（通信与信息系统专业论文）基于叠加导频的ofdm系统信道估计算法研究.pdf

基于叠加导频的o f d m 系统信道估计算法研究 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i 于两斐 正交频分复用( o f d m ) ：具有高频谱利用率及能够有效对抗多径衰落的优点，在无 线通信领域得到了广泛关注，已经被确定为第四代移动通信系统的核心技术。然而多径 效应所带来的频率选择性衰落以及信道时变特性带来的子载波间干扰等使得对信道的 估计难度增大，因此能否有效地进行信道估计成为o f d m 技术成功应用的关键。 目前o f d m 系统的信道估计算法大致分为三大类：导频辅助信道估计算法、盲信 道估计算法和半盲信道估计算法。导频辅助信道估计算法应用广泛，信道估计性能很好， 缺点是降低了系统频带利用率。基于叠加导频的信道估计算法属于半盲信道估计算法， 该算法能够有效提高系统频带利用率。本文对该算法进行了以下的研究，介绍了叠加导 频信道估计算法的系统模型，并推导了基于几种常见导频序列的估计算法，仿真分析其 估计性能与各个参数之间的关系，并对叠加导频算法的功率和峰均比两大问题进行了讨 论。 针对单个o f d m 符号信道估计性能较差的问题，对已有多符号联合估计算法进行 了改进，由于多个符号的统计平均更加准确，仿真结果表明该算法相对于原有算法估计 性能有了较大提高。从叠加导频算法的均方误差可以看出，信息序列如同噪声干扰，严 重影响了估计的准确度。因此，本文介绍了一种新算法，其主要思想是在发送端，频域 内去除导频点上的信息序列，信道估计时便消除了信息序列的影响，其性能较基本叠加 导频算法有所提高。但此方法由于在发送端引入新序列，导致峰均比增大；需要在发送 端计算统计均值，给系统带来一定的时延；有效信息序列的功率相对较小，接收端给信 号检测带来麻烦。针对以上问题，本文提出一种新算法，算法是在接收端对信息序列的 统计平均进行有效估计，避免了：在发端引入新序列的所带来的上述问题。系统仿真验证 了该算法不仅与原算法有着相同的信道估计值，误比特率性能也有很大提高。 关键词：正交频分复用；信道估计；叠加导频 基于叠加导频的o f d m 系统信道估计算法研究 a bs t r a c t 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 ( o f d m ) h a sa d v a n t a g e so fh i g hs p e c t r a l e f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s sa g a i n s tt h em u l t i - p a t hf a d i n g i th a sb e e nw i d e l yc o n c e m e di nt h e f i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a n di tw a sd e t e r m i n e da sac o r et e c h n o l o g yo ft h ef o u r t h 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 h o w e v e r , c h a n n e le s t i m a t i o ni s m o r ed i f f i c u l t b e c a u s eo ft h e 仔e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc a u s e db ym u l t i - p a t he f f e c t sa n dt h ei n t e rc a r r i e r i n t e r f e r e n c e ( i c i ) w h i c hi sc a u s e db yc h a n n e lt i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，a n e f f i c i e n tc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mh a sb e c o m et h ek e yf a c t o rt ot h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n o fo f d m t e c h n o l o g y n o w a d a y s ，t h e r e a r et h r e ec a t e g o r i e sf o rc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m si no f d m s y s t e m s ，j u s ta sp i l o ta s s i s t