（通信与信息系统专业论文）ofdm系统的动态资源分配算法研究.pdf

摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术将无线信道划分为若干个相互正交的子信道，把 高速的数据流通过串并转换，分配到传输速率相对较低的子信道中传输。它具有 支持高速数据传输、抗多径干扰以及频谱效率高等优点，可以大幅提高频谱利用 率。同时，o f d m 系统能够根据各个子信道的衰落和多径时延特性，对系统资源( 比 特与功率等) 进行动态分配，并且各个子载波可以进行自适应调制，具有很强的灵 活性，既能进一步提高系统资源的利用效率，又可满足用户不同的容量需求。 o f d m 系统的动态资源分配主要是根据实时的信道状态信息，对发送功率、子 载波和每个子载波传送的比特数进行自适应调配。本文首先根据o f d m 系统自适应 技术的原理介绍了注水定理，接着对主要的功率分配、比特分配算法进行了分析 和比较，着重分析各个算法的原理及性能；然后提出了次优化算法，并对这些算 法进行了仿真分析，结果表明，次优算法在大大降低算法的复杂度的同时保持了 较好的性能；最后本文通过比较这些算法的优缺点，讨论了对算法的扩展应用和 优化。 关键词：正交频分复用( o f d m ) 注水定理动态资源分配功率分配 a b s t r a c t 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 sap r o m i s i n gt e c h n i q u e w i t hh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y i td i v i d e sw i r e l e s sc h a n n e li n t on o r t h o g o n a ls u b c h a n n e l s ， t h e nc o n v e y sh i g hs p e e ds e r i a lb i t ss t r e a mt op a r a l l e la n dt r a n s m i tt h r o u g hl o w e rs p e e d s u b c h a n n e l s s oi tc a ns u p p o r th i g hs p e e dd a t as e r v i c e , a n dh a s s u o n gc a p a c i t yo f c o m b a t i n gw i t hm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e s i m u r a n e o u s l y o f d mc a nd y n a m i c a l l y a l l o c a t es y s t e mr e s o u r c e s ( s u c ha sb i t , p o w e r , e t c ) a c c o r d i n gt os u b c h a n n e l sf a d i n ga n d m u l t i p a t hd e l a yc h a r a c t e r i s t i c s ，a n de v e r ys u b c a r r i e r c a nc a r r yo ns e l f - a d a p t a t i o n m o d u l a t i o n t h u s , i th a sm u c hs t r o n gf l e x i b i l i t y , a n d 啪n o to n l yi m p r o v et h e u t i l i z a t i o ne f f i d e n c yo fs y s t e mr e s o u r c e s , b u ta l s om e e tu s e r sd i f f e r e n tc a p a c i t y d e m a n d s t h ed y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o nf o ro f d ms y s t e m sm a i n l yi n c l u d e sa d a p t i v e p o w e ra l l o c a t i o n ，a d a p t i v es u b c h a n n e la l l o c a t i o na n da d a p t i v eb i tl o a d i n g a tf i r s t ，t h e p a p e ri n t r o d u c e dt h et h e o r yo fo f d ms y s t e m s ，a n dm a d ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nf o r t h ea l g o r i t h m so fp o w e ra l l o c a t i o n ，b i ta l l o c a t i o na n ds e l f - a d a p t a t i o nm o d u l a t i o n t h e n w em a k es u b - o p t i m a la l g o r i t h m so u r s e l v e sa n dc o m p a r et h e i rc o m p l e x i t i e sa n d p e r f o r m a n c ew i t ht h eo p t i m a la l g o r i t h