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复旦犬学 = 学硕士学位论文 摘要 m i m o 技术彝o f d m 按零罄筵姿藩移动逶簧领壤熬鞭究燕点，氇是下 一代移动通信中的关键技术，因此对m i m o 。o f d m 的研究是无线通信中的 一个重灏课题。本文主要提出了一种m i m o 系统权向量优化计算方法和一 种新的o f d m 自逶_ 陂调制算法，通过模拟分柝，及与已肖方法、系统的比 较，滋鞠tm i m o o f d m 系统中这些瑟方法戆可行程蟊爨体饶点。 本文分为四大部分，共6 章。第一部分包括第l 章和结束语，第1 章简 单介绍了m i m o 搜术、o f d m 斗支术的基本概念、发展历史、特点和优点、 研究现状、现有的方法秘应用。结泰语是对m i m o o f d m 系统的总结秘蘸 景展望。第二部分为m i m o 鄢分，包螽第2 帮帮第3 章，其中第2 耄推导 了多径倍道模型和各种环境下的m i m o 信道模型，还推导tm i m o 信道容 量的计算公式。第3 章提出一种通用于m i m o - s d m a 系统的非线性权向量 优亿算法一一符号抵潢算法，并嗣造零算法，媛大修然舅滚以及m m s e 葵 法送章亍了对眈研究。第三部分为o f d m 部分，包括第4 章和第5 章，蔟中 第4 章介绍了o f d m 系统结构和o f d m 信号的产生方式，并推导了o f d m 系统的数学模型。第5 章提出了种新的用于正交频分复用( o f d m ) 系统 的恒吞眭羹叁适应调鸯算法，疆变了子载波分缓方寨翻信道煞汁猿差辩该算 法豹影晌。第西部分为m i m o 一0 f d m 部分，渐第6 章，主要研究了m i m 0 和o f d m 技术的结合，将本文提出的自适应调制算法和m i m o 系统权向量 优化算法结合起来，再融合多用户检测技术，提出了一种多用户自适应调制 m l 鹾0 。o f d m 系绞黪实瑷方式。 关键词多输入多输出；正交频分复用；智能天线；空分多址；权向缀优 化；符号抵消：自适应调制；吞h 土量；信道模型：多用户梭测 中图分类号：t n 9 1 1 2 3 ；t n 9 5 复旦大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m i m 0a n do f d ma r eb o t hh o tr e s e a r c ht o p i c si nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a n dk e yt e c h n i q u ei nt h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r em i m o - o f d ms y s t e mp e r f o r m a n c er e s e a r c hi sac r i t i c a jt o p i ci nt o d a y sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s t h i st h e s i sm a i n l yp r o p o s e ss o m ed e t a i l e dw e i g h t so p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m s f o rm i m os y s t e ma n dan e wa d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mf o r o f d ms y s t e mw i t hu n i q u ea d v a n t a g e b ys i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o nw i t ht h e e x i s t i n gm e t h o d sa n ds y s t e m s ，t h ef e a s i b i l i t ya n dm e r i to ft h e s en e w m e t h o d si n m i m 0 一o f d ms y s t e mi se x p l a i n e di nd e t a i l t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of o u rm a i np a r t s i n c l u d i n gt o t a js i xc h a p t e r s p a r tii n c l u d e st h ef i r s tc h a p t e ra n dt h ec o n c l u s i o n c h a p t e r1b r i e f l y i n t r o d u c e st h ec o n c e p t ，h i s t o r yb a c k g r o u n d ，c h a r a c t e r i s t i c ，a d v a n t a g e ，r e s e a r c h e v o l u t i o na n da p p l i c a t i o no fb o t hm i m 0a n do f d mt e c