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太原理工大学硕士研究生学位论文 l i e 上行链路虚拟m 0 系统的用户配对算法研究 摘要 随着移动通信技术的迅猛发展，当前无线信道资源日趋紧张。如何有 效地提高信道利用率，成为移动通信领域面临的重要课题。由于多输入多 输出( m j 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 ) 技术在提高系统容量和信道 利用率方面表现出的巨大潜力，因此受到了业界的广泛重视，并被3 g p p 长期演进( l t e ) 项目列为必选的关键技术之一。 在l t e 上行链路中，由于受到用户终端体积、成本与功耗等多方面因 素的影响，传统的m i m o 技术的实际应用变得比较困难。而虚拟m i m o 技 术的提出较好的解决了这个问题，它将具有单个天线的多个独立用户进行 虚拟配对，然后通过相同的时频资源进行用户数据的传输，实现了空间复 用增益和分集增益，使整个系统的容量和信道利用率得到了明显的提升和 改善。其中，虚拟m i m o 技术的关键部分是用户配对算法，它的优良与否 直接关系着整个系统性能的好坏。 鉴于虚拟m i m o 技术在l t e 上行链路中的巨大应用前景，本文主要针 对虚拟m i m o 系统用户配对算法进行了研究，并在广泛研究配对算法原理 的基础上，对一种s u p 半正交配对算法提出两种改进方案。本文主要进行 了以下几方面的工作： ( 1 ) 概括分析了3 g p pl t e 项目的演进背景，并对l t e 系统的网络架构 和技术特点进行了研究，介绍了虚拟m i m o 技术应用的整体背景。 ( 2 ) 对l t e 物理层应用的正交频分多址( o f d m a ) 技术、单载波频分 太原理工大学硕士研究生学位论文 多址( s c f d m a ) 技术和多输入多输出( m i m 0 ) 技术进行了大量广泛的 基础性研究，涉及到各项技术的基本原理、生成方法、系统模型、特点等 方面，引出了应用虚拟m i m 0 技术的必要性。 ( 3 ) 首先对虚拟m i m 0 的信道容量进行了分析。接着对虚拟m i m 0 配 对算法领域的几种经典算法进行了研究，包括算法的原理、配对流程、优 缺点等方面，并且通过仿真对几种算法在系统吞吐量和用户公平性方面的 优劣进行了对比分析。 ( 4 ) 对配对算法领域内的一种s u p 配对算法进行了分析，并指出了算法 在用户公平性方面存在的不足。针对原算法存在的缺陷，文中提出了两种 相应的改进方案。第一种是基于s n rf - 3 限的s u p 半正交配对传输策略，在 该方案中，对于低于设定的s n rf - j 限的用户进行直接传输，而对于信道质 量较好的用户采用原s u p 算法进行配对传输。第二种方案则是对第一个配 对用户的选择标准进行了改进，不再单纯的选择那些具有最大s i n r 的用 户，而根据比例公平准则选择用户，有效地改善了原算法的公平性能。最 后通过仿真，表明改进方案在公平性方面较原算法有了较大改善，同时系 统吞吐量方面表现得也很接近，因此为实际工程应用提供了良好的算法方 案选择。 关键词：l t e ，虚拟m i m o ，用户配对，o f d m ，半正交 r e s e a r c h0 nu s e rp a i i u n ga l g o r i t h m s o ft h e v i r t u a lm m os y s t e mi nl t eu p l i n k 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 fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h e c u r r e n tr a d i oc h a n n e lr e s o u r c e sh a v eb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yi n t e n s i v e a n dh o w t o i m p r o v e t h eu t i l i z a t i o nr a t eo fc h a n n e le f f e c t i v e l yh a sa l w a y sb e e na n i m p o r t a n ti s s u ef o rt h er e s e a r c h e r si nt h ef i e l do f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n d u e t o t h eg r e a tp o t e n t i a l i t ie ss h o w nb ym i m oi ni m p r o v i n gt h es y s t e mc a p a c i t ya n d c h a n n e lu t i l i z a t i o n ，i th a sr e c e i v e dr e s e a r c h e