（通信与信息系统专业论文）基于mimoofdma的机会波束成形技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 机会波束成形技术可以在多用户环境中人为地增大信道变化的幅度和速度，从而提高 系统吞吐量，有着广阔的研究前景。m i m o 系统中波束成形与传统波束成形的概念不同， m i m o 系统的波束成形不再是传统意义的实际空间上的波束形成，而是抽象的矩阵空间波 束成形。 本文介绍了多波束机会波束成形技术和m i m o o f d m a 系统模型，在此基础上研究了 基于m i m o o f d m a 系统的单波束机会波束成形、多波束机会波束成形对系统性能的影 响，在这两个方面将m i m o o f d m a 系统与m i s o o f d m a 系统中的波束成形技术对系统 性能的影响做了比较，并对最优波束数进行了研究。本文的最后还研究了将多波束机会波 束成形技术应用于分簇m i m o o f d m a 系统的情况，研究表明：使用分簇可以使反馈量显 著下降，4 个子载波分为一簇时，反馈量下降达7 5 。模拟结果表明，在有较多用户的系 统中使用机会波束成形技术可以显著提高系统吞吐量，在相同用户数和波束数的条件下， m i m o o f d m a 系统的吞吐量总是高于m i s o o f d m a 系统的吞吐量。 堕室塑皇奎堂堡主竺窒竺兰垡笙兰 垒! ! 竺兰竺 _ - _ - _ _ _ i _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ - i _ _ - _ - _ _ - - - _ _ _ - _ - _ - - i - - - _ _ _ - _ _ _ _ i - i - _ - _ i _ - _ - i _ - _ 。_ _ 。一一一 a b s t r a c t t h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi sp r o p o s e dt oi n d u c el a r g ea n df a s tc h a n n e lf l u c t u a t i o n st o r a i s et h et o t a lt h r o u g h p u to fs y s t e mb ye x p l o i t i n gt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i n i nt h e e n v i r o n m e n to fm u l t i p l eu s e r s t h ed e f i n i t i o no fo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi nm i m os y s t e mi s d i f f e r e n tf r o mt h ec l a s s i cb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e s t h eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi nm i m o s y s t e mi sn o tt h eb e a m f o r m i n gi nr e a l i s t i cs p a c eb u tt h em a t r i xs p a c e i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h em i m o o f d m a s y s t e mm o d e lu s i n gm u l t i - b e a mo p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n gf i r s t l y t h e nw es t u d yt h et o t a lt h r o u g h p u to fm i m o - o f d m as y s t e mu s i n g o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gw i t hs i n g l e m u l t i p l eb e a m s ，c o m p a r i n g t h et h r o u g h p u to ft h e m i m o o f d m a s y s t e mw i t ht h em i s o - o f d m as y s t e m t h e n ，w ef i n dt h eo p t i m u mn u m b e ro f b e a m st om a x i m i z et h et o t a lt h r o u g h p u t a tl a s t ，w es t u d yt h ec l u s t e r e dm u l t i - b e a mo p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n gi nt h em i m o - o f d m as y s t e m r e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tt h ef e e d b a c kc o s to ft h e m i m o 0 f d m as y s t e mu s i n gc l u s t e r e dm u l t i b e a mo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gi s r e d u c e d s i g n i f i c a n t l y , w h e nt h ec l u s t e rs i z ei s4 ，t h ef e e d b a c kc o s ti sr e d u c e db y7 5 t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a lt h r o u g h p u to ft h es y s t e mc a nb ei m p r o v e dw h e nt h eo p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n g 、肮t hm u l t i p l eb e a m ss c h e m ei sa d o p t e di nt h ee n v i r o n m e n to fm u l t i p l eu s e r s w h e nt h en u m b e ro fu s e r sa n db e a m si n t h es y s t e ma l ef i x e d ，t h et h r o u g h p u to fm i m o - o f