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信道相关系数

信道相关系数 RHHR_{HH}RHH

为什么需要介绍信道相关系数:主要是因为OFDM系统中需要使用导频进行信道估计,工程上常用的信道估计算法为MMSE,而MMSE中很重要的一个参数便是导频间的互相关系数RHHR_{HH}RHH,这个预先我们是不知道的,一般都是根据统计信道模型预先模拟好预存下来的

对于给定时间点ttt,假设信道冲击响应为h(t,τ)h(t,\tau)h(t,τ),输入信号为x(t)x(t)x(t),则接收到的信号可表示为输入与信道冲击相互卷积:
y(t)=∫0∞h(t,τ)x(t−τ)dτ y(t)=\int_{0}^{\infty}h(t,\tau)x(t-\tau)d\tau y(t)=0h(t,τ)x(tτ)dτ
WSS-US(宽平稳非相关散射信道),相关系数主要就信道冲击响应在多径信道下的相关性进行研究。

Wide sense stationary (WSS,广义宽平稳信道)

该信道模型中认为信道冲击响应被公认为是广义宽平稳的即信道的相关性Rhh(t,τ)R_{hh}(t,\tau)Rhh(t,τ)只与时间距离相关即:
Rhh(Δt,τ1,τ2)=E{h∗(t,τ1)h(t+Δt,τ2)} R_{hh}(\Delta t,\tau_{1},\tau_{2})=E\{h^{*}(t,\tau_{1})h(t+\Delta t,\tau_{2})\} Rhh(Δt,τ1,τ2)=E{h(t,τ1)h(t+Δt,τ2)}

Uncorrelated scattering(US,不相关散射)

US 要求多径情况下不同时延分量互不相关:
E{h∗(t,τ1)h(t+Δt,τ2)}=0,τ1≠τ2 E\{h^{*}(t,\tau_{1})h(t+\Delta t,\tau_{2})\}=0,\tau_{1}\neq \tau_{2} E{h(t,τ1)h(t+Δt,τ2)}=0,τ1=τ2
则:
Rhh(Δt,τ1,τ2)=E{h(t,τ1)h∗(t+Δt,τ2)}=Rhh(Δt,τ1)δ(τ1−τ2) R_{hh}(\Delta t,\tau_{1},\tau_{2})=E\{h(t,\tau_{1})h^{*}(t+\Delta t,\tau_{2})\}=R_{hh}(\Delta t,\tau_{1})\delta(\tau_{1}-\tau_{2}) Rhh(Δt,τ1,τ2)=E{h(t,τ1)h(t+Δt,τ2)}=Rhh(Δt,τ1)δ(τ1τ2)

宽带平稳散射信道(WSS-US)

宽带平稳散射信道包含了两个含义宽平稳和散射两个特性即:信道是宽平稳的且每一条径在接收机看来都是不相关的所以:

Rhh(Δt,τ)=E{h∗(t,τ)h(t+Δt,τ)}=Rhh(Δt,τ) R_{hh}(\Delta t,\tau)=E\{h^{*}(t,\tau)h(t+\Delta t,\tau)\}=R_{hh}(\Delta t,\tau) Rhh(Δt,τ)=E{h(t,τ)h(t+Δt,τ)}=Rhh(Δt,τ)

散射函数

散射函数相当于对Rhh(Δt,τ)R_{hh}(\Delta t,\tau)Rhh(Δt,τ) 在变量Δt\Delta tΔt的傅里叶变换:
S(τ,v)=F{Rhh(Δt,τ)}=∫−∞+∞Rhh(Δt,τ)e−j2πvΔtdΔt S(\tau,v)=\mathcal{F}\{R_{hh}(\Delta t,\tau)\}=\int_{-\infty}^{+\infty}R_{hh}(\Delta t,\tau)e^{-j2\pi v\Delta t}d\Delta t S(τ,v)=F{Rhh(Δt,τ)}=+Rhh(Δt,τ)ej2πvΔtdΔt
散射函数S(τ,v)S(\tau,v)S(τ,v)表征的是,h(t,τ)h(t,\tau)h(t,τ)(v,τ)(v,\tau)(v,τ)所承载的功率谱密度有:
∫∫S(τ,v)dτ dv=E[∫−∞+∞∣h(t,τ)∣2dτ]=1 \int\int S(\tau,v)d\tau\ dv=E \left[\int_{-\infty}^{+\infty} |h(t,\tau)|^2 d\tau\right]=1 ∫∫S(τ,v)dτ dv=E[+h(t,τ)2dτ]=1
前面在clark 模型中我们已经证明每一条多径射线服从相同的统计特性:
R(Δt)=PrJ0(2πfDτ) R(\Delta t)=P_{r}J_{0}(2\pi f_{D}\tau) R(Δt)=PrJ0(2πfDτ)
则:Rhh(τ,Δt)=P(τ)Rhh(Δt)R_{hh}(\tau,\Delta t)=P(\tau)R_{hh}(\Delta t)Rhh(τ,Δt)=P(τ)Rhh(Δt),所以:
S(τ,v)=F{Rhh(Δt,τ)}=∫−∞+∞Rhh(Δt,τ)e−j2πvΔtdΔt=F{Rhh(Δt,τ)}=P(τ)F(Rhh(Δt))=:S(τ)S(v) \begin{align*} S(\tau,v)&=\mathcal{F}\{R_{hh}(\Delta t,\tau)\}=\int_{-\infty}^{+\infty}R_{hh}(\Delta t,\tau)e^{-j2\pi v\Delta t}d\Delta t\\ &=\mathcal{F}\{R_{hh}(\Delta t,\tau)\}=P(\tau)\mathcal{F}(R_{hh}(\Delta t))=:S(\tau)S(v) \end{align*} S(τ,v)=F{Rhh(Δt,τ)}=+Rhh(Δt,τ)ej2πvΔtdΔt=F{Rhh(Δt,τ)}=P(τ)F(Rhh(Δt))=:S(τ)S(v)

