（通信与信息系统专业论文）单蜂窝下ofdma和mccdma下行链路性能比较.pdf

南京邮电学院硕士学位论文摘要 摘要 在b 3 g 蜂窝系统的研究中，o f d m a 和m c c d m a 近来正引起了越来越多 的广泛关注。同时，我们在基站和移动终端也广泛使用多天线技术( m i m o ) 以 保证充分利用空间分集和复用能力。如果在发射端信道状态信息( c s l t ) 已知 的前提下，利用资源分集将能保证资源更为有效的分配。 在本篇论文中，我们分析和比较在单蜂窝小区，c s i t 已知的下行链路，在 有无公平性约束条件下，分别采用m i m o o f d m a 系统或m i m o m c c d m a 系 统可能获得的系统容量。这里的资源分布根据跨层优化框架进行。本文的两个重 点和难点是系统的功率分配和用户选择算法，因为它们涉及到几个最优化问题的 综合讨论。 本文的结论是：尽管o f d m a 在资源分配上有更大的自由度( 尤其是已知 c s i t 时) ，它优于m c c d m a 的特性很大程度取决于信道损耗、天线数以及有 无公平性要求。通过研究，我们发现，对延迟的灵敏度要求较高的应用而言( 即 有公平性约束条件时) ，中等信道损耗指数或者天线数量，o f d m a 系统容量要 显著优于m c c d m a 系统；反之，在对延迟的灵敏度要求不高( 即无公平性约 束条件时) 的应用而言，当信道损耗指数或者天线数很大，o f d m a 的系统容量 相对于m c c d m a 的优势显著降低。 关键词：多天线，正交频分多址，多载波码分多址，下行链路，性能分析 南京邮电学院硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t o f d m aa n dm c c d m ah a v er e c e n t l yr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o na sp o t e n t i a l c a n d i d a t e so fb 3 gc e l l u l a rs y s t e m s ，m u l t i p l ea t t e n t i o na r et ob ed e p l o y e da tb o t h b a s es t a t i o na n dm o b i l et e r m i n a l si no r d e rt oe x p l o i ts p a t i a ld i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x i n g w i t ht r a n s m i ts i d ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na v a i l a b l e ( c s i t ) ，r e s o u r c e sc a nb e a l l o c a t e dm o r ee f f e c t i v e l yd u et ot h em u l t i - u s e rd i v e r s i t y i nt h ep a p e r , w ee x a m i n e a n dc o m p a r et h e p o t e n t i a lm a x i m u ms u mc a p a c i t y o fc s i t - a s s i s t e dd o w r d i n k m i m o o f d m aa n dm i m o m c c d m ai nas i n g l ec e l le n v i r o n m e n t ，w i t ha n d w i t h o u tf a i r n e s sc o n s t r a i n t t h er e s o u r c ea l l o c a t i o ni sf o r m u l a t e da sac r o s sl a y e r o p t i m i z a t i o nf r a m e w o r k t h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n a n du s e rs e l e c t i o na l g o r i t h m s a r ep r o p o s e df o rb o t hs c e n a r i o s ，w h i c ha r eg e n e r a l l yd i f f i c u l tt oo b t a i nd u et ot h e c o m b i n a t o r i a ln a t u r eo ft h eu n d e r l y i n go p t i m i z a t i o np r o b l e m s w h i l eo f d m ah a s b e e nk n o w nf o ri t sg r e a t e rd e g r e eo ff r e e d o mi nr e s o u r c ea l l o c a t i