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o f d l v i 系统中i c l 分析及其消除方法研究 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制技术的一种。它把高速数据流分为许多低速 的数据流，然后将信号放到相互之间重叠、正交的子载波上同时进行传输。o f d m 由 于拥有很高的频谱利用率、抗多径能力强和高速数据传输的特点已经被很多无线通信系 统所使用。 o f d m 通信系统是多个子载波并行传输，由于输出信号的子载波频谱之间相互重 叠，所以要求严格保持正交。然而，由于无线信道的时变特性，信号的频率在传输过程 中会出现偏移。比如，多普勒频移扩展和发射机与接收机之间的振荡频率偏移，都会破 坏o f d m 系统子载波之间的正交性，这将会引起子载波之间的干扰( i c i ，i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ) 。这些干扰使系统的性能严重下降。因此，必须抑制i c i 来提高系统性能。 首先，文章介绍了无线信道的特点，特别总结了延时扩展、多普勒频移扩展和o f d m 系统的基本原理。然后，针对信道时变和接收端与发送端晶振频率不一致引起的i c i ， 展开了进一步的研究，并给出了详细的数学说明和分析。i c i 不只会降低系统的信噪比， 还会带来地板效应。最后，本文详细介绍了最大似然估计( m l ) 算法，扩展卡尔曼滤 波法( e k f ) 和传统的自消除( s c ) 算法，然后在此基础上给出了一种改进的共轭对称 算法。分别在高斯白噪声信道( a w g nc h a n n e l ) 和瑞利信道( r a y l e i g hc h a n n e l ) 下使 用m a t l a b 软件进行了仿真，然后比较和分析了各种i c i 消除方法对o f d m 系统的影响。 随后本文提出了一种将信道估计与i c i 自消除方法相结合的方案。仿真结果显示，与传 统的算法相比，改进的算法的误码率得到了提高，自消除方法适合在频谱偏移比较小的 情况下使用，e k f 适合在频谱偏移较大的的情况下使用。信道估计与i c i 自消除方法相 结合的方案也使误码率得到了明显的改善。 关键词：正交频分复用；子载波间干扰；频率偏移；i c i 自消除 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 宣i i 暑置置暑置i i i i i i i i i i i ；宣i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i 宣i i i i i i j ；i ；i i ； a bs t r a c t o j 叶h o g o n a ，1f 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 ) i so n eo ft h em u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i tb r e a k sh i g h s p e e dd a t as t r e a m sd o w ni n t om a n ys u b 1 0 w r at ed a t a s t r e a m s ；，a n dt r a n s m i t si n f o r m a t i o na tt h es a m et i m eu s i n gan u m b e ro fo r t h o g o na la n d o v e r l a p p e ds u b c a r r i e r s t h e r e f o r e ，o f d ms y s t e m ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e ：n o b i l e w i r e l e s sc o m m a n i c a t i o ns y s t e m s ，h a sa d v a n t a g e so fh i g h s p e c t r u me f f i c i e n c y , a n t i - m 乙l t i p a t h c a p a b i l i t ya n dh i g hd a t ar a t et r a n s m i s s i o n f o rt h eo f d mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m w i t ht h em u l t i c a r r i e r s l ： a r a l l e l t r a n s m is s i o n ，t h es u b c h a n n e ls p e c t r u mo ft h eo u t p u ts i g n a la r eo v e r l a p p e de a c ho t h e r ，w h i c h n e e dt oh a v eas t r i c to r t h o g o n a l i t y h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ft i m e 一 a r y i n g w i r e l e s sc h a n n e l ，t h e1 j r e q u e n c yo ft h es i g n a lw i l ls h i f td u r i n gt h et r a n s m i s s i o n f o re x a m p l e ， d o p p l e r 矗e q u e ：n c ye x p