（通信与信息系统专业论文）分块传输系统中的自适应调制算法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 多径传播是宽带无线通信传播环境的特性，分块传输技术由于其很好的抗多 径性能和较高的频谱效率逐渐成为近年来的研究热点，并成为第四代通信的关键 技术目前，基于c p 的分块传输技术主要有两种：正交频分复用【l 】和单载波频 域均衡【2 】作为两种分块传输技术，它们具有对偶性【3 】，并且有各自的优缺点 频谱资源是有限的，为了实现高速通信必须提高频谱效率自适应调制技术 是一种提高频谱效率的有效方式本论文的工作主要是分块传输系统中的自适应 调制算法的研究 论文首先介绍了无线通信传播环境的特点第二章中介绍了o f d m 和 s c o f d e 的基本原理，并对它们进行了比较。在第三章中指出自适应调制的原理 及其应用，并对已有的自适应调制算法进行介绍和分析 论文的第四章是在已有算法基础上提出的三个新算法。s c - f d e 中的自适应 调制算法处于起步阶段，到目前为止只有1 篇文章【4 】。最优信号子空间【5 】的思 想是s c - f d e 中设计自适应调制算法的根本基础，在此基础上又提出了序列最优 信号子空间的概念。新提出的算法是功率受限误比特率恒定条件下的最大传输速 率算法，首先确定出序列最优信号子空问，然后根据w a t e r - f i l l i n g 原理进行功率 分配，最后确定出各块子空间上的调制方式。在同等条件下，该算法具有更好的 频谱效率论文依据贪婪算法提出了s c f d e 中的最小功率算法，该算法需要回 传信息量小，计算复杂度比较低论文最后提出了一种高性能的o f d m 中的白 适应调制算法，该算法的性能在深衰落信道中要好于经典的f i s c h e r 算法，并且 计算复杂度低，缺点是不适用于信道快变的无线移动通信环境，回传信息量比较 大 最后对论文中所做的工作进行了总结，同时也指出了需要进一步讨论和研究 的问题。 关键词：自适应调制算法；o f d m ：s c f d e ；信道容量准则 6 1 ； 最优信号子空间；序列最优信号子空间。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i p a t hf a d i n gi st h eb a s i cc h a r a c t e ro fb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b l o c k - w i s e dt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sh a v eb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l df e a t u r i n g r o b u s t n e s st om u l t i p a t hf a d i n ga n dh i g i if r e q u e n c ye f f i c i e n c y ，w h i c hw i l lb et h ek e y t e c h n i q u e s f o r t h ef o r t h g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n t h e r ea r et w oc p a i d e d b l o c k - w i s e dt r a n s m i s s i o nt 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 yd o m a i nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) 1 】a n ds i n g l ec a r r i e rw i t hf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ( s c - f d e ) 【2 】 a st w ob l o c k - w i s e dt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s ，o f d ma n ds c f d eh a sd u a l i t y 3 i no r d e rt o g e th i g hd a t a r a t ec o m m u n i c a t i o n 。