（信号与信息处理专业论文）基于最优导频设计的mimoofdm信道估计算法的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕七学位论文 摘要 下一代移动通信系统( b 3 g 牌g ) 能够在无线移动环境下提供更高的数据 传输速率，更好的服务质量，能满足人们日益增长的对多媒体业务的需求。 m i m o o f d m 系统实现了m i m o 技术与o f d m 技术的有机结合，能够大幅 度地提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效地克服多径衰落的 影响、抑制干扰和噪声，被普遍认为是b 3 g 4 g 物理层最有可能选用的技术 方案。 在m i m o o f d m 系统的诸多关键技术中，信道估计技术占据着举足轻重 的位置，信道估计的准确与否直接关系到系统性能的好坏，是衡量一个无线 通信系统性能的重要指标。本文围绕移动通信系统中信道估计这一关键技术， 深入研究基于导频辅助的信道估计算法。 论文首先介绍移动无线信道的衰落特性，阐述m i m o o f d m 系统的基本 原理，接着分析总结传统l s ( 最小平方) 、l m m s e ( 线性最小均方误差) 信 道估计算法。针对l s 算法精度不高，l m m s e 算法计算复杂，收敛速度慢的 缺点，根据m s e ( 均方误差) 最小原则，提出一种基于最优导频设计的l s 、 l m m s e 优化算法。改进算法首先给出不同信道环境下最优导频序列所要满 足的条件以及分布，接着根据此条件对传统算法进行改进。最后，通过计算 机仿真对本文提出的改进算法的性能进行评估，并与传统算法进行比较分析。 结果表明，本文提出的优化算法不仅能够有效提高信道估计的性能，大大降 低运算复杂度，而且提高了收敛速度，证明了算法的有效性和可行性。 关键词：m i m o o f d m ；l s 准则；l m m s e 准则；最优导频；信道估计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e x tg 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 ( b 3g 4 g ) c a l lp r o v i d e h i g h e rd a t a t r a n s m i s s i o nr a t e ，b e t t e rq 砌i t yo fs e r v i c e ，w h i c hs a t i s f i e st h e i n c r e a s i n gd e m a n df o rt h em u l t i m e d i as e r v i c eu n d e rt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t t h ec o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d m t e c h n i q u eh a sg r e a t l yi m p r o v e dc h a n n e l c a p a c i t ya n dt h et r a n s m i s s i o nr a t e i nt h em e a n t i m e ，m i m o - o f d ms y s t e mc a l l e f f e c t i v e l yc o m b a tm u f t i - p a t hf a d i n g ，i n t e r f e r e n c ea n dn o i s e s ot h i ss y s t e mh a s b e e nw i d e l yc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s ta v a i l a b l es c h e m e si np h y s i c a l - l a y e ro f b 3 g 4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a m o n g a l lt h e k e yt e c h n o l o g i e s o fm i m o o f d ms y s t e m , c h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n o l o g yo c c u p i e sq u i t eas i g n i f i c a n tp o s i t i o n t h ea c c u r a c yo ft h e c h a n n e le s t i m a t i o n , d i r e c t l yr e l a t i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m , i so n eo f t h em o s t i m p o r t a n t c r i t e r i o n st o j u d g e t h e p e r f o r m a n c e o faw 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 t h ep a p e rf o c u s e so nt h i sk e yt e c h n o l o g yi nt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e