（通信与信息系统专业论文）ofdm的自适应传输技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，作为一种有效的高速数据传输方式，基于正交频分复用 ( o f d m )的 多载波传输技术以其网络结构高度可扩展，且具有 良好的抗噪声性能和抗多径信 道 干 扰的能力以及频谱利用率高而被认为是下一代移动通信系统中的关键技术， 己经得到越来越多的关注。在 o f d m系统的应用中，在对各子信道特性的准确快 速估计的基础上，通过对各子载波进行自适应调制，自适应信道编码，以及和接 收端的分集接收相结合，能够提高频谱利用率，降低发射功率，抑制子载波间干 扰和降低功率峰均比，从而能够使系统的性能达到最优。 本文在对国内外近二十年以来有关正交频分复用 ( o f d m )技术的发展进行回 顾与总结的基础 卜 ，在国家 自然科学基金项 目 “ 高速网络中业务流量传输控制策 略的最优化研究”课题组的前期研究的影响下，重点对o f d m自 适应传输中的一些 关键技术进行了研究，包括单用户情况下o f d m的自适应调制策略，多用户情况下 的快速自适应调制策略，以及 o f d m的子载波间干扰自消除问题。提出了相应的解 决办法或解决方案，并进行了仿真、分析以及与其他方法的比较。取得了一定的 进展，获得了一些有价值的结果。 o f d m在多径传播通过的频率选择性无线信道时，根据子信道的增益对子信道 传输的比特数自适应分配， 可以在满足特定比特误码率( b e r ) 的前提下使整体传输 功率达到最小。 本文深入分析比较了各种己有自适应调制策略的特性与不足之处， 根据各种调制方式的误码率特性，推导得到了三个最优比特分配的相关结论，并 在此基础 l 提出了一种自适应o f d m系统的基十贪婪算法的比特和功率分配策略， 此算法应用于叠加高斯白噪声的多径频率选择性信道，结果表明，该算法计算简 单，所消耗运算时间远远小于其他已有的分配算法;精确度好，优化效率高，能 够在保持相同误码性能条件下，使得平均比特信噪比下降6 - 7 d b，具有良好的应 用价值。 如果将自适应技术应用于多用户 o f d m系统， 根据各用户的子信道的瞬时特性 采用自 适应分配和调制技术， 动态地分配数据速率和传输功率， 可以有效优化系统 性能，充分利用信道资源，减少系统的总发送功率。提出了一种适用于多径频率 选择性衰落信道中多用户 o f d m系统的次优自适应调制策略，将整个自适应调制 过程划分为三个子过程，对每一个子过程的策略都进行了分析和研究，得出了最 优的组合。结果表明，此方法仅比理论上最优的自适应调制策略高 1 d b左右，并 且计算复杂度低，具有很好的实用性。 由于移动通信中多普勒效应和发射机和接收机晶振的不稳定性会造成载波频 华南理工大学工学博士学位论文 率的偏移，子载波之间的正交性受到破坏，就会造成严重的载波间干扰，在对子 载波间干扰的特性进行深入分析与研究的基础之上，提出了一种基于线性相位变 换消除m p s k 调制o f d m系统i c i 的方法， 并与已有的方法进行了比较。 结果表明: 此方法能够有效抑制频率偏移造成的o f d m 系统子载波间的干扰。并且计算简单， 不牺牲系统的带宽利用效率，因而具有很好的实用性。 此外， 还对o f d m 在未来移动通信系统中的应用和发展方向进行了分析与探讨， 进一步明确了下一步工作的工作目标。 关键词:正交频分复用;自 适应调制; 贪婪算法; 子载波间干扰; 拉格朗日算子 ab s t r a c t ab s t r a c t b e i n g a n e f f e c t h i g h r a t e d a t a t r a n s mi s s i o n m e t h o d w h i c h a t t r a c t s mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n , t h e m u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y b a s e d o n o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n mu l t i p l e x i n g ( o f d m) r e c e n t l y i s c o n s i d e r e d t h e k e y t e c h n o l o g y o f t h e f u t u r e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n b e c a u s e o f i t s h i g h s p e c t r u m u s a g e , e x p a n d a b l e n e t w o r k s t r u c t u r e , t h e r e s i s t a n c e a g a i n s t t h e n o i s e a n d t h e m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e . i n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e o f d m s y s t e m , c o m b i n e d w i t h t h e a d a p t i v e m o d u l a t i o n , a d a p t i v e c o d i n g a n d t h e r e c e i v e d i v e r s i t y b a s e d o n t h e a c c u r a t e e s t i m a t i o n o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s u b c h a n n e l s , w e c a n i n c r e a s e t h e s p e c t r u m u s a g e , r e d u c e t h e t r a n s m i s s i o n p o w e r， t h e i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e a n d t h e p e a k - t o - a v e r a g e p o w e r r a t e . s o t h e s y s t e m p e r f o r ma n c e i s o p t i mi z e d . