移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 摘要 為了支持高速率的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，當前的第三代移動通信系統(tǒng)( 3 g ) 以及未來的 第四代移動通信系統(tǒng)( 4 g ) 采用大量的自適應(yīng)技術(shù)，如自適應(yīng)調(diào)制編碼。這些技術(shù)需要 當前的或者后來的信道信息作為輔助。t d d 系統(tǒng)中根據(jù)上下行鏈路的可逆性，直接取 上行鏈路的信道狀況為下行服務(wù)，但這種方式只能限制在t d d 模式中而且受物體移動 速度的限制：另一種獲得信息的方法就是鏈路反饋方式即移動端將接收到的信道信息 反饋給基站端，這種方式開銷較大而且受限于反饋時延。由此可見信道預測在無線數(shù) 據(jù)業(yè)務(wù)中將起到很重要的作用，對信道預測算法的研究也成為當前研究的一個重要方 面。 本論文的工作主要集中與移動通信信道預測相關(guān)方面的研究，如信道模型、信道 估計和預測算法等。本論文主要分為三個部分： 第一個部分首先介紹信道傳播機制和信道衰落特性，然后在此基礎(chǔ)上分析比較了 當前的三種信道模型，并從信道的自相關(guān)、互相關(guān)等二階矩特性角度仿真驗證這三種 信道模型； 第二部分主要研究信道估計算法以及分析估計誤差來源?；趨⒖夹盘柕男诺拦?計主要依靠插入固定己知的訓i 練序列來實現(xiàn)。當前存在的2 g 、3 g 系統(tǒng)以及無線局域 網(wǎng)普遍支持采用訓練序列進行信道估計的方法。由于3 g 系統(tǒng)中f d d 模式c d m a 系統(tǒng)可 以分配獨立的碼道傳輸訓練序列，接收端通過解擴就可以獲得信道信息。本論文研究 信道估計算法的重點為具有時分復用特性的系統(tǒng)，在時間段上插入訓練序列。論文概 括介紹了兩種經(jīng)典的信道估計算法，并分析了估計誤差來源。 根據(jù)本論文對估計誤差的分析，設(shè)計了一種新的信道估計算法。在發(fā)射端利用偽 隨機序列設(shè)計訓練序列，在接收端利用碼的正交性進行信道估計。此估計算法最大可 能地抑制加性噪聲對估計的影響，性能接近理想信道估計。 第三部分是本文的核心，討論頻率非選擇性和頻率選擇性衰落信道下信道預測算 法。當前業(yè)界的研究主要集中在頻率非選擇性衰落信道，此部分首先匯總討論了具有 代表性的算法，對這些算法進行了詳細的性能分析和仿真。 在移動通信環(huán)境下，隨著數(shù)據(jù)速率的提高，無線傳輸系統(tǒng)的頻譜帶寬不斷增大， 一般情況下無線信道都表現(xiàn)出頻率選擇性。論文對頻率選擇性衰落信道的預測算法進 行了重點研究，提出一種在變換域進行信道預測的思想。根據(jù)這個思想，論文提出兩 種變換域信道預測算法。第一種就是頻域信道預測算法，此算法是根據(jù)所有頻率信道 第1 頁共1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道頂澳4 研究 響應(yīng)分量具有相同的相關(guān)性這個特點設(shè)計的，可概述為先任意選擇一個或者幾個頻率 分量，然后計算這幾個頻率分量的預測系數(shù)，平均這些預測系數(shù)以降低噪聲對系數(shù)的 影響，再利用平均預測系數(shù)計算所有頻率分量的未來信道響應(yīng)。此算法大幅度降低了 運算復雜度而且保證了預測性能。第二種就是基于正交碼域變換的信道預測算法，此 算法同樣依據(jù)信道的所有正交碼分量具有相同的相關(guān)性特點設(shè)計得來的。操作可概述 為任意選擇某幾個正交分量后計算這些分量的預測系數(shù)，然后平均這些系數(shù)，接著利 用這個平均系數(shù)計算所有正交分量的未來信道響應(yīng)，最后再通過反變換得到所需要的 時域或者頻域的信道響應(yīng)。此算法操作時同樣權(quán)衡了預測性能和運算復雜度。從復雜 度和性能兩個角度，這兩種算法的提出為信道預測在未來無線移動高速率數(shù)據(jù)傳輸系 統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵字：信道預測、信道估計、衰落信道、信道模型 第2 頁共1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信遒預測研究 a b s t r a c t i no r d e rt o s u p p o r th i 曲一r a t e d a t as e r v i c ei n h i g h e r c a r r i e r f r e q u e n c y a n dm o r e b a n d w i d t h ，c u r r e n tt h i r dg e n e r a t i o na n df u t u r ef o u rg e n e r a t i o ns y s t e ma r eb o u n d t oe m p l o y a g r e a tm a n ya d a p t i v et e c h n i q u e s ，w h i c h n e e d sc u r r e n to rf u t u r ec h a n n e ls t a t u si n f o r m a i o n f c m ) i nt d d - m o d es y s t e m ，d u et ot h er e c i p r o c a lc h a r a c t e r i s t i co fu p l i n ka n dd o w n l i n k c h a n n e l s ，t h ec s ir e c e i v e di nt h eu p l i n k c a l lb eu t i l i z e df