（通信与信息系统专业论文）未来移动通信系统中上行ofdm系统方案的研究.pdf

米来移动通信系统中f 仟o f d m 累统方集的讲究 摘要 求来移动通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) 的发展趋势理求甍高的传输速率、更高的、i k 务磺 嬖翱更赢的资源利用率，正交频分复心( o f d m ) 技术冈葚谯窀带通信中的优越性能被越来越 r 泛地研究应用于朱采移动通信系统，o f d m 受f 行链路的应明已经在移动通信研究领域 j z 至f j 共识，但o f d m 在上行链路的麻j ；l _ 还有待进。步探讨， 毒论文在介绍o f d m 通信系统瓢理的基础上总结了当前在o f d me 行研究方面已 膏的备辩7 了案，芹对其进行对比分折。得出在o f d m 技术与各种多址接入方式结合的系统 育寰中，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 ) 方案性能优越的结论。 第= 三章对o f d m a 上行系统的系统容量进行理论分析，芹研究实际系统容晕优化算法， 基于此弊法提出一种自适应资源分配策略，这种策略在实际上行o f d m a 系统具有高度可 行性。弗对此策略进行仿真分析。 蘑 提噶的上行o f d m a 系统自适应资源分配策略，第四章提出了一种完整的多用户 上行o f d m 系统方案一“定时控制的同步分缩o f d m a 上行多用户系统方案”，作为求采 移动通信系统中上行链路的系统设计方案。该方案可以解决上行链路麻用o f d m 的同步问 题同时很好地利用o f d m 技术带来的可扩展自适麻性能。根据此系统方案建立的无线捧 输链路仿真软件顺利通过r 国家8 6 3 计划通信主题来来移动通信总体组的性能评测，评测 结粟表明该系统方案在箨项业务测试中性能优越，庄未来移动遴信系统中的府用前景广阔。 最后是论文总结。 关键词： 未来移动通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) ，上行链路。正交频分复用( o f d m ) 正交频分多址接入( o f d m a ) ，定时控制 中固科学技术上；= 学碳t 鹭啦论文 皋泉移动通信系统中，。什o f d m 系统方集的料完 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ef u t u r em o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( b e y o n d3 g 4 g ) d e m a n d sf a s t e rt r a n s f e r r i n gr a t e ，b e t t e rt r a f f i cq u a l i t ya n dm o r es p e c t r u me f f i c i e n c y o t 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 豇o f d m ) t e c h n i q u eh a sb e e ns t u d i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yt o a p p l yj nt h ef u t u r em o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e md u et o i t sa d v a n t a g ei nw i d e b a n d c o m m u n i c a t i o n s t h o u 曲t h es t u d yo fa p p l y i n go f d mi nd o w n f i n kh a sa t t a i na c c o r d i nt h e m o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o nd o m a i n ，t h ea p p l i c a t i o no fo f d mt e c h n i q u ei n u p l i n kw i l l b e w o r k e do v e rt h o r o u g h l y t h et h e s i ss u m m a r i z e sa l ls o r t so fe x i s t i n go f d mu p l i n ks c h e m e sb a s i so nt h ep r i n c i p l ea n d t h e o r yo fo f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n db yc o m p a r i n ga m o n gt h es c h e m e so fo f d m t e c h n i q u ec o m b i n i n gv a r i o u sm u l t i p l e a c c e s s t e c h n i q u e 。