（通信与信息系统专业论文）具有自适应保护间隔长度及调制方式的自适应ofdm（aofdm）系统的研究.pdf

蜇辽盍堂亟堂僮j 金童 摘要 下一代移动通信的实现，需要我们从构成通信系统的各个方面去努力。在应用层，我们 需要研究更好的信源压缩算法，使多媒体业务对信道带宽的需求减少，对带宽动态变化的适 应性增强。对于链路层，我们需要研究更加有效的无线资源管理策略，以便在有限的带宽上 更有效的承载具有不同q o s 要求的业务。对于物理层的要求则是更高的传输速率，更高频 谱利用率以及更小的信道粒度。 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的可用信道粒度小，对付频率选择 性保护衰落能力强，是下一代移动通信中的种非常有竞争力的物理层技术。因为其信道粒 度小，因此可以很容易的承载具有多种q o s 要求的业务，而对付频率选择性衰落能力强的 特点使其很适合用来传输视频等具有高速速率要求的业务。但是，决定通信系统调制参数的 信道响应和r m s 时延扩展由于物体的运动或者环境的变化而动态变化，传统的静态确定 o f d m 系统调制参数的方法的频谱效率不够高。为了提高o f d m 的频谱效率，我们设计了 一个能根据信道特征动态改变其调制方式以及保护间隔的自适应o f d m ( a o f d m ，a d a p t i v e o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统。和任何自适应系统一样，此系统包括信道 估计，调制参数选择，以及信令三个主要部分。 本文首先介绍了实现下一代移动通信所涉及的各种关键技术。作为本文的研究背景，简 单的介绍了国际上为了实现下一代移动通信系统在各个方面所取得的进展。并介绍了本文的 主要工作及贡献。 然后在第2 章，详细讨论了a o f d m 的系统结构。分析了传统的o f d m 所存在的优缺 点，在此基础上提出了a o f d m 系统，并首次将可变保护间隔的概念引入a o f d m 系统。 比较了各种双工方式，信令传递的优缺点，并在此基础上确定了本系统所采用的方案。给出 了系统的收发两端的交互流程，帧结构，及收发机的结构框图。 本文第3 章详细的讨论一类信道估计方法：基于导频的信道估计法。给出了最大似然估 计及最小均方估计的信道响应估计表达式，分析和比较了这两种估计方法的性能，实现复杂 度。并讨论了导频的最佳摆放位置。同时也介绍了一些实际实现的方法。提出了一种简单有 效的信道r m s 时延扩展的估计方法。最后给出了一种信道响应及r m s 时延扩展联台估计 的简单方法。 在本文的第4 章详细分析了调制参数选择的问题。首先在信道估计完全正确的假设下， 推导出了调制方式切换门限与目标误码率在即时误码率及平均误码率约束下的关系表达式。 接着分析了信道估计误差及信道时延对于自适应调制的影响，给出了在这些实际情况下，切 换门限的设定方法。分析了r m s 时延扩展估计误差对于保护间隔长度选定的影响，并给出 仿真结果。 关键词：自适应，0 f d m ，保护间隔，调制方式 堑堑太堂亟堂焦论童 a b s t r a c t t bf u m t h ed r e a mo ft h en e ) c ig e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s l e m ，c h a l l e n g e s e x i s ta tv a r i o u sl a y e r so ft h es y s t e m a tt h ea p p l i c a t i o ni a y e r , m o r ee f f i c i e n t s o u r c e c o m p r e s s i o na l g o r i t h m ，w h i c h d e m a n d si e s sb a n d w i d t ha n da d a p 协b e t t e rt ot h e d y n a m i c l ya v a i l a b l eb a n d w i d t h s h o u l db ed e v e l o p e d g i v e nt h ev a r i e t yo fm u l t i m e d i a s e r v i c e sw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n tt os u p p o da n dt h ei i m i t e db a n d w i d t hp h y s i c a l l a y e rp r o v i d e s 。am o r e e m c i e n tr r m ( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) s c h e m ei nt h ei i n k l a y e rs h o u l db ep r o v i d e d t ot r a n s m i tw i t hf a s t e rs p e e d 。