（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216a的ofdm系统降低峰均功率比的研究.pdf

摘要 正交频分复用( 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 ，o f d m ) 技 术是一种可以有效抗信道噪声和干扰的多载波调制方式，它可以充分利用频带宽 度，并且能够有效克服码间串扰造成的影响，提高系统抗干扰能力。但是由于各 载波间统计独立，随着子载波数n 的增加，由中- t l , 极限定理可知，信号的时域波 形近似于高斯分布，因此o f d m 这种传输方式的主要缺点之一就是 p a p r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 比较高，这就要求系统中的功放高度线性 并存在很大的动态范围以避免传输信号的非线性失真和频谱扩散，增加了系统成 本和实现难度。 论文首先介绍了宽带无线接入i e e e 8 0 2 1 6 以及i e e e 8 0 2 1 6 a 协议模型，然 后介绍了o f d m 系统的基本原理及其实现，给出了o f d m 的系统组成及其系统模型， 以及o f d m 系统相应的优缺点。本文的主体部分详细说明了o f d m 系统产生高的峰 均功率比( p a p r ) 的原因，介绍了降低峰均功率比的三大类方法：信号失真技术， 重点介绍削波( c l i p p i n g ) 技术、分组编码技术( b l o c kc o d i n g ) 以及扰码技术 ( s c r a m b l i n g ) ，分析了各种方法在本系统内的可行性。接下来，作为本文所有 仿真工作的基础，简要描述了所采用的仿真工具，根据协议所搭建的仿真平台， 具体给出了所采用的信道模型以及相应的信道估计方法。然后在按照协议规定参 数设置的平台上重点进行了扰码技术中具有代表性的选择映射( s e l e c t e d m a p p i n g ，s l m ) 技术和部分传输序列( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ，p t s ) 技术 相应的仿真，并进一步在算法复杂度上对s l m 方法进行了改进。改进后的s l m 方法够改善基于i e e e 8 0 2 1 6 a 协议的o f d m 系统的误码率性能，并且比传统 的s l m 方法的复杂度运算量小得多。最后就本文所有的工作作出总结。 堕塞坚皇兰堕璺主堂笪堡塞坐! 竺兰- a b s t r a c t 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 n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g y i sa m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nw h i c hc a nd e c r e a s et h ee f f e c to ft h en o i s ea n di n t e r f e r e n c e s o fc h a n n e le f f i c i e n t l y m e a n w h i l e ，i th a sh i g h e rb a n de f f i c i e n c ya n dl e s si m p a c to fi c i ( i n t e r c h a n n e li n f e r e n c e ) ，t h e r e f o r ei m p r o v e s t h e r e s i s t i b i l i t y t oi n f e r e n c eo ft h e s y s t e m h o w e v e r , a c c o r d i n gt ot h ec e n u a ll i m i tt h e o r y , a st h en u m b e ro f c a r r i e rn i n c r e a s e s ，t h es i g n a lw i l lb eg a u s sd i s t r i b u t e db e c a u s eo f t h es t a t i s t i c a li n d e p e n d e n c e o ft h ec a r r i e r s s ot h eh i g h p ：a j p r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) i s t h em a i nd r a w b a c k o ft h eo f d m s y s t e m o f d mt r a n s m i t t e r st h e r e f o r er e q u i r el i n e a ra m p l i f i e r s w i t l l w i d ed y n a m i cr a n g e l i n e a ra m