（通信与信息系统专业论文）准正交时分复用技术研究.pdf

摘要摘要宽带无线通信是一种将信息化社会推向高级发展阶段的重要技术，因而在电子信息领域中颇受关注。它有多方面的先进技术作为支撑，因此其发展前景必然很好。正交频分复用技术( 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 ) 被认为是下一代宽带无线移动通信中不可或缺的技术，它确实有可能得到十分广泛应用，但不见得是一个到处都可以使用的万能工具，因为它也存在一些突出的缺点，例如：o f d m 信号的峰值平均功率比太高，因而要求系统的线性动态范围很大，这就使得射频功率放大器的功率效率降低，设备的体积和成本提高。此外它对于载波的频偏和相位抖动以及多普勒效应很敏感，使其传输性能受到某些条件的制约。中国发明专利( p c t c n 2 0 0 5 1 8 4 5 4 8 7 ) 提出了一种准正交时分复用( q o t d m ，q u a s i o r t h o g o n a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 传输技术，在原理上它是一种与o f d m 相对偶的技术，是根据傅里叶变换的时频对偶性原理提出的。它是一种样点交织时分复用传输方法，不仅能圆满地解决多个频带有限的连续信号在一条连续信道中高效传输( 即连续波时分复用传输) 的难题，而且也可以像o f d m 一样，能够构成一种在信道存在严重失真的条件下进行高速数据通信的方法。q o t d m 不存在峰值平均功率比太高和对载波频偏敏感的缺点，并且便于通过信道估计与均衡，克服包括多径衰落在内的信道失真的影响，达到良好的性能，具有很好的发展前景。本文针对准正交时分复用技术的理论及其若干关键问题，以及它与多输入多输出技术相结合的情况等进行了较深入的研究和分析，取得的研究成果主要有：1 研究了q o t d m 技术的基本理论，并针对q o t d m 系统要求接收端采样点位置精度比较高的问题，根据准正交时分复用系统中样点与噪声统计独立的特点，利用独立随机变量概率密度函数的可分离特性，推导出q o t d m 接收机采样位置偏差而引起的样点差错概率公式，并利用改进的c h e m o f f 边界得到了样点差错概率的上界，为评估q o t d m 系统的样点差错性能提供了一个有效的方法。2 研究了准正交时分复用系统的信道均衡问题，通过建立步长因子与误差信号之间的非线性函数关系，提出了一种适应于q o t d m 系统的自适应变步长信道均衡算法，该算法具有初始阶段和时变阶段步长自适应增大和稳态阶段步长很小的特点，消除了不相关噪声的影响。3 在推导出q o t d m 信号的时域和频域表达式，分析其频谱特性的基础上，分析了q o t d m 系统的抗多径衰落性能，并在同等条件下仿真比较了q o t d m 与准正交时分复用技术研究o f d m 的抗多径衰落性能，结果表明，它在某些情况下优于o f d m ，而在另一些条件下略劣于o f d m 。4 在分析q o t d m 和空时编码技术特点的基础上，提出了一种q o t d m 与空时分组编码( s t b c ，s p a c et i m eb l o c kc o d i n g ) 相结合的通信系统方案，即q o t d m - s t b c 系统方案。该系统的发送端在进行q o t d m 复接后，对复接信号样点序列进行s t b c 编码，接收端在完成s t b c 译码后，进行q o t d m 分接。本文还分别推导出该系统在空间不相关和相关瑞利衰落信道下由样点值误差导致的符号错误概率的闭式解。理论分析和仿真结果表明，所提出的系统在瑞利衰落信道下的传输性能明显优于a l a m o u t i ( s t b c q p s k ) 方案的性能。关键词：正交频分复用，正交时分复用，多径衰落，差错概率，空时编码，多输入多输出a b s t r a c ta b s t r a c tb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rd r i v i n gt h ei n f o r m a t i o n i z a t i o ns o c i e t yt o w a r dah i g hl e v e ld e v e l o p i n gs t a g e ，s ot h a ti ta r r e s t sp e o p l e sg r e a ta t t e n t i o ni nt h ea r e ao fe l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o n i th a ss e v e r a la d v a n c e dt e c h n i q u e sf o rs u p p o r t i n ga n dm u s tb ep r o m i s i n g 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 ) i ss u p p o s e dt ob ea nu n r e p l a c e a b l et e c h n i q u ei nt h en e x tg e n e r a t i o nb r o a d b a n dm o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i ti si n d e e dp o s s i b l et h a to f d mf i n dv e r yw i d ea p p l i c a t i o n s ，b u ti tw i l ln o tb ea nu n i v e r s a lt o o lt ob ea p p l i c a b l ef o re v e r yw h e