（通信与信息系统专业论文）专用宽带蜂窝移动接入网中传输及蜂窝构造问题研究.pdf

摘要 摘要 随着“金盾工程 的全面实施，公安信息化建设和应用进入了广泛、快速、 提高的新阶段。公安信息化建设与应用正面临着一次从固定到移动，从静止到动 态，从有线到无线，从制约到灵活，从局限到完善的跨越。基于以上背景，作为 东南大学移动通信国家重点实验室与公安部合作项目的一部分，本论文主要是围 绕专用领域无线蜂窝网络规划展开。 首先，针对应用背景，我们对多径信道下c c k 调制的信道均衡和信道估计进 行了比较详细的研究和大量的仿真。对于信道均衡，研究了基于信道匹配滤波器 的判决反馈均衡和基于多径干扰抵消的均衡；对于信道估计，研究了基于多径干 扰抵消的多级信道估计。通过这些方面的研究，我们论证了8 0 2 1 l b 的物理层技 术完全可以应用到我们的系统中，同时也为后续无线网络规划研究中接收门限电 平的选择提供了理论依据。 接下来，我们做了一些无线蜂窝网络规划的初步工作。先是研究了基站自动 布置的问题，将医学上的遗传算法应用到这上面来，针对实际应用进行了调整， 实现了目标区域的小区自主覆盖。在此基础上，我们又研究了小区间频率分配的 问题，给出了自适应频率规划方案和动态频率选择方案。前者通过基站彼此交换 信息来实现频率的分配；后者则是在连接建立前才选择频率。 关键词： c c k 信道均衡 无线蜂窝网络规划覆盖 遗传算法频率分配 信道佶计 干扰 a b s t r a c t w i t ht h ef u l l yi m p l e m e n t a t i o no f “j i nd u n p r o j e c t 。t h ei n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o no fp o l i c es y s t e mh a v es t e p p e di n t oan e w s t a g e ，w i d e r ，q u i c k e ra n dk e e p i n gi m p r o v i n g t h i si m p r o v e m e n tr a n g e sf r o m s t a t i ct o m o b i l e ， f r o m w i r e l i n et ow i r e l e s s ，f r o mc o n s t r a i n e dt o c o m p l e x i t ya n dp e r f e c tc h a n g e b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ep a p e ri s a r r a n g e da n dw r i t t e nf o rt h er e g u l a t i o no fw i r e l e s sc e ll u l a rn e t w o r ka s p a r to ft h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nt h ep o l i c ed e p a r t m e n ta n dt h en a t i o n a l k e yl a b o r a t o r yo fs o u t h e a s tu n i v e r s i t y f i r s t ，w em a d eal o to fs i m u l a t i o nf o rt h ec h a n n e le q u a l i z a t i o na n d e s t i m a t i o no fm u l t i v p a t hc h a n n e lu n d e rc c km o d u l a t i o n f o rc h a n n e l e q u a l i z a t i o n ，t h ed e t e c tf e e d b a c ke q u a l i z a t i o nb a s e do nm a t c hf il t e ra n d t h ee q u a l i z a t i o nf o rm u l t i p a t hc o u n t e r a c t i o na r ee x a m i n a t e d ：f o rc h a n n e l e s t i m a t i o n ，t h em u l t i l e v e lm i t i g a t i o no fm u l t i p a t hi sc h e c k e d b a s e d o nt h e s er e s e a r c h ，w ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ep h y s i c a ll a y e rt