（通信与信息系统专业论文）快速时变信道下无线ofdm系统信道估计技术的研究.pdf

快速时变信道下无线o f d m 系统信道估计技术的研究 摘要 正交频分复用( 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 ) 具 有高速的数据传输能力、高效的频谱利用率和抗多径干扰能力，因而在无线 通信领域引起了广泛关注，并且已经被应用到欧洲数字音频广播系统( d a b ， d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、数字视频广播系统( d v b ，d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) 、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 和电力 线载波通信等领域。o f d m 也将成为下一代移动通信系统中的关键技术之一。 但是，未来的无线通信系统的载波频率更高，数据传输速率不断提井而终端 的移动速度更快，例如我国正在建设的高速铁路的时速将会达到3 5 0 k m h 左 右，这样就使得信道的时变特性更加明显。当信道特性为快衰落时，由多普 勒频移导致的子载波间正交性遭到破坏，带来严重的子载波间干扰( i c i ， i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，降低了系统的性能。 针对未来无线通信系统的快衰落环境，利用卡尔曼滤波器在跟踪时变信 道方面的最优，结合判决反馈的信道估计和跟踪，论文提出了一种新的基于 低维卡尔曼滤波的迭代联合信道估计与检测算法，并且将时频域信道估计联 合起来。该算法在降低传统卡尔曼滤波计算复杂度的同时，能够有效地跟踪 信道的快速变化。由于在频率选择性衰落信道中，两个子载波之间的信道频 域响应相关性是随着子载波间隔增大而降低的，基于这一特性修正了卡尔曼 滤波的估计值，简化了算法的求逆过程，进一步的降低了算法的计算复杂度。 仿真结果表明该算法在信道快速变化的情况下依然获得了良好的信道估计性 能。 相位噪声在给0 f d m 系统带来相角错误的同时也带来i c i 在快衰落的 环境中，消除i c l 就变得尤为重要。针对相位噪声下o f d m 系统的快变信道 估计问题，提出了一种新的将快变信道和相位噪声进行联合估计的算法。该 算法将时变信道建模为复指数基扩展模型，采用频域插入优化的梳状导频的 方法，基于线性最小均方误差估计器( l m m s e ) 对快变信道和相位噪声进行 联合估计，获得了良好的信道估计性能。 哈尔滨工程大学博士学位论文 目前，对时变信道进行估计及均衡的算法越来越受到广大研究人员的重 视，而将时变信道建模为基扩展模型则是估计快速时变信道的一个行之有效 的方法。在传统的复指数基扩展模型的基础上，论文提出了一种改进的基于 离散椭球基扩展模型的快变信道估计算法。然后基于这种信道建模方法，又 提出了一种改进的基于维特比算法的自适应信道估计新算法。信道估计算法 首先是利用自适应算法对基扩展模型的系数进行估计；然后是利用已经估计 出来的信道参数，结合维特比算法，采用迭代的最大似然算法进行估计。该 算法在降低计算复杂度的同时能够跟踪信道的快速变化。 关键词：o f d m ；信道估计：时变信道；基扩展模型；l m m s e 快速时变信道下无线o f d m 系统信道估计技术的研究 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sr a p i dt r a n s m i s s i o no fd a t a , e a s yr e a l i z a t i o ni nc o u n t e r i n g i n t e r f e r e n c eo fm u l t i - p a t ha n dh i g hu t i l i z a t i o no ff r e q u e n c ys p e c t r u m ，o f d mh a s r e c e i v e da ni n c r e a s i n gg r e a ti n t e r e s ti nt h er a d i oc o m m u n i c a t i o na n dh a sb e e n w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sd i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ( d a b ) ，d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) a n dp o w e rl i n e c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，e r e o f d mw i l lb eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h e s f o rt h en 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 ns y s t e m h o w e v e r , f u t u r ew i r e l e s s s y s t e m sw o r ka th i g h e rf r e q u e n c y , h i g h e rr a t e d a t at r a n s m i s s i o n ，a n df a s t e r t e r m i n a lm o v e m e n t ，t h eh i g h s p e e dr a i l w a yn o wu n d e rc o n s t r u c t i o ni nc h i n ar u n s a tav e l o c i t