（通信与信息系统专业论文）基于ofdma的小区间干扰协调策略研究.pdf

杭州电子科技人学硕十学位论文 摘要 随着移动通信技术的发展，用户对移动通信的需求也不断增长，他们希望能够享受更高 速率的数据业务。但是小区边缘用户性能得不到保证甚至恶化，这严重影响了移动通信系统 的整体性能。频率复用正是一种能够有效地提高小区边缘用户性能的小区间干扰协调策略。 然而传统的l 3 和l 7 复用方法的频谱利用率过低，正交频分多址( 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 a c c e s s ，o f d m a ) 系统中使用软分数频率复用方法。因为软分数频率复用在提 高小区边缘用户性能的同时，能够保证较高的频谱利用率。同时，多输入多输出( m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术能够在不增加传输带宽的条件下有效地提高系统容量。因而支持小 区间m i m o 的软分数频率复用方法能够进一步提高小区边缘用户的性能。在此基础上对小区 用户进行功率分配优化可以提高边缘用户速率，但目前针对小区边缘用户的功率分配优化的 研究比较少。 为了解决o f d m a 系统小区边缘用户性能不佳的问题，本文研究了小区间干扰协调策略。 首先对无线信道模型、o f d m o f d m a 和m i m o 传输技术的基本原理和模型进行了介绍。接 着介绍了两种典型的不支持小区间m i m o 的软分数频率复用方法，并基于支持宏分集的频率 复用方法提出了一种支持小区间m i m o 的软分数频率复用方法。该方法通过设置信道增益差 门限将边缘用户分为两类，分别由两小区和三小区协作提供服务以此提高频率利用率，并通 过仿真分析了该频率复用方法的性能。为了进一步提高边缘用户的性能，本文研究了小区边 缘用户的功率分配问题，基于小区间m i m o 提出了一种多小区环境下的小区边缘用户内的线 性注水功率分配算法。该算法通过小区间m i m o 消除小区边缘用户受到的来自相邻小区的同 频干扰，然后使用线性注水进行边缘用户内的功率分配优化。并通过仿真分析了该算法的性 能。 关键诃：正交频分多址系统，小区边缘用户性能，软分数频率复用，小区间m i m o ，信道增 益差门限，线性注水功率分配 杭州电子科技大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , u s e r so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h a v ep u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s t h e yw i s ht oe n j o yh i g h e rd a t ar a t es e r v i c e s h o w e v e r , p e r f o r m a n c eo ft h ec e l l e d g eu s e r si su n r e l i a b l ea n de v e nd e t e r i o r a t i n g ，w h i c hh a ss e r i o u s l ya f f e c t e d t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m m o r e o v e r , f r e q u e n c yr e u s ei sa l l e f f e c t i v ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o ns t r a t e g yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc e l le d g eu s e r s h o w e v e r , t h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a l1 3a n d1 7m e t h o do ff r e q u e n c yr e u s ei st o ol o w , a n do f d m as y s t e mu s e ss o f tf r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ( s f f r ) w h i l et h es f f ri m p r o v e s c e l l e d g eu s e r s p e r f o r m a n c e ，i tc a ne n s u r eh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c y a sar e s u l t ，t h et e c h n o l o g y o fm i m oc a ni m p r o v es y s t e mc a p a c i t ye f f e c t i v