基于空时编码的多用户检测算法研究.doc

太原理工大学硕士学位论文基于空时编码的多用户检测算法研究姓名：高忠宝申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：李艳萍20070501太原理：大学硕士研究生学位论文基于空时编码的多用户检测算法研究摘要随着因特网和多媒体在下一代无线通信中的应用，宽带高速数据通信服务的需要正在不断增长。由于可用无限频谱资源的有限性，高数据速率只能通过高效的信号处理来实现。信息论领域近期的研究表明，在无线信道中使用多输入多输出（：）系统可以显著提高通信容量。在信道中，空时编码是能够使系统容量接近理论容量的一种编码方式，空时编码和相关的信号处理技术已引起了广泛的关注。同时，无论从技术角度，还是市场和经济的角度出发，作为核心技术的技术必将在未来几年内具有十分重要的地位，因此，如何利用先进的空时编码和技术、提高系统的容量和性能成为近两年来的研究热点。本文从空时信道模型出发，讨论了空时信道的容量、空时编译码方法，重点研究了两种空时编码方式在系统中的应用，详细研究了采用空时编码时的空时多用户检测算法，主要工作如下：研究了目前分层空时多用户检测算法的局限性和缺点，提出一种改进的分层空时分组多用户检测算法；基于。鲁棒控制的思想，将鲁棒滤波方法应用于多用户检测领域，提出一种基于鲁棒滤波算法的多用户检测算法，该算法在太原理工大学硕士研究生学位论文【，（），太原理工大学硕十研究生学位论文，：（）；（）日”，（），（），声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，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。对本文的研究做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：南逮、室！鄯：塑：芷：查关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）签名：高：基壹：日期：地：笸导师签名：太原理：人学硕七研究生学位论文引言第一章绪论在过去的十几年里，无线通信获得了迅猛的发展，从模拟通信到数字通信，从单纯的话音传输业务到包括低速数据传输的综合业务，从单基站系统到多基站系统，从单一覆盖模式到蜂窝和复蜂窝覆盖模式。无线通信技术的不断进步扩大了无线通信的应用范围，使得新的应用领域层出不穷，例如移动电话数据多媒体、移动计算、移动电子商务、蓝牙（微型网络）、无线局域网和无线等等。目前，第三代（）宽带无线通信系统已经在许多国家实现商用，很多研究机构又开始了第四代（）无线多媒体通信技术的研究并取得了一定的进展。无线通信的需求不断增长，也推动着技术向获得更高容量，更高性能的方向发展。人们期望将来的无线通信系统即使是在非常复杂的传播环境下也能达到更高的传输速率，容纳更多的用户。然而与有线通信系统相比，无线通信系统面临着更多的挑战，如复杂的多径时变传播环境，有限的频谱资源，移动端有限的能量存储能力，更高的传输速率，更好的通话质量等。因此，如何提高频谱效率，增强无线系统性能成为国内外研究学者，工业部门广泛关注的热点问题。、研究表明，如果不采用智能天线技术、分集技术（包括空时编码技术），未来无线通信系统的性能需求将可能无法得到满足。而对于高性能的无线通信系统，无论它是否采用空时处理技术，都要面临三个主要的障碍。第一个就是由多径衰落引起的信号衰落。多个具有不同幅度、相位的多径信号相互干扰使得接收到的信号随时间、位置的变化而变化，因此，对于某个给定的误比特率，这将需要增加发射信号的功率。第二个障碍就是多用户干扰（也称多址干扰）。多址干扰（：）主要是由于多个用户共享同一个信道，不同用户之间产生的干扰，这个问题在码分多址（：）通信太原理工大学硕士研究生学位论文系统中可能更严重，因为同一小区的所有用户都共享同一频带。