h i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c ya n d f i n e rc h a n n e ig r a n u l a r i t yi st h er e q u i r e m e n tt ot h ed h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g i e s o f d m ( o d 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 so n eo ft h ep r o m i s i n gc a n d i d a t e s f o rt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e c a u s ei th a sf i n ec h a n n e i g r a n u l a r i t y , t h ek e y t os u p p o ds e r v i c e sw i t hv a n o u sq o s r e q u i r e m e n t ，a n dc a ne a s i l yc o p e w i t h f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g t h ec h a l l e n g e t ot r a n s f ；e rs e r v i c e sw i t h h i g h s p e e d d e m a n ds u c ha sv i d e os t r e a m b u tt h es p e c h u me f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a io f d m s y s t e mi si i m i t e dd u et ov a d a n c eo fc h a n n e ip a r a m e t e r ss u c ha sc h a n n e lr e s p o n s ea n d r m sd e l a ys p r e a d t oi n c r e a s et h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft h eo f d ms y s t e m ，an o v e l a o f d m ( a d a p t i v eo f d m ) s y s t e m ，w h i c hc a nc h a n g ei t s m o d u l a t i o nt y p ea n dl e n g t ho f g u a r di n t e r v a fa c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t e dc h a n n e li n f o r r n a t i o n i sd e s i g n e d a sa n yo t h e r a d a p t i v es y s t e m t h ef o i l o w i n g t h r e es t e p sa r ee s s e n t i a it oo u ra o f d m ：e s t i m a t i n g c h a n n e l ，c h o o s i n g t h er i g h tm o d u l a t i o np a r a m e t e r sa n ds i g n a l i n gt h ec h o s e np a r a m e t e r s a tf i r s tt h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h ef u l f i l l m e n to ft h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s ss y s t e ma r e i n t r o d u c e d a st h eb a c k g r o u n do fo u r w o r k t h ea d v a n c e so f t h i sf i e l da r ep r e s e n t e d t h e m a j o r w o r k sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r eg i v e n a tc h a p t e r2 ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ea o f d m s y s t e m 。