【推荐--精品硕士论文】NGB 无线系统的信道估计技术研究.pdf

学校代码 10406 分类号 tp929 5学号 110085208021 南昌航空大学南昌航空大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 专业学位研究生 ngb 无线系统无线系统的的信道估计技术信道估计技术研究研究 硕士研究生 王佳仲 导师 宋高俊 申请学位级别 硕士 学科 专业 电子与通信工程 所在单位 信息工程学院 答辩日期 2014 年 6 月 授予学位单位 南昌航空大学 research on channel estimation technique of ngb wireless system adissertation submitted for the degree of master on electronics and communication engineering bywang jiazhong under the supervision of prof song gaojun school of information engineering nanchang hangkong university nanchang china june 2014 i 摘要 下一代广播电视无线系统 ngb w 旨在研究如何充分利用广播超高频段资 源 与中国移动多媒体广播业务 cmmb 以时分复用的方式共存 进行地面广播信 号的传输 实现无线广播和双向通信的融合 为了满足人们对于未来广播通信速 度和质量的更高要求 ngb w 采用了具备高效频谱利用率和数据传输效率的正交 频分复用技术 ofdm 信道估计模块作为 ofdm 系统中一个重要部分 为接收 机相关解调的必要条件 对整个系统的性能具有非常关键的影响 本论文是在 下 一代广播电视网无线系统的技术研究 的项目实践中 对信道估计技术进行的相 关研究 首先 论文分析了信道估计模块在系统中的作用以及当前的研究现状 了解 到要对信道估计技术进行研究 须对信道知识有较好的掌握 故论文首先对无线 信道的传播特征进行研究 分析了信道衰落对于系统的影响 其中对主要由于多 径效应所造成的小尺度衰落进行了重点介绍 接着对 ngb w 系统中所采用的 ofdm 技术 比特交织编码调制 bicm 多输入多输出技术 mimo 进行了介绍 其次 从发送端导频结构设计 接收端导频符号的频率响应估计和数据符号 的频率响应获取这三步对信道估计算法进行介绍 导频位置处估计有介绍最小二 乘估计 ls 最小均方估计 mmse 奇异值分解 svd 算法和基于 dft 的信道估 计算法等常用算法 非导频位置处插值法有介绍线性插值算法 基于 dft 的插值 算法和二维维纳滤波算法 针对工程实现的应用 在第四章最后分析了复杂度较 小的两个级联的一维维纳滤波方法 最后 在给出 ngb w 具体的信道估计方案后 在 tu6 信道和 helsinki 信道 的仿真场景下 通过 matlab 仿真对该方案进行了仿真验证 对仿真结果进行了相应 的分析 在进行浮点仿真后 并进行了信道估计模块的定点化工作 给出了具体 的定点方案和仿真结果 关键词关键词 ngb ofdm 信道估计 定点仿真 ii abstract the wireless system of next generation broadcast network ngb w coexisting with china mobile multimedia broadcasting cmmb business in the manner of time division multiplexing aims to study how to fully utilize ultra high frequency radio resources and transmit terrestrial broadcast signal its final target is completing the convergence of radio broadcasting network and communication network in order to meet the higher demands of people on speed and quality for the future of broadcast communication ngb w uses the orthogonal frequency division multiplexing ofdm technology of high spectral efficiency and data transmission efficiency as an important part of the ofdm system channel estimation module has a critical impact on the performance of the entire system it also is a necessary condition for coherent demodulation of the receiver this paper is related to the study of channel estimation techniques in the