（通信与信息系统专业论文）b3g关键技术——信道估计的设计与实现.pdf

摘要 摘要 在过去的2 0 多年里，移动通信技术在全球范围内得到了迅猛的发展和应用， 已经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再到即将在全世界范围大规模商用 的第三代多媒体通信的三个阶段。当今在全球范围内移动通信处于高速发展时期， 我国对后三代移动通信的研究已经正式列入8 6 3 项目，并启动了“f u t u r e ”计划。 现在已经进入项目的第二个阶段，电子科技大学负责b 3 g ( b 3 g 是在沿着第三代 移动通讯的基础上，演进开发出第四代移动通讯技术) t d d 方式的下行链路设计， 重点是基于f p g a ( 现场可编程门阵列) 的实现研究。本文主要内容就是介绍 m i m o o f d m 系统中的信道估计技术和介绍用f p g a 实现信道估计器的方法。 第一章介绍了o f d m 和m i m o 技术的发展历史及现状，以及下一代移动通信 系统采用m i m o o f d m 技术的必要性。同时，说明了信道估计技术在移动通信中 的重要性，以及现有信道估计技术的发展现状。 第二章介绍了f p g a 属于一种可编程逻辑器件，芯片内部以阵列状排列各种 可配置逻辑块。通过可编程连线，人们可以方便地将程序下载到芯片中实现设计。 具有设计周期短、投资少、风险小的特点，并且能够反复修改，反复编程，反复 下载，直到满足设计需求，具有其他方式所没有的方便性和灵活性。 第三章介绍了各种信道估计的方法，提出了在多天线o f d m 系统中利用导频 训练序列的相关特性来进行信道估计。由于相关估计算法的关键是训练序列的自 相关特性，本文提出了一种优化训练序列的构造方式。利用该训练序列良好的自 相关特性能够充分获得信道的状态信息，同时对噪声干扰具有良好的抑制作用。 第四章介绍了本论文的设计重点在b 3 gt d d 方式下行链路的接收端信 道估计的f p g a 实现。本设计的f p g a 芯片采用x i l i n x 公司v i r t e x i ip r o 系列产品 x c 2 v p 7 0 ，设计平台采用x i l i n x 公司的i s e 系列软件。主要介绍了p 2 s 、频 域估计、时域估计的底层模块和上层模块。 第五章主要介绍了前仿真、后仿真的性能比对，证明了硬件的实现性。同时 拿出不同的信道估计性能比对。 最后一章，总结了本文的工作，给出了结论，并提出了本文中存在的一些问 题以及下一步应该进行的主要工作。 摘要 关键词：信道估计，现场可编程门阵列，多输入多输出，正交频分复用 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ep a s tt w e n t yy e a r s ，i nt h ew h o l ew o r l d ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n h a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l ya n du n d e r g o n et h r e eg e n e r a t i o n s - - t h ef i r s tg e n e r a t i o nb a s e do n a n a l o gc o m m u n i c a t i o n ，t h es e c o n dg e n e r a t i o nb a s e do nd i 西t a lc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h e u p c o m i n gt h i r dg e n e r a t i o nb a s e do nm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n n o w a d a y st h e r eh a s b e e ng r e a td e v e l o p m e n ti nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o na l lo v e rt h ew o r l d t h e g o v e r n m e n ta t t a c h e si m p o r t a n c et oi ta n dh a ss t a r t e dt h e ”f u t u r ep r o j e c t n a m e d b 3 g - b e y o n d3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( b 3 g ) b 3 g i sa ta l o n gt h e 3 t ho nb e h a l fm o v et h ef o u n d a t i o nt o po ft h ec o m m u n i c a t i o n ，e v o l v i n gt h ed i r e c t i o n d e v e l o pt o4 ga m b u l a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e u e s t ci si nc h a r g eo ft h et d d d o w n l i n kt h a tb a s e so nf p g a t h et e x t u a la n dm a i nc o n t e n t si st oi n t r o d u c c sac h a n n e l e s t i m a t i o no ft e c h n i q u ew i t hi n t r o d u c et h em e t h o dt h a tr e a l i z e sw i t ht h ef p g a i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n ta n ds i t u a t i o no fo f d ma n dm i m ot e c i m o l o g i e s a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h er e a s o nt ou s ec h a n n e le s t i m a t i o na n di t sd e v e l o p m e n ta r ea l s o d i s c u s s e d 。 