o ne s p e c i a l l yw h e n c s i ta n dm u l t i u s e rd i v e r s i t ya r ca v a i l a b l e ，i t sa d v a n t a g eo v e rm c c d m ad e p e n d s h e a v i l yo nt h ep a s sl o s s ，n u m b e ro fa n t e n n aa n dt h ef a i r n e s sr e q u i r e m e n to fu s e r a p p l i c a t i o n s w ef i n dt h a tf o rd e l a ys e n s i t i v ea p p l i c a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eg a i no f o f d m ao v e rm c c d m ai sq u i t el a r g ea tm o d e r a t ep a t hl o s se x p o n e n ta n dn u m b e r o fa n t e n n a s h o w e v e r , f o rd e l a y i n s e n s i t i v ea p p l i c a t i o n s ，t h eb e n e f i t so fo f d m ao v e r m c - c d m aa r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e dw h e nt h ep a t hl o s se x p o n e n to rt h en u m b e ro f a n t e n n a si sl a r g e k e y w o r d s ：m i m o ，o f d m a ，m c - c d m a ，d o w n l i n k ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 师签 日期： 斗t j 南京邮电学院硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题意义及背景 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带 宽效率。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减 小了多径衰落的影响。而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传 输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情 况下增加频谱效率。这样，将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能同时达到 两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性。 同时，在m i m o o f d m 中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的 稳定性。 近来种种迹象表明，“无线+ 宽带”已成为未来无线通信的重要卖点。 m i m o o f d m 技术通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，利用 时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增 加。 为了进一步提高系统传输速率，使用o f d m 技术的无线通信网要增加载波 的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的带宽，这对今同的 带宽受限和功率受限的无线通信网系统就不太适合了。而m i m o 技术能在不增 加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此将m i m o 技术 与o f d m 技术相结合是适应下一代无线局域网发展要求的趋势。 与此同时，考虑到系统的前向兼容性和现有资源的合理利用，o f d m 和 c d m a 技术的结合也成为一大研究热点。c d m a 是支持多用户通信的有效手 段，采用多载波传输又可以达到很好的频率分集的效果，因此多载波c d m a 兼 有o f d m 和c d m a 的优点，可以在无线信道中传送高速数据流，在频谱效率、 频率分集、抗多径干扰等方面都能获得较大好处。本篇文章即是从系统容量的角 度，分析和比较在单蜂窝小区，c s i t 已知的下行链路，在有无公平性约束条件 下，分别采用m i m o o f d m a 系统或m i m o m c c d m a 系统。 