【文章內(nèi)容簡介】 接(Downlink)。而由移動(dòng)臺(tái)到基站接收機(jī)的無線連接則稱反向鏈接或上行鏈接 (Uplink)。典型地，前向鏈接和反向鏈接被分成不同類型的信道。無線電信號(hào)無論是在前向鏈接，還是在反向鏈接的傳播，都會(huì)以多種方式受到物理信道的影響 [3]。 由于無線信道的復(fù)雜性，一個(gè)通 過無線信道傳播的信號(hào)往往會(huì)沿一些不同的路徑到達(dá)接收端，這一現(xiàn)象稱為信號(hào)的多徑傳輸。雖然電磁波傳播的形式很復(fù)雜，但一般可歸結(jié)為反射、繞射和散射三種基本傳播方式。移動(dòng)通信中的信道是一種時(shí)變信道。無線電信號(hào)通過移動(dòng)信道時(shí)會(huì)受到各個(gè)方面的衰減損失，接收信號(hào)功率可表示為 : )()(||)( dRdSddp n??, 31 式中 d 表示距離向量，其絕對(duì)值同表示移動(dòng)用戶與基站的 距離。上式表示信道對(duì)無線電信號(hào)的影響可歸納為三類： （ 1） 自由空間的路徑損失 (也稱傳輸損失 )|d|n，也被稱為大尺度衰落，其中 n 一般 為 3 4。 （ 2） 陰影衰落 S(d):由傳輸環(huán)境中的地形起伏、建筑物和其它障礙物對(duì)電波的阻塞而引起的衰落，被稱為中等尺度衰落。 （ 3） 多徑衰落 R(d) :由移動(dòng)傳播環(huán)境中的多徑傳輸，因此造成信號(hào)經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，而每個(gè)信號(hào)分量的時(shí)延、衰落和相位都不相同，因此在接收端對(duì)多個(gè)信號(hào)分量疊加時(shí)，會(huì)造成同相增加，異相減小的現(xiàn)象，這也稱為小尺度衰落。 此外，由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，還會(huì) 使得無線信道呈現(xiàn)出時(shí)變性，其中一種具體表現(xiàn)就是出現(xiàn)多普勒頻移 (Doppler Frequency Shift)。自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區(qū)域的覆蓋，通過合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種不利的影響。 無線多徑信道的分析 在討論多徑衰落信道之前，先簡單介紹一下前兩種衰落 ： （ 1） 無線信道的大尺度衰落 無線電波在自由空間內(nèi)傳輸，其信號(hào)功率會(huì)隨著傳播距離的增加而減小，這會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)性能帶來不利的影響。如果不采用其它特殊技術(shù)，則數(shù)據(jù)的符號(hào)速率以 10 及電波的傳播范圍都會(huì)受到很大的限制。但是在一般的 蜂窩系中，由于小區(qū)的規(guī)模相對(duì)較小，所以這種大尺度衰落對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響不需要單獨(dú)加以考慮。 （ 2） 無線信道的陰影衰落 當(dāng)電磁波在傳播路徑中遇到起伏地形、建筑物和高大的樹林等障礙物的阻塞時(shí)，在這些障礙物的后面產(chǎn)生電磁場的陰影。移動(dòng)臺(tái)在移動(dòng)中通過不同的障礙物的陰影區(qū)時(shí)，接收天線接收信號(hào)的場強(qiáng)中值會(huì)發(fā)生變化，從而引起衰落，這種衰落稱為陰影衰落。與多徑衰落相比，陰影衰落是一種宏觀衰落，是以較大的空間尺度來衡量的，其衰落特性呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其中接收信號(hào)的局部場強(qiáng)中值變化的幅度取決于信號(hào)頻率和障礙物狀況，頻率較高的 信號(hào)比頻率較低的信號(hào)更加容易穿透障礙物，而低頻信號(hào)比較高頻率的信號(hào)具備更強(qiáng)的繞射能力。 移動(dòng)多徑信道的參數(shù) 下面先介紹多徑信道的一些參數(shù)：時(shí)延擴(kuò)展、相干帶寬、多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間，以便更好地了解信道的特性。 