e c h n i q u e si n 8 0 2 1 l bp r o t o c o lc a nb ea p p l i e df o ro u rs y s t e m ，m e a n w h i l ep r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lb a s e sf o rt h es u c c e s s i v er e s e a r c h n e x t ，w em a d es o m ef u n d a m e n t a lw o r kf o rt h er e g u l a t i o nf o rw i r e l e s s c e l l u l a rn e t w o r k w ea p p l l e dt h ei n h e r e n t a l g o r i t h mi nm e d i c a l a p p l i c a t i o ni n t ot h ep r o b l e mo fa u t o m a t i cd i s t r i b u t i o no fb a s es t a t i o n ， a n dm a d es o m ec h a n g e sf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nt o r e a l i z et h e c o v e r a g eo ft h ea i m e da r e a b a s e do nt h i s ，w ed e s i g n e dt h ef r e q u e n c y s e l f a d a p t a t i o na n dd y n a m i cs e l e c t i o nt os o l v et h ep r o b l e mo ff r e q u e n c y d i s t r i b u t i o no fe a c h c e l l ，t h ef o r m e ru s e sb a s es t a t i o nt oe x c h a n g e i n f o r m a t i o ns o a st or e a l i z et h ed i s t r i b u t i o n ，w h i l et h el a t t e rc h o s e f r e q u e n c yb e f o r ec o n n e ctio n k e yw o r d s ：c c k c h a n n e le s t i m a t i o n c o v e r a g e i n h e r e n ta l g o r it h m c h a n n e le q u a liz a tio n r e g u l a r i o nf o rw i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r k i n t e r f e r e n c e d is t rib u tio no ff r e q u e n c yr e s o u r c e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：_ ? 绪论 绪论 自1 8 9 7 年马可尼( m a r c o n i ) 第一次展示了无线电使在英吉利海峡行驶的船 只保持不断的联络以来，无线通信能力已经得到了举世瞩目的发展，特别是在过 去的二十年里，科学技术的迅速发展为无线通信提供了技术保障。怠在经济高速发 展的今天，人们需要快速、有效的进行信息交互，单纯的依靠有线网络已经不能 满足人们的需要。无线通信系统具有覆盖范围广、建设速度快、方便、不受地理 环境限制等优点，尤其是它特有的移动性或半移动性，能为用户提供更加方便的 服务。 课题的背景 1 9 9 8 年公安部为适应我国在现代经济和社会条件下实现动态管理和打击犯 罪的需要，实现“科技强警”，增强公安系统统一指挥、快速反应、协调作战、 打击犯罪的能力，提高公安工作效率和侦察破案水平，提出建设“金盾工程”。 “金盾工程 实质上就是公安通信网络与计算机信息系统建设工程。 它是 利用现代化信息通信技术，增强公安机关快速反应、协同作战的能力：提高公安 机关的工作效率和侦察破案水平，适应新形式下社会治安的动态管理。目的是实 现以全国犯罪信息中心( c c l c ) 为核心，以各项公安业务应用为基础的信息共享 和综合利用，为各项公安工作提供强有力的信息支持。 目前，“金盾工程”已经完成了调研、立项和一期建设的大部分内容，在全 国范围内实现了连接公安部到各省、自治区、直辖市的一级网，以及连接省到各 地市的二级网的建设；在连接地市到各区县的三级网建设方面，不同地区根据发 展水平和投资力度的不同，已分别完成6 0 到8 0 不等。