（通信与信息系统专业论文）2drake接收机研究与仿真.pdf

中文摘要 摘要 蜂窝无线通信环境是哀落多径多址无线信道。抑制或消除符利，哀落和干扰 直是无线通信技术的焦点和难点。传统的时问处理如均衡器、。维r a k e 接 收机等从消除川户多径衰落影响的角度出发来改善接收质量。甲时问处理不能 有效的对付多址干扰。近几年研究的个热点是智能天线从空域的角度来改善 通信质量，智能天线能充分利川了信号的空问分布信息，降低了多径多址干扰， t 开是干扰过多则天线个数过多，且其有效性受d o a 可分辨率的限制。为此， 联合时域和空域处理的二维联合处理方法矢量均衡技术是未来移动通信系统空 r f i 接口的首选。 宽带尢线通信系统由于信号带宽大于无线信道的带宽，无线信道的频率选 择性衰落严重。在频率选择性衰落信道下，r a k e 接收机采刚相关接收机可以 从时问域上分离合并多径；天线波束成型( b e a m f o r m i n g ) 技术从空问域来消 除多址干扰，使波束对准期望信号而使波束的零陷对准干扰。为了同时有效的 消除多径多址干扰，论文提出的，利- 先波束成型，冉采川最大比合( m r c ) 并 方式的2 d r a k e 接收的接收机能理想的先从空域消除来自其它方向的多址干 扰，然后在从时问域上消除期望信号的多径哀落。这利，空时组合的2 d r a k e 接收机结构简单，易于在i m t - 2 0 0 0 各利通信系统实现。论文i i 我们验证了在 w c d m a 系统l l 上行链路采川2 d r a k e 接收机的性能，仿真结果农明相对 1 d r a k e 接收机有明显的提高。为了降低空时权值估计巨大的计算代价，论文 重点分析了一利- 从降低空时矩阵纬数角度出发的简化方案，该方案在仪牺牲部 分s i n r 渐进特性情况下明显使计算复杂度降低。 本文提出的2 d r a k e 接收机具有很好的扩展兼容性，i m t - 2 0 0 0 标准都支 持导频相干接收和智能天线技术的扩展。此外，论文还从空问相关性出发研究 了在移动终端实现2 d r a k e 接收机的可行性方案。 关键词：二维多径分集接收机，宽带码分多址，智能天线，波束成型 英文摘要 a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n to fc e l lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i st h ef a d i n g w i r e l e s sc h a n n e li n c l u d i n gt h em u l t i u s e ra n dm u l t i p a t h t h ek e yt e c h n o l o g y o fi m t - 2 0 0 0a i ri n t e r f a c ei st oc a n c e lo rr e s t r a i nt h em u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a n dm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ( m p i ) t h e t r a d i t i o n a lt i m ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g ys u c h a se q u a l i z e ra n d1d r a k er e c e i v e rc a ni m p r o v et h e r e c e i v e rq u a l i t ys i n c et h e yc a nr e s t r a i nt h em p ii nt i m ed o m a i n ，b u tt h e ya r e n o te f f e c t i v et ot h em a i s m a r ta n t e n n ai sah o t s p o ti nr e c e n t l yy e a r s ；i tc a n i m p r o v et h er e c e i v e rq u a l i t ys i n c ei t r e s t r a i n si n t e r f e r e n c ei ns p a c ed o m a i n f u l l yu s i n gt h es p a c ed i s t r i b u t i n gi n f o r m a t i o no fs i g n a l ，b u ti tr e q u e s t sm u c h m o r ea n t e n n ae l e m e n t sw h e nt h e r ea r em o r ei n t e r f e r e n c es i g n a l s ，a n di t s a v a i l a b i l i t yi s a f f e c t e db yt h ed i s t i n g u