（信号与信息处理专业论文）ofdm信道估计及自适应资源分配算法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 由于具有较高的频谱利用率和优异的抗多径传播和频 率选择性衰落的能力，已成为下一代通信技术的热点，信道估计是其关键技术之 一。如何解决好估计性能和估计复杂度的矛盾是信道估计算法有待解决的难点。 同时，多数o f d m 系统以一种等功率、等比特分配的工作模式工作，效率低下， 不能充分利用有限的频谱资源。本文较为系统的分析了基于奇异值分解( s v d ) 的线性最小均方误差( l m m s e ) 的实现原理和估计性能，并结合信号噪声子空间 的理论，提出了一种新的低阶秩选取准则，提高了该算法在各种工作环境下的适 应性。在此基础上，对o f d m 自适应子载波功率和比特分配算法进行了研究，并 分别给出了一种适合于实际系统的次优功率分配算法和基于s n r 门限的比特分配 算法，并通过m a t l a b 进行了验证。 研究结果表明：( 1 ) 由于频率响应自相关矩阵孟。的数学特性，执行奇异值 分解后，奇异值矩阵中只有少数几个奇异值偏大，其余的均趋近于零，从而使得 l m m s e 算法的复数乘法计算量大大减少。由于该算法利用了信道的频域相关特 性，所以能够很好的在估计性能和复杂度之间作出折中。( 2 ) l m m s e 计算公式 中的关键因子胄。+ 盯：( 石”朋。正好符合信号噪声子空间模型，将信号子空间的维 数作为低阶秩的选取准则，能够很好的解决该算法的不足，可以随着工作环境的 变化而及时调整参数，保证了信道估计的准确性。( 3 ) 基于误比特率优化的次优 功率分配方案是对最优分配的逼近。经过计算机仿真验证，次优方案在趋势上与 最优方案一致，是一种j 生水”与“反注水”策略的结合，除了将信道质量最差的几个 子载波的功率强制设定为零。次优方案的误比特率性能较等功率分配和等信噪比 分配均占优，在发射总功率一定，各子载波使用固定调制方式的前提下，能够实 现系统误比特率的最小化。( 4 ) 基于s n r 门限的比特分配是设计用于传输速率一 定的o f d m 系统。以某一误比特率下各种调制方案对应的s n r 为依据，根据各个 子载波的信道质量进行比特分配，质量好的采用高阶调制，质量差的采用低阶调 制甚至不传输数据，从而最终实现系统误比特率最小化的目标。 改进的低阶秩的选取准则增强了基于s v d 的l m m s e 信道估计算法的环境适 应性，在保证较低的计算量的同时也能提供准确的信道估计性能，适合于实际的 o f d m 系统。自适应的功率和比特分配方案能够觞决现有系统频谱资源利用率低 重庆大学硕士学位论文中文摘要 下的问题，在获得准确的信道状态估计的前提下，能够合理的分配资源，实现系 统误比特率最小化的目标，具有较好的实用性。 关键词：正交频分复用，子空间，低阶秩，自适应技术 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t d u et oi t sg o o ds p e c t r u me f f i c i e n c ya n da n t i i n t e r f e r e n c ep r o p e r t y , o r t h o g o n a l f 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 ) b o c o m e sh o ts p o to fc o m m u n i c a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s n ec u n 血 a d i c t i o no fe ：s t i ：m a t i o n p r o p e r t ya n de s t i m a t i o ns i m p l i c i t yi st h ee s t i m a t i o na l g o r i t h m sk e yi s s u et ob es o l v e d m e a n w h i l e , e x i s t i n go f d ms y s t e m so p e r a t i o nm o d ei nw h i c he v e r ys u b e a r r i e rs h a r 鹤 s a m ep o w e r , c a r r i 龆e q u a ln u m b e ro f b i t , r e s u l ti nl o ww o r k i n g e f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h el i n e a rm i l l i m mm 锄- 班i i l 砌m o r ( l m m s e ) a l g o r i t h mb a s e do i ls i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ( s v d ) i ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da n dan e wl o w - r a n ko r d e rc h o o s e c r i t e r i o ni sr a i s e db ya p p l y i n gt h es i g n a l n o i s es u b s p a c et h e o r y b a s e do