（信号与信息处理专业论文）hsdpa链路中mimo信道估计算法性能研究与仿真.pdf

北京翮i 电大学颂上学位论文摘要 h s d p a 链路中m 0 信道估计算法性能研究与仿真 摘要 为了满足未来移动通信对系统大容量、高速率的需求，提高频潜利 用率，3 g p p 在h s d p a ( 高速下行包接入) 规范中，建议在下行信道 使用m i m o ( 多入多出) 技术。虽然理论研究表明，m i m o 技术可 以大幅度提升信道容量。但是要实现一个m i m o 系统，除了在接收 端需要低复杂度、高性能的检测算法外，还需要对m i m o 信道进行 精确的估计。由于m i m o 信道参量的个数多于传统的s i s o ( 单输入 单输出) 信道，而且还要考虑到移动终端天线间的相关性干扰，因此 信道估计的复杂度明显增加，这给接收机的实现带来了困难。 本文主要针对m i m o 系统的信道估计算法进行研究和仿真。全文 内容安排如下：第一章主要叙述与本文相关的课题背景，简要介绍 h s d p a 规范，并概括本文的工作；第二章在分析了无线信道特点的 基础上，阐述了m i m o 信道的特征，并建立了数学模型；第三章简 要介绍了信道估计原理的基础，分析了常用的m i m o 信道估计算法； 第四章首先介绍依据h s d p a 规范建立的仿真系统，然后在给出仿真 结果的同时，分析了仿真系统性能，对比了各种m i m o 信道估计算 法的性能。 关键词多入多出，信道估计，最小均方，最小二乘 a b s t r a c t p e r f o r m a n c eo fm i m 0c h a n n e le s t i m a t e i nh s d p al i n k a b s t r a c t t h ee m e r g e n c eo fm u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m m o ) m e e t s t h ed e m a n do fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa n dh i g hs p e e dw i r e l e s sa c c e s s 3 g p ph a sr e c o m m e n dm i m ou s i n gi nh i g hs p e e dd o w n l i n k p a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) r e s e a r c hi n d i c a t et h a tt h em i m oc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s ss y s t e mp r o m i n e n t l y b u tt od e v e l o p am i m os y s t e m ，e x a c tc h a n n e le s t i m a t i o ni sn e c e s s a r y m i m oc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gi nh s d p al i n ka r e i n v e s t i g a t e di nt h i sw o r k c h a p t e r1o v e r v i e w st h ep r o j e c tb a c k g r o u n d c h a p t e r2a n a l y s e st h ew i r e l e s sc h a n n e l ，e x p o u n d st h em i m oc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c c h a p t e r3i n t r o d u c e st w or e g u l a rp r i n c i p l eo fc h a n n e l e s t i m a t i o n c h a p t e r4s i m u l a t e sa n dc o m p a r e st h e i rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s m i m o ，c h a n n e le s t i m a t e ，m m s e ，i s l l 独创性声明 小人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进彳的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特刖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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作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仟。 