（信号与信息处理专业论文）协同分集及其在mimoofdm系统中的应用(1).pdf

南京邮电人学硕1 ：研究生学位论文 摘要 摘要 当今，第三代移动通信( 3 g ) 己经逐渐商业化，对于下一代移动通信系统( b 3 g 和4 g ) 的 研究也已经展开。由于人们对各种数据业务的移动接入提出更多的需求，因此支持高速多 媒体数据业务成为新一代移动通信系统需要达到的主要目标。在现有的各种技术中，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 ，o f d m ) 技术，多入多出天线 ( m u l t i p l e - i nm u l t i p l e - o u t ) 技术和协同分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 技术由于其特有 的优势，引起了人们极大的兴趣，并进行了广泛而深入的研究。 m i m o 技术能够充分利用无线信道中的多径效应，在不增加系统带宽的情况下大幅度提 高系统容量；o f d m 技术则能有效的对抗无线信道中的衰落；将m i m o 与o f d m 技术相结合能 提高系统的容量和性能，m i m o 和o f d m 技术已成为下一代移动通信系统中两大必备的技术。 协同分集技术能够利用无线网络中的分布式天线，用户之间协同地传送信号，从而获得一 定的空间分集增益，起到“虚拟m i m o 的作用。移动终端由于设备条件的限制，往往无法 配置多天线。这种情况下运用协同分集可有效地获得空间分集增益；而且，即使终端具备 多天线，加入协同分集也能进一步获得空间分集。因此，在移动终端只有单天线的 m i m o - - o f d m 系统( 比如两发一收的s t b c o f d m 系统，s f b c o f d m 系统) 中加入协同分集，将 能有效地提高系统的空间分集增益，从而提高系统的性能。 本文首先介绍了m i m o o f d m 系统的基本原理，协同分集的基本原理和特点，接着给出 本文的中心论点，即在m i m o - o f d m 系统中加入协同分集的协同m i m o - o f d m 系统。分别描述 了加入一根中继天线的协同s t b c - o f d m 系统和协同s f b c - o f d m 系统，而且讨论了运用各种协 同策略的发送过程及其最佳接收机的结构。仿真结果表明，协同m i m o - o f d m 系统的性能要 优于单纯的m i m o o f d m 系统。然后讨论了译码前传协同分集的最佳功率分配问题，仿真结 果表明，采用最佳功率分配的系统性能要优于平均功率分配的系统。再然后研究了一种简 单的基于正交信号的协同分集策略。最后是本文的总结。 关键词：m i m o - o f d m 系统协同分集协同m i m o - o f d m 系统虚拟m i m o a b s t r a c t t h e3 州g e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o n si sc o m i n gi n t oc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s ，a n d t h en e x tg e n e r a t i o n ( b e y o n d3 ga n d4 g ) c o m m u n i c a t i o n si sb e i n gr e s e a r c h e de x t e n s i v e l y b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o rv a r i o u sd i g i t a ls e r v i c e s ，i tb e c o m e sas i g n i f i c a n tt a r g e t t os u p p o r t i n gh i g h s p e e dm u l t i m e d i as e r v i c e si nb 3 g a n d4 g s y s t e m s i na l lk i n d so ft e c h n i q u e s ， o 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 ( o f d m ) ，m u l t i p l e i nm u l t i p l e o u ta n t e n n a ( m i m o ) a n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya r ei n t e r e s t i n gb e c a u s eo f t h e i ra d v a n t a g e s ，a n dt h e ya r e b e i n gi n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l y am i m os y s t e mt a k e sa d v a n t a g eo ft h es p a