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摘要 时变信道下h l a m o u t i 空频分组码的理论与检测技术 专业： 硕士生： 指导老师： 无线电物理 贾嘉 秦家银教授 摘要 随着科学的进步和时代的发展，无线移动通信步步地渗透进日常生活的 每一个角落。为了满足人们的日益增长的数据业务需求，未来的无线通信系统将 会具有更侠的信息传输速率，更高的系统容量和更强的稳定性。 与有线通信环境不同，无线通信所使用的信道更为不可靠。在移植传统有线 通信中成熟技术的同时，需要根据无线信道的特性发展出更多更新的传输手段， 其中包括迭代信道编码技术，多输入多输出技术和多载波调制技术。 在上述技术中，将单载波空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 与正交频 分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 结合产生的空频分组码 ( s p a c e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ) 由于能在抵抗信道频率选择性衰落的同时获得 最大空间分集增益，从而成为无线通信领域的研究热点之一。 在已有空频分组码的检测算法中，由于信道时变性引发的子载波间串扰被认 为是单纯的干扰面与噪声等同。然而，鉴于位于同一分组内的串扰携带了一部分 信息，对于无线时变系统而言( 特别是在信道的时变性较大的情况下) ，这部分 信息的丢失将大大降低系统的性能。 本文针对传统的空频分组码接收端算法进行了改进，设计在不丢失有用串扰 信息情况下的检测算法。性能分析可避免冗长的仿真，并且可指导系统设计。本 文运用概率统计学的方法，得出b f s k 调制下双发一收空频分组码误比特率的新 表达式。理论与仿真结果表明，与原有的方案相比，改进的检测算法在复杂度增 加不大的情况下得到了明显的性能增益。 关键诃：空时分组码正交频分复用时闻频率双选择信道 载波问干扰性能分析 a b s t r a c t t h e o r ya n dd e t e c t i o nt e c h n i q u e so f a l a m o u t i s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d i n gi nt i m e v a r y i n gc h a n n e l g a j o r ： r a d i op h y s i c s n a m e ： j i aj i a s u p e r v i s o r = p r o f e s s o rj i a y i no i n a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm e t h o d sa n ds e r v i c e sh a v eb e e nw i d e l ya d o p t e db y p e o p l et h r o u g h o u tt h ew o r l d n 碡f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sw i l l a c h i e v eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t ea n db em o r er o b u s ti no r d e rt os a t i s f yt h eg r o w i n g d e s i r e c o m p a r i n gt ot h ew i r e l i n ec o m m u n i c a t i o n s ，t h ew i r e l e s sc h a n n e li s m o r e u n r e l i a b l e an u m b e ro ft e c h n i q u e s , l i k ei t e r a t i v ec h a n n e lc o d i n g , m u l t i - i n p u t m u l t i - o u t p u ts y s t e ma n dm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，h a v eb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sc h a n n e l s a m o n gt h o s et e c h n i q u e s ，t h es p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ，w h i c hi s c o n c a t e n a t e db ys i n g l ec a r r i e rs p a c e t i m eb l o c kc o d i n ga n do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , h a sb e e ng e n e r a l l yc o n s i d e r e da sa ne f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l w a yt oc o m b a tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gw i t hf u l ls p a t i a ld i v e r s i t y f o r m e rr e s e a r c h e so ns f b cd e t e c t i o na l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s s i m p l yc o n s i d e rt h ei n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ed u et ot i m ev a r i a b i l i t yo ft h ec h a n n e la s n o i s e h o w e v e ri nt h es f b cs c h e m e s i n c et h ei n t e r f e r e n c ew i t h i nt h es a m eb l o c k b r i n g si ns o m ei n f o r m a t i o n , i tw o u l db eag r e a tl o s st ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ei ft h e i n f o r m a t i o ni sa b a n d o n e d i nt h et h e s i s ，a l li m p r o v e dd e t e c t i o n a l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e do nt h e c o n v e n t i o n a lo n e st om a k ef u l iu s eo fi n f o r m a t i o na m o n gi c i a n a l y t i c a le x p r e s s i o n s f o rb e ra n ds i m u l a t i o n sh a v eb e e nw o r k e do u ta n dc o m p a r e d i ts h o w st h a tt h e i m p r o v e ds c h e m eo b v i o u s l yo u t p e r f o r m st h et r a d i t i o n a lo n ew i t ha c c e p t a b l ep e n a l t y i nc o m p l e x i 够 k e y w o r d s ：s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e , t i m e f r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l ， p e r f o r m a n c ea n a l y s i s i i 第一章绪论 1 1 论文选题背景 第一章绪论 从上世纪九十年代起，移动通信逐步进入到我们的生活之中。从最早单纯的 通信手段，逐步演变为给用户提供随时随地的信息服务；移动终端也从简单的寻 呼工具转变为个人信息平台。进入2 i 世纪以来，无线通信技术更是以前所未有 的速度迅猛发展。无线上网、可视电话与手机电视与都已经或即将深入到人们的 日常生活之中。 无线通信的目的是为了让人们从“有线”的束缚中解放出来，随时随地的与 外界进行交流与沟通。然而相比于传统的有线通信，无线通信的信道状况更不可 靠，网络结构更为复杂，用户的行为更为多变，这些都是制约与影响无线通信技 术发展的重要因素。为了满足特定的环境限制与用户需要，人们提出了多种互为 补充的系统实现方案。 图1 1 几种常见无线通信系统 中山大学硕士学位论文 一般来说，如果用覆盖范围和传输速率进行区分，随着通信系统覆盖范围的 增大，无线传播环境更为多变，用户状况更为复杂，从而导致传输速率的下降。 卫星通信系统为移动用户提供了全球范围的覆盖，但是传输速率非常低：陆地无 线通信系统使用蜂窝网络提供了广域的覆盖与较为丰富的服务；室外无线接入系 统为固定或低移动性的户外用户提供业务连接；无线局域网则作为有线网络的替 代，为固定的室内用户提供高速的网络服务。 然而可以预计，未来的无线通信技术的发展趋势是具有更高的信息传输速 率、更高的系统容量、更强的适应性与稳定性，以便在任何情况下都能为用户提 供优质的服务。 由于一般用户活动的区域大多是户外而非室内，广域环境下的无线通信系统 一直是研究与市场的热点。而卫星通信存在着低速率高成本的先天不足，目前来 说，能够实现广域覆盖的商用网络主要有蜂窝移动通信与无线城域网两种。 