??? 摘? 要: 為了克服接收機(jī)快速運(yùn)動造成的深度衰落,將分形理論引入多徑衰落信道的研究中,利用WCDMA中信道復(fù)用的特點,結(jié)合衰落信道具有服從Raleigh和Rice分布的特性,提出適用WCDMA信道的分形插值估計方法。通過仿真結(jié)果可知,與傳統(tǒng)信道估計算法比較,在接收機(jī)不同運(yùn)動速度下,尤其在高速運(yùn)動時,信道參數(shù)估計的精度有所改善,滿足WCDMA支持高速運(yùn)動的特點。?
????關(guān)鍵詞: 信道估計;WCDMA;分形;插值;統(tǒng)計
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??? 無線信道制約著移動通信系統(tǒng)的性能,而電波傳播環(huán)境的復(fù)雜性及電波傳播的多樣性決定了無線信道的隨機(jī)性和時變性。采用WCDMA技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng),要求支持移動臺高達(dá)500km/h的高速運(yùn)動,同時要求克服多徑信道的快速衰落及深度衰落,利用WCDMA中上、下行鏈路的導(dǎo)頻碼對信道參數(shù)進(jìn)行估計,能克服此問題,從而準(zhǔn)確接收信號。?
??? 根據(jù)導(dǎo)頻段信道參數(shù)的估計值對數(shù)據(jù)段信道進(jìn)行估計,傳統(tǒng)的算法有線性內(nèi)插法[1-2]和自適應(yīng)濾波法[3],但對高速多徑信道,準(zhǔn)確度較差。參考文獻(xiàn)[4]運(yùn)用分形理論研究復(fù)雜地形及表面環(huán)境中的無線電波傳播,指出了電波傳播的分形特性。參考文獻(xiàn)[5]從多徑衰落信號產(chǎn)生的動力學(xué)機(jī)制出發(fā),分析了多徑衰落信號的分形特性。參考文獻(xiàn)[6]從非線性科學(xué)的角度出發(fā)建立了多徑信道的分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動模型。這些研究結(jié)論開辟了研究無線信道的新方法。?
??? 本文結(jié)合無線信道的統(tǒng)計特性,提出一種適用于WCDMA信道的基于分形插值的信道估計方法,有效地提高了衰落信道參數(shù)估計的準(zhǔn)確度,從而改善了接收機(jī)的性能。?
1 系統(tǒng)模型及信道估計問題?
??? 在第三代移動通信空中接口標(biāo)準(zhǔn)WCDMA中,上、下行鏈路的導(dǎo)頻碼的安排是相似的。以下行鏈路為例,數(shù)據(jù)的傳輸以時隙為單元,每個時隙的時間為0.667ms,每15個時隙組成一幀,每個時隙包含NP個導(dǎo)頻碼和Nd個數(shù)據(jù)碼,如圖1所示。?
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??? 接收端接收的信號經(jīng)匹配濾波器解擴(kuò)后,分為通過不同路徑傳播的基帶信號。多徑傳輸使得信號具有不同的增益和相位變化,用信道估計器估計出的信道參數(shù)復(fù)共軛乘以時隙中數(shù)據(jù)符號并與其他路徑的信號進(jìn)行最大比合并,合并輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過解交織即軟判決維特比譯碼恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)。?
??? 假設(shè)在匹配濾波器中,每徑的相關(guān)器理想同步于相應(yīng)徑的時延,在第l徑分支中,接收信號經(jīng)過相關(guān)解擴(kuò)后所得的第n個時隙第m個符號位置上的輸出為:?
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式中:d(m,n)是第n個時隙第m個發(fā)送符號;al(m,n)是第l徑第n個時隙第m個符號信道衰落參數(shù);wl(m,n)為背景噪聲和干擾造成的0均值復(fù)加性高斯白噪聲的采樣。設(shè)導(dǎo)頻符號d(m,n)(m=0,1,…,NP-1)等于復(fù)定值dP,這樣首先利用第n個時隙NP個導(dǎo)頻符號所得到的導(dǎo)頻段瞬時信道估計值為:?
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式中:m=0,1,…,NP-1,第l徑第n個時隙數(shù)據(jù)段的信道可根據(jù)上述導(dǎo)頻段瞬時信道估計值通過某種內(nèi)插算法得到。?
2 結(jié)合統(tǒng)計特性的分形插值信道估計?
??? 無線電波信號在移動通信中的傳播是一個復(fù)雜的過程,顯現(xiàn)出極復(fù)雜的不規(guī)則性和較強(qiáng)的非線性。R.H.Clarke的經(jīng)典散射模型認(rèn)為多徑信號幅度衰落的概率分布服從Raleigh和Rice分布。參考文獻(xiàn)[4-6]指出多徑衰落信號具有分形特征。利用分?jǐn)?shù)維布朗運(yùn)動建立模型描述無線信道,其Hurst指數(shù)H與分形維數(shù)D之間具有下列關(guān)系:?