nc h a n n e l e s t i m a t i o n , a d a p t i v es u b c a r r i e rp o w e ra n db i ta l l o c a t i o n 躺s t u d i e d s e c o n db e s t a p p r o x i m a t i v ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h ma n db i ta l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e d0 1 1s n r t h r e s h o l da r e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y a l lt h ea l g o r i t h m s 批t e s t e db ym a t l a b s t i m u l a t i o n 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) b e c a m eo ft h e 黜l h sc h a r a c t e r i s t i c ，o n l yaf e w e i g e n v a l u eo fr h ho b v i o u s l yb i g g e rt h a nz e r o ，w h i c hm a k et h el m m s ea l g o r i t h m s i m p l i f i e dg r e a t l y m e a n w h i l e , d u et ot h eu t i l i z a t i o no fs e l fc o r r e l a t i o n , t h ea l g o r i t h m c a nt a k ec o m p l e x i t ya n dp r o p e r t yi n t oa c c o u n tc o n c m r 匝f l y ( 2 ) t h ek e yf a c t o ro f l m m s ea l g o r i t h mh a st h es f l l n ee s s e n a ss i g n a l n o i s es u b s p a c em o d e t a k i n gt h e d i m e n s i o no fs i g n a ls u b s p a c ea sl o w - r a n ko r d e rc h o o s ec r i t e r i o nc a ni m p r o v eo r i g i n a l a l g o r i t h m w i t ht h ec h a n g eo ft h ee n v i r o n m e n t , t h em o d i f i e da l g o r i t h m 锄a d j u s ti t s o p e r a t i o np a r a m e t e r st o s i l r et h ee s t i m a t i o n 觚蝴啪c 弘( 3 ) s e c o n db e s tp o w e r a l l o c a t i o ni st h ea p p r o x i m a t i o no fb e s ta l l o c a t i o n i th a st h es a n l ot r e n da sb e s t a l l o c a t i o n , b e s i d e st h a to n l yaf e wc h a n n e l sw i t hb a dq u a l i t y 戤a l l o c a t e dw i t hn op o w e r 办es e c o n db e s ta l g o r i t h mi sp r o v e dt oh a v eb e t t e rp r o p e r t yt h a ne q u a l - p o w e ra n d e q u a l - s n ra l g o r i t h m f o ra 丘x e ds u b c a r r i e rm o d u l a t i o ns y s t e m , s e c o n db e s ta l g o r i t h m 啪m i n i m i z et h es ) l s t c mb i t - e r r o r - r a l cu n d e rf i x e dm m s f e rp o w e r ( 4 ) b i ta l l o c a t i o n a l g o r i t h mb a s e do ns n r t h r e s h o l dc h o o s e st h em o d u l a t i o no r d e ra c c o r d i n gt ot h es n r o fe a c hm o d u l a t i o n 删d d eu n d e rac e r t a i nb i t - e r r o r - r a t e t h a tn i e 删t h ec h a n n e lw i t h g o o dq u a l i t yw o u l dt r a n s f e rm o r oi n f o