本人签名：盔塑 只期：塑芏：2 1 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向田家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位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、汇编学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签 导师签 托京邮l 乜人学坝l 学位论文第一章h s d p a 规范摘介 第一章h s d p a 规范简介 1 1 第三代移动通信技术的发展 随着礼会信息化的高速发展，第二代移动通信系统己不能满足高速率数据业 务以及大用户容量的要求。于是，能够提供全球漫游，支持多媒体业务且有足够 容量的第三代移动通信系统就应运而生了。 事实卜，国际电联( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念， 当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，考虑到该系统预计在2 0 0 0 年 龙右投入商用，且主要工作于2 0 0 0 m h z 频段，后更名为国际移动通信系统 ( i m t 一2 0 0 0 ) 。1 9 9 2 年世界无线电大会也为i m t - 2 0 0 0 分配了2 3 0 m h z 的频段。从 1 9 9 6 年开始第三代移动通信的研究逐渐成为移动通信领域的研究热点，各国对 第三代移动通信的研究都进入了实质性的阶段，特别是i t u 在1 9 9 7 年4 月向全 世界发出了征集i m t 一2 0 0 0 无线传输技术规范的通函，并制定了详细的i m t - 2 0 0 0 r t t 步骤和时间表。按照i t u 时问表，1 9 9 9 年3 月完成第三代移动通信标准 i m t 一2 0 0 0 的选定，1 9 9 9 年底完成 m t 一2 0 0 0 的无线技术规范，2 0 0 0 年完成包括 上层协议在内的完整标准的制订工作。1 9 9 9 年1 1 月初，在芬兰赫尔辛基i t u 会 议上通过了i m t 一2 0 0 0 无线接口技术规划建议，将无线接口标准明确为以下五个 标准： ( 1 ) i m t 2 0 0 0c d m ad s ( 欧洲和日本的w c d m a ) ： ( 2 ) 1 m t 一2 0 0 0c d m am c ( 美国的c d m a 2 0 0 0m c ) ； ( 3 ) i m t 一2 0 0 0c d m at d d ( 中国的t d s c d m a 和欧洲的u t r a t d d ) ： ( 4 ) i m t 一2 0 0 0t d m as c ( 美国的u w c 一1 3 6 ) ： ( 5 ) i m r 一2 0 0 0t d m am c ( 欧洲的d e c t ) 。 以上五种标准中，前三种属于c d m a 体制，是第三代移动通信的主流方案； 北京期；咂大学坝i 学位沦丈 第一章h s d p a 城范简介 后两种属于t d m a 体制。从双工方式来看大体上f d d ( 频分双工) 与t d d ( 时 分舣丁) 两种方案将会并存，从接入主流技术来看，主要是宽带c d m a 技术。川 1 2 第三代移动通信系统简介 1 2 1 主要无线传输方案 f i 酊，国际卜最只竞争力的i m t 一2 0 0 0 无线传输技术主要有两种”：即日本 和欧洲一些厂家提出的w c d m a 技术和北美提出的基于l s - 9 5c d m a 系统的 c d m a 2 0 0 0 技术。另外，基于我国提出了的t d s c d m a 技术的系统也非常有望 投入运营。 1 ) w c d m a 在欧洲，爱立信公司在c o d i t 计划中作为主要厂家最先对w c d m a 技术进 行研究，日本则将n t t d o c o m o 公司的w c d m a 综合f d d t d d 方式与爱立信 公司的方案进行融合，形成了现在的w c d m a 技术。它的主要关键技术是建立 在窄带c d m a 的基础上的，其技术特点有： 可适应多种速率的传输，灵活的提供多种业务： b t s 之间无需同步； 优化的分组数据传输方式； 支持不同载频之间的切换： 上、下行快速功率控制： 反向采用导频辅助的相干检测； 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 2 ) c d m a 2 0 0 0 它是北美l u c e n t ， m o t o r o l a 。n o r t e l ，q u a l c o m m 公司以及韩国s a m s u n g 2 北京l | 1 】：+ u 人学顺i 。学位论文第一章h s d p a 规范简介 等公司联合提出束的基于i s 一9 5 的系统。它充分考虑了对i s 9 5c d m a 系统的后 向兼容，沿用了i s 一9 5 的主要技术和基本技术思路，如帧长为2 0 m s ，采用i s 一9 5 的软切换和功率控制技术，需要g p s 同步等。