多用户干扰会限制系统的容量。第三个障碍为由无线信道的频率选择性所导致的码间干扰（：），码间干扰主要影响数据的最高传输速率。本课题在讨论空时信道模型和空时编译码方法的基础上，研究空时编码在系统中的应用，着重研究空时编码（包括分层空时编码、空时分组编码及差分空时分组编码）和结合时的多用户检测方法；讨论无线信道的频率选择性对空时性能的影响，进而研究下的空时多用户检测方法。以下各节对本文所涉及的技术、多用户检测技术、空时处理及多载波技术分别作一简单介绍，为后续章节讨论空时编码多用户检测奠定基础。通信系统中的多用户检测。技术在无线通信系统中，可能存在着多个用户同时通信、用户数量随机变化、用户位置随机移动的情况，区分与识别这些用户就要涉及到多址技术。频分多址（：），时分多址（：），码分多址是无线通信系统中共享同一频带的三种主要的多址方式。为每个用户分配唯一的信道，一旦该信道被分配，其他用户则不能再共享这一信道。系统则在一个给定的无线频道上，将连续时间分成若干时隙，每个用户在一个周期内占用所分配频率的某一时隙，在规定的时间内收发信号。而在系统中，所有用户共用同一频段及时隙，不同用户分配给一个唯一的地址码，利用地址码的相关性来区分不同用户的信息。图给出了一个系统的原理框图【】。在系统中，码片速率比信息速率要高得多，所有用户使用同一载频，且可以同时进行通信。目前，常规的接收机都是基于接收机原理完成相关运算以检测期望用户信号。在相关器输出端，接收机把所有其他用户的信号看作加性噪声，并没有利用于扰用户的特定结构信息，因此它无法有太原理大学硕士研究生学位论文效抑制多址干扰，从而使系统的性能受到很大的限制。图系统框图系统可以接受一定程度的多址干扰，然而系统中每增加一个活动用户，都会使总的干扰电平相应增加。每个用户引起的干扰电平取决于其功率电平、相对于系统中其它用户信号的定时同步以及它与其他用户信号的互相关情况。随着干扰用户的不断增加，等效的噪声将导致系统性能迅速恶化。即便是系统中的用户数不太多，但若干扰用户比期望用户距离基站近得多，干扰信号在基站的接收功率也可能比期望用户信号的接收功率大很多，期望用户的扩频序列与干扰用户信号之间的互相关就有可能比期望用户扩频序列与期望用户信号之间的自相关大，因此常规的相关接收机的输出中多址干扰的成分就有可能很严重，期望用户信号甚至有可能淹没在干扰信号中，这就是所谓的“远近”效应问题。为了克服“远近”问题，在大多数系统中均采用功率控制技术。功率控制在基站实现，保证该基站范围内的每个移动用户都能给基站接收机提供大致相同的信号电平。尽管在系统中采用了功率控制技术，但是系统的性能与信道容量仍受到多址干扰的限制。多用户检测技术解决多址干扰，抵抗信道衰落的有效方法是充分利用各用户间的时域和空域相关性，来抑制多址干扰和多径频率选择性衰落信道的影响，如采用智能天线技术、多用户检测技术和发射分集技术等。多用户检测器利用了多址干扰的特定结构，因此与常规的相关接收机相比，多用户检测技术可以大大提高系统容量。最优多用户检测裂】最先由于年提出，它由一组相关器或匹配滤太原理工大学硕士研究生学位论文波器紧接个采用维特比（！算法的最大序列检测器组成。最优多用户检测器的计算复杂度和用户个数成指数关系，在用户个数较多时，提出的最优多用户检测器计算量非常大。而且该检测器需要己知期望用户和干扰用户的几乎所有信息（特征波形、信道响应），因此这种检测器根本无法在实际当中应用。所以后来的研究都是寻求性能和复杂度的折中的次优多用户检测，掀起了多用户检测技术的研究热潮。次最优多用户检测器主要分为线性检测器和非线性检测器。其中线性检测器主要有解相关检测器（：）和最小均方误差检测器（：）。非线性检测器主要分为多级检测器，判决反馈检测器，干扰抵消器，并行干扰抵消器，基于神经网络的多用户检测等。在实际的通信系统中，多用户信号检测应该是实时处理的，因此人们开始寻找一种自适应的多用户检测算法。