時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬是用于描述本地信道時(shí)間色散特性的兩個(gè)參數(shù)。在時(shí)域中，脈沖信號(hào)經(jīng)過多徑傳播后，由于路徑不同，因而到達(dá)時(shí)間不同，若發(fā)射一個(gè)脈沖，那么接收信號(hào)中包含了各延遲信號(hào)，其脈沖的寬度就要增加，這種現(xiàn)象稱為時(shí)延擴(kuò)展。而相干帶寬是從時(shí)延擴(kuò)展得出的一個(gè)確定關(guān)系值，是指在一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)，兩個(gè) 頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性，它表征的是信號(hào)中兩個(gè)頻率分量基本相關(guān)的頻率間隔，也就是說衰落信號(hào)的兩個(gè)頻率分量，當(dāng)頻率間隔小于相干帶寬時(shí)，它們是相關(guān)的，其衰落具有一致性。當(dāng)頻率間隔大于相關(guān)帶寬時(shí)，它們就不相關(guān)了，其衰落具有不一致性。 前面兩個(gè)參數(shù)并未提供描述信道時(shí)變特性的信息。這種時(shí)變特性或是由移動(dòng)臺(tái)與基站間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的，或是由信道路徑中物體的運(yùn)動(dòng)引起的。 多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間就是描述小尺度內(nèi)信道時(shí)變信道的兩個(gè)參數(shù)。 多普勒擴(kuò)展 BD是譜展寬的測(cè)量值， 這個(gè)譜展寬是移動(dòng)無線信道的時(shí)間變化率的一種度量。多普勒擴(kuò) 展被定義為一個(gè)頻率范圍，在此范圍內(nèi)接收的多普勒譜有非零值。如果基帶信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大 BD ，則在接收機(jī)端可忽略多普勒頻率擴(kuò)展的影響，此時(shí)的信道是一個(gè)慢衰落信道。 相干時(shí)間 TC 是多普勒擴(kuò)展在時(shí)域的表示，用于在時(shí)域描述信道頻率色散的時(shí)變特 11 性，則 TC = 1 / fm ,fm 是最大多普勒頻率。它是信道沖擊響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。換句話說，相干時(shí)間就是指在一段時(shí)間間隔，在此間隔內(nèi)，兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。如果基帶信號(hào)帶寬的倒數(shù)大于信道相干時(shí)間，那么傳輸中基帶信號(hào)可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致接收機(jī)信號(hào)失真 [4]。 多徑衰落類型 當(dāng)信號(hào)通過移動(dòng)無線信道時(shí)，其衰落類型決定于發(fā)送信號(hào)特性和信道特性， 信號(hào)參數(shù)（帶寬 ， 符號(hào)間隔）及信道參數(shù) (時(shí)延擴(kuò)展，多普勒擴(kuò)展 ) 決定了不同的發(fā)送信號(hào)將經(jīng)歷不同的衰落。移動(dòng)無線信道的時(shí)間色散和頻率色散可能產(chǎn)生四種不同的效應(yīng)，這些是由信號(hào)參數(shù)及信道特性決定的。多徑的時(shí)延擴(kuò)展會(huì)引起時(shí)間色散及頻率選擇性衰落，而多普勒擴(kuò)展會(huì)引起頻率色散及時(shí)間選擇性衰落，這兩種機(jī)制彼此是獨(dú)立的。 如上所述，多徑衰落信道存在著兩種擴(kuò)展：多徑效應(yīng)引起的時(shí)間上的時(shí)延擴(kuò)展，多普勒效應(yīng)引起的多普勒頻譜擴(kuò)展。時(shí)延 擴(kuò)展使接收信號(hào)在時(shí)域上的波形展寬，多普勒頻譜擴(kuò)展使接收信號(hào)在頻域上的頻譜展寬。