r e ，s i n c ei th a ss o m er e m a r k a b l ed i s a d v a n t a g e s ，e g ，t h ep a p r ( p e a k - t o a v e r a g e p o w e r - r a t i o ) o ft h eo f d ms i g n a li sq u i t eh i g h ，a n di tm e a n st h a tt h es y s t e mm u s th a v ev e r yg r e a tl i n e a rd y n a m i cr a n g e ，w h i c hf o r c e st h ep o w e re f f i c i e n c yo ft h er a d i op o w e ra m p l i f i e rd e c r e a s i n ga n di t ss i z ea n dc o s ti n c r e a s i n g b e s i d e s ，i ti sq u i t es e n s i t i v et ot h ef r e q u e n c yo f f s e ta n dp h a s ew o b b l eo ft h ec a r r i e r ,w h i c hw i l la f f e c ti t st r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ei ns o m es i t u a t i o n t h ec h i n ai n v e n t i o no fn o 18 4 5 4 8 7p r o p o s e daq u a s i o r t h o g o u a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( q o t d m ) t e c h n i q u e ，w h i c hi sa na l l e l o m o r p ho fo f d mi np r i n c i p l e ，i e ，i ti sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fa l l e l o m o r p hb e t w e e nf r e q u e n c ya n dt i m ei nf o u r i e rt r a n s f o r m q o t d mi sat i m e d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n gm e t h o db a s e do ns a m p l e i n t e r l e a v i n g i tc a nn o to n l ys a t i s f a c t o r i l ys o l v et h ec h a l l e n g i n gp r o b l e mo fh o wt oe f f e c t i v e l yt r a n s m i tm u l t i p l ec o n t i n u o u ss i g n a l sv i aac o n t i n u o u sc h a n n e lw i t l lat i m e d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n gm o d e ，b u ta l s oc o n s t i t u t eab r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ec a s eo fc h a n n e lw i t hs e r i o u sd i s t o r t i o n q o t d mh a sn od i s a d v a n t a g e so fl l i g hp a p ra n ds e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e tl i k eo f d m i tc a nc o n v e n i e n t l yo v e r c o m ec h a n n e ld i s t o r t i o ni n c l u d i n gm u l t i p a t h - f a d i n gt oa c h i e v ev e r yg o o dp e r f o r m a n c eb yc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n t h e r e f o r e i tw o u l dh a v eg o o dp r o s p e c t t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e si nd e p t ho nq o t d mt e c h n i q u e ，i n c l u d i n gi t sp r i n c i p l ea n ds o m er e l a ：t e c lk e yi s s u e s a sw e l la sh o wt oc o m b i n ei t 、 i 吐lm u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ( m i m o ) ，e t e t h ea u t h o r sm a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ：1 ) t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l