宽带无线通信论文2

宽带无线通信论文
班级：信研093
姓名：曾云甫
学号：G2*******
针对空间角度色散的模型（空间信道模型）
研究现状分析
摘要:文章通过介绍几种当前对空间信道模型研究的热点技术，试图阐明当前空间色散信道的研究现状及趋势，希望通过本论文能够窥见当前这方面技术的一斑。

1、引言
在无线通信系统中，信道在系统仿真中是不可或缺的部分。

只有使用能够正确反应物理信道特性的信道模型，才能保证仿真结果的正确性。

因此，深入研究信道的特性并建立相应的数学模型，对信道估计和系统仿真都具有重要意义。

近年来比较热门的智能天线和空间分集等多天线技术更是在很大程度上受到无线信道，尤其是信道的空间特性的影响。

例如，如果采用传统的波束赋形技术，那么波束的宽度需要适合信道角扩散的程度。

此外，角扩散也影响两路独立的空间信道之间的相关性，从而影响分集接收技术抵抗深衰落的能力。

因此多天线信道模型不仅要考虑单天线上的衰落、多普勒效应的影响，还需要研究信道角扩散、天线间距、波达方向等空间特性。

随着3G研究的发展，智能天线，空时码等的引入，采用合理的时空信道模型显得尤其重要。

传统的单天线系统信只考虑了信道的幅度增益、时延扩散及其时变特性，没考虑信道的空间特性。

传统的信道模型只考虑了接收信号的功率和多普勒频谱分布，通常假设信号到达方向(A0A) 服从大于0，且小于2的均匀分布，这种信道模型[1]并不能反映信号在无线信道中传输的角度扩展特性。

只有在这些模型增加对空间特性的考虑，才能更好的用于多天线技术的研究。

在3GPP ( Third Generation Partnership Project)协议的版本中，也增加了链路级仿真时的空间信道模型。

因此，对空间信道模型的研究，包括建立模型和仿真是很有必要的。

2、空间信道模型的关键因素
2.1 多普勒扩散
多普勒效应是由接收机附近障碍物对信号的散射引起的。

根据Clark的分析[3]，多普勒效应将使复信号的包络满足瑞利分布，其自相关函数为零阶贝塞耳函数，对应功率谱密度呈现u型分布。

Jakes最早提出了一种被广泛应用的产生多径瑞利衰落的信道模型[3,4]。

其思想是认为每条多径上的衰落是由多个障碍物反射的信号叠加而造成的，因此可以通过N个相同能量但不同频率以及初始相位的正弦波叠加，来获得瑞利衰落和多普勒效应。

传统的Jakes模型是通过对所有反射点的旋转来产生不同多径的反射点，各个多径之间的独立性很难保证。

2.2 波达方向及角扩散
传统的信道模型都只考虑了多普勒效应和时延扩散，而没有考虑到空间参数，例如，波达方向和角扩散。

接收端的角度扩散是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。

同样，发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。

角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落，意即信号幅值与天线的空间位置有关。

典型的角度扩展( AS-Angle Spread )值为[4]：室内环境360度，城市环20度，平坦的农村环境1度。

为正确建立空间信道模型，需要在多径衰落和多普勒频移的经典理解上，融入波达方向、角扩散和阵列天线的几何结构等信息。

在没有其它信息的情况下，研究者一般假设方向角功率谱( PAS-Power Azimuth Spectrum) 是均匀分布1度，但是这通常并不能反应实际情况。

2.3 天线阵列的空间参数
智能天线或者空间分集技术需要使用一组天线阵元，分别接收/发送信号。

为方便起见，假设在接收端采用直线等距( Linear Equally Spaced) 天线阵列，这
种方法可以推广到其它排列方式的情况。

取向X轴，阵元间距为d，如图1所示：
图1 线性天线阵元拓扑结构
这里，是入射到阵列上的平面波的方向角，即AOA。

为第m根天线与参考天线的相位差，其中，其中c 是光速，f 是载波频率，共有M根阵元。

天线阵列因子可以用矩阵形式表示如下：
这里，。

表示了天线间距与信号波长的关系。

3、多径色散信道散射函数的数学模型
数字移动系统发射机中的等效低通信号u(t)通常可表示为复数形式：（1）
式式中A(t)和(t)分别为u(t)的模和相位，均为时问的函数。

