（通信与信息系统专业论文）分布式mimoofdm的功率分配与自适应调制技术.pdf

中文摘要 中文摘要 下一代移动通信要求大容量和高质量的数据传输，因此多输入多输出系统中 的正交频分复用技术受到学术界及产业界的关注。现有的集中式m i m o o f d m 系 统的多根收、发天线均分别集中于一处，而分布式m i m o o f d m 系统的多根收、 发天线均分别分布于不同的地理位置。与集中式m i m o o f d m 相比，分布式 m i m o o f d m 系统的各对收发天线间链路更加独立，具有大容量、低功耗、更好 的覆盖、对人体的低电磁损害等优势，被认为是未来无线通信系统中的重要技术。 分布式m i m o o f d m 系统比集中式m i m o o f d m 系统具有更大的优势，同 时也具有其自身的特点。因此需要研究分布式m i m o o f d m 系统适用的自适应技 术，以合理分配系统的开销，同时还要改善或者保证系统性能。 考虑到分布式m i m o o f d m 系统的上述问题，目前在分布式m i m o o f d m 系统的自适应功率分配、自适应调制以及和自适应技术密切相关的信噪比估计技 术方面的研究还比较少。本文拟在上述三个方面做一些工作： 本文针对在总的发射功率恒定的情况下，如何对子载波的功率进行分配以提 高分布式m i m o o f d m 系统性能的问题，在多径衰落信道下，研究了一种对子载 波进行功率分配的算法及其优化算法。仿真结果表明，在考虑大尺度衰落的 c o s t 2 0 7t u 信道下，在误码率为1 0 。3 和b p s k 调制时，具有功率分配的分布式 m i m o o f d m 系统与无功率分配的s t b c 分布式m i m o o f d m 系统相比，能够获 得4d b 左右的性能增益。该算法在分布式m i m o o f d m 系统的性能要好于其在 集中式m i m o o f d m 系统中的性能。同时，将两个子载波分为一组的优化自适应 功率分配算法性能比未进行子载波分组前的性能有o 4d b 的损失。 本文针对如何减小分布式m i m o o f d m 系统发射功率的问题，根据注水原理 和贪婪算法，在多径衰落信道下，研究了一种对系统子载波进行比特和功率分配 的自适应调制算法及其优化算法，使得在满足所要求的系统性能的同时，系统的 发射功率最小。仿真结果表明，在考虑大尺度衰落的c o s t 2 0 7t u 信道下，采用 m q a m 调制方式，在误码率为1 0 - 3 时，与最大似然检测的s t b c 分布式 m i m o - o f d m 系统相比，自适应调制的分布式m i m o o f d m 系统能够获得约2 3 d b 的性能增益；和最大似然检测的v b l a s t 分布式m i m o o f d m 系统相比，获 中文摘要 得的性能增益更明显。仿真结果还表明，该算法在分布式m i m o o f d m 系统中的 性能要好于其在集中式m i m o o f d m 系统中的性能。同时，将两个子载波分为一 组的优化自适应调制性能与未进行子载波分组前的性能近似。 在本文研究的分布式m i m o o f d m 系统自适应功率分配和自适应调制算法 中，考虑到自适应技术对信号功率的影响，现有的a w g n 信道中的信噪比估计算 法无法直接使用，因此需要根据两种不同自适应技术的特点重新设计，相应提出 了基于均方误差的两种自适应技术的噪声功率估计方法。仿真结果表明，这种噪 声功率估计方法在两种自适应技术下都有较好的估计性能。自适应功率分配的分 布式m i m 0 o f d m 系统估计精度要稍好于自适应调制的分布式m i m 0 o f d m 系 统的估计精度。并且在不同信噪比下其性能也比较稳定，而白适应调制的分布式 m i m o o f d m 系统在中低信噪比时存在较大的估计误差。 本文在分布式m i m o o f d m 系统自适应技术和信噪比估计技术方面的研究成 果，可应用于下一代基于分布式m i m o o f d m 思想的分布式蜂窝移动通信网、分 布式无线局域网、分布式数字无线电视广播等无线通信系统的信号处理技术中， 具有重要的理论及经济价值。 关键词：集中式多输入多输出，分布式多输入多输出，正交频分复用，功率分配， 自适应调制 a b s t r a e t a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e q u i r e m e n t so fl a r g e c a p a c i t ya n d l l i g l l q u a l i t yd a t at r a n s m i s s i o n ，s om u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u to 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 x i n gf m i m o o f d m ls y s t e mi sd r a w i n gi n t e n s i v ea t t e n t i o nb o t hf r o m a c a d e m i ca n di n d u s t r y i nd i s t r i b u t e dm i m o o f d ms y s t e m s t h ea n t e n n a sa tt h es i d eo f b a s es t a t i o na r en o tc o l o c a t e di nt h eb a s es t a t i o n b u td i s t r i b u t e di nd i 虢r e ml o c a t i o n s d i s t r i b u t e dm i m oi sp r o m i s e da sak e yt e c h n o l o g yi nf u t u r ew 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 sd u et oi t su n i q u em e r i t ss u c ha sl a r g es y s t e mc a p a c i t y , l o wt r a n s m i tp o w e r , u n i f o r i l la n de n h a n c e dc o v e r a g ea n dl o wr a d i a t i o no nt h eh u m a nb o d y c o m p a r e dw i t h c e n t r a l i z e dm i m o o f d ms y s t e m d i s t r i b u t