（通信与信息系统专业论文）stbcofdm系统信道估计及空载波对信道估计的影响.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科、通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：2 0 0 7 级硕士研究生周艳 指导教师：酆广增教授 题 目：s t b c o f d m 系统信道估计及空载波对信道估计的影响 英文题目：c h a n n e le s t i m a t i o ni ns t b c o f d ms y s t e m sa n dt h ei n f l u e n c e c a u s e db yv i r t u a ls u b c a r r i e r s 主题词：正交频分复用，空时分组码，信道估计，空载波 k e yw o r d s ：o f d m ，s t b c ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，v i r t u a ls u b c a r r i e r s 摘要 宽带无线通信系统中，可靠、高速的数据传输是无线通信的主要目标，而实现这一目 标存在两个最严峻的挑战：如何解决多径衰落信道问题和提高带宽使用效率。 s t b c o f d m 技术将正交频分复用与空时分组码技术有机的结合在一起，能够大幅度的提 高无线通信系统的信道容量，并能有效的抵抗多径衰落，从而引起了通信界的广泛关注。 s t b c o f d m 系统信道估计技术主要有非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计算 法。非盲信道估计方法一般适用于连续传输或突发传输方式的系统，通过发送已知的训练 序列或导频信号，在接收端进行初始的信道估计，当发送有用的信息数据，利用初始的信 道估计结果进行个判决更新，完成实时的信道估计。盲信道估计算法利用接收信号本身 以及发送信号的内在特点进行信道的估计，因此它的频带利用率最大。但是这类算法收敛 较慢、计算复杂度高，存在信道模糊度，不能有效的跟踪信道的变化。同时利用盲信道估 计算法所用的信息和初始采用已知符号的信息来完成的信道估计被称作半盲信道估计。 本文在分析移动无线信道衰落特性的基础上，阐述了s t b c o f d m 系统的基本原理， 研究了收发天线数及循环前缀长度对系统性能的影响，给出了相关的仿真曲线。围绕该系 统中信道估计这关键技术，深入研究了非盲信道估计方法，比较了l s 频域估计和m m s e 估计的性能。最后重点研究了空载波对信道估计的影n 向，给出了基于空载波的信道估计改 进方法。与传统的信道估计方法相比，新算法不需要知道多径时延，对时延抽头数不敏感， 而且还可以恢复由空载波引起的信道冲激响应的色散失真，所以能获得较好的信道估计性 能。最后结合m a t l a b 仿真对新算法和文献 4 6 4 7 中的算法进行了仿真，并对这些算 法的有效性和可行性进行了全面地分析与比较。 关键词：正交频分复用；空时分组码；信道估计；空载波 a b s t r a c t t h et a r g e to fb r o a db a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni st ot r a n s m i td a t af a s ta n dr e l i a b l y , w h i l et h e r ea r et w ot o u g hp r o b l e m s ：m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e la n db a n d w i d t he f f i c i e n c y a sa c o m b i n a t i o no fo 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 gw i t hs p a c e t i m eb l o c kc o d i n g t e c h n i q u e ，s t b c o f d mh a sr e c e n t l yr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n s ，w h i c hc a nn o to n l y e f f e c t i v e l ye n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb u ta l s oe f f e c t i v e l y c o m b a tm u l t i - p a t hf a d i n ga n di n t e r f e r e t h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：n o n - b l i n dc h a n n e l e s t i m a t i o n ，b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na n ds e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n t h en o n b l i n dc h a n n e l e s t i m a t i o ng e n e r a l l yi sa p p l i c a b l et ot h ec o n t i n u o u st r a n s m i s s i o no rb u r s tt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ea