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四川大学硕1 ：学位论文 o f d m 系统中的信道估计技术研究 通信与信息系统专业 研究生：郑研新指导教师：徐家品 本文在介绍了o f d m 技术的基本原理、实现方法和关键技术，以及移动无线 信道的特性的基础上，重点对在新一代无线通信系统o f d m 系统中的基于导频信 道估计方法进行了分析和研究。o f d m 系统的信道估计技术主要分为盲估计和非 盲估计，采用基于导频的非盲估计能够取得较好的性能。对信道估计常用的几 种准则，如l s ，删se ，m l 准则进行了分析比较。 笔者基于对信道的有限传播延迟的确定性模型( 与信道的频率相关性相连 接) 的考虑，提出了低复杂度的m l 信道估计算法。该m l 估计器可以解释为 信道频率响应的一些初始估计到时间域的翻译，随后是该信道脉冲响应的线性 转换以及频率域的重新翻译。结合涉及到的部分( i ) f f t 和小加权矩阵，从而 从这种时频解释中得出了低复杂度算法。并将这种方法扩展到导频符号辅助调 制( p s a m ) ，与限制性最小平方( c l s ) 解决方法连接起来。 笔者建立了基于m a t l a bs i m u li n k 平台的o f 叫系统的仿真模型，并通过仿 真对本文提出的札算法和传统方法的性能进行了比较。结果表明，这种算法与 传统的信道估计方法相比，可以保持良好的性能，而复杂度却大大降低。 关键词：正交频分复用( o f d m ) 信道估计最大似然( m l ) 估计 移动通信无线信道 四j 1 1 人学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ec h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u e f o ro f d m s y s t e m m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s t u d e n t z h e n gy a n x i n t u t o rx uj i a p i n a sam u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ( m c m ) t e c h n i q u e ，t h eo r t h o g o n a l 行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 ( o f d m ) h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sm i t i g a t i o n o f m u l t i - p a t hd i s t o r t i o n ，l o w - c o s to ff r e q u e n c y d o m a i n r e s o u r c e ，t h es t r o n ga b i l i t yo f t h er e s t r a i no fi c i ，a n ds oo n s oi ti sw i d e l ys t u d i e di nr e c e n ty e a r s t h et e c h n i q u e o f c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e si no f d ms y s t e m t h ep r i n c i p l ea n dm a i nt e c h n i q u e so fo f d ms y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r f i r s t l y s u b s e q u e n t l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ef o r o f d m s y s t e m s t h e n ，al o w c o m p l e x i t ym l o f d mc h a n n e le s t i m a t o ri sp r o p o s e d i tr e l i e so na d e t e r m i n i s t i cm o d e l ( i 。e r i os t a t i s t i c a li n f o r m a t i o no nt h ec h a n n e l ) t h a tt a k e st h e f i n i t ed e l a ys p r e a do ft h ec h a n n e li n t oa c c o u n t ，w h i c hi sl i n k e dt ot h ef r e q u e n c y c o r r e l a t i o no ft h ec h a n n e l o u rm le s t i m a t o rc a nb ei n t e r p r e t e da sat r a n s l a t i o no f s o m ei n i t i a le s t i m a t eo ft h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h ec h a n n e lt ot h et i m ed o m a i n ， f o l l o w e db yal i n e a rt r a n s f o r m a t i o no ft h i sc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，a n d r e t r a n s l a t i o nt ot h ef r e q u e n c yd o m a i n t h i si n t e r p r e t a t i o nl e a d st ol o w - c o m p l e x i t y a l g o r i t h m s ，d e r i v e db yc o m b i n i n gt h ep a r t i a l ( i ) f 胁i n v o l v e da n d as m a l l w e l g h t i n gm a t r i x k e yw o r d s ：o f d m c h a n n e le s t i m a t i o nm l m o b i l ec o m m u n i c a t i o n r a d i oc h a r m e l p u 川大学顿i ：学位论义 1 1 移动通信的发展状况 1 1 1 移动通信发展历程 第一章绪论 1 1 t 1 第一代移动通信技术( 1 g ) 主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术。