e dm i m 0 o f d m s y s t e mh a sm o r ea d v a n t a g e s ，a n da l s oh a si t so w nc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r ew en e e dt o s t u d yt h ea d a p t i v et e c h n o l o g yo fd i s t r i b u t e dm 1 m 0 o f d ms y s t e mt oa l l o c a t et h e s y s t e mc o s tw h i l ei m p r o v i n go rg u a r a n t e e i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e t ot h ea b o v ep r o b l e m so fd i s t r i b u t e dm i m 0 o f d ms y s t e m t h er e s e a r c h e so n d i s t r i b u t e dm i m 0 o f d ma d a p t i v ep o w e rd i s t r i b u t i o n , a d a p t i v em o d u l a t i o na n d s i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r ) e s t i m a t i o nw h i c hc l o s e l y r e l a t e dt ot h e a d a p t i v e t e c h n o l o g i e si ss t i l ll i m i t e d h e n c e i nt h i sp a p e r , w ep r e s e n ts o m er e s e a r c hw o r ki nt h e t h r e et o p i c sm e n t i o n e da b o v e ： h o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd i s t r i b u t e dm i m 0 0 f d ms y s t e mb yp o w e r a l l o c a t i o no fi t ss u b c a r r i e r su n d e rt h ec o n s t a n tt r a n s m i s s i o np o w e ri ss t u d i e di nt h i s p a d e lw jp r o p o s eap o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mt o t h es u b c a r r i e r so fd i s t r i b u t e d m i m o o f d ms y s t e ma n di 括i m p r o v e da l g o r i t h mo v e rm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to v e rl a r g es c a l ef a d i n ga n dc o s t 2 0 7t uc h a n n e l t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a no b t a i na b o u t4d bp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tc o m p a r e dw i t ht h e d i s t r i b u t e dm i m o - o f d ms p a c e t i m eb l o c kc o d e ( s t b c ) s y r s t e mw i t h o u tp o w e r a l l o c a t i o ni nc a s e so fb p s km o d u l a t i o n w h e nt h eb e ri s1 0 一1 1 l ep e r f o r m a n c eo f p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi nd i s t r i b u t e dm i m o o f d ms y s t e mi sb e t t e rt h a nt h a to f c e n t r a l i z e dm i m o o f d ms y s t e m m e a n w h i l e t h eo r i g i r da l g o r i t h mo u t p e r f o r m st h e a l g o r i t h mb a s e do ns u b c a r r i e rg r o u p i n gt h a tm a k e st w os u b e a r r i e r si no n eg r o u pa b o u t 0 4 d b w ea l s of o c u so nr e d u c i n gt h et r a n s m i s s i o np o w e ro fd i s t r i b u t e dm i m 0 0 f d m s y s t e m b a s e do nt h ew a t e r - f i l l i n gp r i n c i p l ea n dt h eg r e e d ya l g o r i t h m ，w es t u d ya n a d a p t i v e b i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m t ot h e s u b c a r r i e r so fd i s t r i b u t e d m i m o o f d ms y s t e ma n di t si m p r o v e da l g o r i t h mo v e rm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l t h e a l g o r i t h mc a nm i n i m i z et h et r a n s m i s s i o np o w e ra n dm e e tt h er e q u i r e dp e r