p l i f i e r sa r ee x p e n s i v ea n di n e f f i c i e n t a n ya m p l i f i e r n o n - l i n e a r i t yw i l lc a u s ei n t e r m o d u l a t i o np r o d u c t sr e s u l t i n gi nu n w a n t e do u t - o f - b a n d p o w e r a n di n c r e a s e di n t e r f e r e n c e t h i s p a p e r c o n t a i n sf i v e p a r t sm a i n l y i n t h ef i r s t p a r t ，w e i n t r o d u c et h e d e v e l o p m e n ta n df u t u r eo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n i nt h es e c o n dp a r t ，w ed e s c r i b et h e p r o t o c o lm o d e l so fi e e e8 0 2 16a n di e e e 8 0 2 16 a i nt h et l l i r dp a r t w ed e s c r i b et h e p r i n c i p l eo fo f d ms y s t e m ，a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ea sw e l ls oa st op o i n to u tt h e p r o b l e mo fh i g hp a p r i nt h ef o u r t hp a r t ，w ed e s c r i b et h ec a u s e so ft h eh i g hp a p r i n o f d m s y s t e mp a r t i c u l a r l y , i n t r o d u c et h r e ek i n d so f m e t h o do f r e d u c i n gp a p r t h o s e a r ec l i p p i n g ，b l o c kc o d i n ga n ds c r a m b l i n g m e a n w h i l e ，w ea n a l y z et h ef e a s i b i l i t yo f e a c hs c h e m e f u r t h e r m o r e ，w ed i s c u s st h es c h e m e so fs e l e c t e dm a p p i n g ( s l m ) a n d p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ( p t s ) i nd e t a i l b a s e do ns l m w ep r o p o s ean e wp a p r r e d u c t i o ns c h e m e w ea l s oi n t t o d u c et h et o o la n dt h ep l a t f o r mo fs i m u l a t i o na n dt h e m o d e lo f c h a r m e la n dt h es c h e m eo f c h a n n e le s t i m a t i o n a d a p t e d t h es i m u l a f t o nr e s u l t s h o w st h a tt h em o d i f i e ds e l e c t e dm a p p i n gw i ml o w c o m p l e x i t yc a ne n s u r et h el o w e r b e ro f t h es y s t e ma n dt h ee f f e c t i v er e d u c t i o no f t h ep a p ra sw e l l i nt h el a s t p a r t ，w e s u m m a r i z et h ew h o l ew o r ko f t h i s p a p e r 南京邮电学院学位论文独创性声明 6 2 8 3 5 3 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 含为获得南京邮电学院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：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名日期： 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线通信的发展和未来物理层技术 以移动通信为例，2 0 0 0 年5 月1 7 日，全球以移动通信为主题迎接新世纪第 一个世界电信日，意义深远而又令人激动。