r s e x t e n s i v ea t t e n t i o na n d h a sb e e n l i s t e da so n eo ft h ec o m p u l s o r yk e yt e c h n o l o g i e si nt h e3g p p l t e p r o g r a m d u et om a n yf a c t o r ss u c ha su e ss i z e ，c o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o n ，i t s h a r df o rm i m ot ob eu s e di nu p l i n kt r a n s m i s s i o no fl t e a sag o o ds o l u t i o nt o s o l v et h ep r o b l e m ，v i r t u a lm i m oi s s u c hat e c h n o l o g yt h a ts e l e c t ss e v e r a l i n d e p e n d e n ts i n g l e a n t e n n al i e st of o r mag r o u p ，a n dt h e nl e tt h e mt ot r a n s m i t d a t au s i n gt h es a m et i m e f r e q u e n c yr e s o u r c e a sar e s u l t ，i ta c h i e v e ss p a t i a l m u l t i p l e x i n gg a i na n dd i v e r s i t yg a i nw e l l ，a n di m p r o v e st h es y s t e mc a p a c i t ya n d c h a n n e lu t i l i z a t i o ne f f e c t i v e l y a st h ek e yp o i n to fv i r t u a lm i m o ，t h eq u a l i t yo f t h eu s e rp a i r i n ga l g o r i t h ma f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c e sd i r e c t l y i n v i e wo ft h eg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t ss h o w nb yv i r t u a lm i m o ，t h i s p a p e rm a i n l yf o c u s e d o nt h er e s e a r c ho fu s e rp a i r i n ga l g o r i t h mo fv i r t u a lm i m o ， i i i a n dp r o p o s e dt w o i m p r o v e ds c h e m e so fs u pa l g o r i t h mo nt h eb a s i so fe x t e n s i v e r e s e a r c ho ni t t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) g e n e r a la n a l y s i so ft h ee v o l u t i o na b o u t3 g p pl t e p r o g r a mw a sc a r r i e d o u t ，t h e nt h en e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r so fl t es y s t e mw e r e s t u d i e d a c c o r d i n g l y , t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fv i r t u a lm i m ow a s i n t r o d u c e d ( 2 ) al o to ff u n d a m e n t a lr e s e a r c hw o r ki n v o l v e dt h e p r i n c i p l e s ，g e n e r a t i n g m e t h o d s ，s y s t e mm o d e la n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r so fo f d m a ，s c f d m aa n d m i m ow e r ec a r r i e do u te x t e n s i v e l y , a n dt h en e c e s s i t yo f a p