h n i q u e t h ec o n c l u s i o n p a r tg i v e s as u m m a r yo fm i m o o f d ms y s t e m i ta l s op r e d i c t st h ef u t u r e d e v e l o p m e n to fs u c ht e c h n i q u e p a r ti im a i n l yd i s c u s s e sm i m ot e c h n i q u ei ti n c l u d e sb o t hc h a p t e r2a n d c h a p t e r3 i nc h a p t e r2 s e v e r a lm i m 0c h a n n e lm o d e l sw e r ed e r i v e du n d e r d i f f e r e n tm u l t i p a t he n v i r o n m e n t t h ec o m p u t a t i o nf o r m u l ao fc h a n n e lc a p a c i t y w a sd e r i v e d ，t o o i nc h a p t e r3 ，an o n l i n e a rj o i n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo f t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gw e i g h tv e c t o r sf o rm i m o s d m as y s t e mi sp r o p o s e d c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a l a l g o r i t h m s s u c ha sz e r o f o r c i n g ，m a x i m u m l i k e l i h o o da n dm m s e ，t h i ss y m b o lc a n c e l l a t i o na l g o r i t h mh a sb e s tp e r f o r m a n c e p a r ti l ic o v e r sc h e a p e r4a n dc h a p t e r5 ，w h i c hc o n c e n t r a t eo no f d m t e c h n i q u ep a r t4i n t r o d u c e st h e a r c h i t e c t u r eo fo f d ms y s t e ma n do f d ms i g n a l g e n e r a t i o nm e t h o dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fo f d ms y s t e mi s a l s od e r i v e d i n c h a p t e r5 an e w c o n s t a n tt h r o u g h p u ta d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mf o ro f d m s y s t e mi sp r o p o s e d t h ei n f l u e n c eo fs u b c a r r i e rg r o u p i n ga n dc h a n n e le s t i m a t i o n e r r o ro v e rs y s t e mp e r f o r m a n c ei sa l s or e v i e w e di nt h i sc h a p t e r p a r ti vc o n t a i n so n l yc h a p t e r6 i tm a i n l yc o n s i d e r sa b o u tt h ec o m b i n a t i o n o fm i m oa n do f d mt e c h n i q u e am u l t i p l eu s e ra d a p t i v em o d u l a t i o nm i m o o f d mi m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d - i i 蒹旦天学工学硕士学位论冀 k e y w o r d sm i m o ；o f d m ；s m a r ta n t e n n a ；s d m a ；w e i g h t so p t i m i z a t i o n ； s y m b o lc a n c e l l a t i o n ；a d a p t i v em o d u l a t i o n ；t h r o u g h p u t ；c h a n n e lm o d e l ；m u l t i - u s e rd e r e c t i o n 1 i t 复旦大学工学硕e 学位论文 1 1m i m o 技术 第1 章简介 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 ) 系统被定义为发送方和接收方均 使用多个天线的点对点通信链路。