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o f d m 系统中混合自动重传请求技术研究 摘要 随着信息产业的高速发展以及各种新型业务的不断涌现，人们对于无线通信系统中 数据传输速率和服务质量的要求越来越高。如何在既不增加系统带宽，又不降低数据传 输速率的条件下，最大限度的提高系统的可靠性，已成为当今无线通信领域研究者们越 来越关心的问题。 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种将高速数据流分配到多个正交的子载波上进行 传输的技术，具有易于实现、抗多径干扰能力强、频谱利用率高等优点、被一致认为是 下一代移动通信系统的必备技术之一。 混合自动重传请求( h a r q ) 技术是一种高效的差错控制协议，其充分利用了自动 重传请求( a r q ) 和前向纠错( f e c ) 两者的优点，不仅可以具有较小的时延，而且能 够有效提高系统吞吐量，因此受到越来越多的重视。本文的目标即设计适用于o f d m 系统的h a r q 方案，以此来实现通信系统可靠性和有效性的折中。 本文首先深入研究了速率兼容低密度奇偶校验码的校验矩阵删除算法与扩展算法、 基于o f d m 系统信道估计的自适应交织技术，并对其进行了一定的改进、能够平均同 一符号问各比特可靠性的星座重排技术等，基于系统的稳健性提出了o f d m 系统下基 于星座重排的一种新型p i r h a r q 方案，本方案通过自适应交织技术使重传信息获得频 率分集增益的同时，由于重传的码字中含有新的冗余信息，因此在接收端与先前码字合 并后会降低编码码率，从而获得译码增益。仿真分析表明该方案较其他h a r q 方案在 降低误码与时延、提高吞吐量方面有着明显的增益。 然后本文重新研究了l d p c 码的译码过程与非规则l d p c 码存在译码非均等错误保 护的特性，发现即使在译码失败的情况下，非规则l d p c 码中度数较高的变量节点所对 应的比特仍然有很高的正确译码概率。因此再次重传这些变量节点对应的比特，译码时 其能提供的外信息不会有明显的增加，所以本文结合o f d m 系统的子载波映射，提出 一种改进的基于l d p c 码度分布的h a r q 方案，该方案中重传比特选择度数处于中间 的变量节点。仿真分析表明该方案较重传度数最大的变量节点在误码率、时延和吞吐量 方面都有明显的增益。 关键词：低密度奇偶校验码；正交频分复用；混合自动重传请求；星座重排；自适应交 织 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r ya n dt h ec o n t i n u o u se m e r g e n c eo f n e wt y p e so fb u s i n e s s ，p e o p l e sd e m a n do fd a t at r a n s f e rr a t ea n dt h eq u a l i t yo fs e r v i c eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r h o wt oi m p r o v et h es y s t e m sr e l i a b i l i t y w i t h o u ti n c r e a s i n gt h es y s t e mb a n d w i d t ha n dr e d u c i n gd a t at r a n s f e rr a t e ，t h i sb e c o m e sa c o n c e m e dp r o b l e mf o rt h er e s e a r c h e r so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 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 s at e c h n o l o g yw h i c hd i s p e r s e sa l l i g hr a t ed a t as t r e a mt os e v e r a lo r t h o g o n a ls u b - c a r r i e r sf o rt r a n s m i s s i o n d u et oi t se f f e c t i v e o no v e r c o m i n gt h em u l t i p l ef a d i n ge f f e c t ，h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y 鹤w e l la st h ef e a s i b i l i t yo f l o w - c o s tt r a n s c e i v e ri m p l e m e n t a t i o n ，h a sb e c o m eo n eo ft h en e c e s s a r yt e c h n o l o