在过去约1 0 年的时间里，移动业务 以空前的速度奇迹般的增长了4 0 多倍。人们对这种业务的强烈需求造就了一个 占目前电话用户总数1 3 以上的新产业，并有望在新世纪中继续保持高速发展。 我国从1 9 8 7 年开始提供蜂窝移动通信业务，到1 9 9 9 年底，移动电话用户己超过 4 0 0 0 万户，从而使我国成为世界上移动通信发展最快的国家之一。 在过去底十几年里，移动通信技术获得了很大的进步。第一代移动通信系统 主要采用模拟技术，随着用户数的剧增，模拟系统逐渐暴露出许多不足之处，已 逐渐退出历史的舞台。第二代移动通信系统已相当成熟，它是在克服模拟系统不 足之处的基础上发展起来的，主要采用数字技术，其中多址方式采用时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，但它通常主要提供低速率的语音服务。随着 移动通信的发展和移动电话用户数的增长，单靠现有技术、现有系统以及现有频 段的第二代移动通信系统己不能适应移动通信的发展规模和移动电话用户增长 速度的需求。另外，仅仅通话的通信技术已不能满足人们对信息交流的需求，人 们希望能随时随地获取除语音之外的数据、视频、和图像等多媒体业务信息，这 些都要求寻求频谱利用率更高的技术，寻求通信容量更大的移动通信系统，这极 大地推动了第三代移动通信系统的研究和发展。目前第三代移动通信系统正处在 大规模商用化的前夕。技术总是走在需求的前面的，继第三代以后的下一代移动 通信系统“b e y o n d3 g ”或称为“4 g ”的技术研究和标准建议工作目前正在紧张 开展。 从移动通信系统提供的传输速率来看，第一代模拟系统提供模拟语音服务和 简单的信令；第二代移动通信系统以g s m 和n c d m a 两个系统为代表，主要 传输数字语音，当然可以同时使用多个时隙或多个码道实现相对较高速率的数据 堕室些皇堂堕里圭兰垡堡奎兰二兰i i 堡 通信。与第一、第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可 以提供移动多媒体业务，包括高速移动环境中支持速率为1 4 4 k b i t s 的业务，步 行慢速移动环境中支持速率为3 8 4 k b i f f s 的业务，室内环境支持速率达2 m b i t s 的 业务。第三代移动通信系统的设计目标是不仅能够提供比第二代移动通信系统更 大的系统容量和更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及 为用户提供包括语音、数据和多媒体业务；同时，也要考虑与已有的第二代移动 通信的良好的兼容性。通信的终极目标是实现个人通信( p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s ) ，即利用各种可能的网络技术，实现任何人( w h o e v e o 在任何时 f 司( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) 的 信息交换。第三代移动通信可以说是其初级阶段。现在人们正在研究的第四代移 动通信，它将进一步向个人通信靠近，具有更宽的频带和采用更高的射频频率， 能传输更高速率的数据和多媒体信息，满足社会经济和文化生活的需要。 关于下一代移动通信系统的研究工作已经提交给i t u r 第8 研究组和世界 无线电大会( w r c ) 。许多世界著名通信公司已经投入巨资研究下一代移动通信 系统。早在1 9 9 7 年日本n t t d o c o m o 公司已经启动第四代系统的开发研究工作， 并于2 0 0 1 年6 月1 5 日向国际电联提交了有关建议；西门予正积极与国内外颇具 实力的高校进行下一代系统的合作研究；爱立信也己宣布进行第四代手机的研 发：a t & t 公司正在研究以提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特网速率为 目的的第四代移动通信系统。 总的来说，下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求【2 ：( 1 ) 用户 速率在准静止( 低速移动和固定) 情况下达到2 0 m b i t s 以上，在高速移动情况下 达到2 m b i t s ：( 2 ) 容量要达到第三代系统的5 1 0 倍，传输质量相当于甚至优 于第三代系统；( 3 ) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；( 4 ) 具有 不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量：( 5 ) 网络每比特成本要比第三代 低。在功能方面主要有以下要求：( 1 ) 支持下一代因特网和所有的信息设备、家 用电器等：( 2 ) 实现与固定网或专用网的无缝化连接；( 3 ) 能通过中间件支持和 开通多种多样的i p 业务：( 4 ) 能提供用户定义的个性化服务；( 5 ) 按服务级别 收费。 