a n s i o na n dt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro s c i l l a t o rf r e q u e n c yo f f s e t ，w h i c h w i l lm a k et h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e ns u b c a r r i e r s d e s t r o yi no f d ms y s t e m ，r e s ll l t s i n i n t e r f e r e n c eb e t w e e ns u b c a r r i e r s t h ei n t e r f e r e n c em a k e sp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e md e c l i n e s e r i o u s l y t h us ，i c i ( i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) m u s t b e s u p p r e s s e d t o i m p r o , ve t h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e la r ei n t r o d u c e d d e l a ys p r e a d ，eo p p l e r e x p a n s i i o na n dt h eo f d mb a s i cp r i n c i p l e sa r es u m m a r i z e dp a r t i c u l a r l y s e c o n d ，tb r t h e o s c i l l a t o r f r e q u e n c yi n c o n s i s t e n to ft r a n s c e i v e ra n dr e c e i v e ra n dt i m e v a r y i n g ch a n n e l c a u s i n g ：o ft h ei c i f u r t h e rs t u d yi sd i s c u s s e d ，a n dm a t h e m a t i c a le x p l a n a t i o na n da n a l ) s i sa r e g i v e n i c 1w i l ln o to n l yr e s u l ti nl o s so fs i g n a lt on o i s er a t i oa n db i te r r o rr a t ep e r f o rm a n c e d e g r a d a t i o nf o ro f d ms y s t e m s ，i tw i l lb r i n gs e r i o u sf l o o re f f e c t f i n a l l y , t h ep a p e rp _ e s e n t s t h ep r i n c i p l eo f 。m l ，e k fa n dt h et r a d i t i o n a ls e l f - c a n c e l l a t i o ni c ia l g o r i t h mi nd e t a i l ，a n da n i m p r o v ，e da l g o r i t h mi sg i v e no nt h i sb a s i s t h ea d v a n t a g eo ft h e s em e t h o d si sp r o v e dt l o u g h t h e o r e t ica n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nu s i n gm a t l a b w es i m u l a t e do f d m s y s t e mw i t h a w g nc h a n n e l a sw e l la sr a y l e i g hc h a n n e lt ot e s tt h e s em e t h o d s t h e n ，s e l f - c a n c e l l a t io ni c i a l g o r i f f m ar e l e v a n tt oc h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e da n ds i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tc a r r i e r - t o - i n t e r f e r e n c er a t i oa n de r r o rb i tr a t i oo ft h ei m p r o v e da l g o r i t h ta sa r e i m p r o v e dc o m p i a r e dw i t ht h a to ft h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m t h es e l f - c a n c e l l a t i o ni c ia l g9 r i t h m o f d l v l 系统中i c l 分析及其消除：亨法研究 i ss u i t a b l ef o rs m a l l 丘e q u e n c yo f f s e t ，e k fi ss u i t a b l ef