（通信与信息系统专业论文）基于mp算法的信道估计研究.pdf

1 毋| j 二论文嬉十m p 算洼的信道估计砌f 究 6 2 4 4 5 6 摘要 本文研究了第三代移动通信系统中的多径衰落信道估计问题，提出了一种基 于m a t c h i n gp u r s m t ( m p ) 算法的信道估计方法，并研究了其在信道慢衰落及快衰 落环境中的应用以及这一信道估计算法和l m s 自适应均衡算法的结合。 首先从分析移动通信系统的多径衰落信道特性入手，给出了无线信道的数学 模型及信道的实现结构，建立了衰落信道的j a k e s 仿真模型。然后分析了m p 算 法，提出了基于该算法的m p 信道估计方法，并讨论了其在慢衰落和快衰落信道 环境中的应用，提出了在慢衰落环境下将m p 信道估计算法与l m s 自适应均衡 算法结合的m p l m s 算法大大加快了均衡器的收敛速度。最后进行了m p 信 道估计算法的算法仿真和系统仿真，验证了m p 信道估计算法的有效性。 分析和仿真结果表明，m p 信道估计算法具有和l s 信道估计算法相似的信 道估计性能，但m p 信道估计算法不含矩阵逆运算并可以对含有零冲击响应的 信道进行估计，因此是一种比l s 算法更具优势的信道估计方法。 关键词：信道估计m p 算法l m s 自适应均衡算法 顶士论文基于m p 算法的信道估计研究 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t et h ep r o b l e mo fc h a n n e le s t i m a t i o nf o rt h e3 一 g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w ep r o p o s ean e wc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o db a s e do nm a t c h i n gp u r s u i t ( m p ) a l g o r i t h m ，i n v e s t i g a t ei t sa p p l i c a t i o ni nb o t h s l o wf a d i n ga n df a s tf a d i n gw i r e l e s sc h a n n e l sa n di t sc o m b i n a t i o nw i t i ll m sa d a p t i v e e q u a l i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t c r i s t i co ff a d i n gm u l t i c h a n n e l ，t h em a t h e m a t i c a l c h a n n e lm o d e li sg i v e na n dt h ej a k e ss i m u l a t i o nm o d e li sm a d e t h e nac h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nm p a l g o r i t h mi sp r o p o s e d w ed i s c u s st h ea p p l i c a t i o no f m pc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di ns l o wf a d i n ga n df a s tf a d i n gw i r e l e s sc h a n n e l sa n d p r o p o s et h em p - l m sa l g o r i t h mf o ra d a p t i v ee q u a l i z a t i o ni ns l o wf a d i n gc h a n n e l t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt h em pc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di sc a p a b l e o f p r o v i d i n ga c c u r a t ec h a n n e le s t i m a t i o na n di tc o u l da l s oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c h a n n e le q u a l i z e r t h em pc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i sh a st h es i m i l a r c h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c ea sl sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m 0 nt h eo t h e r h a n d m pc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h md o e s n ti n v o l v et h ei n v e r t i n gm a t r i x c o m p u t a t i o na n di tc o u l de s t i m a t ec h a n n e lw i t hs o m ez e r oc h a n n e l i m p u l s er e s p o n s e s w h i c hc o u l dn o tb ed o n eb yl sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s om pc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h mi sak i n d o fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o dw h i c hh a sm o r e a d v a n t a g et h a nl sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m k e y w o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o nm p a l g o r i t h m l m sa d a p t i v ee q u a l i z a t i o n 碗【j 论义雉于m p 算法的信道估计研究 l 绪论 1 1 研究背景与意义 随着信息时代的来临在过去不长的一段时间内，全球移动通信取得了深刻 的变革和巨大的发展。移动通信先后经历了使用频分多址( f d m a ) 接入技术、 传输调频模拟信号的第一代通信系统和以窄带数字传输及时分多址( t d m a ) 或 码分多址( c d m a ) 为主要标志的第二代通信系统。目前，世界各国正在进行新 一代移动通信技术的研究。以宽带数字信号传输和c d m a 为主要标志的第三代 移动通信系统( 3 g ) 即将投入使用。 第三代移动通信最早由国际电信联盟于1 9 8 5 年提出，当时称为未来公众移 动通信系统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ， 1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) ，意即该 系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b i t s ，预期在2 0 0 0 年左右 得到商用。 第三代移动通信系统能够提供多种类型、高质量的多媒体业务，能够实现全 球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网相兼容，具有非常高的灵活性，能自 适应地进行资源分配并能支持下代i n t e r n e t ( i p v 6 ) 。第三代移动通信系统的目标 可以概括为： ( 1 ) 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，而且可以 在不同速率、不刷运动状态下获得有质量保证的服务： ( 2 ) 能够提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频非话音等业 务，特别是多媒体业务： ( 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网、综合业务数字网、 无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统，来提供无缝隙的覆盖； ( 4 ) 足够的系统容量，强大的用户管理能力高保密性和高质量的服务。 为实现上述目标，对其无线传输技术提出了以下要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务。室内环境至少2 m b i t s ：室内外步行环境至 少3 8 4 k b i t s ：室内外车辆运行中至少1 4 4 k b i t s ；卫星移动环境至少9 6 k b i t s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下链路能适应不对称需求。 c d m a 技术具有独特的软容量、软切换及多业务等特点，由于其自身固有 的技术优势，c d m a 技术已经成为第! i 代移动通信的技术核心。团际上最有竟 碗| 二论文摹于m p 算法的信道估计研究 争力的i m t - 2 0 0 0 无线传输技术主要有欧洲和日本一些厂家提出的w c d m a 技 术、北美提出的基于i s 9 5c d m a 系统的c d m a2 0 0 0 技术以及由我国提出的 t d s c d m a 技术。 