t i a ld i v e r s i t yt h a ti so b t a i n e db ys p a t i a l l y s e p a r a t e da n t e n n a si na d e n s em u l t i p a t h sc a t e r i n ge n v i r o n m e n t ，a n dc a ni n c r e a s ec h a n n e l c a p a c i t yw i t h o u tt h eb a n d - w i d t hi n c r e a s i n g o nt h eo t h e rh a n d ，o f d mc a l lr e s i s tt h e f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gi nw i r e l e s sc h a n n e l s oi ti sac h a l l e n g ew o r k t oc o m b i n i n gm i m o a n do f d mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n di n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t y m i m oa n do f d m a r e t w ob a s i ct e c h n i q u e si nn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa b s o l u t e l yn e c e s s a r i l y c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya i m st ou t i l i z et h ea v a i l a b l et e r m i n a l sa sa c o l l e c t i o no fd i s t r i b u t e d a n t e n n a sf o rt h et r a n s m i s s i o no fs i g n a l sc o o p e r a t i v e l y ，a n dp r o v i d et h es p a t i a ld i v e r s i t y c o n s e q u e n t l y ，s oi ti sw o r k e da s v i r t u a lm i m o ”b e c a u s eo ft h ec o n d i t i o n a ll i m i ti nm o b i l e t e r m i n a l s ，c o o p e r a t i o nu s e ri se s p e c i a l l ya d v a n t a g e o u sw h e ne m p l o y i n g am u l t i t u d eo fa n t e n n a s a tt r a n s m i t t e ro rr e c e i v e ri sn o tf e a s i b l eo rc o s t - e f f e c t i v e e v e nw i t hm u l t i p l ea n t e n n a sa v a i l a b l e ， c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc o u l dp r o v i d es u b s t a n t i a la d d i t i o n a ld i v e r s i t yb e n e f i t s t h e r e f o r e ， c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sa p p l i e di nm i m o - o f d ms y s t e m s ( s u c ha st w o t r a n s m i s s i o na n t e n n aa n d o n er e c e p t i o na n t e n n as t b c - o f d ms y s t e ma n ds f b c - o f d ms y s t e m s ) i nw h i c hm o b i l e t e r m i n a lh a v eo n l yo n ea n t e n n a ，a n de f f e c t i v e l yp r o v i d es p a t i a ld i v e r s i t ya n di m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e t h i sp a p e r f i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fm i m o ，o f d ma n dm