（通信与信息系统专业论文）无线链路自适应技术研究.pdf

中文摘要 摘要：无线链路自适应技术根据无线信道在时间、频率和空间上的变化，自适应 的调整传输参数，在维持不同业务的q o s 需求的前提下，有效的提高了无线通信 系统的平均频带利用率和传输速率，提高了系统容量，正在逐渐成为下一代无线 通信系统中最有竞争力的几种通信技术之一。本文首先分析了无线信道的衰落特 性，研究了衰落信道中的信噪比估计和预测技术，同时在经典预测模型的基础上 提出了改进算法，并通过仿真进行了性能分析。其次，本文主要研究了自适应调 制编码和混合重传两种主流的链路自适应技术的基本原理和现有实现方案。对自 适应调制编码技术主要分析了其自适应算法的具体策略和误差来源，并提出了改 进算法。对混合重传技术从系统吞吐量和时延特性两个方面进行了理论性能分析， 研究了重传机制和误帧对系统相关性能的影响。另外，本文还介绍了几种链路自 适应技术的具体结合策略。通过对系统误码率和吞吐量性能的仿真和分析，进一 步验证了链路自适应技术对系统性能具有很好的提升效果。最后，本文研究了链 路自适应系统的实现方案，并通过对通用调制编码平台的软硬件设计实现，以及 功能测试，阐明了自适应系统发送端的具体实现方案，证明了无线链路自适应系 统的可行性。 关键词：链路自适应；自适应调制编码；混合重传；通用调制编码平台 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w r i r e l e s s1 i n ka d a p t i v et e c h n o l o g ya d j u s t sm e 慨l s m i t t i n gp a r 锄e t e r s d y l l 锄i c a l l y a c c o r d i n gt o 廿l ew i r e l e s sc h a r u l e lc h a n g e si nt i m e ，舭q u e n c ya n ds p a c e i t i sb e c 0 m i n go n eo fm em o s tc o m p e t i t i v et e c h n o l o 西e sf o rn e x tg 肌e r a t i o n 埘r e l e s s c o m m 蚰i c a t i o ns y s t e m ，b e c a u s eo fi t sa b i l i t yt om e e tv 撕o u sq o sr e q u i r e m e n t s ，r a i s e t h eb a l l d w i d mu n t i l i z a t i o na j l di m p r o v es y s t 锄c 印a b i l i t y f i r s t l y ，m ep 印e ra l l a l y z e st l l e f a d i n gc h a r a c t e r so fw i r e l e s sc h a l l i l e l ，a n dr e s e a r c h e so nt h ec h 釉e le s t i m a t e a n d p r o d i c t i n gt e c l l l l o l o 西e s m e a n w l l i l e ，b a s e d o nt l l ec l a s s i c a lp r e d i c t i n gm o d e ，觚 i m p r o v e da l g o r i t h j ni ss u g g e s t e da 1 1 dp r o v i d e dt l l ep e r f o m l a l l c ea i l a l y s i sb ys i n m l a t i o n s e c o n d l y a st l l em a i na d a p t i v et e c l l i l o l o g yn o w a d a y s ，a m ca i l dh a r q a r ei n t r c i d u c t e d t h r o u 曲m eb a s i cp r i n c i p l e sa i l de x i s t i n gi m p l e m 伽l t a t i o np r o g r a m s a st 0a m c ，t h e p a p e rm a i l l l ya j l a l y z e si t sa d a p t i v ea l g o r i t hs 仃a t e g ) ，a i l dt h es p e c i f i ce 玎o rs o u r c e s ，a n d t h e ni m p r o v e sm ef o 姗e ra l g o r i t h m a st oh a r q ，i nt e m l so fs y s t 锄t h r o u g h p u ta i l d t i m ed e l a y ，t h ep a p e ra n a l y z e si t st h e o r e t i c a lp e r