（通信与信息系统专业论文）mimombofdm超宽带无线通信系统研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 结合了m i m o 和o f d m 技术的多频带超宽带系统为短距离、高速无线通信注入了巨大活 力。本文首先依据i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准物理层的提议，介绍了m b o f d m u w b 系统的大致框架， 其次提出几种在m i m o o f d m 系统中常用到的融合空、时、频域的编解码方案，主要分析了 基于s t f 编码的m b m i m o o f d m 系统及其性能，最后通过仿真比较了不同信道模型下，s t b 和s f b 编码m b o f d m 超宽带系统性能，发现在u w b 标准信道下，s t b 编码系统性能优于s f b 编码。s t f 编码、多频带跳变o f d m 调制技术的结合充分利用了u w b 系统所特有的多径特性。 该系统最大可获得的多径增益是收发天线数、多径数以及联合编码o f d m 符号块数目的乘积。 文中通过对n a k a g a m i m 频率选择性衰落信道下该系统性能的分析发现该系统分集增益并不严 格由信道衰落参数m 来决定，该u w b 系统在任意给定m 参数的n a k a g a m i 衰落信道下获得的增 益与在瑞利衰落信道下获得的增益几乎差不多。 a b s t r a c t t h em u l t i b a n dm i m o 。o f d mu l t r a - w i d e b a n ds y s t e mo f f e r sag r e a tp o t e n t i a lf o r t h ed e s i g no f h i g hs p e e ds h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt o “t ip h y s i c a ll a y e r p r o p o s a lf o ri e e e8 0 2 15t a s kg r o u p3 a w ep r o p o s e ag e n e r a lf r a m e w o r kf o rt h em b o f d m - u w b s y s t e mf i r s t l y ，t h e ns o m es t fc o d i n gm e t h o d su s e di nm i m o o f d ms y s t e ma r ed i s c u s s e d n e x t ， w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm u l t i b a n dm i m o - u w bs y s t e m sb a s e do nt h es t fc o d i n g ，a t l a s t ，w ea n a l y z et h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns p a c e - t i m ea n ds p a c e - f r e q u e n c yb l o c kc o d e dm b - o f d m u w bs y s t e m su n d e rv a r i o u su w b c h a n n e lm o d e l sa n df i n dt h a tf o rt h ec h a n n e lm o d e l sc o n s i d e r e d ， s p a c e t i m eb l o c kc o d i n gp r o v i d e sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h es p a c e - f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g a c o m b i n a t i o no fs p a c e t i m e f r e q u e n c y ( s t f ) c o d i n ga n dh o p p i n gm u l t i - b a n do f d mm o d u l a t i o ni s a l s od i s c u s s e dt of u l l ye x p l o i ta l lo ft h ea v a i l a b l es p a t i a la n df r e q u e n c yd i v e r s i t i e s ，r i c h l yi n h e r e n ti n u w be n v i r o n m e n t s t h em a x i m u ma c h i e v a b l ed i v e r s i t yo ft h i ss y s t e mi st h ep r o d u c to ft h en u m b e r o ft r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s ，t h en u m b e ro fm u l t i p a t hc o m p o n e n t sa n dt h en u m b e ro fj o i n t l y e n c o d e do f d ms y m b o l s w eq u a n t i f yt h ep e r f o r m a n c em e r i t so ft h ep r o p o s e ds c h e m ei nc a s eo f n a k a g a m i mf 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 i n t e r e s t i n g l y ，t h ed i v e r s i t yg a i nd o e sn o ts e v e r e l y d e p e n do nt h ef a d i n gp a r a m e t e r ，珂，a n dt h ed i v e r s i t yg a i no b t a i n e du n d e rn a k a g a m if a d i n gw i t h a r b i t r a r ymp a r a m e t e ri sa l m o s tt h es a m ea st h a to b t a i n e di nr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt os u p p o r tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s 1 1 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：社导师签名： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作者：2 0 0 4 级研究生郭传燕指导教师杨龙祥 题目：m i m o m b o f d m 超宽带无线通信系统研究 英文题目：as t u d yo nm u l t i b a n dm i m o o f d mu l t r a w i d eb a n d s y s t e m 主题词：空时频编码频率选择性衰落信道m b 。o f d m 超宽带无线个域网 k e y w o r d s ： s t f f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s m b 。o f d mu w b w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( w p a n s ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 第一章绪论 2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 批准原来用于军用雷达的超宽带( u w b ) 技 术可运用于民用产品上，同年4 月，批准将3 1 g h z 和1 0 6 g h z 之间的免授权频段分配给u w b 使用。自此，此项技术开始引起业界广泛关注。u w b 在公共安全、军事效能、航空安全、医 疗应用以及消费类产品与服务等诸多领域具有独特的用应价值和广阔的市场前景，可见今后 几年内，u w b 产品将会陆续进入市场，成为新的亮点。 1 1 超宽带通信概念 随着计算机、通信与家电的融合在人们生活中的越来越普遍，设备之间迫切需要高速、 互操作性强的无线通信，而超宽带( u w b ，u l t r a - w i d e b a n d ) 技术就是一种能实现无线局域网 ( w l a n ) 和个人局域网( w p a n ) 无线接口互联接入的技术。 f c c 对u w b 的定义为： 生盘掣 2 0 ，( 或者总带宽大于5 0 0 m h z ) 3c 式中，厶、五分别为功率较峰值功率下降1 0 d b 时所对应的高端频率和低端频率，z 为 载波频率或中心频率。可见，u w b 信号的带宽不同于通常定义的3 d b 带宽。 而事实上，目前被称作“超宽带”系统的带宽比未必都是2 0 ，美国国防高级研究计划 署对超宽带特征的定义是相对带宽大于2 5 。也有一些定义为1 0 左右，但它们已不是基于 正弦载波的无线电系统的概念，而是针对一种采用冲激脉冲作信息载体的非正弦系统。 根据香农信道容量公式c = b i o g z ( 1 + 丢一，( 式中b 是信道带宽，o 为高斯白噪声功 率谱密度，p 为信号功率) 。增大通信容量有两种实现方法，一是通过增加信号功率，二是增 大传输带宽。u w b 技术就是通过后者来获得非常搞的传输速率的。 1 2 超宽带通信分类 迄今为止，超宽带无线电通信按实现方式可分为两大类，即脉冲无线电和多频带o f d m 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 脉冲无线电u w b 脉冲无线电是指采用冲激脉冲( 超短脉冲) 作为信息载体的无线电技术。这种脉冲传输 技术的特点是，通过对非常窄( 往往小于l n s ) 的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来 传输数据。 