（信号与信息处理专业论文）移相重叠载波技术在无线通信中应用的研究.pdf

1 f 上 y r e s e a r c h 。ft h ea p p c a t ；。n 。ft h ep h a s e 一。f 风e t 。v 一溉 w a v e sm o d u l a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l iy i n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r s ：p r o f q ig u o q i n g p r o f l i a n gd e q u n m a r c h ， 2 0 0 6 ，f ，v 气 1 l y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究i ：作所取得的成果，撰写成博十 硕十学位论文 = = 整担重登嚣速蕉盔鱼玉垡垣鱼虫应剧的婴塞：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中 不包含任何朱加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或朱公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鸯旅 p 占年3 , aj j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使j j 管 理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有大部门或机构送交学位论文的复e i h ：和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事人学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密留，在王年解密后适 j 本授权l s 。 本学位论文属于：保密囱 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：疹磉 日期： ， 摘要 随着“信息社会”的到来，要求通信手段能够提供更高速率的传输以满足更 多用户、更多业务的需求。无线移动通信作为客户占有量最多的通信方式面临更 高的挑战，如何在有限的频谱资源内传输更多的信息成为各通信研究部门非常关 注的问题。 作为一项突破性技术，移相重叠载波调制与现存的调制方案p a m 、q a m 、 d m t 、g m s k 、o f d m 等完全不同，它是一种非正交调制技术。移相重叠载波以 它独特的调制解调技术，提供了个强有力的而又恰如其分地提高传输速率的方 法。已有的研究实验表明，移相重叠载波在有线环境中能极大地提高传输速率和 传输距离。本文对移相重叠载波技术在无线通信环境中的应用进行了研究，探讨 了无线移动信道的多径传播及其时间色散参数，并以c o s t 2 0 7 非时变和准静态时 间色散信道为模型，参考g s m 系统的信道分配参数，用m a t l a b 对其进行了实 验测试。同时综合考虑各项因素，总结出切实可行的参数组合。实验结果表明： 移相重叠载波技术对无线移动通信系统传输速率的提高具有很高的实用价值和广 阔的市场前景。由于移相重叠载波技术是一种全新的调制方法，将它应用于无线 环境还需多方面的研究，但是可以将它与现有的调制方式进行一些简单的比对。 所以本文还简单考察了移相重叠载波技术与g s m 中高斯最小移频键控的传输性 能。通过多次实验证实，在满足通信系统对带外辐射、误码率以及信噪比要求的 条件下，移相重叠载波技术在非时变和准静态的环境中比g m s k 传输率高很多。 关键词：传输率；无线通信；多径信道；调制解调；移相重叠载波 r e s e a r c ho ft h ea p p l i c a t i o no ft h ep h a s e o f f s e to v e r l a p p e dw a v e s m o d u l a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t w i t ht h e “i n f o r m a t i o n e q u i p p e ds o c i e t y ”d r o w n i n go n ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w i t hh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t ea r en e e d e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ei n c r e