（通信与信息系统专业论文）通信信道估计跟踪理论与技术.pdf

山东大学硕十学位论文 中文摘要 移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是 2 1 世纪对人类的生活和社会发展将产生重大影响的科学技术领域之一 第一章简单回顾了一下移动通信从第一代开始到现在的发展历史自从 1 8 9 7 年马可尼的实验证明了运动中的无线通信的可应用性，人们就开始了对 末来的移动通信孜孜不倦的追求首先介绍了第一代和第二代通信技术的特 点，然后介绍了第三代和最新一代的通信技术特点，本章末尾介绍了论文的 结构 、通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约发射机与接收机之间的 传播路径非常复杂，第二章针对电波传播特性，对信号所处的移动传播环境 作了介绍，还对各种特性的产生作了说明无线信道的建模历来就是移动无 线系统设计中的难点，本文作者根据自己所做课题情况绘出了系统仿真常用 的多径移动衰落信道的模型 接下来的一章对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 ) 系统及系统中的信道估计迸行了介绍首先介绍系统模型的构建，然后给出 了在该系统中已经采用的最小二乘( l s ，l e a ds q u a r e ) 估计和线性最小均 方误差( l m m s e 。l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 估计的方法，紧接 着介绍了一种利用伪随机( p n ，p s e u d o r a n d o m ) 码的信道估计方法和一 种利用卡尔曼( k a l m a n ) 滤波的半盲信道估计方法，接下来针对各种该系统 中的估计方法进行了性能仿真，最后介绍了采用不同导频结构对估计性能的 影响 第四章则是首先详细介绍了l m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) 、r l s ( r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ) 和c m ( c o n s t a n tm o d u l e ) 等自适应均衡算法 和k a l m a n 滤波算法，针对它们各自的优点与局限性，将自适应均衡算法与 卡尔曼滤波算法结合起来，论述了一种新的自适应信道跟踪算法利用新的 算法，不但节省了大量系统带宽资源，而且能够较好地跟踪时变多径信道 本章最后给出了仿真结果 滤波器组技术作为现代通信与信息处理领域的一种新技术，已在信号处 理、语音处理、图像处理、频谱分析等领域，尤其是无线通信领域得到广泛 山东大学硕士学位论文 的研究和应用。近来成为研究热点的滤波多音频技术f m t ( f i l t e rm u l t i t o n e t e c h n o l o g y ) 是一种新型的滤波器组多载波传输技术第五章给出了f m t 系统的模型，并且在此基础上提出了该系统中的借助k a l m a n 滤波的一种半 盲的信道估计方法，进行了仿真并且对结果进行分析 最后一章结合整篇论文的内容，对全文进行了总结，并且对今后该领域 的研究热点进行了展望 山东大掌硕士学位论文 a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o n i s o n eo ft h em o s ta c t i v ea n d r a p i d e s t - d e v e l o p i n ga r e a si np r e s e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hw i l l p r o d u c eg r e a ti n f l u e n c eo nh u m a nl i f e i nc h a p t e r1 。w eg i v eas i m p l ei n t r o d u c t i o no ft h eh i s t o r yo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n e v e rs i n c ef r o mm a r c o n i se x p e r i m e n tt h a tp r o v e dt h e a p p l i c a t i o no fd y n a m i cw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，p e o p l eh a v eb e g u nt h e i r r e s e a r c ht om o b i l ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r i o u s l y t h i sc h a p t e rf i r s t l y f n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i r s ta n dt h es e c o n dg e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s 。