e l yw i t h o u ti n c r e a s i n gt h et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h t h es f f rm e t h o dw i t hi n t e r - c e l lm i m oc a nf u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc e l le d g eu s e r s t h eo p t i m i z a t i o no fp o w e ra l l o c a t i o nf o rc e l lu s e r sc a ni n c r e a s et h e i rp e r f o r m a n c e ，b u tt h er e s e a r c h o no p t i m i z a t i o no fp o w e ra l l o c a t i o nf o rc e l l - e d g eu s e r si sr e l a t i v e l ys m a l l i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fp o o rp e r f o r m a n c eo fc e l l e d g eu s e r si no f d m as y s t e m ，t h i s p a p e rr e s e a r c h e st h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o ns t r a t e g y f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r i e sa b o u tt h e r a d i oc h a n n e lm o d e l ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm o d e l so f0 f d m o f d m as y s t e ma n dt h eb a s i c p r i n c i p l e so fm i m ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d t h e nt w ot y p i c a ls f f rs c h e m e w i t h o u ti n t e r - c e l lm i m oa r ei n t r o d u c e d a n das c h e m eo fs f f rw i t hi n t e r - c e l lm i m oi sp r o p o s e d b a s e do nt h ef f rw i t hm a c r od i v e r s i t y b ys e t t i n gat h r e s h o l do ft h ed i f f e r e n c eo ft h ec h a n n e l g a i n s ，w ed i v i d ec e l le d g eu s e r si n t ot w oc l a s s e ss e r v e db yt w oc e l l sa n dt h r e ec e l l sr e s p e c t i v e l y , w h i c hc a ni m p r o v ef r e q u e n c ye f f i c i e n c y t h ep e r f o r m a n c eo ft h es f f ri sg i v e nt h r o u g hs i m u l a t i o n i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l l - e d g eu s e r s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ep o w e r a l l o c a t i o np r o b l e mf o rt h ec e l l e d g eu s e r s b a s e do ni n t e r - c e l lm i m o ，al i n e a rw a t e r - f i l l i n gp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h mi nac e l l - e d g eu s e ru n d e ram u l t i c e l le n v i r o n m e n ti sp r o p o s e d i nt h ea l g o r i t h m ， t h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c ef r o mt h ea d j