p l i c a t i o nf o rv i r t u a l m i m ow a sd e r i v e df i n a l l y ( 3 ) f i r s t ，w ea n a l y z e dt h ec h a n n e lc a p a c i t yo fv i r t u a lm i m o t h e nt h e r e s e a r c hi n v o l v e di nm a n ya s p e c t ss u c ha st h ep r i n c i p l e s ，p a i r i n gp r o c e s s ，t h e m e r i t sa n dd r a w b a c k so fs e v e r a lc l a s s i c a l u s e rp a i r i n ga l g o r i t h m so fv i r t u a l m i m ow e r ec a r r i e do u t ，a n dt h es y s t e mt h r o u g h p u t sa n du s e rf a i r n e s so ft h e s e v e r a lt y p i c a la l g o r i t h m sw a ss i m u l a t e da n d a n a l y z e d ( 4 ) t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e ss o m ea n a l y s i so no n ek i n do fs u pa l g o r i t h ma n d p o i n t so u tt h ed r a w b a c k si nf a i r n e s so fi t r e f e r r i n gt ot h ed r a w b a c k ss h o w n b y s u p a l g o r i t h m ，t w om o d i f i c a t i o n sw e r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ef i r s to n ei s s u ps e m i o r t h o g o n a lu s e rp a i r i n ga l g o r i t h mb a s e do ns n r t h r e s h o l d i nt h i s s c h e m e ，t h eu s e r sw h o s es n ra r eu n d e rt h et h r e s h o l ds h o u l db et r a n s m i t t e di na d i r e c tw a y , a n dt h eo t h e r ss h o u l db et r a n s m i t t e di np a i r sa c c o r d i n gt ot h es u p a l g o r i t h m i nt h es e c o n dm o d i f i c a t i o n ，t h ep r o p o r t i o n a lf a i m e s sc r i t e r i ah a sb e e n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n t r o d u c e dt ot h es u pa l g o r i t h mi n s t e a do ft h ep r e v i o u ss i n rp a i r i n gc r i t e r i a f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i c a t i o n sh a v eb e e ni m p r o v e d i nf a i r n e s sc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a la l g o r i t h ma n dt h es y s t e mt h r o u g h o u ti sv e r y c l o s e ，w h i c hp r o v i d e sag o o da l g o r i t h ms c h e m eo p t i o n sf o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：l t e ，v i r t u a lm i m o ，u s e rp a i r i n g ，o f d m ，s e m i o r t h o g o n a l v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究的背景、意义及现状 第一章绪论 伴随着信息技术的兴起，无线移动通信技术取得了日新月异的发展，现代社会对无 线信道资源的需求越来越大。