（通信与信息系统专业论文）ofdm系统均衡与同步技术的研究及其在80216e中的应用.pdf

摘要 摘要 均衡和同步技术在现代移动通信系统中发挥着重要的作用。在单载波系统中，抵抗频率选择性 衰落信道的符号间干扰均衡器得到了广泛的研究。对于o f d m 系统而言，尽管其自身的调制和解调 结构可以天然的抵抗频率选择性信道，然而随着近年来研究的深入，在频率时间双选择性衰落信道 下o f d m 系统的均衡技术研究也日益成为了o f d m 接收机研究热点之一。相对于均衡技术而言，同 步技术是数字通信中更为重要的核心技术之，同步的好坏童接决定着系统能否正常工作。本论文 重点研究了均衡和同步技术。 论文首先介绍了o f d m 系统在时变多径衰落信道下i c i 均衡技术的基础知识。主要包括利用f f t 变换快速得到频域信道矩阵的方法，i c i 功率分布的数学表达式和时变多径瑞利信道下的匹配滤波界 的推导过程，以及经典的i c i 均衡算法。 接着本文重点研究了低复杂度的i c i 均衡算法。传统均衡器的复杂度是很高的，因此次优的低复 杂度均衡器成为了人们研究的重点。本文分析了基于递推求逆的l m m s e 均衡算法和基于矩阵分解的 l m m s e 均衡算法，在此基础上得出了具有一般性的部分l m m s e 均衡算法，该算法能够实现性能和 复杂度的折衷。此外，本文还在研究基于m a p 准则的均衡算法的基础之上，提出了一种便于硬件实 现的基于s o v a 算法的i c l 均衡算法，并给出了一种低复杂度的多进制无回溯软信息输出方法。该算 法能够在快变信道中获得时间选择性分集，并因此而获得良好的性能。在该算法的基础上，文章结 合判决反馈思想，给出了d f 。s o v a 算法，进一步提高了性能。仿真表明，部分m m s e 均衡算法、s o v a 均衡以及d f s o v a 均衡在快衰落信道下的o f d m 系统中均能获得较好的性能。最后还通过仿真比较 了几种低复杂度的均衡算法在w t m a x o f d m a 平台中的性能。 最后，论文设计了一整套适用于w i m a x - o f d m a 系统的同步方案，包含了定时估计、小数倍 频偏估计、整数倍频偏估计、小区识别。 关键字：正交频分复用，载波问干扰，均衡，最小均方误差。s o v a ，i e e e 8 0 2 1 6 e ，同步 a b s t r a c t a b s t r a c t e q u a l i z a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nm o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s f o rs i n g l ec a r r i e rs y s t e m s ，t h ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ee q u a l i z a t i o nm e t h o d ，w h i c hc a nr e s i s t 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 ，h a sa t t r a c t e de x t e n s i v er e s e a r c hw o r k ，f o ro f d ms y s t e m s ，t h e m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ec a nb es u p p r e s s e db yi t si n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s r e c e n t l y ，av a r i e t yo f e q u a l i z a t i o n m e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e dt om i t i g a t ef r e q u e n c y - t i m es e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e lf o ro f d ms y s t e m s c o m p a r e dw i t l le q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s s y n c h r o n i z a t i o ni so n eo ft h em o r ei m p o r t a n tk e yt e c h n i q u e si n d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i t sp e r f o r m a n c ed e t e r m i n e sw h e t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a