寬帶無線通信論文2

0Z0860。秘“叩郝0060星感取針對(duì)空間角度色散的模型(空間信道模型)研究現(xiàn)狀分析摘要:文章通過介紹幾種當(dāng)前對(duì)空間信道模型研究的熱點(diǎn)技術(shù)，試圖闡明當(dāng)前空間色散信道的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)，希望通過本論文能夠窺見當(dāng)前這方面技術(shù)的一斑。1、引言在無線通信系統(tǒng)中，信道在系統(tǒng)仿真中是不可或缺的部分。只有使用能夠正確反應(yīng)物理信道特性的信道模型，才能保證仿真結(jié)果的正確性。因此，深入研究信道的特性并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)信道估計(jì)和系統(tǒng)仿真都具有重要意義。近年來比較熱門的智能天線和空間分集等多天線技術(shù)更是在很大程度上受到無線信道，尤其是信道的空間特性的影響。例如，如果采用傳統(tǒng)的波束賦形技術(shù)，那么波束的寬度需要適合信道角擴(kuò)散的程度。此外，角擴(kuò)散也影響兩路獨(dú)立的空間信道之間的相關(guān)性，從而影響分集接收技術(shù)抵抗深衰落的能力。因此多天線信道模型不僅要考慮單天線上的衰落、多普勒效應(yīng)的影響，還需要研究信道角擴(kuò)散、天線間距、波達(dá)方向等空間特性。隨著3G研究的發(fā)展，智能天線，空時(shí)碼等的引入，采用合理的時(shí)空信道模型顯得尤其重要。傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)信只考慮了信道的幅度增益、時(shí)延擴(kuò)散及其時(shí)變特性，沒考慮信道的空間特性。傳統(tǒng)的信道模型只考慮了接收信號(hào)的功率和多普勒頻譜分布，通常假設(shè)信號(hào)到達(dá)方向(A0A)服從大于0，且小于2.-的均勻分布，這種信道模型［1］并不能反映信號(hào)在無線信道中傳輸?shù)慕嵌葦U(kuò)展特性。只有在這些模型增加對(duì)空間特性的考慮，才能更好的用于多天線技術(shù)的研究。在3GPP(ThirdGenerationPartnership脅議的11版本中，也增加了鏈路級(jí)仿真時(shí)的空間信道模型。因此，對(duì)空間信道模型的研究，包括建立模型和仿真是很有必要的。2、空間信道模型的關(guān)鍵因素2.1多普勒擴(kuò)散多普勒效應(yīng)是由接收機(jī)附近障礙物對(duì)信號(hào)的散射引起的。根據(jù)Clark的分析［3］，多普勒效應(yīng)將使復(fù)信號(hào)的包絡(luò)滿足瑞利分布，其自相關(guān)函數(shù)為零階貝塞耳函數(shù)，對(duì)應(yīng)功率譜密度呈現(xiàn)u型分布。Jakes最早提出了一種被廣泛應(yīng)用的產(chǎn)生多徑瑞利衰落的信道模型［3,4］。其思想是認(rèn)為每條多徑上的衰落是由多個(gè)障礙物反射的信號(hào)疊加而造成的，因此可以通過N個(gè)相同能量但不同頻率以及初始相位的正弦波疊加，來獲得瑞利衰落和多普勒效應(yīng)。傳統(tǒng)的Jakes模型是通過對(duì)所有反射點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生不同多徑的反射點(diǎn)，各個(gè)多徑之間的獨(dú)立性很難保證。2.2波達(dá)方向及角擴(kuò)散傳統(tǒng)的信道模型都只考慮了多普勒效應(yīng)和時(shí)延擴(kuò)散，而沒有考慮到空間參數(shù)，例如，波達(dá)方向和角擴(kuò)散。接收端的角度擴(kuò)散是指多徑信號(hào)到達(dá)天線陣列的到達(dá)角度的展寬。同樣，發(fā)射端的角度擴(kuò)展指的是由多徑的反射和散射引起的發(fā)射角展寬。