而无线信道资源在整体上是有限的，因此如何有效地最大 限度地利用现有的信道资源，是当前通信业界面临的重要挑战。由于多天线技术可以有 效地增强通信系统的性能，其本身具备的巨大潜力在无线通信领域得到了广泛认可和重 视。鉴于此，在新一代通信技术l t e 中采用了m i m o 多天线传输技术，它通过采用空 时编码技术，利用多天线阵列实现空分复用1 1 1 1 2 1 ，有效地提升了系统性能。 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 ) 的全称是“多输入多输出”，是一种多收多 发的天线传输技术。根据系统中发射机和接收机上配置的天线的个数，该技术又可以分 为单输入多输出s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 、多输入单输出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 ) 和m i m o 【1j 。当配置多天线的基站与一个单天线用户终 端通信时，在上行链路和下行链路方向上分别构成了一个s i m o 系统和m i s o 系统。当 用户终端配置有多个天线时，则构成了一个全m i m o 链路。 传统的m i m o 技术通过在发射端和接收端分别配置多个射频天线，运用先进可靠 的信号处理技术，使多个用户的数据在相同的时频资源进行传输，实现了空间复用和空 间分集，使整个系统的容量和信道利用率得到了明显的提升和改善。与以往的单天线传 输技术( s i s o ) 相比，m i m o 技术的先进不仅仅体现在收发天线数目上的增多，而是运 用空间复用和分集以提升系统性能的思想。它将以往的单个用户数据信息流通过一定的 处理变换成多路并行数据流发送出去，然后在接收侧运用先进的信号处理技术恢复出原 始的用户信号数据。m i m o 技术的优势在于它将长期困扰无线移动通信中的多径传播因 素加以利用变成了增强系统性能的有利因素，使得系统在不增加额外传输带宽和发送功 率的情况下提高了系统的信道容量和频谱利用率【j j 。 鉴于m i m o 技术在提高系统容量和频谱利用率方面展现出的巨大优势1 4 j ， 3 g p p l t e 项目从一起开始就将其作为必选的关键技术之一。但是其在上行链路方向的实际应 用却遇到了很大阻力。在目前移动用户终端逐渐变得小型化的趋势下，在上面安装多副 天线变得比较困难。一方面受到终端尺寸较小的限制，这些天线间的间距过小，从而使 太原理工大学硕士研究生学位论文 得收发天线信道间产生很大的相关性，影响了m i m o 技术的实现。另外，安装多根天 线还会导致用户终端变得复杂化，消耗更多的电池能量，并使设备成本提高。 针对上述问题，l t e 上行链路引进了一种虚拟m i m o ( v i r t u a lm i m o ) 传输技术。 该技术方案的核心思想是将具有单个天线的多个用户终端设备进行联合虚拟配对，采用 相同的时频资源块一起传输数据信息【5 j 。而对于基站来说，这无疑构成了一个全m i m o 传输链路，有效地实现了空间复用增益和分集增益，这样在不增加用户终端成本的情况 下，实现了传统m i m o 技术的所具备的优点。在虚拟m i m o 技术传输方案中，最关键 的问题是联合传输的用户间进行选择配对的策略，即用户配对算法，它也成为虚拟 m i m o 领域中的一个研究热点。 衡量一个虚拟m i m o 用户配对算法的准则主要有两个方面，即系统的吞吐量性能 和用户公平性情况。目前在用户配对算法领域国内外同行已经取得了大量的理论成果， 其中比较经典的几种配对算法有：随机配对算法( r p s ) 、正交配对算法( o p s ) 、行列 式配对算法( d p s ) 、比例公平算法( p f ) 等。当然，很多其他新的算法还在不断地被 提出，这其中就包括一种半正交配对( s u p ) 算法，本论文就是针对该s u p 算法进行了 分析研究，提出了两种改进方案。 1 2l i e 的演进背景及特点 自从上世纪初意大利科学家马可尼取得无线通信成功以来，无线移动通信技术就不 断取得进展，并逐渐深入影响到了人类社会的各个方面。 2 0 世纪8 0 年代，被人们称为第一代移动通信技术的模拟蜂窝移动通信系统实现了 大规模商用，它是由广泛分布在世界各地的许多独立开发的系统组成的。美国贝尔实验 室与1 9 7 8 年底研制成功了a m p s 蜂窝移动通信系统，并于1 9 8 3 开始投入使用；北欧四 国与1 9 8 0 年开发出了4 5 0 m h z 频段的所谓北欧移动电话系统n m t - 4 5 0 ；英国在1 9 8 5 年开发出了9 0 0 m h z 频段的全址通信系统t a c s 。另外，还有应用于日本和中国香港地 区的所谓j - t a c s 日本全址通信系统。所有的这些蜂窝移动通信系统使用的都是第一代 模拟技术。 由于模拟移动通信技术存在着频谱利用率低、安全保密性差、业务质量不好等诸多 缺点，部分发达国家于2 0 世纪7 0 年代末就已经开始了对第二代数字移动通信技术的研 发，并于9 0 年代初成功地投入到了实际商业使用。