年问、和等人先后提出了基于的自适应多用户检测器【】【】，这种检测器不需要知道干扰用户的特征波形、定时信息以及干扰用户的相对幅度就可以对期望用户的信号进行检测。但是它需要使用训练序列，根据训练序列来锁定滤波系数，因此在非平稳的情况下，需要每隔一段时间来重新发送训练序列，造成频谱资源的浪费。年等基于最小输出能量准则（：）首先提出了盲多用户检测的概念【，并给出一种盲多用户检测的典范形式。这种检测器，不需要训练序列就可以正确解调期望用户的信号，成为近几年的研究热点。目前盲多用户检测的研究方法主要有：基于最小输出能量准则的多用户检测，基于恒模（：）准则的多用户检测【焖，基于子空间分解的多用户检测川。此外，还有基于卡尔曼滤波算法的多用户检测【】【】【】和基于隐马尔可夫模型的多用户检测旧等等。基于研究多用户检测技术则是近几年的热点，研究方法大多是对系统中的检测方法进行推广。太原理。人学硕士研究生学位论文空时处理技术对于无线通信，用户和障碍物都分布在不同的地理位置，从而多址干扰和多径衰落具有空时耦合的结构特征。只采用时域信号处理或者空域信号处理，能够抑制多址干扰和多径引起的符号间串扰。但是，由于二者都没有充分利用无线通信信道的空时耦合的结构特征，所以限制了各自的干扰抑制能力，从而不可能最大限度地提高无线通信系统的性能。联合进行时域和空域信号处理的空时处理技术，能够充分利用无线信道的空时结构特征，进一步提高无线通信系统的用户容量、覆盖范围和传输速率】【】【】。空时处理的研究首先是在雷达领域开展的，九十年代应用于无线通信领域。根据无线链接的不同结构，空时处理可以分为接收空时处理（单天线发射，多天线接收）、发射空时处理（多天线发射，单天线接收）及技术（多天线发射，多天线接收）。接收分集同一信号在不同的接收天线上被接收，只要天线间隔与载波波长相比足够大，则通过各个衰落信道后，各接收天线接收的信号出现的衰落将是彼此独立的。分集接收时，接收端得到的多个不同的独立信号可以通过不同形式的合并技术获得分集增益。从接收看，合并可以在中频和射频上进行，也可以在基带上进行。通常的分集合并技术主要有选择性合并（：），最大比合并（：）及等增益合并（：）三种。选择合并概念上最简单：在多个支路接收信号中，选取信噪比最高的支路信号作为输出信号。由于选择合并只需要测量每个支路的接收功率，因此很容易实现。最大比合并对每一支路的接收进行加权处理，加权的权重依各支路的信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。从信噪比最大的角度来看，最大比合并是最优的，但它需要估计信道衰落系数。在最大比合并中，若取各个支路的权都为即为等增益合并。等增益合并性能仅次于最大比合并，当支路数较多时，其性能与最大比合并相差不多。太原理大学硕士研究生学位论文发射分集由于体积和成本的限制，在移动端使用多个天线可能比较困难，因此更经济可行的办法是在基站而不是在移动端使用多个天线，所以下行链路采用发射分集技术在实际系统中是非常可取的。发射分集根据发端是否需要信道状态信息可以分为两大类：闭环发射分集和开环发射分集。闭环发射分集方案显式或隐含地使用接收机到发射机的反馈信息来配置发射机。开环发射分集方案则不需要反馈信息，仅在发射时利用线性处理将要发送的信息分布到各个天线上。在收端，利用线性处理或最大似然译码技术来恢复发送的信息。最近，基于多天线系统的信道编码方法引起了国内外研究学者的极大兴趣。首先提出空时码（：）的概念【】【】，并用格形编码调制构造了一些空时码，即空时格形码（：）。空时格形码集多天线发射分集和编码于一体，具有较好的频率有效性和功率有效性。但当发射天线个数固定时，的译码复杂度随发射速率的增加呈指数增加。在解决译码复杂度问题时，发现了一种简单的发射分集方案【，文献】将其归纳为空时分组码（：）。技术（）技术最早是由于年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的（）系统，还可以包括（）系统和（）系统。