（通信与信息系统专业论文）高速移动通信中的多普勒频移问题.pdf

北京变埔天学硕士学位论文 y s ? 9 主 摘要 摘要 旋光线逶售系统串，痞遘静衰落薅薤燕袋翻移动运稿系统性筑挺菇戆 一个主要囡素，主骥表现为时豫扩展、多酱勒扩展以及慢衰落。而随着社 会进步，将无线通馈应用于高速移动环境鼹个必然的趋势，因此，研究 高速移韵带来鹩多普勒效应鹩影响及解决怒一个重要谦题。 本文首先研究光线信道的物理特性和数学模型，描述各种衰落信道的 特性，分辑信遒戆 l 聿变健对传输信号频谱豹影响。避避对大量文献豹深入 理解，对解决多营勒频移问题的主流技术谶行分析，特别介绍了多普勒分 集技术，势螟述了其谯缺点。 在高速移动通倍中，多普勒频移是影响系统误码率的重要因索之一。 本文基予目前移动通信中广泛谴用的g s m 窳统，对通过多普勒扩展瑞剃衰 落信遴差分解谓系统的误码率避行了公式推导，并对不隅多普勒颡移条件 下，误码率随接收端信噪比的变化进行仿冀，结果表明，当存在多酱勒频 穆时，饺靠增丈发饕| 功率来改篱误玛蛙戆燕不够兹。 分集接收技术是抗衰落的艘有效的方法，其原理是将接收到的多径信 号分离，然磊按一定规则合弗越来，从薅掇麓接收蠛的信噪比，障低数字 信号的谈码率。本文另一个黧要工作是擐苷了选择性分集和等增箍合并 方式接收的误码率计算公式，并对多普勒频移取相同饿，分集数不同时， 误码搴隧接收藕镶矮毙瓣交毪遴舒了蕊龚努辑。 关键词：多普勒频移多径衰落多普勒分集误码率选择性分黛等增 益台势 北京交遄太学硕士学位谚文 a b s n u 岍 b s t r a c t l nm ew i i e i e s s m 删n i 翎主i o ns y s t e m ，o 珏em a j o rf a 瓣曲丑t 如g r a d e st l i e p e 哟m l a n c eo fm o b i l ei sc h a n n c lf a d i n 舀w h i c hi d u d 髂岫ed e l a ys p f e a d ， d 嘲融s p 掉醛鞠dl o w 蠡黥磐w i f e l 髂s h 疆蹦孰l 铡l 畦s # 硅遮氇e h i 曲一s p o e dc n v 的n m e m si sa n a i nt e n d e n c y s o ，t o 粥s c a 曲t h eh 皿u e n c e a n dt s o l u 虹蚰f o rt h ep r o b l e m0 f d o p p l e f 娼h i f ti s 蛆i m 脚tt a s 妊 弧e 西，s i c 8 l 矗n d 描a 磕，s 瓣o d e l so f 也# w h l e s s 馥鑫n n d 黜羲随酶髓 卸dt h e ns o m ef u n c t i o sa 廿dp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d h a v i n gs t u d i e dt i l e f 氐赫c 搴p a 辨瓯辨锺a l y z e 攮ep e 渤玎n a 魏c co f 摄ec u 糊la p p 黼粒h e s 艳 d 叩p l o rs h j f t ，锄dd o p p l c rd i v 尊f s i l yi sd c s 州b e d 。s p e c 谢i y mt l l eh i g l l - s p e e dm o b i l e m m l l i l i c a 主i o 珏，d o p p l e rs h mi i l n u e n c e st h e e 秘fp 孢b 两潍y 豫耙b 瑾y 。强i sl h e s i s ，勰氆eh s i s 醴g s ms y s t c 拜l ，d e 菇v e s a n dc a l c u l a l e st h cb e rf o rd p s kd e m o d 砒a n o n3 y s 把mo v e rd 叩p l e rs p r e a d r a y l e j 曲f a d i l 培c h a n n e l s 。1 套ev a 痢b l ec b a f 越t e 蛀s 雠o fb e ri ss 氆糠a t e d 遮 m 砒i a b d i v e r s i t yt e c h n j q u e sa r em o s te f f c c 廿v em e t h o d st oc 。m b a tf a d i n gw h i c h s e 弘f a l ef c c e i v m 啦畦巾罐ls i 辨a l s ，鞠d 囊e n m b 叠e 喙e m 踯a st o 妇摹d v e m es n ra tt h e ”c e i v e lf ( rn u m 哪ls i 肆a l s ，b e ri s1 e a s t 1 nt h i sp a p e r ，也e b e ri 苴ls o l e c t v cd i v e f s i t y 柚de q u a l - g a i n m b i l l i n gr e c 硝v e 两d c r i v e d 硼坼 s 1 平积蜊t yo f d i v e 捌t yi n 埘l l c i 牲gt h eb e 袋i sp f o v e d 酚s 至m n k 瞬o n k w o r d s ：跏p p l e rs h 氓m u l t i p a 氓d 0 p p l c rd i v e r s i t y b e r ，s e l e c l i v e 堪v e 辐赴y ，e q 姚l m g a 血锄b i 嫩n g - 箍 北意交通大学硕士擎健论文 第一章绪论 第一章绻论 1 1 论文背景及选题意义 垒球移动通信发展虽然只有短短2 0 年的时间，但它己经创造了人类 历史。