第二代数字移动通信系统采用了比 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 较先进的数字调制技术，具有系统容量大、安全保密性好、频谱利用率高等诸多优点。 其中欧洲研制开发的g s m 全球移动通信系统得到迅速推广，在市场上占据了无可争议 的领先地位，它采用的是时分多址( t d m a ) 技术。另外，与g s m 技术几乎同时诞生 的还有c d m a 技术，它采用的是基于扩频技术发展起来的一种崭新而成熟的码分多址 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，它以i s 9 5c d m a 数字蜂窝移动通信系统最具 代表性。 虽然第二代数字移动通信技术相比模拟通信技术取得了巨大的进步，但是随着移动 用户数量的快速增长以及人们对各种数据业务需求的增加，其已经无法满足当前通信用 户群的业务需求。早在2 0 世纪8 0 年代，国际电信联盟( i t u ) 就已经展开了第三代移 动通信技术( 3 g ) 的研究工作，并于2 0 0 0 年5 月公布了第三代移动通信的三个国际标 准，即w c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 。其中，t d 。s c d m a 是由中国提出的具有 自主知识产权的第三代移动通信标准【6 】。与前两代移动通信技术相比，3 g 通信技术能够 支持多种业务，除了一般的语音、数据、文本等窄带业务外，还要提供第二代移动通信 不能提供的图像、高速数据、不对称的i p 以及速率达到2 m b s 的宽带多媒体业务等， 并可以实现全球范围的无缝漫游。 随着3 g 在全球范围内的大规模商用，为了长期保持其在移动通信领域的持续竞争 力，国际标准化组织3 g p p 启动了长期演进l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目1 7 j ，它是近 两年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目。它延续了3 g p p 中g s m 和u m t s 家族的 技术演进。它可以被看做完成了业务扩展这一趋势，即从简单的语音业务向建立多业务 空中接口的转变。这虽然也是u m t s 和g p r s e d g e 的关键目标，但是l t e 在设计之 初就考虑到了无线接入技术演进这一目标，改进并增强了3 g 的空中接入技术，并采用 了o f d m 和m i m o 作为其物理层的关键技术方案。 与以往的蜂窝移动通信系统采用过的电路交换模式不同，l t e 所有的业务都是基于 分组交换模式进行的，从而在用户终端( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 和分组数据网之间建立 起无缝的全口移动连接。l t e 的概念包括了两方面的含义，既包含了无线接入技术的 演进，同时包含了系统架构演进( s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n , s a e ) ，后者含有演进后 的分组交换核心网( e v o l v e dp a c k e tc o r e ，e p c ) 。l t e 和s a e 共同构成了演进型分组系 统( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ，e p s ) 。l t e 的整体网络架构如图1 1 所示，包括网元和标准 化的接口。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 s 1 一m d e j 厂 叫m 娅卜一 ；i s 1 1g x r 。习： 图1 - 1l t e 网络系统结构 f i g 。1 1t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fl t e 从图中可以看出，整个网络系统架构由接入网( e u t r a n ) 和核心网( e p c ) 两部 分组成【8 1 。其中核心网包含有许多的逻辑节点，如移动性管理实体( m m e ) 、服务网关 ( s - g w ) 、p d n 网关( p g w ) 等等。而接入网部分基本只有一个逻辑节点，即与用户终 端( u e ) 相连接的e n o d eb 节点。所有的网元通过接口互相连接在一起，为了加强各 个供应商产品间的互操作性，可以对接口进行标准化，从而使电信运营商可以根据自己 的实际需求从不同的供应商处获得不同的网元产品。 