o rd o w n l i n kc s i ，w h i c hi sl i m i t e d b yt d d m o d ea n dt h em o b i l e sv e l o c i t y t h eo t h e rm e t h o d l 扯f e e d b a c km e t h o d w h i c hi st h a tt h et e r m i n a l sf e e d b a c kt h ec s it ot h eb a s es t a t i o n ，h a sm o r eo v e r h e a da n dt h e l i m i t a t i o no ff e e d b a c kd e l a y s oc h a n n e lp r e d i c t i o nw i l ld om o r ew o r ki nh i g h r a t ed a t a s e r v i c ea n dt h er e s e a r c ho nc h a n n e lp r e d i c t i o ni sb e c o m i n gaf o c u s t h e p a p e r f o c u s e so nt h er e s e a r c ho nt h ec o r r e s p o n d i n ga s p e c t so fc h a n n e lp r e d i c t i o n s u c ha sc h a n n e lm o d e l ，c h a n n e le s t i m a t i o na n d p r e d i c t i o na l g o r i t h ma n ds oo n a c c o r d i n g t ot h i s ，t h e p a p e r i sc o m p o s e do f t h r e e p a r t s ： t h ef i r s t p a r t f i r s ti n t r o d u c e st h ec h a n n e lp r o p a g a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec h a n n e l f a d i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h e na n a l y z e st h ec u r r e n tt h r e ec h a n n e lm o d e l sb a s e do nt h ec h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c sa n dv e r i f i e st h e s ec h a n n e lm o d dw i t ht h e r e s p e c t o fc h a n n e l a u t o - c o r r e l a t i o n ，c r o s s c o r r e l a t i o na n ds oo n ，w h i c hi sp r e p a r e df o rt h ef o l l o w i n gc h a n n e l e s t i m a t i o na n d p r e d i c t i o n r e s e a r c h e s t h 。s e c o n dp a r ti st os t u d yc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n da n a l y z et h es o u r c eo f e s t i m a t i o ne r r o r i nc u r r e n t2 g3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dw i r e l e s sl o c a ln e t w o r k s y s t e m ，c h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e s a r e p o p u l a r s oc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di so f m u c h i m p o r t a n c ei nc u r r e n ts y s t e m s d u et oa l l o c a t i o n gc o d ec h a n n e lf o rt r a i n i n gs e q u e n c ei n f d d r m o d e3 gs y s t e m ，t h er e c e i v e rc a l lo b t a i nc h a n n e li n f o r m a t i o n t h r o u g hs i m p l e d e - s p r e a d i n go p e r a t i o n s ot h ef o c u si nt h i sp a r ti so nt i m e d u p l e x m u l t i p l e xs y s t e m s i n t h i s p a r t ，t w o c l a s s i cc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o f i t h m s a r ed e s c r i b e da n dt h e i re r r o r p e r f o l m a n g e sa r ea n a l y z e d an e wc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e