這是移動(dòng)通信的信道的電波傳播特性分別在時(shí)域和頻域上的表現(xiàn)。 如果移動(dòng)無線信道帶寬大于發(fā)送信號(hào)帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定的增益及線性相位，則接收信號(hào)就會(huì)經(jīng)歷平坦的衰落過程。在平坦的衰落情況下，信道的多徑效應(yīng)使發(fā)送信號(hào)的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)仍保持不變。然而，由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致信道增益的起伏，使接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間變化。平坦衰落信道即幅度變化的信道，可看成窄帶信道，這是因?yàn)樾盘?hào)帶寬比平坦衰落信道的帶寬窄得多，即 BsBc 。 如果信 道具有恒定增益及線性相位且?guī)捫∮谛盘?hào)帶寬，則此信道特性將使接收信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。在這種情況下，信道沖擊響應(yīng)具有多徑時(shí)延擴(kuò)展，其值大于發(fā)送信號(hào)帶寬的倒數(shù)。此時(shí)，接收信號(hào)中包含了經(jīng)過衰落和時(shí)延的多徑信號(hào)，因此會(huì)產(chǎn)生失真。對(duì)頻率選擇性衰落來說，信號(hào)帶寬大于信道的相關(guān)帶寬，即 BsBc 。 根據(jù)信號(hào)與信道變化快慢的比較，信道可分為快衰落信道和慢衰落信道，在快衰落信道中，信道的沖擊響應(yīng)在符號(hào)周期內(nèi)變化很快。即信道的相干時(shí)間比信號(hào)周期短。由于多普勒擴(kuò)展引起頻率色散（也稱為時(shí)間選擇性衰落）導(dǎo)致信號(hào)失真。從頻域上 看，信號(hào)失真隨發(fā)送信號(hào)帶寬的多普勒擴(kuò)展的增加而加劇。產(chǎn)生快衰落的條件為： BsBd 。 在慢衰落信道中，信道沖擊響應(yīng)變化率比發(fā)送信號(hào)的基帶信號(hào)變化率低得多，因此 12 可假設(shè)在一個(gè)或若干個(gè)帶寬倒數(shù)間隔內(nèi)，信道均為靜態(tài)信道 。 在頻域中， 這就意味著信道的多普勒擴(kuò)展比基帶信號(hào)的帶寬小得多。信號(hào)經(jīng)歷慢衰落的條件是： BsBd 。 無線信道對(duì) OFDM 的影響 OFDM 的并行多載波結(jié)構(gòu)及循環(huán)前綴的加入使得系統(tǒng)對(duì)多徑時(shí)變有很強(qiáng)的適應(yīng)性，但是循環(huán)前綴的加入會(huì)加大通信開銷，使傳輸效率降低。子載波數(shù)目的增多也使系統(tǒng)的復(fù)雜 度增大。上節(jié)所述，由于無線信道對(duì)系統(tǒng)的影響主要來自多徑時(shí)延和多普勒頻移，下面主要講無線多徑信道中時(shí)延和多普勒頻移對(duì) OFDM 的影響。 OFDM 系統(tǒng)中，子載波數(shù)目為 N ，系統(tǒng)的采樣間隔為 TS ,循環(huán)前綴的長度為 Tg ，選擇這些參數(shù)是很關(guān)鍵的。為了達(dá)到更好的性能，應(yīng)該使每個(gè)子載波盡量達(dá)到頻率非選擇性慢衰落。已知系統(tǒng)帶寬 B = 1/TS,子載波帶寬為 1/(NTS)。首先，由于循環(huán)前綴的加入會(huì)帶來信噪比損失： βLOSS=NTS/(NTS+Tg),因此應(yīng)該讓循環(huán)前綴的長度和符號(hào)長度相比盡量的小，這樣才能減小信噪 比的損失。循環(huán)前綴選取和信道多徑時(shí)延 τ有很大的關(guān)系，應(yīng)選取 NTS =τ ,或者說是子載波的數(shù)目 N =τB，但如果 OFDM 符號(hào)長度過大，則可能導(dǎo)致由多普勒擴(kuò)展引起的子信道頻率間干擾過大，由慢衰落的定義，可知當(dāng)子載波的帶寬比多普勒頻移 fd 大很多時(shí)，系統(tǒng)對(duì)多普勒展寬和相關(guān)的子信道頻率間干擾并不敏感，因此子載波的個(gè)數(shù)應(yīng)該滿足： fd = 1/(NTS)。 