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e r e s e a r c h a c h i e v e me n t s i n t h e a r e a s o f o f d m i n t h e r e c e n t t w e n t y y e a r s a r e r e v i e w e d . b a s e d o n t h e r e v i e w a n d i n f l u e n c e d b y t h e p r e c e d i n g w o r k b e t h e r e s e a r c h g r o u p e n g a g e d i n t h e p r o j e c t c a l l e d r e s e a r c h o n t h e o p t i m i z a t i o n o f c o n t r o l s t r a t e g y o f t r a n s p o r t a t i o n o f t r a f f i c i n h i g h - s p e e d n e t w o r k s a n d a p p r o v e d b y t h e n a t i o n a l n a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n , t h e k e y t e c h n o l o g y o f t h e a d a p t i v e t r a n s m i s s i o n o f t h e o f d m i s s e l e c t e d a s s u b j e c t of dm o f t h e a u t h o r s p h . d c a r e e r s u c h a s t h e a d a p t i v e m o d u l a t i o n s t r a t e g y o f t h e s i n g l etheuser s y s t e m o f t h e a n d t h e m u l t i u s e r o f d m s y s t e m a n d t h e i c i s e l f - c a n c e l l i n g s t r a g t e g y . d u r i n g t h e p r o c e s sr e s e a r e h , w e g e t s o m e v a l u a b l e r e s u l t s . i n m u l t i p a t h f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g c h a n n e l s t h e b i t s c o u l d b e a d a p t i v e l y a l l o c a t e d i n t h e s u b c h a n n e l s a c c o r d i n g t o t h e s u b c h a n n e l g a i n s t o m i n i m i z e t h e t o t a l t r a n s m i s s i o n p o w e r f o r a g i v e n b i t e r r o r r a t e ( b e r ) . i n t h i s p a p e r , w e f i r s t a n a l y z e d a l l k i n d s o f t h e a d a p t i v e a l l o c a t i o n s t r a t e g i e s t h e n d e d u c e t h r e e r e l a t e d c o n c l u t i o n s o f t h e o p t i m a l b i t a l l o c a t i o n . t h e n w e p r e s e n t a n a d a p t i v e b i t a l l o c a t i o n s t r a t e g y b a s e d o n g r e e d y a l g o r i t h m a c c o r d i n g t o t h e c o n c l u t i o n s .t h e s i m u l a t i o n s h o w s t h a t t h e a l g o r i t h m n e e d s m u c h l e s s c a l c u l a t i o n t i m e c o m p a r e d w i t h o t h e r m e t h o d s a n d t h e s n r i s 6 - 7 d b l o w e r c o m p a r e d w i t h c o m m o n o f d m s y s t e m w h e n h a s t h e s a m e b e r p e r f o r m a n c e . s o i t i s v a l u a b l e . i f w e c o n s i d e r t h e a d a p t i v e b i t a n d p o w e r a l l o c a t i o n s t r a t e g y o f m u l t i u s e r o f d m o v e r f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g c h a n n e l s ac c o r d i n g t o t h e a c c u r a t e e s t i m a t i o n o f i n s t a n t a n e o u s c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i e s , t h e a d a p