d m a s y s t e mi sh i g h e rt h a nt h a to fm i s o - o f d m as y s t e m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词表 3 g 4 g a m c a m p s a s 父戳g r b 3 g b s c d 【a c g c l b f c p c s i d f t d o a d s l d s p d v b t d a b e t a c s f d d f d m f d m a f f t f m f 删r e 缩略词表 1 1 1 e3 川g e n e r a t i o n t h e4 t hg e n e r a t i o n a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a n g l es p r e a d a d d i t i v e 汗仍i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n b a s es t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e lg a i n c l u s t e r e db e a m f o r m i n g c y c l i cp r e f i x 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 r m d i r e c t i o no f a r r i v a l d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g e x t e n d e dt o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f 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 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 m f r e q u e n c ym o d u l a t i o n f u t u r e t e c h n o l o g y f o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t 第三代移动通信系统 第四代移动通信系统 自适应调制编码 高级移动电话系统 角度扩展 加性高斯白噪声 超三代 基站 码分多址 信道增益 分簇机会波束成形 循环前缀 信道状态信息 离散傅立叶变换 波达方向 数字用户线 。 数字信号处理器 数字视频音频广播 扩展式全接入通信系统 频分双工 频分多路复用 频分多址 快速傅立叶变换 调频 未来通用无线环境研究计划 堕塞坚皇奎堂堡圭堡窒生堂垡笙奎 丝堕望墨 - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - - _ - _ - - _ _ _ i _ _ i - _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ l _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ - 一一一 一 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 s v d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 奇异值分解 t a c st o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m全向入网通信系统 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多址 t d s c d m at i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n 时分同步码分多址 m u l t i p l ea c c e s s v c i r w c d m a w i m 已馐 w 佩f z f v e c t o rc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e 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 w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v e a c c e s s w i r e l e s sw b r i dr e s e a r c hf o r u m z e r of o r c i n g 6 7 向量信道冲击响应 宽带码分多址 全球微波接入互操作 无线世界研究论坛 迫零 南京邮电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 含为获得南京邮电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。 研究生签名：整坚旦銎日期：翌兰：竺：! 兰 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：墅! 垦堕! 导师签 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工 学通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作 者：二堕级研究生朱佩佩指导教师塞苤友 题目：基于m i m o o f d m a 的机会波束成形技术研究 英文题目：s t u d yo fo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n gb a s e do n m i m o o f d m as y s t e m 主题词： 机会波束成形多输入多输出正交频分复用 多用户分集 k e y w o r d s ： o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ( o b f ) m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) o r t h o g o n a lf r e n q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) m u l t i u s e rd i v e r s i t y 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 移动通信发展现状与未来 移动通信是通信系统的重要组成部分。移动通信是指在通信过程中通信双方或多方至 少有一方处于运动状态，移动通信不受时间和空间的限制，信息交换灵活迅速，被认为是 实现理想通信的重要手段，是信息产业的基础。