但也作了一些实质性的改进，主 要技术特点有： 反向信道采用连续导频方式； 反向信道相干接收； 前向发送分集： 全部速率采用c r c 方式； 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 3 ) t d s c d m a w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是属于f d d 方式，而t d s c d m a 则属于t d d 方式。f d d 技术的无线基站用来完成全球无线覆盖，t d d 技术的基站用于在城 市人口集中地区，实现大容量的话音、数据及多媒体业务。 t d s c d m a 中使用了直接序列扩频的码分多址技术( d s c d m a ) ，它的传输 带宽为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s 。t d s c d m a 采用了时分双工( t d d ) 的方式，因而前向和反向链路可以使用相同的无线频率，前向和反向链路的信息 在物理信道的不同时隙相互发送。t d d 系统在满足i m t 一2 0 0 0 要求的前提下，同 时具有如下特点： t d d 能使用各种频率资源，不需要成对的频率； t d d 适用于不对称的上下行数据产生速率，特别适用于i p 型的数据业务： t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸如智能天 线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的； t d d 系统设备成本较低，将可能比f d d 系统低2 0 一5 0 。 t d d 系统的主要缺鹅在于终端的移动速度和覆盖距离： 采用多时隙彳i 连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传输的f d d 方式差： t d d 系统平均功率与峰值功率之比随时隙数的增加而增加，考虑到耗电和成 本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离( 小区半径) 较小，一 北京【| l j ；f u 人学坝l 学位论义 第一章h s d p a 规范简介 般小超过1 0 k m ，而f d d 系统的小区半径可达到数1 0 k m 。 12 2 第三代移动通信系统的关键技术 与传统的移动通信系统相比，基于c d m a 技术的第三代移动通信系统具有 频谱效率高、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点。但是在复杂的 移动通信环境和有限的频率资源下，要达到高容量、高质量、高速率的通信， c d m a 技术需要克服三个冈素的影响i z l ： 1 多址干扰：在c d m a 系统中，由于同一小区内多个用户占用相同的时隙和频 段，用户地址码之问不能保证正交性，从而引起多址干扰。多址干扰包括小 区内干扰和邻区干扰两种。 2 信道衰落：移动信道传输距离的增加和多个路径叠加引起信号的衰落。一般 来说，衰落包括大尺度衰落和小尺度衰落。 3 远近效应：由于各用户的发射功率不等和信道衰落，使得各用户在接收端的 信号功率4 i 等，从而产生远近效应。远近效应会极大地影响弱信号用户的接 收性能。 为了抑制多址干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业务质量，c d m a 系统采 用的关键技术有选择扩频码、智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接收、 分集、功率控制技术。 由于在c d m a 系统中存在多址干扰和多径干扰，因此选码的任务是寻找互 相关和自相关特性优良的、数量大的码字，但是理论上业已证明任何已有码字都 满足w e l c h 不等式川，即表明码字的自相关和互相关系数是对立的两个参数， 不存在互相关和自相关都为零的码字。因此选择扩频码不可能完全消除多址干扰 和多径干扰。 分集技术包括空域分集、时域分集、频域分集、宏分集等，其中r a k e 接收 属于时域分集技术。r a k e 接收机的基本思想是利用扩频信号带宽远大于信息比 特带宽的性质，分离多径信号后进行解扩、合并，因此能够有效地克服多径衰落。 4 北京邮l u 大学坝i 学位论文 第一章h s d p a 规范简介 1 3h s d p a 标准 1 3 1h s d p a 标准简介 h s d p a ( 高速下行包接入) 标准的基础就是w c d m a 标准( r e l e a s e9 9 ) 。 而h s d p a 系列分为f d d ( 频分双工) 和t d d ( 时分双工) 两个部分，本文只 讨论f d d 部分，没有涉及到t d d 部分。h s d p a 标准有过三个渐进的版本，分 别是r e l e a s e4 f 4 i 、r e l e a s e5 1 5 1 和r e l e a s e6 1 6 i 。3 g p p 组织制定r e l e a s e 4 规划的目 的是对h s d p a 的功能( 包括链路层和网络层) 进行广泛的可行性研究，比较各 种方法得到的增益和实现的代价。其中，物理层技术占了很大的比重。通过不到 两年的研究，3 g p p 组织终于在r e l e a s e5 规范中确定地引入了h s d p a 标准，并 且在随后的r e l e a s e6 规范中对增强型的h s d p a 规范做出了展望。 