t a i l e dr e s e a r c h e so nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s b a s e do np i l o t a s s i s t e dh a v eb e e nc o n d u c t e d i nt h i sp a p e r , t h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i ci nm o b i l ew i r e l e s sc h a n n e li s i n t r o d u c e d , a n ds o m eb a s i cp r i n c i p l e so ft h em i m o - o f d ms y s t e ma r ee l a b o r a t e d t h e nt w ot r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gl s ( 1 e a s ts q u a r e s ) a n dl m m s e ( 1 i n e a rm i n j l n u mm e a n s q u a r ee r r o r ) a r ea n a l y z e d i nt h el i g h to f t h e l o w p r e c i s i o no fl s ，t h ec o m p l e xc a l c u l a t i o na n dt h es l o wc o n v e r g e n c es p e e do f l m m s e ，an o v e la l g o r i t h mb a s e do no p t i m a lp i l o ti sp r o p o s e da c c o r d i n gt o m i n i n l u mm s e ( m e a ns q u a r ee r r o r ) f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o no f o p t i m a lp i l o ts e q u e n c eu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e le n v i r o n m e n t sa l eg i v e n ，a c c o r d i n g t ow h i c ht h et r a d i t i o n a l a l g o r i t h mt h e nm a d ea ni m p r o v e m e n t s e c o n d l y ， 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i - - - i 一 i _ i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sa n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h a to f t r a d i t i o n a la l g o r i t h m s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m c a nn o to n l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o na n dr e d u c et h e o p e r a t i o nc o m p l e x i t y ，b u ta l s or a i s et h ec o n v e r g e n c es p e e di nag r e a te x t e n t , w h i c hp r o v e si t sv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：m b 4 0 o f d m ；l sc r i t e r i o n ；l m m s ec r i t e r i o n ；o p t i m a l p i l o t ； c h a n n e le s t i m a t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：说 日期：弦订年厂月么日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文徊在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：参缸 日期：缈歹年，月名日 、 导师( 签字) ：露倍乏 别年f 月易日 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 在信息时代的今天，信息的交换和传递越来越占据重要的地位。通信作 为获取信息和人际交流的重要工具，已在当今信息化时代扮演着举足轻重的 角色。而在通信领域有两个最积极最活跃的分支无线移动通信和 i n t e m e t 。目前，移动通信己从模拟通信发展到了数字通信阶段，从窄带通信 发展到了宽带通信，并且正朝着个人通信这一更高阶段发展。