db a s e do nt h ee r r o ra n a l y s i s t h em a i n i d e ai st h a tt h et r a n s m i t t e rg e n e r a t e st r a i n i n gs e q u e n c ew i t h p s e u d o r a n d o mc o d es e q u e n c e a n dt h er e c e i v e rm a k e sf u l lu s eo fc o d eo r t h o g o n a l i t yt oe s t i m a t ec h a n n e lr e s p o n s e t h i s a l g o r i t h mm i n i m i z e st h ee f f e c to f a d d i t i o n a ln o i s eo nc h a n n e le s t i m a t i o na n da c h i e v e st h e p e r f o r m a n c ec l o s e t oi d e a lc h a n n e le s t i m 撕o n 第3 頁麩t 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 t h et h i r d p a r ti s o u rk e r n e l ，d i s c u s s i n gc h a n n e lp r e d i c t i o na l g o r i t h mi nf r e q u e n c y n o n s e l e c t i v ea n d f r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l f a d i n g c h a n n e l t h es o - f a rr e s e a r c h c o n c e n t r a t e so nt h ec a s eo ff i e q u e n c yn o n - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l t h ep a p e rf i r s t s u m m a r i z e st h et y p i c a la l g o r i t h m sa n d t h o r o u g h l ya n a l y z e sa n ds i m u l a t e s t h e s e a l g o r i t h m s i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，t h es p r e c t m mb a n d w i d t h f o rw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd a t ar a t e t h ep r o p a g a t i o nc h a n n e li sf r e q u e n c y s e l e c t i v eo n e t h ep a p e r p a y s m o r ea t t e n t i o no nc h a n n e l p r e d i c t i o na l g o r i t h m si nf r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l i nt h i sp a r t ，w ep r o p o s ea ni d e ao fp r e d i c t i n gf u t u r ec h a n n e l r e s p o n s ei nt h et r a n s f o r m e dd o m a i na n dt w op r e d i c t i o na l g o r i t h m sb a s e do nt r a n s f o r m i n g t i m ed o m a i nt oo t h e rd o m a i n t h ef i r s to n ei s f r e q u e n c y - d o m a i nc h a n n e lp r e d i c t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hm a k ef u l l u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fa l lc h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s e e l e m e n t sh a v i n gt h es a m ec o r r e l a t i o n t h i sa l g o r i t h mc a nb e s i m p l yd e s c r i b e da st h a tt h e s y s t e ms e l e c t so n eo rf e wa r b i t r a r yf r e q u e n c ye l e m e n t s ，c o m p u t et h ep r e d i c t i o nc o e f f i c i e n t s a v e r a g et h e s ec o e f f i c i e n t sa n dc o m p u t e t h ef u t u r ec h a n n e lr e s p o n s ef o ra 1 1t h ef r e q u e n c y e l e m e n t sw i t ht