（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的链路自适应技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 多载波调制能够有效地对抗多径传播，使得受到干扰的信号能够被可靠接收。 正交频分复用( o f d m ) 是一种高效的多载波调制技术，通过将实际信道划分为若干 子信道，可以根据各个子信道的实际传输情况灵活地分配发送功率和信息比特， 以便更加有效地利用无线频谱资源。目前，由于o f d m 系统中的链路自适应技术 能够大大提高无线通信系统的频谱效率和可靠性，因此已经引起人们越来越多的 关注。 本文在对o f d m 技术原理和自适应技术的研究基础上，重点针对单用户及多 用户中自适应分配算法在b 3 g 系统下进行了分析。在单用户情况下，首先对一种 次优的比特分配算法进行了分析，考虑到其中的c a m p e l l ob t i g h t e n 算法由于前面 一步的影响需要进行较大运算量的查找和比较。改进算法对第一步进行了调整， 仿真结果表明，两种算法的性能都优于静态分配算法，改进算法在保证了性能的 同时，在计算复杂度上面比原次优算法有一定幅度的提高。 在多用户情况下，不同用户被分配不同的子载波而不是共享子载波。最优分 配算法的计算复杂度很高，本文对s e n s i b l eg r e e d y 资源分配方法中的b a n d w i d t h a s s i g n m e n tb a s e do ns n r ( b a b s ) + r a t ec r a v i n gg r e e d y ( r c g ) 算法重点进行了研 究，并且对其从计算复杂度、公平性和总速率( 容量) 三个方面进行了分析和改 进，分别提出了2 种改进算法，从仿真可以看出，改进算法可以有效提高o f d m a 系统的性能。 关键词：自适应，正交频分复用，资源分配，子载波分配，公平性 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i c a r r i e r sm o d u l a t i o n ( m c m ) c a ne f f e c t i v e l yr e s i s tm u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，t h u st h e d i s t u r b e ds i g n a lc a l lb er e c e i v e dr e l i a b l y 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 sak i n do fm c mt e c h n i q u eo fh i 曲e f f i c i e n c y b yd i v i d i n gr e a lc h a n n e li n t o s e v e r a ls u b c h a n n e l s ，t r a n s m i s s i o np o w e ra n db i t sc a nb ea l l o c a t e df l e x i b l ya c c o r d i n gt o e a c hs u b c h a n n e l st r a n s m i s s i o nc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，r a d i of r e q u e n c yr e s o u r c ec a nb e u s e dm o r ee f f i c i e n t l y a tp r e s e n t ，a sl i n ka d a p t a t i o nt e c h n i q u ei no f d ms y s t e mw i l l i m p r o v ef r e q u e n c ye f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , m o r ea n dm o r e a t t e n t i o na r ep a i dt o i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a d a p t i v ea l l o c a t i o na l g o r i t h m si nb 3 gs y s t e ma r ea n a l y z e d f o c u s e dt o w a r d ss i n g l eu s e ra n dm u l t i u s e r s ，w h i c hi sb a s e do no f d mt e c h n i q u e p r i n c i p l ea n da d a p t a t i o nt e c h n i q u er e s e a r c h i ns i n g l eu s e rc o n d i t i o n , as u b - o p t i m i z a t i o n b i ta l l o c a t i o na l g o r i t h mi sa n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h el a r g ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo f s e a r c ha n dc o m p a r i s o ni nc a m p e l l ob t i g h t e na l g o r i t h