无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。该技术结合了天线发射分集、接收分集与空时编码技术，在多径传播环境中，通过增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理来捕获、分离与合并多径。系统在发端与收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，以及无线信道的多径传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并行传输通道。在不增加太原理：大学硕士研究生学付论文带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质晕与数据速率，堪称现代通信领域的重要技术突破。技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对发一收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发一收天线间的无线传输信道趋于独立，这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交。发射数据流被分离为脚路子数据流，在调制与射频前端处理后以相同的频率分别经副天线同时发射出去。经无线信道的散射传播，这些并行子流从不同路径到达接收机，由一。副天线接收，接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据流。虽然理论分析结果表明无线技术能够极大地提高系统容量与可靠性，但仅有分析是不够的，更为重要的是开发误码性能与复杂度折衷的传输方案以获取系统的实际性能增益。大量算法企图同时充分获取分集与复用增益，因此可将算法方案分为两大类。第一类是分集最大化方案，即空时编码方案。天线分集可以对抗信道衰落，提高无线链路的可靠性，并且联合应用多维天线分集与时间分集，可以获得更好的分集效果，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，从而提高无线传输的稳健性。在延时发射分集的基础上，等提出了空时格形码，它具有卷积码的特征，并将格形编码、调制与发射分集结合在一起，在不增加带宽的情况下，可以同时获得满分集与高编码增益。它利用某种格形图，将同一信息从多副天线发射出去，在接收端采用基于欧氏距离的译码，其复杂度很高，且随传输速率呈指数增加，但其性能较好，抗衰落能力强。随后，各种空时编码得到快速发展，如空时格形码与级联空时码等。然而，空时编码的盛行实际是从空时分组码的发现开始的，因为的构造比较容易。由于发射信号两两正交，收端可采用线性最大似然检测，其译码简单。的性能只与分集阶有关，它可以获得满分集增益，但是没有编码增益，其抗衰落性能较差，尤其是抗快衰落性能很差，因此，更适于微小区或微微小区环境。太原理工大学硕十研究生学位论文第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为系统的多天线也可实现空间复用。无线信道的多径传播增加了系统可用的自由度，若各对收发天线路径的衰落独立，则空间矩阵信道创建了多个并行的空间传输通道，利用并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据率。著名的（）结构【“，就是将待发射的信息流分解为多路并行子流，对各路独立地进行编码、调制与映射到其对应的发射天线上，在收端采用迫零或迫零结合干扰消除等技术将多路子数据流分离。其实质是将单路高信噪比信道分解为多路相互重叠的低信噪比信道并行传输，达到空间复用的目的，从而提高频谱利用率。复用方案也可归结为分层空时编码结构，包括（）、（等。