从二十世纪七十年代开始，蜂窝移动通信经过了三代的发展历程： 第一代移动通信系统( 1 g ) 采用模拟调频技术承载窄带电路交换语音业务。 这代系统存在着通话质量差，保密性低的缺点，只在少数地区建成了商用网络。 第二代移动通信系统( 2 g ) ，常见的标准有g s m 、i s - 9 5 等等，其成熟的商 用网络目前覆盖着世界上大多数国家和地区。2 g 主要是为了支持话音业务而制 定的，由于采用了数字通信技术，其各方面性能较之i g 都有了很大的提升。2 g 能够支持低速率的数据业务，却无法满足日益增长的高速率传输需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) 始于1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 首次提出3 g 移 动通信系统的概念。1 9 9 6 年，i t u 确定了3 g 蜂窝系统的正式名称i m t 2 0 0 0 ， 其含义是预期该系统在2 0 0 0 年左右投入商业运行，工作于2 0 0 0 m h z 频段，理想 环境下最高传输速率为2 0 0 0 k b p s i i l 。在1 9 9 9 年11 月，i t u 最终确定了以欧盟提 出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 、中国提出的t d s c d m a 为主流技术 的三大标准。到目前为止，国外已经建成了商用的w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 网络。 国内的t d s c d m a 网络测试工作也进入了尾声，大规模建设蓄势待发。 然而3 g 只是传统2 g 通信网络的升级。作为传统固定计算机网的延伸，另 一种日益兴起的技术，无线城域网w i m a x ( w o d d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r 第一章绪论 m i c r o w a v ea c c e s s ) ，正得到越来越广泛的重视。 w i m a x 以o f d m 与o f d m a 为核心技术。从协议进展的历程可以看出， w i m a x 网络的发展趋势为“固定一游牧一移动”。2 0 0 5 年底批准的8 0 2 1 6 e 协 议l z j 更使w i m a x 的发展进入了一个新的阶段，即全面支持移动性阶段，其使用 对象除了游牧和固定无线接入应用外，还包括面向于手持终端和应用终端的用 户。与传统的3 g 通信网不同，w i m a x 的许多理念与特性源于计算机网，虽然 在大规模建网上仍然存在着问题，由于其较大的频谱效率、传输速率、网络吞吐 量和网络规划上优势，业界普遍认为，w i m a x 技术会给3 g 及其演迸带来强烈 的冲击。 表1 1 展示了移动w i m a x 与3 g 的物理层技术特征及性能的比较1 3 1 ： 表1 1 # 一+ “甓 特性l x e v d or e v ah s d 队，h s u e 气m o b i l ew i m a x ： ， 一 g ；标准基础c d m a 2 0 0 0w c d m ai e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 a 双工方式 t f d df d d t d d f d d 混合方式 “上行多址 t c d m ac d m ao f d m a 信道带宽1 2 5 m h z5 + o m h zi 2 5 m h z 一2 0 m h z 下行调制 q p s k s p s k 1 6 q a mq p s k 1 6 q a m q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m ；上行调制 b p s k q p s k 8 p s kb p s k q p s k q p s k 1 6 q a m i 信道编码 t u r b o 卷积t u r b o卷积级联r s t u r b o 4 6 m b p s ，3 2 m b p s 上行峰值速率 3 1 m b p s1 4 m b p s ( i o m h z 带宽) 7 m b p s ，4 m b p s 下行峰值速率 1 8 m b p s5 8 m b p s ( 1 0 m h z 带宽) 发射分集稿m i m o简单开环分级简单开闭环分级 空时分组码空分复 i 鉴于现有的无线通信网络仍然存在着各自的缺陷，为了满足日益增长的宽带 无线通信需要，人们已经把目光越来越多的投向三代以后( b e y o n d3 g ) 的移动 通信系统之中，使其可以容纳更多的用户，改善现有的通信质量不良，以及达到 高速数据传输的要求。关于下一代移动通信系统( 4 g ) 的研究已经在进行之中。 普遍认为，4 g 接入网应该体现无线接入网与i p 网不断融合的发展趋势，然 而并不脱离前代的通信技术，而是在传统通信网络和通信技术的基础上不断提高 3 中山大学硕士学位论文 无线通信的网络效率和功能，逐步进行技术的改进。 