mb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo f p r e v i o u ss t e p ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h mm a k e sa na d j u s t m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a ts y s t e mp e r f o r m a n c e so fb o t ha d a p t i v eb i ta l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r eb e t t e rt h a nt h a t o ff i x e db i ta l l o c a t i o nf l g o f i t h m t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi n s u r e ss y s t e mp e r f o r m a n c e ； m e a n w h i l ei th a sac e r t a i ni m p r o v e m e n to nt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt h a nt h e o r i g i n a ls u b - o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m i nm u l t i u s e r sc o n d i t i o n ，u s e r sa r ea s s i g n e dd i f f e r e n ts u b c a r r i e r si n s t e a do fs h a r i n g t h e m t h e o p t i m i z a t i o n a l l o c a t i o na l g o r i t h mi s c o m p u t a t i o n a l l yd e m a n d i n g ，s o b a n d w i d t ha s s i g n m e n tb a s e do ns n rf b a b s ) a n dr a t ec r a v i n gg r e e d y ( r c g ) a l g o r i t h m i ns e n s i b l eg r e e d yr e s o u r c ea l l o c a t i o na p p r o a c hi sr e s e a r c h e di nt h i s d i s s e r t a t i o n c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , f a i r n e s s ，a n dt o t a lr a t e ( c a p a c i t y ) a r ea n g l e d t w oi m p r o v e da l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d f r o ms i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ek n o wt h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h m si m p r o v e do f d m as y s t e mp e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：a d a p t 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 ) ，r e s o u r c e a l l o c a t i o n ，s u b c a r r i e r sa l l o c a t i o n ，f a i r n e s s i l 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近些年来，无线通信已经渗透到生活的方方面面，从蜂窝网到无线数据网络， 人们对无线通信系统的数据速率要求越来越高。进入二十一世纪以来，无线通信 技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种实时多媒体业务需求的增 加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信技术将会具有更高的信 息传送速率，为用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根本的变化。目前普 遍的观点是，下一代的无线通信网络将是基于统一的i p v 6 包交换方式，向用户提 供的峰值速率超过1 0 0 m b i t s s ，并能支持用户在各种无线通信网络中无缝漫游的全 新网络。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无线 通信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。 移动通信发展到今天，已经形成了第三代标准的格局，即：w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种制式。