与第三地移动通信技术相比，l t e 对系统的各项性能提出了更高的要求，其主要的 性能指标【9 】【1 0 1 如下所示： 显著提高峰值速率，在2 0 m h z 的带宽内，上行峰值数据速率可以达到5 0 m b i t s ， 下行峰值数据速率达到1 0 0 m b i t s ； 显著提高频谱效率，上、下行链路的峰值频谱效率可以分别达到2 5 ( b i t s ) h z 和 5 ( b i t s ) i - i z ； 系统延迟：用户平面时延和控制平面时延分别小于5 m s 和l o o m s ； 可以进行不同的频谱分配，支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、 15 m h z 以及2 0 m h z ，并可支持对称和非对称频谱； 可支持速度达3 5 0 k r n h 的高速移动的用户终端进行通信； 可以针对小区边缘实现更高的吞吐量； 对诸如v o i p 这类对时延要求很高的业务可以提供更加满意的服务质量； 服务覆盖范围可以达到半径为1 0 0 k m 的小区。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 从上面可以看出，l t e 在系统的各个性能方面都较第三代移动通信标准实现了很大 进步，在下一代的通信技术方案选择中表现出了很强的竞争力。 1 3 本论文的内容安排 本论文主要研究了l t e 上行链路中虚拟m i m o 系统用户配对算法，全文的结构安 排如下： 第一章，绪论。主要介绍了本课题的研究背景、意义及现状，然后对l t e 技术的演 进背景和特点进行了阐述。 第二章，l t e 物理层关键技术。本章主要分为两个部分，第一部分介绍了l t e 物理 层采用的多载波技术，包括o f d m a 技术和s c f d m a 技术。第二部分主要对m i m o 技术从系统模型、信道容量及特点等方面进行了分析介绍，并在最后引出了应用在l t e 上行链路方向的虚拟m i m o 技术，为后面章节研究虚拟m i m o 用户配对算法打下了基 础。 第三章，用户配对算法原理的研究。首先对虚拟m i m o 的系统容量进行了推导分 析，然后对该领域里的几种经典配对算法从算法原理、特点和配对流程等方面进行了研 究，并在最后通过仿真对它们各自的优劣进行了对比分析。 第四章，一种半正交用户配对算法的分析与改进。在前面章节介绍了用户配对算法 原理的基础上，对该领域的一种半正交配对算法进行了分析，并指出了该算法本身存在 的不足之处。针对该缺点文中提出了两种改进方案，并在最后通过仿真对改进算法的性 能进行了分析验证。 第五章，总结与展望。针对全文的研究内容进行了总结概况，结合工作中存在的不 足指出了后续的研究方向。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章l t e 物理层关键技术 2 1 物理层多载波技术 在l t e 系统中，有一个重要的技术方案是采用了多载波的多址接入方式，其中正交 频分多址接入( o f d m a ) 和单载波频分多址接入( s c f d m a ) 是l t e 物理层最终选定 的多址接入方案，下面分别对其进行分析介绍。 2 1 10 f d n a 技术 随着贝尔实验室于1 9 6 6 年对第一个o f d m 申请了专利保护，多载波通信系统于2 0 世纪6 0 年代被首次提出。最初只设计了模拟系统，即利用组正弦信号发生器和解调 器对多个子信道的信号进行处理。1 9 7 1 年d f t ( 离散傅里叶变换) 的提出使得o f d m 技 术的实现难度得到很大的降低，自2 0 世纪8 0 年代开始，得益于现代数字信号处理技术 的突飞猛进，o f d m 技术在移动通信系统中得到了日益广泛的重视，在数字音频广播、 数字视频广播、基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的本地局域网( w l a n ) 以及有线电话网上基于 现有双绞线的非对称高比特率数字用户线技术中得到了广泛应用。 在3 gl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 通信标准中，对系统的各项性能指标都提出了更 高的要求，因此选择一种合适的调制和多址技术对于系统性能指标的实现起着重要作 用。经过大量研究开发，o f d m 最终成为l t e 下行链路采取的主要技术，其优势不仅 在于低复杂度的接收机，而且在于可根据有效频率资源在不同的信道带宽下以简单的方 式直接应用的能力。而o f d m a ( 正交频分多址) 是基于o f d m 技术的一种多址方式j ， 是l t e 物理层采用的一项关键技术。 传统的多载波方案就是把使用的信道带宽划分为互不重叠的若干子信道，如图 2 1 ( a ) 所示，这样可以避免子信道间造成相互干扰，但同时也造成了系统频谱资源的极 大浪费。o f d m ( 正交频分复用) 是一种在3 gl t e 物理层中极具应用前景的多载波传 输方案，它将具有频率选择性的宽带信道划分成若干并行重叠但正交的窄带子信道，且 各个子信道之间不必留有防止载波间干扰的频率间隔，如图2 1 ( b ) 所示。由于这些子 信道相互之间保持着严格的正交关系，因此具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰 能力【12 1 ，并且在接收端能够将它们完全分离出来，有效的降低了接收机的实现复杂性， 从而使o f d m 系统对高速率的移动数据传输如l t e 下行链路具有很大的吸引力。