f o r m a n c ea t t h es a m et i m e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to v e rl a r g es c a l ef a d i n ga n dc o s t 2 0 7t u c h a n n e l ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a na c h i e v ea b o u t2 3d bp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti n t h ec a s eo fm q a mm o d u l a t i o nw h e nt h eb e ri s l 0 一c o m p a r e dw i t ht h ed i s t r i b u t e d m i m 0 一o f d ms t b cs y s t e mw i t h o u ta d a p t i v em o d u l a t i o n a n dt h ep e r f o r m a n c eg a i ni s e v e nm o r ee v i d e n tc o m p a r e dw i t hd i s t r i b u t e dm i m o o f d mv b l a s ts 3 ，s t e mw i t h i i i a b s t r a c t m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n n l ep e r f o r m a n c eo fa d a p t i v em o d u l a t i o ni nd i s t r i b u t e d m i m o 0 f d ms y s t e mi sb e r e rt h a nt h a to fc e n t r a l i z e dm i m o 0 f d ms y s t e m m e a n w h i l e ，t h ea l g o r i t h mb a s e do ns u b c a r r i e rg r o u p i n gt h a tm a k e st w os u b c a r r i e r si n o n eg r o u ph a st h es i m i l a rp e r f o r m a n c ew i t ht h eo r i g i n a la l g o r i t h m t ot h et w oa d a p t i v es y s t e m si n t h i sp a p e r w et a k ei n t oa c c o u n tt h ei m p a c to f a d a p t i v et e c h n o l o g yt os i g n a lp o w e r t h ea d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ( a w g n ) c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mc a nn o tb eu s e dd i r e c t l yi nm ea d a p t i v es y s t e m s s ot h e s n re s t i m a t i o ns h o u l db er e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft w od i f i e r e n t a d a p t i v et e c h n o l o g i e s w jg i v et h ec o r r e s p o n d i n gn o i s ep o w e re s t i m a t i o nm e t h o d so f t w oa d a p t i v et e c h n o l o g i e sb a s e do nt h em e a ns q u a r ee r r o r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t b o t ht h et w oa d a p t i v et e c h n o l o g i e sh a v eg o o de s t i m a t i o np e r f o r m a n c e t h ee s t i m a t i o n a l g o r i t h mi na d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o nd i s t r i b u t e dm i m o o f d ms y s t e mp r e s e n t sb e t t e r s l i g h t l yt h a nt h a ti na d a p t i v em o d u l a t i o nd i s t r i b u t e dm i m o 一0 f d ms y s t e m a n di t s p e r f o r m a n c ei sr e l a t i v e l ys t a b l e t h ee s t i m a t i o na l g o r i t h mi na d a p t i v em o d u l a t i o n d i s t r i b u t e dm i m o 一0 f d ms y s t e mh a sg r e a t e re s t i m a t i o ne r r o ri nl o wa n dm e d i u ms n r t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ed i s t r i b u t e dm i m 0 0 f d ma d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o n d i 【s t r i b u t e dm i m 0 o f d ma d a p t i v em o d u l a t i o na n dd i s t r i b u t e dm i m o o f d ms n r e s t i m a t i o ni nt h i sp a p e rc a r lb ea p p l i e di nt h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e