3 g 系统是一个综合系统，它包括综合业务 数据网i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) 和多媒体等多种业务、地面通信系 统和卫星通信系统、几十米的微小区和几百公里的卫星小区，多种空中接口和接 入方式及向高低速移动用户提供服务等内容。这是一个高度智能、全球覆盖、具 有个人服务特色的移动通信网，“具有个人服务特色 是第三代移动通信系统的本 质特征。 随着第一代、第二代、以及第三代移动通信系统的发展，很多新的传输技术不 断出现，用于满足人们对通信系统更高传输速率、更高频谱利用率的需求，如 c d m a 技术、r a k e 接收技术、多用户检测技术、分集合并技术、智能天线技术等。 这些技术能在一定程度上减小无线环境信道对信号造成的衰落影响，但是对于宽 带信号，无法从根本上解决信号在无线信道中经历的衰落问题，系统仍需复杂的 均衡技术来抵抗衰落的影响。众所周知，由于移动环境下信号的多径传播以及接 收台和基站之间的相对运动的影响，无线信道呈现频率选择性衰落和时间选择性 衰落特性。对于宽带信号，由于信号周期较短，由多径传播造成的符号间干扰( i s i ) 尤为严重，频率选择性衰落明显，是造成系统性能下降的重要因素。而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 ，正交频分复用) 技术能够有效地对 抗无线信道的频率选择性衰落【l 】，不需要复杂的均衡技术，通过引入符号前缀能够 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 消除i s i 的影响，并且能够达到很高的频谱利用率，正是这些优点使得o f d m 技 术成为目前广泛研究的热点，被认为是下一代无线通信系统中最关键的技术【2 】。目 前o f d m 作为核心技术已被多种有线和无线接入标准采纳： a d s l ，被广泛应用于提高铜双绞电缆用户的接入能力； 在无线局域网领域的i e e e8 0 2 1 1 a 、h p e r l a n 2 ； 欧洲数字音频广播( d a b ) 和数字视频广播( d ) ； 无线城域网标准i e e e8 0 2 1 6 a 等。 同时，o f d m 除了作为一种传输技术，还具有支持多用户接入的能力。 与传统的单载波系统和c d m a 系统相比，o f d m 系统的主要优势在于： 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； 抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的 信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使o f d m 对脉冲噪声( i m p u l s en o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载 波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和 信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时 域均衡器： 适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情 况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率 高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有， o f d m 加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上 以高速率进行传送。因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输； 抗码间干扰( i s i ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最 主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰 的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码 间干扰。o f d m 由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 系统的主要缺点在于： 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高； 多载波系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p a r ) ，使得它对放大器 的线性要求很高【3 】。 频带资源是无线通信中最宝贵的资源，随着人们对无线数据业务需求的快速增 长，如何在有限的带宽上最大限度地提高数据传输速率，也就是如何最大限度地 提高频带利用效率，逐渐成为移动通信的研究热点。链路自适应技术( l i n k 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 a d a p t a t i o n ) 正是由于在提高数据传输速率和频谱利用率方面有很强的优势，从而 成为目前和未来移动通信系统的关键技术之一。将自适应技术和o f d m 相结合， 除了在传统的时间域上进行自适应之外，还可以很容易地利用多载波系统中的频 率域，即根据信道情况在不同的子载波上使用不同的调制方式和发送功率。更进 一步，在多用户o f d m a 系统中，不同用户所在的位置不同，信道条件也就不同， 因此可以进行子载波的自适应分配，即根据各个用户在各个子载波上的实际传输 情况灵活地为每个用户分配所需的子载波，从而更加公平有效地将无线资源分配 给共享无线媒体的多个用户。这种技术也可以称为多用户分集。 