g yf o rt h en e x t g 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 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) h a sb e e np r o v e dt ob e a l le r r o rc o n t r o l s c h e m ew i t hh i g he f f i c i e n c y , w h i c hu t i l i z e st h ea d v a n t a g e so ff o r w a r de r r o rc o n t r o l ( f e c ) a n da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( a r q ) t h i ss c h e m en o to n l yh a sas m a l lt i m ed e l a y , b u ta l s o c a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t ，s oi tr e c e i v e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h e g o a lo ft h i sp a p e ri st od e s i g nn e wh a r qs c h e m et h a ts u i t et oo f d ms y s t e m ，i no r d e rt o r e a l i z et h ec o m p r o m i s eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t y t h i sp a p e rf i r s t l yd e e p l ys t u d i e dt h ec h e c km a t r i xo fr a t ec o m p a t i b l el o wd e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e s p u n c t u r i n ga l g o r i t h ma n de x t e n d i n ga l g o r i t h m ，t h ea d a p t i v ei n t e r l e a v i n g t e c h n o l o g y w h i c hb a s e do nt h eo f d ms y s t e m s c h a n n e le s t i m a t i o na n dd os o m e i m p r o v e m e n tt oi t ，t h et e c h n o l o g yo fc o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n tw h i c hc a na v e r a g et h eb i t r e l i a b i l i t yo ft h es a m es y m b o l ，e r e t h i sp a p e rp r o p o s e dan e wp i r h a r qs c h e m ew h i c h b a s e do nt h ec o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n tu n d e rt h eo f d ms y s t e m t h er e t r a n s m i s s i o n i n f o r m a t i o no ft h i ss c h e m ec a ng e tf r e q u e n c yd i v e r s i t yg a i nt h r o u g ht h ea d a p t i v ei n t e r l e a v i n g t e c h n o l o g y , a l s ob e c a u s er e t r a n s m i s s i o nc o d e sc o n t a i nn e w r e d u n d a n ti n f o r m a t i o n , s oi nt h e r e c e i v e ra f t e rm e r g e rw i t ht h ep r e v i o u sc o d e s ，t h ec o d e sr a t ec a nb er e d u c e d ，t h e r e f o r et h e s c h e m ec a ng e td e c o d i n gg a i n s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h es c h e m eh a sas i g n i f i c a n tg a i ni