w eg e tt h er e s u l tt h a to 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 ea c c e s s ( o f d m a ) s c h e m eh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e i nc h a p t e rt h r e e w ed ot h e o r e t i ca n a l y s i so nt h eo f d mu p l i n ks y s t e me a p a c i t ya n ds t u d yt h e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo fa c t u a lo f d mu p l i n ks y s t e mc a p a c i t y t h e na na d a p t i v er e s o u r c e a l l o c a t i o ns t r a t e g yi sb e e np r o p o s e dt oa p p l yi nt h ea c t u a lu p l i n ko f d m as c h e m e st h i s s t r a t e g yh a sh i g ha v a i l a b i l i t y a n da l s os i m u l a t i o ni sb e e nd o n et oa n a l y z et h i ss t r a t e g y o nt h eb a s i so ft h ep r o p o s e du p l i n ko f d m as y s t e ma d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ns t r a t e g y ， w ep u tf o r w a r da ni n t e g r a t e dm u l t i u s e ru p l i n ko f d ms y s t e ms c h e m e - 一as y n c h r o n o u sg r o u p i n g o f d m au p l i n km u l t i u s e rs y s t e ms c h e m eb a s e do nt i m i n gc o n t r o lt h i ss c h e m en o to n l yc a n s o l v et h es y n c h r o n o u sp r o b l e mw h e na p p l y i n go f d mt e c h n i q u ei nu p l i n k ，b u ta l s ou t i l i z et h e s p r e a d i n ga d a p t i v i t yt h a to f d mt e c h n i q u eb r i n g s t h er a d i ot r a n s f e r r i n gl i n ks i m u l a t i o n s o f t w a r eb a s e d0 nt h i ss c h e m eh a sp a s s e dt h ef i r s ts t a g et e s to ft h en a t i o n a i8 6 3p r o g r a m s u c c e s s f u l l y t h et e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h i ss c h e m eh a sa s c e n d a n tp e r f o r m a n c ej nv a r i o u st r a f f i c t e s t s s oi th a sg o o d a p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e i nt h e s t u d y o ft h ef u r u r em o b i l er a d i o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( b e y o n d3 g 4 0 ) a tl a s ti ti st h es u m m i n g - u po ft h et h e s i s k e yw o r d s ：t h ef u t u r em o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( b e y o n d3 g 4 g ) ， u p t i n k ，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 ( o f d m ) ， 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 ( o f d m a ) ，t i m i n g c o n t r o j 中国科学技术火学硬卜毕业论文 未来移动通信采统中f o to f d m 最统方寰的研究 第一章绪论 1 1未来移动通信系统发展综述 任移动通信系统的发展过程中，从8 0 年代入r 利用模拟传输方式实现话音业务的第 一代移动系统到8 0 年代末引入了利用数字传输方式的第一二代移动通信系统以及发展到今大 即将犬规模商业化麻用的第三代移动通信系统，我们可以看到，移动通信的发展趋势要求更 高的传输速率、更高的业务质量和更高的资源利用率。 