（通信与信息系统专业论文）宽子带滤波器组多载波系统及其关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要 滤波器组多载波( f b m c ) 技术因具有灵活的资源分配、高的谱效率、较强的 抗双选择性衰落的能力、较好的解决了高速率无线通信和复杂均衡接收技术之间 的矛盾，已成为新一代宽带无线通信系统的关键技术之一。o f d m 系统即是滤波 器组多载波技术中选择矩形脉冲作为滤波器的一种特例，不过由于其选用时域矩 形脉冲，虽然在时域具有良好局域化性质但频域却无限扩展，导致系统性能对频 偏和相位噪声比较敏感，因此在某些场合并不适用，需要考虑性能更全面的滤波 器组多载波技术。本文针对子带设计为宽子带，且子带进步采用循环前缀结构 分块的滤波器组多载波进行研究，这种系统具有灵活的资源分配能力、更低的谱 泄漏、且与o f d m 同样具有低复杂度的接收机等特点，特别适合异步通信、感知 无线电等系统等。通过本论文的研究，给出了此类系统的基本实现方案。 论文首先给出了无线衰落信道的模型及特点，由此引出了各种抗衡衰落环境 的无线宽带传输系统，包括单载波及几种多载波系统。分析了o f d m 、f m t 等多 载波系统的实现结构、基带等效模型以及它们的区别、联系和优缺点，并用f b m c 系统模型进行了统一。o f d m 只是f b m c 多载波技术中原型脉冲为矩形的一种特 例，并不适用于所有无线通信系统，由此引出了本文研究的f b m c 系统：子带设 计为互不重叠的宽子带，且其子带进一步采用单载波循环前缀( s c c p ) 结构设计， 即s c c p f b m c 级联系统，这是全文的研究框架和基础。 接着，论文从系统设计角度提出了两种改进f b m c 系统性能的方法。具体来 说，针对f b m c 的原型脉冲，分析了其在f b m c 中对系统干扰的影响，得出f b m c 系统信干比主要取决于信道散射函数及收发脉冲构成的互模糊函数，并得到收发 脉冲应具有的属性，据此属性提出一种根据信道变化而自适应调整原型脉冲的 f b m c 系统，并分析了相应的自适应设计方法、验证了设计的性能。另外从信号 映射角度，提出了一种将三维信号映射应用到f b m c 的宽子带系统，即s c c p 子 系统方法，并仿真了其应用于s c c p 系统的性能，实验结果证明了方法的有效性 和可行性。 然后论文分析了s c c p 子系统的信道估计问题。首先讨论了s c c p f b m c 级 联系统的子带等效信道模型以及子系统等效为单载波频域均衡的子系统设计的条 件。针对宽带无线大部分都为稀疏信道的特性，提出了在时频域对子带s c c p 系 统的稀疏信道估计的方法：对频域导频而言，提出了采用压缩感知的子带稀疏信 道估计方法，并分析了系统模型、算法原理。这种方法可以在有效的提升信道估 计性能的前提下，还可以降低对导频数量的要求，能较高的提升系统利用效率。 重庆大学博十学位论文 针对时域训练符号，提出了一种基于噪声子空间的稀疏信道估计方法，此方法比 g a i c 等算法具有复杂度低、性能更好的特点。最后通过仿真验证了这两种方法的 有效性和可行性。 之后针对s c c p 子系统的信号均衡检测技术进行了研究。文中详细分析总结 了目前的s c f d e 系统的均衡检测技术，在研究采用噪声预测频域均衡的基础上， 提出一种采用噪声预测的时域迭代均衡技术，算法具有与t u r b o 时域均衡类似的误 码率性能，但却有更低的复杂度。为了进一步提高检测性能，还提出种采用列 表检测的均衡检测算法，算法用在常规均衡后。理论分析和仿真表明在合理选择 参数下，可以在更低的复杂度下达到最大似然检测的性能。 最后，论文针对多天线技术在s c c p f b m c 级联系统的应用可能进行了讨论。 介绍了多天线技术及其在f b m c 中的应用。讨论了两种在o f d m 系统中广泛应用 的循环延迟分集与a l a m o u t i 空时分组码在s c c p f b m c 级联系统的应用。论文具 体的提出了各自的发射接收机结构、数据发送接收处理过程、各种参数的选取， 最后通过仿真验证了这两种多天线技术在s c c p f b m c 级联系统的有效性和可行 性。 本文对s c c p f b m c 级联系统的应用进行了的研究，主要讨论了系统设计、 接收机技术、多天线技术应用等问题。另外，本文讨论的子带信道估计及均衡检 测技术虽然是针对f b m c 的子系统，但是由于其子系统为s c c p 系统，所以可以 直接应用在单独采用这种技术的系统中。 关键词：滤波器组多载波，单载波循环前缀，信道估计，均衡检测，多天线 i l 英文摘要 a b s t r a c t f i l t e rb a n km u l t i c a r r i e r ( f b m c ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h ec o r e t e c h n o l o g yo fn e x t - g e n e r a t i o nb 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 n ss y s t e mf o ri t sa b i l i t y o ff l e x i b l er e s o u r c ea l l o c a t i o n 、h i 。