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c d m a 系统中信道估计技术的研究j r8 7 9 19 0 摘要 本文介绍了c d m a 系统中基于导频符号辅助瑞利衰落信道下 的信道估计算法，并以第三代移动通信系统主流陆地无线接口 c d m a 2 0 0 0 下行链路为背景，使用m a t l a b 对部分算法的性能进行 了链路级仿真。由于c d m a 系统采用基于相干解调的r a l ( e 接收方 案，故需要对信号在多径衰落信道中所经历的衰落作出准确实时 的估计，以便在r a k e 接收机中实现相位校正和相干接收。本文对 几类主要的导频符号信道估计算法进行了研究，并针对衰落信道 的特征，对各类算法的性能作出了理论分析。本文还对文献【3 】提 出的基于小波变换并利用分形滤波进行最小均方误差意义下信道 参数估计的方法采用噪声门限的方式作了改进，仿真结果表明， 基于小波变换的分形滤波算法不仅对不同运动速度下的信道能得 到比较准确的估计，显著地改善r a k e 接收机的性能，而且可以自 适应地跟踪信道衰落的快慢变化，改进方法的误码性能优于原方 法，因此，对原方法采用噪声门限进行改进是合理的，有助于提 高系统性能。 关键字：r a k e 接收机信道估计衰落信道相位校正 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第l 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 a b s t r a c t t h i sp a 口e ri n t r o d u c e sc h 锄e 1e s t i m a t i o na l g o r i t h mo fr a y l e i 曲 f a d i n gc h a i l n e l su s i n gp i l o ts y m b 0 1 si nc d m as y s t e m ，趾ds i m u l a t e s s e v e r a la 1 9 0 矗n su s i n gm a t l a bb a s e do nc d m a 2 0 0 0d o w n 一】i 1 1 1 ( ， w h i c hi st h ec h i e f t e r r e s t r i a lr a d i oi m e r f a c ef o rt h et h i r dg e n e r a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c 撕o n s s i n c ec d m as y s t e ma d o p tm er a k e r e c e i v e ru s i n gc o h e r e n td e t e c t i o nt e c l l n i q u e ，t h ee x a c ta n di a l t i m e c h 姗e 1f a d i n ge s t i m a t i o no ft h et r a n s m i t t e ds i 掣1 a li sn e e d o dt o r e a l i z et 1 1 ep h a s ec o r r e c t i o na 1 1 dc o h e r e n tr e c 印t i o n i i lm i sp a p e r ，w e s t l l d y s e v e r a lp r i m a i yc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t l l i l l s ，a n d a l s o a i l a l y z et h ep e r f b m a n c eo fe v e r ya l g o r i t h mu n d e rv a r i o u sf a d i n g c o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，也i sp a p e ra d o p t sn o i s et h r e s h 0 1 dt om o d i f y c h 籼e 1e s t i m a t i o ns c b e m eu s i n 2f r a c t a lf i l t e rb a s e do nw a v e l e t t r a l l s f o m li nt l 】es e n s eo f 商面m 啪m e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) p r e s e n t e db vr e f e r e n c e 3 i ti sd 锄o n s 仃 l t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h a t 廿1 em e t l l o dc a ne s t i m a t et h ec h a n n e lp a r a m e t e r sm o r ca c c u r a t e l y a n dt r a c kt l l ec h a n g e so fc h a n n e lc o n d i t i o n ss e l f - a d | l p t i v e l yi nb o t l l r a l p i da n ds l o wt e m l i n a lm o v i i l gc a s e s ，a n dm ep e r f o n 锄c eo ft h e r a ：k er e c e i v e ri si m p m v e dn o t a b l yt h ep e r f o h n a n c eo fm o d i f i e d m e t l l o dg a i n sa na d v a n t a g eo