朱来移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 系统的标准尚来制定，但对其要达到的性能和功能要求 已有共识【1 5 1 。首先，用户速率在准静 ( 低速移动和静i r ) 情况下达2 0 m b p s ，在高速移 动情况f 达2 m b p s 。其次系统容量要达到第二二代系统的5 1 0 倍传输质量相当于共至优 r 第三代系统。业务将从话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务，因此对服务质撬和传 输速率的要求越来越高。这对移动通信系统的性能提出了更高的要求。而带宽在移动通信中 是非常稀缺的资源闲此必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大 容晕的业务需求：同时克服高速数据在无线信道f 的多 羊= 衰落，降低噪声和多径于扰，达到改 菩系统性能的目的，上e 交频分复用( o f d m ) 在众多技术中显示出优越的性能f 1 6 1 。 1 2 移动通信信道特性 庄无线通信系统的研究中，电波传播的特性是首先要遇到的问题。传播特性赢接荚系剑 为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施。对r 作于v h f 和u h f 频段的移动通信来说 电波传播的方式主要是空间波即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。陆地移动信 道的主要特征是多径传播。传播过稃中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会 引起自e 揖的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等。这样，移动信道是充满了反射波的 传播环境。庄移动通信环境中，剑达接收机的信号不是从单一路径到达的，而是多条路径来 的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同因而各条路径来的反射波的l 达 时间不同，相仿也就随之备异；不同相位的多个信号在接收机端叠加，同相叠加则增强，反 相叠加则减弱。这样，接收信号的幅度将发生急剧变化即衰落( f a d i n g ) 。由f 这种衰落是 有多径引起的，因此称之为多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 这样的信道称为多径衰落信道。多 径衰落是在无线环境中进行可靠传输的最主要障碍f 1 7 】。 为了针对多径衰落信道的特性研究新的主流技术。我们先对信道的衰落特性进行时域和 频域的分析。由于多径效廊引起的在时域上信号波形展宽，定义为时延扩展( t i m ed e l a y s p r e a d ) a 。同时由于当移动台丧移动中通信导致的多普劲效麻引起在频域上信号额谱展宽， 成为多酱勒频移( d o p p l e rs h i f t ) f 。时延扩展希f 多酱勒顿移都是影响传输信号衰落一致 j ，) 性的关键原因，我刺知道，如果传输信号在信道中的衰落致，则很容易在接收端通过均衡 等手段进行补偿，从而抵消信道衰落恢复原始信号， 时延扩展与信道的相关带宽f c o h e r e n tb a n d w i d t h ) 成反比，决定了信号通过信道时， 频域的衰落致性。与传输带宽人r 相荚带宽，造成频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g ) ：反之信号经历1 颤率选择性衰落f f r e q u e n c yn o n s e l e c t i v ef a d i n g ) ，后者疋称为 中固科学技术尺学硕 1 毕业论上 景柬移动通倍系统中丁o f d m 最统方案的研究 f 坦衰落( f l a tf a d i n g ) 。多酱勒额移与信道相关时间f c o h e r e n tt i m e ) 成反比相关时间是 指信逋特性傈符不变的持续时闻。如果信号传输间隔人r 相关时间，删造成时闻选择性衰落 ( t i m es e l e c t i v ef a d i n g ) ：反之，在相天对目内信号经历怍时间选择性衰落( t i m e n o n s e l e c t i v ef a d i n g ) ，多誓勒频移跟载波孝i ! 