a s i n g c o n s u m e r sa n dd i v e r s i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o no p e r a t i o n s b e c a u s ew i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o ni st h eb i g g e s tc o m m u n i c a t i o nm e a n s ，i ti sf a c i n gt h eb i g g e s tc h a l l e n g e h o wt or e a c hh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t ei nt h el i m i t e ds p e c t r a lb a n d w i d t hi sb e c o m i n ga q u e s t i o nt ow h i c hm a n yc o m m u n i c a t i o ni n s t i t u t i o n sp a ym o r ea t t e n t i o n s a sab r e a k t h r o u g h t e c h n o l o g y , p h a s e o f f s e to v e r l a p p e dw a v e s ( p o o w ) m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi s c o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o m a l lt h e e x i s t i n gm o d u l a t i o n t e c h n o l o g i e s s u c ha sp a m ，q a m ，d m t , g m s ko f d m ，e t c p o o wi sa n o n - o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n o w i n g t oi t s s p e c i a l m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e ，p o o wp r o v i d e sap o w e r f u la n dp r o p e ra p p r o a c ht or e s o l v et h et r a n s m i s s i o n r a t ep r o b l e m p r e v i o u s l ye x p e r i m e n t ss h o wt h a tp o o wc a ni n c r e a s et h et r a n s m i s s i o n r a t ea n dd i s t a n c e i nt h i st h e s i s ，w er e s e a r c h e dt h ea p p l i c a t i o no fp o o wi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，a n dd i s c u s s e dt h em u l t i - p a t ht r a n s m i s s i o na n dt i m ed i s p e r s i o n t h e n w et e s t e dt h ea p p l i c a t i o nw i t hm a t l a bb a s e do nt h ec o s t 2 0 7 sf i x e da n dq u a s i s t a t e c h a n n e l s ，a n dt h e s ec h a n n e lp a r a m e t e r sa r ef r o mg s mc h a n n e la l l o c a t i o n a c c o r d i n g t os o m e i m p o r t a n tr e q u e s t s o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w es u m m a r i z e d m a n y a p p l i c a b l ep a r a m e t e r so fp o o w e x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t et h a tp o o wh a sg