v e rt h eo t i g i n a lm e t h o d ， s oi ti s r e a s o n a b l et om o d i 如t h em e t l l o du s i n gn o i s em r e s h o l d k e y w o r d s ：r a k er e c e i v e r c h a n n e le s t i m a t i o n f a d i n gc h a n n e l p h a s ec o r r e c t j o n 北京交通火学电子信息工程学院顾士论文 第2 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 第一章绪论 第一节我国移动通信系统的发展现状 任何人在任何时间、任何地点，能够向任何其他人传送任何 信息是人类在2 1 世纪对通信发展的愿望。第三代移动通信系统正 是这个时代的产物，它的出现将使得我们的生活发生深刻变化。 第三代移动通信系统涉及多种学科、多项技术，包括电信网络技 术、计算机网络及终端技术、信号处理技术、多媒体传输技术等， 并需要他们的相互融合与渗透。 移动通信是我国最具发展活力的产业之一。1 9 8 7 年至2 0 0 0 年 十余年间，由l o 增加至2 0 ，与世界上移动通信普及率最高的 国家相比，我国移动通信用户总数以年均1 0 0 的增长速率迅猛发 展，目前已拥有3 亿用户，成为世界上规模最大的电信市场之一。 现有g s m 系统占据着我国移动通信市场绝大部分份额，目前约占 我国移动通信用户总数的9 7 。2 0 0 1 年初，中国联通在全国范围 内开始大规模发展8 0 0 m h z i s 一9 5 bc d m a 网络，与此同时，中国 移动开始在全国主要城市部署支持分组数据业务的g p r s 系统。 上述网络目前虽暂时能满足人们的需要，但随着移动用户数 的增加和人们物质生活水平的提高，以提供话音业务为主的传统 g s m 和c d m a 技术将逐渐难以满足人们对信息传递的需要，能够 提供无线i n t e m e t 业务和多媒体业务是人们对第三代移动通信发 展的要求。据有关专家预测，2 叭0 年第三代移动通信系统的市场 规模将达到一万亿元人民币。在如此庞大的市场面前，由于我国 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第5 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 移动通信设备制造业起步比较晚，基础薄弱，缺乏核心技术，在 与国外企业的竞争中处于不利地位，民族企业的市场占有率目前 仅为2 0 左右。究其根本原因在于缺乏核心竞争力，造成民族企 业的盈利空间相对低下，经济效益难以提高。 正是意识到这一点，在各大通信公司的鼎力协助下，我国在 第三代移动通信系统研究开发方面取得了重大进展，成功地开发 出现场测试试验系统，并已经在此基础上完成了对w c d m a 、 c d m a 2 0 0 01x 及t d s c d m a ( 我国拥有自主知识产权的第三代移 动通信体制) 三种技术体制部分项目的现场测试，使得人们对我 国第三代移动通信发展充满信心。 第二节第三代移动通信关键技术 1 分集技术与r a k e 接收 移动通信的一个典型特征就是电磁传播环境复杂，如何克服 电波传播所造成的多径衰落现象是移动通信要解决的一个基本问 题。分集技术作为项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径 衰落信道下接收的可靠性。在c d m a 移动通信系统中，由于信号 带宽较宽，因而在时间上可以分辨出较细微的多径信号，对分辨 出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强， 从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的影响，这就是所 熟悉的r a k e 多径分集接收技术。 北京交通大学电子信皂，工程学院硕士论文第6 页筵6 0 页 c d m a 系统巾信道估计技术的研究 2 信道估计技术 在一个c d m a 系统中，信道估计技术对于接收数据的解调有 着重要的意义，它可以最大限度地利用信道响应的信息，来遏制 信道变化对数据传输的影响。在为实现相干形式的r a k e 接收中， 需发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，以使接收端能在确知己发数 据的条件下估计多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的 最大信噪比合并。w c d m a 系统采用的是用户专用导频信号； c d m a 2 0 0 0 下行链路采用的是公用导频信号，上行信道采用的也是 用户专用导频信道；对于我国提出的t d s c d m a 系统，则采用位 于两个数据块中间的训练序列( m i d a m b l e ) 来进行信道估计。 3 智能天线技术 智能天线技术通过利用信号传输的空间特性，达到抑制干扰、 提取信号的目的。从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适 应天线阵在通信系统中的新应用。由于其体积及计算复杂性的限 制，目前仅适用于基站系统。智能天线包括两个重要组成部分， 一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角( d o a ) 估计， 并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号 进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向 发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。 