yo v e r3 5 0k m ha si l l u s t r a t i v ee x a m p l e s ，m a k i n gt h ec h a n n e l st ob e r a p i dv a r i a n t u n d e r t h ef a s tf a d i n go fc h a n n e l ，t h eo r t h o g o n a l i t ya m o n g s u b c a r r i e r sc a u s e db yd o p p l e rs h i f tw i l lb ed e s t r o y e d ，r e s u l t i n gi ni n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ( i c i ) a n dp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n a d a p t i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ff a s tf a d i n gc h a n n e li nt h ef u t u r er a d i o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sf o r em e n t i o n e d ，an e wi t e r a t i v ej o i n tc h a n n e le s t i m a t i o n a n ds y m b o ld e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ea l g o r i t h mu t i l i z e s t h eo p t i m a l i t yo fk a l m a nf i l t e ri nt r a c k i n gt h et i m e v a r y i n gc h a n n e l ，c o m b i n e d w i mt h ee s t i m a t i o na n dt r a c k i n go fd e c i s i o n - f e e d b a c kc h a n n e l ，j o i n t l yp e r f o r m s t h et i m ed o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o na n df r e q u e n e yd o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o n t h ea l g o r i t h mr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h et r a d i t i o n a lk a l m a nf i l t e re s t i m a t i o n m e t h o dg r e a t l y , a n dt r a c k st h ec h a n n e li n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l ya tt h es a m et i m e b e s i d e s ，s i n c et h ec o r r e l a t i o no ft h ef r e q u e n c yd o m a i nr e s p o n s eo ft h ec h a n n e l d e c r e a s e s ，w h e nt h 6i n t e r v a lb e t w e e n t w oa d j a e e n ts u b c a r r i e r si n c r e a s e so v e r f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s ，t h ee s t i m a t ev a l u e s o fk a l m a nf i l t e ri s c o r r e c t e di nt h ea l g o r i t h mp r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p l e x i t yo fa l g o r i t h mi s r e d u c e da n di tc a na c h i e v eag o o dp e r f o r m a n c eo nc h a n n e le s t i m a t i o ne v e nw h e n 哈尔滨工程大学博士学位论文 一i i i i i t h ec h a n n e lf l u c t u a t e sr a p i d l y t h ep h a s en o i s ei n t r o d u c e st h ec o i ：i l r n o np h a s ee r r o r ( c p e ) a n di ( 3 it oo f d m s y s t e m s i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt oc a n c e lt h ei c ii nf a s tf a d i n gc h a n n e l n l i s p a p e rp r e s e n t sa n o v e lt e c h n i q u ew h i c hc a nj o i n t l yp e r f o r mt h ec h a n n e la n d p h a s e n o i s ee s t i m a