i m o o f d ms y s t e m s ， t h e ni n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ，a n dp r e s e n tt h ec e n t e r c o n t e n t i o no ft h i sp a p e r ，w h i c hi sc o o p e r a t i v em i m o o f d ms y s t e m sw h i c hi sf r o ma p p l i c a t i o n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi nm i m o - o f d ms y s t e m w ed e s c r i b ec o o p e r a t i v es t b c o f d ms y s t e m s a n dc o o p e r a t i v es f b c - o f d ms y s t e m sw h i c hi so n er e l a ya n t e n n aa d d e dr e s p e c t i v e l y ，a n d h 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t d i s c u s sm a n yc o o p e r a t i v es c h e m ei nt r a n s m i s s i o na n dt h es t r u c t u r eo f o p t i m u mr e c e i v e r t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo f c o o p e r a t i v em i m o - o f d ms y s t e m si sb e t t e rt h a nt h a to f n o c o o p e r a t i o nm i m o - o f d ms y s t e m s t h e n ，t h ep r o b l e mo fo p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o nf o r d e c o d e a n d f o r w a r dc o o p e r a t i o np r o t o c o li sd i s c u s s e d ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo f u s i n go p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o ni sb e t t e rt h a nt h a to fa v e r a g ep o w e ra l l o c a t i o n t h e n ，w es t u d ya s i m p l ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m eb a s e do no r t h o g o n a ls i g n a l i n g c o n c l u s i o ni sp r e s e n t e di n t h ee n do ft h i sp a p e r k e y w o r d ：m i m o o f d ms y s t e m s c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y c o o p e r a t i v em i m o o f d ms y s t e m sv i r t u a lm i m o i l l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 t 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：弘日期：蟛j 歹 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：与晦导师签名：平鲤吼率) | f 南京邮电人学顾j ：研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 跨入2 l 世纪，人类社会同时也进入了信息时代。发达的通信是信息时代的重要标志， 也是实现信息化的基础。人们希望做到的是，任何人能够在任何时间、任何地点、与任何 用户以任何方式方便地进行通信。无线移动通信无疑是实现这一目标的一个重要关键，这 就要求其应能够提供综合语音、视频和数据等多种业务的多媒体服务的能力，这是未来通 信技术和业务发展的大趋势。 为了达到上述目标，各种无线通信业务和宽带数据业务近几十年得到了巨大发展。但 随之而来的问题是，无线资源尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何更高效地利用这些有 限的通信资源来提供高速、可靠的宽带数据业务成为无线通信新技术发展的焦点所在。