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( b ) 图2 1o f d m 系统与传统多载波调制的频谱效率比较 ( a ) 传统多载波系统频谱( b ) o f d m 系统频谱 f i g 2 1t h ec o m p a r i s o no fs p e c t r a le f f i c i e n c yb e t w e e no f d m a n d t r a d i t i o n a lm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ( a ) t h es p e c t r u mo f t r a d i t i o n a lm u l t i c a r r i e rs y s t e m ( b ) t h es p e c t r u mo fo f d ms y s t e m 在串行发送高速率的数据流时，经常会遇到信道时延扩展t d 远大于符号周期t s 的情 况，这样会产生严重的符号间干扰i s i 1 3 】，为了解决这个问题我们需要采用一个复杂的 均衡器来进行消除。通常情况下，均衡器的复杂度与信道冲激响应长度的平方成比例增 长。 如图2 - 2 所示，在o f d m 系统中，对于输入的高速率符号要首先进入一个串并转 换模块调制成m 路并行子载波。这样一来m 路子载波信号的符号持续时间就扩大了m 倍，使其远远大于信道的时延扩展。 l - k 一 、( ) 串并转换 符e x l l 率 孔l ，- p ( - j 2 万以) i - 长一 图2 - 2o f d m 系统的串并转换 f i g 2 2s e r i e s p a r a l l e lc o n v e r s i o no fo f d m 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 我们假设时变信道的冲激响应在系统传输每一个o f d m 调制符号期间都保持不变， 这种操作的重要优势是在系统接收侧只需要进行低复杂度的均衡处理。从图2 3 我们可 以看出，相对于短符号持续时间会受到严重的符号干扰，长符号持续时间几乎未受到i s i 的影响。 ( 符号周期) 7 二 卜 信道 乃 时延扩展 乃 z 短符号持续时问高速率波形 图2 - 3 长符号持续时间和短符号持续时间的信号对信道的影响 f i g 2 3t h ei m p a c t i o no nc h a n n e lf r o mt h el o n g d u r a t i o ns y m b o l a n ds h o r t d u r a t i o ns y m b o l 如图2 4 所示为一个典型的o f d m 系统模型。从图中看出，输入的高速串行数据流 首先经过系统中的串并( s e r i a l p a r a l l e l ) 模块，然后转换成m 维数据块 s k = 【& 0 1 ，& 1 】，【m 一1 】7 ，下标七表示o f d m 符号的序号( 范围是m 个子载波) 。 对此m 个并行数据流首先进行独立调制，得到复向量以= 五 o 】，五【1 】，五 m l 盯。 值得注意的是，其中每路子载波采取的调制方式可以有所不同，应该根据各个子载波所 处信道特性的具体情况而采取不同的调制制度，例如在两个不同子载波中可以分别采取 2 d p s k 和2 5 6 q a m 调制，因此不同的子载波的传输速率有可能不同。然后复数据符号 向量x 。通过快速傅里叶逆变换i f f t ( i n v e r s ef f t ，逆f f t ) 处理将这m 路的频域信号 转换到时域，得到一组有n 个复时域的采样点k = 【毪 o 】，t 【1 ，x k m 一1 盯，其中在实 际的o f d m 系统应用时，进行处理的子载波数n 要大于被调制的子载波数m ，未被调制 的子载波将被填零。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 t t 【一1 】 r s d o l 。田五i u j 【0 】 一l l l x k 1 】 s k i 阳墨【1 】 p s r l j l r s pi f f t s d n 一2 】田x k n 一2 【一g 】 一l 刖 一 s k i n 一1 】n 五i n 一1 】 【一1 】 l ! l ! l 一l 二删 一 r k i v 一 移去循环前缀 【g 一1 f 【g = o f 【g + 1 】= f 【1 】 - a d c - s p f f t r c p + g 一2 = 咯 一2 一 f 【+ g 一1 】= “一1 1 ( b ) 图2 4o f d m 系统模型 ( a ) o f d m 发射机( b ) o f d m 接收机 f i g 2 4o f d ms y s t e mm o d e l ( a ) o f d mt r a n s m i t t e r ( b ) o f d mr e c e i v e r 为了进一步消除码问干扰i s i 的影响，在实际的o f d m 符号生成过程中，需要在每 个符号的起始位置插入一个循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) ，具体是将i f f t 最后g 个输出 采样点复制添加到x k 的起始点，得到如图2 5 所示结构的o f d m 符号 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 【_ 一g ，也i n 一1 】， 【o ，以i n 一1 彤。