时频相关系数

信道h(t,τ)h(t,\tau)h(t,τ)的频域响应为H(t,f)H(t,f)H(t,f):
H(t,f)=F{h(t,τ)}=∫−∞+∞h(t,τ)e−j2πfτdτH(t,f)=\mathcal{F}\{h(t,\tau)\}=\int_{-\infty}^{+\infty}h(t,\tau)e^{-j2\pi f \tau}d\tau H(t,f)=F{h(t,τ)}=+h(t,τ)ej2πfτdτ
其在时延Δt\Delta tΔt 和频移Δf\Delta fΔf下的自相关性为:
RH(Δt,Δf)=E[H∗(t,f)H(t+Δt,f+Δf)]=E[h∗(t,τ)h(t+Δt,τ′)]ej2π(fτ−(f+Δf)τ′)dτdτ′→WSS−US=∫∫Rhh(Δt,τ)δ(τ−τ′)ej2π(fτ−(f+Δf)τ′)dτdτ′=∫Rhh(Δt,τ)e−j2πΔfτdτ \begin{align*}R_{H}(\Delta t,\Delta f)&=E[H^{*}(t,f)H(t+\Delta t, f+\Delta f)]\\&=E[h^{*}(t,\tau)h(t+\Delta t, \tau^{\prime})]e^{j2\pi (f\tau-(f+\Delta f)\tau^{\prime})}d\tau d\tau^{\prime}\\\xrightarrow {WSS-US}\\&=\int \int R_{hh}(\Delta t,\tau)\delta(\tau-\tau^{\prime})e^{j2\pi (f\tau-(f+\Delta f)\tau^{\prime})}d\tau d\tau^{\prime}\\&=\int R_{hh}(\Delta t,\tau)e^{-j2\pi\Delta f \tau}d\tau\\ \end{align*} RH(Δt,Δf)WSSUS=E[H(t,f)H(t+Δt,f+Δf)]=E[h(t,τ)h(t+Δt,τ)]ej2π(fτ(f+Δf)τ)dτdτ=∫∫Rhh(Δt,τ)δ(ττ)ej2π(fτ(f+Δf)τ)dτdτ=Rhh(Δt,τ)ej2πΔfτdτ
又:
Rhh(Δt,τ)=F−1{S(τ,v)}=∫−∞+∞S(τ,v)ej2πvΔtdvR_{hh}(\Delta t,\tau)=\mathcal{F}^{-1}\{S(\tau,v)\}=\int_{-\infty}^{+\infty}S(\tau,v)e^{j2\pi v\Delta t}dv \\ Rhh(Δt,τ)=F1{S(τ,v)}=+S(τ,v)ej2πvΔtdv
将其带入:
RH(Δt,Δf)=∫∫S(τ,v)ej2πvΔte−j2πΔfτdvdτ=∫∫S(τ,v)ej2πvΔte−j2πΔfτdvdτ=∫S(v)ej2πvΔtdv∫S(τ)e−j2πΔfτdτRt(Δt)=∫S(v)ej2πvΔtdv,Rf(Δf)=∫S(τ)e−j2πΔfτdτRH(Δt,Δf)=Rt(Δt)Rf(Δf) \begin{align*} R_{H}(\Delta t, \Delta f) &= \int\int S(\tau,v)e^{j2\pi v\Delta t}e^{-j2\pi\Delta f \tau} d v d\tau\\ &=\int\int S(\tau,v)e^{j2\pi v\Delta t}e^{-j2\pi\Delta f \tau} d v d\tau\\ &=\int S(v)e^{j2\pi v\Delta t}dv \int S(\tau)e^{-j2\pi\Delta f \tau} d\tau\\ R_{t}(\Delta t) &= \int S(v)e^{j2\pi v\Delta t}dv,R_{f}(\Delta f)=\int S(\tau)e^{-j2\pi\Delta f \tau} d\tau\\ R_{H}(\Delta t, \Delta f) &= R_{t}(\Delta t)R_{f}(\Delta f) \end{align*} RH(Δt,Δf)Rt(Δt)RH(Δt,Δf)=∫∫S(τ,v)ej2πvΔtej2πΔfτdvdτ=∫∫S(τ,v)ej2πvΔtej2πΔfτdvdτ=S(v)ej2πvΔtdvS(τ)ej2πΔfτdτ=S(v)ej2πvΔtdv,Rf(Δf)=S(τ)ej2πΔfτdτ=Rt(Δt)Rf(Δf)

