时变信道

通信名词

移动无线信道的主要特征是信道强度关于时间和频率的变化。时变信道分为慢衰落信道和快衰落信道。多径时延扩展造成的频率选择性衰落和多普勒频移造成的时间选择性衰落。接收机采用相干检测，需要进行信道估计，获得信道状态信息而接收数据信息。

背景

无线通信利用电磁波在空气中传播信号，这与传统的有限传输（如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等）环境有很大的区别，电磁波的传播过程相对要复杂的多，传播特性也相对比较差。发送机发出信号，经过调制后在空间传播到达接收机。在这个过程中信号不仅会随着传播距离的增加而发生损耗，而且会受到多种障碍物或者复杂地形的影响引起“阴影衰落”，并且信号会经过多点反射、折射和散射，形成多条路径分量到达接收机，它们相互叠加，可能使信号减弱或增强。因此，接收到的信号幅度将发生急剧变化，即发生严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。在高载频和高速移动环境下的无线通信，发射机和接收机和周围环境物体之一或全部都在快速运动，由于多普勒扩展的增大而导致信道的相干时间减小，造成信号的持续时间大于信道的相干时间，无线信道逐渐演变成由多径时延扩展造成的频率选择性衰落和多普勒频移造成的时间选择性衰落共同影响的时间-频率双选择性衰落信道，即时变信道。在时变信道中，每一条传输路径上的信道冲激响应是随时间快速变化的。

基本原理

时变信道的基本原理内容如下：

移动无线信道的主要特征是信道强度关于时间和频率的变化，这种变化的分类如图1所示。

1.大尺度衰落

由于在大范围内移动而引起的平均信号能量的减少，当移动台运动的距离与小区尺寸相当时，就会出现通常与频率无关的大尺度衰落。大尺度衰落可以看作为信号小尺度衰落的空间平均。

（1）路径损耗

信号的平均能量随传播距离增加而耗散，衰减系数介于2（理论值）到5.5之间。

（2）阴影衰落

由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波的遮蔽引起的。在均值的基础上引起幅度变化，服从对数正态分布。

2.小尺度衰落

小尺度衰落是指由多径效应引起的信号幅值、相位的动态变化，这种变化是由于收发端之间空间位置的微小变化引起的。由于空间中存在折射、散射、反射、绕射等机制，发射信号可能要经过多个路径才能到达接收端，从而会引起多径衰落和闪烁。影响小尺度衰落的因素包括：

（1）多径传播。移动台（MS）接收到的信号是来自多个途径信号的叠加，多径信号具有随机分布的幅度、相位和入射角度。而多径信号的在接收天线处进行合并，由于相位抵消会产生衰落。

（2）移动台的运动速度。在MS高速移动的情形下或者多径环境迅速变化时，会产生多普勒效应。

（3）环境物体的运动速度。假如环境物体运动速度大于移动台的运动速度，则该运动会对小尺度衰落起决定性作用。不然的话，可以仅仅考虑MS运动速度的影响。

（4）信号的传输带宽。假如多径信道带宽小于信号的传输带宽，接收信号将会失真，而接收信号的强度衰落很小。

定义最大时延扩展στ，其倒数定义为相干带宽Bcoh（功率谱的第一零点带宽），定义σD为多普勒扩展，定义Tcoh为相干时间，定义TS为发射码元间隔，定义BS为发射基带信号带宽，则小尺度衰落具体的划分如图2所示。从时域和频域角度，小尺度衰落呈现为对偶机制，如图3所示。

小尺度衰落总的来说可以表现为以下两种机制：信道的时变特性与信号的时延扩展。假如存在大量的反射路径却没有视距信号分量，则将这样的小尺度衰落称之为瑞利衰落，其接收信号的包络采用瑞利概率密度函数进行统计描述：假如存在视距，则接收信号的包络为莱斯分布。一般情况下，多径衰落的幅度是服从瑞利分布。

3.时间-频率双选择性衰落

时间-频率双选择衰落包含了由多普勒频移引发的时间选择性衰落和由时延扩展造成的频率选择性衰落。

3.1时间选择性衰落

信道波动的时间尺度是一个非常重要的信道参数，而多普勒频移是指由于移动台和基站之间的相对移动引发频率的偏移。多个散射路径来自不一样的方向，从而造成了不一样的多普勒频移，形成多普勒扩展。多普勒频移fd如下形式表示：

fd(t)=(v/λ)cosθ=( v fc /c)cosθ(t)