目前三大3 g 标准组织都已经提出了各自的中期与远期演进方案，力求在现 有3 g 系统的基础上通过技术演进实现4 g 目标或是为向4 g 系统平滑过渡预留 空间。除了都使用p 网作为核心网，在物理层的技术上，各种演进方案共同的 关键技术主要包括： 1 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 一正交频分复用； 2 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 一多输入多输出。 在o s i 七层模型中，物理层处于最底层，作为信息传输的载体，直接面对着 实际的信道。物理层技术的提出与发展都是为了克服信道中的不利因素。可以说， 对物理层技术的研究是整个通信系统的基础。 m i m o 技术利用发送端和接收端采用多天线，从而得到空间复用( s p a t i a l m u l t i p l e x i n g ) 与空间分集( s p a t i a ld i v e r s i t y ) 的好处。 空间复用是指将输入的数据流分成若干并行的子流使用不同的天线进行发 送，以达到增加系统传输速率，突破单发单收的香农限的目的。其中在多用户系 统中，如发送端已知信道信息时，可以在发送前用功率分配、波束成型、预编码 等技术使不同用户得到不同的接收信息，从而实现空分复用s d m a ( s p m i a i d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。 空间分集则是指在多个空间信道上传输信息的多个副本，再采用合理的天线 选择和信号合并技术以达到克服衰落，可靠传输的效果。与单发单收的系统相比 降低其误码率，即获得分集增益。在发送端未知信道信息的情况下，若需要达到 最大空间分集，空时码则成为主要的方案。 由于传输效率与可靠性难以兼得，在实际通信系统的设计中要考虑到复用与 分集的折中( t r a d eo f f ) 。 而在宽带高速传输中由于码元速率大大提高，导致严重的码间串扰和频率选 择性衰落。传统的时域均衡与滤波算法计算量复杂，实时性差，在高速传输中容 易成为系统性能瓶颈。由此，o f d m 技术应运而生。 o f d m 通过简单的数字信号处理，将高速串行的数据变为多路并行数据在 不同的频带上传输，使得在每路子载波带宽内信道都是平坦的，大大减少了抗多 4 第一章绪论 径衰落的能力。另外通过在不同子载波数据之间进行合理编码与功率分配，还能 利用频率分集，加强传输可靠性。 将m i m o 和o f d m 技术相结合可以同时获得两者的好处，即获得分集增益 的同时克服频率选择性衰落。正因为如此，m i m o o f d m 被三种3 g 的演进方案 同时采纳，并成为近年来研究的热点。 在m i m o - o f d m 的各个研究分支中，由于空时码不需要发送端获知信道的 状态信息便能在接收端获得完全的分集增益，而且最简单的双发一收空时分组码 g 2 己被以o f d m 为基础的协议w i m a x 采纳作为可选的选项，所以将空时码与 正交频分复用级联的系统得到了广泛的关注。关于这种级联方案的检测算法与性 能分析具有重要的理论意义与实际价值。 1 2 论文的主要工作 通信系统的设计离不开系统性能的理论分析。 在早期空时码以及o f d m 的性能研究中，信道一股是假设为准静态衰落， 即：在同一组传输符号内，信道的衰落系数保持恒定；相邻传输符号之间的衰落 系数则是相互独立的，并满足一定的分布。 在信道慢衰落的情况下，这样的假设是能够满足的。但在高速移动的环境下， 多普勒效应以及接收机发射机之间的频率偏移会导致信道出现快速的衰落( 亦称 为时间选择性衰落) ，即在一组传输符号内信道冲击响应发生了变化，这会对系 统的性能产生很大的影响。 空时码与正交频分复用的级联主要有两种途径，一种是在相邻o f d m 符号 上的相同子载波映射一组空时码符号，称为s t c o f d m ；第二种是在相同o f d m 符号上相邻子载波映射一组空时码符号，称为s f c o f d m 。由于对于普通单载 波空时分组码要求同一码组内信道保持恒定才能获得最佳性能，故信道的时间 频率平坦性决定了上述两种级联方式性能的优劣。 先前的文献基于s f b c o f d m 技术，具体研究了双发一收a l a m o u t i 空频分 组码在时间频率双选择信道下的性能，并详细分析了四种接收端检测算法与其各 自误比特率的表达式。 中山大学硕士学位论文 然而文献中所使用的检测技术单纯的将子载波间干扰与噪声等同。忽略了位 于同一个分组内的潜在有效信息。如果在计算信道矩阵的过程将这部分信息提取 出并加以利用，一方面可以加强接收端的有用信号功率，另一方面有效减少了干 扰，可以使系统的性能得到提高。 论文首先在理论上运用概率与随机过程的知识推导出各种算法误码率的理 论表达式。之后使用m a t l a b 搭建信道及收发信端的算法完整模型，采用m o n t e c a r l o 法进行链路级仿真，得出在不同信道参数下四种检测技术误比特率的结果。 再将理论表达式与仿真结果进行对照分析，并与之前的研究结果进行比较。 