（通信与信息系统专业论文）充分利用导频的ofdm通信技术研究.pdf

中国科学技术大学博士论文 摘要 摘要 本文研究的是o f d m 通信技术在无线移动环境中的应用问题，主要包括r 一些关键技术的研究 和些增强技术的研究。 沦文首先介绍了0 f d m 的基本概念，井对现有的多种多载波方式进行了总结，从而得到了它 竹j 与o f d m 之间的联系。由于现有的多种多载波方式都可以通过o f d m 来实现，且o f d m 在无线 移动环境中存在的问题具有普遍性。因此对o f d m 进行重点研究具有现实的意义，且研究结沦可 咀推广庶用到其它。砦多载波方式中。本文分别对o f d m 系统中的同步问题、信道仙计问题、以 及峰均比抑制等问题进行了重点研究。 在同步方面，由于o f d m 系统对载波频偏非常敏感，本文重点研究了频率同步问题。井提出 了一种基于导频能量扩散特征的o f d m 频率同步算法。当载波存在频偏时，o f d m 系统中某个子 载波上的能量会扩敞到其它予载波上，这方面降低了原了载波的信号功率另- 面对其它予 载波的信号造成了十扰。本文在此船础上提出了一种新的频率同步算法，该算法a j 咀根据导频了 城波扩散后的能量分币，特征同时完成频率祠【仙训伟i 精仙计并丹u j 咀允分利用扩敞到牛h 邻了城波 上的甘频能量。耻跄分析雨i 仿真结果农叫，该算法具有估讣精度高、同步州f u j 和算量都较小的 优点。 在f 占道竹讣方血，本文重点研究了辈十甘频信号的信道f 讣算法，提出了种j 0 艟强衽 选扦干多普勒展宽域滤波的倩道仙讣算法。由于o f d m 是+ 种高速传输技术，在庄的时n l j 内口j 以收到更多的数据因此町以对接收到的多帧数据进行联合处理，以提高信道估讣的性能。存多 帧数据联合处理的牡础上，该算法对接收的导频情号分别在多径展宽域和多普勒展宦域进行处 理，显著的降低了予载波问二l ：扰和高斯向噪声的影响。此外，多普勒展宽域滤波的截l | ：频率是根 抛多普勒频偏和接收信噪比动态设计的，具有良好的白通麻性。仿真结果灰叫，该算法布小同多 普勒频偏下均具有良好的性能。该算法除了能改善系统的误码性能外还能有效的提高低s n r 下系统的稳定性。 在峰均比抑制方面，本文重点研究了坫于拧频信号选择的峰均比抑制力法，捉出了种起 始甘频瑚定f 内超帧结构剃一种触于情道相位消除的甘频检测方法，从1 i 完整的实现了坫十甘频信 号选择 由峰均比抑制方法，可以在利用甘频信号降低峰均比的同时节省信令，l ：销。该峰均比抑制 算法具有复杂度低、1 ：需要额外的信令，件肖等优点，但存在性能极限，非常适台作为其它峰均比 抑：| j ! j 算法的个补充，可以在峰均比抑制性能与计算复杂度之问做较好的折中。仿真结果采叫， 本文所捉出的甚于信道相位消除的导频检测方法对信道情况和定时同步小敏感，1 i 会放大噪声分 量，并口可以有效的防t l ：错误扩散，在矸i 同信道情况下都具有良好的性能。 在荚键技术研究的犟础上，本文又进一步研究了o f d m 系统中皆频信号的允分利用问题，即 研究如何充分利用导频信号，使其能完成更多的功能，以提高系统的性能或减小其它方面的开销。 由于0 f d m 系统一般采用相干解调，这就需要进行实时的信道估计，从而需要插入特定格式的导 频信号，所以该问题的研究具有实际意义。本文联合多个功能模块进行研究，给出了一种充分利 用导频信号的系统方案，可以练台利用持频信号来实现系统的峰均比抑制、频率同步乖1 信道什计 等功能，从i 达到充分利用甘频信号的目的。 本文最后研究了广义o f d m 通信模式，在分析o f d m 数学原理的丛础上推广得到- 种广义 中国科学技术大学博士论文 摘要 o f d m 系统的戒达式，并利用该农达式描叫i 了o f d m 与单载波之问的内在联系。根据该广义 o f d m 通信模式，通过设训发送端的变换矩阵就训i = c 得到小同的通信模式从| | j 口j 以存期盟的系 统特性承 系统复杂度之问做折中。存此龌础上，本文还研究了扩展变换对o f d m 系统的澎晌，出 于扩展变换口j 以为o f d m 系统带来额外的频率分集增益，但同叫也会增加了载波u jl 扰。木文通 过仿真分析了分绀阶数、调制方式、均衡方式、交织方式以发信道f m f 等多种冈素埘分纽扩腱变 换的影响，从而为合理优化系统参数提供了依据。 关键词：o f d m ，多载波，时间同步，频率同步，信道估计，峰均比抑制，扩展变换，频率分集 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t t l 】i sd i s s e n a h o ni sd w o t e dt ot h er e s e 盯c ho nm eo f d mc o m m l l f l i c a i i o nt e c h n i q u ei i lm e 、v i 伸l e s s m o b i l ec o m m 嘶c a b o ne n v i r o m n e n t s ，访c l l 】d l n gs o m ek e yt e c h n j q u e sa n