w c d m a 标准主要由欧洲e t s i 提出。系统的核心网基于g s m m a p ，同时 通过网络扩展方式提供在基于a n s i 4 l 的核心网上运行的能力。w c d m a 系统 支持宽带业务可适应多种速率的传输，支持不同载波之间的切换，采用上下行 快速功率控制，还采用自适应天线、多用户检测、分集接收等先进的技术来提高 整个系统的性能。 c d m a2 0 0 0 是由美国t i at r 4 5 5 向i t u 提出的r t t 方案其核心是由朗 讯、摩托罗拉、北方电讯和高通联合提出的c d m a o n e 技术。c d m a 2 0 0 0 的一 个主要特点是与现有的t i a e i a 9 5 b 标准后向兼容，并可与i s 9 5 b 系统的频段 共享或重叠，这样就使得c d m a 2 0 0 0 系统可在i s 9 5 b 系统的基础上平滑地过渡、 发展并保持已有的投资。c d m a2 0 0 0 的核心网基于a n s i - 4 1 ，同时通过网络扩 展方式提供在基于g s m m a p 的核心网上运行的能力。c d m a2 0 0 0 采用 m c c d m a ( 多载波c d m a ) 多址方式，可支持话音、分组和数据等业务，并 且可实现o o s 的协商。 时分同步码分多址( t d s c d m a ) 由中国标准协会中国无线通信标准组织 制定，采用时分双工( t d d ) 的方式，能够满足对第三代移动通信系统的要求， 在室内、室内外环境下进行话音、传真及各种数据业务。其特点为能使用各种 频率资源不需要成对的频率，适用于不对称的上下行数据产生速率系统成本 较低。但因其采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传 输的f d d 方式差。 在对于上述第三代移动系统的设计和无线传输技术的研究中，掌握移动通信 信道的传播特性具有重要意义。移动通信的主要特点是其运行环境十分复杂，无 线电波不仅会随传播距离的增加及地形物的遮蔽而产生传播损耗，而且因反射、 散射和绕射作用，到达接收机的信号往往是来自多条路径信号的叠加这些多径 信号的幅度、相位和到达时问都不相同，它们相互叠加将产生电平涨落和时延扩 展。此外，移动通信常常在移动台与基站的相对运动中进行，将引起多普勒频移， 使得电波特性产生随机时变。上述因素将严重影响移动通信质量，因此必须掌 握移动通信信道变化的觑律，并对移动通信系统进行合理的设计。 移动通信信道存在多径时延扩展，造成了信号在时域上的波形展宽。这会影 响到后面一个或是几个数据信号的传输，严重时将会导致接收端不能正确的检测 数据信号。这种干扰称为码问串扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。当码i - 白j 串扰严 重时，即使在没有噪声的情况下也会产生误码。因此必须在接收端采用均衡技术 硕士论文基于m p 算法的信道估计研究 来消除码闯串扰的影响。对于信道参数随时间发生变化的移动通信信道，不能设 计固定的均衡器来消除i s i ，而是需要对均衡器的抽头系数进行调整来同步跟踪 信道变化。许多均衡器性能的提高都需要对信道特性有一个精确的估计。 由于移动通信信道的多径衰落严重影响通信质量，甚至有可能导致链路中 断，为了保证移动通信系统的性能，必须采用适当的抗衰落技术。如分集技术、 多用户检测技术以及智能天线技术等。其中分集接收是抗多径衰落最为有效的措 施之一。r a k e 接收机是c d m a 系统实现分集接收、抗多径衰落的核心部件， 匹配多径中的每一条路径需要知道该路径的时延、衰减幅度以及相位等信道信 息，因此信道估计对其性能有很大影响。在接收端如何借助导频信道对信道参数 进行正确的估计，就成为c d m a 系统中的一个关键问题。 在3 g 系统中，要求支持的移动台的移动速度比较高，如要求正常工作的移 动台速度上限为5 0 0 k m h , 此外，3 g 系统的载波频率为2 g h z 左右，比第二代 系统高一倍多。所以，与以往的移动通信系统相比，3 g 系统中信道的多普勒频 移要大得多，这也意味着3 g 系统中信道参数变化速率的动态范围非常大。在大 范围变化的衰落信道下实现相干接收一般是非常困难的，其关键在于信道估计的 实现。例如，在载频为2 g h z ，移动台速度为2 0 0k m h 的情况下，最大多普勒 频移可达3 7 0 h z 。而i m t - 2 0 0 0 需要支持最高移动速度为5 0 0k m h 的移动台。在 如此大范围变化的衰落环境下，必须有理想的信道估计方法以实现相干r a k e 接收。 不仅如上所述的均衡技术、分集技术要求对信道特性进行估计，此外，功率 控制、多用户检测及切换等第三代移动通信韵关键技术也都需要应用信道估计。 因此信道估计成为了移动通信中的一个关键性问题。 信道估计的方法概括起来可以分为三类，其中第一类方法是不使用训练序列 估计信道，即盲估计的方法。这种方法的缺点是接收机结构复杂而且还要采用 差分检测、循环不变编码、预插入等方法解决相位模糊的问题。第二类方法是利 用过去的信道估计值结合已检测到的数据，用判决反馈的方法更新信道估计值 即自适应滤波器如l m s 、r l s 等。