（通信与信息系统专业论文）现代移动通信系统中的均衡和同步技术研究.pdf

j 墼l 一 摘要 均衡和同步技术在现代移动通信系统中发挥着重要的作用。均衡技术是抑制 多径干扰的重要手段之一。特别对于无线多径传输环境，多径干扰对通信系统性 能的影响非常大。在现代移动通信系统中，如c d m a 和o f d m 系统，它们都可 以利用自身的特点来抑制多径干扰。而这些系统中均衡器的作用和形式也表现出 一些新的特点，值得进行深入的探讨和研究。相对于均衡技术来说，同步技术是 数字通信系统不可或缺的组成部分之一。通信系统能够正常工作首先依赖于对各 种参数进行同步。例如o f d m 系统，相对于单载波系统，其对同步误差非常敏 感。同步参数误差使o f d m 系统的性能急剧恶化。因此，o f d m 系统接收机的 主要任务之一就是完成对各种参数的同步。本论文重点研究了现代移动通信系统 中的均衡和同步技术。 首先，针对传统的r a k e 接收机在传输高速数据业务时难以满足系统性能要 求，而理想的m m s e 均衡器又因为运算量太大难以实时实现的问题，提出了一 种低复杂度自适应c h i p 均衡器设计方法，它采用最速下降法来解决码分导频体 制下的自适应均衡问题，并在运算量大大降低的前提下，获得了接近理想m m s e 均衡器的性能，有较强的实际应用价值。 针对低扩频比条件下，采用r a k e 接收机得到的判决值作为多级干扰抵消的 初始判决值将不可避免的影响整个接收机性能的问题，本文提出一种联合均衡块 迭代软判决反馈干扰抵消接收机结构，它采用自适应c h i p 均衡器作为块迭代干 扰抵消的第一级，并利用每一次迭代得到的软判决值来更新信道估计参数和初始 判决值，有效地降低了初始判决值的不准确对接收机性能的影响。 针对o f d m 系统中信道最大时延扩展大于循环前缀长度时，产生严重的i s i 和i c i 的问题，研究了发送分集条件下，o f d m 系统中的子载波频域均衡算法， 将单天线下o f d m 系统中的子载波频域均衡算法推广到多发射天线下，综合考 虑了信道均衡和干扰抑制，提出了发送分集o f d m 系统中子载波频域均衡接收 机设计方法，并基于m m s e 准则得到了最优分集合并系数。 针对o f d m 系统进行频偏估计时所产生的估计模糊度问题，提出了一种基 于零子载波检测的频偏估计模糊度校正算法，分析了定时误差的存在对算法性能 的影响。该算法同传统的频偏估计模糊度校正算法相比，在性能相近的前提下， 东南大学博士学位论文 具有运算量小的优点，有较强的实际应用价值。 针对前人提出的基于子载波间相位差分调制的频偏估计模糊度校正算法存 在的问题，我们提出了一种基于符号间相位差分调制的频偏估计模糊度校正算 法。通过理论分析得到并证明了新算法具有唯一可辨识性的充分条件。理论分析 表明我们提出的算法的性能受信道频域响应零点的影响较小。当定时误差在一定 范围内时，该算法的性能对定时误差是鲁棒的。而前入提出的基于子载波间相位 差分调制的频偏估计模糊度校正算法在受到定时误差影响时，其性能急剧恶化， 而且本论文提出算法的运算量只有前人算法的二分之一。 关键词：码分多址，正交频分复用， 馈，空时编码，发送分集， 波，相位差分调制 c h i p 均衡，并行部分干扰抵消，软判决反 频域均衡，载频频偏，模糊度校正，零子载 a b s t t a c t a b s t r a c t e q u a l i z a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e sp a ya ni m p o r t a n t r o l ei nm o d e m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s e q u a l i z a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d s t o s u p p r e s sm u l t i - p a t h i n t e r f e r e n c e 、t h e m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c ea f f e c t st h e p e r f o r m a n c e o 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 l a r g e l y f o r t h em o d e m c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，s u c h a sc d m aa n do f d ms y s t e m s ，t h e m u l t i - p a t h i n t e r f e r e n c ec a nb es u p p r e s s e db yt h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s o nt h eo t h e rh a n d ，t h e f u n c t i o na n df o r mo fe q u a l i z a t i o ni nt h e s es y s t e m sp r e s e n ts o m