（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中动态资源分配算法研究.pdf

摘要 摘要 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 ) 技术最突 出的优点是频谱利用率高、可抗频率选择性衰落和抗多径时延能力很强，适合 未来高速宽带无线通信的应用。在移动o f d m 系统中，不同的子信道经历不同 的信道衰落，具有不同的信道容量和传输能力。因此需要研究更加有效的无线 资源分配方法，以便在有限的带宽上实现更高的频谱效率、更低的发射功率以 及更好的系统性能。 分配资源的方法通常可以分为两类：静态分配方法和动态分配方法。静态 分配方法包括o f d m t d m a 和o f d m f d m a 。静态分配算法中子载波和比特 的分配是预先设定好的，没有充分利用瞬时信道增益信息。 本文主要针对o f d m 系统的动态资源分配算法进行了研究。介绍了课题的 相关理论，主要包括o f d m 技术的基本原理，无线信道的特性和资源分配算法 的概述等，同时对信道模型和o f d m 系统进行了分析和仿真。详细讨论了动态 资源分配的两种最优化问题：速率自适应( r a ，r a t e a d a p t i v e ) 资源分配，边 缘自适应( m a ，m a r g i na d a p t i v e ) 资源分配。仿真结果表明在计算复杂度、公平 性和性能等方面，改进算法要优于其他的已有算法。总结了所研究的方法和结 论，同时提出了未来多载波系统中需要进一步深入研究和待解决的问题。 关键词：o f d m , 动态资源分配：速率自适应：边缘自适应；公平性；低计算复 杂度 a b s t r a c t a bs t r a c t 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 n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g y h a s o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s b e c a u s ei tc o u l du t i l i z ef r e q u e n c yr e s o u r c es u f f i c i e n t l y , r o b u s ta g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dr o b u s ta g a i n s tc h a n n e ld e l a ys p r e a d i t s s u i t a b l ef o rh i 曲s p e e da n db 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 nt h ef u t u r e i n o f d ms y s t e m ，t h r o u g hd i f f e r e n tf a d i n gc h a n n e l s ，e a c hi n d i v i d u a ls u b c h a n n e lh a si t s o w na t t e n u a t i o n a n dt h e nt h e yh a v ed i f f e r e n tc h a n n e lc a p a c i t i e sa n dt r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t y s om o r ee f f i c i e n tr a d i or e s o u r c e a l l o c a t i o na n dm a n a g e m e n ts c h e m e s s h o u l db ep r o v e dt ot r a n s m i t 她mh i g h e rs p e c t r u m ，l o w e rt r a n s m i tp o w e ra n dh i g h e r s y s t e mp e r f o r m a n c e t h em e t h o d st oa l l o c a t er e s o u r c e sc a r lb eg e n e r a l l yd i v i d e di n t ot w oc l a s s e s ： f i x e dr e s o u r c ea l l o c a t i o na n dd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n f i x e dr e s o u r c ea l l o c a t i o n s c h e m e sw h i c hc o n t a i no f d m - t d m aa n do f d m f d m aa s s i g na ni n d e p e n d e n t d i m e n s i o n ，e g t i m es l o to rs u b - c h a n n e l ，t oe a c hu s e r af i x e dr e s o