r m a t i o n o nt h eb a s i so f e a c hs u b c a r r i e r sc h a n n e l q u a l i t y , t h ea l g o d t l n nc a nr 目妇t h es y s t e mb i t - 廿, r o r - r a t em i n i m i z a t i o nu n d e rt h ef i x e d l r a m f e rn 捕e h i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 t h em o d i f i e dl o w - r a n ko r d e rc h o o s i n gc r i t e r i o ns t r e n g t h e n st h el m m s e a l g o r i t h m se n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t y s i n c et h a tt h ea l g o r i t h mt a k eb o t hp r o p e r t ya n d c o m p l e x i t yi n t oc o n s i d e r a t i o n , i ti ss u i tf o ra p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so f a c c u r a t ec h a n n e l e s t i m a t i o n , a d a p t i v es i | b c a r r i c rp o w e ra n db i ta l l o c a t i o na l g o r i l h m c a l li m p r o v e s p e c t r u me f f i c i e n c y , a l l o c a t et h er e s o u r c er e a s o n a b l ya n dm i n i r m z et h es y s t e m b i t - e r r o r - r a t e k e y w o r d ：o f d m ，s u b s p a c e ，l o w - r a n ko r d e r ，a d a p t i v et e c h n o l o g y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：是级彳 签字日期： 妒7 年i 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) j 学位论文作者签名：幺纸耳 签字日期： 叼年月7 日 牟l 吖 辛p 繇 期 签 饵 雅 字 影 签 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 新一代移动通信要求在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，因此需要频 谱效率极高的技术。正交频分复用( o f d m ) 【l 】是一种特殊的多载波传输方案， 它允许子载波的频谱部分混迭，只要满足子载波问相互正交则可以从混迭的子载 波上分离出数据信息，其频谱效率也因此大大提高。o f d m 将高速数据流分散到 多个正交的子载波上传输，从而使得符号持续时间大大加长，使其具有很好的抗 多径传播和频率选择性衰落的能力。o f d m 技术已成为下一代通信技术的热点。 o f d m 系统中，接收端的解调方式通常采用性能较好的相干方式。而对于相 干方式，解调时需要获得与发送端同频同相的载波信息，否则就不能正确解调， 因此必须进行信道估计。由于无线信道的时变性和衰落特性，o f d m 系统中各个 子信道的信道条件不仅各不相同，而且会随时间呈现不规则性。如果按照传统的 工作方式，为每个子信道分配一样比特数( 即是使用同样的调制方式) 和发送功 率，势必会降低整个系统的传输效率，导致误码率的升高。 如何准确、快速的进行o f d m 系统的信道估计，同时在此基础上对系统资源 进行合理的分配，充分发挥o f d m 系统频谱效率高、抗干扰性强的特点，是o f d m 技术在实际应用中所必须解决的问题。 1 1 2 研究意义 无线信道的信道容量是一个具有时变性的随机变量，要最大限度的利用信道 容量，必须使信息的发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使编码和调 制方式具有自适应特性。自适应技术根据信道的变化自适应的改变调制方式( 星 座点数) 、编码率、发送功率等参数，以便最大限度的发送信息。近年来自适应技 术已经成为无线通信研究的一个热点。将自适应技术应用于正交频分复用系统， 根据每个子信道的状态信息自适应的改变其调制方式、编码率、发送功率等参数， 能够最大限度的发送信息，有效提高频谱效率。 国家发改委项目“宽带无线接入重点的射频及基带处理部件设计和实施”旨在 开发出拥有自主知识产权的无线通信芯片组，该项目基于8 0 2 1 l a 协议，研究下一 代无线接入设备的实现问题。而8 0 2 1 l a 正是使用o f d m 作为其物理层调制技术， 因此，关于自适应o f d m 系统的研究对于本项目也具有重要的现实意义。