然而，纯粹的天线分集与纯粹的复用方案并非最优方案，因为系统本身的自由度在给定天线配置下是有限的，它们各自都只解决了问题的一个方面，即获取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然。于是，在算法开发中如何对二者进行折衷以同时获得分集与复用增益达到最佳的系统性能，成为人们追求的目标。空时多用户检测在蜂窝通信系统中，（同信道干扰）和（码间干扰）同时存在，单独的时域处理或空域处理不能同时对消这两种干扰。将空间和时间处理有效结合，同时利用信号的时间和空间特征，这种联合的空时信号处理技术不仅可以对消和，还可以提供阵列增益和分集增益，并因此提高网络的容量和覆盖范围。文献最先将空时处理与多用户检测相结合，研究了加性白噪声条件下的空时解相关检测，进一步在小时延多径信道条件下，深入研究了各种结构的空时解相关检测和空时检测口】渊，利用期望最大（：）算法研究了多径信道条件下空时解相关检测的迭代实现】。最早在加性白噪声条件下研究了最小方差盲空时多用户检测【。随着人们对空时编码研究的开展和深入【，对空时多用户检测的研究开始太原理工大学硕十研究生学位论文转向基于宅时编码与多用户检测的结合。例如，基于文献【提出的结构，等人提出了适用于上行链路的分层空时多用户检测算法【】，采用该方法，基站配备个天线（，），移动台配备一个天线，将小区中的所有移动台分成组，每组肘个用户，组内用户使用相同的扩频码，这样每个组就可以看作是配备了膨个发送天线的一个用户，从而构成了一个（材，）系统，而且由于组内多个用户使用相同的扩频码，所以使用较小的扩频因子就可以获得较大的容量。与文】一样，发端无需专门的编码，接收端采用两级结构，第一级为空一码组合匹配滤波器，先将不同的组区分开来；第二级为分层空时检测器，用来抑制组内的多用户干扰。文献提出一种简单的发射分集技术，该技术通过在发端采用空时分组编码，接收端进行简单的最大似然译码就可以达到与接收分集相同的分集增益。文献采用文献提出的分组编码方法，讨论和比较了四发两收的系统下，采用线性多用户检测方法与串行干扰抵消方法的空时检测性能，结论是空时线性检测方法的性能优于串行干扰抵消方法，但计算复杂度要高。多载波技术多载波调制原理多载波调制（：）的就是将高速的数据流通过串并变换分解成若干低速的比特流，并且用这些数据流去并行调制若干个子载波，再叠加在一起进行发送。在接收端用同样的子载波对信号进行相干接收，获得各子信道的低速率数据后，再通过并串变换得到原来的高速信号。多载波调制的主要优点就是具有抗多径信道时间扩散的特性。在多载波调制的子信道中，由于数据速率低，码元周期长，而决定频选性能的因素在于扩散区间在被传送信息码元中所占的相对百分比，因此只要时延扩展与码元周期之比小于一定的值，就不会影响到判决。多载波系统的原理框图如图所示。太原理工大学硕士研究生学位论文图多载波调制系统框图根据子载波的特性，在多载波调制中由三种常见的子载波形式：（）传统的频分复用，它将整个频带划分为个互不重叠的子信道，在接收端用滤波器组进行分离；（）采用偏置（）技术，在处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到（即将数据偏移半个周期）；（）正交频分复用，各子载波有重叠，但保持相互正交。这是目前应用和研究最广泛的一种方式。正交频分复用正交频分复用（：）是一种高效多载波调制技术，它使用相互正交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据流，各子载波有重叠，提高了频谱效率，且能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠地接收。由于各子载波相互正交，在接收端可通过相关解调技术来分离各子信道，避免使用复杂的滤波器组。