上伟大的奇迹，未来邋俊缒需求将向宽带化、个人他、智化、移动 纯的方向发展，移动性正在渗透到人们工作和生活的各个层面。在信息支 撑技术、市场竞争和需求的热同作用下，新的移动通信技术层娃 不穷，从 3 g 瓣离爱诧逡释敬至于4 g 技术豹掩掇与完善，移动逶蔫系统窑瑰了一 次次的飞跃。 随着通信技术的不断进步，将无线移动通信应用于高速移动环境是一 个耄要的发展趋势。馈如，辩于智耗交通系统、高逡铁路的蠢控信息蒋输 系统以及卫星通信等系统而畜，物体的穆动速度非常快，会产生明显的多 善勒羧虚，裁会绘接受性髭带来影响。隧蘩交逶强境蛔改善窝技术懿发聂， 普通的个人移动通信也可能在高速运动下进行，因此，研究无线通信系统 在高速移动环境下的应用，保证其信息传输的有效性和可靠性将有很大的 理论债筐霸实用价值。 无线信道属于一种复杂的时变信道，具有高噪声、高误码率的特点， 其主要特征是出予多径传攒s l 超的时延拶震帮由予移动台运动b f 起鲍多 普勒频移，以及出于阴影效成引起的侵袭落。与普通的移动通信环境相比， 高速移动通信中滩线信道最突出的问题之一就是多普勒频移带来的高误 羁攀。拓，当载波五= 9 i 如，移动逮瘫v = 3 勃，a ，i 最丈d o p p l e r 频移厶= v w2 5 0 肫，揪，l o 。2 【1 】，而一般数据传输的误码率要求达 至1 0 1 0 。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，广泛应用于陆地个人移动通信的数字移动通信系统主要有 g s m 和c d m a 两大系统，其中g s m 发展相对较早，技术也更为成熟， 它有效地克服了模拟制式移动通信系统存在的频谱利用率低、容量小、制 式不统一、联网漫游困难、不能提供数据等非话音业务以及话音失真、保 密性差等缺点。近年来全球g s m 的主流地位愈加突显出来，与c d m a 相比，市场优势更加明显。截至2 0 0 4 年年底，全球g s m ，w c d m a 体系 的占7 5 1 4 ，而c d m a 体系在全球移动市场的份额为1 3 9 1 ，因此 g s m ，w c d m a 用户是c d m a 用户的5 4 倍。 我国于1 9 9 2 年开始研究第二代数字蜂窝区移动通信系统的制式选择 我国的g s m 网发展迅猛、竞争激烈、技术更新快。在g s m 服务的推动 下，2 0 0 3 年移动电话用户数量首次超过了固定电话用户的数量。预计到 2 0 0 6 年底，中国电话用户数将超过8 2 亿户，其中移动电话用户数将超过 4 4 亿户，固定电话用户将超过3 _ 8 亿户。 因此，g s m 作为目前挽国主要的个人移动通信系统，如何在其工作 范围内更好的适应陆地移动通信的特点，研究移动信道中的多普勒特性， 计算由于多普勒效应引起的误码率，从而采取相应的措施以提高数字移动 通信系统性能，是十分必要的。其解决的程度直接影响着g s m 系统的服 务质量和今后的发展空间。对基于g s m 系统的多普勒频移带来的误码率 进行研究，不仅有利于分析误码产生条件，提出解决方案，对g s m 系统 的完善也有其特定的意义。 1 2 课题研究动态 多普勒效应对高速移动体接收信号的频谱有很大影响，在多径环境 下，接收信号的频谱结构中会产生不同的多普勒频移，造成多普勒扩展。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 多普勒效应产生的衰落称为时间选择性衰落，它对误码率有明显的影响。 因此有必要计算出多普勒扩展造成的误码率从而使设计者采取相应的抑 制措施。目前，多普勒频移可以从多种途径加以解决，一般方法的基本思 想是在接收端估计出频偏值，再用均衡或同步进行补偿。近年来有人提出 把多普勒扩展作为频域分集资源，不但能克服对系统的不利影响，还可以 提高系统性能。特别是在快衰落信道，d o p p l e r 分集是一个行之有效的解 决方案。l e o 卫星通信系统通过设计合适的调制解调方式，使接收机对 d 0 p p l e r 效应不敏感，可以消除载波频偏及相位漂移带来的影响，如多项 差分调制解调等。差分解调是一种很好的克服多普勒频移的方法，本文就 是从差分解调的角度分析了多普勒频移对误码率的影响。 近些年来，国内外已有许多学者致力于在移动通信多普勒特性及其影 响方面的研究。例如文献【2 卜 4 】从理论方面对移动通信的多普勒频谱进行 了研究，得出了理论下的经典j a k e s 多普勒频谱，但是上述文献都是基于 二维空间传播的，即都假设信号为水平入射，文献【5 1 弥补了这一不足， 从三维空间入手，得到了更为一般的多普勒频谱的理论表达式。