在h s d p a 技术方案中，涉及到的关键技术有四个：多入多出天线处理 ( m i m o ) 、白适应编码调制( a m c ) 、混合判决反馈重传( h a r q ) 和快速蜂窝 选择( f c s ) 。由于在链路仿真中，只用考虑a m c 、h a r q 和m 1 m o 的性能，所 以下面只简要地介绍这三种技术。 a m c 自适应调制与编码( a m c ) 属于链路自适应的范畴。a m c 的基本原理就是改 变调制和编码的格式，并使它在系统限制范围内和信道条件相适应，而信道条件 则可以通过发送反馈来估计。在a m c 系统中，一般用户在理想信道条件下用较 高阶的调制方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则用较低阶的调 制编码方式。 采用a m c 的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率， 由此蜂窝平均吞吐量得到提高：在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而 不是调整发射功率的方法可以降低干扰水平。 目前实现a m c 面临几项挑战。首先，a m c 对测量误差和延迟比较敏感， 为了选择适合的调制方式，必须首先知道信道的质量，对信道估测的错误可能会 使系统选择错误的数据传输数据率，使传输功率过高，浪费系统容量或者因功率 北京邮乜大学顺士学位论文第一章h s d p a 规范简介 太低而 * 现误码率升高；其次，由于移动信道的时变特性，信道测量报告的延迟 降低了信道质量估计的可靠性：另外，干扰的变化也增加测量的误差，此时可以 寻求与其它技术的结合，比如利用混合判决反馈重传技术( h a r q ) 可以降低对 测量误差和流量波动的敏感性。 h a r q h a r q 也是种链路自适应的技术。在a m c 中，采用显式的c i ( 载干比) 测量来设定调制编码的格式，而在h a r q 中，链路层的信息用于进行重传判决。 有很多方法町以实现h a r q ：c h a s e 合并、兼容速率凿孔t u r b oc o d e s 和增 量冗余。c h a s e 合并的策略是发送有相同编码的数据组，然后在接收端可以将这 些多个重发信息进行s n r ( 信噪比) 加权合并来获得分集接收，再进行译码。增量 兀余或i i - a r q t i 是实现h a r q 的另一种方式。这种策略是在第一次译码失败 时，另外再传送附加冗余信息，而不是再将整个数据码组重发一次。 h a r q t y p e i l l 也是增量冗余方案中的一种，然而在h - a r q - t y p e i i i 中，每次的 重传是可以自解码的，这一点与h a r q i i 不同。在多冗余的h a r q t y p e - 1 1 1 中， 每次重发冗余信息时要对巧i 同的比特进行打孔。 a m c 可以根据u e ( u s e re q u i m e n t ) 的测定或者网络提供的信息条件来灵活地 选择适当的m c s ( 调制编码方案) ，但需要u e 进行准确信道测量并且受到相应延 迟的影响。h a r q 能够自动地适应信道条件的变化，并且对测量误差和时延不 敏感。a m c 和h a r q ：二者结合起来可以得到最好的效果：a m c 提供粗略的数 据速率选择，而h a r q 可以根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。 m i m o 技术 多入多出( m i m o ) 系统是在发送端和接收端同时使用多天线的系统，这样相 对于只在发送端使用多个天线有更多好处。在m l m o 系统中，通过码复用技术 可以使峰值吞吐量得到提高。 研究1 7 1 已经表明同传统的s i s o ( 单输入单输出) 系统相比，m i m o 技术可 以有效的增加系统容量( 用b i t s s h z 来衡量) 。进而采用m i m o 技术的h s d p a 系统可以提供给用户更高的通信速率。但是由于设备的复杂度和敏感度的问题， 3 g p p 在r e l e a s e6 中提出在未来的规范中还要进一步的加以研究。 3 g p p 在r e l e a s e4 中提出了两种适用于h s d p a 的m i m o 技术： 6 北京邮屯大学顺士学位论文第一章h s d p a 规范简介 基于多码复用( c o d e r e u s e ) 的m i m o 技术； 基于空时发送分集( s p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 的m i m o 技术。 本文采用基于多码复用( c o d e r e u s e ) 的m i m o 技术。采用多码复用技术时， 为h s d s c h ( 高速下行链路共享信道) 分配的每个信道化码、扰码埘用来调制 m 个独立的数据流( m 为发送端天线个数) 。复用了相同信道化码、扰码的数据 必须用空间参数加以区分，这要求在发送端使用至少m 个天线。在理论上，使 用码复用的峰值传输速率是单天线传送的m 倍。通过码复用可以结合码复用技 术和一个较低阶的星座调制，如1 6 q a m ，来达到一个适中的数据传输速率：而 若不采用码复用技术，达到相同的数据速率可能需要采用6 4 q a m 调制。