ds o m ee n h a n c e dt e c 蜥q u e s t h ed i s 吲t a 廿o nb c g i l l s 州t i la ni n t r o d u c t i o nt o 1 cb a s i cc o n c e p t so ft h eo f d mt e c h n i q i l ea n da g u r n m a r yo fs w e r a le x i s t i n gm m t i c a 耐e rt e c h n j q u e si no r d e rt oc l a r i f ym er e l a t i o n s h l pb e f w e e nm e o f d ma n dm a n vo t h e rm l l l t i c a r r i e rl e c h 血q u e st l e 唧r c ho nt h eo f d ms y s t e mi so f g r c a tp r a c t i c a l v a l l i e ss h l c e1 1 1 a n 、o ft h ee x i s t i n gm u l t i c a 盯i e rt e c h n i q u e sc a nb ef u l 丘1 k dt h r o l l g ho f d mm o d u l ea n d t h ep 犯b l c m si nt h o 州e l e s so f d ms y s l e ma f e m m o nl dm m “c a 谢e rt e c h n i q u e s m a n y 站s u l l sa f c a l s oa 即l i c a b l et oo t h e rm u l l i c a r r i e rs y s t e m s h e n c e ，坭d i s s e n “o nm a h l yf e s e a r c h e st h e s y n c h ) m z a i i o np r o b l e m ，c h a 加e le s t h a t i o np r o b l e ma 础l h ep e a kt oa 啪g em l i o ( p a p r ) f e d u c 吐0 n o ft h ew l r e l e s so f d ms y s t e l n s i nt kd i s s c n a t l o n ，t h cs i l l d y 士o c u s e s0 nt h e 士l r e q l l e n c ，s ) n c h o n 主z a l l o ni nm es y n c h r o n i z a t i o n p r o b i e ms m c eo f d ms y s t e i ni s 、。d s e n s i c i ci of r e q u e n c yo f f 妊c ，a n dp r o p o s e san o 、c lf 话q n c y s ，n c h ) f u z a t i o na l g o t h l lw h e nt h et 、r e q u m c ? o 脏e te 、j s f s ，m ee n e g 、o fc c n a i ns u b c a r r 衙、1 1 lb e d i s p e r s e d 。n i oa l j t h eo t h e rs u b c a i e r s h l c hn o lo n l yr e d u c e st h eo n g 访a ls 1 p n a lp o u e rb u in l s o i n t e r i c r e su 1 廿1s l p n a l so nt h co t h e rs u b c a r r i e r st h cn o 、e lt r e q u e n c ys y r 虻1 1 r 彻1 z a i l o na 1 錾o r i t h n l ， p r o p o s c do nt h eb a s i so ft h ed l s p c rs l 1c h a r a c t e 再s n c e 甜1 m a t e st h ec r s ef r e q u e n c jo 脏c 【a n d 抽e f k 【l u c n c ) o f 括e ts l n l u l t a 删o u s l ya n dl u i i ) u i i l 比c sm ed l s p c f s c dp i i o te n e 曜，a c c o f d i 雌t o t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h cd i 8 p c r s e de n e 唱) o ft h ep l l 0 【s u b c a r r i e rt h e o r e t i c a la n dc o m p u l e rs l m u l a l l o n 聘s u l t sd e m 。