f o n n a n c eo fr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m a 1 1 de r r o r 丘a m e s e v e r a ls p e c m cs t r a t e 百e sa r ea l s oi n t r o d u c t e dw h i c hc o m b i n e d i f r e r e n t l i i l l ( a d 印t i v et e c l u l o l o 百e s t l l e n ，m r o u 曲t h es y s t e ms i m u l a t i o n ，i ti sp r o v e dm a t t h e w i r e l e s sl i i l l ( a d 印t i v et e c h n o l o g ys h o w sg o o dc a p a b i l i t yt 0e 1 1 1 1 a i l c et l l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mp e r f o m a i l c e f i n a l l y ，m ep 印e rr e s e a r c h e sm er e a l i z a t i o no fl i i l l ( a d 印t i v e s y s t e m a n dt h r o u 曲m es o 仔w a r ea i l dh a r d w a r ed e s i 盟o fg e n a r a lm o d u l a t i o na n d c o d i n gp l a t f o m ，a s w e l la sf m l c t i o n a lt e s t i n g ，i ti sp r o v e dt h a tm ew i r e l e s sl i n ka d 印t i v e s y s t e mi sv i d b l e k e y w o r d s ：l i n ka d a p t i v e ；a m c ；h a r q ；g e n e r a lm o d u l a t i o nc o d i n gp l a t f o n i l c i a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师贾怀义研究员的悉心指导下完成的，贾怀义研究 员严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来贾怀义老师对我的关心和指导。 陶成副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向陶成老师表示衷心的谢意。 贾怀义研究员、陶成副教授、杜凯老师对于我的科研工作和论文都提出了许 多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘留博士、张强、房兴元、梅晓、李司、王 强、黄伟、张风珍、周嫒、王丽萍、孔令通、李滢、胡雪琴、刘寅生等同学对我 论文中的研究工作提供了许多建议和热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 ，l 无线通信技术的发展 l 引言 近几年来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种 实时多媒体业务需求的增长和互联网技术的迅猛发展，未来的无线通信技术将与 网络智能技术、数字信号处理技术和射频技术等相结合，为用户提供更高的信息 传输速率，更多样化的信息传递服务。目前，数字无线通信系统正在完成从语音 通信到多媒体通信的转变，从无线传输、系统业务和网络构建等角度来看，对下 一代无线通信系统普遍存在以下共识【l 】：首先是新频段的采用，比如2 - 8 g h z 乃至 更高。其次，具有较高的传输质量，支持用户在数据速率、容量、服务质量和移 动速度等方面的大范围变化。再次，融合数字通信、数字音视频接收和i n t 锄c 接入的崭新无线多媒体系统，并支持全口高速分组数据传输，向用户提供超过 1 0 0 m b p s 的蜂值速率，同时具有开放的网络业务平台，便于新业务的开发和加入， 实现跨系统无缝全球漫游和业务携带。最后，融合适用于各种电信环境的无线系 统，包括移动通信、卫星通信、w l a n 等，并支持各种空中接口，与固定计算机 网络直接连接成一个统一的全球性通信网络，成为一种智能的、支持多种不同业 务类型及q o s 要求的完全融合无线移动和无线接入的全新网络。 为了满足无线业务发展的这些需求，在下一代的无线通信系统中必须采用频 谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术。在此背景下，o f d m 多载波 技术、m i m o 多天线技术及链路自适应技术等成为下一代无线通信系统中最有竞 争力的几种通信技术。 1 2 无线链路的自适应技术 无线链路自适应技术是指系统根据无线信道在时间、频率和空间上的变化， 自适应的调整传输参数，使得系统在信道条件较好时提供较高的传输速率，信道 质量较差时提高传输单元的抗干扰的鲁棒性，以保证其上传输信息的正确接收。 