mb yt h es i m u l a t i o n w ec a nf i n dt h a tt h e s e a l g o r i t h m sh a v el o w e rc o m p l e x i t yt h a n t h eo p t i m a l a l g o r i t h mw i t h t h ed o s e p e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e a tl a s t t h r o u g hc o m p a r i n g t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h e s ea l g o r i t h m s , w eh a v ed i s c u s st h ee x p a n s i o no ft h ea l g o r t h m s a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：o f d m w a t e r f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o nd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所里交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：莲垒建造日期兰! z ：兰：壁 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 垂建连 弊 日期竺! ：至：! 日期盘型：t 立! 呈 第一章绪论 第一章绪论 1 1 快速发展的移动通信 人类采用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代，现代移动通信技术的发展 始于2 0 世纪2 0 年代。1 9 4 8 年，c e s h a n n o n 提出的信道容量理论奠定了现代数字 通信和信息理论的基础。2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室开发出蜂窝技术，无线移动 通信的商用化就逐渐成为可能。7 0 年代，通信理论和半导体器件技术的进一步发 展使得移动通信逐渐成熟。 第一代蜂窝移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟 技术，包括模拟蜂窝和无绳电话系统。典型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、 前西德的c 一4 5 0 等。模拟系统的缺点主要有频带利用率低、抗干扰能力差、系统 保密性差等，但是由于模拟技术十分成熟，因而在通信技术发展初期也得到了较 为广泛的应用。模拟蜂窝技术由于不适合未来多媒体通信业务的需求，已在日益 激烈的市场竞争中被逐步淘汰。 9 0 年代，随着大规模集成技术和语音编码技术的发展，采用数字技术的第二 代蜂窝移动通信系统出现。其中采用t d m a 技术的典型代表有欧洲的g s m 、 d s c 1 9 0 0 、美国的i s 一5 4 、日本的p d c 等；采用c d m a 技术的典型代表有q u a l c o m n 公司提出的i s 9 5 。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而 设计的，但是随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，现有的第二 代移动通信网络将很难满足新的业务需求。 目前，在移动通信领域中，由于第三代移动通信市场潜力巨大，各个组织和 通信设备制造商均积极从事第三代移动通信标准化的研究工作。在i m t - 2 0 0 0 候选 方案中，日本的提出的n t t d o c o m n 和欧洲提出的w c d m a 及l u c e n t 提出的 c d m a 2 0 0 0 成为最具有影响力的方案。 尽管目前关于第三代移动通信系统的研究和标准化工作十分引人注目，但是 通信业内业存在不同的观点。这种观点认为，目前的第三代移动通信的方案实际 只能是第二代移动通信方案的改进，算不上是真正意义上的宽带接入网络，并且 由于3 g 系统的核心网结构还没有完全脱离第二代移动通信的核心网结构，所以有 理由认为第三代移动通信仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统的过渡阶段。目 前，人们已经把越来越多的目光投向三代以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统中， 使其可以容纳庞大的用户数目、改善现有的通信质量不良、以及达到高速率数据 2 o f d m 系统的动态资源分配算法研究 传输的要求。若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技 术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 最受瞩目。 总的来说，b e y o n d3 g 移动通信在性能方面主要有以下要求：( 1 ) 用户速率在 准静止状态( 低速移动和固定) 情况下达到2 0 m b p s l o o m b p s ，在高速移动情况下 达2 m b p s ；( 2 ) 系统容量要达到第三代移动通信系统的5 1 0 倍，传输质量相当于 甚至优于第三代移动通信系统；( 3 ) 条件相同的情况下小区覆盖范围等于或大于 第三代移动通信系统；( 4 ) 具有不同速率问的自动切换能力，以保证通信质量；( 5 ) 网络的每比特成本要比第三代移动通信系统低。