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摘要 h s d p a 信道预测算法的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：潘矜矜 指导教师：戴宪华教授 摘要 高速下行分组接入技术( h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 是 w c d m a 增强型技术，其实现主要是通过采用时分共享信道以及链路自适应调 整、h a r q 等技术提高了系统的数据吞吐率以及业务性能，同时保证系统的前向 兼容，除在无线网络子系统r n s 增加相应的媒体控制模块m a c # f ，不对系统结 构带来其它影响，主要通过增加相应软件就可以实现，具有更高的容量、更低的 成本以及更高的频谱效率特点，成为3 5 g 技术的应用热点。 时变信道的状态预测是下一代移动通信系统实现自适应传输的关键问题。本 文通过分析h s d p a 技术应用的特点以及对比目前采用的信道预测技术所存在的 缺陷，提出了基于h s d p a 系统的k a l m a n 修正l r p 信道预测算法。我们在研究 传统的l r p 信道预测算法的基础上，引入采样数据的抽取及k a l m a n 滤波修正。 即对采样数据进行抽取，通过训练序列作为信道的过去信息得到a r 模型系数， 采用l r p 信道预测算法进行信道预测，并利用k a l m a n 一步预测算法进行修正， 从而实现较长时间的预测。此算法避免了反复计算a r 模型系数，弥补了传统 l r p 算法的不足，并能得到较好的预测性能。 本算法的主要原理是信道数据之间存在着相关性，因此采用a r 模型进行预 测是可行的，我们对采样数据进行抽取起到了增加预测步长的作用。同时移动台 高速运动产生的信道快衰落的衰落系数是一个与多普勒频偏有关的量，利用多普 勒频移与速度的关系，采用卡尔曼滤波对移动体的位移和相位进行一步预测。当 信道由于移动台移动速度快速变化时，信道数据的相关性下降，采用k a l m a n 预 测可以有效地阻止预测质量迅速变坏的现象。使得预测数据准确可靠，从而提高 预测性能。 关键词：无线通信，信道预测，信道模型，自适应编码 摘要 r e s e a r c h e so nc h a n n e lp r e d i c t i o ni nh s d p a s y s t e m m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：j i nj i np a n s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n h u ad a i a b s t r a c t h i g hs p e e dd o w u l i n kp k e ta c c e s si st h ee n h a n c e m e n to fw c d m a i tt h r o u g h u s et h et i m ed i v i s i o n s h a r i n gc h a n n e l , a d a p t i v e m o d u l a t i o na n d c o d i n g , h y b r i d , a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s ta n ds oo n ，t or e a l i z et h eh s d p af u n c t i o n , s u c ha sl a r g ec a p a c i t y ，l o wc o s ta n dh i g h e rf r e q u e n c y s p e c t r u me f f i c i e n c y c h a n n e lp r e d i c t i o ni nt i m ev a r i a t i o nc h a n n e li st h ek e yt or e a l i z et h ea d a p t t r a n s m i s s i o ns y s t e m s i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fh s d p a s y s t e m a n dt h e nh a v ec o n t r a s t e dt h ef l a ww h i c ht h ea l g o r i t h mo fh s d p ac h a n n e lp r e d i c t i o n s ow ec o m eu pw i t l lac h a n n e lc o n d i t i o np r e d i c t i o nm e t h o df o rh s d p ac h a n n e l p r e d i c t i o n , w h i c hb a s eo nk a h n a nf i l t e r i n ga n da u t or e g r e s s i