由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中，普遍存在着符号间干扰 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 ( i s i ) 。克服符号问干扰的措施通常是采用自适应均衡器，但是，在高速数字通 信系统中，为了保证克服i s i ，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是在城市， 环境可能要求均衡器的抽头数上百个。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度， 使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题，可 采用频谱利用率高，抗多径衰落性能好的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 n m u l t i p l e x i n g ) 技术，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。近年来，由于d s p 技术 的飞速发展，o f d m 作为种可以有效对抗i s i 的高速传输技术，引起了广泛关 注，最有可能成为第四代移动通信的核心技术。 移动通信仅是无线通信的一个重要方面。由于高速多媒体业务是下一代无线 通信共同的需求，o f d m 就成了下一代无线通信通用的一种物理层技术。本论 文工作是8 6 3 课题的一部分，旨在研究宽带无线接入协议8 0 2 1 6 a 采用o f d m 技 术时峰均功率比减小的技术。 1 2 论文的主要安排 本文首先介绍了移动通信的发展和未来，以及最有希望成为第四代移动通信 核心技术的o f d m 技术。然后在第二章介绍了作为本文所有仿真基础的宽带无 线按入i e e e 8 0 2 1 6 a 协议，重点介绍了w i r e l e s s m a n - o f d m 物理层：第三章详 细介绍o f d m 技术，包括其基本原理和结构以及优缺点，引出了本文重点要解 决的o f d m 系统的高峰均功率比的问题。第四章具体介绍了三类降低峰值平均 功率比的方法：第一类是信号失真技术，包括削波和峰值加窗技术。第二类是编 码技术。第三类是通过对要传输数据的处理变换使发送端输出信号出现大的幅值 的概率降低，将具体介绍s l m ( 选择映射) 和p t s ( 部分传输序列) 技术，并 且进一步在算法复杂度上对s l m 算法进行了改进。第五章是所有计算机仿真结 果的分析和结论。首先给出了本文的仿真平台，并具体介绍了所采用的无线信道 以及相应的信道估计方法。然后进一步给出了在协议平台上进行计算机仿真得出 的曲线，包括峰均功率比的概率分布曲线以及系统误码率曲线，并在仿真结果的 基础上得出适合于本系统的有效降低峰均功率比从而降低系统误码率的方法。最 后一章对本文作了总结，并指出了相应降低o f d m 系统p a p r 方法的缺点以及 童室坚皇堂堕蟹主兰垡堡壅星二兰! i 二坠 需要进一步研究的方向。 1 3 主要工作和成果 本文主要根据i e e e 8 0 2 1 6 a 搭建了相关的协议平台，并分析了物理层o f d m 技术存在的高峰均功率比的问题。在此基础上，讨论和分析了目前三大类降低峰 均功率比的方法在本协议平台上的可行性。并进一步对比较可行的s l m 算法进 行了重点的仿真和讨论，在原有的基础上改进了s l m 算法，大大减小了系统的 复杂度。同时，基于8 0 2 1 6 a 的o f d m 系统在采用了改进的s l m 算法之后，大 大减小了非线性器件对系统性能的影响，误码率降低，系统性能得到较大改善。 4 堕室坚皇兰堕堡主兰垡堕苎 笙三童壅堂至垡壁垒兰旦型堡竺! j ! 堡 第二章宽带无线接入i e e e 8 0 2 1 6 a 协议 2 1 引言 i e e e 对8 0 2 1 6 的官方定义是“w i r e l e s s m a n ”。8 0 2 1 6 工作组成立于1 9 9 9 年， 是i e e e8 0 2l a n m a n 标准委员会的一个下属部门，其主要使命是制订标准， 推动固定宽带无线接入系统的发展与应用。8 0 2 t 6 无线服务提供了用户站与核心 网络之间的通信路径，并涉及到用户收发器站点与收发器基站之间的空中接 口。i e e e8 0 2 1 6 工作组包括三个项目组，每个项目组负责不同的方面：8 0 2 1 6 1 负责制定频率为1 0 g 6 0 g h z 的无线接口标准；8 0 2 1 6 2 负责制定宽带无线接入 系统共存方面的标准；8 0 2 1 6 3 负责制定频率范围在2 g 1 0 g h z 之间并获得频 率使用许可的无线接口标准。由第一组制定的协议i e e e 8 0 2 1 6 已经于2 0 0 2 年4 月公布，它规定了工作在1 0 6 6 g 频段的固定宽带无线接入系统( 即l m d s 系统) 的物理层和m a c 层。这个标准的颁布改变了国际上l m d s ( 本地多点分配业务) 各种商品尚无统一标准的局面。