目前在第三代移动通信系统的研制中，智能天线技术受到广泛关 注，虽然目前对他的研究尚未达到实用化阶段，但在提交国际电 联i t u 的3 gr t t 标准建议中，几乎都附有一条：如果有可能，本 建议将采用智能天线技术，可见该技术在第三代移动通信系统中 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第7 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 的重要性。智能天线技术比较适合于t 工) d 方式的c d m a 系统，从 某种意义上说，我国t d s c d m a 系统就是基于智能天线设计的， 其困难在于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收机，从 而使基带处理单元复杂度明显提高，增大了设备的尺寸。 4 多用户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行 的。在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难 以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制了系统 容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术， 通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭 代方法消除多用户之间的相互干扰。从理论上讲多用户检测技 术能够极大程度地改善系统容量。但一个较为困难的问题是，对 于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘以基 站端可观测到的多径数，这意味着在实际系统中等效干扰用户数 将多达数百个，即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户，抵 销算法仍使得其硬件实现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵销 算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术能否实用的 关键。 5 功率控制技术 c d m a 系统是一个干扰受限系统，由于远近效应，它的系统 容量主要受限于系统内各移动台间的干扰，为提高系统容量，必 须尽可能地使每个移动台的发射功率维持在满足通信要求的最低 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第8 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 水平上，解决这一问题的一个最有效的方法是采用功率控制，因 而功率控制技术是c d m a 系统走向实用化的核心技术之一。常见 的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外 环功率控制三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收 功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小， 并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用户的初始 发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环功 率控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，因而其精确 性难以得到保证。闭环功率控制可以较好地解决此问题，通过对 接收功率的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特 信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此 调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过对接收误帧率 的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通 常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。 6 初始同步控制技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步、符号同 步、帧同步和扰码同步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与i s 一9 5 系统相类 似的初始同步技术，即通过对导频信道的捕获建立p n 码同步和 符号同步，通过同步( s y l l c ) 信道的接收建立帧同步和扰码同步。 w c d m a 系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通 过对基本同步信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过对辅 助同步信道的不同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后 通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第9 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 第三代移动通信系统一个突出的特点是用到很多新技术，但 本文的重点是在信道估计算法的研究上，因此，下节将对信道估 计算法作一个简单的描述。 第三节信道估计算法概述 在一个c d m a 系统中，信道估计技术对于接收数据的解调有 着重要的意义，它可以最大限度地利用信道响应的信息，来遏制 信道变化对数据传输的影响，故对系统在衰落信道下的性能起着 至关重要的作用。