角度擴(kuò)展給出接收信號(hào)主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落，意即信號(hào)幅值與天線的空間位置有關(guān)。典型的角度擴(kuò)展(AS-AngleSpread)值為［4］:室內(nèi)環(huán)境360度，城市環(huán)20度，平坦的農(nóng)村環(huán)境1度。為正確建立空間信道模型，需要在多徑衰落和多普勒頻移的經(jīng)典理解上，融入波達(dá)方向、角擴(kuò)散和陣列天線的幾何結(jié)構(gòu)等信息。在沒有其它信息的情況下，研究者一般假設(shè)方向角功率譜(PAS-PowerAzimuthSpectrum)是均勻分布1度，但是這通常并不能反應(yīng)實(shí)際情況。2.3天線陣列的空間參數(shù)智能天線或者空間分集技術(shù)需要使用一組天線陣元，分別接收/發(fā)送信號(hào)。為方便起見，假設(shè)在接收端采用直線等距(LinearEquallySpaced)天線陣列，這種方法可以推廣到其它排列方式的情況。取向X軸，陣元間距為d,如圖1所示:圖1線性天線陣元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這里，仍是入射到陣列上的平面波的方向角，即AOA。2、-小肋”心腴1尊為第m根天線與參考天線的相位差，其中“-，其中c是光速，f是載波頻率，共有M根陣元。天線陣列因子可以用矩陣形式表示如下：exp(-掐)2陌sin0)lA(麻)=-j=￡卬[-〃用2；rsin0)]exp[-j(M-l)A2ffsin(^>]這里，兒二出以。表示了天線間距與信號(hào)波長(zhǎng)的關(guān)系。3、多徑色散信道散射函數(shù)的數(shù)學(xué)模型數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中的等效低通信號(hào)u(t)通?？杀硎緸閺?fù)數(shù)形式：(1)u(t)=4(￡)e加")=4(4)cm0(t)+jA(t)sin?(i)=x(i)+式式中A(t)和三(t)分別為u(t)的模和相位，均為時(shí)問的函數(shù)。因此在發(fā)射機(jī)天線r發(fā)送的射頻信號(hào)則可川相應(yīng)的等效低通信號(hào)表示為(2)式：S(O==A(￡)coapffAi+響=cos(2nfct)一y0)sin(2皿)fc為s(t)的載波頻率，它可以是在信號(hào)占有頻帶內(nèi)部的或其附近的任意一個(gè)合適

的頻率。當(dāng)s(t)占有的頻帶寬度小于fc時(shí)，此信號(hào)稱之為窄帶帶通信號(hào)，或簡(jiǎn)稱為帶通信號(hào)。x(tRy(t)稱為s(t)的正交分量，記作：=A{t)costf(i)](3)lf(t)=A(t)sin$(￡)從(1)式可知，復(fù)數(shù)波形u(t)為等效低通信號(hào)，所以x(t)和y(t)所包含的頻率成分都集中于低頻，在f=0附近。(3)s(t)的傅利葉變換是-0QrOO*時(shí)知={Re[ti(t)e徹人明廠詢斤出=5心(，一見)十兀)]￡—QQJ一O0...(4)式中U(f)是u(t)的傅里葉變換。帶通信號(hào)s(t)所包含的頻率成分都集中在載波fc附近。=5心(，一見)十兀)]￡帶通信號(hào)s(t)的能量表達(dá)式可寫為：e=S2(t)dt={時(shí)諷￡)"""]}2出J—OOJ一8Ij42(t)dt+IA2(f)cos[47r/c(+2。(圳dt-EJ-X(5)式中第二項(xiàng)積分值是由凋制的余弦函數(shù)下而的凈而積，因?yàn)榈蛑撇ㄐ斡嘞液瘮?shù)相比是慢變化的，所以(5)式中第二項(xiàng)與第一項(xiàng)積分相比是很小的，可以忽略。