eo fq o t d m ，a i m i n ga tt h ed e f i c i e n c i e so fs e n s i t i v i t yt os a m p l i n gt i m eo f f s e ti nq o t d ms y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o nd e d u c e saf o r m u l af o rt h es a m p l ee r r o rp r o b a b i l i t yb a s e do nt h es e p a r a b l ef e a t u r e so f t h ej o i n tp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no fi n d e p e n d e u tv a r i a b l e s ，d u et ot h es t a t i s t i c a li n d e p e n d e n c eo fs a m p l e sa n dn o i s ei nt h eq o t d ms y s t e m s i n c et h em o d i f i e dc h e m o f fb o u n di ss i g n i f i c a n t l yt i g h t e rt h a nt h ec h e m o f fb o u n d , t h eu p p e rb o u n do fs a m p l ee r r o rp r o b a b i l i t yi sa l s oo b t a i n e d , w h i c hc a l lp r o v i d ea ne f f i c i e n tm e t h o dt oe v a l u a t et h es a m p l ee r r o rp e r f o r m a n c eo fq o t d ms y s t e m s 2 ) i nt h er e s e a r c ho fc h a n n e le q u a l i z a t i o no fq o t d m ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sav a r i a b l es t e p s i z ea d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h en o n l i n e a rf u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t e p s i z ea n dt h ee r r o rs i g n a l 1 1 1 es t e p s i z eo f t h ea l g o r i t h mi n c r e a s e sa d a p t i v e l ya tt h eb e g i n n i n go f t h ea l g o r i t h mo rw h e nt h ec h a n n e li sv a r y i n gw i t ht i m e w h i l ei ti sv e r ys m a l ld u r i n gt h es t e a d ys t a t e t h ea l g o r i t h mc a na v o i dt h ee f f e c t so f t h ei r r e l e v a n tn o i s e 3 、b a s i n go nd e d u c i n gt h ee x p r e s s i o n so ft h eq o t d ms i g n a li nb o t ht i m ea n df r e q u e n c yd o m a i na n da n a l y z i n gi t sf r e q u e n c ys p e c t r u m ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo f t h eq o t d ms y s t e mi nf a d i n gc h a n n e l s ，m o r e o v e r ,c o m p a r e si t sp e r f o r m a n c e 、耐n 1t h a to f o f d mi nt h es a m ec h a n n e lc o n d i t i o nb ys i m u l a t i o n 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n t i m u l t i p a t h - f a d i n ga b i l i t yo fq o t d ms y s t e mi sb e t t e rt h a nt h a to fo f d mi ns o m ec o n d i t i o n s ，b u tp o o r e ri no t h e rc o n d i t i o n s 4 ) b a s e do nt h es t u d yo fq o t d ma n ds p a c et i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) ，as c h e m eo fq o t d m s t b cc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d a ts e n d e ro ft h es y s t