（通信与信息系统专业论文）ofdm技术及其在蜂窝通信系统中的应用.pdf

摘要 在垂垡焦壅环境中可靠、高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求。多 载波通信技术能够抗多径衰落和时延弥散并且保持较高的数据传输速率。同时由 于它采用了离散傅立叶变换，所以大大降低了收发机的实现复杂度。因此，它在 无线通信系统中的应用尤其引人注目。 本文主要研究了o f d m 技术在蜂窝移动通信系统中的应用问题。文章先重点分 析了o f d m 系统的编码、同步和信道估计技术，然后结合h s d p a 的传输方案，对o f d m 在蜂窝系统下行链路中的应用进行了研究和性能分析。同时在此基础上，分析了 现有的自适应o f d m 算法的基本性能并做了部分改进。最后，对三种主要的多载波 c d m a 方案进行了简单分析和对比。 关键字：o f d m 自适应调制m c - c d m a a b s t r a c t d a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l sw i t hh i g hs p e e da n dr e l i a b i l i t yi sr e q u i r e d i nf u t u r ew i r e l e s ss y s t e m s m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o ni so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n st ot h i s p r o b l e m i t c a r l s t r o n g l y c o m b a tm u t i p a t ha n dd i s p e r s i v ec h a n n e l i n t e r f e r e n c e u s i n g d f t ，i t c a r lb ee a s i l yr e l i a z e di nt r a n s c e i v e r s t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fo f d mi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sr o b u s ta n dr e m a r k a b l e t h i s p a p e rm a i n l y d e a l sw i t ht h e a p p l i c a t i o n o fo f d mi nc e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a b o v ea l l ，k e yt e c h n o l o g i e s s u c ha sc h a n n e l c o d i n g ， s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o ni no f d ms y s t e m sa r ca n a l y z e d t h e n ，o f d m a p p l i c a t i o ni nc e l l u l a rs y s t e md o w n l i n k sf r o mh s d p ap r o p o s a l si si n d e p t hd i s c u s s e d w i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s g i v e n f u r t h e rm o r e ，b e t t e rp e r f o r m a n c e o b t a i n e dw i t h a d a p t i v eo f d ma l g o r i t h m si sc o m p a r e da n di m p r o v e d f i n a l l y , t h r e em a i nc r i t e r i o no f m c - c d m ai sp r e s e n t e da n da n a l y z e d k e y w o r d s ：0 f d ma d a p t i v em o d u l a t i o n m c c d m a 第一章绪论 1 1 引言 现代通信技术的发展正在使人类进入一个新的信息化时代。移动无线应用， 例如寻呼、业余无线电、调度、民用无线电、无绳电话、地面微波无线系统、数 字移动通信系统早已经渗透到现代居民的生活之中。近年来，数字信号处理技 术和射频电路制造技术取得了显著的进步。无线通信技术在这些进步的推动下获 得了巨大的发展。无论是在易实现性上还是在数据传输能力上，无线领域的新技 术都将占据更多的优势。多载波调制便是其中的一种新技术。 