v e ( a r ) m o d e l w e i n t r o d u c e dt h es e l e c t i o no ft h es a m p l ea n dt h er e v i s i o no fk a l m a na f t e rs t u d i e d t r a d i t i o n a ls o l u t i o no fl r p a l g o r i t h m s i no r d e rt of h l 6 nt h el o n g e rp r e d i c t i o nw e e x t r a c tt h ed a t af r o ms a m p l e s ，e s t a b l i s h e dt h ea rm o d a lc o e f f i c i e n tb yat r a i n i n g s e q u e n c ea st h ep a s ti n f o r m a t i o n , p r e d i c tt h ec h a n n e lc o n d i t i o nb yt h el r pc h a n n e l p r e d i c t i o n , a n dr e v i s i o nt h e mb yk a l m a nf i l t e r t h ea l g o r i t h mw ea d v a n c e dc a na v o i d t h er e p e a t i n gc a l c u l a t i o nb yu l r pa l g o r i t h m w ef o u n dt h a ti to b t a i nt h eg o o d e f f e c ti nc h a n n e lp r e d i c t i o nb ys i m u l a t i o na n a l y s i s s i n c et h ec h a n n e ld a t ac o r r e l a t e sw i t ha n o t h e r , s ou s i n gt h ep r e d i c t i o nb ya r m o d e li s f e a s i b l e ，i ti n c r e a s et h ef o r e c a s tt i m er a n g eb ye x t r a c t so nt h ed a t ai n s e p a r a t e dt h ec e r t a i nt i m e w h e nm o b i l em o v ei nh i l g hs p e e d , i tm a yp r o d u c ed o p p l e r s h i f t i th a si n f l u e n c et oc h a n n e ld e c l i n ec o e f f i c i e n t t h em e r i to f t h ea l g o r i t h mi st h a t t h ec o r r e l a t i o no fc h a n n e ld a t aw i l lr e d u c ew h e nc h a n n e lc o n d i t i o ng o e sb a db e c a u s e i 中山大学硕士学位论文 o ft h eh i g hs p e e do fm o b i l e i tc a l lp r e v e n tt h ep e r f o 邶柚c eo fp r e d i c t i o nf r o mg o i n g b a d t h e r e f o r e , w ec a ni m p r o v et h ep r e d i c t i o nb ym a k i n gt h ed a t am o r ea c c u r a t ea n d r e l i a b l e k e yw o r d s ：w h e l e s sc o m m u n i c a t i o n , c h a n n e lp r e d i c t i o n , c h a n n e lm o d e l ， a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究作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。 学位论文作者签名：孝咿 e t 期：抄砗f 1 月p 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆，院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。保密的学位论文 在解密后使用本规定。 学位论文作者签名：肌导师签名： 日期：脚( f 月( - p 日日期：年月日 第一章引言 第一章引言 移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。