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突 破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用 率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。 使用m i m o 技术可以在不增加传输能量或带宽的前提下大幅提高无线通信 系统的传输速率，而传输速率的增加也需要一定的代价：使用多个天线将需要 更多的空间来放置这些额外的天线，而且处理多维信号需要更复杂的计算，这 样对软件运算速度的要求也相对较高。 实际上m i m o 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来抗衰落。在 7 0 年代有人提出将m i m o 技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统 m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则是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 容量【ij ；1 9 9 6 年f o s c h i n i 给 出了一种m i m o 处理算法对角贝尔实验室分层空i j 寸- ( d b l a s t ) 算法【2 】； 1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空时码4 1 ：1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采 用垂直贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法 5 1 建立了一个m i m o 实验系统，在 室内试验中达到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统 中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使m i m o 的研究工作得到 了迅速发展。 1 1 1 智能天线的分类 最近几年智能天线技术的发展极为迅速，各种不同的智能天线技术在各种 场合下得到了广泛的利用。智能天线的主要目标就是将抗多径衰落效应和抑制 干扰信号结合起来，从而提高无线通信系统的性能，增加系统容量【6 j 。智能天 线可以分为以下四大类。 1 1 1 1 波束成形( b e a mf o r m i n g ) 采用波束成形的智能天线阵列中各天线元之间的距离通常为州2 ，这样可 以产生具有空间选择性的发送或接收波束。波束成形技术提供的增益不仅能有 效地减轻各种干扰信母的影响，还熊抑制不同倍道间的干扰，此时系统能在同 一频段或网一时隙中传输多个用户的信号，并谯窿域上分离器个鼹户。憨酶来 落，液窳戏形技未能改善癌予曝魄( s f n r ) ，瑶勰遥蓓丽络酾容薰和1 。 1 1 1 2 空域分集( s p a t i a ld i v e r s i t y ) 与波柬成形相比，空域分集不弭要求各天线元以2 的间距排列。诸如空 时编码传竣分集峭l 之类的空域分鬃技术希望冬天线元之阗的鞭凑越丈越好，天 线元之闯的距离通常为1 0 2 疆j ，以使备天线上的黢送信号在捌遮接牧端之前经历 独立的衰落，这是因为当接收信号的各个副本缀历独立衰落时可以获得最大的 分集增益。尽管可以考虑在基站、移动站分别使用多个天线寒获取空域分榘， 事实主熨合瑾更有效翁方案蹩在鏊始饺焉多令发瓣天线。逶穰系统在采潮多令 发射天线并获得发射分集时，才具备使用多个接收天线来获得接收分集的潜 力。当前的发射分集方案中很大一部分基于空时块码( s p a c e 。t i m eb l o c kc o d e s ) 或空时格弼( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ) p l 。空域分集技末的鬓搽楚同时提供发羹重 分集和接收分集，从而增强通信系统的完整性和强壮性，并撼高频谱效率。 1 1 1 3 空分多址( s d m a ) 空分猡址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术利用每个用户特有的窳域 特瞧来嚣分这些弱户鹣薅号，逶蕊瓣每令爱户瓣空阉疰耋都怒疆立浆，务怒户 到接收段之间的信道冲激响应( c i r ) 可以看作该用户的特，傲序列，如果信道 冲激响成能被准确地估计出来，它就是已知的当然也是独一光二的，所以尽管 各用户懿镶道冲激响旋之闻并不完念歪交，仍然霹以矮它采辨识曩户。采惩窆 分多蛙技术的系统麓够在同一带宽中支持多个掰户进行通信，若迸一步使蠲性 能好的多用户检测器，则系统能够支持的用户数撼至可以超过天线数，所以说 室分多址能够直接增加频谱效率。空分多址技术可选用的算法有最小二泶法 ( l s ) 【娃t ，最，l 、筠方差算法( m m s e ) 汹i l l l 硪”1 ，宰霉亍籀游法 ( s i c ) 1 2 1 1 1 8 1 【1 9 1 1 2 0 1 2 ”，并行相消法( p i c ) 2 2 】( 2 3 】和最大似然法( m l ) 2 4 1 2 蜘。 1 1 1 4 多输入多输出( m i m o ) 多输入多输出( m i m o ) 2 6 1 2 1 f 2 8 l f 2 鲫【3 。】