en e wc h a r a c t e r i s t i c s ， w h i c ha r ew o r t hl u c u b r a t i n g s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei n d i s p e n s a b l e p a r t so fm o d e r nw 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 h es y n c h r o n i z a t i o np r o c e s si st h e p r e m i s ef o rt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st ow o r kp r o p e r l y f o re x a m p l e ，o f d mh a s r e c e i v e dm u c ha r e n t i o nb e c a u s eo fi t s a b i l i t y o fh i 酿d a t ar a t et r a n s m i s s i o na n d m u l t i - p a t h i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n h o w e v e lc o m p a r e dw i t h s i n g l ec a r r i e rs y s t e m s ，a w e l l - k n o w n p r o b l e m o fo f d mi si t s v u l n e r a b i l i t y t o s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r s t h e r e f o r e ，s y n c h r o n i z i n g t h e s y s t e mp a r a m e t e r s i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n t f u n c t i o n sf o rt h eo f d mr e c e i v e r t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h ee q u a l i z a t i o n a n ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rm o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s f i r s t l y ，i nh i g hd a t ar a t el r a n s m i s z i o n ，c o n v e n t i o n a lr a k er e c e i v e rc o u l d n tm e e t t h es y s t e m p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ，w h i l et h ei d e a ln o n a d a p t i v ee q u a l i z e rb a s e do n m a t r i xi n v e r s i o ni sd i f f i c u l tf o rr e a l t i m ei m p l e m e n t a t i o nb e c a u s eo f i t s c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y , an o v e ll o wc o m p l e x i t ya d a p t i v ec h i pe q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h es t e e p e s td e s c e n tm e t h o di s a d o p t e d i nt h e p r o p o s e da l g o r i t h mt o s o l v et b e p r o b l e m o f a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n i n c o d e m u l t i p l e x e dp i l o tc d m as y s t e m 。