因此在发射机天线r发送的射频信号则可川相应的等效低通信号表示为（2）式：
fc为s(t)的载波频率，它可以是在信号占有频带内部的或其附近的任意一个合适
的频率。

当s(t)占有的频带宽度小于fc时，此信号称之为窄带带通信号，或简称为带通信号。

x(t)和y(t)称为s(t)的正交分量，记作：
(3)
从(1)式可知，复数波形u(t)为等效低通信号，所以x(t)和y(t)所包含的频率成分都集中于低频，在f=0附近。

s(t)的傅利叶变换是
(4)
式中U(f)是u(t)的傅里叶变换。

带通信号s(t)所包含的频率成分都集中在载波fc 附近。

带通信号s(t)的能量表达式可写为：
(5)
式中第二项积分值是由凋制的余弦函数下而的净而积，因为凋制波形
余弦函数相比是慢变化的，所以(5)式中第二项与第一项积分相比是很小的，可以忽略。

因此实际上用等效低通信号u(t)表示的带通信号s(t)的能量是
(6)
由(2)式可见，(6)式中U(f)的模A(t)正是s(t)的振幅包络。

移动信道是一种变参信道。

所渭变参信道是指其参数随时问作随机变化的信道。

由于大部分变参信道的时变特性是线性的(即服从叠加原理)，这类信道因此被称为线性时变信道，它可以用线性时变系统的方法来分析。

一个线性时变信
道既可以用它的冲激响应h(t)描述，也可以用它的频率响应h(t)描述，这里h(t)是H(f)的傅里叶变换。

4、OFDM系统在空间信道模型中的应用
OFDM 系统作为第四代宽带移动通信系统的候选技术之一，一度成为研究热点基于OFDM 的算法研究，如信道估计算法、均衡算法、同步算法等等都不可避免的要涉及OFDM系统在无线信道中的建模与仿真无线信道的建模向来是移动无线通信系统理论中具有挑战性的难点。

通常采用统计的方法进行信道建模根据所研究信号在特定环境下的特性来选择不同的信道模型。

正交频分复用具有抗多径延迟扩展、抗脉冲噪声、高的带宽利用率和可用高效快速傅里叶变换算法进行信号的基带处理等优点，成为目前的研究热点。

它不仅可用于有线数据传输，如非对称的数字用户线ADSL，还可用于无线数据传输如高速无线局域网802.11a、数字视频广播等。

在实际的无线应用中使用非相干的OFDM调制，虽然不需要CSI而使系统的复杂度可以降低，但系统的性能却降低3～4dB。

若采用相干解调时，能否获得准确的CSI是系统性能提高的关键，因此信道的精确估计就非常重要。

目前，在OFDM 系统的仿真中，涉及无线信道的仿真方法主要有以下几种：1) 设定延时和衰落幅度值，然后与信号相乘并求和这是最简单的多径信道仿真。

2) 设定各延迟路径的时延和功率，根据路径功率用高斯过程分别得到复抽头系数的实部和虚部，然后用复抽头系数与信号相乘并求和这也是一种简化的仿真方式。

3) 产生Rayleigh衰落因子。

如MATLAB中的函数raylrnd产生rayleigh 幅度衰落再用衰落因子与信号相乘。

4) 用FIR滤波器模拟信道5) 利用各系统级仿真工具中的现成多径模块。

如MATLAB的Simulink, Agilent的ADS等等。

4.1 OFDM信道模型
假设多径衰落信道由M个路径组成，其模型为：
其中是第k条路径信号的衰落因子
且为零均值的复高斯随机变量，为第k条路径的延迟，并设各路径相互独立。

4.2当前的一些具体应用研究
4.2.1利用OFDM循环前缀对色散信道进行估计
在相干的OFDM系统中，接收机能否获得准确的信道状态信息（CSI）是系统性能提高的关键。

为了能在接收端获得准确的CSI和提高系统的传输速率，文献[5]中将文献[6]的算法由单路发射推广为I/Q两路发射，采用复抽头系数的FIR滤波器对多径衰落信道进行建模，并用通常被丢弃的循环前缀作为训练序列对信道进行估计和均衡。

仿真结果表明改进的算法在相同的子载波和比文献[6]传输效率提高一倍的情况下能有效地自动跟踪信道的变化。

具体参看文献[5]，此处只作简要介绍。

文献[6]作者在对信道估计过程中提到：由于发送训练序列主要是针对时变信道进行估计而设计的，因此在这样的算法中，训练序列必须周期性的发送以便能及时准确地获得时变信道的参数，并有效地对输入数据进行估计。

