无线信道的应用模型和估计

　移动通信系统由编码、调制、多址和射频(RF)发送等基本处理单元组成发送端，由RF接收、分址、解调和解码等基本处理单元组成接收端，发送端和接收端彼此分离。无线信道提供发送端和接收端之间的连接，使无线通信成为可能，也使无线通信面对复杂的移动环境，因此，无线信道问题的研究是移动通信的经典课题。无线信道研究的成果实际上是移动通信的发展基础。

　　进入21世纪以来，移动通信得到了极大的发展和广泛应用，其中编解码技术、调制解调技术、多址复用技术和RF收发技术等都有相当大的发展和进步。随着第3代移动通信的发展和商业应用，随着后3G的开发，以自适应调制解调技术、混合自动重发请求(ARQ)机制、自适应编解码技术(如Turbo码和低密度稀疏检验矩阵码)、正交频率数字复用(OFDM)技术、多入多出(MIMO)无线资源的自适应管理技术等为代表的移动通信新技术得到越来越多的重视。这些新技术的研究和应用，都离不开对无线信道的研究和应用。对无线信道特征的掌握和了解，直接影响这些新技术的应用和发挥，直接影响通信容量和通信质量，是重要的决定性因素之一。但是，人们对无线信道的研究和利用，基本上还停留在第1代和第2代移动通信系统研究开发时的水平上。因此，对无线信道的进一步研究，包括对无线信道的表征和描述、对无线信道参数的估计和预测、对无线信道与新技术结合课题的研究，显得越来越重要，将是未来移动通信发展面临的重大课题。

1 新技术对信道的依赖

　　无线信道可以看成是一个传输系统，发送到空中的信号为其输入，接收来自空中的信号为输出。无线信道基本模型如图1所示。

　　假定信道的单位冲激响应为h(t)，则接收信号为：

　　或用付氏变换表示为：R(f)=H(f)S(f)+N(f)。

　　显然，接收信号在发送信号给定情况下，极大依赖无线信道的特性。由于无线信道传输特性的起伏性和随机性，在无线信道传输特性h(t )或H(f)给定情况下，通常对接收信号的进一步处理可表示为：

　　H-1(f)R(f)=H-1(f)h(f)S(f)+H-1(f)N(f)，
　　K=S(f)+H-1(f)N(f)。

　　在H-1(f)N(f)非常小的情况下，可以准确解出发送信号。在实际应用系统中，使N(f)比较小是可能的，但使H-1(f)N(f)也比较小则不好控制，因为H-1(f)N(f)随信道起伏衰落而改变。

　　为了获得稳定的接收信噪比，即稳定的通信质量，应对信道衰落及时准确估计，以适当调整发送信号S(f)的参数。衰落大，使S(f)的功率大(或使比特能量高)；衰落小，使S(f)的功率小(或使比特能量低)。

　　在面向未来移动通信的众多新技术中，自适应编解码技术和自适应调制技术已被推荐为3G后的3.5G技术，并在WCDMA的HSDPA和cdma 2000的DV标准化建议中明确给定。而自适应技术的实现和应用，极大地依赖对无线信道的估计。信道估计准确、及时，自适应调整就准确可靠，从而获取最大效益和最好性能。目前，普遍看好第4代移动通信可能应用的OFDM技术，而另一项被看好的技术是MIMO技术。

　　可以说，移动通信新技术的发展和应用与对无线信道的了解和掌握程度直接相关。因此，未来移动通信技术的发展和应用，直接依赖对无线信道的认识和估计，是未来移动通信面临的重要课题。

2 移动通信的信道应用模型

　　对无线移动通信信道的描述和处理，研究成果众多。从传输过程中对信道的认识和应用角度来分析，并与对发送和接收的处理结合起来，可认为有3种模型：常规模型、均衡模型、自适应模型。

　　无线信道应用的常规模型(如图2所示)是把收发两端看成完全分离的双端分离模型。

　　发送端把一个确定信号送入无线信道，在无线信道的衰落起伏传输中，输出一个随机信号给接收端。这个随机信号可分解成确定成分和扰动成分，其确定成分与发送端的确定信号对应，而扰动成分则只能通过对信道特性的统计分析，给出它的统计分布、均值和方差。基于这种无线信道的统计特性，可以确认发送端输入信道的信号设计，确认接收端的信道输出的检测判决方式和相关性能。目前，绝大多数的无线信道的应用和描述，基本上都属于这类情况，即依赖于对无线信道的统计特性的估计。