so ft h en e x t g e n e r a t i o nd i s t r i b u t e dm i m o o f d mb a s e dd i s t r i b u t e dc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s d i s t r i b u t e dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s d i s t r i b u t e dd i g i t a lt v r a d i ow i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，w h i c ha r eo f 盯e a tt h e o r e t i c a li m p o r t a n c ea n de c o n o m i c v a l u e k e y w o r d s ：c o l o c a t e dm i m o ，d i s t r i b u t e dm i m o ，o f d m ，p o w e ra l l o c a t i o n ，a d a p t i v e m o d u l a t i o n i v - 图目录 图目录 图1 1m i m o o f d m 系统模型2 图l _ 2o f d m 系统框图4 图1 3o f d m 添加循环前缀示意图5 图1 - 4 集中式m i m o - o f d m 系统第，根接收天线信号示意图。2 2 图1 5 分布式m i m o o f d m 系统第，根接收天线信号示意图。2 2 图2 1 分布式m i m o o f d m 信道模型。3 0 图3 1 自适应功率分配的分布式m i m o o f d m 系统模型3 3 图3 2 分布式m i m o o f d m 系统c p 长度不够时第，根接收天线信号示意图3 4 图3 3 分布式m i m o o f d m 系统c p 长度足够时第，根接收天线信号示意图3 4 图3 - 4 第i 根发射天线的功率分配和接收端第k 个接收信号的合并示意图3 5 图3 5 集中式与分布式m i m o o f d m 系统b p s k 功率分配性能。4 0 图3 - 6 集中式与分布式m i m o o f d m 系统q p s k 功率分配性能4 0 图3 7 集中式与分布式m i m o o f d m 系统子载波分组b p s k 功率分配性能4 1 图3 。8 集中式与分布式m i m o o f d m 系统子载波分组q p s k 功率分配性能4 2 图4 1 自适应调制的分布式m i m o o f d m 系统模型4 5 图4 2 注水原理功率分配示意图4 6 图4 3s v d 预编码的基本框图4 8 图4 4 比特和功率分配算法流程图5 1 图4 5 分布式m i m o o f d m 系统自适应调制性能5 3 图4 。6 集中式与分布式m i m o o f d m 系统自适应调制性能5 4 图4 7 集中式与分布式m i m o o f d m 系统子载波分组的自适应调制性能5 5 图5 1 自适应功率分配的分布式m i m o o f d m 系统m s e 信噪比估计性能6 4 图5 2 自适应调制的分布式m i m o o f d m 系统m s e 信噪比估计性能6 5 i 表目录 表目录 表3 - 1c o s t 2 0 7t u 信道参数3 9 表4 - 1 自适应调制的集中式与分布式m i m o o f d m 系统发射功率( 比例) 5 3 表5 1 自适应功率分配的分布式m i m o o f d m 系统m s e 信噪比估计结果6 3 表5 - 2 自适应调制的分布式m i m o o f d m 系统m s e 信噪比估计结果6 3 缩略词表 英文缩写英文全称 缩略词表 a m a d a p t i v em o d u l a t i o n a m c a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b e rb i te r r o rr a t e b p s k b i n a r yp h a s es 1 l i rk e y i n g c a sc e n t r a l i z e da n t e r m as y s t e m s c p c y c l i cp r e f i x c s i c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d a sd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m d f td i s e r e t ef o u r i e rt r a n s f o l i t i i d - b l a s t d i a g o n a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i rf i n i t ei m p u l s er e s p o n s e h - b l a s th o r i z o n t a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e i c ii n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e ) f t i n v e r s ed i s e r e t ef o u r i e rt r a n s f 0 1 t 1 1 i f f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f 0 1 t n i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l s t c l a y e r e ds p a c e1 ec o d e s m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m i s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m lm a x i m u ml i k e l i h o o d m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m q a m m u l t i p l eq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n m s em e a ns q u a