e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，b 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 ma n d s e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m c h a n n e le s t i m a t i o n b a s e do n s u p e r i m p o s e d s e q u e n c ei sb e l o n gt os e m i b l i n i dc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h i sp a p e r , w ed ol o t so fr e s e a r c hf o r t h ea l g o r i t h ma sf o l l o w s as y s t e mm o d e lo fs u p e r i m p o s e dp i l o ta i d e dc h a n n e le s t i m a t i o n b a s i ca l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，a n de s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nv a r i o u sc o m m o nt r a i n i n g s e q u e n c e sa r ed e r i v e da n ds i m u l a t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne s t i m a t i o np e r f o r m a n c ea n d e a c hp a r a m e t e r si sm a d e ，a n dt h ep r o b l e mo fp a p ra n dp o w e ra r ed i s c u s s e d s i n g l eo f d ms y m b o lc h a l m e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c ei sp o o r , a n d t h i sp a p e rp r o p o s e sa n e wa d v a n c e dm u l t i p l e s y m b o le s t i m a t i o na l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h mi se f f e c t i v et oi m p r 0 1 v et h ee s t i m a t ep e r f o r m a n c e f r o mt h em e a ns q u a r ee r r o ro f c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do ns u p e r i m p o s e dt r a i n i n g s e q u e n c e w ec a ns e ei n f o r m a t i o n s e q u e n c ei s c o n s i d e r e da sn o i s e ，t h es e r i o u si m p a c to nt h ea c c u r a c yo ft h ee s t i m a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s an e wa l g o r i t h m ，w h o s em a i ni d e ai st or e m o v et h e i n f o r m a t i o ns e q u e n c eo nf r e q u e n c yb i n sb e f o r et r a n s m i t t e ri no r d e rt oe l i m i n a t ei n f o r m a t i o n i n f l u e n c e ，i t sp e r f o r m a n c ei s b e t t e rt h a nb a s i ca l g o r i t h m b u tt h ei n t r o d u c t i o no fn e w s e q u e n c e so ft h i sm e t h o dr e s u l t s ：i np e a k t o a v e r a g er a t i oi n c r e a s e s ，c a l c u l a t i o no ft h em e a