（信号与信息处理专业论文）无线单载波系统中稀疏信道估计技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：王堂信曼生值：包处理 研究方向：玉线通值皇值曼处堡 作者： 2 q q z 级婴究生黄! 虫 指导教师：塞里垩麴援 题目：无线单载波系统中稀疏信道估计技术研究 英文题目：r e s e a r c ho ns p a r s ec h a n n e le s t i m a t i o no fw i r e l e s s s i n g l e - c a r r i e rs y s t e m s 主题词：稀疏信道信道估计单载波系统压缩感知 k e y w o r d s ：s p a r s ec h a n n e l ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，s i n g l e c a r r i e rs y s t e m s ， c o m p r e s s e ds e n s i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 移动互联网时代的发展，要求新一代移动通信系统能够提供更高的数据传输速率，并 实现全球无缝漫游。然而，由于无线移动通信的带宽非常有限，必须采用先进的技术来有 效地利用宝贵的频率资源以满足高速率大容量的业务需要，同时通过克服高速率数据在无 线信道下的多径衰落和多径干扰来达到改善系统性能的目的。无线通信系统的性能b 很z 大程 度上受到无线信道的影响，无线信道和固定信道相比更为复杂，具有随机不可预测性。 因此，信道估计作为无线通信系统中的一项关键技术，能否对其进行准确的估计和检 测将影响到整个无线通信系统的性能。而稀疏信道作为一种常见的无线移动信道，如果能 够充分利用这种信道本身所具有的稀疏性，就可以大大提高信道估计的准确性。 近年来，基于循环前缀和频域均衡的单载波块传输系统( c p s c f d e ) ，越来越多受 到人们的关注。该系统在接收端利用d f t b d f t 可方便地实现频域均衡，并且具有与o f d m 系统相近的复杂度和性能，但同时克服了o f d m 高峰均功率比和频率漂移的敏感性。因此， c p s c f d e 已经成为宽带无线通信中一种具有相当前景的系统技术。 本文从稀疏信道建模开始，深入分析了稀疏信道的特征，并以c p s c f d e 作为基本的 系统模型，围绕如何充分利用信道的稀疏结构进行信道估计的问题展开讨论，并通过对目 前稀疏信道估计研究状况的思考，研究了以下两种稀疏信道估计算法。 第一种是基于二阶统计量的稀疏信道估计方法，该方法通过建立接收信号二阶统计量 与信道稀疏结构之间的关联，并利用这种关联来对稀疏信道进行估计和检测。 第二种是基于压缩感知的稀疏信道估计方法，该方法从压缩感知理论出发，利用约束 等距性条件，通过设计新的t o e p l i t z 矩阵，将稀疏信道估计这一非线性检测问题转化为线性 凸规划问题而得到解决。 计算机仿真实验结果，证实了这两种方法的有效性。 关键词：稀疏信道信道估计单载波系统压缩感知 南 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ei n t e r n e t ，r e q u i r e san e wg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c hc a np r o v i d eh i g h e rd a t ar a t e s ，a n da c h i e v eg l o b a ls e a m l e s sr o a m i n g h o w e v e r , d u e t ot h e l i m i t e db a n d w i d t ho fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，w em u s ta d o p ta d v a n c e dn e w t e c h n o l o g yt om a k em o r ee f f e c t i v eu s eo fp r e c i o u ss p e c t r a lr e s o u r c e s ，i no r d e rt om e e tt h en e e d s o fh i g h - s p e e dl a r g e c a p a c i t yb u s i n e s s ，w h i l eo v e r c o m i n gt h e h i g h s p e e dd a t at h r o u g ht h e w i r e l e s sc h a n n e lu n d e rm u l t i p a t hf a d i n ga n di n t e r f e r e n c et oa c h i e v et h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e t h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t oal a r g ee x t e n t ，i s i m p a c t e db ym u l t i p a t hw i r e l e s sc h a n n e l c o m p a r e dw i t ht h ef i x e dc h a n n e l ，r a d i oc h a n n e li sm o r e c o m p l e xw i t i lr a n d o mu n p r e d i c t a b i l i t y t h e r e f o r e ，w h e t h e rt h ec h a n n e le s t i