o rl a r g e 矗e q u e n c yo f f s e t t h em e t h o d o fs e l f - c a n c e l l a t i o ni c i a l g o r i t h mr e l e v a n tt o c h a n n e le s t i m a t i o na l s o i m p r o v e sb e r o b v i o u s l y k e yw o r d s ：o f d m ；i c i ；矗e q u e n c yo f f s e t ；i c is e l f - c a n c e l l a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 进入2 1 世纪之后，科学技术的发展是一日千里，信息技术也在不断地更新，移动 通信成为了人们日常生活中密不可分的一部分。移动通信的最终目的是做到任何人 ( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 、与任何人( w h o m e v e r ) 、 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信，即“5 w ”的目的。现在，通信技术发展迅速，各 种新技术层出不穷，人们越来越享受通信技术给日常生活带来的巨大变化【1 1 。 无线蜂窝移动通信系统如今已经进入了3 g 时代，距离已淘汰的模拟移动网却不过 短短的三十年。正是由于人们对于通信质量与速度的要求不断的提高，促成了通信技术 的快速飞跃。最早的蜂窝移动通信系统出现于1 9 7 8 年，当时有北美的蜂窝系统a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，先进移动通信系统) 、北欧的移动电话系统n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ，北欧移动电话) 以及全接入通信系统t a c s ( t o t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，全入网通信系统技术) 这三种主要的窄带模拟标准。由于当时 的通信技术不成熟，通话不稳定以及手机掉线现象时常发生。于是出现了采用数字通信 技术的第二代移动通信技术( 2 g ) ，2 g 时代的代表网络g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信) 的传输速率为9 6 k b s ，让通信质量得以保障，并且能 够开发出更多的新业务供用户选择，2 g 网络极大地扩展了通信的活动范围，更为方便、 快捷。第二代移动通信系统除使用时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技 术的g s m 系统外，还有使用码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术的 i s 9 5 系统。随着人们要求质量更高的话音业务，以及对数据业务方面的需求的增加。 g s m 的增强型版本g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 蜂窝移 动通信网络理论上的最高传输速率为1 7 1 2 k b s ，是处于第二代数字通信与第三代分组 型移动业务两者之间的一种技术，即通常所说的2 5 g 。目前出现的衔接3 g 的技术还包 括：h s c s d ( h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t a ，高速电路交换数据服务) 、e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg l o b a le v o l u t i o n ，全球增强型数据提升率) 等。e d g e 的传输 速度可以达到3 8 4 k b s ，可以应用到电视会议、网络信息娱乐、电子邮件以及无线多媒 体上。 如今能够实现全球无缝覆盖的3 g 网络正在推广和普及，最高可提供2 m b s 的数据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传输速率。主流3 g 技术代表有w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c ：s s ) 、 c d m a 。2 0 0 0 ( ：c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s2 0 0 0 ) 和t d s c d m a ( t i m e d i v r i s i o n s y n c l = x o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。按照最初的设计目标，3 g 用户在 准静止状态下，下行传输速率应在2 m b s 以上，而现有的3 g 网络实际的下行传输速率 只有几百肋s ，因此人们需要对宽带通信高速传输技术进行改进。 无线频率资源是有限的，十分宝贵，应该充分利用。随着使用移动无线上网的人数 的增加，无线传输速度能否让用户满意、传输质量能否得到保证，都是值得深思醮问题。 种种瓶颈的出现，使得人们开始关注o f d m 技术，多载波通信技术是用多个载波并行 传输一组数据：流，o f d m 则是多载波通信的一个特殊情形口1 。o f d m 既可以看成一种调 制技术亦可视为一种复用技术。当载波频率处于深度衰落时，单载波通信的质量将迅速 下降。然而对二于二多载波技术，所有载波同时处于深度衰落的可能性极小，只有一小部分 子信道会受影响。它通过对无线载波进行调制合并处理，从而降低了外界对传输信号的 影响，提高了：通信的稳定性。 