链路自适应技术的优点是在维持不同业务的q o s 需求的前提下，提高系统的平均 频带利用率和传输速率，提高系统容量。从无线传输系统的物理层来看，可供选 择的传输参数包括发射功率，符号速率、交织参数、调制方式、信道编码方式、 码率和数据帧长等参数的任意组合。随着无线通信资源可利用维数的增加，例如 时间、频率、空间、码字、分组等，链路自适应系统的自适应策略也变得越来越 灵活，可以进行多维传输参数的动态调整，以更好的适应无线信道环境的变化。 1 2 1 无线链路自适应技术的发展 由于受无线信道的开放性和动态性影响，无线信道的衰落具有很大的随机性 和时变性，这对通信双方都是十分不利的在无线通信技术发展的早期，为了保 证一定的通信质量。往往就只能按照最差的信道条件和最低的标准来设计系统， 采用较高的发射功率、低阶的调制方式和强壮的编码来保证通信质量。这种方式 虽然实现简单，但是在信道条件变好时仍然只能按照信道衰落最坏时的方式来进 行通信，极大的浪费了频率利用率、功率、容量等对无线通信极为宝贵的系统资 源。链路自适应思想的出现很好地解决了这个矛盾早在1 9 6 8 年，h a y 嚣就提出 自适应调整发射功率的功率控制方法。为了克服自适应功率调整所带来的较大共 道干扰等问题，c 曩v e 培在1 9 7 2 年提出根据接收电平调整符号传输速率的方法来对 抗信道衰落。相对于功率控制的自适应技术，自适应调制是一种更有效的抗衰落 技术。s t e d e 和w j b b 提出了基于星形q a m 的自适应调制，0 t 辄l d 和s 釉p c i 提出 了更容易实现的基于矩形q a m 的自适应调制。1 9 9 6 年，h a l l z o 等提出了基于调 制转换门限的自适应调制，并进行了深入研究。在此基础上，c l l o i 和h a l l z o 进一 步提出了根据平均信噪比( 阶汛) 可变门限的自适应调制，之后又发展出了宽带 系统链路自适应、多载波o f d m 自适应调制等一系列新的技术。此外，链路白适 应的思想也扩展到了诸如空间、码字等信息传输领域，如自适应编码速率，自适 应天线阵列。它们与白适应调制和功率相结合，形成了可以灵活调整多维信号传 输参数的链路自适应策略，有效地改善了系统的资源利用率，提高了系统容量。 时至今日，链路自适应技术已经成为一个新的研究热点，被应用到多种环境下的 无线通信系统中，同时也被i e e e 、3 g p p 等国际标准化组织正式写入到例如3 g ， 4 g 、w l a n 、宽带无线接入等新兴无线通信技术的国际标准中。下面我们将对几 种常用的无线链路的自适应技术进行简单介绍。 1 2 2 几种典型的链路自适应技术 1 功率控制技术 所谓功率控制技术就是通过改变发射功率的大小来适应信道状况的变化。作 为最早提出的链路自适应技术的代表，由于其技术成熟实现简单，功率控制技术 已经成功运用到例如2 g 、3 g 移动通信等诸多系统中。功率控制的基本原理是在 2 信道条件好的时候使用较小的发射功率；在信道条件差的时候使用较大的发射功 率，以保证接收信噪比稳定在可以正确接收的范围内，从而使得在不同的信道条 件下，发送端都可以以最小的发射功率来保证系统获得固定的传输速率和时延， 保证通信的质量。在某些系统中，当信道的衰落深度落入一个特定域值以下时， 功率控制技术会中断信号传输，以保证恒定的接收信噪比，提高频谱利用率。 目前，较为常用的功率控制技术根据发射功率的更新频率的不同，可以分为 快速功率控制技术和慢速功率控制技术。其中，快速功率控制主要用来克服时变 信道的快衰落效应，发射功率的更新频率一般达到l k h z 左右才能较好地适应信道 变化。而慢速功率控制用于跟踪平均路径损耗和慢衰落的变化，发射功率更新频 率通常为2 h z 左右。以c d m ai s 9 5 系统为例，其上行链路采用了更新频率为8 0 0 h z 的快速功率控制技术，其下行链路则使用了慢速功率控制技术。而w c d m a 系统 在上行和下行链路都使用了快速功率控制技术，更新频率设定为1 5 0 0 h z ，可以同 时较好地应对无线信道的各种衰落。 功率控制技术采用调整发射功率的方法来补偿信道的变化，从而保证了通信 质量，但是这一技术本身也存在着一些无法克服的缺陷。首先，功率控制技术存 在“远近效应”，即由于对少数距离较远的用户采用较大的发射功率，使得发送端的 大部分功率被占用，而无法服务其他信道条件较好的用户，从而限制了系统容量。 其次，功率控制技术还存在“噪声提升效应”，即在采用快速功率控制时，发送端根 据链路的快衰落变化来调节各个用户的发射功率，从而导致接收端接收到其他用 户的干扰功率不断变化，这样就造成了一个额外的大约3 9 d b 的噪声恶化效果。 因此，现在的链路自适应系统一般采用功率控制技术与其他自适应技术相结合的 策略进行调整，只有这样，才能很好的克服功率控制技术的自身缺陷，获得最高 的系统吞吐性能。 2 自适应调制编码技术 由于功率控制技术本身具有不可弥补的缺陷和局限性，它已经不能满足日益 发展的无线多媒体数据业务的需求，因此自适应调制编码技术( a m c ) 正在取代 功率控制技术，成为应用最广泛的链路自适应技术之一。