随着社会经 济和交通状况的发展，人们的社会活动日益频繁，这种在移动中随时获取信息和 满足通信需求的通信方式，已经成为二十一世纪发展最快、最有前途的通信方式 之一。 蜂窝移动通信从发明至今，已经由第一代移动通信系统发展到了第三代移动 通信系统。第一代移动通信系统是采用f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ：频分多址) 方式的模拟蜂窝系统，以北美的a m p s ，英国的t a c s 和北 欧的n m t 等为典型代表，我国二十世纪八十年代也是采用这种制式。第一代移 动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话 质量不高、不能提供数据业务、系统间不能提供漫游等。 自二十世纪八十年代中期开始，欧洲、美国和日本相继推出了各自的数字移 动通信系统，统称为第二代移动通信系统。主要采用t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ：时分多址) 和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) 的数字通信技术。第二代移动通信系统仍被广泛使用，以欧洲的g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ee o m m t m i c a t i o n ：全球移动通信系统) 系统、北美的i s 9 5c d m a 系统和日本的j d c 和p h s 系统为代表，目前g s m 在全球的市场占有率已经超 过百分之七十五。第二代移动通信的核心业务是语音业务，其核心网基于电路交 换技术，由t d m 线路承载语音和低速率数据业务。c d m a 和g s m 这两种制式 之间难以实现漫游，不能满足全球通信的需求；并且由于数据通信技术的进步， 特别是互联网的普及，多媒体移动通信也成为现代通信技术发展的主要目标。以 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ：通用无线分组业务) 为代表的2 5 g 技术能 够提供峰值为1 7 1 2 k b p s 的无线传输带宽，其实现平台是在原有的基于电路交换 的网络中增加一个平行的分组网络，这种改进使得业务速率的提高和提供业务的 灵活性都受到很大限制，不能从根本上解决第二代移动通信在数据业务中的缺 陷。 我国自1 9 8 7 年在广东开办移动电话业务以来，到1 9 9 3 年用户增长速度均在 中山大学硕士学位论文 2 0 0 以上，1 9 9 4 年移动用户规模超过百万大关，此后移动电话用户数每年几乎比 前一年翻一番。1 9 9 7 年7 月1 7 日，我国移动电话第1 0 0 0 万个用户在江苏南京 诞生，标志着我国移动通信又上了一个台阶，它意味着中国移动电话只用不到 l o 年时间所发展的用户数超过了固定电话1 1 0 年的发展历程。2 0 0 1 年8 月，中 国的移动通信用户数超过了1 2 亿，已超过美国跃居为世界第一位。2 0 0 7 年7 月 据中国移动在线统计，移动电话用户总数已达5 亿。 由于第二代系统远远不能满足业务量的发展需要，所以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。第三代移动通信系统i m t2 0 0 0 是 国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出了工作在2 0 0 0 m h z 频段的移动通信系统，当 时称为陆地移动通信系统，即f p l m t s 。1 9 9 6 年正式更名为i m t 2 0 0 0 。 第三代移动通信系统的主要无线接口技术有欧洲提出的w c d m a ，北美提 出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。最初提出的第三代移动通信系统的 数据传输速率，在静止情况下能达到2 m b i t s ，在步行情况下能达到3 8 4 k b i t s ， 在高速情况下能达到1 4 4 k b i t s 。 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，宽带码分多址) 是i m t 2 0 0 0 家族最主要的三种技术标准之一，采用直接扩频技术。w c d m a 标准由第 三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 制订，历经多年努力，到目前为止，r 9 9 、r 4 和r 5 三 个版本已完成定稿。w c d m a 的r 9 9 版本功能于2 0 0 0 年3 月份确定，标准已相 当完善，此协议在高速移动状态下，可提供3 8 4 k b p s 的传输速率，在低速或室内 环境下，最高传输速率可以达到2 m b p s 。而g p r s 的最高传输速率只有1 7 1 2 k b p s ， g s m e d g e 采用8 p s k 后可以达到4 7 3 k b p s 的速率。目前在全球己安装和试开通 的w c d m a 网络主要以r 9 9 版本为基础。