（通信与信息系统专业论文）precoded+egprs2+hom方案设计及峰均比技术研究.pdf

摘要 p r e c o d e de g p r s 2 ( p c e 2 ) 是g e r a n 工作组在2 0 1 0 年提出的一种基于预编 码技术的e g p r s 2 演进标准。该演进标准获得e r i c s s o n 、h u a w e i 、n o k i a 、m a r v e l l 等众多公司的青睐。本文基于以上背景，对e g p r s 2 系统引入预编码技术后带来 的新编码方案设计及峰均比问题进行了分析，并给出相应的解决方案。 在链路仿真方面，本文首先针对对称星座和非对称星座两种情况，给出基于 区域划分的星座软检测算法。另外，还给出两种信道状态信息提取算法，并在典 型六径城市信道( t u x ) 下进行仿真，找出适用p c e 2 系统的信道状态信息估计算 法。最后，本文还对p c e 2 系统的链路进行了性能仿真。 在新编码方案设计方面，针对引入i d f t 后，系统的抽头模型及g s m 信道的 高斯特性，给出z p h o m ( z e r op a d d e dh i g ho r d e rm o d u l a t i o n ) 和r p h o m ( r e p e a t p a d d e dh i 【g l lo r d e rm o d u l a t i o n ) 两种升阶填充方案来解决信道不均匀特性的影响。 在z p h o m 方案中，对d f t 长度进行改进，在基本不影响系统性能情况下降低了 i d f t 及d f t 实现的复杂度，在r p h o m 方案中，对该方案的导频符号位置重新 设计，提高了系统的性能。 在峰均比方面，由于引入i d f t 后，系统的峰均比会增大，造成功率放大器难 以实现。针对上述问题，本文提出了一种p w p c ( p t sw i t hp i l o ta n dc l i p p i n g ) 的 峰均比解决方案。与e r i c s s o n 的峰均比解决方案相比，p w p c 能以较低的性能损失 达到系统对峰均比的要求。 关键宇：预编码e g p r s 2h o m 方案峰均比p w p c a b s t r a c t p r e c o d e de g p r s 2w h i c hb a s e so np r e c o d e dt e c h n i q u ew a sa p p r o v e da se g p r s 2 e v o l u t i o ns t a n d a r db yg e r a ng r o u pi n2 010 i ta t t r a c t sm a j o rc o m p a n i e ss u c ha s e r i c s s o n ，h u a w e i ，n o k i a ，m a r v e l le t c ，a n dt h e ym a d ec o n t r i b u t i o nt ot h ee v o l u t i o no f p c e 2d o w nl i n k i nt h ev i e wo ft h ea b o v eb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep r o b l e m s b r o u g h ta b o u tb yt h e i n t r o d u c t i o no fp r e c o d e ds c h e m a n dg i v e st h ec o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n ，s u c ha sn e wc o d i n gs c h e md e s i g n i n ga n dp a p rs o l u t i o n i nt h ev i e wo fl i n ks i m u l a t i o n ，ap a r t i t i o nr e g i o nd e c i s i o no fs y m m e t r ya n d n o n s y m m e t r yc o n s t e l l a t i o ni sa d v a n c e d m o r e o v e r , t w oc s ir e c o v e rs c h e m e sa r e d i s c u s s e d ，e a c hp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e di ns i xp a t h st u xc h a n n e l ，a n dg e t st h ef e a s i b l e