接收信号经解扩后分为通过不同传播路径的基 带复信号，这些路径使传输信号具有不同的增益及相位变化，用 信道估计器估计出的信道参数复共轭乘以时隙中的数据符号并与 其它径的信号进行最大比合并，合并输出的数据经过并一串转换， 解交织及软判决维特比译码后恢复出发送数据。 目前该技术主要分为两大类：盲信道估计和非盲信道估计。 盲信道估计是指在对信道进行估计的时候仅利用了信道和信号的 结构特征，而对信道和接收信号的具体形式一无所知，具体的算 法依赖于不同的应用问题来制定未知参数的特征。盲信道估计的 接收端实现复杂度很高，但可以节约信道资源占用开销，提高了 系统容量。非盲信道估计是指利用发端发送的已知导频序列( 或 训练序列) ，通过对带有信道信息的已知导频序列的判决接收，提 取出所需的信道特征参数，使信道的辨识变得可靠，但所发送导 频序列( 或训练序列) 会占据大量时隙，从而使接收用户能够利 用的时隙数量大大减少，不过其实现复杂度较低，接收性能也较 好，在第三代移动通信标准中都采用了这种信道估计方式，这也 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第1 0 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 是本文所要研究的信道估计算法。图l 一1 示出基于导频方式信道 估计的r a k e 接收机模型。 图4 1 基于导频方式信道估计的r a k e 接收模型 第四节本文主要内容 本文主要研究了c d m a 系统中r a l ( e 接收机中的关键技术 信道估计技术，介绍了多种信道估计算法，重点对基于小波 变换的分形滤波信道估计方法进行了详细的分析介绍，最后对该 算法的不足作了改进，并用m a t l a b 搭建了c d m a 2 0 0 0 链路级系 统仿真平台，用s i m u l l n k 对搭建系统所使用的信道模型及部分 信道估计算法性能了进行仿真比较，并给出相应的理论分析。 本文内容安排如下： 第一章绪论：主要介绍了第三代移动通信系统的发展现状及 关键技术，并给出本文所要研究的信道估计技术的框图结构。 第二章移动通信信道：由于信道估计技术的目标是对无线信 道中信号所经历的衰落参数进行实时估计，只有对移动通信信道 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文 第11 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 特征有比较清楚地了解才能采取有效的方法对其特征参数进行估 计。本章主要介绍了移动信道的基本特征、基本衰落类型及仿真 中所要使用的信道模型，并对仿真中所使用的信道模型的性能用 m a t l a b 进行了仿真。 第三章分集技术及r a k e 接收：信道估计算法是接收端的关 键组成部分，要更为清楚地理解信道估计的作用必须对接收机部 分有一个比较清楚的认识。本章主要介绍了用于c d m a 系统中的 r a k e 多径分集接收机的工作原理、结构，并对r a k e 接收机不同 合并算法的性能进行m a t l a b 仿真，给出相应的分析。 第四章信道估计算法仿真：本章介绍了不同物理信道特性下 的多种信道估计算法，重点对基于小波变换的分形滤波信道估计 算法进行了详细的分析介绍，最后对该算法的不足作了改进，并 用m a t l a b 搭建了c d m a 2 0 0 0 链路级系统仿真平台，用 s i m u l i n k 对基于小波变换的分形滤波信道估计方法及改进方法 的性能进行了仿真比较，并给出相应的理论分析。 第五章总结。 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第1 2 页共6 0 页 c d m a 系统巾信道估训技术的研究 第二章移动通信信道 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。移动台 和基站之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各 种复杂地物，如建筑物、山地、丘陵等。无线信号具有极度的随 机性，对其难以给出确切的分析，移动台的移动速度、信道带宽 及发射信号带宽都会对接收端对信道的分析产生影响。我们电清 楚，以c d m a 为关键技术的第三代移动通信对系统性能参数有所 调整，如：载频工作在2 g i z ，移动台速率高达5 0 0 l 【n 怕，采用扩 频调制技术，有很高的码片速率，对于w c d m a 系统来说，码片 速率高达38 4 m c ，s ，为了使分集接收达到良好的接收性能，第三 代移动通信系统的这些性能参数势必会对移动信道的跟踪估计提 出新的要求，从而尽可能地克服多径对系统的影响，提高系统的 误码性能。 本章介绍了移动信道的数学模型、特征、衰落类型及仿真中 所要使用的信道模型，并对仿真中所使用的信道特性用m a t l a b 进行了仿真。 第一节无线移动信道概述 由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往 会沿一些不同的路径到达接收端，这一现象称为信号的多径传输。 虽然电磁波传播的形式很复杂，但一般可归结为反射、绕射和散 射三种基本传播方式。 射三种基本传播方式。 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第13 页菸6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 移动通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信 道时会受到各个方面衰减损失，接收信号功率可表示为： p ( d ) = f dj 一”s ( d ) r ( d ) ( 2 - l 1 ) 式中d 表示距离向量，其绝对值训表示移动用户与基站的距离。 