（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中的半盲信道估计研究及实现.pdf

摘要 作为第四代( 4 g ) 移动通信系统的关键技术之一，m i m o o f d m 技术j 下成为 通信信号处理领域的研究热点技术。m i m o o f d m 技术将空间分集、频率分集以 及时间分集有机地结合在一起，大大提高了无线通信系统的信道容量和传输速率， 有效的抵抗信道衰落和抑制干扰。 本文在分析移动无线信道衰落特性的基础上，主要研究了m i m o o f d m 通信 系统中的半盲信道估计技术。分析了盲信道估计法一子空间法，为了克服这种算 法估计的不确定性等问题，结合基于s o u n d i n g 的信道估计算法给出了一种半盲估 计算法，以r a y l e i g h 信道的c l a r k e 模型为信道模型对半盲算法进行仿真，仿真结 果表明这种算法性能较好，但是计算量较大，不满足实时要求。针对此问题，利 用相邻子载波信道系数的高相关性提出了一种改进的半盲算法，不仅提高了性能， 加快了收敛速度，而且大大降低了运算复杂度，满足实时要求。 最后，用f p g a 分三大模块实现了改进的半盲信道估计算法，并对整体时序、 资源消耗进行了分析。 关键词：m i m o o f d m 子空间半盲信道估计f p g a a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ef o u r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) m o b i l ec o m m u n l c a t i o ns v s t e m s ，m i m o o f d mt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n c o m m u n i c a t i o n s i g n a lp r o c e s s i n gi nr e c e n ty e a r s m i m o o f d mi st h et e c h n o l o g yc o m b i n i n gs p a c e ， 行e q u e n c ya n dt i m ed i v e r s i t i e s ，w h i c h c a nn o to n l yg r e a t l yi m p r o v et a n s l m l s s l o nf a t e a n dc h a n n e lc a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s oe f f i c i e n t l yc o m b a tm u l t i 。p a t h f a d i n ga n di n t e r f e r e n c e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i co fm o b i l ew i r e l e s sc h a n n e l ，t h i s p a p e rm a i n l ys t u d i e st h es e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ei n m i m o - o f d m s v s t e m ab l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，s u b s p a c em e t h o d ，h a sb e e na n a l y s e di n t h el i t e r a t u r e t h em e t h o dh a sm a n yp r o b l e m ss u c ha su n c e r t a i n t yo fe s t i m a t i o n i n , o r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e m s ，as e m i - b l i n de s t i m a t i o na l g o r i t h mw h i c hc o m b i n e s s l l b s p a c em e t h o dw i t ht h es o u n d i n g b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sg i v e n u s i n g c i a r k em o d e lo fr a y l e i g hc h a n n e lt os i m u l a t e ，i ti si n d i c a t e d