其中v为移动台的运动速度，λ为多径波的波长，θ为多径波在接收机的入射角，c为光速，fc为载波频率。多普勒频移随着θ的变化而变化，当移动台以一定的速度运动，则最大多普勒表示为：

fmax=v fc/c

定义归一化多普勒频移为：

ξ= fmaxTs

其中Ts为发射信号的码元间隔，即在OFDM系统中，代表一个OFDM符号的持续时间。

多普勒频移使得信号在频移发生偏移，特别是在多径较多的环境中，由于接收多径信号θ的不同，从而引起频域谱的展宽。正是由于多普勒扩展的存在，造成信道条件在时域发生变化。除此之外，在传播环境中的散射体的运动也存在多普勒频移，引发信道在时间上的变化。所以，多普勒效应直接导致了信道的时间选择性衰落。

当基带信号的符号时间小于信道的相关时间时，在多个符号期间，可以认为信号所经历的衰落是相同的，称之为慢衰落（信道变化慢）；如果基带信号的符号时间远大于信道的相关时间，码元速率应该高于某个值。信号在同一符号时间内经历不同的衰落，不同的码片之间所经历的衰落是不同的，即为快衰落（信道变化快）。

3.2频率选择性衰落

在无线系统中另一个重要的通用参数时多径时延扩展στ，时延扩展是指由于多径效应，到达接收端的信号会存在时延的差异，则接收信号的脉冲信号的脉宽会得到扩展。表现为如下形式：

στ=max|τi-τj |

其中στ表示最大时延扩展，τi、τj分别表示最长路径和最短路径。对应的信道的相干带宽为：

Bcoh=1/στ

如果发送信号带宽Bs大于相干带宽Bcoh，则零点处会出现深衰落，即为频率选择性衰落。此时的发送信号经过频率的衰减，再加上时域的时延，从而导致接收信号失真，造成符号间干扰（ISI），需要尽量降低码元速率。否则，如果发送信号带宽Bs小于相干带宽Bcoh，此时的发送信号带宽大于信道的最大时延扩展，称之为平坦衰落。平坦衰落的接收信号的频谱结构不会发生变化，只是信号的幅度在时域范围内随着多径信道增益的变化而变化。

正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波调制技术，由于其抗多径ISI能力强，频谱利用率高并且接收机实现简单，目前已被许多通信标准广泛应用。

估计信道

4.时变信道的估计

信道估计的意义

OFDM系统的接收端的两种检测方式：相干检测和非相干检测。在实际应用中，为了保证高速的传输速率和高质量的性能，一般采用相干检测方法。通常的OFDM链路中，每一个子载波传输的数据经过编码后映射为MPSK或MQAM星座，在接收端需要获得每一个子载波处的信道响应来决定其最佳判决门限，信道的冲激响应通常由接收端的信道估计算法得到。因此，信道估计的准确度对OFDM通信系统的整体性能影响深远。

目前在高铁、轻轨、动车日益普及的背景下，信道的时变特性更加明显，在这种环境下，多普勒频移使得子载波间的正交性遭到破坏，除了引起ICI干扰外，载波恢复也会遇到困难。由于相干检测具有更好的误码性能，在高速无线通信中得到广泛应用。但是相干检测需要使用使得信息，要在接收端及时获得信道状态信息，必须对信道特性进行估计和跟踪。

信道估计定义

信道估计可定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行的一种研究，它可以用数学表达式来表示信道特征。为了简化，假设信道是线性的，那么信道估计的结果应该是估计系统信道的冲激响应值。在不同的场景下，周围环境的影响使得信道都会呈现出不同的衰落特性。为了保证接收端能够准确地恢复发送信号，在传输过程中采用信源和信道编码、均衡、多用户检测、分集接收等技术对接收信号在信道传输过程中产生的各种衰落进行了补偿。实现以上技术需要获得无限信道的信息，如信道的阶数、多普勒频移、多径时延或者信道的冲激响应等参数。这就需要在接收信息时，对信道的参数进行估计。估计的准确度越高，后续相关的技术实现也就越准确，OFDM系统整体的性能也会大幅度提高。因此，信道参数估计是衡量一个无线通信系统性能的重要指标。

信道估计方法的分类

信道估计技术的研究已经有很长时间了，技术也相对比较成熟。据信道估计方法实现时是否有反馈环路，是否需要已知信道信息分为三类：基于判决反馈的信道估计、盲或半盲信道估计和基于导频辅助的信道估计。