鉴于系统对功率有效性的要求比较高，脉冲无线电的调制方式一般采用二进制的脉冲相 位调制( p p m ) 或二进制相移键控( b p s k ) 。在多址接入方式上，有跳时扩频( t h s s ) 和 直接序列扩频( d s s s ) 两种方式可选。典型的组合方案时t h p p m 和d s b p s k 。相比较而言， t h s s 的优势在于它对远近效应的敏感程度没有d s s s 那么高，因为只有当不同用户的信号脉 冲正好在位置上出现重叠时，远近效应才会体现出来，从二降到了对功率控制的要求。这也 许是早期的u w b 系统在信号占空比很低的条件下选用了t h s s 的重要原因。不过，随着对传 输速率的要求越来越高，信号占空比势必要大大增加，t h s s 的优势已不明显。因此d s s s 方 案现在重新受到研究人员的重视。 脉冲无线电直接将经过频谱成形之后的宽带窄脉冲发射出去，信道上传输的是基带信 号，所以在接收端的结构必传统窄带通信系统简单得多，主要是由一个相关检测器构成。 理想得u w b 信号应该近似于白噪声，即功率谱密度( p s d ) 应该为平坦的且幅度越低越 好，这样才不会对现有的窄带系统造成明显的干扰。周期性窄脉冲的p s d 由离散谱线构成，加 上p p m 调制之后，功率谱得到一定的平滑，不过更强的平滑作用是通过伪随机跳时码实现的， 而且平滑特性的好坏与伪随机码的选择密切相关。如果采用b p s k 调制，由于信号均值为零， 功率谱中不含离散谱线，完全由高斯脉冲的频谱决定，其平坦度与白噪声仍有很大的差距， 也要通过伪随机序列进行平滑。 2 多频带u w b 为了提高频谱利用率，很多人开始考虑采用多带调制。一个u w b 信号仅需占用5 0 0 m h z 带宽，而不必是一个脉冲，这就提供了一个将传统无线通信系统设计理论与u w b 的优势相结 合的机遇。 多带传输系统是将可用的u w b 频谱划分成若干个予带，每个子带的宽带的宽度不小于 5 0 0 m h z 。通信时，可以根据信息速率、系统功耗的要求以及与其他系统的共存的要求等，动 态地使用部分或全部的子带，通过同时发送多个不同频带的u w b 信号来提高频谱的利用率。 这些u w b 信号是不会相互干扰的，因为它们的频率不同。 o f d m 系统具有很高的处理速率，其各子载波间相互正交，减少了予载波间的相互干扰， 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 还大大提高了频谱利用率，很容易被拿来与u w b 系统相结合，i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准的有关规定 以及u w b 与o f d m 技术的结合将在以下章节中讨论。 1 3 超宽带通信技术特点 ( 1 ) 处理增益高。超宽带处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲 数，可以做到比目前实际使用的扩频系统高得多的处理增益。 ( 2 ) 多径分辨能力强，定位精度高。常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续 时间远大于多径扩展时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。而超宽带发射的 是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，因此u w b 信号的多径分辨率极高，极高的多径 分辨能力赋予u w b 信号高精度的测距、定位能力。 ( 3 ) 传输速率高，系统容量大。数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展 的主要趋势。确保提供高质量多媒体业务的无线网络，其信息速率不能低于5 0 m b p s 。从信号 传播的角度考虑，超宽带由于多径影响的消除而使之可传输高速率数据，超宽带传输速率可 以达到几十m b p s 到几百m b p s 。另外，超宽带发送占空比极低的冲激脉冲，可以采用跳时( t h ) 扩频调制，便于组成类似于d s 。c d m a 系统的移动网络。由于超宽带系统具有很高的处理增 益，并且具有很强的多径分辨能力，因此超宽带系统用户数量大大高于3 g 系统。 ( 4 ) 穿透能力强。实验系统证明，超宽带具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有希望 填补常规超短波信号丛林中不能有效传播的空白。实验表明，适用于窄带系统的丛林通信系 统模型同样可适用于超宽带系统；超宽带技术还能实现隔墙成像等。 ( 5 ) 发射功率小，隐蔽性好。超宽带发射功率严格小于0 5 6 r o w ，功耗只有5 0 - 7 01 tw ， 这相当于蜂窝手机的千分之一，对人体健康影响较小，并且可以大大延长电池的使用寿命。 且由于u w b 系统辐射谱密度极低( 小于- - 4 1 3 d b m m h z ) ，对传统的窄带系统来讲，u w b 信 号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，信号被隐蔽在环境噪声和其它信号中，难以被敌方检 测。 ( 6 ) 体积小、功耗低。传统的u w b 技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒 级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调 n 解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。 ( 7 ) 便于多功能一体化。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带具有极强的穿透能力，可在室 内和地下进行精确的定位，而g p s 系统只能工作在g p s 定位卫星的可视范围之内；与g p s 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。此外， 超宽带定位器更为便宜。 正是由于u w b 具有上述特点，且由于其发射功率小，可以与其它的通信系统共享频率资 源，u w b 通信技术得到广泛的关注，在短距离和超短距离无线通信等领域拥有巨大的潜在市 场。 1 4 超宽带与其它通信方式的比较 现在已经存在的短距离无线通信有很多种，从u w b 的技术参数来看，u w b 的传输距离 只有1 0 m 左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与u w b 作一对比，从中更能显示出u w b 的杰出的优点。 1 4 1i e e e8 0 2 1 l a 与u w b i e e e8 0 2 1 1 a 是由i e e e 制定的无线局域网标准之一，它主要用来解决办公室局域网和校 园网中用户与用户终端的无线接入，工作在5 g h zu - n i l 频带，物理层速率在5 4 m b p s ，传输 层速率在2 5 m b p s ，它的通信距离可达到1 0 0 m ，而u w b 的通信距离在1 0 m 左右。在短距离 的范围( 如1 0 m 以内) ，i e e e 8 0 2 1 l a 的通信速率与u w b 相比却相差太大，u w b 可以达到上 千兆，是i e e e8 0 2 11 a 的几十倍；超过这个距离范围( 即大于1 0 m ) ，由于u w b 发射功率受限， u w b 就性能就差很多。因此从总体来看，1 0 m 以内，8 0 2 1 1 a 无法与u w b 相比：但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 1 a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 1 a 的功耗相当大。 1 4 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) 与u w b 蓝牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技术。蓝牙的传 输距离为1 0 c m - 1 0 m 。它采用2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率为1 m b p s 。从技术 参数上来看，u w b 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但u w b 的速 度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比u w b 优越的地方就是蓝 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 牙的技术已经比较成熟，但是随着u w b 的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在u w b 刚出现时，把u w b 看成是蓝芽的杀手，不是没有道理的。 总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但 在某些实际应用领域内它们又相互补充。 1 5 论文的出发点 传统的基于d s 和t h 多址方式的u w b 单频带系统，由于在射频、实际电路设计以及接收 机等方面的复杂度较大，一直难以实现商用。而多频带u w b 方案结合时下较为成熟的o f d m 技术很快成为了研究的热点，本文对m b o f d m 超宽带系统作了简要介绍；为了满足短距离内 更高数据速率的要求，更充分的利用空间优势以及多径分集，本文还结合了m i m o 技术，主要 研究在m i m o 系统中不同s t f 编码方案对系统性能的影响。 1 6 论文架构 本论文主要是对物理层基于多频带o f d m 实现方式下的超宽带系统进行研究，并结合了 多输入多输出天线技术。因此本论文结构安排如下：第一章绪论，概述了超宽带技术以及本 论文所研究课题的出发点；第二章简要介绍m b o f d m u w b 系统，包括i e e e8 0 2 1 5 3 a 物理 层参数、系统收发端结构；第三章涉及了几种s t f 编码方式，包括基于循环延迟分集的空时 频编码技术、基于正交预编码的空时频编码以及m i m o m b u w b 系统中的具体编码方式介 绍；第四章是m i m o m b u w b 系统采用的信道模型和接收端方案：第五章通过计算，详细 分析了独立衰落信道和相关衰落信道下，采用s t f 编码的m i m o m b u w b 系统的性能；第 六章通过仿真比较了在s t f 编码所采用的不同o f d m 符号块数k 以及不同频带跳变速率下系 统的不同性能；最后一章是结论和进一步的研究建议。