r e a t v a l u ea n dh u g em a r k e to u t l o o ki ni n c r e a s i n gc o m m u n i c a t i o nr a t e a tt h es a m et i m e ，d u e t op o o wi saf i r e n e wm o d u l a t i n gm e t h o dp r o p o s e db yu s ，i t sa p p l i c a t i o ni nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e e d sm u l t i - a s p e c tr e s e a r c h e s s oi nt h i st h e s i sw es i m p l yc o m p a r e p o o ww i t hg m s ki nt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， w ep r o v e dt h a tp o o wh a sh i g h e rc o m m u n i c a t i o nr a t et h a ng m s kw h e ni nf i x e da n d q u a s i s t a t ew i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l i ns a m ec o n d i t i o n s k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nr a t e ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；m u l t i p a t hc h a n n e l ； m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ；p 0 0 w u 目录 第1 章绪论1 1 1 论文背景及意义1 1 2 本人主要工作2 第2 章移相重叠载波技术简介3 2 1 移相重叠调制方法概述3 2 2 移相重叠载波技术在有线信道中的实验仿真成果概述8 第3 章无线移动通信环境介绍1 l 3 1 无线通信简介一1l 3 1 1 无线通信的发展概况1 1 3 1 2g s m 发展及其标准1 1 3 2 移动通信传播环境特点简介1 3 3 2 1 移动通信的传播媒介的特点1 3 3 2 2 多径效应1 3 3 2 3 多普勒效应1 3 3 3 移动信道的分析一1 4 3 3 1 多径传播的时间色散1 4 3 3 2 衰落信道的包络统计特性一1 6 3 3 3 信道的冲激响应模型1 9 第4 章p o o w 在无线通信环境应用仿真2 l 4 1p o o w 子波波形选择2 1 4 1 1 以高频载波为子波2 1 4 1 2 基带波形选择2 6 4 2 计算机仿真测试框图2 8 4 3 测试框图各部分设计思想说明2 9 4 3 1 发送数据3 0 4 3 2 基带调制器3 0 4 3 3 带通滤波器31 4 3 4 射频调制器3 3 4 3 5 多径信道3 5 4 3 6 噪声一4 1 4 3 7 射频解调器4 1 一 、 i 4 3 8 信道均衡4 2 4 3 9 基带解调器4 3 4 3 1o 误比特率检测4 3 4 4 仿真试验及结果4 3 第5 章p o o w 与g m s k 性能比较4 9 5 1m s k 调制原理4 9 5 2g m s k 调制原理5 2 5 3 性能比对试验及结果5 4 第6 章结论5 7 参考文献5 8 攻读学位期l 日j 公开发表论文5 9 致谢6 0 研究生履历6 1 第1 章绪论 随着电子技术的迅猛发展，通信技术已成为人们同常生活的需要。而无线通 信技术中的移动通信作为通信技术中的重要成员，更是与人们的生活息息相关。 移动通信是以无线电波为载体来进行信息的传送的，无线电频率又是一种非常宝 贵的资源。随着移动通信的飞速发展，频谱资源有限和移动用户急速增加的矛盾 越来越尖锐，出现了“频率严重短缺”的现象。解决频率拥挤问题的出路是采用 各种频率有效利用技术和开发新频段。而提高频率有效利用可以通过改善调制方 式，增加传输率来实现l 。 调制在通信系统中具有重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把 调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输 或便于多路复用的已调信号。调制对通信系统的传输有效性和传输可靠性有着很 大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能。 