【文章內容簡介】 接(Downlink)。而由移動臺到基站接收機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。無線電信號無論是在前向鏈接，還是在反向鏈接的傳播，都會以多種方式受到物理信道的影響 [3]。 由于無線信道的復雜性，一個通 過無線信道傳播的信號往往會沿一些不同的路徑到達接收端，這一現(xiàn)象稱為信號的多徑傳輸。雖然電磁波傳播的形式很復雜，但一般可歸結為反射、繞射和散射三種基本傳播方式。移動通信中的信道是一種時變信道。無線電信號通過移動信道時會受到各個方面的衰減損失，接收信號功率可表示為 : )()(||)( dRdSddp n??, 31 式中 d 表示距離向量，其絕對值同表示移動用戶與基站的 距離。上式表示信道對無線電信號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) :由移動傳播環(huán)境中的多徑傳輸，因此造成信號經過多條路徑到達接收端，而每個信號分量的時延、衰落和相位都不相同，因此在接收端對多個信號分量疊加時，會造成同相增加，異相減小的現(xiàn)象，這也稱為小尺度衰落。 此外，由于移動臺的運動，還會 使得無線信道呈現(xiàn)出時變性，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，通過合理的設計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傳輸，其信號功率會隨著傳播距離的增加而減小，這會對數(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，則數(shù)據(jù)的符號速率以 10 及電波的傳播范圍都會受到很大的限制。但是在一般的 蜂窩系中，由于小區(qū)的規(guī)模相對較小，所以這種大尺度衰落對移動通信系統(tǒng)的影響不需要單獨加以考慮。 （ 2） 無線信道的陰影衰落 當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，在這些障礙物的后面產生電磁場的陰影。移動臺在移動中通過不同的障礙物的陰影區(qū)時，接收天線接收信號的場強中值會發(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，其衰落特性呈對數(shù)正態(tài)分布，其中接收信號的局部場強中值變化的幅度取決于信號頻率和障礙物狀況，頻率較高的 信號比頻率較低的信號更加容易穿透障礙物，而低頻信號比較高頻率的信號具備更強的繞射能力。 移動多徑信道的參數(shù) 下面先介紹多徑信道的一些參數(shù)：時延擴展、相干帶寬、多普勒擴展和相干時間，以便更好地了解信道的特性。 時延擴展和相干帶寬是用于描述本地信道時間色散特性的兩個參數(shù)。在時域中，脈沖信號經過多徑傳播后，由于路徑不同，因而到達時間不同，若發(fā)射一個脈沖，那么接收信號中包含了各延遲信號，其脈沖的寬度就要增加，這種現(xiàn)象稱為時延擴展。而相干帶寬是從時延擴展得出的一個確定關系值，是指在一個特定頻率范圍內，兩個 頻率分量有很強的幅度相關性，它表征的是信號中兩個頻率分量基本相關的頻率間隔，也就是說衰落信號的兩個頻率分量，當頻率間隔小于相干帶寬時，它們是相關的，其衰落具有一致性。當頻率間隔大于相關帶寬時，它們就不相關了，其衰落具有不一致性。 前面兩個參數(shù)并未提供描述信道時變特性的信息。這種時變特性或是由移動臺與基站間的相對運動引起的，或是由信道路徑中物體的運動引起的。 多普勒擴展和相干時間就是描述小尺度內信道時變信道的兩個參數(shù)。 多普勒擴展 BD是譜展寬的測量值， 這個譜展寬是移動無線信道的時間變化率的一種度量。多普勒擴 展被定義為一個頻率范圍，在此范圍內接收的多普勒譜有非零值。如果基帶信號帶寬遠大 BD ，則在接收機端可忽略多普勒頻率擴展的影響，此時的信道是一個慢衰落信道。 相干時間 TC 是多普勒擴展在時域的表示，用于在時域描述信道頻率色散的時變特 11 性，則 TC = 1 / fm ,fm 是最大多普勒頻率。它是信道沖擊響應維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值。換句話說，相干時間就是指在一段時間間隔，在此間隔內，兩個到達信號有很強的幅度相關性。如果基帶信號帶寬的倒數(shù)大于信道相干時間，那么傳輸中基帶信號可能會發(fā)生改變，導致接收機信號失真 [4]。 