a n dt h e nt h et h i r da n dt h el a s tg e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s f i n a l l yt h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e ra n dw h a ti h a v ed o n ei nt h i sr e s e a r c ha r e a p e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm a i n l yr e s t r i c t e db ym o b i l e w i r e l e s sc h a n n e l c o m m u n i c a t i o nc h a n n e ib e t w e e nt r a n s m i t t e r sa n d r e c e i v e r si sv e r yc o m p l i c a t e d a c c o r d i n gt op r o p e r t yo fe l e c t r i cw a v e c h a p t e r2i n t r o d u c e sm o b i l e t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t ，a n do r i g i n s o f t h e s ep r o p e r t i e s t h em o d e l i n go fw i r e l e s sc h a n n e li sa l w a y san o d u si n t h ed e s i g no fm o b i l ew i r e l e s ss y s t e m i nt h i sc h a p t e r ，a c c o r d i n gt om yo w n r e s e a r c h 1p r o v i d eau s u a lm o d e fo fm o b i l ef a d i n gc h a n n e lw h e n s i m u l a t i o n t h ef o l l o w i n gc h a p t e ri n t r o d u c e so f d ms y s t e m a n dc h a n n e l e s t i m a t i o ni no f d ms y s t e m i nt h ef i r s th a n d 。ii n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o n o fs y s t e mm o d e l ；i nt h es e c o n dh a n d ，t h ep e r f o r m a n c eo fl e a s ts q u a r e e s t i m a t i o na n dl i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o re s t i m a t i o n ；a n dt h e na c h a n n e ie s t i m a t i o nb yu s eo fp nc o d ea n das e m i - b l i n dc h a n n e ie s t i m a t i o n b y u s eo fk a l m a nf i l t e r ；f i n a l l yig i v es i m u l a t i o n so fa l lk i n d so fe s t i m a t i o n c h a p t e r4g i v e sd e t a i l e di n t r o d u c t i o no fs o m ea d a p t i v ee q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m ss u c ha sl m s 、r l sa n dc m a a n dk a l m a nf i l t e ra l g o r i t h ma s w e l l a c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n ta d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n s ，ic o m b i n e d ! 