1 2 自适应技术的发展现状及应用情况 1 2 1 自适应技术的发展现状 对于单用户o f d m 系统而言，注水算法已经公认为可以很好的解决子载波和 比特分配问题，其目标是最大化信道容量。在多用户o f d m 环境下，子载波和比 特的分配问题要比单用户o f d m 环境复杂得多。 链路自适应技术在很多实际系统中得到了应用。表1 1 列出了目前移动通信系 统中主要使用的自适应技术1 4 j 。 h a y e s 在1 9 6 8 年就提出的自适应准则，也是自适应技术的开端【5 1 。 表1 1 自适应技术分类及其应用情况 类别技术名称实际应用系统 自适应天线阵t d s c d m a 自适应接收技术 自适应均衡 g s m 、i s 1 3 6 i s 9 5 、w c d m a 、 功率控制 c d m a 2 0 0 0 自适应调制 g p r s 、e d g e 、h s d p a 、 自适应发送技术 8 0 2 1la 、h i p e r l a n 2 自适应编码同上 可变扩频增益w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应发射天线分集w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应无线资源管理技术动态信道分配 p h s 、d e c t h a y e s 提出使用传输功率的自适应，而c a v e r s 6 1 提出根据接收信道质量采用变 化的符号长度。变功率技术的缺点是它会提高平均发送功率要求和对其他用户的 共信道干扰( c c o ，同时要求使用线性度较高的a 类或a b 类功率放大器。而变符 号速率则会引起带宽的变化，同时硬件实现也比较复杂。 相比于上面两种方法，自适应调制是利用衰落的更简单有效的方法。s t e e l e 和 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 w e b b 7 】提出了基于星形q a m 的自适应调制技术。 t o r r a n c e 和h a n z o 8 】提出了基于切换电平的自适应调制，用于获得较高的每符号 比特数，而保持目标平均误比特率( b e r ) 不变。c h o i 和h a n z o 9 】进一步提出，在高 信道s n r 的条件下，降低模式切换门限，鼓励使用高阶调制方式，就可以获得更 高的数据速率。t a n g 1 0 】进一步提出，用智能学习的方法来适当修正自适应调制中 的切换门限。一般的自适应调制只是在时间域上进行，即由于信道时变，调制方 式随时间进行相应的变化。但是随着多载波o f d m 和多天线技术的使用，未来4 g 系统有多个信号域，即o f d m 系统中的频率域和多天线系统中的空间域。 k e l l e r 和h a n z o 1 1 】提出了自适应多载波调制，同时提出了以子带为单位进行自 适应调制的概念。另外有很多学者提出了将自适应调制用于o f d m 系统中的自适 应算法【1 2 】。g r u n h e i d 和r o h l i n g 【1 3 】则研究了o f d m 系统中的自适应调制与多址方 式，并进行了性能比较。 1 2 2 自适应技术的应用情况 自适应技术在2 0 世纪6 0 年代末就已经被提出，但在当时并没有引起人们的注 意，主要是由于硬件的限制及缺乏良好的信道估计技术。直到二十世纪9 0 年代， 随着技术的发展，这些限制逐渐得到解决，因此自适应技术再次成为研究的热点， 并在各种实际的移动通信系统中得到广泛应用。 ( 1 ) 链路自适应技术在c d m a 2 0 0 0l x e v 中的应用 3 g p p 2 中c d m a 2 0 0 0i x 标准的演进，主要分为两个阶段：l x e v - d o ( d a t ao n l y ) 阶段，数据业务和话音业务采用不同的信道并行传输，高通、朗讯、爱立信等公 司提出的h d r ( 高速数据速率) 技术，已成为该阶段的唯一技术标准，可以支持 峰值速率为2 4 m b i t s s 的高速数据业务。h d r 最突出的特点就是将数据和话音相 分离，采用专用信道传输数据。h d r 将全部的系统资源( 包括带宽和码资源) 进 行动态分配以提高系统能力；动态控制数据速率，使处于有利位置的用户得到尽 可能高的速率。下行业务信道采用多种编码方案，包括q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m ， 得到不同的数据速率，信道编码方案采用t u r b o 码，码率为l 5 或1 3 。在通信中， 移动台不断测量导频强度，并在i - i d r 特有的数据速率( d r c ) 信道的每一个时隙 内要求一个与当前信道条件相符合的数据速率。网络按当时移动台所能支持的最 大速率进行编码。当用户需求改变或者信道条件改变时，动态地调整数据速率。 第二阶段为l x e v - d v ( d a t aa n dv o i c e ) 阶段，数据信道和话音信道合一。方案包括 m o t o r o l a 等的l x t r e m e 等，其自适应技术包括：自适应业务调度、自适应编码、 自适应调制、自适应多码分配、自适应小区位置选择、自适应混合a r q 以及自适 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 应天线。使用的调制方式有b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ；信道编码 采用t u r b o 码，码率包括1 2 、3 4 、1 4 三种。 ( 2 ) 链路自适应技术在g p r s 中的应用 g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势，最突出的特点是可以 灵活地占用无线信道。