u r c ea l l o c a t i o n s c h e m ei sr i g i dr e g a r d l e s so f t h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e lg a i n t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e so nd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d m s y s t e m s o m er e l e v a n tk n o w l e d g ei si n t r o d u c e d , w h i c hm a i n l yi n c l u d e st h ep r i n c i p l e o fo f d mt e c h n o l o g y , t h ep r o p e r t i e so fw i r e l e s sc h a n n e l ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo f r e s o u r c ea l l o c a t i o n , a n ds oo n i na d d i t i o n , c h a n n e lm o d e l sa n do f d ms y s t e ma l e a n a l y z e da n ds i m u l a t e d s e c o n d l y t w oo p t i m i z a t i o np r o b l e m so fd y n a m i cr e s o u r c e a l l o c a t i o na r ed e t a i l e d l yd i s c u s s e d ：( 至) r a t ea d a p t i v e ( r a ) r e s o u r c ea l l o c a t i o n , m a r g i na d a p t i v e ( m a ) r e s o u r c ea l l o c a t i o n s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fm o d i f i e da l g o r i t h m si sb e t t e rt h a no t h e re x i s t i n ga l g o r i t h m s t h e r e s e a r c h f u ls c h e m e sa n dr e s u l t sa r ec o n c l u d e d f o rm u l t i c a r r i e rw i r e l e s ss y s t e m s ，i t s s u g g e s t e dt h a tt h e r ea r es t i l lm a n yf i e l d sa n dp r o b l e m sl e f tf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：o f d m ；d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ；r a t ea d a p t i v e ；m a r g i na d a p t i v e ； f a i r n e s s ；l o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y 学俄论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得直昌太堂或其他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作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：雕 签字日期：川年2 月2 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 翩虢扩 签字日期：叫年f 2 月2 弓曰签字日期：抛罗年1 2 月2 ；日 第l 章绪论 第1 章绪论 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。顾名思义，移动通信就 是指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输。例如移动台( 由车辆、船 舶、飞机或者行人携带) 与固定点之问或者移动台之间的通信。 目前被世界各国公认为会在3 g 商用中采用的三种主流标准3 】为： w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ，它们都采用了c d m a 技术。然而，c d m a 系统是干扰受限系统，对于当前无线频率资源紧张的状况下难以达到预想的频 谱效率；数据传输速率不够高；缺乏全球统一的标准；无法实现全球无缝漫游 等缺点，所以普遍认为3 g 仅仅是一个从窄带向未来宽带移动通信系统过渡的一 个阶段【4 j 。