（通信与信息系统专业论文）lte预编码技术.pdf

声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：幺堕厶；：芝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学 本人签名 导师签名 ，适用本授权书。 日期： 型墨! 璧 日期： 幽芝3 爱 l t e 预编码技术 摘要 为了进一步对3 g 技术进行发展，3 g p p 首先引入了h s d p a 和增强型上型链路( e u l ) 这两种竞争力很强的的3 g 增强技术，当 这些技术还处于实施和测试阶段的时候，为了进一步提高系统性 能和降低成本，并积极应对w i f i ，w i m a x 等无线接入技术的挑 战，3 g p p 在众多国内外大型运营商的提倡下于2 0 0 4 年底将 u t r a n 的长期演进( e r e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 计划正式批准立项。 随着3 g p pl t e 的继续演进，新型技术层出不穷。 为了满足l t e 在高速率和高系统容量方面的需求，l t e 系统 支持下行应用多输入输出技术，包括空间复用，波束赋形以及预 编码技术。波束赋形主要采用智能天线技术和预编码技术进行实 现。波束赋形技术是一种应用于小间距天线阵列多天线传输技术， 其主要原理是利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生 强方向性辐射方向图，使得辐射方向图的主瓣白适应地指向你用 户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容量或覆盖范围。而空 间复用技术则是一种利用空间信道的弱相关性的技术，其主要工 作机理是在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而 提高数据传输的峰值速率。目前，基于预编码的m i m o 技术已广 泛应用于各大e 3 g 系统之中。 随着用户对传输速率要求的不断提升，i t u 对下一代移动通 信系统i m t - a 的峰值速率和频谱利用率提出了更高的要求。3 g p p 组织也开始了对l t e 系统的演进，提出了l t e a 系统。在l t e - a 系统中，规定下行m i m o 场景支持最多8 根收发天线。本文的结 构为首先介绍l t e 相关关键技术，如o f d m ，m i m o 等新型物理 层技术。接着介绍了两种预编码技术的工作原理和仿真的具体实 现，最后对两种技术的仿真结果进行分析得到相关结论。 关键词h s d p al t e 预编码m i m oo f d m p r e c o d i n gt e c h n o l o g yi ni j es y s t e m a b s t r a c t t ot a k ec h a l l e n g e so fd e v e l o p m e n to f3 gt e c h n o l o g y , h s d p aa n d e u lh a v e b e e n d e p l o y e d t oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c e o f3 g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h e nt h e s e t e c h n o l o g i e s i sa tt h e s t a g eo f i m p l e m e n t a t i o na n dt e s t i n g ，3 g p po f f i c i a l l ya p p r o v e dt h ep l a no fl o n g t e r me v o l u a t i o n ( l t e ) t oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fim t a n s y s t e ma n d r e d u c et h ec o s tu n d e rt h ep r o m o t i o no fs o m el a r g eo p e r a t e r s t om e e tt h er e q u i r e m e n to fm s y s t e mp e r f o r m a c e ：h i g hr a t e sa n d l a r g ec a p a c i t y , l t es y s t e ms u p p o r t sd o w n l i n km i m o b e a m f o r m i n gi sa t e c h n o l o g yo fs m a l la n t e n n as p a c ew h i c hg e n e r a t et h es t r o n g e s td i r e c t i o n u s i n gt h es t r o n gc o r r e l a t i o no fs p a c ec h a n n e l t h er a d i a t i o np a t t e r nm a i n l o b ep o i n t s a d a p t i v e l yt ot h ed o a o fu s e r st oe n h a n c et os i n ra n d i n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t y b u tt h es p a t i a lm u l t i p l e x i n gi sat e c h n o l o g y u s i n gt h ew e a kc o r r e l a t i o no fs p a c ec h a n n e l ，w h i c ht r a n s f e r sd i f f e r e n td a t a s t r e a mo nd i f f e r e n t s p a c e c h a n n e lt oi n c r e a s et h ep e a kd a t er a t e a t p r e s e n t ，m i m ot e c h n o l o g yb a s e do np r e c o d i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di n t h es y s t e m a m o n g t h es y s t e mo fe 3 g a st h er e q u i r e m e n to fu s e rr a t ei s r i s i n g i t u f o r w a r d s h i g h e r r e q u i r e m e n t so fp e a kr a t e a n ds p e c t r u me f f i c i e n c yo fi m a 3 g p p o r g a n i z a t i o n sh a v ea l s ee m b a r k e do nm s y s t e ma n dp r o p o s e dl t e a s y s t e m i n t h em as y s t e m ，8r e c e i v ea n t e n n a sa r e a p p l i e di nt