通过给一个用户分配多个时隙或多个用户共用一个时隙来 有效地利用无线资源，特别适合突发性的、频繁的小流量数据传输。它支持的数 据传输速率的理论峰值可以达到1 7 1 2 k b i t s s 。g p r s 标准定义了4 种不同的编码方 案：c s 1 - c s 一4 ，数据速率分别为9 0 5k b i t s s ，1 3 4 k b i t s s ，1 5 6 k b i t s s 和2 1 4 k b i t s s ， 对应的码率分别为1 2 ，2 3 ，3 4 和l 。g p r s 可根据数据速率要求和无线链路的质 量来动态选择编码类型，以达到最大的无线吞吐量。c s l 拥有最高的纠错能力和 最低的速率，而c s 4 没有纠错能力，但可提供最高的速率。不同时隙可选择不同 的信道编码，当网络传输质量较好时，可采用较高速的编码方式，反之采用较低 速的编码方式。 ( 3 ) 链路自适应技术在h s d p a 中的应用 h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 是w c d m a 的增强型技术，增加 了高速下行共享信道( h s d s c h ) ，将使下行数据传输峰速率达到1 0 8 m b i t s s 。与 w c d m a 的d s c h 相比，h s d s c h 采用的关键技术是a m c 和h a r q ( 混合a r q ) 。 严格地讲，h a r q 是链路自适应的一项隐含技术，因为它保证了a m c 的实现。信 道编码的基本码型采用r 9 9 中1 3 码率t u r b o 码，其它码率的( 包括3 4 ，1 2 ，1 4 ) t u r b o 码将通过速率匹配的打孔或者重复功能实现。调制方式的选择种类在 r e l e a s e 4 和r e l e a s e 5 中有较大区别，在r e l e a s e 4 中除了r 9 9 中的q p s k 方案外， 表1 2h s d p a 的传输模式 传输模式调制方式编码速率每扩频码传输速率 l q p s k 1 4 1 2 0 k b p s 2 q p s k 1 2 2 4 0 k b p s 3 q p s k 3 4 3 6 0 k b p s 4 1 6 q a m 1 2 4 8 0 k b p s 5 1 6 q a m 3 4 7 2 0 k b p s 还建议使用8 p s k , 1 6 q a m ，6 4 q a m 等高阶调制方式。而在r e l e a s e 5 中基于性能和 复杂度方面的考虑，只推荐使用q p s k 和1 6 q a m 。6 4 q a m 有可能在更高版本中 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 被纳入规范。h s d p a 将不同的编码和调制方式组合成若干种m c s ，供系统根据信 道情况进行选择。靠近基站的用户，拥有高质量的信道条件，将被分配级别较高 的调制编码方案( 例如1 6 q a m ，3 n 码率的t u r b o 码) ，这种调制编码方案的抗干 扰性能和纠错能力较差，对信道质量的要求较高，但是能够赢得较高的数据速率， 提高链路的平均数据吞吐量。相反，处于小区边界的用户，信道衰落严重或存在 严重干扰和噪声，将被分配级别较低、具有较强纠错能力、抗噪声干扰性能较好 的调制编码方案( 例如q p s k ，1 2 码率的t u r b o 码) ，以保证数据的可靠传输。 ( 4 ) 链路自适应技术在e d g e 中的应用 虽然g p r s 采用了多时隙的操作模式和简单的链路自适应技术，但它仍然采 用了固定的调制方式，即g m s k ( 高斯最小移频键控) 的调制方式，因此每个时 隙能够得到的速率提高是有限的。在这种情况下，由e r i c s s o n 公司率先提出并且 已经被e t s i ( 欧洲电信标准协会) 采纳的e d g e ( e n h a i l c e dd a t ar a t e sf o rg s m e v o l m i o n ) 技术应运而生。e d g e 技术的核心就是链路自适应，而且与g p r s 不同 的是，不仅编码方案可以选择，调制方式也不再是固定的一种g m s k 方式，而是 引入了另一种调制方式，即八进制移相键控( 8 p s k ) 。这种调制方式能提供更高的 比特率和频谱效率，且实现复杂度属于中等。e d g e 中另外一种对付链路质量变化 的方式是逐步增加冗余度。在这种方式中，信息刚开始传输时，采用纠错能力较 低的编码方式，如果接收端解码正确，则能得到比较高的信息码率。反之，如果 解码失败，则需要增加编码冗余量，直到解码正确为止。 1 3 论文结构 o f d m 系统中的自适应技术根据信道变化自适应地改变调制方式( 星座点 数) 、编码率、发送功率等参数，以便最大限度地发送信息，从而有效提高频谱效 率，这一点在无线通信中尤其重要。 全文内容安排如下： 第一章首先简要介绍了移动通信的历史与发展j 并且介绍了o f d m 的应用和 优缺点。此外，还介绍了链路自适应技术的发展现状和应用情况。 第二章分析了o f d m 技术基础。首先介绍了无线信道传输的特点，然后分析 了o f d m 技术的基本工作原理，系统构成以及o f d m 技术涉及到的几个相关问题， 如保护间隔、循环前缀等技术在o f d m 系统中的应用。 第三章介绍了自适应调制技术的基础，首先对链路自适应系统的组成、自适 应调制和比特分配进行了概述。