率和移动台运动速率有荚屿信号传输速率较 高时，即码元周期r 较短，可以觅得条件满足，。上使得传输信号遭受的衰落是作时间 ”t 选择性的。认为信道是静态或者准静态的。但当信号传输速率越高信号带宽越宽，删越容 易发生频率选择性衰落，容易形成码间干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e f e n c e ，i s i ) 。所以在高速数 据传输业务中i s i 是急需解决的问题之一， 1 3o f d m - - 一未来移动通信中的主流技术 如前所述，庄无线通信中，高速数据速率业务的处理是非常麟手的问题。因为当码元速 率较高时信号带宽较宽，由于信道的时主芷扩展，容易造成接收信号的前后码元的交稿，产 生信元间干扰。多载波调制方法可以将信道分为多个子信道，降低信道带宽，庄每个子载波 上信道可看作是平坦衰落的使得在每个f 信道中传输的信号在相芙带宽范同内，因此可有 效避免信元间干扰。上e 交频分复用( 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 ，o f d m ) 是多载波调制的一种特殊形式。其主要思想是将串行的数据流串并转换成比特速率较低的n 个并行支路，每个支路再调制在个子载波上，最后台成输出。这些子载波可通过选择恰当 的载波间隔使它们相互正交，因此允许子载波的频谱重叠。由f 载波间的正交性，在接收机 中仍能将干载波分开。o f d m 技术通过把信道分隔为窄带平坦衰落子信道，比单载波系统 更抗频率选择性衰落。另外，o f d m 的各子载波间有重替部分，且不需要保护带，这很犬 程度地节约了原本就紧张的频谱资源。并且o f d m 技术为移动通信系统中自适应链路技术 提供了更犬的发展空问。针对不同用户由f 在频域上o f d m 技术相当于将宽带信号划分 为n 个窄带信号传输可以通过对信道衰落的估计找出畸变较小的频谱范围用来传输用户 数据。或者针对用户传输速率耍求和不同载波的信道情况阐整编码调制方式。这些都是 o f d m 技术在移动通信信道中应用的优势所在。 庄移动通信领域，o f d m 技术被麻辟j 到来来移动通信的f 行链路中，实现高速传输， 己逐渐成为首要选择。但o f d m 方式能不能应j _ 到蜂窝移动通信系统的上行链路中，以及 怎样应用刮上行链路中还有不同的认识和值得深入研究的内容【1 7 】。在本论文中，作者针 对在未来移动通信系统中上行链路廊用o f d m 技术的闻题总结了当前对上行o f d m 系统 方案的研究，对上行o f d m a 系统进行于信道动态分配算法的研究。提出一一种实用性的上 行o f d m 系统资源分配策略，在此基础上提出了一种定时控制的同步分组o f d m 系统方案， 并对此疗案进行仿真分析， 1 4 论文的主要内容及安排 本论文共分无章： 第誊绪论，简要介绍术米移动通信系统发展概况，引峙；未来移动通信系统的t 流技 术一一o f d m 。 第一蕈是o f d mt - a t 系统方案综述，卜 “o f d m 技术调制原理和系统设计原理总结 巾圆科学技术：学硕卜毕业论上 4 束束咎动) 砬信系统中卜行o f d m 系统方襄的埘f 究 尚前已有的l 行0 f d m 系统研究， 葛一毒对k 行o f d m a 系统进行理论分昕，提 5 肄自适麻资源分配策略，并进行仿 真验证性能。 第殴奄摹下第章的分配策略，提出一种完整t 行方案_ 一定时控制的同步分组o f d m e 行系统方案片进行系统级仿真测试。 第r 章是论文总结， 中犀科掌技术欠学硕i 一毕啦论文 晨米移动通信系统山卜行o f d m 系统方巢啪 究 第二章上行o f d m 系统方案综述 2 1o f d m 技术综述 2 1 1引言 o f d m 的历史要追溯到6 0 年代中期当时rw c h a n g 发表了荚f 带限信号多信道传输台 成的论文。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道间干扰( i c i ) 和信元间 干扰( j s i ) 的原理。此后不久s a l t z b e r g 完成了性能分析 1 8 】。他提出“漫计个有效并行系 统的策略应该是集中在减少相邻信邀的交叉干扰f c r o s s t a l k ) 而不是完成单个信道，因为前 者的影响是决定性的”，对o f d m 作主要贡献的是w e i n s t e i n 承l e b e r t 在1 9 7 1 年的论文f 1 9 1 ，用 离散付立叶变换r d f t ) 完成基带调试和解谰。这项1 作不是集中在完善单个信递而是旨 在引入消除子载波间干扰的处理方法。为，抗i s i 飘l i c i 他们在时域里的信元和升余弦窗之 间用了保护时间但存一个时闻弥散信道上的子载波间不能保证良好的l e 交性，另个主要 贡献是p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年的论文【2 0 1 引入了循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的概念，解决了正 交性问题。