但由于其收敛速度原因，会出现滞后误差。 第三类是利用训练序列估计信道，即非盲估计的方法。这种方法接收机结构较简 单，性能也比较好，在实际系统应用中具有一定优势。 信道估计又分为对慢衰落信道和快衰落信道的估计。当信道慢衰落时，可以 对信道在较长时闯范围内做不变假设( 例如：假设一帧的时间内信道是不变的) ， 然后使用时不变信道的估计与均衡技术。比较典型的是l s 算法。而当信道快速 衰落时，对信道在较长时间范围内做时不变假设是违反实际情况的，此时的信道 估计比慢衰落信道估计更为复杂。 硕士论文基于m p 算法的信道估计研究 在w c d m a 第三代移动通信系统协议规范( 3 g p p ) 中要求：移动台不管是静止 还是速度高达5 0 0 k m h ，移动通信系统都能稳健地估计信道。这就对信道慢衰落 与快衰落环境下的信道估计均提出了要求。 1 2 国内外研究现状 目前，随着第三代移动通信系统研究的发展，国内外学者提出了多种信道估 计方法。概括起来，相关领域的研究主要包括： ( 1 ) 信道插值方法。包括线性和非线性插值方法。这种方法主要应用于时分复用 导频的信道估计，在相邻两个导频信号段之间的信息信号段，不进行多径信 道的实时跟踪，时隙中信道参数的估计一般根据导频部分的估计值通过插值 算法来实现。b l i n d o f f 等人用r a k e 接收机联合信道插值的方法实现信道的 估计。对于每一个r a k e 接收机的分支，先用已知的导频信号获得初始的信道 估计，然后利用插值方法得到最终的信道估计1 4 j ，最后用最大比合并r a k e 接 收机的分支。s m i n 等人电采用线性内插的方法实现信道的估计睁i 。他们充 分利用w c d m a 的物理帧的传播特点，利用控制信号中的导频信号估计出信道 肌( 疗) ，利用用户的信号估计出信道 ，。瓶( 疗) ，然后在m s e 的准则下合并这 两个信道。hn l e e 充分利用发射整形滤波器的冲激响应己知这一条件，减 少待估计的信道参数个数以及相应的训练序列长度| 6 l ，用最小二乘估计、最 大似然估计或最大后验概率估计等准则来估计初始的信道参数，然后利用 s i n x x 函数内插的方法实现时变信道的跟踪。总体来讲，插值方法在信道变 化平缓时效果较好，但线性内插不能有效地适用于高速信道，而非线性插值 所利用的信道参数样本数较多，并且实现比较复杂。 ( 2 ) 基展开的方法。将时变信道按基底线性展刀：将信道估计问题转化为线性参 数估计的问题，再分别基于信号二阶和高阶统计特性研究时变信道的估计与 均衡。例如将时变的信道按指数基线性展丁p 1 ，那么时交信道的估计问题就 转变为估计 甜。 ，基的个数q 和估计时不变因子九( ，) 的i o - j 题。但是按指数 基展丁i ：只能反映频域特性，m m a r t o n e 将信道的冲激响应在小波基上分解例， 因为小波基能在时域j 手| 】频域袭征信号局部特性。同时，小波变换具有多分辨 率的特点。当时域上观察范围4 , n ；t 在频域上相当于用较高的频率作分辨率 较高的分析，即用高频小波作细致观察。当时域上观察范围大时，在频域上 相当于用低频小波做概貌观察。分析频率有高有低，但在整个频段内分析的 品质因子却保持一致。于是，很少的小波函数和尺度函数就能表征复杂信号， 并且綦于小波展丌的方法的性能优于其它只基于时域或频域的方法。在上述 硕= 匕论文 基于m p 算法的信道估计研究 时变信道按基展开模型条件下h l i u 等人组合接收阵列空间分集和信号特 点h ，将上述结果应用到阵列。 ( 3 ) 将信道建模成自回归过程。l m d a v i s 等人的思路是先将时变信道h ( t ，f ) 分 解成快、慢两部分【，即 ( ，r ) = h ( t ，r ) + 厅( r ，f ) ，其中 ( f ，f ) 是信道响应慢变 化部分，万( f ，f ) 是信道响应的快变化部分，再分别对这两部分用自回归线性 建模，将h ( t ，r ) 建模成一阶的 r 过程，h ( t ，f ) 建模成r 阶的a r 过程，然后 利用耦合估计器实施时变信道的估计与均衡。该估计器利用k a l m a n 滤波器 估计状态。最d , - - 乘法估计参数。在快速衰落信道的估计与均衡中也可采用 这种思路。将快速衰落信道建模成离散时间延迟抽头滤波器，抽头权系数描 述为a r 过程。用k a l m a n 滤波器跟踪复值的抽头权系数，并扩展k a l m a n 滤 波的状态来估计抽头权系数的均值。 r 过程的系数通过r l s 算法估计。 ( 4 ) 利用子空间分解方法进行信道估计。这种方法利用导频和用户扩频码信息， 对接收到的信号作子空问分解，得到信道估计结剁“】。这种方法的缺点在于 计算复杂度较高，难以满足在实际中的实时应用要求，并且没有得到估计信 道的闭式解。 ( 5 ) 采用自适应滤波器估计信道参数。如维纳或卡尔曼滤波，能使信道参数估计 结果在某项指标，如均方误差上最优。但自适应滤波器的方法需要较大的训 练序列使其不能快速跟踪信道，因此限制了它们的应用。 ( 6 ) 采用多步或迭代的方法，使下一步或迭代后的信道估计值比上一步或迭代前 的估计值更准确可靠。