未来移动通信 的目标是：能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 本章将简要回顾移动通信技术的发展历程，展望未来技术的发展趋势，透过 这一发展过程，分析揭示未来移动通信中无线通信技术所面临的挑战，提出 本课题的主要研究任务和意义，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1 1 1 移动通信的发展历史 1 、第一代移动通信( 1 g ) 移动通信网络最早产生于2 0 世纪7 0 年代，其发展过程如图1 1 所示。 第一代蜂窝移动通信系统于7 0 年代末诞生于美国贝尔实验室，即著名的 先进移动电话系统6 岣s ；其后，北欧( 丹麦、挪威、瑞典、芬兰) 和英国 相继研制和开发了类似的n m t s 和t a l c s 移动通信系统。第一代移动通信 系统的主要特点是采用频分多址复用，模拟制式。话音信号为模拟调制，每 隔3 0 k h z 2 5 k h z 一个模拟用户信道。第一代系统在商业上取得了巨大的成 功，但是其弊端也日渐显露出来：频谱利用率低，业务种类有限，无高速数 据业务，保密性差，易被窃听和盗号，设备成本高，体积大，重量大。 2 、 第二代移动通信( 2 g ) 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应 运而生。第二代窄带数字系统的接入技术主要有时分多址( t d m a ) 和码分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多址( c d m a ) 两种技术，它可提供9 6 , - - 2 8 8 k b i t s 的传输速率。其典型系统 有欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 、北美的数字增强型系统i s 1 3 6 、c d m a o n e 、i s 9 5 a 、i s 9 5 b 、日本的个人数字蜂窝系统( p d c ) 等。 g s m 发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的t d m a 标准而设计的， 支持6 4 k b i t s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用9 0 0 m h z 频带，使用 1 8 0 0 m h z 频带的称为d c s l 8 0 0 ，采用f d d 双工方式和t d m a 多址方式，每 载频支持8 个信道，信号带宽为2 0 0 k h z 。g s m 标准体制较为完善，技术相 对成熟；不足之处是：相对于模拟系统其容量增加不多，仅仅为模拟系统的 2 倍左右，无法和模拟系统兼容。 i s 9 5 是北美提出的另一种数字蜂窝标准，使用8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m h z 频 带，c d m a 多址方式，目前已成为美国p c s ( 个人通信系统) 网的首选技术。 c d m a 系统容量大，相当于模拟系统的1 0 - - 2 0 倍，美国、韩国、中国香港等 地已经开通了窄带c d m a 系统。 与第一代模拟蜂窝移动通信系统相比，第二代移动通信系统具有保密性 强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。无论是第一 代还是第二代通信系统，主要是针对话音通信设计的，对数据业务的支持能 力普遍比较弱。 f d m a t d m a 为主。c d m ac d m a 为主，t d m a 预计采用o f d m a 4 5 0 9 1 0 0 9 0 0 m h z 8 0 0 1 9 0 0 1 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z 2 g 扩展频段 等接入技术 图1 i 移动通信系统的发展 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 f 一i i i3 、第三代移动通信( 3 g ) 第三代移动通信系统是正在全力投入开发的系统，其最基本的特征是智 能信号处理技术，实现基于话音业务为主的多媒体数据通信，有更高的频谱 效率、更高的服务质量和更低的成本。能实现全球无缝覆盖，真正实现“任 何入，在任何地点、任何时间与任何人”都能便利地通信。由于其诸多优点， 全世界各个运营商、设备商与广大用户对此产生了浓厚的兴趣。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，且可以在 不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务； 2 )能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据承载、视频会话等业务， 特别是多媒体业务； 3 )能适应多种环境：可以综合公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务数字网 ( i s d n ) 、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，强大的多用户管理能力，高保密性能和高质量服务。 为实现上述目标，对其无线传输技术提出了以下要求： a ) 高速传输以支持多媒体业务：室内环境至少2 m b i t s ，步行环境至少 3 8 4 k b i t s ，室外车辆运动中至少1 4 4 k b i t s ，卫星移动环境至少 9 6 k b i t s ： b ) 传输速率能够按需分配； c ) 上下行链路能适应不对称需求。 