随后对一种次优的采用了三步的分配算法进行了 分析，此种次优比特分配算法采用了m q a m 星座调制，算法采用了6 种不同的调 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 制方式，在自适应比特分配上具有很大的灵活性，但是在第一步的分配中，仅仅 按照已知信道增益、信道噪声以及s n r g a p 来决定每条子信道初始分配的比特数 目，没有考虑预传输的比特数，此时如果预传输的总比特数与按照算法第一步计 算出的总传输比特数相差较多，则在第二步基于c a m p e l l ob t i g h t e n 算法对比特分 配进行优化时，需要进行大量的查找和比较运算，这样使得算法的整体计算量大 大上升，影响到了整个算法的计算复杂度。根据分析对其中的不足之处进行了改 进，最后对其进行了计算机仿真和比较。 第四章在第三章对自适应调制技术分析的基础上，分析了在o f d m 多址接入 系统上的多用户自适应技术，首先分析了系统模型并介绍了服务质量、速率功率 函数等基本概念，随后表述了优化目标。接着对固定分配算法及资源分配算法进 行了详细分析，其中，重点对一种将优化问题划分为两步的b a b s ( b a n d w i d t h a s s i g n m e n tb a s e do ns n r ) + r c o ( r a t ec r a v i n go p t i m a l ) r c g ( r a t ec r a v i n gg r e e d y ) 资源分配算法进行了理论分析，考虑到原算法在进行子载波分配时一方面在用户 公平性、计算复杂度上未作太多分析，另外，如果合理进行子载波排序系统可以 达到更高的速率，因此分别从用户公平性、计算复杂度、系统容量三个方面对原 有算法进行了改进，最后分别对以上算法进行了计算机仿真并且对比了算法性能。 第五章对所做的研究工作加以总结。对本文的主要工作和成果加以总结，并 指出了今后需进一步研究的方向。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 技术基础 第二章0 f d m 技术基础 在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信 道( 载波) 。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之 后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率 为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置 就成了几乎不可能的事情。 上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交 的载波频率作子载波，也就是我们所说的正交频分复用( o 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 g ，o f d m ) 技术，这种“正交”表示的是载波频率间精确的数 学关系。o f d m 既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声 差错。o f d m 是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流串并变换为多个 低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。o f d m 不用带通滤波器来分隔子载 波，而是通过f f t 来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。 近年来，随着数字信号处理技术的发展，快速傅立叶变换f f t 快速傅立叶反 变换i f f t 、信道自适应技术、插入保护间隔等成熟技术的逐步引入，o f d m 技术 作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术被更广泛地应用于宽带移 动通信领域。o f d m 技术已经被d a b 、d v b t 、i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 6 a 等 标准所采用，并被认为是后3 g 或4 g 无线通信系统的核心技术【l 训。 2 1 无线信道传输的特点 无线信道通过空间电磁波来传输信息，发射信号在传播过程中往往会受到环境 中的各种物体所引起的遮挡、吸收、反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信 号分量到达接收机。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并 附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。 这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信 号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大 量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信 道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒 ( d o p p l e r ) 效应会产生更为严重的失真。无线信道对传输信号的影响可表现为以 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 技术基础 下几个方面【1 5 1 。 2 1 1 多径效应 ( 1 ) 时延扩展 发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的 时间延迟，这就使得接收信号的能量在时间上被扩展。最大时延扩展是第一个到 达接收天线的信号分量与最后到达的信号分量之间的时间差。在实际测试中，接 收信号到达时刻的检测与门限功率有关。表2 1 给出了各种不同信道环境下的最 大时延扩展值。 