r s 版本于2 0 0 2 年6 月冻结，它引入 了h s d p a 高速下行分组接入技术，其理论峰值数据速率可高达1 4 4 m b p s ，表 1 1 列举了3 g p p 协议演进中的关键技术。 相对g s m g p r sb s s ( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m 基站子系统) 而言，r 9 9 引 入了全新的无线接入网im l a n ( u l l i v e 娼a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k ，通用 地面无线接入网) ，无线接口基于c d m a ，信号带宽为5 m h z ，码片速率为 3 8 4 m c h i p s ，每个小区下行业务带宽支持2 m b p s 。 2 第一章引言 表1 - 13 g p p 版本演进分析【1 4 l 版本演进内容 g s m g p r s 到r 9 9 全新的u t r a n 接入网；q o s 业务网；引入小区同步、高 效信道编译码、功率控制技术；支持发送和分集、软切换 等功能；支持l i e 定位业务 r 9 9 到r 4核心网传输增强；核心网c s 域控制层和传输层分离；i u b 和1 w 上的a a l 2 连接的q o s 优化；引入t d s c d m a ： l i e 定位服务增强 r 4 到i u引入多媒体口子系统( i m s ) ，增加核心网上的m a p 安全 保障，以及分组域的安全性；支持u t r a n 与g e r a n 的 i u - i u r - - g 接1 2 1 ；引入犯传输技术；实现高速率下行分组技 术h s d p a ； r 5 到r 6支持第二阶段的i m s 和、礼a n u m t s 的互通；多媒体广 播组播业务；实现高速率上行分组接入( h s u p a ) ，h s d p a 增强技术：包括增强h s d o c c h 信道a c k n a c k 解码可 靠性和增强下行物理信道f d p c h ： r 7 及未来 多入多出天线( m m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t a n m n n a s ) , l y e 定位服务增强；全球网络的可行性；引入 2 6 0 h z ，9 0 0 m h z ，1 7 0 0 m h z 频段；正交频分复用( 0 f d m ： 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 ) h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，高速下行分组接入) 是3 g p p ( 第三 代合作项目) r e l e a s e5 版本规范中引入的一个重要的新技术，是一些无线增强技 术的集合，是r e l e a s e9 9 发表以来r f 领域中发生的最重大的变化。可采用1 6 q a m 调制方式，较大地提高了频率利用率，使小区下行峰值1 3 9 m b p s 水平，其物理 层峰值达到1 4 4 m b p s 。 2 0 0 0 年3 月m o t o r o l a 在西班牙召开的3 g p p 标准化组织t s g 4 r a n 第7 次 会议上，提出了h s d p a 的最初设想。2 0 0 1 年1 月，在美国波士顿召开的 t s g 4 r a n 第1 8 次会议上，公布了h s d p a 的标准化成果。3 g p p 中确定了h s d p a 发展的三个阶段，即基本h s d p a 阶段、增强h s d p a 阶段以及h s d p a 进一步 中山大学硕士学位论文 演进阶段和每阶段采用的关键技术，其中h s d p a 进一步演进阶段目前还未最终 确定，仍在3 g p p 内进行研究，见表1 2 。 表l - 2h s d p a 演进的三阶段及相应关键技术简表 h s d p a 阶段引入版本引入的关键技术下行峰值速率 基本型 w c d m an l o d eb 的高速媒体访问控制协议1 0 8 1 4 4m i t c s r 5 ( m a c - h s ) 和a m c 增强型 w c d m a 智能天线和m i m o 等 3 0 m b i t s r 6 进一步制定中d f d m 和6 4 q a m ；多标准m a c 控制 1 0 0 m b i t s 实体 1 1 研究背景及意义 本文的研究背景是h s d p a 技术在无线移动通信中的进一步应用，即增强型 及其进一步标准的h s d p a 技术，下行峰值速率达到3 0 m b p s 1 0 0 m b p s 传输速率， 引进更高调制效率的6 4 q a m 调制方式，以及为高速行使的移动体( 如正常行驶 的汽车、高速列车) 提供包括语音、多媒体在内的移动通信业务1 4 0 6 1 。 2 0 0 5 年华为h s d p a 已在荷兰t e l f o r t 网络完成商用演示，网络性能优异稳 定，得到客户的高度认可，数据传输速率可以达到1 8 m b p s ，目前设备厂商可供测 试和商用的h s d p a 产品仅限于第一阶段，第二阶段的设备也在不断的成熟和完 善之中。