第三代移动通信系统“未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ”最早由 国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 u 1 。i m t - 2 0 0 0 共接纳了5 个标准，其中主流的三个标准是欧洲的u m t s ( w c d m a ) 、北美 的c d m a 2 0 0 0 、中国的t d s c d m a ，i m t - 2 0 0 0 采纳的3 g 标准如图1 2 所示。 w c d m a 是欧洲和日本提出的宽带c d m a 标准，并且双方已经达成一 致，彼此间差异很小。技术特点是采用频分双工，可适应多种速率和多种业 务，上行链路快速功率控制，下行链路相干解调，支持不同载频间切换，基 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 站之间无需同步，适用于高速环境，是一种很有前途的方案。 c d m a 2 0 0 0 是北美基于i s 9 5 系统演变而来的。技术特点是上行链路相 干接收、下行链路发送分集，基站之间由g p s 同步，技术成熟，风险小，综 合性能好。 t d s c d m a 是基于t d m a 和同步c d m a 技术的标准发展而来的。它采 用时分双工( t d d ) 方式，结合智能天线和软件无线电等技术，适用于低速 接入环境。这是我国第一次向i t u 提出拥有自主知识产权的提案嘲。 z 曰曰 喜喜 图1 2i m t - 2 0 0 0 采纳的3 g 标准 1 1 2 移动通信的发展现状 国际电信联盟( f l u ) 早在1 9 9 9 年9 月便把“第三代之后”的移动通信 系统的标准化议题提上了日程：2 0 0 0 年，1 1 1 j r 的w p 8 f 和1 1 u t 的 m t 2 0 0 0 s s g 开始了后i m t - 2 0 0 0 ( 新一代，4 g ) 的研究计划，w r c - 2 0 0 0 已 经确定了i m t - 2 0 0 0 的扩展频谱，用于i m t - 2 0 0 0 的增强及其后的i m t - 2 0 0 0 系统：2 0 0 2 年6 月i t u 的w p 8 f 对频谱进行了规划，并完成后i m t - 2 0 0 0 的目标和远景，并确定将新一代移动通信系统同其他系统结合起来。在2 0 1 0 年之前的研究目标是使数据传输速率达到1 0 0 m b p s 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _iiii一_ i i i i i i i i i i i 眚i i i i i i i 从世界范围内来看，目前日本和欧洲处于b 3 g 4 g 研究的领先地位。日 本是第一个实现3 g 商用的国家，并且取得了骄入的业绩，因此日本在b 3 g 4 g 的研发上也投入了大量的人力、物力。n 丌d o c o m o 在b 3 g 4 g 领域的研究 工作尤为引入瞩目，他们提出了基于可变扩频因子正交频率码分复用 ( v s f o f c d m ) 技术的4 g 系统实现方案，并于2 0 0 2 年实现了峰值速率可 达1 0 0 m b p s 的实验系统，更在2 0 0 4 年将该记录提高到约3 0 0 m b p s ：另方 面，由于g s m 标准的巨大成功，欧洲的设备生产商、运营商和研究机构也 对b 3 g 4 g 研究非常积极。2 0 0 1 年，以欧美5 大通信设备制造商( 阿尔卡特、 爱立信、诺基亚、西门子和摩托罗拉) 为中心成立了世界无线通信技术研究 论坛( 嗍f ) ，作为一个非盈利性组织，积极推进全球范围内研究、开发 b 3 g 4 g 相关的技术以及b 3 g 4 g 标准的制订。同时，欧盟第5 框架和第6 框架研究计划下的多个研究项目也都围绕b 3 g 4 g 开展了大量的研究工作。 在b 3 g 4 g 的研究过程中，有几种关键技术得到了广泛的关注，主要有 正交频分复用( o f d m ) 技术、多输入多输出( m m o ) 技术、软件无线电 ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 技术等。在下面的章节中针对感兴趣的 o f d m 和m i m o 技术进行详细的讨论。 从移动通信近2 0 年的发展历程可以看出，一个标准产生之后( 甚至在它 商用之前) ，其技术的缺陷或局限就已经表露出来，而当该技术在市场上走向 顶峰时，它刺激出来的市场需求正在超越其业务供给能力，新。一代技术就应 运而生了。第一代如此，第二代如此，第三代也必然如此。所以，在当前第 三代系统的标准化即将完成，应用系统即将推出的时候，新一代( 第四代) 移动通信系统的研究已是刻不容缓p 1 。 1 2 下一代移动通信系统的关键技术 1 2 1o f d m 发展历史 0 f d m 的思想最早可以追溯到2 0 世纪5 0 年代末期：6 0 年代，人们对多 载波调制做了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限信道上采 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用多载波调制可以优化系统的传输性能；1 9 7 0 年1 月有关o f d m 的专利被 首次公开发表；1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 在i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c a le n g i n e e r s ，电气与电子工程师协会) 杂志上发表了用离散傅立叶 变换实现多载波调制的方法网，极大的简化了原始o f d m 系统并促进了 o f d m 技术的应用唧，成为了o f d m 发展史上的一个里程碑；另一个比较大 的突破是1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 提出了采用循环前缀( c p ) 来解决子载波间 的正交性问题u 叼，该方法有效的降低了符号间干扰i s i 和子载波间干扰i c i ： 后来的研究者又在o f d m 系统中采用冲激脉冲代替矩形脉冲获得了更好的 频谱图形n 。