m a t i o n ，嬲ak e yt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，i sa c c u r a t eo rn o tw i l la f f e c tt h ee n t i r es y s t e mp e r f o r m a n c e a c t u a l l y , t h es p a r s ec h a n n e l i sv e r yc o m m o ni nw i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l s i fw ec a nt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ec h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c st h a ti th a st h es p a r s en a t u r e ，i tc a ng r e a t l ye n h a n c et h ea c c u r a c yo fc h a n n e l e s t i m a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，b a s e do nc y c l i cp r e f i xa n df r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ，t h es i n g l ec a r r i e r b l o c kt r a n s m i s s i o ns y s t e m ( c p - s c - f d e ) ，i sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n u s i n gd f t i d f ta t t h er e c e i v e r , t h es y s t e mc a nb ee a s i l ye q u a l i z e di nt h ef r e q u e n c y - d o m a i n i th a st h e s i m i l a r c o m p l e x i t ya n dp e r f o r m a n c e 嬲o f d m m o r e o v e r , c p s c - f d eo v e r c o m e st h ep r o b l e mo ft h e h i g h e rp e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i oa n dt h es e n s i t i v i t yt oc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ti no f d m s y s t e m s t h u s ，c p - s c - f d eh a sb e c o m eav e r yp r o m i s i n gs y s t e mt e c h n o l o g yi nb r o a d b a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，w eb e g i nw i t hs p a r s ec h a n n e lm o d e l i n gw i t ha ni n d e p t ha n a l y s i so ft h es p a r s e c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，k e e pc p s c - f d e 淞t h eb a s i cs y s t e mm o d e l ，a n dd i s c u s so nh o wt ot a k e f u l la d v a n t a g eo ft h es p a r s ec h a n n e ls t r u c t u r et oa c q u i r em o r ea c c u r a t ee s t i m a t i o n w i t ht h eh e l p o fc u r r e n tr e s e a r c ho ns p a r s ec h a n n e le s t i m a t i o n ，w ep u tf o r w a r dt w on e w a l g o r i t h m so fs p a r s e 堕室坚皇盔学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t c h a n n e le s t i m m i o ni nt i l es i n g l e - c a r r i e rs y s t e m s t h ef i r s to n ei sb a s e do ns e c o n d o r d e rs t a t i s t i c s ，w h i c hc r e a t e san e wc o n n e c t i o nb e t w e e n t h es e c o n do r d e rs t a t i s t i c so fr e c e i v e ss i g n a l sa n ds p a r s es t r u c t u r eo f t h ec h a n n e l ，a n dt h e nu s e s t h i sc o r r e l a t i o nt od ot h ec h a n n e le s t i m a t i o na n dd e t e c t i o n t