t i v e a l l o c a t i o n s t r a t e g y a s s i g n s t h e s u b c h a n n e l s a n d b i t s f o r m u l t i u s e r i n t h e s y s t e m t o m i n i m i z e t h e t o t a l t r a n s m i s s i o n p o w e r f o r a g i v e n b i t e r r o r r a t e ( b e r ) . w e p r e s e n t a n s u b o p t i m u m a d a p t i v e a l l o c a t i o n s t r a t e g y o f m u l t i u s e r o f d m s y s t e m w h i c h h a s t h r e e s t a g e s . t h e s i m u l a t i o n s h o w s t h a t t h e s t r a t e g y n e e d s l i t t l e c a l c u l a t i o n t i m e a n d t h e s n r i s o n l y 1 d b i ii 华南理工大学工学博士学位论文 h i g h e r c o m p a r e d w i t h t h e o p t i m a l s c h e m e . t h e d o p p l e r e f f e c t a n d t h e i m b a l a n c e o f t h e c r y s t a l o s c i l l a t o r s m a y c a u s e t h e f r e q u e n c y o f f s e t o f t h e s u b c a r r i e r s w h i c h m a y b r e a k t h e o r t h o g o n a l i t y o f t h e s u b c a r r i e r s . i t m a y c a u s e s e r v e i n t e r f e r e n c e b e t w e e n t h e s u b c a r r i e r s . w e a n a l y z e d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e i c i , t h e n p r e s e n t a s c h e me t o r e d u c e t h e i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e b e t w e e n t h e s u b c a r r i e r s o f t h e mp s k o f d m s y s t e m b a s e d o n l i n e a r p h a s e t r a n s f o r m a t i o n .t h e n w e c o m p a r e d i t w i t h t h e o f d m s y s t e m b a s e d o n o t h e r m o d u l a t i o n s c h e m e . t h e s i m u l a t i o n s h o w s t h a t t h e l i n e a r p h a s e t r a n s f o r m a t i o n s c h e m e c a n r e d u c e t h e i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e e f f e c t i v e l y a n d n e e d s l i t t l e c a l c u l a t i o n t i m e . i t d o e s n t c a u s e a r e d u c t i o n i n b a n d w i d t h e f f i c i e n c y . s o i t i s p r a c t i c a b l e . f u r t h e r m o r e , w e a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t o f t h e o f d m i n t h e f i e l d s o f t h e n e x t g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o n , p u t f o r w a r d s o m e i d e a s a n d p r o s p e c t e d t h e n e x t s t e p o f t h e wo r k . k e y w o r d : o f d m; a d a p t i v e mo d u l a t i o n ; g r e e d y a l g o r i t h m ; i c i ; l a g r a n g e a l g o r i t h m n 丫 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担口 作者签名: 日 期 : 2 o o 产 月 l s 决了. 书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不 保密 q- ( 请在以上相应方框内打 “ 了1 1 ) 作者签名: 导师签名: 日 期 : “ 。 开 年 月 之 令 日 日 期 = 2 0 0 年 月 z 7 日 子众吟被 循叶 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1移动通信的发展状况 1 . 1 . 1 移动通信的过去与现在 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 作用，由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力干通信技术 的研究与开发以及现代通信网的建设。 