多载波调制实际上就是把信道分割成一组正交的，独立的子信道，数据通过彼 此独立的各个子信道传输的一种技术。多载波调制的原理框图可表示如下： 1 1 f 【j c , n 8 酬甜 t d i 哑b 峙m 喇a q t m m s i m r a l e i 【： c a n v 自。b e r i j ：r n t b i t s 1 j f f 图1 1 多载波调制的原理 应用在有线传输环境中的多载波技术通常被称为d g l ( d i g i t a l m u l t i t o n e ) 1 。在无线传输环境中，多载波技术的典型代表是o f d m ( o r t h o g o n a l f 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) 2 。本文对多载波技术的讨 论集中于o f d m 1 1 1 多载波调制的历史 采用多载波传输的最初目的是要克服g s t n ( g e n e r a ls w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) 传统的电话线路中因信道特性不理想对信息传输产生的影响。后来发现， 对其他非理想信道( 如频率选择性衰落的无线信道) ，多载波传输也具有较好的 优越性。又由于近年来数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，使得多 载波技术应用于无线环境也成为可能。故近来对o f d m 技术的研究也成为热点。o f d m 的历史可追溯到6 0 年代。c h a n g 3 文提出了在有限带宽信道上无码间干扰和 载波间干扰并行传输数据的方法。s a l t z b e r g 4 对该方法进行了分析，并指出在 该系统中干扰主要来源于相邻的子信道。这一预见在后来的数字基带信号处理中 得到了证明。对o f d m 的一个重要贡献是由w e i n s t e i n 和e b e r t 5 作出的。在一 文中首次引入了离散傅立叶变换( d f t ) 来进行基带调制和解调。为防止i c i 和i s i ， 该方案使用了保护时间和升余弦窗函数。虽然该方案在弥散信道上的载波正交性 不尽完美，但d f t 的使用无疑是对o f d m 的一个重大贡献。o f d m 的另外一个重要改 进是p e l e d 和r u i z 6 在1 9 8 0 年。该文提出使用循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) 来 解决正交性问题。虽然循环前缀的使用会招致功率损失，但却有效保证了正交性， 消除了载波间干扰。w y z o u 7 对o f d m 的原理和实现方案进行了概括总结。随 着o f d m 的应用日益广泛，对o f d m 的改进方案不断涌现，对o f d m 的研究也方兴未 殳。 1 1 2 多载波技术的应用 多载波调制已经在通信系统中广泛应用：如电话系统的数字传输，数字音频 广播数字电视，无线局域网等。 在有线传输环境中d m t 技术在高速用户数字线和非对称用户数字线技术中已 广泛使用。1 9 9 3 年3 月，美国交换载波标准协会( e c s a ) 的t i e i 4 工作小组通 过建议采用d m t 调制作为a d s l 的优选线路编码方案。该方案把双绞用户铜线可用 带宽( 1 i m h z ) 分成2 5 6 个子信道，每个子信道占用4 k h z 带宽，根据各子信道的 瞬时衰减特性，群时延特性和噪声特性在每个子信道上动态分配1 1 5 个数据比特， 并关闭不能承载数据的信道从而使传输速率达到最大。 在无线传输环境中o f d m 的应用更为广泛。它的思想其实早在6 0 年代就已 经出现，并应用在当时的c o l i i n sk i n e p l e x 军事系统当中。o f d m 在当今应用的一 个实例是欧洲的数字音频广播( d a b ) e u r e k a l 4 7 工程。e u r e k a l 4 7 工程是一个 针对移动接受者的高速数字声音广播系统，在7 m h z 的频带内广播5 6 m b s 的数字 声音，共可提供1 6 路立体声节目。它采用一个4 4 8 路子载波的o f d m 系统和q p s k 调制方案，并加入了差分编码和卷积编码，分别用于估计信道频域响应和克服瑞利 衰落。这个编码的o f d m 系统，称为c o f d m 系统，大量现场实验证明它在选择性瑞 利衰落信道上性能良好。在数字高清晰度电视( h d t v ) 传输系统的研制中，多载波 调制技术也受到充分重视。在欧洲e t s i 的无线宽带接八项目b r a n 中，也使用了o f d m 技术。其中采用了6 4 个子载波，信道间隔2 0 姗z ，保护间隔8 0 0 n s ，采用p s k 或 日a m 调制和相干解调，使用速率为i 2 的卷积码，可传输的信息速率从 6 m b p s 5 4 m b p s 。 1 1 3 目前的研究状况及专利 初期对o f d m 技术研究较多的是欧美的一些大学和研究机构。当今。国外各大 通信设备制造厂商也已经注意到o f d m 技术的优越性，并各自拥有相当的专利。