由于受到传输带宽的限 制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。 1 1 。1 2 第二代移动通信技术( 2 g ) 第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转 变。主要采用的技术是数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多址( c i ) m a ) 技术， 主要业务是语音，其主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。它克 服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行 省内、省际自动漫游。但由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据 业务的应用，也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。 1 1 1 3 第三代移动通信技术( 3 g ) 第三代移动通信的概念最初由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，后币 式命名为i m t 一2 0 0 0 ，并于2 0 0 0 年5 月( r a 一2 0 0 0 ) 最终通过了第三代移动通信 无线接口标准，被正式命名为i m t 一2 0 0 0 无线接口技术规范。 此规范包括码分多址( c d m a ) 和时分多址( t d m a ) 两大类共五种技术，其 中c d m a 被公认为主流技术。它包括两种频分双工( f d d ) 技术和一种时分双工 ( t d d ) 技术，分别为i m t 一2 0 0 0c d m a d s ，i m t 一2 0 0 0c d m a m c 和i m t - 2 0 0 0 c d m a t d 。 l _ i m t 一2 0 0 0c d m a d s ，对应w c d m a 技术，是由欧洲和日本最早提出的，其 四川大学硕= l 学位论文 核心网基于演进的g s m 网络，空中接口采用直接扩频( d s ) 和宽带c d m a 。这种 方式得到欧洲，北美，亚太地区的g s m 运营商和同本，韩国运营商的广泛支持， 是第三代移动通信最有竞争力的技术之一。 2 i m t 一2 0 0 0c d m a m c ，对应c d m a 2 0 0 0 技术，是由北美最早提出的另一种较 具竞争力的第三代移动通信技术，其核心网络采用演进方式的i s 一9 5 c d m a 的核 心网络能与现有的i s - 9 5c d m a 向后兼容。其单载波形式c d m a 2 0 0 0 - - i x 采用与 i s 一9 5c d m a 相同的带宽，但容量可相对提高一倍，且所支持的最高业务速率可 达1 4 4 k b i t s 。c d m a 2 0 0 0 - - i x 技术得到北美和亚太地区i s 一9 5 运营商的广泛支 持。 3 i m t 一2 0 0 0c d m a t d 为时分双工( t d d ) 的c d m a 技术，它包括中国提出的 t d s c d m a 技术和欧洲提出的t d - c d m a 两种方式。由我国提出的t d s c d m a 由于 采用了智能天线和上行同步技术，具有大容量，适合不对称数据传输的潜在优 点而受到重视。 与l g 和2 g 相比，3 g 将有更宽的带宽，其传输速度最低为3 8 4 k ，最高为 2 m ，带宽可达5 m h z 以上。不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、 方便的无线应用，如无线接入i n t e r n e t 。能够实现高速数据传输和宽带多媒体 服务。 但第三代移动通信仍是基于地面、标准不同的区域性通信系统。虽然第三 代移动通信可以比现有传输率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需 求。第四代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需求，满足第 三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率 多媒体服务的需要。 1 1 2 第四代移动通信及其性琵 第四代移动通信系统可称为广带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非对 称的超过2 m b s 的数据传输能力，数据率超过u m t s ，是支持高速数据率( 2 2 0 m b s ) 连接的理想模式，上网速度从2 m b s 提高到l o o m b s ，具有不同速率 f b j 的自动切换能力。 第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功能 2 u q 川人学坝t 学位论文 上、频带上都与第三代系统不同，将在不同的固定和无线平台及跨越不同频带 的网络运行中提供无线服务，比第三代移动通信更接近于个人通信。 第四代移动通信技术可将上网速度提高到超过第三代移动技术5 0 倍，可实 现三维图像高质量传输。4 g 移动通信技术的信息传输级数要比3 g 移动通信技 术的信息传输级数高一个等级。对无线频率的使用效率比第二代和第三代系统 都商得多，且抗信号衰落性能更好，其最大的传输速度将是目i j i “i - m o d e ”服 务的1 0 0 0 0 倍。 除了高速信息传输技术外，它还包括高速移动无线信息存取系统、移动平 台技术、安全密码技术以及终端脚通信技术等，具有极高的安全性，4 g 终端还 可用作诸如定位、告警等。 第四代移动电话不仅音质清晰，而且能进行高清晰度的图像传输，用途将 十分广泛。在容量方面，可在f d m a 、t d m a 、c d m a 的基础上引入空分多址( s d m a ) ， 容量达到3 g 的5 1 0 倍。另外，可以在任何地址宽带接入互联网，它包括广 带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络( 基于 地面和卫星系统) 。 4 g 系统可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要 求。用户将使用各种各样的移动设备接入到4 g 系统中，各种不同的接入系统 结合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同的业务的要求， 移动网络服务趋于多样化，最终将演变为社会上多行业、多部门、多系统与人 们沟通的桥梁。 1 1 34 g 系统网络结构及其关键技术 4 g 移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。 物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。 