l g o r i t h mb a s e do np i l o ts y m b o l so rt r a i n i n gs e q u e n c e ，t h er e c e i v e ra c h i e v e st h ei n i t i a l e s t i m a t e w h e nt h es y s t e ms e n d st h eu s e f u li n f o r m a t i o n ，t h ea l g o r i t h mw i l lu s et h er e s u l t so ft h e i n i t i a ld e c i s i o nt ou p d a t ea n dc o m p l e t et h er e a l t i m ec h a n n e le s t i m a t i o n t h i sk i n do fa l g o r i t h m h a sg o o dc a p a b i l i t ya n di se a s yt or e a l i z e t h eb l i n dm e t h o di sb a s e do nt h el i m i t e dc h a r a c t e r s o ft h et r a n s m i t t e di n f o r m a t i o ns y m b o l sa n dt h e i rs t a t i s t i c a lt r a i t t h es e m i b l i n dc h a n n e l e s t i m a t i o nu s e st h ei n f o r m a t i o nf r o mb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dk n o w ns y m b o l st o c o m p l e t ec h a n n e le s t i m a t i o n t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fs t b c o f d ms y s t e mb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no f f a d i n gc h a n n e l s a l s ot h ea f f e c t i o nc a u s e db yd i f f e r e n t n u m b e r so ft r a n s c e i v e ra n t e n n a sa n dt h e l e n g t ho fc y c l i cp r e f i xi ss t u d i e da n ds i m u l a t i o n sr e s u l t sa r es h o w n f u r t h e r m o r e ，t h en o n - b l i n d c h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u ei ns t b c o f d ms y s t e ma n dt h ei n f l u e n c ec a u s e db yv i r t u a l 、 s u b c a r r i e r si si n v e s t i g a t e d a l g o r i t h mo fc h a n n e le s t i m a t i o n ，w h i c hc a nr e c o v e rt h ed i s p e r s i v e d i s t o r t i o no fe s t i m a t e dc h a n n e li m p u l s er e s p o n s ec a u s e db yv i r t u a ls u b c a r r i e r s ，i sg i v e nf o r s t b c o f d ms y s t e m sr e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t l lt r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o n ，t h en e w m e t h o dd o e s n tn e e dt ok n o wt h ep a t hd e l a ya n di si n s e n s i t i v et ot h ed e l a yt a pn u m b e r f i n a l l y , t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n sb a s e do nm a t l a ba r ei l l u s t r a t e dt oc o m p a r ef u l l yt h ep e r f o r m a n c e a n de f f i c i e n c yo ft h en e w a l g o r i t h ma n da l g o r i t h m sp r o p o s e di nl i t e r a t u r e 【4 6 】& 4 7 】 、 k e y w o r d s ：o f d m ；s t b c ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；v i r t u a ls u b c a r r i e r s u 二 l ； j 帮 譬 ： i 、 。