g hs p e c t r a le f f i c i e n c y 、a n t i - d o u b l e s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e la n db e t t e rr e s o l v i n gt h ec o n t r a d i c t i o no fh i g l a - s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a n dc o m p l i c a t e de q u a l i z a t i o n o f d mi sas p e c i a lc a s eo ff b m cw h i c hc h o s ea r e c t a n g u l a rp u l s ea st h es e n d i n ga n dr e c e i v ef i l t e r , t h er e c t a n g u l a rp u l s ei sat i m e l i m i t e d p u l s e ，b u tw i t hu n l i m i t e df r e q u e n c yd o m a i ne x p a n s i o n ，t h e r e f o r ei th a st h ec a p a c i t yo f a n t i 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 ) ，b u ti n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) i sas e r i o u s s h o r t c o m i n g a n ds oi ns o m ea p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h e r ei san e e dt oc o n s i d e ram o r e c o m p r e h e n s i v ef b m ct e c h n o l o g y t h i sp a p e ri sas t u d yo nf b m cs y s t e mw i t hi t s s u b - b a n db r o a d e r , a n dt h ef u r t h e ru s i n go ft h ec y c l i cp r e f i xa ss u b - b a n ds t r u c t u r e ，t h i s k i n do fs y s t e mh a saf l e x i b l er e s o u r c ea l l o c a t i o nc a p a b i l i t i e s ，l o w e rs p e c t r a ll e a k a g e ， a n de q u a l l yl o w c o m p l e x i t yr e c e i v e rw i t ht h eo f d m ，e t c i tc a n e s p e c i a l l yu s e df o r a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n 、c o g n i t i v er a d i os y s t e m sa n ds oo n t h i sr e s e a r c hp a p e r g i v e st h eb a s i cf r a m ew o r ko fs u c hs y s t e m s p a p e rf i r s tg i v e st h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e lm o d e la n dc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hl e a d s t oav a r i e t yo fw i r e l e s sb r o a d b a n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mt h a ta g a i n s tt h ef a d i n gc h a n n e l ， i n c l u d i n gs i n g l e c a r r i e rs y s t e ma n ds e v e r a lm u l t i c a r r i e rs y s t e m s i m p l e m e n t a t i o n s t r u c t u r e ，b a s e b a n de q u i v a l e n tm o d e l ，d i f f e r e n c e sa n dc o n t a c t ， a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fo f d m 、f m t 、p u l s es h a p e i n gm u l t i - c a r r i e rs y s t e ma l ea n a l y z e dw i t h au n i f i e df b m cs y s t e mm o d e l o f d mm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g yi sas p e c i a lc a s eo f f b m cw i t har e c t a n g u l a rp u l s e ，d o e sn o ts u i t a b l et oa l lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i t u a t i o n , a n dt h i sl e a d s t o d e s i g no ft h ef b m cs y s t e m w h i c hh a saw i d e r n o n - o v e r l a p p i n gs u b - b a n da n dw i mi t ss u b b a n df u r t h e ru s i n gs i n g l e c a r