移动通信中常用的调制方式有万4 正交相移键控( 石4q p s k ) 、正交调幅 ( q a m ) 茅u 最小移频键控( m s k ) 、高斯最小移频键控( g m s k ) 、j 下交频分复用( o f d m ) 等。但不论是哪种调制方式，都期望能在有限的频带内达到更高的传输率以及更 佳的传输可靠性以应对高速率传输的迫切需求。为了更好的改进传输率，科学家 们不断努力寻找新的调制方式，以期实现高速率、低信噪比、简单快捷、低误码 的性能，从而提高移动通信系统性能，解决“有限频率无限用户的问题”1 2 1 。 1 1 论文背景及意义 本论文的研究内容来源于国家自然科学基金项目“移相重叠通信方法相关理 论和技术的研究”和解放军总装备部预研基金项目“非正交多重凋制技术及军事 应用研究”。移卡h 重叠载波技术( p o o w ：p h a s e o f f s e to v e r l a p p e dw a v e s ) 是数据通 信领域的一个重要突破。p o o w 完全不同于现有的调制方式，是一种非正交多重 调制。 经实验证实，p o o w 方案在系统允许的误码率下可使信息传输率成倍的增加， 不仅提高了调制的性能，而且为调制技术开拓了新的发展空间1 3 1 1 4 1 。 在有线通信环境中已经通过仿真验证p o o w 调制的优越性能，如果将其应用 于迫切需求高传输率的无线通信系统中，将对解决移动通信“频谱资源短缺”问 题产生重要的影响。所以，对移相重叠载波技术在移动无线通信中的丌发研究具 有重要的研究意义和实用价值，以及广阔的市场前景。 1 2 本人主要工作 首先对移相重叠调制技术进行了较深入的探讨，分析了其在无线移动环境中 与在有线环境中应用的差异。 其次，由于不同的波形选择会对p o o w 的解调性能产生很大的影响，所以进 行大量计算机仿真测试，在满足高解调性能、带限后波形失真小、带外辐射小的 条件下，总结出适合的参数组合。 而后深入研究了无线移动通信的信道特性。移动通信信道是个非常复杂的随 参信道。移动信道的特点是时延和衰落，时延特性引起信道在时域的展宽，在频 率上的选择性衰落。归根结底，时延和频率选择性衰落都是由移动的多径引起的。 正是由于移动环境的复杂性，对调制解调的要求才更为严格，传输率才会提高缓 慢。基于移相重叠载波技术优越的传输性能，所以试验将这一调制方法应用于简 单的无线通信环境中，并测试其性能。因此本文参考g s m 系统的信道分配原则及 各项参数，设计并仿真了基于移动环境时间色散参数的标量、频率选择性、慢衰 落信道模型，并以此种类型的信道模型为基准，研究p o o w 的传输率、误码性能 等指标。 p o o w 作为一种新的调制方式在有线环境中的性能已经得到了仿真实验证 实，将其试验于无线通信系统，就需要对比同样环境下它与其他调制方式的差异。 由于本文参考的是g s m 系统，所以本文的最后将p o o w 与g s m 的调制方式 g m s k 进行传输性能比对。虽然现在将p o o w 应用与无线通信系统还有很多没有 考虑到的因素，比如信道编码、信道交织、同步问题等等，但是仍然可以将其与 g m s k 进行一些简单的性能比较和测试。 经过长时f h j 的计算机仿真实验证实，将p o o w 应用于相对固定的无线移动通 信环境是可行。实验结果表明，在此系统中，p o o w 在通信系统允许的误码率条 件卜- , f 】u 匕e , 够达到较高的传输率。同时，从实验比对结果可见，在相同的条件下p o o w 与g m s k 相比明湿提高了传输率。 第2 章移相重叠载波技术简介 作为一项突破性技术，移相重叠载波技术( 以下简称为p o o w ) 是一种新颖 的调制方式，也是一种独特的非正交调制技术。由于它突破了传统载波调制正交 分解的限制，实验证实，它的信息传输率比目前被认为高效的载波调制方法q a m 、 d m t 高许多，因而，它有广泛的应用前景。由于该调制方法采用多个移相载波相 互叠加，从而，可以大大的提高传输速率，同时可以使得在有线通信中信号传送 更远的距离川4 1 。下面将对移相重叠码的原理及性能进行论述。 2 1 移相重叠调制方法概述 移相重叠载波方法是一种非f 交调制方法，每个码元由一系列非正交、同频 不同相、分段的正弦函数( 子波) 合成，解码则由解一线性方程组完成。p o o w 允许 较多地提高每个码元可能采用的符号数而不必降低波特率和牺牲带宽，从而显著 的提高了信息速率。 p o o w 已调发送信号描述为 一l 们) = 口。g ( t - k r ) 七= o ( 2 1 ) 其中，h 为卺加的子波数，a 。为随机幅值，f 为子波间的时 b j f o j 隔，g ( t k r ) 为子波，其表达式如式( 2 2 ) 所不。 