（通信与信息系统专业论文）宽带无线信道建模方法研究与应用.pdf

s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y m o d e l i n gm e t h o d sa n da p p l i c a t i o n sf o r w i d e b a n dw i r e l e s sc h a n n e l s d i s s e r r a t l 0 n s u b m i t t e df o r p h d d e g r e e c o m m u n i c a t i o n s i n f o r m a t i o ns y s t e m b y l u oz h i n i a n s u p e r v i s o r ： p r o f w e n j u nz h a n g i n s t i t u t eo fi m a g ec o m m u n i c a t i o n & i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y d e c ，2 0 0 9 一一 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 罗太耳 夕点斗 日期：抄o ) 年加月z 己日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密曰 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 弘年 日期：扣1 年 月2 z 曰 将教师娩务麦彳 日期：山n 年声月z 。日 ， 、 f 一 ， ：、 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 姓名罗志年 学号 0 0 3 0 3 4 2 0 5 5通信与信息系统 学科 指导教师张文军 答辩 2 0 0 9 1 0 2 2 答辩 上海交大 日期地点 论文题目 宽带无线信道建模方法研究与应用 投票表决结果：- 7 - 7 7( 同意票数实到委员数应到委员数)答辩结论：刮过 口未通过 评语和决议： 论文在系统阐述无线信道特性和基本建模方法基础上，对未来无线移动通信设计需要的 小尺度宽带无线信道建模方法及其应用做了较为深入的研究，论文选题具有重要理论意义和 应用参考价值。论文提出一种较为简单的多个不相关r a y l e i g h 信道滤波生成方法；提出一 种基于频域i i r 滤波生成无线衰落信道的方法；提出一种可用于动态m i m o 信道性能仿真 的m i m o 信道空间相关计算方法；论文还提出一种用于t d s c d m a 系统的基于时延相关 和利用来波方向( d o a ) 信息的联合信道估计方法。 论文理论分析正确，实验数据可信，研究上有创新。论文表明作者己掌握了本领域坚实 宽广的基础理论和系统深入的专门知识，独立从事科研工作能力强。 在答辩过程中叙述清楚，能正确回答各答辩委员的提问。经答辩委员会无记名投票，一 致同意通过罗志年同学博士学位论文答辩，建议校学位评定委员会授予其工学博士学位。 如7 年和月z 砂日 职务姓名职称 单位签名 主席张兆扬 教授 上海大学 弓乙牝椐 答 委员宋文涛教授上海交通大学 客文房辩 委 委员 余松煜教授上海交通大学 砒 员 厶 委员张文军 教授上海交通大学 易歇澎 石 成 嬲 员 委员徐友云 教授解放军理工大学 签 委员 钱良副教授上海交通大学 就霞名 委员 王嘉副教授上海交通大学 辛z 秘书 支铮高级工程师上海交通大学 名施 宽带无线信道建模方法研究与应用 摘要 无线信道的基本特性是多径传播，到达的无线电信号由于不同的 传播路径具有不同的衰减、d o p p l e r 频移、到达时间和来波方向，并 在接收端线性矢量叠加，从而造成接收信号的时间扩散、频率扩散以 及空间角度扩散。因此，无线信道是一个时变的多径衰落信道，会引 入相当程度的干扰、失真和噪声，并最终影响通信系统构架和设计方 法。为此论文首先介绍了作者在博士期间对信道建模方面的一些重要 研究，然后以t d s c d m a 为基础讨论了信道建模在无线系统设计方面 的一些应用问题。 无线信道模型是以数学表达式或算法形式来表征信道输入一输出 关系的一个多变量随机过程，一般是通过大量的测量或基于实际的电 磁波传播理论推导出来的，需要用统计的方法来分析和表征。无线信 道的建模通常分两步来实现，分别为大尺度( 宏观) 和小尺度( 微观) 效应。论文重点研究了无线信道小尺度衰落建模与仿真，具体内容如 下。 论文第二章首先推导了无线信道数学表达式，介绍了大尺度路径 损耗模型最新的相关研究结果，然后将b e l l o 提出的w s s u s 模型对空 域进行了扩展，讨论了空间信道在时域、频域和空域的统计表征方法。 论文第三章归纳了四种s o s 法生成单抽头平坦r a y l e i g h 衰落信 道的方法，通过分析确定了第二种方法同时具有各态历经和平稳的特 性。对f i r 法生成经典j a k e s 谱的理论进行了详细的推导，讨论了 a r 方法阶数过高的固有缺点。最后提出了一种生成多个不相关 r a y l e i g h 衰落波形的方法，这种方法只使用了一个随机变量来完成 所有波形的d o p p l e r 频率设置，适合多个不相关r a y l e i g h 衰落波形 的生成，可用于w s s u s 无线信道和m i m o 信道的仿真实现。 论文第四章提出了一种基于频域设计的i i r 滤波器生成无线衰 落信道的方法。i i r 滤波器通过l m s 算法进行优化，可以用低阶的滤 波器来实现，并采用线性插值和抽取的方法来实现任意带宽的时变信 道。其中线性插值和抽取的方法也可以有效地用于a r 滤波等其他方 法，可大大降低所需滤波器的阶数。与其他方法相比，新方法不仅适 合于非均匀散射环境，也适合生成多个不相关r a y l e i g h 衰落信道， 可以结合m i m o 系统或者w s s u s 系统进行系统设计和仿真。 论文第五章首先介绍了m i m o 信道的建模方法和模型。然后提出 了一种基于f o u r i e r 变换计算空间相关系数的方法，用这种方法求得 i ：海交通大学博l j 学位论文 的相关系数具有闭合解形式，而且计算方法非常简单，具有明确的物 理意义，避免了计算传统空间相关系数复杂的b e s s e l 函数积分，可 用于动态m i m 0 系统仿真与设计。运用新方法提出了一种简单高效的 m i m o 无线信道仿真模型，并对基于u l a 和u c a 多天线系统的信道容 量与不同来波方向的关系做了详细的讨论和比较，仿真表明u c a 容量 对于方向具有一定的均匀性，更适合系统的优化设计。 论文第六章主要以作者本人实际工作内容为基础讨论了无线信 道建模在无线系统设计中的一些实际应用。在大尺度建模方面以 t d - s c d m a 通信系统为基础首先详细分析了t d d 系统特有的干扰问题 即基站间干扰，同时介绍了基站问干扰分析的一些理论和仿真结果。 在小尺度建模方面，3 g p p 采用的是前面第三章和第四章所介绍的建 模方法，即对于s i s 0 信道，每个抽头一般建模为j a k e s 谱的随机过 程，不同抽头建模为不相关。