同 时，与固定有线通信不同的是，无线通信中的信号要通过自由空间来传输，这一信道的随 机时变性和严重的传输缺陷决定了无线通信技术的特殊性和复杂性。为了解决无线通信的 可靠性和有效性，新的理论和技术不断涌现。其中，m i m o 多输入多输出技术，o f d m 正交频 分复用技术，协同分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i y ) 技术就是近年来在无线移动通信的重要 研究领域。 1 1 多天线正交频分复用系统概述 m i m o 多输入多输出技术同时采用多天线发射和多天线接收，能够在空间中产生独立 的并行信道同时传输多路数据流，这样大大提高了无线通信系统的容量和频谱利用率。多 天线系统一般采用空时传输技术或空时编码方法进行高速率或高可靠性的数据传输。o f d m 正交频分复用是一种多载波的数字传输体制。它将高速串行数据转变为低速并行数据，并 用多个相互正交的子载波分别调制这些并行数据。这样就把频率选择性多经衰落信道在频 域内转换为多个平坦衰落信道，减少了多经衰落的影响。各个子载波相互重叠且正交，因此 可以有效地提高频谱利用率。将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是 实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性。因此，m i m o o f d m 系统被认为 是下一代移动通信系统的最佳解决方案。 m i m o 技术和o f d m 技术相结合是无线通信领域智能天线技术的重大突破。m i m o 技术能 在不增加宽带的情况下成倍地增加通信系统的容量和频谱利用率：而o f d m 技术被普遍认为 是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。m i m o o f d m 技术可以为系统提供空间复用增 益，从而大大增加信道容量。m i m o 技术的空间复用就是在接收节点和发射节点使用多个天 线，充分利用空间传播的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道发射信号，从而使得容 量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不占用额外的带宽，也不消耗额 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一荦绪论 外的发射功率，因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。 m i m o 技术在一定程度上可以利用传播上的多径分量，而就是说m i m o 可以抗多径衰落， 但是对于频率选择性深衰落，m i m o 技术依然是无能为力的，目前解决m i m o 技术频率选择性 衰落的方案可以结合o f d m 技术，将频率选择性衰落转换为子载波上的平坦衰落。另外，而 o f d m 提高频谱利用率的作用有限，在o f d m 的基础上合理开发空间资源，也就是m i m o + o f d m ， 就可以提供可靠的数据传输速率。 1 2 协同分集技术概述 对抗无线信道中的衰落的另一种方法是分集。时间分集、频率分集和空间分集被广泛 应用子蜂窝移动通信系统。近年来，空间分集成为当今研究的热点。将信号从物理位置分 离到较远的天线上发送，或在物理位置相隔较远的接收天线上接收，这样所经历的衰落是 独立的，从而可以获得空间分集。常用的空间分集技术有多发送和多接收天线技术( 空时 编码) 。但是，在无线通信的上行链路中，特别是蜂窝移动通信的上行链路中，由于受到 移动台尺寸的限制，采用多天线是不现实的。为了使单天线的移动节点也能获得空间分集， 人们提出了协同分集的概念。这种分集增益可以通过一个小区内的用户的协同来获得，也 就是说，在每个小区内，每个用户都有一个伙伴，两个具有伙伴关系的用户除了传送自己 的信息外，都有责任传送另一同伴的信息。这样，可使用同伴的天线来获得空间分集。在 发射节点或接收节点不能提供多天线的情况下，协同分集能很有效地提供空间分集，甚至 在节点具有多天线的情况下，运用协同分集也能提供一定的空间分集增益。 1 3 协同m i m o o f 咖系统概述 把协同分集技术和m i m o o f d m 技术相结合，能更大程度地增加空间分集增益，更有效 的对抗衰落信道。特别是在节点不能完全提供多天线的情况下，协同分集技术能起到“虚 拟多天线”的作用。在m i m o o f d m 系统中加入协同分集技术是对原有m i m o - o f d m 系统的完善 和补充。虽然系统的复杂性有一定程度的增加，但随着用户对无线通信传输速率的不断要 求，结合一切可利用资源的协同m i m o - o f d m 系统将是下一代移动通信系统的理想解决方案。 1 4 本文所做的工作和章节安排 本文主要研究了协同分集在m i m o - o f d m 系统中的应用，分别在空时块码正交频分复用 ( s t b c o f d m ) n 儿系统和空频块码j 下交频分复用( s f b c o f d m ) 口m 3 系统中加入一根中继节 点天线进行协同。