a c e n tc e l l s ，w h i c hc e l l e d g eu s e r ss u f f e r , i se l i m i n a t e db y u s i n gi n t e r - c e l lm i m o t h e nt h el i n e a rw a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h ep o w e r a l l o c a t i o ni nac e l l e d g eu s e r a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mi sg i v e nt h r o u g hs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：o f d m as y s t e m ，c e l l - e d g eu s e r s p e r f o r m a n c e ，s o f tf r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ， i n t e r - c e l lm i m o ，t h r e s h o l do ft h ed i f f e r e n c eo ft h ec h a n n e lg a i n ，l i n e a rw a t e r - f i l l i n gp o w e r a l l o c a t i o n i l 杭州电子科技人学硕斗= 学位论文 第1 章绪论 1 1 背景 移动通信技术的突飞猛进极大地丰富了人们的生活，方便人们进行跨地域地沟通和交流， 是科学发展史上的一个里程碑。过去2 0 年间，以g s m 为代表的第二代移动通信获得了极大 的成功。全球有超过1 8 亿人享受到第二代移动通信带了的便利。随着技术的不断更新和用户 需求的目益提高，移动通信技术也展现出一些新的特点。 用户需求方面，移动通信用户已经不再满足于单纯的语音通信。用户希望能够享受到更 加高速的数据业务，比如视频通话、在线视频点播、在线游戏、音乐下载这些之前只能在p c 上才能享受的服务。同时在终端方面，用户希望终端系统更加智能化，a p p l e 的l o s 、g o o g l e 的a n d r o i d 和m i c r o s o f t 的w i n d o w sm o b i l e 是现在手机终端的三大主流操作系统。这些操作系 统使用户能更加方便地使用移动通信系统的各种高速数据业务。在市场上，a p p l e 、h t c 和 s a m s u n g 是现在高端移动终端的三大巨头。 在移动通信技术方面，为了能够实现更高的数据传输率以及降低成本移动通信技术进行 了快速的演进。第二代移动通信系统g s m 网络开始向g p r s e d g e 网络演进，g p r s e d g e 网络使用户能够使用低速的数据业务，但是2 5 代移动网络完全无法满足用户对于大数据量 的移动业务的需求。因此g s m 网络继续向w c d m a h s d p a 网络演进，w c d m a h s d p a 较 之g p r s e d g e 网络具有更高的上下行数据速率，能够使视频通话、在线视频点播等成为现 实，我国的运营商中国联通这是使用w c d m a 网络为用户提供服务。同时由c d m a 演进而 来的c d m a 2 0 0 0 网络也很具竞争力，是北美地区使用的3 g 标准。我国的电信运营商中国电 信引入c d m a 2 0 0 0 作为自己的3 g 网络为用户提供服务。我国自主提出的t d s c d m a i , 2 1 网 络具有低辐射、高速率，同时融入了智能天线和软件无线电等先进技术f 3 】，与w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 被国际电信联盟确定为3 g 三大主流标准。但是该网络技术还没有完全成熟，我 国电信运营商中国移动j 下致力于t d s c d m a 网络和t d l t e 4 】网络，来实现我国电信事业的 一个梦想。 在3 g 时代，移动用户能够体验视频通话和高速率下载这些以往只能在固定宽带上才能 得到的服务。但是，用户希望能够以更加低的资费去享用更加高速率的数据业务。而3 g 网 络的专利掌握在少数国家和少数大公司，这使得运营商和设备厂商负担着很重的专利授权费 用且处处受到制约。因此，日益提升的用户需求和各运营商的高收费仍然是一对很严重的矛 盾。 用户期望电信运营商在任何地点任何时间提供高速率、低传输延迟的无线接入，并且能 够在高速移动环境下能够保证q o s 。这些要求极大超出现有移动网络的支持能力。因此，开 杭州电子科技大学硕十学位论文 发新的空中接口以及网络架构成为当务之急。2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 在加拿大多伦多的“u t r a n 演进”会议上讨论了无线接入网r 6 版本之后的演进问题，并获得一致支持。