i nc h a p t e r2 ，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) i sak i n do fp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e b yt h ep r o g r a m m a b l ec a b l e ，w ec a l ld o w n l o a do u rd e s i g nt ot h ef p g a c h i p s h o r t e rd e s i g n i n gt i m e , l e s si n v e s t m e n ta n d n or i s ka r et h ea d v a n t a g e sa n di tc a n b em o d i f i e d , p r o g r a m m e da n dd o w n l o a d e dr e p e a t e d l y i nc h a p t e r3 ，i n 仃e d u c e de v e r yk i n do fl e t t e r sam e t h o df o rc h a n n e le s t i m a t i o n a c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o df o rm i m o o f d ms y s t e mb yu s i n gc o r r e l a t i o no fp i l o t s e q u e n c e sh a sb e e np r o p o s e d t h ek e yp o i n to ft h i sa l g o r i t h mi st h ea u t o - c o r r e l a t i o no f t h es e q u e n c e s t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o df o ro p t i m u mt r a i n i n gs e q u e n c e sd e s i g n a n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o nt h a tf o l l o w s b yu s i n gt h e s et r a i n i n gs e q u e n c e s ，w ec a n o b t a i nt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) s u f f i c i e n t l y , a n di nt h em e a nt i m e , t h e g a u s s i a nn o i s ea n di n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ec a l lb er e s t r a i n e de f f e c t i v e l y i nc h a p t e r4 ，ad e s i g nf o ri n t r o d u c i n gt h i st h e s i sp o i n tu n d e rt h eb 3 gt d d m e t h o dan e t w o r kr e c e i v e st oc a r r yt h e 一一u s eaf i g af o rc h a n n e le s t i m a t i o nr e a l i z e s i i i a b s t r a c t t h ef p g aa d o p t i o nx i l i n xc o m p a n yv i r t e x - i ip ms e r i e sp r o d u c t - x c 2 v p 7 0o ft h i s d e s i g n ，d e s i g nt h ei s es e r i e ss o f t w a r eo ft h et e r f a c 圮a d o p t i o nx i f i n xc o m p a n y i n t r o d u c e dp r i m a r i l yt h ep 2 s ，f r e q u e n c ye s t i m a t e ，t h ef i r s tf l o o rm o l dp i e c et h a tt i m e e s t i m a t ew i t hu p p e rl e v e lm o l dp i e c e i nc h a p t e r5 ，t a k eo u tt h ed i f f e r e n tl e t t e rw a ye s t i m a t et h ef u n c t i o nt h e c o m p a r i s o n i nl a s tp a r t ，t a l l y i n gu pt e x t u a lw o r k , g i v i n gc o n c l u d i n gt h e o r y ，a n dp u t t i n g f o r w a r di nt h i st e x te x s i u i n ga n ds h o u l dp r o c e e dw o r k k e y w o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o n ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e - o u t p u 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 i v 图目录 图目录 图2 - 1 完整的f p g a 设计流程 图2 2v i r t e x i ip r o 结构示意图。 