文献f 6 1 、 【7 】对多普勒效应影响下的r i c e 信道中d p s k 信号的误比特率进行了研 究，发现由于受多普勒效应的影响，提高信噪比并不能明显改善系统性能； 文献 8 】对m a r k o v 建模r a y l e i g h 衰落信道中的b p s k 信号进行了分析，提 出了移动系统性能可以看成是移动台运动速度的函数，并且将功率控制、 编码以及交织技术结合起来会有效减少多普勒效应的影响。文献【9 】提出 了一种适用于超短波航空信道条件下的具有多普勒频移校正功能的多相 差分调制解调器。多普勒效应的利用方面，最大多普勒频移实际上对应着 移动台的最大移动速度。在高速公路车辆智能管理系统中，通过估计最大 多普勒频移来得到用户的速度和运动方向【1 0 】。在移动通信中，多普勒频 率估计应用于用户小区间切换。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 论文主要内容 本文对解决多普勒频移问题的主流技术进行了分析。基于g m s k 调 制方式，提出了信号经瑞利衰落信道差分解调后，由多普勒频移和噪声共 同影响下的误码率公式，并分别推导了选择性分集和等增益合并方式下的 误码率公式，最后通过m a l l l a - b 进行仿真。 本论文主要包括以下几个方面： 第一章论述了论文背景及选题意义、课题的研究动态及目前应用。 第二章介绍无线信道的传播特性，从数学参数的角度描述了衰落信道 的特性，研究多径衰落的原因以及多普勒频移的产生机理。 第三章描述了多普勒效应对瑞利衰落信道的影响及基于c l a r k e 模型 的多普勒频谱，分析了解决多普勒频移问题的主流技术，并比较其性能。 第四章介绍了g m s k 调制解调技术，推导了g m s k 调制方式下，信 号经多普勒扩展瑞利衰落信道后差分解调的误码率，并进行了仿真分析， 通过仿真结果验证多普勒频移对误码率产生的影响。 第五章分析了采用分集技术的原理和优势，分别基于选择性分集和等 增益合并技术的原理推导了这两种合并方式下的误码率公式，通过 m a a b 仿真验证了分集对降低系统误码率方面的贡献。 最后一章总结全文内容，并提出迸一步的研究方向。 北京交通大学硕士学位论文第二章移动无线信道 第二章移动无线信道 多径和多普勒频移是信号在无线信道中传播时产生衰落的主要原因。 本章将讨论具有时变多径特性的衰落信道的一般理论，逐步分析信道的重 要参数，然后讨论对信号有重要影响的一些信道特性。通过研究信道的这 些特性，可以理解无线信道对信号产生影响的内在机理。 2 1 无线信号传播 一般无线环境中的信号衰减分成三部分来描述： 幅度衰减较大的空间路径损耗( 空间衰落) 伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分一大 尺度变化( 慢衰落) 衰减幅度较小的快变化成分一小尺度衰落( 快衰落) 其中快衰落部分主要包括两种典型的分布： 瑞利分布( 非视距传播) 莱斯分布( 视距传播) 2 1 1 多径传播与多径衰落 无线移动信道是一种时变信道，无线信道的特性是信号以电磁波的形 式传播，同一个发送站发送的电磁波在传播过程中会遇到很多建筑物、树 木、植被、起伏的地形、海面和水面等因素而引起的电波的反射、散射和 绕射等，这样在这种充满反射波的传播环境中，到达移动台天线的信号是 许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因 北京交濑大学硕士学位论文 第二章移动无线信道 瑟各路径来熬反射波至达时闽不网，相位瞧裁不建e 不同相位的雾令电波 在接收端叠加，膏时同相叠加而加强，有时反相叠加而减弱。这样，接收 信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以 称为多经衰落。多经衰落是移动无线信邋豢基本蘸褥征之一，楚影响接收 效果的主要因素，包括三个方面：多径传播时延扩展、信号强度的快速衰 落和不同路径信号豹多普勒颡移的变化g 逛的随枧频率调制。 墨2 ，l 多衽时变信遵对窄脉冲的响艨 多径传输信邋表现为信道的冲激响应是一个随机过程。为了研究信道 的实鼯特性，必须从信道特性的统计分析入手，建立傣道的统计分析模型。 缓设淹过多径信邋铸输一个窄弥冲，刘按狡信号呈璃一个窄赫i 串窿捌，如 图2 1 所示。如果反复多次进行窄脉冲搽测实验，则接收脉冲的个数、各 脉冲螅螭度、然渖之闻的相对时延都是糍飒变化的。翔暴通过不瓣电波入 射角及不同的相对运动速度下进行正弦信号的探测实验，则可发现接收信 号不再是一个单频信号，而呈现信号的谱扩展特性，且谱扩展特性与电波 a 辩角耧穗对运动逮痉密韬翱芙。 北京交媳大学硕士学位论文 第二章移动无线信遭 2 。 2 多警鞠羧移 对于无线环境来说，由相对运动引起的接收信号频率的偏移称为多普 勒频移，与移魂麓户运动速壤成正琵。当移动啻敬瞧定速率r 在长度为蓐， 端点为聊l ，的路襁上运动时收到来自远端源s 发出的信号，如图2 ，2 所示。 无线淑波献源s 出发，在魏蕞每y 点分别被谬动台接收时蹶走的热经差为 a zt d s 8 一v a r s 8 。 