环境最大时延扩展最大到达路径差 室内 4 0 2 0 0 i s1 2 “0 m 室外1 - 2 0 2 s 3 0 m 击0 0 0 m 在数字通信系统中，由于多径传播的影响，前后发送符号的各条路径分量叠加 起来，会造成符号间干扰( i s i ) 。较强的i s i 会使得接收机的符号判决性能出现严 c a s e1c a s e2 之二， h 一 仃 c o 刁 乏 u 图2 1 多径时延扩展引起的时域波形畸变 重的下降。由上表可知，在室外环境下的最大时延扩展可达2 0 9 s ，当发送符号速 率超过1 0 0 k b i t i s 时就会产生显著的符号间干扰。 函 一o一c匹一j3_皇i-lj价cmi一 一一亡a一仂屯!ui 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 技术基础 图2 1 给出了2 种情况下的多径时延扩展引起的时域波形畸变。其中c a s e1 是大的时延扩展情况，c a s c2 是小的时延扩展情况。由图可看出，时延扩展越大， 波形畸变越严重。 ( 2 ) 相干带宽 从频域看，如果多径信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围( 相干带宽) 小 于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即 某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分的信号的幅值却衰减。 在这种情况下，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的 倒数。此时，接收信号中包含经历了不同衰减和时延的多径波形的叠加，因而， 产生接收信号失真。频率选择性衰落是由信道对发送信号的时间色散引起的，它 会引起数字信号传输的符号间干扰。反之，如果多径信道的相干带宽大于发送信 号的带宽，则接收信号经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径结构 使发送信号的频谱特性在接收机内仍保持不变。但是，多径效应导致信道增益的 起伏，使接收信号的强度随着时间变化。在平坦衰落信道中，发送信号带宽的倒 数远大于信道的多径时延扩展，因此信道的冲激响应可近似看作是一个占函数。典 型的平坦衰落信道会引起深度衰落，在深度衰落期间需要增加2 0 d b 或3 0 d b 的发 送功率，以获得较低的误比特率。 相干带宽置是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范 围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性。如果相干带 宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定带宽，则相干带宽近似为 见击 q 。 其中，以为信道的均方时延扩展。 ( 3 ) 瑞利衰落 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其 他移动物体的影响，以致到达接受端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如 果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接 收信号的包络服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或独立多 径分量情况下接收信号包络统计特性的一种典型分布类型。 理论和实验都已经证明，一个运动的移动台所接收到的信号是瑞利分布。所以， 这种类型的衰落称为瑞利衰落。理论模型使用了有许多来自不同方向( 即n 个信 号路径) 的反射信号的事实。接收信号合成为： 上 r ( t ) = 墨c o s ( 2 , 一2 # f , t ) ( 2 2 ) 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 技术基础 式中的接收信号是n 个反射信号的合成，每个反射信号都有r 的幅度和载频厂。 当移动台在运动时，由于多普勒效应，每个反射信号都会有频移z 。假如信号传 输方向与移动台的方向平行，则多普勒频移为： 正= v 2 ( 2 3 ) 其中，1 ，是移动台的运动速度。 在式( 2 2 ) 中表示的接收信号的同相分量和正交分量的表达形式为： r ( f ) = r 1 ( t ) c o s ( 2 t c f l ) + ( t ) s i n ( 2 x f i ) ( 2 4 ) 其中，同相分量可表示为： r a t ) = r c o s 2 x f t ( 2 5 ) 正交分量可表示为： o ) = 兄s i n 2 t r f t ( 2 6 ) 在( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式中的项是独立和相同分布的随机变量。所以，如果n 足够大，r t ( f ) 和( f ) 就变成了连续的高斯随机变量，则信号的幅度为： 尺( f ) = 群( f ) + o ) ( 2 7 ) 为瑞利分布。瑞利分布的概率密度： 朋) ：j 鲁p 吾脚 旺8 ， l o r o 2 1 2 衰减作用 无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小。它由传输路径的长度、直 达信号路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍物都会引 起信号功率的衰减。无线通信中的衰减主要有： ( 1 ) 路径损耗 当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或数千米) 变化时，接收 信号的平均功率值与信号传播距离d 的n 次方成反比。