中阳j 环境层的功能有o o s 映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中问 环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变 得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能 自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服 务。 四川大学碳小学位论义 第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输：抗干扰性强的高速接入技 术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线： 大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构 协议等。 第四代移动通信系统主要是以正交频分复用( o f d m ) 为技术核心。o f d m 技 术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能 力，可以提供比目前无线数据技术质量更高( 速率高、时延小) 的服务和更好 的性能价格比，能为4 g 无线网提供更好的方案。例如无线区域环路( w l l ) 、 数字音讯广播( d a b ) 等，都将采用o f d m 技术。4 g 移动通信对加速增长的广带 无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内和室外的多 种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提供用户所 需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频 谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以 傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信将向数据化，高速 化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动i p 将成为未来移动网的 主流业务。 1 2o f d m 系统的发展状况 正交频分复用技术( o f d m ) 的应用已有近4 0 年的历史，第个o f d m 技术 的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数 据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音 频和视频领域己得到广泛的应用。主要的应用包括：非对称的数字用户坏路 ( a d s l ) 、e t s i 标准的音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 等。1 9 9 9 年 i e e e 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 g h 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。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e r i c s s o n 、n o k i a 和w i - - l 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。现在o f d m 论坛的成员已增加到4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。 四川大学硕士学位论文 我国的信息产业部也已参加了o f d m 论坛，可见o f d m 在无线通信的应用已引起 国内通信界的重视。 2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城 域网委员会提交了一份建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网 的物理层( p h y ) 标准。随着i e e e 8 0 2 ，1 l a 和b r a n h y p e r l a n 2 两个标准在局域 网的普及应用，o f d ) “技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重 大贡献。o f d m 由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随 着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线 接入领域将越来越得到广泛的应用。 正交频分复用技术( o f d m ) 是一种多载波数字调制技术，虽然o f d m 的概念 已经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体业务的发展，它才被人们认识 到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。随着d s p 芯片技术的发展， 傅立叶变换反变换、高速m o d e m 采用的6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 技术、栅格编码技 术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技 术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发o f d m 技术在移动通信领域 的应用，第三代以后的移动通信的主流技术将是o f d m 技术。 1 3 论文的安排及主要工作和贡献 第一章，绪论。 第二章，o f d m 系统的基本原理。包括基本模型，实现方法，循环前缀和保 护间隔的使用等；随后分析了o f d m 系统的优缺点，概括介绍了o f d m 应用的几 项关键技术。 第三章，移动无线信道基础。 第四章，o f d m 系统中的信道估计技术。介绍了o f d m 系统中信道估计的意 义和分类，分析了o f d m 系统信道估计的几种常用准则( l s ，m m s e ，m l ) ，重点 对基于导频的信道估计方法作出了总结和分祈。 第五章提出了低复杂度的m l 估计算法，并将其扩展到p s a m 和频谱成形系 统。通过理论分祈和仿真表明，这种方法减少了运算量，降低了复杂度，同时 四川大学硕j ：学位论文 也可以保持比较好的性能。 第六章对全文进行了总结。 四川大学硕斗：学位论文 第二章0 f d m 的原理与关键技术 2 10 f d m 的基本原理 人们采用相干时间或d o p p l e r 带宽来描述信道的时变特性，采用多径时延 扩展或相干带宽来描述信道的多径特性。