上式所表示的信号对无线电信号的影响可归纳为三类： 1 、路径损失( “) 路径损失是移动台与基站之间距离的函数，描述的是大尺度 区间( 数百或上千米) 内接收信号强度随发射一接收距离而变化 的特性，又称为大尺度传播。对预测平均场强及预测无线覆盖范 围很有意义。 路径损失引起的发送功率与接收功率之间的关系为： 州) = 器 ( 2 - l - 2 ) 式中，只为发射功率；q 和g ，分别为发射天线增益和接收天线增 益：是与传播无关的系统衰耗因子；兄为波长。 在r e c i t u ，r m 1 2 2 5 标准中，对不同环境的路径损失模型用 不同的形式表达。对于室内办公室测试环境，其表达式为： 上：3 7 + 3 0 1 。g i 。r + 1 8 3 月_ 0 4 6 ) ( 2 1 3 ) 对于室内到室外和步行测试环境，其表达式为： 上= 4 0 1 0 蜀o | r + 3 0 1 0 9 i o + 4 9 ( 2 - l 一4 ) 对于车载测试环境，其表达式为： = 4 0 ( 1 4 1 0 3 b ) l o g l o 只一1 8 1 0 9 l o + 2 l l o g l o 厂+ 8 0 ( 2 - l 5 ) 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第1 4 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 在以上各式中，r 为基站与移动台之间的距离( 在式2 1 3 中，r 的单位为m ，其他式中为k m ) 厂为2 0 0 0 m h z 的载波频率， 。 为基站天线高度( 单位：m ，它是从平均屋顶高度测量得到的， 为了评估每种无线传输技术( r t t ) ，基站天线高度k = 1 5 m ) ，” 为路径衰落因子。随后的仿真都是按照车载测试环境下的信道模 型给出，因此图2 1 只给出车载测试环境下路径损失的仿真曲线 ( 失 损 径 路 1 02 0 3 0 4 05 06 07 08 09 01 0 0 基站与移动台间的距离( k m ) 图2 1 车载测试环境路径损失曲线 2 、阴影衰落( s ( d ) ) 由传输环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电波的阻 塞或隐蔽而引起的衰落：它描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电平中值的慢变化特性；阴影衰落的特征可用对数正态分 布的随机变量刻画；对数正态分布描述了在具有相同发射接收 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第1 5 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 距离的大量测量位置上发生的随机阴影效应，也就是说，对数正 态阴影意味着在某特定发射一接收位置上测量的信号电平( 用d b 作为单位) 具有高斯( 正态) 分布，其均值为平均路径损失。即： 凡( d ) = 凡( d ) + 以 ( 2 l - 6 ) 对于任意的d 值，式中，儿为特定位置的路径损失，凡为 路径损失平均值，j 0 为o 均值的高斯分布随机变量。 3 、多径衰落( 尺( d ) ) 由移动传播环境中的多径传输而引起的衰落是移动信道中最 具代表性的特性。它表现在数十波长的范围内，接收信号场强的 瞬时值呈现快速变化的特征。 从无线系统工程的角度看，路径损失和阴影衰落主要影响到 无线小区的覆盖范围，而多径衰落会严重影响信号传输质量，且 是不可避免的，因此只能采用抗衰落技术来减少其对信号接收判 决的影响。本文研究的重点就是在了解多径传播特征的基础上， 采用什么样的多径信道估计方法来有效地克服多径带来的负面影 响。 第二节多径衰落及多径无线通信信道数学模型 1 影响多径衰落的因素 无线信道的多径性导致多径衰落效应的产生。三个主要效应 表现为： 信号强度在一段很小的传播距离或者时间间隔内快速变化； 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第1 6 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制； 多径传播时延引起的扩展。 无线信道中许多物理因素影响多径衰落，包括： ( 1 ) 多径传播信道中反射及反射物的存在，构成了一个不断 消耗信号能量的环境，导致信号幅度、相位及时间的变化。这些 因素使发射波到达接收机时形成在时间、空间上互相区别的多个 无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度，引起信号强度 波动，导致多径衰落、信号失真。引起码间干扰。 ( 2 ) 移动台的运动速度基站与移动台间的相对运动会引起随 机频率调制，这就是多径分量存在的多普勒频移现象。 ( 3 ) 环境物体的运动速度如果无线信道中的物体处于运动状 态，它们就会对多径分量产生时间变化的多普勒频移。若环境物 体以明显快于移动台的速度运动，其将对多径衰落起决定作用。 ( 4 ) 信号的发射带宽如果信号的发射带宽比多径信道带宽大 的多，接收信号会失真。 复杂的无线环境使得多径衰落无法避免，下面将给出如何用 数学模型来描述这种信道。 2 多径无线通信信道数学模型 无线通信信道会导致发送信号的时变多径传播，这种物理信 道在数学上可以表征为时变线性滤波器。该线性滤波器可以表征 为时变信道冲激响应 ( f ；t ) ，这里 ( f ；t ) 是信道在f f 时刻加入 冲激而在f 时刻的响应。因此，表示“历时( 经历时间) ”变量。带 有加性噪声的线性时变滤波器信道如图2 2 所示，在随后搭建系 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第1 7 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 统时，其中的信道模型就是以此图为基础搭建的。 