参 ； - 土 i 簿 嗡 y a w g n b 3 g b e r b p s k c m a c p c s i d a b d f t d s p d v b f f t g i h d s l i b i i c i i d f t i f f t i s i l m m s e l s m i m o m m s e n m s e m s e o f d m 缩略语词汇 l i s i o 量a b b 量王ev l a i l o n s a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b e y o n d3g e n e r a t i o n后3 代 b i te r r o rr a t i o 误比特率 b i n a r yp h a s e s h i f t k e y i n g二进制相移键控 c o n s t a n tm o d u l u s a l g o r i t h m常模算法 c y c l i cp r e f i x循环前缀 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g数字音频广播 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶变换 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g数字信号处理 d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g数字视频广播 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 g u a r di n t e r v a l 保护间隔 h i g h r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p高速数字用户线路 i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e 块间干扰 i n t e r - c h a n n e li n t e r f a c e信道间干扰 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 r m逆离散傅立叶变换 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 逆快速傅立叶变换 i n t e r - s y m b o li n t e r f a c e符号间干扰 l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r 线性最小均方误差 l e a s ts q u a r e最d x - - 乘 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多输入多输出 m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r 最小均方误差 n o r m a l i z e dm e a ns q u a r e de r r o r 归一化均方误差 m e a ns q u a r e de r r o r 均方误差 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 正交频分复用 i i i k啼。w、。t警善d葛_磬餐基蚕呵f譬萋搿播强零鼍，捧 q a m s n r s t b c s t c s t t c s v d v c 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 s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e t i m eb l o c kc o d e s p a c e t i m ec o d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n v i r t u a ls u b c a r r i e r i v 币交幅度调制 信喋比 时分组6 7 5 空时编码 空时格码 奇异值分解 空载波 广- 争 。， j f f ；毒r 警 f 毋 拼 ， 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 缩略语词汇l i i 目录。v 第一章绪论：l 1 1 论文背景1 1 1 1 多天线m i m o 技术l 1 1 2 无线通信中的分集技术2 1 1 3m i m o o f d m 系统一2 1 1 4 课题的意义3 1 2 本文的研究内容与章节安排4 第二章无线通信信道的衰落特性5 2 1 传输衰减5 2 2 频率选择性衰落6 2 2 1 时延扩展- 6 2 2 2 相干带宽。7 2 3 时间选择性衰落8 2 3 1 多普勒频移8 2 3 2 相干时间8 2 4 多径衰落信道的仿真模型：9 2 5 j 、1 2 l o 第三章s t b c o f d m 系统1 l 3 1o f d m 技术1l 3 1 1o f d m 系统的基本结构1 2 3 1 2 用d f t 实现o f d m 1 3 3 1 3 保护间隔和循环前缀一1 3 3 1 4 空载波。1 6 3 2 空时分组码1 6 3 2 1a l a m o u t i 空时码1 7 3 2 2s t b c 的编码原理2 0 3 2 3s t b c 的译码算法2 2 3 3s t b c o f d m 系统2 2 3 3 1s t b c - o f d m 系统结构2 3 3 3 2s t b c o f d m 系统性能仿真2 5 3 4 小结2 7 第四章s t b c - o f d m 系统信道估计2 8 4 1 信道估计的分类。