这一全新的系 统的就是长期演进系统( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) p j 。l t e 并不是4 g 技术，而是处于3 g 到 4 g 之间的过渡系统。l t e 增强了3 g 的空中接入技术，采用了o f d m 6 o f d m a 7 】和m i m o 瞵】 这两项关键技术。该演进要求提高数据速率和频谱利用率，在2 0 m h z 的带宽条件下，提供 5 0 m b p s 的上行峰值速率以及l o o m b p s 的下行峰值速率。并且该演进还明确提出了提高边缘 用户的吞吐量这一具体需求【9 ，1 0 】。这些具体设计需求的提出，为l t e 系统的实现指明了方向。 在l t e 的空中接口物理层传输技术上，3 g p p 组织在下行链路传输技术上就选择o f d m a 技术达成一致；上行传输方案则选择峰均比较低的单载波频分多址( s i n g l e - c a r r i e rf d m a ， s c f d m a ) t 11 1 技术。 o f d m a 多址方式基于o f d m 复用技术。o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它将高 速的串行数据流分解成若干低速的并行数据流进行传输。在各自信道中使用相互正交的子载 波进行调制，在接收端通过并串转换还原原始数据。o f d m 的主要优点【1 2 】是： ( 1 ) o f d m 使用正交子载波作为子信道，有着很高的频谱利用率； ( 2 ) o f d m 通过串并转换成低速比特流，可以有效对抗多径传播造成的符号间干扰，提高 链路质量。 ( 3 ) o f d m 各子信道可以根据传输环境选择合适的调制方式，互不影响。 以o f d m 为基础的o f d m a 多址方式可以保证蜂窝系统中同- d , 区内的符号之间的正交 性，可以有效地解决符号间干扰问题，增加抗频率选择性衰弱的能力。但是，小区间的同频 干扰却是o f d m a 系统中非常严重的问题。小区间的同频干扰造成小区边缘用户性能恶化问 题受到了极大关注，3 g p pl t e 在系统需求中强调了必须提高小区边缘用户性能这一关键目 标。如何抑制小区间干扰来提高小区边缘用户数据速率并保证频率资源的高利用率，成为提 高移动通信系统整体服务质量的亟待解决的问题。 1 2 研究现状 在g s m 这种第二代移动通信系统中，采用的干扰协调策略之一就是频率复用技术。g s m 采用复用系数固定的频率复用方法，如l 3 、1 7 和l 等。复用系数为1 表示相邻的小区使用 相同的频率资源，这时候各小区用户特别是小区边缘用户受到来自相邻小区的同频干扰十分 严重。复用系数为l 3 、l 7 时，虽然能够有效地减少小区边缘用户的同频干扰，但是频谱的 利用率过低。当前用户需求急剧提高，使得原本并不充裕的频谱资源更加紧缺，如何提高小 区边缘用户的性能的同时保证频谱利用率也是o f d m a 系统急需解决的问题。 华为【1 3 1 和西门子【1 4 】等通信巨头纷纷提出了自己的小区间频率复用策略，他们的频率复用 方法的大致思想是将小区用户分为两类，一类是小区中心用户，另一类是小区边缘用户。然 后将载波资源分为载波组1 和载波组2 ，分别分配给小区中心用户和小区边缘用户。由于小 区中心用户受到来自邻小区的同频干扰较小，载波组l 可以复用系数为1 分配给各小区的中 2 杭州i 【l 子科技人学硕十7 ：位论文 心用7 使用。而4 、区边缘用户所受的邻小区同频干扰十分严重，凶此载波组2 伍分配给小区 边缘用户使用时必须保持与邻小区问子载波正交。图1 1 为频率复用方法的1 般模型图，不 同小区边缘区域使用不同纹理表示这些区域所使用的子载波相互f 交。 图1 1 小区频率复用方法一般模型图 3 g p pl t e 明确了在下行链路采用o f d m a 这种多址方式，因此频率复用技术迎来了新的 挑战。文献 1 5 提出了一种软分数频率复用方法，软分数频率复用方法使用更加灵活的子载 波分配策略，使边缘用户性能进一步提高。文献 1 6 提出了一种基于o f d m a 系统的软分数 频率复用，根据蜂窝小区j 下六边形的特征细致地划分各边缘区域用户，并合理地规划各区域 的可用子载波资源，在提高边缘用户性能的同时保证较高的频谱利用率。 随着m i m o 技术的发展和成熟，文献 1 7 1 在软分数频率复用方法的基础上提出了利用广 义m i m o 支持小区边缘用户的软分数频率复用方法。广义m i m o 为小区边缘用户提供了空 间复用，空间复用相比空间分集更加有利于提高边缘用户的性能。对于小区中心用户，该频 率复用方法采用本小区为其服务的策略，该方法能够显著地提高边缘用户的性能。文献【1 8 】 提出一种支持宏分集策略【19 】的软分数频率复用方法，该方法在小区边缘支持宏分集策略，以 此来提高小区边缘用户的性能。文献 2 0 描述了分布式小区架构下结合空时块码( s p a c et i m e b l o c kc o d i n g ，s t b c ) 的小区间干扰策略。