n s l r a t e 她p r o p o s e da l g o n 曲np e r f o n n s 】la td i e md o p p l e ri i r e q u e n c ys b l t l l s 岫h 1 0 y v e rc o m p l e x i t ya n ds h o r 把rs ) n c h m n l z a t i o nt i m e t h es i u d ym c u s e so nt h ep i l o tb a s e dc h a n n e le s 【i m a t i o nm e t h o di n 山ec h a n n e le s t i m a t i o np r o b l e m a n dp r o p o s e san o v e l 咖n n e le s t i l n a t l o nm e 【h o db a s e do nt h em o s ts g 面n c a n t c a ps e l e c t i o na n d 妇 d o p p l e s p r e a dd o m a i nm t e r i n gb e c a u s eo f d mi sah 1 曲d f i t nm t et r a n s l n j s s i o nt c c h n i q u ea n d p r o c e s s e si n o r ed a t ai ng i 代nt l m e ，m er e c e i 、e rc a np m c c s s 姒盯a 1s ”n b o l s j o m l l ys 。a s 沁妇p r o 、l h c p e b n n a n c eo f t h ec h a 彻e le s t i m a l l o nb a s e do n t h e j o l n lp r o c e s so f m er e c e i v e ds 、m b o l s m e m e l h o d m t e r si h er c c e l y e dp l l o ts y m b 0 1 s1 n1 1 1 l l l t l p a l hs p r e a dd o m a i l la n dm ed o p p l e rs p r e a dd o m a m r e 印e c t w e l 、，s i g n l 丘c a n 乇1 yr e d u c i n gm t e r - c a m c ri m e n b r e n c ea n da d d l t l v ew h i t e g a u s s l a nn o i s e m o r e o v e r ，t km e t h o di s1 1 i g l l ya d a p t i 、_ eb e c a u s et h ec u o f fm t eo f 山en l t e r 谊m ed o p p l e rs p r e o d d o m a i n sd y n a i n l c a l i yd e s i g n e da c c o r d i n gc o 血ed o p p i e rf r e q u c ys h i na i l dr e c e 概ds n rc o m p u t e f s i m u l a t i o nr e s u h sd e m o n s 订a t em eg o o dp e r f o n ”a n c eo ft h ep r o p o s e dm e m o df o rd i f r c r t ) i ) p p l e r n q u c n 。ys h i f l st h ep f o p o s e dm e l h o dc a ni m p r 0 、et h eb e rp e r f o 咖a n c ea n dt h 。s y s t e r n s s t a b i h z a d o n1 1 1 1 d e r1 0 ws n r a sf o rt h ep a p rr e d u c t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l ys m d i e st h ep i l o ts e l e c b o nb a s e dp a p rr e d u c t i o n m e m o da r l dp r o p o s e sas u p e rf r a m es 廿u c t l 瞄w i t hn x e dp i l o s y m b o l 血c h es u p e rf r a m e st 啪da 1 1 da p i l o td e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h ee l i m i n a t i o n0 fd l a 衄e lp h a s ew i 血t h ep r o p o s e ds u p e rf r a m e s 锄e 如f ea n d 妇p 融d e t e c 1 。