w h i c hi sd e c i d e da f t e rc o m p a r i n g v a r i o u sd u p l e x i n gs c h e m e sa n ds i g n a l i n gm e t h o d s ，i sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ea d v a n t a g e s a n dd r a w b a c k so ft h et r a d i t i o n a lo f d m s y s t e m sa r ef u l l ya n a l y z e d h o p i n gt oo v e r c o m e t h ed r a w b a c k s t h ea o f d m s y s t e mi sd e s i g n e d t h ec o n c e p to fv a d a b l eg u a r di n t e r v a l i s i n t r o d u c e di n t oa o f d ms y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e t h ed a t af l o w , f r a m es t r u c t u r ea n d d i a g r a mo ft h et r a n s c e i v e ri sa l s og i v e n t w o c a t e g o r i e so fp i l o tb a s e dc h a n n e ie s t i m a t i o na r ee x a m i n e di nc h a p t e r3 ：m l c r i t e r i a b a s e da n dm m s ec n l e n ab a s e d t h ep e r f o r m a n c ea n di m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yo f t h e s et w om e t h o d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h eb e s tp o s i t i o no fp i l o tt o n e sa n d s o m e j m p l e m e n t a t i o ni s s u e sa r ea l s od i s c u s s e d as i m p l eb u te f f e c t i v er m sd e l a ys p r e a d e s l i m a u o nm e t h o di sa l s op r e s e n t e d f i n a l l y , t h ei o i n te s t i m a t i o no fc h a n n e lr e s p o n s e a n dr m s d e l a ys p r e a di sd i s c u s s e d h o wt oc h o o s et h em o d u l a t i o np a r a m e t e ri st h em a i nc o n c e r no fc h a p 4 s u p p o s i n gt h a t c h a n n e le s t i m a t i o ni s c o m p l e t e ，ac l o s e df o r mr e l a t i o nb e t w e e nm o d u l a t i o ns w i t c h i n g 浙江盔堂亟堂焦i 金塞 l e v e l sa n d t a r g e tb e r i sf i r s td e r i v e d t h e nt h ee f f e c t so ft h em o r ep r a c t i c a li s s u e ss u c ha s e s t i m a t i o ne r r o ra n dt h ee s t i m a t i o nd e l a ya r ec o n s i d e r e d ，w h i c hr e s u l t si nam e t h o dt h a t c o u l db eu s e dw h e nc h a n n e le s t i m a t i o ni si n c o m p l e t e t h ee f f e c t s ，c a u s e db yr m sd e l a y s p r e a de s t i m a t i o n ，o nc h o o s i n g t h e d g h tg u a r d i n t e r v a l l e n g t h i sa l s od i s c u s s e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e na s w e l l k e yw o r d s ：a d a p t i v e , o f d m , g u a r di n t e r v a l , m o d u l a t i o n s c h e m e 浙江厶堂亟堂位监塞 一一一 1 绪论 下一代无线通信的目标是在包交换的网络上提供诸如语音，数据以及视频等多媒体业 务。