g ( t k r ) = s i nc o ( t k r ) k ( t k r )( 2 2 ) k ( ，) = 1盯t 一十 t n t + z ( 刀t 0 0 n tz t+ 一(23)ot 1 ) t k ( ，) = 一一 ( 2 3 )、 【 + ( 刀+ 、 ( 2 3 ) 式中，于为码元周期；t o 为正弦波周期；缈：警；，z 0o o ) ；z 尺+ ， 表示j 下弦子波的周期数；z r o 瘟。，；ii ； 一r j 一飞砷乏一卜。卜。i 一- 一卜r r 卜 1 02 03 04 05 d6 07 0 8 0 9 01 0 011 01 2 0 ； r 匕，匕川南，ll：z重：l每信 ： 一及 厂、气 。一j 。一。一一 -ii 1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 011 01 2 0 采样点 图2 1 调制同样比特数及幅值的m a s k 与p o o w f i g 2 1m a s k a n dp o o ww a v e sw i t hs a m em o d u l a t i o nb i ta n d a m p l i t u d e 2 ) 图2 1 中1 ) 绘出m a s k 的调制，图2 1 中2 ) 为p o o w 的移相重叠波示意图， 真正的发送信号s ( f ) 还需要将移相重叠波进行累加，示于图2 1 的3 ) 图中。由图2 1 可见，p o o w 的调制实质是m a s k 的一种形变。m a s k 中四个调制码元足依次排 列的，码元之间相互萨交，而p o o w 则是将这些调制码元以时延f 重叠排列，每 个码之问都是非正交的关系，所以p o o w 为非f 交调制方式。并且，从图中可以 清楚地看到，调制相同的信息，p o o w 花费的时j 、日j 比m a s k 少很多。p o o w 由于 节约了传输时间，因此使得传输率大大提高。萨是这种可重叠的非正交方式，使 得在可容许的采样率与误码率下，p o o w 通过改变子波数和每个子波调制的比特 数可以得到相当高的传输率。 由于这种调制方式的特殊性，因此p o o w 的解调不同于常用的解调方式。现 以m a s k 的相干解调方式为参考，解释p o o w 的解调原理。图2 2 为m a s k 的 相关接收框图【。 4 s i n o c t 图2 2m a s k 相关接收框图 f i g 2 2c o r r e l a t i o nr e c e i v e rb l o c kd i a g r a mo fm a s k a ， 图中的厂( f ) 为m a s k 己调信号，表达式如式2 5 邝，= 阢”吲 s i n ( 刎 亿5 ， 其中i = 0 ：一1 为码元数，瓦为码元周期，对于m a s k 而言也为证弦载波周 期，a i 为调制的幅值，g ( t - i t o ) 表示方波信号，s i nc o t 为证弦载波，( f ) 为相关解 调后的信号，r ( f ) 经过门限判决后得到解调幅值。当不考虑噪声的影响时， a f = a i , m a s k 的解调信号，( f ) 归一化后表示为： l = i 2f 厂( f ) s i n ( 删渺= 号莩弘f g ( r i 瓦) s i n ( 耐) s i n ( 研) 出 = 手口，g ( t - i t o ) s i n 2 ( 耐) 疵= 口，( 2 6 ) p o o w 的解调虽然也为相关解调，但是不同的是它需要建立一个方程组，通 过解此线性方程组得到发送信息。上例的解调过程表述如下： 由( 2 1 ) 式得己调信号为 厂( f ) = 口ls i n ( 耐) k ( f ) + 十a s i n ( c o ( t 一( h 一1 ) z - ) ) k ( f 一( h 一1 ) f )( 2 7 ) 与m a s k 相似，p o o w 的解调也属于相关解调，只不过p o o w 的相关载波 不是单一的s i nc o t ，而是一组具有不同时延的载波，每个载波时延分别对应于码元 中的各子波时延，即s i ( f ) = s i n ( c o ( t 一( f 一1 ) f ) ) ( f = 1 ：h ) ，在例中子波数h = 4 。将 这解调过程用图2 3 加以描述。图2 3 中s e n d s ( t ) 表示接收信号，为移相重叠波 的累加和( 没有考虑噪声以及信道等其他因素的影响) ，s ( t ) = s i n ( c o t ) ，0 f t o ， s 2 ( f ) = s i n ( c o ( t f ) ) ，f t t o + f 至 s j ，( t ) = s i n ( o j ( t 一( h 1 ) f ) ) ，( 日一1 ) r t t o + ( h l 弦分别表示解调l ，2 ，日子波 幅值所需的载波。并以粗线画出了每个载波的相关l 夏f a ，可见，各相关区间都是 与移相重叠波的各子波相对应的。 