宽的倒数，即延迟 远小于符号宽度。一个信号x ( t ) 经过莱斯信道后的输出y ( t ) 可以表示为： y ( f ) 2x ( t ) z ( o f 2 3 4 1 这里z ( t ) 是幅度衰落因式，它表示为： z ( f ) 2 # ( f ) + ( 一+ ( ，) ) 2 f 2 3 5 1 这里x l ( t ) 和x 2 ( t ) 是高斯随机变量n ( 0 ，) ，衰落信道的功率由以下条件归一化表示 第二章无线信道的特征 2 0 - 2 + a 2 ：1 a 和巧的值由r i c e 衰落因子k 决定。 爿= 肛丽 ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 当k = 0 时为纯粹的散射信道( 瑞利衰落) ，k = o o 时是简单的频带信道( 无衰落) 。 2 3 1 3n a k a g a m i - m 衰落 n a k a g a m i - m 分布常用于无线信道建模。该分布不但适用于接收信号中含有大量多径 分量的情况，也适用于有限多径分量的情况。此外，它还可用于描述使用定向天线的无 线信道特性。其概率密度函数为： 小可2 m 巾m x 2 m - 型；e x p _ 斟脏j 1 ( 2 3 8 ) 式中，q ，= e e a 2 。e ( ) 是数学期望运算；r ( m ) ng a m m a 函数。当m 2 i 时，n a k a g a m i - m 分布就变成了瑞利分布；当n = i 2 时，n a k a g a m i m 分布就变成了单边高斯分布；当 m = 叫2 k + i 时，n a k a g 锄i m 分布就变成了系数为k 的莱斯分布；当m 斗。时 n a k a g a m i m 分布就成了一个脉冲( 无衰落) 。 2 3 2 无线多径信道的冲激响应模型 如果收发信号之间的关系是线性的，若将发射台作为输入，接收台作为输出，并将 传输过程( 含多径) 看作一个线性系统，则用线性系统的冲激响应来描述传输特性是合 适的。 定义h o ，r ) 为时变多径无线传输信道冲激响应，矗( f ，r ) 完全表征了信道的特性，它同 时是t 和f 的函数。变量r 表示接收台机械运动时间变化，f 表示的是对于固定时间t 的信 道多径延迟，如图2 2 所示。 接收信号r o ) 可以表示为传输信号s o ) 与时变信道冲激响应的卷积，即 r o ) = s o ) o o ，r ) 。 l3 中山大学硕士学位论文 图2 2 离散化的信道冲激响应 2 3 3j a k e s 信道模型 有很多关于信道仿真的文献提出了不少信道仿真模型，其中关于瑞利分布信道仿真 的模型主要分两大类，统计模型和确定性模型【6 1 。确定性模型中的j a k e s 移动信道模型 是i e e e8 0 2 2 0 标准采用的信道仿真模型，是一个标准的频率单调衰落基带等效模型。 该模型假设从发射机到接收机之间存在无数条传播路径，并且这些反射达到移动目标接 收机的路径是离散均匀分布的。对于时域输入波形x ( f ) ，其输出波形y ( f ) 可以表示为： y ( t ) = ( r ) i ( f ) 一_ ( r ) 章( f ) ( 2 3 9 ) 这里i ( f ) 是x ( r ) 的希尔伯特变换。i 、q 两路的基带等价( 复数形式) 描述为： ( ) ：2 兰c 。( 成) 。( 2 刀五f + 吼) + 互。( 。) 。( 2 丌厶r ) ( 2 _ 3 1 0 ) n _ ( f ) = 2 s i n ( i l k ) c o s ( 2 z f d + o k ) + x 2 s i n ( a ) c o s ( 2 z f r e t ) ( 2 3 1 1 ) k = l ，卅是最大多普勒频移， = 厶e o s ( 2 n k l ) ，l = 2 ( 2 n + 1 ) 为震荡器数量，口= z 4 ， 屈= z k n , 是模型中的路径数，铱= 2 z ( r a n d o m ( o ，1 ) ) ，是o 2 万间随机数。 在多数条件下，信道仿真都利用了基带等效原理，而不必在进行载波级仿真。只不 过这里的最大多普勒频移厶与载波频率正及接收机最大移动速度相关，此时利用多普 勒频移公式可计算出最大多普勒频移： 厶一监工 ( 2 3 1 2 ) t - 1 4 第二章无线信道的特征 上式中c 为光速，也即无线电波传播速度3 1 0 8 m s 。例如一个接收机以1 5 m s 的步 行速度移动，发射机的载波频率为1 g h z ，则由此引起的最大多普勒频移为4 - 5 h z 。如果 以1 4 4 k m h o u r 的速度移动，则多普勒频移将增加到1 2 0 h z 。 图2 3j a k e s 仿真信道衰落包络 图2 3 是使用j a k e s 模型仿真的信道抽头衰落包络：其仿真参数为：长度为0 - 2 秒， 抽样速率为5 0 kh z ，最大多普勒频率为1 0 0 h z ，采用8 个震荡器。 2 4 本章小结 本章主要介绍无线信道的多径衰落特性，以及多径对接收信号的影响。发送信号经 过无线径信道可能产生多种衰落，文中介绍了衡量信道各种衰落特性的参量，以及参量 间的转化关系；信道衰落是随机的，它有几种常见的信道统计分布特性模型，如瑞利分 布、莱斯分布等；文中还介绍了产生信道的时间模型j a k e s 模型。 第三章正交频分复用系统 第三章正交频分复用系统 正交频分复用( o n 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 ) 的思想早在2 0 世纪6 0 年代 6 2 就已经提出，文献 6 3 中提出o f d m 概念，作者提出了一种从多信道同 时发送宽带受限信号的方法，这种方法可以有效地抵消信道间干扰( i c i ) 和码问干扰 ( i s i ) 。作者利用子载波震荡器组来解决正交子信道的问题，利用基带滤波器来解决i c i 的抵消问题。由于使用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，这种o f d m 系统一直没 有发展起来。7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散傅立叶交换( d f t ) 实现多载波调制， 为o f d m 的实用化奠定了理论基础【6 4 ；文献 6 5 】利用离散傅立叶变换( d f t ) 代替子 载波震荡器组来实现了正交子信道的调制和解调。利用快速傅立变换( f f t ) 更是快速 地处理了正交子信道的调制和解调问题，这种方法为了补偿i s i 和i c i 而在信号和升余 弦之间使用了保护。然而，这种o f d m 系统应用在弥散信道时子载波指间失去了正交性。 到了8 0 年代，自l j c i m i n i 首先分析了o f d m 技术在移动通信中存在的问题和解决方 法后 6 6 】，o f d m 在移动通信中的应用得到了迅速的发展。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着欧洲在数字音频广播( d a b ) 方案中采用o f d m ，该方 法开始受到广泛的关注并且应用。1 9 9 5 年，由欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定了数字字 音频广播( d a b ) 标准，这是第一个使用o f d m 标准的。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 的d v b ( 数字视频广播) 标准也开始投入使用。在a d s l 应用中，o f d m 被典型地当 作离散多音调制( d m tm o d u l a t i o n ) ，成功地用于有线环境