图2 啦多普勒教应示意图 这举加是移动台从x 运动到y 所需妁时间，兮是和y 处与入射波的夹 角。由于源端距离很远，可假设墨】，处的口是相同的。所以，由路程差 造戒瓣接牧接号鞠霞变纯壤为： 却呈警。曼警。s 口( 2 1 ) 由魏褥岛颓率变他值，郓多饕勒频移矗为： 矗- 去警* 姜一em ，；c o s 疗 ( 2 2 ) s “， p， 北京交通大学硕l 学位论文 第二章移动无线信道 可见多普勒频移与移动台运动速度和波达方向有关。若移动台朝向入 射波方向运动，则多普勒频移为正( 即接收频率上升) ；若移动台背向入 射波方向运动，则多普勒频移为负( 即接收频率下降) 。 2 1 3 多径传输信道模型 设多径传输信道的输入信号为： s p ) = r e 阻o p 珂。】( 2 - 3 ) 该信号经多径信道传输后的输出信号可表示为： x ( f ) = 罗q o ) s p q ( f ) 】 f - u l ( 2 4 ) 地 荟4 ，缈槲“p q ( f ) 驴脚 式中，n ，o ) 是第，个路径上接收信号的衰减因子，q ( f ) 是第z 个路径 上的传输时延，它们将随时间随机变化。信道的时变冲激响应： “。荟。，酬。6 p 一_ o ) 】 ( 2 - 5 ) 假设接收机接收的多径信号为无穷多，且各路径之间的时闯间隔充分 小，则信道为连续多径信道，其时变响应可表示为： r o ) 2 工。n p ，f p ( f f m r = r e 醢【n p ，f ) e 一卿h ( f f m h 研 2 。6 北京交道太学硕士学位论文 第二章穆动无线信道 2 2 褡魂无线谈遘特性及参数 2 2 。1 时廷扩殷和提千带宽 在多径信道中，由于各个信道的时延不同，将造成接收信号时域上波 形的麟宽，称为时婚扩展。一般她，接收信号为各个数射信号之秘。 鼻( f ) 2 靠。一f j ( 1 ) ) ( 2 忉 ，# ；分裂鸯各螯薅径豹衰减系数瑟程对转输露延。裳蒸主垂予移魂簧输 环境十分复杂，在不同区域不同时间里所实测的时延都不尽相同，因而要 定量豹绘窭对延妻h 屣楚藿，霹璇采用缓谤警捣懿办法。对延扩震矗是时延 平方的平均值和平均时延的平均值的差的平方根，即 a ；丽。 篇1 嚣n z 印讯帅ie 帆ii m 叫 黠一经意舞壁多锤傣遒亲说，对延扩展氆哥跌表示海 a 一嘉2 一_ ) 。； 善p p i 廊 善p 如) p “h 善p 以) 2 1 必 2 毋 其中p 魄) 表示信号在时延为t 的路径上的功率。 时延扩展引起频率选择性衰落，它在时域上将倍号的波形魅宽，通常 用信道的相干带宽展来定量描述时延扩展。相干带宽定义为两个频率处 信遒静频率晌应德持强籀关条件下的最夫频率差。在工程应焉中，对于角 9 - 北京交通大学硕士学位论文 第二章移动无线信道 度调制信号，相关带宽可用下式估算： 皿t 去 ( 2 _ 1 0 ) 相关带宽表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。当衰落信号 中的两个频率分量的频率间隔小于相关带宽时它们是相关的，其衰落具有 一致性；当频率间隔大于相关带宽时，它们的衰落不具有一致性。 2 2 2 多普勒扩展和相干时间 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时问色散特性的两个参数。 然而，它们并未提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由移动 台与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。多 普勒扩展和相干时问就是描述信道时变特性的两个参数。 多普勒扩展口。是频谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的 时间变化率的一种量度。多普勒效应造成当发射频率为f 的单频波时， 接收信号的频谱会从频率为丘的谱线扩展为丘一，卅到正+ ，卅的有限谱 带宽( ，_ = m “( 厶) ) ，在多径环境下，接收信号的频谱结构中会产生不 同的多普勒频率偏移，这种频移会造成多普勒扩展。这相当于单频信号在 通过多径信道时受到随机调频。多普勒频移，的增加将导致接收机的输 入信噪比降低，从而影响到其误码率性能。 相干时间r 是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道的频率 色散的时变特性，定义为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，相关时间r 由下式给出： 北京交通太学硕士学位论盘 第= 章移曲无线信道 快。 r 。三。l 呵：f 。 ( 知1 1 ) 相关时间瓦越大，信道变化越慢：反之，相关时间越小，信道变化越 2 2 3 衰落信邋中信号包络统计特性 2 2 3 1 瑞利分布 猩微蜂窝无线环境中，由于存在各种建筑物，接收信号中含有大量反 射波。可以证明，在这种情况下接收信号的幅度服从瑞利分布，因而多径 衰落邋常又称为瑞利衰落。 为了对多径信号做出数学描述，首先给出下列假设： l 。在发射机和接收机之间没有直射波道路： 2 。