利用分布式小区架构能够方便地进行多天线同时为 用户服务的优势，有条件地利用s t b c 分集发送提高边缘用户的信噪比。这种方法能够很好 地保证小区边缘用户的服务质量。 调整小区中心区域和小区边缘区域每个子载波的功率分配也是能够提高边缘用户性能的 方法。文献 2 1 2 4 提到降低小区中心子载波的分配功率，提高边缘区域子载波的分配功率能 够显著地提高边缘用户的性能。这类方法虽然能够提高边缘用户的性能，但是以牺牲中心区 杭州电子科技大学硕士学位论文 域用户的性能为代价的。因此，调整分配功率需要在小区中心用户性能和小区边缘用户性能 之间做出权衡，取合理的折中。 频率复用技术能够有效地协调小区边缘用户的同频干扰，提高小区边缘用户的性能。频 率复用技术根据小区用户受到的同频干扰的严重程度来划分小区边缘用户和小区中心用户。 根据不同用户的干扰特性，划分不同的服务子频率集合。虽然现有的频率复用方法能够较大 地提升边缘用户的性能，但是要进一步提升边缘用户的性能还需要从边缘用户的子载波分配 和各子载波的功率分配优化上入手。 现有很多关于o f d m a 系统的资源管理和分配方法的研究。子载波和功率分配算法的目 的是实现小区吞吐量的最大化同时保证用户之间资源分配的公平性，早期的算法主要目的是 实现吞吐量最大化，没有考虑用户间的公平性【2 5 】。用户吞吐量最大化和用户公平性最大化得 不到同时满足。因此，现有的o f d m a 系统的资源分配方法一般都是在保证一定水平的用户 公平性基础上追求吞吐量最大化【2 6 1 。为了保证用户的公平性以及简化载波和功率联合分配的 高复杂度问题，很多o f d m a 系统的资源分配优化往往采用分步优化方法。第一步先进行各 用户的载波分配，这有利于保证各用户之间的公平性；第二步是在用户子载波分配完成的基 础上进行功率分配优化刎j 。 现有很多o f d m a 系统资源分配算法研究是在单小区环境下进行的。其中，比较经典的 功率分配优化算法有迭代注水法及其改进算法。利用迭代注水法进行功率分配所达到的效果 是理论上能达到的上界【2 9 1 。但是由于迭代注水法多次迭代的计算量过大，其改进算法一般是 在降低运算量的情况下求得次优解1 3 0 1 。 但是，o f d m a 系统是干扰受限系统。o f d m a 系统的用户受到来自其他小区用户的同 频干扰。而且小区边缘用户受到的干扰更加严重。因此，忽略掉用户的同频干扰或者将其简 单地以背景噪声考虑是不合适的。因此，在多小区环境下进行用户的子载波和功率分配优化 是更加复杂的问题。随着博弈论作为解决竞争条件下的资源调度问题的理论被逐渐接受和理 解，博弈理论也被引入到o f d m a 系统中解决多小区多用户条件的资源分配问题【3 l t 3 引。但是， 利用博弈论进行资源分配时，需要大量的迭代才能达到纳什均衡，具有相当高的复杂度。因 此，探求更加简单有效的资源分配算法也是研究人员努力的方向。 在以往的o f d m a 系统的资源调度分配算法中，小区边缘用户并没有被区别对待。因而， 并没有多少专门针对小区边缘用户的资源分配算法的研究。但是，由于小区边缘用户相比小 区中心用户受到邻小区的同频干扰更加严重，提高性能的需求也越迫切。因此，有必要针对 边缘小区边缘用户的特性为其研究独立的资源分配算法，以更好地提高其传输性能。 1 3 论文的主要工作和内容安排 当前，已经有很多关于o f d m a 系统干扰协调方面的研究成果。o f d m a 系统的频率复 用方法已经有了比较深入的研究。m i m o 技术被引入频率复用方法中，使小区边缘用户的信 噪比极大提高。但是，如何选择边缘用户的服务小区，以及如何分配各区域用户的可用子载 4 杭州电子科技人学硕十学位论文 波，使小区边缘用户吞吐量和小区中心用户的吞吐量得到合理的折中，有待于进一步研究分 析。因此，本文就边缘用户选择服务小区和分配可用子载波问题进行了研究和仿真分析，为 用户的服务小区选择以及子载波资源的分配提供了参考。 目前有很多关于研究o f d m a 系统单小区和多小区环境下资源分配算法。单小区环境下 的用户功率分配算法在以注水法为理论上界的基础上寻找复杂度低的次优解。虽然有很多较 为突出的改进算法，但其忽略小区用户( 特别是小区边缘用户) 所受的同频干扰是不合理的。 在多小区环境下研究小区用户的资源分配研究中将博弈理论引入，但是其复杂度过高不适合 实际应用。对于小区边缘用户，本文为其研究独立的功率分配算法，目的是探求既能达到单 小区环境下的低复杂度又符合多小区环境下用户受到其他小区同频干扰传输环境的功率分配 算法。 本文内容作如下安排： 第1 章绪论部分介绍了当前移动通信用户需求的提高和移动通信系统无法满足急剧增长 的用户需求。然后描述了频率复用这种能够有效提高小区边缘用户性能的干扰协调策略的研 究现状，以及为进一步提高边缘用户性能而研究小区边缘用户的资源分配算法。 第2 章为基础理论部分。首先介绍了无线传输信道，包括无线信道的三种尺度衰落及产 生原因、无线信道的时变性和两种典型的多径衰落模型；接着介绍o f d m o f d m a 系统的原 理、模型和特点：最后还介绍了m i m o 传输的原理和模型。 第3 章是本论文的重点，研究o f d m a 系统的软分数频率复用技术。软分数频率复用技 术能够有效地提高小区边缘用户性能。