相对于 使用单天线传送加上较高阶的星座调制达到的相同速率，码复用技术可以降低对 e b n 0 的要求，从而提高整个系统的性能。 在关注h s d p a 中使用的m i m o 技术时，重点集中在具有代表性的开环方式 m 1 m o 上。在常规单天线发送的h s d p a 中，一组下行信道在多个用户| 日j 共享。 使用m 个发送天信的开环m 1 m o ，也使用同样数量的下行信道码，但是每个码 字被复用了m 次，并且每个码字用来调制不同的数据子串。特别的数据以更高 的编码速率进行编码、速率匹配和交织。 对于u e ( 用户终端) 的联合检测，在每个收发天线对之间都要进行复信道 估计。在平坦衰落信道条件下，信道的特性可以由m p ( m 个发送天线，p 个接 收天线) 个复信道因子来确定。在频率选择性衰落信道下，信道特性可以由l p m ( l 条可分离多径) 个复信道因子刻画，相应的r a k e 接收机的f i n g e r ( 指峰) 数也要有l 个。信道估计可以通过接收信号和m 个正交导频序列相关运算获得。 对比常规的单天线接收机，信道估计复杂度提高了m p 倍。对数据检测，每个天 线后面都要接针对全部n 个扩频码的匹配滤波器。一般来说，每个接受天线需 要l n 个解扩器。对于m n 个数据子流的每个子流，对应l p 个解扩器输出，每 个输出用对应信道估计的复共轭进行加权，然后加在一起构成充分统计量。这个 过程称为空时r a k e 接收1 7 1 ，是单天线r a k e 接收在多天线处理情况下的扩展。 共享同一个码字的m 个数据子串的充分统计量( 向量) 中的每个量( 标量) 包 含了空间多址干扰，然而在平坦衰落信道下，因为在信道传送过程中码字的正交 性得到了保持，作为一组( g r o u p ) 的这些子串并不受到其它码字所产生予串的干 北京| | i | i l 乜人学坝i j 学位论史笫一章i i s d p a 规范简介 扰。对m 个编码子半中的每一组，采用多用户检测来消除m a i ( 多接入干扰) 的影 j 虮可采用的多用户检测方法包括最大似然检测和v - b l a s t 检测1 7 , 9 1 。最 大似然榆测方法- 、j 以通过充分统计向量的噪声方差直接推导出来，但是最大似然 检测的复杂度是随m 呈指数增长的，因此，次最优但复杂度较低的v - b l a s t 是 较可行的方法。v - b l a s t 检测器包括两部分：一个线性变换和一个串行干扰抵 消器。线性变换通过迫零算法或最小均方误差准则消除m a i ，经过线性变换后， 子流中具有最高信噪比的编码符号被检测出来，并抽取出充分统计量中的对应信 号。使用修f 过的充分统计量，线性变换和干扰抵消重复进行，直到所有的子串 都被检测出来。经过m i m o 检测器后，m n 个子串恢复成高速数据流，解映射 到比特然后解交织、译码。 可以看出，在h s d p a 的关键技术中，不论是a m c 还是h a r q ，抑或是 m i m o ，对于信道估计的依赖性都很强。信道估计实现的程度，直接影响到 h s d p a 系统的性能和效率。 1 4 小结 随着社会信息化和经济全球化的发展，世界范围内第三代移动通信系统研制 和运营热潮方兴未艾。目前世界上已经发出了近t 5 0 张的3 g 牌照，日本等许多 国家己经相继开始汇式运营。我国近年来移动通信业务迅猛发展，移动用户数己 经超过固定电话用户数，并且数量位居世界第一。现在，中国第三代移动通信的 发展己经提上了议事同程，信息产业部对3 g 系统的测试也接近尾声，3 g 在中 国的运营指同可待。 另一方面，e 3 g 和b 3 g 的研究工作也陆续地被提入日程。同已往的移动技 术相比较，在这些研究里更多地考虑了对多媒体互动业务的支持，从而在物理层 提出和发展了许多新的关键技术。 3 g p pr e l e a s e5 规范引入了h s d p a 的概念，使用a m c ，h - a r q 和m i m o 等技术米提高下行链路的数据速率，最高可达1 0 m b i t s 。在课题开题的时候，3 g p p 正在研究m i m o ，高阶调制等技术在h s d p a 环境下的使用方法，以进一步提高 北京邮i 巨大学硕十学位论文 第一章h s d p a 规范简介 数据速率。在r e l e a s e5 巾，对h s d p a 只定义了q p s k 和1 6 q a m 这两种调制方 案，科前3 g p p 哇l 正就是否用6 4 q a m 的调制方式进行研究。 本课题在m i m o 环境的下行h s d p a 链路上，采用了一种导频辅助信道估计 的信号模型，对两种常见的信道估计方法进行了研究和仿真。 本文的安排如下：首先介绍了课题背景和h s d p a 规范；第二：章介绍移动通 信信道( 包括单天线和多天线) 的特性：第三章讨论了常见的m i m o 信道估计 算法；最后介绍了仿真系统框架和结果，并对结果进行了分析。 9 ! ! 蔓堕! ! 叁兰! 丛! ：! ：竺笙苎 兰二主坚! 