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。顾名思义，移动通信就是 指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输。例如移动台 ( 由车辆、船舶、 飞机或者行人携带) 与固定点之间或者移动台之间的通信都属于移动通信的范畴。 移动通信不但集中了无线通信与有线通信的最新技术成就，而且集中了网络 接收和计算机技术的许多成果。目前，移动通信己从模拟通信发展到第三代数字 通信阶段，正朝着个人通信这一更高阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任 何时间任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务。 可以说移动通信从无线电通信发明之日 就产生了。1 8 9 7年，m. g . 马可尼所完 成的无线通信实验就是在固定点与一艘拖船之间进行的，当时的距离为1 8 海里。 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代， 但是一直到2 0 世纪7 0 年代中期， 刁迎来了移动通信的蓬勃发展。1 9 7 8年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电 话系统 ( a mp s )， 建成了蜂窝状态模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此 同时，其他发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的特点是蜂 窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。这一阶段形成了以蜂窝网 为概念的移动通信新体制，同时由于微电子技术和计算机技术的发展和成熟，为 通信设备的小型化以及大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞 生的移动通信系统称为第一代移动通信系统。 从 2 0世纪 8 0年代中期开始，数字移动通信系统进入了发展和成熟时期。模 拟蜂窝网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求，欧洲首先推出了全球移 动通信系统 ( g s m) , 随后美国和日 本也相继指定了各自的数字移动通信体制。 2 0 世纪9 0 年代初， 美国q u a l c o m m公司 推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信 系统，这是移动通信系统发展的里程碑。从此，码分多址这种新的无线接入技术 在移动通信领域占据了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通 华南理工大学工学博士学位论文 信系统就是第二代移动通信系统/l 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。但随 着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将 很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在发展第三代 ( 3 g)移 动通信系统。 但是由于 3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结 构， 所以普遍认为3 13系统仅仅是一个从窄带向未来宽带移动通信系统过渡的一个 阶段。目 前。人们己经把目 光越来越多地投向三代以 后 ( b e y o n d 3 g )的移动通信 系统中冈，使其可以容纳庞大的用户数，改善通信品质，以及达到高速数据传输 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 ma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 l f r e q u e n c y d 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。 表 1 -1三代移动通信系统的对比 第一代系统 ( 1 g ) 第二代系统 ( 2 g )第三代系统 ( 3 g ) 时间 ( 年 )1 9 8 4- 1 9 9 61 9 9 0 - 现在2 0 0 1 现在 支持业务模拟语音数字语音，短信息 低速数据 宽带视频，多媒体 ， 高速数据 结构宏蜂窝宏蜂窝， 微蜂窝，微微蜂窝，无 线本地环路 宏蜂窝， 微蜂窝， 微微蜂窝， 无线本地环路 无线技术模拟调频 f d d - f d m a 数字调制、c d m a 、使用 t o 和 f d d的 t d m a c d m a 、 与 t d d 和 f d d 相纬合 最大信息 传输速率 9 . 6 k b i t / s1 7 0 k b i t / s 2 m h i t / s 频段 8 0 0 m h z8 0 0 + 1 9 0 0 m h z 2 g h z + 实例 m p s , t a c s , n t t , e t a c s , n m t 4 5 0 / 9 0 0 j t a c s / n t a c s i s - 9 5 , g s m / d c s - 1 9 0 0 , u s t d m a i s - 1 3 6 , p h s , p a c s c d m a 2 0 0 0 w c d m a t d - s c d m a 1 . 1 . 2未来的移动通信系统 随着信息社会的到来，移动用户数量迅速增长，人们对移动通信的各种需求 也与日俱增。到2 0 1 0年，全球移动用户数预计达到 1 8 亿。越来越多的资料显示， 移动通信的发展速度势不可挡，潜力巨大。 另一方面，从业务量预测来看， 预计面向话音的用户数将增长 1 .5 倍， 业务量 第一章 绪论 增长2 倍:而到2 0 1 0 年以后，语音类业务将停止增长，多媒体业务迅速膨胀。从 整个上下行链路看，话音业务和多媒体业务量的比率将达到 1 : 2 。可见，用户对 高速移动数据业务及多媒体业务的需求越来越迫切，现存的移动通信必须向着能 够支持更高速率多媒体业务的未来移动通信系统发展。 