t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e a l g o r i t h mi sf i n e ，b u ti t sc o m p u t a t i o ni s t o oh i g ht og u a r a n t e ear e a l t i m ep r o c e s s i n g f o rt h i sp r o b l e n l ，u s i n gt h eh i g hc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ea d j a c e n ts u b c a r r i e r s ， t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e ds e m i - b l i n da l g o r i t h m ，w h i c hn o to n l yi m p r o v e st h e p e r f o r n l a n c e ，s p e e du pt h ec o n v e r g e n c er a t e ，b u ta l s og r e a t l yr e d u c e st h ec o m p u t i n g c o m p l e x i t yt og u a r a n t e ea r e a l t i m ep r o c e s s i n g f i n a l l v t h ei m p r o v e dm e t h o di sr e a l i z e db yf p g au s i n gt h r e em o d u l e s t h e o v e r a l lt i m i n ga n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o na r ea l s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：m i m o o f d m ，s u b s p a c e ，s e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n ，f p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 塞篮莹 同期： 2 丝! ：圣：1 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：望懿 同期：丝旦：墨12 翌 导师签名：! 雌 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年研究表明，基于多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 空间分集的正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是对抗衰落、提高频谱利用重要手段。信道估计技术作为空时发射分集解码 与信号畸变校正的前提，在系统设计中占有举足轻重的地位。在以往系统研究中， 通常假定接收端己获得精确的信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 。然 而随着系统的深入研究以及实现的需求，要求信道估计方法具有更高的精度与更 低的复杂度。 因此，信道估计是一项至关重要的技术，信道估计的准确性将直接影响 m i m o o f d m 系统的整体性能。目前，随着4 g 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，但这些方法都有一定的局限性。总的来说，高速 移动状态下的信道估计问题还处于研究状念，对新的、更有效的信道估计方法的 研究迫在眉睫。 1 2 移动通信的发展 在过去的二十多年罩，移动通信作为世界范围内成长速度最快的产业之一， 取得了长足的发展。随着移动通信市场的发展，人们对移动通信业务的要求也在 不断提高，从单纯的语音业务，到低速率数据业务，再到能提供移动i n t e r n e t 接入 的高速多媒体业务。用户数的快速增长和业务的高质量要求，使移动通信面临巨 大的挑战【jj 。 无线移动通信从其诞生以来，已经经历了几代变迁。从最初的模拟网，即现 在所说的第一代移动通信，发展到以欧洲的全球移动通信系统( g s m ，g l o b a l s y s t e mo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 和美国的c d m ao n e ( 即i s 9 5 ) 为代表的第二代 无线通信系统。第二代无线移动通信系统采用的是数字调制技术，与第一代移动 通信相比，显著改善了通话质量，大大增加了系统容量。第二代移动通信系统成 为当前无线移动通信平台的主体。 