目前，移动通信技术已经从模拟通信技术 发展到数字通信阶段，并朝着个人通信的阶段发展。 贝尔实验室频率复用和数字交换技术相结合，在1 9 8 3 年1 0 月实现了蜂窝无线通信系 统，由此诞生了基于模拟移动电话系统a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 标准的第 一代模拟蜂窝系统，并使基于频分多址f d m a ( 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 ) 的类 似标准在全世界范围内得到发展，包括欧洲的全向入网通信系统t a c s ( t 0 t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，英国的扩展式全接入通信系统e t a c s ( e x t e n d e dt o t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，德国的c 一4 5 0 和日本的日本电报电话n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n d t e l e p h o n ep u b l i cc o r p o r a t i o n ) 等。 第一代移动通信系统的主要特点是： 用户的接入方式采用f d m a 技术； 调制方式为调频( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) ； 业务种类单一，主要是话音业务； 系统保密性差，频谱利用率低。 与第一代模拟系统不同，第二代移动通信系统采用数字传输，在基站与移动台之间有 分离的专用信道交换控制设备，这些系统包括欧洲的全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) ，北美i s 9 5 系统和日本的个人数字电话( p e r s o n a ld i g i t a l c e l l u l a r ，p d c ) 系统。 第二代移动通信系统的主要特点是： 多址方式采用时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 或码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) ： 频谱利用率提高，有利于系统容量的提高； 采用新的调制方式，如在g s m 系统中使用高斯最小频移键控( g a u s s i a nm i n i m u m s h i f tk e y i n g ，g m s k ) ： 1 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第1 苹绪论 除了语音业务外，还能够提供短信息和低速数据业务； 抗干扰、抗噪声和抗多径衰落能力强； 提高网络管理和控制的有效性和灵活性； 便于实现通信的安全保密； 降低设备成本和减少用户手机的体积和重量。 第三代移动通信系统全面考虑并完善对用户、信道两个动态特征的匹配，目前主要标 准有2 0 0 0 年5 月确定的美国c d m a 2 0 0 0 标准、欧洲w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 标准、中国t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 标准以及2 0 0 7 年1 0 月确定的w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 标准。 第三代移动通信系统的主要特点是： 主要采用c d m a 多址方式； 无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，在室内、室外和行车的环境中能够 分别支持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度； 除了传统语音业务，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网 页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务； 灵活的小区结构和易于管理的信道结构； 灵活的频率和无线资源管理。 由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认 为3 g 系统是处于一个从窄带系统向未来通信系统过渡的阶段。目前，关于b 3 g ( b e y o n d 3 g ) 4 g 的未来无线通信系统研究正在如火如荼地进行。 未来无线通信系统的关键问题是高速无线接入和i p 化，其主要特点是f l 】： 采用新的频段，比如2 8 g h z 甚至更高； 广泛用于各种电信环境，支持各种不同业务和服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) ： 灵活可靠的移动管理和全新网络体制； 支持全i p 高速分组传输，传输速度应能达到10 0 m b p s ： 开放的网络业务平台； 有效支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的 变化并进行自适应调整。 2 南京邮i 乜大学硕士研究生学位论文 第l 章绪论 1 2 未来移动通信系统现状与研究重点 2 0 0 1 年8 月，以欧美5 大通信设备制造商( 法国阿尔卡特、瑞典爱立信、美国摩托罗 拉、芬兰诺基亚、德国西门子) 为中心成立了无线世界研究论坛( w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c h f o r u m ，w w r f ) ，该论坛作为全球范围内探讨、研究4 g 标准的一个非营利组织，正在积 极地推进4 g 标准的制定以及相关技术的发展。 2 0 0 2 年6 月，我国也联合国内七所高校和多家通信设备制造商在中国移动通信项目总 体组的领导下，从国家战略的高度出发，制定出代表未来十到十五年中国移动通信发展方 向的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划，这是一份中国 b 3 g 4 g 的宣言书。 随着高速数据和多媒体业务需求的日益增长，未来通信系统将提高频谱利用率、传输 速率和系统容量作为研究重点。未来通信系统中的关键技术有：多天线技术 2 1 、多载波技 术f 3 1 ( 如：正交频分复用( o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) ) 、自适应 编码调制吲( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 、跨层设计、机会波束成形【5 】 ( o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ，o b f ) 、混合自动重发请求( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ， h a r q ) 等。 