n s y s t e mb e r , t i m ed e l a ya n dt h r o u g h p u tt h a no t h e rh u s c h e m e t h e nt h i sp a p e rs t u d i e da g a i nt h ed e c o d i n gp r o c e s so ft h el d p cc o d ea n dt h eu n e q u a l o f d m 系统中混合自动重传请求技术研究 e r r o rp r o t e c t i o no fi r r e g u l a rl d p cc o d e ，f i n d i n gt h a te v e ni nd e c o d i n gf a i l e d ，t h ev a r i a b l e n o d eo fi r r e g u l a rl d p cc o d ew h i c hh a st h el a r g ed e g r e es t i l lh a sh i g hc o r r e c td e c o d i n g p r o b a b i l i t y s oi ft h e s eb i t sw h i c hc o r r e s p o n d e dt ot h el a r g ev a r i a b l en o d ew e r er e t r a n s m i t t e d ， i tc a n n o tp r o v i d ea n y m o r en e wi n f o r m a t i o nt oo t h e rb i t s i nd e c o d i n g s ot h i sp a p e rp r o p o s e d a l li m p r o v eh a r qs c h e m eb a s e do nt h ed e g r e ed i s t r i b u t i o no ft h el d p cc o d e ，w h i c ha l s o u s e dt h eo f d ms y s t e m s s u b - c a r r i e rm a p p i n g t h i ss c h e m ec h o o s e st h em i d d l ed e g r e e v a r i a b l en o d e sf o rr e t r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i ss c h e m eh a sas i g n i f i c a n tg a i ni n s y s t e mb e t i m ed e l a ya n dt h r o u g h p u tt h a nt h es c h e m e w h i c hc h o o s et h el a r g ed e g r e e v a r i 2 i b l en o d e sf o rr e t r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：l o w - d e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e s ，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 ， h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，c o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n t ，a d a p t i v ei n t e r l e a v i n g 第1 章绪论 第1 章绪论 移动通信技术己成为当代通信领域内市场前景最广、发展潜力最大的热点技术。移 动通信已成为人们获取信息和进行交流不可或缺的重要工具，但移动通信的现状与人们 的需求还有很大的差距，从用户角度看，移动通信业务应更丰富多彩和个性化；从应用 角度看，移动通信与互联网正在紧密结合，有线互联网的所有应用都希望在移动通信中 实现。未来移动通信系统的目标是实现任何人在任何时间、任何地点、以任何方式与任 何人进行不问断的通信，而且将是数据、图像、语音等多种业务并存的多媒体通信。 1 i 移动通信的发展状况 1 9 世纪h e r t z 的电磁辐射实验开启了现代移动通信的大门，通过该实验人们发现不 仅电磁波而且电磁能量都是可以控制发射的。2 0 世纪2 0 年代工作于2 m h z 的美国底特 律警局专用移动通信系统，则是真正的移动通信技术发展的标志。第二次世界大战可以 说是无线通信技术发展的催化剂，大量无线通信系统在各参战国的使用，极大地促进了 无线通信事业的发展。二战后全世界开始了公众无线通信系统的建设，到目前为止，移 动通信的发展史可以划分为三代，第一代为模拟移动通信系统，第二代为数字移动通信 系统，第三代为多媒体移动通信系统。现在移动通信系统正向三代后或第四代超宽带移 动通信系统演进。 