系统阉榉使用多个天线，但是帮空分 多薤有掰溪剐，m i m o 不是为了支持多令用户，蕊是为了增藏无线逶信系统的 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ，褥吐量的单位是b i t s y m b o l ，也就是指穰保证定通储质 量情况下个用户在给定带宽中所能传输的最大比特数。 1 1 。2m i m o 的摄念 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因綮。然而研究结果表明，对于 m i m o 系统来说，多径可以作为一个枣利因素加 i 圭裂是。m i m o 系统在发射蠛 和接竣臻均采焉多个天线( 或阵列天线) ，m i m o 静多输入多输出是针对多径无 2 蔓量大掌工学礤士擘瞧论文 线信邋来说的。图1 1 为m i m o 系统的原理图。传输信息流经过发送处理器形 成个信息子流置，是，嘞。这膨个子流出削个天线发瓣出去，经空蚓信道 螽由n 个接较天线菠渡。多天线渡竣辍翻焉备静先进静楚溪簿法戆够分开并解 码这些数据子流，从而实现最佳的处理。 苫x r x 图1 。1m i m o 系统缀理 姆剐需要注意的是，这耐个子滚同时发送到信道，备发射信号占粥同一 频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的响应独立，则m i m o 系统可 以创造多个并行空间信道。通过这些并行空闻信道独立地佟输信息，数据率必 然霹戬疆毫。 m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高 的通信密量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对 消处理。 系统容量是表铤通信系统豹最重要标志之一，表示了通信系统最大传输 率。对于发射天线数为肘，接收天线数为的m i m o 系统，假定信道为独立 的瑞利褒藩信道，并假设埘和很大，则信邋容量近似为： c = m i n ( m ，n ) b l 0 9 2 p 2 )1 1 1 ) 其中口为信号带宽，p 为接收端平均信噪比。m i m o 信道公式表明，功率和带 宽固定时，m i m o 系统的最大容髓或容量上限随最小天线数的增加丽线性增 攘。焉在霜样条襻下，在接收撩鬣发裁璜采瑟多天线或天线薄爨懿酱逶麓髓天 线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，m i m o 对于提高无 线通信系统的容量具商极大的潜力。 从f 1 1 1 ) 式中还霹戬看是，毙瓣戆接逶容爨筵藿天线数爨熬壤丈蠢线蛙壤 大。也就是说可以剃溺m i m o 信道成倍鲍提高无线信道容爨，在不增加带宽和 天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 利用m i m o 技术可以提高信邀的容量，同时也可以提赢馆道的可靠性，降 祗误鹃攀。蘸者是裁麓m i m o 信邋提供熬空鞫复强增益，麓者蓬翻用m i m o 复旦大学工学硕士学位论文 信道提供的空间分集增益。 1 1 3m i m o 的研究现状 在m i m o 系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛 的内容。结合本文的另一主要研究对象o f d m 技术，表1 1 列出了一些重要的 研究成果。 作者主要研究成果 f o s c h i n i t 2 】提出b l a s t 的概念 v b o k 和b a u m b 3 i提出带s m i 辅助的最小均方误差( m m s e ) 合并 提出一种强壮的基于子空间的权向量计算和跟踪方法 w a n g 和p o o r l l 4 】 来抑制信道干扰，该方法是s m i 算法的一种改进。 w o n g ，c h e n g ，l e t a i e f 研究了多个发射和接收天线情况下o f d m 系统中基于 信干噪比最大准则的优化方法，在频率域上利用了信 和m u r c h 5 道相关性，从而降低了计算复杂度。 提出在带s m i 辅助的最小均方误差合并的多接收天线 l i 和s o l l e n b e r g e r t l 6 】 o f d m 系统中才采用跟踪信道相关矩阵的方法。 g o l d e n ，f o s c h i n i ， v a l e n z u e l a 和 提出使用串行相消检测( s i c ) 的v b l a s t 算法。 w o l n i a n s k y t l 8 1 l i 和s o l l e n b e r g e r t l 7 】 深入研究 1 6 所述系统的细节。 v a n d e n a m e e l e ，p e r r e ， 比较了几种s d m a 检测技术( m m s e ，s i c ，m l ) 的 性能，对s i c 做了进一步的改进在每个检测节点 e n g e l s 和m a n 上自适应地跟踪多个符号的检测。 在编码s d m a o f d m 系统中使用软比特重构技术来完 s p e t h 和s e n s t 【2 4 】 成最大似然信号估计( m l s e ) 。 s w e a t m a n ， 完成了多种检测算法的比较，包括l s ，m m s e ，d t h o m p s o n ，m u l f e w b l a s t 和v - b l a s t 。 