h e s c e n a r i oo fd o w n l i n km i m o i nt h ep a p e r ，t h ef i r s tf e wc h a p e r si n t r o d u c e t e c h n o l o g i e so fl t e a n d 切限- 一as y s t e m ，s u c ha so f d m ，m i m o ，e t c a n di n t h el a t e r c h a p t e r s p r i n c i p l e a n ds i m u l a t i o n i m p l e m e n t i o no ft w o p r e c o d e i n ga n da n a l y s i st h er e s u l t sa n dd r e wac o n c l u s i o n k e yw o r d s h s d p a l t e p r e c o d i n g m i m oo f d m 目录 第一章l t e 演进背景介绍1 1 1 l t e 产生背景与项目计划1 1 1 1l t e 的产生背景1 1 1 2 l t e 项目计划和主要性能目标3 1 2 l t e 关键技术概述6 第二章l t e 关键技术9 2 1 o f d m 技术介绍9 2 1 1 o f d m 技术概述9 2 1 2 o f d m 的关键技术1 3 2 2m i m o 技术及相关检测算法。1 5 2 2 1 m i m 0 技术介绍1 5 2 2 2 空时编码技术1 9 2 2 3 m i m o 检测算法2 1 2 2 4 l t e 中的m i m o 技术发展现状及挑战2 4 第三章l t e 仿真平台设计2 9 3 1 平台模块2 9 3 1 1链路级与系统级接口模块2 9 3 1 2 业务模型模块3 0 3 1 3 调度模块3 0 3 1 4 小区模块3 1 3 1 5 移动模型模块。3 2 3 1 6 差错重传模块3 3 3 1 7 调度模块3 5 3 2各个模块的关系3 5 第四章波束赋形与预编码技术3 7 4 1 智能天线和波束赋形3 7 4 1 - 1 智能天线的发展3 7 4 1 2波束赋形4 0 4 2 下行预编码4 4 4 2 1传输分集及预编码的介绍4 4 第五章e b b 和p r e c o d e 仿真平台具体实现5 4 5 1e b b 的工作原理和系统级平台中仿真实现5 4 5 1 1e b b 的工作原理5 4 5 1 2e b b 的平台实现o 5 5 5 2 p r e c o d e 的工作原理5 9 5 2 1p r e c o d e 基本框图5 9 5 2 2 仿真流程6 2 第六章仿真及结果分析6 5 6 1仿真条件。6 5 6 2 仿真情形配置：6 5 6 3 仿真结果及分析6 6 第七章 结论与展望7 2 参考文献7 3 致 谢。7 4 作者攻读学位期间发表的学术论文目录7 5 北京邮电大学硕七研究生论文 第一章l t e 演进背景介绍 1 1l t e 产生背景与项目计划 1 1 1l t e 的产生背景 伴随g s m 等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获 得了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了1 8 亿。同时，我们的通 信习惯也从以往的点到点( p l a c et op l a c e ) 演进到人与人。个人通信的迅猛发展极 大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频 点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需 求。 另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到 终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。g s m 网络演进到 g p r s e d g e 和w c d 删s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低 无线数据网络的运营成本，已成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是 往宽带无线技术演进的一个开始。w c d m h s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然 无线性能大大提高，但是，在i p r 的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域， 还是有很多局限。 由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及的核心专利被少数公 司持有，在i p r 上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂家承重负担。 可以说，3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种 不利局面。基于c d m a 无线接入技术的第三代( 3 g ) 移动通信系统已经在全球被 广泛应用了，而3 g 已经基本构建起以话音业务为核心的多媒体业务体系。但入 们的需求并没有就此停滞，大量的市场调研和专家研究表明，2 m b i t s 的w c d m a r 9 9 传输速率已远远不能满足人们未来的需求i l j 。 为了进一步对3 g 技术进行发展，3 g p p 首先引入了h s d p a 和增强型上型链 路( e u l ) 这两种竞争力很强的的3 g 增强技术，当这些技术还处于实施和测试阶 段的时候，为了进一步提高系统性能和降低成本，并积极应对w i f i ，w i m a x 北京邮电大学硕士研究生论文 等无线接入技术的挑战，3 g p p 在众多国内外大型运营商的提倡下于2 0 0 4 年底将 u t r a n 的长期演进( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 计划正式批准立项。 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本，高带宽的无线技术 快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商 业运营模式。例如，g o o g l e 与互联网业务提供商( i s p ) e a r t h l i n k 合作，已在美国 旧金山全市提供免费的无线接入服务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其 主要盈利途径，g o o g l e 更将这种新的运营模式申请了专利。另外，大量的酒店、 度假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务激烈竞争的原因，提供免费w i f i 无线 接入方式，通过因特网可以轻易的查询到这类信息。最近，网络服务提供商 “s k y p e ”更在这些免费的无线宽带接入基础上，新增了几乎免费的语音及视频通 信业务。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络 演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选 择。 