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 1 2b 3 g 移动通信系统的核心技术 新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 将可以提供的数据传输速率高达l o o m b i t s ， 甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输 速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新一代移动通信的另一个特点 是最大限度地利用有限无线频谱来提高用户容量。在有限频谱上提高用户容量的 方法主要有多载波调制、m i m o 技术及自适应编码调制技术等。 m i m o 技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增 加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。 在频域上多径信道呈现出频率选择性衰落特性。为了克服这种衰落，一个十 ： 分自然的想法就是将信道在频域上划分成多个子信道，使每个子信道的频谱特性 都近似平坦，使用多个互相独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实 现信号的频率分集，这就是多载波调制的基本思想。o f d m 技术是多载波传输 的一种，将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落，同 时其多载波之间又相互正交，可以高效地利用频谱资源。 将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案，下面详细介 绍这两种技术。 1 2 1m i m o 技术概述 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统，该技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它利用多天线来抑制路径损耗。根据收发两端天线数量，相对于普通 的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 图1 ，1 是m i m o 系统框图。它利用空闻中增加的传输信道，在发送端和接 收端采用多天线( 或天线阵列) 同时发送、接收信号。由于各发射天线同时发送 的信号占用同一个频带，所以未增加带宽，若各发射接收天线间的信道冲击响应 独立，则m i m o 系统可以创造多个并行空闻信道。可以看出，此时的信道容量 随着天线数量的增大而线性增大，也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无 2 南京邮电学院硕士学位论文 第章绪论 线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以得到成倍 的提高。 l o o 沙卜 卜沙 图1 1m i m o 系统框图 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降 低误码率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信 ： 道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、m l 算法。m l 算法具有很好的译码性能，但是 复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。z f 算法简单容 易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是b l a s t 算法。 该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。目前m i m o 技术领域另 一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主 要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信 道误码率。 1 2 2o f d m 技术概述 o f d m ( 正交频分复用技术) 是一种无线环境下的高速传输技术。众所周知， 无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，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，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减 小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。o f d m 这种无线电使用 效益高、抗噪声能力强、适合高速数据传输的特点使它被认为b 3 g 移动通信的 核心技术。 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 但是，o f d m 并不是一个最近才提出的概念，事实上它早就被提出，经过 了长期的发展正逐步走向成熟。