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2o f d m 系统发展历史 正交频分复用( o f d m ) 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但是r w c h a n g 在2 0 世纪6 0 年代中期首次阐明了我们现在称之为o f d m 的技术【2 】o1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 将离散傅里叶变换( d f t ) 应用于并行传输系统，作为调制、解 调过程的一部分p 】。这样就不再利用带通滤波器，而是经过基带处理就可以实现频 分复用。而且，这样在完成频率复用的过程中，不再要求使用子载波振荡器组以 及相干解调器，可以完全依靠执行快速傅里叶变换( f f t ) 的硬件来实施。 在o f d m 的发展过程中，另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r u i z 。他们在1 9 8 0 年提出了循环前缀的概念，用于解决保持子载波正交性的问题【4 】。与通常在符号间 插入空的保护时间来防止i s i 的做法不同他们是将o f d m 符号进行循环扩展。这 种方法有效的将信道与传送符号之间的线性卷积近似成循环卷积，当c p 比信道的 脉冲响应时间长时，能很好的保证子信道间的正交性。 2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播 ( d v b ) 、基于8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( 、) l ，ia n ) 以及有线电话网上基于现 有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术( 例如a d s l ) 中得到了应用。目前， o f d m 技术已成为下一代移动通信技术的热点。 1 3 国内外研究现状 1 3 1o f d m 信道估计技术的研究现状 对于o f d m 通信系统，信道估计算法已经有很多。根据是在时域实现的还是 在频域实现的，可以分为时域信道估计算法和频域信道估计算法两大类；根据是 否使用辅助数据，又可以分为基于导频或训练符号的辅助信息信道估计算法和盲 信道估计算法两大类。 目前，基于o f d m 的信道估计大多采用非盲估计算法，而在非盲估计算法中 又以频率域估计算法占多数。从导频插入位置而言可分为面向判决方法和导频辅 助调制( p s a m ，p i l o ts y m b o la s s i s t e dm o d u l a t i o n ) 方法；从实现准则可以分为最 小均方误差( m m s e ) ，最小平方( l s ) ，最大似然估计( m l e ) 等；从滤波器的 实现及结构可以分为二维滤波，两个一维级联滤波等。 1 3 2o f d m 自适应技术的研究现状 将自适应技术与o f d m 相结合，除了在传统的时间域上进行自适应之外，还 可以很容易的利用多载波系统中的频率域，即根据信道情况在不同的子载波上使 用不同的调制方式和分配不同的发送功率。人们对于o f d m 系统中的链路自适应 策略已经进行了大量的研究，并提出了一系列的自适应算法。在这些算法中，最 基本的算法就是基于注水原理的功率分配算法。众所周知，注水方法是最优的功 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 率分配方式，其分配原则即是将绝大多数发射信号的功率集中在信道衰减较小的 频带范围内。当平均信噪比较低时，信道容量可以通过注水方法得到很大的提高。 h u g h e s - - h a r t o g s 算法p 1 是一种适用于o f d m 或者多载波系统的自适应比特和 功率分配算法，它是一种典型的基于迭代的连续比特和功率分配算法。它的优化 准则是保证目标误比特率的前提下，用给定的发射功率优化自适应系统的频谱效 率。在该算法的每次迭代中，它仅仅只分配一个比特信息，直到所有比特分配完 毕。所以，h u g h o s - - h a r t o g s 算法的复杂度较高，实时性较差。1 9 9 5 年，p e t e r s c h o w t 6 ) 提出了一种实用的自适应比特分配算法，大大降低了算法的复杂度，提高了比特 分配速度，使自适应调制可以应用在高速数据传输中。之后，许多类似的算法出 现，它们主要的区别在于优化的目标和计算的复杂度。 1 4 本论文的研究目的和内容安排 本论文从o f d m 无线通信系统的自适应技术出发，对o f d m 的信道估计和动 态资源分配算法进行了深入的研究，并结合具体的工程应用对算法进行了改进。 第二章首先对o f d m 的基本原理进行了简要介绍。随后对信道估计的必要性 和无线信道的特征进行了分析，最后对自适应技术做了介绍。 第三章对o f d m 信道估计算法进行了详细分析，介绍了几种主要的信道估计 算法，并对他们进行了性能比较。 第四章首先对基于奇异值分解的线性最小均方误差估计进行了详细介绍，分析 了低阶秩选取的不准确性给该算法造成的性能影响。然后结合信号噪声子空间理 论，提出了新的低阶秩选取准则，并利用仿真工具对算法进行了验证。 第五章分别对o f d m 自适应子载波功率分配和自适应调制进行了研究。探讨 了基于误比特率优化的次优逼近算法和基于f f f l r 门限的比特分配算法两种实用 算法的具体实现过程，并利用m a t l a b 进行了仿真测试。 第六章总结全文工作，对以后的工作方向做了介绍。 