w em u s te n h a n c ef r e q u e n c y e f f i c i e n c yb e c a u s et h a tf r e q u e n c yl l g $ o l n c ei sl i m i t e d a d a p t i v em o d u l a t i o ni sa ne f f e c t w a y t oe n h a n c ef r e q u e n c ye f f i c i e n c y m o s tw o r ki nt h et h e s i sf o c u so nt h er e s e a r c ho f a d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h m s t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d m a n ds c - f d e 砒f i r s t t h e ni tg i v e st h ec o m p a r i s o n sb e t w e e nt h e m i nc h a p t e rm e t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fa d a p t i v em o d u l a t i o na r ei n t r o d u c e di nb r i e f a f t e rt h a t w eg i v et h ei n t r o d u c t i o na n da n a l y s i st ot h ea l g o r i t h m st h a th a v eb e e np r o p o s e d t h el a s tc h a p t e ri st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h et h e s i s ，w h i c hi n t r o d u c e st h r e e n e wa d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h m s t h ea d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mr e s e a f c hi n s c - f d ei si ni t si n f a n c yc o m p a r e dw i t ho f d m o p t i m a ls i g n a ls u b s p a c ei st h e f o u n d a t i o nf o ro n ra d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h m si ns c f d e a n o t h e rn e wc o n c e p t i si n t r o d u c e dc a l l e ds e q u e n c e do p t i m a is i g n a ls u b s p a c e s t h en e wa l g o r i t h mi 3a i m e d t og e tt h em a x i m u md a t er a t ew i t hc o n s t a n tb i t 锄fr a t i ou n d e rp o w e rc o n s t r a i n t t h e m a i ni d e ai sd e t e r m i n i n gs e q u e n c e d o p t i m a ls i g n a ls u b s p a c e sa tf i r s t , a n dt h e np o w e r i sa l l o c a t e da c c o r d i n gt o w a t e r - f i l l i n gp r i n c i p l e a f t e rt h a tb i t sc a nb ea l l o c a t e dt o s u b s p a c e sa c c o r d i n gt o c o n s t r a i n tc o n d i t i o n t h i sa l g o r i t h mh a sh i g h e rs p e c t r a l e f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t hp r e s e n to n e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fs e q u e n c e d o p t i m a ls i g n a ls p a c ei ns c - f d e ，w ep r o p o s ea na l g o r i t h mc a l l e dm i n i m u mp o w e r a l g o r i t h m t h en e wa l g o r i t h mh a sl o wc o m p l e x i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c e a f t e r s e v e r a ly e a r sr e s e a r c h ，a d a p t i v em o d u l a t i o ni no f d mi sm a t u r e a tt h ee n do fc h a p t e r 山东大学硕士学位论文 f o u r , w ep r o p o s eah i g hp e r f o r m a