基本介紹
- 中文名：時變信道
- 外文名：time varying channel
- 類型：通信名詞
背景,基本原理,估計信道,
背景
無線通信利用電磁波在空氣中傳播信號，這與傳統的有限傳輸（如架空明線、同軸電纜、光導纖維、波導等）環境有很大的區別，電磁波的傳播過程相對要複雜的多，傳播特性也相對比較差。傳送機發出信號，經過調製後在空間傳播到達接收機。在這個過程中信號不僅會隨著傳播距離的增加而發生損耗，而且會受到多種障礙物或者複雜地形的影響引起“陰影衰落”，並且信號會經過多點反射、折射和散射，形成多條路徑分量到達接收機，它們相互疊加，可能使信號減弱或增強。因此，接收到的信號幅度將發生急劇變化，即發生嚴重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率並增加干擾的影響，使得接收機的接收信號產生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統解調器輸出出現大量差錯，以至完全不能通信。在高載頻和高速移動環境下的無線通信，發射機和接收機和周圍環境物體之一或全部都在快速運動，由於都卜勒擴展的增大而導致信道的相干時間減小，造成信號的持續時間大於信道的相干時間，無線信道逐漸演變成由多徑時延擴展造成的頻率選擇性衰落和都卜勒頻移造成的時間選擇性衰落共同影響的時間-頻率雙選擇性衰落信道，即時變信道。在時變信道中，每一條傳輸路徑上的信道衝激回響是隨時間快速變化的。
基本原理
時變信道的基本原理內容如下：
移動無線信道的主要特徵是信道強度關於時間和頻率的變化，這種變化的分類如圖1所示。
圖1. 移動通信衰落信道的具體分類1.大尺度衰落
由於在大範圍內移動而引起的平均信號能量的減少，當移動台運動的距離與小區尺寸相當時，就會出現通常與頻率無關的大尺度衰落。大尺度衰落可以看作為信號小尺度衰落的空間平均。
（1）路徑損耗
信號的平均能量隨傳播距離增加而耗散，衰減係數介於2（理論值）到5.5之間。
（2）陰影衰落
由於傳播環境中的地形起伏、建築物及其他障礙物對電波的遮蔽引起的。在均值的基礎上引起幅度變化，服從對數正太分布。
2.小尺度衰落
小尺度衰落是指由多徑效應引起的信號幅值、相位的動態變化，這種變化是由於收發端之間空間位置的微小變化引起的。由於空間中存在折射、散射、反射、繞射等機制，發射信號可能要經過多個路徑才能到達接收端，從而會引起多徑衰落和閃爍。影響小尺度衰落的因素包括：
（1）多徑傳播。移動台（MS）接收到的信號是來自多個途徑信號的疊加，多徑信號具有隨機分布的幅度、相位和入射角度。而多徑信號的在接收天線處進行合併，由於相位抵消會產生衰落。
（2）移動台的運動速度。在MS高速移動的情形下或者多徑環境迅速變化時，會產生都卜勒效應。
（3）環境物體的運動速度。假如環境物體運動速度大於移動台的運動速度，則該運動會對小尺度衰落起決定性作用。不然的話，可以僅僅考慮MS運動速度的影響。
（4）信號的傳輸頻寬。假如多徑信道頻寬小於信號的傳輸頻寬，接收信號將會失真，而接收信號的強度衰落很小。
定義最大時延擴展στ，其倒數定義為相干頻寬Bcoh（功率譜的第一零點頻寬），定義σD為都卜勒擴展，定義Tcoh為相干時間，定義TS為發射碼元間隔，定義BS為發射基帶信號頻寬，則小尺度衰落具體的劃分如圖2所示。從時域和頻域角度，小尺度衰落呈現為對偶機制，如圖3所示。
圖2. 小尺度衰落的分類
圖3. 小尺度衰落的對偶關係小尺度衰落總的來說可以表現為以下兩種機制：信道的時變特性與信號的時延擴展。假如存在大量的反射路徑卻沒有視距信號分量，則將這樣的小尺度衰落稱之為瑞利衰落，其接收信號的包絡採用瑞利機率密度函式進行統計描述：假如存在視距，則接收信號的包絡為萊斯分布。一般情況下，多徑衰落的幅度是服從瑞利分布。
3.時間-頻率雙選擇性衰落
時間-頻率雙選擇衰落包含了由都卜勒頻移引發的時間選擇性衰落和由時延擴展造成的頻率選擇性衰落。
3.1時間選擇性衰落
信道波動的時間尺度是一個非常重要的信道參數，而都卜勒頻移是指由於移動台和基站之間的相對移動引發頻率的偏移。多個散射路徑來自不一樣的方向，從而造成了不一樣的都卜勒頻移，形成都卜勒擴展。都卜勒頻移fd如下形式表示：