随着所有的移动无线电通信技术对高速数据传输速率的要求不断提高，人们提出了 一些新兴的技术比如l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 和w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p m a b i l i t y f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 来适应未来移动无线接入系统的要求。3 g p p ( t h e3 r dg e n ：r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 组织制定了下行传输l o o m b s 和上行传输5 0 m b s 的目标。i x e 在 下行链路使用频谱效率非常高o 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 ea c c e s s ) 作为调制方式，上行链路使用s c - f d m a ( s i n g l ec a r r i e ro r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ，来降低发射机终端的峰均比，减小成本和体积p 1 。s c f d m a 和o ：d m a 两种方案都是：基于o f d m 原理的接入技术。w i m a x 标准则建议在上行也采用o f d m 技术。o f d m 由于其优越的特性，已经被列入4 g 技术的候选名单。 o f d m 技术得到了广泛的认可。例如，在广播领域欧洲的e t s i ( e u ：o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t e ，欧洲电信标准学会) 就制定了使用o f d m 技术的 数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 和数字视频广播( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b ) 的标准；在宽带无线接入应用中，i e e e8 0 2 1 1 a 以及i e e es 0 2 1 6 中都使用了o f d m 技术，e t s i 的h i p e r l a ni i 标准也是基于o f d m 技术；在宽带有线 接入技术中，比如x d s l ( 各种高速数字用户线) 技术中，o f d m 的一种特殊形式d m t ( d i s c r e t em u l l t i t o n e ) 已获得广泛应用；而在4 g 移动无线通信应用中，o f d m ! 巨加是 当前研究的热点技术之一。o f d m 已经在通信领域中获得了越来越多的应用和j 重视， 随着人们对o f d m 研究的深入和不断的改进，o f d m 必将是未来移动通信标准 第1 章绪论 ( i m t - a d v a n c e d ) 的最核心技：术之一。 1 1 2 研究意义 移动通信正朝着高带宽、低价格、高比特率的趋势发展。而无线电频率资源是有限 的，非常宝贵，必须充分有效地使用。o f d m 是一种多载波调制技术，全部的频带被 划分成相互间正交的子窄带信道，有效地降低了o f d m 系统多径效应生成的影响。它 具有频谱效率高、抗码间干扰、抗多径衰落等优点，已经成为以后宽带移动通信前进的 核心技术之一。基于o f d m 方案已经应用于实际通信系统，如w i m a x ，3 g p pl t e 等。o f d m 技术的关注度越来越高，人们希望以o f d m 技术来支持更有效率和更高速 度的无线业务。 根据o f d m 技术的原理，如果一个o f d m 符号周期内的信道不随着时间而变化， 那么一定长度的c p 可以很容易地保持一定数量的子载波之间的正交性。但是在实际应 用中，高频率、大容量、快速移动的通信需求往往引起信道在频域和时域衰落。于是， 子载波之间的正交性由于信道在一个o f d m 符号周期内的时变而引起的多普勒扩展和 载波频偏等因素而遭到破坏，从而引起子载波间干扰( i c i ) ，o f d m 系统性能下降。特 别是在终端快速移动的环境下，多普勒频移扩展很大，抑制i c i 已经成为o f d m 系统 需要解决的关键技术之一。抑制i c i 也可以被视为信道估计和均衡的重要方法。 1 20 f d m 的发展应用及优缺点 1 2 1o f d m 的发展与应用 2 0 世纪5 0 年代人们首次展开了对多载波通信的研究h 1 。1 9 5 8 年，提出了被称为 k i n e p l e x 的军事多载波高频通信系统。1 9 6 6 年，贝尔实验室，r o b e r tw c h a n g 在他们 的文献“s y n t h e s i so fb a n d l i r ai t e do r t h o g o n a ls i g n a l sf o rm u l t i c h a n n e ld a t at r a n s m i s s i o n ”中 第一次提出了o f d m 技术，其频谱效率是普通f d m 的一倍。之后，该技术申请了专利 ( 1 9 7 0 年) 。 一 19 71 年s b w e i n s t e r n 和p m e b e r t 在文献“d a t at r a n s m i s s i o nb yf 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 gu s i n gt h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ”中首次建议使用i d f t ( i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ，离散傅立叶逆变换) 和d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，离散傅立 叶变换) 来实现o f d m 基带信号的调制和解调。