在这种网络下，人与人之间的交流将不再只局限于语音，静止图象及实时视频的引入将 更加有利于人与人之间的交流及互通。 下一代移动通信和目前的移动通信系统具有很大的不同。首先多媒体业务与目前无线通 信系统所支持的语音业务相比要求更大的带宽，更多q o s 类型。多媒体业务的各种q o s 要 求比如时延约束等与传统的电路交换有很大的不同，对链路层的r r m ( r a d i or e s o u r c e m a l l a g e m 印t ) 提出了新的挑战。而最终承载业务的物理层方面由于带宽需求的增加也面临着 频率选择性衰落，物理频带有限等等方面的问题。 为了实现下一代移动通信。需要我们从构成通信系统的各个层次去努力。首先对于应用 层，我们要降低多媒体业务对于无线信道的要求，也就是研究更加适合无线网络传输的更有 效的压缩算法，以便在不同的的数据率情况下都能得到高质量的图象。对于链路层，我们需 要研究更好的无线资源管理策略o 汛m ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) ，以便用有限的带宽更 好的服务更多的用户，满足这些客户的q o s 要求。而对于物理层来说他的主要目标是提高 无线信道的传输速率，提供更细粒度的资源等等。物理层和链路层具有相同的目标就是提高 无线信道的服务质量。 目前国际上在这些方面都已经取得很大的进展。在应用层，数字视频和图像压缩编码技 术的研究，已历经半个世纪，在理论和工程上都取得了很多成果。传统的数字视频和图象压 缩编码标准的算法主要由四类技术混合构成，即运动补偿、正交变换、量化和熵编码。为了 适应无线网络带宽可变的特点，近来的压缩标准使用传统的量化系数可变外，还引进了帧率 可变，可扩展性编码等技术。帧速率可变使得我们在网络状况不好的情况下，丢弃一些数据 帧而不影响接收效果。而可扩展性编码就是将多媒体数据压缩编码成多个流。其中一个可以 独立解码，它称为基本层码流；其它的码流称为增强层，它们不可以单独解码，而只能与基 本层和它以前的增强层联合在一起解码，用来提高观看效果。基本层的数据率很低，因此如 果可用带宽小，我们只要接收基本层的数据就可以进行解码。如果带宽允许，我们可以接收 更多的增强层数据来提高观看效果。而对于物理层和链路层，为了提高无线信道的服务质量， 一方面可以利用更宽的频段来传送数据，另一方面要提高频谱效率也就是更有效的利用频 谱。以更宽的频段来传输数据所面临的最大的问题是频率选性衰落。o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ) 通过将宽信道分成正交的窄子信道很好的解决了这个问 题。至于如何提高频谱效率，近年来也取得了不少进展。大致上可以将他们归为以下三类： 物理层的容量逼近技术( c a p a c i t ya p p r o a c h i n g ) ，容量增强技术( c a p a c i t ye n h a n c e m e n t ) ，和 链路层的容量有效利用技术( c a p a c i t yu t i l i z a t i o n ) 。容量迫近技术主要有t u r b o 码，l d p c ( l o w d e n s i t y p a r i t y c o d e ) 码等极限编码技术，a m c ( a d a p t i v e m o d u i a t i o n c o d i n g ) 自适应 编码调制，完全互补码扩频技术，灌水多载波技术等。t u r b o 码，l d p c 码是一类很高效的 信道编码。a m c 通过动态改变调制深度以及编码速率以更有效的利用时变的无线信道所提 供的容量。m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 等是容量增强技术的代表。m i m o 是多天 线技术，它通过使用多根发射天线以及多根接收天线使得信道容量和s n r 成线性增跃，而 传统的单天线系统的容量只能和s n r 成对数倍增长。容量有效利用技术包括无线资源管理 与分配r r m & r r a 、有效多接入控制m a c 等。 第1 页 浙江盍堂亟堂僮诠塞 为了明了起见，图1 - 1 画出了上述提到的各种关键技术的关系图。这些技术的共同进 步使下一代移动通信系统的实现成为可能。通常这些技术都只能解决无线通信系统的一部分 问题，因此他们一般都不是单独使用的。本文的研究将主要集中在物理层，具体的将研究 o f d m 和a m c 技术的结合：a o f d m ( a d a p t i v eo 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 能够解决大带宽所带来的i s l ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) i h i 题，并且o f d m 能提供很小 的资源分配粒度，很适合具有多种q o s 需求的多媒体业务，而a m c 能够尽可能高的利用可 用频谱，因此这两种技术的结合是提供下一代移动通信的很有竞争力的技术。