有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，棚位也 是随机的，且在0 一h 内均匀分布： 3 各个反射波的幅度和榴位都是统计独立的。 一般来说，在离基站较远、反射物较多的地区，是符合上述假设的。 在上述假设条件下，接收信号可以表示为： 置o ) 。善一嘶c 。s c + 抽盖c o s 即+ 蛾) 侈1 2 ) 令妒f 一扫c o s 谚f + 磊，则 墨4 善如c 。s + 戥) - 瓦酗) s n j 。f t ( f ) s i n c f ( 2 1 3 ) 抟京跫通太学硕士掌证论文第二章移劝无线信道 l钠a i ”1 侧r 咖帅p 甜j ， f 口 f | 一 l 2 、 鹫争3 瑙秘势商穰攀密度示意爱 t ( r ) 。善4 q 印一，t ( f ) 。薹一吒s i n 叽，分别为p ) 的同相分量和正交分 量a 当n 很大时，根据中心极限定理，取) 和i 怒高斯随机过程【1 1 1 。 冷t 和分别为某时刻棚 相应于( ) 和互0 ) 的随枫变量，则和 王暇从零均值、方差为f 2 的正态分布，照相互独立。则 瓯驴哟魄) t 去“璞戛笋l l 耷 令rm0 t j + t ：。 口一一 ，则 n 。( ，研= p 。f 。，c ) ，f j 未了e 神卜乏 p e 转) 一去 和s 8 s 款) ( 2 - 1 5 ) 犯一l 国 北京变通犬学硕士学做沧史 第二章穆动无线信道 岛小争唧l _ 蔷。】 ”o ，弘蝎 + 妊两式表躜，接收信号的糍健服从o 一赫鲍均匀持椎，接收楼蟹包络 服扶瑞利分布，其概率密度函数鲡图2 3 所示，墩* 6 ，d 2m l 。 2 袅3 。2 蓁瓣势蠢 在上一小节的分析中，粥了一个基本的假设，即个多饪信号是相 蔓猿妻鹊，显没蠢母售鸯蠢支琵缝位。= 妄囊基站较遮魏遗嚣，粪射渡塞 于扩散损耗较大衙很弱，或者由于遮蔽而没有直射被，上述假设魁成立的。 j a “# i # 自l ： 7 ， | v 图2 4 菜斯分布概举密度示意隧 然嚣，在舞蒸漆较逅懿嚣蠛，逶霉露较强戆童射波。理论主哥鞋淮蠢， 存襁支配地便分量的大蛩随机变量之和服从莱新分布。莱斯分柿的概率 密波醢数为： 1 3 - 尹渺) 。考晰去知。争 佟t 劫 选里，r 为衰落信号的包络，为壹射波幅度，鸯，的方差，| ，。( 为修萨的零阶第一类b e s s e l 涵数。其概率密度函数如嗣2 _ 4 所示，一6 ， a 2 乩k 一事一e 一铋* 2 3g s m 系统依道传输中的多普勒频移 o s m 数字移动通信系统鼹由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的 标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。g s m 由 许多确能苹元缠藏，整个系统爵瑷分为三个独立豹子系统，其中蒸鳐予系 统( b s ) 在移动台( m s ) 和网路子系统( n s s ) 之间提供和管理传输通路，n s s 必须管理通信业务，保证m s 与蝴关公用遴信隧或其饿m s 之闯建立逶售。 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网g s m 通信系统采用9 0 0 聪频段， 其中，上行频率为8 9 0 9 l s 膨，下行频率为9 3 5 9 6 0 m 在陆地高速移 动透信中，移魂台速度一般在2 鼢聩左瘩，裢翔奁实落生蕹中汽车车载 台时逋很少超过2 迈，中国铁路的几条干线预计于今年十月实施的第六 次大提速将使列车时速达到2 0 0 秦沈密运专线，试验列车创造了时速 3 2 i 5 扶多普勒额移的角攫考虑，设移动台静运动速率为2 0 0 妇均，则 由公式( 2 2 ) 可知，当移动台速度正指向基站时，有最太多普勒频移： 轰- ，t 兰 ( 2 一1 9 ) c 令v = 2 0 0 功柏，卢9 6 0 岍搬t 则厶* 1 8 | 。慨，即通常的陆地移动通信 中，簸太多善藜壤穆霹达近2 舷。在多径转播嚣甍下，羹缝秉燕对发瓣 北京交通大学硕l 学位论文 第二章移动无线信道 信号的随机调频( 信号相位的随机变化) ，造成接收机的误码率增加。比 如在某干道的立交桥上，车速较快，该处手机可能经常有掉话现象。这是 由于该处信号覆盖较弱，在车速较快时信号衰落深度加大，误码率增高。 g s m 数字蜂窝移动通信系统采用t d m a 多址方式，每个) m a 帧 长4 6 1 5 m s ，含8 个时隙，每个传输时隙的持续时间约为0 5 7 7 u ，因此信 号发送可视为短时突发通信，可以忽略多普勒频移在时问上的变化， 认为是一固定频偏。 北京交道太学硕士学醢论文第三章多蕾勒鞭移硒题的影响蔑解决方法 第三章多普勒频移问题的影晌及解决方法 农蔫蠢章葶巾我翻舟鳝? 移动无线偿遴豹多经装落及霾季交羧，墨经对 多普勒特性有了一定的了解，本章首先详细分析多普勒频移，介绍雾普勒 效应对瑞利衰落信邀的影响以及基于c l a 轴模型的缀典的多普勒频谱， 然磊分拆磊前多普勒频移闯惩的解决方案，并进行程能分析。 3 1 多普勒频移阔题的影响 3 1 1 多普勒效应对瑞利褒落信道的影响 搬据式( 2 2 ) 厶；兰，c s p 可知，移动台运动速度越大，最大多普勒 c 频移矗越大，帽虚的多普勒频谱扩展也越大。