t i o nt ot r a c kr a p i d v a r y i n gc h a n n e l sw h e nc o n s i d e r i n gt h ep h a s en o i s e i no f d ms y s t e m b yu t i l i z i n gt h eo p t i m a lc o m bp i l o t sa n dal i n e a rm i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ( l m m s e ) e s t i m a t o r , t h ea l g o r i t h mc a nj o i n t l yp e r f o r mt h e c h a n n e la n dp h a s en o i s ee s t i m a t i o nu s i n gam o d i f i e db a s i se x p a n s i o nm o d e l ( b e m ) a n dt h ep r o p o s e ds c h e m ec a l lo f f e ra c c u r a t ec h a n n e li n f o r m a t i o n r e c e n t l y , t h ea l g o r i t h m s o fe s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o no ft i m e v a r y i n g c h a n n e la t t r a c tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a n di ti sv e r ye f f e c t i v et ou s et h em e t h o d o fb a s i se x p a n s i o na st h em o d e lo ft i m e v a r y i n gc h a n n e l0 nc h a n n e le s t i m a t i o n t h i sp a p e ra l s op r o p o s e sam o d i f i e dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o du s i n gd i s c r e t e p r o l a t es p h e r o i d a ls e q u e n c e sb a s i se x p a n s i o nm o d e l ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a l c o m p l e xe x p o n e n t i a l b a s i s e x p a n s i o nm o d e l t h e nt h ep a p e rp r e s e n t s a r e d u c e d c o m p l e x i t ym a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o nr e c e i v e rs u i t a b l e f o rt h i sm e t h o do fc h a n n e lm o d e l i n g at w o - s t e pa p p r o a c hi sa d o p t e dw h e r ei n t h ef n s ts t e pw ee s t i m a t et h ec h a n n e lu s i n gd p s - b e ma n da d a p t i v ea l g o r i t h m t h e nu s i n gt h ee s t i m a t e dc h a n n e lf r o mt h ef as ts t e p ，av i t e r b id e t e c t o ri su s e dt o e s t i m a t et h ei n f o r m a t i o ns e q u e n c e t h i ss c h e m ec a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t ya n de s t i m a t et h ec h a n n e li n f o r m a t i o na c c u r a t e l y k e yw o r d s ：o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；t i m e - v a r y i n gc h a n n e l s ；b a s i se x p a n s i o n m o d e ；l m m s e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 怂 日期：o 以炒拿年月百日 j | 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学l 涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部 作者( 签字) ：w 犬美 日期：少7 “月明 第1 章绪论 _aimt i i i i ；i i 暑暑暑昌暑暑暑眚宣i i 宣宣宣置置瞄暑i i ；置昌昌宣昌置眚葺暑i i 暑宣葺 第1 章绪论 在过去的二十多年里，无线通信技术的迅猛发展给人们的生活和工作带 来了极大的方便。进入2 1 世纪之后，无线通信技术，尤其是无线移动通信技 术，更呈现出前所未有的发展态势。下一代移动无线通信系统的目标是实现 无所不在的、高质量的、高速率的移动多媒体传输。