正是如此，人们开始更加关注以正交频分复用( o f d m ) 技术为标志的 b 3 g 4 g 研究的进展倩况，并成为当前研究的热点。 1 1 课题的背景及问题的提出 为了适应移动通信的快速发展和高速无线数据传输的需要，下一代宽带移 动通信需要有效地克服由于多径传输引起的频率选择性衰落而产生的符号间干 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 ) ，从而提高无线信道的数据传输速率。正交频 分复用( o f d m ) 技术正是由于具有良好的抗噪声性能和抗多径衰落的能力，以及 频谱利用率高的优点而被认为是下一代移动通信系统中的关键技术i 引。 在o f d m 系统中，传输路径的不同，导致相对于某一用户衰落严重的子载波， 对于其他用户来说，或许衰落并不一定严重。实际上，每个用户的信道衰落都是 相互独立的，一般很少会有对所有的用户衰落都很严重的子载波1 6 j 。这样就可以 通过动态资源分配来实现用户需求。采用动态资源分配方案，可以大大提高有限 资源的利用率，以及提高系统的性能。本文就是基于这一点展开研究的。 1 2o f d m 系统的发展及其国内外的研究现状 1 2 1o f d m 系统的发展 o f d m 技术是多载波调制技术中的一种，也可以认为是一种特殊的复用技 第1 章绪论 术。o f d m 技术起源于2 0 世纪5 0 年代中期1 7 ，在6 0 年代就已经形成了使用并 行数据传输和频率复用的概念，在6 0 年代中期，c h a n g 发表的一篇论文中首次 提到了该技术。论文中对o f d m 技术的基本原理是这样描述的【8 1 ：不同于传统 的多载波调制技术，在保持各个副载波频谱相互正交的条件下，o f d m 副载波 的频谱可以进行叠加，从而极大地提高频谱利用率，使得在传统多载波调制系 统中为了分离单个副载波频谱而必须使用的陡峭的带通滤波器不再需要。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关o f d m 的专利，第一个实际应用是军用的无线高频 通信链路 9 1 。但是当时o f d m 系统的结构比较复杂，从而限制了它的进一步推 广。直到上世纪7 0 年代，人们简化了系统结构才使得该技术更趋于实用化【10 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展， o f d m 技术开始广泛运用于高速无线通信领域，进一步得到了实用化。由于 o f d m 技术本身的优越性，基于o f d m 技术的通信系统标准也不断涌现1 1 1 】：( 1 ) 对称数字用户链路a d s l 和高清晰度电视h d t v ；( 2 ) 无线局域网的i e e e 8 0 2 1 1 和欧洲电信标准协会( e t s i ) 推出的h i p e r l a n 2 ；( 3 ) 无限城域网的i e e e 8 0 2 1 6 w i m a x ；( 4 ) d a b 、d v b 和i s d b 。另外，o f d m 还和多输入多输出( m i m o ) 以及 智能天线一起成为第四代移动通信系统物理层的关键技术，将最大限度的提高 物理层信息传输的可靠性。预计第三代以后的移动通信的主流技术将是o f d m 技术，相当于目前c d m a 技术在3 g 中的地位【5 j 。 1 2 2 国内外研究现状 在单用户系统中，不存在子载波分配的问题，该用户可以使用所有的子载 波，只需根据各个子载波的信道状况，从而为每个子载波分配不同数量的比特， 采用不同的调制方式。1 9 8 7 年，h a r t o g s 提出一种m a 准则下的算法，称为g r e e d y 算、法【7 1 。其基本思想是在每一次比特分配过程中，选择要求递增功率最小的子载 波，这样就可以保证总的发送功率最小或在总的发送功率固定的情况下使得总 的比特率最大。由于各个子信道相互统计独立，可以证明最佳的比特分配方法 是g r e e d y 方法。这种算法运算量很大，不利于高速数据传输。1 9 9 6 年，f i s c h e r 和h u b e r 提出一种基于误码率最小化的分配算法1 1 2 1 。该算法与前一种算法相比， 进一步降低了运算量。2 0 0 2 年，魏克军，易晓新提出了一种基于比特信噪比最 大化的算法【1 3 l 。该算法的运算量比较低，但是算法的性能有所损失。2 0 0 4 年， 刘培，葛建华提出一种算法【l 引，该算法在g r e e d y 算法的基础上通过对子载波进 2 第1 章绪论 行分类排序的办法降低了运算量。 在多用户条件下，多个用户不能共享同一个子载波，因此为一个子载波分 配比特实际上就意味着禁止其他的用户再次使用该子载波。由于这种子载波之 间的相互联系，就会使得g r e e d y 方法可能不再是最佳的【6 】。最优的子载波分配 方法可以采用多用户注水法则来计算，但其运算量非常复杂，所以在实际应用 中，一般是以牺牲一部分性能为代价寻找次优解。1 9 9 9 年，w o n g 等人提出了 种m a 准则下的子载波分配算法【1 5 】，该算法通过对m a 准则下的最优化问题的 求解，得到一个最优的子载波和比特联合分配方案，但是这种算法的运算量太 大，不利于实时性的运用。2 0 0 3 年，t e n g 等人提出了一种分配算法i l6 1 ，第一步， 在每个子载波上选择最大的可用调制方式；第二步，优先考虑满足信道响应较 差的用户；第三步，在分配子载波时优先考虑信道响应较差的子载波。