竺：奎：竺兰兰 a d a p t i v ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m sa n dk a l m a nf i l t e ra l g o r i t h mt o g e t h e rt o e x c o g i t a t ean e wa d a p t i v ec h a n n e lt r a c k i n ga l g o r i t h m s t h en e wa l g o r i t h m w i l ln o to n l ys a v em a s s e so fs p e c t r u mr e s o u r c e s b u ta l s oc a nt r a c k t i m e - v a r y i n gm u l t i p a t hc h a n n e lb e t t e r a san e wt e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o nf i e l d s f i l t e r g r o u pt e c h n o l o g yh a v eb e e nb r o a d l ya p p l i e di ns i g n a lp r o c e s s ，s o u n d p r o c e s s ，i m a g ep r o c e s s ，s p e d r u ma n a l y s i sa n de s p e c i a l l yi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f m t w h i c hr e c e n t l yh a sb e c o m eah o ts p o t i sa n e wf i l t e rg r o u pm u l t i p l ec a r r i e rt e c h n o l o g y c h a p t e r5p r o v i d ef m ts y s t e m m o d e la n dan e ws e m i - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db yk a l m a nf i l t e r ， a n dl a s t l yg i v es i m u l a u o n sa n da n a l y s i s t h el a s tc h a p t e rs u mu pt h ew h o l ep a p e ra n dg i v ep r o s p e c t so ff u t u r e h o ts p o t si nt h i sf i e l d i v 山东大学硬十学位论文 i ii i _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 符号说明 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 正交频分复用 l sl e a s ts q u a r e 最, j , - - 乘 l m m s el i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r线性最小均方误差 l m s r l s c m p n f m t l e a s tm e a ns q u a r e 最小均方 r e c u r s i v el e a s ts q u a r e 加权最小均方 c o n s t a n tm o d u l e p s e u d o - r a n d o m f i l t e rm u l t i t o n et e c h n o l o g y 恒模 伪随机 滤波多音频技术 a m p sa d v a n c em o b i l e p h o n es e r v i c e 高级移动电话服务 g s mg l o b a ls y s t e mm o b i l e全球移动通信系统 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s码分多址接入 t d 1 1 m ed i v i s i o n 时分 t a c st o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m完全通信接入系统 f d m a 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 ga c c e s s 频分多址接入 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s时分多址接入 i c i l s i u w b d f t f f t i n t e 卜c h a n n e i i n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e u i t r a w i d eb a n d d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 载波间干扰 符号问干扰 超宽带 离散傅立叶变换 快速傅立叶变换 v 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：丝日期：竺! 