h es e c o n di sb a s e do nc o m p r e s s e ds e n s i n gt h e o r y w i t ht h eu t i l i z a t i o no fr e s t r i c t e d i s o m e t r i cp r o p e r t i e si nc o m p r e s s e ds e n s i n gt h e o r y , t h r o u g ht h ed e s i g no fan e w t o e p l i t zm a t r i x ， t h es p a r s ec h a n n e le a i m m i o np r o b l e mc a r lb es o l v e da sal i n e a rc o n v e xp r o g r a m m i n gp r o b l e m ， s i m p l i f i e df r o man o n l i n e a rd e t e c t i o np r o b l e m c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h e s et w om e t h o d s k e y w o r d s ：s p a r s ec h a n n e l ，c h a n n e le s t i m m i o n ，s i n g l e - c a r t i e rs y s t e m s ，c o m p r e s s e ds e n s i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略语 4 g a i c b e r c d m a c p c s c s i d f t d s p f c c f d e f d m a f f t c i c i i d f t i e e e i f f t i s i l s m m s e m s t n p o f d m o o k 缩略语 4 t hg e n e r a t i o n a k a i k ei n f o r m a t i o nc r i t e r i o n b i te r r o rr a t i o c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x c o m p r e s s e ds e n s i n g c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o i t n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r l t l g e n e r a l i z e da k a i k ei n f o r m a t i o nc r i t e r i o n i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o i m i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s ts q u a r e m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r m o s ts i g n i f i c a n tt a p n o n - d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g o n o f f - k e y i n g w 第四代移动通信系统 a k a i k e 信息准测 比特误码率 码分多址 循环前缀 压缩感知 信道状态信息 离散傅立叶变换 数字信号处理 美国联邦通信委员会 频域均衡 频分多址 快速傅里叶变换 通用a k a i k e 信息准测 载波间干扰 离散傅立叶反变换 美国电气电子 工程师学会 快速傅立叶反变换 码问干扰 最小平方 最小均方误差 激活抽头 非定常多项式 正交频分 复用技术 开关键控 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 p a r a q a m q p s k r i p s c s n r t d m a p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r e s t r i c t e di s o m e t r yp r o p e n y s i n g l ec a r r i e r s i g n a l - t o - n o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v 峰均功率比 正交幅度调制 正交相移键控 约束等距性 单载波 信号噪声比 时分多址 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 缩略语i v 目录v i 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景1 1 2 无线通信信道估计技术概述2 1 2 1 信道估计的重要性2 1 2 2 信道估计的主要技术2 1 3 本文的研究内容和结构安排3 1 3 1 本文的研究内容和课题来源3 1 3 2 本文的结构安排4 第二章稀疏信道特性及建模5 2 1 移动通信信道概述5 2 1 1 移动通信信道特性5 2 1 2 多径衰落6 2 1 3 时变衰落信道模型8 2 2 稀疏信道基本模型1 0 2 2 1 多径频率选择性信道1 1 2 2 2 稀疏信道建模1 3 2 3 本章小结1 6 第三章稀疏信道估计方法概述1 7 3 1 稀疏信道估计的特点1 7 3 2 稀疏信道估计主要技术简述1 8 3 3 稀疏l m s 估计法1 8 3 4 开关键控估计法2 4 3 5 本章小结2 7 第四章基于二阶统计量的稀疏信道估计2 8 4 1 引言2 8 4 。