在 得到了证明。对o f d m 的个重要贡献是由w e i n s t e i n 和e b e r t 5 作出的。在一 文中首次引入了离散傅立叶变换( d f t ) 来进行基带调制和解调。为防止i c i 和i s i ， 该方案使用了保护时间和升余弦窗函数。虽然该方案在弥散信道上的载波正交性 不尽完美，但d f t 的使用无疑是对o f d m 的一个重大贡献。o f d m 的另外一个重要改 进是p e l e d 和r u i z 6 在1 9 8 0 年。该文提出使用循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) 来 解决正交性问题。虽然循环前缀的使用会招致功率损失，但却有效保证了正交性， 消除了载波间干扰。w y z o u 7 对o f d m 的原理和实现方案进行了概括总结。随 着o f d m 的应用日益广泛，对o f d m 的改进方案不断涌现，对o f d m 的研究也方兴未 殳。 1 1 2 多载波技术的应用 多载波调制已经在通信系统中广泛应用：如电话系统的数字传输，数字音频 广播数字电视，无线局域网等。 在有线传输环境中d m t 技术在高速用户数字线和非对称用户数字线技术中已 广泛使用。1 9 9 3 年3 月，美国交换载波标准协会( e c s a ) 的t 1 e 1 4 工作小组通 过建议采用d m t 调制作为a d s l 的优选线路编码方案。该方案把双绞用户铜线可用 带宽( 1 1 m h z ) 分成2 5 6 个子信道，每个子信道占用4 k l t z 带宽，根据各子信道的 瞬时衰减特性，群时延特性和噪声特性在每个子信道上动态分配1 1 5 个数据比特， 并关闭不能承载数据的信道从而使传输速率达到最大。 在无线传输环境中o f d n 的应用更为广泛。 它的思想其实早在6 0 年代就已 经出现，并应用在当时的c o l l i n sk i n e p l e x 军事系统当中。o f d m 在当今应用的一 个实例是欧洲的数字音频广播( d a b ) e u r e k a l 4 7 工程。e u r e k a l 4 7 工程是一个 针对移动接受者的高速数字声音广播系统，在7 m h z 的频带内广播5 6 m b s 的数字 声音，共可提供1 6 路立体声节目。它采用一个4 4 8 路子载波的o f d m 系统和q p s k 欧洲专利局网址进行检索的结果如图 图1 3 按照年份检索的专利情况 按照各公司搜索的专利结果如图： 图1 4 按照各公司的专利分布情况 总体来看，国外的专利涵盖了o f d m 系统的各关键技术：同步，均衡，信道估 计，发射，功控等。目前，在发射，接收，同步技术方面的专利比较多( 描述发 射和接收机的结构及如何保持同步) ，对功率控制和减小蜂均比的专利较少( 各 有l 篇) 。在多载波c d m a 方面的专利目前还比较少，仅集中于m c c d m a 系统的接 收机结构和检测方法上。并且从年份分布情况和各大公司专利情况不难发现：o f d m 技术的应用近年来正在日益普及；l u c e n t 、c i s c o 、w i l a n 等公司都各自推出了自 己的o f d m 无线局域网产品，其中以w i l a n 公司的w o f d m 为典范。 国内对o f d m 的研究刚刚兴起，但o f d m 的技术优越性和大好前景正在引起越 来越多的关注，信息产业部下的传输研究院也加入了o f d m 论坛。o f d m 目前已经 被5 g h z 无线局域网的标准所采用( i e e e8 0 2 1 l ai nu sa n dh i p e r l a n 2i n e u r o p e ) a2 0 0 1 年初，基于坼谢技术的物理层草案已经被提交到i e e e 。如果通过 批准，o f d m 将成为8 0 2 1 6 规范的主要内容。由h p 实验室推出的室内无线局域网 ( 试验网) 传输速率可达2 0 i t s 并且工作性能良好。 综上所述，o f d m 已经是一项比较成熟的技术，凭借其技术优势，o f d m 有望 成为新一代移动通信系统的无线接入方式。甚至在今年的3 g 提案中，也把o f d m 列为h s d p a 中d s c h 信道的侯选物理层技术之一。 1 2 论文的研究范围及章节安排 论文的研究方向是o f d m 技术及其在蜂窝通信系统中的应用。尽管目前尚无 o f d m 技术应用在蜂窝系统中的实例，但其技术优势使其在蜂窝系统下行链路中的 应用成为可能。论文在分析o f d m 系统的关键技术和优缺点的基础上，分析了o f d m 在蜂窝系统下行链路中的传输方案及其性能：并结合目前的比特分配算法，研究 了自适应o f d m 系统在频率选择衰落信道上的性能。论文还研究了u n i t s 空中接口的 提案o f d m a ，探讨了o f d m 应用在蜂窝系统中的帧结构，并给出了可能的信道分配方 法。 论文在第二章的开始介绍了必要的无线信道的基本知识。接下来，论文阐述 to f d l l i 的数学模型，并分析了该技术的优缺点。