s c h e m ef o rt h ep c e 2s y s t e m m e a n w h i l e ，p e r f o r m a n c e so ft h ep c e 2l i n ka r es i m u l a t e d i nt h et h e s i s i nt h en e wc o d i n gs c h e ma s p e c t ，c o n s i d e r i n gt h et a pm o d e lo fo f d ms y s t e ma n d t h ec h a r a c t e r i s t i co fg s mc h a n n e l ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dt w os c h e m e s ，z e r op a d d e d h i g ho r d e rm o d u l a t i o na n dr e p e a tp a d d e dh i g ho r d e rm o d u l a t i o n ，t or e s o l v et h e u n e v e nc h a r a c t e r i s t i co fc h a n n e l i ta l s oa m e l i o r a t e so fz p h o ma n dr p h o ms c h e m s s u c ha s ，i ti m p r o v e st h ed f ts i z et or e d u c et h ed f ta n di d f tr e a l i z a t i o nc o m p l e x i t y b u tn e a r l ys a c r i f i c e st h ep e r f o r m a n c ei nz p h o m ，i ta l s or e d e s i g nt h ep o s i t i o no ft h e p i l o ti nr p - h o mt og e tm o r es u p e r i o rp e r f o r m a n c e i nt h ep a p rr e s p e c t ，t h ep a p ro ft h es y s t e mi s b i gd u et ot h ei n t r o d u c t i o no f o f d m ，i tm a k et h ea m p l i f i e rc o m p o n e n t sd i f f i c u l t yt or e a l i z e 1 h st h e s i sa d v a n c e sa p w p c ( p t sw i t hp i l o ta n dc l i p p i n g ) s c h e m et os o l v et h ep a p ri s s u e c o m p a r e dw i t h t h ee r i c s s o np a p rs o l u t i o n ，t h ep w p cc a l la c h i e c et h ep a p rg o a lw i t hl o w e r p e r f o r m a n c el o s s k e y w o r d s ：p r e c o d e de g p r s 2 h o ms c h e m e p a p rp w p c 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 到目前为止，移动通信技术的发展经历了三代( 第四代正在筹备试验中) ： 第一代( 1 g ) 以模拟通信技术为主要特征。2 0 世纪7 0 年代末，随着半导体技术， 集成电路技术，微处理器和交换机等技术的发展，蜂窝系统由概念走向了应用， 加速了蜂窝移动通信的发展。这期间，具有代表性的有美国的a m p s ( a d v a n c e d m o b i l ep h o n es y s t e m ) 系统以及欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统等。 第二代( 2 g ) 以数字通信技术为主要特征，于2 0 世纪9 0 年代初进入商用。其中 最具代表性的有g s m 和i s 9 5 c d m a 等系统。2 g 主要采用时分多址( t d m a ) 方式 和码分多址( c d m a ) 方式，还引入了数字调制技术( g m s k 、q p s k ) ，纠错编码( 卷 积码、级联码) 、信道交织编码、自适应均衡和r a k e 接收等技术。