在小于相干时间的时间范围内，可以 将信道看成线性时不变系统；而如果信道带宽小于相干带宽，则可以认为该信 道是非频率选择性信道，其所经历的衰落是平滑衰落，即所有的频率成分所经 历的衰落情况是相同的。这样就可以得到一个简单而又较为符合实际系统的研 究模型。 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分 配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号 周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时问弥散 性对系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护问隔，令保护 间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除出于多径而带 来的符号间干扰( i s i ) 。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避 免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 2 1 10 f d m 系统的基本模型 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子 载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调$ ! j ( q a m ) 符号的调制。如果n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，d i ( i _ o ，1 ，2 ，n - 1 ) 是分配给每 个子信道的数据符号，是第i 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = l ，i t i 耋t 2 ，则从 t _ 开始的o f d m 符号可以表示为1 ： 必大学颂= i ：学位论文 一l s ( t ) = r e z d ，r e c t ( t t ，- t 2 ) e x p i j 2 ，r | j ( t - t 。) 】) t s t t s + t ( 2 1 ) j 0 s ( t ) = 0t t + t s 在多数文献中，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见 式( 2 2 ) 。 n 一1 s ( f ) = d ，r e c t ( t t 。一t 2 ) e x p j 2 x t ( t f ，) 】 t s t t s + t ( 2 2 ) z = 0 s ( t ) = 0 t t + t s 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际系统中 可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和 合成的o f d m 符号。图2 1 1 中给出了o f d m 系统的基本模型，其中2 + i 厂r 。 图2 1o f d m 系统的基本模型 d 匝珥一 在图2 2 中给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中所有的 子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式， 每个子载波的幅值和相位都可能是不同的。从图2 , 2 可以看到，每个子载波在 一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差 1 个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即 五嚣 睁 心川大学颤： 学位论文 即 圈2 20 f d m 符号内包括4 个子载波的情况 1 r r e x p ( j 咄) e k p ( j 吖) 出= 咕；焉 - 3 ) 例如对式( 2 2 ) 中的第j 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分 c i ，圳丁r c x p ( _ 倒叭) 壤吐e x p ( ，2 棚( h 。) 碲 划r 篓吐卜坤( 伽孚c 弘= t 协4 ， 根据上式可以看到，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对 于其它载波来说，由于在积分间隔内，频率差另t j ( i - j ) n 可以产生整数倍个周期， 所以其积分结果为零。 2 1 2d f t 的实现 对于n 比较大的系统来说，式( 2 - 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用 离散傅立叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。为了叙述的简洁，可以令式( 2 2 ) 中的t s = 0 ，并且忽略矩形函数，对信号s ( t ) 以t n 的速率进行抽样，即令 t = k t n ( k = 0 1 ，n 1 ) ，可以得到1 ： 四川大学l i i 士学位论文 = s ( k t n ) = 篓4e 则可2 x i k ) ( 0 k 针1 ) ( 2 - 5 ) 可以看到s k 等效为对d i 进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始 的数据符号d i ，可以对s + 进行逆变换，即d f t 得到： 弘孵等) ( 。i 一 n - 1 ) ( 2 6 ) 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别出i d f t d f t 来代替。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号d i 变换为时域数据符号s k ，经 过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号 s k ，都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子 载波的叠加信号进行抽样得到的。 在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速付立叶变换 ( f f t i f f t ) 。n 点i d f t 运算需要实施n 2 次的复数乘法。而 f f t 可以显著地 降低运算的复杂度。对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为 ( n 2 ) l o g a ( n ) ，而且随着子载波个数n 的增加，这种算法复杂度之问的差距也 越明显。对于子载波数量非常大的o f d m 系统来说，可以进一步采用基一4i f f t 算法来实施付立叶变换。 