致力于发展w c d m a 的移动运营商正在不断努力，以迅速发展h s d p a 网络和移动用户设备l i e ( u s e re q u i p m e n t ) ，使其能够与基于i x e v d o 和基于 i x e v d v 的系统有效竞争。因此，适时研究h s d 队，对于我们全面了解后3 g 时代的技术走向十分重要。对h s d p a 系统进行深入的研究，不仅具有潜在的理 论价值，而且还具有重要的现实意义。 h s d p a 目前的主要技术是：通过在物理层引入了大量的关键技术，诸如 a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o n sa n dc o d i n g 白适应调制编码) 、f c s ( f a s tc e l l s e l e c t i o n ：快速蜂窝选择) ，h a g q ( h y b 耐a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ： 4 第一章引言 混合自动重传请求) ，2 m s 短帧、多码率传输、1 6 q a m 等。其中，自适应调制 编码技术a m c 是一种链路自适应技术。其基本思想是，当用户处于良好的无线 环境时，选择高阶调制和高码率信道编码方式( 如1 6 q a m ，3 4 编码速率) 传送 用户数据，从而得到较高的传输速率；而当用户的信道质量下降时，则选用低阶 调制方式和低码率( 如q p s k 调制和1 4 编码速率) 从而保证通信质量。 在实际使用自适应技术时，反馈信号以及算法过程的延迟会制约自适应技术 的应用，慢速的信道状态信息只适用与慢速的自适应传输系统，而对与增强型 h s d p a 甚至更进一步的h s d p a 版本，更多的是考虑由于高速移动的物体( 如高 速列车，正常行驶的汽车等) 在移动中产生的多径效应和多普勒效应引起移动信 道的快衰落导致的信道状态变化，这些变化将与移动设备的运动速度，运动方向 等各个状态变量都有关系，因而对信道预测算法提出了更高的要求。 1 1 1h s d p a 技术 所谓h s d p a , b p 高速下行链路分组接x , ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 技术，是w c d m a 系统r 5 协议中引入的无线增强技术，其实现主要是通过采用 时分共享信道以及快速链路调整、集中调度、h a r q 等技术提高了系统的数据吞 吐率以及业务性能，同时保证系统的前向兼容。h s d p a 功能主要是在n o d eb 修改比较大，对r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ：无线网络控制器) 主要是修 改算法协议软件，硬件影响很小，除在r n s ( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m ：无线网 络子系统) 增加相应的m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ：媒体接纳控制) 模块外， 不对系统结构带来其它影响，一般来讲实现h s d p a 功能不需要硬件升级，只要 通过增加相应软件就可以实现，具有更高的容量、更低的成本以及更高的频谱效 率和数据传输速率，成为3 5 g 技术的应用热点【i 硎。 1 1 2 全球h s d p a 应用现状 i n f o r m a 电信及媒体公司本月在一份最新报告中称，全球3 5 g 用户将由今年 底的2 5 0 万人，增至2 0 1 0 年的2 亿人以上。据全球移动供应商联盟( g s a ) 近 5 中山大学硕士学位论文 日提供的调查报告显示，计划使用或已经建成h s d p a 网络的国家目前已经有5 1 个，计划部署、正在部署或已经商业部署的h s d p a 网络的数量达到1 0 8 个。大 部分w c d m a 标准的3 g 网络，只要软件方面升级，便可以实现h s d p a 。目前 全球已有l l o 个商用w c d m a 网络。 随着h s d p a 进入规模商用阶段，截止到2 0 0 6 年6 月1 2 日，全球提供和支 持h s d p a 的网络设备和终端设备厂商共达5 3 家。 爱立信和诺基亚在h s d p a 市场中表现活跃，两家市场份额占据了h s d p a 的大多数。华为、阿尔卡特、朗讯、n e e 、西门子、北电等企业的h s d p a 设备 也已经得到了商用。中兴有望在今年下半年获得商用突破。 2 0 0 5 年l o 月朗讯网通在上海进行第一次h s d p a 系统路测时，正常车速下， 测试人员使用笔记本电脑和h s d p a 设备演示了大尺寸文件高速下载、多媒体 视频点播等应用，实现了最高1 2 m b p s 、平均7 0 0 k b p s 的大尺寸文件高速下载和 动作顺畅、画面清晰、伴音悦耳的多媒体视音频流，标志着h s d p a 的商用将在 全球广泛应用。这也意味着对h s d p a 技术的进一步研究将具有一定的现实意义。 