e m ，a f t e rq o t d mi sf i n i s h e d ，t h eq o t d ms a m p l es e q u e n c e sw e r ee n c o d e dw i t hs p a c et i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) m e t h o db e f o r et r a n s m i s s i o n ；a tt h er e c e i v e r , a f t e rt h er e c e i v e ds i g n a li sd e c o d e dw i t hs t b cd e c o d e r ,q o t d md e m u l t i p l e x i n gi sp e r f o r m e d 1 1 1 ed i s s e r t a t i o nd e d u c e sad o s e df o r ms o l u t i o nf o rs y m b o le r r o rp r o b a b i l i t y ( s e p ) o f t h eq o t d m s t b cs y s t e md u et ot h es a m p l ee r r o r so v e rs p a t i a l l yu n c o r r e l a t e df a d i n gc h a n n e l so ro v e rs p a t i a l l yc o r r e l a t e df a d i n gc h a n n e l s t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt h er e s u l t so fm o n t ec a r l os i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dq o t d m - s t b cs y s t e mh a sp e r f o r m a n c er e m a r k a b l yb e t t e rt h a nt h a to ft h ea l a m o u t i ( s t b c q p s k )s c h e m e k e y w o r d s ：o f d m ，o t d m ，m u l t i - p a t h - f a d i n g , s p a c et m a ec o d i n g ，e r r o rp r o b a b i l i t y ，m i m o创新性( 或创新性) 声明本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：豳! 霆! 曼日期：2 鲤鱼墨! 坚导师签名：日期：警塑金! 主：丝_第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景无线通信是利用电磁波在空间传递信息的通信方式。1 8 3 1 年，英国物理学家法拉第( f a r a d a y ) 发现电磁感应定律。1 8 6 5 年，英国物理学家麦克斯韦( m a x w e l l ) 从理论上预言了电磁波的存在。1 8 8 7 年，德国物理学家赫兹( h e r t z ) 利用静电火花放电实验，证明了电磁波的存在。自1 8 9 7 年古列尔默吗可尼( m a r c o n i ) 横跨布里斯托尔( b r i s t 0 1 ) 海峡进行无线电通信取得成功以来【l 】，人们对无线通信的研究就一直倾注着极大的热情。2 0 世纪二十年代，出现了美国警察使用的车载无线电系统，2 0 世纪四十年代起，开始了公用移动通信系统阶段，随后出现了蜂窝移动通信的概念。第一代蜂窝移动通信的标志性技术是频分多址( f d m a ) 和模拟调制。成功商业运行的系统主要有美国的先进移动电话系统( a m p s ) 、英国的全址通信系统( t a c s ) 、北欧的移动电话系统( n m t s ) 以及日本的汽车电话系统( n a m t s ) 。这些系统局限于语音业务，频谱效率低、通信容量小、设备复杂、成本高等。为了克服这些缺点，出现了采用数字信号处理技术的第二代蜂窝移动通信( 2 g ) ，代表性的有g s m 、i s 5 4 和i s 9 5 1 2 j 。并出现了变速率语音编码、信道编码、自适应均衡、r a k e接收、软切换、宏分集以及动态功率控制等技术。第二代移动通信不仅提供语音业务而且提供低速率数据业务，在段时间内满足了人们的需求，得到了广泛普及和应用。随着移动通信业务的迅猛发展，用户数量的急剧增长以及多媒体业务的不断涌现，第三代移动通信系统应时而生。第三代移动通信系统标准主要包括欧洲的w c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a 等1 3 j 。尽管3 g 已经逐渐商用化，例如北美的s p r i n g p c s 、日本的k d d i 和韩国的k t 进行的c d m a 2 0 0 0 商用，日本的d o c o m o 和欧洲实现w c d m a 的商用，但3 g 系统现在却处于两难境地：其一，比2 g 系统有更多的先进技术；其二，它所提供的通信能力还不能满足人们日益增长的需求。于是出现了3 g 技术的长期演进( l t e ) 、以及b 3 g 4 g 等。总之，无线通信为人类社会带来了深刻的影响，而且这种影响仍在继续和加深。在信息化的今天，人们追求任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何方式( 语音、数据、图像等) 信息交换的个人通信【4 】【5 】目标。为了实现该目标，人们面临无线资源尤其是频谱资源越来越紧张的问题。