OFDM信道估计与均衡技术研究硕士学位论文

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大连海事大学硕士学位论文OFDM信道估计与均衡技术研究姓名：陈淑君申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：郑紫微20100601 中文摘要摘要众多无线移动通信技术中，正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是最具应用前景的技术之一。OFDM系统可通过插入循环前缀，有效抑止多径传输带来的符号间干扰，还可以通过对信道特性的准确估计，减轻信道时变性质对系统的影响。并且，由于它采用傅立叶变换，很大程度地降低了接收机复杂度，因此，OFDM技术在无线通信领域的应用引起了广泛关注。例如IEEE802．11a采用OFDM技术作为它的物理层标准。而且OFDM技术有望成为4G标准。虽然OFDM系统结构可以消除部分符号间干扰，但仍需要精确的估计出信道信息来进行信道的均衡，从而进一步弥补多径衰落和多普勒频移的影响。因此信道估计和均衡技术对整个OFDM的系统的性能有至关重要的影响。本文将讨论在无线宽带移动通信环境下OFDM系统的信道估计和信道均衡技术，首先，本文主要讨论了基于梳状导频和块状导频的OFDM系统信道估计算法，包括：LS算法，MMSE算法，经SVD分解的MMSE算法以及判决反馈算法。然后，对常用的各种信道内插算法进行论述，包括：常值内插，线性内插，二次内插和DFT内插算法，并对各种算法的优点和缺陷进行了分析和比较。最后，对OFDM信道估计中利用到的各种算法进行了Matlab仿真，并对仿真结果进行比较验证。可以进行简单的频域均衡是OFDM最大的优势之一。由于引入了循环前缀，消除了大部分码间串扰，在接收端可只通过简单除法来实现信道的均衡。本文主要阐述的OFDM信道均衡算法有：基于频域的迫零均衡和MMSE均衡算法及时域均衡算法。本文还研究了单载波频域均衡的基本原理和单载波频域均衡的关键技术，并将其与OFDM系统频域均衡进行对比，分析二者各自的优缺点。然后通过Matlab仿真比较了单载波频域均衡不同帧结构的性能及相同外部条件下，单载波频域均衡系统和OFDM系统性能的差别。最后本文讨论了一种将OFDM系统和单载波系统相结合的使系统性能更优的方案。关键词：正交频分复用；单载波频域均衡；信道估计；信道均衡 英文摘要StudyonChannelEstimationandEqualizationTechniqueforOFDMSyetemABSTRACTOFDM(orthogonalfrequencydivisionmodulation)isregardedasoneofthemostpromisingtechniquesforwirelessmobilecommunication．OFDMsysemcalleffectivelyeliminatethedisturbanceofinter-symbolinterferencecausedbymulti-pathchannelbyusingcyclicprefix，Besides，OFDMcallcombatthetimeselectivefadingwithflexiblydesignedframestructureaccordingtoaccuratechannelestimation．DuetoOFDMsystemadoptingFFTtechnology,itreducesthecomplexityofthereceivergreatly．SotheapplicationofOFDMtechnologyiIlthedomainofwirelesscommunicationshasattracted、Ⅳideattention．WhiletheOFDMsystemarchitectureCalleliminatepartoftheinter-symbolinterferences，accuratechannelstateinformationisneededforOFDMsystemtoperformchannelequalizationandcompensatethemulti-pathfadingandDopplerfrequencyshiftgreatly．Therefore，channelestimationandequalizationhasanimportantimpactonperformanceoftheOFDMsystem．ThisthesiswilldiscusschannelestimationandchannelequalizationtechniquesofOFDMsysteminthewirelessbroadbandmobilecommunicationenvironment．