团；9 0 年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进 步，o f d m 技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注；今天，o f d m 已经在欧洲的数字音视频广播( 如d a b 和d v b ) 、欧洲和北美的高速无线局 域网系统( 如h i p e r l a n 2 ，i e e e8 0 2 1 l a ) ，以及高比特率数字用户线( 如 a d s l ，v d s l ) 中得到了广泛的应用。目前，人们正在考虑在基于i e e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网、基于i e e e8 0 2 1 5 标准的个人信息网以及未来的下一代 无线蜂窝移动通信系统中使用o f d m 技术。 1 2 2 删o 发展历史 m i m o 技术由来己久，早在1 9 0 8 年，马可尼就提出过可以用它来抵抗 多径衰落。虽然在上世纪7 0 年代有人提出将m m o 技术用于通信系统，但 是直到上世纪9 0 年代才由a t & tb e l l 实验室首次验证了m i m o 技术应用于 移动通信系统；19 9 5 年t e l a t a r 给出了在衰落情况下的m 讧o 容量u 3 1 ，t e l a t a r 等人证明使用多个发送和接收天线的通信系统链路容量可以成倍的增长，即 在拥有r 根发送天线，。根接收天线的m i m o 系统中，信道容量随 m i n ( n f ，n 。) 线性增长；1 9 9 6 年f o s h i n i a 提出了一种多输入多输出处理算法 对角贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 算、法【，这种收发端同时使用多 阵元阵列结构的编码方法可以在理论上逼近信道容量的下界；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多输入多输出的空时到1 5 1 ；同年，w o l n i a n s k y 等人采用垂直贝 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 mi i i 尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统u 引，在室内 实验中达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中 极难实现。这些工作受到各国学者的极大关注，并使得多输入多输出的研究 工作得到了迅速发展。 1 3 本课题研究的现状及其重要意义 m i m o o f d m 技术作为未来b 3 g 似g 的关键技术，它有3 个领域引起了 人们的关注：信道估计技术、同步技术、峰均比抑制技术，本文主要研究信 道估计技术。为了使发送数据经过衰落的信道后，在接收端被正确地接收， 数据所经历的信道衰落影响应被合理地补偿，所以接收端必须要对信道的状 态进行估计。信道估计技术作为获得信道衰落信息的方法，是衡量一个无线 通信系统性能的重要指标，是提高数据接收性能的关键技术之一。 目前常用的信道估计算法根据是否使用导频序列信息可以分为两类：非 盲信道估计和盲信道估计。前者又分为基于训练序列和导频符号的信道估计。 由于盲信道估计是基于信道的高阶统计特性n 硎，它需要大量的接收数据和硬 件设备( 如存储器) ，造成了盲信道估计算法计算量大，收敛速度慢，实时性 差，硬件实现复杂的缺点，所以一直难以实用化；而基于训练序列的信道估 计只适用于慢衰落信道m 铡，而且在发送端需要不断的发送训练序列，增加了 信道开销，降低了频谱利用率和系统的吞吐量；相比较而言，基于导频辅助 的信道估计在相同的估计性能下口纯刀，只需要少量的导频信息，同时又避免了 大量的运算。本论文研究的就是基于导频辅助的信道估计技术。 1 4 本文的安排 本文围绕m i m o o f d m 系统中的信道估计技术展开分析研究，研究过程 中，采取理论分析与计算机仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究 的正确性和可行性。 论文总共分为五章，结构安排如下： 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第一章绪论； 第二章讨论了电磁播的传播特性和无线信道的衰落特性，给出了本文采 用的多径衰落信道的计算机仿真模型； 第三章以m i m o o f d m 技术为核心，阐述了m i m o 和o f d m 技术的基 本原理和优点，讨论了m i m o o f d m 系统的结构，指出信道估计是决定系统 性能的关键因素之一； 第四章重点讨论了m i m o o f d m 系统中的l s 时域估计算法、l s 频域 估计算法，在此基础上分别提出它们的改进算法，进一步提高估计的性能、 降低算法的复杂度，最后结合计算机仿真对这些算法进行了详尽的分析与比 较； 第五章重点讨论了m i m o o f d m 系统中的l m m s e 频域估计算法，针 对l m m s e 算法估计复杂，计算量大，收敛速度慢的缺点，提出了它的改进 算法，最后结合计算机仿真验证了算法的有效性，分析比较了算法的性能。 