3 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 2o f d m 系统及其关键技术 2 1o f d m 系统介绍 2 1 1o f d m 的基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它把高速的串行数据流分解成若干并 行的子数据流同时传输。由于每一个子数据流单独的调制一路正弦信号，因此每 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 ) 。如果用表示子信道的个数， r 表示o f d m 符号的宽度，d ，o = 0 , 1 ，一，n 一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，正 是载波频率，则从t = f 开始的o f d m 符号可以表示为 剖c t ) ；r e 3 1 2 - 1d 1 ，2 e x p l ，2 石( 五一2 竽一f ，) 】) f is f f l + r ( 2 r e d 1 1 ) 剖= ，2 e x p l ，2 石( 五一z 笋一f ，) 】) f is f f l + r ( 1 ) ，t 一，2 o 在很多文献中，经常采用如下所示的等效基带信号来描述o f d m 的输出信号 s ( f ) = d 。，2c x p u 2 万专。一) 】 f j f + r ( 2 2 ) 扣一 ，2 1 式( 2 2 ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际应 用中可以分别与相应的子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信 号和合成的o f d m 符号。图2 1 给出了o f d m 系统的调制、解调框图： 冀 俐竺f - 心卜 据 p ，s 鬈 占( ，) s 伊 + 丹 f 比辞 叶区卜+ 图2 1o f d m 系统调制和解调 f i e , 2 1o f d mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n 在图2 2 中给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中，所有的 子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式， 每个子载波都有相同的幅值和相位是不可能的。从图中可以看出，每个子载波在 4 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差1 个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即 ；f 酬卿) 喇蚋拈i ( m - - 圳- n ) l ( 2 - 3 ) 图2 2 包含4 个子载波的o f d m 符号 f i 9 2 2o f d ms y m b o lw i t h 4c 口i e 疆 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在其 周期r 内包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的 频谱与一组位于各个子载波频谱上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值服从 s i n c ( f r ) 分布，这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上，这种现象可以 参见图2 3 。 图2 3o f d m 信号中各子载波的频谱 f i 9 2 3o f d ms u a - f r 目l m m o j 叩a 沲m 5 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 从图上可以看到，在每一子载波幅度取得最大值的位置，所有其他子信道的 幅值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算每个子载波上 取得最大值的位置所对应的信号值，因此可以从多个相互重叠的予信道符号频谱 中提取出每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。 在接收端，第k 路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第k 路的解调载波 e x p ( - j 2 石墨二! 半f ) 相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行 积分，即可获得相应的发送信号d t ，即 氖：孑1 叮c x p h 2 万生二笋。一f j ) 】芝丸。唧l ，扔吾( f 一耻 j w 2 ：吾芝，：t s + t c x p 协半。训协 ( 2 4 ) = - n 2 = d k 2 1 2 采用d f t 实现的o f d m 系统 1 9 7 1 年，w c i n s t e i n 和e b e r t 就将d f t 应用于并行传输系统，用d f t 完成基带 的多个子载波调制、解调工作。对于n 比较大的系统来说，式( 2 2 ) 中的o f d m 等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换( i d f t ) 来实现。