Firstofall，itmainlydiscussesthechannelestimationalgorithmforOFDMsystemsbasedonthecombpilotandblockpilot,whichincludesleastsquarealgorithm，minimummeansquarederror(MMSE)algorithm，MMSEalgorithmdecomposedbysingularvaluedecompositionalgorithmanddecisionandfeedbackalgorithm．Thisthesisalsodiscussesthepopularchannelinterpolationalgorithms，whichincludesconstantinterpolation，linearinterpolation，twiseinterpolationandDFTinterpolationalgorithm，andthethesisanalyzesandcomparesthestrengthsandweaknessesofvariousalgorithms．ThenthisthesissimulatesthealgorithmsoftheOFDMchannelestimationwithMATLABsoftwareandcomparestheresultofsimulation．OneofbiggestsuperioritiesofOFDMisthatitCandosimplefrequencydomainequalize．Thanktocyclicprefix，whicheliminatesinter-symbolinterference．ThereceivingendCanbeasimpledivisiontoachievechannelequalization．ThisthesismainlydescribesOFDMchannelequalizationalgorithms，andwhichincludes7．2ro 英文摘要forcingalgorithmequalizationandMMSEequalizationalgorithm，bothofthembasesonfrequencydomain,anditalsodescribestimedomainequalizationalgorithm．Thethesisalsoexpoundsbasicprincipleandkeytechnologiesofsingle-carrierfrequencydomainequalizationandcomparessingle-carrierfrequencydomainequalization(SC—FDE)systemwithOFDMsystem．ThencomparewithperformancesofdifferentstructureofsinglecarderfrequencydomainequalizationsystemandcomparewithperformancesofSC．FDEandOFDMsystemsunderthesameexternalconditions，afteranalyzingadvantagesanddisadvantagesofbothofthem，ThethesisfinallydiscussesaplanthatcombinesOFDMsystemandSC-FDEsystemwhichcanmakesystem’Sperformancebetter．KeyWords：OFDM；SC-FDE；ChannelEstimation；ChannelEqualization 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文：QE旦丛信道垡让皇塑煎撞苤亟究==。除论文中已经注明引用耵铀容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：嗽，淑急学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、《中国学位论文全文数据库》(中国科学技术信息研究所)等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。不保密阿(请在以上方框内打“√，，)论文作者虢砥，椰导师繇采}墚似日期：护p年(月Ⅺ日 OFDM信道估计与均衡技术研究第1章绪论下一代无线个人通信系统有望提供高质量的、高速率的、无处不在的多媒体信息传输。所以我们的通信系统要围绕三项基本指标：有效性，可靠性和安全性不断优化。要达到上面所述的这一目标，必须面对诸多技术的挑战。例如，现在的移动宽带无线系统需要一种对抗频率选择性衰落的传输技术。由于正交频分复用技术具有良好的抗多径干扰的能力和极高的频谱利用率，它日益受到人们的重视。本章主要介绍此论文研究背景及正交频分复用技术的发展现状，并且分析了信道估计和信道均衡技术在OFDM系统中的重要性，最后给出本文研究工作的具体安排。1．1论文的研究背景和意义论文的研究背景是OFDM技术【11应用到无线移动通信中【2】’即无线移动OFDM通信系统。