这个标准中没有使用o f d m 技术，因为工作在 这么高的频段上的系统可以获得很宽的带宽，因此在不使用o f d m 技术的情况 下就可以获得很高的速率。但工作在毫米波段的l m d s 系统也有其缺陷，就是 只能工作于视距范围，传输距离一般5 公里之内；毫米波通信质量受降雨和树叶 衰减影响较大，而且频率越高，射频元件的成本就很高，因此人们希望能在较低 频段2 一1 1 g h z 上实现高速率的宽带无线接入。作为i e e e 8 0 2 1 6 协议的补充和 完善，8 0 2 1 6 a 标准制定工作在2 1 1 g h z 频段上的宽带无线接入系统的物理层和 m a c 层，在这个协议中使用了o f d m 技术，因为o f d m 技术能在较窄的带宽 和非视距传输环境中提供较高的传输速率。 在无线城域网中，宽带无线接入系统通过核心网络，对楼群之间的用户提供 网络连接。与其他接入手段相比，i e e e s 0 2 1 6 宽带无线接入系统以最低的成本 提供真正有区别的宽带通信业务。在家庭和小企业范围内，宽带无线接入将与电 缆和d s l 网络竞争；在中等规模企业楼宇内，宽带无线接入能够支持高速率连 南京邮电学院硕士学位论文 第二章宽带无线接入i e e e 8 0 2 1 6 a 协议 接，将与光纤连接竞争。它可使数以千计的用户在无线城域网 删) 中共享数 据、话音和视频服务，而且随着信道、带宽和用户需求的增加，运营商还可使系 统扩容。在i e e e 8 0 2 1 6 标准拓扑结构中，连接到公网上的每个基站可以与数以 百计的固定用户台通信。每个用户台一般安装在楼顶，通过无线城域网m a c ， 每个基站分配上行和下行传输带宽，迅速满足用户不同优先级的带宽需求。空中 接口设计成在完全服务质量( q o s ) 的支持下，传送数据或多媒体业务。m a c 在相 融的体系结构内，支持突发频分双i ( f d d ) 和时分双i ( t d d ) 传输。它还支持实 时自适应调制和编码，这样，在每次突发传输时，链路中对每个用户台的通信都 能迅速得到优化。 i e e e 8 0 2 1 6 标准定义无线城域网单载波空中接口，即传输频率1 0 6 6 g h z 的单载波调制模式。在这些频率上，信号传输严格限制在视距范围内，但所分配 的可用频率很多，而且每2 5 m h z 信道都可重复使用，数据传输速率高达 1 2 0 m b p s 。其主要市场将包括商业、工业和居民区住宅用户。 i e e e8 0 2 1 6 标准规定的无线城域网m a c 为宽带无线接入提供了基础，但 物理层不适合较低频率的应用，分配的可用频率较窄，而且要求非视距传输。因 此，i e e e8 0 2 1 6 标准便有了修正草案i e e e8 0 2 1 6 a ，以解决较低频率的无线连 接问题。i e e e8 0 2 。1 6 a 对5 6 g h z 的特许和非特许频段的通信作了明确规定， 在特许频段内采用3 种物理层模式中的任何一种提供兼容性：单载波调制、正交 频分复用( o f d m ) 矛i 交频分多址( o f d m a ) 。在各种管理环境和部署环境确定的 情况下，经营特许租用频段业务的运营商就可以选用一种模式定制其解决方案。 至于非租用频谱采用哪一种模式尚无规范，但就i e e e8 0 2 1 6 a 标准而论，目前的 修正草案规定用o f d m 模式。 在非租用频谱通信时，无线城域网之间以及无线城域网与无线局域网等其他 通信业务之间会产生干扰。作为解决这个问题的一个办法，8 0 2 1 6 a 修正草案为 非租用频谱规定了动态频率选择，并支持有些用户台绕过基站与其他转发数据的 用户台通信的网状结构，从而扩大了蜂窝覆盖范围，直接连接基站不能连接的用 户。 i e e e 8 0 2 1 6 a 是一种固定带宽无线接入系统的空中接口标准，采用该接口标 准，2 l l g z 的无线城域网作为有线网络“最后l 公里”连接公网的替代手段能够 6 南京邮电学院硕士学位论文 第二章宽带无线接入i e e e s 0 2 1 6 a 协议 得以实现。它所支持的特许和非特许传输频率非常适合采用超视距传输的住宅用 户和小型企业用户应用。依据该标准开发的传输设备的主要用户将是互联网服务 提供商和独立经营的电话公司。 业界人士认为，i e e e8 0 2 1 6 a 标准展现了宽带无线通信的新前景，为用户应 用多媒体业务提供了一种容易安装、无须有线连接核心网络的新方法。 此外，i e e e8 0 2 1 6 a 使m a n 技术与i e e e8 0 2 1 l 无线局域网适当集成，其基 站将成为以无线方式连接互联网中热点业务的理想手段，并将在有线基础设施不 发达的地区发挥重要作用。 2 2i e e e 8 0 2 16 a 协议 2 2 1 概述 i e e e8 0 2 1 6 a 作为i e e e s 0 2 1 6 的增补协议于2 0 0 3 年4 月被正式发布，它 在i e e e8 0 2 1 6 标准的基础上扩展了2 1 1 g h z 频段的空中接口，定义了点到多 点( p i p ) 和网状( m e s h ) 拓扑结构的b w a 系统的空中接口，包括媒体接入控制 层( m a c ) 和物理层( p h y ) 。