采用这种方法，主要是为了克服单步估计的不可靠性， 但是多步或迭代方法引起的系统时延及误差在系统中具有传递性效应。 1 3 本文的主要研究工作和内容安排 本文主要进行了多径衰落信道环境下的信道估计问题的研究，在对多径衰落 信道特性进行分析和对信道估计建立数学模型的基础上，提出了基于m a t c h i n g p u r s u i t ( m p ) 算法的信道估计方法，井研究了其在信道慢衰落及快衰落环境中的 应用以及这一信道估计算法和l m se i 适应均衡算法的结合。 本文提出的m p 信道估计算法具有和l s 信道估计算法相似的信道估计性能， 同时伸信道估计算法不含矩阵逆运算，并可以对含有0 冲击响应的信道进行估 计，因此是一种比l s 算法更具优势的信道估汁方法。 本文的主要内容安排如下 第一：章作为其后各嚣节研究- i ：f l 吖门毖础对移动通信系统中的多径衰落信道 硕i ：论文罐于m p 算法的倍道估计研究 特性作了介绍，首先描述了无线信道的数学模型，然后从分析信道的特征参数出 发，揭示了信道的各种参数之间的相互关系，最后给出了信道的实现结构，讨论 了衰落信道的j a k e s 仿真模型。 第三章讨论了非盲信道估计方法，在对信道估计建立数学模型的基础上。提 出了基于m p 算法的信道估计方法，讨论了其在慢衰落和快衰落信道环境中的应 用，提出了将m p 信道估计算法与l m s 自适应均衡算法结合的方法，大大加快 了均衡器的收敛速度。 第四章针对第三章提出的m p 信道估计方法进行了算法仿真，并建立了通信 系统仿真模型，进一步实现了m p 信道估计算法的系统仿真，对仿真结果进行了 分析。结果表明，m p 信道估计方法能够给出有效的信道估计结果，在典型的多 径衰落信道环境中能够较好地实现对信道的估计。 第五章对本文的工作进行了总结，并提出了进一步工作的方向。 碗士论文基于m p 算法的信道估计研究 2 多径衰落信道特性及仿真模型 电波传播的特性是研究无线通信系统首先遇到的问题。移动通信中，地理条 件、反射、折射、散射、移动台的移动、周围环境变化的影响，使无线信道的特 性随时问变化，造成信号的衰落，严重影响通信的质量。对宽带c d m a 移动通 信而言，多径传播和时延扩展造成符号间干扰，是影响系统性能的一大因素。移 动通信技术发展过程中的主要努力之一是克服无线信道的衰落和时延扩展。这包 括：用合适的模型表示信道，准确地估计出模型的参数和采取合适的对抗衰落及 时延扩展的措施，如纠错编码与交织，功率控制，分集接收等。本章讨论多径衰 落无线信道的数学描述、统计特性和衰落信道的仿真模型。 2 1 衰落信道的数学描述 陆地移动信道的主要特征是多径传播，到达移动台的信号不是来自单一路 径，而是众多反射波的合成。出于电波通过各个路径的距离不同，因而由各个路 径来的反射波到达时问和相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，接收 信号的幅度因叠加时而加强时而减弱，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起 的，所以称为多径衰落。 出移动信道的多径环境引起的信号多径衰落可以从时间和空间两个方面来 描述。从空闻角度来看，在移动台移动方向上接收信号的幅度随距离变化而衰减。 其中本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增 加而起伏下降的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。 从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间不同。这样， 如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各 个时延信号。这种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。扩展时j - 自j 可以用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来测 量。时延扩展将引起码削串扰，严重影响信号的传输质量。 下面给出多径衰落信道的数学模型表达式。设移动通信系统发射机发送的信 号为x ( ，) ，其表达式为 x ( t ) = s ( t ) e x p j ( 2 矽+ 丸) ( 2 1 1 ) 这里s ( ，) 是带宽为b 的复基带信号，厂是载波频率，丸是任意的初始相位， 不失一般性，令九= o 。 如果假设移动台的速度为v 在发射机和接收机之问没有直射波，忽略接收 机的加性白高斯噪声，那么经过信道后接收机收到的信号为 硕士论文 基于m p 算法的信道估计研究 ，( ，) = 一q ( ，沁( ，) e x p j 2 x ( f + ，) ，一 】) ( 2 1 2 ) j i l 其中是可分辨路径数； 彳包含了路径损失和天线增益的共同作用。假设传播距离扩展 ，= m a x r , 一m 协l 远远小于每一个传播距离，那么每一条路径的a 是相同的， 为了简化分析，不妨假设爿= 1 ； a ，是第i 条路径的幅度： r ，= c 是第f 条路径时延。