t h e p r o p o s e da d a p t i v ec h i pe q u a l i z e r c a na c h i e v et h es a m e p e r f o r m a n c e f l si d e a l n o n - a d a p t i v ee q u a l i z e r w h i l et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yc a l lb er e d u c e d l a r g e l y , i nc d m a s p r e a ds p e c m t ms y s t e m s ，t h ei n t e r - p a t hi n t e r f e r e n c eb e c o m e sv e r y s e r i o u sw h e nt h es p r e a d i n gf a c t o ri s c o n s i d e r a b l yl o w t h et e n t a t i v ed e c i s i o nv a l u e f r o mr a k er e c e i v e rw i l td e t e r i o r a t et h e p e r f o r m a n c e o fm u l t i s t a g ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o nr e c e i v e r ar e c e i v e rs t r u c t u r e c o m b i n i n gb l o c ki t e r a t i v e s o f td e c i s i o n f e e d b a c ki n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nw i t ha d a p t i v ec h i pe q u a l i z e rf o rc d m a s y s t e mi s 一1 1 1 查堕查兰堕主兰堡笙奎一 p r o p o s e d i nt h ep r o p o s e dr e c e i v e r ，t h ea d a p t i v ec h i pe q u a l i z e ri s t a k e na st h ef i r s t s t a g eo f i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nt oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fr e c e i v e ra n dc h a n n e l e s t i m a t o ra n db e t t e rp e r f o r m a n c ei sa c h i e v e d w h e nt h ec h a n n e lt i m es p r e a di sl a r g e rt h a nt h el e n g t ho fc y c l i cp r e f i xi no f d m s v s t e m s s e r i o u si n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n di n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea r i s e a tt h i s p o i n t ，a n o v e l d e s i g n m e t h o df o r f r e q u e n c y d o m a i n e q u a l i z a t i o n i no f d m t r a n s c e i v e r sw i t ht r a n s m i td i v e r s i t yi sp r o p o s e d i nt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，t h e i n t e r f e r e n c ec a u s e db yi n s u f f i c i e n tc y c l i cp r e f i xa n di n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e a r e s u p p r e s s e de f f e c t i v e l ya n dt h eo p t i m a ld i v e r s i t yc o m b i n i n gc o e f f i c i e n t sa r ed e d u c e d b a s e do nm m s ec r i t e r i o n an o v e lf r e q u e n c ya m b i g u i t yr e s o l u t i o na l g o r i t h mi no f d ms y s t e m sb a s e do n n u l ls u b c a r r i e rd e t e c t i o ni sp r o p o s e dt oc o r r e c tt h ef r e q u e n c ya m b i g u i t y t h ee f f e c to f t i m i n ge r r o ro nt h ep e r f o r m a n c eo fp r o p o s e da l g o r i t h mi sa n a l y z e d t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g