旦坠塑蔓堕坌 参考文献 张3 h 王卫东，崔春风等第三代蜂窝移动通信系统一w c d m a 北京邮电 人学出版社2 0 0 0 f 2 】吴伟陵移动通信中的关键技术北京邮电大学出版社2 0 0 0 【3 】d s a r w a t em e e t i n gt h ew e l c hb o u n dw i t he q u a l i 移i ns e q u e n c e sa n dt h e i r a p p l i c a t i o n s ( s i n g a p o r e ，1 9 9 8 ) p p 7 9 1 0 2l o n d o n ：s p r i n g e r 1 9 9 9 【4 13 g p pt r2 5 8 4 8 4 0 0 p h y s i c a ll a y e ra s p e c t so fu t r ah i 曲s p e e dd o w n l i n k p a c k e ta c c e s s ( r e l e a s e4 ) 【5 j3 g p pt s2 5 3 0 8 o v e r a l ld e s c r i p t i o ns t a g e2 ( r e l e a s e5 1 【6 】3 g p pt s2 5 3 0 8 o v e r a l ld e s c r i p t i o ns t a g e2 ( r e l e a s e6 ) 【7 bhk h a l a j ，ap a t d r a j ，tk a i l a t h2 dr a k er e c e i v e r sf o rc d m ac e l l u l a r s y s t e m s a ) i e e eg o l b e c o mc o n t i c d e c 1 9 9 4 p p 4 0 0 4 0 4 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 第= 章m i m o 信道研究 第二章m i m o 信道研究 2 1 无线电波传输特点概述 无线移动信道是一种复杂的时交信道，人们通过理论分析和长期的实际观 测，建立了无线移动信道的统计模型【1 j ，可用数学表达式表示为： j d ( d ) = l a l ”s ( d ) 尺( d ) ( 2 1 ) 上式中p ( d ) 表示无线信道对信号的衰落影响，d 表示收发距离。该模型说明 无线电波损耗主要分为三部分： 1 同一一路径损耗； 2 s ( d ) 一一慢衰落； 3 r ( d ) 一一快衰落。 这三部分分别描述了三种不同区间范围内信道对信号的影响。路径损耗川1 是由电波传播的弥散特性造成的，与距离有关，描述的是数百米或数千米内接收 信号强度随距离而变化的特性。短时间内信号酌变化主要表现为衰落；分为慢衰 落s ( d ) 和快衰落g ( d ) 。慢衰落是由电波传播路径上的障碍物阻挡，或大气参数 的变化引起折射率的缓慢变化而产生的损耗。描述的是数百波长范围内，信号电 平中值的变化特性。快衰落是由于多径散射引起的，描述的是数个或数十个波长 范围内信号强度的变化特性1 1 2 f 。从衰落产生的物理机理上看，慢衰落和快衰落 的形成离不开电波的三种基本传输方式：反射、绕射和散射。 北糸邮i u 人学烦：l 学位论艾第= 章m i m o 信道研究 2 2 反射、绕射、散射 信号在无线移动信道l 1 的传播形式虽然很复杂，但基本可归结为反射、绕射 和敞刺三种基小方式。它们的共同作用决定着接收信号的包络特性和相位特性 、“。 2 ，2 1 反射 当传播的电磁波入射到一个尺寸比波长大许多的物体时，电磁波会发生反 射。无线电波从一种媒质入射到另一种媒质表面时，无线电波的部分能量会被反 射到第一种媒质。而另一部分能量则被折射到第二种媒质。定义反射波场强与入 射波场强的比值： r = 已。9 ( 2 2 ) i r l 为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比；为反射波相对于入射波 的相移。 我们以条童射龉径和一条反射路径的情况为例，如胬2 1 所示： 卜一1 r 叫 图2 - i 反射过程模型 由发射点丁发射的电波分别经过直射线( 豫) 和反射路径( t o r ) 到达接收点 r 。接收点总的电场强度e 。等于直射分量e 蠢和反射分量e r o r 之和。反射波与直 射波存在着路程差矗= 吐+ 以一d 1 ，从而引起附加的相移= 等de 反射路 北京邮f 乜大学硕j 学位论文第一二章m i m o 信道研究 径相位为庐+ 妒。所以，毛w 与岛m 之删近似满足： e 脚= e r ri r l e 叫邮9 ( 2 _ 3 ) 总的接收场强巨。u ，表示为： 巨洲= e r r ( i + r l e 一7 9 + 9 ) ( 2 4 ) 可以看出：当妒和同相时，信号得到加强；当两者反向时，信号被削弱或 抵消。 222 绕射 当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。由阻挡 表面产生的二次波散射到其它空间，甚至于阻挡体的背面。绕射现象可以用 h u y g e n 原理川解释：波前的所有点都可以看作是产生二次波的点源，并且这些 子波组合在一起，在传播方向上产生一个新的波前。 h u n g e n s 图2 - 2 绕射过程模型 图2 2 示出了楔形障碍物阻塞电波的直射路径，而引起的绕射情况。7 1 为信 北京邮电人学硕j ：学位论史 第= 章m i m o 信道研究 亏友射点，月为信号援收点，化于撵婷物的阴影逸内。