??? D=2-H?????????????????????????????????????????????????????? (3)?
??? 將信道衰減系數(shù)BH(t)作為一分?jǐn)?shù)維布朗運(yùn)動。已知相鄰導(dǎo)頻段信道衰減系數(shù)BH(t0)、BH(t1),利用逐次隨機(jī)累加模型,按照下式構(gòu)造兩點的中點?
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式中:Δ1是均值為0、方差為σ12的高斯隨機(jī)變量。同理,為新的端點可以擬合BH,進(jìn)行第2層迭代。由分形理論可依此類推,在第n層迭代中,Δn的方差為:?
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??? 多徑衰落是由于周圍環(huán)境對發(fā)射信號綜合作用的結(jié)果,蘊(yùn)含著大量移動信道的信息,不同的環(huán)境和移動速度具有不同的傳播特性,接收信號的強(qiáng)度也表現(xiàn)出不同的變化趨勢。因此,分形維數(shù)體現(xiàn)出傳播環(huán)境對接收信號強(qiáng)度的影響,其值越大,表明信道衰落變化越快,越復(fù)雜。另一方面,幅度衰落的方差σ2量化表示信道衰減的深度,其值越大,表明信道衰減變化越深,越劇烈。?
??? WCDMA系統(tǒng)支持可變速率的傳輸方式,時隙中數(shù)據(jù)的符號個數(shù)可變,而上述分形內(nèi)插的點數(shù)只能是2n-1,線性插值不適合對具有分形特性的無線信道非1/2點進(jìn)行插值。此時利用多徑信道在一般條件下服從Raleigh或Rice分布的先驗條件,采用式(6)對非1/2點進(jìn)行插值。?
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式中,tl
??? 結(jié)合無線信道的統(tǒng)計特性基于分形插值的信道估計方法可以分下列3步完成。?
??? (1) 確定兩端點的值?
??? 第n個時隙導(dǎo)頻段瞬時信道估計值的均值為:?
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??? (2)采用隨機(jī)累加模型對1/2點進(jìn)行分形插值?
??? 根據(jù)以上分析,可以按照(10)式計算兩者中點進(jìn)行第一層插值:?
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式中,Δ1是均值為0、方差為σ12的高斯隨機(jī)變量;[ ]為取整運(yùn)算。依次類推,總共進(jìn)行N=[log2(Nd)]層插值,各層的方差σn2如式(7)。?
??? (3)利用統(tǒng)計特性進(jìn)行非1/2點插值?
??? 利用無線信道衰落在一般情況下服從Raleigh和Rice分布這一先驗條件對非1/2點進(jìn)行插值,如下式:?
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式中,服從Raleigh和Rice分布的隨機(jī)變量。?
3 仿真結(jié)果及分析?
??? 在Matlab中進(jìn)行算法仿真。根據(jù)WCDMA標(biāo)準(zhǔn),信號的調(diào)制方式為QPSK,碼率為3.84Mb/s。本文以Raleigh衰落信道模型建立信道,Rake合并徑數(shù)為6。信號傳輸速率為120kb/s,導(dǎo)頻長度Np=7,數(shù)據(jù)碼長度Nd=33。仿真時假設(shè)在接收端碼片、符號及幀已經(jīng)同步。?
??? 圖2示出fd=30Hz(載頻為2GHz時對應(yīng)于移動速度16.2km/h)時分別應(yīng)用基于區(qū)間平均[1]、多時隙加權(quán)[2]基本問題給出的結(jié)合統(tǒng)計特性和基于分形插值信道估計方法得到的不同信噪比下信道參數(shù)估計誤碼率曲線。從圖可看出,相對另外兩種傳統(tǒng)方法,本文提出的方法能更準(zhǔn)確地估計出信道的參數(shù),而且信噪比越大,誤碼率越低。?
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??? 圖3示出fd=500Hz(移動速度270km/h)時三種方法得到的不同信噪比的下信道參數(shù)估計誤差曲線。從圖可看出,在移動臺高速運(yùn)動時,采用兩種傳統(tǒng)方法,誤碼率高且隨著信噪比提高,估計精度也沒有明顯地改善。采用本文提出的方法隨著信噪比增大,估計精度也得到有效的改善,在信噪比大于7dB時,誤碼率已低于10-2。?
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??? 在分析多徑衰落信道的分形特性的基礎(chǔ)上,本文提出適用于WCDMA信道的分形插值估計算法,結(jié)合信道符合Raleigh和Rice分布的先驗條件,可實現(xiàn)對任意速率的信道估計。在充分分析無線信道的分形特性并考慮信道的統(tǒng)計特性基礎(chǔ)上,從仿真結(jié)果可看出,本算法不但改進(jìn)了快衰落的信道估計精度,而且對于高速運(yùn)動的接收機(jī)性能有顯著的改善。保證在不同的傳播環(huán)境中,及時有效地跟蹤信道的變化,擴(kuò)展了接收機(jī)正常工作運(yùn)動速度的范圍。?
參考文獻(xiàn)?
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