因此第二部分提出了一种用于t d - s c d m a 移动通信系统的信道估计改进方法。t d - s c d m a 系统中采用s t e i n e r 信道估计器，这种估计器实质上是基于最小二乘的估计，忽视了信道 噪声的影响，而信道的噪声对估计精度不可忽略。利用t d s c d m a 为 慢变信道的特征，提出了一种基于时延相关信道估计改进方法，同时 对s t e i n e r 估计器进行门限滤波，滤除了大部分噪声抽头。另外，利 用t d - s c d m a 系统智能天线估计的来波方向( d o a ) 信息可进一步对信 道估计进行干扰消除。因为d o a 信息是通过智能天线系统完成的，所 以本方法并没有实质增加系统的复杂度。仿真表明改进的信道估计对 性能有很大的改善与提高，甚至在高速移动传播环境下可以达到 3 6 d b 的增益。 论文最后对现代无线信道建模的研究进行了一些展望，并介绍了 下一步的研究方向。 关键词：无线传播信道，信道建模与仿真，广义平稳不相关散射， m i m o 信道模型，宽带无线信道，超宽带无线信道，t d s c d m a 。 a b s t r a c t m o d e l i n gm e t h o d s a n da p p l i c a t i o n sf o rw i d e b a n dw i r e l e s s c h a n n e l s a bs t r a c t t h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i os i g n a lt r a n s m i s s i o ni sm u l t i p a t h p r o p a g a t i o nw h e r e t h er e c e i v e d s i g n a l s h a v ed i f f e r e n t a t t e n u a t i o n ， d o p p l e rf r e q u e n c y , a r r i v a lt i m ea n da n g l eo fa r r i v a l ，w h i c hr e s u l t i n s i g n a ld i s p e r s i o n i n t i m e ，f r e q u e n c ya n ds p a c ed o m a i n a c c o r d i n g l y , w i r e l e s sc h a n n e l sa r e p o w e r - l i m i t e d ，s p a c e v a r y i n g ，t i m e v a r y i n g ，a n d f r e q u e n c y - v a r y i n g ，i tm a yi n t r o d u c ec o n s i d e r a b l ei n t e r f e r e n c e ，d i s t o r t i o n a n dn o i s ew h i c hm a k eag r e a ti m p a c to nt h ei n f r a s t r u c t u r eo ft h er e c e i v e r s ， i n c l u d i n gt h em e t h o do fm o d u l a t i o na n dc h a n n e lc o d i n g ，e q u a l i z e r , d i v e r s i t ya n do t h e rr e l a t i v es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s i naw o r d ， c h a n n e lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a sa r e s u l t ，t h ek e yi s s u e sa b o u tc h a n n e l m o d e l i n ga r et r e a t e df i r s t l y , w h i c ha r et h er e s e a r c ho u t c o m e so ft h ea u t h e r d u r i n g h i s p h d s t u d y i n g ，a n dt h e n s o m ea p p l i c a t i o n so nc h a n n e l m o d e l i n ga r ed i s c u s s e db a s e do nt h et d s c d m as y s t e m c h a n n e lm o d e l sa r et h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u to ft h e c h a n n e l b y t h ef o r m so fm a t h e m a t i c so r a r i t h m e t i c ，w h i c h a r e m u l t i v a r i a b l es t o c h a s i t i cp r o c e s sb a s e do ne x t e n s i v em e a s u r e m e n t so r t h er a d i o p r o p a g a t i o nt h e o r y a s a r e s u l t ，c h a n n e lm o d e l sa r e c h a r a c t e r i z e db ys t a t i s t i c a ld e s c r i p t i o n s t h ee f f e c t so fc h a n n e l sc a nb e d i s t i n g u i s h e db e t w e e nl a r g es c a l ef a d i n ga n ds m a l ls c a l ef a d i n g t h el a r g e s c a l ef a d i n gr e s u l t sf r o mt h eo b s t a c l e ss u c ha s m o u n t a i n s ，b u i l d i n g so r t r e e s ，i td e s c r i b e st h ep a t hl o s so fa n t e n n u a t i o ni nl a r g ea r e a su s e df o r e s t i m a t i n gt h er a n g eo fs i g n a lc o v e r i n ga n dn e t w o r ko p t i m i z a t i o n o nt h e o t h e rh a n d ，s m a l ls c a l lf a d i n gd e s c r i b e st h ef a s tf l u c t u a t i o n so fr e c e i v e d s i g n a