与此同时，无线 数据网络得到了极大的发展，按覆盖范围可以分为移动数据网、无线局域网 ( w l a n ，以i e e e 8 0 2 。1l 系列标准为典型代表) 和无线个域网( w p a n ，以蓝牙技术 为典型代表) 。 第三代( 3 g ) 以多媒体业务为主要特征，于2 1 世纪初投入商业化运营。随着社 会的进步以及用户数量的急剧增加，频率资源日益紧张，因此发展第三代移动通 信系统是社会需求和技术进展的必然。3 g 无线网络可以分为3 g 蜂窝网和各种 w l a n 、w p a n 系统组成的宽带接入系统。在2 0 0 1 年4 月，国际电信联盟 ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) i f 式确立北美的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲和 日本的w c d m a ，以及我国的t d s c d m a 为世界三大3 g 标准。这三大标准都采 用了码分多址方式。与此同时，各种与蜂窝系统相互补充的宽带接入系统也得到 了迅速发展，特别是以i e e e8 0 2 1 6 系列标准w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作) 为代表的无线城域网技术，成为有线接入 和3 g 蜂窝网强有力的竞争对手，并于2 0 0 7 年1 0 月成为i t u 的3 g 标准之一。 w i m a x 技术可实现点到多点的通信，可提供高速的双向语音、数据、视频服务。 同时无线广域网的技术也在进一步发展中。 第四代( l t e ) 通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进【l 】，其开发 更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度，据3 g 市场分三个 阶段走的的发展计划，3 g 的多媒体服务在l o 年后进入第三个发展阶段，此时覆 盖全球的3 g 网络已经基本建成，全球2 5 以上人口使用第三代移动通信系统。在 发达国家，3 g 服务的普及率更超过6 0 ，那么这时就需要有更新一代的系统来进 2 p r e c o d e de g p r s 2h 伽方案设计及p a p r 技术研究 一步提升服务质量。 e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 是一种从g s m 到3 g 的过渡 技术，它主要是在g s m 系统中采用了一种新的调制方法，即最先进的多时隙操作 和8 p s k 调制技术。8 p s k 可将现有g s m 网络采用的g m s k 调制技术的符号携带 的信息空间从l 扩展到3 ，从而使每个符号所包含的信息是原来的3 倍。 之所以称e d g e 为g p r s 到第三代移动通信的过渡性技术方案( g p r s 俗称 2 5 g ，e d g e 俗称2 7 5 g ) ，主要原因是这种技术能够充分利用现有的g s m 资源。 它除了采用现有的g s m 频率外，同时还利用了大部分现有的g s m 设备，而只需 对网络软件及硬件做一些较小的改动，就能够使运营商向移动用户提供诸如互联 网浏览、视频电话会议和高速电子邮件传输等无线多媒体服务，即在第三代移动 网络商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务。由于e d g e 是一种介于现 有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，比”二代半”技术g p r s 更 加优良，因此也有人称它为”2 7 5 代”技术。e d g e 还能够与以后的w c d m a 制式 共存，这也正是其所具有的弹性优势。e d g e 技术主要影响现有g s m 网络的无线 访问部分，即收发基站( b t s ) 和g s m 中的基站控制器( b s c ) ，而对基于电路交换 和分组交换的应用和接口并没有太大的影响。因此，网络运营商可最大限度地利 用现有的无线网络设备，只需少量的投资就可以部署e d g e ，并且通过移动交换中 一l , ( m s c ) 和服务g p r s 支持节点( s g s n ) 还可以保留使用现有的网络接1 2 1 。事实上， e d g e 改进了这些现有g s m 应用的性能和效率并且为将来的宽带服务提供了可 能。e d g e 技术有效地提高了g p r s 信道编码效率及其高速移动数据标准，它的最 高速率可达3 8 4 k b i t s ，在一定程度上节约了网络投资，可以充分满足未来无线多 媒体应用的带宽需求。从长远观点看，它将会逐步取代g p r s 成为与第三代移动 通信系统最接近的一项技术。 无线数据通信速度的提高对现有g s m 网络结构提出了新的要求。