2 基于二阶统计量的稀疏信道估计2 8 4 2 1 二阶统计量中的稀疏结构2 8 4 2 2 可行性分析3 0 4 3 单载波系统中的应用3 2 4 3 1 单载波系统概述3 2 4 3 2 系统设计方案3 4 4 4 仿真结果及分析3 9 4 4 1 仿真实验一4 0 4 4 2 仿真实验二4 l 4 4 3 仿真实验三4 l 4 4 4 仿真实验四4 2 v i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 5 本章小结4 3 第五章基于压缩感知的稀疏信道估计4 4 5 1 引言4 4 5 2 压缩感知理论概述4 4 5 2 1 信号的稀疏表示4 5 5 2 2 压缩感知4 6 5 2 3 测量矩阵设计4 7 5 3 基于压缩感知的稀疏信道估计技术4 9 5 3 1 可行性分析4 9 5 3 2 实现方案5 5 5 4 仿真结果及分析5 7 5 4 1 仿真实验一5 7 5 4 2 仿真实验二5 8 5 4 3 仿真实验三6 l 5 5 本章小结6 4 第六章结束语6 5 参考文献6 7 致谢7 0 攻读硕士学位期间撰写的学术论文7 1 攻读硕士学位期间参与的科研项目7 2 v i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 随着人类社会的发展和进步，信息的获取、传输和消费已经成为人类生活中举足轻重 的角色。移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信方式，能解决人们在活动中与固定终 端或其他移动终端进行通信联系的要求，提高了工作效率，节约了人力、物力和时间，带 来了很大的社会效益和经济效益，已经成为众多通信领域中得以快速发展的分支之一。人 类“任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) ，都能与任何人( w h o e v e r ) 交流信息 的个人通信愿望促使着通信技术得以不断向前发展【l j 。【4 1 。移动网络在过去的二十年中的广 泛普及，全球语音通信业务获得了巨大的成功。同时，我们的通信习惯也从以往的点到点 ( p l a c et op l a c e ) 演进到人与人。个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型 化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的 能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求，逐步迈向移动互联网时代。 当前信息化社会的基础，就是无所不在的网络。g a r t n e r 前几年做了个预测：到2 0 1 0 年全球手机用户大概是4 0 亿，实际上到2 0 0 9 年年底的时候已经达到4 5 亿了，到今年年 末可能达到5 0 亿的数量级。它的预测，到2 0 1 0 年其他的非手机和p c 的终端，像一些电 子外设的终端大概是3 0 亿。华为公司大胆地提出了一个概念叫“2 0 2 0 年 ，包括各种各样 的汽车、家电等等联网的终端数量级是达到5 0 0 亿。未来无论是一辆汽车还是一头牛，我 们都能够在互联网上看到它的信息。可见，宽带无处不在。 移动互联网时代的发展，要求新一代移动通信系统能够提供更高的数据传输速率，并 实现全球无缝漫游；移动互联网时代的发展，强调多样化的移动互联网业务，从语音扩展 到数据、图像、视频等多媒体综合业务，而这些业务本身对服务质量与传输速率的要求也 越来越高。因此，新一代宽带移动通信系统的高性能保障将是移动互联网发展的有力基石。 然而，由于无线移动通信的带宽非常有限，必须采用先进的技术来有效地利用宝贵的频率 资源以满足高速率大容量的业务需要，同时通过克服高速率数据在无线信道下的多径衰落 和多径干扰来达到改善系统性能的目的【4 】【7 1 。 无线通信系统的性能很大程度上受到无线信道的影响，无线信道和固定信道相比更为 复杂，具有随机不可预测性。未来移动通信技术的发展和应用，将越来越依赖与对无线信 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 道的了解和掌握，这就要求我们对无线信道实施准确的估计与预测来提高无线通信系统的 性能。 1 2 无线通信信道估计技术概述 1 2 1 信道估计的重要性 无线移动通信系统中，由于无线移动信道的时变特性，不同的地点，不同的时间，无 线移动信道的情况是不同的( 受到多径时延扩展、多普勒频移等影响) ，因此，要想在接 收端正确地恢复发射信号，需要对信道的衰落对发射信号的影响进行补偿，即常说的均衡， 而均衡的前提条件是需要充分了解信道的状态信息。因此，信道估计起着十分重要的作用。 可以看出，信道估计其实就是研究无线移动信道对输入信号的影响，并对其进行分析，其 本质就是建立这种影响的数学模型。 信道估计算法的评价标准主要有：精确度、复杂度和所需的开销。其中，精确度主要 是使得利用该估计算法重建的信道与真实信道的误差最小；复杂度和所需开销主要是算法 的复杂度以及实现算法时系统所需的时间和设备量。在实际的信道估计过程中，算法的复 杂度与精确度之间常常是一对矛盾。因此，在选择信道估计算法时常常要优化这几个要素， 合理选择，在它们之间采取折中的办法。 迄今，国内外的业界学者已经对信道估计进行了相当广泛的研究【8 1 【1 0 1 。 1 2 2 信道估计的主要技术 现在，人们已经发现并提出了很多关于信道估计的算法，这些算法从不同的角度，有 不同的分类，同时也适用于不同的情况。在此，我们根据利用信号中的不同物理资源，将 信道估计分为：导频辅助的信道估计，盲信道估计，半盲信道估计。 ( 1 ) 导频辅助的信道估计 导频辅助的信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列，接收端根据所接收的 信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数得到 数据信号处的信道参数。当信道为时变信道时，即使是慢时变信道，也必须周期性的发射 训练序列，以便及时更新信道估计。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是 由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 由于导频信道估计是靠插入数据流中的导频信号来完成对信道响应的估计的，因此导 频信号的分布模式、插入的密度和间隔等对信道估计算法和性能的影响就比较大，有时甚 至会影响到整个系统。 我们知道，可靠性和有效性是通信系统两个重要的性能指标，因此从通信系统的可靠 性来说，插入的导频符号越多，信道估计就越准确，那么通信系统传输的信号就越可靠， 但是从通信系统的有效性来说，数据传输的速率就越低，因此，这是通信系统的可靠性与 有效性之间的矛盾，在实际应用中我们也是采取了折中的方法，在信道估计的准确度与有 效性之间实现一种平衡，根据实际情况选择合适的导频插入方式。 ( 2 ) 盲信道估计 盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的统计信息，在无需知道导频或训练序 列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢， 而且运算量较大。 ( 3 ) 半盲信道估计 半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的，它利用尽量少的导频信号或训练 序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化，获 得信道参数。由于盲信道算法运算复杂度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半 盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理，从而降低运算复杂度。 1 3 本文的研究内容和结构安排 1 3 1 本文的研究内容和课题来源 当今高速无线数据传输中，通常面临的都是稀疏的多径衰落信道，简称稀疏信道。作 为一种常见的无线移动信道，稀疏信道的多径具有可分辨性，如果能够充分利用这种信道 的稀疏性，就可以提高信道估计的精度。因此，本文的研究对象是稀疏信道，研究内容就 是无线单载波系统中的稀疏信道估计，具体包括下面两方面的内容： 1 ) 基于二阶统计量的稀疏信道估计方法：该方法通过建立接收信号二阶统计量与信 道稀疏结构之间的关联，并利用这种关联来对稀疏信道进行估计和检测。 2 ) 基于压缩感知的稀疏信道估计方法：该方法从压缩感知理论出发，利用约束等距 性条件，通过设计新的t o e p l i t z 矩阵，将稀疏信道估计这一非线性检测问题转化 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 为线性凸规划问题而得到解决。 本课题来源于下列项目： 国家自然科学基金项目“基于扰动分析的m i m o o f d m 信道半盲估计算法研究 ，编 号6 0 8 7 2 1 0 4 。 1 3 2 本文的结构安排 本文的具体内容安排如下： 第一章，介绍了课题研究的背景知识，研究内容的必要性和重要性。对的研究现状做 了简要概述，随后介绍了全文的总体研究思路和主要工作。 第二章，详细分析了稀疏信道的特性及其基本数学模型，为后续章节的展开做了理论 铺垫。 第三章，介绍了当前稀疏信道估计的研究状况，对常见的稀疏信道估计算法进行了讨 论，对算法本身的适用范围和优缺点进行了分析。 第四章，研究了基于二阶统计量的稀疏信道估计方法，以单载波频域均衡为基本系统 模型，通过建立接收信号二阶统计量与信道稀疏结构之间的关联，利用这种关联来对稀疏 信道进行估计和检测。 第五章，研究了基于压缩感知的稀疏信道估计方法，以压缩感知理论为基础，对压缩 感知如何应用于稀疏信道估计进行了详细的讨论，并通过改造t o e p l i t z 矩阵，利用约束等距 性条件，将稀疏信道估计这一非线性检测问题转化为线性凸规划问题而得到解决。 第六章，对全文进行总结并指出今后有待进一步研究的方向。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章稀疏信道特性及建模 第二章稀疏信道特性及建模 在绪论中我们已经提到，信道估计是现代移动通信系统中的关键技术之一，因此能否 充分了解移动通信系统的信道特性，建立准确的信道模型，对信道估计的结果会产生很大 的影响。在陆地移动通信系统中，移动台处于城市建筑群之中或者处于地形复杂的区域， 其天线将接收从多条路径传来的信号，再加移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的 无线信道多变且难以控制，造成了无线信道中信号强度的骤然降低，即所谓衰落。所以与 其它通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。而在当今高速无线数据传输中，通常面 临的都是稀疏的多径衰落信道，简称稀疏信道。作为一种常见的无线移动信道，稀疏信道 的多径具有可分辨性，多径时延的变化比较慢，因此如果能够充分利用这种信道的稀疏性， 就可以提高信道估计的精度。本章我们将先简要地介绍移动通信系统的信道特点，然后详 细分析稀疏信道的特性及其模型建立的过程。 2 1 移动通信信道概述 2 1 1 移动通信信道特性 通信信道是信息传输的媒介，是决定通信系统性能的基本制约因素，是通信系统理论 分析和系统设计的基础。无线通信系统的各种性能很大程度上都是受到移动信道特性的约 束。发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，既有简单的视距传播，还有信号在复杂的 传播环境内由反射、折射和散射效应产生的多径传播；同时无线信道的传播特性具有时变 性。