i s h i n go fd o a s ot h ev e c t o re q u a l i z e r c o m b i n gt i m ea n ds p a c ed o m a i np r o c e s s i n gi st h ep e r f e c tt e c h n o l o g yi nt h e a d v a n c e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ew i r e l e s sc h a n n e li st h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e li nw i d e b a n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h e nt h es i g n a lb a n di so f t e nb i g g e rt h a n t h ec h a n n e lb a n df o rt h eh i g hs i g n a ls p e e d r a k er e c e i v e ri so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e s i nc d m aw i d e b a n ds y s t e mb e c a u s er a k er e c e i v e rc a n d i s t i n g u i s h e a c hd i f f e r e n tp a t ha n dc o m b i n et h e mt o g e t h e ru s i n g t h e c o r r e l a t i o nr e c e i v e ri nt i m ed o m a i n ；b e a m f o r m i n gc a nc a n c e lt h es t r o n g m u l t i u s e ra c c e s si n t e r f e r e n c e ( m u a i ) i ns p a c ed o m a i n ，t h eb e a mf o r m e rc a n f o r mb e a ma tt h ed e s i r e du s e r sd i r e c t i o n - o f - a r r i v a l ( d o a ) a n dn u l lt ot h e i n t e r f e r e n c eu s e r s t h i sp a p e rb r i n g sas i m p l e2 d - r a k er e c e i v e r , i tf i r s t w e i g h e d - c o m b i n et h eo u t p u to fa n t e n n aa r r a yu s i n gb e a mf o r m e rc a n c e l i n g t h em a ii ns p a c ed o m a i n ，a sf o l l o wt h i ss c h e m ec o m b i n e st h ed e s i r e du s e r s m u l t i p a t hu s i n gm r c i nt i m ed o m a i n i ti st h er e a l i z a b l es c h e m ei ni m t - 2 0 0 0 f o ri t s s i m p l e x e s 。w ea p p l i e dt h es e p a r a t e ds p a c e t i m er e c e i v e rt o t h e w c d m au p l i n k ，i tb e h a v ee x c e l l e n tf e a t u r ec a n c e l i n gt h es t r o n gm a it h a n t r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e r c o n s i d e rf o rt h eh i g h c o m p l e xe s t i m a t i o no f s p a c e t i m ew e i g h t s i nt h i sp a p e hw ea l s ob r i n gan e ws i m p l i f y i n gs c h e m e ，i t 英文摘要 s i m p l i f yt h ee s t i m a t i o no fs p a c e t i m ew e i g h t sb yb o t hs p a t i a la n dt e m p o r a l c o m p r e s s i o n t h e o 吖a n a l y z i n gs h o wi t c a ng e to