project of technology research on wireless system of the next generation broadcast network firstly this paper analyzes the effect of channel estimation module in the system and the current status of research knowing the research on channel estimation techniques requires a good knowledge of radio channel so this paper first studied the basic characteristics of the channel then analyzed the impact of fading channel for the system in which highlighted on the resulting small scale fading due to multipath effects then this paper introduced ofdm technology bit interleaved coded modulation bicm multiple input multiple output mimo technology which were adopted in the ngb w system secondly this paper introduced channel frequency response estimation algorithm from the following three steps the design of pilot structure the estimation of frequency response on pilot symbols the gain of frequency response on data symbols the estimation of frequency response on pilot symbols listed the following commonly used estimation algorithms least squares estimation ls minimum mean square error estimation mmse singular value decomposition algorithm svd and channel estimation algorithm based on dft the gain of frequency response on data symbols listed the following commonly used interpolation algorithms linear interpolation algorithm interpolation algorithm based on the dft and two dimensional wiener iii filtering algorithm according to the application of project realization this paper introduced the cascade method of two one dimensional wiener filtering in the fourth chapter finally this paper gave the specific channel estimation design scheme of ngb w system channel estimation scheme was simulated under helsinki channel and tu6 channelandanalyzedaccordingly afterperformingfloating pointemulation fixed point simulation was conducted and the specific solution and simulation results were given key words next generation broadcast network ofdm channel estimation fixed point simulation 南昌航空大学硕士学位论文目录 iv 目录 摘要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 研究背景与意义 1 1 1 1 三网融合与广播电视网 1 1 1 2 下一代广播电视网 3 1 1 3 研究意义 4 1 2 研究现状 5 1 3 课题来源及论文主要工作内容安排 6 第 2 章 ofdm 系统的无线信道模型 8 2 1 大尺度衰落 9 2 1 1 传播损耗 9 2 1 2 阴影效应 9 2 1 3 经验路径损耗模型 10 2 2 小尺度衰落 11 2 2 1 多径效应 11 2 2 2 多普勒效应 12 2 2 3 小尺度衰落类型 13 2 2 4 信道包络分布 15 2 3 