自相关函数与散射函数关系

S(τ,v)=FΔtFΔf−1[RH(Δt,Δf)]=∫−∞+∞∫−∞+∞RH(Δt,Δf)e−j2πvΔte2πτΔfdΔtdΔf S(\tau,v)=\mathcal{F}_{\Delta t}\mathcal{F}^{-1}_{\Delta f}[R_{H}(\Delta t, \Delta f)]=\int_{-\infty}^{+\infty}\int_{-\infty}^{+\infty}R_{H}(\Delta t, \Delta f)e^{-j2\pi v \Delta t}e^{2\pi\tau\Delta f}d\Delta td\Delta f S(τ,v)=FΔtFΔf1[RH(Δt,Δf)]=++RH(Δt,Δf)ej2πvΔte2πτΔfdΔtdΔf
在这里插入图片描述

前面我们说过S(v,τ)S(v,\tau)S(v,τ) 表示,h(t,τ)h(t,\tau)h(t,τ)(v,τ)(v,\tau)(v,τ)所承载的功率谱密度所以,功率时延谱(PDP)可以认为散射函数去除多普勒的影响即PDP的傅里叶变换
S(τ)=∫−∞+∞S(f,τ)dfR(Δf)=F[S(τ)]=∫−∞+∞[∫−∞+∞S(f,τ)df]e−j2πΔfτdτ \begin{align*} S(\tau)&=\int_{-\infty}^{+\infty}S(f,\tau)df\\ R(\Delta f) &= \mathcal{F}[S(\tau)]=\int_{-\infty}^{+\infty}[\int_{-\infty}^{+\infty}S(f,\tau)df]e^{-j2\pi\Delta f \tau}d\tau \end{align*} S(τ)R(Δf)=+S(f,τ)df=F[S(τ)]=+[+S(f,τ)df]ej2πΔfτdτ
同理时域自相关为多普勒谱的逆傅里叶变换为:
S(f)=∫−∞+∞S(f,τ)dτR(Δt)=F−1[S(f)]=∫−∞+∞[∫−∞+∞S(f,τ)dτ]ej2πfΔtdf \begin{align*}S(f)&=\int_{-\infty}^{+\infty}S(f,\tau)d\tau\\R(\Delta t)&=\mathcal{F}^{-1}[S(f)]=\int_{-\infty}^{+\infty}[\int_{-\infty}^{+\infty}S(f,\tau)d\tau ]e^{j2\pi f\Delta t}df \end{align*} S(f)R(Δt)=+S(f,τ)dτ=F1[S(f)]=+[+S(f,τ)dτ]ej2πfΔtdf
在这里插入图片描述

仿真假设参设函数S(v,τ)S(v,\tau)S(v,τ)如下:
S(f,τ)=Plocal−mean4πfm(1−(f−fcfm)2)∗1τrmse−ττrmsS(f)==Plocal−mean4πfm(1−(f−fcfm)2)S(τ)=1τrmse−ττrms \begin{align*} S(f,\tau)&=\frac{P_{local-mean}}{4\pi f_{m}\sqrt{(1-(\frac{f-f_{c}}{f_{m}})^2)}}*\frac{1}{\tau_{rms}}e^{-\frac{\tau}{\tau_{rms}}}\\ S(f)&==\frac{P_{local-mean}}{4\pi f_{m}\sqrt{(1-(\frac{f-f_{c}}{f_{m}})^2)}}\\ S(\tau)&=\frac{1}{\tau_{rms}}e^{-\frac{\tau}{\tau_{rms}}} \end{align*} S(f,τ)S(f)S(τ)=4πfm(1(fmffc)2)Plocalmeanτrms1eτrmsτ==4πfm(1(fmffc)2)Plocalmean=τrms1eτrmsτ
在这里插入图片描述

综上:计算时域和频域自相关的关键在于得到S(f,τ),S(f),S(τ)S(f,\tau),S(f),S(\tau)S(f,τ),S(f),S(τ),也即功率时延谱PDP以及多普勒谱。MMSE 再得到相关系数后会在频域和时域分别对LS结果分别滤波进而获得信道系数。

参考:
[0] Wireless Communication Andrea Goldsmith
[1] A comparative study of pilot-based channel estimators for wireless OFDM
[2] WSS-US信道冲激响应的相关系数
[3] Wireless Communication Systems in Matlab

http://www.dtcms.com/a/289800.html

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