图2 - 3c l b 单元结构示意图 图3 - 1 常见的几种导频图案 图3 也d f t 频域估计结构图 图3 3d f t 时域估计结构图 图3 4 拉普拉斯特殊情况下的插值方法图 图3 - 5 训练序列频域相关示意图 2 7 ：1 9 3 2 图4 1 电子科技大学b 3 g - t d d 下行链路基本框架图。3 6 图4 2 电子科技大学b 3 g - t d d 下行链路实现框架图3 6 图4 3m i m o o f d m 系统结构图 图4 4 优化训练序列设计结构分解图 图4 5 输入信号波形图 图4 - 6 乒乓操作示意图。 图4 7 拉普拉斯展开分离导频图。 图4 8 优化训练序列分离导频图。 图4 9 上端接口例图。 图4 - 1 0 天线排列波形图 图4 - 1 1m u x 8 的参数图。 图4 1 2p 2 s 的仿真波形图 图4 1 3 优化训练序列频域设计图 3 7 3 9 4 0 4 8 4 9 图4 - 1 4 优化训练序列频域估计的状态机图5 1 图4 - 1 5 优化训练序列频域估计仿真波形图( 部分) 5 2 图4 1 6 优化训练序列时域设计图 图4 1 7 优化训练序列时域估计状态机图 图4 1 8 优化训练序列时域估计仿真波形图( 部分) 5 5 图4 - 1 9 信道估计输入定点数格式 图4 - 2 0 信道估计乘法器的位数 图4 - 2 1 直接舍去的事例 图4 - 2 2 0 舍1 入法的事例 图4 - 2 3f f r i po o r e 引脚图 图5 1f p g a 设计仿真测试 图5 2 优化训练序列频域的前仿真图 5 9 6 1 图5 3 优化训练序列时域的后仿真图。 图5 _ 4 优化训练序列算法、优化训练序列实现和拉普拉斯算法比较6 4 i x 挖h 幅m 巧 钳笛钉铝 表目录 表目录 表3 1r m s 时延扩展的典型测量值。 表3 - 2 子载波分配表 表4 - 1b 3 g 系统的指标要求1 。3 4 表4 2b 3 g 系统的指标要求2 表4 - 3 系统参数表 表4 - 4 三种方法的资源比较 表舢5 三种方法的分离资源比较4 5 表牛6 三种方法的比较 表5 - 1 优化训练序列信道估计的资源占用情况6 5 x 缩略字表 缩略字表 2 gs e c o n dg e n e r a t i o n 第二代( 移动通信系统) 3 gt h r e eg e n e r a t i o n 第三代( 移动通信系统) a d s l a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 数字用户环路 a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 专用集成电路 a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 b 3 g b e y o n d3 dg e n e r a t i o n 超三代移动通信系统 b i s d nb r o a db a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 宽带综合业务服务网 c d m a c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x a c c e s s 码分多址 c o n f i g u r a b l cl o g i cb l o c k 可配置逻辑模块 凹 c y c l i cp r e f i x循环前缀 c p l d c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o 画cd e v i c e 复杂可编程逻辑器件 d c m d i g i t a lc l o c km a n a g e r 数字时钟管理器 d a c d i 鲕a lt o a n a l o gc o n v e r t e r 数模转换器 e d ae l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i c 电子设计自动化 d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa t ：c e s s 频分多址 f f rf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 f 强of i r s ti n p u tf f f s to u t p u t 先进先出 f p g ah e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 现场可编程门阵列 f p l df i e l dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 现场可编程逻辑器件 f i s i e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e 欧洲电信标准协会 h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o ni a n g u a g e 硬件描述语言 