2 0 世纪9 0 年代后期，国际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) 提出了国际移动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 ) ， 即第三代( 3 g ，t h i r d g e n e r a t i o n ) 移动通信系统。提出3 g 系统的目的是能够向用 m l m o o f d m 系统中的? 仁盲信道估计研究及实现 户提供更多的无线数据业务以及更高的无线数据传输速率。围绕i m t 2 0 0 0 标准的制 定，在各国提出的诸多标准中，以欧洲的w c d m a 标准和美国的c d m a 2 0 0 0 标准 最令人瞩目。为了促进i m t 2 0 0 0 系统多个标准的融合，分别以w c d m a 标准和 c d m a 2 0 0 0 标准为核心组成了第三代合作伙伴计划( 3 g p p ，t h i r d g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pe r o j e c t ) 和3 g p p 2 。中国提出的t d s c d m a 标准在频谱利用率方面优势 非常明显，与w c d m a 标准在频谱利用率方面有很好的互补性，已被3 g p p 接纳并 进行了融合。 随着数字多媒体通信业务的发展，目前的无线通信系统越来越不能满足人们 对高速数据通信的需求，传统的标准在人们同益增长的需要面酊也显得越来越无 能为力。虽然3 g 系统还不完善，到目前为止还未商用化，但人们对后三代( b e y o n d 3 g ) 无线通信系统的研究已经悄然兴起。后三代无线通信，也称为下代无线通 信或第四代( 4 g ，f o u r t h g e n e r a t i o n ) 无线通信。3 g 系统的主要特征是“无线”， 而4 g 系统的主要特征是“移动”，它将能够更好地支持多环境和多业务。多载波与 多天线等技术将在其中得到广泛的应用。 虽然下一无线移动通信系统的标准尚未形成，但相关的研究却很活跃，其中 正交频分复用( o f d m 2 】- 【5 1 ) 技术与多天线( m i m o 6 】【7 1 ) 技术等研究的热点很有 可能成为下一代无线移动通信系统的核心技术。 1 3 移动通信的信道估计 作为第四代( 4 g ) 移动通信系统的关键技术之一，m i m o o f d m 技术诈成为 通信信号处理领域的研究热点技术。m i m o o f d m 技术将空间分集、频率分集以 及时闻分集有机地结合在一起，可以大大提高无线通信中的信道容量和传输速率， 并能有效抵抗衰落、抑制干扰和噪声。但是高速率的数据传输在多径衰落信道中 将引起符号问干扰( i s i ) ，对于这样一个重要的问题，可以通过加循环阿缀进行有 效的抑制；而高速移动的终端，将会带来多普勒频移，随着信道最大多普勒频偏 的增大，其引起的子载波间干扰( i c i ) 【8 l 【9 】将成为影响系统性能的主要因素之一。 传统的对抗子载波问干扰的技术主要有差分编码【lo 】和均衡器】，然而相关编码显 然要降低系统的频带利用率，而对于均衡算法，信道估计提供的信道信息的精度 将直接影响到均衡器的性能，所以信道估计部分成了无线通信系统中很重要的一 个环节。 有关系统的信道估计已有较多的研究，通常可以分为基于导频符号的方法、 决策反馈的方法和盲估计方法三类【| 2 1 。研究表明，上述这些算法大多在o f d m 系 统中取得较好的性能。但很多并不适用于m i m o o f d m 系统的情况，因为系统采 用多个发射接收天线，其接收信号是多个发射天线发送信号的衰落与加性噪声的 第一章绪论 叠加，若采用上述算法估计信道，对于某个特定的发射接收天线对，来自于其他 天线的信号即为干扰，信号噪声功率比一般在0 d b 以下，从而带来很大的估计误差， 导致系统性能急剧下降。因此，m i m o o f d m 系统中的信道估计是一个充满挑战 且极具意义的研究领域。 基于导频辅助的信道估计方法通常分为两步【i ”，首先获得导频子载波上的频 域冲击响应，然后通过插值的方法得到对应数据子载波上的频域冲击响应。在单 发单收系统中，为获取导频点上的频域冲激响应，除导频插入比例满足奈氏采样 定律外，没有特殊的要求。但在m i m o 系统中信道估计的方法较为复杂，在现有方 法中，为了估计每个发射天线与接收天线之间的信道特性，i e e e8 0 2 1 6 中提出一 种多天线频域导频时分复用的方法，即轮流仅在一个特定的天线上发射导频信号， 而让其它天线对应导频子载波信号置零，从而获得该特定发射天线与各接收天线 之间的信道响应。在这种方法中，让发射分集编码部分时段的频域响应替代整个 时段的频域冲击响应，尤其在移动时变的信道中，其信道估计精度低，有较大的 误差，不适合m i m o 一0 f d m 系统。 非盲的信道估计法需要训练序列或导频符号，这必然占用一定的有效带宽， 从而使系统的传输效率降低。