多径衰落信道模型 16 2 4 本章小结 16 第 3 章 ngb w 关键技术 17 3 1 正交频分复用技术 17 3 1 1 ofdm 模型 18 3 1 2 循环前缀 19 3 2 bicm 技术 20 3 3 mimo 技术 22 3 3 1 mimo 信道容量 23 3 3 2 传输分集 23 3 3 3 空间复用 25 3 4 本章小结 26 第 4 章信道估计技术 27 4 1 导频结构设计 27 4 1 1 导频插入间隔 27 4 1 2 导频结构 28 4 2 导频符号处信道估计 29 4 2 1 ls 估计 29 4 2 2 mmse 信道估计 29 4 2 3 基于 svd 的信道估计算法 30 南昌航空大学硕士学位论文目录 v 4 2 4 基于 dft 的信道估计算法 31 4 2 5 仿真分析 32 4 3 数据符号处信道信息的获取 33 4 3 1 线性插值法 33 4 3 2 基于 dft 的插值法 34 4 3 3 维纳滤波法 34 4 3 4 两个级联的一维维纳滤波 35 4 4 本章小结 37 第 5 章 ngb w 信道估计算法方案与实现 38 5 1 ngb w 下行链路模型 38 5 2 ngb w 导频设计 39 5 2 1 导频位置 39 5 2 2 导频的产生与调制 40 5 2 3 导频结构图 41 5 3 ngb w 系统信道估计方案 43 5 4 仿真结果与分析 44 5 4 1 不同插值算法的仿真比较 45 5 4 2 调制方式对性能的影响 46 5 4 3 移动速度对性能的影响 47 5 4 4 不同信道环境下的仿真结果 48 5 5 本章小结 48 第 6 章 信道估计的定点方案 50 6 1 数的定标 50 6 2 信道估计定点仿真配置 51 6 3 信道估计定点仿真原理和方案 52 6 3 1 信道估计算法原理 52 6 3 2 定点化设计 53 6 4 信道估计定点性能曲线 54 6 5 本章小结 56 第 7 章 总结与展望 57 7 1 论文总结 57 7 2 研究工作展望 57 参考文献 59 攻读硕士期间发表论文和科研情况 62 致谢 63 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1 1 研究背景与意义 随着社会经济的快速发展 人们对于信息传输越来越高的需求问题亟待解决 伴随着人们快节奏的生活方式 人与人之间的信息交流方式在不断发生变化 固 定有线通信更多的转向便捷的移动无线通信 传统单一的语音信息交流由多样化 的多媒体信息交流所取代 为了满足人们对业务数据信息的需要 适应人们的信 息交流方式的变化 促进信息服务的发展走向多样化 多媒体化和个性化 三网 融合 1 的概念被提出 并成为了当前的热点 同时获得了积极的推进 三网融合 为未来信息技术的发展指明了方向 它广阔的发展前景正受到世界各国的积极关 注 纷纷将其上升为重要的国家战略 广播电视网 2 作为三大网络的一个重要组成 部分 具有广大的用户群体 丰富多彩的业务类型和高度的公信力 下一代广播 电视网络的建设 不仅对三网融合进程有重要的影响 同时可以满足人们对于高 速多媒体信息服务的需求 为国家社会 经济和文化事业提供安全保障 对促进 我国信息文化产业的发展具有不可代替的作用 1 1 1 三网融合与广播电视网 三网融合是未来信息技术的发展方向 它基于三大网络 电信网 广播电视网 和互联网 的不同特点 进行技术变革 以实现信息和资源的共享 最终实现三大 网络业务与网络的有机融合 从而形成一个高速宽带的多媒体平台 为人们提供 多样化的多媒体通信业务 当前 我国三网融合的主要发展方向是业务层面的融合 而非各网络间的物 理融合 在 2006 年十届人大所通过的 十一五 规划中对三网融合的概念进行了 界定 它是指电信网 互联网和广播电视网在向下一代网络的演进过程中 打破 各自界限 朝多元化业务的融合方向发展 它基于统一的 ip 协议 在不同网络的 网络层间提供资源共享 并使技术标准得以一致化 为各类用户提供个性化 多 元化 多媒体化的服务 3 如图 1 1 所示 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 2 图 1 1 三网融合示意图 三网融合并非三网合一 其本质是允许一网承载多种业务 它要解决的问题 不是网络间的兼容问题 而是通过政策和体制的调整 以实现三大网络技术和业 务不断趋同的过程 在推进过程中 三个网络间的业务差异将逐渐变小甚至消除 4 任何一个网络将可以承载其它两个网络的功能 网络的融合对用户是透明的 用 户不需要关心从哪一个网络获得所需业务 三网融合后 用户获取信息将变得方 便简捷 同时业务内容也将更加丰富 用户不仅可以获取原有的语音 图像和视 频业务 同时能够获取像视频邮件 网络游戏等增值业务 总之 三网融合的推 进 将为用户提供更加丰富的多媒体通信业务 有效提升通信产业在我国国民经 济发展中的地位 符合我国通信产业和用户利益的需求 广播电视网作为三大网络的重要组成部分 在三网融合的推进过程中 将面 临激烈的市场竞争和挑战 目前 广播电视网相对三大运营商的网络发展缓慢 一方面是由于广电部门分散的管理和经营 形成不了统一的竞争主体 另一方面 是手机设备和移动通信网络的迅猛发展 以往广电的多媒体业务很难适应移动终 端的多媒体业务 成为了广电网发展的一大障碍 同时广电网仍以传统单向广播 为主 