i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 集成电路 l c ii n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e 信道闻干扰 肿i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a a s f o r m 快速傅立叶反变换 i o b i n p u t o u t p u tb l o c k 输入输出接口模块 玛ii n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 符号间干扰 x i 缩略字表 j 1 a gj o i n tt e s t a c t i o ng r o u p 联合测试行动小组 l c l o g i cc e l l 逻辑单元 i 脚t l o o k - u pt a b l e 查找表 m g t m u r i - g i g a b i tt r a n s c e i v e r 多吉比特收发器 加m o m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t 多入多出 0 f d m a 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 a c c e s s 正交频分复用多址 p l d p r o g i a m m a b l el o g i cd e v i c e 可编程逻辑器件 p np s e u d o - r a n d o mn u m b e r 伪随机数 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 业务质量 r i s cr e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集计算机 m r e g i s t e rt r a n s f o r m a t i o nl e v e l 寄存器传输级 t d dt r m ed i v i s i o nd u p l e x 时分双工 t d m at u n ed i v i s i o nm u l t i p l e x a c c e s s 时分多址 t nt r a n s m i s s i o nt u n e 血t e r v a l 传输时问间隔 u c fu s e tc o n s t r a i n tf i l e 用户约束文件 v l s i v e r yl a r g es c a l ei c超大规模集成电路 俚a nw i i e i e s sl o c a l a r e an e t w o r k 宽带无线局域网 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：苤i 塑! 日期：劲q 年f 月z 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文韵复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 叼年，月m 日 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展 第一章引言 以前的人类采用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代【1 1 。但直到十九世纪 末，人们都是采用十分直观的方式实现简单的信息传输。古代战争中的烽火台、 金鼓和旌旗都是直观无线通信的例子。1 8 6 4 年，英国物理学家j c m a x w e l l 创造 性地总结人们已有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1 8 8 6 年德国物理学家 g m a r c o n i 首次使用无线电波进行信息传输并获得成功。1 8 9 7 年，m g 马可尼完 成的无线通信试验就是在固定站点与一艘轮船之间进行的，当时的距离为1 8 海 里。在后来一个世纪多时间里，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无 线移动通信的理论和技术不断取得进步。今天，无线移动通信已经发展到大规模 商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少豹中央通信方式之一。 从1 9 7 1 年，贝尔实验室在技术报告中论证了蜂窝系统的可行性，之后，各国 都对蜂窝移动通信系统进行了深入的研究闭。其中，美国研制成功的“高级移动 电话系统( a m i s ) ”，英国制定的“全接入通信系统( t a c s ) ”是模拟移动系 统的两个主要系统，它们传输和处理的都是模拟信号，并都采用频分复用的无线 接入方式，信道带宽大约为2 5 3 0 k h z 。这些模拟蜂窝系统即第一代移动通信系统 ( 1 g ) ，也是被淘汰的第一代移动通信系统。 在发展第二代1 2 够动通信系统时，各国根据自己的情况发展各自的系统，以 致多种体制不能互相兼容，难以实现全球漫游。各个系统主要是为话音业务设计 的，虽能提供一些辅助业务，但远远不能满足多媒体通信的需要。便携式计算机 的迅猛发展使得人们对移动数据业务的要求迅速增长，因特网的普及使得交互式 的多媒体“数据”业务( 融合话音、本、形、像等业务于一体) 在未来的通信系 统中占有重要的地位。人们要求移动通信具备固定网络的高质量、宽带性的特点。 蜂窝网将成为综合业务数字网( i s d n ) ，信息传输速率达到1 4 4 k b i t s ，甚至 2 m b i t s 。而这些业务靠现有的无线通信系统是难以达到的。在原有9 0 0 m h z 频段 的基础上增加了1 8 0 0 m h z 频段，虽然可解决容量问题但不能解决数据速率问题。 即使采用一些改进的技术，如g p r s ( 通用分组无线业务) 、e d g e ( 增强数据速 1 电子科技大学硕士学位论文 率应用) ，也不能从根本上解决问题。