h es a m ea v e r a g ep r e d i c t i o nc o e f f i c i e n t s t h i sa l g o r i t h mg r e a t l yd e c r e a s e s t h ec o m p u t a t i o n a ll o a dw i t h o u tt h el o s so f p r e d i c t i o np e r f o r m a n c e s i m i l a r l y , t h es e c o n d o n ei so r t h o g o n a l - c o d e - t r a n s f o r mb a s e dc h a n n e l p r e d i c t i o na l g o r i t h m ，w h i c hc o n s i d e r st h e s a m ec o r r e l a t i o no fa 1 1t h ec o d ee l e m e n t s t h es i m p l ea l g o r i t h mf l o wi ss e l e c t i n gt h ef e w o r t h o g o n a le l e m e n t s ，c o m p u t i n gp r e d i c t i o nc o e f f i c i e n t s ，a v e r a g i n gt h ec o e f f i c i e n t sa n d c o m p u t i n g t h ef u t u r ec h a n n e lr e s p o n s e sw i t ht h ea v e r a g ep r e d i c t i o nc o e f f i c i e n t s f r o mt h e v i e w p o i n to fp e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y , t h e s et w op r o p o s e da l g o r i t h m s f a s t e nt h e c h a n n e lp r e d i c t i o na p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c h a n n e l p r e d i c t i o n 、c h a n n e le s t i m a t i o n 、c h a n n e lm o d e l 、m m s ea l g o r i t h m 第4 頁抵1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 圖目錄 圖13 - l ：典型的衰落信道，4 圖1 3 2 ：使用大尺度信道預測的選擇發(fā)射機分集系統(tǒng)的性能改進，6 圖2 1 1 多普勒功率譜圖1 4 圖2 2 1 ：信道脈沖響應(yīng)示意圈1 5 圖2 2 2 抽頭時延線模型1 6 圈2 2 3 多徑襄落信道的抽頭時延線模型1 7 圖2 2 4 ：c l a r k e 信道模型實現(xiàn)示意圖1 8 圈2 2 5 ：三種信道模型在不同時刻的白相關(guān)特性比較2 1 圖2 2 6 ：三種信道模型中同相和正交分最的自相關(guān)統(tǒng)計特性比較2 3 圖2 2 7 ：三種信道模型中的同相與垂直分量的互相關(guān)統(tǒng)計特性比較2 3 圖3 2 1 ：訓練序列常用結(jié)構(gòu)2 9 圖3 2 2 ：信道估計誤差各分量分析3 5 圖33 1 ：用戶訓練序列生成示意圖3 8 圖3 3 2 ：不同信噪比以及不同移動速度情況下的歸化誤差性能比較4 4 圖33 3 ：不問信噪比以及q ；同信噪比環(huán)境下的估計算法增益4 4 圖3 3 4 ：估計算法性能比較4 5 圖3 ，3 5 ：信道估計各種誤差細化分析4 6 圖3 3 6 ：采用兩種信道估計算法的鏈路b e r 性能4 6 圖4 3 1 ：不同抽樣速率下的預測系數(shù)的關(guān)系5 6 倒4 3 2 ：m m s e 算法性能比較示意圈5 7 圖43 3 ：預測階數(shù)對m m s e 算法的影響，5 8 圖4 3 4 ：m m s e 算法中預測誤差分析5 9 圖4 3 5 ：預測冗余抽樣數(shù)對m m s e 算法的影響5 9 圖4 3 6 ；不同預測步k 情況下m m s e 算法的預測性能6 0 圈4 3 7 ：不同抽樣速率情況下m m s e 算法的預測性能6 l 圖4 3 8 ：v o l t e r r a 預測器示意圖6 2 圖4 , 3 9 ：v o l t e r r a 性能曲線示意圖6 4 圖4 ，3 1 0 ：在不同預測階數(shù)下的預測性能6 5 圖4 3 1 i ：不同抽樣數(shù)情況下的預測性能6 6 圖4 3 1 2 ：不同預測波長情況下的預測性能6 6 圈4 3 ，1 3 ：不同抽樣速率情況下的預測性能6 7 圖4 3 1 4 ：子空間分解算法的預測性能示意圖7 0 圖4 3 1 5 ：子空間分解中d 值對預測性能的影響，7 l 圖4 3 1 6 ：子空間分解算法中輸入抽樣數(shù)與性能的關(guān)系7 2 圖4 3 。