然而，e d g e 系统对现有g s m 核心网络的影响非常有限，并且由于g p r s 节点、s g s n 和网关 g p r s 支持节点( g g s n ) 或多或少地独立于用户数据通信速率，因此e d g e 将不 需要部署新的硬件。 1 2e g p r s 2 技术演进与系统模型 e g p r s 2 是对e g p r s ( 即e d g e ) 的进一步演进，为了提高数据率，e g p r s 2 将链路划分为n s r ( n o r m a ls y m b o lr a t e ) 和h s r ( h i g hs y m b o lr a t e ) 两种，对 于两种不同的链路采用不同的星座映射方案以扩展空间所携带的信息量。上行链 路分为u a s 和u b s 两种模式，下行链路分为d a s 和d b s 两种模式，其中a 模 式对应于n s r ，b 模式对应于h s r l 2 】【3 】。本文主要针对d l ( d o w nl i n k ) 进行研 第一章绪论 3 究。为提高系统可靠性以及后向的兼容，e g p r s 2h e a d 部分采用咬尾卷积编码， d a t a 部分采用3 g p p 标准的t u r b o 编码器进行编码。其系统模型图1 1 所示： 图1 1e g p r s 2 系统框图 此外，e g p r s 将m c s ( m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m ) 划分为m c s 1 m c s 9 九中不同的模式，其中，m c s 1 m c s 3 主要提供低速率的服务，在b t t i c ( b a s i c t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a lc o n f i g u r a t i o n ) 下，其传输速率为8 8 k b s ，1 1 2 k n s 和 1 4 8 k b s 三档；m c s 4 m c s 一9 提供高速率的数据服务，在b t t i c 下，其传输速率 最高可达5 9 2 k b s ( m c s 9 可达) 。而e g p r s 2 根据实际情况，将m c s 进行更细的划 分，首先将m c s 划分为a 和b 两种模式，对a 模式进一步划分为：d a s 5 d a s 1 2 ， u a s 7 u a s 1l ，b 模式进一步划分为：d b s 5 d b s 1 2 ，u b s 一5 - u b s 1 2 t 引。同时， e g p r s 2 突破传统e g p r s 的g m s k 和8 p s k 调制模式，针对不同模式，采用q p s k ， 8 p s k ，1 6 q a m 和3 2 q a m 等多种星座映射方式。每个空间符号所携带的信息比特 可从3 扩展到5 ，大大提高了数据传输速率。在b t t i c 下，e g p r s 2 的最大数据传输 速率达到1 18 4 k b s 。 由以上可知，e g p r s 2 数据率的提高是通过引入高阶的星座映射方式( 1 6 q a m 和3 2 q a m ) 来实现的，而高阶星座的判决距离要比低阶星座小，这就需要系统采 用更准确的信道估计和均衡技术来降低星座的模糊度，进而提高系统性能。而传 统的均衡技术在高阶星座下的性能并不是很好，因此，数据率的提高是通过增加 接收端复杂度来实现的。 表1 1 和表1 2 分别给出e g p r s 和e g p r s 2 标准的m c s 方案的编码参数【4 】： 4 p r e c o d e de g p r s 2h o m 方案设计及p a p r 技术研究 表i ie g p r s 标准m c s 方案编码参数 s c h e m ec o d e a t eh e a d e rp a nc o d em o d u l a l i o nr l cb l o c k sr a w d a t af m i l y8 c st a i lh c sp c sd a t ar a t e l n o t e2 c o d er a t e r a t e p e rr a d i o w i t h i no n e p a y l o a dl i f k b s l i fp r e s e m ) b l o c kr a d i o p f e o e n t l 1 2 0 m s b l o c k l n o t e 3 l l n o t e l i m c s - 91 0c 3 6n i a 1 2 x 5 9 2a 2 x 65 9 2- m c s 8 o9 2 0 3 60 4 22 2 x 5 4 4a 5 4 4 o 9 8 ) m c $ 7o7 60 3 6c 4 2 8 p s k 22 x 4 4 88 4 4 8 o , g i ) m c s 乇0 4 9 1 t 3c 3 915 9 2a 81 0 2 9 6 f o ，5 2 ) 船+ 5 五4 2 7 2 c 孓5o3 71 1 3o 3 9 ， 4 4 8b 1 26 2 2 ，4 f 0 ，4 0 ) 辩c s 41 0 c ，5 3州313 5 2c 1 7 ，6 m c 孓3o8 5o 5 3c 6 312 9 喀a 1 4 。