论文指出，对于接收端确知完整信道信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 的情 况下，采用新的检测算法有效利用了子载波间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 之 间的信息。在接受端复杂度约增加一倍的情况下能获得较大的信噪比增益，与此 同时，高信噪比条件下系统的错误平台( e r r o rf l o o r ) 能够下降一半。 论文的结论对于高速移动条件下基于s f b c o f d m 系统接收机算法的设计 与性能研究有较大的贡献。 1 3 论文章节安排 全文共分七章。 第一章为绪论，阐述论文研究的选题背景，意义及主要工作进行介绍； 第二章主要介绍时间频率双选择无线信道的特性和仿真建模方法； 第三章介绍正交频分复用( o f d m ) 技术； 第四章介绍空时分组码技术特别是a l a m o u t i ( g 2 ) 空时分组码： 第五章是文章的重点章节，介绍s f b c 级联o f d m 系统的组成，其检测算 法以及性能分析的理论推导。 第六章对系统在不同信道条件下进行仿真，与理论值以及先前的研究结果进 行对照和分析。 最后一章则是对全文的总结和对后续工作的介绍。 6 第二章无线信道特性及其建模 第二章无线信道特性及其建模 2 1 研究无线信道的意义 无线移动通信和传统的有线通信相比，区别主要在于“无线”和“移动”。 “移动”的终端带来了移动性管理的问题，如漫游和切换，同时终端的移动 还会使得信道的特性随着时间发生大幅度随机的变化，接收到的信号由于多普勒 ( d o p p l e r ) 效应会产生更为严重的失真，从而影响传输质量。 “无线”传播则会在传播过程中受到环境中各种物体所引起的遮挡、吸收、 反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径的信号 分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附有信道噪声，它们的叠加会使复合 信号相互抵消或者增强，导致严重的衰落。 由此看，无线的单条信道和有线相比更不可靠，然而不同的频点，不同的传 播路径使得其可利用的信道数更多。于是在移植传统有限通信的技术同时，也间 接催生了如m i m o ，o f d m ，迭代信道编码等技术的广泛使用。可以说无线信道 的特性是制约无线通信系统性能，同时影响系统发展的最关键因素。 正因为如此，对无线通信中任何领域的研究都是在特定的信道条件下进行 的，在研究前需要对信道特征做出一些假定。本文所假定的信道是满足经典谱的 时间频率双选择性信道。下面分别介绍时间选择性信道、频率选择性信道及其 分别的建模方式。 2 2 非频率选择性多径衰落 2 2 1 非频率选择性多径衰落的数学模型 假设基站与移动台之间的距离足够长，就可以认为无线电传播的环境是二维 的。如图2 1 所示为水平的工一y 平面，移动台以速度v 延x 轴移动。第n 条平面 波以入射角幺到达移动台天线，移动台的移动引起入射平面波的多普勒频移，多 7 中山大学硕士学位论文 普勒频移可以通过下面的式子给出： f d 。= m c o s o ( 2 1 ) 其中，厶= v 以，友为入射平面波波长，厶是皖= 0 时多普勒频移的最大 值。沿着运动方向到达的平面波将会有正的多普勒频移，沿着与运动方向相反方 向到达的平面波将有负的多普勒频移。 设发送带通信号为砸) 口7 2 斫，其中s ( f ) 为发送信号，z 为载频。如果考虑信 道存在n 条传播路径，则无噪声接收带通信号波形为： ，o ) = c 。2 椰+ ，d x 卜。1 j o 一) ( 2 2 ) h $ i 一 蒸o 、一 、 f、 l移动台1 。 | f m 、 、 ，、 ， - n 8n 6n 4n 2 on 2n 40 6n 81 件靶y h 图2 2c l a r k e 模型的功率谱密度 ( 2 9 ) 另一方面，根据中心极限定理g ) 、g 口( f ) 满足高斯分布且互相独立，所以 g ( t ) 是幅度满足瑞利分布( r a y l e i g hd i s t r i b u t i o n ) ，幅角在【一以万】之间均匀分布 的随机过程。 2 2 2 非频率选择性多径衰落的算法仿真 j a k e s 在著作5 】牛，提出了建立在正弦波叠加基础上的一种高效信道仿真器的 构造方法。 同样是假设各向同性等增益的c l a r k e 模型，由上面的推导可知： g ( ，) ：兰2 哪一岛椰 ( 2 1 0 ) 其中选择n 个角度上均匀分布的分量见，即眈= 等：磊则看成是卜万，万】之 自j 均匀分布的随机变量。则( 2 1 0 ) 可以改写成： i o 第二章无线信道特性及其建模 = 痢z 善眦觯咖加压c o s a t e o s ( 2 ，r 加小m +z善stn尾cos(z万z，+i；，)+互sinacosj( z 丌z r + i ；，) i t l + l2 s i n 尾c o s ( 2 万z f + 五) + 2 ( 2 丌z r + i ；， h = l j j 在这里，n 表示多径的数目；m ：丢( 等一1 ) 代表了仿真中正弦振荡器的个数。 z = 厶c 0 8 百2 n 代表每条入射波的多普勒频偏；尼= 等，口则代表了每条路径 的入射角。 可以看出2 m 的幅角是均匀分布在一石州之间的。