逐渐进入商用的第三代移动通信系统能够提供无线 i n t e r n e t业务和多媒体业 务，能提供不对称的高速数据传输能力，但还存在一些局限和缺点。例如:3 g的 网络还不能提供一个完全开放的业务平台，使得服务提供商无法在其 卜 面自由地 开发新业务。而且 . 目前 3 g系统的高速数据传输方案并不成熟，其访问速率有限， 尽管其传输速率可高达 2 mb / s ，但仅限于移动速率不高的情况下。在车载运动中， 其传输速率最高只能达到 1 4 4 k b / s ，难以适应多媒体业务增长的需要;且当多种业 务同时存在时，语音用户将受到高数据速率传输的用户的严重影响，其结果是系 统容量降低。因此，有必要研究高容量、高频谱利用率的新一代移动通信系统， 来适应2 0 1 0年及以后业务量的增长。 第四代移动通信系统 ( 4 g)的研究随之应运而生。未来的第四代移动通信技 术，将具备智能化，宽带化，个人化，移动化的功能。具体来说，主要将具备如 下一些基本特点 3 i 将是各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、宽带无线固定接入、 宽带无线局域网wi . a n等，支持各种空中接口。 2 .将是一种新型的移动通信系统，以移动数据为主面向i n t e r n e t 大范围 覆盖高速移动通信网络，应与i p v 6核心网互联互通，符合全 i p的发展趋势。 3 .通信速率大为提高，峰值数据传输速率可以提高到1 0 0 m b / s ,频谱利 用率应远大于3 g系统。 4 可适用大动态范围的多种不同类型的多煤体业务 ( 8 k b i t / s - 2 0 m b i t / s )， 并能够保证各种业务所需的服务质量 ( 0 0 s ) . 5 .发射功率低，将只有现有移动通信系统的十分之一到百分之一。 6 ， 支持可重载特性，能够用在线的方式下载软件。 从技术角度看，实现第四代移动通信系统的关键技术包括满足未来移动通信 的高速率、多业务要求的多址技术，更优、更简单的发送和接收方案 ( 包括多用 户检测、联合检测、联合发送等技术) ，高效的调制技术、高速的信道编译码、智 能天线等。 对于现有移动通信的接入方式来说，单载波时分多址接入 ( t d m a)系统和 码分多址接入 ( c d ma)系统都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展， 高速信 息流 的符号宽度又相对较窄 ，所 以会存在较严重 的符号间干扰 ( i s i ,i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ， 这对单载波t d m a系统中 使用的均衡器提出了非 常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，从 华南理工大学工学博士学位论文 而均衡算法的复杂度也大大增加。对于c d m a来说，其主要问题在于扩频增益就 不能太高，这样就大大限制了c d ma系统抵抗噪声的优点，从而使得系统的软容 量受到一定的影响。 t d ma和 c d ma的这些缺点使得它们在未来移动通信系统中的应用受到了限 制。 正交频分复用( o f d m ) 技术因其网 络结构高 度可扩展， 且具有良 好的 抗噪声性 能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被普遍认为是第四代移动通信系 统中的核心技术 14。 1 . 2无线信道的传播特征 与其他通信信道相比，移动信道是最复杂的一种。电波传播的主要方式是空 间波、即良射波、折射波、散射波以及它们的合成波。再加上移动台本身的运动， 使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制。信号通过无线信道时，会 遭受到各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可以表示为: p ( d ) - 1 d 一 s ( d ) r ( d ) ( 1 一 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量， 无线信道对信号的影响可以分为三种15 1 引表示移动台与基站的距离。 根据上式 1 . 电波在自由空间内的传播损耗 d 1-， 也被称作大尺度衰落， 其中n 一般为 3 4 ,3 - 2 .阴影衰落s ( d ) : 表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地 形的阻塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落; 3 . 多径衰落r ( 内:由 于无线电 波在空间 传播会存在反射、 绕射、 此造成信 号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、 都不相同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加， 现象，这也被称作小尺度衰落。 衍射等，因 衰落和相位 异相减小的 第一章 绪论 1 . 2 . 1 无线信道的多径衰落 一 一 、 一/ 、 一 件1、 一/ 、一么攀 图t 一1 无线信号的多径传播 f i g . 1 - 1 mu l t i p a t h p r o p a g a t i o n o f wi r e l e s s s i g n a l 由于多径衰落的影响，在发射端发送一个窄带脉冲信号，则在接收端可以收 到多个窄脉冲，每个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数都是不同的。 4 这样就 造成了 信道的时间弥散性， 假定最大时延扩展为t . - 。 由 于时延扩展， 接收 信号中 的一个符号的波形会扩展到其他符号中，造成符号间千扰 ( i s i ) 。为了避免产生 1 5 1 , 应该令符号宽度远远大于: ， 定义相干带宽: (a b ) 。 二 上( 1 - 2 ) 公 口 旺 从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信 号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应，由于信号中不同频 率分量的衰落不 一 致，所以经过衰落之后，信号波形会呈现不同的随机响应，由 于信号中不同频率分量的衰落不一致，所以经过衰落之后，信号波形发生畸变。 