无线通信的不可靠主要是由于无线衰落信道的多径传播和时变性所引起的，如何有效地对抗无线信道的这些传输过程中缺陷是实现未来高速无线通信的必要条件。所以无线OFDM通信系统中，存在许多关键技术，包括同步技术、降低峰均比(PAR)、信道估计、信道均衡，编码自适应调制OFDMl3】及分集技术【4】等诸多方面。论文的主要考虑的是无线OFDM系统中的信道估计和均衡技术问题。1．2移动通信发展的历史和展望近代通信技术始于1820年安培发明了电报通信。这是近代数字通信的开始。1876年贝尔发明了电话。这是模拟通信的开始。到了20世纪60年代以后，随着半导体，计算机和激光技术的出现和发展。数字通信进入高度发展时期。而在本世纪六十年代的时候美国贝尔实验室提出蜂窝【5J概念，向所有人提供无线通信的概念。开启了无线通信的新篇章。1978年底，贝尔试验室研制成功了在当时比较先进的移动电话系统(AMPS)，然后建成了蜂窝状的移动通信网，首次投入商用是在芝加哥。近十几年，无线通信被广泛应用于各种领域。包括商业、气象、军事、民用等几乎所有的领域都需要使用无线通信。全球的蜂窝网和个人通信系统发展趋势非常迅猛。在过去的几十年中，中国的通信业务的数目和种类增长的非常迅速。在无线通信领域，已经从以前只能进行话音通信，发展到现在能够提供包括 第1章绪论话音和数据等比较多种的业务。随着通信和计算机技术的发展，希望能够提供现有的网络中的各种业务是个人无线通信系统的必然要求，即能够收发具有不同特征和质量要求的多媒体业务的功能。近些年来，移动通信的飞速发展使它成为现代通信领域的一大支柱通信产业和通信方式。当代的移动无线通信系统分为很多种，各种通信系统都由于其自身的不同特点而应用于不同的场合。比如卫星通信能传播高质量的信息，而且提供的频带很宽。短波通信适合远距离传输，而且其所需的发射功率不大。微波通信的特点是抗干扰能力比较强，适合大量数据的传输，但是只能是点对点的传输。就未来通信而言，发展方向是个人通信。即在全球范围内逐步实现全球一网的结构。每人一号，在任何时间和任何地点以任何方式与任何对象进行任何业务的无缝隙，不间断的通信。这是人类为未来通信绘制的理想蓝图。蜂窝结构通信是为了适应不同用户的要求，既能满足大的无线覆盖面积的需要和高速移动用户的要求，还能满足室内用户的要求，又能满足高密度的片区和低速移动用户的要求，基于陆地系统的蜂窝移动网，它是实现宏伟的个人通信蓝图的第一步，仅这一步目前已经经历了第一代(1G)，第二代(2G)系统和第三代(3G)通信系统。展望未来。移动通信的发展离不开客观规律。这个规律主要决定于两方面：一是用户的需要。二是实时的所受环境和条件的限制。目前国内广泛使用的第二代通信系统GSM系统仅能提供语音服务，而以CDMA为核心的第三代移动通信系统，能提供的接入速率和业务种类有所增加，基于IEEE802．11标准的无线局域网已经可以在室内环境下提供最高达11Mbps的数据传输速率。然而这些还都不是宽带移动通信【5】，因为这样的传输速率是在终端固定的情况下达到的，下一代移动通信中，主要物理层关键技术是在三重动态的环境与条件的限制下满足用户的数量上不断增长，在质量上不断提高的要求。在拟议中的4G系统预计要达到10Mbps以上的接入速率。第四代移动通信系统计划以OFDM为物理层关键技术16J，这是由于移动通信的特点在于接入的灵活性和移动终端的灵巧轻便性。虽然部分OFDM标准化制订的工作己经基本完成，但若要广泛应用在移动通信领域仍需些时日。对于电信产业而言，OFDM仍有许多问题需要解决，比如：峰均比过大，频率扩散下正交性恶化，要求精确的信道估计等问题。选择ODFM作为第四代移动通信的核心技术主要原因是由于OFDM系统的结构所带来的一些别的通信系统无法比拟的 OFDM信道估计与均衡技术研究心技术主要原因是由于OFDM系统的结构所带来的一些别的通信系统无法比拟的优势。比如：频谱利用效益高、抗多径干扰能力强、适合于高速数据传输等因素。1．3OFDM系统的发展历史正交频分复用技术作为～种高频谱利用率调制技术在20世纪50""60年代被提出来的，其基本思想是通过采用允许子信道频谱重叠，并采用互不影响的频分复用(FDM)的方法来并行传送数据。OFDM系统不仅有频谱利用率很高，而且有较强的对抗多径衰落能力。OFDM技术第一次的应用是应用在军事上。但是OFDM多载波传输技术在最近20年在双向通信方面得到了很大的发展，主要因为它对抗码间串扰现象的能力非常强。在发展了很多年之后，OFDM技术得到了很广泛的应用。主要的应用领域包括：无线局域网和城域网，数字视频广播和数字音频广播，无线本地环路和非对称数字用户环路等‘71。由于人们要求的不断提高，移动通信从第一代发展到第三代移动通信系统，技术的更新换代的越来越快。系统要求能够提供的数据速率也越来越高。早在1999年12月，7家非常知名的通信公司如爱立信和Wi．LAb／等公司就发起了国际OFDM论坛，致力于将OFDM技术制定出全球性的统一标准。