针对其在无线通信系统中的应用， 论文还对o f d m 系统下的部分关键技术( 如：编码、同步等) 进行了总结和分析。 第三章主要阐述自适应o f d m 系统，分析比较了现有的自适应比特分配算法并 给出了使用a c z y l w i k 算法和s b l a 算法的自适应o f d m 系统在频率选择性衰落信道 上的仿真方案及仿真结果。 第四章分析了o f d m 技术在蜂窝通信系统中的空中接口方案，同时结合3 g 的 h s d p a 提案，分析了o f d m 在蜂窝系统下行链路中的性能。 第五章介绍了现有的几种多载波c d m a 方案并对其性能进行了分析比较。 最后，对论文的工作进行了总结及展望。 第二章o f d m 及其关键技术5 第二章o f d m 及其关键技术 在介绍o f d m 关键技术之前，有必要介绍部分必需的信道方面的知识，因为无 线传播特性方面的理论是无线通信系统设计的先决条件。由于环境变化，时延扩 展使得固定位置接收到的信号呈现随机分布特性，一般通过对物理上静态的、宽 带和窄带环境做多次测量，来获得传播损耗、功率的空间分布等特性。 2 1 无线信道的预各知识 一般说来对于一个无线信道很难预测其性能，传统上无线信道模型是根据实 际传播的测量数据采用统计的方法构成的。通常无线运行环境中信号的衰落可 以分解为三个分量：一个是太范围的路径损失；另一个是中等范围慢变化的分量， 具有对数正态分布；还有一个服从瑞利莱斯分布的小范围快速变化的分量。上述 三类模型可用来描述无线蜂窝系统运行环境：第一类区域为平均功率决定于从发 射机至接收机之间范围内路径损失的特性：第二类区域为平均功率慢变化，可用 对数正态分布来表征；第三类区域为瞬时功率按r i c i a n 或r a y l e i g h 分布快衰落。 2 1 1 无线信道的传播模型 一般使用一个三阶段模型来恰当地描述无线蜂窝环境：( 1 ) 由发射机和接收 机之间距离决定的路径损耗，它决定了区域平均功率( a r e am e a np o w e r ) ：( 2 ) 该区域的短区间平均功率，是慢变信号，很适合用对数正态分布来表示。( 3 ) 叠 加前两者上的服从瑞利或莱斯分布的瞬时功率。图2 1 说明了三种不同的传播现 象。当发射机与接收机间的传播路径存在直达径时路径损耗最小；当信号被 建筑物、山、植被严重阻挡时，路径损耗最大。由于建筑物周围的反射、衍射及 其内部的折射而造成的接收信号功率随距离的增加而减小的现象称为路径损耗。 路径损耗的传播模型称为长区间传播模型，当收发信机相距数百米至数千米 远时，通过测量平均功率来表征接收信号的强度。当接收天线在几十至几百米范 围内移动时，中等区间的传播模型决定了本地平均功率的变化。中等区间内接收 信号的变化叫阴影衰落，是由树木和植被的阻挡引起的。局部平均功率( l o c a lm e a n p o w e r ) 是几十个波长内的平均功率( 典型值为4 0 个波长) 。 在几个波长量级的距离或秒量级这样短的时间内，信号的快速变化是用短区 间传输模型来描述的。小范围的快衰落，又称为短区间衰落或多径衰落，是由于 运动物体周围的房屋，人造建筑，森林等自然物等散射物引起的多径反射造成的。 根据研究目的决定来决定采用何种精度的模型。如要对某个特定区域内覆盖 情况与容量大小进行详细分析，就必须使用详细的模型。而另一方面，设计空中 接口只需进行粗略的容量与范围计算，因而采用简单易用的模型就足够了。 除了传输环境模型之外，无线环境中无线终端的移动特性也是必须了解的内 容，移动模型的建立还与无线资源管理，信道分配及切换性能有关，在设计时还 必须考虑到模型的精确度要求这一因素( 即不同模型的使用策略) 。 图2 1路径损耗，阴影及多径衰落 2 1 2 多径信道 由于多径传播造成接收信号的快速起伏叫作短区间衰落，不同传播距离的多 径信号导致不同的传播时延。图2 2 显示了一个功率时延分布图( p o w e r d e l a y p r o f i l e ) ，它包含了三个明显的径又称为多径抽头( m u l t i p a t ht a p s ) ，它们 相加之后会造成有利或不利的影响。每个多径抽头的功率都是时变的，从而导致 图2 3 所示的衰落，衰落的深度取决于信道类型。信道抽头的瞬时功率分布可以 用一个分布函数来表示，它由无线环境决定。“瑞利衰落”信道是最恶劣的无线 信道，其衰落很深。在瑞利衰落信道中各径的抽头都是独立的，且不存在主径。 莱斯信道的衰落相对要浅一些，是因为各分散的径中存在主径。在微小区和微微 小区环境中，典型的主径是由于存在直达径( l o s ，l i n eo fs i g h t ) 造成的。通 常用时延扩展、相干带宽、多普勒频移及相干时间来描述研究多径信道的特性。 时问 图2 2 多径信道的冲激响应 第二章o f d m 及其关键技术 7 功率 图2 3多径衰落信道 时延扩展的均方根是信道时延的统计测量值，它是信道多径的平均时延扩展。最 大时延扩展是功率一时延轮廓中第一径和最后一径之间的相隔时间。相干带宽表示 信号保持很强相关性的最大带宽，相干带宽与时延扩展成反比。如果发射信号带 宽大于相干带宽，就会产生频率选择性衰落，反之则产生平坦衰落。