假设信号载频= 9 0 ， 移动通信传播环境中，移动台三种典型的移动速度与多普勒频移分剐为： 1 ，行人步行速度3 砌砌，则行人步行情况下最大多普勒频移为： f 磊= f w2 5 疆 c 2 自行车行进速度为2 5 舾砌，则自行车运动中最大多普勒频移为： f 支- 卫v 一腽 c 3 汽车行进逑度为1 0 0 舰砌，则汽车运动中最大多普勒频移为： ， 支- 三。v 一8 3 3 a e f 面主要考察多普勒效应对瑞利衰落信道的影响，现对上述兰种情况 下的接收信号包络进行仿真，参考文献f 2 3 】提出的一种新的适用于瑞利信 遵的镑冀模鍪。仿囊图示如下： ! ! 塞塞遵盔兰堡主望照燕兰 篓兰皇查童塑黧氅塑垦塑墅堕瑟壁堡查鎏 醚p l 铲3 溉氆霹谈鼗错蟹毯錾静变诧赫线 嘲3 2v = 2 5 k 岫h 时接收信母包珞的变化曲线 * l ，- j t 京交道太学硬士学惋论文第三章多普勒糯穆拇题豹影噙投解决方弦 黼争3v = l 妇庙辩接收籍母瞧路瓣变纯霸线 围3 1 ，3 2 和3 3 分别给出了移动台在这三种速度下运动，信号经瑞 稳衰落痿遂基接收售号包终藏对阂麴交他魏线，可敬器嚣，疆饕移砖台速 度的增加，包络焚化的速率也加快，也就是瑞利衰落的速度加快。 3 。 2 基于g l a r k e 搂鹫豹多普鞍羧潜 c l a r k e 【2 】提出了一种基于二次散射波源，适用予璃利信道的模型， g a 镕f 3 携塞了一耱基手c l 捌沁豹撰型静簇谱努耩。蔽下奔绥基予a g k e 模 型的雾普勒频谱推导。 游接收信号来自条路径，其入射熊都不尽秽阕，当较大时，多 普袖频穆就成为商一定宽度触多普勒频艇。假设咎动台天线为全向天线， 且入射角8 服从0 一h 的均匀分布，即多径波均匀地来自各个方向，则角 废聍+ 始之阉叠l 迭躲功率为鲁t 矗母，这羹只是瑟毒搦这电渡豹平均功率。 m - 1 8 北京交通太学硕士学位谚烹第三章多普勒频穆问题的影响婴避，! 鲨 来自角菠口和一a 鲍电波；| 起栩黼的多普鞠颧穆，接羲信号懿频率为： t 一| ：+ | c 8 ( 3 一1 ) 多菠赣颓移蠡为入射角8 瓣避数，当入射惫酸8 交纯翻8 + 蠢# 辩，信 号的频率从，变化列，+ 彤。在频域从，到，+ 圩之间的射频功率为： 耐) 协l 一2 去俐。t 8 c z ( 3 2 ) 这墨# ( d 为接收信号功率谱。土式还考虑到了多罄勒频移关于入射 角的对称性。引用文献【2 2 】的报撵。 酮寺嘲 根据( 黔1 ) 式 鸯* 一| 。s b e d 8 咖一= 瓜丽e f 一( 争2 代a ( 3 ) 可褥： 。( ，) 。拿【1 一( 些) z p 碍。 。 则归一化的多普勒频谱为： 1 一警0 丽 毡一 抟| 。 0 其他 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 国一7 ) 当芰一购 稻p * 5 蕊m a ，翊多蔷勒扩震终为8 0 毖，魏下嚣3 4 北京窝避 学硕士学筏论意 第五章多普勒撷稿闽趔曲影响疑瞬决方法 舞豢： 圈3 4 参普勒额谱示意瞄 鄹中表明尽棼发射频率为单频丘，但接i | 芟电渡的功率谱s ，) 却展宽 到一厶铷丘+ 矗的范匿，鼠入射毹鹫在o 一拓均匀箭稚。这楣登子荦 频也波邋过多径移动信道慰受到髓机调额+ 接收信号的功率谱燧宽就是多 善赣额袋。令 屯( ，) = i 州c 氕 对式( 3 8 ) 作傅里叶反变换，因为s 。( ，) 为偶甬数，则 r 。谗一巳s 。f i 1 苹鸯 设，一凡c o s j 。代八h 式得 蕺蜘了娜绒一鼬 - 始一 ( 3 8 ) f 3 一渤 ( i 甜 北京交通大学硕士学位论文 第三章多普勒频移问题的影响及解决方法 j o 一去蠹e m 。邮- 专1 。* 缸c o s 蹦p 咒0 ) j 。( 2 玎，) o ) 一j 。( 埘，) c o s 城f 自相关函数如图3 5 所示， ( 3 一1 1 ) ( 31 2 ) ( 3 1 3 ) 图3 - 5 白相关函数示意图 3 2 解决多普勒频移问题的主流技术 3 2 1 解决多普勒频移问题的一般方法 对于较低频段的g s m 系统，可以采用增加保护带宽的方法，克服多 普勒频移引起的误码率问题。在采用f d m a 多址技术的通信系统中，整 个系统带宽被分为若干个不相重叠的子带来传输并行的数据流，每个子带 一2 l 一 北京交通大学硕士学位论文第五犟多善勒颟秽托韪韵影响及髓遮耋鲎 被穗为一拿信遭，丈约为死十魁巍或十建船蠢，在接牧溃用一缝滤波嚣 来分离各个子信遒。此时的多蒋勒频移低予0 5 船豫，为了避免予带间相 互干扰，可以在子倍道之间增加保护频带，从而克服多臀勒频移产生的影 响。瑷方法挠点蹩实现篙蕈，鼹不琏翻蒋埝辩鞫，毽燕频谱静幂j 耀率低， 而且在频分路数较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。 对于频段缀嵩魄3 g 系统，一般解决方法鲍基本愚蟓是在接收端售诗 出频偏值，再用均衡或同步的方法进杼补倦。但是，遮艟方法都需疆准确 的信遒估计，在接收机移动速率很大、信道处于快衰落的情况下，骚实现 难硫浚蘧静售遂 鑫诤龚拳困禳。嚣显，一般靛信道蘩谤算法灵戆褥翔一个 固定的频偏值，所以在多普勒扩展( 同时存在多个频偏) 的情况下不能达 至很好的效果。 