仿真表明，具有协同的系统较之未协同的系统有明显的误码率性能改善。 另外还研究了译码前传策略下的协同分集的最佳功率分配问题。最后还研究了一种简单的 基于正交信号的协同分集策略。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 本文的主要安排如下： 本文第二章首先分别介绍了m i m o 技术的基本概念及原理，o f d m 技术的基本原理及其 优缺点，然后介绍了m i m o - o f d m 系统的系统框图及其结合原理。最后分别介绍了s t b c - o f d m 系统和s f b c - o f d m 系统的基本原理，为下文给出的协同m i m o - o f d m 系统打下基础。 第三章首先介绍了协同分集的基本原理，接着介绍几种常见的协同策略，最后讨论了 协同分集技术面临的几个重要问题。 第四章是本文的中心内容，分别在蔼发一收的s t b c - o f d m 系统和s f b c - o f d m 系统中加 入根中继节点天线，构成了协同s t b c - o f d m 系统和协同s f b c - o f d m 系统。分别介绍了这 两种协同系统的系统模型，协同发送，最佳接收及仿真结果与分析。其中讨论了各种不同 的协同策略，有放大前传，处理前传，译码前传等协同策略。 第五章研究了译码前传策略协同分集的最佳功率分配问题。首先给出这种协同的系统 模型，然后进行符号差错率分析，接着根据符号差错率的紧上界进行最佳功率分配的理论 推导，最后给出计算机仿真结果。 第六章首先给出一种简单的基于正交信号的协同策略的系统模型，这种协同策略在对 同伴信息进行译码时，无需进行c r c 码校验，而只进行判决，然后进行前传。再介绍这种 协同系统的信号接收过程，然后进行比特差错率分析，最后给出计算机仿真结果。 第七章是全文的总结，阐述了全文所做的工作，展望了协同m i m o - o f d m 系统的发展前 景和待解决的问题。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o o f d m 系统 第二章m i m o - o f d m 系统 新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 将可以提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t s ，甚 至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根 据这些业务所需的速率不同动态调整，新一代移动通信的另一特点应该是低成本。在有限 的频谱资源上实现高速率和大容量，需要频谱效率极高的技术。m i m o 技术可充分开发空间 资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可 以提高系统容量。0 f d m 技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利 用频谱资源，另外，0 f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰 落，因此充分开发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术 的解决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。 2 1m i m 0 技术原理 2 1 1 m 0 基本原理及性能分析 本节主要介绍m i m o 系统的模型和主要技术特点。考虑具有根发射天线和根接 收天线的点对点m i m o 通信系统模型。每个传输符号由一个n 1 x1 的列向量x 表示，其元 素薯表示从天线f 发出的信号。每个接收信号由一个以1 的列向量y 表示，其元素y ，表 示从天绷上接收到的信号。对于平坦衰落信道，定义从天线f 到天约的信道响应为办蹦， 如图2 1 所示。据此可以写出如下信号模型： 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 系统 图2 - 1m i m o 传输示意图 y = h x + z ( 2 1 ) 其中z 表示接收天线上的噪声，元素刁表示鳓根天线上的噪声。信道h 经过归一化，以保证 每根接收天线上接收到的信号的功率都等于发送节点天线的总功率。m i m o 系统的诱人之 处在于它具有比s i s o 系统大得多的信道容量。业已证明，当z 为高斯分布的白噪声时，( 2 。1 ) 所描述的通信系统的信道容量为 c 删d e t ( z + 警q ) 娩2 ， 其中w 为传输带宽，s n r 是坼根发射天线总功率与每根接收天线上噪声方差的比值，即 信噪比，q 的定义为 q = 【h h h 仃h n ，, n r r x 9 x 1 令于块码编码； | i l , t l u 】 瓦j 解 “ 器 图2 1 1 空时块码示意图 空时分组码的译码也可像分层空时码一样采用联合检测译码，一般利用正交性，用最 大似然译码算法实现，而且译码复杂度低，能得到最大的发送分集增益，性能接近于最大 比合并接收。 