t i e rc y c l i c p r e f i x ( s c c p ) s t r u c t u r e t h es c c p - f b m cc a s c a d es y s t e mi st h er e s e a r c hf r a m e w o r k a n df o u n d a t i o no f p a p e r t h e n ，t h ep a p e rd e s i g n st w om e t h o d st oi m p r o v e df b m cs y s t e mp e r f o r m a n c e f r o mas y s t e mp o i n to fv i e w s p e c i f i c a l l y , f o rt h ep r o t o t y p ep u l s eo ff b m c ，t h e i m p a c t o fi n t e r f e r e n c et ot h es y s t e mi sa n a l y z e db a s eo nt h ep r o t o t y p ep u l s e i ti sf o u n dt h a tt o f b m cs y s t e mt h es i g n a l i n t e r f e r e n c e - r a t i o ( s i r ) d e p e n d so nt h ec h a n n e ls c a t t e r i n g f u n c t i o na n dt h ec o r s s - a m b i g u i t yf u n c t i o nc o m p o s e do fp r o t o t y p ep u l s e ，t h e r e f o r et h e i i i 重庆大学博+ 学位论文 p r o t o t y p ep u l s es h o u l dh a v et h eh o m o l o g o u sp r o p e r t y a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fp u l s e p r o p e r t y , aa d a p t i v em e t h o d t h a tt h ep r o t o t y p ep u l s ec h a n g e sa c c o r d i n gt ot h ec h a n n e li s p r o p o s e di nf b m cs y s t e m s ，a n dt h em e t h o di sa n a l y z e da n dv e r i f i e da c c o r d i n gt h e c o r r e s p o n d i n ga d a p t i v ed e s i g n b e s i d e s ，a n o t h e rt h r e e d i m e n s i o n a ls i g n a lm a p p e ri s p r o p o s e da n da p p l i e dt ot h es c c ps u b s y s t e mo fs c c p f b m c ad e t a i l e dm a p p i n g p r o c e s sa n ds i m u l a t i o ni sm a d e ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h em e t h o di s e f f e c t i v ea n dr e l i a b l e t h e np a p e rd i s c u s s e st h ec h a n n e le s t i m a t i o np r o b l e mo fs c c ps u b s y s t e m f i r s tt h e s u b - b a n de q u i v a l e n tc h a n n e lm o d e lo ft h ec a s c a d es c c p f b m cs y s t e mi sa n a l y z e da n d t h ee q u i v a l e n td e s i g nc o n d i t i o no fe q u i z a t i o nw h i c hc a nb ed o n ei nf r e q u e n c yd o m a i ni s d e r i v e di ns c c ps u b s y s t e m s f o rm o s to ft h eb r o a d b a n dw i r e l e s sc h a n n e lh a sas p a r s e c h a r a c t e r i s t i c ，t w oe s t i m a t i o nm e t h o d si nt h et i m e f r e q u e n c yd o m a i nu s e di ns p a r s e c h a n n e la r ep r o p o s e di ns c c ps y s t e m s t h ef i r s tm e t h o d su s ef r e q u e n c yd o m a i np i l o t ， a n dw i t hi tt h eu s eo fc o m p r e s s e ds e n s i n gi ns p a r s ec h a n n e le s t i m a t i o ni sp r o p o s e da n d a n a l y z e d t l l