n m a k e sac e r t a i nd e l a yt ot h es y s t e r na n dv a l i di n f o r m a t i o ns e q u e n c e sp o w e ri sr e l a t i v e l ys m a l l ， t a k e st h er e c e i v e rs i g n a ld e t e c t i o ni n t ot r o u b l e t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，t h i sp a p e r p r o p o s e san e wa l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mp r i n c i p l ei s t h a tt h em e s s a g es e q u e n c es t a t i s t i c a l a v e r a g ei s e s t i m a t e de f f e c t i v e l ya tt h er e c e i v i n ge n dt oa v o i dt h ei n t r o d u c t i o no fn e w 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 毫i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i ；备苫；i i i i i i i i i i ii s e q u e n c e s s y s t e r ns i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea l g o r i t h mn o to n l yh a st h es a m ee s t i m a t i ) nw i t h t h eo r i g i n a la l g o r i t h mc h a n n e le s t i m a t i o n ，b u ta l s oh a s g r e a t l yi m p r o v e di nb i te r r o rr a t l ： k e yw o r d s ：o t ? d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；s u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e 基于叠加导频的o f d m 系统信道估计算法研究 i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i 皇i i i i i i i i i i i i i 暑i i i 暑i i i i i i i i i i _ _ i 第1 章绪论 无线通信是当今技术发展非常活跃的一个领域，无线通信市场和无线业务需求的不 断增长给予人们巨大的机遇和挑战。因此，宽带无线通信技术日益受到人们的重视。从 早期的模拟蜂窝网，当代的数字蜂窝系统到现在崭露头角的3 g 和未来的4 g 系统，无 线通信技术获得了巨大的发展。 1 1 课题研究背景 在现代社会中，通信技术已经成为了人们在生活中和工作中所必需的重要部分。在 当今的通信领域内，移动通信发展的非常迅速，移动通信的最终目标就是要实现任何人 在任何时间、地点与其他人进行任何形式的无障碍通信。在过去的一段时间里，无线通 信技术及无线移动通信业务得到了长足的发展和迅猛的增长【l 引。 按照无线通信技术的发展的时间表来看，可以将其分为如下几个阶段。 第一阶段是从上个世纪的r - 十年代到上个世纪四十年代，在这段时间里试验了在几 个无线的频段上建立简易的通信系统，之后美国在1 9 2 1 年将无线的通信系统应用于公 共的警车上，这段时间是移动通信技术发展的前期阶段。 第二阶段是从上个世纪四十年代中期到六十年代前期的二十年间，这段时间里开始 了从专用移动通信过渡到公用的移动通信。在1 9 4 6 年美国贝尔公司先于西德、法国等 国建立了公用的移动电话系统，是有史以来第一个将公用通信系统应用于移动汽车的范 例，这段时间被公认为是移动通信技术发展的初期阶段。 第三阶段是从上个世纪六十年代中期到七十年代中期，在这段时间里，人们进一步 地改进和完善这个移动通信系统。这其中包括了扩大通信系统的规模和容量，使用了 4 5 0 m h z 的频段，做到了自动选取信道和自动接续电话网。典型的例子就是美国的1 m t s 和德国的b 网。 第四阶段是从上个世纪七十年代中期至八十年代中期，在这段时间里，诞生了蜂窝 移动通信。它是由于为了解决用户数的不断增长以及由此引发的频谱紧缺的问题而出现 的。到这里，经过前四个阶段的不断演进，第一代蜂窝移动通信系统应运而生。 第五阶段是从上个世纪八十年代中期到上个世纪九十年代中期，经过这段时间移动 通信发展业已趋向成熟。