时延扩展和 相干带宽只是看待多径衰落信道的不同角度。相干带宽是r a k e 接收机或均衡器可 利用的分集数目的一种度量：相干带宽小意味着分集数目多。如图2 4 所示，只有 部分频率发生了衰落。如果相干带宽和传输带宽相等，那么整个谱都会发生衰落。 最大时延可以用于计算r a k e 接收机可以利用的最大可分辨径数。 移动台的运动产生多普勒频展，其带宽等于无调制信号的载频经过信道后的 观察到的带宽。若移动台到基站只有一条路径，基站将观察到无多普勒频展但有 频偏的载频信号( 即多普勒频移) 。多普勒频移还与移动台运动方向与基站的夹 角有关，多普勒频移的倒数定义为信道的相干时间，它等效于信道特性无显著变 化的持续时间。接收端的信道估计方法和t d d 方案的帧长都与相干时间有关。 相干带宽 璺 图2 4 相干带宽与衰落 由上可知，无线信道的情况较为复杂，信号在其中的衰落类型由信号的传输 速率和信道的特征共同决定。在理论分析和系统设计时，应当选用最符合实际情 况的信道模型。在本文后面的讨论中，所用到的信道模型符合3 g p pc a s e l 的标准 为多径瑞利衰落信道。 2 2o f d m 技术 o f d m ( o r t h o g o n a f r e n 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，是多 载波调制技术应用于无线传播环境中的典型代表。其基本思想是将信号流划分成 多路子数据流，再去并行调制多路载波。其子载波的频谱虽然重叠但保持了良好的 j 下交性，故称其为正交频分复用。它是频谱利用率最高的一种频分复用方式。o f d m 技术由于其抗时延弥散和抗多径衰落的技术优势和简单结构的易实现性而成为新 一代无线接入方式中的佼佼者。它所支持的最高传输速率达到2 0 m b it s 目前， o f d m 已经被推荐为无线宽带接入网和第四代移动通信系统的侯选技术。 2 2 1 原理 早期连续时间的o f d m 系统模型如下： 捌虹袋卜_ s i p 笪壤。 一。押q l t 鼯 “吣! ， f _ f + a f 图2 7 ：o f 删发射机的原理 3 n “ 图2 8 ：o f d m 接收机的原理 如上图所示形成o f d m 信号的信号源一般使用p s k 调制或q a m 调制。信号可 表示为同相分量和正交分量。将串行输入的信号流拆分成n 路并行信号，用每一 路子信号调制一路子载波。最后，将n 路调制信号叠加起来发送出去。接收机的 步骤基本上是发射的逆过程。但由于数字信号处理技术和集成电路技术的发展， 现在实际上的应用方式并不是上图所示在发射端产生数目众多的载波( 这样做使 得发射机的成本昂贵且复杂) ，而是使用离散傅立叶变换( d f t ) 来代替上图中的 第二章o f d m 及其关键技术 9 多载波调制方案 5 。如图2 9 。这里的i d f t d f t 模块可看作多载波调制解调器。 图2 9 ：简单o f i ) m 发射机的基本组成 如上图，串行输入的用户数据x i ，k 的码元速率是rb a u d s 。经过串并变换 之后，用户数据被分成m 路并行数据x t m ，k ，码元速率是r mb a u d s 。这m 路 子数据流被进行i f f t 变换，得到n 个时域离散信号( n 点脉冲信号) x 1 n ，k 。即将 输入的用户数据x 】m ，k 当作频域信号，通过快速傅立叶反变换，将其转换为时域 信号。这一步骤的意义在后面说明c y c l i cp r e f i x 是长度为l p 的周期性前缀( 即 保护时间) ，加在n 点脉冲信号之前较为简单的情况是，c y c l i cp r e f i x 取n 点 脉冲信号的后l p 位数据比如假设n = 4 和l p = 2 ，n 点离散信号是f 1234 ，则c y c l i c p r e f i x 是 34 ) 。所以，在插入保护时间之后的m 信号是 34 l234 ) ，长度 变为n + l p = 6 。加入周期性前缀的意义之一是使o f d m 码元看起来具有周期性。最 后，这样的o f d m 码元经过串并变换，再经过适当的滤波和调制后发送出去。发送 的o f d m 信号经过信道传输到达接收端。发送的信号无疑要受到信道的影响( 相当 于发送信号与信道的冲激响应的卷积) 。又因为连续时间的信号的卷积等效于信号 的频谱的乘积( 这个定理在离散隋况下，当序列长度n 无限大时或信号中至少有 个是周期信号时也是成立的) 。故接收端得到的信号是o f l ) k l 信号的频域响应乘以 传输信道的频域响应。而o f d m 信号的频域形式恰好是图2 9 中i f f t 变换之前的 x t 虬k ，即串并变换之后的用户数据。这样，传输信道对信号的影响可以看作是信 号的复增益( 在复频域) 。实际上，这复增益就是传输信道在相应频率点上的 d f t ( g g 散傅立叶变换) 值。由于i f f t 可以方便的用硬件实现，故o f d m 接收机的实 现比起传统的接收机大为简化。 。