r ee r r o r o s i co r d e r e ds u e c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 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 nm u l t i p l e x i n g p d f p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n 中文释义 自适应调制 自适应调制编码 加性白高斯噪声 误比特率 二进制相移键控 集中天线系统 循环前缀 信道状态信息 分布天线系统 离散傅立叶变换 对角分层空时码 快速傅立叶变换 有限冲激响应 水平分层空时码 载波问干扰 离散傅里叶逆变换 快速傅立叶逆变换 符号间干扰 分层空时码 多输入多输出 多输入单输出 最大似然 最小均方误差 多进制正交幅度调制 均方误差 排序干扰对消 正交频分复用 概率密度函数 缩略词表 q a m q o s q p s k s i m o s i n r s i s 0 s n r s t b c s t t c s v d v 二b l a s t z f q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t y - o f - s e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t s i g n a l t o - - i n t e r f e r e n c e - - n o i s er a t i o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a l t o - n o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d e s s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e z e r of o r c i n g x 正交幅度调制 服务质量 正交相移键控 单输入多输出 信干噪比 单输入单输出 信噪比 空时分组码 空时格码 奇异值分解 垂直分层空时码 迫零 主要数学符号表 主要数学符号表 符号类别示例字体、说明或用法 变量 矢量 矩阵 矢量、矩阵转置 矢量、矩阵转置共轭 单位矩阵 数学期望 q 函数 口 a a a 7 、a 7 a ”、a ” i 。 e a ) q ( 口) x i 小写斜体 小写粗体 粗体 ( ) r ( ) 日 r a m 阶单位阵 e ) q ( ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：拯煎 日期：y 舞月，五日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，n 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守 签名：遄导师 日期 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 近2 0 年来，移动通信在全球范围内以惊人的速度迅猛发展。7 0 年代，美国贝 尔实验室率先提出蜂窝的概念，解决了频率复用问题。8 0 年代，大规模集成电路 技术及计算机技术的发展突飞猛进，长期难以解决的移动通信终端小型化的问题 得到了初步解决，这给移动通信的发展打下了基础。 第一代蜂窝移动通信系统就出现于8 0 年代早期，采用频分多址( f d m a ) 和模 拟技术，包括模拟蜂窝和无线电话系统，典型的系统有美国的a m p s 和英国的 t a c s 。由于模拟技术十分成熟，因而在发展初期得到了广泛的应用。但是模拟系 统具有频谱利用低、抗干扰能力差、系统保密性差等缺点，因此在竞争激烈的市 场中很快被性能更优的第二代移动通信所代替。 第二代移动通信系统是目前广泛使用的数字移动通信系统g s m 及窄带 c d m a ，数字信号处理技术是其最基本的技术特征，提供了更高的频谱效率，更 先进的漫游。它对移动通信发展的重大贡献是使用s i m 卡，轻小手机和大量用户 的网络支撑能力。使用s i m 卡作为移动通信用户个人身份和通信记录的载体，为 移动通信管理、运营和服务带来极大便利。， 第三代移动通信系统是正在全力投入开发的系统，其最基本的特征应当是智 能信号处理技术，实现基于话音业务为主的多媒体数据通信，更高的频谱效率、 更高的服务质量及低成本。实现全球无线覆盖，真正实现“任何人，在任何地点、 任何时间与任何人”都能便利地通信。 为了支持更高的数据传输速率和更高的移动速度，在新一代的蜂窝移动通信 系统中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术以满足高速 率、大容量的业务需求，同时还要尽可能的降低噪声，达到改善系统性能的目的。 目前，中国是世界第一大移动通信市场，每年的移动终端直接市场已超过1 0 0 0 亿元人民币，因此，移动通信在国民经济中占有重要的地位。随着第三代移动通 信系统技术与设备的成熟【l 】，新一代移动通信系统第四代移动通信系统( 4 t h g e n e r a t i o n , 4 g ) 的研究正越来越多的受到学术界及产业界的关注。 电子科技大学硕士学位论文 1 2论文背景 在过去的二十多年里，无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用。近年 来，随着移动通信的飞速发展，出现了很多新的移动通信技术，由于无线频谱资 源的短缺，其中以能提高频谱效率的技术最受人关注，如多载波的正交频分复用 ( o m l o g o n a lf r e x t 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、自适应调制编码 ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g , h m c ) 技术和多入多, q 4 , ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术等。 m i m o 技术利用多根天线实现多发多收，能够成倍地提高通信系统的容量； 而o f d m 技术通过把具有频率选择性的宽带信道划分为着干个平坦的窄带子信 道，以此有效地对抗由于多径传播所造成的符号间干扰( 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 ) ，因此m i m o 和o f d m 相结合的技术必将成为新一代蜂窝移动通信系统中 的核心技术。 现有集中式m i m o o f d m 的系统模型如图1 1 所示，下面将分别对o f d m 和 m i m o 技术进行概述。 