l 麓o 卫星通信系统通道设计合适驰调制解调方式，使接收机对多普 勒效成不敏感，可以消除载波频偏以及相位漂移带来的影响。比如，双信 遘鳃潺爨国c p s 玲，双差分舞调嚣瞅s 酗等。这秘方法阏群可以窿用于 陆地c d m a 系统中。但现有的非相干接收方式一般都会带来3 5 d b 的信 噪比损失。 3 2 2 多普勒频域分集技术 ，联鑫多径一多蒋赣分集装零 在c d m a 系统中，r a k e 接收机是通过“利用多径信息”达到对抗多 径的毽瞧。r a 妊接收辊建露穗芙接收搬缀，对各路径培号进行媚关接收， 加权求和后输出。加权系数的涟择使输出信噤比为最大。实现r a k c 接收 需要准确的同步和信道估计，当存在多普勒频穆，信道是现快衰落特性时， 很难舞现。 北京变通大学硕士学位论文 筻兰皇童董塑塑整塑垦堕壁堕燕堡盗查婆 淹了克服多饕赣效瘟；| 怒豹跨阚遥爨瞧衰落，a m s a 弦e d 【1 2 】提窭剽 用多径和多普勒扩展构成联合多径一多凿勒分集。在分析信道散射函数 。( f ，的基础上，将信道分解为一系列其露平坦衰落的难交子载波，且每 个载波存在多普勒频移。该多径一多普勒分集( 时频r a k c ) 接收机在时 域上的分集接收原理与普通的r a k e 接收枫相同。同时，它采用缀时傅立 辞交羧器琢弱熬方法，在撅域上把多善勃扩震频谱努戒芰条爨径，接牧 端将备条路径上的信号能量进行叠加，实现分集接收。实验结果袭明，在 两个多径分量，棚关处理的馕嚣下，与黜l c e 接收枫俸比较，时毅域二维 r a b 接收机有8 5 d b 的信曝比增益( 在嚣_ 酲p 一1 0 。时) 。其中有3 d b 是由 占总功率的1 2 5 的多普勒分量得到的。网样的，多予5 d b 是由占总功率 5 辩多普翁分茧褥到的。可凳，对频域二壤隐k e 接毅梳麓致褥鬟著效果。 但是，计算复杂度也是普通r 糠e 接收机的k 倍。 2 ，联窘空淘一多衽一多警鞠点维r a k e 攘牧觌 c d m a 系统利用多种分集技术克服寝落，联合多径一多普勒分集技 术羁予时频二维r 磕e 接收辊，毽它没霄充分利用时域、空域、凝域鳃毒 用信息。联合空域多径多普勒分集( 时空颁r a k e 接收结构【1 3 】) ，在时频 r a k c 、时空r a h 的基础上，利用自适应天线在空间形成定向波康和联合 静缀嫒瑾援拳，将多酱勒频章努集痤用翻跨空二缝照耀孛，逶遘镶牧合著 具有不同时延、多普勒频移和来自不同方向的信号，窟现基于天线阵列的 时空频三维信号处理。它对援l | 雯信号进行s 唧分辑，选择时频峰值点得 舞不嗣路径的对移与频移点，并求褥时频偏移相关熊阵殴迸行信道估计， 对用户信号相干解调，最后将不同时频移点上得到的用户信号台并，实现 联台瓣空凝r a 酶羰收。实验表唆，选取举霹鲶融移凝移点不坟簸降低噪 北京交璇太学硕士学位论空第三三章多普勒龋穆目露韵影响及解决方法 声，蠢羹霉戬探避辩频馕移樱美矩阵懿残满秩。虫二除绕谤特性分摄可知， 用时颁偏移相关矩阵代替传统的阵列相美矩阵，时空频r a k e 比时频r a k e 和时空r a k e 更稳健。时空频r 被e 接收的性能比时空r 盅k e 平均信拭比约 提毒了3 d b 。 此方法也可以应用到a ) m a 与o f i ) m 结合的多载波c d m a 蕊统中。 3 时阉选择性售漾靛最大务壤传簸技术 x m a 和g b + o j m a l 【i s 在文献【1 2 】的基础上，提出了一种应用在时间 选择性衰落信遂上的最大分豢传赣技本f l 铂，将多普勃频域分集的应鼹扩 展到非扩频通信系统。 多普勒频域分集的基本思想就是：农时域表现为8 纠一的频偏在频 域等效为6 * s 沁。越+ 8 ) 2 帮。加帆肛 4 1 。2 高斯滤波器的性熊及其影晌 娃一1 ) ( 4 2 ) 为了使已调波其有窄带额谱，要求羝通滤渡嚣其袁如下特点：窄带锐 截止特性，以便抑制高频分量；冲激响成过冲量小，以防止过大的瞬时频 偏；滤波器输出潍激响应盎绫下的垂毅霁| 应予要的稠移，以使淫制搔数 为三。 z 巍耘滤波嚣驰时域 申激歇狰响应为； - 誓c 唰一等 泠。) 搀递函数； 。撕 北京交通大学硕士学位论文 第四章多普勒频移澎响误码率分析与计算 日g ( ，) - e + ( 4 4 ) 其中a 是与滤波器3 d b 带宽巩相关的常数，由3 d b 带宽的定义有 日2 假) - ，吲一2 a 2 所) 一 哦z ( 1 l l2 ) 2 - o 5 8 8 7 可见玩随a 改变，其冲激响应的波形图如下： 图4 也滤波器的冲激响应 在g m s k 调制中，决定误码性能的关键因素是高斯滤波器的归一化 带宽玩瓦。其中，眈为高斯滤波器的3 d b 带宽，瓦为码元长度( 当玩瓦趋 于无穷时即为m s k ) ab 瓦越小则信号的带宽和带外辐射越小，但同时信 号误比特率性能也会下降。因此，g m s k 信号的功率谱性能和抗噪声性 能是一对矛盾，在实际使用时，应根据具体应用场合，综合考虑频谱和抗 北京交通人学硕士学位论文 第四章多普勒频穆影响误码率分析与计算 噪声性能，选择合适的玩瓦值。从图牟3 中可以看出，玩瓦值小于0 1 5 时，功率谱的改善已经不明显，而抗噪声性能却急剧恶化，因此，实际使 用中一般都取见瓦值大于0 1 5 。 ： 蕊f v _ 幅l ，i 。瓤 m - j l “：蕊雯羁蓬 ；蕊：陌蓦 声嘲 一一亿藕率；i f i r c 图4 3g m s k 信号的功率谱密度 在g s m 系统中，玩瓦取0 3 ，这种设置基本兼顾了信号的抗噪声性 能和功率谱性能。 由于多径传输时延和信道时变特性的存在，接收机接收到的信号相干 解调性能变差，所以必须选择在解调时不需要恢复载波的差分检测方案。 因此，优良的数字调制解调技术应具有功率谱窄、调制效率高、误码性能 好、能接受差分检测等特点。 口 耨 帕 耐 船 神 一霉一辇o 靶索交罐天学壤土学靛论文莞鞫章多普勒瓣淳瓣瞬溪禹率癸橇弩计算 4 。2 特征函数介绥 隧誊l 变量并豹特，蕺嚣蕺嬲统诗乎均馕定义搦f f 2 5 塾 嚣转9 搿) 暑掣( 扣) 攀。如p p ) 嫩 鞭一国 其中掣( j p ) 可以描述为概率寮艘蕊数尹取) 的傅立时变换，因此其傅立时反 变换为： p o ) w 去掣( 一扣一廊咖 ( 4 6 ) 特征蝤数独特性在于其同随机燮鬣的原煎矩的关系。在洚5 ) 两边对v 求 导，即 笾挚= 芘“m 芦 沁7 ) 诗算( 4 n 7 ) 在v 一0 捧重的催，哥褥爨淹辊变鼙的输瘫( 筠往) 嚣饵 。毪，! ! ：丝 。 ( 4 8 d r 重复上述袋零过程，避过 幸葵镬v * 0 时豹僮霹得l 特徭薅数￥j p ) 缒圳泠 鞭点矩： 嚣暖州) “篓笋| 。 ( 4 尊) 特征避数为寐统计独立豹涎撬交量鞠羽概率蜜绽蕊数提供了糖篱 便方法，璐下证懿返一点，令髫。窜一t 乏，h ) 淹# 个统诗独立静随梳变量， 嚣 y 4 善鼍 穗一l 要求y 髓襁率密笈避数可先求出英特征蕊数然后透过倦立时反变换求出。 因藏 ，3 3 * 北京交通大学碗_ 学位论文 第四章多普勒频移影响误码率分析与汁算 q 朋t e e ”。q 1 ( 4 _ 1 1 ) a 丘正( 密p 埔咖瓴而，- 戎峨出 因为随机变量是统计独立的，则 p 0 。，工：，一。) 一p “) p ( 石：) p ( x ) ( 4 1 2 ) 炜重积分可简化为胛个独立积分的乘积又由于每个z 各自对应一个特 征函数，则 v r ( v ) 2 。( ( 4 一1 3 ) 如果，除了它们统计独立外，所有盖：都具有相同的分布，则所有随机变 量置的特征函数0 ( p ) 都是相同的，因此 l ( j v ) = 【q 0 ( 少) r ( 41 4 ) 最后，l ，的概率密度函数就可以通过q 0 ( 一) 的傅立叶反变换得到 即通过式( 4 6 ) 得到。 4 3 误码率公式推导 s 图44 差分解调示意图 北掌变通大学硕士擎位论文第四章墨堂塾塑壁量堕堡璺璺坌堑兰盐茎 疆上圉毒h 毒为模鍪，攘导羲号遴避多蔫勒扩袋壤羁衰落繁遥压，潋 d p s k 方式解调的g m s k 误码率。不失一般性，设接收端信号为； s 崖哎s 瓴+ 嵫+ 建+ & 串螂峨 4 ；爿q c o s ( 碱+ 蛾十以) c 。8 啦 ( 4 - 1 5 ) 一触- 妫碱。+ 露+ 壤) 逝姣 + n 。oc o s 峨f 一疗，os i n 峨f 其中爿为发射倭号的幅厦，链鸯载踱数覃，啦为小嘲龉径黔琰捌衰落越 子，i 立正c o s 卢为由于弗普勒频移日l 入的附加相位，舟为由于不同路 径的不同时延s l 入翦附加楗垃，在 2 9 ) 内均匀分毒，唾秀馋输的相位 信息，吃。、 ，。为噪声的同相和正交分摄。 s ) 一f 蠢嘎域 + 鸯+ 壤) + n 。】s 咎一 f 壹血；s 坂狮+ 魂饥0 】s 呱f 1 4 1 6 掌9 一罩蠢) = 【一联；。o s 移一瓦 + 蠡十壤，t + n l 。s 姣p 一是) 一；加。s i n ( 2 磁( f 一瓦) + 妒l + 吼一。) + “】s j n 峨。一殇) 4 _ 1 7 # 。、p 毽i 、& 为意麓爨曝声，冀罄蔗垮基戈o ，方差为2 。令 g 。：，她c o s ( 碱+ 破+ 吼) ( 4 一1 8 ) 酗一舷s 噬嵫“羲+ 壤) ( 4 一l g ) g “z 一嗨c o s 【2 矾e 一瓦) + 谚+ 嚷，z 】 ( 4 2 0 ) g 玲一_ 辑s 强【2 曦孥“嚣) + 褒+ 壤_ ( 4 屹1 ) 北京盘埔大学硕士学位论文第四章多普勒颡磺墅堕堡璺警熊翅兰! 上堡 国第二章瑞稠分布的包络特性可知，毒多径数茸a 狠大时，由于暑。、 昌 、g k 、g 。，为大量独立随挑变量之和，则g “、g b 、g n 、掌# 分别独 立撼月扶正态分布，其有相f 萄方差、零均值。 则 s 8 ) 摹0 船+ o s 杖f 一稼船+ 日，o ) 幽甜 ( 4 2 2 ) s p 一瓦) - ( g 。蝴。) c o s 婢p 一瓦) 一0 。+ 峨。) s i n 哗0 一) ( 4 2 3 ) z 一善窜扣8 一篁各) ( 4 2 4 ) 经过低通滤波器后，判决变量为 1 ；，= s 搴) s 搴一孙) 鬻( g o ；+ j l 。o ) ( g h + 撑。1 ) c o s ( 。吒毛)( 4 2 5 ) + ( g 时+ 抖。o ) ( g b + n 。1 ) f l s m ( “氕) 】 筵楚塞嗪了系数l 鹿，：霹癸，藏满蔗载波频率五是羁元速率魏酌懿数倍， 即正一帆