是第i 条路径的传播距离，c 是光速； 厶= ( v 2 ) e o s * , 是多普勒频移，v 2 是最大多普勒频移，记为，。，是 第f 条路径的电波与移动台运动方向的央角。 定义多普勒时延扩展 f = m a x r ，一m i n f ( 2 1 3 ) 对于宽带信号，当多普勒时延扩展大于信号带宽的倒数( r b “) 时，接收的 低通信号等效为 ，( f ) = s ( t - r ，) 口，( ，) e x p u b ( f ) ) ( 2 1 4 ) 这里口) 是每条路径信号的幅度，已经证明，当多径数目大于6 时，口印) 月1 9 , 瑞利分布i 佗1 ： 氏( 加砉e x p ( _ 寺) ，o x ( 2 i 5 ) 式中，盯2 为其方麓。q ( ，) 的均值为争，其最大概率出现在q ( ，) = 口的时候。 只( ，) = 2 厅( 1 ，。e o s _ ；u ，一f ，) 是每条路径信号的相位，满足( o ，2 厅】的均匀分 布。复增益c t ，( t ) e x p ( j 0 , ( ，) ) 是独立高斯过程。 相应的等效低通信道冲击响应为 h ( t ，r ) = 主q ( f ) e x p ( 只( ，) ) j ( r 一。) = 窆互( ，) j ( f r f ) ( 2 1 6 ) ，= li _ i 2 2 衰落信道的统计特性 多径衰落是移动台在移动中受到 i 不同路径束的同信号源的电波干扰所 造成的结果，它的变化是随机的，刚此只能用统计的观，氯柬研究并作定量的描述。 相关函数和功率谱在信道的统i | 特性分析中起若蘑受的作h = | 。一f 面我们分别对这 碰 + 论文 墒十m pl g 法的信道估计研究 两种信道统计特性进行分析。 令h ( t ；r ) 是等效低通信道冲击响应，并假定h ( t ；r ) 是广义平稳的。于是，我 们定义h ( t ；r 1 的自相关函数为 足( 掌；f l ，f 2 ) = e h c t + 善；) ( f ；f 2 ) ) ( 2 2 1 ) 在大多数的无线电波传播媒介中，信道与路径时延“对应的相位同该信道与 路径时延r ：对应的相位是互不相关的，这样的信道就是非相关散射信道。在非相 关散射信道的假设下，( 2 2 1 ) 式可以写作 e h ( t + z x 掌；r i ) ( ，；f 2 ) ) = 足( 善；f 1 ) 6 ( r i r 2 ) ( 2 2 2 ) 若令f 。= f ，= f ，则( 2 2 1 ) 式：匿接给出以下结果 丑( 掌；r ) = g h ( t + 善；r ) + ( ，；f ) ( 2 。2 3 ) 我们将尺( 掌：f ) 称为信道的时延一时间差相关函数。 类似的，可以定义信道的频率差一时州差相关函数为 r ( 毒；4 厂) = e h ( t + 毒；f + 6 f ) ( ，；_ ，1 ) ) ( 2 2 4 ) 式中h ( t ；f ) = fh ( t ；r ) l 是等效低通冲击响应h ( t ；r ) 关于变量r 的f o u r i e r 变换。 r j 在实际应用中，频率差一时间差相关函数可以用以下方法测量：发送一对频 率差厂的正弦波信号，然后计算它们通过信道后的具有相对观测时间延迟f 的 两个接收信号之问的互相关函数。 利用上述两种相关函数的f o u r i e r 变换，可以引出以下两种不同的功率谱定 义： 时延一多普勒功率谱 s ( u ；f ) = c r ( 亏；f ) e - j 2 t e v a d ( 掌) ( 2 2 5 ) 该函数又称为散射函数。式中u 为多普勒频率。时延f 和频率差，构成一 对f o u r i e r 变换的变量对，即f ，：阿观测时删差孝和多普勒频率u 构成另 一f o u r i e r 变换的变换对，即f hu 。 频率差多普勒功率谱 s ( u ；，1 ) = c r ( 舌；v ) e - ? 2 m “d ( 善) ( 2 2 6 ) 至此，我们定义了无线信道的四种动态特性：时延一时间差相关函数 r ( 孝；r ) 、频率差一时f b j 差相关函数r ( 善；a f ) ：时延一多普勒功率潜s ( u ；r ) 和 频率差一多普勒功率者s ( u ：，) 。 硕士论文基于m p 算法的信道估计研究 ( 2 2 3 ) 式( 2 2 6 ) 式是无线信道的四种二维动态特性函数，由它们可以得 到一维动态特性： 信道的时闯差相关函数 r ( f ) = e h ( t ；f ) h o + 善；厂) ) = r ( 毒；) i o ( 2 2 7 ) 信道的频率差相关函数 矗( a f ) = e h ( t ；f ) h ( f ：+ ) ) = 震( 毒；a f ) j 。 ( 2 2 8 ) 信道的功率时延剖面 r ( r ) = e ( ( ，；r ) h 。( ，；r ) = r ( 舌：r ) l f ：o ( 2 2 9 ) 信道的多普勒功率谱 s ( u ) = i = r ( 孝) p 叫 m g d ( a 善) = s ( o ；a f ) i 舭 ( 2 2 1 0 ) 由r ( a g ；r ) 一r ( 孝；v ) ，令蟛= 0v r b p 有： r ( a f ) ：广只( 咖+ ，2 ”d r ( 2 2 1i ) 这一f o u r i e r 变换关系如图2 1 。 