r ( f ) l信道”( f ) l i 1 “ ：一一一一一一一一一- 一一 图2 2 带有加性噪声的时变滤波器信道 若假设在一小段时间间隔或距离间隔内具有不变性，则信道 冲激响应简化为 ( f ) = 女e 一巩占( f f ) ( 2 2 一1 ) 式中：唧和“分别是第七个多径分量的实幅值和相应的时延，幺 是第七个多径分量的相移。 第三节多径无线信道的特征 多径引起了传输信号幅度、相位的变化，导致信号在时域、 频域和空域上的扩展。 1 信号幅度包络分布 无线信道中，常用r a y l e i g h 分布描述独立多径分量接收包络 的分布，其分布的概率密度函数( p d f ) 为： 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文 第1 8 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 肿，： 砉e 坤 刍( 。盂裂 协s m o v 二”7 其中，盯是包络检波之前所接收的电压信号r r n s ( r o o t m e a ns q u a r e ) 值，盯2 是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率。 当存在一个主要的静态( 非衰落) 信号分量时，如视距传播， 多径衰落的包络分布服从r i c e a n 分布，其分布的概率密度函数 ( p d f ) 为： 肿，： 孝e 唰一等c 砉，似i ：蔷c z 。：， l0 v 、 其中，参数一指主信号幅度的峰值，i 。( ) 是0 阶第类修正贝 塞尔函数，d 2 是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率。 2 相位变化 接收信号的相位特性由衰落过程的频域特性、时域特性和空域 特性刻画，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展，时延扩展和 角度扩展有关。 ( 1 ) 多普勒扩展 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明 显的频率移动，由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频 移。多普勒扩展是由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散， 又称时间选择性衰落。多普勒扩展用信道的相干时间表征，相干 时间就是两个瞬时时间的信道冲激响应处于强相关情况下的最大 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第【9 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 时间间隔。多普勒频移与移动台速率及移动台运动方向与电波到 达方向之间的空间角度有关。多普勒频移，d 由下式给出： 厶= c o s ( p ) ( 2 3 3 ) l 式中：v 为移动台速率，目为移动台运动方向与电波到达方向之 间的空间角度， 为波长。 ( 2 ) 时延扩展 由于传播路径有差异，使得从多条路径以不同时间到达接收 端的信号波形比原波形宽，由信道的时延引起的信号波形的展宽， 称为时延扩展，时延扩展引起频率选择性衰落，可用相干带宽描 述，相干带宽表示信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况 下的最大频率差。在数字通信系统中，时延扩展将使接收信号在 某时刻的码元波形延伸至相邻的码元周期内，产生码问干扰。 ( 3 ) 角度扩展 接收端的角度扩展指的是多径信号到达天线阵列的到达角度 的展宽，同样，发送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，角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围， 产生空间选择性衰落，用相干距离描述。相干距离指两根天线上 的信道响应保持强相关时的最大空间距离。 第四节总结 通过以上的分析可以看出，由于信道多径衰落现象的存在， 使得传输信号的包络、相位均会发生变化。同时，由于信号本身 的特点及周围环境的影响，使得这种多径环境又会对信号传输呈 现出不同的衰落类型。 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 0 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 为了便于随后的仿真，多径衰落信道采用抽头延迟线模型表 示，并采用i m t 2 0 0 0 建议的地面移动测试环境。其中包括室内 办公室测试环境、室外到室内及步行测试环境、室外车载测试环 境。以下从表1 到表3 是陆地测试环境信道模型每个抽头延迟线 的参数，信道模型的每个抽头用三个参数描述：相对时延、平均 功率和多普勒谱。 表l室内办公室测试环境抽头延迟线参数 信道a信道b多普勒谱 抽头相对时平均功相对时相对时 延( n s )率( d b )延( n s )延( d b ) 1平坦 0o00 2 平坦 5 03 o1 0 0一3 6 37 2平坦 1 1 0一1 0 o2 0 0 41 8 o一1 0 8平坦 1 7 03 0 0 52 6 o1 8 o平坦 2 9 05 0 0 6 3 2 o一2 5 2平坦 3 1 07 0 0 表2 室外到室内及步行测试环境抽头延迟线参数 信道a信道b多普勒谱 抽头相对时平均功相对时相对时 延( n s )率( d b )延( n s )延( d b ) 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 l 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 l典型 0ooo 2典型 1 1 0 9 72 0 0一o 9 3一4 9典型 1 9 01 9 28 0 0 42 2 8一8 o典型 4 1 01 2 0 0 5一7 8典型 2 3 0 0 62 3 9典型 3 7 0 0 表3 车载测试环境，高天线，抽头延迟线参数 