nm e t h 畦w em 嘲t h e 灿0 1 ep s e l e c l l o nb a s e dp a p r c d u c t 枷 中国科学技术大学博士论文 l u e t h o dt h e p a p rr e d u c t i o n m e l h o d i so f l o w c o m p l e x l 【ya n d n e e d sn o f e e d b a c ks 1 出i n f o m l a l i o n ，b u t t h ej ) e r f o m l a n c ei s1 1 n 1 1 l e db yt h ee n e r b yp e r c e n t a g eo ft h ep i l o tt h em e t l l o dc a nb eu s e da sa e o j “p l e m e r i tt oo t h e rp a p rr e d l i c t i o nm e t h 。dt h ep f o p o s e dp i l o td e t e c t i o ni n e d ”di si n s c n 积i v ec o c 1 1 a n n e lr e s p o n s ea n dt i m i n go m e ta n d 1 ln o ta m p l 晦t h en o 碗c o m p u i 盯s i m “a t i o nr e s u l c s de 】n o n s 廿a t e t 1 1 a ti h e p r 叩o s e dp l l o td e t e c t i o nm e t h o dp e r f b 眦sw e l l 瑚d e rd i f i f e r e n tc h a n n e l e r i m n i n e n t sa n de f k c t i v e l yp r w e n t sm 。p r o p a g a 廿o no f m ed e 【e c h o ne 盯o r b a s e do nm er e s e a r c ho f 吐l e s ek e yt e c h n i q u e s ，t h ed i s s e n a t j o ns t l l d i e st h e 蹦c i e n tu t j l i z a i o n p r o b l e mo fc h ep n o ts y i n b 0 1i no f d ms y s k m w e m t e n dt ou s ep i l o ts y m b o l l om 1 um o r ef u l l c t 0 1 1 s s oa st oi m p r o v es js t e m sp e r f o m l a n c eo rd e c r e a s es y s t e m s0 、e r h e a dt or e s e a r c ht h ep r o b k n l1 so f p r a c t l c a lm e a f l j n gs j n c eo f d ms y s i e l 】1u s u a l l yi n s e r i sc e n a i np 】j o ls y l l l b o l s 。tm es e l l d o no r d e fl o p e r 向衄c o h e r c n td e r n o d u l a t l o na tc 1 1 er e c e h 鼍rr h ed l s s e 九a “o ns t u d l e ss e 、r a lf l m c t l m l1 1 1 0 d u l e s j o i n f i ya n dp r o p o s e s as y s t e n ls c h e n l e ，、h l c he n c i c n t l yu i i l i z c sp l i o fs y m b 0 1 sb yf u m l l m gl h c f l i n c t i o n so f m ep a p rr e d u c n o n 士r c q u e n o ys y n c h r o n i z a t l o na n dc h a n n e ie s l i n l a t l o n 、1 t hp l l o ls y m b o l s a l c n e t h ed t s s e 相c i o n 靠n a 】j 、s t u d i e s h eg e n e r a “z e do f d ml c 曲面q 坩b 、8 n a i jz i n 拿t h ei j i a t h e m a t l c a l p r m c i p l eo fo f d m