本文将研究 a o f d m 中的三大关键问题：信道估计，调制参数选择，信令。 本章的其他部分将简要的介绍一下上面提到的各种技术，并将重点介绍a o f d m 所涉 及的各种问题。 图1 - 1 ：实现多媒体传输的关键技术 1 1 应用层的研究进展 在无线网络上传输视频和图像等多媒体信息要面临以下两方面的问题 1 ) 传输速率有限，这是由于无线带宽有限所决定的。 2 ) 用户可获得的带宽在不停地变化。这主要是由于无线信道是时变信道，其信道容量 随着用户移动或者环境的变化而变化。当信道变差时，多媒体数据流的有效传输带 宽会突然降低，影响用户接收多媒体信息的质量和速度，甚至造成无法观看。 数字视频和图像压缩编码技术的研究，己历经半个世纪，在理论和工程上都取得了很多 成果。早期的视频及图像压缩标准主要由四类技术混合构成，即运动补偿、正交变换、量化 第2 页 堑江盍堂亟堂僮监塞 和熵编码。传统的标准比如h 2 6 1 ，m p e g i 2 通常通过改变量化系数q p 来适庶可用带宽的变 化【1 】【2 3 】。但这些标准的帧速率是恒定的，在这些标准中数据帧的少量丢失都会极大的影 响接收端收视效果。但是单靠改变q p 并不能适应动态带宽的变化，并且得到的数据流的码 率也很高并不适合无线传输。 m p e g 4 和h 2 6 3 十分适合在无线环境中传输，因为他们允许动态的改变帧率【4 】 5 】。 编码端可以通过跳帧的方法来实现帧率的改变。同时m p e g - 4 中还引入了可扩展性编码的 概念。可扩展性编码就是将多媒体数据压缩编码成多个流，其中一个可以独立解码，它称为 基本层码流；其它的码流称为增强层，它们不可以单独解码，而只能与基本层和它以前的增 强层联合在一起解码，用来提高观看效果。可扩展性编码主要分为时域可扩展性编码、空域 可扩展性编码和质量可扩展性编码。在这些策略中，编好的码流可以按层为单位截断，具有 一定的网络带宽适应能力。 从以上可以看出，传统的视频编码方法不适合网络传输，其根本原因是它们的目标是将 视频压缩成为适合一个或几个固定码率的码流，也就是说传统的视频编码是面向存储的。而 由于网络的异构性和缺乏q o s 保证，带宽在一个很大的范围内变化，因此面向网络传输的 视频编码的目标是将视频压缩成为适合一个码率的范围。 m p e g 组织看到了网络传输对视频编码的新要求，于是开始征集精细的可扩展性视频编 码方案。它的基本思想是将视频编码成一个可以单独解码的基本层码流和一个可以在任何地 点截断的增强层码流，其中基本层码流适应最低的网络带宽，而增强层码流用来覆盖网络带 宽变化的动态范围。世界各地的学者提出了许多解决方案。主要分为三类，分别使用d c t 变换技术、小波变换技术和m a t c h i n g p u r s u i t 技术。最终从编码效率和复杂性两方面的考虑， 精细可扩展性编码( f g s c ) 及渐进的精细可扩展性编码( p f g s c ) 被m p e g 组织采纳。 m p e g - 4 的f g s 主要有以下一些特性：第一，基本层使用基于分块运动补偿和d c t 变 换的编码方式达到网络传输的最低要求；第二，增强层使用位平面编码技术对d c t 残差进 行编码来覆盖网络带宽的变化范围：第三，每一帧的增强层码流可以在任何地点截断；第四， 解码器重建的视频质量和收到并解码的比特数成正比。f g s 的基本层编码和普通的m p e g 一4 非可扩展性编码相同，都是由运动估计、运动补偿、d c t 变换、标量量化和变长编码v l c ( v a r i a b l el e n g t hc o d i n g ) 组成。而在增强层编码时，从原始的d c t 系数中减去基本层逆 量化后重建的d c t 系数值获得d c t 残差，然后对每一个8 8 的块按从上到下从左到右的 顺序使用位平面进行编码。使用位平面编码的好处就是使得每一个系数的重要部分( 较高的 位) 优先编码，这样在码流截断时就保证了解码器仍可以获得有关视频的重要信息，从而提 供了精细可扩展的特性。一般的f g s 只考虑了要编码系数的值，实际上f g s 的应用是非常 灵活的。例如我们可以对i 虱像中比较感兴趣的前景部分优先编码，具体作法就是将图像中的 某些块上移若干个位平面，就实现了对图像中感兴趣部分的优先传输。我们还可以对不同频 率的d c t 系数加以不同的权重，也就是对不同的d c t 系数上移不同的位平面，从而满足人 眼对不同频率成分的敏感程度。f g s 还可以和时域可扩展性编码相结合( f g s t ) ，即对b 帧中的d c t 系数都使用位平面技术编码，这样f g s t 不仅保持了f g s 的精细可扩展的特性， 而且支持帧率的变化。f g s 虽然具有优良的可扩展特性，但它也有致命的弱点，即效率太 低。在同等码率下，f g s 的质量要比m p e g - 4 中的非可扩展性编码低2 3 d b ( 3 个d b 意味 着码率翻一番) ，这是人们难以接受的。因此要想提高f g s 的编码率，必须改善它用作运动 预测和补偿的参考图像的质量。 