b v i o u sd i m e n s i o nr e d u c e o n l yl o s ss m a l ld r o pi na s y m p t o t i cs i n r 2 d r a k er e c e i v e rh a sa g o o dc o m p a t i b i l i t y f o ri m t - 2 0 0 0b e c a u s e i m t - 2 0 0 0a l l s u p p o r tt h es m a r ta n t e n n aa n dp i l o t c h a n n e lf o rc o h e r e n t d e t e c t i o n i nt h i sp a p e rw ea l s or e s e a r c ht h er e a l i z a t i o no f2 d - r a k er e c e i v e r a p p l y i n gi nm o b i l ed e v i c eu s i n gc o m p a c ta r r a ya n t e n n at h r o u g ha n a l y z i n gt h e a r r a ya n t e n n as i g n a l ss p a c e c o r r e l a t i o nf e a t u r e k e yw o r d s ：2 d r a k er e c e i v e r ，w c d m a ，s m a r ta n t e n n a ，b e a m f o r m i n g 术语表 术语表( 字母顺序) 缩写 英文全称- i i 文全称 2 d r a k et w od i m e n s i o n a ir a k e 二维多释分集 b fb e a mf o r m i n g 波束成型 b e rb i te r r o rr a t e 误鸺率 b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 二进制柏移键控 c d m a 。 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 d o ad i r e c t i o no fa r r i v a i 波达力向 e g c e q u a lg a i nc o m b i n i n g 等增益合并 e s p r i te s t i m a t i o no fs i g n a lp a r a m e t e r s 借助旋转不变技术估计信号 v i ar o t a t i o n a i l n v a r i a n c e参数 t e c h n i q u e s f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双t f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e 频分多址 a c c e s s f p l m t sf u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l e术米公众陆地移动通信系统 t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m g b s b g e o m e t r i c a l l yb a s e ds i n g l e 几何甲反射 b o u n c e g b s b c mg b s bc i r c u l a rm o d e i 几何单反匀 j 凼周模型 g b s b e mg b s be l l i p t i c a lm o d e l 几何甲反射椭圆模型 g s mg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e 全球移动通信系统 c o m m u ni c a t i o n lm t - 2 0 0 0i n t e r n a t i o n a lm o b i l e国际移动通信2 0 0 0 t e l e c o m m u n i c a t i o n 一2 0 0 0 l s 一9 5 m o b i l es t a t i o n b a s ec o m p a t i b i l i t y双模式宽带扩频蜂窝系统移 s t a n d a r df o rd u a l m o d e 动台与牲站兼容性标准 w i d e b a n ds p r e a ds p e c t r u m c e l l u l a rs y s t e m s i t uin t e r n a t i o n a it e l e c o m m un i c a t i o n 国际电信联盟 u n i o n m a i m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e多址干扰 m e mm a