（信号与信息处理专业论文）mbofdm系统抗窄带干扰技术的研究.pdf

7 4 扬州大学硕士论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 i 上l 学位论文作者签名：王j 每i i i f。 签字日期：如积年6 月v 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文 被查阅和借阅。本人授权扬州大学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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ， 夕口彦f 、 学位论文作者签名：王淘埠 导师签名：俐 签字日期：乙舣年6 月l f 日签字日期：汐矿g 年易月9 日 。 王海洋：m b o f 【) m 系统抗窄带干扰技术的研究 摘要 结合o f d m 和跳频( f h ) 技术的多频带正交频分复用( m b o f d m ) 系统是未来短距离移动通信系统种很有应用前景的超宽带( u w b ) 系统 候选方案。本文主要针对m b o f d m 系统抗窄带干扰和抗衰落技术进行了 研究，主要内容包括： 在传统的窄带干扰抑制o f d m ( i s o f d m ，i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n g o f d m ) 超宽带系统的基础上，研究了一种基于载波分组方案的新的超宽 带系统，以进一步削弱超宽带通信系统频谱范围内的窄带干扰的影响。改 进的i s o f d m 超宽带系统利用一个子带内所有子载波的频率分集性，将 子载波的编码数据流扩展到相应子带分组中的所有子载波上，从而提高了 系统的分集增益，增强了其抗窄带干扰能力。它可以根据信道条件优化子 带的分组值，以最大限度地改善m b o f d m 系统的性能。此外，还引入了 具有最小总均方相关性( t s c ) 的扩展矩阵来调整发射信号的频谱，理论 分析和仿真结果均表明，它能进一步提高系统的抗窄带干扰能力。 在传统的m b o f d m 超宽带系统中，通常使用卷积编码和比特交织技 术来开发信道的分集度，但它们不适于高速传输的情况。采用正交扩展方 法可以提高系统高速传输时的分集增益，如采用一般正交扩展矩阵，则信 道中的多径分量不能得到充分利用。为此，在高速传输的m b - o f d m 超宽 带系统中引入了一种高阶旋转扩展矩阵模型，它可以依据不同的旋转角度 灵活地产生各种扩展矩阵，以便增加传输信号间的相关性，提高信道多径 分量的利用率。基于误差权重分布( e w d ) 的方法，分析了各种角度的高 阶旋转扩展矩阵的分集度。理论分析与仿真结果表明，各种角度( 除了万2 ) 的高阶旋转矩阵通过利用m b o f d m 子带部分子载波的频率分集性，使得 系统抗窄带干扰的能力明显提高。 高速m b o f d m 超宽带信号经过信道传输后，会在子载波上呈现不同 程度的频率选择性衰落，且邻近子载波间的相关性也会增大，因此，正交 扩展操作还不能有效的提高系统的分集增益。针对这个问题，研究了一种 2 扬州大学硕士论文 基于正交块扩展与载波交织相结合的方法，该方法对扩展数据进行重新排 列，以在频域产生随机化的效果，它能够有效的提高系统的分集增益，且 具有很小的时间延迟。 关键词：超宽带；多频带正交频分复用；窄带干扰抑制；扩展矩阵；载波 交织 王海洋：m b o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 3 a b s t r a c t t h em u l t i - b a n d 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 u l t r a - w i d e b a n d ( m b - o f d mu w b ) s y s t e mc o m b i n i n go f d mw i t hf r e q u e n c y h o p p i n g i sa p r o m i s i n g c a n d i d a t ef o rt h ef u t u r e s h o r t - r a n g e m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h en a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i n g a n d 嬲t i m u l t i p a t hf a d i n gt e c h n i q u e si nt h em b - o f d ms y s t e m sa r es t u d i e di nt h i s t h e s i s t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： b a s e do nt h et r a d i t i o n a li n t e r f c r e n