信道a信道b多普勒谱 抽头相对时平均功相对时相对时 延( n s )率( d b )延( n s )延( d b ) 1典型 00o一2 5 2典型 3 l o1 o3 0 0o 3一1 2 8典型 7 1 0一9 08 9 0 0 41 0 o一l o 0典型 1 0 9 01 2 9 0 0 5一1 5 o2 5 2典型 1 7 3 01 7 1 0 0 62 0 o一1 6 0 典型 2 5 1 02 0 0 0 0 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 2 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 选用车载测试环境下的信道模型( 信道a ) 的抽头延迟线参数， 用m a t l a b 对不同移动台速率( 不同多普勒频移) 下的信道 r a y l e i 曲衰落进行了仿真，如图2 3 ( 移动台速率为2 0 0 h 讹) 、 2 4 ( 移动台速率为5 0 h 怕) 所示： b ( 亚 喜 福 r a y i e i g h 衰落仿真，移动台速率= 2 0 0 k r l l ，h 麟 。出，0 。j 岍 l4。m删眦 。e r y j f i 咖删 l f t卜 啪r r r 一 时间( u s ) 图2 3 北京交通大学电子信息工程学院硕士论立第2 3 页共6 0 页 啪 锄 锄 郴 娜 c d m a 系统中信道估计技术的研究 一1 0 - 1 5 2 0 2 5 3 0 r a y i e i 9 h 衰落仿真，移动台速率= 5 0 k m ，h 厂、厂、 - j 一b 1? 1 i 。一 l n 吲 i i 山 渺 7 v 、 ijf 1 - - f - 02468 时间( u s ) 1 01 2 x 1 0 i 图2 - 4 从r a y l e 培h 衰落仿真图中可以很明显地看出，随移动台速率 的不同，接收信号电平包络变化快慢明显不同，移动台速率越高， 传输信号电平包络变化越快。前面已经提到，以c d m a 为关键技 术的第三代移动通信对系统性能参数有所调整，其移动台速率高 达5 0 0 k m 1 1 ，在如此高的移动台速率下，信道估计的难度可想而 知，在随后的分析中可以看到，移动台移动速率是影响信道估计 算法的主要因素。 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 4 页共6 0 页 b平电号信 c d m a 系统中信道估计技术的研究 第三章分集技术及r a k e 接收 由于采用了宽带扩频信号，使c d m a 系统可以使用r a k e 接 收机分辨出接收信号中的不同多径分量实现分集接收，有效地克 服了多径衰落的影响，提高了系统的接收性能。 信道估计是接收机的重要组成部分，为了更好地理解信道估 计对接收端的重要性，首先必须清楚接收机的工作原理及结构。 本章重点介绍分集技术、r a 】( e 接收机的工作原理及不同种分 集合并算法性能比较，并示出r a k c 接收机的框图描述。 第一节分集技术 分集技术是通信中的一种用相对较低廉的投资就可以大幅度 改进无线链路性能的强有力的接收技术。其大大提高了多径衰落 信道下信号传输的可靠性。 分集技术是通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的 ( 或至少是高度不相关的) 多径信号来实现的，其概念可以简单 解释如下：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而 另一条相对独立的路径中可能仍饱含着较强的信号。因此可以在 多径信号中选择两个或两个以上的信号，这样可以提高接收端的 瞬时信噪比和平均信噪比。 分集技术研究的是如何充分利用传输中的多径信号能量，而 改善传输的可靠性。分集技术也是一项研究利用信号的基本参量 在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。为 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 5 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域、频域 和时域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现，其中最基本 的有如下几种： 1 空间分集 空间分集，也称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形 式。在无线蜂窝系统中，发射机和接收机天线是由立得很高的基 站天线和贴近于地面的移动台天线组成。通过第二章的分析可知， 在这样的系统中，发射机和接收机之间存在多条路径，而且移动 台周围物体的大量散射会导致信号的r a y l e i 曲衰落。鉴于以上情 形，j a l 【e s 推断出：如果天线间的相隔距离等于或大于半波长，那 么从不同的天线上接收的信号包络将基本上是非相关的。其结构 图如图3 ，1 所示( 其他分集技术的示意图与空间分集的类似) ： 勺7 基站 图3 1 空间分集示意图 陌翮 l ( 合并)i i 。一j 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 6 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 2 时间分集 时间分集是指在已超过信道相干时间的时间间隔重复发送信 号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集 效果。扩频c d m a 的止e 接收机就是使用时间分集技术来处理 多径信号的。 3 频率分集 频率分集方式是将待发送的信息，分别调制在不同的载波上发 送至信道。这项技术的工作原理是基于在信道相干带宽之外的频 率上不会出现同样的衰落。 第二节r a k e 接收机原理 使用r a k e 接收机的基本思路最初是由p r i c e 和g r c e n 提出 的。