2 1 3 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 的一个最主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过 把输入的数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波 的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周 期的比值也同样降低n 倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个 o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度几一般要 大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号 造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时 段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道问干扰( i c l ) ，即 川人学顶七学位论文 子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。这种效应可见图 2 _ 3 。由于每个o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号。而且也同时会出 现该o f d m 符号的时延信号，因此图2 3 中给出了第一子载波和第二子载波的 延时信号。从图中可以看到，由于在f f t 运算时间长度内，第子载波与带有 时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一 子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载 波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰1 。 图2 3 多径情况下，空闲保护间隔在子载波问造成的千扰 为了消除由于多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护阔隔内填入循环 前缀信号，见图2 4 。”。 ，自 一 保护保护 i f f ti f f t i f f t 输出 制隔间隔 符号n 一1 ；符毒k i 符n + i 图2 4 加入保护间隔的0 f d m 符号 这种保护间隔是一种循环复制，增加了符号的波形长度，在符号的数据部 必川人学硕一l 学位论史 分，每一个子载波内有一个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的 信号，即将每个o f d m 符号的后t 。时间中的样点复制到o f d m 符号的前面， 形成前缀，在交接点没有任何的间断。因此将一个符号的尾端复制并补充到起 始点增加了符号时间的长度。符号的总长度为t ；= t 。+ t f f t , 其中t 。为抽样的保 护间隔长度，t f 盯为f f t 变换产生的无保护间隔的o f d m 符号长度，则在接 收端抽样开始的时刻t 。应该满足下式： tm a x t x t g ( 2 7 ) 其中tm a x 是信道的最大多径时延扩展，当抽样满足该式时，由于时一个 符号的干扰只会存在于 0 ，tm a x ，当予载波个数比较大时，o f d m 的符号周 期t s 相对于信道的脉冲响应长度- m s x 很大，则i s i 的影响很小：而如果相邻 o f d m 符号之间的保护间隔t g 满足t g tm a x 的要求，则可以完全克服i s i 的影响。同时，由于o f d m 延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数， 时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 2 1 4 加窗技术 由式( 2 1 ) 或式( 2 2 ) 所定义的o f d m 信号存在的缺点是功率谱的带外衰 减速度不够快。虽然随着子载波数量的增加，o f d m 信号功率谱的带外衰减速度 会加快，但即使在2 5 6 个子载波的情况中，其一4 0 d b 带宽仍然是一3 d b 带宽的4 倍。 为了加快o f d m 信号功率谱带外部分的下降速度，可以对每个o f d m 符号进行 加窗处理，使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。经常被采用的窗函数是式 ( 2 8 ) 定义的升余弦窗“”： f0 5 + 0 5 c o s + f 万( 以) ) c o ( t ) = 1 0 1 0 5 + 0 5 c o s ( ( f t 协( 印：) ) 0 f t 风t r r f ( 1 + ) e( 2 - 8 ) 其中，t 。表示加窗前的符号长度，而加窗后符号的长度应该为( 1 + p ) l ，从 而允许在相邻符号之间存在有相互覆盖的区域。 经过加窗处理的o f d m 符号如图2 5 所示。 列川入学颂一l ：学位论文 ! ! 竺：! ! t 蠢i x 丁 t 叩h 豳25经过加窗处理的o f d m 符号 在实际系统中，经过加窗的o f d m 符号的产生过程为：首先，在n 。个经过数 字调制的符号后面补零，构成n 个输入样值序列，然后进行i f 阿运算；将i f f t 输出的最后l 一。个样值插入至t j o f d i v 符号的最前面，将i f f t 输出的最前面t 。 个样值插入至i j o f d m 符号的最后面；接下来，将o f d m 符号与式( 2 8 ) 定义的升 余弦窗函数w ( t ) 时域相乘。最后将经过加窗的o f d m 符号延时t 。与前一个经过 加窗的o f d m 符号相加。由图2 5 可见，由于加窗的影响，相邻的两个o f d m 符号 之间会存在宽带为p t , 的重叠区。其中，1 3 为升余弦窗的滚降因子。 采用了升余弦窗函数之后，可以显著提高o f d m 符号功率谱带外部分的下降 速度。例如，对于6 4 个子载波的o f d m 符号，加入b = o 。0 2 5 的升余弦窗，此时 滚降区域虽然仅占符号间隔的2 5 ，但却可以使- 4 0 d b 带宽减小为未加窗时的 一半。需要注意的是，b 值的选择要适当，选择大的b 值虽然可以大大改善o f d m 符号的频带效率，但同时也会降低o f d m 符号对时延扩展的容忍程度“。 2 1 5 参数选择 在o f d m 系统中，我们需要确定以下参数：符号周期，保护间隔，子载波的 数量。这些参数的选择取决于给定信道的带宽，时延扩展以及所要求的信息传 输速率。o f d m 系统的各参数一般按照以下步骤来确定”： 1 确定保护间隔 根据经验，一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值2 n 4 倍。 2 选择符号周期 考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的实现复杂度以及系 v - q 川人学i i i li 。