第3 页 堑担盘堂亟堂位监塞 可以看出，质量可扩展性编码( 我们对它的增强层使用位平面编码) 和f g s 编码分别 走了两个极端，质量可扩展性编码保证了编码效率，因为它用同层的解码图像作参考，获得 了较为准确的运动预测和补偿，但它对错误极为敏感，一旦某个增强层出现了错误，它后面 的增强层都将无法解码，直到遇到下一个i 帧为止；而f g s 保证了对错误的恢复能力，它 可以从前一帧增强层的任何错误恢复出来，但是由于参考图像质量低，因而效率不高。为了 在编码效率和错误恢复能力之间取得一个权衡，后来有人提出了一种被称为渐进的精细可扩 展性( p r o g r e s s i v ef i n eg r a n u l a rs c a l a b l e ，p f g s ) 的视频编码方案，在保持了f g s 所具有的 网络带宽自适应和错误恢复能力的同时，提高了编码效率将近l d b 。但是，p f g s 的编码效 率和非可扩展性编码相比，还有1 2 d b 的差距。如何进一步提高它的性能，还是一个值得 研究的问题。 1 2 链路层的研究进展 随着多媒体业务的引入上层业务对带宽的需求与物理层有限带宽的矛盾越来越突出。 设计一个好的无线资源管理r r m ( r a d i or e s o u c em a n a g e m e n t ) 的最根本的要求是了解客户 的o o s 要求以及其业务模型。一个r r m 算法的性能不仅和我们所设计的算法对业务模型的 匹配度如何有关，而且和业务模型的建立正确与否有关。目前大多数无线系统使用的是电路 交换的业务模型。但是，下一代无线通信系统不仅需要承载具有大带宽要求并且要同时容 纳具有不同服务质量要求的业务，并且不再是基于电路交换，而是基于包交换。在很多情况 下，这些业务对于r r m 的要求甚至有可能是相违背的。 目前虽然对下一代移动通信的研究还在继续，但是国际上对他的网络框架还是有一个 共识的：那就是基于蜂窝的包交换系统。假设共有m 个移动终端，被个基站服务，每个 基站上有c 个可用的资源，这些资源可以是c d m a 中的一个c o d e ，或者是o f d m 中的一 个子载波s u b c a r r i e r ，或者是t d m a 中的s l o t 。那么无线资源分配的最基本的步骤是为终 端选择一个为其服务的基站，并在这个基站内为其分配一些可用的资源，并为移动终端和基 站分配功率。 为终端分配基站，信道，功率的工作由资源分配算法r a a ( r e s o u r c e a l l o c a t i o n a l g o r i t h m ) 来完成。进行资源分配时的一个最基本的约束就是干扰。一个好的分配算法的目标是为尽可 能多的用户分配符合s i r 要求的资源。r a a 不应该为一个处于激活状态的终端分配新的资 源，如果这种分配会对其他用户产生更多的干扰。 假设基站f 和用户，之间的链路增益为g “，对所有的用户和基站，我们可以得到一个 n m 链路增益矩阵g 。链路增益矩阵描述了当前时刻整个系统的信道情况。对于一个无 线系统，不仅矩阵中的元素会变，而且矩阵的维数也会变。链路增益矩阵g 是一切r r m 的 基础。 可用资源的分配单位如何选择是r a a 的基础。目前存在的有f d m a 的子带，t d m a 中的时间片s l o t ，o f d m 中的一个子载波s u b c a r r i e r ，c d m a 中的c o d e 等。当然也可能是 这些元素的结合。o f d m 由于其可用粒度小，对付多径衰落能力强，成为下一代移动通信 的一个很有竞争力的技术。可分配资源不管是码还是子载波，一旦定下来后，下一个问题就 第4 页 逝江盔生亟堂僮监塞 是为用户一基站之间的链路分配这些资源。分配算法的设计依赖于所能获得的信道矩阵g 的信息。在早期的f d m a 系统中，每个基站所分配的资源根据g 的长期平均值来确定。每 个基站都有其固定的频率资源。使用这种固定信道分配方式需要给设计考虑最差的情况，因 此留有很多冗余。近年来，出现了以下一些新的信道分配算法：d c a ( d y n a m i cc h a n n e l a l l o c a t i o n ) 和r c a ( r a n d o mc h a n n e la l l o c a t i o n ) 。d c a 根据动态测定的信道衰落和业务流景 来分配频谱资源。r e u s e p a r t i t i o n i n gs c h e m e s 5 就是这样一种技术。他的基本思想就是利用 捕分效应( c a p t u r ee f f e c t ) ，为离基站不同距离的区域选择不同的复用因子。离基站近的区域 可以使用小的复用因子。而基站覆盖边缘采用常规的复用策略。基于o f d m 的d c a 是目前 的研究热点，因为o f d m 的分配粒度小，动态分配的实现也比较容易。 移动切换也是r r v l 中一个很重要的部分。在早期的系统中，切换的依据是接收到的信 号的强度。这种切换机制可以看成是一种选择性分集，也就是说由接收信号最好的基站为用 户服务。如果同时有好几个基站都能满足最低的c i 要求的话，近期出现的一种l o a ds h a r i n g 机制可以利用这种情况。他的思想就是考虑到基站的负载，在c i 满足的情况下，让负载最 轻的而不是c i 最大的基站为用户服务。 准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 也是r r i v i 中的一个部分。