为了解决这些问题，研究信道估计的盲算法最富有 吸引力，盲信道估计法不需要训练序列，可利用的只有接收信号及其统计特性和 发射信号的一些性质，重要的是盲信道估计方法能够自适应地跟踪信道的动态变 化。因此，盲信道估计法有很多的优点是其他一些估计方法所不能满足的。 基于以上因素，现在更多的研究学者和团体都在重视m i m o o f d m 系统的盲 信道估计算法的研究，目i 订这领域的工作还不够完善和深人，还有诸多待解决的 问题。 1 4 论文的研究工作 1 4 1 论文的研究意义 新一代移动通信系统要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的 传输，o f d m 系统因其能实现高速数据传输、有效抵抗多径衰落以及实现简单等几 大优点而受到了广泛的关注；m i m o 系统在不增加带宽的情况下成倍地提高信道容 量和频谱利用率，因此将o f d m 与m i m o 系统相结合可以通过发送端与接收端的 分集来极大地提高传输速率和传输性能，以适应无线通信中多媒体应用对高速率 数据传输的需要。 未来的移动通信信道将是严重的频率选择性衰落信道，信道估计技术作为空 时发射分集解码与信号畸变校正的自订提，在系统设计中占有举足轻重的地位。在 m i m o o f d m 系统中的、l ，盲信道估计研究及实现 以往的系统研究中，通常假定接收端已获得精确的信道状态信，g c s i ( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ) 。然而随着系统的深入研究，要求信道估计方法具有更高的精度与更 低的复杂度。如何能准确地获取信道状态信息( c s i ) 对于后继的信道均衡和数据 检测显得尤为重要，因此在m i m o o f d m 系统中研究信道估计有其必然的现实意 义。 关于信道估计已有较多的研究，例如基于导频的信道估计、判决反馈的方法 等等在o f d m 中已取得较好的性能，但很多并不适应于m i m o o f d m 系统，因为 其系统采用多个发射接收天线，其接收信号是多个发射天线发送信号的衰落与加 性噪声的叠加，若采用上述算法估计信道，对于某个特定的发射接收天线对，来 自于其他天线的信号即为干扰，信号噪声功率比常常在o d b 以下，从而带来很大的 估计误差，导致系统性能急剧下降。因此，m i m o o f d m 系统中的信道估计是一 个充满挑战且极具意义的研究领域。 在m i m o o f d m 系统中，信号的相干检测与解调需要信道冲击响应的可靠估 计，普通的信道估计算法采用不停地发送训练序列来进行估计，大大降低了系统 的频带利用率。对于m i m o o f d m 系统，因为天线数目比较多，故此方法效率更 低，而且复杂度很高。因此m i m o o f d m 系统中盲信道估计算法以及半盲算法成 为目前研究的热点之一。 1 4 2 论文的结构安排 论文的结构安排如下： 第一章主要研究了移动通信的发展以及其信道估计技术，并对论文的研究意 义做了一定的阐述。 第二章主要描述了m i m o o f d m 系统模型、无线信道的特性( 包括小尺度效 应和大尺度效应) 和无线信道的统计模型。 第三章主要研究了半盲信道估计算法。为了克服子空问法中估计的不确定性 问题，结合基于s o u n d i n g 的信道估计算法提出了半盲信道估计算法。这种算法性能 较好，但是计算量较大，不满足实时要求。鉴于这，利用相邻子载波信道系数的 高相关性提出了一种改进的半盲算法，不仅提高了性能，加快了收敛速度，而且 大大降低了运算复杂度，满足实时要求。 第四章用f p g a 分3 大模块实现了改进的半盲信道估计算法，并对其整体时序、 资源消耗进行了分析。 第二章m i m o o f d m 系统与无线信道特性及模型 第二章m i m o o f d m 系统与无线信道特性及模型 2 1 引言 随着无线通信的发展，在新一代的无线通信系统中，人们对高速率、高质量 的服务需求更高。将m i m o 系统和o f d m 系统结合起来，即m i m o o f d m 系统， 它具有高的频谱效率和强的抗多径衰落能力，能够提供高速、稳定的数据传输， 是无线通信领域智能天线技术的重大突破。准确的信道估计正是保证 m i m o o f d m 系统传输质量，发挥其优越性的关键。 研究信道估计，首先必须深刻了解无线信道的传播环境时间与空间衰落等相 关特性。本章主要描述了无线信道的特性，其主要包括小尺度效应和大尺度效应， 接着对无线信道的统计模型进行介绍，这些模型在实际问题的分析中非常重要。 2 2m i m o o f d m 系统模型 通常将所有收发天线都使用o f d m 的m i m o 系统称为m i m o o f d m 系统。考虑 装配有m ，发射天线、m ，接收天线的m i m o o f d m 系统，见图2 1 所示1 1 4 1 。 