他们不用空向保护间隔，而是用o f d m 信元的循环扩展来填充这可有效地模拟 一个信道完成循环卷积，这意味当c p 大f 信道的脉冲响应时间( 即信道的最大延迟扩展) 就 能保证子载波间的正交性，虽然加入c p 也同时带来了能鬣损失，但是相比1 二其所获得的几 乎是零的i c i ，还是值得的。 o f d m 因其具有良好的抗干扰能力以及频谱利用率高等优点。已经广泛应用丁广播通 信、无线扁域网通信以及接入通信等领域。在欧洲，数字音频广播d a b ( d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) 和数字陆地视频j 1 播d t v b ( d i g i t a lt e r r e s t i r a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 两种数字 广播服务系统已经采用o f d m 作为调制技术，另外庄无线宽带通信系统中，欧洲电讯标 准化协会e t s i 制定的高性能局域网协议h i p e r l a n 2 ( h i g hp e r f o r m a n c el o c a la r e an e t w o r k s l 和i e e e8 0 2 ，11 a 都选择了o f d m 作为调制技术，o f d m 还被无线多媒体接入通信m m a c ( m o b i l em u l t i m e d i aa c c e s sc o m m u n i c a t i o n ) 标准麻用。 2 1 2o f d m 调制原理 o f d m 凋制原理就是应用离散寓利叶反变换( i d f t ) 将串行复信号调制到i ：i = 交f 载波 上并行传输，如图2 1 所示， 中国科学技求上学硕卜毕q k 论z 未来移动通信采统申r 竹o f d m 系统方案的掰f 完 9 2 2 9 t 一, 图2o f d m 凋制器 矗。，d i ，d 是调制器的输出复信号对此n 个复信号做i d f t ，得到n 个 输出复信号s 。( 卅= 0 1 ，n 一1 ) ，为。个o f d ms y m b o l 。 晶：艺以e x p ( i ，2 。等) ：芝d 。p ( ，2 矾 ( 2 1 ) 六= 斋，。m t t 。是原始信号时域s y m b o l 民度n 是子载波个数t2 n t 。是时域o f d ms y m b o l 跃度。由式2 1 可以看到o f d m 调制将原始数据惆制到中心频率为 z = 焉 ，门= o ，一l 的n 个子载波上叠加发送t 子载波间隔为土t ，图2 2 清楚地给出 了o f d m 螭制中备子载波之间的额域正交性，每个子载波的峰值点正是其他子载波的零值 中困科学技术 学硕卜毕业论z 术瘊转功通信系统中卜什o f d m 番统方蹇韵研究 o8 o6 o4 02 o 出2 _ 642 0246 n o n t i a l i z e dfr e q u e n c y 胙n 一 图2 2o f d m 备子载波频谱图 2 。1 3 o f d m 通信系统原理 o f d m 是一种可以有敬对抗i s i 的高速传输技术，通过将串行信号进行串并转换剑n 个并行子载波上调制对单个子载波来说，相当f 信号速率降低rn 倍，码元周期扩人r n 倍相对时延扩展减少n 倍，这就使得系统在不降低传输速率的情况卜f 抗i s i 能力增强了 n 倍。为了完全消除l s i ，可以选择在每个o f d m 符号前加保护间隔( g u a r d t i m e ) t z 同时为了抵抗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 ) ，在保护间隔内加循环前缀( c p ) 可以保百e 子 载波间的正交性。 o f d m 通信系统基本框图见图2 3 。+ 个o f d m 系统的设计重点在下对以f 系统参 数的设计。 平固科学技术上学硕 + t # 业论之 l，口芝一o#一口on|町e_ioln 未来移动通信系统中上行o f d m 系统方案的研究 一一一一，f 一+ 5 e r l a lt o e n c o d e | m o d u l a t ehp a r a 】1 e 1i f f t i 。_ _ l 一 c o n v e r t e r 卜呻一 + _ 掣_ h 叭 图2 3o f d m 通信系统基本框图 1 。保护j 可膊( g u a r dt i m e ) 在o f d m 帧中添加保护间隔的目的是为了彻底消除多径时延带来的i c i 和i s i ，在保护 间隔内并不传递任何附加信息，而只是将一个s y m b o l 内后面的信息复制到前面来使得发送 信号周期化，即加循环前缀( c p ) 来保证正交性。所以保护问隔的存在导致了信噪比( s n r ) 的损失，但相对于消除了i c i 和i s i ，保护间隔的开销还是值得的。 图2 4 是关于保护间隔丁g 选择的原理。如图所示，当所有多径的时延都小于丁。，由 多径时延造成的信元延迟叠加，相邻信元之间不会交叠；而当某径时延大于丁g 时，相邻信 元之间会交叠，从而产生i s i a 所以必须选择l 。