2 8 4 2 导频的插入。2 9 4 2 1 导频结构。2 9 4 2 2 导频间隔与导频位置3 l 4 1 3 导频位置处的信道估计方法3 2 v “譬心，l 、， f -心q 4 3 1l s 估 十3 3 4 3 2m m s e 估 十3 5 4 3 3 算法仿真一3 6 4 4 空载波对信道估计的影响分析3 7 4 4 1 基于d f t 估计的系统模型3 8 4 4 2 空载波对信道估计的影响3 9 4 4 3 基于空载波的信道估计方法4 2 4 4 4 算法仿真。4 3 4 5 硝、结。4 6 第五章总结与展望4 7 墅迂谢4 8 参考文献4 9 附录i 程序清单5 2 附录i i 攻读硕士学位期间撰写的论文5 3 v i 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，无线通信应用产品正迅速渗透到人们日常生活的各个领域，给人们的生产和 生活带来了强大的冲击力。基于i n t e m e t 的语音、视频、数据通信业务的蓬勃发展使得人 们对无线通信提出了更高的要求。无线通信的最重要的特点就是无线信道环境。由于无线 信道是一个全开放的环境，不同的通信系统之间存在干扰。所以，一方面，频谱成为一种 不可再生的资源；另一方面，随着通信系统数据传输率的提高，系统传输所需要的带宽也 不可避免地提高。所以，如何在有限的频谱带宽内尽可能实现高速率的数据通信成为无线 通信的主要课题。此外，无线通信信道存在多径衰落和在高速移动中多普勒频移产生的时 变特性。所以如何对抗信道的多径衰落和时变特性也是宽带移动通信技术中不可缺少的重 要部分。 1 1 论文背景 1 1 1 多天线m i m o 技术 天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，它是任何无线电系统都不可缺少的基本组 成部分。发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。 因此可以说，正是由于使用了天线，才使得信息可以在不同的地点之间通过电磁波传输， 实现真正的无线通信，而无需任何连接设备。 在发送端和接收端都安置多副天线，从而构成本节要讨论的m i m o 系统，其简化框 图1 1 1 如图1 1 所示。m i m o 系统的主要思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上， 通过使用多副天线来增加空间维，获得空间复用增益或空间分集增益，这为改善系统的性 能或者提高数据传输速率提供了更大的可能。 图1 - 1m i m o 系统示意图 目前，由于m i m o 技术可以大大增加无线通信系统的容量，并改善无线通信系统的 信道 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第章绪论 性能，非常适合移动通信系统中高速率业务的要求，所以其在许多无线高速数据传输系统 中都已得n - f 广泛应用，例如：以i e e e s 0 2 1 6 系列标准为核心的无线城域网、第三代移 动通信w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 演进系统中等。 1 1 2 无线通信中的分集技术 无线衰落信道由于遭受多径衰落的影响而使其传输的信号可能会受到严重的衰减。分 集接收技术被认为是有效而且经济的抗衰落技术。其基本原理是：将接收到的多个不相关 的信号的能量按一定规则合并起来，使得组合后得到的有用信号能量最大化。图1 - 2 给出 了分集技术的分类。 分集技术信号传输方式 获得多路信号的方式 显分集 隐分集 銮堡塑塑堡垫查i 耍回 直接序列扩频技术 空间位置分集( 多天线宏分集) 时间分集( t t c ) 频率分集( 调频或d s s s ) l 1 堡垡坌堡 图1 2 分集技术的分类2 1 空间分集技术能够获得更好的信噪比性能。这种分集技术可以分为接收分集和发送分 集。传统的空间分集方法主要是以接收分集为主，但是，由于受到移动台体积、功率消耗 和成本价格等各种因素的制约，接收分集技术通常只限于在基站系统中实施。近几年来， 基站发送分集由于只需在其基站发送端增加天线，代替移动台接收分集实现起来比较简 单，因而得到了人们的广泛关注，成为研究的热点。 1 1 3m i m o 。o f d m 系统 o f d m 并不是新生事物，它是由多载波调制( m c m ) 发展而来。o f d m 的各个子载波 之间互相正交，可采用f f t 实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复 2 塑室坚! 皇盔堂堡圭堕壅竺堂垡迨壅笙二童笪堡 杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为 o f d m 技术实现的制约条件。经过大量研究，终于在2 0 世纪8 0 年代，m c m 获得了突破 性进展，大规模集成电路让f f t 技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其他难以实现 的困难也都得到了解决。 正如前面所述，m i m o 技术主要包括空问复用技术和发射分集技术。空间复用技术 主要是指在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，利用空间复用成倍提高信道容 量；发射分集技术主要是指空时编码技术( s t c ) ，空时编码能提供空间分集增益，所以能 够提高信道传输的可靠性，降低误码率，具有很强的抗衰落能力。但是对于频率选择性衰 落，m i m o 系统则依然无能为力。