i 型+ l pj r e m 刚 郇l f | _ | 掰陵 i1 州口ki 山l 阿出 y ii y 1 n ，k i l 1 m k 图2 1 0 ：简单o f i ) i 接收机的组成 d e s t i m a t e g 帮吲。 ! ! q 里里m 夔查盈基垒坚塞塑垡丕丛主塑塑型 o f d m 简单接收机的框图( 图2 i 0 ) 基本上是发射机的逆过程。经过串并变换 之后的接收信号y 1 卅l p ，k 是一个时域信号。当然，由于信道的影响使它产生了 失真。接着，要进行c y c l i cp r e f i x 的消除( 即o f d m 码元的长度从n + l p 减少到n ) ， 得到y l n ，k 。保护时间l p 要大于信道的时延，这样才能防止码间干扰。于是，去 除了c y c l i cp r e f i x 也就去除了码闻干扰的影响。然后对y 1 n ，k 进行f f t 变换， 得到信号的频域形式y 1 m ，k 。同样，由于c y c l i cp r e f i x 的引入，时域信号与信 道的冲激响应的卷积相当于信号的频谱与信道频域响应的乘积则接收信号y 可表 示为如下形式： y = c x + n 式中y - - - 一接收信号的频域响应 c - - - 一信道的频域响应 n 一一一噪声 x 一信号的频域形式 可见，信道的影响相当于对信号的频谱乘以一个复增益。可以根据信道的离 散傅立叶变换对接收信号进行划分和均衡。表示式如下： y e q u a l iz e d = x + n c 最后，对信号进行并串变换即得到原始信号。根据以上原理，在实际应用时 还要配合相位补偿，编码，交织，均衡等技术才能达到比较满意的性能。 2 3 相关技术分析 2 3 1 抗多径时延 o f d m 的实质是多载波调制，一个o f d m 码元由多个子载波的信号叠加而成。其 频谱图为： d x 处八、，a 、f ，、 图2 1 lo f d m 中的多载波频谱 显然，与传统的频分复用方式相比，o f d m 有较高的频谱效率，而且相比较于 第一二章o f d m 及其关键技术 同等数据传输速率的单载波调制系统来说，o f d m 系统有较长的码元周期，可抵抗 突发脉冲干扰和多径时延拓展；典型的信道延迟时间在几十纳秒至几微秒之| - 白j ， 常用的o f d m 码元速率( 在信道处) 在2 0 k h z 1 m s z 之间，如果o f d m 信号的宽度 远远大于信道时延，则由于信道带来的时延和突发脉冲的干扰可忽略，而如果使 用单载波技术来传输同样速率的数据，则需要复杂的接收技术来抵抗多径信道的 影响。另外还可以利用频率分集的思想来充分发挥多载波传输的特点，克服多径 干扰。因为多个子信道的划分降低了信号的波特率使得在各子信道上，信号历经 平坦衰落，因此可以利用灵活的子信道分配策略，实现频率分集。 但是，多载波传输的方法也为o f d m 带来了峰均比较高的特点，这对r f 频段 功放的线性是一个高要求，如何有效降低0 f d m 信号的峰均比是一个颇具挑战性的 课题。 2 3 2 动态比特分配 在o f d m 不同的子信道上，可以使用相同的数据调制方式，但更好的方法是依 据各子信道的噪声等级采用不同的调制方式；也可以与m a c ，r r c 层的资源管理策 略相配合，实现h a r 0 ，a m c 等方法以提高频谱利用率。关于这一部分，将在后面 一章详细讨论。 2 3 3o f d m 系统的同步 o f d m 系统在实际应用中要实现严格的同步，才能在无线衰落信道上表现出应 有的良好性能。o f d m 信号的同步可以充分利用o f d m 信号的特点展开。由于在码元 间插入了周期性保护前缀( c y c l i cp r e f i x ) ，时钟同步问题变的相对简单。解决 该问题主要有两种办法：基于导频和基于循环前缀。基于导频的同步方法 8 适 用于使用qam 调制的ofdm 信号。该过程分为3 个步骤：功率检测粗略同 步和精确同步。首先，系统发送己知的导频信息。然后，功率检测把接收到的功 率与一个己知门限值相比较，以确定是否一个ofdm 码元到来。接下来，通过 粗略同步进行时钟校准( a l i g n m e n t ) 。在这个阶段内，允许的最大校准偏差为 0 j 个样本偏差。在这基础上，再进行精确同步，通过对导频信号的均衡锁定码 元同步。另外一种解决码元同步的方法是基于循环前缀c 9 。将相隔为n 的两个 接收样本点作差值：r ( k ) 一r ( k + n ) 。如果这两个样本点中，一个属于循环前缀，一 个属于同一个ofd m 码元之内的被拷贝信息，则两者的差值较小；如果一个属 于循环前缀，一个属于不相关信息，则两者之间的差值较大。基于循环前缀的同 步算法j 下是基于这样的思想。具体的同步算法中创建并使用了如下的可能性函数： 删) = 篆1 上s n r + l r e 耻+ ) 盏器叫川) i 2 其中，口是定时误差( t i m i n go f f s e t ) 当信噪比较小时，主要衡量上式中的前一项；当信噪比较大时，主要衡量上式中 的后一项。通过计算以定时误差为自变量的可能性函数来产生码元同步。 载波的频率偏移毫无疑问会直接影响载波的正交性，从而直接影响系统的性 能。