因此實(shí)際上用等效低通信號(hào)u(t)表示的帶通信號(hào)s(t)的能量是e驀廣如雙￡」v(6)由(2)式可見，(6)式中U(f)的模A(t)正是s(t)的振幅包絡(luò)。移動(dòng)信道是一種變參信道。所渭變參信道是指其參數(shù)隨時(shí)問作隨機(jī)變化的信道。由于大部分變參信道的時(shí)變特性是線性的(即服從疊加原理)，這類信道因此被稱為線性時(shí)變信道，它可以用線性時(shí)變系統(tǒng)的方法來分析。一個(gè)線性時(shí)變信道既可以用它的沖激響應(yīng)h(t)描述，也可以用它的頻率響應(yīng)h(t)描述，這里h(t)是H(f)的傅里葉變換。4、OFDM系統(tǒng)在空間信道模型中的應(yīng)用OFDM系統(tǒng)作為第四代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的候選技術(shù)之一，一度成為研究熱點(diǎn)基于OFDM的算法研究，如信道估計(jì)算法、均衡算法、同步算法等等都不可避免的要涉及OFDM系統(tǒng)在無線信道中的建模與仿真無線信道的建模向來是移動(dòng)無線通信系統(tǒng)理論中具有挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)。通常采用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行信道建模根據(jù)所研究信號(hào)在特定環(huán)境下的特性來選擇不同的信道模型。正交頻分復(fù)用具有抗多徑延遲擴(kuò)展、抗脈沖噪聲、高的帶寬利用率和可用高效快速傅里葉變換算法進(jìn)行信號(hào)的基帶處理等優(yōu)點(diǎn)，成為目前的研究熱點(diǎn)。它不僅可用于有線數(shù)據(jù)傳輸，如非對(duì)稱的數(shù)字用戶線ADSL，還可用于無線數(shù)據(jù)傳輸如高速無線局域網(wǎng)802.11a、數(shù)字視頻廣播等。在實(shí)際的無線應(yīng)用中使用非相十的OFDM調(diào)制，雖然不需要CSI而使系統(tǒng)的復(fù)雜度可以降低，但系統(tǒng)的性能卻降低3?4dB。若采用相干解調(diào)時(shí)，能否獲得準(zhǔn)確的CSI是系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵，因此信道的精確估計(jì)就非常重要。目前，在OFDM系統(tǒng)的仿真中，涉及無線信道的仿真方法主要有以下幾種:1)設(shè)定延時(shí)和衰落幅度值，然后與信號(hào)相乘并求和這是最簡(jiǎn)單的多徑信道仿真。2)設(shè)定各延遲路徑的時(shí)延和功率，根據(jù)路徑功率用高斯過程分別得到復(fù)抽頭系數(shù)的實(shí)部和虛部，然后用復(fù)抽頭系數(shù)與信號(hào)相乘并求和這也是一種簡(jiǎn)化的仿真方式。3)產(chǎn)生Rayleigh衰落因子。如MATLAB中的函數(shù)raylrnd產(chǎn)生rayleigh幅度衰落再用衰落因子與信號(hào)相乘。4)用FIR濾波器模擬信道5)利用各系統(tǒng)級(jí)仿真工具中的現(xiàn)成多徑模塊。如MATLAB的Simulink,Agilent的ADS等等。4.1OFDM信道模型假設(shè)多徑衰落信道由M個(gè)路徑組成，其模型為：M-\g(丁)=役泌(t-」其中二是第k條路徑信號(hào)的衰落因子且為零均值的復(fù)高斯隨機(jī)變量，二為第k條路徑的延遲，并設(shè)各路徑相互獨(dú)立。4.2當(dāng)前的一些具體應(yīng)用研究4.2.1利用OFDM循環(huán)前綴對(duì)色散信道進(jìn)行估計(jì)在相十的OFDM系統(tǒng)中，接收機(jī)能否獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息（CSI）是系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵。為了能在接收端獲得準(zhǔn)確的CSI和提高系統(tǒng)的傳輸速率，文獻(xiàn)［5］中將文獻(xiàn)［6］的算法由單路發(fā)射推廣為I/Q兩路發(fā)射，采用復(fù)抽頭系數(shù)的FIR濾波器對(duì)多徑衰落信道進(jìn)行建模，并用通常被丟棄的循環(huán)前綴作為訓(xùn)練序列對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)和均衡。仿真結(jié)果表明改進(jìn)的算法在相同的子載波和比文獻(xiàn)［6］傳輸效率提高一倍的情況下能有效地自動(dòng)跟蹤信道的變化。具體參看文獻(xiàn)［5］，此處只作簡(jiǎn)要介紹。文獻(xiàn)［6］作者在對(duì)信道估計(jì)過程中提到：由于發(fā)送訓(xùn)練序列主要是針對(duì)時(shí)變信道進(jìn)行估計(jì)而設(shè)計(jì)的，因此在這樣的算法中，訓(xùn)練序列必須周期性的發(fā)送以便能及時(shí)準(zhǔn)確地獲得時(shí)變信道的參數(shù)，并有效地對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。將循環(huán)前綴組合在一起可以看作用于跟蹤信道變化的訓(xùn)練序列，它們之間有如下關(guān)系:二二上一A—身......（7）。.考察當(dāng)前碼字接收數(shù)據(jù)的循環(huán)部分和當(dāng)前碼字發(fā)射數(shù)據(jù)的循環(huán)部分「3.和前一碼字發(fā)射數(shù)據(jù)的循環(huán)部分上??-I之間的關(guān)系可得：;二C.n-廠」（8）。其中=［nv-+|“‘心—vq,kni,*］「，為矩陣:陣:其下三角部分由的樣本組成，而上三角部分由I的樣本組成。由上面的討論可知，通過對(duì)公式（7）的求解可得到/：的估值/】。但是求解（8）式必須先得到輸入循環(huán)前綴的估值以得到矩陣c.地估計(jì)c?。這里通過對(duì)判決器的輸出結(jié)果?進(jìn)行IFFT得到「的估計(jì)值。在實(shí)際的求解中為了減少由噪聲引起的對(duì)信道的估計(jì)誤差，并假設(shè)每p+1個(gè)碼字傳輸時(shí)間內(nèi)信道是不變的，將(8)式擴(kuò)展為：上式可通過最小二乘(LS)算法進(jìn)行求解。4.2.2一種空間信道模型的產(chǎn)生算法文獻(xiàn)［7］給出了一種空間信道模型的產(chǎn)生算法。他提出了一種應(yīng)用于移動(dòng)通信中多天線系統(tǒng)的空間信道模型產(chǎn)生方法。這種方法基于Jakes模型，同時(shí)考慮時(shí)延擴(kuò)散、多普勒效應(yīng)、以及波達(dá)方向、角度擴(kuò)散等多種信道參數(shù)，直接生成空間信道模型。它具有計(jì)算復(fù)雜度低，信道模型產(chǎn)生簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，而且可以靈活的應(yīng)用于各種角度擴(kuò)散分布的情況中。仿真結(jié)果表明，這種方法產(chǎn)生的信道相關(guān)系數(shù)與理論值十分接近，能夠較好的模擬多天線系統(tǒng)的空間信道。無論是傳統(tǒng)的還是改進(jìn)的Jakes模型都是針對(duì)于單天線而言的，沒有考慮天線陣列的情況。文中將單天線擴(kuò)展到空間信道中。假設(shè)每根天線上K條多徑，那么矢量信道沖擊響應(yīng)可以表示如下：ICTh(T,A)=EAS風(fēng)(1),3(?？?L=0.(9)其中As為天線陣列因子，團(tuán)⑴表示復(fù)信號(hào)幅度，表示第k個(gè)多徑的時(shí)延。