首先详细介绍了两种不支持小区间m i m o 的o f d m a 系统的软分数频率复用方法，介绍了它们的各区域用户划分、可用子载波资源的分配以及用 户优先级的确定。通过仿真分析软分数频率复用方法的边缘用户吞吐量和小区总的吞吐量性 能。接着又提出了一种支持小区间m i m o 技术为边缘用户服务的软分数频率复用方法。该方 法改进了支持宏分集的软分数频率复用方法中用极角区分两类边缘用户的方式，采用信道增 益差门限来区分两类边缘用户：并在此基础上确定小区边缘用户的可用频带和各区域用户的 优先级。先是通过仿真分析在不同频率复用系数条件下的边缘用户吞吐量和小区总吞吐量， 再进一步分析不同信道增益差门限条件下边缘用户的平均速率。其中支持小区间m i m o 的软 分数频率复用方法模型部分的研究成果所撰写的论文已经在期刊电路与系统学报发表。 第4 章介绍小区边缘用户的功率分配算法。由于小区间m i m o 可以将邻小区的干扰信号 转化为有用信号，因此可以将小区间m i m o 和o f d m a 系统的单小区用户的功率分配算法相 结合，研究小区边缘用户的功率分配算法。本章初步将线性注水法用于多小区环境下的边缘 用户内的功率分配优化，并通过仿真分析了该算法的用户吞吐量增益性能。 第5 章是总结和展望，总结了论文所做的工作以及对未来继续深入研究的展望。 杭州电子科技人学硕十学位论文 第2 章o f d m a 系统和m i m o 传输 3 g p pl t e 确定将o f d m a 作为物理层的多址方式。o f d m a 多址方式以o f d m 技术为 基础。o f d m 具有抗符号间干扰的优点。同时，m i m o 技术能够在不增加传输带宽的条件下 有效提高无线传输容量，使其也被引入解决小区边缘用户性能较差的问题。本章主要介绍无 线信道特点、0 f d m a o f d m 系统和m i m o 技术的原理和模型，为o f d m a 系统的频率复用 技术研究和小区边缘用户的功率分配优化的研究做一个理论铺垫。 2 1 无线传输信道 移动通信技术的日新月异，关键是提高了无线信号的传输质量。只有对无线传输环境的 认识更加深入，才能设计出更好的无线传输方案，提高传输系统的性能。 2 1 1 无线传输信道中的衰落 无线信道是是无线信号传输的通道，信道的状况严重影响着移动通信系统的性能。现实 中无线信号的传播路径相当复杂，要遇到各种各样的复杂地形，如城市、高山等。因此无线 信道不像有线信道可以控制和预见，其具有很高的随机性，不容易分析和预测。同时，无线 信号传输过程中存在着多径传输，即无线信号会沿着不同的路径到达信号接收端。再加上移 动终端的可移动性，使得接收信号更加复杂。通常，无线信号经过无线信道传输衰落 3 3 1 之后， 接收信号可表示为： _ p ( d ) = i d l - ，s ( a ) r ( a ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，d 表示移动台距基站的向量，i d l 表示移动台和基站之间的距离。从式( 2 1 ) 可 见，无线信道对无线信号的影响分为三类： ( 1 ) 大尺度衰落：式( 2 1 ) 中的例”表示大尺度衰落，也被称为路径衰落。大尺度衰落表示 的是远距离传输( 数百或数千米) 接收信号场强随着传输距离而变换的特点。其中万一般取3 4 之间。 ( 2 ) 阴影衰落：式( 2 1 ) 中的s ( d ) 表示阴影衰落，也被称为中等尺度衰落。阴影衰落表示 无线信号传输中由于环境地形起伏、高大建筑物以及其他障碍物对无线信号的阻塞或屏蔽引 发信号衰落。 ( 3 ) 多径衰落：式( 2 1 ) 中的r ( d ) 表示多径衰落，也被称为小尺度衰落。多径衰落表示无 线信号经过反射、绕射、衍射等影响造成无线信号在接收端的多径效应。来自不同路径的无 线信号的衰落、时延和相位不同。因此各路径接收信号分量在接收端的叠加造成多径衰落。 大尺度衰落表示无线信号经远距离传输时产生的衰落。信号接收端接收到的无线信号功 率会随着传输距离的增加而减小。大尺度衰落损耗模型可表示为： 6 杭州电子科技人学硕十学位论文 ：墨：k 上 d 7 式( 2 2 ) 中的e 表示发射信号的平均功率，e 表示接收端接收到的平均功率， 距离。厂表示路径损耗指数，一般其值为2 4 之间。则接收端的平均信噪比为： ( 2 2 ) d 表示传输 s n r = 2 = k 壬l( 2 3 ) 只d n o b 式( 2 3 ) 中的表示噪声功率，0 表示噪声信号的单边功率谱密度，k 是一个独立的常数。 在蜂窝系统中，小区边缘用户由于离基站最远。因此，其所受的衰落最严重，这也是边 缘用户性能不佳的最主要因素。 阴影衰落是当无线信号在传输过程中受到实际环境中地形、建筑物等的阻挡，产生阴影， 造成场强中值变化进而引发的信号衰落。阴影衰落相比多径衰落要以更大的空间尺度进行衡 量，其衰落特性符合对数正态分布。 多径衰落是由于无线信号经过反射、折射和衍射等现象由不同路径到达接收机引起的衰 落。由于各信号分量经不同路径不同距离到达接收端，因此它们的到达时间和相位会有所不 同。多径信号相互叠加，同相信号叠加能够增强信号幅度，反相叠加则会削弱信号幅度，这 也是多径衰落产生的表现。