墨： 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) 论文作者签名趁导师签名：坦磊兰墨日期：型，乡 山束大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 移动通信的发展历程 自从1 8 9 7 年马可尼的实验证明了运动中的无线通信的可应用性，人们 就开始了对末来的移动通信孜孜不倦的追求第二次世界大战期间，战争的 需求使得通信技术及其制造业有了长足的发展从1 9 4 6 年贝尔实验室的世 界上第一个公用汽车电话网到七十年代后期美国的改进型移动电话系统 ( 1 m t s ) ，完成了从专用网到公用网的改进，但是由于容量小，终端设备过于 庞大是一个很大的困扰。随着大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展， 针对大区制的弱点，美国的贝尔实验室提出了小区制的蜂窝式移动通信系统 的解决方案。在1 9 7 8 年开发了a m p s ( a d v a n c em o b i l e p h o n es e r v i c e ) 系统， 到8 0 年代中期，欧洲和日本也建立了自己的蜂窝移动通信网，被称为第一 代蜂窝移动通信系统随着超大规模集成电路技术、低速话音编码等技术的 发展，数字技术得到了广泛的应用。以欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e mm o b i l e ) 、 美国的i s 9 5 为代表的第二代数字蜂窝移动通信系统在世界范围内得到了广 泛采用。随着对移动通信服务业务要求和频率使用率要求的提高，人们开始 研究开发第三代移动通信系统，其中有两个倍受关注的标准：基于g s m 的 w c d m a 和基于l s - 9 5 的c d m a 2 0 0 0 。中国推出的t d s c d m a 也是第三代 移动通信的标准之一，并且已经得到国际电信联盟( i t u ) 的认可。近几年，以 o f d m 系统为代表的新一代多载波移动通信技术得到了较大的发展，有望发 展成为第四代通信技术 1 1 1 第一代移动通信系统 8 0 年代，主要服务于话音业务的第一代移动通信系统开始用于商业，它 的接入方式采用频分复用( f d m a ) ，它有几个标准，其中包括美国的a m p s 标准，英国的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 标准，北欧四国 的n m t - 4 5 0 ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e - 4 5 0 ) 系统，日本的n t t ( n i p p o n t e l e p h o n ea n dt e l e g r a p h ) 标准其特点有： ( 1 ) 每信道占用一个载频，相邻载频的间隔应满足传输信号带宽的要求 数字信号带宽较宽，而为了在有限频谱中增加信道数量，系统都希望间隔越 窄越好现在的间隔均在3 0 l ( h z 或者是2 5 k h z 以下 山东大学硬十学位论文 ( 2 ) f d m a 方式，每信道只传送一路信号，信号速率低，一般在1 6 k b s 左右。远低予多径时延扩展所限定的1 0 0 k b s ，所以在传输过程中出现码问 干扰引起的误码极小，这是f d m a 的一个优点 ( 3 ) 移动台结构比较简单，和模拟的很相似基站设备复杂庞大、设备成 本高，频分多址系统的基站有多少信道，就需要多少部收发信机，同时需要 用天线公用器，功率损耗大过区切换较为复杂和困难，因为频分多址系统 中，每个信道都是连续传输的，所以在过区切换时，必须瞬时中断传输数十 至数百毫秒。以把通信从这一频率切换到另一频率上去对于话音，瞬时中 断问题不大。对于数据传输则带来数据的丢失 1 1 2 第二代移动通信系统 8 0 年代晚期，第二代移动通信系统应用于商业领域，它采用数字传输， 接入方式采用时分多址接入t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ) 和码 分多址接入c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ) ，它除了提供话音服 务外，还提供低速率业务和短消息服务第二代移动通信系统提供更高的频 谱利用率，更好的数据业务和更先进的漫游技术全球通信系统g s m ，个人 数字蜂窝p d c ，美国码分多址系统l s - 9 5 都属于第二代移动通信系统t d m a 系统t d m a 是在一个带宽的无线载波上按时间( 称为时隙) 划分若干个时分信 道，每一个用户占用一个时隙，只在这一指定时隙内收( 发) 信号，故称为时 分多址系统g s m 是欧洲建立的数字蜂窝系统，是现今最为成熟的移动通信 系统，它采用时分多址接入，规则脉冲激励，线性预测编码和高斯最小频移 键控调制方式主要参数如下； 频段：前向链路9 3 5 9 6 0 m h z ，反向链路8 9 0 9 1 5 m h z 带宽：5 m h z 载波间隔：2 0 c i k h z 信道分配：t d m a 每载波8 时隙，8 个全速率信道，1 6 个半速率 信道 数据速率：1 6 k b p s 由于g s m 采用t d m a 多址接入方式，所以它的频率规划简单，不存在 频率分配问题，便于动态信道分配，不存在远近效应，也不需要高要求的功 率控制。