的具有以下主要优缺点、优点：（）经串并变换，大大降低了符号速率，同时插入了保护间隔，几乎全部消除了符号间串扰；太原理工大学硕士研究生学位论文（）在带宽受限系统中的低符号速率传送，需采用简单的均衡就可以达到很好的性能，而传统单载波则高要采用复杂的接收技术。、缺点：（）由于保护间隔的插入将带来功率与信息速率的损失；（）多载波系统对频率和定时同步的要求极为严格，同步误差会导致系统性能的迅速恶化；（）因符号是许多独立信号的叠加，其包络服从高斯分布，因此其峰值功率与平均功率的比值较大，对系统前端放大器的线性范围要求增大；（）由于不同的子载波对应不同的信息符号，为防止某个子载波受深度衰落而出错，必须在符号的一帧内采用纠错保护，因此必须提供冗余的子载波。基本原理最早是由等人钔提出来的，它是将技术应用于码分多址，从而使系统能更好的克服码元的符号间串扰（）的影响。其基本思想简述如下：（）首先使用正交的扩频码（扩频增益）对用户信息进行扩频调制，则第个用户扩频后的信号表示为：（叱精（其中：表示扩频前的码元，表示扩频码；（）扩频后的信号再经过调制，将信号的每个码片（）调制到不同的子载波上，使矢量的个分量州并行地在个子载波上传送。每个分量卅的时间周期与的符号周期相等，加上保护间隔后的时间周期为幄，其中，为信息符号周期，互为码片周期，为保护间隔；（）是频域扩频，每个码片占用一个予载波；（）系统中调制解调由、来完成。多个用户的输入数据并行地加在太原理大学硕士研究生学位论文系统的输入端，利用扩频码，将每个用户的数据扩展到所有的子信道上，并与其它用户的信号叠加，叠加后的信号通过变换到时域，完成串并变换，同时加入保护间隔。再通过数模变换和低通滤波形成模拟基带信号，用上变频搬移至射频信道。接收机的解调部分完成发射机调制部分的逆过程。与的结合系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，系统依然是无能为力。目前解决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。大多数研究人员认为技术是（的核心技术，需要极高频谱利用率的技术，而提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在的基础上合理开发空间资源，也就是，可以提供更高的数据传输速率。另外由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码问干扰的困扰。本文的主要工作和结构安排这一章，我们简要综述了技术、多用户检测技术、空时处理及多载波技术，并对目前空时领域的多用户检测技术的发展和研究方向做了较为详细的说明，在后续的章节还将就这一核心内容作进一步的分析和探讨。第二章首先介绍了无线电波传播的基本原理及传播特性，并描述了无线信道多径传播的数学模型。其次，讨论了空时信道模型，并对无线信道的信道容量及掉线容量等问题进行了详细论述。第三章分析了既有分层空时多用户检测算法的缺点，提出了一种改进的分层空时分组多用户检测方法；针对传统盲自适应滤波多用户检测算法的局限性，将鲁棒滤波（。滤波）理论引入到多用户检测中，并应用于分层空时多用户检测算法。第四章通过将鲁棒滤波算法应用于空时分组编码多用户检测算法，基太原理工大学硕士研究生学位论文于降秩、并行处珲的思想，提出一种低复杂度的空时多用户检测算法。第土章将分眨空时多用户检测和空时分组编码多用户检测推广到环境下，通过仿真分析了各种算法的性能。最后对本课题所作的工作做了总结，并提出下一步主要研究的方向。太原理工大学硕七研究生学位论文第二章空时信道模型本课题研究的多用户检测技术属无线通信领域的接收技术，更狭义的讲主要是侧重于移动通信方面。由通信系统模型我们知道，信源、信道、信宿是构成通信系统的三个要素，信源是已知的，而要研究信宿的接收技术，则依赖于对信道的了解，只有更深入的了解信道的特性，才能更好的研究通信收、发技术，提高通信质量。移动信道属于无线信道，它既不同于传统的有线信道，也与一般的固定接入无线道有所区别。