n c ea d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mw i t hl o w e r c o m p l e x i t y , w h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nf i s c h e r sa l g o r i t h m , t h o u g hi ti sn o t s u i t a b l ef o rf a s tc h a n g i n gc h a n n e l s a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，w es u m m a r i z et h em a j o rr e s u l t sa n dp o i n to u tp r o b l e m s n e e dt ob ef u r t h e rd i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d k e y w o r d s ：a d a p t i v em o d u l a t i o n ；o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd o m a i n m u l t i p l e x i n g ) ；s c - f d e ( s i n g l ec a r d e rw i t hf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ) ； c a p a c i t yc r i t e r i o n 【6 】；o p t i m a ls i g n a ls u b s p a c e ；s e q u e n c e do p t i m a ls i g n a ls u b s p a c e s h i 山东大学硕士学位论文 符号表示及说明 乘 线性卷积 循环卷积 信号功率 噪声方差 时域噪声向量 信源时域抽样值 信道时域冲激响应 频域噪声向量 信道容量 信源频域抽样值 接收端均衡前信号的频域抽样值 信道频域响应抽样值 日按复增益模值排序后对应的频域抽样值 c p 的长度 子载波的个数 k r o n e c k e r 8 函数 向量空间 i ) 。 o p 矿 w j w c s 足 日 巩 l 砸 _ 膨 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：窆l 壹耋 e t期：! 塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蓟壹查导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 移动通信发展现状 第一章引言 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。 理想的目标是任何人在任何时间、任何地方、与任何对象都能进行任何形式的通 信。移动通信是当今通信领域内最活跃、发展最迅速的领域之一，也是2 l 世纪 对人类生活和社会发展有重大影响的科学领域之一 从2 0 世纪2 0 年代推出移动通信开始，移动通信技术已经发生了翻天覆地 的变化。特别是2 0 世纪9 0 年代中期以来，随着移动通信技术的成熟和运营实践 的成功，以及计算机技术的飞速发展和迅速普及，对移动通信的业务功能又有了 更高的要求，目前第三代移动通信系统已经开发成熟，并已经在一些国家成功商 用我国也将在近期推出具有中国特色的3 g 业务由于多媒体业务的发展对通 信提出了更高要求，人们将研究目光转向了容量更大、速度更快、功能更强的 b 3 g 。除了多媒体业务，未来移动通信还要实现两个重要方面，即提供无所不在 的服务和全球性的服务 1 2 移动通信技术发展概况 物理层传输技术是通信技术中非常关键的技术，是通信系统的支撑技术， 对通信系统的性能起决定性作用如计算机技术的瓶颈是计算机硬件技术的发 展，无线通信技术发展的根本动力在于物理层传输技术的突破。为了实现越来越 高的信息传输速率，采用宽带传输技术已成为通信界的共识，这在理论上与香农 的信道容量是一致的2 0 世纪末，扩频技术( s p e c u u ms p r e a d i n g ) ，超宽带技术 ( u l t r a - w i d eb a n d ：u w b ) 、正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ：o f d m ) 、单载波频域均衡技术( s i n g l ec a r r i e * l w i t hf r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o n ：s c f d e ) 和多入多出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ：m i m o ) 技术的提出，使得移动通信真正意义上步入了宽带时代现有的无线传输网络大 致可以分为两类，第一类是基于蜂窝移动通信网络发展起来漫游型移动通信网 山东大学硕士学位论文 络，第二类以无线通信技术架构互联网为目标的无线数据网络。