为了实现这一目标，各 种新的技术正不断地被广泛应用到移动通信系统中来。 1 1 研究背景及意义 无线通信与个人通信在短短几十年经历了从模拟通信到数字通信、从频 分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 到码分多址( c d m a ， c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的巨大发展。目前出现的以o f d m ( 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 ) 等为核心的新技术，比以c d m a 为核心的第 三代移动通信技术更加完善，称之为“后三代或第四代移动通信技术川。 1 1 1 无线移动通信系统的发展与现状 在2 0 世纪7 0 年代初期，出现了在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，许多国家都使用基于频分复用和模拟调制技术的第一代蜂窝系统。 第一代移动通信系统对移动通信的贡献是使用蜂窝结构，频带可重复利 用，实现了大区域覆盖，支持移动终端的漫游和越区切换，实现了移动环境 下不间断的通信。第一代移动通信系统的出现和发展中最重要的特点是体现 在移动上，这是其它任何通信方式和系统不可替代的，从而结束了过去无线 通信在发展过程中时常被其它通信手段替代而处于辅助地位的历史酬。 第二代移动通信系统是目前广泛使用的数字通信系统，它们提供了更高 的频谱利用率、更好的数据业务以及比第一代系统更先进的漫游。g s m ( 全 哈尔滨r 下程大学博十学位论文 球移动通信系统) 及窄带c d m a ( 也叫c d m a o n e 、i s 9 5c d m a ) 都属于第 二代系统。数字信号处理技术是第二代移动通信系统最基本的技术特征，它 对移动通信发展的重大贡献是使用s i m 卡，轻便手机和大量用户的网络支撑 能力。使用s i m 卡作为移动通信用户个人身份和通信记录的载体，为移动通 信管理、运营和服务带来了极大的便利刚。 随着人们对传输速率和传输质量要求的不断提高，第二代移动通信系统 将很难满足新的业务需求，第三代移动通信系统( 3 g ) 应运而生。它最基本 的特征是智能信号处理技术，实现基于话音业务为主的多媒体数据通信，更 高的频谱效率、更高的服务质量及低成本。3 g 技术标准由国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定，主要包括w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大 主流无线接入标准，并已写入3 g 技术指导性文件 2 0 0 0 年国际移动通信计 划( 简称i m t - 2 0 0 0 ) o - 1 0 l 。 w c d m a w c d m a 全名是w i d e b a n dc d m a ，它可以支持3 8 4 k b p s 到2 m b p s 不等 的数据传输速率。在高速移动的状态，可提供3 8 4 k b p s 的传输速率，在低速 或是室内环境下，则可以提供2 m b p s 的传输速率。而g s m 系统目前只能传 输9 6 k b p s ，固定线路m o d e m 也只能达到5 6 k b p s 的速率，由此可见w c d m a 真正实现了无线的宽带通讯卜b 1 。 c d l a 2 0 0 0 由美国高通北美公司主导提出，摩托罗拉、l u c e n t 和韩国三星参与，韩 国现在已经成为该标准的主导者。这套系统是从窄带c d m ao n e 数字标准衍 生出来的，可以从原有的c d m ao n e 结构直接升级到3 g ，建设成本低廉。 但目前使用c d m ao n e 的地区只有曰、韩和北美等，所以c d m a 2 0 0 0 支持 者不如w c d m a 多”。 t d s c d m a t d s c d m a 也属于一种无线通信技术标准，它是由中国第一次提出并在 此无线传输技术的基础上与国际合作，完成了t d s c d m a 标准的制定，成 为c d m at d d 标准中的一员，这是中国移动通信的一次创举，也是中国对 第三代移动通信发展的贡献。在与欧洲、美国各自提出的3 g 标准的竞争中， 中国提出的t d s c d m a 已正式成为全球3 g 标准之一，这标志着中国在移动 2 第1 章绪论 皇暑皇宣i ；昌i i 宣宣暑暑；昌宣置昌i 昌宣宣毒昌皇暑审暑暑葺i 暑；昌i ；i i 宣i ；i i i i ；i i ；宣；昌；昌宣 1 1 t ；宣 通信领域已经进入世界领先之列。 2 0 0 9 年1 月7 日1 4 时3 0 分，工业和信息化部为中国移动、中国电信和 中国联通发放3 张3 g 牌照。其中，中国移动获得t d s c d m a 牌照，中国电 信获得c d m a 2 0 0 0 牌照，中国联通获得w c d m a 牌照。中国正式进入3 g 时代! 第三代移动通信系统已经在部分国家和地区推出，它的核心网没有完全 脱离第二代的核心网结构，不是真正意义上的宽带接入网。而第四代无线移 动通信系统的目标是能够实现“任何人在任何时间、任何地点以及任何方式 和任何人进行通信”，具体的讲就是构建宽带化、大容量、全业务、智能化的 无线通信网络以提供给移动用户高速的无线接入。目前，b 3 g 4 g 的概念与 目标逐步明确，它可以提供静态时1 0 0 m b p s - - 1 g b p s 和移动时1 0 0 m b p s 的数 据传输速率，能够覆盖现有的各种通信系统，支持无缝漫游和切换。在b 3 g 4 g 的关键技术中，多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ) 和正交频分复用技术( 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 ) ， 具有抗衰落特性和高频谱效率，是实现物理层宽带接入、提高系统容量的主 要技术，越来越多的目光已经投向m i m o 系统、o f d m 系统和两者相结合的 m i m 0 o f d m 系统。 