无需对每个子载波都使用频率发生器， 从很大程度上降低了系统的复杂度。随着f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，快速傅里叶变 换) 的出现，大规模的f f t 运算用芯片就能实现，o f d m 系统的复杂度进一步降低， 一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 0 ；o 。i i ；薯i i i i i i ；i i i i ；i ；i 置i i 宣i i i 宣i 宣i i i ；i 宣i i r 叠；i ；蛊暑；i ；i ；宣i 昌i i ；i ii ；i i 硬件实现也变得简单。f f t 的使用将o f d m 的复数运算复杂度从o ( n 2 ) 降到了 0 l o g n ) 。 19 8 0 年，p e l e d 与r u i z 在文献“f r e q u e n c yd o m a i nd a t at r a n s m i s s i o nu s i n gr i i d u c e d c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya l g o r i t h m s ”中针对i c i 和i s i ( 符号间干扰码间干扰) 的问题提 出将循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 作为o f d m 符号的保护间隔( g i ：g u a r di n t e r v a l ) 。 c p 的引入使子载波间保持了正交性，因此克服了i c i ，而且c p 还有效地抑制了i ；径效 应导致的时延扩展，消除了i s i 。c p 虽然让o f d m 系统损失了一部分能量，也让系统 的时间利用率：卣些降低，但拥有了较强的抗多径干扰能力。c p 是o f d m 技术的关键技 术之一。随后几年中，c i m i n i 提出将o f d m 技术实现无线通信。a l a r d 和l a s a l k ：提出 可以将o f d m 技术使用到数字广播中。 从9 0 年代开始，o f d m 开始应用到实际通信系统中。j a c b i n g h a m 在文献 “m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nf o rd a t at r a n s m i s s i o na ni d e aw h o s et i m eh a sc o m e ”中提出更加 完善的o f d m 系统结构，为o f d m 在现实中的应用铺平了道路。1 9 9 5 年，美国国家 标准学会采用基于o f d m 的宽带a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，非对称数 字用户环路) ，成功地在有线环境中使用o f d m 。同年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 出 台了n a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，数字音频广播) 标准，基于o f d m 的无线标准 第一次应用到数字音频广播。1 9 9 7 年，e t s i 提出了基于o f d m 的d v b t ( d i g i t a lv i d e o b r o a d e a s t i n g t e r r e s t r i a ，数字视频广播) 标准，d v b t 采用了0 f d m c o f d m 作为核心 技术，：有“2 k ”和“8 k ”两种模式，分别进行2 k 和8 k 点f f t 运算瞪1 。d v b 1 系统 能够抵抗长延时、高电平的多径失真。1 9 9 9 年，i e e e8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 2 标准出 台。i e e e 8 0 2 1l a 通过了一个5 g h z 的w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，无到：局域 网) 标准，该标准采用o f d m 技术作为物理层标准，其目标是提供6 m b i t s 5 4 m b i t s 的数据速率，这是在分组业务通信系统首次使用o f d m 技术。 2 0 0 3 年4 月，多家公司如i n t e l 、西门子、a t & t 发起并成立了w i m a x ( 1 w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作系统) 论坛，旨在促进宽带 无线接入的发展应用，技术标准为i e e e8 0 2 1 6 系列，8 0 2 1 6 a 标准的物理层有单载波 q a m 调制模式和2 5 6 2 0 4 8 个子载波的o f d m 旧1 调制方案。在2 0 0 4 年开发的3 gl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目，3 g p pl t e 下行采用o f d m 技术，速率可达 5 0 1 0 0 m b i t s ，上行使用d f t - s o f d m ( s c f d m a ) 技术。2 0 0 6 年中国数字屯视地 面广播将t d s d f d m 技术确定为标准之一。 