x i m u me n t r o p ym e t h o d 最大熵方法 术语表 m f m a t c h e df i l t e r匹配滤波器 m l s em a x i m u m - l i k e l i h o o ds e q u e n c e 最大似然j 芋列估i = | j e s t i m a t i o n m m s e m i n i m u mm e a n s e q u e n c ee r r o r 最小均力+ 误差 m p i m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e 多径干扰 m r cm a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g 最大比合并 m u s l c m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n 多重信号分类 s cs e l e c t i o nc o m b i n i n g 选择式合并 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c e - p l u s - - n o i s e 信号孑二f ：扰噪声功率比 r a t i o s as m a r ta n t e n n a 智能天线 s n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o 信噪比 t d dt i m e d i v i s i o nd u p l e x时分双t t d s c d m at i m ed i v i s i o ns y n c h r o n i z ec o d e 时分同步码分多址 d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t d l t a p p e dd e l a yl i n e延迟抽头线 t d m at i m e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 u l au n i f o r ml i n e a ra r r a y 均匀线阵 w c d m aw i d e b a n dc d m a 。 宽带码分多址 w s f w e i g h t e ds u b s p a c ef i t t i n g 加权子窄问拟和 v 。 重庆邮电学院硕士论文 第一章绪论 1 1 移动通信技术的发展和c d m a 移动通信的发展可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，一开始它仪出现在实验窜和 军事领域。到7 0 年代初，美国贝尔实验室提出蜂窝系统的概念和理论之后，移 动通信才开始投入商刖和民j - 】，并在近2 0 年来得到飞速的发展。从世界上各地 区的通信网发展状况来看，数字移动通信系统在移动通信网络i l t 已经占到绝对 丰导地位。 数字移动通信系统在公众通信业务方面的戍川，按频率范同可划分为9 0 0 m h z 频段的全球移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mo fm o b i l e ) 、1 8 0 0m h z 频段的d c s 、p c s l 9 0 0 、码分多址c d m a 数字移动通信系统、d a m p s 和蜂 窝数字分组交换移动通信系统c d p d 。f i 前g s m 和i s 9 5 是商川最成功的两 利- 数字移动通信系统。 g s m 是迄今为止设计出来的最成功的无线通信系统，甚至可以说它与 无线通信的全球普及有着非常密切的关系。它在2 0 世纪8 0 年代末期 由e t s i 规定，已经取得了世界范闱内的普及。它混合采川t d m a 和 f d m a 技术作为多址方式，采j l jf d d 的双_ t 方式( 频分双t ) 。 i s 9 5 是利，码分多址( c d m a ) 系统，即直接序列扩频系统，并附加 了频分多址( f d m a ) 成分。可j | j 的频率范嗣被划分为1 2 5 m h z 的频 带；双t 是在频域实现的。在每个频段内，业务信道、控制信道和导 频信道川它们不同的扩频码子( 码片序列) 区分。码片速率为1 。2 2 8 8 m c s 。 移动通信要面临的一个首要的问题就是如何解决大量j l j 户共川有限的无线 频率资源，这就是通过多址方式来实现的。蜂窝移动通信系统白面向商用化以 来一直采j l j 技术高度复杂的频谱复 珏方法。为了使信号仪在要求通信的两者之 间传输而不受其它用户的影响，就必须选用适当的天线和多址方式，目前应用 较多的是f d m a 、t d m a 和c d m a 等三种多址方式。 自1 9 9 3 年t i a ( 美国电信_ t 业协会) 批准c d m a 作为扩频数字蜂窝移动 电话系统标准以来，c d m a 技术在蜂窝移动通信领域得到了迅速的发展。图1 1 是c d m a 技术的基本原理。