1 1 2o f d m 技术的发展与现状 正交频分复用技术是一种多载波调制技术，它是在频分复用( f d m ， 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 ) 的基础上发展起来的。频分复用技术早在 1 9 世纪以前就己经被提出，它把可用带宽分成若干相互隔离的子频带，同时 分别传送一路低速信号( 如电报) ，从而达到信号复用的目的。各子载波上的 被调制数据可以来自同一信号源，也可以来自不同信号源。这种传统的多载 波传输方式复杂性比较高，因为各子载波都需要自己的模拟前端，同时为了 使得接收机可以区分各子频带，各子载波之间必须有足够的频率间隔，从而 避免信号经过信道后发生频谱混叠j 所以频谱效率通常很低。但是在这种并 行传输机制下，因为各子载波上的数据速率较低，相应的信号的码元周期较 长并远大于信道的最大时延扩展，从而可以有效的减小由于信道单位时延扩 3 哈尔滨下程大学博士学位论文 展引起的符号间干扰问题。 为了提高f d m 技术的频谱利用率，m l d o e l z 掣1 6 1 在2 0 世纪5 0 年代提 出了应用于军事领域的k i n e p l e x 系统。该系统的设计目的是在严重多径衰落 高频无线信道中实现数据传输。系统使用了2 0 个子载波，采用差分q p s k 调制，且实现方式几乎和现代的o f d m 一样：相邻子载波间的间隔近似等于 子载波的符号速率，从而保证各子载波相互正交，其频谱相互重叠，于是大 大提高了系统的频谱利用率，但系统仍采用了传统的多载波调制系统实现方 式。随后的多载波系统也是利用类似的技术提高频谱利用率。可以看出，其 基本思想类似于现代的o f d m ，可以说是o f d m 系统的雏形。 以上所说的o f d m 系统中，子载波频谱没有经过滤波，各子载波的频谱 形状均为s i n ( 矽) f 函数形式。为了限制系统频谱，r 。w c h a n g 等分析了多载 波通信系统中如何使经过滤波、带限的子载波保持正交卜h 1 。1 9 7 1 年， s b w e i n s t e i n 和e m e b e r t 提出使用离散傅立叶变换实现多载波的基带调制 和解调刚，这样便不再对每个子载波都使用模拟前端，从而大大地降低了多 载波系统的复杂度，为o f d m 的演进做出了巨大的贡献。另外，w e i n s t e i n t m 等还提出了通过插入一段空白区作为保护间隔来消除符号间干扰，但这种办 法不能保证信号经过色散信道后各子载波仍然正交。为此，a p e l e d 和a r u i z 提出了采用循环前缀的方法，采用这种方法可以保证信号经过色散信道后仍 能保持子载波的正交性口1 1 。至此，现代o f d m 的概念便形成了。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瞄1 ，为无线o f d m 的发展奠 定了基础。 进入九十年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数 据传输。o f d m 作为一种宽带无线传输技术的优势很突出，而且可以利用有 效的新技术去修正和弥补o f d m 的固有缺点，因而被广泛的应用于民用通信 系统中。1 9 9 5 年欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定了数字音频广播( d a b ， d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 的标准，这是第一个使用o f d m 的标准，它可以 提供与c d 相媲美的音质。1 9 9 7 年基于o f d m 的数字视频广播系统( d v b ， d i g i m lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准也开始正式使用。同时在用户非对称环路 ( a d s l ) 应用中，o f d m 被成功的应用到基于双绞线有线环境中，可以在 1 m h z 带宽内提供高达8 m b i t s 的数据传输速率。1 9 9 8 年i e e e 8 0 2 1 1 标准组 4 第1 章绪论 经过多次修改，终于决定在5g h z 频段上无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k s ) 的物理层接入方案中采用o f d m 技术，它可以提供 6 m b i t s 5 4 m b i t s 的数据速率，这是o f d m 技术第一次被用于分组业务通信 网中。 进入2 l 世纪以后，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 技术作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，更加引起了广 泛的关注。随着多天线技术、码分多址技术等近代通信技术的迅速发展，以 及日益走向高速、综合、大容量业务的需求，o f d m 技术的发展步伐加快， 而且出现了许多新的研究领域和新的发展方向。是o f d m 技术和其它多址 技术的结合，如o f d m c d m a 是将o f d m 调制技术与c d m a 结合在一起 的多载波c d m a ，同时具有o f d m 技术和c d m a 技术的优点，能够提供大 容量、高速率的数据通信，现在已成为第四代移动通信的研究热点。二是 o f d m 技术和多天线技术相结合，m i m o o f d m 技术就是在系统中组合使用 o f d m 调制技术和多输入多输出( m i m o ) 天线技术，m i m o o f d m 技术现 在是下一代互联网和多媒体业务的关键技术。 