所有这些，都意味着必须突破现有网络， 建设更为完善的第三代移动通信网，达到传送宽带化、多媒体和构成i s d n 的目 标。 第三代移动通信系统【3 1 的概念是i t u ( 国际电信联盟) 在1 9 8 5 年提，1 9 9 4 年 正式改名为“国际移动通信系统”( i m t - 2 0 0 0 ) 。这个名字具有3 重含义：工作 在2 0 0 0m h z 频段，能够支持高达2m b i t s 的业务，在2 0 0 0 年左右实现商用。第 三代移动通信系统除了解决第2 代存在的问题外，还要满足人们对数据传输能力 不断增长的要求。因此，希望第三代至少要实现下列目标： 1 1 统一的全球标准。即便不能形成统一的全球标准，也要实现标准的兼容， 从而实现无缝覆盖和全球漫游。 2 1 具备多媒体传输能力。2 g 系统主要以提供话音业务为主，而3 g 应具有支 持从话音到分组数据到多媒体业务的能力，并能根据需要提供带宽。r r u 规定的 第三代移动通信无线传输技术必须满足以下3 种要求，即：快速移动环境，最高 速1 4 4 k b i t s ；室外到室内或步行环境，最高速率3 8 4 k b i t s ：室内环境，最高速率 达2 m b i t s 。 3 1 更好的传输质量。达到或接近有线传输质量。 钔更高的频谱效率。通过软切换、快速精确的功率控制、相干检测、智能天 线等新技术的应用，提高系统的频谱效率。 此外，还要求具有更长的电池使用寿命，更好的保密性等。 现在，第三代移动通信系统 4 1 的标准化进程已经基本完成，正在向商用化进 军。3 g 系统采用了宽带d sc d m a ( 直接序列扩频的码分多址) 技术。它的核 心网是在g s m 系统的核心网g s mm a p 和a m p s 、i s - 9 5 的核心网a n s i - 4 1 的 基础上发展而来的，其空中接口与相应的2 g 系统后向兼容。它的3 种工作模式 为：单载波频分双工、多载波频分双工和时分双工方式。 目前，人们已经把目光越来越多地投向三代以后( b e y o n d 3 0 ) 的移动通信系 统中，使其可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质，达到高速数据传输的要 求。在回顾过去的基础上，我们展望下一代的移动通信系统( 4 g ) ，它将在2 0 1 0 年前后走进我们的生活。 2 第一章引言 1 2b 3 g 的定义及其关键技术 b 3 g 是在沿着第三代移动通讯的基础上，演进开发出第四代移动通讯技术。 根据我国“十五”8 6 3 通信技术主题战略发展报告，“f u t u r e ”计划【4 】将面向未 来5 至1 0 年无线通信领域的发展趋势与需求，研究4 g 蜂窝通信网络结构，空中 接口技术，无线资源调配方式，建立相关关键技术验证系统，支持面向未来的无 线通信新业务，对形成新一代无线与移动通信知识产权和体制标准方面做出较大 贡献；同时，我们争取主动，研究出较好的第四代移动通讯系统，为我国的通讯 技术取得世界领先水平。 1 2 1o f d m 技术 1 2 1 1o f d m 简介 随着数字信号处理技术的迅猛发展，正交频分复用技术( 0 f i ) m ) 已成为通 信领域科研人员关注的焦点【5 】。o f d m 是一种多载波调制技术，在过去几年中 o f d m 作为高速数据通信的调制方式，在数字音频广播( d a b ) 、陆地数字视频 广播系统( d v b t ) 、无线局域网( w l a n ) 、非对称数字用户线( a d s l ) 和甚 高速数字用户线路( v d s l ) 方面已经有了很多实际的应用【4 】。 由于第四代移动通信系统是一种多媒体通信，它的数据传输率可以达到1 0 m b p s 甚至1 0 0 m b p s ，是一种真正意义上的无线宽带通信技术。如果直接把数据 率这么高的数据进行传输，码元的持续周期将非常短，传输信号将严重受到信道 多经衰落的影响。要克服信道多径效应造成的频率选择性衰落和符号间干扰( i s i ) ， 传统的方法是采用自适应信道均衡器【1 】【2 1 和r a k e 接收【2 】。但在高速数据传输的 无线宽带通信系统中，这会使得传统信道均衡滤波器变得非常复杂，不便于工程 实现。o f d m 技术将宽带频域选择性衰落信道分割成许多窄带的平坦衰落子信 道，因而极大的延长了码元周期，提高了系统抗多径的性能。 在o f d m 技术提出之前，人们也尝试采用并行传输来提高频谱利用率。在传 统的并行数据传输系统中，整个信号频带被分成一组互不重叠的子信道，每个子 信道用单独的符号调制，然后所有的子信道频分复用。采用一组互不重叠子信道 的目的是为了避免子信道问干扰。各个子载波频谱间隔没有特殊要求，只要保证 在接收机中能够通过传统的滤波器和解调器将各个子信道数据分离即可。为此， 3 电子科技大学硕士学位论文 一般要在各个子信道之间加入保护间隔，以降低对带通滤波器的要求，但这种方 式导致了频谱利用率的降低。 为了提高频谱利用率，在上世纪六十年代中期就有学者提出了采用相互重叠 子信道的频分复用来并行传输数据 6 1 。由于o f d m 系统的各个子载波之间是相互 正交的，因此信道的边带是相互重叠的，与传统频分复用方式相比，几乎节省了 5 0 的系统带宽。在o f d m 系统中，消除符号间干扰的方法之一就是采用插入保 护间隔的方式，即在每个o f d m 符号之前插入一段时域保护间隔。只要保证最大 多径时延长度小于保护间隔的长度，信道多径只会影响到保护间隔，而不会影响 到o f d m 符号的有效部分，此时解调的信号可以完全消除符号间干扰的影响。 o f d m 技术的应用可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，它当时主要用在军用高频通 信系统，例如k i n e p l e x 、a n d e f t 和k a t h r y n 。