第一代移动通信系统是以模拟蜂窝为主要特征的模拟蜂窝移动通信系统，该时期的 主要技术是模拟调频和频分多址，使用8 0 0 9 0 0 m h z 的频段。具有代表性的系统有：北 欧的n m t - 4 5 0 9 0 0 、美国的a m p s 、德国的c - 4 5 0 9 0 0 、英国的t a c s 、日本的n a m t s 等。第一代移动通信系统的主要缺点是频谱利用率低；抗干扰能力差；无法与固定网向 数字化推进相适应；系统容量有限：存在多种系统标准，各系统间没有公共的接口，不 能实现漫游等。目前第一代移动通信系统已逐步被各国淘汰。 第二代数字移动通信系统( 2 g ) 起源于9 0 年代初期，是以数字传输、时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 为主体技术，业务包括电话和数据等窄带综合数字业 务。典型的代表有：欧洲的g s m 、美国的i s 9 5 、日本的j d c 。与第一代移动通信系统 相比，第二代移动通信系统有了很大的进步，但其也存在一些问题：系统带宽有限，限 制了数据业务的发展且不能实现多媒体业务；各国的标准不一致，无法实现各种体制之 间的全球漫游；频谱利用率低等。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第三代移动通信系统( 3 g ) 于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出，当时称为未 来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。典型的代表有：欧洲和日本的w c d m a 、美国 的c d m a 2 0 0 0 、中国的t d s c d m a 等。3 g 系统相对于2 g 系统在通信速度和质量上都 有了很大的提高，并可以支持多媒体和口类型的业务，然而3 g 仍然存在着一些问题： 主流3 g 标准均采用c d m a 技术，由于c d m a 受干扰、功率和频谱扩展的限制，很难 达到预想的频谱效率：3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了2 g 的电路交换，而不是纯i p 方式，传输效率不理想；3 g 的数据传输速率不够高，多媒体( 视频) 的应用差强人意； 缺乏全球统一的标准掣1 1 。 3 g 的现行标准中最大数据传输速率还是不能满足今后快速接入的需求，为此3 g p p 组织推出了3 g 长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 技术、3 g p p 2 组织推出了3 g 空中 接口演进( a i e ) 技术【2 1 。摩托罗拉、爱立信、诺基亚等一些通信产品制造商都在研究b 3 g 中提出了h a r q 、o f d m 、快速小区选择( f a s tc e l ls e l e c t i o n ，f c s ) 、多输入多输出 ( m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ，m i m o ) 等技术的建议。 1 2l d p c 码的研究历程 低密度奇偶校验码( l d p c ) 码是由麻省理工学院的r q g a l l a g e r 在1 9 6 2 年提出的 一类可以用非常稀疏的校验矩阵h 或二分图来描述的线性分组纠错码，也被称为 g a l l a g e r 码1 3 j 。g a l l a g e r 证明了l d p c 码具有良好的汉明距离特性，是满足g v 限的渐进 分组好码，并且经迭代译码后的比特错误概率随码字长度的增加而呈指数降低，但由于 当时的计算机发展水平有限，硬件实现困难，l d p c 码未被认为是实用码字，在很长一 段时间没有受到人们的重视。经数十年的沉寂，直到1 9 9 5 年，m a c k a y 和n e a l 重新发 现了它，并且证明了l d p c 码在基于置信度传播算法的迭代译码条件下具有逼近 s h a n n o n 极限的性能。 t a n n e r 在1 9 8 1 年首次提出用图的模型描述码字的思想，并从理论上实现了双向二 分图( t a n n e r 图) 与l d p c 码校验矩阵的对应 4 1 。1 9 9 8 年m a c k a y 与d a v e y 提出了有限 域o f ( q ) 上的l d p c 码l s ! ；l u b y 等人在1 9 9 8 年基于非正则t a n n e r 图提出了一种l d p c 码1 6 1 ，同时很多研究人员也开始利用置换方法、实验设计、几何方法等代数法构造l d p c 码。构造性能良好的l d p c 码可以从以下两个方面着手：一是构造综合性能优越的码字： 二是寻找构造好码的分析方法。b a n i h a s h e 和ym a o 在分析了码字性能基础上，提出采 用围长( g i r t h ) 的分布来设计l d p c 码的理论1 7 1 。