b e y o n d3 g 移动通信在功能方面主 要有以下要求：( i ) 支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等；( 2 ) 实 现与固定网络或专用网络的无缝化连接；( 3 ) 能通过中间件支持和开通多种多样 的l p 业务；( 4 ) 能提供由用户自定义的个性化服务；( 5 ) 按服务级别牧取费用。 1 2 宽带无线接入系统 3 g 系统并不能真正为用户提供宽带多媒体业务的接入。然而随着通过互联网 所进行的视频、语音和数据通信流量的显著增长，以及移动电话的快速普及，世 界各地也都纷纷把目光投向3 g 以后的移动通信系统，开始研究和开发无线宽带通 信系统。目前有关负责无线宽带通信系统标准化的论坛主要有i e e e8 0 2 1 1 、欧洲 电信标准协会宽带无线接入网( e t s l b r a n ) 、多媒体移动接入通信( m m a c ) 、i e e e 8 0 2 1 6 等。 l e e e 8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 2 年4 月底颁布了关于“固定宽带无线接入系统空中 接口”的规范8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 ，它对工作频带为1 0 - - 6 6 g h z 的宽带无线接入系统的m a c 层及物理层进行了规定。 在众多的宽带无线接入技术中，本地多点分布业务( l m d s ，l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) ，亦即本地多频道( 微波) 分布系统( l o c a lm u l t i - c h a n n e l d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，无疑是一支后起之秀。l m d st 作于1 0 6 6 g h z 频段，不支 持移动业务，是宽带无线点对多点接入技术。该技术利用毫米波传输，可以提供 双向话音、数据及视频图像业务，还可以提供各类承载业务( 如f r a m er e l a y 、a t m 等) ，而不必使用光纤和端口设备，是一种全业务系统，具有很高的可靠性，被称 之为“无线光纤”接入技术。采用点( 基站) 对多点( 远端站) 组网方式，基站 直接连入广域网，实现宽带接入。l m d s 系统采用多扇区、多小区的空间分割技 术，使系统的容量实现数量级的增长：l m d s 系统最大的优点是频带_ 乖! f 用率高 典型的系统可以支持高达4 5 m b i t s 下行和1 0 m b i t s 的上行传输速度，可获得较高 的宽带和类似光纤的q o s ( 服务质量) 。l m d s 系统的缺点是无线链路之间的距离 第一章绪论 3 有限，需要建立足够的小区覆盖。 目前，以瑚d s 系统为典型的固定宽带无线接入系统对各个通信点之间“视 距”( l o s ：l i n e - o f - s i g h t ) 传输要求非常刻薄。为了避免阻挡，基站不得不设置在 很高的地方，用户站也要放在特定的位置，这在有些环境下实现起来比较困难。 特别是在处于发展中的城市，新建筑物的出现有可能给系统的无线传输带来困难， 进而给整个网络的安装、运行和维护都带来了困难。为了使宽带无线接入系统迅 速得到推广和使用，必须要降低安装的代价，用户站可以由用户自己安装在室内 或者室外，这使得无线信道环境出现了衰落、多径时延扩展和干扰，所以下一代 的宽带无线接入系统为“非视距”( n l o s ) 传输。8 0 2 1 6 a 将频带扩展到2 - l l g i - i z ， 支持非视距通信和慢速移动。为了克服由于“非视距”( n i _ o s ) 传输造成信道的 多径时延扩展，必须要采用一些技术。o f d m ( 正交频分复用) 技术因其具有良好 的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及频带利用率高而被认为是下一代无线 接入系统必不可少的技术。 8 0 2 1 6 工作组又提出了移动无线宽带接入的研究，旨在构筑一个高效、柔性、 集成、基于口的通信环境，支持对h l t e m c t 或者企业内联网透明的接入。它不同 于固定无线宽带接入，也不同于c d m a 2 0 0 0 、u m t s 、w i _ a n 、g p r s 等目前已获 得广泛研究的无线目前宽带接入技术，它将在8 0 2 1 6 固定无线宽带接入技术的基 础上发展而来，它将带来移动全口无缝越区切换、移动环境下同时支持话音、多 媒体和高速数据业务等问题。这是一个全新的研究领域，8 0 2 1 6t 作组2 0 0 3 年3 月刚刚启动这方面的研究工作。其面临的技术要求是：工作在4 5 0 m h z - 3 g h z 之 间需l i c e n s e 的频段，支持车辆速度的移动性( 最高速度为2 5 0 公里d , 时) ，采用 快速调频的o f d m 技术。 1 3 单载波与多载波系统 目前大多数通信系统采用的是单载波方案，如图l 1 。这种系统在数据传输速 率不太高的情况下，多径效应带来的信号符号问干扰不是特别严重。但是对于宽 带业务来说，数据传输速率较高，时延扩展导致数据符号之间相互交叠，从而产 生了符号闽的串扰( i s i ) ；从另一个角度来看，当信号的带宽超过和接近信道的相 干带宽是时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落，使得同一个信号中的不 同频率成分体现出不同的衰落特性，严重影响了系统的性能。 