　　无线信道应用的均衡模型(如图3所示)是对信道的衰落平稳性和随机性能够估计的应用模型，接收端将基于对信道的准确估计进行接收信号的均衡、分集、对消等处理，使信道影响得到消除和缓解，可称为信道影响消除模型。无线信道的衰落起伏参数的准确估计，包括对传输多径时延、相关的相干时间、波束偏移和功率衰落等参数的估计，是能在接收端对接收信号进行均衡、分集、对消处理的重要依据。接收机有对信道传输衰落的准确估计就可以方便地设计均衡器(或信号处理机)，实时调整有关参数，使接收处理的参数变动与信道衰落起伏相匹配，实现最佳接收。显然，这种信道应用模型与双端分离模型最大的不同是能对信道随机平稳特性作实时估计和预测，从而调整接收处理参数，使之与信道起伏衰落匹配。

　　无线信道应用的自适应模型(如图4所示)与无线信道应用的均衡模型的最大不同，是基于对信道衰落起伏的准确了解和估计。从发送信号的设计着手，利用不同时间的信道特性不同，传送不同的信号；利用不同信道的衰落起伏不同，传送不同的信号，使信道在保证接收端有稳定解调性能的情况下，能传送更多的数据和信道，达到最大传送速率。

　　在对发送信号进行编码设计时(如时空编码设计)，如信道的起伏衰落大就采用信息速率低的时空编码，如信道的起伏衰落小就采用信息速率高的时空编码，这样可使传输能力提高近50%。把对发送信号的设计变动和接收端的处理调整都与信道的传输特性结合起来，是信道利用的最佳模式，MIMO技术就是这种模式的典型。

3 无线信道的估计和预测

　　如上所述，未来移动通信技术的发展和应用，极大地依赖于对无线信道的了解和掌握，这就要求我们对无线信道进行估计和预测。从已有的研究和将来的发展需要看，对无线信道的估计和预测可以分成3种类型：适合于滤波处理的信道统计特性估计、适合于自适应技术的信道平稳特性实时估计和预测、适合于信道利用技术的传输特性的精细估计和预测。

　　信道统计特性的估计是无线通信早期开始应用以来的经典课题和研究成果，通常考虑在多径衰落环境下的信道统计特性，使用瑞利分布或莱斯分布的统计模型，作为对信道特性的估计。

　　信道平稳特性的实时估计和预测是目前采用各种自适应处理技术所必不可少的。把无线信道看成一个具有冲激响应h(t )的随机平稳信道，当时间间隔小于某一相干时间Tc后，其冲激响应可近似看成是平稳的(近似为某一不变值)。同样，当频率间隔小于某一相干带宽时或当空间指向小于某一相干带宽时，其冲激响应可近似看成是平稳的。这样，就可在给定的时间、带宽、空间指向内进行发送、接收方的自适应调度和调整，实现与信道衰落特性最好的匹配。其中，对信道平稳特性实时预测的预测精确度将直接影响自适应处理技术能达到的效果和能力，具有现实的实用价值。

　　传输特性的精细估计和预测是发展未来移动通信技术的新课题。以MIMO技术为例，发送方送入信道的信号为S=(S1(t )…SM(t ))，接收端从信道收到的信号为 R=(R1(t )，R2(t )…RN(t ))，其信道传输特性用信道转移矩阵H表示，为：

。

　　如果H是一个单位矩阵，信道为MIMO独立信道，其信道容量为：

　　这里B为信道带宽。若N=M，则信道容量增加M倍。M越大，信道容量越大。如果H不是一个单位矩阵，但各行矢量是相互正交的，也可以获得如上的信道容量。如果H既不是单位矩阵，也不是正交矩阵，MIMO信道不完全独立，就得不到如上的理想信道容量。但是，如果对信道转移矩阵各参量有准确估计，那就可以找出其中相对独立性强的信道矢量先求解，再采用对消或均衡方式，消除或缓和它们对其他信道矢量的影响，求解出相关发送信号，从而使信道传送能力尽可能逼近理想信道容量。

　　综上所述，信道的快速、实时、准确的估计和预测技术是否能把信道衰落从有害变成有利的关键，是未来移动通信面临的重大挑战。

4 结束语

　　无线信道的估计和预测，是移动通信的经典课题又是未来发展的新兴课题。随着无线移动通信技术和系统的发展，对无线信道估计和预测提出了快速实时估计的新要求。近年出现的基于训练序列的估计方法，不要先验知识的盲估计方法和利用部分先验知识的半盲估计方法都是希望实现快速、实时、准确的信道估计目标。实际上，这些方法距离对信道利用的准确估计预测要求还相差甚远，有待继续努力。

[摘要] 章就无线移动通信新技术对无线信道研究的依赖、无线通信的信道应用模型、无线信道的估计和预测、无线信道研究发展走向等进行了讨论和分析，提出了相关的研究课题和可能的解决之道。

[关键词] 无线信道模型；无线信道估计；新一代移动通信

[Abstract] The importance of research on wireless channel to the technology advancement with wireless communications, and the application models, channel estimation, channel forecast and development trends of wireless channels are discussed and analyzed in detail. Directions for further research in the field and possible ways to its solutions are also proposed.

[Keywords] wireless channel model; wireless channel estimation; new generation mobile communication