业务相对单一 而有线电视的数字化改造尚未全面落实 因此 电视业务 的双向化改造任务艰巨 图 1 2 给出了我国广电网技术现状和未来的发展方向 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 3 图 1 2 我国广电网技术现状与发展方向 三网融合的推进虽然伴随着挑战 但是 推进过程将给广电网的发展带来新 的契机 广电网可以利用这一机遇加速网络的升级改造 积极整合自身资源 发 展新媒体业务 加快电视数字化 高清化进程 打造具有自主知识产权的文化品 牌 5 积极与电信部门洽谈合作 结合自身的优势加速三网融合的演进 提升产业 界的整体实力 积极发展新一代广播电视业务 总之 广电行业应该把握好机遇 主动迎接挑战 只有这样 广电网才能解决盈利模式匮乏的问题 在三网融合的 发展中实现大跨步 1 1 2 下一代广播电视网 随着世界经济文化的快速发展 人们获取信息的方式更多的从固定接收转向 移动接收 从固定电话转向智能终端 手机 平板电脑等 传统单一的语音信息交 流由多样化的多媒体信息交流所取代 同时 多媒体信息业务的需求量呈现爆炸 式增长 6 在这种背景下 传统的广电业务显然无法满足需求 比如人们希望移动 终端 如手机 能够在进行语音通信时 也能收听广播电视节目 而这在过去是不可 能的 但是手机电视的出现解决了这个问题 现如今 交互式网络电视 iptv 7 cmmb 8 等新模式被越来越多的人关注 它们作为语音通信与广播电视业务的融合产 物 给广电网带来了新的发展空间 在未来无线移动网络中 只通过传统移动通信网或广播电视网都难以做到无 线数据业务的最优化传输 9 传统的广播电视网由于单向广播而具有较强的覆盖能 力 适合于公共业务广播及数据推送 但其不具备上行反馈信道 无法提供点播 业务以及宽带接入服务 10 移动通信网络则与广播网相反 双向通信效率高 非 常适合提供个性化服务应用 但局限于通信网络的覆盖范围 并不适合于公共业 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 4 务广播及数据推送 因此 实现广播与通信网络的融合就成了解决相关问题的有 效途径 在未来的信息传输网络中 实现广播电视网和双向通信网的融合 同时 根据所传输业务的特性 有针对性地分配网络和频谱资源 在为用户提供高质量 通信服务的同时也可有效地提高频谱效率 2008 年 我国计划在三网融合的背景下 自主实现下一代广播电视 ngb ngb 结合了 cmmb 技术和有线电视数字化的成果 并基于 宽带信息化的高性 能网络 11 构建业务 ngb 网络具有广播 多播 双向互动和数据推送四种工作 模式 ngb 业务具有开放与共享 互操作性的特点 因此 ngb 网络是全程全网 宽带双向的广播电视网 图 1 3 分别显示了 ngb 在网络 业务 管控和终端四个 方面的基本特征 图 1 3 ngb 基本特征 目前 有线电视数字化正全面进行 并会在 2015 年停止模拟电视广播 届时 会空闲出大量的超高频频段资源 ngb 无线部分 ngb w 的核心任务就是充分利 用这一频谱资源 与 cmmb 业务以时分复用的方式共存 进行地面广播信号的传 输 实现无线广播和双向通信的融合 1 1 3 研究意义 近年来 人们对于广播电视节目的选择呈现多元化 要求有更大的选择空间 对频道种类 界面清晰度的要求越来越苛刻 如何在无线传播环境下 特别是移 动情况下保证稳定可靠的高速信息数据流传输 是 ngb w 系统数字电视地面传输 的首要问题 2013 年 12 月 4 日 td lte 制式 4g 牌照 12 的发放 预示着应用新 一代通信标准的 4g 业务正式进入商用 lte 物理层选用了具备频谱利用率高和抗 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 5 干扰能力强 同时支持高速数据传输的 ofdm 技术作为其唯一标准 lte 系统的 技术标准为下一代广播电视的技术标准提供了参考借鉴 ngb w 同样采用了 ofdm 技术作为它的技术标准 对于 ofdm 系统来说 在解调时通常采用差分检波和相干检测 差分检波不 需信道信息 但一般只适用于较低速率传输系统 同时性能较相干检测有 3 4db 的信噪比损失 13 因此大多数 ofdm 系统都采用相干检测方式 采用相干检测 的 ofdm 系统同时可以支持高调制方式 如 16qam 以及 64qam 或者更高的 256qam 但是它的前提是必须首先知道信道状态信息 进行信道估计 同时由于 在传输过程中多径效应和多普勒效应等影响 信号会经历严重的无线信道衰落 从而影响在接收端的正确判决 造成误码 因此 必须通过信道估计估计出子信 道的参数 从而采取合适的信道均衡技术来保证系统的通信质量 综上可知 信 道估计模块对于 ofdm 系统是不可或缺的 信道状态信息的获取准确对 ngb w 系统的整体性能有重要的影响 1 2 研究现状 为了推动我国广播电视业务的发展 广电部门正积极推进我国下一代广播电 视 ngb 标准的制定 以应对用户日益增长的业务量需求 对于制定广播通信标准 首先要解决目标问题 对于 ngb 无线部分 首要的问题是研究在广播场景下如何 尽可能的提升系统容量和保证信号传输的质量 当前 ngb w 项目组制定的目标性 能要求当接收信号达到预定的载噪比 c n i 时 ngb w 下行广播系统采用的纠错 