（1）基于判决反馈的信道估计

基于判决反馈信道估计方法的基本思想是：假定在两个OFDM信息符号的时间间隔内，信道是不变化的，即慢变信道的情况。发送数据前，系统首先发送一个接收端已知的OFDM训练符号，以获取CSI的初始值，作为解调下一个OFDM信息符号的CSI，并将该OFDM信息符号解码后的数据作为训练序列来重新估计CSI，并将它作用下一个OFDM的信道状态信息的CSI。

目前，基于判决反馈信道估计的方法主要有：利用低通滤波器滤波降噪的滤波器判决反馈（FDF）信道估计方法、利用最小均方误差准则的判决反馈信道估计方法、基于直接判决预测均衡的方法、利用前一个OFDM码字解码后的数据获得新的估计方法、采用奇异值分解的信道估计算法、利用傅里叶变化来降低复杂度的方法和为提高频谱利用率采用一步抽头反馈均衡的信道估计方法。

判决反馈方法由于传输数据中不需要导频符号，因此可以有效地提高系统的传输效率。该方法的主要缺点是：由于传输的过程中，噪声是不可避免的，当信道发生突发错误时，容易产生误差扩散，从而降低系统性能，甚至使系统瘫痪。由于判决反馈易产生误差扩散且耗时，而使用串行训练序列或导频符号必然占用一定的有效带宽，从而使系统的传输效率降低。尤其是在高速移动环境或时变信道的情况下，必须不停地发送导频或训练序列来更新CSI，则信道中数据的传输效率将大大下降。

（2）盲或半盲信道估计

盲信道估计方法不需要发送一个已知的训练序列，它只通过使用相应的信息处理技术识别信道，如数字信号的常模量、有限符号集、循环平稳、非高斯分布等特性。数据传输速率很高，但是由于它需要已知的信息很少，一般通过统计分析大量接收信号才能活得信道状态信息的估计值，而且要求信道特性在整个过程中不能发生变化。在高速移动的环境下，无线通信信道的时变性很突出，信道会出现时间选择性衰落和频率选择性衰落，所以要使用基于统计的盲信道估计算法获得准确的信道信息估计值比较困难。因此一般只适用于慢衰落信道和已知连续发送的情况。

目前比较实用的盲信道方法有三类：子空间信道估计法（有信号子空间、噪声子空间、线性预测分析等子类）、高阶累积量的信道估计、常模量算法和最大似然估计法。

为了克服盲信道估计中存在的不足，提出大量半盲信道估计方法。它是只采用少量的训练序列来进行估计，不但降低了复杂度，而且收敛的速度明显提高，在数据传输效率和收敛速度之间做一个折中，并且在高速数字信道中的传输速率也很高。

总的来说，目前半盲信道估计技术只适用于慢衰落信道和已知连续发送的情况，不能应用到高速移动环境中。

（3）基于导频辅助的信道估计

基于导频辅助的信道估计的基本思想是通过在发送信号中插入导频信息，在接收端通过相应的实现准则求出导频位置的信道信息，然后对导频位置的信道信息进行一些插值算法拟合出数据处的信道响应，进而求得总的信道信息估计值。

根据导频插入维数的情况，可以分为一维和二维导频；根据导频分布的形状，分为规律放置和随机放置导频；根据插入的导频符号是在IDFT之前还是之后，分为时域导频插入和频域导频插入法。

对于导频位置处的信道估计技术，成熟的方法有LS准则（基于测量值和实际值之间均方误差最小原则提出的估计准则）、MMSE估计准则（基于信道的二阶统计特性）、LMMSE算法（MMSE的改进算法）。以上方法主要是慢时变信道下的方法，如果系统处于快时变信道下，由于ICI的影响，上述方法估计出的信道参数应用到信号检测时会出现严重的误码平台。针对这个问题，有必要把ICI分量也估计出来。

总的来说，基于导频辅助的信道估计能够更好地跟踪无线信道的变化，提高接收机的性能，因此在传输速率较高的新一代OFDM无线通信系统中，通常使用导频辅助的信道估计。

综上，慢时变信道下（平坦衰落信道）的信道估计方法，主要包括三个方面，一是导频的合理设计，包括导频插入间隔的优化、导频插入结构等；二是导频处的频域信息的估计，现主要有三种估计准则：LS信道估计准则、MMSE信道估计准则和LMMSE信道估计准则；三是通过导频处的信道频域信息进行插值，从而恢复出整个系统的信道频域响应，现主要存在纤细插值算法、二次样条插值算法、基于DFT的时域插值算法和加窗的时域插值算法。

快时变信道下的信道估计方法，有LS估计器、LMMSE估计器，及迭代BLUE估计器。这些估计器利用了导频信息，信道的统计特性等，但没有利用接收端数据频域信息。

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