有线信道是恒定参量的、人为制造的信道，无线信道客观存在的变参量信道，移动信道是无线信道的一个子类，它既具有无线信道的特点，又具有终端用户随机移动的特点。移动无线信道传播特性在有线通信系统中主要考虑加性高斯白噪声对系统性能的影响，而在无线通信环境中，则必须考虑收发天线间的距离，建筑物等的遮挡引起的信号衰减以及信号的多径分量、多普勒频移等相互干扰引起的衰落闯题。无线信道对传输信号的影响可以分为三类【】【】：（）自由空间的路径损失（也称传输损耗）：它是指电波在空间传播时产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围（公里量级）的空间距离上的接收新号电平均值的变化趋势；（）阴影衰落（慢）：由传输环境中的地形起伏，建筑物或其它障碍物对电波的阻塞、遮蔽而引起的衰落；它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢故又称为慢衰落；（）多径衰落（快）：由无线传播环境中的多径传输而引起的衰落。它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从】太原理上大学硕十研究生学何论文（瑞利）分布或莱斯）分布，其变化率比慢衰落快，故叉称为快衰落。快衰落又分为空间选择性衰落、频率选择性袅藩与时间选择性衰落。对通信质量影响最大的是第三种衰落，即多径衰落。下面我们重点对它的影响进行分析，并给出无线信道的数学模型。多径衰落当无线电波及其多径分量以不同的幅度、相位、传播时延及波达角到达接收天线时就会出现衰落。这些多径分量相互干扰引起信号的失真与衰落。即使接收机处于静止状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中物体的运动而产生衰落。多径会引起信号在时间和空间上的扩展（若信源存在相对运动的话，还会引起频率扩展），原因就在于无线电波传播的三种基本传播机制：反射，绕射和散射）。当传播的电磁波入射到一个尺寸比其波长大得多的物体如地球表面，建筑物等时，电磁波会发生反射。当在一种媒介中传播的无线电波入射到另一种媒介表面时，无线电波的部分能量会被反射到第一种媒介，而另一部分能量则被折射到第二种媒介。由于大多数建筑物都是由能吸收大量电波能量的材料构成，因而与反射波相比，折射波的能量要小得多。若发射端和接收端之间的无线电波被一个具有明显不规则性物体阻挡，则会发生绕射。由阻挡表面引起的二次波存在于整个空间，甚至在障碍物后面也存在，使得电磁波能够绕过障碍物传播（故称绕射）。尽管接收机移动到被阻挡区域时，接收到的场强会迅速衰减，但绕射场的存在使得该处常常具有足够的强度。这个现象解释了即使不存在直视路径，无线电波也能到达接收机的原因。当电磁波在传播中遇到一些尺寸小于波长的物体或每单位体积的障碍物数目很多时，电磁波便会产生散射。在市区环境中，树叶，街道路标，路灯杆等都会引起散射。散射会使无线电波的能量扩散到各个方向。三种传播机制哪一种起主要作用与具体的环境有关。若在移动台和基站之间存在直视路径，则反射起主要作用；而若移动台处于高楼林立的环境中，在移动台和基站之间不存在直视路径，则绕射和散射居主导地位。总之，多径传播会导致接收信号在时间（时延扩展），空间（角度扩展）和频率（多普勒扩展）上的扩展。在典型的蜂窝通信系统中，时延扩展为量级，角度扩展从。到。，多】太原理工大学硕士研究生学位论文普勒扩展则从到【】【。在宏小区移动通信情况下，环境中的散射体可划分为三类：本地到基站的散射体，本地到移动台的散射体及远程反（散）射体。如果一个物体的尺寸比波长大而且高于天线，则我们称该物体为本地散射体。到基站的本地散射体是指基站附近的本地结构如建筑物，树木等，这类散射体会引起信号较大的角度扩展，但是引起的时延扩展小并且不会引起额外的多普勒扩展。到移动台的本地散射体是指移动台附近几十米范围内的本地建筑物或其它散射体。