l v j 2 1 尺( ) 羊i lr ( r ) 之f i i v , j 笑系 如图2 1 左图所示1r ( 4 厂) l 取非零值的频率差范围称为信道的相关带宽，用 玩表示：而如图2 1 右图所示，尺( f ) 保持非零的7 值范围称为信道的均方根时 延扩展，用符号盯，表示。作为r ( 4 i ) 和r ( r ) 之洲的f o u r i e r 变换关系的个重要 结果，信道的均方根时延扩展盯，的倒数近似等于信道的相干带宽b 。即有 b ；一1 ( 2 2 1 2 ) o - r 出定义式( 2 2 8 ) 知，r ( 厂) 是( ，；厂) 的频率变避的自相关函数，所以它提供了 0 一i艮。 一 一 爪击醚丽 硕：上论文 甚于m p 算法的信道估计研究 信道相干性测度的数学工具信道的相干带宽。相干带宽本质上就是信道处于较 强相关状态下的频率范围。因此，两个频率差厂大于相干带宽b 。的正弦波信 号受信道的影响是不相同的。当一载有信息的信号通过信道发射时，若信道相干 带宽口。比发送信号的带宽小，则称信道是频率选择性的。反之，若b 。比发送 信号的带宽大，信道就叫做频率非选择性的。 多普勒功率谱s ( v ) 与时间差相关函数尺( 孝) 之间的f o u r i e r 变换关系如图 2 2 所示。由( 2 2 1 0 ) 式可知，若信道是时不变的，则r ( 掌) = i ，并且s ( v ) = 占( u ) 。 因此，当信道不存在任何时间变化时，在纯频率的音频信号的发送中将观测不到 任何频谱的扩散现象。 时间差相关函数ir ( ，) i 取非零值的时间差孝范围称为信道的相干时间，记 作f 。，如图2 2 左图所示；而多普勒功率谱s ( u ) 取非零值的多普勒频率u 的取值 范围则称为信道的多普勒扩展，用盯。表示。如图2 2 右图所示。由于s ( u ) 和 r ( a 4 ) 为f o u r i e r 变换对所以盯。的倒数近似给出信道相干时间的测度。即 1 t o , me 二_ ( 2 2 1 3 ) o d 相干时间本质上就是信道处于较强相关状念下的时间差范围。显然，一个缓慢变 化的信道具有大的相干时问，或等价地具有小的多普勒扩展。 o 亭 。乇& 1 ，口d _ + 0u 1 一o d 幽2 2r c a 善) 平s ( o ) 之问的芙系 山以卜讨沦可以得到：功率时耍正剖面rc r ) 包含了信道相干带宽的必要信息， 描述了信道的频率变化( 即频率选择性) ；多普黝功率谱s ( u ) 则清楚展示了信道 多普勒扩展的必要信息，它刻画信道时问变化的快慢。 硕士论文綦手m p 算法的侑道估计研究 2 3 信道仿真模型 等效低通信道冲击响应表达式( 2 1 5 ) 可用图2 3 所示抽头延迟线模型来 实现，抽头数为上，抽头增益口( d 是复值的和时变的。也可用一个f i r 数字滤波 器来实现，这需要对滤波器系数a i ( ，) 进行抽样，各f 值取抽样间隔的整数倍。 i 划2 3 多径信道仿真模型结构 对于抽头权系数的计算，国内外已研究j = f _ ；许多有效的方法，比较常见的模型 有j a k e s 模型、c l a r k e 模型和s u z u k 【模裂等陀i 。其中j a k e s 仿真方法能产生出 较好的瑞利仿真信号。本文就采用1 a k e s 模型法产生瑞利衰落信道模型。 以下介绍j a k e s 仿真方法的数学模型。如果传输信号被垂直极化，移动台收 到的平面波重叠场为1 1 2 1 ： e = = e ( f ) = e o , c 。c o s ( 。t + 只，) = r e e 。c 。e x p j ( w 。t + q ，+ 痧，) 】) ，r # l口l 令t = r e t ( t ) e x p ( j w 。r ) 】，那么 7 1 ( f ) = e o c 。e x p ( _ ，( q lc o s 口。+ 痧，) c 。= p ( a 。) d a = = 二d a 2 石 假定有个入射角度，入射波到达角度成均匀分和：d 口= 等，则 巴= 持一争肛驼， 进一步令譬为奇整数，并考虑入射波不重叠，则 7 1 ( f ) = 鲁 压善e x “，( o ) n , lc o s ( , , + 】+ 压善e x p 【，( 峨，c o s 瓯+ 九i ) 】+ 硕士论史甚于m p 算法的信道估计研究 e x p 【，( c o 。f + 九) j + e x p 一j ( c o 。f + 啦) j 式中，n o i 1 ( 了n 1 ) 。 根据中心极限定理，如果n 足够大，则7 1 ( ，) 近似为复高斯过程。因此，i r l 就是希望的瑞利衰落信号。 因此- 产生瑞利衰落的模型由。个低频振荡器产生频谱国m c o s ( 可2 7 7 刁 1 ，频率 间的相差分布尽可能地接近均匀分布，其表达式为去a 由其通带形式推导所得 基带形式见图2 4 。模型的复值输出a i ( ，) = x c ( f ) 一豇。( ，) 。实部_ ( f ) 和虚部工，( f ) 用下式计算， t ( f ) = 压c o s a c o s ( o 。