移动台不需要双工装置但t d m a 系统要求精确的定时和同步，以 山东大学硬七学位论文 保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠和混淆c d m a 是由i s 9 5 标 准定义的码分多址接入，它利用各发送端的不同互相( 准) 正交的地址码调制 发送信号，在接收端利用码型的( 准) 正交性，通过地址识别从混合信号中选 出相应的信号在c d m a 系统中，所有用户使用同一载波，占有相同带宽， 无论从频域和时域来说，c d m a 信号都是互相重叠的，它们的存在所造成的 干扰成为多址干扰。根据理论分析，c d m a 蜂窝移动通信系统与f d m a 系统 和t d m a 系统相比具有更大的容量。 1 1 3 第三代移动通信系统 第二代移动通信系统已经成为电信史上最辉煌的成功但移动通信市场 经过高速发展后也逐渐进入饱和，移动通信产业开始寻求新的突破首先从 提供移动通信服务的基础无线频谱资源来看，e h 于用户的急剧增加，在 目前第二代移动通信系统的频谱利用率下，某些人口密集地区的频谱资源己 趋耗尽，但用户数量还是在不断地增加为了满足更多的人对移动通信业务 的需求，我们必须寻找一种频谱利用率更高的技术而目前已推出的第三代 移动通信系统就可以很好地满足这一要求 第三代移动通信系统，简称3 g ，国际电联( i t u ) 原定义为“未来全球陆 地移动通信系统”，现称i m t 2 0 0 0 ，即国际移动通信系统2 0 0 0 指的是计 划使用2 0 0 0 m h z 的频段，大约在2 0 0 0 年前后实现，同时最大的数据传输速 率要求达到2 m b p s 第三代移动通信系统是满足人们不论在何时、何地与任 何人( 或物) 进行任何信息通信的智能化的系统。 1 1 4 新一代多载波移动通信系统 随着移动通信的迅猛发展，人们对移动通信的要求逐渐向图像、高速率数 据等多媒体业务过渡，随着数据速率的不断提高，传统的单载波技术遇到了 巨大的困难，而基于多载波传输的o f d m 技术凭借其频谱利用率高、抗多径 能力强等优点被普遍认为是下一代移动通信系统关键技术 滤波多音j ( f i l t e r e dm u l t i t o n em o d u l a t i o n ，f m t ) 是一种新的多载波 调制技术，它在发送端的每个子信道中采用严格带限的滤波器来限制子信道 的频带，使得它们在频域中互不重叠，从而能够有效地避免信道间干扰 f i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e ，i c i ) ，保证系统的性能 目前，对于多载波移动通信技术的研究越来越多，使得这种技术有望成 3 山东大学硕十学位论文 为下一代通信系统 1 2 所作工作及全文的结构 自0 3 年”月来在多载波移动通信系统中的信道估计及其自适应信道跟 踪算法做了一些工作，本文将围绕这些方面进行阐述，各章内容安排如下： 第二章论述了移动通信信道的主要特征及其仿真 第三章论述了o f d m 系统模型和该系统中各种信道估计方法与性能。 第四章在详细论述各种自适应算法和卡尔曼滤波算法的基础上给出了 一种新的自适应信道跟踪算法和仿真结果分析 第五章简要介绍了滤波多音频技术的系统构成和在该系统中利用卡尔 曼滤波的半盲信道估计方法 第六章对整篇论文做了总结并且对今后的工作进行了展望。 1 3 本章小结 本章主要介绍了移动通信的发展历史和几代移动通信系统的各自特点， 并对这几种系统进行了比较分析。最后对本文的大致结构和内容作了交代 山东大学硕士学位论文 第二章移动无线电信号环境 2 1 移动无线通信环境 通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约发射机与接收机之间的 传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、 山脉和树叶等无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的 随机性，特别难分析。甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。 无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，解决这一问题一般是利 用统计方法。