l lw o r ko r n o t t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ee q u a l i z a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s f i r s t l y ，w ei n t r o d u c et h eb a s i ck n o w l e d g eo fi c ie q u a l i z a t i o nf o ro f d ms y s t e m so v e rt i m e - v a r y i n g m u l t i p a t hc h a n n e l s ，i n c l u d i n gam e t h o da b o u th o wt oq u i c k l yg e tt h ef r e q u e n c yd o m a i nc h a n n e lm e t r i x u s i n gf f r r t h ed e r i v a t i o np r o c e s so fi c ip o w e rd i s t r i b u t i o na n dm a t c h e d f i l t e rb o u n d a l s ot h et r a d i t i o n a l i c ie q u a l i z a t i o na l g o r i t h m s t h i st h e s i sf o c u s e do nr e d u c e d - c o m p l e x i t ye q u a l i z e r s t h et r a d i t i o n a le q u a h z e r sh a v eap r o h i b i t i v e c o m p l e x i t y ，w h i c hl e a d sr e s e a r c h e r st op a y i n gm o r ee f f o r t st ot h es u b o p t i m u mb u tl o w - c o m p l e x i t y e q u a l i z e r i nt h i sp a p e rw es t u d ys e v e r a ll o w - c o m p l e x i t ye q u a l i z a t i o na l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gr e c u r s i v e l i n e a rm m s e e q u a l i z e ra n da n o t h e re q u a l i z e rb a s e d0 nm a t r i xd e c o m p o s i t i o n b a s e do nt h i s ，w ep r o p o s ea p a r t i a lm m s ee q u a l i z e r , w h i c hc a na c h i e v eac o m p r o m i s eo fp e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y i na d d i t i o n ， t h i st h e s i sp r o p o s e st h es o f t o u t p u tv i t e r b ie q u a l i z e rb a s e do nt h es t u d yo fm a p e q u a l i z e r f u r t h e r m o r e ，a d f s o v ai sp r o p o s e dt oa c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t ，b ys u c c e s s f u l l y t a k i n ga d v a n t a g eo f t h ed i v e r s i t yg a i nc a u s e db yt i m e s e l e c t i v ec h a n n e l s ，o o re q u a l i z e r sd e m o n s t r a t eg o o d p e r f o r m a n c ei nf a s tf a d i n ge n v i r o n m e n t s f i n a l l y ，w ec o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a le q u a l i z e r so n t h ep l a t f o r mo f w i m a x o f d m as y s t e m