和g r a n t i l 0 】 n e e z e l s t 和评估m l 检测在空分复用系统中的性能，并提出各种 a w a t e r 3 2 】【3 3 】【3 4 】简化的m l 检测方案。 v a n d e n a r n e e l e ，p e r r e ， e n g e l s g y s e l i n c k x 和 对 3 1 的主题进行更详细的研究讨论。 m a n 1 9 】 l i ，h u a n g ，l o z a n o 和 研究多发射天线系统的简化m l 检测方案，使用自适 4 复旦大学工学硕士学垃论文 f o s c h i n i t 3 5 j成天线分组和分步检测来降低m l 检测的复杂度。 d e g e n ，w a l k e ， 综述自适应m i m 0 技术。具体来说：撮出在发射端使 l e c o m t e 和髑颈畸变技术；在接收端使鲻l s 或b l a s t 检测；嗣 r e m b o l d t 3 6 1时在发蔚和接救端使用平稳瓣均衡按零。 z h u 和m u r c h t 2 5 j 推导出m l 检测技术误符号窀( s e r ) 的严格上限。 l i l e t a i e f , c h e n g 和 在f a r r o k h i 所提方案的基础上 4 0 ，研究o f d m s d m a c a o 3 7 1系绞躲联台窦邋应臻率控割耪检测方寨。 z e l s t ，n e e 和 a w a t e r 3 8 1 依据t u r b o 原理提出b l a s t 系统中的遮代解码方案。 b e n j e b b o u r , m u r a t a 磷究在嫠统豹瓣囊抵消除段囊使霜后两迭代抵演技术 和y o s h i d a l 2 。1时v - b a l s t 或s i c 检测斡饿能。 s e l l a t h u r a i 和提出一种简化的d b l a s t 方案，该方案采用迭代并行 h a y k i n 3 9 】 棚消技术( p i c ) 。 b h a r g a v e ，f i g u e i r e d o 爨蠢一稃基予v - b a l s t 或s i c 兹捡溺冀法，该箕法褒 和e l t o f l e 2 1 j锶个检测阶段中跟踪多个符号状态。 t h o e n ，d e n e i r e ，p e r r e提出一种用于o f d m s d m a 系统的受限制l s 检测 积e n g e l s l l j l 嚣，该检测器剃鬻了p s k 馕号我瞧模特瞧。 “和l u o 2 2 j 研究阶数最优化的v - b l a s t 的块误码率。 表1 1 一些艇要的研究成果 l 。1 4m i m 0 实验系统 实验系统是m i m o 技术研究的麓要一步。实际系统研究的一个重要问题 是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方筒的研究。由于 穆动终端设备要求接积小、重量轻、糕篷小，羁恧逐蠢大量工掺簧徽。爱兹镑 大公司均在研制实验系统。 b e u 实验室的b l a s r 系统【2 1 是最早研制的m i m o 实验系统。该系统工作 频率为1 9o h z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用d - b l a s t 算法。频谱利用 率达到了2 5 9b i t s ( h z s ) 。毽该系统纹瓣窄带痿号释囊内环壤遴行了辑究，黠鼍： 在3 g 、4 g 成用尚有相当大距离。在发送端和接收端各安放多个天线，可以提 供空间分集散应，克服电波衰落的不良影响。这是阁为安排恰獭的多个天线将 糖筷多令空瓣售道，不会全部曩嚣受到嶷落豹影确。在上述具 搴实验系统中， 每个基站备寂敞2 个发送天线和3 个缓收天线，而簿个用户终端备安放1 个发 送天线和3 个接收天线，即下行通路设置2 x 3 天线、上行通路设鬣1 3 天线。 这撵与“单输入单输出天线”( s i s o ) 棚比，转输上取终了1 0 2 0 d b 豹好处， 复旦人学工学硕士学位论文 相应地加大了系统容量。而且，基站的两个发送天线在必要时可以用来传输不 同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。 朗讯公司贝尔实验室的分层空时( b l a s t ) 技术是移动通信方面领先的 m i m o 应用技术，是其智能天线的进一步发展。b l a s t 技术就其原理而言，是 利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢 复”。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的予信 道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是 极大提高前向和反向链路容量。b l a s t 技术证明，在天线发送和接收端同时采 用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容 量。理论研究已证明，采用b l a s t 技术，系统频谱效率可以随天线个数成线 性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。 这也充分证明b l a s t 技术有着非常大的潜力。