o f d m 的概念于2 0 世纪5 0 - 6 0 年代提出，1 9 7 0 年o f d m 的专利被发表，其基本思想是，通过采用允许子信道频谱重叠但相互 间又不影响的频分复用( f d m ) 方法来并行传送数据；8 0 年代以后，o f d m 的 调制技术再一次成为研究热点，例如提出一种适于无线信道传送数据的o f d m 方案：进入9 0 年代以后，o f d m 的应用又涉及利用移动调频( f m ) 和单边带( s s b ) 信道进行高速数据通信、陆地移动通信、陆地广播等各种通信系统。 如今，在高速无线数字通信系统中，正交频分复用( o f d m ) 技术因为它的 频谱利用率高、成本低，并可以提供高速的传输速率，还很容易和多种多址技术 相结合，所以正倍受瞩目。o f d m a 和m c - - c d m a 正是两种常见的o f d m 的 多址接入技术。 下面简要介绍一下o f d m a 和m c - - c d m a 这两种常见的o f d m 的多址接 入技术。 o f d m a 技术介绍 o f d m a 亦称为f h o f d m 、多用户o f d m ，与传统的f d m a 相比，最大的 不同之处就是不需要在各个用户之间加入保护频段加以区分，因此提高了频带利 用率以及系统容量；同时还可以很容易的引入跳频技术，可以为小区内的多个用户 设计正交的调频图样，从而较容易消除小区间的干扰。 此外，o f d m a 的分配机制非常灵活，它可以根据用户业务量的大小动态分配 子载波的数量( 与t d m a 中动态分配时隙数相似) ，并且可以在不同的子载波上 使用不同的调制制度及发射功率，因而可以达到很高的频谱利用率。 m c c d m a 技术介绍 从1 9 9 3 年起，陆续提出了将传统的c d m a 技术和o f d m 技术结合的各种 方式，即多载波c d m a 系统。多载波c d m a 方案可分为两类：频域扩频和时域 扩频。 本论文中所提及的是其中的频域扩频方案，即m c c d m a 系统。其基本过 程是：每个信息符号由一个特定的扩频码进行扩频，然后将扩频后的每个符号调 4 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 制到各个子载波上，因而，如果扩频码的长度等于子载波的个数，那么对应这些 子载波传输的是相同的信息数据。 o f d m a 与m c c d m a 相比，主要差别在于前者的用户仅仅使用所有子载 波当中的一部分；而后者所有用户同时使用所有的子载波，由于无线信道多径衰 罗落的特性将会影响后者的正交性，从而带来信噪比的损失：而o f d m a 由于 不会受n d , 区内干扰的影响，因此二者相比，理论上，前者的系统容量应大于后 者。 1 3 本论文的主要工作 下一代蜂窝移动通信系统的技术中，正交频分多址接入( o f d m a ) 和多载 波码分多址接入( m c c d m a ) 正引起人们越来越多的关注。在发送端信道状态 信息( c s i t ) 未知情况下，m c c d m a 能够获得很好的频域分集；在c s i t 己知 情况下，o f d m a 技术能够很好地解决多用户分集的问题。本篇论文中，我们分 析和比较在单蜂窝小区，c s i t 已知的下行链路，有无公平性约束条件下，分别 采用m i m o o f d m a 系统或m i m o m c c d m a 系统可能获得的系统容量。 到目前为止，尚没有论文详述这方面的问题，现有的己发表论文都是研究基 于特定信道编码、调制和帧结构下的某一种接入方式的仿真。本文的主要内容是 分析和比较单蜂窝多用户下行链路m i m o o f d m a 系统和m i m o m c c d m a 系 统容量，并讨论出现此差异的根本原因。这里我们首先假设前提，即发送端信道 状态信息( c s i t ) 和接收端信道状态信息( c s i r ) 己知，给出的结论是基于不同 的路径损耗，天线数以及有无公平性约束条件等。这里的资源分布根据跨层优化 框架进行。 具体的，本文的结构如下。 第一章绪论，介绍论文的背景知识； 第二章介绍o f d m 多址接入技术以及m c c d m a 技术； 第三章结合最优化的知识，分别公式推导出有无公平性约束条件下， 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 m i m o o f d m a 和m i m o m c c d m a 系统的系统容量； 第四章分别有无公平性约束条件下，给出m i m o o f d m a 和 m i m o m c c d m a 最佳用户选择和最优功率分配算法； 第五章给出基于不同的路径损耗，天线数以及有无公平性约束条件下， m i m o o f d m a 和m i m o m c c d m a 系统仿真结果，以及对此结果进行分析； 第六章小结全文。 6 南京邮电学院硕士学位论文 第二章o f d m 多址接入技术 第二章o f d m 多址接入技术 在无线通信系统中，无论是前向链路还是反向链路，都需要使用多址技术， 以使多个不同的用户同时共享有限的频谱资源。无线通信系统中共享有效带宽的 三种主要接入技术是f d m a ，t d m a ，c d m a 。o f d m 和多址技术的结合能够允许 多个用户同时共享有限的无线频谱，从而获得较高的系统容量。