l s ，w h i c hi m p a c tt h es t r u c t u r e o fr e c e i v e r s ，i n c l u d i n g e q u a l i z e r , c h a n n e l e s t i m a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o n s o s m a l ls c a l l f a d i n g i sm o r e i m p o r t a n tt h a nl a r g es c a l ef a d i n gi nt h ed e s i g no fw i r e l e s ss y s t e m s c o n s e q u e n t l y , t h ep a p e rf o c u s e so nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fs m a l l s c a l ef a d i n g 1 1 1 ：海交通大学博l 学位论文 t h e p a p e rc a nb ed e v i d e di n t of i v ep a r t s t h ef i r s tp a r td e a l sw i t ht h er e p r e s e n t a t i o no fw i r e l e s sc h a n n e l s ， c o m p r i s i n gc h a p t e r2 w ec o n s i d e rs o m er e c e n tr e s u l t sa n dm t h o d so ft h e l a r g es c a l ef a d i n gm o d e l s ，a n de x t e n dt h es p a c ed o m a i n t ow s s u s m o d e l sp r o p o s e db yb e l l of o rs m a l ls c a l ef a d i n g t h es e c o n d p a r t c o n s i d e r st h es i m u l a t i o no fs c a l a r c h a n n e l s ， i n c l u d i n gf r e q u e n c y n o n s e l e c t i v ec h a n n e l sa n d f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l sr e f e r e da sw s s u sc h a n n e l s t h ew s s u sc h a n n e li sf i n i s h e db y t h et a pd e l a yl i n em o d e lo d l ) ，a n de a c ht a pm a yb em o d e l e da sa c o m p l e xg a u s s i a np r o c e s s ，n a m e l y , f r e q u e n c yn o n s e l e c t i v e c h a n n e l f i r s t l y , w ed e a lw i t ht h es i m u l a t i o no fr a y l e i g hf a d i n gf r e q u e n c y n o n s e l e c t i v ec h a n n e l sb a s e do ns o s ，f i rf i l t e r , a n da rf i l t e r t h es o s b a s e ds i m u l a t i o nm o d e l sf o rr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l sa r ed i v i d e di n t o f o u r c a t e g o r i e sb yau n i f o r mf r a m e w o r k ，d e p e n d i n go nw h e t h e rt h e p a r a m e t e rs e t s ( a m p l i t u d e s ，p h a s e s ，o rd o p p l e rf r e q u e n c i e s ) a r ef i x e do r r a n d o mi ns i m u l a t i o nt r i a l s f u r t h e r m o r e ，t h em e c h a n i s m so fm u l t i p a t h r a d i op r o p a g a t i o ns h o wt h a tt h ef a d i n gp h e n o m e n o ni sap r i m a r yr e s u l to f t i m ev a r i a t i o n si np h a s e s c o n s e q u e n t l y , w es u m m a r i z ea l t o g e t h e rt h r e e m e t h o d st od e f i n et h ei n i t i a lp h a s e sf o re a c hc a t e g o r yo ft h es i m u l a t i o n m o d e l s f o rc o m p a r i s o np u r p o s e st h es e c o n d - o r d e rs t a t i s t i c so fd i f f e r e n t k i n d so fs i m u l a t i o nm o d e l sa r e p r e s e n t e d s o m ec o n d i t i o n s f o ra n e f f e c t i v er a y l e i g hf a d i n gc h a n n e ls i m u l a t o ra r ea l s oc o n c l u d e d ，a n da n i m p r o v e ds i m u l a t o rf o rg e n e r a t i n gm u l t i p l ei n d e p e n d e n tr a y l e i g hf a d i n g w a v e f o r m si sa c h i e v e d ，w h i c ho u t p e r f o r m st h eo t h e rt e c h n i q u e si nt e r m s o fi t sa c c u r a c ya n dc o n v e r g e n c er a t e t h et h i r dp a r tp r o p o s e san e ww i r e l e s sc h a n n e ls i m u