在北京、上海等地区， 三级网和区县到派出所的接入网目前都已经完成。公安信息化建设正面临着一次 从固定到移动、从静止到动态、从有线到无线、从制约到灵活、从局限到完善的 跨越。公安警用无线通信系统与网络也随之面临着一次从话音业务到数据图像、 从单- n 综合、从窄带到宽带、从模拟到数字、从开放到保密的变革。 课题的目标 本课题的研究是依托东南大学移动通信国家重点实验室和公安部的合作项 目选定的，总体目标如图o 一1 所示，建设一个能够覆盖城域范围( 包括郊县) 、 公安系统专用、具有信息安全保证、支持流动和移动警务人员无线数据联网双向 东南大学硕士学位论文 通信、并可实现实时图像无线传输、具备调度对讲话音通信功能的宽带数字无线 综合接入通信网络，构建数字警察的无线支撑平台。 系统方案概述 穆础钕锄| 憩鲁霸落嘞擒 撇 图0 - i 基于i p 网络的无线规划方案 叠羹 剖一 主誓 虱 d 变稳刚 = 二习冒 _ 巳 日鼬t 御嘲湖 冒 目 骨环t 嘲 燃 画 _ l 殳 图o 一2 专用无线移动宽带通信网示意图 图0 2 是我们设计的综合接入网的示意图，我们需要解决下面三个问题： 采用何种无线传输技术和系统平台，能够实现既满足现实应用需求，又 绪论 能适应未来应用发展的，具备宽带数据、图像、话音综合无线通信的目标要求。 采用何种网络方式构建目标系统。 采用怎样的无线频段支撑目标网络构建。 网络的构建上采用无线蜂窝技术，这样可以利用有限的频率资源实现大范围 的覆盖。在城区范围内，针对应用于专业领域宽带接入、保密等要求，现有的公 共网络或多或少存在缺陷。g s m 、c d m a 、g p r s 宏蜂窝系统带宽也不够，造价高昂； 2 4 g h z 无线局域网则由于频段缘故，不适合城区移动应用；目前，国内对于专 业应用领域无线宽带移动接入通信网络研究开发不能满足实际应用的需求。为了 满足宏区覆盖要求，我们选择了具有较强穿透性和绕射性的3 0 0 m h z 的v h f 频段。 在频道规划上，如图0 - 3 所示，选择了4 个频点，每个频点带宽为2 m h z ，上下 行链路采用统计时分方式。在数据传输上，借用了比较成熟的8 0 2 1 1 b 的物理层 技术，传输速率设定为1 1 m b p s 。 论文的主要内容 图0 - 3 无线频道规划 本论文的内容主要分为两个部分。第一部分主要是研究系统的物理层， 8 0 2 1 1 b 的物理层技术虽然比较成熟，但是对其深入研究的著作却很少，另外， 在系统设定的条件下是否可行还有待论证。第二部分则是围绕无线蜂窝网络规划 展开，既要保证区域内的无线覆盖，又要考虑小区间的相互干扰，论文中对此给 出了相应的解决方案的算法和实现。以下是论文各章节内容的简要介绍。 第一章“系统物理层的研究 对补码键控c c k 调制解调方法进行了深入研究， 对c c k 调制的信道均衡和信道估计进行了比较详细的研究和大量仿真。 第二章“无线蜂窝网络规划”介绍了网络规划的目标和要求，对相应的部分 进行了简要分析。 第三章“基站自动覆盖的算法研究与实现”从无线覆盖角度给出了计算基站 自动布置的算法和实现，并对其进行了简单验证。 第四章- 。频率规划的算法研究与实现 在确保区域内的无线覆盖的基础上， 从尽可能降低小区间干扰的角度设计了频率规划的算法。 第五章t 。总结及展望总结了全文工作，提出需要继续研究和改进的地方。 第一章系统物理层的研究 第一章系统物理层的研究 无线环境一般包括大量的多径干扰，为了可靠地进行数据传输，在无线环境 中传输的波形必须具有很好的抗多径能力。基于此，h a r r i s 公司和l u c e n t 公司 提出将补码键控c c k 调制作为无线局域网下高速传输所采用的波形，首次将补码 应用为调制中的分组码。补码键控c c k 调制被证明在苛刻的多径环境下具有鲁棒 性。在绪论中，我们提到系统在无线数据传输上借用了i e e e 8 0 2 1 1 b 的物理层技 术，主要就是c c k 调制，是否可行呢? 本章从系统设计角度出发一步一步进行了 研究。 1 1 背景知识 1 1 1 补序列 我们可以在信息论文献中有关补序列的主题中找到c c k 的起源。关于该主题 的最早论作由m j e g o l a y 于1 9 5 1 年发表 1 。g o l a y 研究了应用于红外多重 分光计中由于图象多色辐射引起的扩谱现象。该论文描述了如何在多缝隙分光计 中利用补序列的性质来控制一系列缝隙的打开和闭合。除了可以应用于分光计， g o l a y 还发现补序列在数学上的诱人之处。他在其后的一篇论文中描述了二进制 补序列的特性及其分析方法 2 。相继其他学者发表论文对具有理想相关特性的 二进制和多相位补序列进行了研究，给出了二进制补码以及合成补码的特殊性质 3 5 。 我们来看一下补序列及其重要特性。首先，我们从二进制补码的定义开始阐 述。r s i v a s w a m y 的多相位补码一书给出了二进制补码的定义 6 ：补码， 也可以称为二进制补序列，是由一对相同有限长度的序列构成。