eo fl o wc o m p l e x i t yo v e rc o n v e n t i o n a la l g o r i t h mw h i l e m a i n t a i n i n g t h es a m e p e r f o r m a n c e an o v e la l g o r i t h mu t i l i z i n gd i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o nb e t w e e na d j a c e n ts y m b o l st o e s t i m a t ec o a r s e f r e q u e n c yo f f s e t i no f d ms y s t e m si s p r o p o s e d w ep r o v i d et h e s u f f i c i e n tc o n d i t i o n f o rt h e p r o p o s e da l g o r i t h m t oa c h i e v e u n i q u e n e s s t h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y o ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m a n dt h e s e n s r i v i t y o ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m t ot h es y m b o l t i m i n go f f s e ta n dc h a n n e lz e r o so nt h ef f tg r i da r e a n a l y z e d t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sr o b u s tt ot h et i m i n ge r r o ra n d h a st h ea d v a n t a g e o fl o wc o m p l e x i t yo v e rt h ea l g o r i t h mp r o p o s e db yb s s e ow h i l em a i n t a i n i n g a p p r o x i m a t e l yt h es a m ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c d m a ，o f d m ，c h i pe q u a l i z a t i o n ，p a r a l l e l p a r t i a l i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ，s o f t d e c i s i o n f c e d b a c k ，s p a c e t i m ec o d i n g ，t r a n s m i t d i v e r s i t y , f r e q u e n c y d o m a i n e q u a l i z a t i o n ，c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ， f r e q u e n c ya m b i g u i t yr e s o l u t i o n ，n u l ls u b c a r r i e r , p h a s ed i f f e r e n t i a l m o d u l a t i o n - i v 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。 研究生虢簋堡日期：型m 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。 研究生签名：缒新签名逸日期：矽，u 扫 第一章绪论 第一章绪论 随着人类社会的发展和进步，信息的采集，传输和消费成为人类生活的重要 方面。通信技术作为人们在信息获取和交流中不可或缺的手段，已在当今的信息 化时代扮演着越来越重要的角色。人类社会正向着实现任何人在任何时间，任何 地点与任何人进行任何种类的信息交换的宏伟目标大步迈进。其中移动通信技术 的迅猛发展成为实现这一目标的关键因素之一。 1 1 论文背景 移动通信技术正处于有史以来最快的发展时期。移动通信的发展经历了第一 代模拟移动通信系统，第二代数字移动通信系统和目前即将商用的第三代宽带数 字移动通信系统 1 。未来移动通信系统的研发也已经正式启动【2 4 】。 第一代移动通信模拟蜂窝移动通信使人们无线通话的梦想成真。但其频 率利用率不高、容量有限、制式太多且不兼容等局限性促使人们开发出第二代移 动通信数字蜂窝移动通信，这也是目前大多数用户所使用的系统。 数字蜂窝移动通信网络由于采用了数字无线传输和无线蜂窝之间先进的切 换方法，得到了比模拟系统高得多的频率利用率，从而在有限的频谱带宽内增加 了用户数量；由于网络采用国际公共标准，使用户能在整个网络服务区域使用系 统，在网络系统覆盖的所有国家之间漫游；同时还可以享受一些新的用户业务， 如收发传真和短消息业务等。 