利用o f d m 技术，把频率选择性衰落信道转变成多个 子载波的平坦衰落信道，因此将m i m o ( 多输入多输出) 与o f d m ( 正交频分复用) 这两项 技术联合起来，成为下一代无线通信物理层核心技术。 1 1 4 课题的意义 s t b c 技术是m i m o 技术的一个重要分支，它与o f d m 技术的结合己被先进移动通 信系统广泛采用。s t b c 和o f d m 的结合提高了移动通信的能力和质量，增加了频谱的 利用率。但是，基于发送分集的s t b c 编码，需要知道信道状态信。g ( c s i ，c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ) 进行相关检测和解码。因此，在s t b c o f d m 系统中，信道估计是其中的一 项关键技术，直接影响系统误码率性能。 在s t b c o f d m 系统的信道估计领域中常见的方法主要分为以下三种： 一是基于训练序列或导频符号的非盲信道估计方法，如y el i 和m i n n 提出的能够大 大降低计算复杂度的信道估计算法f 3 】【4 1 、基于离散傅立叶变换( d f t ) 的算法【5 】、基于最 小二乘( l s ) 准则的频域估计算法【6 1 和时域估计算法【7 】【8 1 、s u m e is u n 等人提出的最优训 练序列设计【9 1 以及基于信道参数模型的信道估计算法【l o 】i l l 】。基于导频训练序列的信道估计 方法性能好，简单且易于实现，应用广泛，几乎可以用于所有的无线通信系统； 二是盲信道估计，如基于二阶统计特性的盲辨识算法【1 2 1 4 】以及基于子空间分解得信道 估计方法【1 5 - 1 7 】，盲信道估计算法存在着收敛速度慢及信道模糊度等缺点； 三是使用少量导频符号的半盲信道估计，参考文献 1 6 1 8 1 在讨论空时o f d m 系统中 的盲信道估计的基础上，分别分析了如何利用导频或训练序列信息进行半盲信道估计，来 克服盲信道估计存在的上述两个缺点。 目前在公众移动通信中常用的是基于训练序列或导频符号的非盲信道估计方法。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 在o f d m 系统的实际应用中，为了降低对滤波器精度的要求而在系统频带的高频部 分预留一些空载波作为保护侈。2 2 】，空载波的存在降低了信道估计的性能。因此基于空载波 的s t b c o f d m 系统的信道估计是一个有意义的研究领域。本文主要研究非盲信道估计， 重点研究了空载波对信道估计的影响与改进，并结合m a t l a b 仿真对这些算法的有效性 和可行性进行了全面地分析与比较。 1 2 本文的研究内容与章节安排 本文在分析移动无线信道衰落特性的基础上，阐述了s t b c o f d m 系统的基本原理， 并围绕该系统中非盲信道估计这一关键技术展开分析研究，研究过程中，采取了理论分析 与计算机仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究的正确性和可行性。论文总共分 为五章，结构安排如下： 第一章绪论阐述课题的研究背景与意义，主要内容与章节安排。 第二章讨论了无线通信信道的衰落特性，给出了本文采用的多径衰落信道模型。 第三章阐述了o f d m 和s t b c 的基本原理，讨论了s t b c o f d m 的系统结构，最后 给出在理想c s i 情况下系统的性能曲线，并指出信道估计是决定系统性能的关键因素之 一。 第四章围绕s t b c 。o f d m 系统，阐述了非盲信道估计中的l s 和m m s e 算法，着重 研究了空载波对信道估计的影响及改进，并结合m a t l a b 仿真对这些算法的有效性和可 行性进行了全面地分析与比较。 第五章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该领域的 研究发展趋势。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信信道的衰落特性 第二章无线通信信道的衰落特性 信道是发射端和接收端传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可缺少的重要组成 部分。按传输媒介的不同，物理信道可以划分为有线信道和无线信道两大类。有线信道是 平稳的和可预测的，而无线信道一般是极其随机的，不容易分析的。研究通信时电波传播 环境的特性具有十分重要的意义，主要包括两个方面：一是建立传播预测模型；二是为实 现信道仿真提供基础。后者也是研究信道估计的必备基础。本章将研究无线信道中各种衰 落特征及多径衰落信道的模型。 2 1 传输衰减 与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空间波， 即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。再加上移动台本身的运动，使得移动台与 基站之间的无线信道多变并且难以控制。无线信道对信号的传输衰减2 3 1 使接收信号的功 率减小，它由传输路径的长度、直达信号路径中的障碍情况决定。任何阻挡在发射机和接 收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。一般来说接收信号的功率可以表示为： p ( r ) = ”s ( ，| ) r ( ，) ( 2 1 ) 其中，表示移动台与基站的距离向量，l ，l 表示移动台与基站之间的距离。根据上式， 无线通信中的衰减主要体现在以下3 个方面： ( 1 ) 路径损耗 当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或数千米) 变化时，接收信号的 平均功率值与信号的传播距离厂的n 次方成反比。