同一个信号经过多径传播，接收端接收到经历不同衰落和带不同 时延的信号分量。因此可以用f 一表示信号的时域最大时延，即延时扩展。延时扩展会造成 符号问干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e , i s i ) ，因为延时扩展使前一个符号波形扩展到后一个符 号波形中去。为了避免i s i ，符号带宽必须远大于r 衄。 时域内的时延扩展在频域内的表现为相干带宽，表示为： 1 ( b ) 。二( 2 4 ) r m 多径效应会造成频率选择性衰落，无线信道对于不同的频率成分会有不同的随机响应， 造成信号畸变。当信号带宽大于相干带宽时，各频率分量经历不同的衰落，导致符号问干扰， 也即频率选择性衰落：当信号带宽远小于相干带宽时，各频率分量经历相同的衰落，即能够 避免符号间干扰。 2 1 2 无线信道的时变性 无线信道的时变性【3 4 1 表示信道响应与时间有关，随时间变化而变化。相同的发射信号在 不同时间接收，其接收信号是不相同的。无线信道的时变性的表现为多普勒效应。多普勒效 应表现为单一信号经过无线信道的时变衰落后表现为具有一定带宽和频率包络的信号。多普 勒频移为多普勒效应引起的附加频偏，频偏值可表示为： 厶= c o s p = 堕c o s 目= 厶c o s 目 ，。 c 7 ( 2 5 ) 杭州电子科技大学硕十学位论文 其中以为载频，c 为真空中传播的光速，厶为最大多普勒频偏，1 ，是发射机的移动速度。 可见厶与载频和发射机移动速度成i t ! l 匕关系。当发射机向接收机靠近时厶为正，反之则为负。 当一个频率为厶的发射信号经过无线信道的时变衰落之后到达接收机，其接收信号的频率处 于( 厶一厶，兀+ 厶) 之间。 与频域概念的多普勒频移相对应的是时域的相干时间，表示为： ( a t ) 。 ( 2 6 ) jm 相干时间关乎两个信号幅度之间的相关性。如果信号符号带宽大于相干时间，则信号波 形容易发生畸变，导致时间选择性衰落( 快衰落) ，反之则产生非时间选择性衰落( 慢衰落) 。 2 1 3 多径衰落模型 移动通信系统中，线性时变多径信道的冲击响应可表示为： 坝叫) - 素擎( f 扣且2 枷烈卜l ) ( 2 - ) 其中a n ( f ) 、以、纯和t n 分别是第n 条路径的时变复衰落因子、多普勒频偏、信号初始相位 和时延。图2 1 表示无线信道的多径传输模型： s ( o ， 即) l 时延- f1 李口l ( f ) z 州 i 时延tz ， 李删川 f ll 叼逛4 图2 1 多径传输基本模型图 设s ( f ) 为发送端的发射信号，则经过多径信道传输之后接收信号可表示为： 1 ， ，( f ) = 寺a n ( f ) e “2 咖刚s ( - - z n ) + w ( f ) ( 2 8 ) v l 其中w ( f ) 表示加性高斯白噪声。多径传输中的多径时延差表示两个信号到达接收端的时间差， 最大值为式( 2 4 ) 中的。 多径传输导致接收信号包络呈现随机性，根据多径情况的不同显现不同的统计特性。 r a y l e i g h 衰落和r i c i a n 衰落是最常见的两种多径衰落模型【3 5 1 。 杭州电f 科技人学硕士学位论文 r a y l e i g h 衰落模型表示在无线信号在多径传输条件下信道不存在一个从发送端到接收端 的直达径，到达信号的包络服从r a y l e i g h 分布。每条路径的到达信号幅度服从高斯分布，相 位服从在区间 0 ，2 万 之问的均匀分布。则合成信号服从r a y l e i g h 分布，其幅度的分布函数 为： ，2 - 一。i p ( r ) = 七g2 0 r o o( 2 9 ) 口 其中o r 2 和盯表示一条子路径的接收信号的方差和标准差。其相位服从在区间【o ，2 万】之间的 均匀分布。 r i c i a n 衰落模型表示在r a y l e i g h 衰落模型的基础上，发送端与接收端存在着一条直达径， 其到达信号的包络服从r i c i a n 分布。在接收端的多径随机分量上叠加直射分量，其幅度服从 r i e i a n 分布，概率分布函数为： r ：+ a 2 一 p ( ，) ：与e 一可厶( 等) ( 2 1 0 ) o仃 其中a 为直达径到达波的幅度，l o ( x ) 为第一类修正贝塞尔函数。 r i c i a n 衰落的直射波消失之后，就退化为r a y l e i g h 衰落。本文仿真中所用的多径模型为 r a y l e i g h 衰落模型。 2 2o f d m 技术 o f d m 是一种多载波调制技术，它并非是一项冈8 兴起的技术。上世纪7 0 年代，人们利用 离散傅里叶变换( d i r e c tf o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 实现了多载波调制，推动了o f d m 技术的应 用。快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 是d t f 的一种快速算法，其在o f d m 调制 技术上的运用，简化了o f d m 系统。