a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e sa ni n t e g r a ls c h e m eo f s y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nt h ew i m a x o f d m a s y s t e m ， i n c l u d i n gt i m i n ge s t i m a t i o n ，f r a c t i o n a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ，i n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n d e e l ls e a r c h ， k e y w o r d s ：o f d m ，i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，e q u a l i z a t i o n ，m m s e ，s o f t - o u t p u tv i t e r h ia l g o r i t h m ， 8 0 2 1 6 e ，s y n c h r o n i z a t i o n l i 东南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，也不包含为获得东南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。 签名：i 益刍运! 日期：趟山 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研 究生院办理。 签名：i 兹鱼芝! 导师签名：空垦堕 日期： ，2 、 第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术和社会经济的高度发展，推动人类社会由工业化社会向信息化社会的深刻转变。 通信作为人们在信息获取和交流中不可或缺的重要工具，已经在当今信息化时代扮演着越来越重要 的角色。其中，移动通信作为能够提供快速、便捷和可靠的通信方式更是倍受关注。人类“利用各 种可能的网络技术，实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( 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”的个人通信理想必将随着通信技术、特别 是移动通信技术的迅速发展而最终得以实现。 在过去的十几年里，移动通信技术获得了很大的发展，从单基站大功率系统到多基站小功率系 统，从单一覆盖模式到蜂窝和微蜂窝覆盖模式，从小区域覆盖到大区域覆盖并实现了国内甚至国际 漫游，从纯话音系统到包括低中速数据业务的综合传输系统，从模拟移动通信系统到数字移动通信 系统。这些变化使得移动通信技术在传输能力和传输质量等方面均取得了巨大的进步。 伴随着世界范围内的信息科技革命通信技术正以前所未有的速度在发展和更新特别是通技 术与计算机以及网络技术的相互融合，使得通信技术的发展日新月异，一个全新的通信世界正展现 在世人面前。 1 1 * 论文的研究背景 目前，移动通信技术正处于有史以来最快的发展时期。在短短的几十年内，移动通信已经经历 了几次更新换代，由最初的第一代( 1 g ) 模拟移动通信系统、第二代( 2 g ) 数字移动通信系统发展 到了目前正在商用化的第三代( 3 g ) 宽带数字移动通信系统。目前，未来第三代以后的( b 3 g ) 移 动通信系统的研究j 二作也已经在世界范围内展开。 1 1 1 移动通信系统的演进 第一代移动通信系统采用模拟信号传输方式，以北美的a m p s 和欧洲t a c s 为代表，所支持的业 务仅限于话音业务。它有很多不足之处，如频带利用率不高、容量有限、制式太多且互不兼容、保 密性著、不能提供自动漫游等。这也促使人们开发出第- - - 4 4 移动通信系统数字蜂窝移动通信系 统。第二代移动通信系统实现了从模拟系统到数字系统的转变，主要提供语音业务和低速数据业务。 它克服了模拟移动通信系统的一些弱点，频谱利用率、语音质量、保密性能得到很大的提高，并能 提供比第一代系统更先进的漫游服务。2 g 系统主要包括欧洲的g s m i j 美国的i s 一9 5 等。2 g 系统进一 步演进，是以g p r s 、e d g e 为代表的25 代( 25 g ) ，这些2 5 g 系统可以满足用户对数据业务的需求 东南大学硕士学位论文 提供基于电路交换或分组交换的中等速率数据业务。目前，2 g 和25 g 系统是许多国家正在投入商用 的主要移动通信系统。 第二代移动通信系统虽然比第一代移动通信系统有了很多改进，但是还存在业务单一、很难支 持高速率的业务传输、无法进行全球漫游等缺点。于是第三代移动通信应运而生，其目的是希望移 动通信系统能具有更高的频谱利用率、更好的传输质量，实现全球普及和全球无缝漫蝣，并能和固 定网一样提供将话音、图像、数据等综合在一起的交互式宽带多媒体业务，支持分组交换业务和非 对称传输模式。