第四代移动通信系统要求能提供更大的频谱宽度，把互联网和多媒体通信同无线通信相结合，能够实现传输数据、图像、视频等的多媒体业务，能够具有非对称的超过2Mbit数据传输能力，而由于OFDM技术具有高频谱利用率和良好抗多径干扰能力，有望成为4G的主要标准。随着人们对通信宽带化、数据化和移动化的要求，OFDM技术会受到人们更为广泛的重视。1．4信道估计与均衡技术的必要性随着人们对于无线通信技术的更高的要求，即接收信号的准确性。发射信号通过无线信道传输后，在接收端为了能接收并检测出正确的发送的信息，了解信道的相关参数非常必要，然后对接收的信号进行对抗信道衰落的补偿性的恢复。由于无线移动信道的传播环境十分恶劣，随着数据速率的不断提高，高速数据通信系统的性能不仅受噪声的限制，更主要的影响来自无线信道时延扩展特性导致的码间干扰。这种码间干扰主要是由于发射机和接收机之间存在多条时延不同无 第1章绪论线传播路径造成的。信道估计可定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行的一种研究，它是一个表示信道特征的数学表达式。假设是线性信道，那么信道估计的结果应该是系统信道的冲激响应。不同的传输环境，信道都会呈现出不同的衰落特性。这要求接收端须跟踪信道变化，在连续的时间内重复地进行实时信道估计。OFDM系统信道估计是信道均衡的基础，是影响系统性能的关键一步。OFDM信道估计主要可以分为：导频符号辅助的信道估计【8】、半盲信道估计和盲信道估计【9】。导频符号辅助方法是在发送端信号中的某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号按照某些算法进行信道估计，在单载波系统中，导频符号和导频序列只能在时间轴方向插入，在多载波系统中，导频符号可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入，只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道相干时间和相干带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传输函数。但这种方法的缺点是需要耗费有用的带宽，这对于有限带宽的信道来说是很不利的。盲算法在信道估计中仅利用发送信号的统计特性来进行识别信道，不需要发送任何导频信号。节约了频谱，但是盲算法需要观测时间比较长，而且盲估计算法在实行中会出现相位偏差等的弊端。由于存在着这些问题，盲算法在移动通信中没有得到非常广泛的应用。在无线信道中，多径传播是产生信号产生误码的主要原因。多径影响会导致产生的码间干扰，从而不能保证准确传输。在多径衰落信道中引入均衡的目的是为了减轻或消除由于频域选择性衰落造成的符号间的干扰(ISI)并改善由于子载波间产生的干扰(ICI)【lo】。均衡是改造限带信道传递特性的一种有效手段。均衡主要有二个基本途径。(1)频域均衡：它主要从频域角度使信道满足无失真传输条件，是通过分别校正系统的幅频特性和群时延特性来实现的。(2)时域均衡：它主要从时域角度考虑以使包含均衡器在内的整个系统的冲击响应满足无码间串扰的条件。目前广泛采用的线性滤波器是横向滤波器，称为线性均衡。有两种比较常用的方法是：迫零(ZF)准则和最小均方误差(MMSE)准则。研究表明，线性均衡器对于像电话线这样的有线信道来说性能良好，因此线性均衡算法被广泛应用到各种码间干扰不很严重的场合。当多径衰落中信道频率出现凹点的时候，线性均衡器就无法很好的工作。对于信道衰落比较严重的信道，人们开始研究实现较简单、性能较好的非线性均衡器。非线性均衡器的一种类型是判决反馈均衡器，判 OFDM信道估计与均衡技术研究决反馈均衡器的结构由二个滤波器组成：一个前馈滤波器和一个反馈滤波器。从功能上讲反馈滤波器作用是从当前估计值中除去由先前被检测符号所引起的那部分的符号间干扰。而另一种类型是最大似然估计⋯】这种方法原理就是在利用极大似然估计的基础上再采用自适应信道估计器来提供信道的信息。衰落信道的随机性和时变性，需要研究自适应跟踪信道时变特性的均衡器，这就促进了自适应均衡技术的发展。现在应用比较广泛的自适应算法有递归最d'--乘算法【12】和最小均方算法【l31。自适应均衡的原理是在发射端插入接收端已知的导频序列，经过自适应算法调整均衡器的抽头系数。使接收端的经过均衡的导频和发射端发送导频达到最佳的一致。这种技术己在很多数字通讯系统中使用。，他们的收敛特性及对系统均衡性能被人们深入的研究。传输的训练序列占用了宝贵的信道容量是基于训练序列的自适应均衡算法的不足，它降低了系统的频谱利用率。因此无导频训练序列的盲均衡技术在二十世纪八十年代以来开始迅速得到发展。现在出现的典型盲均衡算法有：基于高阶统计量的盲均衡算法、基于Bussagang技术【141的盲均衡算法以及基于二阶矩的盲均衡算法等。盲估计算法的优点是：可降低发送训练序列所带来的额外开销，适用于不能发送训练序列的情况。虽然不需要发送训练序列，但是它需要利用到传输数据的内在的数学信息。这种算法比基于导频序列的算法节约了带宽，但也有自身的缺点。盲均衡算法主要缺点是：运算量太大，算法灵活性很差，而且该算法需要较多观测数据，收敛速度较慢。