图2 1m i m o o f d m 系统框幽 图中o f d m 的子载波数为k ，考虑到消除码间干扰，还需在o f d m 符号前面加 上长度为p 的循环自仃缀，这些循环前缀正是i f f t 输出的最后尸个字符。经过o f d m 调制后，第i 根天线上发送的数据块可以表示为： x i ( 门) = ( x ik ，k p 】x ，k ，k l l x ， ，o 】x ，k ，k 一1 1 ) r( 2 1 ) 式中，i = 1 , 2 m ，最后这些数据块从m ，个天线上独立地同时发送出去。 6 m i m o o f d m 系统中的、t - 盲信道估计研究及实现 为推导方便，定义整个发射端数据源的时域表达式为： 声、 x ) = x ( n ，k p ) x ( n ，k p + i ) x ( n ，k 一1 ) x ( n ，0 ) x ( n ，k 一1 ) ( 2 - 2 ) 式中，x 0 ，k ) = b 。o ，k )x ：g ，k ) 工m ，g ，k ) 厂。 考虑频率选择性衰落信道，将m ，根发射天线和m ，根接收天线2 _ f b j 的频率选 择性信道模型简化为一个f i r 滤波器，并且假设信道阶数的上限为，则第f 阶信 道可表示为： h ( i ) = 乞，。 j l l 0 ， ， ( 2 - 3 ) 令n = k + p ，j 为观测的符号个数，则m i m o o f d m 系统的信道模型矩阵h 可以 表示为【1 5 】： h ( 0 ) h ( 1 ) h ( l ) 0 0 1 0 h ( o ) ( 1 ) h ( l ) 0 aa i oo ( o ) 月( 1 ) h 亿) o h = 1 o 0 01 4 ( 0 ) h ( l 一1 ) 我们可以将其用一个f i r 线性系统表示，其定义为 h ( z ) - - h ( i ) z 叫 i = o 定义接收向量 h ( l ) j 。j k l 。m 。x j n m ( 2 - 4 ) 第二章m i m o o f d m 系统与无线信道特性及模型 乒、 r ( n ) = ，一g ，0 ) r ( n ，i ) r ( n ，k i ) ( 2 5 ) 式中，r g ，后) ：g b ，尼)疋g ，尼) - - r u , n ，七妒，定义x 奠) 相应的频域形式为d ) ， 则m ，根接收天线上接收到的信号为： 厂g ) ：h d & 卜7 g ) ( 2 - 6 ) 式中，节_ ) 为空间和时间均不相关的复高斯噪声向量，其均值为o ，方差矩阵为 ( 了2 q i k m ，。 2 3m i m o o f d m 关键技术及其现状 m i m o 与o f d m 技术的结合虽然能适应未来高频谱效率的需求，但同时也面 临着很多m i m o 与o f d m 中固有的衍生出来的关键性技术问题，m i m o 技术假设 信道是窄带和平坦衰落的，而这种假设在实际的时域信道中几乎是不存在的。宽 带无线通信是目前发展的主流，o f d m 技术可以将频率选择性衰落的宽带信道划 分为多个并行的窄带平坦衰落信道，每个窄带信道f 好适合采用m i m o 技术实现 m i m o 和o f d m 有机结合。o f d m 通过多载波技术将频率选择性衰落信道转化为 平坦衰落信道，简化了信道均衡的过程。同时通过o f d m 符号循环前缀不但简化 了符号同步的过程，避免了符号问干扰，也简化了信号处理的过程。但是o f d m 对相位偏移相当敏感，因此，必须在接收端采取更为精确的信道估计方法对接收 信号相位进行校f ，获取对发射信号的最佳逼近。空时码作为m i m o 数据传输的 一种实现方式，能够显著的提高系统的分集增益性能f 1 6 】。 具体到m i m o o f d m 系统，对发射接收策略选取来源于对多天线信道空问与 时间二维深入的研究，研究空中接口传输策略的目的就是要在业务多样性以及空 时信道时变的传输环境下使系统的多种资源，如频带、功率、天线等得到最大程 度的合理利用，以实现系统总体性能的最优或系统容量的最大。所研究的内容包 括从整体结构设计到各个关键技术的单个突破。就物理层m i m o o f d m 而言，可 从系统传输架构、帧符号结构、信道同步估计算法、子载波与天线分配调制编码 等方面结合信道特性深入研究。目前，相对而言，对o f d m 的研究比较多，如信道 8 m i m o o f d m 系统中的半盲信道估计研究及实现 估计、同步、峰均比抑制以及多用户自适应的技术上近几年均取得了相当成果。 o f d m 技术也在实际系统中得到应用。事实上，i e e e 协会关于无线通信的新一代 标准大量采取o f d m 技术，包括8 0 2 1 6 cb w a 、8 0 2 1 6 a 、w l a n8 0 2 1 5 3 、w p a n 等。而对于m i m o 的研究，此前绝大部分工作均是基于获取接收的分集增益，且为 便于性能分析，大部分的工作均局限在独立衰落信道假设条件下进行的，t e l a t a r 和f o s c h i n i 研究成果揭示了多发多收系统的巨大潜力，但他们的这个结论是对遍历 容量e r g o d i cc a p a c i t y 而言的。