1 1 3 研究h s d p a 信道预测的意义 h s d p a 的商用将在全球广泛应用，同时我们也可以看到，随着h s d p a 的 引入从话务模型，网络规划方案、优化手段到网络k p i ( k e yp e r f o r m a n c e i i l d i c m i o n ：关键性能指标) 都将发生很大的变化，因此h s d p a 与r 9 9 的网络 规划技术存在很大的差异【4 l 。虽然现在大多数厂家都宣称可以通过软件升级支持 h s d p a 功能嗍。目前的h s d p a 设备以及w c d m a 网络内部一些固有的技术将 随着高速率多媒体业务的引入产生较大的变化。虽然h s d p a 可以在w c d m a 原有框架上采用增加软件的方式就可以实现，但是随着用户以及用户对多媒体业 务需求的不断增加，必将对w c d m a 技术的物理层、链路层技术产生相应的影 响。比如在汽车正常行驶状态下，因为多径效应和多普勒效应将引起移动信道状 态的快速变化，这将对系统中传统的一些功率控制算法、信道估计预测算法提出 新的要求。另外，目前h s d p a 中新技术虽然在很大程度上克服了无线移动通信 中由于多径效应和多普勒效应产生的快衰落，并有效地提高了系统的数据传输速 6 第一章引言 率和数据传输能力，但其实现都是基于u e ( u s e re q u i p m e n t ：用户设备) 根据导 频对载干比的测量，即众多h s d p a 新技术起作用的前提是l i e 对导频的测量值 与传输数据时真实的载干比是相等的或者误差可以忽略不计的，如果这个前提不 能实现，则h s d p a 系统性能将会下降。 在自适应调制编码方面，目前可供选择自适应选择的调制模式集包括： q p s k 、1 6 q a m 、q u i e t 模式( 静默模式) 以及在增强型h s d p a 中采用6 4 q a m 调制方式。应该说实现h s d p a 这个功能的难度并不是很大，关键是实现的性 能，所以h s d p a 技术实现后的真正性能需要验证。特别是对于移动台处于正常 行驶的汽车运动速度或在高速列车运动速度下，速度变化和多普勒频移对系统的 数据传输性能提出了新的挑战。所以在实际应用中，可进行实时的、便于快速跟 踪信道状态变化的信道估计、信道预测算法的自适应传输技术将是该领域的研究 核心和难点所在【埘。 1 1 4h s d p a 信道预测研究现状 在移动通信系统中，传播环境和信道特性非常复杂，在信道特性上体现为慢 时变性；并且在蜂窝移动通信中，由于每个小区中的用户由于所处的位置与基站 的距离不同、传播环境不同，它们的传输条件和质量存在差异，为了克服信道的 慢时变特性以及由于用户位置和环境变化引起的信道变化，移动通信系统采取了 功率控制、速率控制、速率自适应、调制与编码方式的自适应以及上层自适应等 措施，这些技术总称为链路自适应技术。 链路自适应技术在h s d p a 中的应用大大提高了频谱与扩频码的利用效率， 不过这些技术对信道状态变化敏感，对于汽车的正常行驶速度或者高速列车来 说，由于速度较快，多普勒频移引起的信道衰落比较明显，如果信息传输时的信 道状态与预测到的状态差异太大，就会使得自适应传输系统的性能下降，所以要 求能够满足实时应用的信道预测算法必须具有算法简单和预测时间长度长的特 点。 目前已经有很多学者提出了关于h s d p a 信道预测技术的方法，比如文献 【1 砌1 1 的3 g p p 标准中明确提出采用信道预测技术提高h s p d a 性能，并建议采用 7 中山大学硕士学位论文 域值调整算法作为a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g ：自适应调制编码) 的自 适应调整参数，但由于系统中有关l i e 的信息要通过网络的传输和处理得到，有 较大的时延，不能适应高速移动物体的信号传输【4 】，文献【4 2 】在链路级研究了信 道预测技术对a m c 技术链路性能影响。另外，基于信道参数预测的l m s 长 期预测算法、m m s e 算法 2 9 1 ，这些算法都在一定程度上获得了预测效果，但是 由于移动通信信道的复杂性，采用单一参数很难正确反映信道的实时变化，为了 实现自适应传输技术，信道状态信息( c s d 必须是可知的。目前有很多信道预 测算法在移动信道下获得了可靠的性能，例如最大熵方法 4 3 1 ( m a x i m u me n t r o p y m e t h o d ) 、长距离预测算法m 【4 鲥( l r p ，l o n gr a n g ep r e d i c t i o n ) 和e s p r i t ( e s t i m a t i n gs i g n a lp a r a m e t e rv i ar o t a t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s ，借助旋转不变技 术估计信号参数) 算法【1 7 】等。 1 2 本文的主要研究工作 本文主要工作是对h s d p a 信道预测技术进行研究。通过对h s d p a 现有信 道预测技术的对比，并根据h s d p a 业务特点及其对信道预测的要求，提出采用 卡尔曼滤波对信道状态进行预测，并进行了计算机仿真。 