这个规范允许数据、视频和音频的接入。m a c 层支 持多种p h y 层规范，每一种都适合于特定的环境，包括指定的公众接入网和无需 授权的频段。i e e e8 0 2 1 6 a 与8 0 2 1 6 及其它b w a 系统的最大不同之处在于p h y 层采用了o f d m 技术。 由于波长较长，2 1 1 g h z 的频段提供的环境不再是视距( l o s ) 的，多径传 播成为必然。与1 0 6 6 g i t z 的环境相比，为了支持非视距( n l o s ) 环境，必须增 加p h y 层的功能，如前向功率调节及多天线等。同时也必须增加m a c 的功能，如 基于每连接的a r q ( 自动请求重传) 和对网格拓扑的支持等。图2 1 所示为8 0 2 1 6 a 的协议栈结构。 m a c 层由特定业务汇聚子层( c s ) 、i l i a c 公共部分子层( m a cc p s ) 及加密子 层( p s ) 三部分组成，其中p s 是可选的。 c s 根据上层业务的不同，又可分为a t m 汇聚层和包汇聚层。a t m 汇聚层主要 针对a t m 业务，而包汇聚层主要针对i p 服务。c s 主要负责将其业务接入点收到 南京邮电学院硕士学位论文 第二章宽带无线按入i e e e 8 0 21 6 a 协议 的业务数据单元转换和映射成m a c 层的业务数据单元，并传递到c p s 业务接入点。 这包括对业务数据单元进行分类，并将其与适当的m a c 业务流和连接标识符相关 联，还包括净荷头抑制等功能。c s 净荷的内部格式对c s 是唯一的，c p s 不需要 理解或分析来自c s 层的净荷。 厂 m a c 层 锄。，所以大大降低了 i s i ，但如果子信道符号持续时间还不满足丁 确。时，仍还存在一定的i s i ；另 外由于多普勒效应及同步误差的影响，子载波间不再保持严格的正交状态，从而 引起相邻子信道之间相互干扰( i c i ) 。因而发送前需在符号间插入保护间隔。如果 保护间隔大于最大多径扩展f m 飘，则可以有效地消除符号间干扰。 o f d m 发送接收机的原理框图如图3 1 所示，图中共有，个子载波信道， 各子载波的频率为 = f o + 导，n = 0 ，n 。一l 其中f o 为系统发送载频，在发送 数 由 蕊 据 s ( ) 并 映 kb i u s 变 射换 二 弋7 囱 x ( o ( a ) o f d m 发送机框图 图3 - l ( b ) o f d m 接收机框图 o f d m 原理图 端，发送数据经过数据映射形成速率为月的基带信号j 。这里，基带波形采用 持续时间有限的矩形波形，并且数据要成块处理。基带信号经过串，并变换成为 。个子信号，再去调制相互正交的札个子载波，最后相加形成o f d m 发送信 号，再经射频r f 调制发送出去。因此o f d m 信号复包络为： 笆 1 x ( f ) = s ( n ) e x p ( j 2 n f t )( 3 - 1 ) n = 0 在接收端，输入信号分成虬个支路，分别用各子载波相关，进行相干解调， 南京邮电学院硕士学位论文 第三章o f d m 技术简介 恢复出子信号，再经过并串变换和数据逆映射就可以恢复出数据。由于子载波 的正交性，相关和积分电路可以有效地分离各个子信道。 与一般的频分复用( f d m ) 系统相比，o f d m 的特点在于各子载波间的频 谱是混迭的。当每个子载波都采用矩形脉冲成形时，子载波的频谱是s i n e 函数， 这样就可以推导出o f d m 系统的频谱如图3 2 所示，由于选择子载波频率间隔 为厂：l ，各子信道的频谱峰值对应于所有其它子信道的频谱零点，这样在接 l ， 收端每一路子信道都能正确解调而不受其他子信道的影响。正交性从时域可以这 样解释，在一个符号持续时间内，任何两个子载波乘积的积分等于零，这样当接 收信号与第j r 个子信道的子载波相关积分后，其他子信道上的解调信号都为零， 只恢复出第，个子信道上的信号。 j 0 8 。6 0 4 & 2 a 国2- ； 一1 5- - i o一嚣o 器i o1 5 图3 - 2o f d m 信号频谱 3 2 2 用离散傅立叶变换实现o f d m 由于o f d m 系统中子载波数量庞大，在实际应用中使用那么多的振荡器和 锁相环进行调制和相干解调是不可行的，必须有o f d m 的高效实现方案。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 4 将d f t 运用到o f d m 的调制和解调中，使o f d m 得以 实用化。 1 7 南京邮电学院硕士学位论文 第三章o f d m 技术简介 把 = f o + 昙代入式( 3 1 ) ，则式( 3 1 ) 可以写为： x ( o = 勘n = 0) e x p ( 表棚2 稚叫f ) 硼 ( 3 - 2 ) = s ( n ) e x p ( 砉等n f ) 扩稚= ( f ) 。