进一步的计算指出： ( g 砸) ) = 肼+ c o s 2 口+ c o s 2 成 n = l 材 ( 霞( ，) ) = m + s i n 2 口一c o s 2 孱 ( 2 1 2 ) n = l ( 岛( f ) g 口( r ) ) = 2 s i n 成c o s 屁+ s i n 口c o s 口 e o s ( a ，t t + 破) g ( t ) = g ，( t ) + j g e ( t ) 图2 3 , l a k e s 仿真器示意图 特别的，如果令口= 。，我们可以得到( 西( ，) ) = 荔等r _ ，( g ；( f ) ) = 丽m + i ， 中山大学硕士学位论文 ( 毋( f ) 岛( f ) ) = o 。可以看出，这表明j a k e s 仿真器构造出来的g ( ，) 近似满足了瑞 利分布。 需要补充说明的是随机相位五的作用。 在j a k e s 最早提出的模型里是没有五的。这样导致了仿真器每次运行产生的 都是相同的g ( f ) 序列。而为了得到系统统计特性，需要使g ( ，) 历经所有可能的状 态，这样需要产生极大数目的点，特别是在厶较小的情况下( 慢衰落信道) 。更 特殊的是当厶= o 时，j a k c s 模型产生的是一个常数序列，而需要的结果是满足 瑞利分布的序列，此时仿真器失效。 所以假如五从而使所有的可能的状态能够通过较少的仿真次数获得。这种效 果相当于对信道的所有状态进行随机选取，仿真一段，然后再选取一段进行仿真。 这样“切片”的效果大大减少了计算量。 如果厶= 0 ，同样由于磊的存在，使得每次运行仿真器得到的都是不同的信 道系数，而且它们满足瑞利分布；而在每次运行之中，信道系数保持恒定，从而 模拟出了准静态衰落( q u a s i - s t a t i cf a d i n g ) 信道。 ： i引入随机相位前需要的仿真量； g ( t ) 八 1 飞l 说以； 。 、j 进行仿真的片断 图2 4 随机相位对仿真的影响 图2 - 5 1 展示了m = 3 4 ，即= 8 ，归一化多普勒频移厶r = o 1 时一个典型 第二章无线信道特性及其建模 加，= f 删： 偿聊 n 1 徽渺惭 f i n 岬8 _ 一r _ “- r _ n 憎- 咖 x 1 矿 图2 辱lj a k e s 模型的衰落幅度统计特性图2 - 孓2j a k e s 模型的衰落包络 图2 - 6 展示了不同条件下仿真产生的g ( t ) 自相关函数以及与( 2 8 ) 式理论值 的比对。值得注意的是当厶r 较大时会出现偏差，对于这种情况可以用加大肘与 的值来进行克服，但这样做会带来很大的计算量。 、一ijjii。?ijl-。ij：j；。j；。；ijj n 亩刍 _ 刍高刍面_ 高葡葡南 8 - t - 由m 图2 6 不同m ，n 情况下模型自相关系数与理论值对比 由j a k e s 模型可以产生连续的信道冲击响 g ( t ) ，那么在m o n t ec a r l o 仿真 中可以对每一个时刻的信号s ( f ) 乘以该时刻的g ( t ) ，最后加上噪声，从而完成非 彳三 兰 - 竺 - 。瑟 竺 i i 警| ， 1 一 一 一 重添一 斡受铡搿 1 1 2 中山大学硕士学位论文 频率选择性多径衰落信道的仿真。 图2 7 为该种信道仿真的示意图。 g ( o s ( t )占r ( o 二二二二= t 图2 7 非频率选择性多径信道的m o n t ec a r l o 仿真 2 3 频率选择性多径衰落 2 3 1 频率选择性多径衰落的数学模型 上述所考虑的都是适合于窄带信号传输的信道模型，其信道带宽的倒数远大 于传播路径时延。对于数字通信系统，这意味着调制码元脉宽远大于传播路径时 延。在这种条件下，传输信号的所有频率成份都会因为多径衰落而受到相同的相 移和衰减，称为平坦衰落。然而，如果传播路径的时延范围和信号带宽相比较大， 相同路径上传输信号的不同频率成份会有不同的相移和衰落。从而形成频率选择 性衰落。总而言之，区分信道的频率响应是否为选择性的依据是多径传播时延是 否大于调制码元带宽。 1 4 图2 8 频率选择性多径衰落 频率选择性信道的建模可以采用简单的延时模型，如图2 8 所示： 由于一般在研究中假设接收机一端知道信道的全部信息，如，衰落幅度q ， 第二章无线信道特性及其建模 延时l 等等。这样接收端得到信道的时域冲击响应g ( f ) 为： g ( ，) = c 8 ( t - r ) ( 2 1 4 ) 这样对其进行f o u r i e r 变换，得到的便是其频域的响应： g ( m ) = g ( d e - j “d l = i l 怠n - i c 。艿。一毛) e 一脾出= 萎i 。- i g e ( 2 1 5 ) 2 3 2 频率选择性多径衰落的算法仿真 同样的，在进行算法仿真的时候可以采用多抽头延时模型来进行。四条多径 的情况如图2 - 9 所示【6 l ： 图2 9 频率选择性多径分量的宽带衰落信道模型 其中g ( f ) 为彼此独立的非频率选择性多径衰落过程。如果( f ) 保持恒定， 则此信道为频率选择性衰落信道；如果g ，( ，) 时变，则此信道为时间频率双选择 性信道。 一般假定接收信号，( f ) 的功率与发射功率等同。