在完成本论文的过程中，主要做了以下工作： 首先是在信道特性分析基础上对由于多普勒效应引起的小尺度衰落信道模 型进行仿真，比较当前存在的c l a r k e ，j a k e s 以及改进的j a k e s 信道模型。 然后对现有的比较常用的信道预测算法进行比较，根据文献中提出的参数预 测算法和状态预澳4 算法的原理及仿真结果的分析，提出在h s d p a 中应用状态预 测性能优于参数预测的观点，并对信道状态预测算法的几种成熟算法如最大熵方 法( m e m ：m a x i m u me n t r o p ym e t h o d ) 、长距离预测算法( l r p ：l o n gr a n g e p r e d i c t i o n ) 和e s p r i t 算法进行了研究对比。l r p 算法被应用于信道预测的主要 优点是算法简单，但是它的缺点在于预测的时间较短；另外，l r p 算法是在a r 模型的基础上实现的，采用a r 模型进行的是功率谱估计，实际上，波形估计能 更好地预测出信道衰落特征。基于算法简单，计算量小为目标，我们提出了基于 h s d p a 系统的k a l m a n 修正l r p 信道预测算法。 8 第一章引言 本算法主要原理是信道数据之间存在着相关性，因此采用a r 模型进行预测 是可行的，我们对采样数据进行抽取以增加预测步长。同时移动台高速运动产生 的信道快衰落的衰落系数是一个与多普勒频偏有关的量，利用多普勒频移与速度 的关系，采用卡尔曼滤波实现一步预测。该算法的优点是当信道由于物体运动速 度变化，信道数据的相关性下降时，k a l m a l l 预测可以有效地阻止预测质量迅速 变坏，使得预测数据准确可靠，从而提高预测性能。 本文的创新之处在于我们在研究l r p 信道预测算法的基础上，引入k a l m a n 滤波。即通过训练序列作为信道的过去信息并得到a r 模型系数，并对参数进行 抽取，然后利用k a l m a n 一步预测算法进行信道预测。从而避免了反复计算a r 模型系数，弥补了l r p 算法的不足，并能得到较好的预测性能。 在本算法中抽样的频率是多普勒频移的整数倍，远远小于载波频率，预测时 间范围较长，一步预测相当于超前预测h s d p a 系统数帧时间( h s d p a 系统采用 2 m s 短帧) ，可以很好地适应系统的c q i 时延，为自适应编码调制的决策提供充 分的时间。 如果在h s d p a 系统在应用本算法，配合目前所采用的c q i 信道质量指示机 制，可以预测由于对移动台高速行驶或速度变化引起的信道质量变化，及时调整 系统的编码方式和调制方式，以获得更高的数据传输速率和更大的用户吞吐量。 1 3 本文的组织结构 论文内容安排如下： 第一章是课题研究的背景与意义以及本文的主要工作； 第二章讲述了移动传播环境与无线信道特性。并在此基础上根据论文所研究 的内容，选取相应的无线信道仿真模型； 第三章介绍了h s d p a 技术的基本原理和关键技术，其中重点介绍了对本文 的信道预测研究有关的几个特性，比如h s d p a 自适应调度算法a m c 及其信道 质量指示c q i 机制等。 第四章简述信道预测的常用方法；分析h s d p a 信道特性，并在此基础上根 据论文所研究的内容，对比目前常用的信道模型及其特点，选取相应的无线信道 9 中山大学硕士学位论文 仿真模型；对l r p 信道预测算法进行仿真和分析。 第五章对本文所研究的具体内容进行阐述，主要包括基于c q i 机制的分组 调度器结构，研究当前常用的信道预测算法，对比目前成熟的预测算法性能及特 点，我们在研究传统的l r p 信道预测算法的基础上，引入k a l m a n 滤波。即通过 训练序列作为信道的过去信息并得到a r 模型系数，然后利用k a l m a n 一步预测 算法进行信道预测。从而避免了反复计算a r 模型系数，弥补了传统l r p 算法 的不足，并能得到较好的预测性能。并根据h s d p a 技术对自适应传输的实时性 和预测时间长的特点，提出将卡尔曼滤波应用于信道预测算法，并给出相应的结 果和分析； 最后，结论总结全文，概括本论文的主要工作和在本研究领域中的应用意义 以及不足。 1 0 第= 章移动传播环境与无线信道 第二章移动传播环境与无线信道特性 移动通信技术具有移动性、自由性、不受时间与地点限制等特点，正在深刻 地改变人们的行为和方式。移动通信是在移动状态下的实时通信，要完成运动物 体之间的通信联系，只能通过无线通信这种传输手段。移动信道属于无线信道， 最大的特点是在自由空间通过无线电波中传输信息，与其他通信信道相比，无线 信道是最复杂的一种，了解无线信道是研究移动通信的前提。 信道预测是利用信道变化的特点，对未知的信息进行预测。在研究预测算法 之前，对移动传播环境与无线信道特性的分析也是很有必要的。 本章首先介绍移动电波的传播特点，包括信道传播机制和多径情况下信号衰 落特性，然后概述多径传播移动信道的仿真方法，其中主要介绍了移动通信中主 要仿真模型j a k e s 和c l a r k e 模型。为后面的信道预测提供一定的理论依据。 2 1 移动通信电波的传播特点 一个典型的移动通信系统，用户接入都是通过移动台与基站间的无线链路移 动通信特点主要是：( 1 ) 移动性。