刀称为路径损耗指数，7 7 值的大小由具 体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，指数疗一般取2 。 ( 2 ) 阴影衰落 电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电 磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落。 ( 3 ) 小尺度衰落 在无线通信中，由于电波经过多条路径的距离不同，因而各条路径中的发射波到达接 收机的时间、相位都各不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使 5 南京邮电大学硕- t ：1 i ) f 究生学位论文第二章无线通信信道的衰落特性 信号幅度增强，而反相叠加则会削落信号幅度。当发射机和接收机之间的距离在较小的尺 度上( 数个波长) 变化时，接收信号的功率会发生急剧的变化，称之为小尺度衰落。 接收功率 ( a b ) 影衰落 对数距禹 图2 - 1 信号在无线信道中的传播特性 上图很清楚地说明了以上三种衰落【2 4 】。 路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，称为 大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓慢起伏变化， 所以也称为慢衰落。小尺度衰落又称为快衰落，它反映的是在较短的距离或时间之内接收 信号所呈现的快速起伏特性。实际测量发现，快衰落情况下，在非常短的距离内，接收机 信号的起伏可达1 0 3 0 d b 。 2 2 频率选择性衰落 信号的多径传播会导致时延扩展，其结果可能发生符号间干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，体现在频域就是频率选择性衰落，即信号在不同频率上遭受的衰落是不 同的。描述无线信道多径效应的两个重要参数是时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 和相干带宽 ( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。 2 2 1 时延扩展 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其他移动 物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。发射信号到达接收 天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这就使得接收信号 的能量在时间上被扩展了。最大的时延扩展彳一是第一个到达接收天线的信号分量与最后 一个到达的信号分量之间的时间差。 6 南京邮电火学硕士研究生学位论文 第二章无线通信信道的衰落特性 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号当中， 造成符号间干扰。强的i s i 会使得接收机的符号判决性能出现严重的下降。按户外环境下 最大时延扩展为2 0 s 计算，当发送符号速率超过1 0 0 k b p s 时就会产生显著的i s i 。为了 避免产生i s i ，应该令符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小 于最大时延扩展的倒数。由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测量到的时 延扩展都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的统计平均值。表2 1 给出两种不同 信道环境下的时延扩展值【2 4 】。 表2 1 不同信道环境下的时延扩展值 环境最大时延扩展最大到达路径差 室内 4 0 n s 2 0 0 n s1 2 m 一6 0 m 室外1 j 一2 0 p s 3 0 0 m 6 k m 2 2 2 相干带宽 相干带宽是表征多径信道特性的一个重要参数，实际应用中通常用最大时延扩展的倒 数来定义相干带宽，即： 1 ( 衄) 。l ( 2 2 ) f 懈 从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信号中不同的频 率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应。由于信号中不同频率分量的衰落是不一致 的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。由此可以看到，当无线信道的相干带宽 小于发送信号带宽时，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即信号通 过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成符号问干扰；反 之，当相干带宽大于发送信号带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落， 因而衰落波形不会失真，没有符号问干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选择 性衰落。相干带宽是无线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选择性 衰落还是平衰落，这要取决于信号本身的带宽。 