载波的频偏源于发射接收机的本地晶振误差或多谱勒频移或非线性信道的相 位噪声。载波频偏对码元的直接影响是信号幅度大大衰落，并且给系统带来载波 问干扰。因而载波的同步问题也不可忽视。如同码元同步算法一样，载波同步的 解决方案也分成两类：基于导频和基于周期性保护前缀。基于导频的算法 1 0 首 先利用部分子信道发送已知的导频信息，利用导频信息检测频率偏移。基于周期 性保护前缀的算法之一是实施基于频率偏移的最大可能检测 1 1 ，即创建个在 频偏为零时达到峰值的函数。如果频率偏移相对于o f d l i t 码元也是慢变化的还可 以使用锁相环来减小这一误差。 如何保证o f d m 系统的同步，是关系到整个系统性能的关键问题之一。 2 3 4o f o m 的均衡 简单的均衡器结构是o f d m 的突出优点之一。由于o f d m 在每个子信道上经历 的是平坦衰落，所以可以方便的对各个子信道进行频域均衡。通常，一阶抽头滤 波器结构的均衡器就可以满足要求。这对于接收机的复杂度是一个很大的简化。 在这里，与单载波技术相比较，可发现两种技术在时一频域上的部分对照关系。 单载波技术的均衡通常是在时域进行的，而多载波技术则在频域；为抵抗i s l ，单 载波的均衡通常要借助训练序列，而多载波则要在码元中插入循环前缀。 2 3 5o f d m 的估计技术 由于使用o f d m 系统传输时，信道特性是未知的，所以必须通过信道估计 来获得信道的特性。在设计o f d m 系统的信道估计单元时，要考虑：一，导频信息 如何有效的发送，二，信道估计的单元具有尽可能低的复杂度和良好的信道跟踪 能力。 o f d m 系统中的导频信息发送可借用p a s m ( p i l o ta s s i s t e dm o d u l a t i o n ) 调 制。在欧洲d v b 系统中的草案和h s d p a 的提案 1 2 中，导频信息是以特定的载波 和特定的时隙来发送的，并且其发送功率高于一般数据信息的发送功率。基于均 方误差准则的信道估计单元实际上是一个二维的维纳滤波器。高速率传输和低误 码率性能要求信道估计单元结构简单且精确度好。应当指出的是，这两者实际上 是相互矛盾的。精确度高的信道估计单元，如二维的维纳滤波，通常其计算复杂 度也较高。为此，m s a n d e l l 1 3 引入了可分离滤波器( s e p a r a b l ef i l t e r ) 。另 一种折中的办法是在估计单元中采用d f t 变换，但这种办法的性能有待提高，常 第二章o f d m 及其关键技术1 3 常产生不可约的溢出错误 1 4 。 2 3 6o f o m 的编码技术 为了抵抗突发脉冲错误和频率选择性衰落，在o f d m 系统中适当的编码和交织 是必 图2 1 2o f d mc o d i n gm o d e lb yh o h e r 在该方案中，采用了级联编码方式并配合使用交织和慢跳频技术以获取分集 效果。外层编码使用了速率为1 2 的卷积码( 1 7 1 ，1 3 b ) 。随后的交织方案的作用 是消除突发脉冲干扰对内层编码的影响。接下来的内层编码采用4 阶p a m 调制的 一维t c m 码。该码型可以使接收端的译码复杂度较低，同时也提供良好的分集效 果。在接收端采用传统的软判决译码算法。 在上述经典编码模型的基础上，陆续出现了其他的改进的编码方法。过去的 研究 1 6 证明，采用差分调制和t u r b o 码译码算法可以将系统的信噪比提升至少 3 5 个d b 。最近，d a k s h ia g r a w a l 1 7 提出了o f d m 的空时码( s p a c e t i m ec o d e ) 编码方案，并与采用r s 码的o f d m 方案坐了对比分析。仿真结果表明，在时延弥 散的衰落信道中空时码o f 洲系统的优越性大大超过了r s 码0 f o m 。 兰_ q 盟垫垄丞基查些蜜亟焦丕筮圭鱼堕旦 小结 对o f d m 技术的研究实际上很早就开始了。只是到了现阶段，数字信号处理技 术和集成电路技术的发展才使得它的实现更加方便和高效。因而0 f d m 技术又成为 无线通信领域的新热点。本章先介绍了必要的无线信道方面的知识，然后详细介 绍了0 f d m 的基本原理。同时与单载波技术相对比，分析了o f d m 技术的优缺点。并 对0 f d m 系统下的关键技术如均衡、同步、编码、估计技术等进行了归纳总结。 第三章自适应o f d m 系统1 5 第三章自适应o f d m 系统 3 1 引言 由于在无线通信环境中链路条件时时刻刻随不同用户而变。所以一个好的无 线系统就要对网上的每一个用户动态地进行调谐和调整，也要在每条链路上对不 可预测的条件进行调整。调整的机理有多种，包括多径衰落调整、纠错和重发等， 自适应调制也是常用的一种。它的主要思想是通过研究无线信道的衰落程度、信 道流量等参数动态地改变调制方式，使信道容量达到最大或者使系统性能达到最 佳，从而提高系统的频谱利用率和信息传输速率 1 8 。另一方面，o f d t l f 本身就具 有允许各子载波分别使用不同调制模式的优越性，将o f d m 与自适应调制相结合， 可将二者的优势自然而充分的结合起来，建立起高速、可靠的通信琏路。