c es u p p r e s s i n go f d m ( i s o f d m ) u w bs y s t e m ，an e wu w bs y s t e mi sp r o p o s e db yu s i n gt h ec a r r i e rg r o u n p i n g w a yf o rc o m b a t i n gt h en a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c e s ，w h i c he x i s ti nt h es p e c t r u m r a n g eo fau w bs i g n a l i nt h ep r o p o s e di s - o f d mu w bs y s t e m ，t h ec o d e db i t s t r e a m sa r e s p r e a do v e rt h es u b c a r r i e r st h r o u g hm a k i n gf u l l u s eo ft h e f i r e q u e n c yd i v e r s i t ya c r o s sa l lt h es u b - c a r r i e r s t h i s i n c r e a s e sd i v e r s i t yg a i n a n dp r o v i d e st h er o b u s t n e s st on a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ef o rm b o f d mu w b s y s t e m a n d ，t h ev a l u eo fg r o u p i n gn u m b e rm a y b eo p t i m i z e di nt e r m so ft h e c h a n n e le n v i r o n m e n tf o re n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mm o r e e f f b c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h eb i n a r ys i g n a t u r es e q u e n c e sw i t hm i n i m u mt o t a l s q u a r e dc o r r e l a t i o n ( t s c ) a r eu s e dt os h a p et h es p e c t r u mo ft h et r a n s m i t t e d s i g n a l b o t ht h e o r e t i c a n a l y s i s a n dn u m e r i c a lr e s u l t so b t a i n e df r o m s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc o u l df u r t h e rp r o m o t et h er o b u s t n e s so ft h e s y s t e mt on a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c e c o n v o l u t i o n a lc o d i n ga n db i ti n t e r l e a v i n ga r ee n l p l o y e dt oe x p l o i tt h e d i v e r s i t yi nt h em b - o f d mu w bs y s t e m ，b u tt h e ya r en o ts u i t a b l e f o rt h e s y s t e mw i t hah i g hd a t ar a t e t h ed i v e r s i t yg a i no ft h es y s t e mw i t hh i g hr a t e ， c o u l db ei m p r o v e db yu t i l i z i n gs p r e a d i n gt r a n s f o r m h o w e v e r ，t h em u l t i p a t h c o m p o n e n ti n ac h a n n e lw o u l dn o tb eu s e de f n c i e n t l yw i t hac o m m o n o r t h o g o n a ls p r e a d i n gm a t r i x t h e r e f o r e ，an e wm b o f d mu w bs y s t e mb a s e d o nah i g h e ro r d e rr o t a t i o