传统的系统，由于每个基站的 所有的信道都是固定的，每当有新的呼叫进来时，基站就检查自己是否还有资源，以便决定 是否接纳新的呼叫。而且基站还要预留一部分资源给移动切换。但是在使用d c a 的系统中， 每个基站具有的信道数是不确定的。在这种干扰受限的系统中，是否接纳新的用户取决于当 前的干扰状况。在 4 3 】中提出一种称为”s o a n ds a f e ( s a s ) ”的算法，他通过基站和用户之间 的交互，逐步的增加用户的功率，以便使用户最终得到准入，同时又不会影响到其他已经在 使用的客户。 下一代移动通信引入的新的业务，对于r r m 的设计也提出了一些新的挑战。主要是以 下一些方面： 1 ) 延时约束 传统的电路交换系统通常是在严格的延时约束条件下设计的，但是数据业务的延时通 常都是统计意义上的，因此他对于延时的约束并没有语音业务那么强。因此我们可以 利用这点来设计更好的资源分配算法。 2 ) 信息量 在数据业务中，信号是突发传输的。因此，只有当信号开始传输的时候我们才能得到 相关的倍道信息。因此，要使用信道信息的各种r r m 策略，比如信道分配，功率分配， 或者是移动切换都只能根据预测的信道信息，而不是当前准确的信道信息。在这种情 况下，移动切换已经失去了原先的意义，我们可以考虑一种成为无连接的测量，也就 是任何能接收到信号的基站接收终端的信号，而不用实现建立一个连接。 3 ) 多业务混合 多媒体业务系统的一个关键问题是在一个小的c e l l 中数据速率和延时约束的变化会很 大。具有绝对延时约束的视频用户需要基站为其预留带宽，而对延时不敏感的e m a i l 业务就没有这方面的要求。在这种情况下，d c a 就更有其用武之地。 1 3 物理层的研究进展 s h a n n o n 的信息论指明了在a w g n 信道中当噪声功率谱密度一定的情况下传输带宽和 第5 页 堑江盔堂亟堂僮诠塞 传输功率同信道容量之间的相互关系，揭示出为了达到预定的信道容量，不可能同时使传输 带宽和传输功率都达到无限小。显然，提高数据传输速率可以从两个方面去努力。一是提高 信道本身所提供的信道容量，这可以通过提高传输带宽，或者采用多天线技术来达到。另外 一个就是尽量利用现有信道所提供的信道容量，也就是提高带宽的利用率。本节将分别介绍 这两方面的研究进展。 1 3 1提高传输带宽 无线通信的传输速率不仅受到噪声的限制，同时也受到多径信道引起的符号间干扰的 限制，因为如果多径时延比一个符号持续的时间要长的话，前面的符号就会对后面接收到的 符号产生影响，这会引起误码率的上升。多径信道是有记忆的，信道的特性可以用信道冲击 响应( c i r ，c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ) 来描述。理论上可以通过在发送端发送一个持续时 间无限短的脉冲，在接收端接收到的波形就是c i r 。在这个基础上，我们可以设计出计算这 个冲击响应的有效长度的各个度量，比如延时扩展等。多径现象不单只在无线通信中存在， 在一切的电子或光波导中都有这个现象。只不过在这些场合，多径之间的时差相对比较小。 这些多径大部分是由于终端的终结器的不匹配引起的。 在无线通信中，c i r 的持续时间和形状和所研究的通信系统中的传播环境很有关系。室 内无线信道的多径时延一般比较小，而室外信道的延时扩展可以达到1 5j 压的数量级。一般 说来如果延时扩展比一个发送符号的持续时间明显小的话，由于多径引起的i s i 不会对传输 错误率产生多大的影响。因此可以说通信系统的符号率是受信道的记忆限制的。对于更高的 符号，多径就会对系统的误码率产生很大的影响。 如果必须以高于信道限制的符号率进行传输的话，那么我们必须使用各种手段对付i s i 。 倍道均衡技术就是这样一种手段，它的思想是估计出信道响应，然后作出补偿。和信道均衡 的思想相反，o f d m ( o r t h o g o n mf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 采用子信道的方法来使 得每个子信道上的符号率降低到信道限制之下。由于总的传输速率是这些并行的子信道的传 输速率之和，因此虽然每个子信道的传输速率比较低，但是总的传输速率可以比信道所限制 的速率高。由于子信道的符号时间比延时扩展要长的多，因此我们就可以避免信道均衡的问 题。 o f d m 的思想是把一个高速率的数据流分解成很多低速率的子数据流，以并行的方式 在多个子信道上传输。尽管在无线信道中，总的信道总是非平坦的，但在各个子信道上相对 平坦，并且符号持续的时间比信道的最大延迟大，从而消除i s i 。同时子载波之间正交性使 o f d m 信号在经由多个子载波传送而不互相干扰。 6 0 年代的一些文献就已经提出了o f d m 的基本原理。但是由于当时没有功能强大的半 导体器件，所以未能有效的实现这些想法。早期的o f d m 系统需要多个调制解调器，这种 复杂性大大限制了其应用和发展。直到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 6 提出了用离散傅立叶 变换( d f t ，d i s c r e t ef o u d e rt r a n s f o r m ，) 来等效实现多个调制解调器的功能，这才极大的 简化了原始的o f d m 系统并促进了o f d m 技术的应用。