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m b o f d mu w b 系统 第二章m b o f d mu w b 系统 多频带( m b ，m u l t i b a n d ) 方式是将信号的总带宽划分为若干较小的频带，根据f c c 的 规定，其中每个子带的带宽至少为5 0 0 m h z 。采用o f d m 技术，在相继的时间里于不同子带 内传输给定用户的数据，可以避免特定频带上的非人为干扰而不需要射频陷波滤波器。 本章将研究m b 。o f d m 超宽带系统基于i e e e8 0 2 1 5 3 a 的参数设定，系统收发端架构等。 2 1o f d m 概述 o f d m 是一种先进的多载波调制方式，其基本原理是将高速串行数据流分解成为多路并 行的低速数据流，从而在多个相互正交的子载波上同时进行传播。由于各子载波相互正交， 所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，如图2 1 所示【5 】，不但减少了子载波间的相互干扰， 还大大提高了频谱利用率。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期被展宽，多径效应造 成的时延扩展相对变小，另外，因为引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延的情况下， 可以最大限度的消除多径带来的符号间干扰。o f d m 系统的另一个主要优点是正交的子载波 可以利用f f t i f f t 来实现调制和解调，增加了运算效率。 图2 1o f d m 的频谱不葸图 一个o f d m 符号由一组承载了p s k 或q a m 调制信号的子载波叠加构成，其等效的基带 信号可以表示为： ，一l 0 s ( f ) = d y e c t ( t 一一t 2 ) e x p ( j 2 万专( 卜t ) ) ，t f 乞+ 丁 ( 2 1 ) f = o 工 其中珥表示第f 路的基带数据信号，矩形函数，p 甜( r ) = 1 , i t i t 2 ，n 表示予载波的个数， 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m b - o f d mu w b 系统 丁表示o f d m 符号的持续时间( 周期) 。图2 2 给出了o f d m 系统基本模型的框图【2 】， 其中z = z + i t 图2 2o f d m 系统基本模型框图 在o f d m 系统设计中，有几个关键参数需要考虑。如子载波的数目、保护间隔、符号周 期、载波间隔、每个载波的调制方式及前向纠错编码的选择。其中保护间隔一般才用循环前 缀的方式，以保证在接收端的f f t 周期内o f d m 符号的时延副本包含的波形周期个数是整数。 这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生子载波间干扰。在具体实现循环前缀 的时候，我们是将经过i f f t 变换的数据的后面几位复制到前面，之后在通过并串变换发送即 可。 2 2m b o f d mu w b 系统概述 在m b o f d m u w b 系统设计方案中，融) o f d m 、扩频与交织、跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ， f h ) 等多种机制，保证了在多径衰落信道上可靠实现高速数据的传输，这种系统方案具有以 下优势： ( 1 ) 系统的频谱效率较高； ( 2 ) 减少对其它窄带无线系统的干扰，这是多带技术的主要优势，它使得u w b 系统能够与其 它窄带无线电系统和平共处； ( 3 ) 灵活的数据传输速率，可扩展性强。可以根据不同的频段和需求进行调整，特别适合上、 下行链路数据传传输非对称业务( 如网页浏览、f t p 下载等) ； 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m b o f d mu w b 系统 ( 5 ) o f d m 技术相对成熟，已经在许多通信领域，例如数字音频广播、数字视频广播等，得 到了广泛应用【6 】。 2 2 1i e e e8 0 2 1 5 3 a 关于m b o f d mu w b 的方案 该方案基于将可用频段划分为若干子带的思想，把f c c 规定的3 1 1 0 6 g h z 的可用带宽， 划分成符合f c c 规定的大于5 0 0 m h z 的1 4 个子带，5 个频段组：l 组：3 1 6 8 4 7 5 2 g h z ；2 组： 4 7 5 2 - - 6 3 3 6 g h z ：3 组：6 3 3 乒7 9 2 0 g h z ：4 组：7 9 2 0 - 9 5 0 4 g h z ；5 2 ：9 5 0 4 1 0 5 6 0 g h z 。