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一颗 b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推 出了业内第一款结合了b l a s tm i m o 技术的芯片，这一芯片支持最高4 x 4 的 天线布局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。该技术用于移动通信， b l a s t 芯片使终端能够在3 g 移动网络中接收每秒1 9 2 兆比特的数据，现在， 朗讯公司已经开始将此b l a s t 芯片应用到其f l e x e n to n e b t s 家族的系列基站 中，同时还计划授权终端制造商使用该b l a s t 芯片，以提高无线3 g 数据终端 支持高速数据接入的能力。 2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，并称其是世 界上第一款集成了m i m o 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该公司的多天线 传输和接收技术，将现在w i f i 速率提高到每信道1 0 8 m b p s ，同时保持与所有 常用w j f j 标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片b a s e b a n d m a c 芯 片( a g n l 0 0 b b ) 平 i 一片r f 芯片( a g n l 0 0 r f ) ，采用一种可伸缩结构，使制造商 可以只使用一片r f 芯片实现单天线系统，或增加其他r f 芯片提升性能。该芯 片支持所有的8 0 2 1 la 、b 和g 模式，包含i e e e8 0 2 1 1 工作组推出最新标准( 包 括t o i 安全和t g e 质量的服务功能) 。a i r g o 的芯片组和目前的、聃一f i 标准兼 容，支持8 0 2 1 1 a ，”b ，”和g 模式，使用三个5 - o h z 和三个2 4 一o h z 天线，使用 a i r g o 芯片组的无线设备可以和以前的8 0 2 1 1 设备通讯，甚至可以在以5 4 m b p s 的速度和8 0 2 1 l a 设备通讯的同时还可以以1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设备通 讯。 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，m i m o 技术已经成为移 动通信技术发展进程中炙手可热的课题。 6 圣呈奎兰三篓堡耋耋堡丝圣 。： 1 2 0 f d m 技术 随着数字通信网络技术的迅速发展，广大用户迫切需要服务商提供更先进 瓣移动逶绩缀务，因藏f 代移动逶蓥系统发震懿麦溪嚣稼莛增趣夺嚣通蔫霉 缀、减少无线通信中多径干扰的影响、擒供更高的通信速率以及灾现多媒体通 倍。o f d m 由于其频谱利用率高、成本低等原因越辩乏越受到人们的关注。随着 人们对于通镑数爨纯、宽鬻化、个人纯酾移动化的需求，o f d m 技术在综合无 线接入领域褥褥蜀越来越广泛斡应麓。 正交频分多路复用( 0 f d m ) 是一种多载波数字调制技术，旗研究历史可 以追溯到2 0 馓纪6 0 年代中期。虽然o f d m 的要领已经存在了很长时间，但是 悫戮最近隧繁多媒薅遂务筑发矮，它方羧入镯谈识戮建一器毫逮驳秘无线鼗援 通信的良好方法。该技术被欧洲的数字电视标准d v b t 和数字音频广播 ( d a b ) 标准所采纳，目前已经作为w l a n ( e t s ih i p e r l a n 2 和 i e e e 8 0 2 1 l a ) 以及宽带无线接入( i e e e8 0 2 1 6 ) 的核心技术。隧麓d s p 芯片 技术的发展，礴量盱交换，殿变换、离遮m o d e m 采蠲瓣6 4 】2 8 2 5 6 q a m 技术、 栅格编码技术、软判决技术、信道自适j 藏技术、插入保护时段、减少均衡计算 嶷等成熟的披术逐步引入剿移动通信领域中来，人们开始集中越来越多的精力 秀发o f d m 羧零在移动遥绩领域豹瘟矮，颈诗第霆代移动逶猿瓣烹德按本毫黪 燎0 f d m 技术。 l 。2 10 f d m 的概念 o f d m 的獒文垒称为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 ，孛文含义 为正交频分复用技术。这种技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 工 业规范的基础，它采用一种不连续的多裔调技术，将被称为载波的不同频率中 懿大羹藏号套劳戒萃一豹嫠号，鼓瑟竞袋信号转送。凌予这移菝零鬃套在杂波 干扰下传送信弩的能力，因此常常会被利用在容易外界干扰或者抵抗岁 界干抗 能力较差的传输介质中。 o f d m 楚一种无线环缝下的高速使输技术。无线绩道的频率晌艨魏线大多 怒菲平逛酶，稀o f d m 技术酌主要思慧就是在颓蠛瘫将给定僖遵分戏许多正交 予信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各予载波并行传输。 这样，尽管总的信道是非乎坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平 瀵筑，在每令予镶遭主避嚣戆是窄豢蕊簸，蕊号蘩塞，j 、予穰遵豹稳反豢宽，凌 此就可以大大消除信号波形间的干扰。