1 3 本章小结与本文组织结构 本章首先介绍了移动通信的发展史以及各个阶段移动通信的技术特点。 全文介绍了b 3 g 4 g 中几种关键技术，包括m i m o ，o f d m o f d m a ，o b f ，重点研 究基于m i m o o f d m a 系统的多波束机会波束成形技术。第二章介绍了无线信道的基本传 播特性特别是对考虑了空域衰落的多径信道进行了讨论；第三章和第四章分别介绍了 m i m o 系统和o f d m o f d m a 系统的基本原理和特性，并给出了m i m o 系统和o f d m 系 统的结合方案；第五章介绍了机会波束成形技术，给出了具体的性能分析：第六章针对 m i m o o f d m a 系统中的多波束机会波束成形技术进行了研究。本文在最后给出了结论， 并指出了需要进一步研究的方向。 符号说明：为表达方便，我们统一用小写黑体表示向量，大写黑体表示矩阵，e 1 表 示求期望，v a r 【】表示求方差，t r 】表示求矩阵的迹， r 表示矩阵的共轭转置，i 。表示 f x 玎的单位矩阵。 南京邮电大学硕士研究生学位论义 第2 章无线信道的传输特性 第2 章无线传播信道 移动通信的用户由于要进行自由通信，其位置没有限制，所以必须利用无线电波进行 传输。无线电波在无线信道中传输，无线信道与有线信道的区别很大，主要体现在无线信 道与有线信道相比，受到更多的干扰且频谱资源受限，因而建立无线传输系统远比有限系 统复杂。首先，移动通信的工作环境更为复杂，电波不仅会随着传播的距离的增加发生弥 散损耗，而且会受到地形、建筑物的遮蔽而产生阴影效应，而且信道经过多点反射，会从 多条路径达到接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加 会产生电平快衰落和时延扩展；其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅引起多普 勒频移，会产生随机调频，还会使得电波传输特性发生快速的随机起伏。因此，无线信道 是一种随时间、环境和其他外部因素而变化的传播环境。 在无线信道中，一般来说接收信号的功率可以表示为 p ( a ) = 竹”s ( a ) e ( a ) ( 2 - 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，i d l 表示移动台与基站之间的距离。根据式( 2 1 ) ，无 线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗，也被称作大尺度衰落，其中，z 一般为3 - 4 ； 。 ( 2 ) 阴影衰落：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对地波的阻塞 或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信 号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相 同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象， 这也被称作小尺度衰落。 此外，由于移动台的移动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是 会出现多普勒频移。本章主要针对无线信道的大尺度衰落、阴影衰落、多径衰落、时变性 和空间衰落加以讨论。 4 南京邮电大学硕_ 上研究生学位论文 第2 章无线信道的传输特性 2 1 无线信道的传播特性 2 1 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据 速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为： 三：冬：k 与 ( 2 2 ) 户d7 。 其中只表示本地平均发射信号功率，耳表示接收功率，d 是发射机与接收机之间的距离。 对于典型环境来说，路径损耗指数y 一般在2 4 中选择。由此可以得到平均的信噪比 ( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 为： s n r ：墨：k 旦上 d 7 0 b ( 2 - 3 ) 其中0 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的常数。如 果为保证可靠接收，要求s n r s n r 。，其中s n r 。表示信噪比门限，则路径损耗会为比特 速率带来限制： b 堑 d 7 n os n r o ( 2 - 4 ) 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： d 击) l ， ， 可见，如果不受其它特殊的技术，数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大 的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移 动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 2 1 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播收到地形起伏、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，从而引起衰落。产生阴影衰落的原因之是建筑物的 位置不同以及屋顶边缘的绕射特性不同，这就导致了无线信道中衍射损耗的随机变化，阴 南京邮l u 大学顾二 ：研究生学位论文第2 章无线信道的传输特性 影衰落的另一个原因是用户附近的屋顶接收到的场强在不断变化，这是由于产生上一次反 射的建筑物高度不同导致的，这些因素也同样会导致相同地区的不同街道之间接收到的信 号均值的变化。这两种因素对信号的影响是相互独立的。与多径衰落相比，阴影衰落是一 种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布。其中接收信 号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号 更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。 2 1 3 无线信道的多径衰落 无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直 射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因此各条路径中 发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则 会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧 变化，就会产生衰落。