其中，一个序列 中任意间隔的相同元素对数目和另一个序列中相同间隔的不相同元素对数目相 同。 上述定义描述的对称性并不是很容易理解，下面我们看一个例子。我们从 g o l a y 的论作 2 中选一对补序列：序列1 一1 一l 一11 11 11 ，序列2 一1 1 111111 从图卜1 可以看到，序列1 在间隔1 下有4 对相同元素，3 对不同元素；而 序列2 在闻隔1 下有4 对不同元素，3 对相同元素。这符合补码的定义描述。表 l 。1 总结了分别在间隔1 、2 、3 下的相同、不同元素对数目。 东南大学硕士学位论文 殍列l lllilil- j 一p 一上矽 图卜1 序列1 和序列2 在间隔1 下的相同、不同元素对 序列1序列2 间隔数 相同不同相同不同 14334 2 3333 31441 表1 1 序列1 和序列2 在间隔1 、2 、3 下的相同不同元素对数目 可以看到，补码具有对称性。若对传送符号的同相正交两路可以同时处理， 并且使用所有具有良好自相关特性的码字，使得码间和切普间干扰达到最小。这 样的码以补码的形式存在。对于一码字s = i s , k ，s ：k ，s 】r ，码字长度为。定 义码字的非周期相关函数为 【俨艺s ；s 三，+ ( 1 1 ) 二进制补码对具有性质 和小 0 儡 2 ) 我们来考察序列1 和序列2 这两个二进制补码的自相关特性。一对补码，码 字的长度为，元素分别 口，) 和 6 ，) ，f = 1 ，2 ，各自的自相关序列为 尺。【】= 乜，口二，r 拍【， = 6 ，6 二 ( 1 3 ) 可以看到对o 移位，r 。【o + 尺6 6 【o 】值达到最大，即1 6 。对于其它移位， 第一章系统物理层的研究 尺。 门+ r 。 刀值被最小化。 f0 ，0 r m 【刀+ r b b 【舻 2 。，：o ( 1 4 ) 因此，序列1 和序列2 是互补的。补码的自相关性质使得补码在数字通信系 统中大有用处。实际中很难达到理想情况。好码具有一个较大的主峰和尽可能小 的旁瓣。 1 1 2 多相位补码 以上我们只讨论了二进制补码，下面我们来讨论多相位补码。g o l a y 只研究 了二进制补码的特性。一个二进制补码是更广的一类码一多相位补码的子集。 t s e n g 和l i u 将二迸制补码扩展为多相位补码 7 。 二进制补码是具有互补特性的二进制序列，而多相位补码是具有互补特性的 序列，其中元素具有相位参数。如一多相位补码可以包含具有4 相位的元素。这 些码满足式( 1 5 ) 。文献 4 和 7 讨论了多相补序列的构造。 i e e e 8 0 2 1 1 b 中定义的c c k 码集是多相位补码。其中的元素是复数集 1 ，一l ，一j 中的元素，并且该码集具有和前面所述二进制补码类似的自相关特 性。一组k 个码字被认为是补码，当它们满足 扣舻 ：篙 5 ， 由于补码具有良好的抗多径性能，补码可以应用于雷达系统和o f d m 通信， 也可以在m 进制通信中使用。i e e e 8 0 2 1 1 b 定义的c c k 码集具有很好的欧拉距离 特性，在多径环境下可获得低误码率。 1 2c c k 调制 1 2 1 原理 i e e e s 0 2 1 1 b 采用c c k 码集来调制数字波形。c c k 调制基于多相位补码，扩 频码长度是8 ，切普速率为1 1 m c h i p s ，在我们设计的系统中降低到了十分之一， 一个符号周期是8 复切普长。 c c k 码字使用w a l s h b a d a m a r d 复函数集。w a l s h 码是很常用的，2 n 阶w a l s h 函数可以通过以下递推公式获得： 东南大学硕士学位论文 = z ：务： 6 ， 其中为2 的幂，日表示对日取反。w a l s h 函数具有规则的结构，第一 行全是1 ，其他行具有一半的0 和一半的1 。 w a l s h h a d a m a r d 复函数集的性质和w a l s h 函数类似，只是是复的，即具有4 相位，各码字近似正交。由于补码集更加广泛，我们可以在一个很大的近似正交 码字集中选择，并且可以在每个符号中传输相同数目的比特。图卜2 是c c k 采用 码集的示意图，从6 5 5 3 6 个可能码字中，选择6 4 个近似正交的码字，实际上用 了1 6 比特来定义码矢量。 霉妒s kc 】瞰雠：俏= 删c 沁d a w r d s 图1 - 2c c k 采用码集示意图 在1 i m b i t s 扩频模式下采用下面的公式构造c c k 码字，使用4 个q p s k 相位 缈l 到缈4 。 c = 2 砌坳坳坳夕蛔坳蛔，毋坳蛔矽坳， 毋懒，沙坳锄蜊，砂 其中码字c = c o t o c 7 ) 。该公式产生8 个复切普 c o t o c 7 ) ，c o 第一 个传输。这其实是h a d a m a r d 变换编码的一般形式，缈。加在所有的码字切普上， 妒：加在所有的奇码字切普上，缈，加在所有的奇码字切普对上，伊。加在所有的奇 码字切普四元( q u a d ) 上。