l a t o r , u s i n ga n i i rf i l t e rt of i l t e ri n d e p e n d e n tw h i t eg a u s s i a nv a r i a b l e s f i r s t l y , t h ei i r f i l t e ri s i m p l e m e n t e db a s e do nt h ed e s i r e dp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) ， e m p l o y i n gt h el e a s tm e a ns q u a r e ( l m s ) a l g o r i t h mi nf r e q u e n c yd o m a i n t h e nt h ea r b i t r a r yn o r m a l i z e dm a x i m a ld o p p l e rf r e q u e n c y , w h i c hi sa l s o k n o w na st h en o r m a l i z e dd i g i t a lb a n d w i d t ho ft h eg e n e r a t e dc h a n n e l ，i s a c h i e v e db yl i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dd e c i m a t i o n u n d e rt h ea s s u m p t i o no f i s o t r o p i cs c a t t e r i n gr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s ，s i m u l a t i o n s h o w st h e s e c o n do r d e rs t a t i s t i c so ft h ep r o p o s e dm e t h o di sc o n s i s t e n tw i t ht h e i v a b s t r a c t t r a d i t i o n a lm e t h o d s ，s u c ha st h es u m o f - s i n u s o i d s ( s o s ) ，t h ef 丌a n dt h e a r ，w i t hl o w e ro r d e ro ft h ei i rf i l t e r c o n s e q u e n t l y , t h en e ws i m u l a t o ri s b o t he 筒c i e n ta n df a s t f u r t h e r m o r e t h en e wm e t h o di sa l s os u i t a b l ef o r n o n i s o t r o p i cs c a t t e r i n ge n v i r o n m e n t sw h i c ha r em o r ep r a c t i c a lt h a nt h e i s o t r o p i cs c a t t e r i n ga s s u m p t i o n ，a n dt h ea p p l i c a t i o ni sa l s ot r e a t e du n d e r t h o s ec a s e s t h ef o u r t hp a r tp r o v i d e sa s i m p l i f i e da n de f f i c i e n tm i m or a d i o c h a n n e ls i m u l a t o rb a s e do nt h em o s tp o p u l a rc o r r e l a t i o n b a s e dm i m o r a d i oc h a n n e lm o d e la n dt h es o s a p p r o a c hw h i c h i st r a d i t i o n a l l yu s e df o r g e n e r a t i o nr a y l e i g hf a d i n gw a v e f o r m sw i t ht e m p o r a lc o r r e l a t i o n f i r s t w eg i v ea no v e r v i e wo fm i m 0c h a n n e lm o d e l i n g t h e n w eu s et h e i m p r o v e ds i m u l a t i o nm o d e lf o rt h eg e n e r a t i o no fm u l t i p l er a y l e i g h f a d i n gw a v e f o r m s n e x t ，as i m p l i f i e ds p a t i a lc o r r e l a t i o nm o d e lo fo u t d o o r b si si n t r o d u c e di n c l o s e d f o r m e x p r e s s i o n w h i c hh a sn e g l i g i b l e d i f f e r e n c e c o m p a r e dt ot h er e f e r e n c ec o r r e l a t i o nv a l u e s i nt h ee n d ， c a p a c i t yo ft h es i m u l a t e dm i m 0r a d i oc h a n n e li se v a l u a t e dw i t hr e s p e c t t od i f f e r e n ta o a t h ep r e s e n t e ds i m u l a t o ri ss u i t a b l ef o rt h et h e o r e t i c a l a n a l y s e s o fm i m or a d i o s y s t e m s a n d d y n a m i cm i m 0c h a n n e l s i m u l a t i o n t h ef i f t h p a r t d e a l sw i t ht h es e v e r a l a p p l i c a t i o n s o fc h a n n e l m o d e l i n gw h i c hc o m ef r o mt h ea u t h o r sr e s e a r c ho nt d s c d m ad u r i n g h i sp h d s t u d y i n g t h ef i r s ti st h e p r o b l e mo fi n t e r b si n t e r f e r e n c e b a s e do