随着l s 9 5 的广泛研发和应刚，导致c d m a 技术 成为第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 的基本框架。口前，- - 乖1 丰流的标准 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 均选川c d m a 基本的多址调制方案。 一第1 页一 重庆邮电学院硕士论文 z 掣 图1 1c d m a 码分多划：扩频技术基本原理 1 2i m t 2 0 0 0 及其关键技术 第三代移动通信的由米可以追溯到8 0 年代。1 9 8 5 年时国际电信联盟 ( i t u ) 的尤线电咨询委员会( c c i r ) 看到作为第，代蜂窝移动通信系统的各 种模拟制式的移动通信技术已经迅速推广使川，欧洲已着手制定作为第二代的 数字蜂窝移动通信技术标准，于是提出了。项远期的研究课题：“未来公众陆地 移动通信系统f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 。1 9 9 2 年世界无线电大会( w r c ) 决定在2 g h z 频段1 1 1 分配2 3 0m h z 给f p l m s 使j i j 。1 9 9 5 年i t u r 决定把f p l m s 改名为i m t - 2 0 0 0 ( 即国际移 动通信2 0 0 0 ) ，其中2 0 0 0 具有双重含义，即工作在2 0 0 0 m h z 频段，并在2 0 0 0 年左右投入商j j 运营。i m t - 2 0 0 0的主要目的是要达到全球化、综合化和个 人化，具体要求是： 统一。频段，统一标准，提供全球无缝覆盖和全球漫游的移动通信业务； 提供话音和非话音业务，特别是多媒体业务； 传输速率最高达2 m b p s ，其一l - 室内环境下为2 m b p s ，窜外步行条件下 达到3 8 4k b p s ，车载达到1 4 4k b p s = 便于由第二代移动通信系统演进和过渡； 要求移动终端设备的价格较低廉。 和第二代相比，第三代c d m a 空t i - 接口具有更大的带宽和切普速率，支持 多速率服务、分组交换、复扩展、光缝隙越频切换及双向链路的快速功率控制， 并引入导频信道和川户专州导频符号支持自适应天线阵和相干接收，以获得相 对于单天线和非相干接收至少3 d b 的性能增益。 为获得优于第二代的容量和覆盖性能和服务于运营的灵活性，即支持最高 数据率为2 m b p s 的多媒体业务，乃至一次连接提供多个并行服务，支持异步摹 站、分层小区和业务量集一l 的热点地区的不同蜂窝配置，支持对智能天线、多 一第2 页一 重庆邮电学院硕士论文 川户检测等先进技术的可扩展性，第三代c d m a 空中接口可采川下述的r a k e 多径分集、变长正交码字、多速与变速传输、快速功率控制、差错编码和矢量 均衡等技术。 1 2 - 1 初始同步技术与r a k e 多径分集技术 c d m a 通信系统的初始同步包括p n 码同步、符号同步、帧同步和扰码同 步等；移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何减弱多径哀落现象是移动 通信的另- 笨本| 口j 题，如果信号带宽较大，我们可以把时问能够分辨出的多径 进行合并，从而减弱多径造成的影响，这利技术成为r a k e 分集接收技术。 1 2 2 变长正交码子 相同带宽上的不同信息速率导致采川多个扩频因子的多速率传输，而正交 扩频总能提供优于扩展的朋户容量，冈此，下行链路般采朋对多个扩展冈子 保持正交性的变长正交码子。 具有幽1 2 所示树状结构的变长正交码子，其码子树中不仪同层码子相互 正交，而且不同层巾任意两个无母子关系的码子也是正交的。如将码子c 8 ( 1 ) 已分配给某一j i j 户，则码子 c 4 ( 1 ) 。c d 2 ) 或 c l e ( 1 ) ，c m 2 ) c 3 2 ( 1 ) ， c 3 2 ( 4 ) ，) 不能冉分配给同，j 、区内申请更低或高速率的其它川户，冈此，变 长正交码子的可川个数依赖于每个物理信道的数据率和扩展冈子。 c 。( 1 ) 扩展增益= l 2 4r 图1 2 变长正交扩展码子的码子树 1 2 3 快速功率控制 皋十s i r 测量的快速功率控制，可依据业务的高低和信道环境( 包括路径 损失、阴影与远近效应及多径干扰) 的好坏，实时调整上下行链路的发射功率， 从而降低对其它小区用户的多址干扰，并补偿远近效应的影响。 接收方通过导频和数据符号的相干分集接收可测量出s i r ，并与l = j 标值( 取 一第3 页一 一 一 一 一 一 ” 一一一 ( 1 l 0 i i 1 一 一 一一一一一一一一 一 一 一 l r l = ：一 = = = 卜 堂 坠 吣 2 一 口一 =q 一 小 ：一 _ q 州 | 玉 q 重庆邮电学院硕士论文 决于质量要求) 相比，即可判定发送方每问隔定时问( 如w - c d m a 的0 6 2 5 m s 和c d m a 2 0 0 0 的1 2 5 m s ) 是否增加或降低一定的发射功率( 如l d b ) ，并将此 结果以控制信息的形式通知发送方。