自适应调制编码技术的 核心思想是在保证系统性能的前提下，根据通信环境和o o s 要求，动态的改变发 送端的调制和编码机制( m c s ) ，以提高系统资源的利用率或传输速率，获得较高 的系统吞吐量和容量。在许多无线分组数据传输系统的国际标准中都采用了自适 应调制编码技术，例如作为w c d m a 增强技术的高速下行分组接入系统( h s d p a ) 埘，无线局域网( w l a n ) 标准8 0 2 1 la 【那，以及宽带无线接入系统i e e e 8 0 2 1 6 e 【4 】 等都建议采用自适应调制编码技术来提高系统的吞吐量以及频谱效率。 自适应调制编码技术根据接收端反馈的信道状态信息来调整系统的调制和编 码策略，它的技术实现通常分为四个部分：信道的估计和预测、m s c 级数的选择、 m c s 同步机制、最优模式选择算法。其中，信道的估计和预测主要为接收端提供 可以表征下一发送时刻信道环境的信道参数信息，一般包括信噪比( s n r ) 、系统 差错率等参数。这些参数作为最优m c s 的选择依据，根据特定的选择算法来确定 下一发送时刻最优的调制编码方式。最优模式的选择算法是自适应调制编码技术 的核心，它直接影响着链路传输性能的改善，只有选择最合适通信环境的m c s 才 能获得最优的链路自适应效果。目前应用最广泛的m c s 选择算法是3 g p p 组织推 荐的“基于s n r 的门限判别法”。它以系统仿真的先验性能曲线的交点作为区间划 分的门限，把信道划分为几个区域，在每个区域内选择使系统吞吐量最大的最优 m c s ，以获得整体系统的最大吞吐性能。在本文的第三章中，将对自适应调制编 码技术的基本原理、实现算法、系统性能做更加详细的研究和分析。 3 混合重传技术 除了w c 技术之外，混合重传技术( h a r q ) 也是目前自适应技术的研究热点 之一。混合重传技术结合了前向纠错( f e c ) 和自动请求重传( a r q ) 两种技术，通过 对无法正确解码的信息的重新传输来自动的适应信道的变化，提高系统的传输性 能。另外，混合重传技术还可以根据需求，灵活地调整编码速率，同时接收端对 重传信息的合并解码也会带来额外的时间分集增益，以补偿由于无线链路的深衰 落所带来的误码。 由于混合重传技术不需要信道估计，而是依靠接收端实时接收数据正确与否 的反馈信息来决定重传次数和编码速率，因此它可以提供较为准确的实时信道状 态参数。在实际系统中，往往先通过a m c 提供粗略的m c s 选择方案，然后再使 用h a r q 来提供精确的级数调节，从而提高自适应调节的精度和提高资源利用率。 因此，在许多3 g 、b 3 g 系统的m a c 层中，如w c d m a 的增强技术h s d p a 、 c d m a 2 0 0 01 x e v d 系统等，都使用了h a r q 技术与a m c 技术相结合来作为链路 自适应技术。 除了以上介绍的三种典型的自适应技术，常用的链路自适应技术还包括：自 适应帧长技术、自适应分组技术、自适应q o s 服务【5 1 ，自适应天线阵列和扩频增益 等。在无线通信系统中，往往根据需要对这些自适应技术进行有机的组合和调整， 才能达到最优的系统性能提升。表1 1 给出了目前的无线通信系统中使用的链路自 适应技术。在后边的章节中，本文将对自适应调制编码技术和混合重传技术进行 重点的研究、分析及性能仿真。 4 表1 1 链路自适应技术的应用 t a b l cl 1l i n l 【a d a 埘v et c 洲o g y a 坤l i c 蒯 a d a p 6 v c a n t e i m a a m y st d - s c d m a p o w 盯c 0 n 自r ；o ii s 9 5 、c d m a 2 0 0 0 、，c d m a ，g p r s 、e d g e 、c d m a 2 0 0 0 、h s d 队、8 0 2 1 l a 、 8 0 2 1 6 e e i c h a r qc d m a 2 0 0 0 、h s d 队、8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 6 c e t c l r i a b ks 班喇i n gg a i n c d u l 2 0 0 0 、w c d m a d ”a l n i cc l l 姐n e la l l o c a t i o n p h s 、d e c t 1 3 本文的研究内容 目前，自适应调制编码( a m c ) 技术和混合重传( h a r q ) 技术已经成为主 流的链路自适应技术，应用在许多新一代的无线通信系统中。本文主要研究了这 两种链路自适应技术的基本原理与关键技术，进行了系统级仿真和性能分析，并 探讨了自适应系统的具体软硬件实现方案。后续章节的安排如下： 第二章分析了无线信道的衰落情况，研究了衰落信道中的信噪比的估计和预 测技术。同时，在经典预测模型的基础上提出了改进算法，并进行了算法级的仿 真和分析。 第三章主要研究了自适应调制编码技术的原理和现有实现方案，重点分析了 自适应选择算法的实现策略和误差来源，并提出了一种基于衰落自相关系数的信 噪比加权处理方法，简单的实现了对信道误差的修正，且具有一定的链路提升性 能。