在实际系统中，通常取丁。为2 - 4 倍 的展大时延扩展。 m u l t j p a t hc o m p o n e n tt h a td o e sn o tc a u s ei s m u l t i p a t hc o m p o n e n tt h a tc a u s e si $ 1 图2 4 保护间隔消除i s l 的原理图 中国科学技术大学硕士毕业论文9 黧一 h 协 束柬移动通信系巯中卜 于o f d 岍系统方塞的研究 2 信元羼期( s y m b o ld u r a f i o u ) 为r 减小晦保护间隔带来的s n r 损耗，一个o f o m 信无周冀吁必须比保护间隔长诈鼠 越长越空f 。咀是信元罔鲻的增加就意味着子载波数日的增加，同时带来系统复杂度的增加， 实际系统中逋常信元扁f ! ：f f 至少是保护间隔的5 倍， 3 。 子载波数f n h m b e ro fs o bc s r r l e r s 当信元周期t 确定后，则子载波间隔也确定了，为亍1 。f 载波数目n = w 亭，w 是可 用信道带宽。 4 调制和编码方式的选择 m o d u i a t i o na n dc o d i n gc h o i c e s ) 惆制和编码方式的选择，首先依赖丁i 一个o f d ms y m b o l 要携带多少比特信息，其次 还耍依赖下标称误码率的要求。 眚以上系统参数确定后一个摹本的基带o f d m 通信系统就相应搭建起来了，但在实 际系统中，还有许多问题有待考虑， 2 2 上行o f d m 移动通信系统综述 2 2 1应用综述 虽然o f d m 技术有诸多优点，住来来移动通信的f 行链路中已成为首要选择但其在 上行链路的应用研究目前仍是恳案“ 。应用o f d m 必须保证基站干【i 移动台闻的同步，基站 祁移动台的同步包括时域同步和颇域同步。频域的不同步主要是由多酱勒频移以及收发两端 载波不同步造成的。时域的不同步由各移动台的随机接八时延和所经无线信道的时延造成 的。应用丁f 行的同步算法不能直接用于上行。这是由于f 行相当于点对点通信同步算法 中不需要考虑多用户间的干扰。在上行系统中由于备用户随机接八，各移动用户的正交子 载波彼此间不同步基站接收解阑时容易导致s y m b o l 问干扰。所以在上行链路中应用 0 f d m 、鼹重要的技术即同步。 在频域的同步问题上，【3 提出了一+ 种通过训练序列在基站端进行载波频偏补偿的方法。 而时域的同步方塞。可分为两部分：扔始持获和同步躁踪。目前已有一些针对上行o f d m 时域同步的研究。由r 上行f _ 丹户的随机镁入，初始捕获1 e 常重要。庄【1 中提出了针对初始 时间同步的上行多j = f i 户接入o f d m 系统的随机接入协议。f 8 仲介绍了一种基于导频信号的 多用户0 f d m 上行同步方案。兄外还有对o f d m 上行同步时延和频偏的盲检测方法【6 】。在 f 一章中将对本论文提出的系统方案的同步技术做一一定的介绍。 2 2 2 上行o f d m 系统方案分类 对多用户e 行o f d m 系统来说，住保证同步的前提f 可以有很多种系统方案因为多 出固科学挫术人学砸卜毕业沦上 d 毫米够动通信暴统中 j 亍o f d m 系统7 罐的研究 j ； ；j 户通信系统的性能很尺榉度 ：依赖多j _ _ 1 户接入疗式，昕阻o f d m 技术与不同接八方式相 结合的系统方案研究孚芙重要，不同的方褰卞要是指o f o ”o 不同多矾方式的结合钟类如r ， 0 f d m 与c d m a 的结合；0 f d i 与p d n a 的结合：0 f b m 与f d , i a 的结合：0 f d m 与s d t a 的结合以及动态 分配于信道的所谓0 印舭疗式。f 面将分5 ； f 介鲥这蝗系统疗案， 2 2 2 1o f d m - - c d m a 方案 种基1 二c d m a 和o f d m 相结合的系统提案近来在研究领域中引起了很多的关注【9 】。 这种系统被称为多载波码分多址m u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) ，它结合了o f d m 和 c d m a 两者的优点。m c c d m a 系统方案中多用户根据不同的正交扩频码字来区分 9 】。 个m c c d m a 发射机_ _ j 给定的扩频码在领域内扩展数据信号，也就是，每个信号码 片由不同的子载波发送。基本的m c c d m a 发射机框图如图2 6 所示。荏m c c d m a 发射 机中，输入数据流经串井转换后，得到宽度为p 的符号流。每个数据符号由扩频玛扩频， 扩频码 乏为k 。总的数据f p k 1 ，用o f d m 于载波调制后并行发射。对o f d m 发射机来说， 即共有p k 个正交子载波、其中每k 个子载波传送。个c d m a 码片一个o f d ms y m b o l 内传送p 个原始用户数据。 母 s e d a i t o i d f t p a r a l l e f o 图2 6m c ，c d m a 发射机 庄l v l c c d m a 接收机中、对麻于接收到的多用户数据。