近年来，由于半盲的均衡算法的一些显著优点使之成为是人们研究的热点。半盲均衡的原理是利用已知的符号信息并采用盲均衡的方法来完成信道均衡的方法。现在一般的通信系统会在发送数据的同时发送一些已知信号用作信道估计和同步作用，或作为分隔突发数据的保护间隔，半盲均衡出现的原因是由于过长的导频会导致频谱的过分损失，因此发送的导频数据不能太长。因此半盲均衡算法既比基于导频的算法节约了频谱，又比盲均衡算法估计性能好。半可以说盲均衡Il副算法集成了基于训练序列的估计算法和盲均衡算法的优点，同时又克服了两种算法独立使用时的缺点，并能够使系统的均衡问题更具有稳定性即鲁棒性lJ引。而且能提供比这两种方法更优的性能。由上可知，随着人们对通信要求的不断提高，和通信技术的不断发展，结合 第1章绪论周围的环境和OFDM系统本身特点来设计与之相适应的信道均衡方法，是十分必要的。准确的信道估计是进行信道均衡的前提和保证。所以本文研究的主要问题是信道估计技术。当信道估计的结果比较准确的情况下，使用比较简单的均衡器，也可以使系统性能比较好。1．5本文内容介绍本文在论文前二章介绍了OFDM系统的基本原理，然后围绕OFDM技术中的信道估计和均衡技术展开深入的研究工作，采用理论分析和计算机仿真相结合的方法，验证理论的正确性和实践的可行性。本文的内容分为6章，其结构如下：第1章简要介绍宽带无线移动通信的发展历程和发展特点，然后介绍了OFDM技术发展的现状以及信道估计和均衡技术的必要性。第2章的主要内容是OFDM技术的基本原理的介绍，讨论了它使用的各项技术，分析了OFDM技术的在以后发展中的优势和需要克服的问题。第3章主要讨论无线移动信道。在这一章中，分别讨论了无线信道的大尺度衰落，中尺度衰落和小尺度衰落。由于在宽带移动通信中，小尺度衰落对系统性能的影响更加明显和复杂，所以更加详细地介绍了小尺度衰落的信道情况。讨论了几种常用的信道模型。同时，结合各种信道的特点，讨论了无线信道的建模方法。第4章主要介绍了基于单天线OFDM系统的信道估计算法，主要讨论基于频域导频辅助下的信道估计算法。根据导频序列插入形式的不同，将信道估计算法分成基于梳状导频的信道估计算法和基于块状导频的信道估计算法。归纳了最为常用的基于频域导频的各种信道估计算法。然后讨论了几种常用的信道估计插值算法，最后通过MATLAB仿真，验证不同的信道估计算法和插值算法对系统性能的影响。本文仿真的信道估计算法有LS算法，LMMSE算法，经过SVD分解的LMMSE算法，仿真的信道插值算法为有常值内插算法，线性内插，二阶内插，和DFT插值算法。第5章主要介绍了OFDM系统的频域均衡技术和时域均衡技术，因一般假设的信道条件都是最大时延扩展长度小于循环前缀的长度，所以经过信道估计的 OFDM信道估计与均衡技术研究技术有诸多相似处的单载波频域均衡系统，并将OFDM系统的频域信道均衡技术与单载波频域均衡技术的进行对比，得出二者的区别与相似之处和各自的优缺点，再通过软件仿真验证二者的系统性能差异。最后，论文结合单载波频域均衡系统和OFDM系统的优点，讨论了～种二者结合的通信系统方案，使通信系统的传输效果更加理想。最后一章，总结了全文的内容。然后指出未来的研究方向。 第2章OFDM系统的原理和关键技术2．1OFDM的基本原理实际的移动无线通信中，信号从发射端经过无线时变多径信道到达接收天线，信道的多径传播会引起信号在时间上的展宽并导致频率选择性衰落，而信道的时变特性会引起信号频率的展宽，导致形成多普勒效应，因此，人们常采用相干时间和多径时延扩展及相干带宽来描述信道的多径特性。如果符号周期小于相干时间，信道不会对信号造成很大的衰落的影响，可以将信道看成线性时不变系统。如果信道带宽小于相关带宽，即可以认为所有的频率所经历的衰落情况是相同的，则可认为该信道为非频率选择性的信道，其经历衰落为平坦衰落。这样就可以得到一个简单而又较为符合实际情况的研究模型。在OFDM系统参数的设计中，要考虑一系列参数，如保护间隔、子载波个数、OFDM符号的周期、子载波的调制方式、采样间隔、前向纠错码【151的方式等。系统性能约束这些参数的选择，其中一些参数之间存在着固有矛盾，如要求的比特速率、可利用的带宽、最大的多径时延和多普勒频偏值。采用大量间隔较小的子载波能够更好的抵制时延扩展，但从抵制相位噪声和多普勒扩展的角度来看，采用少量的并且间隔较大的子载波则比较合适。对于传统的频分复用系统而言，载波间通常加保护间隔，来避免载波间的相互干扰，这会使频谱利用率下降。OFDM系统的一个重大优点是可以利用快速的傅里叶变换来实现系统调制和解调，从而大大简化了系统实现的复杂度。OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输，而且用若干个相互正交的子载波来并行传输这些数据流，对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小，当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎可以忽略。它与单载波系统的对比如图2．