nt d s c d m ao ft d d s y s t e m sw h e r et h ea n a l y s i sm e t h o di s p r e s e n t e di nd e t a i la n dt h eo u t c o m e so fs i m u l a t i o na r eg i v e n w h i c hi so f p r a c t i c a lg u i d i n gi nw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n g t h es e c o n di sa b o u tt h e i m p r o v e dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h es t e i n e rl o wc o s t c h a n n e l e s t i m a t o r w h i c hi su s e di nt d - s c d m a ( t i m e d 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 ea c c e s s ) c e l l u l a rm o b i l e r a d i os y s t e m s t d s c d m ai sa l s ok n o w na st h i r d g e n e r a t i o nm o b i l e s y s t e m sw h e r ea d a p t i v ea n t e n n a sa r ee m p l o y e d a sa d d i t i v en o i s eh a sa g r e a ta d v e r s ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es t e i n e re s t i m a t o r , t h e p r o p o s e d m e t h o de m p l o y st i m ec o r r e l a t e d p o s tp r o c e s s i n g w i t ha t h r e s h o l df i l t e rt or e d u c ec h a n n e ln o i s ea n d c o m p e n s a t ec h a n n e l v a r i a t i o n s f u r t h e r m o r e ， c h a n n e l e s t i m a t i o n c o m b i n i n g v 海交通人学博 j 学位论文 d i r e c t i o n o f - a r r i v a l s ( d o a s ) i sp e r f o r m e d ，w h i c hc a nr e d u c ec h a n n e l i n t e r f e r e n c e sw i t h o u t a d d i n gc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , f o r t h e i n f o r m a t i o no fd o a sh a sb e e no b t a i n e db yt h ei n h e r e n ta d a p t i v e a n t e n n as y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e dc h a n n e le s t i m a t o ri s c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o n a p p r o a c h e s ，a n d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa p p r o a c hc a nl e a dt oc o n s i d e r a b l e p e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n te v e n i n h i g hs p e e dv e h i c l ep r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n t s i nt h ee n do ft h ep a p e r , t h ew h o l ew o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni so u t l i n e d a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hi s s u e sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：w i r e l e s s p r o p a g a t i o nc h a n n e l ，c h a n n e lm o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n ，w i d es e n e s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r t i n g ( w s s u s ) ， m i m o ，w i d e b a n d ，u l t r a w i d e b a n d ( t j w b ) ，t d - s c d m a v i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 。一 英文缩写说明x i 第一章绪论。1 1 1 引言 l 1 2 无线信道建模与仿真研究内容。3 1 2 1 基本研究内容和进展3 1 2 2 热点与关键问题6 1 3 本论文研究内容与主要贡献” 1 4 论文组织结构 8 9 第二章无线信号传播与信道表征。1 1 2 1 引言l l 2 2 路径损耗传播模型1 2 2 2 1c o s t - 2 3 1 传播模型1 3 2 2 2w i n n e r 传播模型1 4 2 3 阴影效应1 5 2 4 多径衰落1 5 2 4 1 标量信道多径衰落的数学模型。1 6 2 4 2 包括空间位置的完整基带信道表示1 7 2 4 3 向量信道冲激响应1 8 2 5 无线信道统计表征2 0 2 5 1 衰落一阶统计特性2 0 2 5 2m i m o 信道二阶统计特性描述2 3 2 5 3m i m o 信道二阶统计量2 6 2 6 本章小结 第三章标量无线信道建模与仿真3 l 3 1 引言 v i l ：海交通大学博十学位论文 3 2 标量信道物理模型3 1 3 3 平坦衰落信道仿真方法。3 3 3 3 1c l a r k e 信道参考模型3 4 3 3 2 正弦波叠加s o s 法。3 6 3 3 3f i r 滤波法3 9 3 3 4a r 滤波法4 2 3