第一类技术规范 演进常简称为i g ( 1 4g e n e r a t i o n ) ，2 g ( 2 ”g e n e r a t i o n ) ，3 g ( 3 “g e n e r a t i o n ) 。 1 g 为模拟通信网，基于频分复用技术；现在我国实际使用的为2 2 5 g 窄带数字 通信网，主要基于时分复用的g s m ( g p r s ，e d g e ) 标准和码分复用技术i s 9 5 ( c d m al x ，3 x ) 标准；3 g 的物理层和网络层的相关技术现已成熟，并有部分国 家开始投入使用并取得了一定的成功。它主要基于扩频技术，分为w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 和我国与西门子公司合作推出的t d - s c d m a 三大标准；b 3 g ( 4 g ) 现在尚处于研究阶段，在数据传输速率、带宽和工作频段上尚未形成统一的认识 和标准，不过目前普遍认为o f d m + m i m o 将是其物理层技术核心，但是这种技 术在实现上的复杂度将成为制约它发展的瓶颈。第二类技术则主要按照覆盖范围 的逐渐扩大分为w p a n ( w i r c l e 鼯p e r s o n a l a r e an e t ) 、w u 圆( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 、w m a n ( w h e l 鹤s m e 恤o p o l i t a n n e t w o r k ) 和w 硎a n ( w i 陀k 豁w i d e a r e a n e t w o r k ) w p a n 的覆盖范围在1 0 米左右，主要标准为蓝牙和i e e e 8 0 2 1 5 ，主 要用于实现个人便携设备的之间的通信；w l a n 覆盖范围为1 0 0 米左右，旨在 实现局域网的无线化，物理层采用o f d m 或扩频技术，主要标准为m e e8 0 2 1 l 系列和e t s ih i p e r l a n 2 ，现在的w i f i 联盟即以推广8 0 2 1 1 系列协议为主要目 标；w m a n 的覆盖范围为2 5 0 英里，以无线覆盖城区为目标，物理层采用 o f d m 和s c f d e 技术，主要标准为i e e e 8 0 2 1 6 系列，并由w i m a x 联盟进行 推广；w w a n 将覆盖更大的范围，其标准8 0 2 2 0 正在制定中，并以移动宽带无 线接入( m b w a ) 为目标从近几年的发展趋势来看，无线话音通信已不再是 无线通信的主要服务目标，而宽带多媒体业务，图像业务和数据业务将成为主流， 这就使得这两大类通信网络正在互相影响，互相借鉴，有逐渐融合的趋势 归根到底，支撑这些无线服务的依然是无线物理层传输技术。o f d m 技术 由于8 0 2 1 1 和t i i p e r l a n 协议在w l a n 中的广泛应用，已经十分成熟而在初 步得到发展w m a n 技术规范中，s c f d e 技术只是刚刚被人们所重视，并在近 两年开始成为研究的热点本论文将在对o f d m 与s c - f d e 的比较之中，基于 两个传输技术中已有的自适应调制算法，提出新的自适应调制算法 2 山东大学硕士学位论文 1 3 移动通信传输特点 1 3 1 多径传播阴 在无线传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多 不同路径到达的无线电波的叠加。由于电波通过的路径不同，各路径的电波到 达时间不同，相位也不同。这些不同振幅，不同相位的多个信号在接收端叠加， 使接收信号与发送信号相比产生幅度和相位的变化，即产生衰落。因为这种衰 落是由多径信道引起的，所以称为多径衰落。移动信道的多径衰落，可以从空 问和时间两个方面来描述。从空间角度来看，沿移动台移动的方向，接收信号 的幅度随着距离变化而变化。其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的 增益变化，其局部均值为随距离增加而起伏的曲线，反映了地形起伏所引起的 衰落以及空问扩散损耗，从局部和整体的角度来看就分别是小尺度衰落和大尺 度衰落现象从时间上看，经历各个路径所需要的时间不同，因而信号到达的 时问就不同这样，如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉 冲，而且还包含它的各个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲 的宽度扩展的现象，称为时延扩展 文献【8 】定义了信道多径扩展的概念，即多径强度分布取非零值的_ 的取值范 围，记为已，f 为时间延迟。多径扩展的倒数是信道的相关带宽： 1 ( k 。 ( 1 3 1 ) _ 频率间隔大于相关带宽( ) 。的两个正弦波受到信道的影响不同。当携带信息 的信号通过信道时，设信号传输间隔为r ，带宽为口。如果( ) 。 b ，信道对信 号各频率成分影响不同，则称该信道为频率选择性信道。此时，信号失真严重， 产生频率选择性衰落，带来符号间干扰。