与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 m b p s 的无线接 入速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。 而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。这些要求 已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构看来是势 在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比，w c d m a h s d p a 空中接口 和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和q o s 方面有较大优势，但在每比特 成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3 g p p 标准组织原 先的时间表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用，在这期间传统电信设备商和运 营商将面临f j i 所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和i p r 的制肘共同推动了 3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。2 0 0 4 年 1 1 月，3 g p p 加拿大多伦多“u t r a n 演进”会议收集了无线接入网r 6 版本之后的 演进意见，在随后的全体会议上，“u t r a 和u t r a n 演进”研究项目得到了二十 六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3 g p p 组织运营商和设备商成员 共同研究3 g 技术演进版本的强烈愿望。 2 北京邮电大学硕士研究生论文 剁固 i ： i 8 1 ： l 乇w 苫 图1 - 1l t e 系统架构1 1 l 1 1 2l t e 项目计划和主要性能目标 i i i i i s l i l l i e i q o d e b 3 g p p 组织在l t e 项目的工作，基本可以分为两个阶段：2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为s i ( s t u d yi t e m ) 阶段，完成可行性研究报告；2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月 为w i ( w o r ki t e m ) 阶段，完成核心技术的规范工作。在2 0 0 7 年中期完成l t e 相 关标准制定( 3 g p pr 7 ) ，在2 0 0 8 年或2 0 0 9 年推出商用产品。到目前为止，l t e 项目的研究工作取得了一系列的重大进展，截至到2 0 0 6 年3 月已完成或正在进 行的内容包括：物理层接入方案、无线接口协议体系结构，r a n c n 功能划分与 调整，及宏分集、射频的相关研究。虽然如此，原计划于2 0 0 6 年3 月完成的部 分工作被推迟到6 月才可以完成，从目前来看，仍滞后于既定的工作计划。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行 1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降 低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活 状态迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ；支持 1 0 0 k i n 半径的小区覆盖；能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供 1 0 0 k b p s 的接入服务； 支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽【2 j 。 3 北京邮电大学硕上研究生论文 为了实现3 gl t e 系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3 g 系统的空 中接口技术和网络结构。3 g p p 标准化组织经过激烈的讨论于2 0 0 5 年1 2 月，批 准采用由北电等的厂家提出的o f d m 和m i m o 方案作为其无线网络演进( 如卫) 的唯一标准，这也表明3 g p p 标准的演进方向与北电的多年来技术发展方向完全 一致。同时l t e 系统核心网采用两层扁平网络架构，由w c d m a h s d p a 阶段 的n o d e b 、r n c 、s g s n 、g g s n 四个主要网元，演进为e n o d e b ( e n b ) 和接入网 关( a g w ) 两个主要网元。核心网同时采用全口分布式结构，支持i m s 、v o l p 、s i p 、 m o b i l ei p 等各种先进技术。 贼亘j 贼乏j 躲避曛甄r 愿i耐陋! 曼! 塑避孽婴蚓摧蕊矧 图1 - 23 g p p 架构向扁平化演进【1 1 4 北京邮电大学硕上研究生论文 u e e n o d e b a g w n a sn a s p d c p p d c p r r cr r c r l cr l c m a cm a c p h yp h y 图1 - 3l t e 控制平台协议栈f 2 】 5 1 2 l t e 关键技术概述 图1 - 4l t e 用户平面协议【2 】 空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志，3 g p p 组织就l t e 系统 物理层下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的o f d m a 技术；但上行传输 方案却争论不断，很大部分设备商考虑到o f d m 较高的峰均比会增加终端的功 放成本和功率消耗，限制终端的使用时问，坚持采用峰均比较低的单载波方案 s c _ f d m a ，但一些积极参与w i m a x 标准组织的公司却认为可以采用滤波、循 环削峰等方法有效降低o f d m 峰均比。双方各执己见，一度僵持不下，经过多 次会议的艰苦协商，最后上行方案还是选择了单载波s c f d m a 。这样l t e 系统 传输方案最终确定为下行o f d m a 和上行s c f d m a 。同时在是否采用宏分集问 题上也产生了激烈的争论，最终考虑到网络结构扁平化，分散化的发展趋势， 3 g p p 组织在2 0 0 5 年1 2 月经过“示意性”的投票，决定l t e 系统暂不考虑宏分集 技术。 6 北京邮电大学硕士研究生论文 图1 5l t e 几个主要关键技术 o f d m 技术是l t e 系统的技术基础与主要特点，o f d m 系统参数设定对整 个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是o f d m 系统的最基本参 数，经过理论分析与仿真比较最终确定为1 5 k h z 。上下行的最小资源块为3 7 5 k h z ， 也就是2 5 个子载波宽度，数据到资源块的映射方式可采用集 ( 1 0 c a l i z e d ) 方式或 离散( d i s t r i b u t e d ) 方式。循环前缀c y c l i cp r e f i x ( c p ) 的长度决定了o f d m 系统的抗 多径能力和覆盖能力。