ns p r e a d i n gm a t r i xi sp r o p o s e dt os u p p r e s st h eb a d 4 扬州大学硕士论文 e f f e c t s0 fn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e0 nt h em b - o f d muw bs y s t e m i h e a d v a n t a g eo ft h i sn e ws p r e a d i n gm a t r i xo v e rm o r et r a d i t i o n a ls p r e a d i n gm a t r i x i si t sn e x i b i l i t yi nd e t e r m i n i n gd i f f e r e n ts t r u c t u r e so fm a t r i x e sw i t ht h es i m p l e a n g l er o t a t i o n t h e s em a t r i x e sc a na d v a n c et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e t r a n s m i t t e d s y m b o l sa n di m p r o v et h e u t i l i z a t i o nr a t eo ft h em u l t i p a t h c o m p o n e n ti nu w bc h a n n e l a n d ，t h ed i v e r s i t yo ft h eh i g h e ro r d e rr o t a t i o n s p r e a d i n gm a t r i xw i t hd i f f e r e n ta n g l e sa r ea n a l y z e db yt h em e t h o do fe r r o r w e i g h td i s t r i b u t i o n b o t ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e t h a tt h r o u g hu t i l i z i n gt h ed i v e r s i t yo fp a r t i a ls u b - c a r r i e r si nas u b - b a n do ft h e m b o f d mu w bs y s t e m ，t h eh i g h e ro r d e rr o t a t i o ns p r e a d i n gm a t r i x e sw i t h d i f 托r e n ta n g l e s ( e x c e p t i o n7 r 2 ) c a nb eu s e dt oe n h a n c et h er o b u s t n e s so ft h e s y s t e mt on a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l y w h e nt h eh i 曲r a t em b - o f d mu w bs i g n a li st r a n s m i t t e dt h r o u g ha c h a n n e l ，t h e i rs u b c a r r i e f sw i l le x p e r i e n c ef t e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dt h e a d j a c e n ts u b c a r r i e r sa r ev e r ym u c hc o r r e l a t e d h e n c e ，c o r r e l a t i o nw o u l d r e s u l t i nas m a nf r e q u e n c yd i v e r s i t yf o rs p r e a d i n g f o rt h ep r o b l e m ，ac o m b i n i n g s c h e m eb a s e do nb l o c ks p r e a d i n ga n dc h i pi n t e r l e a v i n gi si n v e s t i g a t e d i nt h e s c h e m e ，t h es p r e a d i n gd a t a sa r er e o r d e r e dt oa c h i e v ef r e q u e n c yd i v e r s i t ya n d r a n d o m i z a t i o ne f ! i e c ti nf r e q u e n c yd o m a i na n dm o r e o v e r ，t h ed e l a yl a t e n c y b e c o m e sl e s s k e y w o r d s ： u l t r a - w i d e b a n d ；m b - o f d m ； n a r r o w _ b a n d i n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i n g ；c h i pi n t e r l e a v i n g 王海洋：m b o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 5 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们对实现高速率、高 质量无线多媒体业务的需求越来越迫切，电子设备与因特网之间的短距离 无线通信已成为未来通信技术的重要发展趋势之一。正是在这种背景下， 超宽带技术被推向无线通信的民用市场。u w b 技术已逐渐成为无线通信 领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了民用u w b 设备使 用频谱和功率的初步规定【1 1 。按照f c c 的定义，u w b 设备是相对带宽大 于2 0 或在传输的任何时刻绝对带宽大于5 0 0 m h z 的设备。这里相对带宽 定义为： 厂：立二!( 1 1 ) “ u h + f | 2 其中，厶和无分别为系统的高端和低端频点( 按一l 0d b 计算) ，z 为载波 频率或中心频率。根据f c c 的规定，室内u w b 通信的实际使用频谱范围 为3 卜1 0 6 g h z ，并在这一范围内，有效全向辐射功率( e i r p ，e f f e c t i v e i s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 不超过4 1 3d b m m h z 。f c c 规定的室内u w b 通信频谱范围和功率限制如图1 1 所示。 岫 - 5 盖 可5 0 主舶 。 露稍 e 山 _ e 5 面 黑- 7 0 - 7 墨 1 0 o 悯u e n c yi ng h z 图1 1f c c 规定的室内u w b 发射功率限制 6 扬州大学硕士论文 f c c 对超宽带技术的新定义和频谱分配，使得u w b 观念在发生变化， 同时超宽带通信技术在技术体制上也发生了很大变化，超宽带技术不再局 限于传统的无载波窄脉冲和时域调制。从信号成形的角度看，在7 5 g h z 频带范围内任何满足绝对带宽大于5 0 0 m h z 的无载波窄脉冲、有载波窄脉 冲或正交多载波信号均可称为超宽带信号。正是超宽带这种定义的转变， 形成了两大技术阵营：以i n t e l 和t i 为首的多频带o f d m 联盟( m b o a ) 和 以美国m s s i 、x t r e m e s p e c t r u m 等公司支持的d s u w b 技术的x s i 联盟【扣副。 前者基于o f d m 技术来实现u w b 技术，即多频带o f d m 系统方案，而后 者基于脉冲来实现。在制定超宽带无线通信标准的过程中，这两种方案竞 争得非常激烈。 我国对u w b 技术的研究是和国际接轨的，几乎同时开始，并得到了 国家8 6 3 计划的支持，2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”8 6 3 计划通信技术主 题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线 通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工 作。 u w b 无线通信技术一个主要的特点就是实现了频谱资源的充分再利 用，根据f c c 对超宽带技术规定，7 。5 g h z 带宽的频率范围并非仅供u w b 无线通信系统单独使用。u w b 与现有的无线通信系统共享频谱资源，这 样，不可避免与其它无线电窄带系统产生相互干扰。因此，f c c 对u w b 信 号的发射功率做出了严格的限制，以保证不对同频段其它现存无线电系统 构成干扰；另一方面，u w b 系统却受到其它窄带无线电系统的严重干扰， 如果不能有效地克服这些窄带干扰，u w b 系统将无法正常工作。另外， 在超宽带信道环境下m b o f d m 系统的部分子载波会受到深衰落的影响， 严重影响系统性能。 所以，研究m b o f d m 系统抗窄带干扰技术和抗衰落相关技术具有十 分重要的现实意义。 1 2 论文主要工作与章节安排 本文主要研究了m b o f d m 系统抗窄带干扰和抗衰落技术。论文共分 五章，各章的主要内容安排如下： 王海洋：m b o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 7 第一章，绪论。阐述超宽带通信技术的发展现状，指出u w b 通信系 统应用前景，以及本文课题研究的必要性。介绍论文的主要研究工作和论 文的结构。 第二章，m b o f d mu w b 系统的基本理论与结构。