4 o f d m 系统的动态资源分配算法研究 e 3 埘f l 咐 五卜舀信道一吉匹噩p i ! t1 1 单载波系统基本结构 而多载波系统把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低 得多的比特速率，用这样的低比特速率形成的多状态符号再去调制相应的子载波， 从两构成多个低速率符号并行发送的传输系统。图1 2 给出了多载波系统的基本结 p j 哪 e j q 佩赢厂- b ，匡圈一 l 剑 il 四巴幽一 ： p 如 i e - j o d ： 圃一- 园一l + l 一髓一一，6 - 圃， 一 ：i | e 一鲥! 圃 园u一葛，面， 表1 1 单载波和多载波传输方式的比较 单载波多载波 符号时间 e n瓦 速率 n el 嚣 总频带宽度 2 x n 五2 瓦 i s i 敏感度较敏感较不敏感 第一章绪论 5 1 4o f i ) m 技术及动态资源分配 正交频分复用( o f d m ) 把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对 较低的若干个子信道中传输，是一种特殊的多载波传输方案。o f d m 技术正在被 广泛应用于非对称数字用户环路( a d s l ) 、数字音频广播( d a b ) 、无线局域网 ( w i a n ) 等系统中。o f d m 技术得以广泛的应用主要有以下几方面原因： 每个子信道上的数据符号持续时问相对增加，可以有效地减小无线信 道的时间弥散所带来的i s i ，从而减小了接收机内均衡器的复杂度； o f d m 系统由于各个字子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相 互交叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度 的利用频谱资源，如图1 3 ； ，广y ，7 可、，7v 7 y i “l 、， 节省的带宽 l | i i 、i 。一l _ j i k 一一一一 频率 ( b ) 图1 , 3 常规频分复用与o f d m 的信道分配 各个子信道中的调制与解调可以采用离散傅立叶反变换( i d f r ) 和离 散傅立叶变换( d f t ) 的方法来实现，对于子信道数目很大的系统，可 以采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。这样就能够将现代大规模集成 电路技术和d s p 技术应用于o f d m 系统，从而降低了系统设计的难度； 无线数据业务通常具有上下行链路的非对称性，即下行链路数据量远 远超过上行链路数据量。o f d m 系统可以很容易的通过使用不同数量 的子信道来实现上行链路和下行链路的不同传输速率； 由于无线信道的频率选择性和时变性，可以通过动态比特分配以及动 态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，而避开信噪比 较低的子信道，从而提高系统的整体性能。而且对于多用户系统来说， 对一个用户不适用的子信道，对其他用户可能性能比较好，因此，在 所有用户中采用动态资源分配技术，能够更有效的利用系统资源，提 高业务的o o s 。 夕l 6o f d m 系统的动态资源分配算法研究 1 5 论文的结构安捧及主要工作 本论文的主要任务是研究o f d m 系统的动态资源分配算法，通过对各种 o f d m 系统自适应算法获得的性能和算法复杂度的比较，对算法的应用进行了扩 展。 论文主要内容安排如下： 第一章简要介绍了现代移动通信系统的发展趋势以及宽带无线接入系统的概 念，分析了宽带无线接入系统中的关键技术和o f d m 系统在宽带无线接入系统中 的应用，并指出资源动态分配的必要性。 第二章介绍o f d m 系统的基本原理，并从o f d m 系统的结构出发，介绍了 o f d m 系统的关键技术及其优缺点。o f d m 系统通过串并变换，可以有效减少i s i 。 为了克服随之而来的i c i ，采用了在符号中插入循环前缀的方法。各个子信道中的 正交调制和解调可采用i d f f 和d f f 来实现，因此可以有效利用现代d s p 技术， 使o f d m 系统实现变得很容易。 第三章详细介绍了现阶段o f d m 系统动态资源分配的相关技术和方法，以及 动态资源分配的最优化问题。 论文第四章详细介绍了现阶段o f d m 系统主要的动态资源分配算法。首先介 绍了单用户情况下的主要功率、比特和子载波分配算法原理，然后考虑多用户共 存的情况，分析了多用户的动态资源分配算法，并分别进行了仿真分析算法的性 能。 第五章探讨了o f d m 系统动态资源分配算法的扩展应用，主要讨论了带宽按 比例分配的自适应算法，以及在功率最优化分配的基础上进一步依据分配裕量来 实现吞吐量最大化的分配算法。 最后，第六章对论文的内容和所做的主要工作进行了总结。 第二章o f d m 系统的基本原理及关键技术7 第二章o f d m 系统的基本原理及关键技术 2 1o f d m 系统介绍 2 2 1o f d m 技术的基本原理 o f d m 技术属于多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) ，也是一种无 线环境下的高速传输技术l l j 。在宽带条件下，无线信道的频率响应曲线往往是非平 坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道， 在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。这样，尽 管总的信道在频域上是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是相 对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干带 宽。