1所示：．8． OFDM信道估计与均衡技术研究s(t)exp(jwlt)S|P图2．1单载波与OFDM传输结构图Fi贮．1Single-cardertransmissionandOFDMtransmissionOFDM的一个符号是包括经过调制的多个子载波的合成信号，每～个子载波都可以用相移键控(PSK)或者正交幅度调锖tJ(QAM)㈣来调制。图中Ⅳ表示子载波的数目。rⅣ一p地(擎rea(t-ts-T／2)exp[j2冗f(t-tO]}艇坯抖r(2．1)fsO)=ot<矗r订>厶+r上式中，丁表示OFDM符号的周期，西表示第i路的基带复等效数据信号，石是载波的中心频率，而朋f／r，石表示第f个子载波的频率，Itl<_T／2，rect(t)=l，此函数是一个矩形函数。OFDM的复等效的基带信号的表达，如下式：rz”*--JJ．∽2∑z咧t-t,-T／2)expu孙亍to-10]㈤鲥r(2．2)i=O1』～‘’‘，Is(f)=0f矗+丁由于子载波的正交性，可以采用～路子载波信号对上式经行解调。从而取出这一路的数据。图2．2描述的是OFDM系统的传输模型： 第2章OFDM系统的原理和关键技术削220FDM彖鞔模型Fi922ModelofOFDMsystem以解调第，个子载波为例，在一个符号周期T内进行积分，当频率差(f们／T时也就是子载波间是整数倍个周期，如图其积分结果为零。i=；rexit-j2#；(一嘎N-Id州h扣啪(2_3)=；篓d』=．．Toxp(』h字(，叫坤=日。陵溯猎羚桊桊衿，掣，蟮．o．k』一蟛一I—J图2．3OFDM系统频谱结构Fig23Frequencyspectr．mofOFDMsyStem图23给出了的是一个包含5个子载波的OFDM符号频域波形。假设每个子载波发送的是矩形信号，md在频域中得到波形为符号的频谱是抽样函数也就是sinc函数。由这一示例可知，OFDM系统满足Nyquist无码间干扰准则。但此时的符号 OFDM信道估计与均衡技术研究成形不像通常的系统，不是在时域进行脉冲成形，而是在频域实现的。因此，根据时频对偶关系，通常系统中的码间干扰变成OFDM系统中的子载波间干扰。如图所示，当每个相邻子载波频率相差一个周期时，没有载波间干扰。为消除载波间干扰，要求OFDM系统在频域采样点无失真。2．2OFDM的DFT实现【171傅里叶变换将时域和频域联系起来，傅里叶变换的形式有几种，选择哪种形式的傅里叶变换又工作的具体环境决定。大多数信号处理使用离散傅里叶变换。式(2．2)中OFDM的复等效的基带信号可以采用离散的傅里叶逆变换来实现时域到频域的转换，由式(2．1)得出，对于N比较大的系统来说，s(t)flj并行发射的N个信号组成占有频带宽度为2鲈的OFDM符号，其中矽为载波之间的间隔。为叙述的简洁，可以令式(2．2)中的1。=-0，并且忽略矩形函数。可以得到下面式子：N．．．—-．1&=s(kT／N)=∑diexp(j2rcik／N)(o≤k≤N-1)(2-4)i--0由式(2-4)可以看出s。是时域的信号，由于OFDM的结构可以采用快速傅里叶变换处理。时域的数据可有频域的发射信号露经过傅里叶逆变换得到。在接收端，为恢复出原始发送的数据符号谚，可以对S。进行DFT，得到：(0_>SNRo。SNRo表示的是信噪比门限值，推导出路径损耗会限制比特速率，如下式：召≤菇蒜(3-9)并得出对信号覆盖范围也带来了限制：以、KP,NoBSN—Ro11／，)(3．1。)＼、7上式说明要达到一定的信噪比和带宽，那么覆盖面积就会受到影响。但在一般系统中，由于小区的范围较小，移动通信的大尺度衰落影响可以忽略。3．2．3反射，绕射，散射及阴影衰落【29】信号传输中，+由于受到绕射、反射和散射的影响，造成在不同的环境(如不同的地形、建筑物)中的接收信号能量的均值变化。这种变化被称为阴影效应【30】。它反映了中等范围内的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。这类损耗一般为无 第3章移动无线信道介绍线传播所特有，且一般从统计规律上看遵从对数正态分布。其变化率比传送信息率慢。又称为慢衰落。在路径损耗和阴影效应影响下，在与基站距离为d处的平均接收功率为：PdB=P0d8—10logd。+亿(船’f3．11)这里d一般是几十个波长，Q(曲)是具有0dB均值的正态分布量，它表示的是一般的阴影变化电平。这与所处具体位置有关。如果相同距离d的不同位置上测量平均功率，虽然由于不同障碍物会起着不同的作用，但信号集合仍然是类似高斯分布的。3．2．4小尺度衰落【31】小尺度衰落也被称作快衰落损耗，它描述的无线信号经过短时间或短距离传输后接收信号电平均值的变化情况。小尺度衰落主要的影响要素是多经传播和多普勒频移。受小尺度衰落影响信号变化非常快。因此小尺度衰落时影响无线移动通信质量的主要因素。快衰落仔细划分，又可分为：空间选择性快衰落，频率选择性快衰落与时间选择性快衰落。小尺度衰落的主要形式之一多普勒频移定义指的是：在移动通信环境中，假设接收端在与发射信号源成Oi角度的方向以恒定的速率v移动时，那么在△t时间内信号经过的直线距离为Ad；--vAtcosoi，接收信号由于此距离造成的相位变化是：Q：—2r,Ad—,Atcos0COS，Q=——．