并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行 从移动无线电基地台发出的无线电信号，在大气传播中不仅受到重大的 传播路径损耗，而且还受到陆地传播路径损耗的影响。陆地损耗受到陆地地 形的影响由于移动台天线高度低，通常非常接近地面，所以。它还遭受到 附加传播路径损耗这种类型的损耗与自由空间损耗一起，共同形成传播路 径损耗 移动无线电信号还受到移动无线电媒质产生的各种类型的散射和多径的 影响，可产生严重的信号衰落移动无线电传号的衰落是长期衰落和短期衰 落的组合这两种衰落可用统计方法分开长期衰落，在典型情况下，是由 沿地形变化相当小的路径传播产生的短期衰落在典型情况下，是由各种类 型( 静止的和移动的) 信号散射体的反射产生的，这种衰落，称之为。多径” 衰落 移动台和基地台问的传播，最易受多径衰落现象的影响，因为所有的通 信实质上是在地面上进行的另外，移动通信还关心的是以相当高的速度运 动产生的多普勒效应对通信性能的影响 总的说来：发射信号强度，随着辐射状路径上的各不同点的距离而不同。 理想情况是：以常速沿径向路线运动，对信号强度进行测量，这种测量应通 过许多不同路线重复多次；根据获得的大量读数才能对特定移动无线电覆盖 区进行统计分析但是，在实施中因为必须使用现成的道路，现成道路的交 通条件决定了实际运动速度，有时还需要沿路停电，所以很难获得测量信号 强度的理想条件。为了能够在移动无线电使用区域内接收到最佳无线电信号， 各基地台天线和移动台天线应架设在最高可用点上然而，即使天线架设在 5 山东大学硕十学位论文 最佳位置上，有时也有小山、树林、各种人工建筑物和车辆的影响，可能使 移动无线电信号传播情况恶化 接收信号的瞬时场强与时间关系的典型曲线图，即5 ( f ) 的典型曲线图， 如图2 一l ( b ) 所示图2 一i ( a ) 为车辆行驶道路地图图2 1 ( b ) 中开始时间，对 应图2 - - i ( a ) 所示的路线x 的开始点x 倘若移动台行驶速度v 在记录的期间 内能够保持常数，那么以时间刻度记录j ( f ) ，就可简单地将时间刻度变为距 离刻度，用k x ) 表示，函数5 ( 曲中的x = w 但是，倘若移动台行驶速度在记 录期间内是变化的，那么为获得真实的表示图，印) 必须用速度来加权，由 图2 - - q ( c ) 中的烈曲说明接收信号的瞬时信号强度与距离的函数关系曲线， j ( x ) ( 距离指从基地台起，沿特定路线行驶舱距离) 用来计算这条路线的路径 损耗，而曲线j ( ，) 是用从现场获得的未经加工的实际数据绘制而成的 在移动无线电通信环境中。移动台有些时间在行驶中，而另一些时问则 停止不动移动台运动时，运动速度会不断变化，运动方向也不相同当移 动台沿着预定路线运动时。会有许多类型的当地散射体从它旁边经过，其中 包括正在行驶中的许多别的物体 运动路径上的地物散射体是一个稳定改变的环境，增加了许多参变量， 能够对所传播的移动无线电信号能量产生敬射，反射和损耗等作用这些影 响使信号产生多径效应，使到达接收天线的诸信号路径在时间和空间上相互 产生干扰当这种情况及其影响能够拉长分配给信号的时问，并且可能使信 号模糊不清时，这个现象称为“延迟扩展”而且，当有两个频率间隔很近的 信号以不同时间延迟扩展到达时，有可能使两个多径信号的统计特性表现为 弱相关与此相对应，具有强相关潜力的频率问的最大频率差，称为移动无 线电传输路径的“相干带宽” 2 2 小范围衰落的分类 对位于特定发送机和接收机之间，由于大范围衰落产生的路径损耗进行 统计描述所需要的参数为： 参考距离以 路径损耗指数n 6 山东大学硕士学位论文 7 毯 孽 心 逛 莨 翼 簿 毯 霞 霉 o 时问 位置与 ( c ) 图2 1 典型的数据记录 石。的标准差仃 但是对小范围衰落，根据其参数关系以及处理域的不同，可以分为几种 不同的信道模型这里我们只是简单介绍和分类，以期有一个总体的了解。 2 2 1 频率选择性衰落和非频率选择性衰落 在衰落信道中，根据时域扩展特性，可以用最大额外时延l 和符号时间 l 的关系区分两种传播模型分类：频率选择性衰落和非频率选择性衰落当 乙 c ，信道是频率选择性衰落，此时接收到的多径信号分量符号扩展超过 符号的持续间隔当l t ，信道为非频率选择性衰落，或者叫平坦衰落 在这种情况下，一个符号经过多径传播以后，所有分量都在同一个符号时间 内到达接收点，因此接收机不能将它们分解出来，其厶和l 的关系是 一1 l ( 2 1 ) 同理可以在频域定义频率选择性衰落和非选择性衰落：当信道满足 兀 矽。