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 统的信息传输速率可达到5 5 ，8 0 ，l1 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 署1 4 8 0 m b p s 。每个子频带使用1 2 8 个子 载波，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。 i e e e8 0 2 1 5 3 a 规定仿真中系统参数的设定列于表2 1 。可见，频段之间的保护间隔( g i ) 的 长度是9 5 n 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径能量的大小，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 6 n s 是最佳持续时间长度；时频交织的结构使得进一步在时域和频域获得分级增益； o f d m 方案采用卷积编码形式，编码速率可变( 3 4 ，1 2 ，5 8 ，11 3 2 ) ，不同的编码速率和扩频 因子决定了系统不同的信息速率，可以从5 5 m b p s 到4 8 0 m b p s ；调制方式采用的是 t f i o f d m ( 1 2 8 f f t ) q p s k ，允许将每一个u w b 频段分成一组正交的窄带信道，具有频谱利用 率高、频段配置灵活、速率扩展性好等优点；o f d m 的符号周期为3 1 2 5 n s ，从而可以有效地 降低i s i 的影响。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m b o f d mu w b 系统 表2 1 ：m b - o f d m 系统参数表 基编扩尹 删方式 僦需墓篙磊销簇m bp s 。 n sn s 7 ”。7 。、 1 6 0三2 1 3 2 2 q p s k f 。m 辱2 4 8 k 6 0 6 辱5 4 3 1 2 5 9 麦53 。2 5 鍪 时频交织( t i m e - f r e q u e n c y i n t e r l e a v i n g ，t f i ) 技术把不同子带上的信息比特进行交织，而 在每一个子带中采用o f d m 调制进行数据的发送。t f i o f d m 系统既可以看做是一个全频带的 o f d m 系统，也可以看做是一个子频带系统。下面以3 个子带为例说明通过t f i 技术如何传输 o f d m 符号，图2 3 为t fi - o f d m 时频交织示意图 图2 3t f i o f d m 时频交织示意图 图中，在子带1 上传输第1 个o f d m 符号，在子带3 上传输第2 个o f d m 符号，在子带2 上传 输第3 个符号，而第4 个o f d m 符号重新在子带1 上进行传输。从图2 3 可以看出，循环前缀( c p ) 和保护间隔( g i ) 的长度分别为6 0 6n s $ 1 9 5n s ，循环前缀插在每个o f d m 符号的开头，而保护 间隔则加在每个o f d m 符号之后。保护间隔可以确保发送机与接收机有足够的时间转换至下 个子带，c p 的长度决定着捕获多径能量的大小，c p 之外的任何多径能量都会导致载波间干 扰o c d 。u w b 信道模型具有很高的离散性，最糟糕的信道环境出现了2 5 n s 均方根时延，c p 的 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m b o f d mu w b 系统 c p 的持续时间应选择为6 0 6 n s 7 。 2 2 2l v l b 。o f d mu w b 的发送信号 首先，关注下m b o f d m - u w b 系统发射端框图，如图2 4 所示。这一架构与传统的o f d m 系统十分相似，主要不同之处就在于d a 转换后，m b o f d m 系统多采用了一个跳频序列来区 分不同o f d m 符号将在不同频段上的发送。 一输入 骨哥器i 匝圃磐柚 图2 4m b o f d m u w b 系统发射端框图 跳频( f r e q u e n c y h o p p i n g ，f h ) 是一种扩展信号频谱的方式，它是指用一定码序列进行选 择的多频率频移键控。也就是说，根据不同的扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不 断地跳变，在不同的频带上发送不同的符号。通过对跳频率、符号率和子载波数等参数的调 整，获得不同的系统性能。m b o f d m u w b 信号是基于跳频脉冲序列的，这些跳频脉冲可以 是高斯或者是矩形脉冲等，在时域上的宽度仅为几个纳秒。跳频脉冲序列可定义为： n 一1 一，2 z r c ( n ) t p ( t ) = s ( t n t ) e 。乙 ( 2 2 ) 式中：s ( ，) 是具有单位能量的基本脉冲信号，周期为z ，重复周期为t ，正t ：n 是跳频 脉冲序列的脉冲个数；p ( t ) 信号由n 个s ( t ) 组成，周期为l 州t ；每个短脉冲调制在不同的频率 c ( n ) 乃，1 乃为跳频分辨率，互 的有序序 列；整个脉冲序列选择一组正交频率进行调制【4 】。跳频脉冲序列产生的框图如图2 5 所示。