国际电信联盟( i t u ) 于1 9 9 6 年底确定t i m t 2 0 0 0 的基本框架这是3 g 系统标准化 的标志【1 。最终确定的3 g 标准有欧洲提出的基t g s m 的w c d m a 、北美提出的在i s 9 5 基础上进 步演进的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。3 g 目前正处在大规模商用化的前期阶段。 近年来，随着计算机网络和多媒体技术在各个领域的广泛应用，人们对高质量多媒体业务和高 速率数据业务的需求与日俱增。为了满足人们不断增长的需求以及超前理论研究的需要，未来移动 通信系统的研究已经展开。未来移动通信系统又被称为后3 g 系统( b e y o n d3 g b 3 g ) 1 1 - 3 ，它在3 g 的基础上向5 w 的目标又迈进了一步。b 3 g 系统希望建立起统一的全i p 移动通信网络，以提供不同 网络和业务的自由无缝接入，并可以支持更高传输速率的数据业务。b 3 g 系统的主要实现目标有以 下几个方面： 传输速率在固定或者低速移动的情况f 达到至少1 0 0 m b p s ，在高速移动情况下达至j j 2 0 m b p s ： 系统容量达到3 g 系统的5 1 0 倍，传输质量相与t - 或者优于3 g 系统； v ， 小区覆盖范围等于或者大于3 g 系统： 在不同的速率之间能够自动切换，以保证通信质量； y ， 网络的比特成本低于3 g 系统。 要满足这些要求，b 3 g 系统必须在概念和技术上有所创新和突破，从网络结构、空中接口、传 输体制、编码与调制以及检测与估计等各个方面重新架构系统。 首先在网络方面，b 3 g 系统将是一个基于全i p 、分布式、自绍织和多层蜂窝结构的自适应宽带 无线通信网络。它必须能够支持全i p 的高速分组数据业务，可以方便为不同用户提供不同速率、不 同服务质量要求( q o s ) 、安全可靠的综合业务。其次在传输技术方面，人们又开始关注已经沉寂 多年的o f d m 多载波系统 4 。o f d m 通过采用正交子载波并行发送数据，将宽带信号转化为窄带信 号传输，有效地克服了信道的频率选择性衰落。而循环前缀的使用，使得o f d m 系统能够有效地克 服符号问干扰( i s i ) ，提高系统的通信质量和频谱利用率。 1 1 2o f d m 技术的发展与应用 多载波技术的研究和使用可以追溯到上个世纪中期。那时，许多低速率信号，例如电报信号 第一章绪论 是使用不同的载波频率在同一个宽带信道中并行传输。在传统的多载波系统中，数据频带被划分成 多个互不交迭的子带，数据在不同的子带上并行传输，接收端利用带通滤波器实现子带信号的分离。 由于具有陡峭截止频率的带通滤波器难以实现，子带之间通常要留有一定的保护频带。子带数目越 多，保护频带占整个信号带宽的比例越大，频谱效率就越低，因而限制了传统多载波技术的发展 促使人们去寻求提高频谱利用率的高效多载波传输技术。 6 0 年代中期，r w c h a n g 提出了种可以完全消除载波问干扰( i c l ) 和符号间干扰( i s i ) 的 正交信号多载波传输方案【5 ，随后b r s a l t z b e r g 对该方案的性能进行了分析，得出“子载波之间的 l c i 是多载波系统性能下降的主要原因”的结论，并以此为依据对c h a n g 的方案予以肯定 7 。c h a n g 的方案仅为o f d m 的雏形，多载波o f d m 技术真正的普及和推广要归功于s b w c i n s t e m 等人1 9 7 1 年 发表的题为“d a t at r a n s m i s s i o nb yf 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 gu s i n gt h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ”的 文章【6 。该文章提出使用离散傅立叶变换( d f t ) 来完成多载波基带的调制和解调，这样就可以用 一个模拟前端来代替传统方法中各子载波分别需要的多个模拟前端，并且d f t 可用快速傅立叶变换 来实现，大大减小了系统实现的复杂度。伴随着超大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展，o f d m 技 术于8 0 年代初期迎来了它的第一个发展高峰。 近年来，由于o f d m 技术可以较好地解决高速无线移动通信中的多径干扰和宽带传输等问题， 其应用日益广泛。在数字广播系统中，它已经分别被欧洲的数字音频广播( d a b ) 系统和地面数字 视频t r = 播( d v b t ) 系统的标准所采纳；在有线通信系统中，它分别被应用于v h d s l 和a d s l 系统 中，并被冠名为离散多音频( d m t ) 调制；同时，i e e e 推出的融合了固定接入和移动接入的最新无 线城域网( w i r e t e s s m a n ) 标准i e e e 8 0 2 ，1 6 e 8 ，9 中，也将o f d m 作为最主要的物理层调制技术，而 符台i e e e 8 0 2 1 6 标准的系统也被称为w i m a x 系统。