2 0 2 2 0 2 2 趔0 1 a 田 2 2 0 2 2 0 2 5 1 01 52 02 53 03 54 0 4 55 0 采样点 图2 3p o o w 解调示意图 f i g 2 3d e m o n s t r a t i o no fp o o wd e m o d u l a t i o n 就如图2 3 中所不那样，对p o o w 信号的解调是将发送信号分别与s i ( f ) ， s 2 ( f ) ，s ( t ) 相乘积分，得到 耻号“忙净一n c 州x s i n c 毗叩i n 郇叫聊叫s i n c 硎 + 手i a n ( o j ( t 一( h - 1 ) f ) ) k ( t - ( h - 1 ) 小s i n ( c o t ) a t = a l + b 1 2 a 2 + + 仇a 驴毒五如：c 忙号t o 炉+ z * n c 础s i n t 础叫础+ + _ 。_ 2 i a , s i n ( 缈( f 一恍( f r ) s i n ( 国( f r ) 渺+ 6 + 吾n s i n ( c o ( t - ( h 一1 ) r ) ) k ( f _ ( 一1 ) f ) xs i n ( 缈( 卜r ) 渺 10 r = b 2 , a i + a 2 + + 6 2 a ( 2 8 ) 以此类推，可得曰，b 。其中，b “( 江1 ：，j = l ：h ) 为子波| 日j 的相关系数。 若以s 表示接收端解调得到的信息，则由此可得到方程组 g s = b( 2 9 ) 由此方程组即可解得调制信息s s ：g b ( 2 1 0 ) 其中s ：h ，口：，口，】r 为解调信息，b = 蜀，b ：，b 】7 为相关接收结果。在 没有噪声的情况下，s 等于发送的幅值k i l f = 1 ：。 式( 2 9 ) 与( 2 1 0 ) 中，g 为一个相关系数矩阵，定义为 g = k l i k 2 i k i k 1 2 k 2 2 k f ，2 k l k 2 h k h h ，i = 1 , 2 ，h ，j = 1 2 ，h ( 2 1 1 ) 也即为未调制的码元子波相关值。可以证明，g 为一个t o e p l i t z 矩阵例4 1 ，即 k l l = k 2 2 = = k n n ，k 1 2 = k 2 l = k 2 3 = = k 1 = k 1 = k 肛1 ，一。由此可 知，g 中的元素都是由其第一行元素经过移位而来，而其第一行元素值正是未调 码元与第一未调子波的相关值。即 k = 吾r 北m 以= l ：h ( 2 1 2 ) s ( f ) = as i n ( e o ( t 一( i - 1 ) r ) 涔( f 一( i 一1 ) f ) ，以为未调载波幅值：s l ( f ) 为第1 未 。i 调子波。可见，g 值是可事先计算出的，它只与子波数及子波问时延间隔有关， 与发送数据无关。 由此，通过解( 2 1 0 ) 式并进行门限判决，就完成了p o o w 的解调过程。图2 4 为p o o w 的解调过程框图。 图2 4 p o o w 的解调框图 f i g 2 4d e m o d u l a t i o nb l o c kd i a g r a mo fp o o w 由p o o w 的调制解调原理可以看出，这样的调制方式具有比现在所有的调制 方法高得多的效率，只要采样率足够高，在满足误码率和s n r 要求下，重叠的子 波数日以及子波调制的比特数将不受限制。从原理上，我们分析了移相重叠技术 的应用面，发现是相当广泛的，几乎可以覆盖现有的各种数字通信，比如：对于 x d s l 、f d m a 、t d m a 、c d m a 、d m t 等各种有线和无线传输方式，均可用移相 重叠技术加以改造，以获得高得的传输率1 3 1 1 4 i 。 2 2 移相重叠载波技术在有线信道中的实验仿真成果概述 已有的仿真试验是在电话线传输环境下对p o o w 的性能及特性进行分析探 讨。研究性能对比的对象为x d s l 。 x d s l ( xd i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 是在电话线上实现的宽带接入方式的总称，目 前流行的有h d s l ( h i g hs p e e dd s l ) ，a d s l ( a s y m m e t r i cd s l ) ，v d s l ( v e r yh i g h s p e e dd s l ) 。目前，只有v d s l 能满足更高的速度要求，但v d s l 的传输距离不 超过l k m 。而电话用户离电信局的距离都在4 k m 左右。a d s l 虽然能达到4 k m 的 距离，但最高速率低于2 m b p s ，而且是不对称的。h d s l 是双向对称传输，但速率 是1 5 4 m b p s 。新的需求中许多需要双向对称的6 m b p s 以上的传输率。