显然，s i r 的测量时问与误差及日标s i r 的取值，限制可快速功率控制的速度和精度。 1 2 4 差错控制编码 对质量和延迟要求不同的语音和数据传输，需要采川纠错能力不等的信道 编码( 包括交织) ，如对语音业务可以使川码率为1 3 、约束长度为9 的卷积码， 对数据业务可使j l j 此卷移 码与r s ( 4 0 ，3 2 ) 码的级联码，以分别达到1 0 0 和 1 0 的误码要求。然对高速高质量服务，亦可采川1 0 喝 - - 1 0 刁误码率条件下 接近香农容量的t u r b o 码( 如码率为1 4 ，约束长度为4 ) ，以及相应的迭代译 码算法，尽量更高的编码增益要求更高的计算复杂度与译码延迟。 1 2 - 5 矢量均衡 矢量均衡的理想形式，即为多川户收发空时联合处理。多川户检测、智能 天线、多径分集、发射分集与收发信机联合优化的综合应川，决定未来的蜂窝 通行系统可获得突出的矢量处理增益，以及覆盖、用户容量和服务质量的明显 改善。矢量均衡技术与空时域联合处理将在第二章l | i 详细讨论。 1 3 导频辅助2 d r a k e 接收机的研究背景 现有的各利空时联合处理方案，尽管允分幂r jj l j 了信号的内在空时结构特性， f f l 通常具有较高的计算复杂性，较长的收敛时问( 包括各种辅助信息的测量时 间) ，另外，均衡器的抽头更新算法，往往还存在部分收敛性。冈此，能够直接 依赖导频测量空时多径信道参数的2 d r a k e 接收机是种能够在近期内直接 应川于第三代c d m a 空f | l 接口的空时处理方案。 考虑到相干检测具有3 d b 的性能增益，冈此，导频辅助相干2 d r a k e 接 收机，不失为w - c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的合适选择。事实上，w - c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 均支持导频辅助相干r a k e 接收机，以及对智能天线的扩展功能。 1 4 本文主要内容 本文的辛要内容及安排如下： 第二章详细介绍空时域处理。丰要包括：1 空时信道模型，为了直观的引 入矢量信道，采川先简单介绍传统的标量信道，然后引入空时信道；2 传统的 单时问域处理和单空问域处理方法：3 智能天线和2 d r a k e 接收机。 第三章讨论分析2 d r a k e 接收机。先从般接收机的机构出发，推导了 一第4 页一 重庆邮电学院硕士论文 在s i n r 最优准则下的权值矢量表达式，进步分析了b e r 解析表达：考虑到 2 d r a k e 接收机巨大的计算负荷，提出种分别从空问域和时问域肤缩的简化 方法，该方案在牺牲很小的s i n r 渐进特性的情况下使得计算复杂度显著的降 低；最后，给出了一种在考虑空问相关时在终端采川2 d r a k e 接收机的紧凑 天线阵的性能。 第四章建立了w c d m a 上行链路罐站2 d r a k e 接收机的仿真链路，在此 罐础上分析了w c d m a 接收机的关键模块。获得了s p w 软件仿真的接收性能， 验证了2 d r a k e 接收机比传统的r a k e 接收机有较大的性能改善，能很好的 对抗多j i j 户干扰。 第五章总结论文取得的成果，提出导频辅助2 d r a k e 接收机是利- 非常 有效的接收方案。 一第5 页一 重庆邮电学院硕士论文 第二章空时信道和空时处理 关于无线通信的自适应阵列技术的最新研究表明，使j f j 自适应阵列( 智能 天线) 和空时处理，可以有效的提高通信系统的性能和容量，并抑制同信道干 扰和煤质干扰，获得抵抗多径多址哀落的空问和时问分集。 本章同绕智能天线c d m a 蜂窝尤线通信系统，首先简单介绍传统无线衰落 信道及由此引出在阵列天线理论t l 起关键作川的空时信道和m i m o 系统，描述 传统的电时问、单空问处理的皋本方法和原理，分析两者的优缺点由此引出可 以获得更高传输质量而进行空时二维处理的必要性，简介常川的二纬处理的宽 带智能天线及2 d r a k e 接收机。 2 1 无线移动信道 传输信道的特性很大程度上决定了宽带系统的性能。冈此，需要对宽带( 色 散) 尢线信道有。个较深的理解。 2 1 1 平坦衰落信道 在讨论宽带信道之前，让我们先扼要介绍下平坦哀落信道的特性。在 个平坦哀落信道l l i ，接收信号y ( t ) 等于发送信号x ( t ) 乘上个时变哀减q ( t ) ，在加 上一个噪声项n ( t ) 【3 】。 y ( f ) = 口( f ) x ( f ) + 玎( f ) ( 2 1 1 1 ) 这个时变的哀减就称为衰落。实验和理论分析都表明，它通常服从瑞利 ( r a y l e i g h ) 分布： 硝( 咖吾c x p 【- 等】，o 口 ( 2 1 1 2 ) 这坐，o 是高斯过程的方差。它成立的条件是存在大量统计独立的散射体， 并且没有个散射体占丰- , 9 地位。如果有个散射体占丰导地位【通常成为 ( l o s ) 分量】，则a 服从莱斯( r i c e ) 分布，其概率密度函数如下： 彬( 小暑侧一百a 2 + 厂a 2m ( 等) ，0 _ ，1 2 。