编码技术必须实现 10 7 的误码率 信道估计作为 ngb w 系统的一个重要组成部 分 对于系统的整体性能起着非常关键的作用 当前信道估计技术由于其重要性而获得了大量研究 在移动通信系统中得到 了很好的应用 由于 ofdm 信号分布在时域和频域内 因此算法也有时频之分 在接收端先对信道时域冲激响应 cir 进行估计 继而通过离散傅里叶变换 dft 得到信道频率响应 cfr 此方法为时域信道估计 在接收端直接对信号进行频域 的估计的方法为频域信道估计 主要针对多载波系统 14 根据发端信号是否插入 辅助信息 又可将其分为盲信道估计和基于辅助信息的估计 盲信道估计不插入 任何辅助信息 它利用传输信号本身的数据关系 从而获得信道的估计值 使信 号的传输效率得到提高 但是该方法收敛速度慢 较高的复杂度使得灵活性较差 实际应用较少 15 与盲信道估计相反 基于辅助信息的信道估计是将部分特定符 号 训练序列或者导频符号 加入到发端数据中 接收端接收信号后 先对已知符号 位置处进行信道响应值的估计 再进一步获取整个信道信息 基于辅助信息的信 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 6 道估计方法由于特定符号的插入降低了信号的传输速率 但是具备复杂度低 时 延小等特点 同时接收性能较好 因此在移动通信中被广泛研究及应用 16 同时 也是本文的研究重点 当前基于导频符号的信道估计方法应用较多 也取得了较好的研究成果 基 于导频符号的信道估计在导频符号处的估计算法主要包括 ls 估计 mmse 估计 基于 dft 的信道估计等常用算法 ls 算法简单 效率高 只需要一次乘法操作 但忽略了噪声的影响 估计误差较大 尤其不适合于低信噪比情况 mmse 考虑 了噪声的影响 性能较好 但运算中包含了矩阵的求逆运算 17 运算量巨大 同 时相关系数的计算需要知道或假设信道的统计信息 实用性差 18 van de beek 等 人在其发表的论文中 19 首先介绍了 ofdm 系统下常用的最小二乘法 ls 和最小均 方误差 mmse 信道估计方法 然后提出了对于它们的改进算法 在信道多径时延 扩展为釆样时间的整数倍时 m j f g garciad 等人提出了一种基于 dft 的信道 估计方法 20 其估计效果要优于基于 ls 算法得到的估计结果 获得导频符号处的频率估计值后 再由插值滤波等操作获得其他位置的信道 响应 比较经典的内插滤波算法包括线性插值 维纳滤波等 维纳滤波由于充分 考虑了信道信息的影响 能够获得较高的性能优势 是研究较多的一个算法 目前 mimo 技术 21 已被广泛的研究和应用 它与 ofdm 技术被认为是未来 宽带移动通信系统的最重要的物理层技术 mimo 系统要实现大数据量的传输 需要接收机对接收信号进行去相关处理 而这必须清楚相应的信道信息 这也就 要求对信道进行比较精确的估计 然后进行相应的信号解调 所以基于 mimo 系 统下的信道估计技术成为了新的研究热点 同时出现了一些的相关研究 barhumi 等人提出了适用于mimo ofdm系统的基于信道均方误差准则的最优导频设计方 法 22 1 3 课题来源及论文主要工作内容安排 本课题是关于 ngb w 下行链路信道估计技术的研究 目的在于通过仿真对 比 选择合适于广播信道环境的算法 信道估计作为 ofdm 系统的重要组成部分 对系统的整体性能有重要的影响 本文对下一代广播网中的信道估计技术进行了 深入研究 本文结合下一代广播电视无线网中具体的应用场景和性能需求 参考 已有广播系统已经采用的信道估计方案 重点研究和设计了下一代广播电视无线 网中的信道估计技术方案 本论文的具体安排如下 第 1 章是绪论 首先介绍了研究背景和研究意义 其中介绍了下一代广播电 视网 ngb 的发展 然后分析了信道估计模块在系统中的作用和当前的研究现状 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 7 最后阐述了论文工作的结构和安排 第 2 章主要分析了无线衰落信道的信道特征 从大 小尺度衰落两方面进行 描述 其中从多径和多普勒两点对小尺度衰落进行重点描述 最后对 ngb w 仿真 中使用的信道模型进行了介绍 给出了相应参数 第 3 章主要介绍和分析 ngb w 系统的关键技术 对 ofdm 技术 bicm 技 术和 mimo 技术进行了介绍 第 4 章主要介绍了基于导频符号的信道估计技术算法 通过发端导频结构设 计 收端导频符号处信道估计和数据符号处信道信息的获取这三步展开分析研究 同时为 ngb w 的信道估计方案提供参考和借鉴 第 5 章结合下一代广播电视无线网中的实际应用场景和性能需求 研究并给 出了下一代广播电视无线网中的信道估计技术方案 首先对 ngb w 下行链路模型 进行了介绍 然后介绍了具体的导频设计和信道估计算法方案 最后通过仿真进 行了验证和分析 第 6 章介绍了 ngb w 系统中信道估计模块的定点化仿真工作 分析定点仿真 原理并确定定点方案 最后给出定点仿真结果 第 7 章为总结与展望部分 首先对自己的工作内容进行了总结 然后对未来 的研究学习进行展望 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 8 第 2 章 ofdm 系统的无线信道模型 无线信道是指在无线通信中信号的传输通道 通信质量受其影响很大 