学位论义 统的峰值平均功率比等因素，在实际系统中，一般选择符号周期长度是保护问 隔长度的5 倍。 3 确定子载波的数量 子载波数可直接利用一3 d b 带宽除以子载波间隔( 即去掉保护间隔之后的符 号周期的倒数) 得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比 特速率来确定子载波的数量。 2 1 6 与单载波传输系统的比较“” 采用o f d m 传输系统的一个主要原因是当信道存在较大的时延扩展时，与单 载波系统相比，o f d m 系统的实现复杂度要低很多。单载波系统的实现复杂度主 要集中于均衡器部分。一般来说，当时延扩展大于数据符号周期的1 0 时，在 单载波系统中就必须要采用均衡器来克服符号间干扰。而在o f d m 系统中，实现 复杂度主要取决于i f f t f f t 的计算的复杂度。 在i e e e8 0 2 1 1 a 标准中，系统的传输方式为具有6 4 个子载波的o f d m ，可以 处理的信道最大时延扩展长度为2 5 0 n s 。当系统的信息传输速率为2 4 m b i t s 时， 如果采用单载波的g m s k 调制解调器来实现以上的信息传输速率，需要具有2 0 个 前馈抽头和2 0 个反馈抽头的判决反馈均衡器来克服信道上的符号间干扰。考虑 n g m s k 信号的解调仅需要复数运算的实数部分，则单载波系统每秒需要进行的 实数运算次数为2 x 2 0 2 4 1 0 5 = 9 6 0 1 0 6 。在o f d m 系统中，每个符号周期 t = 4 p s 内需要进行6 4 点的f f t 运算，如果采用基4 的算法，6 4 点的f f t 将需要9 6 次复数乘法，因此o f d m 系统每秒需要进行9 6 1 0 6 次实数运算。 由此可知，单载波系统的实现复杂度是o f d m 系统实现复杂度的1 0 倍。而且 这种复杂度的差异将随着带宽和时延扩展乘积的增加而显著增加。 删川火学硕士学位论文 2 2o f d m 系统的优缺点 2 2 1o f d m 系统的优势 1 抗衰落能力强。 o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相 应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使o f d m 对脉冲噪声 ( i m p u l s e n o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码， 达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗 力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。 2 频率利用率高。 。 o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分 离子信道的方式，提高了频率利用效率。 3 适合高速数据传输。 o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的 不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当 信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，o f d m 加载算法的 采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。 因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输。 4 抗码间干扰( i s i ) 能力强。 码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪 声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要 传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。o f d m 由于采用了循环 前缀，对抗码间干扰的能力很强。 2 2 2o f d m 系统的缺点 o f d m 技术的不足之处包括以下两个方面 1 对频偏和相位噪声比较敏感。 i ! l i 川大学坝士学位论文 o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之阿严格的j 下交性。 频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1 的频偏就会使 信噪比下降3 0 d b 。因此，o f d m 系统对频偏和相位噪声比较敏感。 2 功率峰值与均值比( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效率较低。 与单载波系统相比，由于0 f d m 信号是出多个独立的经过调制的子载波信 号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来 较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含n 个子信道的o f d m 系统 来说，当n 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率 的n 倍。当然这是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统内的峰均值不会达 到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大 器的功率效率降低。 2 30 f d m 的关键技术 2 3 1 时域和频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与f d m a 、 t d m a 和c d m a 等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与 其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站 向各个移动终端广播式发同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。 在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，j 能保证子 载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域 同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实 现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行同步。 2 3 2 信道估计 在接收端实现解调的方式有两种，非相干解调和相干解调。