e 皿矾 ( 3 2 ) 1 1c 1 6 式中，若e j 2 以为等效复载波，则x ( t ) 为x ( ) 的等效低通复包络： 即) = ) e x 吣吾蜘 ( 3 - 3 ) x ( r ) = s ( 月) e x p ( ，熹h r ) ( 3 3 ) n 2 0o c 6 对彳( f ) 进行抽样，抽样速率为1 t b ，即= 七瓦，则有： 琊)=窆砌)exp(j等2,7-嘲0k(no-1)n=o ( 3 - 4 ) x ( ) = j ( h ) 了”七) ( 3 4 ) _ c 由式( 3 4 ) 可知，x ( k ) 恰恰是s ( 竹) 的离散傅里叶反变换( i d f t ) 。因此，o f d m 调 制一般可由i d f t 实现，而解调可由d f t 实现 2 4 。 实际上，在数据之间应该插入保护间隔，以便克服多径扩展。保护间隔通 常大于典型的信道多径扩展值( 1 0 芦) ，这样，对各数据块的处理就可以独立进行。 加上保护间隔的i f f t 输出序列可以表示蔓3 1 5 ： 研瑰k = 寿) c x 附百2 n n k ( n 。+ g - 1 ) ( 3 s ) 式中，g 是离散化的保护间隔长度，( ) 以表示j 模m 的余数。样本序列 研 经 过d a 变换器后再与载波e ，2 鳓相乘就形成了o f d m 信号。d a 变换的速率为 l 巧，巧= 瓦( 丙篝i ) ，1 瓦为未加保护间隔的抽样速率。如果使输入到o f 。m 复用器的符号速率保持为1 n 。瓦不变，增加长度为g 的保护间隔就意味着抽样 速率增加到( n c + g ) 。倍。 接收序列具有以下形式； 磷= 雠。0 k ( + g 1 ) ( 3 6 ) 式中，h m 。是第m 支路在时刻k 时的信道冲激响应。解调器根据对应关系 r k = r g + ( e 女_ g ) 。，0 k s n 。一1 ，消去保护间隔并对所得序列进行f f t 处理。解 调输出序列为： 南京邮电学院硕士学位论文 第三章o f d m 技术简介 式中： z，=董窆删蹦川)exp一_，警o 。，所以 系统在一般情况下是不会产生i s i 的。其次，每一帧o f d m 符号之间都要加 上保护间隔的，保护间隔的作用就是防止i s i ( 符号间干扰) 和i c i ( 载波间 干扰) 。为了完全消除i s l ，每一帧o f d m 符号都要加入保护时间间隔，而且 2 1 堕塞堕皇兰堕堡主堂生堡奎 苎三主型里竺茎查堡堕 保护时间间隔要大于最大可能的时延扩展。这样一帧中的多径成分就不会影 响下一帧符号。保护时间间隔可以是在这段时间什么都不传，即在保护时间 间隔里传0 。但是在这种情况下，会产生子载波间干扰( i c i ) ，这时在f f t 积分时间内，各子载波不再正交了，如图3 - 5 所示，在f f t 积分持续时间内， 子载波1 同时延后的子载波2 相乘积分后不再为0 。因此这种加保护时间间 隔的方法不是很可取。为了在加入保护时间后不引起i c i ，可以将每一o f d m 符号后一部分复制一遍作为保护时间间隔，也可以叫这部分保护时问间隔为 循环前缀。如图3 6 所示，这时在f f t 积分时间内各子载波之间的正交性仍 可以保持。实际传输中的o f d m 符号是很多子载波之和，这里将子载波单独 表示只是为了更好的分析多径对信号的影响。 子载波2 中对子载 扳1 引起儿 途 入载入八 v 保护间隔f f t 积分时间 o f d m 符号持续时间 图3 - 5 保护时间内传零时多径扩展情况，时延的子载波2 引起了对子载波i 的子载波问干扰( i c i ) 南京邮电学院硕士学位论文第三章o f d m 技术简介 ，八， 八小，八。， 、八小八八。八 、循薹墓誓保7 1 f f t 积分时间 7 。护时间 “”9 “”“ o f d m 符号持续时间 图3 - 6 具有循环延伸的o f d m 二f d m 可以抗窄带干扰。传统的单载波传输系统带宽一般较窄，如果传输频 带上出现一处衰落或干扰，如图3 - 7f f f 示 1 7 ，都会使在这段时间内传输的 符号出错。而在o f d m 系统中，如图3 - 8 所示，当频带上发生同样大小的 一处衰落或干扰，则只会使很少数的一些子信道遭到破坏，传输的符号出错， 大部分的信道将不受影响，这些子信道传错的信息通过前向纠错编码就可以 得到纠正，所以整个系统的误码率就不会受到影响。 图3 - 7 单载波窄带传输时信道受窄带干扰的影响 南京邮电学院硕士学位论文 第三章o f d m 技术简介 图3 - 8 0 f d m 系统传输时信道受窄带干扰的影响 三f d m 系统具有很高的频带利用率和很高的信遵容量。传统的并行传输系统 将整个信号的频带分成个不相重叠的频率子信道，每个子信道传输单独 的符号，实现频分复用，虽然这种做法可以避免信道间的干扰，但是它的频 带利用率很低，o f d m 系统由于各个子载波之间是正交的，所以在载波混 迭的情况下也可以实现解调。它具有很高的频带利用率。它的频带利用率高 于窄带的单载波调制方式更好于扩展频谱方式。在变化较慢的时变信道上， 可以根据子载波信道的信噪比来调整数据速率，这样做可以明显提高信道容 量并保证具有较低的误码率。 3 3 2o f d m 系统的缺陷 o f d m 系统具有以上优点，被很多人认同为是第四代移动通信的核心技术， 但是到目前为止o f d m 在无线通信中的应用是相当有限的，只用在了无线局域 网以及宽带无线接入系统中。