t + 2 c o s f l , ，c o s c o 。， “，) ：压s i n 口c 。s 州+ 2 艺s i n 尼，c 。s 州 ( 2 3 1 ) 式中，角频率曲。= 2 移。取决于晟大多普勒频移，其它角频率 。= 。，c o s ( 2 z m n ) 分布在0 甜。问，相角屈，= n n n o ， n = l ，2 ， o ，l l = ( n 2 1 ) 2 。j a k e s 选择口= i r l 4 或0 ，n = 3 4 ，故n o = 8 。 剀2 4 产7 e 瑞利衰落的j a k e s 模型( 基带) 这个模型的物理意义为：包络为瑞利分布的随机过程可近似地由若干个平面 波叠加而成，各个平面波具有不同的多普勒频移，频移的取值范围由移动台的速 度决定，在o 厂。之间。这些平面波的到达角是随机的，满足均匀分布。相应 地，j a k e s 模型出。+ 1 个振荡器组成，每个振荡器产生一个平面波t 振荡频率 碰十论文 璀于m p 算法的信道估计研究 。2 丌或。2 万对应于该平面波的多普勒频移。按前述算出的成使得相位的概 率分布尽可能接近均匀，即l 2 n at ( f ) 和x ，( f ) 的均值都为零，因而口，( ，) 可以看 成是零均值的、近似高斯的复值随机过程。 2 4 小结 了解衰落信道的基本原理及仿真模型是深入研究移动通信系统的前提。本章 首先描述了无线信道的数学模型，然后从分析信道的特征参数出发，揭示了信道 的各种参数之间的相互关系，最后给出了信道的实现结构，讨论了衰落信道的 j a k e s 仿真模型。本文以后的工作建立在本章的衰落信道原理和仿真模型的基础 之上。 碗l 论文聃十m p 算法的侪邋估计研究 3 m p 信道估计算法研究 信道估计技术的实质是实时地提取无线移动信道的特征参数，用以辅助接收 端的通信信号处理。目前该技术主要分为两大类，即盲信道估计和非盲信道估计。 盲信道估计是指信道估计时仅利用信道和信号的结构特征，而对信道和接收 信号的具体形式并无先验知识，具体的算法依赖于不同的应用问题所指定的未知 参数的特征。盲信道估计可以节约信道资源占用丌销不必开设已知的导频字段， 增大了系统容量但接收端实现复杂度很高。 非盲信道估计是指在发端发送已知的训练序列，在接收端通过对带有信道信 息的训练序列的判决接收，提取出所需的信道特征参数。非盲信道估计的实现复 杂度较低，接收性能也较好。因此，在实际通信系统中应用广泛。本章中主要研 究非盲信道估计算法，从时问序列分析的角度出发，提出了一种基于m a t c h i n g p u r s u i t ( m p ) 算法的新的非盲信道估计方法。 在实际的通信系统中，非盲信道估计中训练序列的功能是由导频信道的导频 字段实现的。在c d m a 通信系统中，前向链路和反向链路都发送导频信道。所 谓导频信道是指一个不含数据信息的扩频信号，它包含引导p n 序列相位偏移量 和频率基准信息。导频信道主要有以下几个方面的作用：( 1 ) 在基站覆盖区中的 移动台通过接收和解调导频信号获墩同步；( 2 ) 当移动台利用最强的导频信号完 成与最近的基站同步后，就可以知道引导p n 序列相位偏移量与导频信号强度的 关系，由此可以建立周围基站的对应关系表，为移动台越区切换提供依据：( 3 ) 同 步后的导频信道用于多径衰落信道幅度和相位的估计。例如在w c d m a 系统中， 上下行链路均采用了导频符号辅助的信道估计体制，不同的是下行链路采取的是 发送专门的公共导频信道，这是出于发送端基站部分不受复杂度和功耗限制：而 上行链路由于受到移动用户发送端的限制，采取了在专用控制信道中插入固定导 频字段的间断导频估计体制。卜文中所讨论的信道估计原理和方法，正是利用发 端发送的已知导频序列作为训练序列，提取所需的信道特征参数的。 3 1 信道估计模型 这罩我们只考虑单用户发送的信号，如第二誊所述，经过多径衰落信道后得 到的接收信号是由来自l 条其有不同延时路径的信号合并而成的，以大于 n y q u i s t 采样频率对信号进行抽样厉，接收信号可表示为： 硕士论文基于m p 算法的信道估 卜研究 l i r ( m ) 2 s ( m k ) h ( k ) m = o l 。m - 1( 3 ，1 1 ) ；0 其中s ( m ) 和r ( m ) 分别是发送序列和接收序列，h ( k ) k = 0 ，1 ，三一1 为信道的冲击 响应特性，上是信道冲击响应长度。 将式( 3 1 1 ) 转化为矩阵形式如下： s ( o ) s ( 1 ) s ( m 1 ) s ( - 1 ) 5 ( o ) s ( m 一2 1 j ( 一+ 1 ) s ( - l + 2 1 s ( m 一) ( o ) h o ) h ( l 一1 ) ，( o ) r ( 1 ) r ( m 一1 ) ( 3 1 2 ) 并可将矩阵形式简写为： s h = r ( 3 1 3 ) 其中s 为发送序列矩阵，h 为信道冲击响应特性向量，置为接收序列向量。 此时的信道估计问题可描述为在已知发送序列矩阵s 和接收序列向量月的 前提下，求解信道冲击响应特性向量日。可以通过对发送序列矩阵s 求逆后与 接收序列向量r 相乘束获得对信道冲击响应特性向量的估计，即日= s r 。比 较经典的l s ( 1