i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ep r e c i s i o n ；c a na l s or e d u c et h en u m b e ro fp i l o tr e q u i r e m e n t sw h i c hl e a dt oi m p r o v e d s y s t e me f f i c i e n c y f o r t i m e - d o m a i n t r a i n i n gs y m b o l s ，w ep r o p o s e an o i s e s u h s p a c e - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o df o rs p a s ec h a n n e l ；t h i sm e t h o dh a sl o w e r c o m p l e x i t ya n db e t t e rp e r f o r m a n c et h a no t h e ra l g o r i t h ms u c ha sg a i ce r e f i n a l l y , t h r o u g hs i m u l a t i o nt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e s et w om e t h o d si sv e r i f i e d a f t e r w a r d s ，e q u a l i z a t i o na n dd e t e c t i o ni ns c c ps u b s y s t e mw e r es t u d i e d d e t a i l e d a n a l y s i so fe x i s t e n te q u a l i z a t i o na n dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yu s e di ns c c ps u b s y s t e mi s o b t a i n e d b a s e do nf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nw i t h t i m ed o m a i nn o i s ep r e d i c t i o n , an o i s ep r e d i c t i o nw i t hi t e r a t i v ee q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e si sp r o p o s e d ；t h ea l g o r i t h mh a sa s i m i l a rb e rp e r f o r m a n c ew i t l lt u r b oe q u a l i z a t i o ni nt i m ed o m a i n b u th a sal o w e r c o m p l e x i t y t of u r t h e ri m p r o v et h e d e t e c t i o np e r f o r m a n c e ，al i s t - b a s e dd e t e c t i o n m e t h o d su s e di ns i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o ni sp r o p o s e d ，t h ea l g o r i t h m i su s e di ns c c ps y s t e ma f t e rt h ec o n v e n t i o n a l f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o w 廿1 a tw i t hr e a s o n a b l ec h o i c eo fp a r a m e t e r s ，i t c a na c h i e v em a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o np e r f o r m a n c ew i t hal o w e rc o m p l e x i t y f i n a l l y , t h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gm u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g yi nt h es c c p - f b m c c a s c a d es y s t e mi sd i s c u s s e d a n a l y s i sa n ds u m m a r yo fm u l t i a n t e n n at e c h n o l o g y , a n di t s a p p l i c a t i o ni nt h ef b m c i sm a d e t w ow i d e l yu s e dm u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g i e si nt h e o f d ms y s t e m ，i e c y c l i cd e l a yd i v e r s i t ya n da l a m o u t is p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ，i s i v 英文摘要 d i s c u s s e dw i t hi t sa p p l i