也就是说， 目前的x d s l 满足不了宽带接入的需求 4 1 _ 1 6 1 。 8 为了解决传输速率受限的问题，将移相重卺载波p o o w 实验于宽带接入技术 中，设计并仿真了基于p o o w 的对称高速传输系统( 称为l s d s l ) 。仿真条件如下： 频带选择：目前，x d s l 的种类繁多，占据了电话线上几乎所有的频带。因 此，l s d s l 所选的频带必须考虑频谱兼容性的问题。这包含两方面的涵义- - ( 1 ) 尽 量减少已有的x d s l 对自身的串扰噪声( 主要是近端串扰n e x t ) ；( 2 ) 不能对已有的 x d s l 造成大的串扰。另外，还要考虑高频段对信号的衰减因素，尽量选取低频段。 为此，l s d s l 的频带选取为上行在( 0 - - - 4 0 0 ) k h z ，下行在( 4 6 5 1 0 8 5 ) k h z 。x d s l 以 及l s d s l 的频带选择示于图2 5 中1 6 1 。 乱0 0 4 屯0 2 5o 0 sg 1 3 8 o 3o 4o 4 & 51 0 8 51 i毖3 7 5嬲誊 图2 5 数字用户环路的频谱分配 f i g 2 5f r e q u e n c ys p e c t r u mo fd i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 传输介质：c s a l o o p # 8 数字用户环路( 3 6 5 7 6 m ( 1 20 0 0 英尺) ，2 4 a w g ) ，5 0 对线束。传输介质的时域冲激响应及幅频特性示于图2 6 中。 9 趔 1 口匝 归一化频率 图2 6c s a l o o p # 8 信道冲激响应与幅频特性曲线 f i g 2 6i m p u l s er e s p o n s ea n da m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s eo fc s a l o o p # 8c h a n n e l 噪声类型：在上行信道中，选取2 4 对h d s l 的n e x t ，2 5 对a d s l 的f e x t 和1 4 0 d b 的白噪声。在下行信道中，已经不存在n e x t 噪声，选取2 5 对a d s l 的f e x t 和1 4 0 d b 的白噪声。 波形设计：上行共5 0 个子波，每个子波携带2 个比特，传输率为1 0 m b p s ， 下行共2 1 个子波，每个子波携带3 个比特，传输速率为9 7 6 5 m b p s 。 在x d s l 信道上的仿真结果为：在( 肚1 1 ) m h z 的带宽下，在4 k m 的距离上实 现了双向对称1 0 m b p s 的传输率【6 l 。 并且，通过多次实验测试，与d m t 相比，p o o w 具有信息传输率高、星座图 上的最小距离大等优点。不仅提高了调制的性能，而且为调制技术丌拓了新的发 展空间1 3 】 l4 1 。 在有线信道中p o o w 的优势得到了有效的证实。那么p o o w 能否应用于无线 环境中呢? 针对这个问题，本文将在第3 、4 章对p o o w 在无线环境中的应用进 行分析研究。无线通信不同的频段有不n 二j 的传播特性，限于篇幅和时间，本文选 取g s m 9 0 0 m h z 移动通信为实验参考对象，凶此只分析与g s m 9 0 0 m h z 频段环境 相关的传播特性。本文在第3 章中先对无线移动通信环境进行简要介绍。 l o 第3 章无线移动通信环境介绍 无线移动环境是一种电波传播环境很复杂的无线环境，电波在不同的地形地 貌和移动速度的条件下传播。将p o o w 技术应用于无线通信环境不同于有线的情 况，因此首先需要了解无线移动环境的特性及标准。 3 1 无线通信简介 3 1 1 无线通信的发展概况 自从1 8 9 6 年马可尼发明无线电报以来，由于无线通信使用的灵活性，给用户 带来了方便，用户可以随时随地地使用。近年来，无线通信，特别是移动通信， 得到了迅猛的发展。 移动通信的发展过程及趋势概况如下： ( 1 ) 工作频段由短波、超短波、微波发展到毫米波、红外和超长波； ( 2 ) 频道间隔由1 0 0 k h z 、5 0 k h z 、2 5 k h z 发展到1 2 5 k h z 和宽带扩频信道； ( 3 ) 调制方式由振幅压扩单边带模拟调制发展到数字调制： ( 4 ) 多址方式由频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 发展到 混合多址，以及固定多址和随机多址的结合； ( 5 ) 网络覆盖由蜂窝发展到微蜂窝、微微蜂窝和混合蜂窝； ( 6 ) 网络服务范围由局部地区、大中城市发展到全国、全世界，并由陆地、水上、 空中发展到陆海空一体化； ( 7 ) 业务类型由以通话为主，发展到传送数据、传真、静止图像，直到传输综合 业务1 7 。 