直射路径与绕剁路径之差 可近似表示为： 垒塑型 2雹畋(2-5) 则直射路径与绕射路径的相位差为： z 一2 n - a l r h 2 ( 雹+ 吐) 炉了2 群a , d ( 2 - 6 ) 以 。d ， 、一 点r 的场强易是楔形上平面内所有二次h u y g e n 源产生电场的向量和，可由 下式给出： 鲁川咖半舻斫 ， 渤脬 ( 28 ) 岛是不存在地面反射和刃形绕射时的自由空间场强，f ( v ) 是复f r e s n e l 积分。 2 2 3 散射 当波穿行的介质中存在尺寸小于波长的物体，并且单位体积内阻挡体的个数 非常巨大时，波就会发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物 体。散射对接收信号的相位特性有着非常大的影响。 1 移动台本地散射 这种散射是由移动台附近几十米范围内的建筑物或其它散射体引起的。当移 动台在信号传播径向发生相对运动时，基站接收的信号将会产生多谱勒扩展，引 起时间选择性衰落。但由于散射半径很小，产生的时延扩展和角度扩展均不明显。 2 远程散射 北京邮i 乜人学硕i 学位论j ! =第= 章m i m o 信道研究 电波在本地散射后，再遇上远程散射体( 如山岭、 发生散射。它将引起明显的时延扩展和角度扩展。 3 基站本地散射 多个到达墓站的电波会被基站附近的本地结构进 严重的角度扩展，同样会引起空间选择性衰落。 2 3s i s o ( 单入单出) 移动信道 高层建筑群等) 时会再次 步散射。这种散射会引起 发送的信号在无线移动信道中经过反射、绕射和散射，由多条不同路径，以 不同的时间到达接收天线，这些到达波我们称为多径波。由于它们的强度、传播 时问以及发射信号带宽的不同，使得合成后的接收信号幅度和相位，以至波形都 有可能产生很大变化。我们将通过建立s i s o 信道的模型来分别分析信道对信号 幅度、相位的影响。 2 3 1 s i s o 多径衰落信道冲击响应模型 无线移动信道通常是一个时变的多径衰落信道。随着移动台位置的改变，存 在于信道中的具体反射物体和散射物体以及相对位置都在不断变化，使得信道的 幅、频特性也随之而变化。各条路径的幅度衰减因子、附加相移、多普勒频移以 及时间延迟将会发生弥散。我们可以假设发送信号为： x ( t ) = s ( t ) e j 2 吼 ( 2 9 ) 其中j ( ，) 为带宽为b 的复基带信号，五是发送载频频率，它将经过多条衰落 路径到达接收端。如果第i 条路径的衰落因子为q ( f ) ，路径时延为( r ) ，多普勒 频移为厶c o s q ，, ( t ) ，附加相移为层( f ) ，则在接收端接收第i 条路径的信号为： 掰i ( f ) = q ( ) z p t ) 8 2 ”乃c 0 8 许) f + 层川( 2 - 1 0 ) 忽略噪声的影响，总的接收信号应该是所有多径信号的矢量和： 1 5 北京邮电大学硕1 ：学位论文 第一章m i m o 倍道研究 上 r ( f ) = “如) ( 21 1 ) 工为多径信道的径数。则接收信号的等效低通形式就可以写成： ，( f ) = a 心) 耶一z i ( t ) e j 2 确“州n “肌卜2 毗u ”( 2 - 1 2 ) i = 1 所以信道的等效低通响应为： h ( t ，f ) = q ( f ) p 肛”厶“们”聃m 毗”即一0 ( f ) 】( 2 - 1 3 ) i = l 对于无线移动通信系统，在较小的时间间隔和距离间隔内，信道应满足广义 平稳的特性，町以认为信道响应足时不变的： 向( f ) = a i e j 2 啊“ 肿吡1 研f t 】( 2 - 1 4 )、7_一 。 f = i 同样接收信号可以表示为： r ( f ) = a i s t - r ie 儿2 确“甜嵋2 毗1( 2 _ 1 5 ) i = 1 2 3 2s i s o 多径信道包络特性 在建立了信道模型的基础上接着讨论接收信号包络变化特性。设多径时延扩 展r = m a x ( r , ) 一m i n ( r , ) b ，即x ( o 是窄带信号，满足： s ( t t ) s ( t r o ) ( 21 6 ) 其中t o r a i n ( r , ) ，m a x ( r , ) l 。因此，( 2 1 5 ) 式可以写成 上 ，( f ) = s ( 卜) q 8 删( 2 川) f = 1 式中谚( ，) = 2 万厶c o s r p t + 屈一2 x f 。r , 。对2 7 r 取模后，破( f ) 可以认为是独立同 分布随机变量，在【0 ，2 f 】上服从均匀分布1 6 i 。 6 北京邮l 乜人学坝 学位论义 第一章m i m o 信道研究 定义复增益因子 l f l ( t ) = a , e 崩“= a ( t ) e 一“ 则窄带信号的等效低通冲击响应为 ( 2 一1 8 ) 向0 ，f ) = a ( t ) e 埘7 万( f t o ) ( 2 1 9 ) 其中a ( ，) 的变化反映着信道对接收信号包络的影响，主要表现为慢衰落和快 衰落。1 一 1 慢衰落 在发送信号恒定的情况下，接收信号电平中值会随时间、地点以及移动台速 度的变化而变化，它反映着a ( o 的中等尺度范围内变化特性，即慢衰落。大量的 实测和统计表明，信号局部中值的变化比较缓慢，其衰落周期以秒计，这就是慢 衰落的涵义。