就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它 必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。( 2 ) 电波传播条件复杂。因移 动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒 效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。( 3 ) 噪声和干扰严重。 在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之问的互调干扰、邻道 干扰、同频干扰等。( 4 ) 系统和网络结构复杂。它是一个多用户通信系统和网络， 必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与市话 网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构是很复杂的。( 5 ) 要求频带利用 率高、设备性能好【1 3 】。 信号从发射天线到接收天线的过程中，会经过各种复杂的传播路径，包括直 射路径、反射路径、衍射路径、散射路径以及这些路径的随机组合。同时电波在 中山大学硕士学位论文 各条路径的传播过程中，有用信号会受到各种噪声的污染，包括加性噪声( 如高 斯白噪声) 、乘性噪声的污染，信号会出现不同情形的失真，严重时会使有用信 号难以恢复。无线信号在传播时不仅会受到自由空间固有的自由空间损耗，还有 由于建筑物、地形等阻挡而引起的信号功率衰减、由于移动台移动而产生的多普 勒频移等，这些衰耗还会由于移动台的运动和环境的随机变化而变化。 无线衰落信道的这种随机性和时变性大智能可以划分为三个组成部分： ( 1 ) 路径传播损耗：它是值电波在空间传播所产生的损耗，它反应了传播 在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电平值平均值的变化趋势。 ( 2 ) 慢衰落：由于在电波传播路径上受到建筑物和山丘的阻挡所产生的阴 影效应而产生的衰耗。它反应了中等范围内数百波长数量级接收电平的均值变化 而产生的衰耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢，所以称为慢衰落。 ( 3 ) 快衰落：主要由多径传播产生。它反应微观小范围内数十波长量级接 收电平的均值变化而产生的衰落耗，一般遵从r a y l e i g h ( 瑞利) 分布或r i c a n ( 莱 斯) 分布，其变化率比慢衰落要快，所以称为快衰落。 一般把路径传播损耗和慢衰落称为大尺度衰落特性，而快衰落则称为小尺度 衰落特性。如图2 1 所示，左图对应于快衰落信号，采用j a k e s 模型仿真，右图 对应慢衰落，由公式l = y - a l o f “o 给出( 其中，是移动台与基站的距离，口是路 径损耗指数，当是均值为零，标准方差为o r 的高斯随机变量) ，慢衰落是基于距 离的函数，在很短时间内( 如几个毫秒) ，用户于基站间的距离没有太大变化， 可以看作是不变的。 快囊暮 薯 l o 幔囊摹 图2 1无线信道的快衰落和慢衰落 通常情况下，当接收机和发射机的位置在l 1 0 米的范围内变化时，接收信 号功率的平均值基本保持不变，但当他们的相对位置的改变超过上述范围时，接 第二章移动传播环境与无线信道 收信号的平均功率会有几个数量级的变化。在实际的移动通信网络规划中，将移 动信道看成是一个完全开放的信道，其传播损耗决定于传播环境、条件和距离。 在工程中采用经验公式和模型。通常采用三种无线传播模型为：o k u m u r a - h a t a 、 c o s t 2 4 3 1 、w a l f i s c h - i k e g a m i ( w i m ) 及其通用校正模型、场强预测计算等方法 对大范围的传播损耗进行定量分析。 1 o k u m u r a - h a t a ( 奥村哈塔) 模型 这是一种在移动通信中使用最频繁的模型，该模型的主要环境与条件为：适 用于小城镇与郊区的准平坦地区；应用频率为1 5 0 m h z z 1 5 0 0 m h z ；有效距 离为l h n d 2 0 h n ；发射天线( 基站) 有效高度为3 0 2 0 0 m ；接收天线( 移动 台) 的有效高度为l 一1 0 m 。 2 c o s t 2 4 3 l 是欧洲科学技术研究协会组成的c o s t - 2 3 1 工作组对h a t a 模型的扩展，主 要是将h a t a 模型扩展到2 g h z ，并对中等城市和市中心繁华区进行参数定义。 3 w a l f i s c h - l k e g a m i ( w i m ) 这一模型主要用与g s m 系统，包括自由空间传输损耗、屋脊到街道的绕射 和散射损耗及多次屏蔽损耗。在损耗计算上比h a m 模型更加精确。 2 2 小尺度衰落 无线信道的小尺度衰落是无线通信环境中的另一个重要衰落特征，包括多径 效应而引起的衰落和信道时变引起的衰落，其中，由于反射、散射等影响使得实 际到达接收机的信号是经过多条传播路