f ；i j 于在o f d m 系统中各个子信道的载波 相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不假减小了子载波间的相互干 挽，强对又撬麓了频谱剩髑率。 o f d m 技术属于多载波诵制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术。有些 文献上将o f d m 和m c m 混用，实际上不够严密。m c m 与o f d m 常用于无线 绩道，它 | 、j 的醒剐在于：o f d m 技术特搬姆信道划分成芷交的子信邋，频道利 用拳毒；舔m c m ，可敬莛受多种信遭赣分方法。 o f d m 技术的推出其实怒为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对 多裁波的调制用的，它的特点是各子载波相互难交，使扩频调制厝的频谱可以 摆豆重叠，麸露减，l 、了予载波耀懿穗互予撬。在怼每令载波竞戒诞涮数嚣，为 了增加数据的褥吐量，提商数据传输的速度，它又采用了一种日q 伟h o m e p l u g 的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的 攀个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外o f d m 之掰以备受关 注，英中一条鬃妥的嚣霞麓它可敬利爝鬻鼗缚立时爱变换，离敦倦立时交换 ( i d f t d f t ) 代替多载波调制和解调。 l 。2 。2o 垂d 溅浆发晨历史 6 0 年代的一些文献已经掇出了o f d m 的基本原壤。但是由予强时没有功 能强大的半导体器件，所以来能有效地实现这些想法。目前，即使是较复杂的 麓速率o f d m 馋输系统在技术上也已经可行，在频率选择性的无线髂道中应用 奔徭大优势。 o f d m 的新特性是不同的信号通过个快速傅立叶变换( f f t ) 联合产 生，而且各信母的频谱是相互交叠的，因而简化了信号的产生过程，提高了系 统载频避效率。 早在1 9 6 1 年就有人提出了一种码分炭用方案，采掰正弦和余弦黼数作为正 交信号 4 1 l 。产缴的信号已经研以与o f d m 信号类比了。但是对于这个方案本身 来讲，该系统与频分复用棚嗣韵这一事实并不重要，聪且该方案也没有认识到 它程频率选择佼僖遭上有侍么优越性。 1 9 6 6 年以来，各种文献【4 2 1 【4 3 1 1 4 4 1 都提出了频谱交叠的f d m 系统。接下来就 有了用离散傅立时变换( d f t ) 实现f d m 系统的提索【4 ”。最后，程1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 蠢e b e r t 撵出了一个完整熬o f d m 系统”q ，黩器震f f t 产懋痿号戮及 在多径信道中加入保护间隔，这就是下面将要讨论的系统。 进一步发展中，对o f d m 系统在平煅以及频率选择性衰落信_ i 酋下的性能进 弦了 寸论【4 7 l 。文献 4 8 1 提蹬穆o f d m 应愆到广播窝移动接投中。弼时，o f d m 俺输技术成为欧洲d a b 耜d v b t 标准静部分l 蜘。 1 2 3o f d m 与f d m a 、t d m a 的t 匕较 凌健逶信系统在频率遗臻毪信遭中广泛采用菝分笈翅按零( f d m ) 寒黉簸 8 墨呈奎兰三篓黧耋耋堡丝兰 信号，鼠本质上来讲f d m 先把信道繁宽分害l 成许多子信道，然霜褥多个速率 相对较低的信号分别调制程独立的子载波频率上进行传输，为了方便接收方分 离信号，备载波的中心频率排列的足够分散以避免频谱重叠，同时为了用滤波 瓣寒分离信号，善售号之瀚还安箨了窆豹颓氆溺疆，这样f d m a 系统静额谱翁 用率非常低，通常f d m a 系统中总频谱的5 0 是被浪费的。 通过使用带宽较大的信道时分复用技术( t d m ) 可以部分地解决以上问 慰，t d m a 系统串繇有建户镬蕊提冠黔售道，毽嫂凌吝塞筑对骧巾传送数握， 这样我们可以搀许多低速零的用户合并越来在革个信道中传输，因此频谱利焉 漆得到了提高。然而t d m a 存在两个主要的问题：1 由于信道分为很多时隙， 谯用户阐切换嚣要额夕卜的开销，这限制了每个信道巾的有效用户数目。2 由予 臻道要传输采鑫多个爱户黪信怠，每个嫠遂弱簿号逮攀交静缀离，这瘸导致较 为严重的多径时延扩展。 正交频分多路复用( o f d m ) 克服了f d m a 和了 d i v i a 系统中的绝大多数 鞠题，0 f d m 穗可赁豢赛分为许多个耀互正交黔警豢结道( 通鬻药1 0 0 ， 8 0 0 0 h z ) ，与f d m a 不丽，这些子信邋的载波频率稚剐的菲常紧密，相互之闻 没有空的频谱间隔，载波间的频率间隔等于符号速率，同时由于静子信道严格 保持正交，接收方可以准碉地分离出各个信号，这种载波排列给出了最佳的频 谱稠霜辜。o f d m 浚毒粟躅辩分复臻鹣黪要，西藏京鲻户滴切换辩不需要籁舞 的开销。o f d m 的一个熏癸特点就是它的正交性，载波的正交性懑味着在一个 符号周期内每个载波都有熬数个周期，因此每个载波的频谱在其他任何载波的 中心频率处鹭为零，这谨鼗渡耀裁不存亵予魏，辑以载波可以j j # 残熬尽量紧密 而不需要f d m a 系统中的缀谱间隔。