t e n g 算 法的性能比较好，也兼顾了公平性，但当子载波数目较大时，运算复杂度还是 偏高，不利于实时性的应用。此外还有很多国内外学者就此问题进行研究，如 k i m 等人【1 7 】，胡乐明等人【1 8 】，j a n g 等人【1 9 】都提出了相应的资源分配算法，这里 就不再叙述。 1 3 本论文的主要研究内容和工作安排 本课题研究的重点是o f d m 系统中动态的无线资源( 包括子载波和功率) 分 配算法。在前人研究的基础之上，讨论了两种无线资源分配算法，即：边缘自 适应( m a ) 资源分配和速率自适应( r a ) 资源分配，改进的算法与已有的方法从性 能、公平性和复杂性等三个方面进行了相应的分析、仿真和比较。 论文结构如下： 第一章首先简要叙述了课题的背景，然后介绍了o f d m 系统的发展情况， 最后从单用户和多用户两种情况下分析了国内外发展的现状。 第二章重点介绍了o f d m 技术。其中包括o f d m 的基本原理和实现方法， 并选择系统参数对o f d m 系统进行了仿真，最后该技术的优缺点进行了简要概 述。 第三章主要是讲述无线信道的传输特性。包括无线电波传播的机理，信道 的特点和衰落特性，最后对于本课题中用到的信道模型进行了仿真。 第五章是课题研究的主要内容和重点。首先介绍了o f d m 系统分配模型， 3 第l 章绪论 然后分别详细讲述了边缘自适应和速率自适应分配的几种算法和改进的算法， 并用m a t l a b 对文中的各种算法进行了仿真、比较和分析，晟后得出了结论。 第五章对全文的总结和对未来工作的展望。 4 第2 章o f d m 技术的基本原理 第2 章o f d m 技术的基本原理 2 1 多载波调制技术 多载波传输技术的来源可以追溯到2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代初蝌2 0 1 ，涉及 到了军事上的高频无线链路，其主要特点是并行传输和频带分割。多载波调制 ( m c m ，m u l t i c a r t i e rm o d u l a t i o n ) 技术本质上是一种频分复用技术【2 。采用该技 术能够解决无线信道中多径效应带来的复杂问题。传统的调制方式一般只有一 个载波信号，在数据传输速率不是太高、多径干扰不是特别严重时，使用合适 的均衡算法便可以使系统性能得到提高。但是对于宽带无线通信系统中数据业 务来说，由于数据传输速率很高，时延扩展造成数据符号间的相互重叠，从而 产生符号间干扰( i s i ) ，这就对均衡提出了更高的要求，需要引入更加复杂的均衡 算法，实现比较困刺2 2 l 。另外，当信号的带宽超过或者接近信道的相干带宽时， 信道仍然会产生频率选择性衰落。 多载波调制技术采用多个载波信号，它把高速串行的数据流分解成若干个 独立的并行子数据流，从而使子载波具有低得多的比特传输速率，利用这样的 低数据流分别去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输 系统 6 1 。因此，多载波技术不仅使通信系统降低了对均衡器复杂性的要求，而且 提高了系统灵活适应信道实时变化的能力。多载波调制技术可以通过多种技术 来实现，其中之二即是o f d m 技术，是一种无线环境下的高速传输技术，它可 以抵抗多径干扰和频率选择性衰落，是当前无线通信研究的热点。 2 2o f d m 技术的基本原理 作为多载波传输技术实现方式之一的o f d m 技术，其基本原理【7 1 就是把高 速串行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并行子数据流，每个子数据流 再对各个正交的子载波进行调制，最后把各个子载波上的信号叠加合成一起输 出。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。 传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送 滤波器和接收滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。现代o f d m 系 统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成， 5 第2 章o f d m 技术的基本原理 系统结构比较简单，并且比较容易实现1 23 。同时为了提高频谱利用率，各子载 波上的频谱是相互重叠，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证 接收端能够不失真地恢复原始信号。当传输信道中出现多径传播时，接收子载 波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载 波之间发生相互串扰。为了解决这个问题，在每个o f d m 传输信号前面加入循 环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 作为保护间隔，能有效地避免符号间干扰【2 4 1 。保护间 隔是由o f d m 信号进行周期扩展得到的。只要多径时延不超过保护间隔，子载 波间的正交性就不会被破坏。 