然而实际应用中模拟蜂窝网还存在一些问题，频谱的利用率相 对比较低，存在的很多标准还都不相互兼容，并且它的容量也越来越不能满足需求了。 数字的蜂窝系统就是在这种背景下诞生的。数字系统具有大容量，兼容性好等优点。这 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 眚i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i 盲 一阶段被认为是第二代的蜂窝移动电话系统。 第六个阶段是二十一世纪初，在这段时间里由于多媒体业务的兴起，国际电联( i n j ) 开始制定了新一代的通信标准，这就是第三代移动通信系统的诞生。第三代的标准中包 括我国的t d s c d m a ，欧洲的w c d m a 和美国的c d m a 2 0 0 0 。 在3 g 通信技术发展的势头正强的时候，下一代的移动通信系统的研究工作也正在 进行了。下一代移动通信需要做到的是提供更丰富的多媒体业务的服务，它具有更高的 数据传输速率，因此下一代移动通信应该是一种宽带的无线通信系统。因为信号在宽带 无线通信系统中传输的数据率很高，所以每个符号被传输的时间就会相应的减小当传 输的信道环境7 旧同的时候，同时最大的多径延时比符号的宽度还要大，那么就会出现很 严重的符号间二干二扰( i s i ) 。符号间的干扰在宽带无线通信中会比在窄带无线通信中存在的 更多。如何能够解决符号间的干扰将是提高宽带无线通信性能的一个非常重要的司题。 为了消除在无线通信中产生的符号间干扰，目前有两种方法，分别是降低传输速度 和均衡。如果符号传输速率越低，从而码元的宽度就会被扩大，这样就减小了符号间的 干扰。通过降低传输的速度来减小i s i 的技术有并行传输技术和多进制调制技术。 高速传输的串行数据比特流经过串并转换的方式被分成多路传输的低速并行数据 比特流的技术手段，被称作并行传输技术，这样，低速并行数据符号的传输时间就变长 了。并行数据会通过一组子载波来传输，这些子载波具有相互正交性。这样来看，虽然 输入了一个宽带信号，但是在每个相互正交的子载波上传输的却是窄带信号。对二f 每个 相互正交的子载波，只要有很大的符号宽度，符号间的干扰就可以被消除。 正交频分复用技术o f d m 是一种多载波调制技术，它的技术前身是频分复厍f d m 技术。这种频分复用技术最早出现于十九世纪，该技术的基本理念是把带宽分为很多个 子带，而各个子带之间是相互隔离的。将欲传输的数据分别低速地分配到各个子频带上， 以实现了信号复用频带的思想，达到了提高频带利用率的目的。可是，由于各子载波都 必须有：馍拟前端，并且在接收端需要清晰地分辨出各个子频带，那么各子载波之问就需 要有足够的间隔，以防止频谱混叠现象的发生，复杂度非常大，而且带宽利用率非常低。 为了进一步提高f d m 的频谱利用率，d o e l z 等提出了k i n e p l e 系统，最早应用于军事领 域，设计该系统的初衷是为了实现在严重多经衰落无线信道中传输数据。该系统的实现 方式和现代的o f d m 技术非常相似，达到了各个子载波相互正交，频谱相互重叠，有 效提高了频谱利用率，这次的技术革新可以算作现代o f d m 技术的雏形。 随着这项技术的改进与应用，技术本身收到了广泛的关注，大量的研究人员对其做 了大量研究改进，在当时奠定了o f d m 系统的理论基础。一直到2 0 世纪7 0 年代，研 基于叠加导频的o f d m 系统信道估计算法研究 i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 皇i i i i i i i 置i i i i i i 宣篁宣昌宣i i i i i i i i i i i i 昌i i i i i i i i 若 究人员发现了一种能够有效简化原系统复杂结构的方法一离散傅立叶变换对多个载波 进行调制，才使得o f d m 技术在实际中得到应用。到2 0 世纪8 0 年代，研究人员渐渐 把目光放到将o f d m 技术应用于高速m o d e m 的具体实现方式上。进入上个世纪末期， 随着无线通信业务的兴起与发展，无线信道下的宽带数据传输领域变成了o f d m 技术 的研究方向。在高速( 宽带) 无线通信环境下，由于o f d m 技术本身的优势非常明显， 并且o f d m 技术的缺陷可以通过其它手段进行有效地补偿，使得正交频分复用技术在 民用通信领域得到广泛的应用。 如今，许多国际通信领域新标准均采纳了正交频分复用技术，比如：日本综合业务 地面数字广播标准，欧洲数字音频广播标准，地面数字视频广播标准，用于高速数据传 输的数字用户标准，高速无线局域网标准等。在i e e e 8 0 2 1 2 标准中，o f d m 技术还被 应用于固定无线接入系统。 随着o f d m 技术研究的步步深入，其它技术与o f d m 技术相结合的形式也出现了。 在具体的环境下，这些技术往往具有更为良好的性能，比如：宽带正交频分复用 ( w - o f d m ) 、正交频分复用接入( o f d m a ) 、矢量正交频分复用( v o f d m ) 等等形 式。 