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m b o f d mu w 8 系统 图2 5 跳频脉冲序列产生框图 图中“t ) ，b ( t ) 分别为 口o ) = 6 ( t - n t ) = s ( t - n t ) 0 f d m 信号的基本要求是各载波间的发送信号彼此正交。m b o f d m u w b 系统就是利用 跳频序列p ( t ) 来设计彼此正交或近似正交的发送信号的。第k 个用户发送的o f d m 信号可以表示 为 n 一1 f 2 7 r c ( n ) t 五( f ) = p ( t ) e 业栅= s ( t - n t ) e 。瓦8 2 碱7 ( 2 3 ) 式中：f d 为基本频率，不同用户的信息调制到不同的载波频率矾上，于是产生了不同的 频段。假设系统的发射信号用x ( t ) 表示，在不同的o f d m 载波上，用户采用的是b p s k 调制。经 过表达式的变形，式( 2 3 ) 表示的系统可以被看作是传统的o f d m 系统在每一个不同的频段采 用的是跳频的方案。经过信息符号调制的o f d m u w b 信号形式为 一1 ，一l x ( f ) = 雕六( f 一尸乙) = b ；p ( t - r t e ) e 2 厅编“” ( 2 4 ) r 七= lrk = l 式中：k 表示在第k 个子载波上第，时隙发送的信息符号，确定每比特平均发送功率。 下面来验证一下对于不同子载波上的信号的正交性是否满足o f d m 信号的基本要求。 定义： 伍力= 砸矿。一矽聊 x 心，n = 蚧f q 一节j 渤西a 因为五，( f ) 与以：( ，) 的内积等于工尸( o ，( 如一k 1 ) 石) ，所以 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m b 。o f d mu w b 系统 e ，陋( f ) e j 2 确麻】【p ( t ) e - j 2 鸸如】d ( f ) = x p ( o ，( 也一毛) 兀) = e pp ( f ) p ( f 川讹州印d ( f ) = r 塾川矿j 半【和卅谚7 t 2 a c ( n ) t 】p 一铲”协7 ， = 墨( o ，( 畋一毛) 矗) p 一2 朋如一向席 咧x0 ，( 盏播 由式( 2 7 ) 可以看出，l = y n t ，如果岛墨不是n 的倍数，子载波的信号是正交的；如果 后2 一向是n 的倍数m ，可通过s o ) 的设计瓣x s ( o ，m t ) = 0 对任意整数m 成立；或者通过在每n 个子载波组间设置发送间隔使得k ( ，( 乞一毛) 二) = o 来保持子载波之间的正交性。其中一种 较佳的考虑是设计c ( n ) 为正交的c o s t a s 序列，使得不同子载波毛和的信号接近正交 1 2 1 。 2 2 3m b o f d mu w b 信号发射端结构 相对于传统的u w b 系统而言，m b o f d m u w b 系统实现起来更加复杂，但是系统性能的 提高足以弥补系统实现的复杂性【8 ，9 】。8 0 2 1 1 a 技术的不断发展，为该系统的完善提供了很好的 借鉴。m b o f d m u w b 信号产生的方法与传统o f d m 系统类似，只是f f t 的长度、子载波间 隔等具体参数不同。为了提高系统各方面的性能，目前已有一些相对比较完善的技术：如借 助i f f t f f t 进行o f d m 调制解调，使得系统的频谱利用率高、符号持续时间长：在o f d m 符号 前增加循环保护间隔，可以有效地抑制码间干扰( i s l ) 及多径干扰；再结合跳频技术、交织技 术、插入导频技术等，系统可以进一步在时域和频域获得分集增益。本章系统是在信息比特 采用b p s k 调制下，采用i f f t f f t 调制解调技术，结合插入循环前缀以及插入导频技术而形成 的一个m b o f d m 。u w b 信号的发送系统，如2 2 2 节中图2 4 所示。 o f d m 各个子载波的调制是通过i f f t 来实现的，为了避免落入保护间隔内，信号的时间 必须同步；而o f d m 信号各个子载波相互重叠，为了保证它们之间的正交性，频率也必须同 步。插入导频的目的正是为解决系统中的时间和载波同步问题。所谓导频插入就是在发送有 用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个( 或多个) 称作导频的正弦波，接收端就可由 导频提取出载波。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m b o f d mu w b 系统 在o f d m 系统中，符号间干扰( i s i ) 会导致较高的误码率，同时产生载波间干扰( i c i ) ，损失 正交性，使系统性能下降。为削弱i s i 的影响，通常在o f d m 符号中插入保护间隔，但是这样 也会引入i c i ，破坏了子载波间的正交性。如果引入的保护间隔由信号的循环扩展构成，即引 入循环前缀，长度满足消除i s i 的循环前缀亦可消除i c i 。循环前缀不仅可以减轻i s i 和i c i ，还 为时频偏移估计提供了一种高效而且结构简单的方案。