最后，从自适应调制编码系统的误码率和吞吐量两个方面进行了全面的仿真 和分析，并介绍了自适应调制编码技术与功率控制技术的具体结合策略。 第四章首先介绍了混合重传技术的基本原理和现有实现方案。其次，从系统 吞吐量和时延特性两个方面对混合重传系统进行了理论性能分析，研究了重传机 制和误帧对系统相关性能的影响。另外，还阐述了混合重传技术与其它链路自适 应技术的具体结合策略。最后，在自适应调制编码仿真系统的基础上，对混合重 传技术进行了系统级的仿真，并得出结论。 第五章主要进行了链路自适应系统实现方案的研究。通过对通用调制编码平 台的软硬件设计实现及测试，阐明了自适应系统发送端的具体实现方案。 第六章对全文的研究工作进行了总结，并提出尚待解决的问题。 2 无线信道的衰落与估计 无线信道的衰落性和时变性直接影响着无线通信系统的性能，不同的无线电 波传播环境的衰落特性、传播方式也不近相同。因此，电波传播特性是研究无线 通信首先要遇到的问题。另外，由前述可知，链路自适应策略的实现必须预先获 得信道未来的衰落特性才能对发送参数进行合理地优化设置，从而达到自适应信 道变化的预期目的。因此，信道的估计和预测技术对自适应技术的性能也起着决 定性作用。本章将针对无线信道的衰落分类，信道估计技术、信道预测技术三个 方面来进行研究和分析。 2 1 无线信道的衰落及信道模型 无线信道的电波传输特性与电波的传播环境密切相关。传播的环境包括：地 貌、人工建筑、气候特征、电磁干扰、通信终端移动速度、频段等，它们直接影 响着无线系统的通信能力和质量。无线信道通常可分为视距信道和非视距信道。 视距信道认为信号是直射传播的，即存在可视分量，例如卫星信道。非视距信道 是由非直射传播引起的，信号主要受地面绕射、对流层散射和反射等因素的影响。 一般来说，无线信道对信号的影响大致可以分为三类： ( 1 ) 自由空间传播损耗。用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路 径时的接收信号场强，表现为慢衰落。其接收功率的衰减为t - r 距离d 的幂函数， 可表示为：p r l ，矧“。在实际应用中，当d 1 5 k m 时， n 取5 6 。 ( 2 ) 阴影衰落。由于传播环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电波的 阻挡所引起的衰落，表现为慢衰落。它服从对数正态分布，当用分贝表示时，服 从正态分布，其概率密度函数为： 毗，= 去俐 ( 2 1 ) 在市区，a 的取值一般为6 d b 。 ( 3 ) 多径衰落。由移动传播环境的多径传输引起的衰落，表现为快衰落。快 衰落产生的原因除多径传播外，还有多普勒效应。 自由空间传播损耗和阴影衰落合并在一起反映了无线信道发射机与接收机之 问长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化，称为大尺度衰落，或慢衰落。另一 方面，无线信号在经过短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 的接收场强的快速 6 波动称为小尺度衰落，或快衰落。这种衰落主要是由多径衰落引起的。 | 。- - | 韬 刑呵1 1 1 迤| m 且一i i 、 ： 埘器年纠i q ，7过厶 p垴 i be 量7 cq - 兮l il l 图2 i 无线信道中的衰落 f i g u r 吐一lw i r c l sa i a 【e lf a d i n g 图2 一l 描述了小尺度和大尺度衰落以及阴影遮挡衰落的情况。中值信号由大尺 度传播模型在足够大的空间距离上所取的平均信号强度决定；阴影衰落围绕大尺 度传播特性的中值电平随机变化，符合正态分布；小尺度衰落中，当接收机的移 动距离与波长相当时，其接收场强可以发生3 0 _ 4 0 d b 的变化。 2 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落表征了由于通信终端的较大距离的移动而引起的平均接收信号功 率的衰减或路径损耗，其主要受传播损耗和阴影衰落的影响。最简单的大尺度衰 落模型为自由空间传播模型，距发射机d 处的天线的接收功率可由f m s 公式给出： p r ( 舻若蔫 ( 2 - 2 ) 其中p i 为发射功率，g t 为发射天线增益，g r 为接收天线增益，d 是接收机和 发射机之间的距离，九为波长，l 是系统损耗因子( l 1 ) 。因此，可得到系统信 噪比( s n r ) 为： 嘉2 箍 n o b4 厅) 2 d2 l n n b ( 2 3 ) 为了满足通信系统的误码率要求，保证通信质量，s n r 应大于最低信噪比，0 ， 代入上式，得出： 7 骼焉m g 川 ，、l ，2 、。1 ， 拈【蒜j 可知，如果不采用链路自适应技术，数据的符号速率和传输范围都将受到很 大的限制。 另外，在自由空间传输模型的基础上，大尺度衰落模型分为以下三类： ( 1 ) 经验模型：根据大量的测量结果统计分析后导出公式，如h a l a 模型、 c o s t2 3 l 模型。这类模型方法简单，不需要环境的详细信息，但是不能提供非常 精确的损耗估算值。 ( 2 ) 确定性模型：对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法，如自由 空间模型。