同时，o f d m 技 术本身也可以作为一种多址接入技术，又称为正交频分多址接入( 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 ) 技术。而c d m a 以其诸多的优 点，并可提供比f d m a ，t d m a 更高的系统容量，称为第三代移动通信系统标准 系统中采用的多址接入方式。因此o f d m 和c d m a 结合的的多载波c d m a 方 案，不仅可以满足多用户共享频率资源的要求，而且同时可以减少码间干扰，提 高系统性能。 本章首先详细介绍o f d m 技术的原理以及系统框图，然后介绍o f d m 多址 接入技术和多载波c d m a 技术，最后比较o f d m a 和m c c d m a 的技术特点， 为后面的建立系统的数学模型提供基础。 2 1o f d m 技术 2 1 1o f d m 原理 在宽带移动通信中克服多径衰落的一种有效的方法是采用并行传输。将高速 数据变换成多路并行的低速数据，然后在不同的子信道上进行传输。它使每路子 信道上的符号持续时间变长，当符号持续时间远大于多径扩展乙时，可以克服 频率选择性衰落。采用频分复用进行并行数据传输又称为多载波调制。 o f d m 是实现多载波调制的一种技术，它的基本思想是：把高速数据流分 散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 续时间大大延长。它具有抗多径衰落、频谱利用率高、抗窄带干扰等优点。 o f d m 的原理框图如图2 1 所示，图中共有n 个子载波，各子载波的频率为 = 厶+ 晏，n = 0 ，1 ，2 n 1 其中f o 为系统发送载频。基带信号经过串并变换成 3 为n 个子信号，再去调制相互正交的n 个子载波，最后相加形成o f d m 发送信 号。o f d m 符号可表示为： 一l s o ) = r e d f e c t ( t - t , 一吖2 ) e x p 2 万0 一气) 】) ( 2 - 1 ) 叫卜耐 出 ，所以大大降低了 符号间干扰( i s i ) ，但如果子信道符号持续时间不满足p 锄甜时，会有一定的 残留i s i ；另外由于多普勒效应及同步误差的影响，子载波间不再保持严格的正 交状态，从而引起相邻子信道之间相互干扰( i c i ) 。 与一般的频分复用( f d m ) 系统相比，o f d m 由于各子载波间正交，所以 频谱可以部分重叠，因此频谱利用率较高。当成型滤波器采用矩形波形时， o f d m 系统的频谱如图2 2 所示。也可采用升余弦滚降波形等其它成型滤波器， 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 以进一步抑制带外功率。 重 0 日 0 6 口。4 o 2 a 国2趴八。八八八7 一 一1 51 05d 51 0l5 图2 2o f d m 信号频谱 2 1 2o f d m 系统框图 如图2 3 是o f d m 系统框图，简要说明如下。 叫嚣 划织 i 去交 l 信道 符号 映射 插入 导频 信道 估计| 符号 检测 i f f t 变换 f f t 变换 插入 保护 间隔 册0 除 保护 间隔 图2 3o f d m 系统框图 数模 转换 发射 模数 转换 接收 在o f d m 处理的发射侧，首先将原始数据进行信道编码以克服信道的随机 差错，随后进行数据交织，这样可以解决信道的突发差错。随后将数据比特映射 成符号，可以进行四进制移相监控( q p s k ) 映射，也可以是正交幅度调制( q a m ) 映射。然后进行串并变化，并进行快速反傅立叶变换，以形成多个正交的子载波。 9 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 为了克服多径衰落所引起的符号间干扰，在符号的末尾要插入保护间隔。 在接收侧首先将符号保护间隔删除。然后进行快速傅立叶变换解调出各个子 载波的数据，然后进行并串变换、去交织、译码以恢复初始的数据。 2 2o f d m 的多种接入方式 对现实中的多用户系统按接入方式进行分类，在文献【4 中介绍了4 种多用 户通信系统。 第l 类多用户通信系统采用多址通信技术，即大量用户通过使用一个公用通 信信道向相同的接收机发送信息，系统框图如图2 4 所示，这种多用户系统的 典型例子就是移动蜂窝通信系统t 某一个小区中的若干用户能够向该小区的公共 基站发送消息。多址通信系统的公共信道可以是卫星通信系统的上行链路，也可 以是连接中心计算机终端的一根电缆，或者是多个用户用来和一个无线接收机进 行通信的无线频率中的某些频带。 图2 4 第1 类多用户通信系统 第2 类多用户通信系统是一个广播网络。在这类系统中，一个单独的发射机 向多个接收机发送信息，广播系统的例子，既包括公共无线电和电视广播系统， 也包括卫星系统中的下行链路。 l o 南京邮电学院硕士学位论文 第二章o f d m 多址接入技术 图2 5 第2 类多用户通信系统 上述的多址接入系统和广播网络是最普通的多用户通信系统，而第3 类和第 4 类多用户系统分别是存储转发网络和如图2 - 6 所示的双向通信系统。 发射机发射机 用户1 信道 用户2 接收机接收机 图2 - 6 第4 类多用户通信系统 从上述多用户系统的分类可见，在移动通信系统中，上行使用的是第1 类多 用户系统，下行使用的是第2 类多用户系统，而本论文关心的多用户系统的多址 接入方式。 