慢衰落近似服从对数正态分布，用概率密度函数描述为： 呻，= 击唧| 掣i z 。， 2 快衰落 在移动传播环境中信号经多径传输到达接收天线附近，由于障碍物而再次发 生散射，天线接收到的散射波形成千涉场，而引起接收信号在空间的迅速扰动， 即为快衰落。我们可以通过对口( f ) 的分析来研究快衰落。 将( 2 1 8 ) 式用欧拉公式展开可得卢( f ) 的实部和虚部分别为： 甜( f ) = r o ) 】= lqc 。s 旃( f ) ；“f ) = i m 【声( f ) 】= 壹q s i n 谚( f ) ( 2 - 2 1 ) 它们均为大量随机变量之和，依据中心极限定理知，v ( f ) 和“( f ) 分别服从高 斯分布。所以二者的联合分布为： 础，v ) = 嘉e x p 【一等 ( 2 - 2 2 ) 同时因为( r ) = 扩( f ) + v 2 ( m ( f ) = 口”培等，所以有： 北京邮i u 大学颂l 学位论文第二章m i m o 信道研究 p ( a ，妒) 去唧 丢 z 寸， 进而推出d ( f ) 与庐( r ) 分别服从瑞利分布和均匀分布，概率密度函数为 、j 与已一，d o p ( a ) = 7 。，旺u 【0 ，口 0 ( 2 2 4 ) p ( 矽) = 瓦1 ，痧【o ，2 刀】 但是在存在直射路径的情况下，直射路径的信号强度往往比其它路径大的 多，此时d ( ，) 服从r i c i a n 分布7 、“。 以上讨论都是假设x ( t ) 为窄带信号的。若x ( t ) 的带宽增加，使得多径时延扩 展f = m a x ( r ，) 一r a i n ( r , ) ；b ，则近似条件s ( t - r , ) “s o f 0 ) 不再成立。对于宽度 信号，i t r ，l b 。的不同径在接收机中是不可分离的，它们构成单一径。接收 信号r ( ，) 是多条可分离径的矢量和，而且各条可分离路径的衰落特性也与窄带信 号完全相同。 23 3s l s o 多径信道相位特性 s 1 s o 信道的相位变化特性由衰落过程的频域特性，时域特性刻画。这些特 性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展有关。多普勒扩展和时延扩展都是 移动信道的参数，根据信号参数和信道参数之间的关系，不同的发射信号会发生 不同类型的衰落，这些衰落分别具有时间选择性、频率选择性。 1 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，每个多径波都会有一个明显的频率运动。 由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移，它与移动用户的运动速度成 正比。 1 8 北京邮电大学倾士学位论文 第一章m i m o 信道研究 卜矿叫j ， 与 图2 - 3 多普勒频移模型 如图23 所示，假定一个移动台在接收远程信源s 发出的信号时，正在以恒 速v 沿长度为d 的路段x y 运动。来自源s 的电波到达位于点j 和l ，的移动用户 所经由的路径长发之差为出d c o s 8 = 1 ) 位c o s 臼，其中f 是移动用户从点x 移 动到点，所花费的时间。假定信源s 离得很远，点x 和j ，处的到达角口相同，则 由路径长度差引起的信号相位变化为： 庐：掣：_ - 2 7 2 - v ncos目(2-25) l以 式中z 为波长。因此，频率的势在变化即多酱勤频移五可用下式来表示： 厶= 笪= 三c o s 口( 2 - 2 6 ) 2 z a t d 一 一五。u u 上式说明，多普勒频移的大小和正负由移动台的运动速度v 以及移动台运动 方向与电波到达方向之间的空问角度口所决定，另外还和载频频率有关。 多普勒频移现象引起衰落过程的频率扩散即为多普勒扩展。我们可以用一个 频率为正的单频f 弦信号为例，说明多普勒扩展的物理含义。该正弦波信号的谱 特性为频率f 处的一条谱线，当这个信号被发射之后，由于多普勒频移的作用， 接收信号的功率谱会从频率为丘的单谱线谱扩展为从工一厶到五十兀的有限带 宽谱，从而表现为频谱扩展。若将多普勒功率谱取作信道冲击响应的时间自相关 1 9 北京问 i 也人学颂j ：学位论文 第章m i m o 信道研究 的傅立u f 变换形式，则多普勒扩展毋定义为多普勒功率谱的支撑区，它与信道 棚j 一时间y ：。的关系为： 下 1 乙2 万 协2 7 ) 山上式，我们可见相 二时问与多普勒扩展成反比，它是信道随时间变化快慢 的一个测度。相干时间越大信道变化越慢：反之，相干时间越小信道变化越快。 由于多普勒扩展与相干时| 日j 有关，所以从衰落的角度来看，多普勒扩展引起的衰 落与时间有关，故称之为时间选择性衰落。 2 时延扩展( 频率选择性衰落) 由于信号的多径传播，接收端的信号在时域会产生波形的展宽。为了说明这 明这一现象，我们假设移动用户发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号s h ( t ) 。 经过多径信道后，由于各信道时延的不同，基站接收到的信号为一串脉冲，即接 收信号的波形被展宽了。如图2 4 所示“1 。由于信号波形的展宽是由信道的时延 引起，我们称之为时延扩展。从频域来看，时延扩展可以导致频率选择性衰落。 t = t o t l + t tt l - i - t 1 2 尉2 - 4 时延