因此就可以大大的消除载波间的干扰 2 1 。 o f d m 系统的一个优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而 可以大大简化系统实现的复杂度 7 1 。最初的o f d m 系统没有使用d s p 技术，是时 域上连续的。一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中 每个子载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。 如果表示予信道的个数，r 表示o f d m 符号的宽度，z ( f to ，1 ，一1 ) 是分配 给每个子信道的数据符号，是第0 个子载波的载波频率，贝i j 从t f 。开始的o f d m 符号可以表示为： ，o ，。 r e 蓦噶c x p 【，2 z ( 正+ 孝) d t ， ) ，r s + r 。2 。， 【o , t r + 乞 然而，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，表示为： 啪 荟喀e x p ( 胁争”d ) 力“观打 ( 2 - 2 ) 【0 , t t + 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与 对应子载波的c o s 分量和s i l l 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符 号。图2 1 给出了o f d m 调制和解调原理框图，其中z 一正+ i t 。 8o f d m 系统的动态资源分配算法研究 s ，p p ，响 ， o p 椭 ， o - e | m h d ， o 1 0 。1 1 0 醚。1 掌1 0 。1 1 0 o 耵翮 i _ j 广园l e - 一j a 咂。丑q ，r 一d 厂一。一- 里竺0 - | ，o e - j 码世划 k - ；o 倒k 。 。 l 毒一j 。悃n - i 2 l q 曲竺丛- p ，s 甘一化符号周期 图2 1o f d m 调制解调框图 在图2 2 中给出了一个o f d m 符号内包含4 个子载波时的实例。其中所有 的子载波都具有相同的幅值和相位，当然在实际应用中，根据数据符号的调制方 式，每个子载波的幅值和相位可能都是不同的。从下图可以看出，每个子载波在 一个o h ) m 符号周期内都包含整数倍的周期，各个相邻子载波之间相差一个周期， 而且各个子载波信号之间满足正交性。 在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅度和相位都可能 是不同的。每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数个周期，而且各个相 邻子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： 拭e x p ( j c o 。f ) e x “一j f 陟- | 0 ，l , m 肼- ，n 以 ( 2 3 ) 例如，对第，个子载波进行解调，然后在时间长度f 内进行积分，即： 第二章o f d m 系统的基奉原理及关键技术9 二，一吾r ”e x p ( 一，扬手( f 一) ) 蓦4e x p ( ，幼；( f 一) p - ；薯吐r c x p ( 协孚，) ， c 2 4 ， 根据上式可以看到，对第，个子载波进行解调可以恢复出期望符号d ；。而对于其 它子载波来说，由于在积分区问内，频率差别( f j ) t 可以产生整数倍个周期，所 以其积分结果为零。 这种正交性还可以从频率域角度来理解。每个o f d m 符号在其周期r 内包括 多个非零的子载波，因此，其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与一组位 于各个予载波频率上的函数的6 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f 1 函数，这种 函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。 这种现象可以参见图2 3 ，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成 型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每一个子载波频率的最大值处所有其它子信道 的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上 所对应的每一个子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频 谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其它子信道的干扰。 从图2 3 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子 信道频谱之间不存在相互干扰，但是这是出现在频率域中的，因此这种一个子信 道频谱的最大值对应予其它子信道频谱的零点可以避免子信道之间的干扰( i c i ) 出现。 频率 固2 3o f i ) m 子信道的频谱 1 0o f d m 系统的动态资源分配算法研究 2 1 2 快速傅立叶变换在o f d m 系统中的应用 对于比较大的系统来说，o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变 换( i d f t ) 方法来实现。为了叙述的简单，可以令式中的f 。