介绍了o f d m 的 基本原理以及0 f d m 和跳频的结合方式，并给出了m b o f d m 系统结构。 分析了超宽带系统的窄带干扰和m b o f d m 系统抗干扰的研究现状及分 类。 第三章，基于i s o f d m 抗干扰技术。介绍了基于窄带干扰抑制算法 的o f d m 结构，依据其结构特点，对基于i s o f d m 的m b o f d m 系统抗 窄带干扰技术进行了仿真分析：另外，还对新的系统引入了具有最小总均 方相关性的扩展矩阵，以调整发射信号的频谱。 第四章，基于扩展与交织m b o f d m 系统方案。从介绍低阶旋转扩 展矩阵入手，探讨了高阶旋转扩展矩阵。通过理论分析和实验仿真分析了 该矩阵的性能，然后将其引入到m b o f d m 系统。此外，还研究了正交扩 展和载波交织在m b o f d m 系统的联合应用。 8 扬州大学硕士论文 2m b 一0 f d mu w b 系统的基本理论与结构 2 1 引言 m b o f d mu w b 方案与传统的o f d m 通信系统有很多相似之处，同 时又符合f c c 关于u w b 的定义，具有u w b 的特点和优点，是目前较新 的一种u w b 通信实现方式【6 - 1 3 】。 在m b o f d mu w b 系统中，将可用的频段分为多个子频带，每个子 频带带宽大于5 0 0 m h z 。每个子频带的信号为一个o f d m 信号，o f d m 合 成信号的产生方法与传统的o f d m 系统类似，只是符号长度、子载波间隔、 循环前缀长度等具体参数与传统系统有较大差别。在m b o f d mu w b 系 统中，o f d m 合成信号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在不 同的子频带内传播。 2 20 f d m 系统的基本原理 o f d m 信号由大量在频率上等间隔的子载波构成【1 4 。5 1 ，各子载波经过 数字调制，将高速串行数据分成多路并行的低速数据加以调制。所以， o f d m 技术实际上是一种并行调制方案，将符号周期延长n 倍( 设共有n 个子载波) ，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的f d m 中，各载 波的信号频谱互不重叠，频谱利用率较低。而在o f d m 系统中，各子载波 在整个符号周期上是互相正交的，因此各予载波信号的频谱可以互相重 叠，大大提高了频谱利用率。 o f d m 传输系统把经过调制映射( 如q a m 、m p s k 等) 的信息数据 调制在多个子载波上并行发射出去，如图2 1 所示。o f d m 信号的带通复 数表达式为 k s ( f ) = ，七e 伽五+ 姆】u 7 ( f 一玎) ( 2 1 ) ，= 惫= 一尺 王海洋：m b o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究9 热= 骺巍鲥。为传输数据熊它在第，个o f d m 符号的第七个子信道上传输；丘为载波频率；鲈= 1 t 为子信道的频宽； t = n t 。为各子信道上数据符号的周期。从式( 2 1 ) 得到o f d m 等效低通 信号为 令 x ；( f ) = 【x ， e 7 2 榔n ( 卜z 丁) ( 2 2 ) ，i 七= k e _ j 2 积弩e - j 2 拣龋 ( 2 3 ) 一 富- 一( 协卜 并 并 串 l ! !i 变 h j 棚州r ；p 2 戚妒； 变 换换 一j ( 协卜 器器 例一 图2 1o f d m 系统基本原理框图 如上图所示，连续o f d m 系统需要大量的载波发生器、滤波器、调制 器和相干解调器，当子信道数较大时系统变得非常复杂。随着数字信号处 理技术的发展，可以采用快速傅立叶变换( f f t ) 技术实现o f d m 系统，大 大降低了o f d m 技术实现的复杂程度。 为分析方便，这里考虑第f - o 个o f d m 符号的情况，将其有用基带等 效信号和加入循环前缀后的基带等效信号记为 k 瓦( f ) = 瓦，。( ，) = k p 。2 删 o f l 的条件下，对式 ( 2 1 5 ) 求傅立叶变换，可以得到 k = d 刀( y o 。) = x 日 ( 2 1 6 ) 其中，日i = d 刀( 吃) 。式( 2 16 ) 表明信道对o f d m 符号的影响只是在各 子信道的信号上乘上一个复增益，不影响子信道间的正交性。 2 3m b o f d mu w b 系统的基本理论与结构 m b o f d mu w b 系统可用带宽范围非常大，但辐射功率严格受限， 其主要优化目标为功率利用率。另外，超宽带信道表现出极强的频率选择 性，时变衰落特征大大减弱。因此，将o f d m 用于u w b 系统时，在参数 配置和系统实现方面有着不同于窄带0 f d m 系统的特点【| 7 1 。主要包括如下 方面： ( 1 ) m b o f d m 系统辐射功率严格受限，一般采用b p s k 或q p s k ， 而不采用高阶调制方式。