但是由于当时技术条件的限制，缺少功能强大的数字信 号处理元件，使得o f d m 技术并没有得到广泛的应用和发展。上世纪8 0 年代，大规模集成 电路的发展使人们能够生产处理功能强大的数字信号处理元件。o f d m 向应用方向发展的障 碍被突破，开始走向数字通信领域的前端。进入上世纪9 0 年代，o f d m 因其良好的可实现性 被应用于各种数字通信系统中，如数字音频广播系统( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、不对 称数字用户线系统( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 和高清电视系统( h i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ，h d t v ) 等3 6 1 。 1 9 9 9 年，o f d m 被i e e e 8 0 2 1 l a 采纳为其5 g h z 无线局域网标准的物理层标准，其传输 速率可达5 4 m b p s 。在这种高速传输能力的支持下，使其能够提供2 5 兆无线a t m 接口和1 0 兆以太网无线帧结构接口，对数据和图像业务提供强大的支持。由于o f d m 强大的抗多径干 扰和频率选择性衰落能力，2 0 0 1 年i e e e 8 0 2 1 6 将其作为无线城域网标准的调制方式。2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 组织通过将o f d m a 作为l t e 下行传输方案，从而o f d m 也在国际上被一 致接受。 9 杭州电子科技人学硕士学位论文 图2 2o f d m 基本发送和接收框图 o f d m 的发送和接收基本框图如图2 2 所示。o f d m 的发送接收基本流程为：发送端先 对比特数据流进行调锘o ( q a m 或者q p s k 调制) ，将数据流进行串并转换和快速傅里叶逆变换 ( i f f t 是i d f t 的快速算法，能够大大降低实现复杂度) ，再通过并串转换将得到串行数据， 添加上循环前缀形成o f d m 码元。最后在发射前添加上同步和信道估计序列，以便接收方能 够解出正交基带信号。接收方收到信号后经过同步和信道估计，之后去循环前缀、串并转换、 f f t 和并串转换得到发送端的已调数据，最后进行解码得到原始比特流。 o f d m 的最主要原理是将串行高速数据流转换成个低速并行子数据流，并且调制到n 个正交子载波上进行传输。由于传输带宽为原先带宽的1 n ，所以每路子信道上的符号周期 增加倍。因此其符号周期将明显大于最大时延扩展，从而减小符号间干扰。o f d m 系统原 理框图如图3 2 所示。 玉这卜 串 扩卯 s ( 尘冈一 ，叫弘 并 富 转 并 k y ， ，1 j换 转 + 换 垮 图2 3o f d m 系统原理框图 图2 3 中，一个o f d m 符号内包含个子载波。r 为o f d m 的符号周期，d i ( f - 0 ，l ) 表示在每个子载波上传输的子信号。 以) 表示子信道中的正交子载波集合，它们之间的关系 为： = f o + k t ( k = o ，l n 一1 ) 。厶表示频率最低的传输子载波频率，相邻j 下交子载波的 1 0 杭州电子科技人学硕十学位论文 频率差为1 丁。 由于在一个o f d m 符号周期内，各子载波都包含了整数倍个周期。则在一个符号周期内， 各子载波有如下关系： 土ep ，2 办e 川 玩s d t = 0 ( m 玎) t 山 、 只有在m = 玎时，a ( 2 1 1 ) 的计算结果为1 。这就保证了子载波之间的正交性。 收端解调恢复出第k 个子信道的传输数据时，对接收信号进行积分： 二t = 三；r + rp 一，2 ”事“一篓d ，p ，2 _ j r 亭( f 一) d r = 7 1n 缶- i g 伽爷- ( 2 1 1 ) 若要从接 ( 2 1 2 ) 从式( 2 1 2 ) 可得在接收端可以解调恢复出发送的发送端的原始符号信息。 o f d m 比起之前f d m ，用使用了相互正交的子载波组，很好地提升了频谱利用率。o f d m 的频谱如图2 4 所示。 图2 4 0 f d m 系统频谱图 从图2 4 可见，在一个子载波频谱的峰值处其他子载波的值都为零。这样就能很好地避 免子载波之间的干扰，同时其节省了以往f d m 中子载波之间的保护间隔，提高了频谱资源 的利用率。 o f d m 系统应用如此广泛，很大程度上是i d f t 和d t f 的运用。在一个子载波数为( 值比较大) 的o f d m 系统中，o f d m 的复等效基带信号可以用i d f t ( i f f t ) 来实现。其简化模 型可做如下表示：对信号s ( f ) 的等效基带信号s 心) 用采样间隔叫对其进行采样，第 k ( 七= o ，l ，一1 ) 个采样点即t = k t n 时，得到： 杭州电子科技人学硕+ 学位论文 s t = s t ( k r n ) = d f p 。 o k n 一1 ，一l：z 廊一 由式( 2 1 3 ) 得s k 为4 的i d f t 结果