2 2 o f d m 技术基本原理及其关键技术 2 2 1o f d m 的发展历史和发展前景 早在1 9 6 6 年，就有文献提出了频谱交叠的f d m 系统，此后，又有学者开展了用离散傅 立叶变换( d f t ) 实现f d m 系统的研究，1 9 7 1 年w e i s t e i n 和e b e r t 提出了一个完整的o f d m 系统 f 2 0 3 1 2 , 3 ，该系统包括f f t 产生信号以及在多径信道中加入保护间隔。此后进一步地研究和分 析了o f d m 系统在平坦及频率选择性衰落信道下的性能的理论和实现。 虽然，6 0 年代的一些文献里就已经提出了o f d m 的基本原理。但是由于当时没有功能 强大的半导体集成电路器件，所以未能有效地实现这些想法。9 0 年代以后，由于能够使用 f f t 技术实现有效的调制，并且伴随着近年来数字信号处理技术、半导体技术的飞速发展 及大规模集成电路的应用，o f d m 进入了实用化阶段。在现有条件下，即使是较复杂的高 速率o f d m 传输系统，在技术上也是可行的，目前o f d m 在频率选择性无线信道中的应 用已经逐步开始发挥其明显的优势。另一方面新一代无线宽带远距离移动通信中对传送的 数据量要求越来越大，例如m p e g 2 视频需要5 l o m b p s 的数据速率，而高清晰电视 ( h d t v ) 需要2 0 m b p s 的数据速率。在带宽和功率受限的条件下，就必须采用o f d m 这样 的高效调制技术。 o f d m 已经在卫星通信、数字音频广播( d a b ) 【2 2 1 、数字电视广播( d v b ) 【2 3 l 中得到了广 泛的应用。在x d s l a d s l 等有线接入技术中也使用了o f d m 调制方法。目前，关于无线 局域网( w l a n ) 的i e e e 8 0 2 11 a 【2 4 】和e t s ib r a n h i p e r l a n 2 工作组都推荐o f d m 作为最 基本的关键技术。 1 4 雹沁 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o - o f d m 系统 2 2 2o f d m 技术基本原理及系统模型 在传统的数据通信系统中，数据符号都是按顺序发送的，同时，所发送的数据将占据 整个有效频段。在这样的系统中，无线传输信道的多径衰落效应将对数据造成很大影响， 从而导致在接收节点需要复杂的算法来恢复原始数据，而多载波技术将整个频段分成若干 个小频段，从而在很大程度上消除了信道衰落效应的影响，保证了数据传输的可靠性。 o f d m 是一种多载波技术，它通过适当选择相邻载波间的距离来保证载波间的正交性，从 而消除载波间干扰。o f d m 技术将宽带信道划分为并行的窄带信道( 叫作子载波) 。子载 波间频率正交，再将要传输的高速数据流分为许多速率较低的数据流，在不同的子信道中 分别传输，再经收发信机传输。o f d m 技术比较好地克服了无线信道的频率选择性( 产生 符号间干扰) 和时间选择性( 产生子信道间干扰) 乜引，因此具有抗多径干扰和衰落的能力。 在数字系统中o f d m 的系统结构如图2 1 2 所示嘲。 图2 1 2o f d m 系统结构 o f d m 调制的基本原理如图2 1 2 所示。 盔。杰 棚 j j l ! 撩 f r 一k y 啡7 7 数，序州 通 小 数乩，畸稚t二r f ： ： d t = a i + 必i 转 滤换 波 带 通滤 波 图2 1 3o f d m 调制基本原理 令传送的符号序列为( d o ，碣，九一，) ，每一个符号z 是经过基带调制后的复信号 d l = c i + 地，串行符号序列的间隔为& = 万1 ，其中z 是系统的符号传输速率。串并变换 之后，他们分别调制n 个子载波( 厶，石。， 一1 ) ，这n 个子载波频分复用整个信道带宽 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 系统 相邻子载波之间的频率间隔为亍1 ，符号周期t 从& 增加至i j n a f 。合成的传输信号如下： d ( r ) = ( 口fc o s f + 6 fs i n 心f ) ( 2 - 1 3 ) f d m 实际上是一种频分复用方式，由一系列在频率上等间隔的子载波构成。设 以 为组载波，各载波频率的关系为 以 = 五+ k t , ；k = o ，1 ，2 ，n - 1 上式中t 为单元码的持续时间，兀是发送的频率。 作为载波的单元信号组定义为 式中 ( 2 1 4 ) q g j k ( t ) = g k ( t j t s ) - o o j ) ( 2 1 5 ) 渺卿巍 其频谱相互交叠如图2 1 3 所示。 k - o ，l ，2 ，3 。k 1 ( f ) 满足正交条件 以及 图2 1 4 g ( f ) 信号频谱 h 七( f ) 唠( t ) d t = 0 ，j * j 7 ，k # k 弧以) 1 2 西= c 其中宰表示共轭。 当以一组取自有限集的复数 q ，七) 表示数字信号纺，七( f ) 调制时，则： 1 6 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 吩q 脚 。