一方面可以以较低的辐射功率保证传输可靠性， 1 2 扬州大学硕士论文 同时也弱化了o f d m 的高峰均比问题。 ( 2 )m b - o f d m 系统带宽高达5 0 0 m h z 以上，子载波间隔取值一般 为m h z 量级。这使得o f d m 对频率偏差的敏感度大大下降，从而降低了 对频偏估计与补偿的精度要求。 ( 3 )超宽带系统主要应用于室内、室外准静态环境，信道的衰落特 征明显弱于窄带信道，多普勒扩展对o f d m 系统性能的影响大大减弱。 ( 4 )5 0 0 m h z 以上的信号带宽对模数转换采样率、数模转换精度、 滤波器特性提出很高的要求，增加了实现难度1 6 。1 7 1 。 ( 5 ) 极高的信号带宽的和采样速率提高了o f d m 系统对定时同步捕 获速度和精度的要求，增加了定时同步的实现难度。 将7 5 g h z 频宽配置给u w b 有个主要的缺点，它涵盖多个已有其它用 途的频带。设计人员必须考虑如何处理频带内其它系统产生的干扰问题， 同时控制其本身对这些系统所造成的干扰。除此之外，频带外装置发出的 噪声，也是所有u w b 设计人员所必须要解决的问题。因此u w b 系统必 须具备强大的窄带噪声抵抗能力，并能同时与现有及未来的装置共存。 另外，u w b 系统联机通信距离的长短，基本上是取决于所收集的多 路径能量的多少，因此高速u w b 通信系统设计的另一项重要挑战，是如 何从多径中收集更多的能量。 总而言之，要设计一套成功的高速u w b 通信系统，面临的挑战主要 包括： ( 1 )复杂性及功耗限制。 ( 2 ) 多径能量的收集。 ( 3 )强大抗窄带干扰能力，能与现有及未来的装置共存。 ( 4 )频谱弹性和全球电信法规的兼容性。 2 3 1m b 一0 f d m 系统描述 m b o f d mu w b 无线通信系统方案融入o f d m 、扩展与交织、跳频 ( f h ) 等多种机制，保证了在多径衰落信道上实现高速数据传输。 根据f c c 对u w b 信号的定义，在m b o f d m 系统中，整个频段( 3 1 1 0 6 g h z ) 被划分成若干( n ) 个带宽为5 2 8 m h z 的子带；每个子带再分成 王海洋：h 位o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 1 3 m 个子载波，构成一个o f d m 子系统，如图2 2 所示。 s l i 虹f l 鲫dv 2s 岫- b 窜m 乙i 图2 2m b o f d m 系统频谱分割示意图 m b o f d m 超宽带通信系统中运用了时频交织码( t f i ) 【7 1 。它的含义是 o f d m 符号在不同的时间调制在不同中心频率的载波上，从而在不同子频 带上传输信号，不同的时频码可以用来区分不同的p i c o n e t ( 微微网) 。 图2 3 表示的是3 个子带时频交织的的简单实例。从图中可看到，在通 道1 上传输第一个o f d m 符号，在通道3 上传输第二个o f d m 符号，在通道 2 上传输第三个o f d m 符号，而第四个o f d m 符号则在通道l 上进行传输， 然后以此类推。从图2 3 还可以看出，循环前缀( c p ) 插在每个o f d m 符 号的开头，而保护间隔( g i ) 则加在每个o f d m 符号之后。时频交织的结 构使得所有子带和数据只需单个r f 发送和接收链，保护间隔确保发送和 接收有足够的时间转换至下一个子带。 c k m 雌ll c 酗i 脚纠2 c b 尊艄e l3 黜o d 。9 3 7 5 n s 图2 3 子带时频交织实例 m b o f d mu w b 系统收发机原理框图如图2 4 所示。其中基带部分采 用了o f d m 技术，以有效对抗室内密集多径时延和充分收集室内密集多径 1 4 扬州大学硕士论文 信道条件下的信号能量，提高频谱利用率。图中数据经过卷积编码、交织、 星座映射后，进行反向傅立叶变换，然后加入保护间隔形成o f d m 符号。 o f d m 符号再经数模转换成为模拟信号，分别调制由时频码产生的不同载 波，最后由天线发射出去。 纛鋈嚣h 卷积码hq p s k x n m j i f f t 加导 频、循环前缀 和保护间隔 一 图2 4m b o f d m 系统框图 。( 后) 瓜 ( 后) 瓜 第n 个子带( n = 0 ，1 ，13 ) 传输的编码比特流戈“通过快速付氏反变 换( i f f t ) ( 即基带调制) 形成复基带信号 ，e x p ( 2 矾，f ) ( ，一) o ，乃+ 乙 ( ) = 尹 + s ，乙+ + 毛 ( 2 1 7 ) 其中，m 是子载波数，z 。，包含了第n 个子带传输的数据和导频信号，是 第n 个子带中第i 个子载波频率，各子载波的间隔为，o f d m 信号的持续 时间为乙= l r 。它们在加入“循环前缀”凡p 和保护间隔您后形成所需长 度的o f d m 符号，再经过并串( p s ，p a r a l l e l t o - s e r i a l ) 变换、数模( d a ， d i g i t a l t o - a n a l o g ) 转换形成复基带信号( r ) 。