t 1 1 ed i s s e r f a t l o nd e n 、sap e n e a l i z c do f d m “p m s s i o nu h i c hh e l p st or e v e a lt h e r c i a t l o n 北1 ph c i u e n i h cs 油g i cc ，l r r i e fa n do f d mm o r c mc r 、ec a l ln h 刚nac c n a l l lc o 】1 1 n 1 l c a i i o n i e c m 卟【e 、1 t hd e s l r c dc h a r a c t c n s t l c sb 、c a r c l l 小jd c s l 擘n l n gl h el r a n s 如n 1 1m a ir 】、玳t h es c n d e r 1r n d e o “b e f n e e nn l ed c s i r e dc 1 1 a r a c i e f l s t l c sa n dt 帖c o n l p l 叭l i ) m l g h 【b er c a l 】z e di h f 0 l 啦h 山l s g e n e r a l l z e do f d me 、p r e s s i o nt h ed i s s e r t a 【i o na l s od c f i v e st h es p r e a dn n s t l o ml 兀o f d ms y s c e m t l r o l l g h 吐1 eg e n e r a l l z e d o f d m “p r e s s l o na n da n a l j s e s 山e i n n u e n c eo fs c 、e r a ls 、s 【e n lp a r a l l l e t e r so n t h eg m u p e ds p r e n d i r a n s f o n no f d ms ，s i e ml h r o u g hc o n l p u t e rs i mu 1 8 l i o n ，s u c hd sg r o u ps l z e 、 1 n o d u l a f l o nt ! p e ，e q u a 】l z a 【l o n1 j p e i 1 1 t e r l e a 、et ? p e c h a 衄c le s t 沛a t i o nm e t h 础a n ds oont h e s l l l l u l a t i o nr e s u n sp r o 、i d cl h cr c k r c n c e l 0 r 吐1 eo p t l l l u z a t l o n o f t h es y s t e mp a r a m e i c r k e ) n r d so f d m ，m m t l c a m “m e5 y n c h 衄i z a t l o n ，f r e q u e n c ys y n c n l z a t l o n ，c h a 皿e le s t i m a t l o n ， p ki o 挑e 豫g er a t i o s p 瑚d a n s 如m 1 主、r e q u 鞠c yd 扣e f s ic y 中国科学技术大学博士论文第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 1 s s 7 年，德国物理学家赫兹( h e n 打c h h e 血) 验证了电磁波的存在，从而揭开了使用无线电 波进行通信的篇章。在后来一个世纪多时间里，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无 线移动通信的理论和技术不断进步。时至今日无线移动通信已经成为人们日常生活的必需并 且人们对无线通信的要求越来越高。快速增长的语音、图像、数据等业务需求要求有更高的传输 速率和更高的传输质量。对无线移动通信而言复杂的电波传播环境有限的频谱资源是制约其 发展的主要因素。在下一代无线移动通信系统中数据传输速率将达到1 0 m b p s 以上甚至超过 1 0 0 m b p s 。在如此高的数据率下传统的单载波通信很难克服多径衰落的影响。多载波的出现给 高速传输带来了可能，同时多载波还为合理利用频谱资源带来了更大的灵活性。经过近些年的 快速发展，多载波技术已经成为下一代无线移动通信不可缺少的技术之一。 多载波传输是指将高速的串行数据流经过串并转换后分解为若干个并行的子数据流，井将 运些子数据流分散到多个并行的裁波上进行传输这样每个载波上传输的部是低速的子数据流。 如图1 】所示。多载波具有很多有用的特性，其中包括对多径干扰不敏感和高效的频谱特性等。 图1 1 多载波发射机示意框图 从图1 1 可以看出多载波技术是一种频分复用( f r e q u 锄。y d j v i s i o n m u l t l p l e x i n 昌h ) m ) 技 术。