最后给出了全文的总结，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题， 并展望了该领域的研究发展趋势。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章无线通信信道 这一章研究无线通信信道的主要特征，给出它的详细介绍，分析它的特 性，建立它的仿真模型。 2 1 无线通信信道的特征 2 1 1 无线通信信道概述 信道是信源和信宿之间信息传递的通路，通过传输媒体或传输介质来实 现。它是任何一个通信系统不可或缺的组成部分。按传播媒介的不同，物理 信道分为有线信道和无线信道两大类。有线信道是平稳的、可预测的，而无 线信道则是随机的，并且是不易分析的。正是因为这些不确定信道参数的存 在，使得准确恢复发射信号成为困难。 移动通信中的信道是一种时变信道，电磁波信号在通过无线信道时会受 到各方面的影响而衰减损失。这种衰减损失可以归结为三种在不同区间范围 的影响：大尺度的自由空间损耗，中等尺度的阴影衰落损耗和小尺度的多径 损耗。从工程角度看，自由空间损耗和阴影衰落损耗主要影响通信系统的覆 盖，合理的设计可以消除这种不良的影响。而多径传播会导致信号在时间， 空间、频率上的扩散，从而严重影响信号的质量；雨且这种影晦是不可避免 的，只能采用抗衰落技术来进行抑制阴川。 2 1 2 无线通信信道下电磁波传播的特点 无线通信信道的基本特性就是衰落特性。这种衰落特性取决于电磁波的 传播环境，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂， 导致了无线通信信道的特性十分复杂。总体来说，这些传播环境包括地貌、 人工建筑、气候特征、电磁干扰、通信体移动速度和使用的频段等情况。电 磁波在此环境下传播表现为以下几种主要的传播方式：直射、反射、绕射和 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 散射，以及它们的合成。 一般认为：在移动通信系统中影响传播的3 种最基本的机制为反射、绕 射和散射： 反射：反射一般发生于地球、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其 波长大得多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的物体边缘阻挡时会 发生绕射。由阻挡表面产生的二次波分布于整个空间，甚至绕射于阻挡体的 背面。另外，当发射机和接收机之间不存在视距路径时( l o s ，l i n eo f s i g h t ， 视距路径指移动台可以看见基站天线；n l o s ，非视距是指移动台看不见基 站天线) ，围绕阻挡体也会产生波的弯益。 散射：散射产生于粗糙物体表面、小物体或其他不规则的物体表面。 在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都可以引发散射。 移动通信中的电磁波传播示意图如图2 1 所示，它直观的反映了电磁波 在空间的传播特性。 图2 1 移动通信中的电磁波传播示意图 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3 接收信号中的3 类损耗与4 种效应 l 、3 类不同层次的损耗 与有线信道相比，无线通信信道中电磁波所经历的传播环境要复杂许多。 这是因为其传播过程中会受到移动台和基站之间的复杂环境的影响，使信号 产生如上所说的反射、绕射和散射等现象，再加之相对运动和空间环境的时 变性等影响，使得移动台与基站之间的无线通信信道多变并且难以控制。信 号通过无线通信信道时，其遭受的各种衰落，按接收信号的功率可以表达为： 尸p ) = i d l ”s ( d ) e ( d ) ( 2 1 ) 根据上式，无线通信信道对信号的影响可以分为三种： 1 )路径传播损耗矧一：一般称为衰耗，是指电磁波在空间传播时所产生的 损耗。它反映了在宏观大范围( 千米量级) 的空间距离上接收信号电平 平均值的变化趋势。其中疗一般取3 4 。 2 )慢衰落损耗s p ) ：它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡 引起的阴影效应而产生的损耗，它反映了在中等范围内( 数百波长量级) 接收信号电平平均值起伏变化的趋势。从统计规律上看其遵从对数正态 分布，其变化率比传输信息率慢，故称为慢衰落。可用如下式( 2 2 ) 的 概率密度函数来描述： 刺= j 去斗譬l 舢 江2 ， l o 。 。 工o 3 )快衰落损耗r 似) ：它是反映微观小范围( 数十波长以下量级) 接收电平 平均值的起伏变化趋势。其电平幅度一般遵从瑞利( r a y l e i g h ) 分布、 莱斯( r i c i a n ) 分布，可用如式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 的概率密度函数来描 述。由于其变化速率比慢衰落快，故称为快衰落。仔细划分，快衰落又 可以分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。实际 测量发现，快衰落情况下，在非常短的距离内，接收信号的起伏可达 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 - - - 3 0 d b p 。 