概括起来说，o f d m 技术之所以得到人们的广泛 关注，其原因在于有以下几个主要优点： 有效地减少由于无线信道的时问弥散带来的符号间干扰( i s l ) ，减小了接收机内均衡的复杂 度，而通过加入长于信道多径时延的循环前缀( c p ) 可以消除i s i 的不利影响。 由于o f d m 系统各个子载波之间保持正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规f d m a 系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 可以采用快速傅里叶反变换( i f f t ) 和傅里叶变换( f f t ) 来实现，这在d s p 中是非常方便的。 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输 量，o f d m 系统支持非对称高速速率数据传输，可以通过使用不同的数据子信道来实现上行和下行 链路中不同的传输速率。 o f d m 系统把实际信道划分成若干个子信道，能够根据各个了信道的实际传输情况灵活的分 配信息比特，充分利用信噪比较高的子信道，对抗信道的深衰落。 东南大学硕士学位论文 o f d m 系统可以和其它多种接入方式相结合，构成o f d m a 系统，其中包括多载波码分多址 m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等，使得多用户可以同时利用o f d m 技术进行信息传 输。 但是由于o f d m 系统采用多个正交子载波传输，而且其输出信号是多个信道信号的叠加，因此 与单载波系统相比，o f d m 系统也存在如下几个主要缺陷： 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们的正交性提出了严格的要求。 由于无线信道的时变性，在传输中出现的无线信号频谱偏移和发射机与接收机本地振荡器之间存在 的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子载波间干扰( i c i ) ，这种对 频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比( p a p r ) 。多载波输出是多个子信道的叠加因此如果多个信号 的相位一致时所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰均比。 这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号的畸变使信号的频谱发生 变化，从而导致各个子载波间的正交性遭到破坏，产生干扰使性能恶化。 因此，o f d m 技术在无线通信系统中的实现还面临着许多实际的技术问题。未来移动通信系统 要求终端在高速移动环境下仍然能够实现高质量、高速率的通信。这时o f d m 信号经历的是时间频 率双选择性衰落。o f d m 系统具有天然的抗频率选择性衰落的能力，但时间选择性衰落会带来严重 的载波间干扰( i c i ) ，会恶化o f d m 系统性能。因此，研究o f d m 系统在快变衰落信道下如何消 除1 c i 的影响显得特别重要。同时o f d m 系统对同步误差特别敏感，同步性能的好坏直接影响着系 统能否正常工作。 1 2 论文的研究内容 本论文的研究工作以o f d m 技术为中心，主要研究了o f d m 系统在快变衰落信道f 1 c i 均衡技术 并应用到晟新的无线城域网i e e e8 0 2 1 6 e 系统中。另外还研究了i e e e8 0 21 6 e 下行链路同步算法。 本论文的主要研究1 作概括如下： 1 论文的第二章主要介绍了o f d m 系统i c i 均衡基础知识。首先介绍了o f d m 频域系统模型， 并给出了一种利用两次f f t 变换快速得到频域信道的方法，还导出了i c i 功率分布的数学表 达式。其次，介绍了常见的i c i 均衡方法，并给出了一种接近匹配滤波界的i c i 均衡算法。最 后还给出了时变多径瑞利信道下的匹配滤波界。 2 论文的第三章主要讨论了低复杂度的l m m s e 均衡算法。首先介绍具有o ( n 2 ) 复杂度的基于 递推求逆的l m m s e n l m m s ed f e 算法，并在此基础上结合p i c 给出了一种改进算法。其次 介绍了一种具有线性复杂度的基于矩阵分解的l m m s e 均衡算法。最后得出了一种更其一般 d 第一章绪论 性的部分l m m s e 均衡器，并给出了一种较好的兼顾性能与复杂度的折衷方案。 3 论文的第四章主要讨论了非线性均衡算法。本章主要给出了基于m a p 准m u t a i l b i t i n g b c j r 的 均衡算法及结合判决反馈的t a i l b i t i n gd f - b c 瓜算法，然后提出了一种便于硬件实现的基于 s o v a 算法的i c i 均衡算法及其结合判决反馈的d f s o v a 均衡算法。