c a t i o ni nt h es c c p - f b m cc a s c a d es y s t e m t h e s i sp u tf o r w a r d s p e c i f i ct r a n s c e i v e rs t r u c t u r e 、t h ed a t ap r o c e s s i n go f t r a n s c e i v e r 、a n dt h es e l e c t i o no f v a r i o u sp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h r o u g hs i m u l a t i o nt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h e t w om u l t i a n t e n n at e c h n o l o g i e su s i n gi nt h es c c p f b m cc a s c a d es y s t e mi sv e r i f i e d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec a s c a d es y s t e mo fs c c p - f b m c ，d i s c u s s e dt h es y s t e m d e s i g n 、t h er e c e i v e rt e c h n o l o g y 、a n da l s om u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g ye t c m o r e o v e r ， d e s p i t et h ef a c tt h a tt h es t u d yo f s u b b a n dc 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 ni sf o r s c c ps u b s y s t e mo fs c c p f b m c ，i tc a nb ea p p l i e dd i r e c t l yi nas e p a r a t es c c ps y s t e m b e c a u s eo fi t ss a m es t r u c t u r e k e y w o r d s ：f i l t e rb a n km u l t i c a r r i e r , s i n g l e c a r r i e rc y c l i cp r e f i x ，c h a n n e le s t i m a t e ， e q u a l i z a t i o na n dd e t e c t i o n ，m u l t i a n t e n n a v 重庆大学博士学位论文 v i 1 绪论 1 绪论 随着当今信息社会的快速发展，无线通信系统的需求已经转变。人们已经不 再满足于传统的以语音和低速率的数据业务为主的通信方式，而日益追求高速率 的多媒体业务，高速的传输速度成为必需。因此，为了适应未来高速无线数据传 输的需要，通信系统必须提高在衰落信道中的频谱利用率，使之能够在有限的频 谱资源上支持高速率数据和多媒体业务传输。但是，由于受到无线信道带宽和复 杂的多径传播环境等诸多因素限制，在无线环境下实现高速数据传输困难重重。 围绕这一问题人们做了大量工作，各种无线通信新概念和新技术正在不断的涌现 包括各种信源信道编码技术、先进的调制解调技术、各种接收检测技术、多天线 技术、谱感知技术、中继协作技术等。 1 1 论文的研究背景 无线通信技术的发展，最早可以追溯到上世纪2 0 年代。当时的无线通信系统 主要还是研究点对点的无线传输技术，所建立的通信网络也是以提高点对点的传 输距离为目标的大区制。移动网络也主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专 用领域，用户数量很少。2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，使无线 通信摆脱了传统的大区制结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代，具有高可靠性的固态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从2 0 世纪7 0 年代末到现在的几十年时间罩，无线通信系统从第一代发展到了第三代， 第四代系统也即将确定，无线通信系统进入了一个飞速发展的时期。 第一代移动通信系统最重要的技术特征是采用模拟体制，即功能模块用模拟 电路单元实现，其代表系统【1 】有美国的a m p s 、英国和欧洲的t a c s 、北欧的n m t 等，它采用频分多址( f d m a ) ，模拟调制( f m ) 方式和蜂窝结构等技术来支持话 音业务。第一代系统的主要缺点是频谱利用率低、保密性差、抗干扰能力低以及 不能提供自动漫游服务等，这促使了人们开发出第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统( 2 g ) 出现在上世纪8 0 年代末9 0 年代初，采用了当时 条件下的最新调制与信号处理技术。典型的系统【l t 】有欧洲的全球移动通信系统 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 、美国的i s 9 5 ( u sc d m a ) 系统， 分别采用了数字的时分多址技术( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。它能提供数字 语音业务，以及基于电路交换的低速或者中速的数据业务。