由此可以看出，当信号的速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号 通过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成符号 间干扰，此时就认为发生了频率选择性衰落;反之，当信号的传输速率较低，信 道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落，衰 落信号不会失真，没有符号间干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选 择性衰落。可见，相干带宽是无线信道的一个特征，信号通过无线信道时，是出 现频率选择性衰落还是平衰落，取决于信号本身的带宽。 华南理工大学工学博士学位论文 表 1 -2 不同信道环境下的时延扩展值 环境 室内 室外 最大时延扩展 4 0 n s - 2 0 0 n s 最大到达路径差 1 2 m - 6 0 . 1 1 z一加a n3 0 0 m - 6 k . 1 . 2 . 2无线信道的时变性以及多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效 应。信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送 相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中的具体 表现之就是多普勒频移，单一频率信 号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一 定带宽的频率包络的信号，这又可以称为信道的频率弥散性。 当移动台向入射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信号频 率会增加;如果背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信 号频率会减小。 由 于存在多 普勒频移， 所以当 单一频率信号f o 到达接收端的时候， 其 频谱 不 再 是 位于 频 率 轴士 f e 处 的 单 纯s 函 数， 而 是 分 布 在( f e - f , f . 十 瓜 ) 内 的 、 存在一定宽度的频谱。 一 一 日 ” 射 “ _ 二 一几几频率 端| 射| 发|八 接收端下 _ _ 耐 一 l 厂 . . . . . . . . . -一 务 f频率 ( 司由千多径遭成的信道 时变性 ( b ) 由于多普勒频移造成的信道频率弥散性 图 1 -2 无线信道的时变性示意图 f i g . 1 - 2 t h e d i a g r a m o f t h e t i m e - v a r y c h a r a c t e r i s t i c o f wi r e l e s s c h a n n e l 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，即: ( a t ) - 、 生 f . ( i - 3 ) 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值口 间就是指 宽的倒数 段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性 换句话说，相干时 。如果基带信号带 一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会 第一章 绪论 发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落;反之，如果 符号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。 表 1 -3 最大多普勒频偏( h 幻对比 l 0 0 k m / h 7 5 k m / h5 0 k m / h2 5 k m / h 9 0 0 m h z 2 g hz62139一4293 升 2146 83一185 1 . 3正交频分复用 ( o f d m ) 1 . 3 . 1 o f d m的产生与发展 在无线信道中，特别是陆地移动信道，由于地面情况的复杂性，发射的信号 往往是经过多个路径到达接受端，即存在多径传播效应，从而造成接收信号相互 重叠， 产生信号波形的相互干扰，造成接收端判断错误， 严重影响信号传输质量， 特别在信号的传输速率较高的情况下更是如此， 这是由于当信号波形的周期很短， 而信号传输速率又非常高时，在接收端信号波形重叠的程度将进一步加深，信号 间的干扰将更加严重。 通常我们采用的通信系统是单载波方案， 如图1 - 3 所示， 其中g ( t ) 是匹配滤 波器，这种系统在数据传输速率不太高的情况下，多径效应对信号符号之间造成 的十扰不是特别严重，可以通过使用合适的均衡算法使得系统正常的工作。但是 对于宽带业务来说，由于数据传输的速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相 互交叠，从而产生了符号之间的串扰( i s i ) ，这对均衡提出了更高的要求，需要引 入复杂的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性和收敛速度。从另一个角度去看， 当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择 性衰落，使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，这是我们不 希望看到的。 . , i 2 动 一 - g(t) 卜 u - e 7 2 ,ft 9 . 一 ) 图 1 -3单载波通信系统框图 f i g . 1 - 3 t h e b l o c k d i a g r a m o f s i n g l e - c a r r i e r c o m m u n i c t i o n s y s t e m 解决上述问题的方法是采用多载波调制 ( m c m) ，一般情况下， 我们所指的调 制仅仪采用了 一 个载波信号，将要传输的数据映射道这个高频载波上进行传输， 华南理工大学工学博士学位论文 而多载波调制采用了多个载波信号， 它是将所要传输的数据流分解为多个比特流。 