最后给出了仿真结果并 比较分析了算法的性能。 4 论文的第五章主要讨论了j a c o b i 迭代、部分l m m s e 和d f s o v a 均衡算法在i e e e8 0 2 1 6 e 中 的应用。首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 物理层协议，接着给出了i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 下行链路仿真平台。最后通过仿真给出了这几种低复杂度的均衡算法的性能比较。 5 论文的第六章给出了一整套适用i e e e8 0 2 1 6 e 下行链路同步算法，主要包括帧检测，小数倍 频偏估计，联合整数倍频偏估计和小区识别。频偏跟踪、精定时估计。 6 论文第七章是论文的总结和结论，并对进一步工作提供了建议。 参考文献 【1 】ky u n g s o o ，j j b y u n ga n dc ，j a e h a k ，“b e y o n d3 g ：v i s i o n ，r e q u i r e m e n t s ，a n de n a b l i n g t e c h n o l o g i e s ，”i e e ec o m m u n m a g ，v 0 1 4 1 ，n o 3 ，m a r 2 0 0 3 ，即，1 2 0 - 1 2 4 【2 】2 s a m iu s k e l aa n dn o k i a ，“k e yc o n c e p bf o re v o l u t i o nt o w a r db e y o n d3 gn e t w o r k s ，”i e e ew i r e l e s s c o m m u n ，v 0 1 1 0 ，n o 1 。f e b 2 0 0 3 ，l a p 4 3 - 4 8 【3 】“an e wm o d e lf o rs e r v i c ea n da p p l i c a t i o nc o n v e r g e n c ei nb 3 g 4 gn e t w o r k s 。”i e e ew i r e l e s s c o m m u n ，v o l ，11 ，n o 5 ，o c t 2 0 0 4 ，p p ，6 - 1 2 【4 】4 j a c b i n g h a m , “m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nf o rd a t at r a n s m i s s i o n ：a ni d e aw h o s et i m eh a sc o m e ，” i e e ec o m m u n m a g ，v 0 1 2 8 ，n o 5 ，m a y1 9 9 0 ，p p 5 - 1 4 5 】5r w c h a n g ，“s y n t h e s i so f b a n d - l i m i t e do r t h o g o n a ls i g n a l sf o rm u l t i c h a n n e ld a t at r a n s m i s s i o n ，”b e l l s y s t t e c h j ，p p ：1 7 7 5 1 7 9 6 ，d e c 1 9 6 6 【6 s b w e i n s t e i na n dpm e b e r t ，“d a mt r a n s m i s s i o nb yf 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 gu s i n gt h e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，”i e e et r a n s c o m m ，v 0 1 c o m 一19 ，p p ：6 2 8 6 3 4 ，o c t 1 9 7 1 【7 】7 b i ls a l t z b e r g ，“p e r f o r m a n c eo fa ne f f i c i e n tp a r a l l e ld a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，”i e e et r a m c o m m ，v 0 1 c o m - 1 5 ( 6 ) ，p p ：8 0 5 - 8 1 1 ，d e c 1 9 6 7 8 】i e e es t d8 0 2 1 6 2 0 0 4 ( r e v i s i o no fi e e es t d8 0 2 1 6 2 0 0 1 ) “i e e e s t a n d a r df o rl o c a la n d m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k