仍改变序列所有码字切普的相位，在11 m b p s 模式下应 按d q p s k 编码，这将把当前符号相对于前一个符号旋转一合适相位。切普c 7 表 明了整个符号的相位，在最后传输。为了优化序列的相关特性和减少码字的直流 偏置，第4 个和第7 个切普旋转了18 0 。，在公式中可以看到第4 项和第7 项加了 个负号。 在1 1 m b p s 模式下，一个符号传送8 比特( d 0 到d 7 ，先传d 0 ) 。数据比特d o 第一章系统物理层的研究 和d 1 按照d q p s k 编码仍。d q p s k 编码见表2 2 。相位变化是相对于前一个符号变 化仍。数据比特对( d 2 ，u 3 ) ，( d 4 ，d 5 ) 和( d 6 ，d 7 ) 按照表2 3 基于q p s k 分别 编码产生伊：，缈，和妒。注意该表是二进制编码( 不是格雷码) 。 嘲l 弘m t 拍曲d 1 ) e v t ns ，m b 。k o d d 轴1 ) 厶| l t 婚| 翥r 蛾h l l m 神 擎恸辩妫嫡q 姆 和，弘k 辩t i 强l 壤e 事确 静彝 o l 茹j 2 j a l ：一船2 l i嚣d l o瓣釜2 a 2 1 2 2c c k 调制性能 表1 2d q p s k 编码 鞴i 糊秘t 绋 瓯黉镕l 穗 剃h d l k 融警l k l i m e ) 臼 0 l嚣鬯 l 纾嚣 l l融2 噱 表1 3q p s k 编码表 为了衡量c c k 波形在多径环境下的鲁棒性，我们引入码字距离这一概念作为 码字抗多径性能的衡量指标。这种方法不依赖于多径信道的先验知识，非常适合 于评价无线环境下使用的码字。 在发送端，输入数据比特被映射为码字，通过信道传送。接收端译码器找出 与接收信号最相近的码字作为判决，然后将该码字映射为输出数据比特。对于第 f 个码字s = h ，5 ；，s 0 】。，码字长度为，扛 1 , 2 ，k 】，共有k 个码字。在 加性高斯信道和一定的信噪比下，具有最大的最小平方欧氏距离的码字集将产生 最低的误比特率。这一最小平方欧氏距离常又称为平方自由距离。因此，在a w g n 信道下最佳的码字集应最大化以下的平方自由距离： 2 、 d 舡。嗽 1 珊e 1 ，从矿吖刮j ( 1 8 ) 在多径信道下，这一准则并不意味着最佳误比特率性能。但如果信道已知或 可被估计，则多径信道可视为高斯信道，这一最佳距离准则成立。含有原码字的 东南大学硕士学位论文 码集与已知的多径信道相卷积，产生的码字通过a w g n 信道传输，平方自由距离 是一合适的性能准则。 经过多径信道卷积后的码字集合包含以下码字 t = s ，h ( 1 9 ) 其中云= 啊，h ：，h l 】是多径信道脉冲响应的lxl 矢量。s i 是利用原码字集 中第f 个码字产生的( 三+ n 一1 ) 维卷积矩阵。该矩阵如下定义 s f = s ：0 0 ； s ；0 s 0 ； s ： 0 s ，t i ；0 i ；o ( 1 1 0 ) 使用这一表示方法，新码字集合中的平方欧氏距离为 d q - - l p 一手训2 = l l 石l i 2 + 1 p 6 2 2 r e k ) 日孑 ( 1 ，。) = 夏h 衰。f i + f i h 畏口i 一磊h 囊f f i - f i h 衰j | 磊 其中，j i 。= 蜃，蜃，x 片是x 的共轭转置。一个性能良好的码集应使最小欧 氏距离吒对所有可能信道办最大化。欧氏距离度量为 d ，= 云( 瓦+ 毛+ j i ，+ 硝石= 石片受石 ( 1 1 2 ) 受矿= 磊+ j 圣- k 一t 。当受矿的最小特征值如取最大值时，对所有归一 化信道的最小欧氏距离达到最大e 8 。因此，氍是多径信道下独立于实际信道 的两码字距离的度量。这一距离度量不需要信道的先验知识。我们可以通过收集 每一码字对的最小距离心来考察一码字集合。距离集合可以认为是一种距离 谱，用来刻画码字集合。 为了定量地比较码字集合，可以采用3 种方法来度量距离谱。 衡量标准1 ：定义距离谱的均值，即所有码对的平均最小距离。 砧= 如 ( 1 1 3 ) 衡量标准2 ：定义距离谱中的最小值，即所有码字对欧氏距离的最小值。 l 净 一 +己 ，j 第一章系统物理层的研究 k 2 呼( ) ( 1 1 4 ) 这是在最恶劣信道下的距离度量。 衡量标准3 ：定义距离谱的2 阶量 ( 1 1 5 ) f 面我们基于距离谱的概念讨论补码性质和距离度量的关系。一好的码集应 使距离度量吒对于所有可能的信道最大化。补码在多径信道下具有很好的距离 特性。我们首先考察d ，的自相关部分云( 疋+ j 搿) 云。对于归一化信道，该表达 式的最大值即( 元+ 毛) 的最大特征值允一，该表达式的最小值即( 瓦+ j i ) 的最 小特征值k 。可以证明，当k = k 时，该表达式对所有信道的最小值达到 最大 8 。此时，矩阵和( 天。+ 天疗) 为一单位阵。考察补码的距离特性，注意到 仁，k = r i i i t - k ，利用这一关系及式( 1 5 ) ，可以看到矩阵和( j i 。