发生非频率选择性衰落( 或平坦衰落) 2 2 2 快衰落和慢衰落 信道的时变特性或者衰落速率机制可以分为两类：快衰落和慢衰落快 衰落是指瓦 t ，信道的相关时间比一个符号的持续时间长假 设信号由于时变产生的多普勒功率谱的宽度为兀，厶与瓦相互影响，关系可 以近似表示为： 瓦- 万1 ( 2 - - 2 ) 快衰落信道满足矿 兀 2 3 传播路径损耗 移动无线电传播路径损耗，主要是由于地形以及在移动无线电环境中传 播路径上出现无线电散射体的影响产生的地形( 包含出现的散射体) 的轮廓 相似于不平坦度的变化，使得传播情况发生变化它们都是镜面反射、漫反 射和绕射产生的结果 8 山东大学硬+ 掌位论文 在无线电波投射到两种不同媒质间的平滑分界面，并且界面线尺寸与辐 射信号波长相比很大的情况下，发生镜面反射这种类型的反射，具有类似 于由斯涅耳定律确定的镜面特性产生镜像的镜面反射原理可用图2 - 2 说 明在q 点反射的反射波，实际上是对天线t 发出的入射波的反射然而， 它可以看作由虚构的影像天线了t 1 辐射的无折射地通过地面的电波 0 ，：二二二涅尔二律应用 在某些情况下，天线高度和地形高度比发射天线和接收天线间的路径距 离小很多根据这个原因，当在绘图纸上绘制地形外廓时，常用不同的比例 尺表示垂直轴和水平轴通常垂直轴的刻度用英尺或米，而水平轴的刻度通 常用英里f 或不管使用何种刻度单位，只要反射平面是水平的，根据斯捏耳 定律，入射角与反射角应当相等) 然而，当使用不同的比例尺时，地形轮廓 有斜坡，反射平面不是水平，那么入射角和反射角在绘图纸上就不相等，因 此。当这一关系绘制在绘图纸上，用不同的刻度尺表示两个轴时，就需要用 特殊的方法找出反射点 当无线电被投射到粗糙表面，且表面粗糙程度可与辐射信号波长相比时 产生漫反射它不像服从斯涅耳定律的镜面反射，漫反射是散射电波能量。 使反射无线电波沿发散路径前进我们可以用惠更斯原理解释漫反射特性 一般情况下，漫反射无线电波的强度小于镜面反射无线电波的强度，因为沿 不平表面传播路径散射了能量在研究移动无线电环境时，需要评价移动台 和基地台问周围地形的反射特性 9 山末大学焉士学位论文 在移动无线电通信中，满足仅出现镜面反射和漫反射的情况，被认为是 视距条件漫反射是由于传播路径上的散射产生的然而。倘若无线电波由 于地形外廓的变化，运挡住传播路径而出现绕射，那么视距条件就不再有效 在这方面，移动无线电视距的定义与对流层传播的视距定义是不同的绕射 的产生，是由于在传播路径上受到发射天线和接收天线间出现的地物的阻挡， 当山峰、建筑物之类的自然或人为障碍物高度远大于无线电波长时，无线电 波绕障碍物的传播称为障碍绕射信号受到衰减的严重程度，取决 a 视距外距离 b 棚昏内 图2 _ 一3 传播路径 距离 于障碍物是否延伸整个传播路径；是否阻挡了视线传播路径或者是否非常接 近视线传播路径在实践中，要在传播路径上选择最高点作为基地台的理想 位置这常常是做不到的在丘陵地区，即使基地台位置良好，但移动台处于 1 0 山东大学磺士学位论文 ! ! ! ，! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! ，! ，- _ ! ! ! ! ! ! ! ! ! - _ 曼l ，_ _ i - _ _ _ - _ _ _ _ - i - 传播路径视线之外，也是经常发生的，如图2 3 所示 预报传播路径损耗的各种情况和表示法，对于理解多径现象对移动无线 电信号的影响是有帮助的，然而，所有这些影响加在一起会引出相当多的参 变量。以至要求出数学解，对于实际应用太复杂了曾有入建议，将分析和 统计分折技术组合在一起，是一个获得解答的可能途径第一个要求是获得 测量数据，由所测量的数据，就可以获得统计结果当用特定情况唯一的一 些参量和标准对统计结果进行分析，就可以作出以电磁理论为基础的分析结 论这种预测传播路径损耗的方法是一个有力工具，它可以产生比单独用分 析或统计方法所获得的结果更为接近实际的路径损耗沿所选择的路径，在 几个点上测出的和记录的数据，用来估算给定区域内传播路径损耗 图2 一i ( c ) 中的虚线表示：平均接收功率与沿特定路线的离基地台距离关 系的曲线图这些数据可用来计算径向距离上的传搐路径损耗为了对一般 覆盖区径向距离上的传播路径损耗斜率进行分析，应记录下该区域内许多路 线的数据 移动无线电环境内传输路径损耗斜率常常大于自由空间路径损耗丘陵 区内的路径损耗远大于平原区内的损耗 2 4 由散射体产生的多径衰落 当接收信号由多条反射路径和一个主要的( 无衰落的) 分重组成，小尺度 衰落信号幅度符合r i c i a n 概率密度分布，被称为r i c i a n 衰落无衰落分量被 称为镜像分量当镜像分量幅度接近为零，r i c i a n 概率密度分布近似为 r a y l e i g h 分布，分布函数为 刖= p r 等伊r 2 ，0 r o 其中，表示接收信号的幅度，2 口2 表示预先检测到的多径信号的平均功率 r a y l e i g h 衰落分量有时候被称为随机分量或者散射分量，当信号没有镜像分 量的时候产生r a y l e i g h 分布，因此，r a y l e i g h 分布代表了该连续接收信号功 1 山东太掌硬十擎位论文 率衰落的最差情况 数字信号经过多径衰落信道以后，会受到信道特性的影响，发生线性或 者非线性变换，信号的波形、相位、频率都会发生改变在不同的信道，信 道的模型应该不同 在衰落信道中，按照前文，可以用最大相对时延l ( 又叫相关带宽，时延 扩展) 和符号时间瓦的关系区分两种传播模型分类：频率选择性衰落和非频率 选择性衰落最大相对时延l 是指同一个信号经过无线环境进行多径传播， 到达接收机的各径信号之间存在相对时延其中接收信号幅度在接收机门限 之上的信号之中，相对最早到达的信号，时延最大的一径信号的额外时延 符号时间r 则是指码片持续时间表2 - 给出了一些典型地区的时延扩展 联合带宽厶是对频率范围的统计测量，在这个范围内，信道可以以近似 相同的增益和线性相位传输所有频段的信号因此在此范围内，信号的各个 频率分量有很强的幅度相关性也就是说，这个范围内的信号各个频率分量 所收到的信号的影响很相似，比如说，都受到衰落或者都没有衰落兀和l 的关系近似为： t o 。