sp a r t1 6 ：a i ri n t e r f a c ef o rf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s ，”2 0 0 4 ， p a g e ( s ) ：1 - 8 5 7 【9 】i e e e8 0 2 1 6 e ：a i ri n t e r f a c ef o rf i x e d a n dm o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s ，i e e e ，2 0 0 5 5 第二章o f d m 系统1 c i 均衡基础知识 2 1 引言 第二章o f d m 系统i c i 均衡基础知识 由于具有频谱利用率高、实现容易( 可采用快速傅立叶变换) 和接收机结构简单( 频域单抽头 均衡) 等优点，正交频分复用( o f d m ) 技术在很多领域得到了广泛应用，包括：非对称双绞线高 速接入( a d s l ) 、数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、无线局域网技术标准i e e e 8 0 2 ，1 l a 和宽带无线接入技术标准8 0 2 1 6 等，并被纳入第四代移动通信参考标准。当o f d m 系统载波频率 不是很高，且终端的移动速度不是很快时，通常可认为信道特性在一个o f d m 符号周期内不变化或 变化很小( 缓变) ，采用足够长的循环前缀( c p ) ( 大于倍道的记忆长度) 可使o f d m 符号问干 扰0 s i ) 为零、载波间干扰( i c i ) 为零或很小，接收机可采用频域单抽头均衡来补偿信道失真。 由于o f d m 信号频谱重叠，因此对定时和频率偏差较敏感。未来无线o f d m 通信系统的载波 频率更高，载波数量更大，用户移动速度更快，导致信道的时变特性更加明显。此时，信道在一个 o f d m 符号周期内不变化或变化很小( 缓变) 的假设不再成立。信道的快速变化导致o f d m 系统 载波问的正交特性遭到破坏，出现载波闻干扰( i c i ) ，系统性能明显降低。为了解决这个问题，通常 需对接收信号进行i c i 均衡，以恢复载波问的正交性。 本章主要介绍了i c i 均衡的基础知识。首先给出了基于o f d m 系统模型通过利用两次f f t 变换 可以快速得到频域信道矩阵的方法【1 。然后由系统模型导出了i c i 功率分布数学表达式，得出了符 号能量主要集中在它本身及其周围几个子载波的结论。 常见的i c i 均衡算法主要包括线性和非线性两大类，其中线性算法主要有最小平方( l s ) 、最小 均方误差( m m s e ) 。非线性算法主要包括判决反馈( d f e ) 、并行干扰抵消( p i c ) 和串行干扰抵 消( s i c ) 等算法。这里还给出了o f d m 系统中最优i c i 均衡器，它相当于信息比特先验概率相等条 件下的最大似然序列检测，但其复杂度极高。如何降低均衡算法的复杂度，得到次最优的i c l 均衡算 法是本文的重点研究内容之一。后面还给出了种m m s e 结合串行干扰抵消的均衡方案。 最后还对在时变多径瑞利衰落信道下的接收机b e r 性能作一理论分析。给出了i s i i c i 己经被完 全对消即理想时频均衡情况下的性能下界，匹配滤波界( m f b ：m a t c h e df i l t e rb o u n d ) 。 2 2o f d m 系统模型 o f d m 系统的设计是针对单纯的频率选择性衰落信道的，在该信道下当循环前缀妖度大于多径 7 东南大学硕士学位论文 亭 5 荟吃 + k ( 2 1 ) 其中，h m ，为n 时刻的第，径的信道响应，x ( 一)v ( n ) 各自是发射时域信号和加性高斯白噪声 工为信道冲击响应的长度。写成矩阵的形式可表示为， r = 【t o , ，r i r = h x + v o 0 * l ，k k “k 2 而v 0 椎 _ i jl 一l 如果多径数目是非常小的。那么信道矩阵h 将出现许多的零。在接收端，时域接受序列r 经 过f f r r 变换后，频域接收序列y 可表示为， y = 肝瓦( r ) = w r = w ( n x ) + w v = w h w “s + w v = c s d - w ， ( 2 3 ) 一i1 n-11-l- 其中，巴一2 丙怠智h p 。2 ”e 1 2 “”，。专k = 0 t = 0 吨e 。2 “ ( 2 4 ) = o ，：0 y 这里，w 是归化的离散傅立叶变换矩阵( d f t ) ，( - ) ”表示复数共扼转置。 如果采用式2 4 计算频域信道矩阵c ，其复杂度是惊人的。下面我们给出一种利用两次f f t 变换 快速得到矩阵c 的方法。 这里我们假设在一个o f d m 符号内信道是线性变化的，文献【i 也已经证明这个假设是合理的。 事实上，在很多仿真中，为了加速信道的生成，往往通过线性差值来生成完整的信道，也从另外一 、i上 鼬n ； 第二章o f d m 系统i c i 均衡基础知识 个侧面肯定了这个假设。