从目前 国外的资料来看自适应o f d i 的研究也正引起了越来越多的关注 1 9 。一些厂 商，如采用单载波技术的a p e r t o 、a d a p t i v e b r o a d b a n d 、h y b r i d 、r a z e t e c h n o l o g i e s 和w i m a n ，基于o f d m 技术的b e a m r e a c h 、c i s c o 和i o s p a n w i r e l e s s 以及采用无线 d o c s i s 的v y y o ，在它们的产品中都开始使用自适应调制技术。在3 g p p 的h s d p a 提案中，提出了将o f d m 应用在蜂窝系统下行链路的思想。提案同时指出，如果将 o f d m 与自适应机制相结合，将会取得更好的效果。本章将要讨论的就是自适应算 法及自适应o f d m 系统在频率选择性衰落信道中的性能。 3 1 1 自适应调制 自适应调制应该工作在双工传输系统中 2 0 ，这样才能获得并利用有关无线 信道传输质量的信息。而且，无线信道的衰变速率不能太快否则质量控制信息 的传输将十分频繁，将大大增加相应的开销比特。因此，自适应调制更适合于步 行者用户和慢速行驶的移动台。 一般说来，自适应0 f d m 基本步骤包含以下三个方面： ( 1 ) 信道质量检测：由于信道的时变特性，为选择合适模式进行传输，必须 不断的在接收端进行信道质量的检澳4 。检测的方式可以分为如下两类：如果通信 是双向而且信道是相互共用的那么发方就可以根据接收到的信息对传输信道进 行估计，从而在下一帧的传输中启用相应的调制模式。这种方式称为开环检测 ( o p e n - l o o p ) 譬如无干扰的室内t d d 模式的无线信道。如果传输信道对通信双方 来说并不相同，比方说划分为上，下行琏路的情况，则信道的质量状况须在收 方汇总并通过信令方式将检测结果告知发方。这种由收方显式的传送信道情况的 方式称为闭环检测( c l o s e d l o o p ) 。我们将主要讨论后一种方式。 如果没有信道间干扰，o f d m 系统每一子信道的误比特率性能可由频域传输函 数h n 的波动来决定。对于信道传输函数h n 的估计可以利用导频信息或时域训练 序列来进行。但信道估计的周期和信道的最大多谱勒频移之间的关系非常关键： 如果信道衰落的变化相对较快，用于发送下一帧数据的信道估计结果已经失效， 则会使自适应系统的性能大为下降。因此，信道的最大多谱勒频率也是系统的一 个关键参数。 ( 2 ) 自适应参数选择：对应于信道的不同的质量状况，应采用不同的传输参 数一调制方式和编码模式。对子载波上的不同s n r 值，可以选择不同的调制阶数： 或者关闭性能恶劣的子信道。对编码模式的选择包括码速率，交织和打孔方式( 对 卷积码和t u r b o 码而言) ，分组码的长度等。 ( 3 ) 信令消息的传递：做好信道估计和参数自适应选择两个步骤之后，通常 要将这些相关信息通知接收方以便正确的解调原信息。信令开销可通过o f d m 码元 本身来传送，当然这要占用一部分有效数据，也可以通过远端的接收机靠盲检测 来识别。具体情形可用下图表示： 蛐i 白l _ - h 一 耗留赫产 - _ 傅- 一 - 口_ m ，_ - k h 岫 o _ _ 舢 譬住 l q u l l m l m l h m m k 图3 1 自适应系统中的信令传递 根据上述自适应机制，下图给出了一个闭环自适应o f d m 发射机的实例： 一苎三兰旦堕查q ! 型墨堕! ! 图3 2 ： 一个闭环自适应o f d m 的发射接收机实例 3 2 自适应o f d m 系统 3 2 1 自适应算法 自适应算法是自适应o f d m 系统中至关重要的部分，因为它将直接影响到自 适应系统的性能。本文中所讨论的自适应算法，将根据检测到的子信道的信噪比， 确定下一帧传输时各子信道上的调制方式。在d m t 技术中，这种自适应算法有时 也被称为比特映射( b i t m a p p e r ) 算法。 目前的自适应算法大致有如下几种：h u g h e s - h a r t o ga l g o r i t h m 2 1 ：p s c h o w a l g o r i t h m 2 2 ：a c z y l w i ka l g o r i t h m 2 3 ：f i s c h e ra l g o r i t h m 2 4 ；s b l a a l g o r it h m 2 5 等。h u g h e s h a r t o g s 的算法是将逐个比特按照最小递增发射功率的 方法分配到子载波上去直至达到目标速率r t 。该算法保证了性能要求，但需要额 外的搜索和排序。因而计算复杂度较大。在实际应用中较多的是p s c h o w 算法。 p s c h o w 算法摒弃了大量的搜索和排序，简化了算法复杂度。但该算法的不足之 处是信号功率和速率直接相关，无优化的余地；另外它所用的标准不切实际，实 际的通信琏路往往不在乎能否达到信道容量，而更注重是否能以有限的功率达到 某种速率的传输同时保证误码率最小。在仿