fd(t)=(v/λ)cosθ=( v fc /c)cosθ(t)
其中v為移動台的運動速度，λ為多徑波的波長，θ為多徑波在接收機的入射角，c為光速，fc為載波頻率。都卜勒頻移隨著θ的變化而變化，當移動台以一定的速度運動，則最大都卜勒表示為：
fmax=v fc/c
定義歸一化都卜勒頻移為：
ξ= fmaxTs
其中Ts為發射信號的碼元間隔，即在OFDM系統中，代表一個OFDM符號的持續時間。
都卜勒頻移使得信號在頻移發生偏移，特別是在多徑較多的環境中，由於接收多徑信號θ的不同，從而引起頻域譜的展寬。正是由於都卜勒擴展的存在，造成信道條件在時域發生變化。除此之外，在傳播環境中的散射體的運動也存在都卜勒頻移，引發信道在時間上的變化。所以，都卜勒效應直接導致了信道的時間選擇性衰落。
當基帶信號的符號時間小於信道的相關時間時，在多個符號期間，可以認為信號所經歷的衰落是相同的，稱之為慢衰落（信道變化慢）；如果基帶信號的符號時間遠大於信道的相關時間，碼元速率應該高於某個值。信號在同一符號時間內經歷不同的衰落，不同的碼片之間所經歷的衰落是不同的，即為快衰落（信道變化快）。
3.2頻率選擇性衰落
在無線系統中另一個重要的通用參數時多徑時延擴展στ，時延擴展是指由於多徑效應，到達接收端的信號會存在時延的差異，則接收信號的脈衝信號的脈寬會得到擴展。表現為如下形式：
στ=max|τi-τj |
其中στ表示最大時延擴展，τi、τj分別表示最長路徑和最短路徑。對應的信道的相干頻寬為：
Bcoh=1/στ
如果傳送信號頻寬Bs大於相干頻寬Bcoh，則零點處會出現深衰落，即為頻率選擇性衰落。此時的傳送信號經過頻率的衰減，再加上時域的時延，從而導致接收信號失真，造成符號間干擾（ISI），需要儘量降低碼元速率。否則，如果傳送信號頻寬Bs小於相干頻寬Bcoh，此時的傳送信號頻寬大於信道的最大時延擴展，稱之為平坦衰落。平坦衰落的接收信號的頻譜結構不會發生變化，只是信號的幅度在時域範圍內隨著多徑信道增益的變化而變化。
正交頻分復用（OFDM）技術是一種多載波調製技術，由於其抗多徑ISI能力強，頻譜利用率高並且接收機實現簡單，目前已被許多通信標準廣泛套用。
估計信道
4.時變信道的估計
信道估計的意義
OFDM系統的接收端的兩種檢測方式：相干檢測和非相干檢測。在實際套用中，為了保證高速的傳輸速率和高質量的性能，一般採用相干檢測方法。通常的OFDM鏈路中，每一個子載波傳輸的數據經過編碼後映射為MPSK或MQAM星座，在接收端需要獲得每一個子載波處的信道回響來決定其最佳判決門限，信道的衝激回響通常由接收端的信道估計算法得到。因此，信道估計的準確度對OFDM通信系統的整體性能影響深遠。
目前在高鐵、輕軌、動車日益普及的背景下，信道的時變特性更加明顯，在這種環境下，都卜勒頻移使得子載波間的正交性遭到破壞，除了引起ICI干擾外，載波恢復也會遇到困難。由於相干檢測具有更好的誤碼性能，在高速無線通信中得到廣泛套用。但是相干檢測需要使用使得信息，要在接收端及時獲得信道狀態信息，必須對信道特性進行估計和跟蹤。
信道估計定義
信道估計可定義為描述物理信道對輸入信號的影響而進行的一種研究，它可以用數學表達式來表示信道特徵。為了簡化，假設信道是線性的，那么信道估計的結果應該是估計系統信道的衝激回響值。在不同的場景下，周圍環境的影響使得信道都會呈現出不同的衰落特性。為了保證接收端能夠準確地恢復傳送信號，在傳輸過程中採用信源和信道編碼、均衡、多用戶檢測、分集接收等技術對接收信號在信道傳輸過程中產生的各種衰落進行了補償。實現以上技術需要獲得無限信道的信息，如信道的階數、都卜勒頻移、多徑時延或者信道的衝激回響等參數。這就需要在接收信息時，對信道的參數進行估計。估計的準確度越高，後續相關的技術實現也就越準確，OFDM系統整體的性能也會大幅度提高。因此，信道參數估計是衡量一個無線通信系統性能的重要指標。
信道估計方法的分類
信道估計技術的研究已經有很長時間了，技術也相對比較成熟。據信道估計方法實現時是否有反饋環路，是否需要已知信道信息分為三類：基於判決反饋的信道估計、盲或半盲信道估計和基於導頻輔助的信道估計。
（1）基於判決反饋的信道估計