鉴于现在通信技术的发展趋势是宽带通 信，我们所采用的信道模型大部分都是频率选择性衰落信道。如果( ) 。b ， 信道呈现不可分辨的多径，信道对信号各频率成分影响相同，称该信道为频率非 选择性信道。 3 山东大学硕士学位论文 1 3 2 多普勒效应 通信过程中，移动台与基站之间的相对运动，或信道路径中物体的运动引起 多普勒频移，从而引起多普勒扩展，造成了信道的时变特性，也就是信道出现了 时间选择性衰落。时间选择性衰落会造成信号失真，这是由于发送信号在传输的 过程中，传输信道的特征已经发生了变化：信号尾端的信道特性与信号前端的信 道特性不同。如果信号持续的时间比较短，在这个比较短的持续时间内，信道的 特性还没有发生比较显著的变化，时间选择性衰落并不明显；当信号的持续时间 进一步增加，信道的特性在信号持续时问内发生了比较显著的变化时，就会使信 号产生失真。信号失真随着信号持续时间的增长而加剧。 在文献【8 】中，信道多普勒扩展被定义为信道多普勒功率谱取非零值的名取 值范围，记为易，a 为多普勒频率兄的倒数为信道相干时问： 1 ( 血) 。* ( 1 3 2 ) q 仍然设信号传输的符号周期为丁，带宽为b 。若满足r ( 出) c ，信道快变，此时信道呈现时间选择性，尤其在多普 勒频移较大的移动信道中，如何跟踪快速变化的信道特性决定着系统的性能。移 动通信中必然存在多普勒频移，由于频谱资源的有限性，最适合于传输信号的频 谱现在已被利用，人们不得不把目光转向更高的频率，这也就意味着移动将产生 更大的多普勒频移，这是因为： ，嘶= 丘 ( 1 3 3 ) f 其中，幽，为最大d o p p l e r 频移，v 为运动速度，厶，为载波频率，c 为光速。多普 勒越大信道的相干时间就会越小，信道的时间选择性衰落就会更容易出现，如何 对抗时间选择性衰落将会成为移动通信技术发展中很值得关注的问题 4 山东大学硕士学位论文 1 4 论文安捧 文章在第一章介绍了移动通信技术的发展现状和移动通信传播环境的特点。 第二章简单介绍了o f d m 和s c - f d e 的基本原理，并对它们进行了比较。论文 的工作主要是分块传输系统中的自适应调制算法的研究。在第三章中简单介绍了 自适应调制的原理及其应用，并对已有的自适应调制算法进行了介绍和分析 论文第四章是在已有算法基础上提出的三个新算法，是论文的创新点和重 点新提出的s c f d e 中的自适应调制算法是功率受限误比特率恒定条件下的最 大传输比特算法。论文还提出了一种s c f d e 系统中采用贪婪算法的自适应调制 算法，该算法具有比较低的复杂度。论文介绍了一种高性能的o f d m 中的自适 应调制算法。最后是论文的总结与展望，在总结论文工作的基础上提出了以后的 研究方向。 5 山东大学硕士学位论文 第二章基于c p 的分块传输技术：o f d m 与s c - f d e o f d m 与s c o f d e 是两种重要的分块传输技术。所谓分块传输就是把待传输 的信息分成长度相同的数据块，射频调制前在时域的每一个数据块前加上相应的 循环前缀( c y c l i cp r e f i x ：c p ) 。由于分块传输技术在一定的限制条件下可以采用 简单的线性频域均衡，大大简化了接收端的均衡复杂度，节约成本，所以在无线 通信中日益成为研究热点。o f d m 的研究开始于6 0 年代初期，经过数年的研究， o f d m 技术已经非常成熟，已被许多标准确定为物理层关键技术。例如，无线 局域网( v l r l a n ：w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 中的i e e e 8 0 2 1 1 a 9 1 、欧洲电信标准 化协会( e t s i ：e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t e ) 的h i p e r l a n 2 1 0 】， 无线城域网( w m 2 n ：w i r e l e s sm e t r o p o f i t a na r e an e t w o r k ) 中的i e e e 8 0 2 1 6 1 1 1 1 ， 美国数字电视传输系统确定o f d m 为物理层核心技术，并已经成功商用。与之 相反，s c f d e 技术近几年刚刚为人们所重视，在w m a n 的规范协议8 0 2 1 6 1 1 1 】 中同o f d m 一起被建议为物理层关键技术。从表面看，同传统单载波技术相比 只是引入了c p ，并没有太大差别，通过研究却可以发现s c - f d e 有着传统单载 波技术无法比拟的优点，适合了目前宽带无线通信发展的要求，逐步成为研究热 点 2 。1 循环前缀c p c p ( c y c l i cp r e f i x ) 循环前缀，由a p e l e d 和a r u i z 1 2 首先提出，最初用于 o f d m 系统。c p 的作用为：1 ) 实现数据帧之间的保护间隔，消除数据帧之间 的符号间干扰；2 ) 将数据信号与信道的线性卷积转化为循环卷积，从而可以进 行简单的频域单抽头均衡。其实现方法是( 只考虑信号的数字基带离散形式) t 发射端，将一帧离散信号的最后l 个抽样值复制到数据帧的前部，使得一帧信号 之内具有一定的循环特性( 图2 1 ) 6 山东大学硕士学位论文 i s * l i s ( n - i )s ( 峨s ( 1 璐( 2 x s ( n l i )s 0 - l k 。