近年来，由于数字信号处理技术 ( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的发展，o f d m 作为一种可以有效对抗i s i 的高速传输技 术，引起了广泛的关注。在宽带无线应用的环境下，o f d m 技术的优势更加突山，而且可 以利用有效的新技术来修正和弥补o f d m 的固有缺点7 1 。 第6 页 沥堑盔堂硒堂焦论童 o f d m 相对于其他技术来说有以下优点： ( 1 ) o f d m 本身可以有效的对抗i s i ，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据 传输。多载波调制是将要传输的信息均分于各个载波从而形成多个平行的窄 带子信道。因此信道中因多径而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷 处的子载波及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，系统总误码率 性能才表现出很强的鲁棒性。 ( 2 ) ( 3 ) 通过各个子载波的联合编码，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，如果衰落不是非常严重，就不需要均衡器，这样 电路简单，成本较低。并且通过各个信道的联合编码，可以提高系统性能。 信道利用率很高。o f d m 可以使相邻子载波间没有警戒频率，使间隔达到最 小，能够更有效地提高频谱利用率。o f d m 合成信号的频谱非常接近于矩形， 当子载波个数很大的时候，频带利用率可接近于n y q u i s t 极限。 ( 4 ) 基于d f t 的o f d m 有快速算法，可用f f t 算法实现o f d m 调制解调，采用 数字信号处理技术和f f t 快速算法简化电路设计。 同时o f d m 也存在其固有的缺点： ( 1 ) 对于系统中的非线性问题敏感。r p o f d m 信号的“峰值和平均值的功率比” 较高，所以对放大器的线性要求也较高。这是因为在基于d f t 的系统中， 所有的调制器的输出联合加在一起之后才被放大，对于放大器的非线性要 比单载波系统敏感，因为合并的信号具有类似高斯噪声的幅度特性。 ( 2 ) 对定时和载波偏移敏感。精确的定时和减小频偏对于o f d m 尤为重要，否 则o f d m 信号的正交性无法保证，就必然引起各个子载波之间的相互干扰 和符号间干扰。 ( 3 ) 子载波难以同步。o f d m o h 多子载波组成，子载波之间的功率谱互相覆盖 且它们的包络不是恒定的，使得o f d m 系统的子载波很难同步。 1 3 2 容量迫近技术( c a p a c i t ya p p r o a c h i n g ) 香农公式给出了带宽给定的情况下，系统容量和信噪比的关系。从那以后如何设计高效 的调制及编码技术成了通信工作者的研究目标。近年来出现的自适应调制，t u r b o 码，l d p c 码等具有很好的性能。 1 3 2 1 l d p c 码及t u r b o 码 第7 页 浙堑太堂亟堂焦途塞 在五十多年纠错码的发展历程中，分组码最先出现。1 9 6 5 年，g a l l a g e r 根据s h a n n o n 理论，证明了最优分组码的误码率随着码长的增加呈指数关系下降。为了达到一定的纠 错能力和编码效率，分组码的码长一般都比较大。若采用最大似然译码，其译码复杂度将随 码长呈指数级增长，从而使译码器的计算量增加到难以实现的程度。此外，编、译码是必须 把整个信息码组存储起来，由此产生的译码延时也将随码长的增加而增加 8 】。e l i a s 于 】9 5 5 年提出了卷积码的概念。在卷积码的编码过程中，编码器充分利用了信息码元之间的 相关性。在编码复杂度相同的情况下，卷积码性能优于分组码。研究表明：卷积码的误码率 随码长的增加呈指数下降。然而，与分组码相比，卷积码的数学分析相当困难。经过研 究人员的不懈努力，现已分析出卷积码具有与分组码类似的误差指数界表达形式。为了解决 长码性能优良但译码复杂度高的矛盾，f o m e y 于1 9 6 6 年设计了级联码。通常，级联码由 不同的加罗华( g a l o i s ) 域子码串联组成，其性能逼近编码定理所给出的理论极限。而且， f o m e y 还证明：级联码的译码复杂度并不随码长。= 。的增长呈指数增加，而是随码长 以较小的幂次增加，由此降低了译码的复杂度。 自7 0 年代以来，众多学者纷纷致力于用级联方法构造好码。比较常用的级联码是以 r e e d - s o l o m o n 码作为外码，b c h 码或卷积码作为内码。该级联码具有较强的纠突发和随机 误码的能力。迄今为止，级联码已广泛应用于现代通信等诸多领域【9 】。 然而，在诸多码型中，没有一个码型能达到或接近s h a n n o n 容量极限。长期以来，熵速 率兄被认为是实际传输速率的极限。1 9 9 3 年，b e r r o u 1 0 等学者在i