将循环前缀组合在一起可以看作用于跟踪信道变化的训练序列，它们之间有如下关系：
……(7)。

.考察当前码字接收数据的循环部分和当前码字发射数据的循环部分和前一码字发射数据的循环部分之间的关系可得：…… (8)。

其中
，为矩
阵：
其下三角部分由的样本组成，而上三角部分由的样本组成。

由
上面的讨论可知，通过对公式(7)的求解可得到的估值。

但是求解（8）式必
须先得到输入循环前缀的估值以得到矩阵地估计。

这里通过对判决器的输出结果进行IFFT得到的估计值。

在实际的求解中为了减少由噪声引起的对信道的估计误差，并假设每p+1个码字传输时间内信道是不变的，将（8）式扩展为：
上式可通过最小二乘（LS）算法进行求解。

4.2.2 一种空间信道模型的产生算法
文献[7]给出了一种空间信道模型的产生算法。

他提出了一种应用于移动通信中多天线系统的空间信道模型产生方法。

这种方法基于Jakes模型，同时考虑时延扩散、多普勒效应、以及波达方向、角度扩散等多种信道参数，直接生成空间信道模型。

它具有计算复杂度低，信道模型产生简便的优点，而且可以灵活的应用于各种角度扩散分布的情况中。

仿真结果表明，这种方法产生的信道相关系数与理论值十分接近，能够较好的模拟多天线系统的空间信道。

无论是传统的还是改进的Jakes模型都是针对于单天线而言的，没有考虑天线阵列的情况。

文中将单天线扩展到空间信道中。

假设每根天线上K条多径，那么矢量信道冲击响应可以表示如下：
(9)
其中为天线阵列因子，表示复信号幅度，表示第k个多径的时延。

假设在移动台的周围，障碍物均匀分布，移动台接收到的信号是来自各个反射体的信号总和。

根据Jakes模型，可以用N个能量相同的反射点的叠加来近似模拟瑞利衰落，即角扩散为均匀分布的情况。

但是在空间信道中，角扩散却是符合拉普拉斯分布的随机变量。

这时可以把N个反射点看作非等能量入射，将入射信号的功率谱密度分成与反射点相同的N段，取每一段的中点作为对应
反射点的近似平均功率。

复幅度可以表示成下面的形式：
(10)
其中代表了每个反射点的能量，N个反射点在内均匀分布(为波达方向)，并将角度扩展的均方根值代入（10）可得
(11)
其中
(12)
第k条多径的接收信道矩阵为：
(13)
其中，根据(11)、(12 )式得到。

另外，若令
是之间均匀分布的随机变量，则可以得到更好的二阶统计特性和不同时刻多径之间更好的独立性。

数值仿真也充分证明了这种方法与3GPP中的MIMO仿真信道模型的参考结果十分吻合。

5、小结
综上，本文主要介绍了空间信道模型的相关知识理论，然后说明了多径色散信道的散射函数的数学模型，基于该模型，大部分对空间信道的研究都需要运用散射函数，散射函数是进行移动通信无线信道特性分析的一个非常重要的函数，它使我们能很好地了解给定环境下的无线电波传播过程，例如强散射路衽的数目、功率和时延等，并至少可在一定程度上直接从散射函数确定出这些路径射线的入射角。

由散射晒数可以描述出多径色散移动信道中存在两类扩展，即多径效应引起的在时间上的时延扩展S和多普勒效应引起的在频率上的多普勒展宽。

最后解释了OFDM系统中用循环前缀对时变色散信道进行估计和李焱，朱霞，许家栋提出的一种空间信道模型产生算法。

可见当前我国对于空间信道模型的研究还比较少，比较多的有CDMA时变色散信道盲辨识[8]的几种方法，以及微蜂窝多径色散信道电波损耗预测[9]的研究。

参考文献
[1] 吴群英.肖先赐无线时空信道模型电子与信息学报2005,3
[2] 曹祁生.梁德群OFDM的推广形式及其在频率色散信道的应用通信学报2009,1
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[7] 李焱.朱霞.许家栋一种空间信道模型的产生算法系统仿真学报2005,4
[8] 吴波.刘玮.蒋世奇.胡学海CDMA时变色散信道盲辨识的新方法电子测量与仪器学报2006年增刊
[9] 朱洪波.高攸纲微蜂窝多径色散信道电波损耗预测的建模与仿真电子学报1998,7。