1 7 ：不同抽樣速率對預測性能的影響7 3 圖4 - 3 i 8 ：自適應(yīng)算法預測性能示意圖7 5 圖4 3 1 9 ：不同預測階數(shù)情況下的自適應(yīng)算法預測性能7 5 圖4 3 2 0 ：不同抽樣速率情況下的自適應(yīng)算法預測性能比較7 6 圖5 2 - l ：信道預測的結(jié)構(gòu)圖8 0 第7 頁麩1 2 3 耍 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 5 2 2 ：基丁二理想信道響應(yīng)的三種預測方案的性能比較 5 2 3 ：在1 0 d b 信噪比環(huán)境下基于信道估計的三種預測方案的性能比較 5 2 - 4 ：在3 0 d b 信噪比環(huán)境下基于信道估計的三種預測方案的性能比較 5 2 5 ：預測階數(shù)與預測性能的關(guān)系 52 6 ：預測步長與預測性能的關(guān)系 5 2 7 ：抽樣時間間隔對預測性能的影響 5 2 _ 8 ：基于w a l s h 變換的信道預測算法的鏈路結(jié)構(gòu)框圖 5 2 9 ：采用w a l s h 變換的預測算法性能示意圖 5 2 1 0 ：多徑分量的預測性能比較 5 2 1 1 ：單徑情況中預測階數(shù)與預測性能的關(guān)系 5 2 1 2 ：不同信噪比情況下單徑的預測步眭性能 5 2 - 1 3 ：不同抽樣速率情況下的預測步長性能， 5 3 1 ：兩種預測算法在_ i 同預測階數(shù)下的預測性能比較 53 2 ：兩種預測算法在不同預測步長情況下的性能比較 第8 頁共1 2 3 頁 斛踮盯鴝孵如”卯鰓鰓腫圖圖圖圖圖圖圖圈圖圖圖圖圖圖 移動通信系統(tǒng)中信道預摜4 研究 表目錄 表4 1 1 ：信道環(huán)境參數(shù) 表4 3 1 ：m m s e 算法在不同預測階數(shù)情況下的性能 表5 2 1 ：仿真中的系統(tǒng)仿真參數(shù) 表5 2 2 ：相關(guān)信道仿真參數(shù)， 表5 2 3 ：在1 0 d b 和3 0 d b 信噪比情況中三種方案的性能結(jié)果 第9 頁共1 2 3 頁 5 0 5 8 8 2 8 2 8 6 獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 本人聲明所里交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知， 除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研 究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同 j 作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與旌料羞有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。 本人簽名：! 燃日期： 姣6 2 ) i - ! 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學位論文作者完全了解北京郵電大學有關(guān)保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀 學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學。學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu) 送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱；學?？梢怨紝W位論文的全部或部 分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。( 保密的學位論文 在解密后遵守此規(guī)定) 保密論文注釋：本學位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書。非保密論文注 釋：本學位論文 本人簽名： 導師簽名： 本授權(quán)書。 日期： 日期： 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 1 1 移動通信概述 第一章概述 隨著以通信技術(shù)和計算機技術(shù)為標志的高科技的發(fā)展，人們的生活發(fā)生了日新月 異的巨大變化，人與人之間的信息傳遞越來越密切、方式也越來越多樣化，社會進入 了“信息社會”。 傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)只是針對話音業(yè)務(wù)和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而在“信息社會”，圖 像、話音、數(shù)據(jù)相結(jié)合的多媒體業(yè)務(wù)和高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量將遠遠超過傳統(tǒng)的業(yè) 務(wù)。寬帶i s d n 將成為陸地公共網(wǎng)的主干網(wǎng)，成為“信息高速公路”的載體。美國學 者認為，在美國“信息高速公路”的建成，其影響和效益也遠遠超過美國5 0 年代建 成的“汽車高速公路”。蜂窩移動通信的發(fā)展給用戶帶來極大的便利，可以說，世界 通信業(yè)的發(fā)展從來沒有像目前蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展那樣最受人矚目、那樣高速發(fā) 展、競爭那么激烈。 第一、第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)是針對傳統(tǒng)的話音和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)，而 束來的“信息社會”，圖像、話音、數(shù)據(jù)相結(jié)合的多媒體業(yè)務(wù)和高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè) 務(wù)量將遠遠超過傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)量，所以第一、第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)不僅遠遠不能滿 足未來用戶的業(yè)務(wù)需求，而且隨著用戶數(shù)量迅猛增加，現(xiàn)在的系統(tǒng)也遠遠不能滿足用 戶的容量發(fā)展需要。