长c p 利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销 也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径1 0 0 k m 的覆盖要求， l t e 系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短c p 方案为基本 选项，长c p 方案用于支持l t e 大范围小区覆盖和多小区广播业务。 m i m o 作为提高系统输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。 l t e 已确定m i m o 天线个数的基本配置是下行2 x 2 、上行l x 2 ，但也在考虑4 x 4 的高阶天线配置。北电的专利技术虚拟m i m o 也被l t e 采纳作为提高小区边缘 数据速率和系统性能的主要手段。另外，l t e 也正在考虑采用小区干扰抑制技术 来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行方向m i m o 方案相对较多，根据 2 0 0 6 年3 月雅典会议报告，l t em i m o 下行方案可分为两大类：发射分集和空间 复用两大类。目前，考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集 ( s t b c ，s f b c ) ，时间( 频率) 转换发射分集( t s t d ，f s t d ) ，包括循环延迟分集( c d d ) 在内的延迟分集( 作为广播信道的基本方案) ，基于预编码向量选择的预编码技 术。其中预编码技术已被确定为多用户m i m o 场景的传送方案。5 月的上海会议 将对m i m o 技术做进一步的讨论。最终会为下行数据信道确定唯一的分集传送 方案。 高峰值传送输率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行 1 0 0 m b p s 峰值速率的目标，在3 g 原有的q p s k 、1 6 q a m 基础上，l t e 系统增 加了6 4 q a m 高阶调制。l t e 上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端 成本及功耗，目前主要考虑采用位移b p s k 和频域滤波两种方案进一步降低上行 7 北京邮电人学硕| 上研究生论文 s c f d m a 的峰均比。l t e 除了继续采用成熟的t u r b o 信道编码外，还在考虑使 用先进的低密度奇偶校验( l d p c ) 码。 3 g p pl t e 接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时，还需要满足 低时延、低复杂度、低成本的要求。原有的网络结构显然已无法满足要求，需要 进行调整与演进。2 0 0 6 年3 月的会议上，3 g p p 确定了e u t r a n 的结构，接入 网主要由演进型e n o d e b ( e n b ) 和接入网关( a g w ) 构成，这种结构类似于典型的i p 宽带网络结构，采用这种结构将对3 g p p 系统的体系架构产生深远的影响。 e n o d e b 是在n o d e b 原有功能基础上，增加了r n c 的物理层、m a c 层、r r c 、 调度、接入控制、承载控制、移动性管理和i n t e r - c e l lr r m 等功能。a g w 可以看 作是一个边界节点，作为核心网的一部分。但在如何处理小区间干扰协调、负载 控制等问题上各成员还存在分歧，是采用r r ms e r v e r 进行集中式管理，还是采 用分散管理，尚未达成一致。 8 北京邮电大学硕士研究生论文 2 1o f d m 技术介绍 2 1 1o f d m 技术概述 第二章l t e 关键技术 上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交 的载波频率作子载波，也就是我们所说的o f d m 。这种“正交 表示的是载波 频率间精确的数学关系。按照这种设想，o f d m 既能充分利用信道带宽，也可 以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。o f d m 是一种特殊的多载波通信方案， 单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发 送。o f d m 不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换( f f t ) 来 选用那些即便混叠也能够保持正交的波形i 引。 近年来，正交频分复) j ( o f d m ) 技术因其可有效对抗多径干扰( i s i ) 7 0 提高系 统容量而受到人们的极大关注，已在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、 无线局域n ( w l a n ) 中得到应用，是第四代移动通信系统的有力竞争者。 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换分解成若干 子比特流，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信 道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生 的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护问隔， 令间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带 来的符号间干扰。而且，一般采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径 带来的信道间干扰。 同时o f d m 将发送的信息埋藏在载波系数中，其载波具有正交性，载波之 间的频谱可以相互交迭，提高了频谱利用率。在传统的多载波通信系统中，整个 系统频带被划分为若干个互相分离的子信道( 载波) 。载波之间有一定的保护间 隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免 不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时 候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多 9 北京邮电大学硕上研究生论文 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，并且各子载波并行传输。这 样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的， 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应带宽，因此就可以 大大消除信号波形间的干扰。由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交， 它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波问的相互干扰，同时又提高了 频谱利用率。 o f d m 技术属于多载波调制( m u l t i - - c a r r i e r m o d u l a t i o n ，m c m ) 技术。