《電子技術應用》
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對流層散射多徑信道估計性能分析
來源：電子技術應用2011年第3期
劉 強1, 陳西宏1, 周 進2
1.空軍工程大學 導彈學院， 陜西 三原 713800; 2. 93321部隊， 遼寧 沈陽 110000
摘要： 針對對流層散射通信存在嚴重的多徑衰落的問題，分析了該多徑信道的快衰落和慢衰落特性，并將對多徑干擾有較好抑制作用的正交頻分復用技術引入該散射通信中，建立了基于OFDM技術的對流層散射多徑信道系統(tǒng)模型，對比分析并仿真了LS、LMMSE和基于DFT變換域法的信道估計算法下系統(tǒng)的誤碼性能，以及不同多徑數目下采用DFT變換域法的系統(tǒng)誤碼性能。仿真結果表明：基于DFT變換域法性能略優(yōu)于LMMSE算法，明顯優(yōu)于LS算法；在不同多徑數目條件下，為實現(xiàn)對流層散射信道的可靠通信，適當增加系統(tǒng)信噪比的同時，選擇相對較少多徑數目，有利于系統(tǒng)性能的提升。
中圖分類號: TN011.3
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)03-0094-04
Analysis on multi-path channel estimation in troposcatter communication
Liu Qiang1, Chen Xihong1, Zhou Jin2
1. Missile Institute of AFEU, Sanyuan 713800, China; 2. Troop No.93321 of PLA, Shenyang 110000, China
Abstract： As to the severe multi-path’s fading problem in troposcatter communication, it studied channels’ fast and slow fading characteristics and introduced orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) to the communication, which had the characteristic of combating fading in multi-path channels. It established the system model based on OFDM and studied error performances in different channel estimation algorithms contrastively, including LS, LMMSE and transform domain algorithm based on DFT. It also simulated error performances in different path number by taking DFT transform domain algorithm. The simulation results show that performances of DFT transform domain algorithm is better than LMMSE appreciably and LS obviously. In order to realize stable communication in troposcatter communication in different paths, choosing less number and higher the SNR will better the system performances.
Key words : troposcatter; multi-path; OFDM; transform domain


    對流層散射通信是利用對流層中大氣的不均勻性對超短波和短波的散射或反射作用來實現(xiàn)的一種超視距無線通信方式。該通信方式因傳輸容量大、單跳距離遠、保密性能優(yōu)越、抗毀性和抗干擾性強等特性成為軍事通信中不可或缺的一部分，特別是其不受太陽黑子、磁暴、極光、雷電等影響，在軍事通信中有著重要的戰(zhàn)略意義[1]。其主要缺點在于多徑散射信道下的信號傳輸損耗較大，衰落嚴重。多徑干擾成為影響該通信性能的主要因素之一，限制了其更廣泛的應用。而正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術[2]，因其較高的頻譜利用率和易于實現(xiàn)等特性而被廣泛應用，特別是其能有效消除多徑信道間干擾，在對流層散射通信中有著廣泛的應用前景。
    為分析多徑信道下對流層散射通信的性能，良好的信道估計是基礎，很多文獻對此進行了相關的研究和探討。參考文獻[3]對異步多用戶OFDM系統(tǒng)的多徑信道進行了半盲估計，參考文獻[4-6]分別就多輸入多輸出多徑信道中采用特征值分解的系統(tǒng)性能以及Ricean和Rayleigh信道下系統(tǒng)性能做了詳細的分析，參考文獻[7]分析了對流層散射通信中一種改進的SVD算法，一定程度上改善了系統(tǒng)性能。本文在上述文獻的基礎上，詳細分析了對流層散射信道特性，設計了采用OFDM技術的多徑散射信道系統(tǒng)模型，并對該條件下不同信道估計性能作了分析，對比仿真分析了不同算法和不同多徑數目下的誤碼性能，給出了結論。
1 對流層散射信道衰落特性
    由于對流層的不穩(wěn)定性，對流層散射信號電平隨時間而隨機變化，通信面臨嚴重的深度衰落影響。其衰落特性主要分為慢衰落和快衰落，其中慢衰落指短期信號電平在以晝夜、月、季和年以至數年為周期的長期變化，而快衰落指瞬時信號電平在幾分鐘到一小時的短期變化[1]。

1.2 快衰落
    對流層散射通信中，由多徑傳輸造成的信號快衰落是許多散射元相互干涉的結果，通過不同路徑到達接收端的信號的相位、幅度和時延均不相同，當傳輸時延差?駐?子比傳輸的基帶信號的持續(xù)時間T小得多時，多徑傳輸對接收信號的影響僅表現(xiàn)為平坦快衰落。
    當經過不同傳輸路徑到達接收端的信號支路數很大時，接收信號為一窄帶高斯過程，合成的信號包絡的概率分布服從Rayleigh分布，信號相位服從0~2π區(qū)間內的均勻分布。某一時間間隔內，信號瞬時振幅的概率密度函數p(V)和信號包絡的概率分布函數P(V)分別為：