正交频分复用是一种特殊的多载波调制技术，其具有多载波调制技术共同优点，除 此之外还具有以下优点p j ： ( 1 ) 正交频分复用的工作原理是将高速的数据比特流经过串并转换，分成多路并 行的相互独立的低速数据比特流进行传输，因此每路子载波上的符号持续时间便增加很 多，有效地降低了由于信道时延扩展所产生的o f d m 符号间干扰( i s i ) ，同时可以采用 插入保护间隔的方式来消除符号间干扰及子载波间干扰所带来的不良影响，接收端均衡 的难度也得到大大降低。 ( 2 ) 与传统的频分多址技术相比较，正交频分复用各个子载波间相互正交的特点， 使得子信道频谱可以相互重叠，而对系统不产生影响，很大程度上提高了频谱利用率， 实际应用中有效地节省了频谱资源。 ( 3 ) 子载波的调制与解调可以通过快速傅立叶逆变换i f f t 和快速傅立叶变换f f t 的方法分别实现，计算复杂度低，且随着新技术的发展，i f f t 和f f t 可实现性强。 ( 4 ) 通过调制与解调，宝意带频率选择性衰落变换成许多窄带平坦衰落，而窄带平 坦衰落只能影响小部分子载波，因此，o f d m 系统抗频率选择性衰落能力很强。 ( 5 ) o f d m 可以与其他接入方法相结合，组成o f d m a ，例如宽带正交频分复用 w - o f d m 、多载波码分多址m c c d m a 、矢量正交频分复用v o f d m 等，使得多用户 哈尔滨工程大! 学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i 同时利用o f d m 技术传输信息。 当然o f d m 也有很多不足和缺点： ( 1 ) o f d m 对载波间干扰( i c i ) 及其敏感。子载波间相互正交是实现o f d m 技 术的基础。由于多普勒频移等很多因素，导致频谱偏移，子载波间不再保持正交，o f d m 系统的性能会严重恶化。 ( 2 ) o f i ) m 系统峰均l l ( p a p r ) 高。高峰均比要求a d 、d a 转换器、功率放大器 要有较大的动态范围，增加系统成本；相反，高p a p r 的信号会产生非线性失真，导致 0 f d m 系统性能下降。 ( 3 ) 同步实现比较困难。o f d m 系统由于对频偏敏感，所以需要精确的同步，这 样才能：有效地：抑制i c i 和i s i 。 1 2 课题研究现状与意义 对于o f d m 系统中的衰落信道估计问题，研究人员已经做了大量的研究，并取得 了不少的研究成果，通常可以分为以下三大类： 第一类是：基于导频序列辅助的信道估计算法。该方法的基本思想是在发送端对域或 者频域内固定拘位置上插入导频符号，而在接收端利用导频序列得到所插入导频位置的 信道冲激响应，之后采用例如变换、滤波，内插等一些技术手段获取其它时段的一言道冲 激响应，这就引出了目前利用此种方法进行信道估计的两个研究方向。 ( 1 ) 发送端导频序列插入位置的选择； ( 2 ) 在接收端采用何种方式获取导频信息。例如：由h e n r i ks c h o b e r 等人 是出的 采用二维w i m l e r 滤波器自适应跟踪时变信道算法 4 1 、f r i e d e rs a n z i 等提出的自适应信道 估计算法【5 1 、线性高斯内插估计算法【6 1 、最大似然估计算法【7 1 、基于最小方差无：是真响 应波束成形技：术的码定时估计方法【8 j 等，这种信道估计算法计算简单，且便于实现，性 能也好。它的缺点是利用的训练序列或者导频占用了系统有效带宽，降低了系统一专送速 率和频f 带利用率。 第二类是半盲信道估计算法。它是同时利用盲信道估计算法所用的信息和自己所知 符号的信息来完成信道估计。半盲信道估计算法依据未知输入信息的先验特性被：刊用的 程度，从简单到复杂可以分为以下几种：第一种确定性半盲信道估计算法【9 j ；第二种利 用统计量信息的高斯半盲信道估计算法【lo 】；第三种利用信息数据二阶或高阶统计量的半 盲信道估计算法 1 1 ；第四种利用输入符号有限字符特性的半盲信道估计算法【1 2 】；第五种 利用输入信号的真实分布【i3 i 。半盲信道估计算法与基于导频的信道估计算法相比一十算复 4 基于叠加导频的o f d m 系统信道估计算法研究 i i 葺i i i i i i i i 萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 言置置i i i i i i i 置i i i i i i i i i 暑i i i i i i i i i i i 杂度要高，但是它提高了系统的频谱利用率。而与盲信道估计算法相比它降低的系统的 复杂度同时也降低了系统的频谱利用率，基于叠加导频的信道估计算法属于半盲信道估 计，其主要方法是在发送端将训练序列代数叠加到发送信息序列上，接收端利用叠加训 练序列进行信道估计的方法。与传统的导频辅助信道估计方法相比较，节省了频带资源， 受到广泛关注。基于叠加导频信道估计的主要研究方向为：信道估计方法的研究和去除 发送序列对信道估计影响的研究。