危做p x k 点f f t 。碍副时域多 j ：i _ l 户蠹加信号，再通过不同的用户扩频码解扩，解出各j _ l ； 户数据通过并串转换得到个 o f d ms y m b o l 内的p 卜腰户数据，基本的m c c d m a 接收机框豳如图2 7 所示， 中固科学技术_ 掌硕 毕业论艾 上艇移功通信幂统中f i 行o f d m 系统方集的研究 5 g n a i 1 ；薯 f f t ：ip a r a f t e ft o i s e ia i ：二3 j 图27 m c - c d m a 接收机 与单纯的d s c d m a 系统相比o f d m 与c d m a 结合的系统有很多的优点。发射的数 据符号持续期远大于d s c d m a 的码片持续朗，这就使得同步f + 作更加容易。如果有充分 的保护间隔采用r a k e 合并的多路矫j _ ： = 就不需要了。m c c d m a 系统提供f i e = i 有的频率分 集，因为一一个数据符号被扩展到更宽的频域，在这个频域上是独立衰落的，可以在解扩前使 用分集合并器以提高系统的衰落性能。但是此系统方案能提供的峰值速率不高，灵活性较差。 2 2 2 2o f d m - - f d m a 方案 目前研究最多的麻该是o f d m f d m a ( 频分多址) 上行方案。此系统利用分配给用户 不同的子载波来达到频分多用户的目的。 2 中提出了一种低复杂度的o f d m f d m a 上行发 射机结构，图2 8l 所示为通用的用户数据各自进行扩展的o f d m f d m a 上行基带系统模 删。其中展宽模块根据不同需要可以使用不同正交码例如w h ( w a l s h h a d a m a r d ) 码因其 码值仅为“+ l ”、”一1 ，可以降低计镡复杂度，而在 2 v e 提出的系统低复杂度模犁是在此模璎基 础e ，利用d f t 变换矩阵为展宽正交码，并对每用户数据等距地分配子载波，再进行o f d m 的i d f t 变换。这种结构就等效予直接将用户编码调制后的数据加循环前缀( c p ) 发出来的 简化发射机结构，如图2 8 2 和图2 8 3 。但此方案对确定的用户数分配同定的子载波缺少 灵活性。 中困科举技术走学卿! 卜毕业论文 2 未来移动通信系统中上行o f d m 系统方案的研究 移动终端 基站 图2 8 1 用户数据各自进行扩展的o f d m f d m a 上行基带系统模型 一堕臣 懂吲器围g 珠睁 图2 8 2 在所有子载波上进行d f t 扩展的o f d m 发射机 广 一编码+ 交织- 图2 8 3 简化的实际o f d m 发射机结构 图2 8 一种使用d f t 扩展矩阵的o f d m - f d m a 上行系统 2 2 2 3 o f d m - - t d m a 方案 多载波传输技术( o f d m ) 还可以与( t d m a t d d ) 多址方案相结合 1 0 。这种系统方案 模型与o f d m 基本模型致，多用户之间通过不同的时隙来区分用户。在频域上，整个信 道带宽分配给每个用户，在时域上，将时间划分为时隙，分配不同的时隙给不同的用户。即 在任意时刻，每个o f d ms y m b o l 中传送的都是一个用户的数据，每个o f d ms y m b o l 中所 传送的用户数据量根据每个削户要求是可变的。这样也可以在通信过程中，将畸变较人的子 中国科学技术大学硕士毕业论文 南由胃一 至 术米够动通信系统中竹o f d m 系统方罐的硪宄 载波弃置不嘲从而提高性能， 但o f d m t d m a 系统采研澍定的资源仔妮方式，即将时隙内的所存f 载波分配给个 用户或者侄不同的时隙中给用户分配耐定的f 载波。这种吲定的分配疗式虽然简单，算法的 复杂胜，j 、， 口同时系统的性能也最等，冈为在实际的信遘环境中不同的时间对r 不同的f 载 波来说所经历的衰落是不同的嘟定的分配方式不能适廊这种变化，往不同时刻周定分配给 用户的子载波l 可能已经不能满足用户传输业务的需求造成了f 载波的浪费。 2 2 2 4o f d m - - s d m a 方案 o f d m 与s d m a ( 空分多址) 联合应用方案f 4 5 1 ，也是一种o f d m 多用户系统方案。此 方案利明自适应天线和波京成型技术。在同个小区内，假设用户的数据在所有的子载波上 发送，任用户空间可分隔的情况f ，可以分配不同用户相同的子载波。住个子载波上空间 可分隔是指不同的用户共享这个子载波且在备自接收端的信干比要求被满足。在无线频谱资 源日薷紧张的情况f ，这种联合空间和频域的分配方式，最大程度地复用了f 载波，提高丁 频谱资源的利用率。 此方案系统模硝如图2 9 ，如图可见这种方案每个移动终端都使用o f d m 全部子载波， 通过备移动终端在空间的可分性，在基站端进行多天线接收，利用最小平方均衡器来解出各 用户数据。但是此方案系统的接入能力跟基站端天线数目相关，对要求接入能力较强的系统 有局限性。 中囝科学拉术j i 、学颇卜毕业论上 图2 9 1 时域系统模刑 y 【1 】 y 、 ， y f 1 1 y 。 