其中V為信號電平，k2為信號電平的均方值?？焖ヂ涞乃ヂ渌俾孰S著時間、頻率、地理環(huán)境等條件的不同而顯著變化。
2 系統(tǒng)模型及信道估計算法
2.1 系統(tǒng)模型
    以OFDM技術為基礎來建立對流層散射多徑信道系統(tǒng)模型，模型簡圖如圖1所示，略去了詳細的OFDM信號處理過程，只列出了其關鍵步驟，其中CPI和CPD分別表示加入和刪除循環(huán)前綴CP(Cyclic Prefix)。

    信源信號經過映射、編碼等變換后，通過IFFT將信號調制到各個子載波上，插入足夠消除符號間干擾的CP后從發(fā)射天線發(fā)射出去。從發(fā)射端發(fā)射的信號經過對流層散射信道，經歷不同的路徑達到接收端，在接收端完成解調、譯碼等步驟處理。其中，經過FFT解調并刪除CP后對信號進行信道估計，以此來估計、分析多徑散射信道的特性。
2.2 信道估計算法
    設收端信號為Y=XH+N，X為發(fā)端導頻信號矩陣，H、N分別為信道矩陣和噪聲矩陣。在信道估計后，為消除碼間干擾，采用迫零均衡算法對系統(tǒng)進行均衡以補償傳輸信道特性和降低系統(tǒng)誤碼。
    針對信道估計問題，本文主要討論基于導頻的信道估計方法，分析LS和LMMSE信道估計算法，同時將基于變換域的信道估計算法引入本文，分析該算法下系統(tǒng)性能。
    設各徑信道為獨立的服從Rayleigh衰落分布的多徑散射信道，且各徑信道衰落服從快衰落分布，則LS信道估計算法[8]為：

    為進一步降低MMSE算法的復雜度，另外采用一種改進的MMSE信道估計方法即基于DFT的變換域（Transform Domain）法對信道進行估計，其核心思想是通過DFT將信道估計問題在變換域中進行處理，以減少系統(tǒng)估計的運算量，提高系統(tǒng)估計精度[10]。變換域法是一種將變換域中的值看作頻域信號的DFT，即與頻域信號的“頻域”對應的方法。下面分析基于DFT變換域的信道估計算法，其實現(xiàn)框圖如圖2所示[11]。

    接收端從導頻信號中估計出多徑信道特性HLS后，通過M點的DFT得到變換域的M點序列。在變換域中，


3 仿真分析
    對上述算法在對流層散射多徑信道中的性能分析，OFDM系統(tǒng)的參數設置如表1所示。

    對于各散射多徑信道的時延和Doppler頻移兩參數的設置，參考前期工程實際測量的數據，選取華北某地區(qū)一條300 km散射通信鏈路下的數據，其詳細值如表2所示。

    根據上述分析和設置，采用OFDM技術的對流層散射多徑系統(tǒng)，當多徑數目為3時，不同信道估計算法對應的誤碼率和均方誤差曲線分別如圖3和圖4所示。從圖中可知，基于DFT變換域的信道估計算法下的誤碼性能略優(yōu)于LMMSE算法，同時較大降低系統(tǒng)均方誤差。在誤碼率為10-3數量級時，基于DFT變換域算法優(yōu)于LS算法3 dB左右，優(yōu)于LMMSE算法約0.5 dB。

    針對對流層散射不同多徑數目條件下系統(tǒng)性能問題，本文采用基于DFT變換域的方法對系統(tǒng)進行仿真分析，其誤碼率和均方誤差曲線分別如圖5和圖6所示。

    從圖5、圖6中可知，由于不存在多徑間干擾，單徑時誤碼率和均方誤差均明顯優(yōu)于多徑情況；多徑情況下的均方誤差沒有明顯的差異，誤碼率隨著多徑數目的增加呈明顯上升趨勢，當多徑數目為7時高達10-2數量級，基本上不能滿足系統(tǒng)要求。
    本文針對對流層散射多徑信道的衰落特性，采用OFDM技術對該散射多徑信道進行了系統(tǒng)建模仿真，對比分析了不同信道估計算法下系統(tǒng)的誤碼性能和采用基于DFT變換域法的系統(tǒng)在不同多徑數目條件下的誤碼性能。仿真表明，基于DFT變換域算法的性能略優(yōu)于LMMSE算法，明顯優(yōu)于LS算法；在不同多徑數目條件下，為實現(xiàn)對流層散射信道的可靠通信，在適當地增加系統(tǒng)信噪比的同時，選擇相對較少多徑數目，有利于系統(tǒng)性能的提升。
參考文獻
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