对于m - - 1 ，此分布退化为瑞利分布。 移动台的运动会导致接收信号的频率发牛偏移( 多普勒效应) 。如果发射信 号是。个频率为f o 的正弦波，则接收信号在一f o v c f f o v c 内的频谱是： w ) 虻丽1 ( 2 1 。1 6 ) 瑞利衰落和莱斯衰落被认为是小尺度衰落，它描述的是大约1 0 个波长范围 内的变化。实验表明小尺度平均幅度f 服从对数正态分布： 刚耻丽1 啦p 【_ 鼍乒】 ( 2 1 - 1 7 ) 这里1 1f 是i n ( f ) l 筝j 均值，0f 为i n ( f ) l 基j 方差。均值丰要由婊站和移动台之 问的路径损耗决定；方差通常在4 - - 8 d b 之问。 2 。1 2 时问色散信道 信号衰落产生的机理：信号成分( 回波) 在不同的物体上反射并或多或少 地叠加上随机的相移。为解释平坦衰落，假设所有回波都在同一时问达到，因 此可以直接相加而得到y ( t ) 。严格说来，反射信号的传播时问是不样的，如 图2 1 所示那样，只有那些被分布在同个椭圆上的物体反射信号才会在同一 时问达到接收机。 一第7 页一 重庆邮电学院硕士论文 图2 - 1 散射体椭圆示惫图 在实际中，我们可以把限制放宽一点：如果接收机的带宽是w ，当c 1 a n 时，接收机不能区分出在r 和t + t 之问的反射信号。分布在一个面 包罔形状区域内的物体导致的反射波，其传播距离在c 0t 和c 0 ( t + t ) 之间， 可以看做是“有效地”同时达到地，冈此可以将它们直接相加。这样，我们就 可以把冲i i i 响应在时间上分成宽度为c 地小问隔，在每个小问隔内分别计 算反射信号的总和。如果在每个面包圈形状的区域内散射体的数丌足够多且没 有丰散射体，则在每。个小问隔坐，其幅度都服从瑞利分布。我们近。步定义 最小延迟为举站和移动台之间的直射信号的传播时问，即d i s m s c o ，最大延迟 为从皋站到移动台通过最远散射体( 尤其是那些对信道冲t 响应有影响的散射 体) 的信号传播时问。最大延迟和最小延迟之问的差称为最大超量延迟rm 觚。 这样就从时域角度给出了窄带系统和宽带系统的一个数学上的描述：如果 一个系统带宽的倒数i a n 比最大超量延迟rm 双大得多，则此系统就是一个窄 带系统。在这种情况下，所有的回波都会落到同一个延迟问隔里，这个延迟间 隔的幅度是a ( t ) 。反之，如果回波落在不止一个小的问隔里，就是个宽带系 统。这个定义也解释了宽带信道的时问色散的含义。在一个宽带系统里，接收 信号与发送信号的形状是不同的，而在个窄带系统里，它们则是相同的( 不 考虑噪声的影响) 。 通常描述宽带时问色散信号的理论是非常复杂的。这里，我们只介绍几种 描述频率选择性衰落的参数，些参数已经发展成了标准，其t i i 最重要的是延 迟扩展和柏干带宽。延迟扩展引起频率选择性衰落( f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g ，意味着衰落与频率有关) ，并且可以川相干带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 描述。丰h 干带宽农示在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大频率差。 在t 程上，对于相位调制信号，相干带宽可以j 1 j 下式估算： & d ：l 2 砖 ( 2 1 2 1 ) 式中表示延迟扩展。相干带宽在处理噪声受限系统时十分重要，它反映 如果采川均衡器或者瑞克接收机而可能获得的同有分集增益。 一第8 页一 重庆邮电学院硕士论文 对智能天线的研究近几年迅速升温。在下一节中我们会解释，智能天线可 以看作一个空间均衡器或瑞克接收机，从而能对不同方向入射的信号的相位进 行修正。对这些应川我们需要一个包含方向成分的信道模型。 2 2 空时信道模型和m l m o 系统 无线通信信道的空问特性是决定智能天线系统性能至关重要的l 天l 素。本节 给出些空问信道模型，着重考察影响空问处理接收机的无线信道特征【4 】。 经典信道模型只提供了接收信号的功率电平分布和多普勒频移的信息。下 面的论述可以看到，许多新的空问模型也是n i l j 了这些经典的基本模型。但是， 现代空问信道模型在多径哀落和多普勒频移的经典理论摹础上，还融入了时延 扩展、波达角和自适应天线阵的几何机构等。 由基本信道模型产生了目前为移动台和基站共同采用的空问分集的理论。 现在信道模型在宽带调制解调的设计上同时包含了时空的特征。早期的信道模 型只能j l j 于信道发牛时变的幅值和相位的情况。补充了时延扩展后，这些模型 得到了改进，这在分析无线通信链路上的数字调制时。i 分重要。现在，随着建 立在移动台空问分布笨础上的技术和特征的引入，柏关的信道模型就需要增加 考虑带时空特性。移动台和罐站的区别也是很重要的。经典研究t 作表明，模 型必须考虑所考察的天线附近散射体的几何分布。这些散射体的数量和位置取 决于天线阵相对于当地环境的高度。 2 2 1 空时信道 在无线通信系统中，多径导致窄带系统发生衰落，在宽带系统r 1 1 则引起符 号问的干扰，从而影响性能。由于c d m a 系统利玎了路径分集，所以表征多径 也很重要。