1 1 称为路径损耗指数，n 值 的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，n 取2 。 ( 2 ) 阴影衰落 电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面 会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称为阴影衰落。 阴影衰落以较大的空间尺度来衡量，其统计特性通常符合对数正态分布。 ( 3 ) 小尺度衰落 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 技术基础 在无线通信中，由于电波经过多条路径的距离不同，因而各条路径中的发射波 到达接收机的时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同 相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加会削弱信号幅度。当发射机和接收机之间 的距离在较小的尺度上( 数个波长) 变化时，接收信号的功率发生急剧的变化， 称为小尺度衰落。 路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影 响，称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加 而缓慢起伏变化，所以也称为慢衰落。小尺度衰落也称为快衰落，它反映了无线 信号在较短的距离或者时间之内的快速变化特性。 2 1 3 时变性 无线信道的时变性是由发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物体的运 动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。 ( 1 ) 多普勒频移 当发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当两者作相 向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者作反向运动时，接收信号的 频率将低于发射频率，这种现象叫做多普勒效应。对电磁波而言，因为多普勒效 应造成的频率偏移取决于两者的相对运动速度，可以将这种频移表示为： 厶= f o v c o s 够, ( 2 9 ) c 其中，疋为接收端检测到的发射机频率的变化量，厶是发射机的载频，v 是发射 机与接收机之间的相对速度，9 为移动方向与入射方向的夹角，c 为光速。 ( 2 ) 多普勒扩展 多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。当 发射机在无线信道上发送一个频率为工的单频正弦波时，由于前述的多普勒效应， 接收信号的频谱被展宽，将包含频率为二一厶一二+ 厶的频谱分量，其中厶为多普 勒频移，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于0 的频率范 围定义为多普勒扩展，记为饬。通常，根据所传送的基带信号的带宽忍和色的关 系，我们可将无线信道分为快衰落信道( 只 岛) 。如 果所传送的基带信号的带宽只远大于毋，则在接受机中多普勒扩展的影响可忽略， 所以这种信道可看作慢衰落信道。【兀一无五+ 以】之间的多普勒扩展如图2 2 所 示。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f i ) m 技术基础 晶一f o + f d 图2 2 【五一厶五+ 以】之间的多普勒扩展 ( 3 ) 相干时间 多普勒扩展引起信道的特性在时域内迅速地变化，使得信道出现了所谓的时 间选择性。图2 3 给出了多普勒信道的传输函数，其中信道1 的传输函数幅度是 非平坦的，相位在此时间间隔内也不是线性的，信道2 的传输函数幅度是平坦的， 相位在此时间间隔内基本上是线性的。相干时间z 在时域描述信道的频率色散的 c h a n n e l1c h a n n e l2 f r e q u e n c y ( m h z )f r e q u e n c y ( m h z ) 图2 3 多普勒信道 时变特性。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道冲激响应维持不变的时间间 隔的统计平均值。相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，接收信号的幅值 具有很强的相关性。如果基带信号的符号周期正大于信道的相干时间，则在基带 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 技术基础 信号的传输过程中信道可能会发生改变，导致接收信号发生失真。相干时间的一 种定义方法为【1 6 l ： z _ 0 4 2 3 ( 2 1 0 ) 1 电 其中，厶为最大多普勒频移，厶= f 0 二。 c 相干时间是信道冲击响应处于强相关情况下的最大时间间隔，所以当符号周 期z 大于相干时间z 时，在一个符号周期里，信道冲击响应变化快，从而导致信 号失真，所以称为快衰落，而当符号周期z 小于相干时间z 时，一个符号周期的 时间内，可以认为信道的冲激响应基本不变，即可以说信道参数在一个符号周期 内是基本稳定的。 2 20 f d m 技术基本原理 在频域上，多径信道呈现出频率选择性衰落。为了克服这种衰落，一个很自然 的想法就是将信道在频域上划分成多个子信道，使每一个子信道的频谱特性都近 似平坦，使用多个相互独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实