最后n 路复基带信号合并在 u w b 信道上传输。实际的信道传输信号为 卫 s 肛( ，) = r e ( ，一甩正) e x p ( 2 7 兀，) ， ( 2 18 ) 一= 0 式中，r e ( x ) 表示取复变量x 的实部，s 。( ，) 是第n 个子带的复基带信号，t 是符号间隔，以是第n 个子带的中心频率。 铲1 星 王海洋：m b o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 1 5 2 3 2 系统参数与实现结构 在i e e e 8 0 2 15 3 a 关于m b o f d m 系统方案规定中，将整个可用频段 分为1 4 个频段，5 个频段组。前4 个频段组分别由3 个频段组成，第5 个 频段组由2 个频段组成，每个频段的带宽为5 2 8 m h z 。系统的传输速率可 达到5 5 ，8 0 ，1 1 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 和4 8 0 m b p s 。每个子频带使用1 2 8 个子载波，每 个子载波采用q p s k 调制，这1 2 8 个子载波分为1 0 0 个数据子载波、1 2 个 导频子载波及1 6 个空子载波。关于m b o f d m 系统参数的设定列于表2 1 。 表2 1m b o f d mu w b 系统基本参数 i 参数数值l f ：传输数据子载波 8 i o o f 卿：传输导频子载波数 1 2 l 呲：空子载波数 ll 16 虮r ：子载波总数、2 8 睁ns d + n s d p 七nn u l l 、) b ：子带带宽 0 5 2 8 m h z f ：子载波频率间隔 l 4 1 2 5m h z ( = b 1 2 8 ) z k 下：i f f t f f t 周期 2 4 2 4 2n s ( 2 1 f ) ：循环前缀长度 6 0 6 1n s ( = 3 2 5 2 8m h z ) i 乇：保护间隔长度 0 9 4 7n s ( = 5 5 2 8m h z ) 瓦：符号间隔 0 31 2 5n s ( 丁+ + 砀) 调制方式 l q p s k j 由上表可见，保护间隔( g i ) 的长度是9 4 7n s ，可以确保发送和接收机 有足够的时间转换至下一个子载波信道：循环前缀( c p ) 长度为6 0 6 n s ，c p 的长度决定着能捕获多通道能量的大小，c p 之外的任何多径能量都可以 导致载波间干扰( i c i ) ，合理的c p 长度设计应可以保证即使在衰落严重的 信道环境下也能够收集到大部分的能量，并且能使多径能量损失和i c i 造 成的性能影响降到最低，同时还保证c p 开销较小，6 0 6n s 是最佳持续时 间长度；时频交织的结构使得m b o f d m 系统进一步在时域和频域获得分 1 6 扬州大学硕士论文 集增益。 2 4 超宽带信道模型 信道是整个无线通信系统中不可缺少的客观存在的一部分，其时频特 性直接影响相应的无线通信系统的构成与性能。而抽象出来的信道模型与 实际信道的符合程度也将影响到相应系统的性能和设计。u w b 信道是一 个崭新的信道，用恰当的信道模型正确、合理地描述出其特性，对于u w b 系统设计有着十分重要的意义。 随着超宽带通信技术的不断发展，已逐步提出了许多超宽带信道模型 【1 8 2 0 1 ，如k 模型、s t d l 模型、频域a r m o d e l 模型、s a l e h v a l e n z u e l a ( s v ) 模型等。 经过多次修改，i e e e 8 0 2 15 3 a 研究小组模型委员会于2 0 0 3 年发布了 u w b 室内多径信道模型的最终报告。该模型是在经典的s v 模型的基础 上作了少量修改后得到的，它保留了s v 模型中多径成簇出现以及能量服 从于双指数分布的特点，但根据实际的测量数据对多径的幅度分布作了修 正，认为对数正态分布比r a y l e i g h 分布更好地拟合了实验数据。目前，该 模型已经得到广泛认可，成为各研究机构进行超宽带系统性能仿真的公开 信道平台。 2 4 1l e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的u w b 信道模型 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的u w b 信道模型是由i n t e l 的j f o e r s t e r 等人于2 0 0 2 年提出的，经修改完善后被确定为高速无线个域网标准i e e e 8 0 2 15 3 a 的 标准信道模型【7 1 ，目前获得广泛应用。该模型使用频域测量方法对典型家 庭环境进行了大量的数据采集，测量频率范围为2 g h z 至8 g h z 共6 g h z 带宽，提供o 1 6 7 n s 多径分辨率。 i e e e 模型的信道冲激响应可以表示为 髟( 一l j i i ( r ) = 石口础一乙一) ( 2 19 ) n = l 七l 其中，x 是对数正态随机变量，代表信道的幅度增益；n 是观测到的簇的 王海洋：m b - o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 1 7 数目，k ( n ) 是第n 簇内接收到的多径数目，是第n 簇中第k 条路径的系 数，瓦是第n 簇到达时间，是第n 簇中第k 条路径的时延。