第二代移动通信系统虽然比第一代系统有很大的优势，但还是存在着业务单 一、通话和低速数据通信等缺憾。于是结合i n t e m c t 和高度移动性的第三代移动 通信( 3 r dg e n e r a t i o n ，简称为3 g ) 应运而生。有了第三代移动通信，人们除 通话以外，可以方便地进行w w w 浏览，收发e m a i l ，使用可视电话、视频点 播等多媒体业务，进行电子商务如购物、交易、金融业务等。3 g 具有多媒体化、 全球化特征，是实现了宽带化、智能化和个人化的综合全球通信业务。 移动通信诞生以来，其发展速度令人惊叹。第二代移动通信系统正在以前所 未有的速度发展着；第三代数字移动通信系统处于商用化的前夕，它将能提供语 音、数据、视频等多媒体业务。下一代移动通信系统( b e y o n d3 g ) 的研究工作也 正在展开。目前许多著名通信公司已经投入巨资研究下一代移动通信系统。日本 n t td o c o m o 公司早在1 9 9 7 年就已经启动下一代移动通信系统的开发研究工 作，并于2 0 0 1 年6 月向国际电联提交了有关建议；西门子正积极与国内外颇具 实力的高校进行下一代移动通信系统的合作研究；爱立信也己宣布进行第四代手 机的研发。我国科技部8 6 3 通信高技术课题也将下一代移动通信系统列为重要的 研究课题。 下一代移动通信系统主要有以下性能特点： ( 1 ) 传输速率在低速移动和固定情况下达1 0 0 m b p s ，在高速移动情况下达 2 0 m b p s ； ( 2 ) 容量达到3 g 系统的5 1 0 倍，传输质量相当于或优于3 g 系统； ( 3 ) 小区覆盖范围等于或大于3 g 系统； ( 4 ) 在不同速率间能够自动切换，以保证通信质量： ( 5 ) 网络的比特成本低于3 g 系统。 下一代移动通信系统的关键技术是从2 g 和3 g 的关键技术演进而来的。因 此改进后的3 g 关键技术也是下一代移动通信系统的核心技术。其包括智能天线 技术 5 6 ，软件无线电技术【6 8 1 ，o f d m 技术，混合a r q 技术，多入多出天线 技术，多用户检测技术 9 1 1 和i p 技术 1 2 1 6 。 智能天线：智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统，该阵 列的输出与收发信机的多个输入相结合，可提供一个综合的时空信号。与单个天 线不同的是，天线阵列系统能够动态地调整波束的方向，以使每个用户都获得最 大的主瓣，并减小了旁瓣干扰。这样不仅改善了s n q g ( s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c ea n d n o i s er a t i o ，信号干扰比) ，还提高了系统的容量，扩大了小区的最大覆盖范围， 减小了移动台的发射功率。 软件无线电：软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有 的应用都通过在该平台上的软件编程实现。换言之，不同系统的基站和移动终端 都可以由建立在相同硬件基础上的不同软件实现。该技术将能保证各种移动台、 各种移动通信设备之间的无缝集成，并大大降低建设成本。软件无线电在移动通 信中的应用，将根本改变移动通信的网络结构，实现有线网与无线网融合并能容 纳各种标准、协议，提供更为开放的接g ：l ，最终大大增加网络的灵活性。 o f d m ：在各类无线通信系统中，i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，符号问 干扰) 一直是影响通信质量的重要因素。目前的移动通信系统采用自适应均衡器 第一章绪论 来解决这一问题。这对硬件的处理速度提出了很高的要求，并将大大提高设备的 复杂程度和成本。因此，当同样能够有效对抗i s i 的o f d m 技术推出时，就因其 频谱利用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低而被普遍看好。但是，o f d m 对 系统的要求也很高。首先，o f d m 要保证各个予信道之间的正交，因此对于定 时和频率偏移很敏感：其次，应用o f d m 时，信道估计必须具有低复杂度和高 导频跟踪能力；再则，o f d m 在时域上表现为n 个正交予载波信号的叠加，若 这n 个信号刚好同时处于峰值，则此时o f d m 的峰值功率是平均功率的n 倍。 为了不失真的传输该峰值信号，收发信机对射频前端的中频电路线性程度要求很 高同时对a y d 变换器精度要求也很高。 自适应编码调制技术( a m c ) f 1 7 可以提供自适应的调制编码方案以适 应不同的信道，它能够有效地提高传输速率和频谱利用率。然而，a m c 对于信 道估计错误和时延很敏感，这对于信道估计提出了更高的要求，并且在信道变化 速度较快时难以实现。 混合a r q ( h a r q ) 是a r q 和f e c 结合的产物 1 8 1 9 1 。目前的a r q 有s r ( s e l e c t i v e r e p e a t ，选择重传) 和s w ( s t o p & w a i t ，停止等待重传) 两种。 