o f d m 系统的基本原理框图如图2 1 所示【7 ，2 1 j ： 叫x p觯 s k q a m船 吨州弘 串并 + 信道 并串 ； ； 刊卜 喝忡 v 图2 1o f d m 系统基本原理框图 一个o f d m 符号是多个经过调制的正交子载波信号的叠加，其中每个子载 波的调制方式可以选择p s k 或者q a m 。如果用表示子信道的个数，丁表示 o f d m 符号的宽度，z ( f = - - 0 ，1 ，n - 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，z 是 载波频率，那么从f = ，。开始的o f d m 符号可以表示为7 2 1 l ： m ) = r e 鹰+ n 1 2 e x p ij2x(f,一半)(f-气)i归钳r(21)i s ( f ) = i一孚) ( f 一气) ”f + r ( 2 1 i = - n 2 l j j 然而在多数文献中，通常采用等效基带信号来描述o f d m 系统的输出信号 【2 5 】： m ) _ ，；i v l - - i 肌e xp | j 2 n 亭( f 叫ji ( 2 2 ) ，= 一 ，2l 上 j 式( 2 2 ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相分量和正交分量，在实 6 第2 蕈o f d m 技术的基本原理 际应用中可以分别与相应子载波的余弦分量和i e 弦分量相乘，再叠加战o f d m 信号。 接收端将接收信号与第t 路解调载波e x p f j 2 。生二：坚，1 相乘，并把得到的 结果在o f d m 信号的持续时间r 内进行积分，便可获得相应的发送信号怠： 文= 扩唧 询半叫孙一哪睇十。、 = ；，弘, v 1 2 一i 。卜 协了i - k + n 2 ，h ”“ 图2 2 给出了一个o f d m 符号中包含4 个子载波的时域图【2 6 1 。其中所有的 子载波都具有相同的幅值和相位，根据数据符号的调制方式不同每个子载波 的幅值和相位都可能是不同的。 0 1 、 ， 一 。， f_ 0 b4 j百0 2 百j 晶矗 图2 2o f d m 符号时域图( 包含4 个子载波) 从国2 2 可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个 周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。这特性可以用来解释子载波 之间的正交性，即： 争re x p ( j 州e x p ( 一协r ) d r = 佗：i ： ( 2 4 ) 正是由于这种正交性使得频谱互相重叠的各个子载波信号能够被正确的分离出来。 第2 章o f d m 技术的基本原理 子载波的正交性也可以从频域看出，每个o f d m 符号在其周期r 内包括多 个非零的了载波，圳此其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与一组位 于各个子载波频牟上的占函数的卷积。图23 显示了o f d m 信号频谱中各个子 信道频谱的情况，其中每个子信道的频谱为s i n c ( i f ) 函数，它在中心频率处所有 其他子载波的频谱为零。从图2 3 中可以看出，o f d m 符号频谱实际上满足奈奎 斯特准则，即多个了信道频谱之间不存在互相干扰这是出现在频域中的。因 此这种一个子信道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零的特点可以避免载波 间干扰( i c i ，i n t e rc a r r i e ri n t e f f e r e n c e l 的出现。 瞄2 3o f d m 符号中各子载波的频谱 2 3o f d m 的i f f t ，f f r 实现 罔21 从理论上说明了o f i ) m 系统的基本原理但是按照图21 来实现 o f d m 系统是不可取的。因为当子载波数目增多，予载波之间的间隔变得很小 时，难以实现比较高的频率分辨率，而且解调时每一路子载波都要进行积分， 导致系统结构复杂因此需要寻找一种易于实现的系统。 实际上式1 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶反变换 ( i d f t ) 来实现。令t = 0 ，r = k t ，n ( k = 0 ，l ，n 1 ) ，可以得到： 眦 o 第2 章o f d m 技术的基本原理 砸声( k i l n ) = 善z 唧( j 等) o k n - 1 ( 2 5 )s ( j i ) = s = z 唧l j 等 ( 2 5 ) 上式中，s ( j ) 即为吐的i d f t 运算。在接收端，为了正确恢复出原始的数据 符号盔，对j ( 后) 进行反变换，即采用d f t 变换来得到： 谚= 蛔( - j 等) 一- 亿6 ， 而对于其他载波，由于在积分间隔内，频率差别( j k + n 2 ) t 可以产生整数倍 个周期，所以其积分为零。 由此可见，o f d m 系统的调制和解调可以分别用i d f t d f t 来代替，而在 实际应用中，经常采用更加方便快捷的快速傅立叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ) 和快速傅立叶反变换( i f f t ) 来实现。点i d f t 运算需要2 次复 数乘法，而i f f t 可以明显降低运算复杂度。对于常用的基2 i f f t 算法，其复数 乘法次数仅为( n 2 ) l o g ：n ，但是随着子载波个数的增加，这种方法的复杂度 会显著增加。