在实际的通信传输中，比遍历容量更加有指导意义的 参数是瞬时信道容量，后者是一个随机变量。因此相对某一期望的数据速率而言， 传输时是会出现耗竭o u t a g e l h 题的，为了尽可能的减小耗竭概率以提高系统性能， 我们希望发射机可以与信道进行有效的适配，即发射端能根据当前的信道状态信 g c s i - 失n 识而选择最优的传输策略与方式。对于多载波而言，发射端也能根据获得 的一些信道知识而决定最优的子载波功率、比特分配方式。 o f d m 系统的技术难题都将在m i m o o f d m 系统中出现，同时m i m o o f d m 还要面对m i m o 方面的一些问题。除了信道估计其余的几个主要问题是： 1 同步问趔 】【1 8 】：其不仅保证了m i m o o f d m 系统对高速数据流接收的可靠性， 而且也是m i m o o f d m 系统接收机其它信号检测技术实施的基础。 2 空时编码问题【i9 】：由于引入o f d m ，将频域引入进来，使码字在频域上也具 有分集增益。 3 自适应调制【2 0 】：属于链路级自适应调节技术，应根据信道增益的不同而采用不 同的调制方式。 在移动通信系统中，为了最好地利用m i m o 带来的容量倍增以及o f d m 系统 载波可灵活分配等优点，我们需要研究在发端具备不同水平的信道知识条件时， 能与信道较好适配的传输方式、功率分配、子载波分配策略等自适应技术来实现 信道容量的最大程度利用。可以预见，随着实现技术的提高，m i m o o f d m 将越 来越趋于实用化，对m i m o o f d m 及其相关问题进行更深入的研究已是当务之急。 2 4 无线信道特性 在无线通信中，无线信道不像有线信道那样固定并可预见，发射信号在传播 过程中往往会受到环境中的各种物体所引起的遮挡、吸收、反射、折射和衍射的 影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径的信号分量具有不同传播时 延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强， 导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使 得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统 解调器输出出现大量差错，以致完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于 第二章m i m o o f d m 系统与无线信道特性及模型 移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时问随机变化，接收到的 信号由于多谱勒效应会产生更为严重的失真，从而极具随机性，特别难以分析。 无线信道传输效应主要包括大尺度效应和小尺度效应，下面分别介绍。 2 4 1 大尺度效应 大尺度衰落描述了长距离内接收信号的缓慢变化，这些变化一般是由于发射 天线和接收天线之间传播路径上的地表特征所造成的。大尺度衰落与发送天线和 接收天线之间的距离成反比，并且在不同的地形特征下( 比如海边、内陆) 有不 同的衰减因子。了解大尺度衰落的特性对于设计无线通信系统的发射功率和网络 覆盖有着重要的意义。本节将介绍大尺度衰落的相关知识。 1 自由空间传输模型 自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时 接收信号场强。如：卫星通信系统、微波视距无线链路。在自由空问传播中接收 端的接收功率为【1 6 】： 只= 器dl ( 2 - 7 ) ( 4 万) 2 2 p 叫 式中，p 为发射天线的发射功率；e 为接收天线的接收功率；g i 和g r 分别为发、 收天线增益；d 是发射天线与接收天线之间的距离；是与传播无关的系统损耗因 子，一般为1 ；五是传送电波的波长。 路径损耗，表示信号衰减，定义为有效发射功率和接收功率之间的比值，当 包括无线增益时，自由空间路径损耗为： p l = 尸e ( 2 - 8 ) 写成对数形式为： p l ( d b ) - - 1 0 l 0 9 2 每= - l o l 0 9 2 ( 踹j 陋9 ， 可见，自由空间传播损耗与发射天线和接收天线的增益成反比，与传输距离、 传输频率成f 比。同时也发现，p 不包括d = 0 的情况，大尺度传播模型使用近地 距离d 。作为接收功率的参考点，远场距离d ，作为参考距离，并且d 。小于移动通信 系统中所用的实际距离d ，即d d 。d ，这样： e ( 舻删。) ( 鲁】 抡九猁，( 2 - l o ) 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物的后 面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落。 