假設(shè)在移動(dòng)臺(tái)的周圍，障礙物均勻分布，移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)是來自各個(gè)反射體的信號(hào)總和。根據(jù)Jakes模型，可以用N個(gè)能量相同的反射點(diǎn)的疊加來近似模擬瑞利衰落，即角擴(kuò)散為均勻分布的情況。但是在空間信道中，角擴(kuò)散卻是符合拉普拉斯分布的隨機(jī)變量。這時(shí)可以把N個(gè)反射點(diǎn)看作非等能量入射，將入射信號(hào)的功率譜密度分成與反射點(diǎn)相同的N段，取每一段的中點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)

反射點(diǎn)的近似平均功率。復(fù)幅度“近時(shí)可以表示成下面的形式:AT44（0=￡?郊CQ&遍E+『灼）（10）其中個(gè)加代表了每個(gè)反射點(diǎn)的能量，N個(gè)反射點(diǎn)在"江十徐/十衍」內(nèi)均勻分布（Ok為波達(dá)方向），并將角度擴(kuò)展的均方根值代入（10）可得皿⑴=￡Jp（疝sp（，殊cs勤隊(duì)J■陽(yáng)）n=0反射點(diǎn)的近似平均功率。復(fù)幅度“近時(shí)可以表示成下面的形式:AT44（0=￡?郊CQ&遍E+『灼）其中(12)=￡如展碩-次七M(jìn)ckp（J%COS^dtt+押q其中(12)第k條多徑的接收信道矩陣為:Tk（l）=A（如）口⑴mu)皿p[-jWein(加)JeKp[-/2禺2;rsin(知H(13)eKp[-J（Af-1）為2〃sin（如）]其中g(shù)，加根據(jù)（H）、（K）式得到。另外，若令盆—?！緸?A，Q是I—E）之間均勻分布的隨機(jī)變量，則可以得到更好的二階統(tǒng)計(jì)特性和不同時(shí)刻多徑之間更好的獨(dú)立性。mu)(13)數(shù)值仿真也充分證明了這種方法與3GPP中的MIMO仿真信道模型的參考結(jié)果十分吻合。5、小結(jié)綜上，本文主要介紹了空間信道模型的相關(guān)知識(shí)理論，然后說明了多徑色散信道的散射函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，基于該模型，大部分對(duì)空間信道的研究都需要運(yùn)用散射函數(shù)，散射函數(shù)是進(jìn)行移動(dòng)通信無線信道特性分析的一個(gè)非常重要的函數(shù)，它使我們能很好地了解給定環(huán)境下的無線電波傳播過程，例如強(qiáng)散射路衽的數(shù)目、功率和時(shí)延等，并至少可在一定程度上直接從散射函數(shù)確定出這些路徑射線的入射角。由散射曬數(shù)可以描述出多徑色散移動(dòng)信道中存在兩類擴(kuò)展，即多徑效應(yīng)引起的在時(shí)間上的時(shí)延擴(kuò)展S和多普勒效應(yīng)引起的在頻率上的多普勒展寬。最后解釋了OFDM系統(tǒng)中用循環(huán)前綴對(duì)時(shí)變色散信道進(jìn)行估計(jì)和李焱，朱霞，許家棟提出的一種空間信道模型產(chǎn)生算法。可見當(dāng)前我國(guó)對(duì)于空間信道模型的研究還比較少，比較多的有CDMA時(shí)變色散信道盲辨識(shí)［8］的幾種方法，以及微蜂窩多徑色散信道電波損耗預(yù)測(cè)［9］的研究。參考文獻(xiàn)吳群英.肖先賜無線時(shí)空信道模型電子與信息學(xué)報(bào)2005,3曹祁生.梁德群OFDM的推廣形式及其在頻率色散信道的應(yīng)用通信學(xué)報(bào)2009,1WCJakes.MicrowaveMobileCommunications[M].NewYork：Wiley，1974PDent，GEBottomley，TCroft.JakesFadingModelRevisited[J].E1ectron.Lett.1