即信道总增益为l ： 篓1 2 = 弘1 2 = - ( 2 1 6 ) 而在一般工程中，随着延时的增大，多径信号的功率也会随之衰减。本文中 采用指数衰减模型( e x p o n e n t i a lp o w e r - d e l a yp r o f i l e ) ，即对于0 n ( m 一1 ) ： 中山大学硕士学位论文 肥1 2 = e “。| c 0 | 2 【0 2 盯 联立( 2 1 6 ) - 与( 2 1 7 ) 两式可以求出每条路径的幅度： 阱= 品矿 图2 一l o 展示了一个1 2 径指数衰减模型的功率随延时分布情况。 图2 1 0 指数衰减模型的功率分布 2 4 时间频率双选择性信道的仿真 1 6 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 时间频率双选择性信道的仿真可以参照图2 - 9 进行。 i 每条路径的晶( ，) 通过独立运行1 a k e s 模型产生归一化的信道系数： 2 乘以该路径的衰落系数j g f ； 3 进行抽头延时，与发送信号相乘； 4 最后进行相加合并。 第二章无线信道特性及其建模 图2 - 1 l 介绍了本论文仿真采用的双发一收情况下，时间频率双选择性信道 仿真架构。为了简便起见，图中只画出了两条路径。 t x l 珊巨型飞 丫釜李弋 | s ( t ) 臣型掣号 t x 2 “o a w g n i d e l a y 图2 1 1 多天线，时间频率双选择性信道的仿真示意图 中山大学硕士学位论文 霭h 2 碱时不变频率选择性信遭、时变菲频率选择性信道、时阊颓率双选 帮嫠詹：逍进行了仿真，描绘了其在时间和频率上各自的分布变化规律。 1 m = o h z ， s = 8 0 0 0 0 0 h z ，d e l a y = 4 1 z s 。= 2 0 0 h z ，f i = 8 0 0 0 0 0 h z ，d e r a y = o l z s 厶= 2 0 0 h z ，z = 8 0 0 0 0 0 h z ，d e l a y = 4 z s 图2 一1 2 三种信道的时间，频率分布特性 第三章正交频分复用技术 第三章正交频分复用技术 3 1 正交频分复用技术概述 通常我们采用的通信系统是单载波方案。这种系统在传输速率不太高的情况 下，多径效应对信号符号之间造成的干扰不是特别严重，可以通过使用合适的时 域均衡与滤波算法使得系统能够正常工作。但是对于宽带业务来说，由于数据传 输的速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的 串扰i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，这对均衡提出了更高的要求，需要引入复 杂的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性和复杂度。 从另一个角度来说，当信号的带宽超过或接近信道的相干带宽时，信道的时 间弥散将会造成频率选择性衰落。就像前面分析的，这使得同一个信号中不同的 频率成分体现出不同的衰落特性，给处理带来了麻烦。 多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，使每个子比特流具有低得 多的传输速率。用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调至相应的子载 波，从而形成多个低速率符号并行发送的传输系统。 多载波传输技术包括正交频分复用( o f d m ) 、离散多音调制( d m t ) 和多 载波( m c m ) 调制等。 与传统的单载波系统和c d m a 系统相比，多载波系统的主要优势在于【7 j ： 1 可以有效地对抗多径传播造成的符号间干扰，与其它实现方式相比，多 载波系统实现复杂度低； 2 在变化相对较慢的信道上，多载波系统可以根据每个子载波的信噪比来 优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量； 3 多载波系统可以有效地对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响系统的一 小部分子载波。在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效， 但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响： 4 在广播应用中，利用多载波系统可以实现非常具有吸引力的单频网络。 1 9 中山大学硕士学位论文 而与传统的单载波传输系统相比，多载波系统的主要缺点在于： 1 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高； 2 多载波系统中信号存在较高的峰值平均功率比p a r ( p e a ka v e r a g e r a t i o ) ，这使得它对放大器的线性要求很高。 而在多载波系统中，传统的m c m 技术将通带划分为若干个互不交叠的子 带，采用滤波器与频率保护间隔等技术将子带之间分割。这样做会增加滤波器的 设计的难度，也会带来频谱利用率低的问题。 o f d m 技术中各子载波有所重叠但保持相互正交。