基于叠加导频的信道估计方法是利用统计平均对信道 进行估计的方法，其中大致包括时域和频域两种估计算法。该方法实现简单，但跟踪信 道方面性能较差。去除发送序列对信道估计的影响主要是在发送端叠加新的序列以达到 接收端信道估计时，无发送序列影响的目的 1 9 - 2 1 】。 第三类是基于传送信息符号的有限字符及其统计特性的盲信道估计方法。至今，已 有很多种适用于o f d m 系统的盲信道估计方法，比如( 1 ) 基于子空间分解的盲信道估 计算法【2 2 】、( 2 ) 基于自相关矩阵盲估计算法【2 3 】；( 3 ) 基于发送信息循环统计量的相关匹 配盲估计算法【2 4 】；( 4 ) 基于循环前缀的盲信道估计方法嘲等等。这种算法的优点是不需 要训练序列和导频做估计，频带利用率和频谱利用率得到了很大提高，缺点是计算复杂 度相对于导频辅助信道估计算法高很多，并且存在由于信号估计不确定所带来的估计精 度问题。 1 3 研究内容及结构安排 论文主要研究了基于叠加导频序列的o f d m 系统信道估计算法。主要内容及其章 节安排如下： 第一章主要介绍了无线通信技术与o f d m 技术的发展与现状，以此作为信道估计 的研究背景，并总结了o f d m 信道估计的研究现状。 第二章详细介绍了无线信道特性及o f d m 的基本原理，保护间隔和循环前缀以及 d f t 的实现。详细分析了基于导频辅助的信道估计算法，包括导频样式的选择，信道估 计准则以及内插方法。 第三章介绍了基于一阶统计量的叠加导频信道估计算法。对该算法的系统模型和原 理进行了公式推导，系统模型部分主要介绍了频域叠加导频频域估计的系统模型，同时 还介绍了几种典型的叠加导频序列形式及其信道估计性能分析，并通过系统仿真验证了 不同导频形式在信道估计算法中，各项参数对信道估计性能的影响，其中包括子载波个 数、发送信息序列功率与导频功率比值、非周期导频序列的幅值等。 第四章针对第三章单个符号统计平均不够准确的特点，提出了一种多符号联合估计 一。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；备i ；- 二i i i i i i i i i i i i ii 的信道估计算法。由于传统的叠加导频信道估计算法受到信息序列的严重影响，估计准 确度不高，基于此介绍了一种在发送端去除导频点位置序列的叠加导频信道估计算法， 并在原有算法的基础上提出了一种改进算法，提出在接收端对信息序列的统计平均进行 估计，通过系统仿真分析了改进算法的性能。 总结与展望部分对全文做了总结，并对下一阶段的研究方向做了展望。 第2 章无线信道特性及o f d m 基本原理 i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第2 章无线信道特性及o f d m 基本原理 2 1 无线信道特性 无线信道是指在无线连接时发送端与接收端之间的传输媒介，是通信系统的重要组 成部分。无线电信号无论是在前向或反向链接传输时，无一例外都要受到无线信道特性 的影响。对移动通信，信道中主要有以下三种基本的物理现象对信号的传播产生影响。 反射，是指电磁波在传播过程中，碰到尺寸远大于射频载波波长旯的光滑表面时出 现的物理现象。电磁波的反射现象在通信工程中经常用几何光学的反射理论来处理。 散射，是指当信号传输中碰到大面积且比较粗糙的表面，或者大小与五相近的表面 时，其能量会发生向所有方向散布的物理现象。电磁信号传播时使信号发生反射的物体， 一般都会同时产生信号的散射。 绕射，是指当收、发端之间的可视路径上存在密度较大的物体，其尺寸比五大许多， 则射频能量不能直接到达接收端，也不能穿透障碍物。虽然射频信号不能直接到达接收 端，但能在阻碍物的表面产生次级波，使射频能量能绕过障碍物到达接收端，这种物理 现象称为绕射。 移动无线信号在传输过程中会产生各种衰减，这些衰减最明显的特点是时变性和随 机性，为了区别一般的传输衰减，经常称之为衰落。引起信号衰减的原因，首先取决于 传输的距离，空间传输介质对电磁波的吸收，地表物的反射与散射等。因此当信号经过 无线信道传输到达接收端时，一般要比发射信号弱得多。 2 1 1 大尺度衰落和阴影衰落 对于移动通信，主要存在有两类衰落：大尺度衰落( 1 a r g e s c a l ef a d i n g ) 和小尺度 ( s m a l l s c a l ef a d i n g ) 衰落。：穴尺度衰落主要是指路径衰落。当发射机和接收机在大范 围内移动时，会由于路径损耗使得平均信号能量有所降低。路径损耗是由于发送端与接 收端之间的地形变化、植被情：况( 如森林、草原) 、地表曲率以及建筑群等大规模、大 尺度传输环境的影响。 无线电波在传输过程中遭受到不同的环境影响，如高大的建筑物以及各种自然地 貌、高大植物等，由于这些遮挡物的遮挡使得在遮挡物背面形成电磁波阴影区域，导致 信号强度发生变化。这种衰落属于中规模变化。它既不同于大尺度衰落，又不同于小尺 度衰落，一般将其单独归为阴影衰落。由于阴影衰落损耗会使路径损耗发生波动，但又 在几十个波长距离内基本保持不变，即在中范围内取平均后阴影衰落损耗为常数。