另外，隨著“信息高速公路”的建成，公共陸地網(wǎng)傳輸?shù)脑S多業(yè) 務(wù)，也必將與移動通信系統(tǒng)接口。 第三代移動通信系統(tǒng)在第二代通信系統(tǒng)的數(shù)字處理基礎(chǔ)上采用c d m a 技術(shù)，提供 更大的系統(tǒng)容量和更靈活的高速率、多速率的數(shù)據(jù)傳輸，除了話音和數(shù)據(jù)傳輸外，還 可以傳送高達2 m b p s 的高質(zhì)量圖像，使得多媒體業(yè)務(wù)的實現(xiàn)成為可能。超3 代或者 第四代移動通信系統(tǒng)采用大量的自適應(yīng)技術(shù)，要求在1 0 0 m h z 的信道帶寬中提供高達 i g h z 的下行高速數(shù)據(jù)傳輸和至少1 0 m h z 的上行數(shù)據(jù)傳輸，為滿足用戶的需要提供 了一個業(yè)務(wù)更加豐富、配置更加靈活的平臺。 1 2 移動通信系統(tǒng)的發(fā)展 第一代移動蜂窩通信系統(tǒng) 2 】 3 】基于模擬的處理技術(shù)，所以也稱為模擬蜂窩通信系 統(tǒng)。此系統(tǒng)在上個世紀八十年代初期進入商用，其主要業(yè)務(wù)是話音業(yè)務(wù)。此系統(tǒng)為移 動通信系統(tǒng)引入一個新的蜂窩式框架結(jié)構(gòu)，而且為了提高資源使用的有效性提出了頻 分復用的思想，支持用戶在不同蜂窩之間的漫游。此系統(tǒng)采用頻分多址( f d m a ) 的 第1 頁共1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 技術(shù)保證用戶的正常接入。最典型的系統(tǒng)是美國的a m p s 系統(tǒng)( 高級移動電話系統(tǒng)) 。 隨著移動通信慢慢地進入到人們的日常生活，最初的模擬系統(tǒng)遠不能提供足夠的 容量保證越來越到的用戶接入。第二代移動通信系統(tǒng)應(yīng)運而生，其采用數(shù)字方式進行 信號處理，系統(tǒng)也從原先的模擬系統(tǒng)變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)，其業(yè)務(wù)仍以語音為主，輔助提供 些低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此系統(tǒng)在八十年代后期開始商用，典型系統(tǒng)有歐洲的g s m 系統(tǒng)和美國的d a m p s 和i s 一9 5 系統(tǒng)。g s m 系統(tǒng)引入時分復用( t d m ) 的思想，在 實現(xiàn)時采用機卡分離的方式，使用用戶識別模塊( s 蹦) 來記錄用戶的系統(tǒng)。g s m 系統(tǒng)仍舊采用頻分接入。數(shù)字a m p s 系統(tǒng)是從a m p s 系統(tǒng)演變過來，在原先的頻分 復用基礎(chǔ)上引入時分復用的技術(shù)來擴大系統(tǒng)容量，信號處理采用數(shù)字技術(shù)。i s 9 5 系 統(tǒng)是個窄帶的c d m a 系統(tǒng)，與上面兩系統(tǒng)的巨大不同就是它采用的是碼分多址 ( c d m a ) 的技術(shù)，通過正交的碼組來區(qū)分不同的用戶。由于其帶寬為1 2 5 m h z ，為 了相區(qū)別于第三代通信系統(tǒng)通常稱之為窄帶c d m a 系統(tǒng)。 在第二代移動通信系統(tǒng)商用過程中，由于用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增加以及其系統(tǒng) 本身具有容量擴展的空間，系統(tǒng)可以在原先的網(wǎng)絡(luò)和硬件基礎(chǔ)上進行軟件升級，采用 一些資源分配的算法提供幾十k b p s 甚至一百多k p b s 的數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)。此時我們稱 升級的系統(tǒng)為2 5 代移動通信系統(tǒng)，在一定程度上它已經(jīng)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與移動系統(tǒng)的互 相通信。 第三代移動通信系統(tǒng) 4 1 1 5 提出時，其最重要的一個特征就是在傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上 進一步提供高速的多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此相對于第二代系統(tǒng)而言3 g 系統(tǒng)是一個全新 的系統(tǒng)，主要包括歐洲的w c d m a 系統(tǒng)、美國的c d m a 2 0 0 0 系統(tǒng)以及中國的 t d s c d m a 系統(tǒng)。這三個系統(tǒng)都采用碼分多址技術(shù)接入用戶，能夠支持蜂窩之間的 軟硬切換，系統(tǒng)容量大大增加。這三種制式系統(tǒng)不同的是，w c d m a 系統(tǒng)是從g s m 演變過來的，在r c a l s e 9 9 版本中沿襲了g s m 的電路交換格式的核心網(wǎng)，所以歐洲足 此制式的強力支持者；c d m a 2 0 0 0 系統(tǒng)是一種多載波( m u l t i c a r d e r ) c d m a 系統(tǒng)，在5 m h z 帶寬情況下由三個1 2 8 m h z 帶寬的子載波構(gòu)成，每個單獨的子載波可以從窄帶c d m a 系統(tǒng)演變過來，這保證了系統(tǒng)過渡的平滑性。