i 乙 ( 2 4 ) 时延扩展和相关带宽描述的是一个地区无线信道的特性，但是它不能描 述信道特性是如何随着移动台和基站之间的相对运动而变化的，也不能描述 表2 - i 典型情况时延扩展 环境 工作频率( m h z )时延扩展( 徽秒)说明 城市9 1 0i 3 - - 3 5典型地区平均值 城市 8 9 2 10 _ 一2 5 最坏情况区 郊区 9 1 0o 2 - o 3 1典型地区平均值 郊区9 1 0 1 争一2 1 最坏情况区 室内 1 5 0 00 0 1 0 0 5办公大楼一般情况 信道内物体移动的影响。多普勒扩散和相关时间正是描述信道在时域如何变 化的量多普勒功率谱密度函数s ( v ) ，对广义平稳非相关信道模型，带恒定 相位角增益的垂直接收天线，在( o ，2 石) 内接收符号均匀分布，无调制的连续 波形信号，信号在天线处的频率是： 山东大学囊+ 学位论文 s ( v ) = 这个等式的波形分布在载波频率正两边厶内 通常定义信道的相关时间t o 为： 写- i i 兀 ( 2 6 ) 上式中我们将瓦定义为信道对正弦信号响应基本不变的时间长度 相关时间的物理意义是在这段时间内信道的冲击响应特性基本上是不变 的，即在相关时间内的两个接收信号有很强的相关特性如果基带信号码元 的持续时间超过了相关时间，将会导致接收端的失真 2 5 多径时变移动信道仿真 本节我们利用谐波叠加法实现一个时变多径信道后续各章中所用的仿 真信道基本上是以它为原形 。 具体实现方法我们主要参考最后参考文献 1 中的理论和实现方法，图 图2 4 a 第一径实部图2 4 b 第一径虚部 图2 - 一5 a 第二径实部圈2 5 b 第二径虚部 ：当奎銮：竺：竺兰三 一n _ _ _ _ _ _ - _ - l _ l _ _ _ _ l _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ o ! ! 图2 七a 第三径实部 图2 7 a 第四径实部 圈2 8 a 第五径实部 图h b 第三径虚部 图2 7 b 第四径虚部 图2 8 b 第五径虚部 图2 - 一9 a 第六径实部 图2 9 b 第六径虚部 1 4 山来大学硕士拳位论文 2 4 到图2 - - 9 是一个六径时变信道的仿真实现图 2 6 本章小结 本章对无线电波的传播环境进行了讨论，根据电波在不同衰落情况对信 道进行了分类，并且根据本文作者在信道建模方面所作的工作给出了多径时 变r a y l e i g h 衰落信道的衰落模型和仿真结果信道建模是一个很复杂的工程， 包括很多种情况，比如大尺度还是小尺度，室内还是室外，静态还是动态， 本文只是简单介绍了课题所需要的一种模型，更为详细的介绍请参见有关参 考文献 1 5 山东大学磺士学位论文 第三章0 f d m 系统中的信道估计 3 1o f d m 系统简介 在第二章中我们已经提到，在无线移动信道中，信号从发射天线经过一 个时变多径信道到达接收天线，会产生时间选择性衰落和频率选择性衰落 信道的时变特性引起信号频率的展宽，导致多普勒效应信道的多径传播会 引超信号在时间上展宽并导致频率选择性衰落人们采用相干时间或多普勒 带宽来描述信道的时变特性，采用多径时延扩展或相关带宽来描述信道的多 径特性在小于相干时问的时间范围内可以将信道看成线性时不变系统； 而如果信道带宽小于相干带宽，则可以认为该信道是非频率选择性信道其 所经历的衰落是平坦衰落，即所有的频率成分所经历的衰落情况是相同的 这样就可以得到一个简单而又较为符合实际系统的研究模型 根据多径信道在时域和频域中表现出的特性，人们分别研究了两种不同 抗多径衰落的方法从时域角度出发，人们提出了用极窄脉冲序列代表信号 进行传输，并采用r a k e 接收机分离和合并多径信号从而对抗多径衰落，这 就是c d m a 技术和未来的超宽带( u w b u l t r a - w i d eb a n d ) 技术从频域角度 出发，多径效应体现为选择性衰落，人们把系统带宽划分为若干极窄的子频 带，分别独立或联合并行发送信号，这就是频分复用( f d m ) 方式本论文将 只就f d m 的特殊情形：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 y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 进行讨论 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率 相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对 增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时问弥散性对系统 造成的影