对于子载波数量非常大的o f d m 系统，可以采用基4 i f f t 算法来 实现。 2 4o f d m 系统仿真 o f d m 各种参数的选择就是需要在多种要求冲突中进行折中考虑。一般来说， 首先确定三个参数：信道带宽、信息传输速率和保护间隔。根据经验可知，保护 间隔的时间长度通常应为应用移动环境信道的时延扩展均方根的二至四倍1 27 。 一旦确定了保护间隔，o f d m 符号周期长度就可以确定了。在实际系统中， 一般选择方法是保证符号周期长度至少是保护间隔长度的五倍。这样不仅可以 减少由于插入保护比特而带来的信噪比的损失，而且又不会增加系统实现的复 杂度。 在确定了符号周期和保护间隔之后，要进一步确定子载波的数量。子载波 的数量可以直接利用一3 d b 带宽除以子载波间隔( 即去掉保护间隔之后的符号周 期的倒数) 得到，或者也可以利用所要求的比特传输速率除以每个子信道的比特 传输速率来确定。每个信道中所传输的比特速率可以由子载波调制类型、符号 速率和编码速率来确定【z 7 j 。 o f d m 系统的调制模式可以基于功率或者频谱利用率来选择。调制类型可 9 第2 章o f d m 技术的基本原理 以用复数形式表示为吃= + j 瓦，其中口。和饥在1 6 q a m 中为1 和3 ，在q p s k 中为l 。应用到每个子载波的调制模式的选择只能是数据速率需求与传输稳定 性之间的折中。 根据o f d m 系统的基本原理，用m a t l a b 对基带o f d m 系统进行仿真，仿 真条件是系统处于理想同步情况下，即接收端和发送端之间必须严格同步。 表2 1 仿真参数设置 子载波数 2 0 0 位数符号 2 符号数载波 5 0 训练符号数 2 0 0 调制方式q d p s k信道最大时延 7 n s 循环前缀长度1 4 的符号长度f f t 点数 1 0 2 4 图2 4 表明了瑞利衰落信道下系统的误码率仿真结果。从图中可以看出，随 着信噪比的增大，误码率显著下降。当信噪比为1 0 ，系统的误码率已经是很低 了。可见在o f d m 系统中提高信噪比是降低误码率的一条有效途径。 骼 西 悠 图2 4 瑞利衰落信道fo f d m 系统的误码率 在o f d m 系统中，增加子载波数可以增加系统的传输速率。图2 5 显示的 是不同子载波数时的系统仿真。考虑的是a w g n 信道下的系统，所选用的子载 波数分别是n = 3 2 、6 4 、1 2 8 和2 5 6 四种情况。从仿真曲线可以看出，随着子载 波的增加，系统性能没有太大的变化，基本上是相同的。但是子载波的增加不 1 0 第2 章o f d m 技术的基本原理 可避免地增加了系统的复杂度，相应地会增加设计成本，因此在系统的具体设 计时需要折中考虑。 a w g n 信道下不同于载波数的o f d m 系统性能曲线 信噪比d b 图2 5 不同子载波数o f d m 系统性能曲线 图2 6 给出多径传播对o f d m 性能的影响。从图中可以看出，经过多径信 道之后，接收端信号频谱便发生畸变，误码率增大，而且随着多径信道数目的 增大，误码率也随之显著的增大。因此，多径传播带来的影响不容忽视，在实 际中必须注意。 图2 6 多径传播对系统误码率的影响 1 1 第2 章o f d m 技术的基本原理 2 5o f d m 技术的优缺点 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为它可以有效解决高速信息流在无 线信道中的传输问题，并且o f d m 系统具有很多独特的优点【7 , 2 1 1 。 ( 1 ) 频谱利用率很高。o f d m 系统的频谱效率比串行系统几乎高一倍，这在 频谱资源有限的无线环境中显得尤为重要。o f d m 信号的相邻子载波相互正交， 并允许子载波的频谱相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近奈奎斯特极 限； ( 2 ) 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 对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。可有效地抵抗多径传播所造成 的符号间干扰和窄带干扰，减少了接收机均衡的复杂度，在信道衰落不是很严 重时甚至可以不采用均衡器，从而系统实现的复杂度较低； ( 3 ) 适合高速数据传输。o f d m 系统的自适应调制机制使不同的子载波可以 按照信道状况和噪声模型的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候， 可以采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，可以采用抗干扰能力强的 调制方式。另外，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： ( 4 ) 抗码间干扰能力强。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，它与加性噪声干扰不同，是一种乘性干扰。造成码间干扰的原因有很 多，实际上，因为传输信道的频带是有限的，所以就会造成一定的码间干扰。 