一0 ，对信号s o ) 以r ， 的速率进行抽样，即令ra k t n ( 七一o ，1 n 一1 ) ，可以得到： s t 叫( k t i v ) 一e x p ( ，警卜地- 1 ( 2 5 ) 可以看到以等效为对d 。进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符 号吐，可以对墨进行逆变换，即d f t 得到： 如蓑卿( 一，警) 舢h - 1 ( 2 - 6 ) 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。 通过点i d f t 运算，把频域数据符号吐变换为时域数据符号，经过射频载波调 制之后，发送到无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号以都是由所有子载 波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加进行抽样得 到的。 在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 ( f f t i f f i ) 。n 点i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法( 为了方便，只比较复 数乘法的运算量) ，而i f f t 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2 1 f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为( 2 ) 1 0 9 ：( ) 。以1 6 点的变换为例，i d f t 和 i f f t 中所需要的乘法数量分别为2 5 6 次和3 2 次，而且随着子载波个数的增加， 这种算法复杂度之间的差距也越来越明显，i d f t 的计算复杂度会随着增加而呈 现二次方增长，i f f t 的计算复杂度的增加速度只是稍稍快于线性变化。 在实际应用中，对一个o f d m 符号进行此采样( 即进行点i f f r 运算) 所得到的个输出样值往往不能真实地反映连续o f d m 符号的变化特性，其原因 在于：由于没有使用过采样，当这些样值点被送到模，数转换器( a d ) 时，就有 可能导致生成伪信号，其具体表现为：当以低于信号中最高频率两倍的频率进行 采样时，在采样值被还原后，信号中将不再含有原有信号中的高频成分，呈现出 虚假的低频信号。因此，为克服这种伪信号现象，一般都需要对o f d m 符号进行 过采样，即在原有的采样点之间添加一些采样点，构成p ( p 为整数) 个采样值。 这种过采样的实施可以利用i f f t f f t 来实现：实施i f f t 运算时，在原始的个 输入值中间添加( p 1 ) 个零，而在实旌f f t 运算时，在原始的个输入值的后 面添加( p 一1 ) 个零。研究表明，过采样点越多，越能反映出符号变化的细节。 基于i f f t f f r 的o f d m 系统的原理框图见图2 4 。 第二章o f d m 系统的基本原理及关键技术 1 1 图2 4 基于i f f t f f t 的o f d m 系统原理框图 2 1 3 保护间隔、循环前缀与子载波数的选择 应用o f d m 的一个最主要的原因就是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过 把输入的数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个用于调制子载波的数 据符号周期扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值也 同样降低了倍。 为了最大限度的消除符号闻干扰，还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间 隔( g u a r di n t e r v a l ) t ，而且该保护间隔疋长度一般要大于无线信道的最大时延扩 展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内， 可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径 传输的影响，则会产生信道间干扰( i c i ) ，即子载波之问的正交性遭到破坏，不同 的子载波之间产生干扰。这种效应如图2 5 历示。由于每个o f d m 符号中都包括 所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该o f d m 符号的时延信号，因此图2 5 给出了第一子载波和第二予载波的时延信号。从图中可以看出，由于在f f r 运算 时间长度内，第一子载波与带有时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是整 数倍，所以它们不再正交，当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波 就会对此造成干扰；同样，当接收机对第二子载波进行解调时，也会存在第一子 载波的干扰。 o f d m 系统的动态资源分配算法研究 第二子载波对第一子 载波带来的i c i 干扰 i i i l l i 保护间隔f f t 积分时间 图2 5 多径情况下，空闲保护间隔造成l a 为了消除由于多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在在其保护间隔内嵌入循环 前缀信号( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的时 延副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔的时延 信号就不会在解调过程中产生1 c i 。