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的扩展到其它符号当中，造成 符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。为了避免产生i s i ，应该使符号宽度远远大于 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。 在频域内，与时延扩展相关的重要概念是相干带宽，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) ，二( 2 - 6 ) f n m 其中表示最大时延扩展。 从频域角度来看，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。由于信号中的不同频率分量的衰落是 不一致的，所以经过衰落以后，信号波形就会发生畸变。由此可以看到，当信号的速率较 高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，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i s i ，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号 的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，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i s i ，则认为信号只是经历了平坦衰落，即频率非选 择性衰落。相干带宽是无线信道的一个重要特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率 选择性衰落还是平坦衰落，这要取决于信号本身的带宽。 6 南京邮电大学硕上研究生学位论文第2 章无线信道的传输特性 2 1 4 无线信道的时变性及多普勒频移 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，这是 任何波动过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在 不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中 的具体体现就是多普勒频移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带 宽和频率包络的信号，这也可以称为信道的频率弥散性。 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移，可以表示为： 厶= - ；- vc o s p = 旦上c o s 秒= 厶c o s 秒( 2 7 ) c 其中z 表示载波频率，c 表示光速，厶表示多普勒频移，v 表示移动台的移动速度。可以 看到，多普勒频移与载波频率和移动台的移动速度成正比。 由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号五到达接收端的时候，其频谱不再是位于 频率轴f o 删j 单纯万函数，而是分布在( 石一厶，兀+ 厶) 内的、存在一定宽度的频谱。 从时域来看，与多普勒频移相关的概念就是相干时间，即： 1 ( r ) 。 ( 2 8 ) ，用 相干时间是信道冲激响应维持不变的时问间隔的统计平均值。换句话说，相干时间就 是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽 的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化， 造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干 时间，则认为是时间非选择性衰落，也即慢衰落。 2 1 5 无线信道的空域衰落 在经典信道模型中，已经对时延扩展和多普勒扩展进行了深入的研究，随着多天线系 统( 包括智能天线系统和各种空间分集系统) 在无线通信中发挥越来越重要的作用，现代 通信系统必须考虑信号的空间衰落，从而在空间域引入了波达方向( d i r e c t i o no f a r r i v a l ， d o a ) 、角度扩展( a n g l es p r e a d ，a s ) 等参数。 信道的角度扩展为一个随机变量，其度量一般用角度扩展的均方根( r o o tm e a ns q u a r e ， r m s ) 值来表示角度扩展的大小。如果我们已知波达角目的概率分布为e ( 0 1 ，那么就可以 7 南京邮l 乜大学硕士研究生学位论文 第2 章无线信道的传输特性 从概率统计中求随机变量标准差的方法求出角度扩展的均方根： o - e = 互f 两= e 护2 卜( e 臼) ) 2 ( 2 - 9 ) 式中，e o 和d p 分别表示随机变量9 的均值和方差。 通常角度扩展的均方根有如下规律： 接收机天线高度越高，角度扩展的均方根越小； 随着无线信道中散射体密度的增大，角度扩展的均方根越大。 假设在一个无线通信系统中，基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 天线采用n 个发射天线，移动 台( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 只用1 根天线。 设b s 接收机收到的来自第尼个移动台的第，径分量的幅度是p k j ，载波相位是， d o a 为皖 f ，多普勒频移为五，时延为吒j 。由以上参数，可以将接收机收到的来自第七个 移动台的第，径分量( f ) 表示为： 几) = 成f p 7 ( 2 x a s t + p k j ) ( 2 1 0 ) r j l um s 2 图2 1两个移动台多径传播示意图 在图2 - 1 中所示的多径传播示意图中，m s l 有两个多径分量，m s 2 有三个多径分量。 将上述参数代入该示意图，可以得到如图2 2 所示的多径传播示意图。 8 南京邮电大学硕上研究生学位论文第2 章无线信道的传输特性 图2 - 2 多径传播不意图 其中五个多径分量及相应的时延已经在图上标出，图中虚线为法线，用各多径分量与 法线所成的角度( 该角度范围在【o ，2 万】之间) 来表示各个多径分量的d o a 。 通常假设由某一m s 到b s 的多径分量数为一个随时间变化的离散随机变量。这里设 第后个m s 到b s 的多径分量数为厶( f ) ，可以得到相应信道的时变冲击响应( f ，f ) ，即 匕( ，) - i厶f ，1 一i 吃( f ，f ) = ( f ) 占 ，一7 k ，( f ) = 岛，( f ) p m 巾万 f o ，( ，) ( 2 11 ) 5 t , j - 于式( 2 1 1 ) 中的多径分量幅度所，( ，) ，在强散射环境下，如果从m s 到b s 没有主路 径，那么, o k ( f ) 服从瑞利分布；如果存在主路径，那么岛，( f ) 服从莱斯分布；同时认为多 径分量的相位，( ，) 在 o ，2 7 r 】上均匀分布。 2 2 无线信道模型 2 2 1 经典无线信道的衰落模型 这里的衰落模型，主要是讨论多径信道的包络统计特性。