o f d m 信号中镣个子载波的带宽都很窄， 因此符号速率也很低，这就意味着信母对于多径时娥的抵抗力非常强，只有时 惩非常大时( 大子5 0 0 u s ) 才会出现严爨嬲码间串扰。 1 2 4o f d m 的特点和优点 o f d m 技术比较突出的地方就是： f 1 ) 在零豢豢宽下也熬够发毫大霪鹣数据。o f d m 按术熊婀瓣分开至少 1 0 0 0 个数字倍弩，而且在于挠的信号周豳可以安全运行的能力将焱接威胁剽嚣 前市场上已缀开始流行的c d m a 技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有 了这静特殊的错号“穿透躲力”使得o f d m 技术深受欧洲通信萤遮商以及手机 象产商懿喜爱秘欢运，穰魏麓翻禳匿耍c i s c o 系统公褥、筑约f l a r i o n 工学蒺戳 殿朗讯工学院等开始使用，在加拿大w i ，l a n 工学院也开始使用这项技术。 f 2 ) o f d m 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于 复旦大学工学硕士学位论文 通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以o f d m 能动态地与之相适 应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信； ( 3 ) o f d m 技术可以自动地检测到特定的传输介质下哪一个载波存在高的信 号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来用指定频率的载波进行成功通 信； ( 4 ) o f d m 技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集或地理上突出的地方 以及将信号撒播的地区，希望删除多径影响的高速数据传输及播音的地方。 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： ( 1 ) 频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源 有限的无线环境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其 频谱利用率可以接近n y q u i s t 极限。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散到 许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影 响，若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间 干扰。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信 道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各 子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信 道少传送，劣质信道不传送的原则。 f 4 1 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本 身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域 均衡器。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 f 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采用i f f t 和f f t 来实现调制和解调，易用d s p 实现。 复旦大学工学颂十学位论文 第2 章m i m o 信道模型 转输接道特性很大程度上决定了竟带通信系统蝻性能。慰此，需要对 m i m o 无线移动信遵有个较深豁了解。该矮箴鹣磺究主要集中在两方蚕： ( 1 ) 广泛收集各种实验测麓的结果：( 2 ) 从这些测赞结果中推肆出信道的模 型。推导出的信道模型必须满足以下两个准则：( 1 ) 它们必须足够简单，以便 对象统戆基本缝缝遂雩亍分檬诗冀；( 2 ) 它韶必须与安际清瑷卡分接近。遴裁是 说用这些模型分析得出的性能必须与在实际的无线移渤信道中测爨的结果相吻 台。然而，这两个要求是互相矛盾的，所以人们建立了各种不同煎杂度和精确 度的模型对浆孝孛特定豹系统嚣言，也许些模型比其纯靛摸型更鸯氆适瑁。本章 将分柝m m o 信遒模垒并捺导出m m o 倍道容量公式。 2 1 多径衰落信道模型 魏栗穆一个瑾怒融簿蘩每辕入赘辩嶷多经售道孛，援教委静僚号会是一系 列脉冲。显然，这一系列脉冲在时间上的扩展范围怒多径衰落储道的重要特 征；另一个熏娶特征是信邋的时变性质。如果重复地向这一信道中输入脉冲信 鼍，由于接号在售遂孛传播鼹径兹变化，接牧到的脉净在辣津序歹中兹摆对延 遴以及脉冲个数将相应交亿。遴一步丽密，这些变化对于用户来淡楚不可预期 的。因此，我们有理由使用统计的手段来表征时变多裰信道。 以下我们糨逐步推演以褥劐信道的统计模型。一个窄带输入信号s 9 ) 和它 豹等效萋繁蘩弩s a t ) 之满豹关系霹戬崮虢下关系式表示： s ( f ) = r e i 葺( ，) p 胆帅f ( 2 1 1 ) 假定存在多蓉传播路缀，每条路径都可以用楣应的衰减因子翻路径时延来 袭示。密予传播路径静瓣爨特整，