一般而言，有几种不同的多址接入方式，可以使多个用户通过通信信道向特 定的接收机发送信息。其中一种简单的方法是将可利用的信道带宽划分成一定数 目( 比如说是n 个) ，频率不相重叠的子信道，并且基于用户需求对这些子信道 进行分配。这种方式通常称为频分多址( f d m a ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 。在有线信道中为多个用户提供语音和数据传输时普遍采用频分多址技 术。 f d m a 是一种相当成熟的多址接入的技术，已经发展了数十年。它将不同 南京邮电学院硕士学位论文 第二章o f d m 多址接入技术 的载波频率分配给每个用户，保护带宽的存在使得在相邻的调制载波间没有重叠 部分。信号间隔的大小取决于信号带宽和所使用的晶体振荡器的稳定性。在接收 机，传统的f d m a 技术针对每个用户信号使用单独的解调器。如果考虑一个简 单的f d m a 方案，系统有n 个用户，每个用户分配的带宽为w ，在假设相邻信 号频谱间的保护带宽可忽略不计的情况下，总的占用带宽为n w 。 如果说f d m a 是一种在频域上区分多个用户的技术，那么另一种多址接入 方式是在时域上区分多个用户。这种技术将帧间隔的持续时间t f 划分成k 个相 互间没有重叠的子间隔( 即时隙) ，每个时隙持续时间为t f 服，不同用户的信息 在不同的时隙上进行传送。这种多址接入方式被称为时分多址( t d m a ， t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它更广泛地用于数据和数字语音传输中。可见， 在f d m a 中，用户的信息是在不同频带、相同时间内进行传输的，而t d m a 接 入方式中，用户是在相同频带但不同时隙进行信息的发送。 目前的移动通信系统广泛地使用g m s k ( 例如g s m 系统) 或g f s k ( 例如 d e c t 系统) 调制和单个t d m a 帧结构的单载波传输技术。就单载波系统而言， 已存在大量的接入技术，例如无冲突接入方式f d m a 、t d m a 和c d m a 。在未 来的移动通信系统中，具有较高数据传输速率技术的应用有着广阔前景，其中 o f d m 技术是宽带通信系统中较为推崇的一种多载波传输技术。 在介绍了f d m a 和t d m a 的基本原理之后，下面回顾下o f d m 传输技术 的特点。 宽带无线信道以多径传输引起的频率选择性衰落为主要特征。在移动通信应 用中，由于移动终端的运动使得无线信道具有时变特性。o f d m 传输技术能够 以较低的运算复杂度处理频率选择性和时变性所带来的影响。o f d m 技术将全 部系统带宽划分成大量频谱相互正交的非频率选择性窄带子信道，并且将附加的 保护间隔引入o f d m 符号，这种处理可基本上避免将符号间干扰( i s i ，i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e s ) 和载波间干扰( i c i ，i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e s ) 。这样，即 使是在频率选择性信道的输出端，依然可以维持子载波间的正交性，因而在接收 端，对每个子信道的均衡操作简化为对每个子信道进行单次复数乘法运算。 o f d m 技术的一个重要优势是可克服符号间干扰，因而如果使用不同的调 制方式，即使是在具有高数据速率的系统中，也不需要自适应处理( 例如，信道 1 2 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 估计和均衡) 。这样，就降低了每个接收机中信号处理的复杂性。此外，还可以 获得高带宽效率，并且满足每个用户可变的高速率传输的要求。 o f d m 技术的上述优势，决定了其拥有广阔的应用前景。近年来，o f d m 不但应用于诸如数字陆地电视和无线广播系统，而且在移动通信方面的使用也处 于讨论当中。由于多用户系统的性能依赖于特定的多址接入方式，问题便转化为 寻求适合o f d m 传输技术的有效的多址接入方案。 对于使用o f d m 传输技术的多载波系统，将o f d m 技术和传统的多址接入 方案例如f d m a 和t d m a 相结合可以实现多用户o f d m 系统，这样派生出两 种多址接入方案：o f d m f d m a 和o f d m t d m a 。同时，有人提出o f d m 本 身既可以作为调制方案，也可以通过在频域使用扩频码作为多址接入的一部分， 基于这种思想，又产生了正交频分多址接入( o f d m a ) 。本节将分别介绍这3 种多址接入方案。 2 2 1 跳频o f d m a ( f h o f d m a ) 方案 在o f d m a 中，可以通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多 用户接入。这里o f d m a 相当于传统的f d m a 引入跳频技术，即是不需要像传 统f d m a 那样采用保护频段去区分不同的用户。 如图2 7 所示，给出了固定分配子载波的o f d m a 方案的时间一频率方格图， 其中包括7 个用户，每个用户使用特定的部分子载波，而且每个用户所用的子载 波是不同的。