对于实际系统来讲，多普勒频率还不能完全表示信道变化对系统影响的大 小，当采样速率较快时，系统往往可以忍受更快的信道变化，所以在图2 2 中引入了归一化多普勒频 率l t 来描述，这里的正是最大多普勒频率，t 是一个o f d m 符号时延。从图2 2 中可以看出，从时 域来看，随着信道变化的加快，线性变化的斜率在增加，不过总的来讲，信道还是呈线性变化的 图2 2 时变信道时域特性 基于信道在时域上的线性变化特性t 所以在一个o f d m 符号内的能够被线性估计出来，即， h t , ”t 亭砘“矗，g 固 ( o s ，l - 1 ，t n l ，畸= k 一。j 一，) 其中，和h 。各自是o f d m 符号开始和结束时刻第，径的信道响应- 根据( 2 5 ) 式，h 可 表示为， 9 东南大学硕士学位论文 h = k 。+ o 击 玩，+ 1 。玉 ” 一j 一( - 1 ) 矗 d _毛，一， o o ， o 。 d z 岛m lk - 2 鬼0 h o , , v _ l + o x 岳1 ”。矗l m 矗”，x 击j + ( - 1 ) x 鲁”( 州) 嘉l l 一1 = h o + 而1 d f a g ( o ，1 ，2 ，一1 ) o 毛 1 矗 l ( n i ) “一，( n 1 ) “一： 氏 j 一， ： _ i l ：氏t ：一， j 一： ： i j 。 o x _ i l ：1 1 t i( 2 6 ) ； ( 一1 ) 毛j = h o + 志d 氓， 很明显，h o 和h d f 是t o e p l i t z 矩阵( 也即，每行的元素相同但是循环右移) ，d 是对角矩阵。 根据( 2 6 ) 式，频域信道矩阵c 可表达为， c = 一“= w ( h 。+ 击。 w ” = w h 。w ”+ 击( w o w ”) ( w h w ”) c 2 , 7 ) = h ：+ 击h o 这里，h ：和h 0 是一个对角矩阵其对角元素各自是h 。和h 。的第一列向量的快速傅立叶变 换( f f t ) 的输出，同时d 是一个t o e p l i t z 矩阵，它的第一行元素是d 的对角元素的f f t 输出。在 实现中，d 可以预先计算出来并存储在r o m 中。根据文献i l 】，为了得到频域信道矩阵c ，我们首 先利用信道估计和插值计算出和鼻，然后通过( 2 刀式结合快速傅立叶变换能够很容易得到频域信 道矩阵c 。 当h ，为零矩阵时，也即，信道在一个o f d m 符号内不发生变化。此时信道矩阵c 就是对角阵 h ：，在这种条件下，传统的单抽头频域均衡能够完全补偿信道失真。然而如果h ，不为零矩阵，此 时信道矩阵c 中的d 1 h 0 就是i c l 干扰项。由于d 的行元素等于d 的i f f l 输出的循环右移，它的 大部分能量集中在对角线元素上，也就是说d 是一个对角元素占优的t o e p l i t z 矩阵。图2 , 3 显示了 当n = 1 0 2 4 时，d ( n 一1 ) 的第1 1 行元素的幅度分布，其中0 处表示第n 个载波的能量，其它的表 示当前中心载波泄漏到其它子载波的能量。 由( 5 ) 式可知，c 也是一个主对角占优的矩阵，如果我们忽略远离对角的元素，仅仅考虑相邻子 载波造成的i c i ，那么信道矩阵c 变成了稀疏的主对角占优的矩阵。例如，考虑每行仅有三个元素 1 0 、。上 第二章o f d m 系统i c i 均衡基础知识 ( p = 3 ) ，c 可写为， c = o o oo c 2 ，0 i c - 2 _ 2 0 g m c o 。 0 ； q 一 q 一 图2 3d ( n 一1 ) 的第n 行元素的幅度分布 综上所述c 的两次f f r 变换快速实现过程可总结如下， c = h ：+ 击旷h h ：= d i a g ( f f t ( h 。) ) ，h 。= h o f o p ，l - 0 ，o r h = d i a g ( f f t ( h ) ) h = 【( k1 0 一。) ，( h i e 一岛，) ，( “。一p ) ，0 ，0 1 r d = 【d ：，d ：，d j 。r ，d ：= s h i f i ( f f t ( v ) ) ，v = 【o ，1 ，n 一1 r ( 2 8 ) ( 2 9 ) 上式中d i a g ( x ) 表示以向量x 的元素为对角线组成的方阵，s 妒( x ) 。表示对向量x 循环移动i 位。这里 h ：和h 0 均为对角矩阵，d 。是一个t o e p l i t z 矩阵，它的第i 行元素是向量v 的f f t 输出循环移动i 位。 在实现中，d 可以预先计算出来并存储在r o m 中。图2 4 给出i c i 均衡模块的实现框图。 文献【1 3 中还给出了利用频域均匀插入的导频估计出频域信道矩阵c 的过程。其基本思想和上 述过程基本一致。首先利用导频估计出信道各径的平均冲击响应，并把作为信道时不变的部分，相 当于上面的h 。接着论文还给出通过求解方程得到各径斜率的方法，其斜率相当于上面的h 。然后 o；oo ；o m 白。；m 东南大学硕士学位论文 讲过两次f f t 变换得到频域信道矩阵c