有 些文献上将o f d m 和m c m 混用，实际上不够严密。m c m 与o f d m 常用于无 线信道，它们的区别在于：o f d m 技术特指将信道划分成正交的子信道，频道 利用率高；而m c m ，可以是更多种信道划分方法。 o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对 多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重 叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数 据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作h o m e p l u g 的处理技术， 来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成 一个独立的传输信号进行发送。另外o f d m 之所以备受关注，其中一条重要的 原因是它可以利用离散傅立叶反变换离散傅立叶变换( i d 咖f t ) 代替多载波 调制和解调。 o f d m 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单 个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的o f d m 系统中，只会 有一小部分载波受影响。此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信 息。通过合理地挑选子载波位置，可以使o f d m 的频谱波形保持平坦，同时保 证了各载波之间的正交。 o f d m 尽管还是一种频分复用( f d m ) ，但已完全不同于过去的f d m 。o f d m 的接收机实际上是通过f f t 实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然 后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对 信息的提取产生影响。o f d m 的数据传输速率也与子载波的数量有关。 o f d m 每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况 的不同选择不同的调制方式，比如b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 、6 4 删等 等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。我们通过选择满足一定误码 率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会 使接收信号功率大幅下降，经常会达到3 0 d b 之多，信噪比也随之大幅下降。为 了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。 1 0 北京邮电大学硕士研究生论文 可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选 择b p s k 或q p s k 调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调 制方式的频谱效率很低。o f d m 技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏 来选择不同的调制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制 方式就可以由b p s k ( 频谱效率l b i t s h z ) 转化成1 6 q a m - - 6 4 q a m ( 频谱效率 4 - - 6 b i t s h z ) ，整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。自适应调制能够 扩大系统容量，但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号 所应采用的调制方式。终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。 o f d m 还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射 功率不变，可以增强调制方式( 如6 4 q a m ) ，或者在低调制方式( 如q p s k ) 时 降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡。也就是说对于一个发射台， 如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案如 6 4 q a m ；如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用q p s k 方式等。 自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解，如果在差的信 道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。 o f d m 系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。发送一个已知数据 的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。 北京邮电大学硕j ：研究生论文 呻 调制映射 一， 。j 串 并 一= l 变 一， 换 j 。_ _ _ _ 。_ _ _ ! 型一 图2 - 1o f d m 的基带模型 信道 在o f d m 的发射部分，将串行码元符号转换成并行码元符号，并行行数等 于予载波数量，形成子载波符号序列；对每个子载波序列做编码；将每个子载波 符号转化成复数的相位表现形式；将每个子载波符号序列调制在相应的i f f t b i n 上，包括共轭部分的子载波序列；实施i f f f 得到时域离散的o f d m 信号采 样点。实现o f d m 调制的关键是子载波频率和符号率的关系，子载波频率以价汀 的整数倍分割，每个子载波的符号率为i n t ( s y m b o l s s e c ) 。每个子载波调制的效 果使其呈现s i n ( x ) x 形状，s i n ( x ) x 的o 点落在频率横坐标的i n t 的各个整数倍 上，每个子载波的频谱峰值正对横坐标的各个子载波频率点k 门盯上，一个载波 频率点正好落在其它子载波频率对应的频谱o 点上，这意味着发送过程中尽管各 个载波的频谱重叠，但互不干扰，子载波紧密相连使得带宽利用率很高。数据经 过处理，转换成模拟信号后就可以进行上变频调制，进行发射。 o f d m 技术的主要优点是：可以有效对抗多径传播造成的符号间干扰，其 实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多；在变化相对较慢的信道上， 1 2 北京邮电大学硕士研究生论文 o f d m 系统可以根据每个子载波的信噪比优化分配每个子载波上传送的信息比 特，从而大大提高系统传输信息的容量； o f d m 系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强。因为o f d m 信号的解调是在 1 个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散；频谱利用率高， o f d m 信号由n 个信号叠加而成，每个信号的频谱均为s i n c 函数。