在当 今无线频谱资源相当短缺而人们对于信息高效传输的迫切需求下 如何减小复杂 信道对信号的干扰 保证信号的可靠传输成为关键 而这些都和传播环境有着必 然的联系 同样要分析信道估计算法 需先对信道有较全面的了解 无线信道的传播环境非常复杂 信道衰落是随机变化的 发送信号在传输过 程中受到不同散射体的影响 电磁波的传播中可能不仅有直射径 还有很多由于 折射散射等原因造成的其它路径信号 23 电磁波的传播路径复杂多变 信号通过 无线信道时会遭受多种衰落的影响 如图 2 1 所示 图 2 1 无线信道的传播特性 其中 线 1 为单纯的传播损耗 线 2 在传播损耗的基础上叠加了阴影衰落 表现为大尺度衰落 线 3 在大尺度衰落的基础上叠加了多径衰落 曲线表现为快 速的幅度变化 由于多径衰落在短距离内会发生快速的变化 所以被称为小尺度 衰落 24 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 9 2 1 大尺度衰落 大尺度衰落反映为长距离内接收信号的幅值变化 它随距离的变化很慢 它 包括传播损耗和阴影衰落 参见图 2 1 2 1 1 传播损耗 传播损耗是指电磁波在自由空间中传播时 由于能量的分散所造成的信号功 率损失 接收功率是收发端之间距离的函数 可由下式给出 2 22 4 ttr r pgg p d d l 2 1 此时的路径损耗为 2 22 10log 10log 4 ttr l r pgg p db pd l 2 2 其中d表示传输距离 t p 和 r p d 分别表示发射和接收功率 t g和 r g 分别表示发射 和接收天线增益 为波长 l表示损耗因子 为常值 等于 1 时表示无损耗 通 过式 2 1 可知信噪比 snr 为 2 22 0 1 4 ttrr n pg gp d snr pd l n b 2 3 其中 0 n 为噪声功率谱密度 如果只考虑传播损耗的信号 要实现信号的可靠接收 要求 snr 大于阈值 0 snr 即 0 snrsnr 则有 1 2 2 2 00 4 ttr pgg d ln bsnr 2 4 通过式 2 4 可知 传播损耗会限制信号的传播范围 2 1 2 阴影效应 当信号在传播过程中 必然会经过高度 区域 大小等都不同的障碍物 而 这些障碍物之间的距离也是各不一样的 它们造成信号的均值变化 即产生阴影 衰落 25 大量测试表明阴影衰落近似服从对数正态分布 26 此时路径损耗由对数 可表示为 0 0 10log lll d p d dbp dxp dx d 2 5 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 10 其中 x 为高斯随机变量 其均值为零 0 d为近地参考距离 通过测试得到 2 1 3 经验路径损耗模型 移动通信系统中的无线信号一般是在随机的传播环境中进行传播 传播环境 依地形而变化 则相应的路径损耗模型也就不一样 多年来 人们针对不同的环 境 进行了许多的测试 取得了大量测量数据 以距离和频率进行划分 再根据数 据进行仿真建模 并提出了许多基于实测数据的经验模型 在实测中 一般是将 多个相邻波长内的数据进行平均 以消除多径影响 从而得到本地平均损耗 1 奥村模型 奥村模型较多用于对城市信号的预测 它试用于如下范围 f 150 1500mhz 天线高度 30 1000m 距离 1 1000km 其经验路径损耗公式为 lcuctrarea p d dbl f daf dg hg hg 2 6 其中 c l f d 表示传播距离和载频分别为d c f 的传播损耗 uc af d 是相对于自 由空间的衰减中值 t g h 和 r g h分别为基站和移动台的天线高增益因子 area g 为环境类型带来的增益 t g h 和 r g h的经验公式为 20log 301000 200 t tt g h g hmhm 2 7 10log 3 3 20log 310 3 r r r r r h hm g h h mhm 2 8 奥村模型的路径损耗预测结果与实测结果相比 标准偏差为 10 14db 2 hata 模型 hata 模型是对奥村曲线图进行拟合的结果 频率范围与奥村一样 城区路径 损耗可表示为 69 5526 16log13 82log 44 96 55log log ctr t l dbfha h hd 2 9 re a h为移动台天线高度校正因子 对于中小城市 re a h为 1 1log0 7 1 56log0 8 rcrc a hfhfdb 2 10 对于大城市有 2 2 8 29 log1 54 1 13000 mhz 3 2 log11 75 4 973000 mhz rc r rc hdb fm a h hdb fm 2 11 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 11 ngb w 的系统仿真采用 hata 模型进行仿真测试 2 2 小尺度衰落 信号的多径传播 移动终端的运动和传播环境的变化均会引起信号幅度的快 速变化 是造成信号衰落的主要原因 2 2 1 多径效应 在无线传播环境中 信号的传播除了可能有直射路径外 还有很多由于散射 体所造成的反射和散射路径 在接收端的信号为这些路径分量的叠加 23 这种现 象称为多径传播 如图 2 2 所示 来自基站的信来自基站的信 号号 散射信号散射信号 反射信号反射信号 