3 1 2g s m 发展及其标准 鉴于本文所囱的设计参数都是参照g s m 系统选取的，所以在这甲对g s m 的发展及其部分标准进行介绍。 在2 0 世纪7 0 年代初期，出现了以合理成本在8 0 0 9 0 0 m h z 频带上配置移动 通信系统所需的无线电技术。1 9 7 6 年，国际无线电大会批准了在8 0 0 9 0 0 m h z 频段对蜂窝电话的频率分配方案，使得蜂窝系统进入了商用阶段。在2 0 世纪8 0 年代早期，许多困家都使用基于频分复用和模拟调频技术的第一代蜂窝系统。 在频分复用方式中，每个载波占用一个信道。当移动台接入系统时，事实上分 配了两个载波( 信道) ，一个是前向链路( 基站到移动台) ，一个是反向链路( 移动台 到基站) 。前向和反向载波频率的分离对于实现双工通信是必需的，一个复杂排 列的滤波器组隔离了日订向和反向信道，阻止了无线接收机的自我拥塞。 1 9 7 9 年，第一代模拟蜂窝系统，即同本电话电报( n t t ) 系统丌始运作。欧洲 国家注意到，第一代蜂窝系统的互不兼容配置阻碍了移动台在全欧洲的漫游业 务的发展。最终，欧洲邮电管理大会在1 9 8 2 年成立了移动通信特别小组( g s m ) ， 为未来的泛欧蜂窝无线系统制定标准。g s m 系统( 现在称为“全球移动通信系统”) 在一个新的分配频率上运行，并且将改善质量、泛欧漫游和支持数据业务作为 其主要目标l8 1 。 g s m 系统将无线频率定在9 0 0 m h z 范围，第二阶段为1 8 0 0 m h z 。第一阶段 的部分指标如下： ( 1 ) 频段：上行线路，m s ( 移动台) 发，b t s ( 基站收发信台) 收的频段为 8 9 0 9 15 m h z ： 下行线路，b t s 发，m s 收的频段为9 3 5 9 6 0 m h z ： ( 2 ) 频带宽度：2 5 m h z ； ( 3 ) 上下行频间隔：4 5 m h z ； ( 4 ) 载频间隔：2 0 0 k h z ； ( 5 ) 通信方式：全双工； ( 6 ) 信道分配：每个载频8 个时隙，包括8 个全速信道，1 6 个半速信道； ( 7 ) 每个时隙的信道速率：2 2 8 k b i t s ； ( 8 ) 信道总速率：2 7 0k b i t s ； ( 9 ) 调制方式：g m s k ，高斯最小移频键控； ( 1 0 ) 接入方式：t d m a ； 我国原邮电部规定9 0 0 m h z 为g s m 使用频段，使用的上行频段为 9 0 5 9 1 5 m h z ，下行频段为9 5 0 - 9 6 0 m h z 。g s m 采用频分多路( f d m a ) 和时分多 路( t d m a ) 的混合技术，具有较高的频谱利用率。每个频率的中心频带为2 0 0 k h z ， 将所给频带8 9 0 9 1 5 m h z 等问隔( 2 0 0 k h z ) 分成1 2 5 个载频，每个载频又分为8 个 时隙，每个时隙为一个信道，总计为1 0 0 0 个信道1 9 1 。 1 2 3 2 移动通信传播环境特点简介 3 2 1 移动通信的传播媒介的特点 任何一个通信系统，信道是必不可少的组成部分。信道按传输媒介分为有线 信道和无线信道。有线信道包括架明线、电缆及光纤；无线信道中有中、长波地 面波传播、短波电离层反射传播、超短波和微波直射传播以及各种散射传播。根 据信道特性参数随外界各种因素的影响而变化的快慢，通常分为“恒参信道”和 “变参信道”。所谓“恒参信道”是指其传输特性的变化量极微，且变化速度极 慢，或者说，在足够长的时问内，其参数基本不变；“变参信道”与此相反，其 传输特性随时问的变化较快。移动通信为典型的“变参信道”1 7 。 与有线传播媒介相比，无线电波的传播特性一般都很差，而且不同用户的传 播信号在传播过程中还会互相干扰。因此建立无线传播系统远比有线系统复杂。 无线传播环境是一种随时间、环境和其他外部因素而变化的传播环境f 8 】。 3 2 2 多径效应 陆地移动信道的主要特征是多径传播。在移动传播环境中，到达移动台天线 的信号不是单一路径来的，而是许多路径众多反射波的合成。由于电波通过各个 路径距离不同，因而各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位 的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反向叠加而减弱。这样， 接收信号的幅度将急剧变化，即产生衰落。即使移动接收机处于静止状态，接收 信号也会由于在无线信道所处环境中物体的运动而产生衰落。这种衰落是由多径 引起的，所以称为多径衰落1 7 】。 总而言之，多径效应是由移动台周围的环境决定的，不同的环境对电波有不 同的反射、散射及绕射，斟此产生不同的多径影响。 3 2 3 多普勒效应 如果无线信道中物体处于运