s 0 、i - i ) 堡 i 墼塑苎 - 一l ；0n - i 图2 1c p 示意图 接收端将收到的一帧信号的前l 个符号丢弃。当该帧信号传输过程中可以忽 略信道的变化，且l 大于信道冲激响应长度时，去c p 后余下的信号就可以看作 是数据帧信号与信道冲激响应的循环卷积得到的。根据数字信号处理 1 3 1 的相关 理论可以知道，这与发送的一帧信号与信道冲激响应做线性卷积后去掉前后l 1 个信息的取值是一致的。也就是数据帧信号与信道冲激响应的循环卷积就是一帧 信号过信道后有信息价值的数据，即： r ( n ) = ( h ) o j ( n ) ，n f f i 0 , l 。一l ( 2 1 1 ) 由数字信号处理中循环卷积的性质可知，“) 离散频域形式为 r ( k ) f f i h ( k ) x s ( k ) ，i = o l 一n - i ( 2 1 2 ) 因此，采用简单的单抽头频域均衡方式即可恢复发送的数据信号。 尽管c p 技术一直被视为o f d m 中的关键技术事实上，它是完全独立于 o f d m 技术的，只要c p 的长度满足使信号与信道变为循环卷积关系的要求，并 且信道可以认为在一帧信号内没有明显的变化，那么，接收端就可以采用简单频 域均衡。当多径非常明显的时候，可以大大降低均衡复杂度，再结合数字信号处 理中已有的降低信号时频变换复杂度的高效快速傅立叶变换算法，系统复杂度就 被降低了。目前基于c p 的分块传输技术主要有o f - d m 和s c - f d e ，在下面的2 2 和2 3 节对它们进行简要介绍 2 2o f d m 的基本原理及特点 0 1 7 d m 是一种频谱效率非常高的通信技术，在通信发展史上是一个非常大 的突破。o f d m 将数字调制、数字信号处理、多载波调制有机结合在一起，在 充分利用已有的数字通信技术基础上使得系统的频谱效率、功率效率有很明显的 7 山东大学硕士学位论文 提高，并且系统复杂度也因为f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 的引入 1 4 1 有很大的 降低o f d m 系统的组成框图如图2 2 。 o f d m 系统信息传输的过程是这样的：首先，待传输比特流经过串并变换， 根据采用的调制方式进行符号映射，形成调制信息序列。信息序列是一个n 维的 复信号，然后对其做i d f t ( i n v e r s e d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ) ( 一般采用d f t 的快速算法i f f t ( i n v e r s e f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) ) 得到o f d m 已调信号的时域 抽样序列，加入循环前缀，并进行并串变换，最后再做数，模转换，得到o f d m 已调信号的时域波形，经过射频调制发送出去。接收端先对接收信号进行模，数 变换，得到o f d m 已调信号的时域抽样序列，去掉循环前缀，对该抽样序列作 d f t ( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，其快速算法为f f f ，f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) ， 均衡后再根据采用的调制方式完成逆映射和信号判决，即可得到原调制信息序 列。 图2 2 0 f d m 系统框图 o f d m 是一种多载波传输技术，个子载波把整个信道分割成 ，个子信道， 个子信道并行传输信息，如图2 3 它和传统的频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，f d m ) 类似相对于传统的频分复用技术，o f d m 具有许多引人 注目的优点。【l 】 8 山东大学硕士学位论文 图2 3o f d m 子信道分割图 第一，o f d m 具有极高的频谱效率。普通的f d m 系统为了分离开各子信道 的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔( 频带) ，以便接收端能用带 通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。o f d m 系统各子 信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号频谱的主瓣有重叠，但各子信道 信号的频谱在频域采样点上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，o f d m 系统的各子信道信号的分离( 解调) 就是靠这种正交性来完成的另外，o f d m 的个子信道上还可以采用多进制调制( 如频谱效率很高的q a m ) ，进一步提 高o f d m 系统的频谱效率【1 5 】。 第二，实现比较简单。当子信道上采用q a m 或m p s k 线性调制方式时，调制 过程可以用m f t 完成，解调过程可以用d f r 完成，既不用多组振荡源，又不用 带通滤波器组分离信号【1 4 1 。 