1 0m i m o o f d m 系统中的j 盲信道估计研究及实现 与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其 衰落特性符合对数f 态分布。其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信 号频率和障碍物状况，频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频 信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。 在无线通信机制中，影响传播的三种最基本的机制是反射、绕射( 衍射) 和 散射。当电磁波遇到比其波长大得多的物体时，在不同性质的介质交界处，一部 分发生反射，一部分穿过阻挡物( 称之为折射) ，反射波和折射波的电场强度取决 于f r e s n e l 反射系数；当发射机和接收机之间的无线路径被锐利的边缘阻挡时，会 发生绕射，绕射使得无线电波可以绕过障碍物，在障碍物的后面形成场强；散射 是由于当电波遇到粗糙的表面，或在尺寸远小于电波波长的大量物体中( 如树叶) 穿行时，发生了散布于各个方向上的反射，这些反射能量散布于各个方向，从而 增加了接收信号的能量。在地面反射模型中，接收天线的接收功率为【2 l j ： h2 h 2 e = p , g ，g ，二l ( 2 - 1 1 ) d 式中，h ，、h ，分别是发射天线和接收天线的高度，可见随着d 的增大，接收功率 呈距离的4 次方衰减，比空间衰减损耗快。 实际移动环境中通常用下面的模型来表征，实际的损耗是一个随机变量只d ， 以抬为单位，其概率密度函数为： 2 4 2 小尺度效应 毗小君1p i 趔2 f i 2 ( 2 - 1 2 ) 小尺度衰落是描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号的快速 变化。在无线移动通信环境中，信道的主要特征是多径，由于这些多径使得接收 信号的幅度发生急剧变化，产生了衰落。小尺度衰落的研究对于移动通信研究中 的传输技术选择和接收机设计至关重要，在本节中，将重点讨论无线信道的小尺 度衰落【2 2 1 。 小尺度衰落对无线信道的影响主要有： ( 1 )在小距离或短时问范围内接收信号强度的剧烈变化。 ( 2 ) 在不同信号路径上的不同多普勒效应引起的随机频率调制。 ( 3 ) 由多径时延扩展造成信号的时i 日j 弥散效应。 1 时延扩展( 频率选择性衰落) 在多径传播环境下，由于传播路径的差异导致多径信号以不同的时i 日j 到达接 第二章m i m o o f d m 系统与无线信道特性及模璎儿 收端，如果基站发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，移动用户接收到的确是 多个具有不同时延的脉冲信号的叠加，显然，接收信号的波形比原脉冲展宽了。 由于信号波形的展宽是由信道的时延引起的，所以称之为时延扩展。 多径效应除引起幅度衰减外，还会因时延扩展而引起畸变。当基站向移动台 传送一个脉冲信号s o ( f ) = a o a ( t ) 时，由于多径传输，移动台接收的信号在时间上被 显著地拉长了，这时移动台接收到的脉冲信号变成： l - ij ，( f ) = 口。口，万( 卜鲁) ( 2 1 3 ) i = 0 ， 式中，d ，为第f 条路径的传输距离，口；为第f 条路径的衰减系数，为总路径数，c 代表光速。 多径时延现象一般用平均时延和均方根时延扩展来表征，平均时延f 和均方根 时延扩展万? 分别定义为f 2 3 】： 一r ， 弘蕾, -厶j ，：础以| 2 j ( 2 1 4 ) ，( e ( f ；) 一f ) 2 彭= l f ( 2 - 1 5 ) 式中，f ，= d ，c ，e ( f ) 为归一化的包络特性。在数学上，均方根时延扩展万；是时 延谱的二阶中心距，较大的时延扩展意味着频率选择性和较小的相关带宽。 与时域的时延扩展参数类似，频域的相关带宽用于描述信道特性。相关带宽 反映了不同频率分量所经历的衰落的相互关系，即包络的相关性，也反映了无线 移动信道对信号包络的衰落具有频率选择性，一般定义为： 见= ( 2 - 16 ) z 刀z m a x 实际应用中常用下面定义： b 。= l( 2 1 7 ) f m a x 当信道传输带宽小于相关带宽时，信道成为平坦衰落信道。在平坦衰落情况 下，信道多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。然而，由于 多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度随时间变化，平坦衰落信道即幅度 变化信道，有时看成窄带信道，典型的平坦衰落信道会引起深度衰落。因此在深 度衰落期间需要增加发送功率，以获得较低的比特误码率，平坦衰落信道增益分 1 2 m i m o o f d m 系统中的、卜盲信道估计研究及实现 布对设计无线链路非常重要，最常见的幅度分布是r a y l e i g h 分布。 