多徑衰落類型 當信號通過移動無線信道時，其衰落類型決定于發(fā)送信號特性和信道特性， 信號參數(shù)（帶寬 ， 符號間隔）及信道參數(shù) (時延擴展，多普勒擴展 ) 決定了不同的發(fā)送信號將經歷不同的衰落。移動無線信道的時間色散和頻率色散可能產生四種不同的效應，這些是由信號參數(shù)及信道特性決定的。多徑的時延擴展會引起時間色散及頻率選擇性衰落，而多普勒擴展會引起頻率色散及時間選擇性衰落，這兩種機制彼此是獨立的。 如上所述，多徑衰落信道存在著兩種擴展：多徑效應引起的時間上的時延擴展，多普勒效應引起的多普勒頻譜擴展。時延 擴展使接收信號在時域上的波形展寬，多普勒頻譜擴展使接收信號在頻域上的頻譜展寬。這是移動通信的信道的電波傳播特性分別在時域和頻域上的表現(xiàn)。 如果移動無線信道帶寬大于發(fā)送信號帶寬，且在帶寬范圍內有恒定的增益及線性相位，則接收信號就會經歷平坦的衰落過程。在平坦的衰落情況下，信道的多徑效應使發(fā)送信號的頻譜特性在接收機內仍保持不變。然而，由于多徑效應導致信道增益的起伏，使接收信號的強度會隨著時間變化。平坦衰落信道即幅度變化的信道，可看成窄帶信道，這是因為信號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∮谛盘枎?，則此信道特性將使接收信號產生頻率選擇性衰落。在這種情況下，信道沖擊響應具有多徑時延擴展，其值大于發(fā)送信號帶寬的倒數(shù)。此時，接收信號中包含了經過衰落和時延的多徑信號，因此會產生失真。對頻率選擇性衰落來說，信號帶寬大于信道的相關帶寬，即 BsBc 。 根據(jù)信號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，信道的沖擊響應在符號周期內變化很快。即信道的相干時間比信號周期短。由于多普勒擴展引起頻率色散（也稱為時間選擇性衰落）導致信號失真。從頻域上 看，信號失真隨發(fā)送信號帶寬的多普勒擴展的增加而加劇。產生快衰落的條件為： BsBd 。 在慢衰落信道中，信道沖擊響應變化率比發(fā)送信號的基帶信號變化率低得多，因此 12 可假設在一個或若干個帶寬倒數(shù)間隔內，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展比基帶信號的帶寬小得多。信號經歷慢衰落的條件是： BsBd 。 無線信道對 OFDM 的影響 OFDM 的并行多載波結構及循環(huán)前綴的加入使得系統(tǒng)對多徑時變有很強的適應性，但是循環(huán)前綴的加入會加大通信開銷，使傳輸效率降低。子載波數(shù)目的增多也使系統(tǒng)的復雜 度增大。上節(jié)所述，由于無線信道對系統(tǒng)的影響主要來自多徑時延和多普勒頻移，下面主要講無線多徑信道中時延和多普勒頻移對 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)是很關鍵的。為了達到更好的性能，應該使每個子載波盡量達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)前綴的加入會帶來信噪比損失： βLOSS=NTS/(NTS+Tg),因此應該讓循環(huán)前綴的長度和符號長度相比盡量的小，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延 τ有很大的關系，應選取 NTS =τ ,或者說是子載波的數(shù)目 N =τB，但如果 OFDM 符號長度過大，則可能導致由多普勒擴展引起的子信道頻率間干擾過大，由慢衰落的定義，可知當子載波的帶寬比多普勒頻移 fd 大很多時，系統(tǒng)對多普勒展寬和相關的子信道頻率間干擾并不敏感，因此子載波的個數(shù)應該滿足： fd = 1/(NTS)。 多普勒頻移引起的 ICI 加性干擾噪聲對信道估計的性能有很大影響，隨著 ICI 功率的增加信道估計的性能會迅速下降。所以要控制多普勒頻移在一定的范圍內。對于 平坦信道，當導頻符號（ CP）的長度不夠時，多徑時延將帶來 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)射機和接收機 OFDM 系統(tǒng)發(fā)射機和接收機的典型結構如圖 31 所示，圖 31 的上半部分是發(fā)送機的框圖，下半部分是接收機的框圖，因為 IFFT 和 FFT 的運算步驟非常相似，可以用相同的硬件來實現(xiàn)。因此將實現(xiàn) IFFT 和 FFT 運算的部分放在了同一個方框圖中。