n 1 来来移动通信系统中上行o f d m 系统方案的研究 x 1 】 x 1 【】 【1 1 【 厶爪 用户 嗣。 棚慕鬈1 i 【】 弋7 少 硝。l 一鲫】 基站 x 米 用户u 硝。【嘭黹训】 口 7 w 2 2 2 4o f d m a 方案 图2 9 2 额域系统模型 图2 9o f d m s d m a 系统模型 少 1 】 y 【j v 】 y 。 1 1 y 】 o f d m 技术既可以孽纯用于调制信号，也可以用作多用户系统中的多址接入技术。针 对多用户通信，在运_ l _ | jo f d m 作为调制方式的通信系统中，除了与传统的c d m a 、t d m a 、 s d m a 和f d m a 相结合，还有一种可自适应调节子载波分配的o f d m a 接入方式。此接入 方式利用o f d m 帧中各子载波之间的正交性，分配给各用户终端正交的子载波组进行通信。 目前针对子载波的分配算法已有不少研究。虽然算法有不同的具体实现方式，但自适应的子 载波分配算法都是基于估计的信道信息( c s i ) 和用户q o s 要求做出分配，从而使整个系统 的接入能力和系统容量都达到最优f 1 i - 1 4 。 o f d m a 上行系统框图如图2 1 0 。o f d m a 系统目前是o f d m 多用户系统研究的热点， 因为这样的系统结构既保持了o f d m 系统具有较高数据传输速率、频谱利用率高的优点， 又能根据各用户不同业务的要求。灵活分配子载波，使系统有较大的速率变化范围。 l 厂1 瞄h 儿竺1 “8 。1 黑粉 习| 窑勰i l 一j c o j | v er t e 7 中国科学技术大学硕士毕业论文 1 鬻w t parallel- k 叩。r l 。 黼篁 j ”1 ；j 哑： r e c e i v e r 图2 1 0o f d m a 系统框图 i 未来移动通信系统中i ：行o f d m 系统方案的研究 2 2 30 f d m 上行系统方案小结 下面我们从信号空间的角度来分析各种o f d m 上行系统方案，各种上行多用户通信系统 的信号空间分配如图2 1 l 所示。我们可以把信号空问认为是一个四维矢量空间一一时间，频 率，编码，空间。s d m a 系统中每个用户信号在空间这一维上相互正交，即可通过在空间的 正交性来区分各用户数据。由于四维空间图难以在平面展现，下面我们通过频域、时域和正 交编码三维来说明在运用o f d m 技术的系统中各种上行方案的信号空间分配。 图2 1 1 多用户系统信号空间分配 首先，我们可以对o f d m 信号进行时频分析，一个o f d ms y m b o l 在频域上可以分成n 个正交分量( 由n 个正交子载波区分) ，在时域上可以按时隙分成m 个正交分量( 按不交 叠的m 个时隙区分) 。我们将在一定发送时间内的整个带宽上的o f d m 信号分成n x m 个 时频格。在o f d m - - f d m a 系统中。上行不同的用户信号在整个发送时间内占用不同的子 载波区域，如图所示，在时域占用整个发送时间，在频域占用带宽的某一部分。在o f d m t d m a 系统中，每个用户占用整个带宽上的某个时隙内的所有时频格。而o f d m c d m a 系统中，每个用户占用整个时频空问内的所有时频格，但靠不同的正交扩频码在编码空间中 区分各用户信号。以上这些系统方案用户信号在信号空间的分配是固定的，这样的系统复杂 度较低。但这些系统没有充分利用o f d m 技术带来的可扩展自适应性能，由于o f d m 系统 通过正交子载波将整个信道带宽划分为带宽更小的子信道，使每个子信道上的衰落是独立 的，那么可以充分利用不同子信道上的衰落情况不同来得到最佳的多用户信号分配方案。在 中国科学技术大学硕士毕业论文 1 6 米来移葫通俯系统中】。仟o f d m 系绩疗鬃的讲究 o f d m a 系统中每个用户分配的时颧格是动态的可以根据信道信息和j ；f j 户o o s 要求动 态政变，所以我们提f h 的o f d mr 行系统摹fo f d m a 接入r 一誊将具体介蜊 行 o f d m a 系统的容量以及系统优化资源配置， 中围摹 学技术夫学硕l 毕啦论之 7 点来移动谴信系统中r 竹o f d m 系统方案的研完 第三章上行o f d m a 系统的自适应资源分配策略 3 。1引言 由t 章对j 二行o f d m 系统的介绍，我们知道从资源分配角度，多埔户接入方案是多用 户上行0 f d m 系统最重要的技术。由丁移动信道的时变性，以及备用户与基站之间信道的 相对独立性，使得在单载波通信系统中r 泛廊用的各种静态的多址接入技术都不能充分利 用信道资源，带自适席子载波、比特和功率分配的最优多用户of d m 接入技术应运而生 这就是o f d m a 技术f 2 1 。因此我们提出的上行o f d m 系统采用动态分配子载波的o f d m a 方案，在本章中先从系统容_ 照的角度八手对上行o f d m a 上行方案进行理论分折爵通 过仿真给出o f d m a 在上行麻用的性能。 3 2o f d m 多用户上行系统容量 3 2 1o f d m a 系统参数 对一个多用户o f d m a 通信系统，改定系统参数如f ：信道带宽bh z ，i e 交子载波