令式( 2 2 ) 中的t s = 0 ， ，= k t n ( k = 0 , i ，一1 ) ，可以得到 ( k t n ) ：芝l a x p ( j 孕) 0 k s ( k ) = s ( k t n ) d n - 1 ( 2 5 ) = ， 等) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，j ( | ) 即为d ，的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号d ， 可以对s ( k ) 进行d f t 变换，得到： ：n - i s ) e x p ( 一，三生) o f n(2dt x n - 16 ) = s ) e x p ( 争o f ( 6 ) 根据以上的分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由d f l f t 来完成。通过点i d f t 运算，把频域数据符号d i 变换为时域数据符号s ( k ) ，经 过载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将 慕带信号进行点d f t 运算，即可获得发送的数据符号d ，。 在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里叶变换 ( f i 丌，删p 1 r ) 来实现调制和解调 t i 。 2 1 3 循环前缀的引入 应用o f d m 技术的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。把输 入数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可 以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降 低为原来的1 n 。为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个o f d m 符号之 6 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔的长度e 一般要大于无线信道 中的最大时延扩展，这样，一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在这段保护间隔内可以不插入任何信号，即是一段空白的传输时段。然而在这种 情况下，由于多径传播的影响，会产生载波间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性 遭到破坏，不同的子载波之间会产生干扰。这种效应如图2 4 所示。每个o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也可同时出现该o f d m 符号的时延信 号，图2 4 展示了第1 子载波和第2 子载波之间的周期个数之差不是整数的情形， 所以当接收机试图对第l 子载波进行解调时，第2 子载波会对第l 予载波造成干 扰。同时，当接收机对第2 子载波进行解调时，也会存在来自第1 子载波的干扰。 取静 图2 4 空闲保护间隔在子载波间造成的干扰 f i 9 2 4i n t e r - s u b c a x f i e fi n t e r f e r e n c er e s u l to f b l a n kc p 第 为了消除由于多径传播造成的i c i ，一种有效的方法是将原来宽度为r 的 o f d m 符号进行周期扩展，即将每个o f d m 符号的后t 时间中的样点复制到 o f d m 符号的前面，如图2 5 所示。将保护间隔内( 持续时间用表示) 的信号 称为循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 。 7 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 烹：= ：， o f d m 符号长度 保护间隔 图2 5 0 f d m 循环前缀 f i 9 2 5o f d m c p 从图中可以看到，循环前缀中的信号与o f d m 符号尾部宽度为的部分相同。 在实际系统中，o f d m 符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信 道进行传送。在o f d m 符号内加入循环前缀可以保证在一个f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本所包含的波形的周期个数也是整数，这样，时延小于保护间隔l 的 时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 o f d m 系统中加入循环前缀，会带来功率的损失和信息速率的损失嘲，二者分 别定义为： 驴。夸= 1 0 1 0 9 l o 学，”争；志眩9 ， 从以上两式可以看到，当保护间隔占到o f d m 符号周期的2 0 时，功率损失 不到l d b ，但是带来的信息速率损失达2 0 。但是插入保护间隔可以消除由多径 所造成的i c i 的影响，因此这个代价是值得的。当循环前缀的长度和信道的脉 冲响应的长度f 一之间满足疋f 一的要求时，就可以完全克服i s i 的影响，同时 保持子载波间的正交性，完全消除i c i 的影响。此时，o f d m 系统的输入信号和 输出信号在频域有如下的表达式成立 耳= 以以+ 呒，| | = 0 ，n - 1 ( 2 1 0 ) 其中，五、耳分别代表频域的发送信号和接收信号，日。