h a r q 是一种链路自适应技术，分h a r q t y p e i 、h a r q - t y p e - i i 和 h a r q t y p e _ i i i 三种。h a r q - t y p e i 使用f e c 来处理一些常见的错误，而罕见 的错误则由错误检测和a r q 完成。在h a r q t y p e i 中，重复发送的包通常会被 抛弃。相反，在h a g q - t y p e - i i 中，重复发送的包将会被存储并与后续包合并， 形成更可靠的包再发送。h a r q t y p e i i i 则是一种增量a r q ，每次重传的信息 都是可以自编码的。 多入多出天线( m i m o ，m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 【2 0 2 2 是一种能 够有效提高衰落信道容量的新技术。m i m o 在发送方和接收方都有多个天线，因 此可以看成是双天线分集的扩展。但不同之处在于m i m o 中有效使用了编码重 用( c o d er e u s e ) 技术。 多用户检测技术：多用户检测是针对c d m a 中多个并行传送信号的高效 检测程序。多用户检测技术可以使c d m a 系统的频谱效率大大提高。多用户检 测技术的主要缺点是其高计算复杂度。 i p 技术：新一代网络将会建成一个全i p 的系统，这不仅包括核心网的口 化，还包括无线接入部分的i p 化。i p 无线网络最大的特点就是它的开放式接入、 自由式管理。但是，这也为i p 网络的进一步发展带来了很多问题，如无法满足 相关业务的q o s 要求和可控的带宽分配等。因此，无线i p 技术走向实用还需要 段时间。 东南大学博士学位论空 除了以上介绍的新技术，下一代移动通信系统的最新技术还包括非对称通信 模式、功率控制、无线资源管理等。总之，移动通信系统是个不断演进的系统， 各种新技术的发展和应用将推动下一代移动通信系统不断向前迈进。 1 2 论文研究工作概述 均衡和同步技术在现代移动通信系统中发挥着重要的作用。均衡技术是抑制 多径干扰的重要手段之一。特别是对于无线多径传输环境，多径干扰对通信系统 性能的影响非常大。对于c d m a 系统，通常采用r a k e 接收技术利用伪随机码的 部分自相关特性来抑制多径干扰。然而当用户数较多或扩频比较小时，由于伪随 机码部分自相关特性的不理想，使得未能抑制的多径干扰严重影响r a k e 接收机 的性能。在这种情况下需要寻求其它方法来抑制多径干扰。均衡作为抑制多径干 扰的重要手段之在c d m a 系统中可以恢复各个用户之间的正交性，这也就是 所谓的码片级均衡器。已有部分学者对此进行了研究，但由于运算量等一些问题 没有得到解决，使得码片级均衡器离实际系统应用还有一段距离。 在o f d m 系统中，当循环前缀长度大于信道时延扩展时，各个子载波之间 是正交的，在接收端只需要进行一阶频域均衡。然而当循环前缀长度小于信道时 延扩展时，各个子载波之间的正交性被破坏而产生严重的符号间干扰和子载波间 干扰，此时一阶频域均衡器已经不能满足系统性能要求了，需要采用多阶均衡器 来抑制由于短循环前缀造成的干扰。另外，发送分集是未来移动通信系统的重要 发展方向之一，在这种系统中的多阶均衡算法值得进一步研究。 由于o f d m 系统对频偏非常敏感，己经有许多文献对频偏估计算法进行了 研究，但是随着传输数据速率的不断提高，载波频率和子载波数越来越大，在频 偏估计时产生估计模糊度的概率越来越大。频偏估计模糊度校正算法是当今 o f d m 系统同步算法研究中的热点之一。 本论文针对上述问题开展研究工作，分别研究了c d m a 系统中的码片级均 衡算法、o f d m 系统中发射分集条件下的子载波频域均衡算法和频偏估计模糊 度校正算法。 论文的第三章针对传统的r a k e ；接收机在高速数据传输业务中难以满足系统 性能要求，面理想的m m s e 均衡器又因为运算量太大不能实时应用，提出了一 种低复杂度自适应c h i p 均衡器设计方法，它采用最速下降法来解决码分导频体 制下的自适应均衡问题，并在运算量大大降低的前提下，得到了接近理想m m s e 均衡器的性能。仿真结果表明提出的码分导频c d m a 系统中低复杂度自适应 c h i p 均衡器设计方法具有较强的实际应用价值。 苎二童丝笙 在低扩频比条件下，r a k e 接收机的性能较差，用r a k e 接收机得到的判决值 作为多级干扰抵消的初始判决值将不可避免的影响整个接收机的性能a 本论文第 四章针对这个问题，提出联合均衡块迭代软判决反馈干扰抵消接收机结构，它采 用自适应c h i p 均衡器作为块迭代干扰抵消的第一级，并利用每次迭代得到的 软判决值来更新信道估计参数和初始判决值，有效地降低了初始判决的不准确对 接收机性能的影响。理论分析与计算机仿真表明提出的联合均衡块迭代软判决反 馈干扰抵消( m m s e b i i c ) 接收机同传统的r a k e 接收机、线性m m s e 均衡器以及 多级干扰抵消接收机相比在性能上有较大改善。 论文第五章研究了o f d m 系统中，在信道最大时延扩展大于循环前缀长度 时产生严重的i s i 和i c i 的情况下的均衡算法。其包括时域均衡算法和频域均衡 算法。在时域算法中，分析了几种时域均衡算法的优缺点并通过理论分析得出了 各个算法等价的条件。