x i a o y uh u 提出的渐进边增长p e g 2 第1 苹绪论 i l l ( p r o g r e s s i v ee d g e g r o w t h ) 算法，不仅可以构造正则和非正则的l d p c 码【引，而且通过 对围长的优化，可以消除短环。u r b a n k e 和r i c h a r d s o n 等在总结了l u b y 分析方法的基 础上，提出了密度进化理论唧，分析了置信度传播译码下的l d p c 码的码容量，不但论 述了有效的l d p c 码的编码方法，而且设计出了接近香农限的非规则l d p c 码。近年来 l d p c 码的很多研究成果充分表明l d p c 码是一类性能优异的纠错好码。在技术上与 t u r b o 码相比l d p c 码更具优势，l d p c 码对于高性能要求和高数据传输率的未来通信 系统适应性更强，由于l d p c 码被重新发现的时间较晚，所以其在第三代移动通信标准 方案中未被采用，但是第四代移动通信系统却极有可能采用性能优越的l d p c 码作为编 码方案【l0 1 。目前l d p c 编码方案已被很多系统采用：在设计面向双绞线的l o g b i t s 的以 太网标准“1 0 g b a s e t 的草案时，i e e e8 0 2 3 a n 工作小组就采用了l d p c 码作为编码 方案；i e e e8 0 2 1 1 n 无线局域网标准采用了l d p c 纠错编码技术作为信道编码；中国数 字地面电视广播标准采用准循环低密度校验码作为其信道编码的内码等等。 1 3o f d m 发展过程 正交频分复用( o f d m ) 作为多载波传输方案的一种，既可以被当作是一种复用技 术，可以被当作是一种调制技术。2 0 世纪5 0 年代中期开始出现o f d m 技术的思想，频 分复用和数据并行传输的概念在6 0 年代得以成形，有关o f d m 的第一个专利于7 0 年 代被发表。第一个多载波调制系统是由美国军方于二十世纪五六十年代创建的，但是由 于受到射频功放线性要求高、实时傅黾叶变换设备复杂度高和收发机振荡器稳定性差的 限制，o f d m 技术的实用性在相当长的一段时间内都受到了限制。随着o f d m 技术的 不断成熟和大规模集成电路的出现，8 0 年代后的数字移动通信的舞台上终于出现了 o f d m 技术的身影。对于多径传播所引起的符号间干扰，o f d m 技术有很强的抑制作用， 所以o f d m 技术已被应用到基于非对称高比特率数字用户线技术的有线电话网、基于 i e e e 8 0 2 1 l 标准的无线本地局域网( w l a n ) i l l 、数字音频广播( d a b ) 【1 2 1 、数字视 频广播( d v b ) i i 川等系统中。1 9 9 9 年1 2 月，包括n o e a 、l u c e n t 和e r i c s s o n 在内的7 家公司为了制定一个基于o f d m 技术的全球性统一标准，发起了国际o f d m 论坛。随 着o f d m 技术在无线通信系统中的广泛应用，该技术也引起了国内通信界的重视，目 前我国信息产业部也加入了国际o f d m 论坛。同时越来越多的研究人员致力于o f d m 技术在移动通信领域应用的研究，在无线宽带接入及4 g 中，o f d m 技术都将成为继 c d m a 技术之后的又一核心技术。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 4h a r q 的发展历程 在未来的移动通信中，随着通信服务质量的提高和业务的不断扩展，对移动通信的 可靠性提出了更高的要求，而目前的差错控制技术主要有前向纠错( f e c ) 、检错加自 动重发请求( a r q ) 和混合自动重传请求( h a r q ) 。2 0 世纪7 0 年代开始就有一批研究 人员对h a r q 进行了前期的研究。主要有：m j m i l l e r s u m m a r y 研究了选择重传在接收 端有限寄存器情况下的性能：d j c o s t e l l o j r 深入研究了三种h a r q 方案应用卷积编 码方案在动态信道中的性能和a r q 方案在无线移动信道中的数据传输性能。2 0 世纪9 0 年代和2 1 世纪初，h a r q 的研究主要以s a m i r k a l l e l 为代表，他重点研究了t y p e h 型 h a r q 码合并译码方法，并且由此引发了人们对速率兼容的删除卷积码的研究热情 1 4 , 1 5 】。同时，将各种技术与h a r q 相结合应用在不同环境下的研究也不断深入，k r i s h n a r n a r a y a n a n 研究了将t u r b o 码应用到h a r q 中的方法；d o u g l a sn r o w i t e h 研究了自 适应码率的删除t u r b o 码在h a r q 系统中的应用【1 6 嵋1 ；a b d e l g h a n ia d a r a i s e h 研究了 在突发错误信道中的h a r q 包合并技术：h a n s j i i r g e nz e p e m i c k 研究了突发错误信道中 a r q 的可靠性和吞吐量；随后h a r q 在空时编码和m i m o 信道中的性能研究【1 9 2 0 ， h a r q 在r a y l e i g h 信道中的性能研究相继出现。