建筑物建筑物 移动台移动台 其中其中 los表示直线视距表示直线视距 图 2 2 无线信号的多径传播 在信号传播的多条路径中 由于每条路径的传播方向不同 所以各路径时延 不一 当我们对多径信道进行采样分析时 路径时延之差大于采样周期的径是可 以分辨的 称之为可分辨径 否则 接收端不可能把它们分离出来 称之为不可 分辨径 在一个采样周期内的不可分辨信号分量可能有两个或多个 它们将合成 产生单一多径信号的瞬时幅度和相位 使合成信号发生快速衰落 图 2 3 所示为描 述路径几何学的椭圆模型 27 对以上进行了很好的诠释 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 12 图 2 3 描述路径几何学的椭圆模型 在此模型中 所有的椭圆都是共焦的 它们有共同的焦点tx和rx 它们表示 发射机和接收机的位置 由椭圆的性质可知 路径txarx 和txcrx 具有相 同的长度 由于电磁波传播的路径长度决定传播时延 所以处于同一个椭圆上的 反射点具有相同的传输时延 不同的椭圆上具有不同的传输时延 假设第l个椭圆 上的反射 散射 波所经历的传播时延为 0 0 11 l lln 2 12 其中 是无限小的传播时延 21 n是具有不同传播时延的路径的总 数 显然 如果l增加或者是 减小 都会使模型的精度提高 从而更为精确的 对信道进行描述 2 2 2 多普勒效应 当移动终端和基站产生相对运动时 接收信号的频率可能会改变 当移动终 端向基站靠近时 接收频率比发送频率大 当移动终端偏离基站时 接收频率比 发送频率小 28 称这种现象为多普勒效应 多普勒频移的表达式为 coscos c d vfv f c 2 13 其中v为接收机的移动速度 c为光速 为电磁波的波长 c f为载波频率 为 电磁波入射方向与接收机运动方向的夹角 当夹角为 0 或 180 度时 多普勒频移 取最大值 m f 所以信号在经历不同方向的传播后 接收机信号的带宽会变宽 如 图 2 4 所示 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 13 图 2 4多普勒效应的信道变化 2 2 3 小尺度衰落类型 1 时间色散 频率选择性衰落 时间色散由于多径传播造成 它使发送信号的时间延长 持续时间长于发送 时 频率选择性是指信号经过信道后不同频率分量的衰落不一 临近分量的幅度 相关性较强 离得远的分量则相差很大 相关带宽 c b用来表示这样一个信号带宽 29 令频率相关函数为 0 9 此时相关带宽为 1 50 c t b 2 14 式中 t 为均方根时延扩展 当发送信号的带宽 s b比较宽 有 sc bb 此时各频率分量衰减程度不相同 信号产生失真 即产生了频率选择性衰落 反之 当 sc bb 时 信号不失真 经 历平坦衰落过程 平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的信道特性分别如图 2 5 和图 2 6 所示 由图可知 频率选择性衰落时频谱中的边缘频率分量有较大失真 而平坦衰落则基本不变 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 14 505 0 5 0 0 5 1 1 5 0ts s t t 505 0 5 0 0 5 1 1 5 0v h t v t 505 0 50 100 150 200 505 5 0 5 10 505 0 5 0 0 5 1 505 5 0 5 10 图 2 5 平坦衰落信道特性 505 0 5 0 0 5 1 1 5 0ts s t t 505 0 5 0 0 5 1 1 5 0v h t v t 505 0 50 100 150 200 202 5 0 5 10 202 0 5 0 0 5 1 202 5 0 5 10 图 2 6 频率选择性衰落信道特性 2 频率色散 时间选择性衰落 频率色散是指由于多普勒效应所造成的信号带宽扩展 时间选择性衰落表示 信道随着时间而不断变化 信号前后端的信道特性不一样 相关时间用于描述信 道的时变特性 在相关时间内 接收信号幅度是密切相关的 30 通常相关时间由 下式计算 9 16 c m t f 2 15 式中 m f 表示最大多普勒频移 如果信号的符号周期 s t 比较短 有 sc tt 此时信号经历非时间选择性衰落 相反 当 sc tt 时 信号经历时间选择性衰落 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 15 2 2 4 信道包络分布 在无线传播环境中 信道环境复杂多变 传输信号在周围丰富的散射体影响 下而发生多径传播 接收端的信号来自各传播路径信号的叠加 当接收信号中不 存在视距路径时 信号包络服从瑞利分布 2 22 exp 2 rr p r 2 16 其中r和 分别表示接收信号的幅度和均方根值 图 2 7 为多普勒频率为 20hz 时 的瑞利衰落信号包络 01002003004005006007008009001000 35 30 25 20 15 10 5 0 5 10 时 间 信 号 电 平 db fd 20hz 图 2 7 瑞利衰落信号包络 如果接收信号中除了由于多径传播所产生的路径信号外 还存在一条直射路 径 那么信号包络服从莱斯分布 22 0 222 exp 2 rrara p rj 2 17 其中 0 