8 o 9 6 ) g m s k0 8 + 2 4 8a n d 1 3 6 2 9 6 c 孓2o 6 6o 5 3c 6 3 2 2 4b1 i 2 ( o 7 5 ) m c s 105 3o5 3e 6 3 1 1 7 6c8 8 ( o6 0 ) n o t e1 ：t h ef t a l i cc a b o ti n d i c a t e sm e o c t e t so fp a d d i n g 曲e nr e t r a r l s r r 钍n gm c s 8b l o c kw t t hm c s 3o rm c s - 6f o rm c s 3 m e6 o c t e t so fp a d d n ga r es 邬te v e r ys e c o n db o c kl s e e3 g p pt s0 4 0 6 0 j n o t e2 ：t h en u m b e r ，nb r a c k e ti n d i c a t e st h ec o d l n g t ef o rt r a n s m i s s i o nu , s i n gf a n r 坩挎nt h ep a n 曙p m s e n t n o t e3 ：r h e s ed a t ar a t e sa * ea p p l i c a b l ef o rb t 丁lc o n f , c i u r a t l o nt h ed a t ar a t e sa r ed o u b l e d ；nc a o fr t t ic o n f l q u r a t a n 表1 2e g p r s 2 标准m c s 方案的编码参数 s c h e m ec o d eh e a d e rp a nc o d em o d u l a t i o nr l cb l o c k er a w d a t af a m i l yb c st a i lh c sp c sd a t ar a t e r a t ec o d er a t e r a t ep e rr a d i o w i t h i no 舱 p a y e d k b s b l o c kr a d i o l n o t e5 l i fp r e s e n t ) 1 2 0 m s ) b l l o c k ( n o t e6 ) o a $ 1 2e 9 6 0 3 8 o 3 83e 5 883 x 1 2 n o t e7 ) 9 8 4 c 9 9 d a 孓1 1c 8 00 3 8o 3 83 2 q a m35 4 g3 x 1 2n o t e7 8 1 6 g 8 3 ； n o t e 4 ) d a 孓1 08 6 4 o 3 3 o 3 826 5 882 x 1 2 n o t e7 g 5 ，g g 6 6 1 d a s 9e 6 80 。3 4o 3 825 4 6a2 】【 2( n o t e7 l5 4 ，4 e 7 0j 1 6 q a m d a s 88 5 j 5o 3 4o 3 8 f n o t e 4 j 24 5 082 x 1 2 n o t e7 4 4 8 e 5 8 1 d a s 7c5 40 3 303 8 1 6 5 881 2 n o t e7 ) 3 2 8 t c 5 7 l d a s o - 5e 3 3 o 3 88 p s k1 5 4 5 a1 2 f n o t e7 ) 2 72 f e 4 6 l n o t e 4 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x 1 2 4 】【6 8 ，4 o 9 9 l u b $ ”d 8 9o3 5o3 83 2 q a m 4 弘6 4 x 1 2 4 】f 6 1 e 8 8 c 9 1 l f n o t e1 ) u b $ 1 0o 7 10 3 50 3 635 9 4a3 x 1 23 x 68 8 8 f c 7 3 l u b s 9c 7 0o 3 20 3 634 5 3b3 x 1 23 x 6 7 2 o 7 2 ) u b s 8o 6 0o3 303 8 6 q a m2：9 |ah 1 22 ，c 65 9 2 8 ，6 i l f n o l e l ) u b $ 7 o 4 6o 3 3o 弼24 82 x 1 22 娟 4 4 8 f e 4 7 l u 酗c 6 20 3 so 3 815 9 4a1 262 9 6 o 6 7 ) 0 p s k u b 孓5c 4 7o 3 50 3 8 n o t e ) 1 4 s 381 262 2 4 0 5 1 i 1 3p c e 2 技术概要与系统模型 在g e r a n 标准的r e 7 中，e g p r s 2 标准被引入，它通过一些新的调制编码 技术( m c s ) ，提高了系统频谱效率和吞吐量，同时降低了接收端时延。