l 、 = d 南京邮电大学硕一k 研究生学位论文第二豪m i m o o f d m 系统 这里的d ( t ) e o 为o f d m 信号，每个子载波单独被数字符号调制，调制方法可以相同也可 以不同，各子载波满足正交性条件，各载波上的调制功率谱形式都是一样的，都为s i n 彤 型，其峰值正对应于其它子载波频谱中的零点。各子载波组合在一起，总的频谱形状非常 近似矩形频谱，其频谱宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽，因此频带利用率可趋近于香浓 信息论的理论极限。另一方面，由于各个载波上的信息是不相关的，相加后在时域内的合 成信号与白噪声非常相似，说明o f d m 系统对抗多径衰落有很大潜力。 通过下式解调出c ，蠢 q ，七= f 1jd ( f 域，( t ) d t ( 2 _ 2 0 ) 当传输信道中出现多径传播时，在接收子载波问的正交性将被破坏，使得每个子载波上的 前后传输符号间以及各个载波之间发生相互干扰。为了解决这个问题，就在每个o f d m 传 输信号前插入一个保护间隔，它是由o f d m 信号进行周期扩展得来的。只要多径时延不 超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏，加在每个子载波调制符号上的干扰就 会变成一个简单的乘性衰减，这个衰减代表了相应子信道的传递函数。一般来说，信道传 输特性的变化相对于o f d m 信号周期是极缓慢的。因此，可用差分编码等测得这些子传递 函数，对于接收信号进行补偿，就能正确恢复发送的符号。 2 2 30 f d m 主要的优点及不足之处 。 作为一项非常有前景的无线宽带多媒体传输方案o f d m 技术的传输方案有以下优 占 、 许多频谱重叠，从而更有效的使用频谱资源。 通过把信道划分为平坦的窄带子信道，o f d m 比单载波系统更能抵抗频率选择性衰 落。 通过使用循环前缀，o f d m 可以消除i s l 年f l i c i 干扰。 使用适当的信道编码和交织，可以恢复由于信道频率选择性衰落而引起的符号丢失。 和单载波系统中使用的自适应均衡器相比，o f d m 系统信道均衡更简单。 不同调制相邻时，不再需要信道隔离。 和单载波系统相比，对取样时钟偏差的敏感度要低。 对于同频道干扰和脉冲寄生噪声，能提供更好的保护。 通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。通过将各个信道联合编码，则 可以使系统性能得到提高。 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第z - - 苹m i m o - o f d m 系统 当然o f d m 也存在以下缺点： o f d m 有更大的峰值平均功率比，这样会降低射频( r f ) 放大器的功率效率。因此， 也就需要r f 功放有更高的峰值平均功率比。 对载波频率偏移和相位噪声更敏感。 对系统中的非线性问题敏感。在基于d f t 的o f d m 系统中，所有调制器的输出都自 动地联合加在一起，然后，这个合并后的信号被放大。这与原始的o f d m 系统不同， 在最初的o f d m 系统中，是先对m o d e m 的输出进行放大，再将各个放大后的信号合 并在一起。这就使得基于d f t 的o f d m 系统对放大器的非线性敏感，因此，合并后 的信号具有类似于高斯噪声的幅度特性。 对定时和频率偏移敏感。精确定时和减少频偏对o f d m 尤为重要。因为如果做不到这 一点，o f d m 的正交性将无法保证，就必然引起各子信道之间的相互干扰及符号间干扰。 在移动通信中，当移动台相对于基台运动时，收到的电波将发生频率的变化，此变化 称为多普勒频移。频移之值为 = 羞= 六詈( 2 - 2 1 ) 其中，五为载波，g 为光速。 o f d m 技术的应用环境一般是频率选择性瑞利衰落信道。 2 2 40 f d m 关键技术 0 f d m 系统的实现主要涉及到如下关键技术： 编码技术 在几乎所有的多载波调制应用中，不采用额外的一些形式的编码就无法得到满意的性 能。在有线系统中，通常采用一些大尺寸的星座图来实现高码率。然而当存在串音和脉冲 干扰以及其它干扰的时候，为了达到高可靠性，编码是十分必要的。在抗衰落的无线系统 中，由于信道传输条件地恶化，需要非常高的s n r 才能获得比较合理的误码率。此外经常 会有一些来自其它无线信道的严重干扰，因此，编码技术在有线和无线信道中都是必须的。 对于数字通信链路，正确的编码是十分重要的。设计者应该根据通信系统的特性考虑 各种设计因素。这些因素包括编码增益、信道特性、信源编码要求、调制等。在0 f d m 系 统中，信道编码存在额外的尺度。编码可以同时在时域和频域中实现，因此可以进行二维 编码，从而更好地抵抗频率和时间选择性衰落，提供系统的整体性能。显然为了达到上述 目的，交织也扮演着非常重要的角色。带有时域频域交织的块编码和卷积编码的联合编 码构成t o f d m 系统一种串行级联编码策略。