但它跟传统的频分复用是有区别的传统的频分复用将整个频带划分成n 个不重叠的子带， 在接收端用滤波器组进行分离 1 这种方法虽然简单，但是频谱利用率低，子信道之间要留有 保护频带，且对滤波器的设计要求较高。而在现在的多载波系统中。各子载波间的频谱大多都是 相互重叠的，且子载波之间不需要保护频带，这样多载波技术可以做到较高的频谱利用率。在接 收端，通常使用相关孵调技术即可分离出各子载波，从而避免了使用游波器组。例如正交频分复 用( o 毗1 0 9 0 m lf r e q u e n c y d i 、i s l o n h 血l 卸l e x m & o f d m ) 技术 2 】，其子载波相互正交，且相邻子 载波问有1 ，2 的重叠。1 9 9 3 年以来，出现了另外一类的多载波通信技术一一m c - c d m a 技术 m c c d m a 是由kf a z e l 和l p a p k e 3 】提出的，m c d s c d m a 是v ，d a s l l v a 和e ss o u 铋1 4 l 、【5 】提出 的，m t c d m a 是lv a n d e n d o r p e 【6 】提出的。这些技术可以看成是多载波技术与c d m a 技术的相 结合。 里型兰垫查查兰苎主婆壅 望二兰堑堕 1 2 多载波与o f d m 1 2 10 f d m 的基本原理 o f d m 是一种频谱效率很高的多载波技术【7 】，它的相邻子载波问有l ，2 的重叠且保持相互 正交t 使频谱效率提高了将近l 倍。在接收端使用相关解调技术即可分离出备子载波，从而避免 了使用滤波器组。 设串并转换前的数据周期为t t 子载波数目为则一个o f d m 符号的周期为= r ， 子载波间隔q 厂= 1 ，由图1 2 ，o f d m 符号的连续时域信号可以表示为： - p 一1 t ( ，) = s ，( 七) p ( ，一f ) p 。：峨一以( 1 1 ) i 一= 0 舯1 为发送符号的鹋一似肭原始的数据f 茧良轵十坶2 小击叫岫如 下脉冲波形： ，( ，) ：1 ( o 7 i o ( o 腩 w 。“p ) 设载频无= o 对公式( 1 一1 ) 按- ，：= l t 的采样率进行采样，可以得到第，个o f d m 符号的 离散基带表示式： 芒= 害i 。 ，( ”) = j ( 七) g i “，n = o 一】 可见o f d m 信号可咀利用快速逆傅立叶变换r i f f tj 得到【8 。o f d m 系统的基带处理框图 如图l - 2 所示，频谱特性如图1 3 所示。 图1 2o f d m 系统框图 2 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 n o r m 扪e df r e q u e n c y 圈1 3o f d m 系统中子载波的频谱图 为了克服多径信道造成的符号间干扰n s j ) 在o f d m 系统中通常需要插入循环前缨f c p ) 。 掉方法是将符号末端的部分数捌直接拷贝到符号前端如图i 3 所示。插入循环前缀后的第j 个 0 f d m 符号的时域表达式可以写为： 。? ( 加芝吼枷7 。：一心| v l f l 4 ) 其中，。为循环前缀的长度其长度由信道的最大多径时延t 确定t 通常选择= t 。蚪。 _ i l 一强 一 图i 4c p 插入示意图 在接收端，完成时间同步后，只需要将循环前缀部分丢掉就可以获得无i s i 的o f d m 信号 如图1 5 所示。 _ _ 二 暇 一 图1 5c p 去除示意图 3 口三盖口焉e；z 中国科学技术大学博士论文第一蕈绪论 信道的冲激响应可以表示为： r 一1 自如) = 乓6 ( ”一 ，) 【l - 5 ) f 如 其中，r 为多径的总数目；为第，径的复数增益：f ，为第，径的时延( 归一化到采样频率) 。 通过信道后，收到的信号可以表示为： y g ( n ) = k ( n ) 十 ( ) + w ( h ) ( 1 - 6 1 其中，十表示线性卷积；w 伽) 表示高斯自噪声。 在接收端丢弃循环前缀后，由于循环前缀的存在。线性卷积等效与圆周卷积。由圆周卷积 与f f t 的关系，有下式成立： r ( _ j ) = s ( 七) 。h ( 七) + 阡7 ( 意)( 1 7 ) 其中，】，( ) 为收到的频域信息；h ) 为信道的频率响应。 可见，只要知道了日( 膏) 就可以解出原始的数据信息。也就是说在接收褊为抵消信道的影 响只需要使用单抽头的均衡器，这极大地简化了信道均衡器的设计这也是o f d m 吸引人的特点 之。 由于o f d m 技术的众多特点，o f i ) m 已经成为下一代无线移动通信的备选技术之一【9 ；1 0 j 。 o f d m 技术的主要优点有： 1 对多径干扰不敏感。由于循环前缀的存在o f d m 系统对多径干扰不敏感只要台理的 设计循环前缀的长度就可以完全克服符号间干扰。 2 对脉冲干扰不敏感。脉冲干扰会对传统的单载波系统造成很大影响，而由于多载波系统 的符号周期较长因而脉冲干扰的影响要相对小很多。