通信信道是信息传输的媒介，是决定通信系统性能的基本制约因素，是通信系统理论 分析和系统设计的基础。无线通信系统的各种性能很大程度上都是受到移动信道特性的约 束。发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，既有简单的视距传播，还有信号在复杂的 传播环境内由反射、折射和散射效应产生的多径传播；同时无线信道的传播特性具有时变 性。 无线电波通过移动信道时会遇到各种各样的障碍物，引起能量的吸收和穿透以及电波 的反射、散射和绕射等，遭受来自不同途径的衰减损害，这些损害可以归纳为三类【l l l ： 1 ) 路径传播损耗：它是指电磁波在空间传播穿过各种介质造成的电平损耗，它反映 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章稀疏信道特性及建模 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平均值的变化趋势。 2 ) 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影 效应而产生的损耗。它反映了中等范围内的几百波长量级接收电平的均值变化而产生的损 耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢。 3 ) 快衰落损耗：它主要是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间 差到达接收机的信号相互干涉，从而引起接收信号场强瞬时值呈现快速变化的现象。它反 映微观小范围内几十波长量级波长接收电平的均值变化而产生的损耗。接收信号场强的变 化强度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号每个采样点的延迟时间。其衰 落特性一般遵从瑞利分布或莱斯分布。 由于路径损失和衰落的影响，接收信号要比发射信号弱的多。对快速移动的用户而言， 平均路径损失变化很慢，信号的变化主要表现为衰落。阴影衰落常被称为长期衰落，多径 衰落常被称为短期衰落【1 2 1 。图2 1 给出了某一衰落信号的路径损失、长期衰落和短期率领 的示意图。无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。大尺度路 径损耗主要指平均路径损耗和大尺度衰落( 因阴影效应而产生的损耗) ，它们主要影响到 无线区的覆盖。小尺度衰落也就是多径衰落损耗，它严重影响信号传输质量，必须采用抗 衰落技术来减少其影响。 2 1 2 多径衰落 露 v 墨 警 擘 奢 黧 辎 弱 艇蠢 k m 图2 1 路径损耗、慢衰落与快衰落 移动通信的接收信号，往往不是单一路径的信号，而是许多路径来的众多不同传播方 向不用传播时延的波的合成。由于接收信号具有随机分布的幅度、相位和入射角，从而接 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章稀疏信道特性及建模 收信号幅度有时因同相迭加而增强；有时却反向迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急 剧变化，即产生了多径衰落。 一般来说，多径衰落主要表现出三类特性：一是随机时变特性，又称时间选择性，或 多普勒扩展特性；二是时延扩散特性，又称频率选择性；三是角度扩展特性，又称空间选 择性。所谓选择性是指在不同的时间、不同的频率和不同的空间其衰落特性是不一样的1 3 1 。 一、随机时变特性和相干时间 随机时变特性：由于传输介质的变化而导致的多径随机时变特性，即接收到的各径信 号幅度、相位在变化，同时多径的数目也是变化的。这种时变特性是无法预知的，因此必 须用统计的方法来表征。多普勒频移和相干时间是描述信道小尺度衰落时变特性的两个重 要参数。移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，所导致的附加频移成为多普 勒频移，表示为： 厶= c o s ( 9 ) ( 2 1 ) 其中1 ，是运动速度，五是载波波长。口是入射电波与移动台运动方向的夹角。以m 戥= 是乃的最大值，称为最大多普勒频移。 在任意时刻，移动台接收到的信号含有来自周围各个方向的反射波，假设入射功 率在秒( 一万，万) 区间中是均匀分布的，则接受信号功率谱密度为： 彤，= 老 1 - ( 割卜班砒一 亿2 ， 其中，厶是各向同性天线接收到的平均功率。可见，虽然发射信号为单一频率z ，但 接收电波的功率谱s ( 厂) 去展宽到z 一力m 缸到z + 乃m 戤范围中，这就是多普勒频谱扩展。 相干时间定义为最大多普勒功率的倒数： 艺= 二 ( 2 3 ) 它是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均。在相干时间间隔内，多径到达信 号具有很强的幅度、相位相关性。假如基带信号带宽远大于最大多普勒频移，对应在时域 中，就是基带信号带宽的倒数( 最快的符号周期) 远小于最大信道相干时间，接收机接收 到的信号在一个符号周期内变化不大，可以认为传输是不受多普勒频移影响的，称信道为 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章稀疏信道特性及建模 慢衰落信道，反之，信道就是快衰落的。 二、时延扩展特性和相关带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。在发射端发送一个极窄的脉冲信号 艿( f ) ，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各自路径到达移动台的时间就不同，这就 是时延扩展特性。接收信号由不同时延的脉冲组成，可表示为： y ( ，) = ( f ) j f - ( f ) ( 2 -