近期，随着人们对自适应技术的深入研 究，自适应编码调制技术和混合自动重传请求技术都得到了广泛的发展，从而研究的重 点开始转向跨层联合设计。如q i n g w e nl i u 、d a l e iw u 对物理层和数据链路层联合设计 的研究：x i a o j u nl i n 做了不完善的调度方案对无线网络跨层设计的拥塞控制影响的研 究；q i n g h ed u 和x iz h a n g 对移动传播无线网络资源优化设计的研究。现在，h a r q 己作为b 3 g 的一项关键技术被摩托罗拉、诺基亚、爱立信等在内的一批通信产品制造 商所采用。h a r q 不仅会给我们带来更高的服务质量( q o s ) 保证、带来更加广泛的移 动通信的业务种类，而且相信在不久的将来，还会有更多新的通信技术应用h a r q 技 术。 1 5 论文的内容安排 本论文共分六章，其结构安排如下： 第一章主要讲解了移动通信的发展状况，并对l d p c 码的研究历程、o f d m 技术的 发展过程以及h a r q 技术的相关内容作了介绍。 第二章首先研究了o f d m 系统的基本原理，并对o f d m 系统的各种关键技术进行 了介绍，然后对常用的最小均方误差估计和最小二乘估计的信道估计算法进行了研究。 4 第1 章绪论 第三章首先研究了h a r q 技术的各种重传机制，并对其中使用的前向纠错编码 l d p c 码进行了研究，介绍了l d p c 码的定义及编译码方法，并给出了不同迭代次数和 规则l d p c 码与非规则l d p c 码的仿真。 第四章首先详细研究了o f d m 系统与h a r q 技术相结合，可采用的各种关键技术， 如速率兼容低密度奇偶校验码、星座重排、自适应交织等。提出了一种基于星座重排的 新型自适应p i r h a r q 方案，然后对方案进行了讲解并给出了仿真验证。 第五章首先研究了l d p c 码的密度进化的理论，由密度进化理论可以得到非规则 l d p c 码的优化分布对，接着重新研究了l d p c 码的译码过程和非规则l d p c 码不均等 错误保护的特性，结合o f d m 系统自身的特性，提出了一种改进的基于l d p c 码度分 布的子载波映射h a r q 方案，针对该方案并做了相应的仿真分析。 第六章是对全文的总结，首先概括了本论文的主要工作和研究成果，然后指出了下 一步的研究方向。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章o f d m 系统的基本原理及其关键技术 o f d m 的思想最早产生于2 0 世纪6 0 年代【2 l 】，由于系统实现设备的复杂度较高，受 当时科技发展的限制，所以没有得到广泛应用。s b w e i n s t e i n 于2 0 世纪7 0 年代发现 多载波调制可以用离散傅罩叶变换实现，从而奠定了o f d m 技术实用化的理论基础； 此后l j c i m i m 对移动通信中采用o f d m 技术存在的问题进行了研究并给出了解决办 法。经过无数研究人员的努力才使得o f d m 技术在移动通信中得到了广泛的应用，在 b 3 g 4 g 移动通信标准，o f d m 也将占有重要地位田儿驯。 2 1o f d m 系统的基本原理 2 1 1o f d m 系统基本模型 正交频分复用( o f d m ) 是一种子载波相互混叠的多载波调制( m c m ) 技术，不 仅具有较强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力，而且其频谱利用率较高。o f d m 系统中 虽然各子载波在频域相互混叠，而在时域中却是相互正交的，因此在接收端可以被正确 的分离出来。o f d m 系统的框图如图2 1 所示： 图2 1o f d m 系统框图 o f d m 符号的表达式如下所示： 一l s ( ，) = d , r e c t ( t - t , - t 1 2 ) e x p ( j 2 n f ( t r j ) ) ，f + 丁 ( 2 - 1 ) i = o 其中：r 每个o f d m 符号的时间( 周期) 长度； n - - - - - o f d m 系统中子载波的个数： 6 第2 覃o f d m 系统的基本原理及其关键技术 z 每个信道分配的数据符号； f 第i 个子载波的载波频率； r e c t ( t ) 矩形函数，r e c t ( t ) = 1 , i t l s t 2 。 s ( t ) = 0 ，r r + ，f ( 2 2 ) 式中：z 在一个完整的o f d m 符号周期内，每个子载波都包含整数倍个周期， z = 正+ i t ，且相邻的子载波间的周期差值为1 ，各子载波间的正交性证明如下：假设 接收端对第个子载波进行解调，取积分区间为一个o f d m 符号长度丁，即 乏= ；j ：- + r e x p 一2 万手。一， 篓珥 一一，2 石手。