这类模型的无线传播预测极其复杂。 ( 3 ) 半确定性模型：基于确定性的方法，在一般的市区或室内环境中导出的 等式，如w 订模型。 2 1 2 小尺度衰落 小尺度衰落是指无线信号在短时短距传播后其幅度、相位、或多径时延的快 速变化，以至于大尺度损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号 沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的。其 变化程度取决于多径波的强度、相对传输时间、终端移动速度和传输信号带宽。 其对信号的影响主要表现为： 经过短时短距传播后信号强度的急速变化 多径传播时延引起的时间色散 在不同多径信号上，由时变的多普勒频移所引起的随机频率调制 1 时间色散特性 在多径传播环境下，传播的路径差异导致多径信号以不同的时间到达接收端。 从时域来看，接收信号就出现了所谓的时延扩展。显而易见，如果多径产生的时 延扩展大于码元宽度，将产生码间串扰，导致波形的失真。因此，要避免这种串 扰，则要求最大时延扩展小于单个码元的持续时间，即信息速率r 。c t 。多径 信道的时间色散特性通常用平均附加时延( r ) 、均方根( m s ) 时延扩展( 一，) 以 及附加时延扩展( x d b ) 来表示。表2 1 给出了不同环境f n l s 时延扩展的典型测量 值f 6 1 。 b 表2 1m s 时延扩展的典型测量值 t a b l c 2 一l1 埘c a lv a l o f m s 罚d d a y 在频域上，通常用相关带宽来表征多径信道特性。相关带宽( b c ) 是从姗s 时延扩展得出的一个确定关系值，是指两个接收信号的幅度、相位具有高度相关 性的频率范围。取相关值大于o 5 为标准，则相关带宽可近似为： 豇。上 5 f _ 一( 2 5 ) 当信号带宽小于相干带宽时，信道呈现平坦衰落性；否则，信道呈现频率选 择性衰落，引起码间干扰。因此，必须保证数据速率小于信道的时延衰落速率b c 。 2 频率色散特性 时延扩展和相关带宽描述了信道的时间色散特性，但是，它们并未提供信道 时变特性的信息。这种时变性是由通信终端问的相对运动或信道中物体的运动引 起的。多普勒扩展和相干时间就是描述小尺度信道时变特性的两个参数。 我们知道，当通信终端以一定速度进行相对运动时，会引起多普勒频率的漂 移。若相向运动，则多普勒频移为正( 即接收频率上升) ；若相背运动，多普勒频 移为负( 即接收机频率下降) ，可以表示为： 兀= ；c o s 一( 2 6 ) 其中，v 为相对速度；i 为波长；一为入射波与移动方向之间的夹角；，m = ；为 最大多普勒频移。 多普勒扩展是由无线信道的时变性所引起的频率展宽程度的度量值。它被定 义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒频移为非0 值。即当发送频率为工时， 接收信号频谱在五一兀至+ 兀范围内存在分量，频谱扩展的大小取决于兀。如果， 基带信号带宽远大于多普勒扩展，则在接收机端可以忽略多普勒扩展的影响，此 信道为慢衰落信道。 相干时问( l ) 是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散 的时变特性。它是信道冲击响应维持不变的时间问隔的统计平均值即在此时间 间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。相干时间与多普勒扩展成反比，一 9 般定义为： t ：旦：丝! ，- ( 2 - 7 ) 由相干时间的定义可知，时间间隔大于t c 的两个到达信号受信道的影响各不 相同。即如果采用符号速率大于l 促的发送系统，信道就不会由于相对运动的原因 而导致失真。 3 ，j 、尺度衰落类型 信号通过无线信道的衰落类型取决于信号参数( 带宽、符号周期等) 和信道 参数( m s 时延扩展、多普勒扩展等) 之间的关系【6 】。无线信道中的时问色散和频 率色散机制可能导致4 种显著衰落，如图2 - 2 所示。当多径时延扩展引起时间色散 以及频率选择性衰落时，多普勒扩展就会引起频率色散及时间选择性衰落。这两 种机制彼此独立。 小尺度衰落 ( 基于多径时延扩展) l l - 平坦衰落频率选择性衰落 1 信号带宽 信道带宽 2 时延扩展 符号周期 3 常见为瑞利幅度分布3 引起符号问干扰i s i 小尺度衰落 ( 基于多酱勒扩展) iji 快衰落 慢衰落 1 高多普勒扩展 1 低多普勒扩展 2 相干时间 符号周期 3 信道变化快丁| 基带信号变化 3 信道变化慢丁基带信号变化 2 1 3 信道模型 图2 2 衰落类型 f i g u f e 2 - 2f f i d i n gd ，p 8 如果信道存在n 条传播路径，则无噪声接收带通信号的复包络可以表示为： 砸) = c 。c 一 o 砸“) ( 2 - 8 ) n = l 其中c 。和“分别是第n 条传播路径的接收信号幅度和时延； ( f ) = 2 刀i ( 五十无。) f n 一凡。f 】，是第n 条传播路径的相位。令莒“) = l ，则可将接收信号 i o 韭愿窑通太坐亟堂垃论毫玉绾信递敛塞蕴生毡让 表示为正交形式： 删= 譬，彬2 矾卜g 血2 矾f ( 2 9 ) 其中g ，御= c 。