它要完全能应用于真正的移动通信中还不成熟，因 为o f d m 系统还有不少缺陷，所以克服这些缺陷或者是尽量减小这些缺陷对系 统性能的影响就成为现在的研究热点。只有这些问题得到圆满的解决，o f d m 系 统才有望成为第四代移动通信物理层的核心技术。 2 4 南京邮电学院硕士学位论文 第三章o f d m 技术简介 一与单载波系统和传统的并行传输系统相比，o f d m 系统对频率偏移和相位 噪声更敏感。通信双方的同步对于数字通信来说是至关重要的问题，它直接 关系到双方是否能够正常通信。移动通信中收发双方可能由于本地振荡器不 稳定而发生频率偏移，或者由于多谱勒效应导致双方频率偏差。o f d m 系 统要求子载波之间正交，收发双方的频率偏差会破坏子载波之间的正交性， 它不仅降低了子载波上的信号功率，更糟糕的是会导致子载波间干扰( i c i ) 。 而对于单载波系统而言，相位噪声和频率偏移只会使信噪比有所降低，并不 会引入干扰。所以o f d m 系统对频率偏移和相位噪声更敏感。目前，人们 已经提出了很多方法去获得o f d m 系统的同步，这里所说的同步不仅包括 上面提到的精确的载波频率同步，还包括帧和时间同步。主要的方法是利用 保护间隔进行同步，或者用特殊的o f d m 训练符号进行同步。 二0 f d m 系统有相对较大的峰值平均功率比，这会影响射频放大器的功率效 率，并引入非线形失真这个问题是本文重点要研究的部分，将在第五章详细 阐述，这里先作定性的说明。在基于d f t 的o f d m 系统中，o f d m 信号由 多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制，所有调 制器的输出都自动的联合加在一起，然后，这个合并后的信号被放大。这与 原始的o f d m 系统不同，在最初的o f d m 系统中，是先对m o d e m 的输出 进行放大，再将各个放大后的信号合并在一起。由于传送的数据是一个随机 过程，o f d m 信号的幅度也是一个随机过程。根据中心极限定理，如果子 载波的数量很多，o f d m 符号则服从复高斯分布，其幅度服从瑞利分布， 这就使得基于d f t 的o f d m 系统对放大器的非线性敏感，因为合并后的信 号具有类似于高斯噪声的幅度特性，亦即很高的p a p r ( 峰值平均功率比， p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。比如由符号调制后的子载波都具有相同的相 位，那么相加后得到的o f d m 信号就具有很高的峰值平均功率。较大的峰 值平均功率会提高d a 和a d 转换器以及功率放大器的复杂度，并会引入 非线性失真。所以降低峰值平均功率是o f d m 系统中的关键技术，本文就 是针对这个问题进行深入研究的。 南京邮电学院硕士学位论文第三章o f d m 技术简介 3 。3 本章小结 本章首先从基本原理和系统实现方面全面介绍了o f d m 系统，主要包括基 本思想、用f f t 实现o f d m 以及o f d m 系统收发机的结构框图。然后在此基础 上进一步分析了o f d m 系统相应的优点和缺陷，并简要提出和分析了本文主要 要解决的o f d m 系统的高p a p r 问题，为下一步的具体分析和解决问题奠定了 的基础。 堕塞堂皇堂堕雯主堂垡丝壅 笙璺皇旦! 里坚至竺生坚望壁兰些堡堕! ! ! 堕 第四章o f d m 系统中峰均功率比压缩的研究 4 1 引言 o f d m 系统由于其高的传输速率和抗多径干扰的能力而得到了越来越广泛的 应用，但是o f d m 系统的一个突出的缺陷就是峰均功率l l ( p a p r ，p e a k t o a v e r a g e p o w e rr a t i o ) 比较高，这样就要求功放有很高的线性，否则就会引起带外频谱 扩展和带内失真，给系统带来了不良的影响。 简单来讲，在o f d m 系统中，信号由多个子载波信号组成，而这些子载波则 分别由不同的调制符号独立调制，由于传送的数据是一个随机过程，也就是说， 在各个子载波上同时传输的数据是随机的，那么如果所有的子载波都被调制在同 一个相位上的话，此时在o f d m 信号上就会出现峰值。 高的峰均功率比是我们所不希望的，较大的p a p r 会提高d a 和a d 转换器 以及功率放大器的复杂度，并且会引入非线性失真。o f d m 系统高的p a p r 是阻碍 o f d m 系统进一步广泛应用并成为第四代移动通信的物理层核心技术的瓶颈之一。 因此，本课题的研究是极具实用价值的。本章将分别介绍o f d m 系统产生高的峰 均功率比的原因，由此带来的对系统的不良影响以及目前较常用的几种降低峰均 功率比的方法，具体介绍适用于本文所应用的系统的s l m ( 选择映射) 和p t s ( 部 分传输序列) ，并且迸一步对s l m 算法进行改进，改进后的s l m 算法在采用了相 应的判决算法之后能够在保证系统性能的前提下大大减少计算量和系统复杂度。 具体应用到i e e e 8 0 2 1 6 a 协议规定的系统当中的仿真结果及结果分析将在下一 章给出。 4 2o f d m 系统中p a p r 的概率分布及降低p a p r 方法概述 在介绍