第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的o f d m 系统均采用循 环前缀( ( = p ) 方式，使得它在一定f i d e 下可以完全消除多径传播造成的信号的 码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此o f d m 系统具有很好 的抗多径干扰能力【1 2 】o f d m 的子载波把整个信道划分成许多并行子信道，尽 管整个信道有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦 的，这使得o f d m 系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。 除了以上三个优点外，o f d m 还有一个非常重要的优点就是o f d m 系统可以 利用信道状态信息，根据信息论中的灌水原理，o f d m 系统可以采用白适应技术。 9 信遭的频率响应 山东大学硕士学位论文 采用了自适应调制的o f d m 系统能够更好的利用发射功率，提高系统的频谱利用 率。 但相对于传统的单载波传输，o f d m 也有很难克服的缺点。第一，o f d m 对同步要求很高，尤其是载波频率同步理论分析和实践都表明，o f d m 系统 对同步系统的精度要求很高，大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破 坏子载波间的正交性，造成载波间干扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统 无法正常工作【1 6 】。对单用户的情况，o f d m 频偏估计与跟踪问题已经有比较好 的解决方法【1 7 】。第二，o f d m 信号的峰值平均功率比( p e a k - t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o ，p a p r ) 往往很大，使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大 器的效率【1 8 】。o f d m 在未来通信系统中的应用，特别是在未来移动多媒体通信 中的应用，将主要取决于上述问题的解决程度 2 。3s c f d e 的基本原理及特点 s c f d e 系统的组成框图如图2 4 由图可知，s c f d e 系统的发送端和传 统的单载波系统的区别是s c - f d e 系统需要在每帧数据前插入循环前缀c p 在 接收靖，s c - f d e 系统首先去掉接收信号中的c p ，然后对其做f f t 变换到频域， 根据信道估计得到的信道状态信息对接收信号进行均衡，最后对均衡后信号做 i f f f 得到时域抽样点进行符号检测，得到最终输出信号，即原调制信息序列 从系统框图中可以看出，s c - f d e 与o f d m 有许多类似之处首先，它们都 是基于c p 的分块传输技术；其次，它们都包含f f f 和i f f r 模块，虽然模块的 作用不同：再次，o f d m 系统是频域信号的时域传输，而s c - f d e 系统则是时域 信号的频域均衡，这两种技术的均衡都是在频域进行的，并且采取的均衡技术都 可以是单抽头的均衡器，实现非常简单 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 4s c - f d e 系统框图 除了采用一般意义上的c 甲外，s c f d e 系统中可以采用一种比较特殊的循 环前缀- - u n i q u ew o r d ( u w ) 【1 9 ，2 0 1 其做法是一帧信号的首部的l 个符号和 尾部的l 个符号使用相同的确知符号，这样在一帧信号之内依然可以形成循环特 性。u w 与一般意义上的c p 的区别在于：1 ) u w 是人为设置的；2 ) c p 在均衡 前是要被去除的，而u w 在均衡时保留，在均衡后进行符号判决前去除此外， 由于u w 是收发信双方已知，可以起到辅助同步，均衡以及信道估计和跟踪的 作用【2 l 】因为采用u w 的频谱效率要低于c p ，我们在论文中只考虑采用c p 方 式的s c f d e 2 4o f d m 与s c - f d i = 系统的比较 s c _ f d e 具有跟o f d m 类似的优点：一，频谱利用率高；二，抗多径能力强： 三，实现复杂度和o f d m 类似，相对于传统的单载波系统比较简单 s c f d e 与o f d m 也有许多不同之处 第一，p a p r 问题。相对于o f d m 系统过大的p a p r ，s c - f d e 系统p a p r 非常小，这是s c f d e 不同于o f d m 技术的一个优点。 第二，是否能采用自适应技术。o f d m 系统将一个宽带无线信道划分为多 个具有不同衰落的平衰落子信道，根据灌水原理o f d m 系统可以采用自适应技 术，避开深衰的子信道，或者在深衰的子信道上采取相对较低进制的调制方式， 从而充分利用信道状态信息，提高系统效率而s c - f d e 虽然也是频域均衡，但 是信息都是在时域抽样点上，各时域抽样点上的噪声功率可以证明是相等的。