这样每个子数据流将具有低得多得比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多 状态符号再去调制相应的子载波， 从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。 在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系 统中，某一时刻只会有少部分子信道会收到深衰落的影响。 o f d m就是一种特殊的各子载波保持相互正交的多载波调制， 既可以看作一种 调制技术，也可以被当作一种复用技术。最早在 2 0世纪 6 0年代，就已经形成了 使用并行数据传输和频分复用的概念，在传统的并行数据传输系统中，整个信号 频段被划分为n个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号， 然后再将 n个子信道进行频率复用，不能有效利用宝贵的频谱资源。为了解决这 种低效利用频谱资源的问题，提出了一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并 行数据传输和f d m，从而避免使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲干扰和多径 衰落，而且还可以充分利用频谱资源。为了使用这种相互重叠的多载波技术，要 求各个子载波之间保持正交性。 1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散 傅立叶变换 ( d f t ) 应用到 并行传输 系统中， 作为调制和解调过程的一部分7 l 。这样就不再利用带通滤波器，而是经过基带处 理就可以实现 o f d m。而且，这样在完成o f d m的过程中，不再要求使用子载波 振荡器组以 及相干解调器， 可以完全依靠执行快速傅立叶变换 ( f f t ) 来实现。 当 前， 随着大规模集成电路和数字信号处理技术的发展使得f f t的软件和硬件实现成本 大为降低，因而o f d m也进入了实用阶段。 日前， o f d m技术良好得性能使得它在很多领域得到了广泛得应用， 己经成功 地应用于 数字音频广播 d a b ) ，高 清晰度电 视传输系统， 无线局域网 ( w l a n ) 中 采 用的调制技术中就有 o f d m技术，欧洲 d t v传输系统己采用了o f d m技术，在 卜一 代移动通信系统 (c 4 g)中，国际电信联盟正着手有关标准地组织工作。为了 实现这一目标，必须从通信网络地交换、传输和接入等各个环节进行研究和突破， 尤其是在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可靠高效地支持高速率地数 据传输值得研究。 1 . 3 . 2 0 f d m 的优缺点 o f d m 技术有以下优点: 1 .把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 对增加， 从而有效地减少由于无线信道的时n 1 弥散所带来的 工 s 工 ， 减少了接收机均 衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法 消除 工 s 工 的不利影响a 1 第一章 绪论 2 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输 数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。 而o f d m系统由于各个子载波之 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系统可以最大限度地利用频谱资源19 1 信道1 2 3 4 5 6 7 g 9 1 0 频率 节 省的带宽 频率 图 1 -4 常规频分复用与 o f d m的频谱对比 f i g . 1 - 4 t h e s p e c t r u m c o m p a r i s o n b e t w e e n g e n e r a l f d m a a n d o f d m 3 .各个一子 信道地正交调制和解调可以通过采用离散傅立叶反变换 ( 工 d f t ) 和 离散傅立叶变换 ( d f t )的方法来实现。在子载波数很大的系统中，可以通过采用 快速傅立叶反变换( 工 f f t ) 与变换( f f t ) 来实现。而随着大规模集成电路技术与 d s p 技术的发展，工 f f t 与 f f t 都是非常容易实现的。 4 .无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于 上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m系 统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 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，因此可以通过自适应调制的方法，充分利用信噪比比较高的子信道， 从而提高系统的性能。 6 . o f d m系统容易与其他多种接入方法相结合使用， 构成o f d m a 系统， 其中包 括多载波码分多址m c - c d m a i o l 、调频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。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波， 而且其输出信号是多个子信道的 叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点: 1 .易受到频率偏差的影响。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。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信 号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差， 都会使 o f d m系统 子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间+扰( i c i ) ， 这种对频率偏差的敏感 j睦是o f d m 系统的毛要缺点之一。 2 . 存