作为第二代到第三代 的过渡，g s m ，i s 9 5 还提供了增强的后续版本，如以g p r s 、e d g e 为代表的技 术可以提供更为先进的中等速率数据业务。由于其改善了第一代系统的不足，语 重庆大学博十学位论文 音质量与保密性得到极大的提高，在全球范围内获得了广泛的认可，不过由于二 代系统带宽有限，限制了高速数据业务的应用。 第三代移动通信系统( 3 g ) 由国际电信联盟( i t u ) 发起，目前3 g 存在四种 标准【2 3 】：c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a ，w i m a x 。3 g 与2 g 的主要区别 是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游， 并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电 子商务等多种信息服务。目前3 g 系统已在全世界多个国家实现大规模商用，我国 也于2 0 0 9 年下发了3 g 牌照，3 g 的应用时代已经到来。虽然3 g 系统相比2 g 系 统有更高的速率，但3 g 系统也有其局限性，比如没有一个全球统一的标准，且标 准在与互联网融合方面考虑也不多；不能提供更高的速率，特别是以c d m a 为主 要技术的三种3 g 标准，由于多地址干扰的问题，像高清流视频等更高的速率的应 用难以实现，使得3 g 系统在传输速度上有一定的尴尬性。 基于对视频、图像、数据的通信业务的更大的需求，第四代移动通信网络技 术( 4 g ) 正在火热的演进中，目前已有多个候选标准被采纳，如l t e a p j ( l t e a d v a n c e 圮1 ) 、w i m a x 3 】等，但是还没有确定最终的标准，预计近2 年将会有 结果。相比3 g 系统，4 g 系统将有更高的传输速率，如l t e a 的系统基本指标为： 下行峰值速率1 g b p s ，上行峰值速率5 0 0 m b p s ，上下行峰值频谱利用率分别达到 1 5 m b p s h z 和3 0 m b p s h z 。其系统带宽将从1 5 m h z 到2 0 m h z ，并且通过载波聚合 技术最大能聚合带宽高达1 0 0 m h z 。 由以上移动通信系统的演变，可以看出移动通信技术发展的历史。移动通信的 任务就是克服无线信道的影响，提供以用户为需求的保质服务。而移动系统的演 变是与移动新技术的发展是分不开的。对于物理层而言，由需求为主导，近年来 出现了许多新的物理层新技术。相比传统技术而言，新技术主要解决了在高带宽 下的谱效率问题、复杂度问题、多种技术的适应性问题。如传统移动通信系统， 解决信道衰落的办法一般为时域处理：如g s m 中的时域均衡，c d m a 中的r a k e 接收。这样的系统如果系统带宽较窄，传输速度不算太高的情况下能具有较好性 能，而在4 g 环境中，由于带宽的成数量级提高，造成信道长度也成数量级的增长。 如果依然采用时域均衡的办法，则均衡器的结构会非常复杂，并且均衡效果也严 重下降。因此基于分块传输和频域均衡的多载波和单载波技术如 2 3 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 ) 、s c f d e ( s i n g l e c a r r i e r f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ) 成为w i m a x 和l t e a 等移动通信的核心技术之 一。m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 技术【4 】也因为其在提高系统抗衰落性 以及提高系统容量和谱利用率方面的优点，而成为4 g 的关键技术之一。除去这些 新的技术之外，还有中继协作技术【5 刀，谱感知技术【8 叫等，目前4 g 的各个标准组都 2 1 绪论 在评估设计其应用于o f d m 多载波系统的可能。由以上可以看出，一个无线系统 是有多方面的技术组合而成，好的无线系统是综合考虑这些技术的综合体，从而 达到特定的应用目的及期望的性能。 1 2 课题的提出及发展现状 新一代无线传输系统的物理层技术要求就是要在较宽的有限的频带内提供稳 定可靠的尽可能高的数据传输，并且尽可能在有限的频谱资源上提升频谱效率， 即达到信道理论容量。o f d m 技术由于其很强的抗多径能力及简单易行的d f t 实现，便于与m i m o 技术相结合，而得到广泛的重视和应用，成为4 g 热门的候 选物理层技术之一。但o f d m 也存在其自身的缺点 1 0 - 1 1 ：如信号峰均比( p a p r ) 高， 对时间和频率的同步要求很高，信号的带外辐射较高等。这些缺点使得o f d m 系 统并不适用于所有的通信系统。如当系统信道变化剧烈是一种强的双色散信道时， 这时如果使用o f d m 技术，系统误码率将非常高；而且对于目前一些新技术，如 谱感知技术因为0 f d m 大的谱泄漏问题，使得应用起来效果并不理剧1 2 1 4 1 ，另外 o f d m 由于c p 的使用，还存在谱效率降低的问题。 基于此，有必要对一些o f d m 系统不适用的场合，研究一些新的结构、传输 技术，从而对o f d m 系统形成辅助，或者在某些特定的专有网络进行应用，而宽 子带滤波器组多载波系统正是在这种情况下提出来的。简单的说，宽子带滤波器 组多载波是将滤波器组多载波的子带分配为宽子带，且可以认为互相不重叠的一 种多载波通信系统，它属于多载波技术的一类，这里的宽子带是相对于o f d m 系 统的子带带宽较窄时信道可以等效为平衰落信道而言，即子带的等效信道并一定 是是平衰落。 由于宽子带滤波器组多载波属于滤波器组多载波的范畴，为了更好的理解系统 体系结构及由来，有必要对多载波技术的历史及现状进行阐述。