在采川同定式定向天线，切换波束系统和自适应天线等空问滤波形 式的系统中，多径分量的角度( 或空间) 分布在决定无线链路性能时十分重要。 在不具备测量数据和定位预测方法的情况下，为模拟这些系统，必须使川能够 产牛包括多径分量的波达方向( d o a ) 信息在内的多径信道参数模型。在没有其 它信息的情况下，研究者般假设多径分量的方位角d o a ，m ，在【o ，2 n 上均 匀分布，但这通常并不准确【5 】。 本节重点介绍一些真实的空问信道模型，描述定义方程( 或几何描述) 和重要 结论针对不同的应用提出不同的模型【6 】。 一第9 页一 重庆邮电学院硕士论丈 l e e 模型 图2 2l e e 模犁 l e e 模型t l ，散射体均匀分布在以手机为i l i 心的圆环上，如图2 2 所示。 该模型j l j 来估计摹站和手机处的传感器接收信号的相关性，它是阵兀问距的函 数。相关程度决定了空间分集方法的性能，通常，较大的角度扩展和阵) c 问距 导致较低的相关性，提高分集增益。对皋站和手机处相关性进行测量，结果与 摧站处角度扩展较小而手机处的角度扩展较大的结论。致。对是站的相关性测 量表明，散射体的典型半径取值为1 0 0 至2 0 0 个波长。该模型可以解释为，对 窄带信号而言，为使手机获得良好的分集( t e 相关性) ，阵冗问距需为0 2 九，而 皋站则需要至少4 0 l 的阵) c 问距。 假设n 个散射体均匀分散在半径为r 的i 逸| 周上，并使某个散射体位于可视路径 上，则散射体d o a 为： 咖舍s i n 万2 xf ) f - o ，1 ，一l 由离散d o a ，我们可以得到任意两个阵冗窄带信号相关性： ，( d ，九，r ，d ) = 专篓e x p 卜2 翮c 。s ( 九+ 办) 】 式中，d 是阵元问距，九是入射方向和两个阵元连线的夹角。 ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) 几何单反射统计信道模型 通过定义。个空问散射体密度函数，人们提出了几何单反射( g b s b ) 统计信 道模型。这些模型不论在仿真还是在分析上都很有川。仿真- l - 使川模型时，需 要根据空间散射体密度函数的形式，在散射体区域1 f ，随叫随机放置这些散射体。 由每个散射体的位置可以确定d o a 、t o a 和信号幅值。 由空间散射体密度豳数可以导出t o a 和d o a 的联合和边缘概率密度函数。 一第1 0 页一 。 重庆邮电学院硕士论文 利川这些知识可以估计自适应阵列的性能。进而，通过波束形成和定位算法， 可以允分利川所得阵列响应的基本结构信息。 我们考察g b s b 模型的两个变型。g b s b 圆周模型( g b s bc i r c u l a rm o d e l 。 g b s b c m ) 适川于高层宏小区环境，皋站远高于散射体，认为散射体分布在以 手机为l l i 心的凼周上。第二个模型，g b s b 椭删模型( g b s be l l i p t i c a lm o d e l 。 g b s b e m ) ，假设散射体均匀分布在发射机，接收机的路径上。g b s b e m 模型更 适川十底层微小区环境以及基站天线和周同杂波高度相同的情况。 几何单反射圆周模型一宏小区模型 jly 基站 昆 7 l 图2 - 3 圆周分椎散射体密艘几何描述 几何单反射圆周模型( g b s b c m ) 的几何描述见图2 3 。假设散射体位于以手 机为l 心的半径为r m 的范围内。通常要求r m d 。建立该模型的假设条件是， 在天线高度相对较高的宏小区环境中，不会有来自基站附近散射信号。 由此模型得到的t o a 和d o a 的联合密度函数使我们能更清楚地理解这个 模型的本质。币u j i j 雅可比变换，可以得到綦站和手机处的t o a 和d o a 的联合 密度函数。进而得到罐站处的联合概率密度函数( p d f ) 为： “t 咖- - t i 生镶篆笋譬警d c o s # 溉 z ( t 咖锄娥( d c o s 矽一砌3 留一 _ 1 0其它 ( 2 2 1 3 ) 手机端的p d f 为： 船舻 生塑4 m i 竖! 掣生警s 巩= 2 ( d c o s # - m ) d c o s 矽 正一( f ，咖= 3 一哆 一h l 0 其它 利川圆周模型估得的多径分量，其可视路径上的附加延迟通常较小。令由 一第1 1 页一 重庆邮电学院硕士论文 模型估得的角度扩展( 是r m 的函数) 等于测量值，可确定散射体圆周半径的合 适取值。文献口的测量表明，t - r 距离为l k m 的宏小区环境下，角度扩展典型 取值约为2 6 0 。 g b s b c m 可以为仿真产牛信道样本。利j i jg b s b c m 产牛信道冲讲响应的 样本时，要令散射体均匀分布在以手机为i 心的圆形散射区域内，计算柏应的 d o a 、t o a 和功率电平。 几何甲反射椭圆模型一微小区模型 j 。_ ：篡删刘、 ： u 1 1r 二 - 基站 手机 。 _ 图2 4 椭圆形分邪散射体密度f 内几何描述 在g b s b e m 模型i i j 散射体均匀分布在。