因为移动台天线的高度相对较低，因此这些本地散射体会造成严重的角度扩展，当移动台相对运动时还会引起多普勒扩展。但是，从基站的角度看，这些散射体除多普勒扩展外，只会引起很小的时延扩展和角度扩展。远程散射体也称为远程强反射体是指离基站或移动台很远的地形特征如山岭，高层建筑等。远程散射体将会产生镜面多径，导致明显的时延扩展和角度扩展。在宏小区环境中，移动台往往被其周围的本地散射体包围，因此不存在直视路径，信号将经历全向散射（或弥散多径），即无线电波从各个方向到达。不过，基站通常架设在高层建筑，铁塔或山岭上，因此基站通常不受本地散射体的影响。对于微小区传播环境，基站天线通常低于房顶。大量的散射体如建筑物，汽车等会对到达基站的信号造成小的时延扩展，明显的角度扩展及某些多普勒扩展。有时存在直视路径，因此使用信号快衰落的莱斯模型较合适。与宏小区传播环境相比，多径数目可能非常大。多径信道数学模型为了进一步说明前面我们所介绍的一些概念，这一小节我们讨论多径传播环境的数学特征。为简化数学模型的推导，假定无线信道具有几条不同的主要路径，每条路径都是由许多无线电波分量的叠加组成，大多数山区及市区环境都是这种情况。我们首先讨论只有一条主要多径的情况。设发射的解析等效信号为（）（），（）式中，）为复基带信号，为载频。若无线环境由大量的本地散射体组成，太原理大学硕士研究生学位论文则在该多径环境中的接收信号，（）足发射信号的具有不同幅度和时延的多个拷贝的叠加（为简使计，暂不考虑噪声）。设第个多径分量的幅度为，时延为，则，（）爿（）堋（）式中彳包括天线增益，相位及极化等的影响。若以表示第一条路径的传播距离，则以，为光速。如果发射机（或接收机）以速度运动，则接收信号的频率也会发生变化，这个现象称为多普勒效应。可以证明多普勒频移为厶。正（）式中纯为第一个多径分量的入射方向与速度矢量之间的夹角。这样，信号模型变为【刀，（）么（）口胁阶川绷（）注意由于发射接收天线或环境中其它物体的移动，参数，及厶。均是时变的，然而在一个短的时间间隔内，这些参数的变化通常可以忽略不计。因此，为简单起见，我们假定这些参数在一个短的时间间隔内保持不变。为了说明路径损失及阴影效应，每个多径分量都要再乘以一个系数，然而若传播距离扩展皇“。（以一以）比传播距离小得多的话，则这些系数可假定是相同的。在这种情况下，对每个多径分量而言，随距离的衰减是相同的，因此我们假定以归一化为。另外，我们还假定信号相对于信道是窄带的，即其带宽的倒数远大于时延扩展（时延扩展与信道的相干带宽成反比）：，其中时延扩展（一）。这一假设意味着（）（一），。吒】，从而接收信号可以改写为心刚印一）障兄删）一班（）太原理工大学硕研究生学位论文其中，吮（）（，。）。令（）焉，则接收的等效低通信号可表示为：（）（）（）值得注意的是窄带假设意味着信号路径在时间上是不可分辨的，因此信道表现为单径信道。的均方根谱宽度就称为多普勒扩展【，是信号随时问变化快慢的一个测度：多普勒扩展越大，信号变化越快。信号快衰落主要由相位唬）的变化引起，因为它们的变化比幅度兄的变化要快得多。中的各个分量同相或反相相加就造成了接收信号快速剧烈的波动，尤其是在用户存在相对运动的时候。因为（）为窄带随机过程，所以以（）服从】内的均匀分布，若进一步假定是独立同分布的，并与相位蛾（）不相关，而且环境中存在大量的散射体，则由中心极限定理可知，服从复高斯分布【。所以的包络服从瑞利分布【】，设的包络记为，则矿的一维概率密度函数厂（）可表示为形，：；冲（专协。，【式中一为接收信号的时间平均功率。若存在直视分量，则的均值不为零，包络服从莱斯分布邝，：暑唧（一与笋厶笋舢泣。，式中表示直视分量的峰值幅度，厶（，）为零阶一类修正贝塞尔函数。在宏小区环境中，衰落常常为瑞利分布，而在微小区环境中，则可能为莱斯分布。式（）表示信号（）的单径信道响应，因此信道的低通冲激响应为（）（）（）式中占（）为狄拉克单位冲激函数。