为第七个子信道上的信道 频率响应，表示第七个子信道上的加性复高斯白噪声。由上式可见，o f d m 系 统的接收端只要估计出日。，就可以用一个简单的除法消除信道的影响，得到传送 数据，而不需要象单载波系统那样进行复杂的时域均衡了。 2 1 4o f d m 系统框图 o f d m 系统的完整框图可以用下图表示 8 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 图2 6 0 f d m 系统框图 f i 贮6o f d ms y s t e md i a 丹 a m 发送的信号首先进行基带调制，将二进制信号映射为复数信号，然后经过串 并转换，利用离散傅里叶逆变换完成多个子载波的调制工作。接着通过添加循环 前缀消除符号间干扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) ，此后，通过并串转换和发送滤 波器，即可将信号发送到物理信道之上。在接收端，执行上述过程的逆过程。与 发送端不同之处即在于多了信道估计模块，通过信道估计获得系统各个子信道的 频率响应，利用此信息就可以对已调信号进行解调，获得原始的数据信息。 而信道估计即是本次研究的一个重点内容之一。 2 2o f d m 信道及模型 2 2 1 信道估计的必要性 由于许多信道不能直接传送基带信号，所以为了更好的适应信道，大多数的 实际通信系统都采用了调制技术。在发送端，利用基带信号控制载波的某些参量， 使得这些载波参量随基带信号的变化而变化，完成基带信号的调制，得到已调信 号。与此相对应的是，在接收端为了从这些已调信号中恢复出基带信号还必须进 行解调。调制方式不同，对应的解调方式也就不同。总的来说，主要的解调方式 大致可分为非相干方式( 如包络检波法) 、相干方式( 同步检测法) 以及采用差分 编码时常用的差分相干方式( 差分检波法) 【9 ，埘。 o f d m 系统中，如果发射机内不采用差分编码，则接收机一般都采用相干检 测。图2 7 给出了利用相干检测的接收机框图。接收信号经下变频、模数转换以 9 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 及f f t 变换后，可得到个基带调制符号，但是，这些符号可能已遭受到随机相 移、幅度波动等的影响，所以，在接收机内必须进行信道估计，获得所有子载波 上的这些参考相位和幅值，以便准确无误的恢复原始数据比特。 图2 7 采用信道估计的o f d m 相干接收机 f i 9 2 7o f d mr e c e i v e rw i 山c h a n n e le s t i m a t i o n 假设在第，个符号周期内，第k 个子载波上接收到的符号为 r 1 t = h t i 岛j + 仇，l ( 2 1 1 ) 其中，珥。和r ，。分别为第f 个符号周期内第k 个子信道的信道传递函数和其中的加 性噪声。假设估计到的信道传递函数为膏，。，如果可以对信道传递函数进行准确的 估计，即q 。= 丘。，则相干检测得到的数据变量为 d = 孚= + 等j 屯= 胱蹴) ( 2 1 2 ) h t , t 爿，j 其中，d e c d & ) 表示对 研。) 的检测估值。 而非相干检测不需要进行信道估计，通过比较两个符号的相位就能准确恢复 出基带信号，由此可以简化系统实现的成本与复杂度。与相干检测相比，非相干 方式虽然可以避免进行信道估计和信道均衡，但差分相干方式只适合于低数据速 率的系统，对于采用多进制调制的高数据速率系统，其性能不能让人满意，存在 约3 d b 的性能差异。所以为了保证系统有较好的性能，对于高数据速率系统还是 应该选用相干解调方式，因此就必须进行信道估计。 o f d m 系统中的自适应技术，根据时变信道的变化情况自适应的改变调制方 式( 星座点数) 、编码率、发送功率等参数，以便最大限度的发送信息，从而有效 提高频谱效率。而o f d m 系统中自适应技术的实现过程可分为3 步，第一步即是 信道估计。通过信道估计，对o f d m 系统中各个子载波的信道质量进行评估，得 到准确信道状态信息( c s i ) ，将此信息作为系统参数的调整依据。所以，信道估 计对于o f d m 系统动态资源分配的实现也是至关重要。 2 2 2 无线信道的特征 在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中的各种物体所引起 1 0 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 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，并附加有信道噪声，它 们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。此外，如果发射机或 接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化， 接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。无线信道对传输信号的影 响可表现为以下几个方面： 衰减作用 无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小。它由传输路径的长度、直 到信号路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起 信号功率的衰减。无线通信中的衰减作用体现在路径损耗、阴影衰落和小尺度衰 落3 个方面。 