多载波技术 ( m u l t i c a r d e rt e c h n i q u e ) 在6 0 、7 0 年代由s a l t z b e r g ，c h a n g ，w e i n s t e i n 和b i n g h a 等 人提出【”叫8 1 ，最初受制于实现上的复杂性并没有在业界受到重视，随着数字信号 处理技术及集成电路的发展，尤其是快速傅立叶算法、大规模集成电路的出现， 从9 0 年代开始，多载波技术逐渐得到了大范围的应用。该技术其本质上就是把一 路宽带高速数据流通过串并变换转换为并行的多路相对低速的数据流，然后再对 应调制到相互正交的多个子载波上，从而有效延长符号周期，降低多径带来的频 率选择性衰落影响。o f d m 作为多载波技术中的特例，相当于采用矩形脉冲做成 型滤波，所以其对抗符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 有着先天的优势。 但是在频域，其频谱可以看作是s i n c 函数在各个子载波频点上的保持相互正交的 叠加，由于s i n c 函数旁瓣较大、衰减缓慢。当o f d m 系统处于复杂移动条件下的 重庆大学博士学位论文 快时变衰落信道中时，子载波间正交性被破坏不能得到保证，所以受载波间的干 扰( i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 影响十分严重，为了达到多载波技术对i s i 和 i c i 干扰的折衷考虑，实现在时频双色散信道下的可靠通信，一些相关文献提出了 采用非矩形脉冲子带成型的多载波，如k o z e k ，h a a s ，b 6 1 c s k e i ，m a t z ，e m h a n 等 1 9 - 2 8 1 提出的非正交多载波和脉冲成型多载波，c h e r u b i n i ，a s s a l i n i 等2 9 。2 1 提出的 滤波多音调制，高西奇、尤肖虎等【3 ”5 】提出的广义多载波等。 这些非o f d m 多载波技术思想基本相同，即首先在每个子带上采用时域和频 域均有集中特性的滤波器进行处理，然后合成为宽带信号进行发送和接收，只是 分析的思路、系统的参数和实现的方法上有所区别。其中滤波多音调制、广义多 载波等是基于多抽样率数字信号处理【3 6 4 3 1 ，从调制滤波器组的思路对该技术进行 的分析，即发射机对串并变换后的多路信号，首先进行插值，然后分别通过带通 调制滤波器调制到不同的频带上，时域合成以后就构成宽带多载波信号，而接收 机的处理是对应的逆过程，通过一组不同中心频率的带通滤波器得到对应子带的 信号后再进行抽取、解调输出。而非正交多载波、时频局部化多载波的理论基础 是二维时频面上的框架理论4 9 1 ，它把发送和接收原型脉冲的时移和频移构成的 网格看成是时频面上一组基函数。发射机就是把各个子带上的每个符号投影n - 维时频网格，再进行信号综合得到宽带合成信号，接收端是对应的信号分析的逆 过程，利用网格在时域和频域上的正交或近似正交特性，来解调输出。尽管这两 类多载波技术的分析工具，思考的角度有所不同，但是它们最后得到的基带调制 解调模型是等效的，这在第二章会从数学上给出证明。只是从时频分析的角度出 发并且结合无线信道的统计特征，更有利于找到性能相对更优异的原型脉冲和系 统设计参数，能够从更本质上揭示多载波系统的数学背景和物理意义之间的联系。 因此可以把它们统一称为滤波器组多载波技术【鼽5 3 j ( f i l t e rb a n km u l t i c a r r i e r ， f b m c ) 。 虽然以上提及的各种多载波技术可以由滤波器组多载波进行统一，不过这主 要在于理论上更好的分析，特别是对于滤波器组多载波系统的原型脉冲设计，可 以有更统一的方式，不过当滤波器组多载波各个设计参数选择不同时，其涉及到 的系统接收机同步检测等关键技术是有较大区别的。如果以子载波设置参数来进 一步划分滤波器组多载波系统，又可以将滤波器组多载波系统划分为窄子带滤波 器组多载波系统以及宽子带滤波器组多载波系统。这两种系统的脉冲设计方法 2 0 - 2 7 1 、快速实现方式【2 8 , 5 4 1 都具有相似的形式，不过在接收机端的接收技术差别较 大。具体而言，由于滤波器组多载波技术一般采用非矩形成型脉冲，它在提高子 带间频域抗干扰的性能的同时，在时域上必然带来相邻符号间的拖尾叠加，这就 使得基于o f d m 多载波系统成熟的同步技术、均衡技术不能直接应用于f b m c ， 4 1 绪论 必须要进行相应调整或提出新的对应处理方案，所以很多研究者在滤波器组多载 波系统的接收机技术方面【5 5 “7 】做了讨论。而对于宽子带非重叠的滤波器组多载波 系统，由于其载波设置的非重叠性，可以有更简单的方法。 由于宽子带非重叠的滤波器组多载波系统的子带不重叠或者可以认为不重叠， 则每个子带可以单独处理，那么同步、信道估计、均衡检测等都可以在子带上进行。 但是由于子带等效信道不一定是平衰落，且由于原型脉冲的拖尾叠加，如果采用 窄子带的滤波器组多载波的方法进行均衡将使得系统较为复杂。不过根据现有分 块传输理论，虽然子带的信道长度较长，但可以采用类似c p 的结构，从而让发射 信号时域与信道的卷积变为频域乘积。所以为了让接收端有类似于o f d m 系统的 更低复杂度的接收机。一般这种宽子带的滤波器组多载波又分为两种情况。第一 种是子带采用o f d m 结构的子系统；而另一种是子带采用单载波循环前缀 ( s i n g l e c a r r i e rc y c l i cp r e f i x ，s c c p ) 结构的子系统，即子系统为一个单载波频域 均衡的系统。采用o f d m 的子系统最初由a t o n e l l o 6 8 7 1 等人提出，目前其团队已 对系统设计做了比较基本的仿真与分析；而采用单载波循环前缀结构的子系统的 体系最初是由国内的东南大学的高西奇、尤肖虎 3 3 - 3 5 1 等人提出，即广义多载波的 概念，不过其采用了双循环前缀的结构，但是其与为了获得简单的频域均衡的本 质是一致的，本文主要对采用循环前缀的宽子带滤波器组多载波进行研究。 从系统的角度来看，采用这样的宽子带滤波器组多载波技术有许多优点【3 3 诣】： 系统