实际上，该实例结合使用了o f d m a 和t d m a ，每个用户只利用4 个时隙进行传输，每个时隙中包括一个或多个o f d m 符号。 adadad ad a dad ace a c e ace aceaceace be g b e g be g b e g b e g be g b f g bf g bf g b f g b f g bf g 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 图2 7 固定分配子载波的o f d m a 方案的时间频率示意图 在o f d m a 方案中，还可以很容易的引入跳频技术，即是在每个时隙中， 可以根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波频率，允许每个用户使用不同 的跳频图样进行跳频。这样，实际就把o f d m a 系统变化成跳频c d m a 系统， 从而可以利用跳频为o f d m 系统带来的好处。与直扩c d m a 或者m c c d m a 相比，跳频o f d m a 的最大优势在于通过对小区内的多个用户设计正交跳频图 样，可以相对容易地消除小区内的干扰。这种正交跳频图样组的设计可以参见图 2 8 ，对于n 个子载波来说，总是可能构造成n 个正交跳频图样。 a f edcb ： bafedc cb afed dcbafe ed c b af fedcb a 图2 8n 个不同用户的正交跳频图样设计实例 有此可见，o f d m a 把跳频和o f d m 技术相结合，构成一种灵活的多址方 案，具有如下显著特征： ( 1 ) 由于o f d m a 系统可以不受小区内干扰地影响，因而o f d m a 系统易获得 更大的系统容量； ( 2 ) o f d m a 可以灵活地适应带宽的要求。o f d m a 通过简单地改变所使用的 子载波数量，就可以适用于特定的传输带宽。 ( 3 ) o f d m a 如与动态信道分配技术结合使用，即便是当用户传输速率提高时， 也可相应的支持高速数据的传输。 1 4 南京邮电学院硬学位论文 第= 章o f d m 多址接 技术 2 2 2o f d m - - f d m a 方案 o f d m f d m a 多址接入方案是将传输带宽划分成正交的子载波集，通过不 同的予载波集分配给不同的用户，可用带宽资源可灵活地在不同移动终端之怕j 共 享，从而避免了不同用户间多址干扰( m , 4 i m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ) 。图2 - 9 所示，白色、灰色、黑色的时频栅分别代表不同的子载波集，它们在频率上是正 交的。o f d m - f d m a 方案可以看作将总资源( 时叫、带宽) 在频率上进行分割， 从而实现多用户接入。这是一种以频率来区分用户的多址接入方式。 图2 - 9o f d m f d m a 示意图 o f d m f d m a 方案，是指将所有载波的确定子集分配给每个用户。这种分 配表现为一种纯粹的数字化子载波管理，这种分配不是固定的，可以采用自适应 方式实现，即适当选择与每个用户相关的子载波得到满足。每个用户经历不同的 无线信道的干扰，可以通过具有高信噪比的“好”子载波分配给每个用户束实现。 而且特定用户的子信道数目可以依据要求的数据速率进行变化。在系统的时剖同 步和载波同步极佳的情况下，接收的信号完全没有i s i 和i c i 。 2 2 3o f d m - - t d m a 方案 o f d m t d m a 系统中，在一段时间内将全部带宽资源( 所有子载波) 分配 给一个特定的用户，即在单个t d m a 帧内，所有于载波在几个时隙内为某个用 南京m 电学院硕学位论文 第= o f d m 多k 接 技术 户所独占。以图2 一1 0 为示例讲解。在以时间和频率为坐标轴的二维平面上，白 色、灰色、黑色的时频栅代表的不同部分被分别分配给3 个不同的用户。每个用 户在各自所占有的o f d m 符号内拥有全部的带宽资源( 全部子载波) ，这是一种 以时曰区分用户的多址接入方式。 氍 图2 1 0 0 f d m t d m a 示意图 因而，o f d m t d m a 方案具有如卜特点： ( 1 ) o f d m t d m at 方案在特定o f d m 符号内将全部带宽分配给一个用户，这 种分配方式不可避免地存在带宽资源浪费频带利用率低，灵活性差。 ( 2 ) o f d m t d m a 系统中，双向业务可咀由t d d 方式实现，即在上行和下行 链路中都使用子帧结构。o f d mt d m a 的信令开销很大程度上取丧于是否采用 过滤具有较低信噪比子载波的技术和自适应调制，编码技术，采用上述技术虽然 可以改善性能但是也会增加信令开销。 本论文讨论的是上述的第一种方案即o f d m a 方案 2 3 多载波c d m a 2 3 1 直接扩频和多载波调制的原理 为了便于理解相干概念，先介绍一下直接序列扩频( d s c d m a ) 。直接序 列扩频的原理在 d l x l 9 9 4 ，v i t l 9 9 5 ，p m l 9 9 6 ，r a p l 9 9 6 】中详细解释过。