由于在多径信号中含有可以利用的信息，因此c d m a 的r a l ( e 接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比，图3 2 、 3 3 分别示出无r a k e 接收时和有r a l ( e 接收时接收后多径信号的 矢量合成图。 图3 2 无r a k e 接收时多径信号的矢量合成图 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 7 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 i 苤! 丝- 釜! 丝，箜i 丝， 图3 3 有r a l ( e 接收时多径信号的矢量合成图 其实r a l ( e 接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径 信号中的各路信号，并把它们合并在一起。图3 4 示出r a l 【e 结构 示意图，这是专门为c d m a 系统设计的分集接收器，其理论基础 为：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作 是互不相关的。在室外环境下，多径信号间的延迟通常较大，如 果码片速率选择得当，那么c d m a 扩频码的良好的自相关特性， 可以确保多径信号相互间表现出较好的非相关性。 多卺 q “ 图3 4m 支路r a k e 接收机示意图 假设c d m a 接收机有m 个相关检测器，这些检测器的输出 经过线性迭加，即加权后被用来作信号判决。假设相关器l 与信 号中的最强支路m 相同步，而另一相关器2 与另一支路m ：相同 步，且埘：比m 落后f l ，并且在这里认为相关器2 与支路聊：的相 关性很强，而与州的相关性很弱。注意，如果接收机中只有一个 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 8 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 相关器，那么当其输出被衰落扰乱时，接收机将无法作出纠正， 从而使判决器作出大量误判。而在r a k e 接收机中，如果一个相 关器的输出被扰乱了，还可以用其他支路作出补救，并且通过改 变被扰乱支路的权重，还可以消除此路信号的负面影响，因此， c d m a 中的r a k e 接收机提供了对m 路信号的良好统计判决，很 好地克服了多径衰落对接收的影响。 注意，在r a k e 接收机分集接收中有个合并单元，此单元将按 照不同的合并算法来合并接收信号，下一节讨论分集合并算法。 在这里，r a k e 接收机示意图中没有示出信道估计单元，第一章已 经示出信道估计单元对r 丑k e 接收机的重要性，这里不再赘述。 第三节分集合并技术 在分集接收中，接收端可以从不同的个独立信号支路获得 接收信号，这些接收信号需通过不同形式的合并技术来获得分集 增益。 合并时采用的准则与方式主要可以分为三种：最大比值合并、 等增益合并和选择式合并 1 最大比值合并 在接收端有m 个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增 益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。利用切比雪夫不等 式，可以证明当可变增益加权系数g f ：之时，分集合并后的信 仃 噪比达到最大值。其中4 表示第f 个分集支路信号幅度；仃2 为每 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第2 9 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 支路噪声功率，且f _ 1 ，2 ， 。那么合并后的输出为： 4 2 善g 爿i2 争。42 砉善管 ( 3 - 3 - 1 ) 由式( 3 3 1 ) 可见，信噪比越大，对合并后信号贡献越大。同时 应该注意到，这里提到了“同相相加”，在第一章信道估计算法概 述中已经提及，信道估计主要完成相位校正，即相位调整，从而 使得接收信号能够实现同相相加，从这里也可以看出，接收信号 在接收机中合并性能的好坏，直接受到信道估计结果的影响。 2 等增益合并 等增益合并即是将最大比值合并中的4 取值为1 。 3 选择式合并 接收端的m 个分集支路接收机利用选择逻辑选择其中具有最 大基带信噪比的某一路基带作为输出。 下图3 5 给出这三种合并技术的平均信噪比增益对比仿真图， 从图中可以看出，最大比值合并的平均信噪比增益最大，选择式 合并最小，因此在随后的仿真中，r a l ( e 接收机的合并单元就是采 用最大比值合并算法。 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第3 0 页共6 0 页 c d m a 系统中信道估计技术的研究 益 增 比 曝 信 均 正 最大比值合并 ，一 一一等增益合并7 。 一选择式合并 ， 、 7 ， 7 缝。 1234567891 0 分集支路数 第四节总结 图3 5 通过以上各节的介绍，在随后章节的仿真中将使用基于时间 分集并采用最大比值合并算法的r a l 【e 接收机。 北京交通大学电子信息工程学院硕士论文第3 l 页共6 0 页 o ：1 3 o 侣 ， o c d m a 系统中信道估计技术的研究 第四章信道估计算法仿真 前面章节已经讲到信道估计单元在r a l ( e 接收机里起着重要 的相位校正作用，直接影响到r a l ( e 接收合并算法的性能，它是 c d m a 系统相干检测的基础。在第一章已经提及信道估计算法的 分类，这里不再赘述。 本章对多种c d m a 系统的非盲信道估计算法进行分析介绍， 并在此基础上对文献 3 所提出的算法在分析了其原理之后作了 改进，为能更清楚地说明问题，用m a t l a b 平台搭建了c d m a 2 0 0 0 链路级系统仿真，将改进方法与原方法进行了对比分析。 第一节信道估计算