7 南京邮l 乜大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信信道的衰落特性 2 3 时间选择性衰落 无线信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，是由于发射机和接收机的 相对运动或者信道中其他物体的运动所引起的，信道的时变性导致时间选择性衰落，表现 在信号的频谱被展宽。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒频移和相干时间。 2 3 1 多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应。当发 射机与接收机作相向运动时，接收信号的频率将会高于发射频率；当两者作反向运动时， 接收信号的频率将低于发射频率。 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) ，可以用式( 2 3 ) 表示： 乃= 要c o s 9 = 堕c o s 秒：k c o s 口 lc ( 2 3 ) 其中，z 表示载波频率，c 表示光速，表示最大多普勒频移，1 ，表示移动台的运 动速度。可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。 由于存在多普勒频移，所以当发射机在无线信道上发送的一个频率为五的单频正弦 波到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率轴+ f o 处的单纯万函数，而是分布在 ( 厶一厶，五+ l ) 内的、存在一定宽度的频谱。表2 - 2 给出两种载波情况下( 9 0 0 m h z 、 2 g h z ) 不同移动速度时的最大多普勒频移值【2 4 1 。 表2 - 2 最大多普勒频移( h z ) 1 0 0 k m h7 5 k m h5 0 k m h2 5 k m h 9 0 0 m h z8 36 2 4 22 1 2 g h z1 8 51 3 9 9 3 4 6 2 3 2 相干时间 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，它在时域描述信道的频 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信信道的衰落特性 率色散的时变性。即： ( r e ) 石1 ( 2 4 ) 相干时间与多普勒频移成反比，它是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换 句话说，相干时间就是指一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带 信号的符号周期t 大于信道的相干时间正，则在基带信号的传输过程中信道可能会发生 改变，导致接收信号发生失真，产生时间选择性衰落，也称为快衰落；反之，如果基带信 号的符号周期i 小于信道的相干时间疋，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。 2 4 多径衰落信道的仿真模型 对于多径衰落信道，在过去的几十年里，人们建立了大量的信道模型，如：抽头延时 线信道模型f 2 5 1 、c o s t 2 0 7 模型、h a s h e m i s u z u k i t u r i n 模型等。在本文的讨论中，为了简 化分析，我们采用了抽头延时线模型对多径衰落信道进行研究 信道的冲激响应可以由式( 2 5 ) 描述： ( 2 5 ) 其中，n 是抽头的个数，嘶( f ) 是与时间有关的抽头系数，通常是复高斯随机变量，q 是输入到第，个抽头的延迟。 对子乃的选择，有两种方式： 乃与实际路径的到达时间完全一致。 它们等问隔分布，抽头间距a r 由抽样定理决定。 如果抽头是等间隔的，且抽头系数被定义为统计独立的，则模型可以进一步简化。如 果存在视距成分，这种信道就称为n 延迟莱斯衰落模型；如果不存在视距成分，则称为 n 延迟瑞利衰落模型。对于这种模型，我们迸一步假设抽头系数只在远大于传输数据的 一个周期的时间内才发生变化，即信道是慢衰落的。本文所采用的信道模型为n 延迟瑞 利慢衰落模型，如图2 2 所示，其冲激响应建模为零均值复高斯随机过程。信道的冲激响 应可表示为： 9 、_ 、 巧 一 ，-、 万 、i ，ik 嘶 闰 | i 、i ， ff ，j_、 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信信道的衰落特性 j h ( t ，r ) = 嘶( f ) 万( f l a r ) 1 = 1 任何时刻f 的包络陋( f ，f ) l 都服从瑞利分布。 2 5 小结 加性噪声，? ( ，) 图2 2n 延迟瑞利慢衰落模型 ( 2 6 ) t ) s l ( t - i a r ) + n ( t ) 作为通信系统中的重要组成部分，信道可分为有线信道和无线信道。研究无线信道是 提高无线通信系统的性能和解决移动通信中各种关键技术的前提。本章主要介绍了无线信 道的基本特征和模型，为下面章节的研究做好铺垫。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章s t b c o f d m 系统 第三章s t b c o f d m 系统 s t b c o f d m 技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起，可以大大 提高无线通信中的信道容量、频谱效率和传输速率，并能有效地抵抗衰落、抑制干扰和噪 声。本章将分别对o f d m 和s t b c 的基本原理进行阐述，并建立s t b c o f d m 系统模型， 利用m a t l a b 仿真对不同收发天线数的s t b c o f d m 系统性能进行分析并比较。 3 1o f d m 技术 正交频分复用( 0 f d m ) 【