1 1 3o f d m 技术的主要特点 随着社会的发展，人们对通信的要求越来越高，需要更好的通信质量和 更灵活的通信方式，而宽带无线接入网则能够很好的满足这种高要求。宽带 无线接入网需要在无线信道上传送更高的数据速率，但由于无线信道复杂多 变的多径传播特性，导致信道的最大延迟就可能比传送符号的持续时间还长， 这样就会引起符号间干扰( 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 ) 。而且随着通信距 离的增加或数据速率的提高，i s i 会变得更加严重，这就必须通过信道均衡技 术来进行补偿。但是随着i s i 的长度的增加，均衡的计算复杂度将迅速增加， 使得实时处理变得越来越困难。 o f d m 技术提供了让数据以较高速率在较大延迟信道上传输的途径。 o f d m 技术的思想是把一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流， 以并行的方式在多个子信道上传输。这样在每个子信道上，符号的持续时间 比信道的最大延迟大，从而可以减小或消除i s i 的影响。 哈尔滨工程大学博士学位论文 现代的o f d m 技术是一种多载波技术，它采用多个正交的子载波来传输 数据，并使用离散快速傅立叶变换技术实现信号的调制与解调，它的主要优 点为： ( 1 ) 频谱利用率高 在经典的f d m 系统中，整个带宽被分割成很多子信道，发射机独立产 生各种窄带信号送到子信道中，各子信道频带之间严格分离，并把窄带信号 分配到不同的子信道频带上传输，接收端通过带通滤波器滤除带外的信号来 接收每个子信道上的数据。这种方法要求各个子信道的窄带信号频谱相互分 离，考虑到带通滤波器的不理想性，各个子信道的频谱间还应有一定的保护 频带。因此，该方法最大的缺点是频带利用率低，造成频带浪费。现在人们 提出了频谱可以重叠的多载波系统。在o f d m 系统中各个子信道的载波间相 互正交，它们的频谱相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时 又提高了频带利用率，对于频谱资源有限的无线通信来说，这个优点十分重 要。当子载波个数足够大时，系统的频带利用率可接近理论值2 b a u d h z 。 ( 2 ) 系统的实现比较简单 在发送端采用了快速傅立叶反变换( 腰f t ) ，把频域的调制信号转化为时 域的信号发送出去。在接收端，通过快速傅立叶变换( f f t ) 把接收到的时 域信号转化为频域信号，然后进行判决解调，恢复频域的调制信息。采用f f t 技术大大降低了o f d m 的实现复杂性，原先o f d m 的实现需要多个调制解 调器，电路十分复杂，限制了o f d m 技术的使用范围，但是采用f f t 技术 后，可以快速的实现调制与解调，并且电路也变得十分简单。近年来，随着 数字集成电路的迅速发展，d s p 芯片的运算能力越来越快，出现了处理速度 很快的f f t 专用芯片，更进一步推动了o f d m 技术的发展。 ( 3 ) 可以有效克服脉冲干扰和窄带干扰 在单载波系统中，单个干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波 系统中，脉冲干扰和窄带干扰只能影响- - d , 部分子载波。对这些子信道还可 以采用纠错码来进行纠错。因此，o f d m 系统可在某种程度上抵抗这些干扰。 ( 4 ) 有很好的抗多径延迟和衰落的性能 当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处 的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的 6 第l 章绪论 iihi i i i l l i 写宣葺叠暑篁置暑昌；宣葺宣i 昌宣i i i i ；宣；i 宣 误码率性能要好得多。通过对各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能 力。o f d m 技术本身具备信道的频率分集能力，如果衰落不是特别严重，就 没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，系统性能则可以进一 步得到提高。 ( 5 ) 支持动态比特分配方法 由于无线信道存在频率选择性衰落，不可能所有的子载波都同时处于比 较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法， 充分利用信噪比( s n r ) 比较高的子信道，从而提高系统的性能。 ( 6 ) 可与多种接入方式结合使用 o f d m 系统很容易与其他多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统， 其中包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等， 使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传递。 但是由于o f d m 系统内存在多个正交子载波，而其输出信号是多个子信 道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： ( 1 ) 子载波正交性易受破坏 由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要 求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏 移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器不严格 同步，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道 间的信号相互干扰，影响系统的性能。这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的 主要缺点之一，也是同步所需要解决的主要问题。