一， 打 = 亍i 缶n - i zr c x p i 伽孚( ，- ，l 巾= 嘭 ( 2 - 3 ) 从式( 2 3 ) 可以看出，在积分区间内仅第，个子载波可以解调出来，由于其它子载波在 积分间隔内与第_ ，个子载波相差整数倍个周期，所以其它子载波积分结果都为零。由此 可见，o f d m 信号的频谱是满足奈奎斯特准则的，从而可知o f d m 系统中各子载波不 存在相互干扰【2 4 】。 2 1 2 保护间隔和循环前缀 假设某时刻输入的符号块序列为 屯，x k 小，耳一州 ，则其对应的输出可以用矩阵表 一l 不为： 0 h o o 啊 0 h o 0 0 0 + 一i ： ( 2 4 ) 由于多数信道具有记忆特性，所以会导致接收端输出不仅与当前的输入有关，而且 会与上次输入数据的后肘个输入数据有关，即所谓的块间干扰。为消除块间干扰一般 在o f d m 符号间插入保护间隔，且最大时延扩展要小于插入的保护间隔的长度。即在n 个传输数据后加上m 个0 。如图2 2 所示： 7 + 4 州坼；以+ 一 州儿儿；儿 哈尔滨t 程人学硕+ 学位论文 l 竺皇塾塑竺一 x ox i x n x , v 一2x n i i 一 保护间隔 一i r 共m 个。 一i 弋7 共m 个o弋 0 00 x ox i x n h x n 一2x a , 一i i 垫叁堡塑鲤堕塑丛! ! 堕墼堡垫一 图2 2 插入保护间隔示意图 在无线通信环境中，多径传播的影响是必须考虑的一个因素，因为其会产生o f d m 系 统中子载波问的干扰，从而使相邻子载波间不在相差整数倍个周期，所以当接收端对当 前子载波进行解调时，其会受到相邻子载波的干扰。 p e l e d 和r u i z 采用在o f d m 符号中加入循环前缀的方法来解决由于多径干扰引起的 非正交性问题，进而克服子载波间干扰。加入c p 后输入输出的关系如式( 2 5 ) 所示： j j l k 00 0 i ，i k 0 0 0 啊k 0 0h o i 0 0 啊0 0h o 插入c p 后的数据块模型如图2 3 所示： + n 点教据块 而毛粕埘x a , 一2h i i 一 循环前缀 i i 一一i 弋。7 h 一h 一：h 一。 x o 黾x n m x n 一2x n 1 n k i ： ( 2 5 ) 图2 3 将c p 加入保护间隔 由图2 3 可知，采用循环前缀后，只要o f d m 系统中保护间隔大于多径时延，则接 收端信号在进行n 叮运算间隔内就不会发生相位跳变，即o f d m 系统中各子载波间的 正交性不会遭到破坏1 2 4 1 。 8 + 一 州气坼；黾 + o 州 儿欺； 第2 章o f d m 系统的基本原理及其关键技术 2 2o f d m 系统的关键技术 o f d m 系统的关键技术主要有降低峰均功率比技术、定时同步技术、自适应技术、 信道估计技术等，具体介绍如下： 1 ) 降低峰均功率比技术 o f d m 符号是由多个经过调制的独立的子载波信号叠加而成，在某一时刻，若相加 的各子载波具有相同的相位，就会产生比较大的峰值功率，从而会出现较大的峰值平均 功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o n ，p a r ) ，可定义峰值平均功率比为 m a x 舨1 2 l p a r ( d b ) = 1 0 1 9 7 一 ( 2 - 6 ) e i x l j 式中，表示经过i f f t 运算之后所得到的输出信号，即毛= 吉以咄，- - e 7 2 州。 对于一个没有调制的载波的p a r 为o d b 。此外，还可以用峰值系数( c r e s tf a c t o r ) 来描 述信号的峰值变化，其定义为最大信号的幅值与方均根值之比： 凹- 1 0 l g 菩婴 ( 2 - 7 ) z 对于未经调制的载波来说，其峰值系数为3 d b 。用p a r 描述和用c f 描述存在3 d b 的差 异同样也适用于其他的调制方式。 由于产生大峰均比值的概率并不大，所以可以去掉产生大峰均比值的o f d m 信号， 从而避免产生大的峰均比值，但直接去掉大峰均比值对应的o f d m 信号会影响信号的 性能，所以通常采用以下三种途径解决峰均比问题： ( 1 ) 限幅技术：首先要设定一个理想的峰值功率门限值，若该门限值大于信号功 率值，则信号可以保持原幅度传输：若该门限值小于信号功率值，则信号幅度会被消减 为门限值进行传输。该技术相当于o f d m 符号在功率的峰值处乘以矩形窗函数，从而 使信号发生畸变来达到控制信号功率的。对于突发干扰o f d m 技术具有良好的抵抗性 能，所以该方法对o f d m 技术性能的影响较小。由于该方法效果较好且实现简单【2 5 1 ， 所以该方法已被无线局域网和城域网标准使用【2 6 1 i ”1 。 ( 2 ) 编码类技术：基于编码的峰均比抑制技术，是在调制方式之前对二进制信号 进行编码，以达到降低p a p r 的目的。根据具体的编码方式和使用码字集的不同，编码 方法可以分为两大类：一是构造新的码字集合降低p a p r ，如短码构造法；二是从已经 生成的码字集合中选择可用的码字降低p a p r ，如线性分组码法。在理论上该方法是行 得通的，但究竟要采用那种方法用于实际系统中还处于研究阶段【2 8 】。 