但是，一个o f d m 系统的 结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到2 0 世纪7 0 年代，人们提出了采 用离散付里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，才使得o f d m 技术 更趋于实用化。近年来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 作 为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术更引起了人们的广泛关注。 2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 技术的应用越来越广泛。经过多年的发展，该 技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要应用包括a d s l 、e t s i 标准的音频广播( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) 等。1 9 9 9 年i e e e8 0 2 1 l a 通 过了一个5 g i - i z 的无线局域网标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标 准【6 l 。e t s i 的宽带射频接入网( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制 标准技术。 1 9 9 9 年1 2 月包括爱立信、诺基亚和w i i _ a n 在内的7 家公司发起了国际 o f d m 论坛，致力于策划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。我国信息产 业部也参加到了该o f d m 论坛，o f d m 技术在无线通信领域的应用也引起了国 内通信界的重视。为了适应无线业务的发展需求，2 0 0 3 年1 2 月，i e e e 开始制定 移动宽带接入( m b w a ) 标准8 0 2 2 0 t n 。该标准主要采用o f d m 技术，工作在 3 5g i - l z 载频下，覆盖范围高达1 5 公里，单用户的最高数据传输率超过1 m b p s ， 虽然在数据速率上与3 g 系统相比并无太大优势，但是其高效的移动性却远胜后 者。 由于o f d m 技术固有的抗多径性能，能够克服第三代移动通信采用的直接序 列扩频码分多址( d s c d m a ) 在支持高速数据传输时符号间干扰增大的问题， 4 第一章引言 并且具有频谱效率高，硬件实现简单等优点。因此，o f d m 被看成是第四代移动 通信系统的核心技术之一，并且已经出现在基于o f d m 的第四代无线通信系统的 备选方案【8 】。现将o f d m 技术的主要优缺点总结归纳如下。 1 2 1 2o f d m 技术的主要优点 ( 1 ) 抗多径干扰能力强，通过插入保护间隔( 循环前缀) ，o f d m 调制可消除 由多径效应引起的符号间干扰。 ( 与使用自适应均衡的单载波系统相比，o f d m 系统的信道均衡要简单得 多，多数情况下只需单抽头均衡即可。 ( 3 ) 通过子信道边带的相互重叠，频谱利用率大为提高。 ( 4 ) 可使用f f t 技术完成调制和解调功能，便于数字实现。 ( 5 ) 抗同频干扰和冲击噪声的能力强。 ( 6 ) 在频域选择性信道下损失的符号可以通过信道编码和交织得以恢复。 1 2 1 3o f d m 技术的缺点 ( 1 ) 由于o f d m 信号的幅度类似于噪声幅度，且动态范围很大，因此要求射 频功放的峰均功率比要高，从而降低了发射机效率。 c d 与单载波系统相比，o f d m 系统对载波和采样时钟偏差和漂移更敏感。 ( 3 ) 当o f d m 符号持续周期较长时，受信道时变的影响较大。 1 2 2m i m o 技术 与o f d m 技术相比，多天线技术( m 硇m 0 ) 在无线通信领域中的应用显得更 为久远和广泛 9 1 。回顾无线通信技术的发展历史，从移动通信系统的蜂窝化和无 线通信中天线分集的应用开始，对空间资源的利用一直是提高无线系统频谱利用 率的有效手段。 m i m o 用于通信系统的概念早在2 0 世纪7 0 年代就有人提出，但是对无线移 动通信系统m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年代由a t & t ( a m er i c a nt e l e p h o n e & t e l e g r a p hc o m p a n y 。美国电话电报公司) b e l l 实验室学 者完成的。 目前，朗讯、松下、金桥和n t t d o c o m o 等公司都在积极倡导m i m o 天线 5 电子科技大学硕士学位论文 系统技术的应用。在3 g p p 的高速下行链路分组接入方案( h i g h s p e e d d o w n l i n k p a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 中提出了使用m 1 m o 天线系统，这种系统在发送和接收 方都有多副天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外，在3 g p p ( 第三 代协作伙伴项目) 的w c d m a ( 宽带码分多址) 协议中，涉及到了6 种分集发射 方法，即空时分集发射( s p a c et i m et r a n s o m i td i v e r s i t y ，s t i d ) 、时间切换分 集发射( t i m e s w i t c h e d t r a n s o mi t d i v e r s i t y ，t s t d ) 、两种闭环分集发射模式、 软切换中的宏分集、以及站点选择分集发射( s i t es e l e c t i o nd i v e r s i t yt r a n s o mi t ， s s d t ) 。