如图2 - 1 1 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 所示，数据符号首先用用户特定的扩频码进行扩频，然后再和载波相乘。 图2 1 1 直接序列扩频的原理 d s c d m a 扩频码包括l 个码片，每个码片持续时间为t c ，每个数据符 ： 号周期为t d ，则码片速率1 t 。为数据符号速率1 t d 的l 倍。在d s c d m a 中， 多个用户同时使用全部可获得的带宽，区分用户的是用户的特征码。目前通信要 求的传输速率越来越高，导致数据符号的持续时间越来越短。如果传输的符号持 续时间小于多径信道的最大时延扩展，就会导致符号间干扰。多载波调制的引入 就是为了防止i s i 的产生，其原理图如图2 1 2 所示。 宰 并 转 旗 井行擞据隅 图2 1 2 多载波调制原理 多载波调制使用n 个子载波并行传输信息，使高速数据流被分成n 个并 行的低速数据流，每个低速数据流被调制到不同的子载波上，这样总的频带就被 划分成n 个窄带，在每个窄带内信道特性呈现频率非选择性衰落。每个子载波 的数据符号速率降低到了原速率的1 y ，这样就降低了i s i 。 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 2 3 2 多载波c d m a 技术的发展 从1 9 9 3 年开始陆续出现讨论将多载波调制与扩频技术结合的文章。这些方 法可以分为两大类：频域扩频和时域扩频。频域扩频通常称为m u l t i c a r d e r c d m a ，有时也称作o f d m c d m a 。时域扩频有两种不同的构成方法： m u l t i c a r d e rd s c d m a 和m u l t i t o n ec d m a 。 1 m u l t i c a r r i e rc d m a ( o f d m c d m a ) 1 9 9 3 年9 月，在日本举行的p i m p c 9 3 会议上，分别由美国与德国一批 学者独立提出的一种最早的多载波c d m a ( m c c d m a ) 方案。美国方案提出 采用相关接收和可变增益合并，德国方案则提出最大似然检测技术。 此类m c c d m a 的发送框图和频谱图如图2 1 3 所示。 一o 一舀 拓l c e 2 _ ；，伞 彩 一相 加 b1 l c 。s 2 刁f h o _ 9 叫 z 澄：签a | i ：| 。 1 图2 1 3m c c d m a 发送框图和频谱图 在该方案中，每个信息符号先经过扩频，扩频后的每个码片( c h i p ) 调制到 不同子载波上，若扩频码的长度为n ，则调制到n 个子载波上。它是在频域中 进行扩频，相邻的载波频谱有1 2 的重叠且保持正交关系。图中m c g 为扩频增 益，c n 为子载波数，c 【q q q c g i 表示第i 个用户的扩频码。这里假设子载 波数和扩频增益相等即c n = m c g 。 2 m u l t i c a r d e rd s c d m a 1 9 9 3 年1 0 月在加拿大召开的i c u p c 9 3 会议上，由加拿大学者提出的 m c d s c d m a 方案，其发送框图和频谱图如图2 1 4 所示。其中m d g 表示扩 频增益，c n 为子载波数，c q q q g 】表示第i f - f f j p 的扩频码。输入信息 数据比特，先经过串并变换，并行的每路经过相同的扩频序列扩频，再调制到不 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 同的子载波上。相邻的子带有1 2 重叠，且保持正交关系。由于扩频后的带宽 限制在一个子带内，因此一般选择较短的扩频码。 相 口口 图2 1 4m c d s c d m a 发送框图和频谱图 3 m u l t i t o n ec d m a 1 9 9 3 年1 0 月在荷兰举行的车载通信学术会议上由比利时学者提出 m t - c d m a 方案，其发送框图和频谱图如图2 1 5 所示。 毒 # 罅 捷 相 加 一口) 么翌险 j ，： l 。 图2 1 5m t - c d m a 发送框图和频谱图 其中m t g 表示扩频增益，c n 为子载波数，c 。【q q q g 】表示第i 个用 户的扩频码。输入数据流先经过串并变换，调制到不同的子载波上，以形成 o f d m 信号，此时子载波之间有1 2 重叠，且满足正交性，o f d m 的符号周期 为t s 。然后再经过长为m t g 的扩频码扩频，则扩频后每个子载波的带宽扩展 为m t g 瓜而相邻子载波间隔仍保持以前的1 t s ，因此子载波间有更多的重 叠，这时子载波之间已经不再保持正交。m t - c d m a 般采用较长的扩频码， 它比d s c d m a 能容纳更多的用户。 与单载波系统相比，多载波系统的主要优点有： ( 1 ) o f d m 系统对脉冲干扰的抵抗能力要比单载波系统大得多，这是因为 o f d m 信号的解调是在一个很多的符号周期内积分，从而使脉冲干扰的影响得 1 9 南京邮电学院硕士学位论文第二章o f d m 多址接入技术 以分散。提交c c i t t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p hc o n s u l t a t i