基於判決反饋信道估計方法的基本思想是：假定在兩個OFDM信息符號的時間間隔內，信道是不變化的，即慢變信道的情況。傳送數據前，系統首先傳送一個接收端已知的OFDM訓練符號，以獲取CSI的初始值，作為解調下一個OFDM信息符號的CSI，並將該OFDM信息符號解碼後的數據作為訓練序列來重新估計CSI，並將它作用下一個OFDM的信道狀態信息的CSI。
目前，基於判決反饋信道估計的方法主要有：利用低通濾波器濾波降噪的濾波器判決反饋（FDF）信道估計方法、利用最小均方誤差準則的判決反饋信道估計方法、基於直接判決預測均衡的方法、利用前一個OFDM碼字解碼後的數據獲得新的估計方法、採用奇異值分解的信道估計算法、利用傅立葉變化來降低複雜度的方法和為提高頻譜利用率採用一步抽頭反饋均衡的信道估計方法。
判決反饋方法由於傳輸數據中不需要導頻符號，因此可以有效地提高系統的傳輸效率。該方法的主要缺點是：由於傳輸的過程中，噪聲是不可避免的，當信道發生突發錯誤時，容易產生誤差擴散，從而降低系統性能，甚至使系統癱瘓。由於判決反饋易產生誤差擴散且耗時，而使用串列訓練序列或導頻符號必然占用一定的有效頻寬，從而使系統的傳輸效率降低。尤其是在高速移動環境或時變信道的情況下，必須不停地傳送導頻或訓練序列來更新CSI，則信道中數據的傳輸效率將大大下降。
（2）盲或半盲信道估計
盲信道估計方法不需要傳送一個已知的訓練序列，它只通過使用相應的信息處理技術識別信道，如數位訊號的常模量、有限符號集、循環平穩、非高斯分布等特性。數據傳輸速率很高，但是由於它需要已知的信息很少，一般通過統計分析大量接收信號才能活得信道狀態信息的估計值，而且要求信道特性在整個過程中不能發生變化。在高速移動的環境下，無線通信信道的時變性很突出，信道會出現時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落，所以要使用基於統計的盲信道估計算法獲得準確的信道信息估計值比較困難。因此一般只適用於慢衰落信道和已知連續傳送的情況。
目前比較實用的盲信道方法有三類：子空間信道估計法（有信號子空間、噪聲子空間、線性預測分析等子類）、高階累積量的信道估計、常模量算法和最大似然估計法。
為了克服盲信道估計中存在的不足，提出大量半盲信道估計方法。它是只採用少量的訓練序列來進行估計，不但降低了複雜度，而且收斂的速度明顯提高，在數據傳輸效率和收斂速度之間做一個折中，並且在高速數字信道中的傳輸速率也很高。
總的來說，目前半盲信道估計技術只適用於慢衰落信道和已知連續傳送的情況，不能套用到高速移動環境中。
（3）基於導頻輔助的信道估計
基於導頻輔助的信道估計的基本思想是通過在傳送信號中插入導頻信息，在接收端通過相應的實現準則求出導頻位置的信道信息，然後對導頻位置的信道信息進行一些插值算法擬合出數據處的信道回響，進而求得總的信道信息估計值。
根據導頻插入維數的情況，可以分為一維和二維導頻；根據導頻分布的形狀，分為規律放置和隨機放置導頻；根據插入的導頻符號是在IDFT之前還是之後，分為時域導頻插入和頻域導頻插入法。
對於導頻位置處的信道估計技術，成熟的方法有LS準則（基於測量值和實際值之間均方誤差最小原則提出的估計準則）、MMSE估計準則（基於信道的二階統計特性）、LMMSE算法（MMSE的改進算法）。以上方法主要是慢時變信道下的方法，如果系統處於快時變信道下，由於ICI的影響，上述方法估計出的信道參數套用到信號檢測時會出現嚴重的誤碼平台。針對這個問題，有必要把ICI分量也估計出來。
總的來說，基於導頻輔助的信道估計能夠更好地跟蹤無線信道的變化，提高接收機的性能，因此在傳輸速率較高的新一代OFDM無線通信系統中，通常使用導頻輔助的信道估計。
綜上，慢時變信道下（平坦衰落信道）的信道估計方法，主要包括三個方面，一是導頻的合理設計，包括導頻插入間隔的最佳化、導頻插入結構等；二是導頻處的頻域信息的估計，現主要有三種估計準則：LS信道估計準則、MMSE信道估計準則和LMMSE信道估計準則；三是通過導頻處的信道頻域信息進行插值，從而恢復出整個系統的信道頻域回響，現主要存在纖細插值算法、二次樣條插值算法、基於DFT的時域插值算法和加窗的時域插值算法。
快時變信道下的信道估計方法，有LS估計器、LMMSE估計器，及疊代BLUE估計器。這些估計器利用了導頻信息，信道的統計特性等，但沒有利用接收端數據頻域信息。