理论 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。i i 葡i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i 击i i i i i i i i i 赢i i i 和研究实验表明，对于阴影衰落，平均接收功率服从对数正态分布。 m ，_ 去e 冲卜掣l ，删 。， 【 占 一， x o 其中x 为阴影区信号的平均包络电平。对阴影衰落，信号的平均功率也服从目同的 对数正态分布。 2 1 2 小尺度衰落 发送端与接收端之间位置的微小变化所引起的信号幅度、相位的急剧变化是小尺度 衰落的主要特征。发送端与接收端之间存在反射体，致使信号的传播路径与原路径不同， 从而引起信道特性的变化，这是造成小尺度衰落的主要原因。 若存在大量反射、散射路径，而不存在直射路径( l o s ) 信号分量，此接收信号统 计特性的包络符合瑞利概率分布，这种小尺度衰落称为瑞利衰落( r a y l e i g hf a d i n l ：) 。如 果在存在大量反射路径的同时，存在一条可视传输路径，即在接收信号中存在一个主要 的信号分量，此接收信号的统计特性包络服从莱斯( r i c e ) 概率分布，这种小尺度衰落 称为莱斯衰落。小尺度衰落的特性主要取决于两个因素，一是信号传输路径上的反射体 和散射体的分布情况，二是发送端和接收端之间的相对运动。其中由于第一种原因引起 的衰落称为多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) ，而由于第二种原因所芹生的衰落称为多普勒衰 落( d o p p l e rf a d i n g ) 。 图2 1 多径信道模型 第2 章无线信道特性及o f d m 基本原理 1 多径衰落 无线信道的主要特性就是多径传播，发送端信号经过直射、绕射、反射等多个路径 到达接收端，如图2 1 所示，则接收信号为各个路径信号叠加的和。由于各路信号的相 位，时间均不相同，信号幅值也随之变化，假如相同相位的信号加在一起，其幅值增大， 相反幅值减小，这种幅值的变化产生了衰落。 在无线信道中，接收信号往往是从不同路径到达接收端的信号的叠加。瑞利分布和 莱斯分布是两种比较典型的分布类型。瑞利分布中，每条路径信号到达接收端的相位和 幅值相互独立而且是随机的。莱斯分布中，发射端和接收端之间存在视距传播路径和主 要的静态分量。 莱斯衰落信道具有一条l o s 路径和多条较弱的散射路径，莱斯衰落信道的信号包 络的概率密度函数为： 删= 等蔓e 冲( _ 掣烨浮 ，协2 ， k ：三 ( 2 3 2 仃2 式中，o ( ) 是第一类零阶修正贝塞尔函数，o = e 口2 ， 口( 口) 的下标r a t 表示是 莱斯衰落信道对应的信号包络a ，k 是莱斯衰落参数，其变化范围为( o ，o 。) 。莱斯因子的 物理意义是信号的直达功率与散射功率之比。图2 2 为q = 2 时，不同k 值对应的莱斯分 布曲线。 图2 2q = 2 ，不同k 值对应的莱斯分布曲线 由图2 2 可清楚地看出，当k = 0 时，莱斯分布蜕化为瑞利分布。而k _ o o 时，莱 斯分布变为无衰落的点分布。令瞬时信噪比y = 口2 ( e 。n o ) ，则y 的分布为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i 缈半唧( _ 学烨乎卜。 7 y厂lv歹j 。 莱斯信道的瞬时信噪比y 的矩生成函数为 舭，= 煮岛唧( 蒜岛 当k = 0 时 ：2 4 ) 2 5 ) m ，( s ) = 亡 l s ， 即莱斯分布转化为瑞利分布。 2 多普勒衰落 假设发射机对多径无线信道环境发送一个冲激脉冲，在接收机处会收到一串反映信 号副本的脉冲，即信号发生了时延扩展。从接收到第一个信号的时间到接收到最后一个 信号的时间间隔定义为最大时延t m ( 即i ；m ) ，它表示各信号副本到达接收机的时间减去 第一个到达的信号所用时间的差。t m 反映了多径信道的时延扩展程度。实际上，t m 的 测量是基于某个时刻后到达的信号的功率都低于最强信号的某一门限值，如1 0 1 b 或 2 0 d b ，来得到最大时延的。显然t m 是一个有实际意义的，而且易于测量的物理量。接 收信号与其延时信号的互相关函数称为延时功率谱密度( d p s d ) ，或称为功率延i 呈剖面 曲线( 】) d p ) 。 从而平衰落要求各径相对延迟z 都很小这个条件，可以量化为最大时延t m t 。， 瓦为一个码元的持续时间。由于所有多径分量均在一个码元持续时间之内到达，所以多 径产生的时间扩展不会导致相邻接收码元的显著重叠，因此频率非选择性衰落信i ：皇基本 不会引起信道的符号间干扰( i s i ) 。此时的多径信号是不可分辨的，这是频率非选择性 衰落信道，或平坦衰落信道的基本特征。 一 定义相干带宽： “ 1 统0 h = ( 2 7 ) 埘 相二于带宽是反映信道随频率变化快慢的物理量。