当 信道的频域响应存在深衰点时，整个时域上的性能都会受到影响，导致s c - f d e 山东大学硕士学位论文 系统的性能可能会产生急剧下降并且，从直观上看，s c f d e 系统难以利用信 道状态信息，在s c f d e 系统中采用自适应技术比较困难。 第三，i f f t 变换的位置不同。如图2 5 s c - i i d e 图2 5o f d m 与s c - f d e 结构框图的相似与不同之处 考虑到o f d m 和s c - f d e 各自的优缺点，o f d m 和s c f d e 可以在一个系 统中联合采用【2 2 】。由于s c - f d e 发送端与传统的单载波类似，设备简单，因此 非常适合用于无线通信的上行链路中，移动台发送信号时设备简单，减小了移动 台的体积，而复杂的接收端在基站而下行链路采用o f d m ，因为作为接收端 的移动台应该越简单越好最后需要指出的是o f d m 和s g f d e 系统具有对偶 特性，这种对偶特性在【3 】中有详细的介绍。在此不做介绍 2 5 基于最优信号子空间的s c - f d e 的基本原理及特点 在基于最优信号子空间【2 3 】的s c f d e 系统中，发送端可以利用信道状态信 息，避开多径信道的深衰点，这是该系统与传统s g f d e 系统的最大区别。在传 统s c - f d e 系统中采用自适应技术是非常困难的，到目前为止，有关这方面技术 的报道很少在基于最优信号子空间的s c - f d e 系统中，通过适当的信号处理手 段在发送端利用信道状态信息，使得s c f d e 系统可以象o f d m 那样通过采用 自适应技术改进系统性能。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 5 1 最优信号子空间理论简介 考虑2 1 节中提到的基于c p 的分块传输系统中，两种线性频域均衡方式z f 和m m s e 8 频域线性均衡可以统一表示为： 季( 七) = p 鼋h ( r ( 七) ) = c ( 七) r ( 七) ，( 七= 0 l ，2 ，一1 ) ( 2 5 1 ) c ( k ) 为各个频域分量的均衡系数。 z f 均衡系数的导出是根据峰值失真准则( p e a kd i s t o r t i o nc r i t e r i o n ) 【8 】，即 完全消除由多径信道造成的符号间干扰。z f 频域均衡可以表示为 ( 炉 ) 雕) = 去州七) = 百b 【日( 七) s ( 七) + w ) 】 叫卅器。籼1 舻1 m m s e 均衡是跟据均方误差准则( m e 锄一s q u a r ee r r o rc r i t e d o n ) 【8 】提出来的， 即使均衡后的信号与原始信号的均方误差最小m m s e 频域均衡可以表示为 炉斌2 赤啦跗m 】 = 赤f 日( 郴( 帅眦) 】丽毒丽 =+h(k)卫1+isnr(k)i+isnr(k ) 其中s n r 是总接收信噪比i s n r ( k ) = l h ( k ) 1 2 s n r 是各个频谱分量对应的信 噪比，在o f d m 系统中可以理解为各个对应频域子信道上的信噪比 观察( 2 5 2 ) 式和( 2 5 3 ) 式，我们可以发现：z f 均衡只需要知道信道的频域响 应即可，而m m s e 均衡还需要知道接收信噪比；就信号部分而吉，z f 均衡完全 回复了原始信号，而m m s e 均衡带有一定失真，并且失真大小受到对应频谱分 置信噪比的影响；对噪声部分而言，z f 均衡不考虑对均衡后噪声的影响( 这点 也与峰值失真准则相符和) ，而m m s e 准则对噪声的作用与信噪比有关系。当 山东大学硕士学位论文 接收信噪比较大时，1 s r 项趋近于0 ，此时m m s e 均衡趋近于z f 均衡。 考虑到在无线环境中，信道由于多径的影响往往具有频率选择性，即某些 l z ( k ) l 会非常小，甚至趋近于o ，这时z f 均衡会使噪声项过分放大，从而造成 均衡后的信噪比极度恶化；m m s e 均衡由于班l + s 嗽( q 项的控制，当l - ( k ) 1 2 非常小，也能在一定程度上抑制i h ( k ) 对噪声的放大，所付出的代价是信号分 量不可能被无失真的恢复，从星座图的角度看就是星座图向量长度和角度发生了 变化 o f d m 的各个频域子信道可以看作是并行窄带瑞利子信道，均衡就是对各 个子信道上的瑞利衰落进行补偿， 2 4 1 证明了o f d m 中采用z f 均衡可以达到最 优的均衡效果，在没有信号失真的前提下信噪比决定了误码率。但是在相同的信 噪比下，由于z f 均衡相比m m s e 均衡没有带来信号失真，考虑到判决是根据 标准星座图进行的，所以z f 均衡具有比m m s e 均衡更好的误码性能；而s c - f d e 的符号检测在时域进行，m m s e 准则尽管保持均衡后频域m s e 最小，丽z f 可 以完全恢复信号部分，这两种方法显然无失真恢复信号是我们需要，但是后者某 些情况下过分放大噪声又是我们不希望的因此这两种均衡方法有各自的优缺 点，又是互补的此外，当信道存在深衰点时，均衡后的o f d m 信号只是对应 深衰点的子信道上噪声被放大，其他子信道上的符号不受任何影响，从仿真结果 上看，采