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比 与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠 加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远 远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a r ， p e a k - t o a v e r a g er a t i o ) 。这样就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要 求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使 得叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破 坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 7 哈尔滨丁程大学博士学位论文 1 1 4 本课题的研究意义 由于o f d m 在宽带通信中的诸多优点，在无线通信领域得到了越来越多 的应用和重视。对o f d m 系统的研究工作也方兴未艾。虽然o f d m 已经在 很多无线通信标准中得到了广泛的应用，但其还是具有自身的缺点和问题。 如何利用o f d m 的技术特点，设计出更好的无线通信系统，一直是广大科研 人员研究的重点。在本节中，将结合o f d m 无线通信系统的一些研究热点和 方向，阐述本论文的研究意义。 由前所述可以知道o f d m 系统具有简单的频域均衡结构。当信道的频域 响应已知时，通过频域均衡，o f d m 接收机可以减弱或消除多径信道的影响 毽或c 瓦或e 色，慢衰落信道的条件是z c 或忍饬。 当信道的相干时间远大于发射信号的符号周期时，称信道是慢衰落信道， 当信道相干时间与发射信号的符号周期可比较时，称信道是快衰落信道。故 在本文中我们考虑两种快衰落信道的情形，一种是发射信号符号间信道发生 变化，如第三章所研究的内容；另外一种是发射信号符号内信道发生变化， 如第四章和第五章所研究内容。快衰落的衰落幅度变化与地形地物有关，可 达1 0 d b 到3 0 d b ，衰落速度与移动台移动速度有关。 在高速移动环境下，o f d m 系统的多普勒扩展随移动速度的增加而越来 越明显。对于后三代( b 3 g ) 通信系统，室内传输环境下统计平均得到的信 道相干时间为2 7 6 m s ，室外环境下为4 1 5 u sm 1 。对于带宽为2 m h z ，子载波 数为1 0 2 4 的o f d m 系统，信号周期为5 1 2 s ，对于室外环境；信号周期大 于信道的相干时间，因此多径传输的信号会经历快衰落。快衰落信道环境下， 信号失真随多普勒扩展的增加而变得愈加明显。 2 2 移动无线信道模型及仿真 在上一节简要介绍了多径信道的特性，以此为基础，我们在本节主要讨 论多径衰落信道的建模问题。 2 2 1 信道模型 时变多径信道的冲激响应模型可以由文献【l 】得出，a 令x ( t ) 为等效低通信 号，z 为载频，则待传输的带通信号为： j ( f ) = z ( f ) e x p ( 2 万力) ( 2 7 ) 设多径信道包含了多条离散传播路径，y ( f ) 为接收到的等效低通信号， 2 0 第2 罩无线衰落信遭与o f d m 系统 则接收的带通信号为： ，( f ) = r e y ( t ) e x p ( j 2 x f t ) ( 2 - 8 ) j ，( f ) = ( f ) e x p 一j 2 万 ( 五+ 矗( r ) ) 毛( f ) 一矗( r ) ， ) xt - o ) ) + 刁( r ) ( 2 - 9 ) 式中：g n ( ! ) 和( f ) 分别为第胛条路径上的时变衰落因子和传播时延，刁( f ) 为 加性噪声。矗为第，z 条路径的多普勒频移。令包( r ) 为第甩条传播路径与接 收机运动方向的夹角，厶为最大多普勒频移，则： 矗= f oc o s ( o ( f ) ) ( 2 1 0 ) 令纸( r ) 为时变相位，这时接收到的等效低通信号为： y ( f ) = ( f ) e x p 一觑( ，) ) x ( 卜( f ) ) + ，7 ( f ) ( 2 1 1 ) 其中 纯( ，) = 2 万 ( z + 矗( ，) ) 乙( 矿f o ( t ) t ( 2 - 1 2 ) 由式( 2 1 1 ) ，等效的复基带信道就可以通过一个时变冲激响应构造为： h ( t ，f ) = a ( 1 ) e x p - j r p ( t ) 6 ( r - r ( t ) ) ( 2 1 3 ) 通常，上式中的多径分量数目很大，根据中心极限定理，这一时变多径 衰落信道的冲激响应可被近似看作一个复高斯随机过程，当移动环境中没有 直射路径时，冲激响应可以通过一个零均值的复高斯过程来构造u 1 ，而冲激 响应的包络陋( ，f ) l 则服从瑞利分布，相位服从均匀分布，这种信道称为瑞利 衰落信道。当多径信道中包含直射路径时，冲激响应可以通过一个非零均值 的复高斯过程来构造，这时i h ( t ，r ) l 服从莱斯( m c e ) 分布，这一多径信道则成 为莱斯衰落信道。 2 2 2 平坦衰落信道的仿真 c l a r k e p 5 1 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即上述讨论的 瑞利衰落信道。其移动台接收信号场强的统计特性是基于散射的，这正好与 市区环境中无直视通路的特点相吻合，因此广泛应用于市区环境的仿真中。 2 1 哈尔滨t 程大学博士学位论文 c l a r k e 信道模型的仿真基于两个不相关的有色随机过程，这两个随机过程的 功率分布满足信道朐多普勒功率谱。因此，如何产生这两个有色随机过程是 信道仿真的关键。 产生有色随机噪声的方法有两种，一种是成形滤波器法