在e g p r s 2 中，主要通过高阶的调制方式来获得高的时隙吞吐量，但是随着调制阶数和数据 率的提高，接收端的复杂度也会显著增加，而传统的均衡方式在高阶星座下的工 作效果并不好，接收端容易出现星座模糊和误判，使系统性能恶化。 g e 黜州# 4 5 和# 4 6 会议中，提出了一种预编码的e g p r s 2 ( p r e c o d e de g p r s 2 ) 来解决下行链路由于均衡复杂度增加而引起接受端性能恶化的问题1 5 儿6 。p c e 2 能 够显著提高e g p r s 2 吞吐率；p c e 2 遵循e g p r s 2 的频谱要求，能够很好的后向兼 容g s m 、g p r s 、e g p r s 以及e g p r s 2 ；p c e 2 对基站收发台和移动台接收器来言， 只需变更少量的b t s 和m s 硬件，就可通过软件的升级来实现e g p r s 2 到p c e 2 的平稳过渡。 p c e 2 与e g p r s 2 的主要区别是在发送链路引入i d f t ( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 预编码模块，i d f t 通过坐标变换将传输向量转换成信道的特征向量进 行传输，特征向量在传输过程中可认为是相互独立的，在接受端通过选择合适的 d f t ( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 变换就可消除符号间干扰，恢复传输向量。因此， 通过一个简单的抽头信号模型就可以得到对应的每个符号。通过这个模型我们能 6 p r e c o d e de g p r s 2h 伽方案设计及p a p r 技术研究 很容易得到编码数据的软判决值和对数似然比，而不需要为了得到最优的软判决 估计值增加接受端的复杂度，也不需要为了降低复杂度来牺牲接收端的性能。图 1 2 给出基于i d f t 预编码模块的p c e 2 调制模型： 预编码 图1 2p c e 2 调制模型 p c e 2 为了保证向后兼容和系统升级时硬件变动最小，在e g p r s 2 中仅仅加入 i f f t 和f f t 模块，将时域符号变为频域符号进行发送，在接受端用频域均衡进行 处理，降低了接收端的复杂度，提高了系统性能。其帧结构变化不大，但是成帧 的信号处理及映射形式等软件部分比e g p r 2 又有较大的不同。其系统模型如下图 1 3 所示： 图1 3g e r a np c e 2 系统框图 1 4 本文的研究内容及安排 预编码e g p r s 2 从2 0 1 0 年5 月定为g s m 演进的核心方案以来，获得业界的 普遍认可，为了在标准制定中占有一席之地，各大公司积极参与g e r a n 工作小 第一章绪论 7 组会议，一些优秀的想法和提案陆续被公布出来。本文从2 0 1 0 年1 1 月开始跟进 预编码e g p r s 2 标准演进，做了大量的研究，建立了p c e 2 系统链路，并完成链 路测试。在其基础上对r x 部分的一些模块做了改进以提高系统性能。针对引入预 编码技术带来的编码方案的重新设计及p a p r 等问题，本文做了重点研究。 本文具体内容安排如下： 第一章为绪论，首先介绍本文的研究背景，研究意义以及g s m e d g e 网络演 进的历程。其次给出了e g p r s 2 系统演进的基本原理以及e g p r s 2 的系统模型。 最后简要介绍本文研究重点p c e 2 的一些基本技术以及系统模型。 第二章主要研究p c e 2 系统核心技术，用p c e 2 系统模型建立链路仿真，对 r x 端的几个核心算法做重点介绍。最后给出所建链路性能测试结果。为后续研究 建立保障。 第三章重点介绍t x 端符号交换的原理，针对t x 端引入i d f t 后产生的问题 进行分析。针对o f d m 系统抽头特性以及g s m 网络的信道特性，提出基于升阶 调制的两种填充方案z p h o m 和r p h o m ，并对两种方案进行改进和仿真。 第四章重点研究引入o f d m 后系统的峰均比问题，根据现有峰均比方案，分 析系统适用性，从而找出适合系统的峰均比解决方案。