多普勒頻移引起的 ICI 加性干擾噪聲對(duì)信道估計(jì)的性能有很大影響，隨著 ICI 功率的增加信道估計(jì)的性能會(huì)迅速下降。所以要控制多普勒頻移在一定的范圍內(nèi)。對(duì)于 平坦信道，當(dāng)導(dǎo)頻符號(hào)（ CP）的長度不夠時(shí)，多徑時(shí)延將帶來 ISI 和 ICI，由此引發(fā)的干擾噪聲將影響 OFDM 系統(tǒng)。 無線 OFDM 系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī) OFDM 系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，圖 31 的上半部分是發(fā)送機(jī)的框圖，下半部分是接收機(jī)的框圖，因?yàn)?IFFT 和 FFT 的運(yùn)算步驟非常相似，可以用相同的硬件來實(shí)現(xiàn)。因此將實(shí)現(xiàn) IFFT 和 FFT 運(yùn)算的部分放在了同一個(gè)方框圖中。一般來 說，在實(shí)際的 OFDM 系統(tǒng)中，發(fā)送機(jī)在 IFFT 調(diào)制前包括前向糾錯(cuò)編碼、交織、 QAM制、導(dǎo)頻插入、串 7 并變換等。在 IFFT 模塊的后面包括并 7 串變換、插入循環(huán)前綴、加窗數(shù) 7 模變換、射頻調(diào)制和放大等。接收機(jī)包括射頻放大和解調(diào)、模 7 數(shù)變換、定時(shí) 13 同步、并變換 FFT 解調(diào)、信道糾正、 QAM 解調(diào)、交織、糾錯(cuò)碼譯碼等。 圖 31 OFDM 系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu) 本章小結(jié) 本章中首先分別討論了無線信道對(duì)接收信號(hào)造成的大尺度衰落、陰影衰落以及小尺度衰落。對(duì)于大尺度衰落，給出了信號(hào)功率會(huì)隨著傳播距離的增加而減小的結(jié)論 。對(duì)于陰影衰落，給出了信號(hào)的頻率對(duì)陰影衰落的影響；最后，較詳細(xì)的討論了小尺度衰落的影響， 其中包括時(shí)延擴(kuò)展以及多普勒頻移對(duì)信號(hào)的影響。 14 第四章 OFDM 的信道估計(jì) 由前幾章，了解了 OFDM 的基本原理以及信道特性，下面將介紹信道估計(jì)的方法，因?yàn)樾诺拦烙?jì)對(duì)正確恢復(fù)信號(hào)有很大作用 [7]。本文將著重介紹基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法。 信道估計(jì)的重要性 無線通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到無線信道的影響。無線信道和固定信道相比更為復(fù)雜，具有隨機(jī)不可預(yù)測(cè)性。舉例來說，模擬有線信道的典型信噪比為 46dB，也就是說信號(hào)電平要比噪聲電平高出 40000 倍，而且有線信道的傳輸質(zhì)量可 以通過選擇更好的材料和加工工藝得到保證，在有線傳輸中信噪比的波動(dòng)通常不超過 12dB，與此相對(duì)的是移動(dòng)無線信道中信號(hào)強(qiáng)度的深度衰落司空見慣，甚至可達(dá) 30 多個(gè) dB，在城市環(huán)境中，一輛快速行駛的車輛上的移動(dòng)臺(tái)在一秒鐘之內(nèi)顯著的衰落可以達(dá)到數(shù)十次。未來移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越依賴與對(duì)無線信道的了解和掌握，這就要求我們對(duì)無線信道進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測(cè)。從已有的研究和將來的發(fā)展需要看，對(duì)無線信道的估計(jì)和預(yù)測(cè)可以分成 3 種類型 :適合于濾波處理的信道統(tǒng)計(jì)特性估計(jì)、適合于自適應(yīng)技術(shù)的信道平穩(wěn)特性實(shí)時(shí)估計(jì)和預(yù)測(cè)、適 合于信道利用技術(shù)的傳輸特性的精細(xì)估計(jì)和預(yù)測(cè)。