如何更高效地利用有限的资源来提供高速、可靠的宽带数据业务成为无线通信新技术发展的焦点所在。同时，与有线通信不同的是，无线通信中的信号要通过自由空间传输，无线信道的多径衰落效应和时变效应决定了无线通信技术的特殊性和复杂性。为了解决无线通信2准正交时分复用技术研究的可靠性和有效性，各种理论和技术不断涌现，例如正交频分复用( 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 ) 1 6 】、单载波频域均衡以及多输入多输, q 4 , ( 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 ) 1 1 2 - 1 5 】等。1 2 多路复用传输技术多址接入技术和多路复用技术是将多用户通信推向实际应用的关键技术，前者主要通过同一传输媒介在多个信源和多个信宿之间建立信息发送、接收的对应关系，后者主要解决多路信号如何共享一条信道进行传输的问题。多址和复用方式都有多种方式，其中最基本的四种形式是频分、时分、码分和空分，即f d f a f d m 、t d m a t d m 、c d m a c d m 和s d m a s d m 。在模拟通信时代，多路复用传输的主要形式是频分复用，因为多个频带有限的连续信号共享一条信道进行传输，最方便的办法是采用多个不同频带的滤波器进行合并或分离。但是在数字通信时代，多路时分复用成为主流，这是因为多路数字信息的时分复接分接的实现显得更加简单方便，而且时分复接信号的发送是单载波调制，不像多载波调和j ( m c m ，m u l t ic a r r i e rm o d u l a t i o n ) 】那样存在多载波互调干扰、峰值平均功率比( p a p r , p e a k - t o a v e r a g ep o w e r r a t i o ) 太高等问题。值得注意的是，多个连续信号的时分复用传输，直到发明专利 1 6 提出一种连续波时分复用之前都一直没有找到有效的方法。多个带限连续信号共享一条信道进行传输，在某些特殊应用中是有重要意义的。例如：卫星通信等。发明专利 1 6 】提出的连续波时分复用传输方法，可以在总频带基本不增加的条件下将多个连续波信号时分复接为一个信号在一条连续信道中进行传输，可以在上述应用中得到实际应用。但是该方法还存在不足之处，这就是它的帧长比较长，需要缓存较多数据，如果在星上要对许多路信号进行交换和复接，其存储需求还是比较大的。发明专利【1 7 提出了一种基于样点交织的连续波时分复用方法，可以大幅度降低其存储需求。每路只需存储一两个样点的数据，与前述方法每路存储一个子帧的数据相比，存储要求可以减小几十倍。发明专利 1 7 】提出的样点交织时分复用方法，本质上是一种正交时分复用方法，它正好是与o f d m 相对偶的一种传输方法，它利用频域升余弦滤波器的单位冲激响应具有近似平移正交的特点进行样点交织时分复接传输，它也可以在不增加总频带宽度的条件下实现多个带限连续信号的时分复用传输。与s i n c 函数具有严格的平移正交相比，频域升余弦滤波器的单位冲激响应只能算是准正交的，因为不能证明一个这样的单位冲激响应与它平移一个( 或多个) 过零点间隔所形成的复本的内积等于零，但不难仿真验证，此内积的值非常小，几乎等于零。因此第一章绪论3我们称它为准正交时分复用传输方法( q o t d m ，q u a s i - o r t h o g o n a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。多路复用传输方法有时不是真正用来进行多路信号的共享信道传输，而是利用它的传输特性构成一种抗信道失真的传输技术，例如o f d m 技术大多数场合都是作为传输单个高速数据比特流的传输方式应用，看作是一种多载波调制方法。q o t d m 也可以作为一种抗信道失真的传输方法，因为它的频谱结构很独特，很适合于进行信道估计和均衡。下节讨论失真信道条件下的高速数据传输问题，重点讨论o f d m 和q o t d m 技术。1 3 失真信道条件下的高速数据传输技术当信道存在严重失真时，数字调制信号传输到接收端进行检测时就会出现码间干扰( i s i ，i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。信道失真的原因有多种情况，例如存在多径传播、散射弥散现象，信道本身的频率响应很不平坦等。如何消除信道失真的影响，提高数据传输的速率和可靠性，最近几十年来一直是数字通信领域中最重要的研究课题。已经研究出了多种有效的技术，例如o f d m 技术、多种自适应信道均衡技术、r a k e 接收机技术、多天线技术等。本文研究q o t d m 技术，就是在这方面进行的一种新的探索。o f d m 技术o f d m 概念的提出已有4 0 多年的历史【6 1 ，当时主要应用于军事高频通信系统中，例如k i n e p l e x 、a n d e f t 及k n t h r y n 等。直到2 0 世纪8 0 年代，由于数字信号处理技术的迅猛发展，o f d m 作为有效抗符号间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。第一个采纳o f d m 的标准是1 9 9 5 年欧洲电信标准化协会( e t s i ，e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t e ) 制定的数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 1 8 】，随后的陆地数字视频广播( d v b t ，t e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 【1 9 】、无线局域网i e e e8 0 2 1 l a t 2 0 1 标准组、无线城域网i e e e8 0 2 1 6 t 2 1 1 2 2 1 、e t s i i 拘h i p e r l a n 2 t 2 3 】和日本的m m a c 等也纷纷采用o f d m 作为其物理层的标准调制技术。