在相干带宽内，信道的频率选择性 衰落强弱程度随相干带宽与信号带宽的比值增大而减小，信道具有均匀的增益和线性相 位响应。反之，如相干带宽与信号带宽之比越小，信号带宽内信道具有非均匀的增益， 第2 章无线信道特性及o f d m 基本原理 宣i 眚i i i i i i 置宣宣i i 宣i i i i i 邕昔宣宣i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 信道的频率选择性越强。 1 ) 多普勒频移 通常情况下，发送端与接收端由于彼此之间的相对运动引起信道衰落，这种的物理 现象称为多普勒( d o p p l e r ) 效应。物理学的定律告诉我们，当发送端与接收端处于相对 运动的状态时，接收信号的频率会与原来不同，其变化程度由发端信号的频率与运动速 度决定，发送端与接收端之间相对运动的关系由图2 3 和图2 4 表示。 图2 3 信源与信宿无相对运动时信号传输图图2 4 信源与信宿有相对运动时信号传输图 图2 3 中a 与b o 分别表示接收机与发射机的位置，二者距离为s ，当a 、b o 之间 无相对运动时，其间波数n = s 2 ，波长a = c 仉，c 与 分别为光速与载波频率。 如果接收机静止，发射机以匀速v o 指向接收机运动，从b l 移动到b o 位置。则接收 机收到的信号频率为 由于 c ，有 2 南 五( + 詈) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 工( 斗 弦 如果发射机匀速背向接收机运动时，接收机收到的信号频率为 刀2 南卟詈) 工t 一六：一阜 l 令兀= i 工一z l 为多普勒频移，则无论发射机是匀速指向， 1 1 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 还是匀速背向接收机运 哈尔溟工程大学硕士学位论文 动，均有多普勒频移为 兀= f 正一z l = _ v 0 ( 2 1 3 ) 当发射机的运动指向与发射机与接收机连线夹角为口时，d o p p l e r 频移为f d ( o s o f ， 当发射机的运动指向与发射机与接收机连线夹角为口= 丌2 时，d o p p l e r 频移为0 。对发 射机静止、接收机指向发射机运动的情况，我们能够得到与上面相同的结论。厂d 又经常 称为最大d o p p l e r 频移，记为 m 。 2 ) 快衰落与慢衰落 当收发端：艺间存在运动时，不仅由于d o p p l e r 效应引起信号的载频偏移和频谱的扩 展，同时会引起相互间位置关系的变化，即存在多径效应，信道从时不变多径信道转变 为时变多径信道。这种信道性质的变化会造成在一个符号周期以内载频发生变化导致 信号在时间、频率两个方面的扩展，因此是一种复杂信道效应，可能会对信号传输造成 很大的影响。由于多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 与时间有关，相应的衰落过程称：勾时间 选择性衰落( t i m e - s e l e c t i v ef a d i n g ) 。根据衰落随时间变化的快慢，又分为快衰落和慢衰 落。如果在很短的时间内( 一个符号的持续时间) ，信号载频相位发生急剧变化| 内衰落 称为快衰落。：不是快衰落的衰落，称为慢衰落。 从另一个角度来定义快衰落和慢衰落，假如多普勒扩展比信号的带宽小得多那么 可以不考虑多普勒扩展产生的影响，无线信道特性则表现为慢衰落信道特性。若信号的 基带带宽小于多普勒扩展，则是快衰落信道的情况。由于多普勒扩展是一种时变物理效 应，快：衰落造成的信号畸变无法用一般的方法进行补偿，而且它对传输信号中的低频部 分会更容易造成损害，使得锁相环( p l l ) 性能下降，对同步定时，载波恢复产生较大 的影响。因此快衰落所造成的错误平台效应( 或地板效应) 是无法通过提高信噪比来减 小的。由于多普勒衰落会影响载波恢复，从而选用非相干解调，即不需要准确获：导载波 相位的差分调制方式，例如使用d p s k ，可以使系统的载波恢复性能具有更好的稳健性。 相干时间( c o h e r e n c et i m e ) 兀o h 是反映信道随时间变化快慢的一个物理量。当相干 时间越大时，由多普勒扩展造成的信道变化越慢；相反的情况下，信道则变化越，夹。时 间选择性衰落信道的相干时间疋。h 定义为 2 去 埘， 即时间选择性衰落信道的相干时间与最大多普勒频偏成反比，也即与移动速度成反 第2 章无线信道特性及o f d m 基本原理 比例关系。 2 2o f d m 系统基本原理 2 2 1 o f d m 基本原理 o f d m 技术的基本思想是把高速传输的串行数据比特流经过串并转换转变成多路 并行的低速比特流，再将其映射到不同频率相互正交的子载波上进行传输。结构如图2 5 所示。一个o f d m 符号内包括很多经过调制( q a m 或者p s k 等) 的子载波。下式中t 代表符号周期，代表子载波的数目，f c 为第1 个子载波的频率，巩为第k 个子载波上 信号的幅值，r e c t ( t ) 为矩形