九。(3-12)由此相位产生的多普勒频移是：乃=i1石9=妻C0s0，(3-13)上式中，九表示的是载波的波长。fm代表的是最大的多普勒频移。上面的公式描述的是某一条路径的多普勒频移的表达式。但是无线移动通信情况下，信号往往经过无数条多径传输，每一条路径的传输情况都不一样，多普勒频移也会不一样。+下面式子表示的是接收信号的等效低通信号：‘ OFDM信道估计与均衡技术研究y∽=∑叩-j2nfc华北一掣)2≯-j2nfcd-生ciP-J2nfcmo-ose,。如一警+半，p㈤≈∑叩-j2nf,c讲e-J2nf．cose,o,s(t一堕)≈y玩P一竺)●．一‘^’=∑b／e1。2“厶瑚，s(卜t，)‘一、‘7匆是经过推导后的系数。频率非选择性信道是指每条多径的延迟Ti很小，都远远小于信号带宽B的倒数的信号。这种情况下的多径被称为不可分离径(Micropath)，它们一般是由于接收机周围的散射体造成的。此时，s(似i)2s(t-下)i=0，1，⋯，N一1，公式(3-14)还可写成：y(r)=s(卜t)∑b,e掣“厶硼l=办(咖(卜下)(3·15)上式中，办(f)是信道的冲击响应。当一簇多径信号的到达时间在一个周期内，那么在接收机处不可分离这些多径，将等同于一条单独的路径来处理。如果在一簇多径信号中没有一个信号非常强的多径分量，而是每个多径分量强度相当的时候，这种信道被称为瑞利信道，在瑞利信道条件下，接收信号的幅度p满足瑞利分布：P(材)：与口一丁(3．16)上式中o2表示方差。而当一簇信号中存在一个主要入射分量，则接收信号就满足莱斯分布。对于无线移动系统来说，发射机与接收机间的相对运动造成无线信道的不稳定，信道传播特性的变化又决定了信号的衰落速率。小尺度衰落根据传输信号的带宽、接收端的移动速度以及传播环境的不同，可分为四种不同的类型：快衰落，慢衰落，频率选择性衰落，频率非选择性衰落。具体的区分标准如下表3．1所示，其中，院为信道相干带宽；风表示传输信号的带宽；To为相干时间；死为传输码元周期。 第3章移动无线信道介绍表3．1小尺度衰落分类Tabie3．1elassificatiOllofsmall．scaledecline信道模Tb<To型Bw“Bc非色散平坦一时间色散一平频率非平坦衰落坦衰落选择性信道B'．>>毋频率色散一平多普勒(时间和频率选坦衰落频率)色散择性信道时间非选择性时间选择性或或慢衰落信道快衰落信道在前面己经对快衰落和慢衰落的概念进行了介绍了，那么频率非选择性衰落指的是：一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时间延迟。如果这些相对时延远小于一个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机的。这种情况下多径不会造成符号间的干扰。这种衰落也被称为平坦衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是平坦的。相反地，频率选择性衰落指的是：如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略，那么当多路信号迭加时，不同时间的符号就会重迭在一起，造成符号间的干扰，这种衰落称为频率选择性衰落。因为这种信道的频率响应在所用的频段内不是平坦的。由式3．13和3．12可知，当朝入射波方向移动时，多普勒频移即为正，移动台所接收到的信号频率会增加；而当移动台朝入射波得反方向运动时，则多普勒频移为负，移动台接收到的信号频率会减小。接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。以声音传播为例。当声源与接收端之间有相对运动时，接收体接收的声波频率f．与声源频率f就存在多普勒频移Af(dopplershift)：其中定义Af-=f·f。当接收体与声源相互靠近时，接收频率f大于发射频率f即： OFDM信道估计与均衡技术研究△f>0当接收体与声源相互远离时，接收频率fd,于发射频率，即：△f．0O-18)式中。表示的是在包络检测前所接收到的信号的电压均方根值，而a2表示的是包络检测前接收信号的时间的平均功率。Rayleigh分布的概率密度图形表示如图3-3所示：¨m¨∞"㈨¨} OFDM信道估计与均衡技术研究图3-3Rayleigh分布的概率密度函数Fig3-3ThepdfofRayleighdistribution(3)Rice衰落模型在传播方式以视距传播为主的通信系统中，比如地空移动通信系统、卫星移动通信系统、市区蜂窝移动通信系统，郊区或者农村的地面移动通信系统。由于多径效应，接收端接收信号是多个路径视距传播分量的叠加信号。当有一个起主导作用的、非衰落、不变的信号分量存在于散射披上时，即存在一个直流分量的情况时，原来服从瑞利分布的信号包络r将服从Rice分布，即是一种更一般的瑞利分布。莱斯分布的相位也不是均匀分布，而是更加复杂的分布。