+ 毛) 是单位 阵。我们可以认为c c k 码集自相关部分对所有信道的平方自由距离达到最大值。 厶k如 8 4 20 8 7 78 5 1 表1 4c c k 码集的距离度量 以上我们只考察了距离度量的自相关部分。补码的自相关部分的平方自由距 离取得最大值。为了证明码集具有良好的距离特性，我们必须考察整个距离度量， 包括码集的互相关部分。如果一补码集具有理想的互相关特性，它将在多径信道 下保持良好的距离特性。可以利用距离谱的概念来比较几种码集的性能。文献 9 1 通过在一多径信道下的误符号率的仿真和理论分析表明，码集在多径信道下的性 能与距离谱密切相关。表1 4 总结了c c k 码集的距离谱度量。c c k 调制在基本的 扩频波形中包含有编码增益，具有很强的抗多径能力，对付多径信道中同相正交 两路信息的串扰很有效。在多径环境下，每条支路会有h e y 口的失真。c c k 中的信 息是直接编码到复切普上，不会由于串扰恶化。复切普的增益和相移仍可以保持 i o 的正交性。 c c k 调制类似于m 迸制正交键控。通常使用相干解调的m 进制正交信号的误 比特率如下，该积分无法解为闭式形式，需要使用数值积分 1 0 。 r x 一 k 船 = 以 东南大学硕士学位论文 只：一上2 z _ 1 s 旦j 2 ( 1 - q z + 2 再，) 等p 一手出 c ，6 ， 1 2 3 系统传输模型 在i e e e 8 0 2 1 l b 中，第m 个具有k 切普的c c k 码字可表示为 足一1 ，”( f ) = r e c t ( t - i t , ) e 归， i = 0 ( 1 1 7 ) 其中k = 8 ；疋为切普周期；旭c f ( f ) 是方型脉冲，只从0 到瓦取值为1 ；e 。卵 是c c k 码字的复元素。 对于1 1 m b p s 无线网络系统，输出数据比特经过串并变换为字节 ( d ，或，d o ) 。这8 比特用来根据表1 2 、表1 3 编码产生仍一缈。仍包括于 码字的所有8 切普中，根据c p 2 一缈。产生复码字y ”( f ) 。 ”( f ) = p m 甲”( f ) ( 1 1 8 ) k - 1 其中复码字甲”( f ) = r e c t ( t - i t 。) e j r 。传送信号为 s ( f ) = r e 厨肌( f ) p 慨】，o l ，d ，= 0 。 反馈滤波器的系数可以通过下式得到，对x = 1 ，b ，有 ( 1 2 9 ) ( 1 3 0 ) b - x b ，= 一d 。口， ( 1 3 1 ) i = 0 由于在反馈滤波器窗外不存在i s i ，反馈滤波器的阶数b = l 。从式( 1 3 1 ) 第一章系统物理层的研究 可以看到，反馈滤波器系数只与前馈滤波器系数有关。根据式( 1 2 6 ) 、( 1 2 9 ) ， 式( 1 3 0 ) 是一f x f 阶t e o p l i t z 矩阵公式，所以可以简单地用l e v i n s o n d u r b i n 递推算法求解 8 。反馈滤波器系数的求解不需要矩阵求逆。d f e 均衡器的系数 可由信道脉冲响应估计直接计算。 鹈馈游城貉葭馈缱坡器 图i - 7d f e 均衡器结构 大多数高性能均衡器通过复杂的训练算法来获得均衡器的系数。利用已知的 训练序列符号，根据最小均方误差准则，使用自适应算法，如l m s 、r l s 算法， 迭代地更新均衡器系数。自适应算法的初始训练时间正比于均衡器的阶数。r l s 算法由于其复杂度，使其在无线突发通信应用中受到限制。文献 1 1 提出一改进 d f e 结构均衡器，预先消除拖尾多径干扰，不需计算反馈滤波器的系数。由于在 训练期间迭代次数只与前馈滤波器阶数有关，改进d f e 结构减少了收敛时间，降 低了计算复杂度。反馈滤波器的实现不需要乘法，卷积可以使用加法器和查找表 来完成。改进d f e 结构只有前馈滤波器需要训练，与传统结构相比，加速了训练 进程，使均衡器的快速启动成为可能。 图卜8 显示了改进的滤波器结构。 口， 是前馈滤波器系数，江0 ，f 一1 。 反馈部分使用加权网络，直接将判决的数据和信道脉冲响应相卷积。判决符号输 出序列 j 。 输入到反馈部分以消除拖尾干扰。这样就不需象传统的d f e 均衡器那 样计算反馈滤波器系数。下文我们将证明改进结构在信道估计没有错误的情况下 等同于传统的d f e 均衡器。 传统d f e 均衡器输出为 f - !b j 。= 口y ，+ 匆瓦一， ( 1 3 2 ) 到 假设反馈滤波器消除了所有的拖尾干扰，且不存在信道估计错误，我们得 j 。= p - i a l ( e h ，j 州一+ r l 川) + 6 ，瓦一， 脚 j 8 1 ( 1 3 3 ) = 口，( h j ，州一j + r 州) i = 0 卢0 考虑改进d f e 结构，在改进d f e 结构中，加权求和网络的输出 巧= j i 6 州瓦一。 ( 1 3 4 ) 在没有信道估计误差的情况下，改进d f e 均衡器的输出为 = 口，( _ + ，一形) f - i b 一 = a ，( 厶+ f _ 瓦一。) ( 1 3 5 ) = 口，( 一，州一+ 巩+ ，) j - 0 j = o 可以看到，式( 1 3 2 ) 和式( 1 3 5 ) 具有相同形式。因此，两种结构的性能是等 同的。 蕾幢避蔑蕾发嫂泌镀薯 图卜8 改进的d f e 均衡器结构 如果我们假设反馈滤波器的长度足够长，当i b 时，h ，= 0 ，我们可以得到 矿的移位性质： 第一章系统物理层的研究 一1 ( ，z ) = ( 刀一1 ) + h , 1 。一】，f = o ，l ，一1 ( 1 3 6 ) f ( 疗) 表示在第，2 个数据符号判决期间肜的值。 针对1 2 节描述的c c k 调制，我们采用m o n t e - c a r l o 仿真，对l m s d f e ，r l s d f e 和c m f - d f e 三种均衡的性能进行了比较。l m s - d f e 采用l m s 算法训练的d f e 均衡 器结构，训练时间长度为1 4 4 个符号，步长参数取0 0 1 ；r l s d f e 方案采用r l s 算法训练的d f e 均衡器结构，训练时间长度为6 4 个符号；c m f d f e 方案基于理 想信道估计采用信道匹配滤波器c m f 和判决反馈d f e 均衡器结构。c c k 系统的传 输速率为1 1 m b p s ，帧长为1 0 0 0 个c c k 符号。采用的d f e 结构前馈滤波器阶数 为9 ，反馈滤波器阶数为5 。我们使用的信道脉冲响应值其离散时间信道特性为 一o 2 1 ，一0 5 ，0 7 2 ，0 3 6 ，0 2 1 8 。我们假设信道慢时变，近似恒定，信道脉 冲响应系数在一帧时间内保持不变。在该信道下，仿真得到l m s - d f e ，r l s - d f e 和c m f - d f e 三种均衡的误码率性能曲线如图1 - 9 。 图i - 9 三种均衡方法的误码率曲线 可以看到，r l s d f e 和c m f d f e 方案在消除i c i 、i s i 和利用多径分集方面 性能良好。简单的c m f d f e 均衡器结构以及相应的算法可以应用于高速数据通信 的训练，加速训练进程这要求在均衡前完成信道的估计。误码率曲线显示其性能 优于r l s 均衡方法，而复杂性大大降低，比r l s 算法低1 - 2 个数量级。但是应注 意到，无论是c m f - d f e 均衡器还是r l s 改进d f e 均衡器，对信道估计噪声非常敏 感。信道估计噪声将降低接收机的性能。为了补偿信道估计噪声对接收性能造成 的损失，我们可以首先使用c m f d f e 方案实现均衡器的快速启动，得到均衡器的 初始系数，然后利用自适应算法如l m s 算法继续训练均衡器。继续训练的收敛时 间短于初始训练时间。通过使用继续训练的方法可以补偿由于信道估计噪声造成 的性能损失。在初始训练结束后，基于判决导引方法，对系数进行更新调整。 东南大学硕士学位论文 1 3 2 基于多径干扰抵消的均衡 在某些信道中，信道时延扩展远大于切普周期，信道传输函数在切普级或部 分切普级存在很多o 值。因此，均衡器中的滤波器常常需要大量的系数，这大大 提高了均衡器复杂性和成本。另外，由于扩频码不理想的自相关和互相关特性， 大大局限了r a k e 接收机的作用。我们研究了一种基于多径干扰抵消的均衡，用 于扩频通信可有效地消除多径时延扩展超过1 切普至多个符号的多径干扰。其原 理是基于数据采样的硬判决来消除切普间干扰i c i ，利用已检测的码字消除符号 间干扰i s i ，然后利用r a k e 接收合并多径分量以提高系统的抗多径能力。 在大时延扩展情况下，符号间干扰i s i 和切普间干扰i c i 将严重影响接收 机的性能。为了消除i s i 和i c i ，需要在均衡器中加入判决反馈部分，这提高了 接收机的复杂度。 均衡的第一步是i s i 消除，在解调前从输入中减去已检测符号的加权和。如 图卜1 0 ，已检测的符号判决经过信道脉冲响应的加权，从该径多径干扰抵消器 的输入中减去。当一符号被检测，该符号的估计符号间干扰从下一个符号的输入 信号中减去。 图卜1 0i s i 抵消第，径多径干扰抵消单元框图 均衡的下步是i c i 消除，由于i c i 与接收到的信号码字有关，这将更复杂。 i c i 消除模块利用最强径的切普判决结果，与估计的信道脉冲响应相卷积，产生 i c i 估计分量。从接收信号中减去估计的i c l 分量，以达到消除i c i 的目的。各 径的最大相关值经最大比合并，以提高系统的抗多径能力。完整的有i s i i c i 消 除的接收机见图1 - 1 1 。 该均衡中i c i 消除部分基于最强径数据采样的硬判决。8 0 2 1l bc c k 模式使 用q p s k 调制的码字，每一切普是一q p s k 星座中的符号值，硬判决可以利用接收 信号的相位进行判决。 