此外从频域上香在时域上能 量很集中的脉冲干扰变换到频域上后兢分散到所有频率分量上，因而加刮每个子菝渡上 的干扰能量就变得很小了。所以o f d m 对脉冲干扰刁：敏感。 3 能有效地对抗信道畸变。由于o f d m 系统中每个子载波都是窄带的，每个子载波上的衰 落是乎坦的园而只需要使用单抽头的均衡器就可以抵消信道的影响。 4 能按最大的容量进行传输。子载波是对频率资源的精细划分这可以让我们对频率资源 进行更为精细灵活的控制。结台各种自适应算法，我们可以让每个子载波按最为合适的 数据率进行传输从而使整个系统按最大容量进行传输 1 1 。 o f d m 的缺点同样不可忽视，其主要缺点有： 1 峰值平均功率比过高。由于0 f d m 信号是一系列子载波上调制信号的叠加，当子载波数 目较大时叠加后的信号会存在较大的峰值。这就要求射频功率放大器有非常宽的线性范 围否则会产生非线性失真造成子载波问干扰。这个问题可以通过峰均比抑制算法来解 决即对发送信号进行处理降低其峰均比。 2 对同步误差比较敏感。同步包括时间同步和频率同步，o f d m 系统对频率同步的要求尤 其高，因为即使很小的频偏也会破坏子载波间的正交性，产生子载波间干扰。或者说， 由于o f d m 系统中相邻子载波问有1 ，2 的重叠，也就是说冗余量很小。同样，o f d m 系统 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 对信道的多普勒频移很敏感。 3 损失了频率分集。由于o f d m 使用窄带的子载波这就损失了多径信道固有的频率分集 增益。但是这个问题可以通过采用子载波间的编码来克服，或者说用一定的系统容量( 传 输速率) 来换取频率分集增益( 性能) 。 总之，0 f d m 作为一种特点鲜明的技术而被广泛地应用和研究，而且o f d m 已经被普遍认为 是下一代无线移动通信的有效技术之一。 1 2 2 多载波与o f d m o f d m 是一种特殊的多载波技术很多现有的多载波技术都与o f d m 有着直接或间接的关系。 1 2 2 1 多载波c d m a ( m c c d m a ) m c c d m a 是频域扩频技术与多载波调制相结合的技术，它将原始数据流用特定的扩频码字 在频域进行扩频【1 2 l 。一般使用w a l s h 序列作为扩频码，因为w a l s h 序列的正交特性，而且在频域 扩频不需要考虑扩频码的自相关特性。图i 6 ( a 1 、i 6 ( b ) 、1 6 ( c ) 分别显示了m c c d m a 的发射机 框图tm c c d m a 接收机框图和m c c d m a 信号的频谱特征【l3 1 4 i5 】a 图i 6 ( a 忡的q 表示扩 频序列图i 一6 ( b ) 中的玑表示接收机所甩加权台并系数e 图1 - 6 ( b ) m c c d m a 接收机框图 5 ! 里壁兰堡查查兰堡兰堡塞 星二塞堕堡 图】一6 ( c ) m c ，c d m a 信号的频谱示意图 设第m 个用户在频域传输的第f 个信息符号为s ”( f ) ，符号周期为t ，子载波数目为子载 波间隔4 厂= 1 t ，第七个子载波上所用的扩频码片为c “( _ j ) 一般选择扩频码长度( 1 ，c = 则在时域上传输的连续信号可以表示为： + y 一1 x ”( ，) = s ( f ) c “( t ) n ( ，_ f t ) e 麒 一= 0 其中，疋= 、+ 七4 厂：p ，( r ) 为如下脉冲波形 蹦归器 ( o 蔓，t ) 如 h e r w s e l f l 一8 、 1 1 - 9 由公式 j 8 ) 。找可以得剑其基带离教公式： 。) ：艺艺以啦砸) 。， ( 1 _ - 。， 可见m c c d m a 可以使用o f d m 技术来得到，国1 7 显示了使用直接序列扩颁r d s s s ) 模 块和o f d m 模块进行m c c d m a 调制的处理框图。m c c d m a 具有a f d m 的结构，它与o f d m 既 有相同点又有区别。 图1 7 基于o f d m 的m c ，c d m a 发射机框图 与o f d m 相司，m c c d m a 的子载波也相互正交且相邻子载波间有1 2 的重叠，从而具有较高 的频谱效率。不同的是在o f d m 中不同的子载波携带不同的信息符号。为了在某个子载波受衰 落的情况下陂复出信号必须在o f d m 符号内采用纠锗码保护这就会使子载波的个撤比实际传 输信息所需的子载波个数多。而m c c d 小 a 在所有的予载波上传送相同的信息符号。一般来说 不可能所有的子载波都处于深衰落中，因此，m c c d m a 能达到频率分集的效果。 在m c c d m a 中多个不同用户的信息在时域上叠加起来同时传输，不同用户的区分是靠相 互正交的扩频码来完成的。 在m c c d m a 接收机中，可以采取多种准则来设计加权合并系数吼。主要有两大类，一类 是：舟多用户间的干扰看作高斯噪声对每个用户进行单独殴计。