随着对影响o f d m 技术投入实际应用的关键技术的不断深入研究，出现了j 民多以 第1 章绪论 置宣誓i i 暑墨i i i 皇_ i 宣葺i i 宣萱i i 篁i i 葺i 宣宣薯置寓薯置i 墨皇暑茸i i i j i i i 亩i i i i i i i 薯i 置高_ _ 宣i i i i j i o f d m 为基础的技术，并取得了很好的效果，o f d m 必将得到更广泛的应用。 1 2 2o f d m 系统优缺点 o f d m 技术已经被w i m a x 系统、l t e 协议等标准采纳。o f d m 被认为是未来通 信技术的最有力竞争者，归功于它的许多优点。它的主要优点p 1 有： ( 1 ) 与单载波系统相比，o f d m 系统可以很好地克服频率选择性衰落和多径效应 的影响，有利于降低接收机均衡器设计的复杂性，甚至不用进行均衡处理。o f d m 信 道由许多正交子信道组成，一个子载波与一个子信道对应，数据并行传输，只要每个子 信道的带宽都小于相干带宽，子信道是平坦衰落，所以能很好地抵抗频率选择性衰落。 当信道环境极其恶劣时，也可以通过选择信噪比较好的子信道进行数据传输。 ( 2 ) o f d m 可以采用i f f t f f t 来实现o f d m 的子载波调制与解调，硬件实现也 很简单。 ( 3 ) 子载波在频域是正交的、重叠的关系，因此o f d m 能极大的提高频谱效率。 子载波数越多，系统的频谱效率越高。 ( 4 ) o f d m 符号时间比较长，加入了c p 后，能更加有效的抑制多径和码间干扰。 ( 5 ) o f d m 可以将数据) 孜到信噪比较高的子信道进行传输，根据环境灵活使用子 信道。也能按照业务需求，使用不同的子载波数对上下行链路实现非对称传输。 ( 6 ) 其他分集和复用技术很容易与o f d m 相结合。例如o f d m 与c d m a 的结合， 再比如与m i m o 技术结合，即m i m o o f d m 系统等。 当然o f d m 也有很多不足和缺点隅1 ： ( 1 ) o f d m 对载波间干：扰( i c i ) 及其敏感。子载波间相互正交是实现o f d m 技 术的基础。由于多普勒频移等：很多因素，导致频谱偏移，子载波间不再保持正交，o f d m 系统的性能会严重恶化。 ( ”o f d m 系统峰均l l ( p a p r ) 高。高峰均比要求a d 、d a 转换器、功率放大器 要有较大的动态范围，增加系统成本；相反，高p a p r 的信号会产生非线性失真，导致 o f d m 系统性能下降。 ( 3 ) 同步实现比较困难。o f d m 系统由于对频偏敏感，所以需要精确的同步，这 样才能有效地抑制i c i 和i s i 。 1 3i c i 抑制技术的研究现状 必须采取严格措施抑制i c i 是因为频谱偏移所引起的i c i 会严重的影响o f d m 的系 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣罱；毒i 葺i 葺置鲁i 宣暑i 毒i 罱i ；i 每i i i 每i 若i 肓i i i 毒i i 三；备音；暑；昌皇i ；i 宣i 暑置肓i 肓i 葺i 墨葺高 统性能。最近几年，人们对i c i 消除技术进行了广泛的研究，主要有i c i 自消除算法m 1 、 频域均衡法”6 。2 、时域加窗法口2 。1 3 1 等等。 i c i 自消除( s e l f - c a n c e l l a t i o n ) 算法是i c i 消除算法里面最简单的一种，它的主要 原理是在两个事先设置好系数的子载波上调制一个数据信号，然后将这两个子载波所产 生的i c i 进行简单的线性运算就可以相互抵消。此方法是在相邻载波之间的的干扰因素 差异相对较小的基础上设计的。根据i c i 自消除算法的原理在接收端做逆向操作，就 能有效地抑制接收信号中的i c i 。i c i 自消除算法可以看做是一种预编码算法，这一类 方法主要包括：邻近数据取反，i c i 自消除空频编码( i c is e l f - c a n c e l l a t i o n s p a c e - f r e q u e n c ：yc o d e s ，i s c s f ) ，邻近数据共轭取反，时域干扰自消除，加窗自消除， 邻近数据复数加权等等。i c i 自消除算法获得o f d m 系统性能的提高主要是以降低频谱 利用率作为代价。在频谱偏移不大时，相邻子载波间的i c i 基本相同，只需简单的自消 除算法就能够有效地抑制i c i 。不过在频谱偏移变大之后，即便是复杂的i c i 自 ，j 除算 法也不能完全抑制i c i ，此时就需要使用别的算法来提高系统的性能了。 频域均衡法主要是通过训练序列和导频信号来估计o f d m 系统的频谱偏移，进而 达到抑制i c i 的效果，虽然能够比较精确地估计出频谱偏移，但是复杂度很大，同样也 需要加入训练序列降低频谱利用率。如分段均衡，并行干扰消除( p i e ) ，次优l m m s e 均衡，基于带状奇异值分解的m m s e 均衡，q 抽头m m s e 均衡，改进的分组d f e 均 衡，迭代判决反馈均衡( i d f e ) 等等。分段均衡方法可以有效地增加接收端的信号干 噪比，让o f d m 系统能在高速运行环境下取得较好的效果，但是要求接收端增加f f t 的个数，信道估计的复杂度也随之提高。次优l m m s e 均衡的计算量与迫零( z f ) 均 衡器相当，吞吐量与最优l m m s e 均衡器相比有所降低。对于q 抽头m m s e 均衡而言， 如果i c l 主要是由信道的时变性所引起的，误差性能将会出现一种“地板效应”，它会 和系统：吞吐量一起随着导频符号个数的增加而降低。 时：喊加窗算法有两种：一种是在发送端加窗形；一种是在接收端f f t 之前加窗形。 