近几年出现了一种新的并行级联编码，也就 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o o f d m 系统 是t u r b o 码，在o f d m 应用当中，它是一种非常有前景的编码方式。 同步技术 在o f d m 接收机能够正确解调子载波之前，至少必须进行两种同步。必须找到符号的 边界和最优的定时瞬间，从而减d 、i c l 和i s i 的影响。必须估计和纠正接收信号载波频率 的偏移，因为任何的偏移都会导致i c l 。这两种同步技术不仅仅是在o f d m 接收机中需要， 对于相干检测来说，频率、载波相位也需要进行同步，并且，相干q a m 解调需要知道所有 子载波的幅度和相位，从而找出每个子载波q a m 星座的判决边界。 在o f d m 链路中，如果发射机和接收机采用相同的频率，子载波就能够非常好的正交。 任何的频率偏移都会导致i c l 。一个实际应用的震荡器不会产生一个确切频率的载波，它 产生的载波是一个受到随机相位抖动相位调制的载波，并非一个常数，因此在o f d m 接收 机中会引起i c i 。对于单载波系统，相位噪声和频率偏移仅仅引起接收s n r 的下降，而不 会造成干扰。o f d m 系统比单载波系统更容易受到相位噪声和频率偏移的影响，通过使用 循环前缀或特殊的o f d m j i i 练符号来实现符号定时和频率同步。 在下行链路中，基站同步地向各个移动节点发送信号。这与广播的情形是一样的。所 有来自于基站的数据可以被移动节点利用进行同步。在上行链路中，来自不同移动节点的 信号必须以一定的同步性达到基站，才能保证子载波间的正交性，从本质上来说，o f d m 系 统的同步又可以分为时域同步和频域同步。 信道均衡 在无线信道中常常采用差分调制，因为它不需要信道估计，信道特性已经包含在相邻 的符号差中了。但是它使噪声有3 d b 增益，并且无法利用频带效率更高的多电平调制技术， 连续调制允许使用任何的信号星座，所以在无线环境中，连续调制因其效率高而倍受关注。 当然采用连续调制就需要信道估计与均衡。 o f d m 系统的均衡通常采用自适应均衡器，其有两种工作模式，即训练模式和跟踪模 式。均衡方式通常分为丽种：线性均衡和非线性均衡。两者的主要区别在于自适应均衡器 的输出是否被用于反馈。线性均衡器最常见的结构是线性横向滤波器( l t e ) 结构。线性均 衡器可由有限冲激响应( f i r ) 滤波器实现，这种滤波器在可用的类型中最简单，它把所收 到信号的当前值和过去值按滤波器系数做线性叠加，并把生成的和作为输出。当信道失真 太严重以致线性均衡器不易处理时，采用非线性均衡器处理会比较好。常用的非线性均衡 器有：判决反馈均衡器、最大似然符号检测、最大似然序列估计，此处不再一一赘述。 1 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 0 f d m 系统 2 3m i m o o f d m 系统基本原理 2 3 1 m o - o f d m 系统 理论上任何一种调制方式都可与m i m o 技术结合以逼近( 2 2 ) 所刻画的信道容量。但必 须注意到( 2 2 ) 是基于平坦衰落假设的，这在当前高速移动通信的环境下对单载波系统来而 言几乎不可能。由于o f d m 技术可以把非平坦信道转换成对于每个子载波来说平坦的信道， 因此m i m o 与o f d m 技术相结合就是一个合理的选择。为了具体说明这一点，考察一个 o f d m 系统，它的第r 1 个符号的第k 个子载波记为f 【纡，明，相应接收节点接收到的第刀个符 号的第k 个子载波记为r n ，明。我们有 r n ，明= 办【甩，k t n ，明+ z 研，明 ( 2 2 2 ) 这一接收模型可由图2 1 5 说明。， t n ，0 】 t 【n ，k 】 h n ，0 】z n ，0 】 i 童 1 一天入一r、 一 安全问题 为了保证伙伴之间数据信息的保密性，在协同通信系统中，用户的数据在传输之前必 须进行加密，使移动台可以检测到同伴的数据，而无法理解同伴传输的信息，这也会增加 系统的复杂度。即使未来无线系统将采用一定形式的加密( 特别对于数据传输) ，然而没 有任何调制技术能保证传输信息的安全，包括c d m a 。 网络上层存在的问题 上述协同方案仅仅提到物理层的设计，但是，网络层或更上层也存在很多问题。上述 的协同策略是基于两个伙伴关系的用户，当然也可以推广到多个用户的协同。但是，在高 层中存在些问题，例如，谁将与谁结为伙伴，在什么情况下他们将结为伙伴，他们将工 作于可获得的速率平面的哪一点以及为什么? 谁来决定协同伙伴，是移动台自己还是基 站? 例如当两个用户面临统计上相似的上行信道时，这个问题很简单：每个用户都可以受 益，因此，他们都愿意协同。然而，当两个用户面临统计上不相同的上行信道时，例如， 当一个用户在小区边缘，而另一个用户在小区中心，这时情况就变得复杂了。采用协同时 可达的速率平面总是大于非协同平面，这意味着总能找到一种协同策略，使得两个用户都 可以从协同中获益，用户协同的真正利益来源于这个事实，好的信道可以帮助其他移动台 获得可以接收的性能级别，但要牺牲少部分自己的数据速率。如何使移动台愿意放弃自己 一部分数据速率而为他人做嫁衣昵? 有两种可能的方法：a ) 如果从长期性能上看，也就 是在整个通话中，从平均意义上讲，