振幅的包络和相位也是相互独立的。莱斯分布的概率密度函数为：r2+口2．如)=孝e一可“》(3-19)上式中，d为直射波幅度；r为衰落信号的包络：10(o)为零阶的贝塞尔函数：a：=；印：】=；，表示信号的方差。当蒹斯模型的固定分量减弱后，那么传播模型又转化为Rayleigh分布，因此可以说Rayleigh模型是一个特殊Rice衰落模型。功率归一化的Rice分布的概率密度函数又可表示为：刖：即+班“““2lo(2a厕)n0lO口‘0(3-20)在上式中，K为莱斯因子，表示的是直达信号和散射信号的功率比。当K值¨¨们¨¨¨¨¨¨l 第3章移动无线信道介绍较小时表示的是衰落严重的信道：K=0时，表示没有直达信号的分量，Rice分布就退化为Rayleigll分布；当K值较大时，表示轻衰落得信道：当K值趋于无穷大时，则信道表示的是高斯白噪声信道。“6_一j。手一■r__-⋯-_-⋯々⋯一1n8⋯rrt一⋯⋯一’：⋯一一⋯104『：---一一⋯～．一二。’≮⋯一一⋯一¨¨～1^2r⋯“⋯⋯—一⋯⋯～—一：⋯⋯～j⋯一1。}——击——．广——击—立芎：—弓}——i图34莱斯分布的概率密度函数Fig3．4ThepdfofRicedistribution3．53常见的信道仿真模型Jake信道模型04】Jake移动信道模型表示的是一种标准的频率单调衰落基带模型，这种信道模型通常仿真的条件是：当多径扩展远远小于信号的符号周期时，衰落信道模型经常用于仿真通信系统在多径信道上的性能。通常我们假设衰落过程相对于信号的符号速率要慢得多，因此我们可以精确地估计信号的相位。所以我们只需考虑幅度衰落带来的影响，而不必关心相位的影响。同时还假设符号间的衰落是相互独立的。假设一个发射信号经过的无线信道中无数条的路径，并且这些经过各种反射和折射的传输路径是均匀分布。一般情况下，信道仿真都是用基带等效模型，而不需要进行载波级仿真，z(f)为对应时域输入的波形，那么输出的波形y(O可表示为：y(t)=‘(，)ip)一‘(f)就r)(3-21)这里式子的i(f)表示的是输入df)的希尔伯特变换。那么经过正交拆分得到I、Q两路的基带等价描述为： OFDM信道估计与均衡技术研究‘(，)=2芝cosp,cos(2rcf,t+O^)+√互cos仅cos(2兀厶，)(3．22)k-IN——rq(t)=2∑sin13女cos(21rfkt+0t)+√2cosasin(2兀厶，)(3—23)上式fm是最大多普勒频移；fk。fmcos(2冗k／L)a27ck／Npk2兀洲，L=2(2N+1)，N是总的路径数，e。表示的是在0～27r间均匀分布的随机相位。在这里最大多普勒频移fm与接收机最大的移动速度Vm以及载波的频率￡的关系是：无=±卫正(3-24)f如果发射端发送一个频率单一的正弦波，在信号传输的过程中要受到多径衰落的影响，和多普勒频移的影响，在接收端接收到的不再是一个单一频率的正弦波。此接收频谱在Jake信道模型中可表示为：P(f)=[兀五√1一(／／厶)2】。1(3-25)通常Jake信道模型用于仿真的都是比较简单的移动信道。如果需要比较复杂些的多径信道仿真，可以使用瑞利或莱斯等信道模型或者用户自定义的多径信道模型来仿真。本章小结本章主要介绍的内容是移动无线信道的主要形式和各自的特点。经过查阅相关材料，首先讨论了移动无线信道的主要特点，然后根据信道衰落影响的范围拴移动无线信道的衰落分为：大尺度衰落、中尺度衰落以及小尺度衰落。介绍了它们各自的特点。重点说明了小尺度衰落。接着介绍了几种常用的无线信道建模，和比较常用的用于信道建模的Jake移动信道模型。建模小尺度的衰落信道常用的是多径瑞利模型。 第4章OFDM信道估计技术4．1引言第4章OFDM系统信道估计技术由于OFDM系统中引入了循环保护间隔，所以接收机只需要采用简单的频域均衡来消除多径的干扰。但是OFDM的频域均衡的前提是必须知道每个子载波的准确的信道信息。因此，信道估计是整个OFDM系统非常关键的部分，信道估计的准确度对接收机的工作性能有决定性影响。本章中，我们将讨论OFDM系统的各种信道估计技术。根据发射端添加训练序列的方式不同，信道估计可以划分为基于频域导频的信道估计和基于时域训练序列的信道估计。基于频域导频的信道估计算法应用于大多数实际OFDM系统中。在本章中，我们将主要介绍现有的基于频域导频的OFDM的各种信道估计算法。4．2OFDM信道估计系统基带模型无线信道的特性如第三章所介绍，发射机和接收机间的传播路径非常复杂，而且，无线信道不像有线信道那样固定并可预见，无线信道具有很大的随机性，无线通信系统的性能受到无线信道的制约。接收信号受无线信道影响，其幅度、频率和相位失真，难以分析。这些问题对接收机的设计具有很高的要求，OFDM系统中，信道估计器的设计有两个主要问题：一是导频信息和样式的选择；二是设计出复杂度较低导频跟踪能力较好的信道估计器，即在确定导频得发送方式和信道估计准则条件下，寻找最佳信道估计器的设计结构。对于第n个OFDM符号，时域接收到的信号是发送的信号s(n，1)和信道冲击响应的卷积：L-Iy(n，，)=∑办(，2，t3s(n，1-19+w(n，，)0