且与相邻的 信号频谱有1 2 的重叠，故其频谱利用率： r l o f d m 一( + 1 ) l 0 9 2 m 音f 夕一1 、 其中，为星座点数。与m q a m 调制方式( ，7 例叼肘= o 5 l o g ：m ) 相比，频谱利 用率提高近l 倍。 与传统的单载波传输系统相比。o f d m 的主要缺点是：对于载波频率偏移 和定时误差的敏感程度比单载波系统高；o f d m 系统中的信号存在较高的峰值 平均功率l 卜, ( p a p r ) 使得它对放大器的线性要求很高；为了实现相干解调，必须进 行信道估计。针对这些缺点，o f d m 的3 项关键技术即频偏估计、降低峰平比 和信道估计算法成为目前的3 个研究热点。 2 1 2o f d m 的关键技术 ( 1 ) 同步技术 o f d m 系统中，n 个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间 的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏 移会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损 害。 由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏 离它真确的采样时问，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差坏子载 波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可 以用内插滤波器来控制真确的时间进行采样。 相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变 量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引入一定量 的信道间干扰( i c i ) ，因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1 t 了。 载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。o f d m 系统的输出信号是多个 相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的 一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都 成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散，引起信号发生畸变。从频域上看，信号 北京邮电大学硕1 ：研究生论文 失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的 o f d m 系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这 种信道间干扰( i c i ) 加以克服，系统的性能很难得到改善。 o f d m 中的同步通常包括3 方面的内容： 1 ) 帧检测； 2 ) 载波频率偏差及校正： 3 ) 采样偏差及校正。 由于同步是o f d m 技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多o f d m 同 步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用 的有利用奇异值分解的e s p r i t 同步算法和m l 估计算法，其中e s p r i t 算法虽然 估计精度高，但计算复杂，计算量大，而m l 算法利用o f d m 信号的循环前缀，可以 有效地对o f d m 信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与e s p r i t 算法相比，其计 算量要小得多。对o f d m 技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具 体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。o f d m 系统对定时 频偏的要求是小于o f d m 符号间隔的4 ，对频率偏移的要求大约要小于子载波 间隔的1 一2 ，系统产生的3 d b 相位噪声带宽大约为子载波间隔的 o o 】加】。 ( 2 ) p a r p 的解决 由于o f d m 信号是有一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大 的p a p r 。大的o f d mp a p r 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内 失真。但是由于大的p a r p 的概率并不大，可以把大的p a p r 值的o f d m 信号去 掉。但是把大的p a p r 值的o f d m 信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术 必须保证这样的影响尽量小。一般通过以下几种技术解决： 1 ) 信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰 值振幅值简单地线性去除。 2 ) 编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的p a p r 的o f d m 符 号去除。 3 ) 扰码技术。采用扰码技术，使生成的o f d m 的互相关性尽量为o ，从而使 o f d m 的p a p r 减少。这里的扰码技术可以对生成的o f d m 信号的相位进行重 置，典型的有p t s 和s l m 。 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： 1 ) 频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的 1 4 北京邮电大学硕士研究生论文 无线环境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用 率可以接近n y q u i s t 极限。 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散到许多 个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通 过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道， 每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道 信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送， 劣质信道不传送的原则 4 ) j l 匮过各子载波的联合编码，可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，就没有必要再加时域均衡器。 但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 5 ) 基于离散傅立叶变换( d 兀1 ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采用