与传统的多载波调制相 比，o f d m 的优势在于： 1 各子载波的频谱之间有所重叠，极大利用了频谱资源； 2 通过添加保护间隔，甚至能在一定范围内完全消除符号问干扰： 3 o f d m 将符号调制相互正交的一组子载波上，调制的过程可以通过离散 傅立叶变换及其逆变换( d f t i d f r ) 完成，而d f t i d f t 有快速算法f f t i f f t ， 降低了计算量，且容易用大规模集成电路实现。 二十世纪五十年代ga d o e l z 最早提出了o f d m 的思想 8 l 。1 9 7 0 年1 月首 次公开发表了有关o f d m 的专利。同样在七十年代，a p e l e d 和a r u i z 提出了 使用离散傅立叶变换( d f t ) 实现多载波的基带调制和解调【9 1 。1 9 8 5 年，c i m i n i 把o f d m 的概念引入蜂窝移动通信系统1 1 0 】，这是o f d m 发展历史上的里程碑， 为无线o f d m 系统的发展奠定了基础。同时随着欧洲在数字音频广播( d a b ) 方 案上采用o f d m ，该方法才开始受到关注并得到广泛应用。 3 2o f d m 系统的基本原理 每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调 制方式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。 考虑基带信号，如果用n 表示子信道个数，t 表示o f d m 符号的宽度， x ( 七) ( 七= 0 ，l ，n 一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，x ( n ) 则是经过o f d m 调 制后的采样信号。则： 2 0 第三章正交频分复用技术 “功2 赤荟抓d e x p ( j c o k 哪，肛o ，l ，- 1 ( 3 1 ) 考虑到子载波的正交性，令q ：丝。贝j j ( 3 1 ) 式变为： x ( n ) = 而1 白n - ! x ( 七) e 砸- ，2 万万k n ) ，月= 。，1 ，一1 ( 3 2 ) 接收的过程则是发送的相反，将接收信号与第k 路子载波相乘后在o f d m 的持续时间o t 范围内作积分，则可以得到第k 路的接收信号j ( 七) 。 譬( 七= 而1 卜( 蛳x p ( 一_ ，2 万百k n 胁 = 去f ，“ 蒸卜c e 砸廊尹k ne x 烈胡万等) 卜 = 雨1 驴n - i - 的! r e x p ( 胁堡笋h ， 一l = x ( k ) 艿( k - k 9 = x ( k 1 留意到( 3 3 ) 式推导过程中的第三步到第四步，这一步利用了子载波之间正 交的特性，即： + r e x p ( j z 疗学卜= 唧h ( 3 4 ) 如果使用离散傅立叶变换，可以将解调过程( 3 3 ) 式写成： j ( 七) = 了胃1 刍n - i x ( 甩) e x “幼等) ( 3 5 ) 图3 1 0 f d m 的原理框图 2 1 中山大学硕士学位论文 从( 3 1 ) 与( 3 5 ) 两式可以看出，o f d m 的调制和解调过程分别可以通过 i d f t d f t 以及其快速算法i f f t f f t 完成。 图3 1 展示了o f d m 的调制和解调原理。 图3 2 以一个o f d m 符号包含四个子载波为例，分别从时域和频域展示了 o f d m 子载波间的正交性。 图3 2 1 频域正交性 3 3 频率选择性衰落信道下的o f d m 应用o f d m 的一个最主要原因是它可以有效对抗多径时延扩展，即频率选 择性衰落。为了最大程度的消除符号间干扰，还需要在每个符号之间插入保护间 隔g i ( g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度疋一般要大于无线信道的最大时延 扩展。这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号进行干扰，从而完全消除 i s i 。 一般来说，采用循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 来填充保护间隔。即将一个完 整的o f d m 信号数据块进行i f f t 后，取其最后长度为疋的序列接于序列最i i 处， 再将整个长度为7 + 疋的o f d m 符号进行发送。相反，在解调的时候，需要去除 位于每个o f d m 符号最前的个序列，再进行解调。 假设r 中包含个采样点，五中包括以个采样点。贝l j ( 3 2 ) 式中描述的已调 第三章正交频分复用技术 制o f d m 信号为： x ( n ) = 了霄ln 刍- i x ( 七) e x p ( ，2 万万i n ) ，玎= 一g ，1 ，o ，l ，一1 ( 3 6 ) 若假设信道存在时不变频率选择性多径衰落，则利用多抽头模型，可以将时 域的信道冲击响应表示为： k i ( 聆) = 艺吩a ( n - 0 ( 3 7 ) i = 0 其中n 表示抽样时刻，0 则是信道最大延时。 则接收信号r ( k 1 有： r