一般而言，接收信号的包络 根据不同的无线环境服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布和莱斯( r i c e ) 分布。另外，还有一种具有 参数m 的n a k a g a m i m 分布，参数聊取不同的值时对应的分布也不相同，因此更具有广泛 性。 。 9 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第2 章无线信遭的传输特性 r a y l e i g h 分布 在移动通信信道中，当信道中不存在一个较强的直达路径时，其信号包络服从瑞利分 布。由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相当多的，所以信道的冲 激响应表示如下： 办( 彳) = a 1 6 ( t - r t ) e 埘 ( 2 1 2 ) 其中l 代表到达的多径的径数，4 代表第? 条路径的信号幅度，一代表第f 条路径相对第一 条路径( f = 0 ) 的时延，办代表第? 条路径的信号相位。 假设发射机和接收机之间没有直射波路径；有大量的反射波存在，且到达接收机天线 的方向角是随机分布的【o ，2 z ) 均匀分布；各个反射波的幅度和相位都是统计独立的，则达 到接收机的信号包络r 服从瑞利分布： 加，专唧( 丢 呛。， 口 盯。iz 盯 其中仃2 为，| 的方差。 瑞利分布的概率密度函数如图2 3 ： 0 l 一一 00 511 52 r o i 一l 一：二：一；一：一 2 5 33 54 图2 3 瑞利分布的概率分布密度 l o 7 6 5 4 0 0 0 0 一一 一一一 一 一 一一一一一 一 一一 一 一一一 一 一 一 一 一 一 一 一 _ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ， 一 一 - 一 一 一 一 ，+f 3 2 1 0 0 0 塑室坚塑奎兰堡土竺壅圭兰垡堡茎至! 至 垄垡堡壅塑堡塑堑竺 r i c e 分布 当接收信号中有视距传播( l i n eo f s i g h t ，l o s ) 的直达波信号时，视距信号成为主接 收信号分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时的接 收信号幅度，就呈莱斯分布，甚至高斯分布： 肿，专唧( 等 i o ( 等) 咿训 p 其中盯2 为r 的方差，a 是主信号的峰值，i 。( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛尔分 布常用参数k 来描述，k = - 乌，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 表示： 2 c 广。 k ：1 0 1 9 冬( 2 - 1 5 ) k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a 寸0 ，kj o o d b ，此时在接收信号中 没有主导分量时，混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在使 得接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱斯分布将 向高斯分布趋进。因此，瑞利分布是莱斯分布的一个特例，莱斯分布是瑞利分布的一个扩 展。莱斯分布的概率密度函数如图2 4 。 0 2 o 1 0 j ：一一一j 二一。皇：一一：，一：一。 j 、j，i l 二l i k = 1 8 ， 0123456 78 r o 图2 4 莱斯分布的概率分布密度 l l j 口，j _ _ = = - r i 二- - _ - ，f - 一j 9 1 0 。r，_t k 一 2 k 圯一 际一 、t 、，卜， 7 6 5 4 3 0 o 0 0 0 南京邮l 【1 人学颂一 j 研究生学位论文 第2 章无线信道的传输特性 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条路径就 是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落 也服从莱斯分布。 n a k a g a m i m 分布 n a k a g a m i m 分布由n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代提出，通过基于场测试的试验方法， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a m i m 分布对于无线信道的描述具有很好 的适应性。 若信号的包络厂服从n a k a g a m i m ，则其概率密度函数为： 肿) = 而2 m m f 矿2 m - ie x p ( _ 百m r 2 ( r o ) ( 2 - 1 6 ) p ( ，) 2 丽似p l 一百j o 刈) u “” 其中聊= 器是n a k a g 姗i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q = e ( ，2 ) ； ( 聊) = ”l p 叫田 是g a m m a 函数。n a k a g a m i m 概率密度函数见图2 - 5 。 图2 5q = 1 ，n a k a g a m i m 分布莱斯分布的概率分布密度 对于功率s = ，2 2 的概率密度函数，则有： 1 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第2 章无线信道的传输特性 ，= m 嵩唧m s ) 式中，了= e ( s ) = q 2 ，为信号的平均功率。 ( 2 1 7 ) 加三鬻s s 8 ， i 所：堡监 但1 9 ) 2 k + l 、 2 2 2 考虑空域衰落的多径信道模型 为了让多径信道模型能耍加精确地近似实际环境，必须考虑各多径分量的d o a 以及 阵列天线对信道模型的影响。当基站天线采用具有n 个阵元的阵列天线时，从移动台到基 站的信道为向量信道，引入d o a 后，得到向量信道冲击响应( v e c t o rc h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e ，v c i r ) h ( f ，z ) 为： h k ( f ，f ) = a ( 皖，) 吒，心声( 卜吒以) ) ，镖 (220)1 4 ( ，) 一， 、 7 = a ( 以，) 凤，心弘肌“( t - r k ，心) ) 这里，称a ( 皖，) 为n 1 维导引向量，该向量是阵列天线的几何结构的函数，也是各个 多径分量波达方向包，的函数。 根据式( 2 2 0 ) ，如果移动台发送信号为s k ( t ) ，那么基站接收的信号为一个n i 维向量， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章无线信道的传输特性 u 。( r ) = ： “。，。( ，) ，“。一。( r ) r = =