宏分集是指在c d m a ( 码分多址) 系统的软切换过程中，可以通过2 个甚至3 个基站同时向一个移动台发射同样的信号，这是宏分集，发射；同样， 接收时通过相邻的基站进行分集接收( 多个基站接收) ，即进行宏分集接收。 m i m o 技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中，采用m i m o 的主要 公司是i o s p a n w i r e l e s s 和r a z e t e c h n o l o g i 豁。i o s p a n w i r e l e s s 的a i r b u r s t 系统是基 于m i m o o f d m 的f d d ( 频分双工) 系统。r a z e e c h n o l o g i e s 的s k y 陆系统也具 有m i m o 接口，并且可以用波束成形控制器来升级。 在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实下，利用增加发射天线来增 加空间自由度、改善系统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的一个研究方 向。m i m o 技术以其特有的优点，将成为未来移动通信中的关键技术之一，将对 无线蜂窝系统的发展产生深远的影响。 过去的十几年中，m i m o 技术已经取得相当大的进展，但是在实际的系统中 要达到m i m o 理论上的容量增加仍然有许多技术的难点。这些技术难点也是目前 m i m o 技术的研究热点，主要有以下4 个方面。 ( 1 ) f 畜道建模和信道容量 研究m i m o 技术时必须考虑信道模型和信道容量。实现m i m o 系统实际增 益的关键在于建立更准确的信道模型，在对m i m o 信道容量进行研究时，应该考 虑多径，考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。 ( 2 ) m i m o 系统的信号设计和信号处理 m i m o 信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送信号一一设计出适合 于大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计，这些都是实 际可用的m i m o 系统必须考虑的问题。使用最优的发送信号方案，可以大大简化 对接收信号的处理。一旦发送方案确定，就可以确定各种接收端的结构，当前的 研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间折衷。 6 第一章引言 ( 3 ) 与传播相关的研究方向 如何解决m i m o 系统的多径效应是一个很重要的问题，现在常用的方法一是 在接收端做均衡处理，二是与o f d m 技术结合。美国a g e r e 系统公司日前开发成 功了最高传输速度为1 6 2 m b i t s 的无线i _ a n ( 局域网) 技术，这种技术是在收发 两端使用阵列天线的多输入多输出( m m i o ) 和正交频分复用( o f i ，m ) 。该系 统使用3 对收发天线，每对收发天线可以实现5 4 m b i t s 的传输速率。这是目前 m i m o o f d m 技术所表现的强大的应用潜力。i e e e8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 都是以 o f d m 作为核心技术，而m 】巳e8 0 2 1 6 系列则是以m i m o o f d m 技术为核心。 世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究，而 且m 讧o 技术是具有极高频谱利用率的技术，在v b l 蟠t 算法下，理想情况下 可以达到2 0 4 0 b i t s i - i z ，这是目前任何一种技术所达不到的。另外在各类无线通 信系统中，i s i ( 符号间干扰) 一直是影响通信质量的重要因素。o f d m 技术能够 有效对抗i s i ，同时具有频谱利用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低等优点，使 得这两种技术特别是两者的结合有望成为过渡到4 g 的潜在技术。因此这两种技 术已经成为目前4 g 研究的热点，是一个非常有前景的研究方向。 ( 4 ) m i m o 在未来网络中的应用【1 0 l 在未来的4 g 系统中，m i m o 技术将发挥巨大的作用，但还有很多工作需要 广大学者进行：研究开发适合蜂窝网络的m i m o 链路；设计利用m i m o 信道实 现在降低干扰和提高速率之间最优的折衷算法；m i m o 算法如何应用在由于用户 移动造成的快速时变信道中；减少附加天线所带来的干扰；基于m i m o 的物理层 和m a c ( 媒体接入控制) 层主要功能的分析及两者之间的相互作用；多用户情 况下所引入的多址干扰等。 无线通信应用需求的持续增长直接推动着无线通信网络的发展和无线通信新 技术的诞生。而在众多新技术中，m i m o 作为未来一代宽带无线通信系统的框架 技术，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信理论和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景。同时由于o f d m 在宽 带无线通信系统中技术良好的抗多径衰落性能和高的频谱利用率，未来移动通信 技术领域m i m o 和o f d m 技术的融合成为了一种必然的趋势和选择。 1 2 3 软件无线电 所谓软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i a ) 简称( s d r ) ，就是采用数字信 7 电子科技大学硕士学位论文 号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的 各