對(duì)于 OFDM 系統(tǒng)來說，主要采用第三種技術(shù)估計(jì)信道傳輸函數(shù)。 信道估計(jì)的方法 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，調(diào)制方式分為差分調(diào)制和相干調(diào)制，在差分調(diào)制中，信息是由相鄰兩個(gè)符號(hào)的差來編碼的，可以不需要信道估計(jì)，并使系統(tǒng)減少了復(fù)雜度，但相對(duì)而言數(shù)據(jù)傳輸率較低。在 OFDM 系統(tǒng)中，接收端須知信道的信息， 而移動(dòng)信道屬于多徑衰落信道， OFDM 系統(tǒng)中每個(gè)子載波在傳輸?shù)倪^程中其幅度和相位都會(huì)隨載波頻移，相位噪聲，定時(shí)偏移等因素而變化，在時(shí)域和頻域引起衰落，產(chǎn)生碼間干擾，降低 了系統(tǒng)性能。因此如何在接收時(shí)能檢測(cè)出這些變化的因素已成為能否準(zhǔn)確地解調(diào)原信號(hào)的關(guān)鍵，這正是信道估計(jì)器要解決的問題。 目前，信道估計(jì)的方法有許多種，主要有兩類： 一類是盲估計(jì)，根據(jù)信號(hào)在時(shí)間或頻率上的相關(guān)性對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，如線性最小均 15 方誤差（ LMMSE）估計(jì)，最小二乘（ LS）估計(jì)，此類估計(jì)需要所有 N 個(gè)子載波的相關(guān)性，算法復(fù)雜，計(jì)算量大，估計(jì)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已有人分別對(duì)上述兩種算法進(jìn)行了改進(jìn)，降低了復(fù)雜性，最小均方誤差（ MMSE）性能較好，但復(fù)雜性高，最小二乘（ LS）復(fù)雜性較低，但性能不如 MMSE。 另一類是 基于導(dǎo)頻方式的估計(jì)，是本文主要介紹的方法，此類信道估計(jì)的常用方法有兩種：基于導(dǎo)頻信道的估計(jì)和基于導(dǎo)頻符號(hào)的估計(jì)。 基于導(dǎo)頻信道的方法是在系統(tǒng)中設(shè)置專用導(dǎo)頻信道來發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào) 。 由于 OFDM 系統(tǒng)具有時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)頻符號(hào)輔助信道估計(jì)更加靈活。所謂的基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)是指在發(fā)送端的信號(hào)中的某些位置插入一些接收端已知的符號(hào)或序列，接收端利用這些信號(hào)或序列受傳輸衰落影響的程度，根據(jù)某些算法來估計(jì)信道的衰落性能，當(dāng)然也可以用 MMSE 和 LS 算法， 這一技術(shù)叫作導(dǎo)頻信號(hào)輔助調(diào)制 (PSAM), 在各種衰落估計(jì)技術(shù)， PSAM 是一種有效的技術(shù)。在單載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻符號(hào)或序列只能在時(shí)間方向上插入， 在接收端提取導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)信道的沖擊響應(yīng)h(t,δ)。而在多載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號(hào)可以在時(shí)間和頻率兩個(gè)方向上插入，在接收端可提取導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)信道的傳遞函數(shù) H (f,t)。只要導(dǎo)頻信號(hào)在時(shí)間和頻率方向上間隔對(duì)于信道帶寬足夠少，就可以采用二維內(nèi)插濾波的方法來估計(jì)傳遞函數(shù) H (f,t)，也可以采用分離的一維估計(jì)。 在 OFDM 系統(tǒng)