本文提出基于部分传输序 列( p t s ) 和循环剪切滤波( c l i p p i n g ) 的p w p c ( p t sw i t hp i l o ta n dc l i p p i n g ) 峰 均比解决方案，并将其应用到系统中，通过系统仿真，与e r i c s s o n 的峰均比解决 方案进行比较，找出p w p c 解决方案的优势所在。 第五章总结全文，并给出了下一步研究工作的方向。 8 p r e c o d e de g p r s 2h 删方案设计及p a p r 技术研究 第二章p r e c o d e de g p r s 2 技术方案研究 9 第二章p r e c o d e de g p r s 2 技术方案研究 预编码e g p r s 2 ( p c e 2 ：p r e c o d e de g p r s 2 ) 方案是在g e r a n # 4 6 次会议上 提出的，在传统e g p r s 2 下行链路方案中加入预编码i d f t 模块，引入o f d m 调 制方式，使得系统变为简单抽头模型，以解决r x 端均衡难以实现的问题。随着 o f d m 的引入，传统的窄带信号变为宽带信号，为了使系统能很好的后向兼容， p c e 2 的频谱模板必须与e g p r s 2 保持一致，这就需要在t x 端用高斯成型滤波器 ( g m s k ) 对o f d m 调制之后的宽带信号进行频谱压缩，压缩后的信号会造成一 部分的失真，在r x 需要设计合适的匹配滤波器进行相应处理。 2 1 预编码o f d m 简介 早在2 0 世纪6 0 年代，r w c h a n g 首次阐明了o f d m 的思想。1 9 7 1 年， s b w e i n s t e i n 提出用傅里叶变换( i d f t d f t ) 实现多载波调制解调，大大降低了系 统实现的复杂度，为o f d m 的实用化奠定了理论基础1 7 j 。在o f m d 系统的实际应 用中，可以采用更加方便快捷的快速傅罩叶变换( 1 f f 聊f t ) 。1 9 8 0 年p a l e d 和r u i z 在o f d m 信号中引入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，从而解决了子载波正交性保持 问题【7 1 。直到1 9 8 5 年，l j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信系统应用中存在 的问题和解决方法【8 】，从此以后，o f d m 技术在移动无线通信领域中开辟了新天地。 l9 扮 弋二7 1 村陟v ( a ) o f d m 单个子载波频谱 ( b ) o f d m 多个子载波频谱 图2 1o f d m 子载波频谱 o f d m 既是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也 可以被当作一种复用技术。o f d m 基本思想是将发送的高速数据流通过串并变换 分散到许多个子载波上，使各个子载波的数据符号速率大为降低，从而能够提高 行多径和抗衰落的能力。此外，为了提高频谱利用率，o f d m 方式中各个子载波 频谱有1 2 重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离各子载波，同 1 0 p r e c o d e de g p r s 2h o m 方案设计及p a p r 技术研究 时消除码间干扰的影响。图2 1 给出了典型的o f d m 信号频谱，其中子载波频谱 是s i n e 函数形状，各个子载波相互重叠。 o f d m 得到广泛应用最重要的原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。它 通过把输入的高速数据流串并变换到个并行的低速子信道上进行传输，使得每 个载波上的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此可以有效的 减轻多经时延产生的时间弥散引起符号间干扰( i s d 。为了最大限度的消除符号间干 扰，可以在连续的两个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 ) ，保护间隔 大于或等于最大多径时延扩展时，一个o f d m 符号的多径分量就不会干扰相邻符 号。保护间隔内可以完全不发送符号，就是一段空闲的传输时段。但是这种空符 号的传输不能保证正交多载波符号经过多径信道后还能完全保持正交。这是由于 在f f t 运算时间长度内，第一个子载波和带有时延的第二个子载波的周期个数之 差不再是整数，所以当接收端解调第一个子载波的符号时，第二个子载波会对其 造成干扰。同样，当接收端解调第二个子载波符号时，也会存在来自第一个子载 波的干扰，这就造成了子载波间干扰0 e 1 ) ，即子载波间的正交性遭到破坏，不同 的子载波间产生干扰。 