r a y l e i g h ： 荆= 一割 x o ( 2 3 ) 工 0 ：刺：悟斗掣m 砉) 桃刎 1 0 x 0 无线通信信道中接收信号电平的变化如图2 2 所示。 号 v * 羽 皿r 逛 传播距离 图2 2 无线信道中接收信号电平变化示意图 2 、4 种主要效应 1 ) 阴影效应：由于大型建筑物或其他物体的阻挡，在电磁波传播的接收区 域产生半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。光波的波长较短， 阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是用接收终端( 如手机) 和专用仪表可以测试出来。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也 是随机变化的，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信 号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象， 并使弱者即离基站较远的用户产生掉话( 通信中断) 现象，通常称这一 现象为远近效应。 3 ) 多径效应：由于接收用户所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不 仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来的其他路径的信号， 而且它们到达时的信号强度、到达时间及载波相位都不一样，所接收到 的信号其实是上述各路径信号的矢量和，也就是说，各路径之间可能产 生干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。 4 3 5 3 2 5 越 磐 血p j ! 坚 1 5 1 0 5 0 l 尹 f n a7 -， 。- i l = 1 1 一f _ - 令 ，a 。 h “v 7 fl 。_ - w 叭 6 08 0 角频率) 图多径衰落与频率的关系曲线 仿真的多径衰落与频率的关系曲线图如图2 3 所示。这里， 信道的多径数目为6 ，信号经条不同路径到达时的幅度和时间是随机 的。从图中可以看出，接收信号的幅度随角频率变化而改变。在某些频 率，6 条信道到达的信号互相干扰抵消，只产生很小的幅度；在某些频 率，6 条信道到达的信号互相叠加，产生较大的幅度，这种现象也叫做 多径引起的衰落。 4 ) 多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动时，传播频率的扩散引起 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m_ 的，其扩散程度与用户速度成正比。这一现象只产生在高速( 7 0 k m h ) 车载通信中，而对于步行和准静态的室内通信则不予考虑髑。 2 1 4 三种主要快衰落的物理模型 & # 节忡 一一一 t墨# 节y 铲叶 l鲎二 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b ) 相关距离 相关距离是指两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。在 相关距离内，信号经历的衰落具有很大的相关性。当距离相关系数为0 5 时， 相关距离历为： d c = 面0 1 8 7 ( 2 - 5 )l c o s 拶 式中：a 角度扩展 秒到达角 从上式可以看出，相干距离口除了与角度扩展有关外，与接收波到达的 角度也有关系。当天线的到达角相同时，角度扩展越大，不同的天线接收到 的信号之间的相关性就越小，信号的空间选择性衰落越严重。反之，角度扩 展越小，天线之间的相关性就越大，信号的空间选择性衰落就越小p q 。 2 ) 频率选择性衰落 所谓频率选择性衰落，是指信号在不同的频率衰落特性是不一样的，其 物理模型与形成原因如图2 5 所示。常用时延扩展和相关带宽来描述。 宽带 移动信道 死一 三i，f l +l 一 。 弋 i f o + 4 r o 图2 5 频率选择性信道模型 图2 。5 中，频域输入的白色等幅谱经过宽带移动信道后，变成了衰落起 伏的有色谱；表现在时域即在，o 时刻输入一个引泳冲，在+ 出。瞬间，万脉 冲产生了时域扩散，其中出。为绝对中心时延，叫2 为相对时延扩散，乏= l 为衰落周期p ”。 a ) 时延扩展 ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发射端发送一个窄脉冲信号，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每一个 窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数是不同的。这样就造成了信道的时间 弥散性，即时延扩展。在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符 号的波形会扩展到其它符号当中，造成符号间干扰( i s i ) 。为了避免产生i s i ， 应该使符号宽度远远大于无线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最 大时延扩展的倒数。由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测 量到的时延扩展都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的物理平均。 