t d - s c d m a 系統(tǒng)是唯一的一個時分多 址系統(tǒng)，帶寬為1 6 m h z ，采用了大量的新技術(shù)如聯(lián)合檢測、智能天線技術(shù)等，具有 很高的頻譜利用率，而且還可以通過載波復用的方式進行擴展，進一步提高系統(tǒng)的容 量。另外，t d s c d m a 系統(tǒng)具有與w c d m a 系統(tǒng)比較類似的m a c 層和網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)， 便于從現(xiàn)有的g s m 系統(tǒng)演變過來。 第三代移動通信系統(tǒng)中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系統(tǒng)已經(jīng)在全球得到商用，對當 前運營的情況來看各個系統(tǒng)各有其特點，但總的說來，第三代通信系統(tǒng)具有第二代不 第2 頁共1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 可比擬的優(yōu)勢：固有的抗多徑衰落能力，可以運用話音激活技術(shù)增加系統(tǒng)的容量、減 少傳輸功率，具有軟切換和軟容量的特性，系統(tǒng)的容量大，保密性好并且組網(wǎng)簡單等。 第三代無線通信系統(tǒng)為用戶的需求提供了一個很好的平臺，但由于其載波頻率以 及有限的帶寬仍舊不能滿足用戶對業(yè)務(wù)的快速發(fā)展的需求，提高系統(tǒng)的容量成為研發(fā) 人員面臨的新的問題。對3 g 系統(tǒng)的升級或者重新設(shè)計第四代移動通信系統(tǒng)成為3 g 以后系統(tǒng)發(fā)展的麗種途徑。 商速下行數(shù)據(jù)包接入( h s d p a ) 系統(tǒng)在3 g 的基礎(chǔ)上進行擴展，增加了一個高速 f 行共享信道( h s d s c h ) ，采用一些自適應(yīng)和多天線技術(shù)為用戶提供高達1 0 m b p s 的數(shù)據(jù)速率。對稱地，高速上行數(shù)據(jù)包接入( h s u p a ) 系統(tǒng)在上行鏈路增加了高速 上行信道，通過自適應(yīng)技術(shù)和多天線的分集增益提高上行鏈路的傳輸速率。但對第四 代移動通信系統(tǒng)來說，系統(tǒng)重新設(shè)計接入方案、系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，在新的載波頻率分配更 寬的帶寬來支持4 g 系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)速率。在當前的4 g 研究 2 1 1 3 1 e 尹，研究者還需 要克服很多的挑戰(zhàn)，一方面就是在底層尋求更好的自適應(yīng)技術(shù)來保證系統(tǒng)的鏈路- 陛 能，一方面不斷地提高用戶端和業(yè)務(wù)提供商兩端的業(yè)務(wù)質(zhì)量( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，還 有方面在網(wǎng)絡(luò)層研究分布式計算、移動代理以及支持高速的多媒體業(yè)務(wù)等。 1 3 信道預測 1 。3 1 移動傳播信道 在無線的實際傳播環(huán)境中，存在兩種類型的衰落變化：大尺度衰落和小尺度衰落。 一般情況下，大尺度衰落反映了某個位置接收到的信號平均功率的變化，主要由發(fā)送 端與接收端的距離以及傳播環(huán)境中大型物體的陰影衰落影響決定的，反映了接收信號 的宏觀變化；小尺度衰落則反映了區(qū)域中某點接收到的信道功率的瞬間變化，主要與 移動臺的周圍環(huán)境以及移動速度有著密切關(guān)系，反映了接收信號的微觀變化。 在無線通信系統(tǒng)中，接收到的信號通常經(jīng)歷較大的功率波動 1 4 1 5 ( 如圖1 3 1 所 示) ，這種波動主要由多徑傳播和多普勒頻移引起的。多徑傳播中，不同相位的信。 3 - 波形到達接收端，如果波形同相疊加后產(chǎn)生具有積極作用的峰值，如果波形反相疊加 后則產(chǎn)生了破壞性的深衰落。如果全部延時成份在一個小的符號時延內(nèi)到達接收端， 則認為信道經(jīng)歷頻率非選擇性衰落即平坦衰落，這常在窄帶信號中出現(xiàn)。但在寬帶傳 輸中多徑時延與符號間隔具有可比性，或者遠超過符號間隔，那么此時信道經(jīng)歷頻率 選擇性衰落，接收端需要采取一些措施來處理接收到的信號。除多徑效應(yīng)之外當接 第3 頁共1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 收器、發(fā)射器和或散射體在移動的時候，多普勒頻率偏移也導致接收到的信號快速 變化。當移動設(shè)備在單位時間內(nèi)經(jīng)過多次衰落，該信道常常稱為快衰信道，反之則稱 為慢衰信道。較快的車載速度和較大的載頻都會加快衰落信道的變化。 圈1 3 - l ：典型的衰落信遒 一個著名的描述不存在視距傳播( l o s ) 的平坦衰落信道特性時的統(tǒng)計模型是 r a y l e i g h 衰落分布，其衰落系數(shù)被建模為復高斯隨機變量【1 4 【1 5 】。在計算機仿真中 確定性的j a k e s 模型【14 是個標準模型。若使用j a k e s 模型，r a y l e i g h 衰落信道的多 普勒頻譜可由少數(shù)正弦曲線( 通常少于9 條) 的疊加進行準確評估。改進的j a k e s 和 c l a r k e 信道模型是統(tǒng)計型的模型，能夠比較準確地反映信道的一些特性，在后面的分 析中我們將比較這幾個模型，以便于在信道估計和預測中選擇更合適的信道模型。 