这主要归功于o f d m 具有的如下许多优点：1 ) 抗符号间干扰的能力强：高速数据流通过串并转换，使得每个子载波的数据符号持续时长增加，从而有效地减少了由于无线信道的时间弥散所带来的i s i ，降低了接收机内均衡器的复杂度；2 ) 频带效率高：传统的多载波频分复用( f d m ) 传输方法中，各个子信道之间需要预留足够的保护频带，而o f d m 采用各个子载波之间的正交性，允许4准正交时分复用技术研究子信道的频谱相互重叠，因此，o f d m 比f d m 的频谱利用率高；3 ) 实现复杂度低：各个子载波的正交调制和解调过程，可以通过基于矩形窗的离散傅里叶反变换( i d f t ) 和离散傅里叶变换( d f t ) 直接实现，并且便于采用快速傅里叶变换( f f t ) 技术高效地实现。硬件复杂度较低，容易达到很高的速率。4 ) 应用灵活性强：便于与空时编码、分集、干扰抑制以及智能天线、各种多址方式等技术相结合，实现各种不同程度地提高物理层信息传输的可靠性；如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波、比特分配等技术，其性能可以进一步提高。但是，o f d m 也存在几个显著的弱点限制了其优势的进一步发挥，主要表现在：1 ) 峰值平均功率比较高：在o f d m 通信系统中，所有子信道调制器的输出叠加在一起，由于各载波的包络值统计独立，随着载波数目的增加，合并后的信号具有类似于高斯噪声的幅度特性，叠加后信号的峰值功率与平均功率的比值比较高。因此，调制信号的动态范围相当大，这就要求系统中的功放具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后继的d a 转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了系统成本和实现复杂度；2 ) 对系统中的非线性非常敏感：由于o f d m 系统在信道中传输的是一种多载波信号，当信道中任意处对信号的放大存在非线性时，都会产生严重的多载波互调干扰，特别是发射功放的非线性是很难避免的；3 ) 对频率偏差十分敏感：在o f d m 系统中，由于发送和接收振荡器之间存在不匹配性，或在无线信道中存在多普勒频移，使得发送端和接收端存在载波频率偏移。载波频率偏移引入子载波间干扰( i c i ，i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，降低了子信道之间的正交性，从而降低了整个系统的性能。对由大量子信道组成的o f d m 系统来说，子信道带宽相对整个信道带宽来说小得多，因此稍有一点频率偏移都可能导致信噪比的实质性降低。为了克服0 f d m 技术存在较高的p a p r 和对定时和频率偏移敏感的问题，许多研究者对此进行了大量地研究和分析。目前，降低p ：a j p r 的方法主要有：预畸变技术，即在信号经过放大之前，首先对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅、峰值加窗或峰值消除等操作。该类技术的好处在于直观、简单，但信号畸变对系统性能造成的损害( 带内失真、带外噪声) 是不可避免的；编码方法，该法的思想是通过选择合适的码字并引入冗余，从而避免使用那些会生成较高峰值功率信号的编码图样，如采用线性分组码1 2 4 、循环编码方法等，编码类方法的缺陷在于，可使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量较多时，编码效率会非常低；压扩削波法【2 5 1 ，通过非均匀量化降低信号p a p r 方法，即在发射端对第一章绪论5信号进行非均匀量化压缩，将幅值较大的信号进行压缩，而将幅值较小的信号进行扩大，以降低队p r ，并且保持传输信号的平均功率不变；以及选择性映射( s e l e c t i v em a p p i n g ) 2 6 1 1 2 7 1 、部分传输序y o ( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ) t 2 7 1 2 8 1 、升余弦脉冲峰值抵消方法、预测削波、加性纠错函数( a d d i t i v ec o r r e c t i n gf u n c t i o n ) 法等。用于定时和频率偏移估计的方法主要有：基于时域重复信息进行频偏估计的最大似然( m l ，m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 7 亨 法 2 9 训1 、非线性最小二乘( n l s ，n o n l i n e a rl e a s ts q u a r e ) j y 法t 3 2 】、最佳线性无偏估计( b l u e ，b e s tl i n e a ru n b i a s e de s t i i n a t i o n ) 方法p 3 ；基于循环前缀的方法3 4 。6 】；基于虚载波的方法【3 7 】1 3 8 1 等。值得说明的是，文献 3 9 ，4 0 】提出了多符号封装( m s e ，m u l t i s y m b o le n c a p s u l a t e d ) 的o f d m ( m s e o f d m ) 传输方式。m s e o f d m 可以提高静态( 或慢变) 信道的频带利用率或者提高移动信道对同步偏差的顽健性，降低峰值平均功率比。有两种方法实现m s e o f d m ：一种是减少循环前缀( c y c l i cp r e f i xr e d u c e d ) 的方法，该方法中每个o f d m 符号的长度与传统的o f d m 符号相同，由多个o f d m 符号组合成一个m s e o f d m 符号( 封装的o f d m 个数由具体情况如信道特性等确定) ，并在m s e o f d m 符号内添加循环前缀。