一般來 說，在實際的 OFDM 系統(tǒng)中，發(fā)送機在 IFFT 調制前包括前向糾錯編碼、交織、 QAM制、導頻插入、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、射頻調制和放大等。接收機包括射頻放大和解調、模 7 數(shù)變換、定時 13 同步、并變換 FFT 解調、信道糾正、 QAM 解調、交織、糾錯碼譯碼等。 圖 31 OFDM 系統(tǒng)發(fā)射機和接收機的結構 本章小結 本章中首先分別討論了無線信道對接收信號造成的大尺度衰落、陰影衰落以及小尺度衰落。對于大尺度衰落，給出了信號功率會隨著傳播距離的增加而減小的結論 。對于陰影衰落，給出了信號的頻率對陰影衰落的影響；最后，較詳細的討論了小尺度衰落的影響， 其中包括時延擴展以及多普勒頻移對信號的影響。 14 第四章 OFDM 的信道估計 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的方法，因為信道估計對正確恢復信號有很大作用 [7]。本文將著重介紹基于導頻的信道估計方法。 信道估計的重要性 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雜，具有隨機不可預測性。舉例來說，模擬有線信道的典型信噪比為 46dB，也就是說信號電平要比噪聲電平高出 40000 倍，而且有線信道的傳輸質量可 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通常不超過 12dB，與此相對的是移動無線信道中信號強度的深度衰落司空見慣，甚至可達 30 多個 dB，在城市環(huán)境中，一輛快速行駛的車輛上的移動臺在一秒鐘之內顯著的衰落可以達到數(shù)十次。未來移動通信技術的發(fā)展和應用，越來越依賴與對無線信道的了解和掌握，這就要求我們對無線信道進行估計和預測。從已有的研究和將來的發(fā)展需要看，對無線信道的估計和預測可以分成 3 種類型 :適合于濾波處理的信道統(tǒng)計特性估計、適合于自適應技術的信道平穩(wěn)特性實時估計和預測、適 合于信道利用技術的傳輸特性的精細估計和預測。對于 OFDM 系統(tǒng)來說，主要采用第三種技術估計信道傳輸函數(shù)。 信道估計的方法 在移動通信系統(tǒng)中，調制方式分為差分調制和相干調制，在差分調制中，信息是由相鄰兩個符號的差來編碼的，可以不需要信道估計，并使系統(tǒng)減少了復雜度，但相對而言數(shù)據(jù)傳輸率較低。在 OFDM 系統(tǒng)中，接收端須知信道的信息， 而移動信道屬于多徑衰落信道， OFDM 系統(tǒng)中每個子載波在傳輸?shù)倪^程中其幅度和相位都會隨載波頻移，相位噪聲，定時偏移等因素而變化，在時域和頻域引起衰落，產生碼間干擾，降低 了系統(tǒng)性能。因此如何在接收時能檢測出這些變化的因素已成為能否準確地解調原信號的關鍵，這正是信道估計器要解決的問題。 目前，信道估計的方法有許多種，主要有兩類： 一類是盲估計，根據(jù)信號在時間或頻率上的相關性對信道進行估計，如線性最小均 15 方誤差（ LMMSE）估計，最小二乘（ LS）估計，此類估計需要所有 N 個子載波的相關性，算法復雜，計算量大，估計器結構復雜，已有人分別對上述兩種算法進行了改進，降低了復雜性，最小均方誤差（ MMSE）性能較好，但復雜性高，最小二乘（ LS）復雜性較低，但性能不如 MMSE。 另一類是 基于導頻方式的估計，是本文主要介紹的方法，此類信道估計的常用方法有兩種：基于導頻信道的估計和基于導頻符號的估計。 基于導頻信道的方法是在系統(tǒng)中設置專用導頻信道來發(fā)送導頻信號 。 由于 OFDM 系統(tǒng)具有時頻二維結構，因此采用導頻符號輔助信道估計更加靈活。所謂的基于導頻符號的信道估計是指在發(fā)送端的信號中的某些位置插入一些接收端已知的符號或序列，接收端利用這些信號或序列受傳輸衰落影響的程度，根據(jù)某些算法來估計信道的衰落性能，當然也可以用 MMSE 和 LS 算法， 這一技術叫作導頻信號輔助調制 (PSAM), 在各種衰落估計技術， PSAM 是一種有效的技術。在單載波系統(tǒng)中，導頻符號或序列只能在時間方向上插入， 在接收端提取導頻信號估計信道的沖擊響應h(t,δ)。而在多載波系統(tǒng)中，導頻信號可以在時間和頻率兩個方向上插入，在接收端可提取導頻信號估計信道的傳遞函數(shù) H (f,t)。只要導頻信號在時間和頻率方向上間隔對于信道帶寬足夠少，就可以采用二維內插濾波的方法來估計傳遞函數(shù) H (f,t)，也可以采用分離的一維估計。 在 OFDM 系統(tǒng)