在符号的数据部分，每个子载波内有一个整数 倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的信号，即每个o f d m 符号的后【时 间中的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀，如图2 6 所示。 符号总长度为： 五一t + 其中五为o f d m 符号的总长度，i 为抽样的保护间隔长度，为f f t 变换 产生的无保护间隔的o f d m 符号长度，则在接收端抽样开始的时刻，应该满足下 式： t t 乏 其中f 一是信道的最大多径时延扩展，当抽样满足该式时，由于前一个符号的 干扰只会存在于 0 ，f 一】，当子载波个数比较大的时候，o f d m 符号周期正相对于 信道的脉冲响应长度很大，则i s i 的影响很小，甚至没有l s h 而如果相邻o f d m 符号之间的保护间隔t 满足不苫f 一，则可以完全克服i s i 的影响。同时由于o f d m 符号时延副本内所包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号在解调的过程中 就不会产生i c i 。 第二章o f d m 系统的基本原理及关键技术 ，一 7 复制 、 _ i _ 一+ ! i f f t保护间璃l f l 叮输出保护间隔ii f f r 一乏一一 骗 时阀 一 符号n - l _ 符号n符号n + l 1 - 图2 6 加入保护间隔的o f d m 符号 2 2o f d m 系统的主要优缺点 近年来，o f d m 系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系 统存在如下主要优点： ( 1 ) 可以有效地对抗i s i ，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。 把高速数据流通过串并变换，使得每个予载波上的数据符号持续长度相对增加， 从而有效地减小无线信道时间弥散所带来的i s i ，这样就减小了接收机内均衡的复 杂度，有的时候甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀的方法消除i s i 的不 利影响。 ( 2 ) 具有很高的信道利用率，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。 o f d m 系统由于各个予载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此 与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。可以证 明，当子载波个数很大的时候，系统地频带利用率趋于n y q u i s t 极限2 b a u d h z 2 。 ( 3 ) 各个子信道中的正交调制和解调可以采用离散傅立叶逆变换i d f f 和离 散傅立叶变换d f t 方法来实现，对于很大的系统中i 可以通过采用快速傅立叶 逆变换i f f r 和快速傅立叶变换f f f 来实现。随着大规模集成电路技术与d s p 技 术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 ( 4 ) 通过各个子载波的联合编码，o f d m 系统可以具有很强的抗衰落能力。 o f d m 技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重的话，就没 有必要再加时域均衡器。但是，o f d m 系统的结构却为在子载波间进行编码提供 了机会，通过子载波问的联合编码和交织，则可以进一步提高整个系统的性能。 ( 5 ) 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深 的衰落情况中，一次可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利 用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。而且，对于多用户系统来说，对 1 4o f d m 系统的动态资源分配算法研究 一个用户不适用的子信道对于其他用户来说，可能是性能比较好的子信道。 ( 6 ) o f d m 系统可以很容易的与其他多种接入方式相结合使用，构成o f i ) 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。 ( 7 ) 因为窄带干扰只能影响到一小部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某 种程度上抵抗这种窄带干扰。 但是，由于o f d m 系统内存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个 子信道信号的叠加，因此，与单载波系统相比，存在如下主要缺点； ( 1 ) 易受频率偏差的影响。 由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求， 然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如 多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差， 都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道问的信号相 互干扰( i c i ) ，这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。 