n s n 图2 2o f d m 系统中循环前缀示意图 为了消除由于多径造成的i c i ，一种有效的方法就是在采用循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) l ，就是在保护间隔内加入o f d m 符号的循环扩展，而不再是使用空白 保护间隔。其具体实现方法如图2 2 ，就是在i f f t 变换之后，将o f d m 符号时域 信号中最后长度为m ( l 要长于或等于最大多径时延扩展) 的波形复制到原始 o f d m 符号时域信号前面，形成循环前缀。因此，实际发送的o f d m 符号的长度 为n + 。经过多径信道，在接收端先将接收符号的c p 去掉，再对有用符号时间 内长度为的o f d m 符号进行f f t 变换，由于c p 长度大于信道的最大时延扩展， i s i 仅影响c p ，而不影响传输的有用数据，如果去掉c p 也就彻底去消除了i s i 的 影响。并且在o f d m 系统中加入循环前缀，可以保证在一个f f t 周期内，o f d m 符号的时延副本所包含的波形的周期个数也是整数，这样就解决了子载波正交性 的问题，消除了i c i 。同时，c p 的存在使信号与信道响应的线性卷积变为循环卷 积，从而简化了接收机的设计，只要进行f f t 变换并采用单抽头均衡器即可。 在p c e 2 中，一个预编码信号模型可以被描述为： s 胁l 卅淼hs 服l ( 2 1 ) 第二章p r e c o d e de g p r s 2 技术方案研究 式中s 胁。代表n 个发送符号的向量，喘表示i d f t 预编码矩阵，s 胁，为预编 码后的符号，其中喘是个酉变换矩阵，不会影响s 胁，的功率谱密度。 为了消除i s i ，对预编码信号加入循环前缀矩阵c ( 圳州，循环前缀长度l 取 决于信道的多径时延： s ( n 们毛+ l ) x n 喘s 胁l ( 2 一2 ) + 工h l3 【，( + ，赢w 6 詹l lzj 在r x 端我们用。表示接收到的信号，将接受信号进行d f t 变换，我们可以 得到如下信号模型： r n n = w n 喇r n n = w n l n h n 吨n f - n a x q w 患n s n n = w n i n n n x n wn h x n s n n ( 2 3 、) 式中 删为信道冲击响应，为加入循环前缀后h m 的循环矩阵表示形式， 忽略噪声和干扰的影响，由d f t 和i d f t 变换以及循环矩阵的性质可知h n x n 可表 示为一对角阵的形式人删，所以( 2 3 ) 式可化简为： r 胁l = 人删s 胁1 ( 2 4 ) ( 2 4 ) 式可等效为n 维信号的抽头模型。 另外，在p c e 2 中引入o f d m 预编码技术，一方面使得信号带宽拓宽，不能 很好的后向兼容，另一放方面由于o f d m 具有较大的峰均比，会对功放有较高的 要求，增加系统实现的难度。下面我们将从功率谱密度和峰均比两方面来讨论 p c e 2 信号的特性。 从g s m 开始，信号的功率谱密度都是按照线性高斯成型滤波器的频谱来定义 和实现的，为了后向兼容，在e g p r s 2 a 和e g p r s 2 b 中，信号的功率谱密度同 样是通过线性高斯成型滤波器的功率谱来定义和实现的。在p c e 2 中虽然引入 o f d m 预编码技术，但是为了不改变信号的频谱特性，我们仍然使用线性高斯成 型滤波器的功率谱来定义和实现【l o 】【j l 】。3 g p pt s4 5 0 0 5 中定义了e g p r s 2 的频谱 模板，在p c e 2 中我们采用用g m s k 调制模型来逼近3 g p pt s4 5 0 0 5 中定义的频 谱模板。图2 3 给出3 g p pt s4 5 0 0 5 定义的频谱模板以及我们所设计的符合频谱 模板需求的p c e 2 中d a s 7 模式下信号的频谱特性。 o f d m 系统具有很好的抗干扰和抗衰落能力，但是峰均比过高是制约o f d m 应用的一个很大缺陷，在后续研究中我们会重点讨论这个问题，在本节我们通过 仿真确定不经过处理的e g p r s 2 和p c e 2 信号的峰均比1 6 j 。表2 1 给出e g p r s 2 和 p c e 2 信号在c c d f 为1 0 4 时所对应的峰均比。 1 2 p r e c o d e de g p r s 2h 伽方案设计及p a p r 技术研究 衫忒 刀 l 、 | 1 二卅iiii 叫、 i 、 ； 、 。1 珂。j ，。 一0 1 3 g p pt s 4 50 0 5r e q u i r e m e n t s p ce g p r s 2 ad a s 7 f r e q u e n c yi h z x1 0 5 图2 3 频谱特性 表2 1e g p r s 2 和p c e 2 信号峰均比对比 m c se g p r