接着，研究了发送分集条件下，o f d m 系统中的子载波 频域均衡算法的设计问题，将单天线下o f d m 系统的子载波频域均衡算法推广 到多发射天线下，综合考虑了信道均衡和干扰抑制，提出了发射分集o f d m 系 统下子载波频域均衡接收机设计方法，并基于m m s e 准则得到了最优分集合并 系数。仿真结果表明提出的t d p t e 接收机算法有效地抑制了由于循环前缀过短 造成的干扰和各个信道信号之间造成的互干扰，得到了较好的误符号率性能。 时频同步误差对o f d m 系统的性能有很大影响。本论文第六章讨论了时频 误差的存在将会引起子载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰，并造成有用信号的衰 减。针对无线高速数据传输环境下，进行频偏估计时所产生的估计模糊度问题， 讨论了避免产生频偏估计模糊度的方法，并将解决频偏估计模糊度问题的算法分 成两类，分析了这两类算法各自的优缺点。然后，提出了一种基于零子载波检测 的频偏估计模糊度校正算法，分析了定时误差的存在对算法性能的影响。分析和 仿真表明，基于零子载波检测的频偏估计模糊度校正算法同传统的频偏估计模糊 度校正算法相比，在性能相近的前提下，具有运算量小的优点，有较强的实际应 用价值。 论文第七章针对频偏估计中产生的模糊度问题提出了一种基于符号间相位 差分调制的频偏估计模糊度校正算法。通过理论分析证明了算法具有唯一可辨识 性的充分条件。理论分析表明提出的算法同基于子载波间相位差分调制的频偏估 计模糊度校正算法相比，其性能受信道频域响应零点的影响更小。当定时误差在 一定范围内时，该算法的性能对定时误差是鲁棒的。而前人提出的基于子载波间 相位差分调制的频偏估计模糊度校正算法由于受到定时误差的影响，其性能急剧 恶化。通过计算机仿真，验证了分析结果的正确性。在性能较接近的前提下，新 提出的频偏估计模糊度校正算法具有运算量小，对定时误差不敏感等优点。 第二章移动透信的信道特性 第二章移动通信的信道特性 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。按传输媒介的不同，物理信道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，而有些无线信道则是极为随机的，并且不易分析。 无线信道有中、长波的地表面波传播，短波的电离层反射传播，超短波和微波的 直射传播以及各种散射传播等 2 3 。 2 1 移动通信信道 移动通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会受到各个 方面的衰减损失，接收信号功率可表示为 p ( d ) = p r “s ( d ) r ( d )( 2 1 ) 式中d 表示距离矢量，其绝对值表示移动用户与基站的距离。上式表示信道对 无线电信号的影响可归纳为三类： ( 1 ) 自由空间的路径损失( 也称传输损失) l d r 。自由空间的路径损失是 移动台与基站之间距离的函数，表述的是大尺度区间( 数百或数千米) 内接收信 号强度随发射一接收距离而变化的特性； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：由传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电 波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。阴影衰落描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内 信号电平中值的慢变化特性； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由移动传播环境中的多径传输而引起的衰落。多径衰 落描述的是小尺度区间( 数个或数十个波长) 内接收信号场强的瞬时值的快速变 化特性。 由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号要比发射的信号弱得多。路径损 失主要由平方律扩展、水汽和叶群的吸收、地表反射等引起，它与距离有关。对 快速移动的用户而言，平均路径损失变化非常慢，信号的变化主要表现为衰落。 东南大学博士学位论文 阴影衰落常称为慢衰落，主要来自建筑物和其它障碍物的阻塞效应。多径衰落常 成为快衰落，由移动用户附近的多径散射产生。 反射、绕射与散射是移动通信系统中电波传输的三种最基本的传播方式。 当传播的电磁波入射到一个其尺寸比波长大得多的物体时，电磁波会发生反 射。反射主要来自地表、建筑物和墙壁。 若发射端和接收端之间的无线电波被一个具有明显不规则性的表面阻塞，则 会发生绕射。由阻塞表面引起的二次波存在于整个空间，甚至在障碍物后面 也有存在，使得电磁波能够绕过障碍物传播。 当电磁波在传播中遇到些尺寸小于波长的目标物或者每单位体积的障碍 物数目很多时，电磁波便会产生散射。散射的波形由粗糙表面，小目标物或 信道中的其它不规则物产生。 2 2 多径传输信道的物理特性 由于地面和周围建筑物的反射，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的 时间到达接收天线。这些到达波称为多径波，由于它们的强度、传播时间以及发 射信号的带宽等的不同，而使合成后的接收信号的幅值和相位，甚至波形有可能 变化很大，引起畸变或衰落现象。 