与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加， 因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信 号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a r ) 。这样就对发射机内放大 器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会 为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的 正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 2 3o f d m 系统中的关键技术 为了进一步提高实际系统的性能，通常还将增加交织、导频和信道编码等功 能模块。 o f d m 系统中的关键技术主要有： ( 1 ) 同步问题 前面已经提到过，o f d m 系统对定时和频率便宜敏感，特别是实际应用中可 能与f d m a 、t d m a 和c d m a 等多址方式结合使用的时候，同步显得尤为重要。 与其他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。 o f d m 符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区别， 因此，确保这种正交性对于o f d m 系统来说是至关重要的，因此它对载波同步的 要求也相对较为严格一些。 在o f d m 系统中存在如下几个方面的同步要求【9 】： 第二章o h ) m 系统的基本原理及关键技术 1 载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相。 2 样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致。 3 符号同步：i f f r 和f f t 起止时刻一致。 ( 2 ) 信道编码和交织 为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是通常采用的方法。 对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码。编码可以采用各种码，如 分组码、卷积码等。使用卷积码的时候，接收端采用v e t e r b i 译码，其效果要比 分组码好一些，但是接收端复杂性较高。 对于衰落信道中的突发性错误，可以采用交织。衰落信道是会产生数据突发 性错误的信道，对抗此类信道的一种有效的方法就是在编码后对数据进行交织， 使会产生突发性错误的信道变换为错误独立的信道。发射端编码后的数据经过交 织器重新排序后再进行映射，接收端在反映射后由去交织器恢复原始顺序再进行 解码。由于采用了交织去交织，突发错误在时域扩展分散开来，这样就使得每个 码字内的错误看起来是独立的。在实际应用中，通常同时采用信道编码和交织， 进一步改善整个系统的性能。 ( 3 ) 信道估计技术 我们知道，调制分为连续调制和差分调制。采用差分调制的时候，不需要进 行信道估计，因为这些信道信息已经包含在相邻的符号之差中了。但是在无线环 境中，连续调制更因其效率高而受到关注，采用连续调制的时候，也就需要进行 信道估计。 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要面临两个问题。一个问题是导频信 息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断的对信道进行跟踪例，因此 导频信息也必须不断地传送。另一个问题是既有较低的复杂度又有良好的导频跟 踪能力的信道估计器的设计。在实际的设计中，导频信息的选择和最佳估计器的 设计又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。 根据导频插入方式的不同，可以将信道估计分为基于块状导频插入的信道估 计和基于梳状导频插入的信道估计例。 o f i ) m 系统的动态资源分配算法研究 f 频 班 方 向 导频符号 口数据符号 时h j 方向 图2 7 基于块状导频结构 图2 8 基于梳状导频结构 ( 4 ) 降低峰值平均功率比 由于o f d m 信号时域上表现为个正交子载波信号的叠加，当这个信号恰 好均以峰值点相加的时候，o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功 率的倍。尽管蜂值功率出现的概率较低，但是为了不失真的传输这些高峰均功 率比( p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ，p a p r ) 的o f d m 信号，发送端对高功率放大 器( h o a ) 的线性度要求很高，而且发送效率极低，接收端对的端放大器以及a d 变换器的线性要求也很高。因此，高的p a p r 使得o f d m 系统的性能大大下降甚 至宜接影响到实际的应用。 为了有效的解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号编码技术、 符号扰码技术和基于信号空间扩展等降低o f d m 系统p a p r 的方法 ( 5 ) 自适应分配技术 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰 落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信 第二章o f d