o f d m 由于采用了循环前缀作为保护间隔，对抗码间干扰的能力大大增强； ( 5 ) 可以选用基于i f f 聊f t 的o f d m 实现方法，随着大规模集成电路和信 号处理技术的发展，这是非常容易实现的； ( 6 ) 可以很容易的与其他多种接入方法相结合，构成o f d m a 系统，其中包 括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等，使得多 个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传递。 但是，o f d m 系统的发送信号由于是多个正交子载波上的发送子信道上的 信号叠加，因此，o f d m 系统有其固有的缺点【2 8 】： ( 1 ) 易受频率偏差和信道时变的影响，造成的i c i 严重影响了系统的性能。 o f d m 系统要求各个子载波之间相互正交，如果接收端和发送端的载波不匹配， 则子载波之间的正交性容易受到破坏，容易产生载波间干扰，o f d m 系统在高 1 2 第2 章o f d m 技术的基本原理 信噪比下的性能将受到极大的限制； ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比( p a p r ) 。o f d m 系统的发送信号是多个子载 波上的发送信号的叠加，当多个信号同相相加时，叠加信号的瞬时功率就会很 大，远远高于信号的平均功率，导致峰值平均功率比，这种p a p r 与系统的发送 子载波数成正比，高的p a p r 对发送滤波器的线性范围要求提高，增加了设备的 代价，会产生信号畸变，信号频谱泄露，各子载波之间的正交性也会遭到破坏， 产生干扰，系统性能将会下降。 2 6 小结 o f d m 在频域把信道分成许多正交的子信道，各个子信道的载波之间保持 正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道之间的干扰，提高了频谱利用率。同 时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，因此虽然整个信道是非平坦的频率 选择性衰落，但是每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间干扰。o f d m 技术适用于复杂多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输。由于 o f d m 技术具有抗多径能力强、频谱利用率高的优点，因此受到通信领域的广 泛关注。人们不但认为在宽带无线接入领域采用o f d m 是无线通信发展的必然 趋势，而且它将成为未来移动通信系统的关键技术。本章先是介绍了多载波调 制技术，然后重点介绍了o f d m 技术的基本原理、实现方法以及系统仿真，最 后总结了o f d m 技术的优缺点。 1 3 第3 章无线衰落信道的特性 第3 章无线衰落信道的特性 信道是用来将发射机的信号发送给接收机的传输媒质。信道分为无线信道 和有线信道。本文主要介绍的是无线信道。无论哪一种通信系统，其系统性能 都与对应的无线信道特性密切相关，对任何无线移动通信系统的研究也都是建 立在特定的无线信道特性的基础上。无线信道的特性决定着o f d m 系统的整体 性能，也涉及到系统设计问题，所以对它的全面了解将对研究o f d m 系统有极 大的帮助。 无线移动信道的主要传输特征就是多条路径通过反射、折射、散射和衍射 等方式共同作用在所传播的信号上，同一发射信号就会沿着多条不同的传播路 径，以不同的传播时间到达接收端。这些沿着不同路径到达接收端的波，称为 多径波【j 丌。不同路径的信号的传播距离和传播时延不同，因此到达接收机时的相 位也就不同，从而使接收信号的幅度可能同相叠加而增强，也可能反向叠加而 减弱，这样便导致了信号衰落和畸变，称为多径衰落。下面着重介绍无线信道 的特性。 3 1 无线信道电波传播的机理 蜂窝无线移动通信系统中，电磁波的传播机理是多种多样的，大体上可以 归结为反射、绕射和折射，形成多条路径信号分量到达接收端【2 圳。 电磁波在不同传输介质交界的地方会发生反射，在理想介质表面上反射是 不会有能量损失的【2 。l 。如果电磁波传播到理想的电介质的表面，则一部分能量 进入新介质继续传播，另一部分能量在原介质中发生了反射：如果电磁波传播 到理想反射体的表面，那么所有的能量都将被反射回来。 绕射可以使无线电波穿过障碍物，在障碍物的后方形成场强，称为绕射场 强【2 7 1 。由于位于障碍物前方的各点可以作为新的波源产生球面次级波，次级波 在障碍物的后方形成的场就是绕射场。 实际的无线通信系统中，接收信号的能量比反射模型或者绕射模型预测的 场强要大。这是因为当电磁波在粗糙表面上发生反射时。反射能量分散于各个 方向，便发生了反射。一些圆柱形的散射体比如树木、石柱等可以在所有的方 1 4 第3 章无线衰落信道的特性 向上散射能量，从而增加了接收信号的能量。散射般是在粗糙介质的表面发 生【7 】o 3 2 移动信道的特点 3 2 1 多径衰落 在移动并且变化不定的无线传播环境中，发射台发射的信号，到达移动台 接收端不是只有一条路径的，而是由许多条路径来的众多反射波的叠加合成。 由于无线电波的各个路径的距离不同，因而通过各个路径来的反射波到达的时 间不同，相位也不同。不同相位的多个信号在接收端合成时，有时会同相叠加 而信号幅度增强，有时却反向叠加而削弱信号幅度。