b ) 相关带宽 在频域内，与时延扩展相关的一个重要参数是相关带宽。在实际应用中， 通常用最大时延扩展的倒数来定义相关带宽。设z 一为最大时延扩展，则相 关带宽为： 1 0 b ) 。二 ( 2 - 6 ) f m 从频域角度观察，多径信号的时延扩展可导致频率选择性衰落，即针对 信号中的不同频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应，由于信号中 不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸 变。当信号的频率较高，信号带宽超过无线信道的相关带宽时，信号通过无 线信道后各频率分量的变化是不一样的，从而引起信号波形的失真，造成符 号间干扰，此时认为发生了频率选择性衰落反之，当信号带宽t 阡梧关带 宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落，衰落波形不会失 真，没有符号间干扰，此时认为信号只是经历了平衰落，即非频率选择性衰 落【3 i j o 3 ) 时间选择性衰落 最后来讨论时间选择性衰落，它是指信号在不同的时间衰落特性是不一 样的，其物理模型与形成原因如图2 6 所示。常用多普勒频移和相关时间来 描述。 图2 6 中，时域输入的单频等幅载波经过高速移动的用户信道后变成了 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 衰落周期为瓦= 州b 的包络起伏的载波，表现在频域即在 频率上输入的单 根谱线( 万脉冲) ，经过高速移动的用户信道后产生了频率扩散，它以兀+ 鲈 为中心，扩散的宽度为b 嘲。 li 氛 。 高速移动 用户的信道 l n 镯 f 图2 6 时间选择性信遭模型 a ) 多普勒频移 多普勒效应引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以用下式表示： a f ：坐c o s 臼：；c o s 9 ：厶c o s o ( 2 7 ) c 式中：z 载波频率 c 光速 1 ，移动台和观察者之间的相对运动速度 厶最大多普勒频移( 厶：业：；) f 当移动台向入射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信 号频率会增加；如果背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，即移动台接 收到的信号频率会减小。由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号( 无) 到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率轴+ - l 处的单纯万函数，而是分 布在( y o 一兀, f o + 厶) 内的一定宽度的频谱。 b ) 相关时间 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念是相关时间，即： 0 r ) 。7 1 ( 2 8 ) 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说， 相关时间就是一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关 性。当基带信号的符号宽度大于无线信道的相关时间时，信号的波形就可能 发生变化，引起信号的畸变，产生时间选择性衰落：反之，如果符号宽度小 于相关时间，则认为没有产生时间选择性衰落鲫。 2 2 无线信道模型 2 2 1j a k e s 移动信道模型 j a k e s 移动信道模型是一个标准的频率单调衰落基带等效模型。该模型假 设从发射机到接收机之间存在无数条传播路径，并且这些路径是离散均匀分 布的。对于时域输入波形x o ) ，其输出波形j ，o ) 可以表示为： ) ，) = 乃o 磅) 一毛o 弦) ( 2 - 9 ) 其中：曼o ) 是z ( f ) 的希尔伯特变换，i ，q 两路的基带等价描述为： 吒( f ) = 2 c o s 展c o s ( 2 a f k t + 0 k ) + x - 2 c o s a c o s ( 2 而f d t ) ( 2 1 0 ) r q ( t ) = 2 y s i nf l ；c o s ( 2 冗f ：+ o 。) + 压c o s 8 虹( 2 矾f ) ( 2 11 ) 式中：厶为最大多普勒频移，以= 抽s ( 警) ，尾= 萼，瑚( 2 + 1 ) ，n 是模型中的路径数，巩是0 。2 n 之间均匀分布的随机变量。 正如前面所述，由于多普勒频移等因素的影响，接收端收到的将是一个 一定宽度的频谱，在j a k e s 信道中该频谱可以表示为： p 扩) ：乒面万f ( 2 - 1 2 ) 2 ，2 2 多抽头延时线信道模型 如果信号的带宽远大于信道的相关带宽，多径信道常常被建模为各径时 变冲激响应滤波器之和，如图2 7 所示； 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 厅o ，f )y o ) 图2 7 多抽头延时线信道模型 图2 7 中每个抽头系数都是时变的。则信道的冲击响应可以由下式描述： 矗g f ) = ) ，o 弦g 一0 ) ( 2 一1 3 ) i - o ) ，o ) = 口l ( f ) e 印( ，仍o ) ) ( 2 1 4 ) 其中：n 是抽头个数，q o ) 是与时间有关的抽头系数，t 是输入到第f 个抽 头的延时，对每个抽头都