当信道传输带宽大于相关带宽时，信道成为频率选择性信道( 时间色散信道) 。 频率选择性衰落是由发射信号在信道内的时延扩展引起的。因此，信道内会引起 码间干扰。从频域看，接收信号谱的某个频率分量的增益会和其他分量的增益相 差较大，从而使接收信号发生畸变。 2 多普勒扩展( 时间选择性衰落) 由于移动用户与基站的相对运动，每条路径都会有一个明显的频率偏移。由 运动引起的接收信号频率的偏移，称为多普勒频移，用厶表示，它与移动用户的 移动速度成f 比，其关系为【2 4 】： 厶= - ；c o s o ( 2 1 8 ) 儿 式中，v 为移动台的运动速度；a 为无线电波的波长；0 为无线电波与移动台运动 方向的央角，即到达角，当i c o s o i = l 时，可得到d o p p l e r 频移的最大值厶= v 2 。 在多径坏境中，衰落信号的频率随机变换称为随机调频。对于移动台来说， 由于周围物体的发射，其多径接收信号的入射角都不全相同。假设移动台天线为 全向天线，路径数较大，且不存在直达径，则可认为多径波均匀来自各个方向， 入射角口服从o 2 万的均匀分布，来自a 与口之间的电波有相同的多普勒频移， 接收信号的频率为【2 3 】： f = 六+ ，c o s 6 ( 2 - 1 9 ) 由上式可见，虽然发射频率为z ，但接收信号的频率却扩展到从正一无，到 丘+ 以，范围，这就是多普勒频展。时间选择性衰落信号的幅度变化符合瑞利分布， 通常称为瑞利衰落。瑞利衰落随时问急剧变化，又称为“快衰落”，衰落最快时每 秒2 v 2 次。但瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，故称为“慢衰落”。 考虑到多普勒频偏关于入射角的对称性，接收信号的功率谱【2 3 1 可用式( 2 2 0 ) 表示： 文班外( 等汗 陋2 。， 式中，e ，是所有到达电波的平均功率。 由于接收机的移动出现了各个多径的多普勒频移，这就是频率色散，从而信 道是时变的。信号经过这种信道产生了时间选择性衰落，严格定义相关时i 白j y , j 2 5 】： 疋2 赢 q 乏1 ) 实际中常用下面定义： 第二章m i m o o f d m 系统与无线信道特性及模理 1 3 2 万1 ( 2 2 2 ) 相关时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，而这种衰落是由于多普勒效 应引起的。在时问问隔z 之内，信道变化慢于基带信号变化，信道可以认为是不 变的。当符号周期大于时间间隔r e 时，那么信号的波形可能发生变化，造成信号 的畸变，产生时间选择性衰落，出现快衰落。 3 角度扩展( 空间选择性衰落) 由于无线通信接收机周围散射环境的不同，使得多天线系统中不同位置的天 线所经历的衰落不同，从而产生角度色散，即空间选择性衰落。接收端的角度扩 展( a n g l es p r e a d ) 指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽，而发射端的 角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。因此，与单天线系统不 同，在对多天线系统的研究中，还需要了解角度的统计特性。其中角度功率谱是 信号功率谱密度在角度上的分布，根据不同的环境，角度功率谱一般为均匀分布、 截短高斯分布和高斯分布【2 2 】。 角度扩展引起空间选择性衰落( s p a c es e l e c t i v ef a d i n g ) ，可以用相干距离 ( c o h e r e n c ed i s t a n c e ) 来描述，相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相 关时的最大空间距离。相干距离越长角度扩展越小；反之，相干距离越短，则角 度扩展越大。定义相关距离如下【2 5 】： d ，：旦旦( 2 2 3 ) a = ( 2 2 4 ) 是信道的角度扩展，是信道的角度功率谱p ( o ) 的二阶中心距的平方根。当 不同天线之间的距离大于相关距离时，就可以认为它们的信道冲击响应是不相关 的，这在m i m o 系统设计以及智能天线系统设计中非常重要。 2 5 无线信道的建模 通常分析无线信道的方法是根据无线电传播的特点，考察无线电信号的大尺 度传播损耗和小尺度的平坦衰落和选择性等各种衰落。大尺度传播损耗是指无线 电信号传播过程中所经历的自由空问传播损耗和由树叶、建筑物等造成的阴影效 应等，这在本文不做研究。而由无线电信号传播时所遭受的发射、散射等多径效 “ m i m o o f d m 系统中的、 ，盲信道估计研究及实现 高斯信道是所有信道模型中最简单的一种，它可以用图2 2 表示，甩o ) 表示平 稳白高斯噪声过程，信号丸) 经过信道五o ) 的输出为： j ，o ) = x