那么接收信号的幅度将发 生急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径效应引起的，称作多径衰落【7 1 。 3 2 2 时延扩展和相干带宽 陆地移动通信信道的主要特征是多径传播。由于多径衰落的影响，当在发 射端发送一个极窄的脉冲信号时，在接收端会收到多个窄带脉冲，并且每个窄 带脉冲的衰落和时间延迟以及窄带脉冲的个数都是不同的，这就造成了信道的 时间弥散性。因而多径效应引起了接收信号中符号的宽度扩展、信号的分量在 时间上扩展现象时延扩展【2 1 1 。在数字通信系统中，这种时延扩展会带来符 号间干扰。如果符号的传输速率很高，将会导致很严重的错误，特别是采用时 分复用体制系统时。为了避免产生i s i ，应该使得时域的符号间隔大于信道冲激 响应持续的时间。 时延扩展是由反射及散射等方式导致的多条传播路径引起的现象，而相干 带宽是从时延扩展得出的一个确定关系的值。相干带宽是指一个特定的频率范 围，在这一范围内，两个频率的分量之间有很强的幅度相关性。定义为【3 0 】： ( 曲) 。亡 ( 3 1 ) 其中是最大时延扩展值，它是第一个到达接收端的信号分量与最后一个到达 的信号分量之间的时间差。 1 5 第3 章无线衰落信道的特性 3 2 3 多普勒频移和相干时间 当无线电发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率会发生偏移。当 两者作反向运动时，接收信号的频率将会低于发射频率；当两者作相向运动时， 接收信号的频率将高于发射频率，这种现象称为多普勒效应。这是任何波动过 程都具有的特性。多普勒效应引起的附加多普勒频移称为多普勒频移，可用下 式表示【2 1 l ： 兀= ；c o s 口= 兰丘c o s 口( 3 2 )d = 口= 一。 口 ( 3 2 ) 几f 其中，以为接收端检测到的发射机频率的变化量，v 为发射机与接收机之间的相 对运动速度，名为波长，口为入射波与移动台运动方向的夹角， c 为光速，：为 传输信号的频率。可以看出，多普勒频移与载波频率和移动台的运动速度成正 比【2 7 1 。 与多普勒频移相对应的概念是相干时间z ，用于在时域描述信道频率色散 的时变特性。就是指一段时间间隔，在这段间隔内，两个接收信号具有很强的 幅度相关性。通常其定义方法是最大多普勒频移的倒数【7 1 ，即 1 z ( 3 3 ) j m 总之，相干时间和多普勒频移是用来描述信道频率弥散性的两个参数，描 述信道的时变特性，而相干带宽和时延扩展是用来描述信道时间弥散性的两个 参数，反映信道的频变特性。 3 3 移动信道的衰落特性 无线时变信道的传播模型可以有大尺度和小尺度两种传播模型。大尺度传 播模型主要用于描述无线信道在大尺度上对传输信号的影响。但这两种模型并 不是相互独立的，因为在同一个无线信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺 度衰落。 3 3 1 大尺度衰落 大尺度衰落是用于描述发射机与接收机之间的距离有大尺度变化时接收信 号的强度变化的规律【7 】，表征了接收信号在一定时间内的平均功率随传播距离的 变化而呈现的缓慢起伏变化。大尺度衰落不仅与时间有关，还与收发天线之间 1 6 第3 章无线衰落信道的特性 的距离和载波频率有关，一般用对数正态统计分布来描述。但是幸运的是，蜂 窝小区的规模一般相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响不需 要单独加以考虑。 3 3 2 小尺度衰落 在无线通信中，小尺度衰落是由多径效应引起的，因而也称为多径衰落， 简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距离传播后幅度快速增强或减弱， 以致大尺度路径衰落的影响可以忽略不计【3 l l 。其反映了无线接收信号在较短的 距离或时间内的快速波动。 从频域角度看，根据衰落和频率的关系，衰落可以分为两种：非频率选择 性衰落和频率选择性衰落，前者又称为平坦衰落。当信号的传输速率较低，信 号带宽小于信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化一致， 因而衰落波形会失真，没有符号问干扰，此时信号经历了平坦衰落；反之，当 信号的速率较高，信号带宽大于信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频 率分量的变化是不一致的，引起信号波形的失真，造成符号间干扰，则认为信 号发生了频率选择性衰落1 2 1 l 。由于相干带宽是无线信道本身固有的特性，因而 信号通过无线信道时，是经历了平坦衰落还是频率选择性衰落将取决于信号本 身的带宽大小【2 。 如果基带信号带宽的倒数，一般指符号宽度，大于无线信道的相干时间， 那么信号的波形就可能发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也 称为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰 落，即慢衰落。因此，小尺度衰落信道主要可划分为四类【2 7 1 ： ( 1 ) 平坦快衰落信道； ( 2 ) 平坦慢衰落信道； ( 3 ) 频率选择性快衰落信道； ( 4 ) 频率选择性慢衰落信道。 3 4 衰落信道的模型及仿真 当接收端的信号中有视距传播的直达波信号时，视距信号成为主要的接收 信号分量，同时还有不同角度、不同方位随机到达的多径