保护间隔g i 的引入则是多带系统中为 了确保发送机与接收机有足够的时间转换至下一个子带。 2 2 4m b o f d mu w b 信号接收端结构 移动信道的主要特征就是多径干扰，尤其是在u w b 短距离无线通信系统中，信道的最大 时延扩展达2 0 0 n s 以上，可分辨多径数量通常高达几十至上百条，多径干扰更为严重；另一方 面，多径干扰中携带着有用的信息，可以在适当的时候进行抽样、叠加有用信息，实现r a k e 接收。因此，如何避免多径干扰并且利用多径干扰的能量就成了目前研究的一个热点。目前 已有多种实现方法：文献【6 】中使用快速跳频的方法，并配合r a k e 等技术来实现系统性能的 最佳；m b o a 联盟的提案则通过慢速跳频和频域分集提供增益改善性能【5 】；还有人提出了使 用多载波扩频的方法以及多径最大似然接收机的概念【7 】等。笔者提出的系统是基于快速跳频 的方法，采用插入导频的同步技术来实现的，与发送端结构相对应，m b 。o f d m u w b 信号接 收端框图如图2 6 所示。 滤 波 吝 器 骨骨拙卜 e 鬯匡堕丑附 亟堕口 图2 6m b o f d m u w b 系统接收端框图 下面，先来推导出接收信号的表达式。m b o f d m u w b 系统的传输信道是个典型的多径 信道，其信道模型的冲击响应可以用延迟线滤波器的形式表示为 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m b o f d mu w b 系统 示为 式中：l 是能分辨的多径路数；q 是信道第l 条路径的复包络；万( ) 是单位冲击函数。 假设n ( o 为高斯白噪声过程，发送信号x ( t ) 经过上述信道模型传播后的接收信号r ( t ) 可表 l l ，( f ) = h ( t ) xx ( f ) + 刀( f ) = a l x ( t - f 1 ) + 玎( f ) i = o 带入x ( t ) 的表达式可得 图2 6 中 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) n l 一，2 l r c ( n x t - r t ) ， p ( f ) = p ( t - 1 ) = s ( t - n t - r l 弦。 兀 ( 2 11 ) 在接收端，子载波间干扰几乎等于零，o f d m 各子载波之间继续保持正交性，可以使得 o f d m u w b 系统利用正交频分多址接入技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ， o f d m a ) 实现不同用户的多址接入。 2 3 本章小结 m b o f d m u w b 技术是u w b 技术的一种技术实现方案。与传统的脉冲u w b 系统相比， 具有系统容量大、抗多径干扰能力强、信道利用率高等优点。本章通过对m b o f d m u w b 发 送接收信号与结构进行分析，得出了一个基于b p s k 调制的适合于m b o f d m u w b 系统的收 发结构。该结构通过插入循环前缀和导频，可以有效降低i s i 和i c i ，并解决系统中的时间和载 波同步问题。 1 4 ) o o 2，l、 r r ，一 万口 l l 、_ 、 f ，一 办 吩，_ ， 玎+ 吖 0 疟2 p 、一、 一 op 口 脚瑚 廖 = 、 f ，- r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m o o f d mu w b 系统中的s t f 编码 第三章m i m o o f d mu w b 系统中的s t f 编码 目前，对m i m o o f d m 系统的研究早已成为热点，其关键技术之一即为m i m o o f d m 系 统中的编码技术。当前m i m o o f d m 系统中，对其编码的研究大都在空间和时间，或者空间 和频率这两维方向上进行，即s t 编码 1 3 1 5 或s f 编码 1 6 1 8 】。文 1 3 ，1 4 中分别对空时格型码 和空时分组码的编码原理和性能进行了分析和研究，而文【1 5 】对m i m o o f d m 系统中的空时编 码进行了改进。文献 1 6 1 8 n 对o f d m 系统中的空频编码技术进行了研究。这两种编码技术 一般只能获得两维方向上的增益，为了更加充分利用空间、时间和频率三维方向上的增益， 人们提出了空时频编码( s t f c ) 3 0 ，3 1 技术。所谓空时频编码，即是在空间、时间和频率三维 方向上同时进行编码的技术。 本章我们对两种空时频编码技术，即循环延迟s t f 和正交预编码s t f 的编解码算法进行研 究，并在此基础上提出适合m i m o o f d m o u w b 系统的s t f 编码方案。 3 1 基于循环延迟分集的空时频编码技术 该s t f 编码技术是在循环延迟分集空频编码( s f c ) i8 】的基础上提出的。在o f d m 系统中， 循环延迟分集是一种能够显著提高系统误码性能和信干比的有效手段，其实现简单，只需对 发射端的各路o f d m 信号相对于其中某一路信号做长度不同的循环延迟即可。将文【1 8 】中提出 的空频编码技术与普通的空时分组编码技术相结合，就形成了一种新的空时频编码策略。在 该策略中，对o f d m 帧间相同子载