1 3 2 自適應(yīng)傳輸技術(shù) 不管是3 g 系統(tǒng)、3 5 g 系統(tǒng)，還是未來的4 g 系統(tǒng)為了支持高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都大 量地采用了自適應(yīng)傳輸技術(shù)，比如自適應(yīng)功率控制( p o w e rc o n t r 0 1 ) 1 7 1 8 1 、自適 應(yīng)調(diào)制( a m ) 6 】【7 【1 9 【2 0 【2 l 】【2 2 、混合自動請求重傳( h a r q ) 【2 4 、自適應(yīng)編碼 技術(shù)( a c s ) f 2 3 】f 2 4 】以及數(shù)據(jù)包調(diào)度1 2 4 等。這些島適應(yīng)傳輸系統(tǒng)改變了星座圖的大 小、符號率、編碼率、發(fā)射機功率水平、傳輸天線的權(quán)值或即時監(jiān)視信道狀況所得這 些參數(shù)的任意組合。通過利用無線衰落信道的時間變化特性，所有這些自適應(yīng)系統(tǒng)將 更有效地利用功率和頻譜去實現(xiàn)高比特速率的傳輸能力，此時系統(tǒng)還具有較好的誤碼 率( b e r ) 性能，由此可以預見自適應(yīng)傳輸方法在3 g 和4 g 的通信系統(tǒng)中將會得到 第4 頁共1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 更充分的利用 3 2 】。 此外，天線陣列系統(tǒng)的自適應(yīng)傳輸也吸引了研究員們的注意。天線分集陣列要求 在發(fā)射機和或接收機許多天線單元具有足夠間隔的放置，與時問分集和頻率分集技 術(shù)一樣，通過完整地或部分地分辯許多相關(guān)衰落信道來幫助抵抗衰落。因為這些信道 同時經(jīng)歷深衰落的概率很小，在接收端對多條支路合并來獲得更高的平均接收s n r 。 當前很多研究關(guān)注下行鏈路的發(fā)射機分集技術(shù)，這主要因為基站由于處理能力強大可 以支持多天線系統(tǒng)，而移動終端由于尺寸和重量的限制多采用單天線。在采用自適應(yīng) 傳輸分集方法時，通常要求接收機定時向發(fā)射機進行信道信息反饋，這樣可以獲得比 沒有采用自適應(yīng)技術(shù)更好的性能( 見 2 6 ) 。例如，采用發(fā)射機自適應(yīng)矩陣方法( t x a a ) 的方法 2 6 等效于在接收機對信號進行最大比合并( m r c ) ，空時分集處理( s t d ) 系 統(tǒng) 2 7 1 的匹配接收矩陣可以獲得選擇分集的性能。 為了在實際中實行自適應(yīng)傳輸方法，發(fā)射機必須獲得信道狀態(tài)信息( c s i ) 。c s i 可以由接收機估計再經(jīng)由一個反饋信道送到發(fā)射機，這就要求在采用自適應(yīng)傳輸方法 時考慮反饋時延和開銷、處理時延和實際調(diào)制、編碼和或天線陣列速率等的因索。 對于慢衰落信道( 步行或慢速行駛的車輛情況) ，接收端估計得到的c s i 對于可靠的自 適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)足夠了。然而，對于高速移動導致的快衰落而言，甚至小的時延將 會引起性能的深衰落，這是因為大多普勒頻移通常會導致估計得到的信道信息與當前 傳輸信道狀況不相同，從而引起了信道變化 6 】 8 【9 】。為了實現(xiàn)自適應(yīng)傳輸方法的潛 在性這些信道變化量必須至少每隔幾個毫秒可靠地估計一次，或者向前估計幾十到 幾百個數(shù)據(jù)符號。 此處我們舉一例說明自適應(yīng)傳輸中大尺度信道預測的重要性，也就是將來c s i 的 正確知曉對實現(xiàn)自適應(yīng)傳輸?shù)臐摿?。考慮s t d 已經(jīng)在第三代w c d m a 系統(tǒng)中得到應(yīng) 用。w c d m a 在全球能實行的主要特征之一是它的高載頻2 g h z ，然而高載頻在中等 的車行速度下造成非常大的多普勒頻移( 例如，1 2 0 公里小時相當于 。= 2 2 0 i - t z ) ，這 造成衰落信道系數(shù)在短時間內(nèi)發(fā)生重大的變化。因此，反饋回發(fā)射機的過時的信道估 計對自適應(yīng)發(fā)射信號來說不夠準確，而大尺度衰落預測能力則顯得更加重要。例如， 在圖1 3 - 2 中我們比較有無信道預測情況下s t d 方案的誤碼率性能，此時s t d 方案 采用兩個發(fā)射天線。由于天線相隔較遠，從天線發(fā)射的信號經(jīng)歷了獨立平坦的 r a y l e i 曲衰落在接收端系統(tǒng)選擇接收功率最強的天線然后通過反饋比特告訴發(fā)射 機決定了下一時隙( 1 6 k h z 平滑變換) 或下四個時隙( 4 0 0 h z 平滑變換) 將要發(fā)射的天 線。對于沒有預測的s t d ，該比特是基于上一時隙接收到的導頻符號功率。當使用 大尺度預測的時候，以1 6 k h z 速率收集到的以前的導頻符號被用來預測下變換間 第5 頁拭1 2 3 頁 移動通信系統(tǒng)中信道預測研究 隔內(nèi)的平均信道功率，這些預測功率為天線選擇提供了必要的未來信道響應(yīng)值。結(jié)果 表明，當使用大尺度線性預測算法時快速的車栽速度能獲得相當大的性能增益( 此處 大約4 d b ) 。 圖1 3 - 2 ：使用大尺度信道預測的選擇發(fā)射機分集系統(tǒng)的性能改進 1 3 3 信道預測研究狀況 估計當前衰落環(huán)境所遇到的相關(guān)問題已經(jīng)得到充分的研究，不管是在頻率非選擇 性衰落信道，還是物體高速移動的頻率選擇性信道中，但對未來衰落系數(shù)的估計或者 預測至今還沒有完全解決。 我們這里介紹一些當前討論比較多的的信道預測方法。在 3 8 】( 4 4 中，一個采用 予空