九( f ) ；窖口缈= c 咖九( f ) 是带通信号的同相和正交分量。当 n 很大时，根据中心极限定理，g ，倒，掌口渺可以看成是高斯随机分布。 1 瑞利分布 瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接收包 络的统计特性。当接收信号是由大量平面波合成的时候，复接收包络 g f j ：j = g ，f j ：j + j g 口俐可以看成是广义平稳的复高斯随机过程。由于g ，似g 口御是独立正交 的均值为o 的高斯随机变量，因此复接收包络g 似服从瑞利分布，其相应的平方包 络l 酬2 服从指数分布，且与接收信号的瞬时功率呈正比。瑞利分布的概率密度函 数为： 炒 考e x p ( - 扫( 蜒恬一 ( 2 - 1 0 ) 【o ( r o ) 其中，一2 是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率。 2 莱斯分布 当存在一个主要的稳定的( 非衰落) 信号分量时，如视距传输，则小尺度衰 落的包络分布服从莱斯分布。在这种环境下，从不同角度随机到达的多径分量叠 加在稳定的主要信号之上，譬，似g 口御是均值非零的高斯随机变量，均值分别为 m ，伊，m 口f j ! j ，反映在包络检测器的输出端，就是会在随机多径上附加个直流分量。 莱斯分布为： j 矿+ 2 ) 舻 孝e 订。旁( 舱0 r 加) ( 2 - 1 1 ) 【o( r o ) 其中，a 为主信号幅度峰值，l 。( ) 是修正的o 阶第一类贝赛尔函数。定义莱斯 因子k ，令 k = 等 ( 2 1 2 ) 可知，确定了莱斯因子即完全确定了莱斯分布。当a _ o ，k _ o 时，即主信号幅 度减小，莱斯分布转变为瑞利分布，当k 一。o 时。信道不呈现任何衰落。 3 n a l ( a g 锄i 分布 n a l 【a g a i i l i 分布用来描述长距离信道的快速衰落，它比瑞利分布、莱斯分布和 对数正态分布更加接近实验数据。n a l ( a g a n l i 分布用下面的分布函数来描述接收信 号的包络大小分布： - 。= 案毒晰等，畦； 其中n ，= e 日g ( t h 2 】 图2 - 3 给出了对应于不同的m 值的n a k a g a m i 分布，当m = l 时，n a l 【a g a i i l i 分 布变为瑞利分布；当m = l 2 时，n a k a g a m i 分布变为单边高斯分布；当m - m 时， 为脉冲无衰落信道。可以看出n a k a g a m i 分布可以用来模拟比瑞利分布缓慢或快速 的衰落条件，且可以得到方便运算的闭合解析式。 妻 图2 3 对应予不同的m 值的n a l ( a g m i 概率密度函数 f i g i l r e 2 3n a l 【a g 啪ip d fw i md i f f 伽tv a l u 嚣o f m 在后面章节中，我们将以瑞利衰落信道为基础来进行分析和仿真。 2 2 信道估计技术 为了实现自适应的传输方式，信道状态信息( c s i ) 必须是可知的。在链路自 适应技术中，发送端必须预先获得信道未来的衰落特性才能对发送的参数进行合 理的优化和设置，达到链路自适应的预期目的。由于无线信道的时变性和随机性， 系统得到的信道状态信息会与实际链路有一定的误差，这种误差主要来源于两个 方面：首先是接收端信道估计的误差，可以通过信道估计技术的不断发展来逐渐 缩小；其次是由于反馈和处理时延所带来的信道估计时刻信道状态与未来发送时 刻信道状态不匹配的误差，它则可以通过信道预测技术的发展来进行弥补。下面， 1 2 我们将分别对这几种技术进行叙述。 2 2 1信道估计分类 信道估计是无线通信中的关键技术。有数据显示，在中等信噪比的情况下 ( 2 0 d b ) ，l 的信道估计误差就可以使信道容量下降大约l 3 。可见高质量的信道 估计是通信系统性能的有力保障。通常，信道估计可以得到无线信道的频域传输 函数，来帮助接收端解调当前接收到的信号。对于自适应调制系统，信道估计还 可用来得到当前接收信号的信噪比( s n r ) ，并由此预计下次传输时可能的信道状 况，选择最优的传输参数。 现有的信道估计技术大致可以分为两类，一类是基于导频的信道估计，包括 基于导频和基于训练序列两种方法另一类是不基于导频的信道估计，包括盲估 计和差分估计。 基于导频的信道估计是指发送已知的导频信号或训练符号进行信道测量，通 过分析已知信号经过信道传输后发生的变化，估计出其所在信道的频域响应，较 为经典的算法包括平均类算法、插值类算法等。文献【7 】给出了几种不同的导频辅 助方式，见图2 5 。 图2 5 基于导频辅助的几种不同方式 f i g i l r 砣一5m o d b a s e d p i l o t 盲估计算法和导频辅助信道估计算法不同，它可以在发送数据完全未知的情 况下完成信道估计。所以盲估计算法不需要发送特殊的训练符号，从而提高了系 统的频谱利用率。但是该方法只有在收集到足够多数据的情况下才能得到一个可 靠的估计。对于时变的无线通信信道而言，则需要大量的历史数据，因此限制了 盲估计算法的使用。 