栅 空 叫亟卜怔丑1 囚 时 匝卜匝帽 编 码 1 亟卜匝捆 图1 - 1 m i m o - o f d m 系统模型 x l x ， x u , 1 2 2o f d m 技术概述 正交频分复用技术的应用已有近4 0 年的历史，最初主要用于军用的无线高频 通信系统。但是，当时o f d m 系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。 。2 第一章绪论 直到上世纪7 0 年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系 统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化。进入9 0 年代以来，o f d m 技术的研究 深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前o f d m 技术已经被广泛应用于广播 式的音频、视频领域和民用通信系统。 对于单载波系统，当数据传输的速率较高时，时延扩展造成符号之间的相互 交叠，引起了符号间干扰，这就对均衡提出了很高的要求。而多载波通信通过把 系统频带划分为若干相互分离的子信道( 载波) ，同时把数据流通过串并转换分解为 若干个子数据流，这样每个子数据流将具有较低的比特速率，用这样的低比特率 形成的低速率多状态符号去调制到相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行 发送的通信系统。 o f d m 技术是一种多载波调制技术，其主要思想是 2 1 ：将原始信道划分为等间 隔的多个正交子信道，每个子信道使用不同的载波进行调制，在每个子信道上进 行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。 o f d m 每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的 不同选择不同的调制方式，以频谱利用率和误码率( b i t - e r r o r r a t e ，b e r ) 之间的最佳 平衡为原则。 1 2 2 1o f d m 系统的主要特点 近年来，o f d m 技术已经越来越受到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系 统存在如下的主要优点【2 】： ( 1 ) 把高速数据流通过串并转换，使得各子载波上的数据符号持续长度相对增 加，从而可有效地减小由于多径时延扩展引起的i s i ，这样就有效地减小 了接收机均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡，仅通过采用插入循环 前缀( c y d i cp r e f i x ，c p ) 的方法消除i s i 的影响； ( 2 ) 在o f d m 系统中，由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相 互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利 用频谱资源； ( 3 ) 各个子信道中的正交调制和解调可以采用离散傅立叶逆变换( i n v e r s e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 和离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d f t ) 来实现，而在上述变换点数较多时，i d f t 和d f t 相应的 一3 电子科技大学硕士学位论文 快速算法快速傅立叶逆变换( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，i f f t ) 和快速傅 立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 也易于实现； ( 4 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量远远大于 上行链路中的数据传输量，而o f d m 系统可以很容易的通过使用不同数 量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率； ( 5 ) 针对无线信道存在的频率选择性，o f d m 技术可以采用动态比特分配和动 态子信道分配方法来提高系统性能； ( 6 ) o f d m 可以容易的与其它多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统。 但是o f d m 系统内由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道 信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： ( 1 ) o f d m 系统易受频率偏差的影响，使得子载波之间的正交性遭到破坏，从 而导致子信道之间的信号相互干扰； ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比，使得它对放大器的线性要求很高。 1 2 2 2o f d m 系统概述 o f d m 系统框图如图1 2 所示，信息比特b 经过串并变换和映射之后成为频域 数据d i ，再经i f f t 完成o f d m 调制。 富 v7 世厂 并 s n 引 加 碰 6 ( 一z )并 网4 。 吲 墨 寓 转 、= ，7 i 塾广_ 叫转c p 换换 u a - 酯s n l 。n 眦、 并、￥刨i ： 自 s ( n r ，)审 a 毗 吲 ，并 r ( n t ：)去 小 转 1 、= ，幽 写 转 c p 换换 同。： 复采样间距 图1 - 2 o f d m 系统框图 i f f t 后得到的时域数据为【2 1 口1 4 第一章绪论 = 臃吐唧( ，警 m t ， 在o f d m 调制完成后，为了消除频率选择性信道带来的符号间干扰h 【5 1 ，可 以采用添加循环前缀的方式，将o f d m 符号末尾的个时域数据组成循环前缀， 添加到o f d m 符号的前部，其示意图如图1 - 3 所示。添加循环前缀后，信号功率 减小为原来的( + 上p ) 嘲。 图1 - 3o f d m 添加循环前缀示意图 在理想同步的情况下，当循环前缀的长度不小于收发天线间信道的最大时延 时，就不会产生符号间干扰。数据插入保护时隙后，经过速率为1 z 的数模转换和 射频调制之后成为模拟信掣3 1 ，再由天线发射出去。 模拟信号通过信道后，在接收端经过模数转换形成数字时域信号，然后通过 去循环前缀和f f t 进行o f d m 解调。时