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 ( 3 ) 概率类技术：概率类技术着眼于降低峰值出现的概率，从而达到降幅的目的。 这一类技术需要传送一定量的边信息，而且边信息需要使用纠错能力较强的信道编码予 以保护。信道主要的方法包括选择映射、部分传输序列、冲激整形等。 2 ) 定时同步技术 载波同步是要求在o f d m 系统中收发两端使用相同的载波频率。发送端和接收端 之间载波频率的任何偏差都会产生相位噪声，从而引起载波间干扰。收发两端载波频率 的偏差对单载波系统中的信号只会产生幅度衰落和相位旋转，而这些影响都可以通过均 衡得到消除；收发两端载波频率的偏差会使多载波系统产生子载波问干扰，对于o f d m 技术要求各子载波间保持严格同步的系统而言，载波的频移会带来更严重的影响。 因此收发两端的载波同步，必须在对o f d m 信号进行解调之前完成。实现载波同 步，必须首先找到最佳的采样时刻和o f d m 符号的边晃，最大化的降低载波间干扰和 码间干扰，其次，必须准确估算出载波频偏值，从而弱化载波间干扰。在o f d m 系统 中主要包括如图2 4 所示的3 种同步方式： 图2 4o f d m 系统中的同步不意图 ( 1 ) 符号同步：接收端接收到的符号序列具有与发送端相同的周期，首先对于每 个符号的起止时刻进行确定，然后实现接收数据的帧同步和块同步 2 9 j 。 ( 2 ) 载波同步：接收端需要得到一个与发送端调制时同频同相的载波，来进行相 干检测和同步解调。 ( 3 ) 样值同步：该方案可以分为样值频率同步和样值定时同步两类。 a ) 样值频率同步：确保收发两端具有相同的采样频率。 b ) 样值定时同步：确保接收端能够正确区分每个样值符号的起止时刻。 上述同步技术中，样值频率同步和载波同步相对于样值定时同步和符号同步重要性 要大，后者只会引起接受符号相位的旋转，从而可知样值频率同步和载波同步是o f d m 1 0 第2 章o f d m 系统的基本原理及其关键技术 - - 1 1 1 置雹置_ _ _ 一 系统同步的关键【2 4 1 。 3 ) o f d m 系统的自适技术 o f d m 系统实际上是把一个具有频率选择性的宽带信道划分为若干个平坦的窄带 子信道，进而o f d m 系统可以根据各个子载波的信道状态值进行信息比特和发送功率 的灵活分配，以此可以提高无线信道资源的利用率。实际应用中，可以调节编码方式、 发送功率、扩频增益、信令带宽和调制方式等o f d m 系统参数。 4 ) 信道估计技术 在无线通信系统中，信道的频率响应和时域响应都具有时变特性，而且多径传播会 引起无线信道的频率选择性衰落，即o f d m 系统中各子载波会受到不同程度的衰落， 从而会导致各子载波上的信号出现非均匀性的畸变，为此需要采用信道估计来克服由于 多径传播和衰落对系统性能的影响。信道估计技术首先对信道频域或时域响应进行估 计，然后对接收到的数据进行修正，从而获得相应的检测增益。 o f d m 信道估计根据处理域的不同，可以分为频域信道估计和时域信道估计两种， 前者在f f t 变换之后主要对信道的频率响应进行估计；后者是在f f t 变换之前，对信 道的脉冲响应进行估计。也可以对信道的时域和频率进行联合估计，从而充分利用信号 频域和时域的各自优点。 o f d m 信道估计根据利用估计资源的不同，又可以分为以下三大类： ( 1 ) 基于判决的信道估计：该估计方法对当前时刻的信道响应进行估计的时候， 需要用到先前符号的信道估计值，即相当于接收机中存在一级负反馈。信道估计的性能 很大程度上依赖于接收机判决结果的准确性，所以要得到较好的估计值，必须要保证接 收机判决具有较高的精度。通常为了提高该估计方法的性能，需要在o f d m 符号中加 入一定的导频信息【2 8 1 。 ( 2 ) 基于导频辅助的信道估计：该估计方法是通过在o f d m 符号的频域或时域插 入一定数量的导频来实现的，并且整个信道的完整响应也可通过已知点上的信道响应值 得到。此种信道估计方法根据导频分布情况的不同，可以分为一维和二维两类，一维估 计方法是仅在频域或时域中插入导频信号，二维估计方法则是在频域和时域两个方向都 插入导频信号，所以该方法能更好的估计出信道值。关于导频信号的插入，可以让其占 用某些o f d m 符号的所有子载波，即导频信号独立构成o f d m 符号；也可以使导频信 号仅占用部分子载波，即数据信号和导频信号共同构成o f d m 符号；有些o f d m 系统 还可能在时域利用训练序列进行信道估训2 引。 ( 3 ) 半盲或盲信道估计：该估计方法进行信道估计时不用传输已知数据，所以具 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 有很高的数据传输速率，适用于要求高传输速率的数字移动通信系统中。该方法的缺点 就是计算复杂度较高，而且收敛速度较慢，从而不利于实际应用。半盲信道估计是利用 少量已知数据进行的盲信道估计算法，相比于盲信道估计算法，该方法在保证信道估计 性能的同时，可以得到较快的收敛速度1 2 8 1 。 上述三类o f d m 信道估计方法中，目前应用最广泛的是基于导频辅助的信道估计 算法，该算法复