由于相干解调 的性能优于非相干解调，在实际的移动通信系统中通常采用相干解调。而相干 川大学砸i ：学位论文 检测的性能依赖于信道的状态信息，所以检测器必须对信道的状态进行估计。 信道估计是接收机设计的重要组成部分。 2 3 3 信道编码和交织 为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰 落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以 采用交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统 的性能。 在o f d m 系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集 特性来改善系统性能的，因为o f d m 系统自身具有利用信道分集特性的能力， 般的信道特性信息已经被o f d m 这种调制方式本身所利用了。但是，o f d m 系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成c o f d m 方式。编码可 以采用各种码，如分组码、卷积码等。 2 3 4 降低峰均功率比 由于o f d m 信号时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当这n 个信 号恰好均以峰值占相加时，o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均 功率的n 倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均 功率l e ( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 的o f d m 信号，发送端对高功率放 大器( h p a ) 的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及a d 变换器的线性度要求也很高。因此，高的p a p r 使得o f d m 系统的性能大大 下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技 术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低o f d m 系统p a p r 的方法。 2 3 5 均衡 在一般的衰落环境下，o f d m 系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。 因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而o f d m 技术本身已经利 叫j i i 大学l i i il 学位论文 用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，o f d m 系统就不必再做均衡了。 在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，c p 的长度必须很长，才能够使 i s i 尽量不出现。但是，c p 长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个 数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使c p 的长度适当减小，即通 过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。 州川人学硖i 擘位论文 3 1 引言 第三章移动无线信道 移动无线信道是时变多径信道，如图3 1 所示。 图3 1无线信号在复杂环境中传播的示意图 从微区的移动无线基站向移动台发出的无线信号，在传播过程中不仅受到 陆地传播路径损耗的影响，而且受到城市微区内复杂且时变环境的多径反射、 散射、绕射和吸收的严重影响产生传播信号的衰落。如果在一个时变多径信道 上发射一个非常窄的脉冲( 理想情况下是发一个冲激信号) ，则接收信号将呈现 一个脉冲序列。所以时变多径传播信道的第一个特性就是引起传播信号的多径 时延扩散。第二个特性是由于传播信道的随机时变特性而使得多径也有随机时 变的特性，即所接收的脉冲信号随着时间变化将会出现脉冲幅度大小的变化和 各脉冲之间相对时延的变化，以及接收序列中脉冲数目的变化。由于这种时变 特性对于信道用户来说是无法预知的，因此用统计的方法来表征时变多径信道 是合理的。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从空间、时间和频率三 个方面进行描述。由于移动台随机运动的多普勒( d o p p l e r ) 效应引起的信道频 1 9 心川大学颤l 二学位论文 率色散，造成了传播信道的时间选择性衰落；由于微区环境使信号传播多径时 延引起的信道时间色散，造成了传播信道的频率选择性衰落；无线电波的不同 入射角传播引起的信道角度色散，造成了传播信道的空间选择性衰落。因此在 城市的蜂窝移动无线通信系统中所接收信号的各种选择性衰落与信道中存在 的各类传播色散有着密切的关系，蜂窝移动无线信道也可以看作为衰落色散信 道。从衰落上看时，它是时间一频率一空问选择性衰落信道：而从色散上看时， 它又是频率一时间一角度色散信道。 在这一章中，主要研究的是移动信道的衰落特性，其中包括大尺度衰落特 性、阴影衰落特性以及小尺度衰落特性等。 3 2 移动无线信道中的电波传播特性 在复杂的移动无线通信环境中，电磁波传播的机理是多种多样的，但总体 上可以归结为散射、反射和绕射。在城市的蜂窝无线环境中，由于周围高大建 筑物的遮挡，从发射机和接收机之间很少有可视路径传播信号，到达接收机的 信号都经历了各种障碍物的绕射、反射和散射。因此，接收信号是由各种散射、 反射和绕射信号组成，由于各个信号的传播路径和传播时间不同，它们到达接 收机的时间、幅度和相位也各不相同，这些信号的相互作用造成了瞬时接收信 号相位和幅度的随即波动，这也就是通常所说的多径衰落。多径衰落是移动无 线信道最基本的特性。 文献 1 9 中指出，陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制来表征，这 三种传播机制是报据距离尺度大小来区分的，大尺度的传播机制是用来描述区 域均值，它具有幂定律传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成 反比变化；中尺度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性 的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分稚，通常称为对数正态阴影；最后，小尺度上信号包络的变化是描述多径衰 落的，它通常服从瑞利概率密度函数，因而也称为瑞利衰落。 图3 2 对移动无线信道的衰落特性进行了概括描述。 2 0 心川火学硕士学位论文 移动无线多径衰落信道 l 大尺度嵌落阴影衰落 ll 小