第一章系统物理层的研究 季惫聚镄缆， 图卜1 1i s i + i c i 抵消第，径多径干扰抵消单元框图 设j ( f ) 为发送信号，t 为时延，h i 为信道脉冲响应系数，i 忽i 1 。若我们将 接收到的采样表示为最强径和其他径的信道系数加权和 r ( t ) = s ( f ) + h f s ( t 一0 )( 1 3 7 ) f 为了消除拖尾多径干扰，切普判决被按照合适的时延反馈并乘上信道脉冲响 应系数。这与传统判决反馈均衡器的符号判决反馈部分结构类似。如图卜1 2 ， 拖尾多径干扰消除后的输出为 y ( f ) = ，( f ) 一矗j ( ，_ t )( 1 3 8 ) 图1 - 1 2 消除拖尾多径干扰框图 其中磊，和，是信道脉冲响应的估计多径系数和时延，；( f ) 是切普判决 g ( t ) = s l i c e y ( t ) 】，s l i c e x 表示硬判决操作。切普判决缓冲长度d 对应于最大拖 尾时延扩展。 对于前导多径干扰，r 取负值，可以对接收数据引入时延d 利用前馈模式来 消除。数据缓冲长度d 大于等于前导时延扩展。若所有辅助径都是前导干扰，则 东南大学硕士学位论文 输出可被表示为 y ( f ) = ，( 卜d ) 一觚( 卜( ，+ d ) )( 1 3 9 ) 图1 - 1 3 消除前导多径干扰框图 见图1 - 1 3 ，注意到，不同于前面消除拖尾多径干扰的方案，切普判决是对 含有前导多径干扰的数据来进行。；( f ) = s l i c e r ( t ) 】 将前导干扰和拖尾干扰的消除合起来，其结构框图如图1 - 1 4 。拖尾干扰消 除模块的输出作为前导干扰消除模块的输入。一般在实际信道中，前导干扰时延 范围比拖尾时延范围小的多，可以假定d d 。 图1 - 1 4 消除前导和拖尾多径干扰框图 为了评估该基于多径干扰抵消的均衡性能，我们将其误码率性能与普通接收 机，无干扰抵消模块r a k e 接收机在8 0 2 1 l bc c k 调制下进行了比较。信道为指 数衰减信道，三种方法都假设理想信道估计。如图卜1 5 所示，可以看到，基于 多径干扰抵消的r a k e 接收方案明显改善了接收机性能。该方案在扩频码无法提 供足够的抗多径能力时改善了接收机性能。在3 0 0 m h z 的v h f 频段采用8 0 2 1 1 b 物理层的无线传输系统中，该均衡可消除信道时延扩展范围从1 切普到几个符号 的长度，基本满足应用需求。 第一章系统物理层的研究 图1 - 1 5 基于多径干扰抵消均衡方法的误码率性能曲线 1 3 3 两种均衡的比较 我们采用m o n t e - c a r l o 仿真，来比较两种均衡。在同时存在前导干扰和拖尾 干扰的信道下，二者的误码率性能曲线如图1 - 1 6 。在指数衰减信道下，二者的 误码率性能曲线如图1 - 1 7 。以上信道均选自m a t l a b6 1 标准库。 图1 - 1 6 前导干扰存在时的性能比较( 左) 图1 - 1 7 指数衰减信道下的性能比较( 右) 可以看到，在前导干扰存在的信道下，c m f - d f e 方案的误码率性能曲线优于基 于多径干扰抵消的均衡。这是由于在多径干扰消除的方案中，切普判决是对含有 前导多径干扰的数据来进行。由于前导干扰的影响，切普硬判决结果会产生误差， 镪瞥氟醚转弘鼯v乳谤驴馥秘n。分瓤娩：。、+? 彰” 东南大学硕士学位论文 影响了均衡器的性能。而在指数衰减信道下，基于于多径干扰抵消的均衡的误码 率性能曲线优于c m f - d f e 。在信道中含有大量零系数时，基于多径干扰抵消的均 衡在改善接收性能的同时大大降低复杂度。 1 4c c k 调制中的信道估计 1 4 1 基于多径干扰抵消信道估计 由于需要更高的信噪比高速调制比低速调制对多径干扰和信道畸变更为敏 感。前文讨论的均衡方案均基于准确的多径信道先验知识，r a k e 接收机按照信 道系数相干合并，因此获得准确的信道估计对c c k 解调至关重要。 码串擅予电 蜉爰 尹l 爽 4 1 1 图1 - 1 8 基于多径干扰抵消的信道估计方案框图 在多径衰落信道下，多径干扰造成大量的估计错误，严重影响信道估计器的 性能。通过引入多径干扰抵消模块，可大大改善信道估计性能。下文讨论在多径 衰落信道下c c k 调制基于多径干扰抵消的一种信道估计。基于信道参数可由消除 信道多径干扰后的相关器输出最大相关值中提取这一原理，该估计算法采用多径 干扰抵消，可以在增加少量硬件的情况下准确估计信道。该方法可以应用于宽带 无线系统，对于解决信道失真问题非常有效，而且不会损失帧和频谱利用率。 图卜1 8 显示了信道估计器的框图，包括多径干扰估计模块，多径干扰抵消 模块，码字相关模块，最大比合并模块，最大值选择模块，相位检测模块和信道 估计更新模块等。 多径干扰抵消模块和多径干扰估计模块： 对第，个跟踪支路，可以利用估计的信道系数和其他跟踪径的已检测c c k 码 字和切普硬判决来构建由于其他径造成的干扰信号。多径干扰估计为 ll