为了完全消除码间干扰，选择的c p 长度g 必须要远大于所支持的信道冲激响应的最大时延。c p 将信道的线性( 即非周期) 卷积 转换为适合d f t 处理的循环( 周期) 卷积。 厂一、 ，1 i r，t 丫 _阂震_隅 易瓦弓 7 =珐五 图2 - 5o f d m 循环前缀插入万式 f i g 2 - 5c y c l i cp r e f i xo fo f d m o f d m 接收机的结构如图2 4 ( b ) 所示，信号的接收解调与发送过程相逆。首先去除 接收信号的循环前缀c p ，然后对其进行d f t 运算处理，若子载波数n 是以2 为幂，则 可以利用快速傅里叶变换f f t 进行处理，这大大提高了变换的效率。最后接收机从f f t 输出的n 路并行数据流中选择m 个子载波的调制子集来进一步处理。 设厂( f ) 为多径环境下的接收信号，则它可以表示为： r ( t ) = x ( t ) 木h ( t ) + z ( f ) ( 2 1 ) 其中叫帻示f 时刻的发送信号，并且我们假设它是区间卜去，去j 上的带甯有 限信号，满足奈奎斯特准则以速率t 采样；办( f ) 为无线信道的冲激响应；z ( r ) 表示信道 中的加性噪声。 在多径传播环境中，接收端会接收到经过不同时延扩展的多个发送信号。我们假设 无线信道的冲激响应的信道长度小于或等于循环前缀的长度g ，则接收到的离散o f d m 符号k ( 包括c p ) 可以表示为： f c p 0 f 【1 f g 一2 f 【g 一1 矿 g f + g - 1 = a h o h 1 h g 一1 】 +( 2 2 ) 刑删p p 桐；啪 刑删一一裥；岬 太原理工大学硕士研究生学位论文 上式中， a = 【一g 】 x k n g + 1 引n 一2 】 以【一1 0 x j n 一1 矗一，【一1 】 一g x k n 一3 k 【一2 】 x k n 一1 】 x k n 一2 x k 一1 【一2 】 x k 一1 一1 】 x k n g k 【一g + 1 】 【一g + 2 】 一1 【一g + 1 】 坼一1 【一g + 2 一1 一1 k 【一g 】 以 一g + 1 坼【一g 一般在无线宽带通信传输系统中，接收机面临的最复杂的处理之一是通过均衡恢复 出x k 【，2 ( 来自等式( 2 2 ) ) 。 等式( 2 2 ) 又可以写成两部分之和，即o f d m 符号内干扰( 由o f d m 符号内信道的 频率选择性所产生) 和o f d m 符号间干扰( 在时刻为k 和k 1 两个连续的o f d m 符号 间) 的和，则式( 2 2 ) 可以改写为： 其中， r q = a i m m a 1 = h o h 1 h g 一1 一g 】 t 【一g + 1 k 【n 一1 x k 0 一g + a l n 瞬 h o h 1 h g 一1 1 0 x k n g x k n 一1 一2 1 2 + z k 0 z k 1 】1 z t g 一2 乙 g 一1 】 z k g z k + g 一1 】 o 0 一g x k n g + 1 】 x a n g ( 2 3 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 a e r = 0 一l 【一1 】 00 00 0o o0 以一，【一2 】 x k - i i n 一1 以一。 一g + 1 以一1 一g + 2 0 x k _ i i n 一1 】 0 0 为了抑制o f d m 的符号间干扰，我们将接收信号中插入循环前缀的前g 个采样点 进行舍弃，得到： 珞【o 】 r k 1 r k n 一1 + f 【g 珞c p 【g + 1 f + g - l 】 以【o x k n 一1 】x k n g + 1 x k 【1 x k o x k n g + 2 x k n 一1 】x 【一2 x k n g 缸【g z t 【g + 1 z k + g 一1 】 h o h i l h i e 一1 为了扩展信号矩阵，我们可以在信道向量中添加零点，不用改变输出矩阵，即： 圪【0 r k 1 吆【一1 其中矩阵b 可以表示为： = b 1 3 h o 】 h 1 h g 一1 0 o + 篙 太原理工大学硕士研究生学位论文 b = x 女 o x k n 一1 】x k n g + 1 x k n g 】x 【1 】 工 【1 】x k 【0 x k n g + 2 气【一g + 1 x 2 ： ： x k n 一1 x k n 一2 】x k n g 】x k n g 一1 x k o 】 矩阵b 是循环的，因此它在傅里叶频域里是三角矩阵，其对角线元素可以通过第一 行f f t 运算得到1 4 心1 。它可以表示为b = f 日灯，