多径衰落主要表现出三类特性：是时延扩展特性，又称频率选择性；二是 随机时变特性，又称时间选择性，或多普勒扩展特性；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。 2 2 1 多普勒扩展和时间选择性衰落 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。 由运动引起的接收信号频率的移动称为多昔勒频移，它与移动用户的运动速度成 正比，可以表示为 ，= c o s 9 ( 2 2 ) 、7 式中目是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是移动台的移动速度，旯是载波 波长。兀= v 1 2 ；是, f 的最大值，称为最大多普勒频移。 墨三至堑垫望堡塑笪堂堂垡一 对于移动台来说，由于周围物体的反射，其多径接收信号的入射角都不全相 同。假设移动台天线为全向天线，路径数较大，且不存在直达径，则可认为多径 波均匀来自各个方向，入射角口服从 o ，2 石) 均匀分布，则接收信号功率谱为 蹦，= 扑 等 2 1 “娜批 b 3 ， 其中，只，是各向同性天线接收到的平均功率。由上式可见，虽然发射频率为五， 但接收电波的功率谱s ( f ) 却展宽到z 一以到工+ 厶范围，这就是多普勒扩展。 多普勒扩展可以用信道相干时间来表征。相干时问乙。就是两个瞬时时间的 信道冲激响应处于强相关情况下的最大时间间隔。 在移动通信中，相干时间z 由下式给出： = 毒2 万1 ( 2 4 ) 式中c 为光速。 ， 相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道随时间变化快慢的一个测度。相干 时间越大，信道变化越慢：反之，相干时间越小，信道变化越快。由于多普勒扩 展与相干时间有关，所以从衰落的角度看问题，多普勒扩展引起的衰落与时间有 关，故称之为时间选择性衰落。既然是时间选择性衰落，根据时间变化的快慢， 它又有快衰落和慢衰落之分。若基带信号带宽比多普勒扩展大得多，则多普勒扩 展的作用在接收端可以忽略不计，这意味着无线信道是种慢衰落信道。否则， 就应该考虑多普勒扩展的作用，这是快衰落信道的情况。 2 2 2 时延扩展和频率选择性衰落 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。在发射端发送个极窄的脉 冲信号j ( 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，接收信号，( r ) 由不同时延的脉冲组成，可表示为： 东南大学博士学位论文 r ( f ) = 岛( f ) 即一q ( f ) 】 ， ( 2 5 ) 式中h j 是第z 条路径的反射系数，它是t 的函数，代表了信道的时变特性。r t t ) 是第f 条路径的时延。最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号的到达时间 之差定义为时延扩散，记作。相干带宽通常定义为时延扩散的倒数，即b = i a 。 多径衰落信道对信号中不同的频率分量所造成的衰落是不同的。根据衰落与 频率的关系。可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。对于移 动信道来说：当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，常称平坦衰 落，即传输后，信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落信号的波形 不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落，即传输信道对信号 中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。 2 2 3 角度扩展和空间选择性衰落 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度扩展是 指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由 多径的反射和散射引起的发射角展宽。在某些情况下，一路径的到达角与路径时 延是统计相关的。由于角度扩展，接收信号产生空间选择性衰落，也就是说，接 收信号幅值与天线的空间位置有关。 空间选择性衰落用相干距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应 保持强相关的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越 长，则角度扩展越小。 2 3 信道模型 由上述可知，要建立合理的移动信道仿真模型，必须考虑信道的随机时变和 时延扩散两方面的特点。 2 3 1 瑞利分布的随机时变衰落信道仿真模型 众多学者提出了许多方法来建立一个瑞利分布的多普勒信道模型。其中被广 泛使用的是j a k e s 2 4 署l lc l a r k e 2 5 给出的统计模型。 图2 1 给出c l a r k e 模型示意图。它用两个独立的高斯噪声源分别产生同相和 正交衰落分量，在频域经过式( 2 3 ) 定义的多普勒成形滤波器对随机信号进行 墨三童鳖塑翌堕箜鱼壅鲎丝 整形，最后用i f f t 得到时域中的数