信道系数 口破= p 。t 尾 ( 2 2 0 ) 这里，为以等概率取+ l 和1 的离散随机变量，凡是第n 簇中第k 条路 径的服从对数正态分布的信道系数。风可以表示为 玩= 1 0 2 0 ( 2 2 1 ) 式中，是均值为础、标准差为的高斯随机变量。特别地，可以 x 破= 破+ 己+ f 0 ( 2 2 2 ) 其中，色和九为两个高斯随机变量，分别表示每簇和每个分量的信道系 数变化。分别用仃；和表示磊和厶的方差。另外，利用簇幅度和簇内每 个多径分量的幅度都服从指数衰减的特点，可以得到的值 = ( 1 1 0 学1 2 ) = ( 蚶 等 。 n 2 ) 圳 圳等h 珈1 0 ( 2 2 3 j 础= i 百一一面一 对每个实现，玩项包含的总能量必须归一化为单位能量，即 i 风1 2 = l ( 2 2 4 ) 根据s v 模型，到达时间变量瓦和分别服从参数为人和z 的泊松过程。 幅度增益x 为对数正态随机变量 x ：1 0 面 ( 2 2 5 ) 式中，g 是均值为9 0 、方差为盯；的高斯随机变量。g o 值取决于平均总多径 增益g ，它是在观测位置测量得到的，即有 1 8 扬州大学硕士论文 2 4 2 信道的实现与仿真 1 0 l n g仃：l n l o g o2 百万2 苛 ( 2 2 6 ) 通过以上描述，式( 2 1 9 ) 表示的信道数学模型可以用以下7 个关键 模型参数确定【5 】： 人：簇平均到达率； 名：每个簇里径平均到达率； r ：簇的功率衰减因子； ，：簇内径的功率衰减因子； 仃，：簇的信道系数标准偏差； 矿，：簇内径的信道系数标准偏差； 盯。：信道幅度增益的标准偏差； 上述参数是通过使重要的信道特性尽量匹配得到的。由于实际信道是 时变的，信道的数学模型与实际信道的所有特性相吻合是很困难的，用于 获得上述模型而选择的主要信道特性如下： 平均额外时延( m e a ne x c e s sd e l a y ) ； 均方根时延扩展( r m sd e l a ys p r e a d ) ； 主要径的数目； 功率延迟剖面( p o w e rd e c a yp r 0 6 l e ) 。 其中主要径的取法通常取功率在峰值功率( 最强径) 的1 0 d b 内，或 功率为总功率的8 5 的径。因此，为了确定上述7 个参数的值，必须首先 求出这些特征参数的统计量，再通过拟合的方法即可得到上述7 个参数的 值。由于室内各种信道环境差异较大，经过拟合得到的参数也反映出不同 的特点。根据这些差异，i e e e 工作组归纳出4 种典型的信道环境，分别记 为c m l 、c m 2 、c m 3 和c m 4 ，它们分别对应于：0 4 米的有直达径( 视 距) 的信道( l o s ) 、0 4 米的无直达径( 非视距) 的信道( n l o s ) 、4 1 0 米的无直达径( 非视距) 的信道( n l o s ) 以及极其密集多径的无直达径( 非 视距) 的信道。表2 2 给出了不同环境下信道参数的参考值。 王海洋：m b o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 1 9 表2 2i e e eu w b 信道模型的参数设置属性 参数c m lc m 2c m 3c m 4 人( 1 n s ) 0 0 2 3 3o 40 0 6 6 70 0 6 6 7 五( 1 n s ) 2 5o 52 12 1 r7 15 51 42 4 厂4 36 77 91 2 吒( d b ) 3 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 l 吒( d b ) 3 3 9 4 l3 3 9 4 13 3 9 4 13 3 9 4 1 仃g ( d b ) 3333 图2 5 至图2 8 给出了根据这个模型生成的几个信道实现。从上述一 些仿真结果可以看出，u w b 信道的有效时延长度会达到至少5 0 n s 以上 ( c m l ) ，对于c m 4 信道而言，将会达到17 0 n s 左右。更重要的是，c m l 的可分辨径径数就可以达到至少5 0 径，而对于更复杂的c m 4 模型而言， 它的可分辨径径数会达到l5 0 2 0 0 径，大能量的主径径数也会有2 0 径以上。 对于采用m b o f d m 调制的u w b 系统来说，循环前缀的应用使得系统的 抗多径能力进一步加强，而如何利用多径能量，提高多径增益是研究 m b o f d m 系统的重点，也是本文研究的问题之一。 2 0 扬州大学硕士论文 焉 ： 兰 主 毋 o 1 了 了 兰 丘 图2 5c m l 的冲激响应 图2 6c m 2 的冲激响应 王海洋：m b o f d m 系统抗窄带干扰技术的研究 2 1 罴 ： 弓 詈 e o 刁 3 皇 互 e t i m e 【s 】 x10 7 图2 7c m 3 的冲激响应 t j m el s 】 x1 0 7 图2