j 为第一类零阶修正贝塞尔函数 a表示主信号的峰值幅度 令k 表示莱 斯因子 2 2 2 a k 2 18 k 表示主径与多径分量的功率之比 当0a 即直射径分量不存在时 莱斯分布 转变为瑞利分布 在广播场景中 由于广播基站一般架设比较高 在信号的传输 过程中 有可能会存在直射路径 此时小尺度衰落的包络服从莱斯分布 南昌航空大学硕士学位论文第 2 章ofdm 系统的无线信道模型 16 2 3 多径衰落信道模型 由于多径效应 接收端所接收到的信号来自于不同的振幅和延迟的传输信号 31 基带脉冲响应可以表示为 1 0 exp2 n biciii i hta tjfttt 2 19 其中n为可分辨多径的数目 i a t 表示t时刻第i个多径信号的幅度值 它由该 路径的大尺度衰落所确定 i t 表示t时刻第i个多径分量的多径时延 其中 0 表 示第一次接受到的信号 表示发射和接收机之间的传输时延 本节给出了两种信道模型 helsinki 32 和 tu6 信道 用于本文后面的仿真 表 2 1 为 tu6 信道参数 它表示典型城市信道 多径数设置为 6 条 表 2 1 tu6 信道参数 tap 标号时延 us 功率 db 10 3 20 20 30 5 2 41 6 6 52 3 8 65 0 10 表 2 2 为 helsinki 信道参数 该信道于 2011 年在赫尔辛基通过实测 多径数 设置为 8 条 表 2 2 helsinki 信道参数 tap 标号时延 us 功率 db 10 4 0 20 1094 7 5 30 2188 9 5 40 6094 11 0 51 109 15 0 62 109 26 0 74 109 30 0 88 109 30 0 2 4 本章小结 本章主要分析了无线衰落信道的信道特性 从大 小尺度衰落两个方向进行 分析 从多径和多普勒两个方面对小尺度衰落进行重点阐述 然后对 ngb w 仿真 中使用的信道模型进行介绍 给出了具体参数 南昌航空大学硕士学位论文第 3 章 ngb w 关键技术 17 第 3 章 ngb w 关键技术 下一代广播电视网无线系统 ngb w 致力于无线双向通信和无线广播的融 合发展 它的实现将能够满足人们对于无线数据业务快速增长的需求 然而在复 杂多变的无线环境中 ngb w 传输信号将经历严重的干扰和噪声问题 这就要求 必须采取一系列的抗干扰和抗衰落措施 以减小干扰 保证信号的传输质量 ngb w 系统选用了支持高速数据传输 抗干扰能力强的 ofdm 技术 应用了能 够提高业务信道数据传输性能的 bicm 方案 同时采用了能够明显提高系统可靠 性和有效性的 mimo 技术 ngb w 系统的下行链路中还添加了物理层管道 plp 技术 33 时间交织 星座旋转等重要技术 使 ngb w 系统能够达到所要求的性 能指标 图 3 1 和图 3 2 描述了 ngb w 下行通信链路的基本构成 系统输入是一个或 多个数据流 系统输出是面向射频信道的待发射信号 输入数据流首先经过输入 处理 然后进行比特交织编码调制 34 35 和mixo编码等处理 再通过成帧和ofdm 符号生成等处理环节生成待发射信号 图 3 1 ngb w 下行广播系统物理层协议方框图 图 3 2 编码调制交织和 mixo 编码模块 3 1 正交频分复用技术 在无线信道中传输高速率的多媒体业务是未来通信的方向 ngb w 系统的首 要问题就是在无线信道上实现高速率的多媒体业务传输 要实现高速率的数据传 南昌航空大学硕士学位论文第 3 章 ngb w 关键技术 18 输 一般要求通信传输的峰值速率得到提高 而速率提升的关键决定于系统的频 谱资源 从全球移动通信系统 gsm 到宽带码分多址 wcdma 再到现已商用的长 期演进技术 lte 36 带宽的值分别为 200k 5m 20mhz 由此可知 无线宽带 化是未来通信的方向 然而带宽的提高也带来了问题 数据传输速率的提升会造 成严重的码间干扰 isi 和信号失真 同时带宽的提高则需要较小的采样间隔 而这 会增加接收机计算的复杂度 传统的单载波方案只能传输较低速率的数据 对于 当前大数据量的传输显然不能满足 ofdm 技术 37 38 是该问题的一个很好的解决 方案 其主要思想是共享带宽被分配到多个子载波上 每个子载波的符号率是原 来的一部分 加起来的速率保持不变 但各子载波上符号的周期得到增长 由此 可以减轻由多径传播所造成的 isi 3 1 1 ofdm 模型 如图 3 3 为 ofdm 的系统原理框图 输入信号经串并变换为 n 路低速数据流 然后将各路数据承载到各子载波上 其中由 n 点的 idft 变换实现 ofdm 符号的 基带调制 最后经过变频为射频信号进行发送 图 3 3 ofdm 系统原理框图 在发送端有 1 0 re exp 2 2 n kscsss k tk s td rect t tjft ttttt t 3 1 其中n表示子载波个数 k d为第k个子载波传输的数据符号 c f 是首个子载波的 载波频率 t 表示符号传输时间 在ofdm接收端 信号首先经过变频成为基带信 号 然后通过dft变换完成信号的解调 这其中利用了ofdm系统子载波之间的正 交特性的原理 表示如下 0 1 exp2exp2 0 t kl kl jf tjf t dt kl 3 2 南昌航空大学硕士学位论文第 3 章 ngb w 关键技术 19 当 0 1 k k fkn t 的情况下 这些载波满