现在研究比较广泛的是一种n y q u i s t 加窗算法，主要有：矩形窗函数( r e c t a n g l e ) ，升 余弦窗函数( r a i s e dc o s i n e ，r c ) ，自适应n y q u i s t 加窗，最优n y q u i s t 加割，改逆：升余 弦窗函数( b e t t e rt h a nr a i s e dc o s i n e ，b t r c ) ，二阶多项式n y q u i s t 窗函数等等。窗函数 可以有效抑制i c i 和加性噪声的影响。一般都是利用m m s e 算法来实现基于多普勒频 移的时域加窗方案。 第1 苹绪论 1 4 论文工作及结构安排 论文主要分析和仿真了o f d m 系统中的i c i 抑制问题。研究了通信系统中的无线 信道，o f d m 的基本原理，i c i 产生的原理，对多种i c i 抑制方案进行了仿真和比较。 并提出新的方案，通过仿真研究其可行性。 第1 章是文章的绪论。绪论部分先是介绍了o f d m 出现的背景和意义，发展历程 和实际应用。再是讲述了o f d m 的优点和不足，需要解决的问题。最后概括了当前i c i 抑制技术的现状。 第2 章介绍了无线信道基本知识并建立模型，o f d m 与传统的f d m 相比在频谱利 用率上的优势，以及调制、解调，i d f t d f t 、循环前缀c p 等关键技术。 第3 章给出了o f d m 系统中i c i 产生的原因，重点介绍了同步、多径衰落、多普 勒效应。分析了i c i 对o f d m 系统的影响，并通过m a t l a b 仿真进行说明。 第4 章首先对抑制i c i 的主要技术进行了介绍，包括频域均衡、时域n y q u i s t 加窗 和i c i 自消除算法。然后对i c i 自消除方法及其改进方法、m l 方法和e k f 方法进行了 理论分析和仿真。最后在介绍了l s ，l m m s e ，s v d 算法之后，对他们进行了m s e ， s e r 和b e r 的比较。并将他们与自消除方法的结合方法进行了仿真比较。 最后，结论部分对全文进行了总结。 一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 皇。i i i ；i i i ；i i i i ；i ；i i i i i i i i i 音i i ；i ；i ；苫音i ；i ；皇；i i 高j 喾i 罱；= ；ii 第2 章o f d m 的关键技术 尽管o f d m 的发展已经有半个多世纪的历史，但它还是在最近二十多年才作为一 种调制方式应用到宽带无线中。o f d m 调制最显著的特点就是它把进行串行传输的宽 带无线信道划：分成n 个正交的并行传输的窄带子信道，极大地简化了对接收机的均衡器 要求。o f d m 另一个突出的优点是能根据环境的不同对子载波分配不同的数据速率和 功率，能够很好的抑制多径传输中频率选择性衰落的干扰。 2 1 无线移动通信信道模型 有线通信的信道特性简单，而无线通信的信道特性受环境的影响变化范围很：赶，是 无线通信系统设计师重点研究的内容。无线通信的工作环境充满了各种噪声和强干扰， 无线信道的传播环境包括气候，地形地貌，人为建筑，移动终端所在的电磁场分j 节，使 用的频段，移动速度等复杂因素口4 。通信环境的复杂性致使信道特性也很复杂。e 三磁波 从发射端发出之后会经历直射、反射、散射、折射等传播方式到达接收端，中间还有信 号衰落等因素的影响，最终收到的是它们的合成信号，发射端和移动终端之间的信道充 满了不确定性。无线移动通信信道模型需要考虑的问题有：信号衰落、频率偏移和时延 扩展。 2 1 。1 多径传播 无线信道一般都是多径传播。接收信号是发射信号通过多径信道之后所形成的多个 信号的叠加，并不是某单一路径所传输过来的信号。而每一条路径上信号所经历的长度 都是不相同的，达到接收端的时间也不一样，自然信号的相位也不一样。各个路径的信 号在接收端叠加到一起。信号同相时，幅度变大，反相则削弱，接收信号的幅度多至化范 围很大，这就是多径衰落所造成的影响。 多径效应会使信号在时域上出现时延扩展，每一路信号的传播路径都不同，达到移 动终端所需要的时间也有差别。当一个脉冲信号从发射机发出时，接收端不仅收到该脉 冲信号，还收到该信号的其他的延时信号，即由于多径效应使接收到的脉冲信号的宽度 扩展了! 另一个重要概念相干带宽则是最大时延扩展的倒数。室内环境下最大的时延扩 展一般为4 0 n s 2 0 0 n s ，而最大时延扩展在室外则有1 u s 2 0 u s 。当时延扩展超过循环前 缀( c p ) 长度时会形成符号间干扰( i s i ) 。一般来讲，多径效应主要通过引起信号的时 延扩展：来影响数字移动通信系统，通过幅度变化来影响模拟移动通信系统，o f d m 通 蝥塞塑鹜尘型璧丝些一 i 宣昌宣葺暑i 薯；i 薯审i 叠i 宣置i i 毒i 昌暑墨i 宣膏宣葺薯i 置j i 膏置叠i 置i 南j 膏宣i i i i i i i i l i 。一 过把串行的高速数据流转换成个并行的低速数据流调制到相互之间正交的子载波 上，并加入c p 可以很好的抑制多径效应所引起的时延扩展。 多径效应在频域上则体现为频率选择性衰落( 1 j r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) ，即信号在 不同的频率上会有不同的频率衰落系数，每个子信道上的信道冲击响应都是随机的。无 线传输中子信道是否存在频率选择性衰落与信号带宽和信道的相干带宽有关。数据的传 输速率越高，信号的带宽也就越大，频率选择性衰落主要是由于子信道的相干带宽小于 信号的带宽，造成i s i ，进而导致信号畸变、波形失真。o f d m 是宽带传输信号，信道 被分成了相互之间正交的子信道。与原先的信道相干带宽相比，子载波上的信号可视为 窄带信号，在传输过程中可视为平坦衰落，能够很好的抑制由多径干扰引起的频率选择 性衰落。 2 1 2 多普勒频移 在移动终端相对基站运动的情况下，因为移动终端周围的散射情况不断变化，基站 与终端之