这类方法主要有：1 ) 正交保持 6 中国科学技术大学博士论文第一章绪论 合并f o r n l o g o n a l 畸r e s t o r i l 】g c o m b i n i n g ，o r c ) 【1 6 】：2 ) 等增益合并( e q u a l g a i n c o n l b i n i n g ，e g c ) 1 7 】；3 ) 最大比合并( m a x n u m r a t i o c o m b i n 血g ，t c ) 【1 8 j ：4 ) 最小均方误差合并( m “m u n l m e a ns q u a r e e h o r c 鲫b i n i n g ，m m s e c ) f 19 1 等。另一类是结合多用户干扰对消，对多用户信号 进行联合检测。这类方法主要有：1 ) 最大似然多用户检测( m a x j i n l 】i r l “k e l l h o o d m u l t i - u s e r d e t e c t i o n ，m l m u d ) 【2 0 ，2 l ，2 2 ；2 ) 等增益合并一等增益合并多用户检测( e g c - e g c m u l t i ，u s e r d i t e c 石o n ，b e m u d ) 【2 3 ；3 ) 正交保持一最大比台并多用户检测( o r c m k m u l n u s e r d e t e c t i o n ， o m m u d ) ：4 ) 解相关和最小均方误差干扰对消( d e c o r r e l a t i n g 皿d m m s e i n t e r f e f e n c e c a n c e l j e 体， d i ca n dm m s e i c ) f 2 4 2 5 】等。 当原始的数据率很高时我们也可以选择扩频玛长度g 。，以摞持每个子载波上的衰 落是平坦的。图1 - 8 给出了m c c d m a 的一种改进形式在该系统中，原始数据流先经过串并转 换成j p 路并行信号，然后每路信号再进行m c c d m a 调制扩频码长度为( 瓦忙= p 。 三，+ 夏e 走 d 三卜蜀 0 f 洲 并 三 + 夏e 转 换 图l _ 8m c c d m a 的改进7 l 式 可见，与o f d m 相比，m c c d m a 可以使用不同的子载波数目和不同的扩频因子从而可以 在传输性能和传输速率之问做更为灵活的折中。 1 2 2 2 多载波d s - c d m a ( m c - d s c d m a ) 与m c c d m a 不同，多载波d s c d m a 是一种时域扩频技术与多载波调制相结合的技术。在 m c d s c d m a 系统中先将高建数据流进行串并转换，变成并行的低速子数据流再使用扩频 码对每一路数据进行扩频处理最后再对每一路扩频后的数据用不同子载波进行并行传输。图 1 9 【a ) 、1 9 ( b ) 、1 - 9 ( c 1 分别显示了m c d s - c d m a 的发射机框图m c d s c d m a 接收机框图和 m c d s c d m a 信号的频谱特征【1 3 ，1 4 ，15 】。图l 一9 a 冲的c ( f ) 表示扩频序列。 图1 - 叫a 1m c d s c d m a 发射机框图 7 中国科学技术大学博士论文第一童绪论 图1 9 ( b ) m c d s c d m 接收机框图 图】9 f m c d s c d m a 信号的频谱示意图 设第坍个j _ | 户在频域传输的第f 个信息符号为5 ”( j ) ，彳j 号周期为t 子故波数目为、。经过 串并转换后，一个符号周期为t = l ，一般选择扩频码长度g ，d = 划扩频后的码片速 率为e = g = t ，子载波闻隔4 厂= l t 。设第七个子载波上所用的扩频码j l 为c ”( 七) 则在时域上传输的连续信号可以表示为 x ”( ，) 其中= ，：_ l + 七4 厂：p 。( r ) 为如下脉冲波形 州= 亿 ( o ，t ) ( d 加p n r j s p ) 一l2 1 在m c d s - c d m a 中，子载波间隔4 厂= 1 c ，保持相互正交且相邻子载波间有l ，2 的重叠。 同样，m c d s c d m a 也可由o f d m 模块实现。图1 1 0 显示了使用直接序列扩频( d s s s ) 模块和 0 f d m 模块进行m c d s c d m a 调制的处理框图。 叫1 j 富 怔乎 0 f d m 并 ii 转 换 二叮面砷 图1 1 0 基于o f d m 的m c d s c d m a 发射机框图 如图1 9 c b ) 所示在m c d s _ c d m a 接收机中一般采用非r a k e 的相关接收机这是因为每个子 8 ( 以 m 沁 昨 窆dm 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 载波都是窄带的，受到的是频率非选择性衰落【2 6 ，2 7 ，2 8 】，所以不需要做r a k e 合并。由于多载波 d s c d m a 技术在多径衰落信道中能有效的达到准同步故该方案比较适合于上行链路。 1 2 2 3 多音c d m a ( m t - c d m a ) 与多