由于减少了循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的开销，从而提高了频带利用率，但仍存在p a p r 较高的问题，对该方法的改进见文献 4 1 1 ，该方法在获得减少c p 方式的m s e o f d m 优点的同时，降低了系统的峰值平均功率比；另一种是降l k 毛f f t 点数( f f ts i z er e d u c e d ) 的方法，该方法中m s e o f d m 符号的周期长度与传统o f d m 符号的周期相同，从而使得m s e o f d m 符号内部的每个o f d m 符号的持续时间减小，这等效于降低了o f d m 系统中子载波的数目、f f t 运算的点数( 因为子载波间隔为o f d m 符号周期的倒数，而总带宽保持不变) 。这样在一定程度上峰值平均功率比和对频率偏差的顽健性等性能都得到了改善，但频带效率保持不变，而且由于子载波数目减少，必然增加了对各个子信道的频率特性平坦的要求。尽管o f d m 有诸多优点，但其对频偏和定时敏感，高峰值平均功率比等缺陷迄今还没有同时得到解决的算法。单载波频域均衡( s o f d e ，s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c yd o m a me q u a l i z a t i o n ) 技术单载波频域均衡技术1 4 2 删借鉴了o f d m 技术中基于循环前缀的f f t 方法的有效手段，但在发送端不进行多载波调制，而在接收端采用f f t 方法将信号变换到频域进行均衡后，再反变换回来进行解调译码。它能避免p a p r 太高的问题，而与o f d m 有相似的传输效率和实现复杂性。它与o f d m - - 样采用分块传输，并且采用循环前缀方式，把信号与信道脉冲响应的线性卷积转化为循环卷积，通过频域均衡消除多径效应引起的符号间干扰。它是宽带无线传输中一种很有前途的抗多径衰落技术，在i e e e8 0 2 1 6 中与o f d m 共同被建议为物理层传输技术。6准正交时分复用技术研究s c f d e 系统有以下几个主要特征：1 ) s c f d e 系统不存在p a p r 太高的问题，对于传输线性的要求不高，这有助于降低功率放大器的成本、体积和重量；2 ) 复杂度适中，能适应较大的多径时延扩展，其计算复杂度与多径时延扩展的对数成正比：3 ) s c - f d e 系统对定时偏差特别敏感，一般认为，s c f d e 可以容忍的定时偏差为0 0 2 个抽样间隔以内。多输入多输出( m i m o ) 技术m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，其充分开发空间资源，采用多个天线实现多发射多接收。但是其对无线移动通信系统产生巨大推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a t a r 给出了在衰落情况下的m i m o 信道容量【4 5 j ；1 9 9 6 年f o s c h i n i 给出了一种多入多出处理算法对角一贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 算法t 4 6 ；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空时编码1 47 j ；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统1 4 8 1 ，在室内试验中实现了高达4 2b i t s h z 的频谱利用率。由于m i m o 技术不但可以获得空间复用增益，而且可以获得空间分集增益【4 9 】【5 0 1 。前者可以用于提高信道容量，后者可以用于提高信道的传输可靠性，降低系统的误码率。在不增加系统带宽和发射功率的情况下，m e m o 可以成倍地提高信道容量，在不相关平坦衰落信道下，信道容量随着收发天线较小数目的增加而线性增加。并且，m i m o 系统利用传播中的多径分量在一定程度上可以对抗无线信道衰落的影响( 对于频率选择性深衰落信道的影响，m i m o 技术依然无能为力，目前一般采用均衡或者o f d m 技术来克服) ，大大提高通信系统的频谱利用率和信道容量，必将成为新一代无线移动通信系统所采纳的关键技术之一。目前，多天线技术已经在无线通信系统中得到了广泛应用，例如b l a s t 实验系统、w c d m a 5 1 】【5 2 】系统、c d m a 2 0 0 0 5 3 】系统、无线城域网i e e e8 0 2 1 6 2 1 】【捌系列。正在制定的新的无线局域网i e e e8 0 2 1 l n 和移动宽带无线接入i e e e8 0 2 2 0 以及下一代无线蜂窝通信系统b 3 g 4 g i s 4 等均已采用或者计划采用多天线技术。因此m i m o 已经成为下一代无线移动通信技术的核心技术之一。关于正交时分复用( o t d m ，o r t h o g o n a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术西班牙g c m c o m 公司v i c e n t ed i a z 于2 0 0 3 年提出了一种正交时分复用技术5 5 1 ，其基本思想是利用g o l a y 互补序列州的平移正交性，将多路数据流进行扩频和异步码分复用，在一条连续信道中进行传输5 7 1 。该公司声称这种o t d m 具有如第一章绪论7下优点【5 8 】【5 9 】：1 ) 更低的发射功率和更宽的通信范围；2 ) 高效的频谱效率，在x d s l 应用中频谱效率可超过1 6 b p s h