路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影 响，称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加 而缓慢起伏变化，所以也称慢衰落。小尺度衰落又称快衰落，它反映了无线信号 在较短的距离或时间之内的快速变化特性。 多径效应 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和 其他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。 发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时 间延迟，这就使得接收信号的能量在时间上被扩展。最大时延扩展是第一个到达 接收天线的信号分量与最后到达的信号分量之间的时间差，通常用符号f 。表示。 从频域看，如果多径信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号 的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落。在这种情况下， 信道冲激响应具有多径时延扩展。频率选择性衰落是由信道对发送信号的时间色 散引起的，会引起数字信号出现i s i 。相干带宽髓是表征多径信道特性的一个重要 参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有 很强的幅度相关性。 时变性 时延扩展和相干带宽描述了无线信道的时间色散特性，但不能描述无线信道 的时变性。无线信道的时变性是由发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物 体的运动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。 当无线电发射机和接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移，这 种现象称为多普勒效应。而多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信 号的频谱展宽程度。当发射机在无线信道上发送一个频率为厶的单频正弦波时， 重庆大学硕士学位论文2o f d m 系统及其关键技术 由于前述的多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为五一九五+ 厶的 频谱分量，其中以为多普勒频移，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒 频谱上不等于0 的频率范围定义为多普勒扩展，用毋来表示。如果所传送的基带 信号带宽曰，远大于易，则在接收机中多普勒扩展的影响可忽略，这种信道可看作 慢衰落信道。与多普勒扩展相对应的一个时间参量是相干时间z ，它在时域描述 信道的频率色散的时变特性。相干时间与多普勒扩展成反比。 2 2 3o f d m 信道模型 对于无线通信系统，信道在时间轴和频率轴上都呈现出选择性衰落特性。时 变多径无线衰落信道的冲激响应常采用离散时间f i r 滤波器模型 i l ( f ；f ) = 口( f ) p 一。2 矾h 艿p f 。( f ) 】 ( 2 1 3 ) 对于本次研究的对象无线局域网( w i 。a n ) ，通常认为其信道是准静止的，即 假设信道在一个数据帧传输时间内近似不发生变化。基于此，上面的信道模型可 简化为 ( f ) = 口( t ) e - j 2 6 o 。 r - r 】 ( 2 1 4 ) 信道的频域响应就是时域冲激响应的傅里叶变换，或对于离散信道而言，就 是冲激响应的d f t 以= d f t h ( 2 1 5 ) 从图2 1 可以看到，o f d m 系统利用i d f t 、d f t 分别实现多载波的发端调制 和收端解调工作。发端信号d 。经过i d f t 及一系列处理，形成了发送信号s ( f ) 在无 线信道中发送，收端又利用d f t 将收到的信号还原为磊。利用d f t i d f t 的时频 变换特性，我们可以认为信号反是处于频率域，而j ( f ) 则是处于时间域。 通过选择适当的子载波个数，可以使信道响应平坦。同时，由于循环前缀 的引入，从而保证了各子载波之间的正交性，因此o f d m 有可能完全消除i $ i 和 多径带来的i c i 的影响，接收信号的频域表达式为 = h i s i + n k ( 2 1 6 ) 其中，胃。为第i 个子载波的复衰落系数，m 代表第七个子信道上的加性白高斯噪 声，它的实部与虚部均服从零均值高斯分布，且相互独立。噪声方差为 盯2 = e 日m 1 2 ) ( 2 1 7 ) 根据式( 2 1 6 ) ，o f d m 系统可以等效为如图2 8 所示的频域系统。这个系统有个 并行的子系统，每个子系统受乘性复干扰和加性白高斯噪声的影响。 1 2 重庆大学硕士学位论文 2o f d m 系统及其关键技术 h n 二 。点 r o r 、 。 ：曼：二 r 、 r 1 图2 8o f d m 频域等效系统 f i 9 2 8o f d m 印e 吐m me q u i v a l e n ts y s t e m 信道估计的任务就是根据接收到的经信道影响在幅度和相位上产生了畸变并 叠加了白高斯噪声的接收序列来准确辨识出信道的时域或频域传输特性，利用上 图所示的o f d m 频域信道模型，o f d m 系统的信道估计就是要估计出每个子载波 上的频率响应值日