2 2 2 基于分形滤波的信道估计 由于受无线信道多径信号分量之间并不相互独立等因素的影响，常用的瑞利 衰落信道模型与实测数据往往存在一定的偏离，在文献 8 】中将分形理论引入多径 衰落信道的描述，提出了一种利用分形滤波进行最小均方误差意义下的信道参数 估计方法。这种方法不仅对不同运动速度下的信道都能得到比较准确的估计，而 且可以自适应地跟踪信道衰落的快慢变化。 初步设想多径信道幅度衰落是由非线性动力系统产生的分形过程，同时认为 时延扩展和多普勒频展保持传统的随机分布特征。而分数布朗运动( f b m ：舶c t a l b r o 研l i 锄m 甜o n ) 是研究分形运动的一种常用数学模型，它具有统计自相似性和长 程相关性的非平稳过程，可用来描述多径的幅度衰落。m m 的广义功率谱具有幂 函数的形式，即 s ( 功： 一 ( 2 - 1 4 ) 其中，是功率谱指数，分形维数d 满足，= 5 2 d 。幅度衰落的分数布朗运动模 型具有分形维数d 和方差，两个模型参数。方差量化地表示了信道衰落的深度， 其值越大，表明信道衰落变化越深，越剧烈。分形维数是描述分形对象的一个主 要参数，对于幅度衰落，其分形维数量化地表示了多径信号变化的复杂度和自相 似性，由于多径衰落蕴含着大量移动通信信道的信息，不同的环境和移动速度具 有不同的传播特性，接收信号的幅度也就表现出不同的变化趋势。因此，分形维 数体现出信道传播环境对接收信号幅度的影响，其值越大，表明信道衰落变化越 快，越复杂。 接收到的导频信号经过相关解扩后所得到的输出信号可表示为 ( n ) = 哪( 月) d ，( n ) + ，( ) ( 2 一1 5 ) 其中d ，( n ) 是导频符号， ，( 一) 是第l 径第n 个符号位置上的信道参数，w ，( 一) 为 数据信道的多址干扰和背景噪声构成的独立复加性高斯白噪声。在系统中，导频 符号d 。( 一) 通常是已知的定值，因此瞬时信道估计值为 ( n ) = 乍f n ) ，j p ( h ) = 啊( ) + m ( 月) ( 2 一1 6 ) 信道估计器的目的就是在高斯白噪声中根据观察值嘶( n ) 来估计信道参数 1 4 ( 一) 。按照多径信道的分型模型设想，信道估计转变成从高斯白噪声中提取的分 形滤波的问题。以信号实部的估计为例： f ( 帕= 脚f ( h = 岛( 帕+ 晰( )( 2 1 7 ) 其中，啊。( 一) = r e 【坼( 一) l 坼( 一) = m 蜥( 一) 】。这种分形滤波器的结构如图2 6 所示。 锄， g t 砷 图2 石分形滤波器结构 f i 耐6r “f i l t 竹s 咖c 慨 将待估计的第n 个符号位置相邻的连续n 个符号作为估计区间，即分形滤波 器的输入为锄。，f = h 一，2 + l ，h + ，2 ，经过m 级离散小波变换后，尺度m 时 刻k 处的小波系数为： 并i ”毫d 州而露( f ) 】= i 。+ 脚，册= l ，2 ，膨( 2 1 8 ) 其中 i 伽= d w l i 吩2 ( d 】，”= d w w 。( 伽，对于毋m 信道参数啊。，设其方差 为，功率谱指数为厂，那么它在尺度m 上的小波系数的方差满足乘幂率，即 v a r 【以“】= 刃2 ”。砰= 占口2( 2 一1 9 ) 其中b 是一个与正交小波基函数有关的常数。对于高斯白噪声蜥。( f ) ，则满足： v a r 【m “】= v 珥嘶( o 】= 口：( 2 2 0 ) 分形滤波器采用了w b m e l l 提出的一种基于最小均方误差准则的算法，即取权 值： 妒k 害 ( 2 - 2 1 ) 最后经过小波反变换，分形滤波器的输出就是对信道参数的估计值，可表示 为： 蜀。( f ) = m w l i m g t m 】f = 一一孚+ l ，n + 孚 ( 2 2 2 ) 从式( 2 2 1 ) 可以看到，在大尺度下，m 大，观察频率低，f b m 的信道衰落是 主要部分，观察值的小波系数基本得到保留；在小尺度下，观察频率高，高斯白噪 是主要成分，小波系数被衰减。因此借助于小波变换具有多分辨率分析的能力， 该算法具有一个低通滤波器的特点，滤波器的形状和截止频率自适应地由m m 信道 衰落和高斯白噪的参数决定。而另一方面，分形滤波器的形状和带宽直接由m m 的 小波系数参数决定 a ：，n ，即由m m 信道幅度衰落的方差一和分形维数d 自适应决 定的。前面已经提到，幅度衰落的分形维数和方差是衡量信道衰落变化快慢的有 效参数，这样分形滤波器的性能将由信道衰落变化的快慢所决定。因此该算法能 够适用于各种运动速度下的信道。其它具体参数的计算请参考文献 8 】。 2 2 3 信噪比估计 链路自适应技术需要根据瞬时信道状态来自适应的调整传输参数，信道状态 信息主要包括：信噪比( s n r ) 、误帧率、误比特率、发送端反馈、译码信息等。 其中，信噪比是衡量信道状态的最主要参数，本节就主要研究信道的信噪比估计 问题。 信道的信噪比估计按照给定调制方式的不同，可分为恒包络信噪比估计与非恒 包络信噪比估计。其中恒包络信号的信噪比估计较为简单，可以将信号包络的变 化归结为噪声的影响，把信号包络的方差作为噪声的功率，信号包络均值的平方 作为信号功率，就可以较为准确的估计出信号的信噪比。对于非恒包络信噪比的 估计研究也取得了一些进展，但这些方法大都需要对接收信号的各种参数有精确 的了解，在缺乏先验知识的情况下，往往会产生较大的估计偏