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空时编码o f d m 系统中若干关键技术研究 摘要 近年来，移动通信的发展日新月异。为了适应未来移动通信发展的要求。 人们对下一代移动通信的研究已经悄然兴起。它将能够更好地支持多环境和多 业务，多载波与多天线等技术将在其中得到广泛的应用。其中正交频分复用 ( o f d m ) 技术与多天线技术的结合更是研究的热点。虽然日前仍处于研究阶 段，但长远看该技术很有可能成为下一代无线移动通信系统的核心技术。 由于基于多发射天线的空时编码技术是最近几年提出来的，基本上还处于 理论研究和实验室阶段；o f d m 技术虽然在上世纪七十年代就提出来了，已经 在一些无线领域得到应用，但在移动通信中的应用还有待时日。因而，这两项 技术相结合的空时编码o f d m 技术在下一代移动通信系统中应用时必将面临一 系列需要解决的关键问题。论文将针对空时编码o f d m 系统中的几项关键技术 进行深入研究。 首先，由于空时解码需要接收端知道信道状态信息，因而在空时编码 o f d m 系统中，信道估计是一项不可避免的关键技术。但由于采用多个发射天 线，使得接收端的信道估计变得更加困难。论文针对空时编码o f d m 系统中的 信道估计问题，重点研究了导频辅助的信道估计方法和联合信道估计与符号检 测算法，提出了三种信道估计方法。第一种为采用导频辅助的信道估计方法， 利用导频的取值将不同发射天线间的信道分开，并有选择地对信道进行估计， 从而降低了计算量；第二种为基于多普勒信道模型的信道估计方法，利用时变 多径信道可以模型化为多个时不变多普勒信遵之和的思想对信道进行估计，该 算法简单易行，并且通过迭代系统性能得到进一步提高；第三种为基于k a l m a n 滤波和e m 算法的联合信道估计和符号检测算法，通过k a l m a n 滤波来递归估计 下一时隙的信道，而利用e m 算法检测符号和估计信道，取得了很好的估计效 果。本文对三种信道估计方法的优缺点进行了比较，对每种方法适用的系统进 行了分析。此外，本文还将e m 算法应用到空分多址o f d m 系统中；对在空时 块码编码系统中e m 算法的应用进行了简化，也取得了很好的性能。 其次，对多用户的空时编码0 f d m 系统的性能进行了分析。对空时块码编 码的o f d m 系统提出了m m s e 、改进的m m s e 和m l 三种多用户检测算法； 对空时格码编码的o f d m 系统提出了m m s e 和逐个用户检测的多用户检测算 法。对上述方法分别进行的计算机仿真结果表明，在多用户的空时编码o f d m 系统中，每个用户由于采用多个天线，不仅存在用户间干扰，同时存在天线之 间的干扰，因而不能简单地认为增加发射天线就能改善系统性能。系统的性能 申请上拇交通丈学工学博士学位论文 能否提高，不仅与采用的空时编码方式及接收天线数目有关，而且还和采用的 多用户检测算法有关。 论文还对空时编码o f d m 系统中另一关键技术空时频编码技术做了初步探 讨。对空时块码与o f d m 在时间维和频率维两种结合方式下的性能进行了分 析，并提出了一种自适应选择两种结合方式的系统。在空时码与o f d m 系统的 结合问题上，如果将空时码与o f d m 系统简单地级联并不能达到系统蕴涵的最 大分集阶数。要想达到最大分集和最高的编码增益，需要同时考虑空时频三 维，进行联合编码。论文提出了将空时格码与线性星座预编码相结合的空时频 码，该码的性能受信道衰落快慢的影响较小，可以适用于不同的衰落信道。 论文的最后给出了空时编码o f d m 系统中关键技术的进一步研究方向和展 望。相信经众多专家和学者的共同研究，必将使空时编码o f d m 系统中各项技 术更加完善，更好地应用到下代移动通信系统中去。 关键词：空时码，空时块码，空时格码，正交频分复用，信道估计，多用户检 沏f ，空时频码，e m 算法 i i r e s e a r c ho ns o m e k e yt e c h n i q u e si ns p a c e t i m e c o d e do f d m s y s t e m s a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e v e l o p sv e r yq u i c k l y i no r d e rt os a t i s f yt h e d e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s o m er e s e a r c ho nt h en e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw h i c hc a l ls u p p o s em o r em u l t i p l ee n v i r o n m e n t sa n d p r o v i d em 0 1 em u l t i p l es e r v i c e sh a v eb e e ns p r u n gu p m u l t i p l ec a r r i e ra n dm u l t i p l e a n t e n n a s t e c h n i q u e s c a nb e w i d e l ya p p l i e d i nt h en e x t g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s e s p e c i a l l y ，t h 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 ) c o m b i n e d 、i 血m u l t i p l ea n t e n n a st e c h n i q u e si st h eh o t s p o t a l t h o u g hi ti s s t i l li nr e s e a r c h i n gp h a s e ，i tw i l lb et h ec o r et e c h n i q u e si nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nf u t u r e t h es p a c e t i m ec o d eb a s e do nm u l t i p l et r a n s m i ta n t e n n a sw a sp r e s e n t e di nr e c e n t y e a r sa n di ss t i l lr e s e a r c h e di nl a b o r a t o r y w h i l et h ea p p l i c a t i o no f0 f d mi nn e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l 】t a k eal o n gt i m ea l t h o u 2 量1i tw a s p r o p o s e di ns e v e n t i e si n1 a s tc e n t u r ya n dh a v eb e e nu t i l i z e di ns o m ew i r e l e s ss y s t e m s t h u s ，t h es p a c e t i m ec o d e d0 f d ms h o u l dh a v es o m ek e yt e c h n i q u e sn e e dt ob e s o l v e d t h ed i s s e r t a t i o nw i l lf o c u so ns o m ek e yt e c h n i q u e si ns p a c e - t i m ec o d eo f d m s y s t e m s f i r s t l y c h a r m e ie s t i m a t i o ni s a l li n e v i t a b l et e c h n i q u ei ns p a c e t i m ec o d e0 f d m s y s t e m sb e c a u s et h ed e c o d i n go f 也es p a c e - t i m ec o d er e q u i r e st h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o na tt h er e c e i v e r b u tc h a n n e le s t i m a t i o nb e c o m e sm o r ed i 蚯c u l to w i n gt o u s i n gm u l t i p l et r a n s m i ta n t e n n a s t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ec h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m si ns p a c e t i m ec o d e do f d ms y s t e m s 1 a y st h es t r e s so nt h ep i l o ta s s i s t e d c h a n n e le s t i m a t i o na n dt h ei o i n tc h a n n e ie s t i m a t i o na n ds y m b o ld e t e c t i o na l g o r i t h m s t h r e ea l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d t h ef i r s to n ei sa na l g o r i t h mw h i c hd i v i d e st h es i g n a l s t r a n s m i t t e df r o md i f f e r e n ta n t e n n a su t i l i z i n gt h ep i l o t sa n de s t i m a t e sn o ta l lt h e c h a n n e l s t h es e c o n do n ei sas i m p l ec h a n n e le s t i m a t o rb a s e do nt h em e t h o dt h a tt h e t i m e v a r y i n gc h a n n e lc a nb em o d e l e da st h es u mo fm u l t i p l et i m e i n v a r i a n td o p p l e r c h a n n e l s t h et h i r do n ei sac h a n n e le s t i m a t o rw h i c hp r e d i c t st h ec h a n n e la tt l l en e x t t i m e s l o tu s i n gk a l m a nf i l t e ra n dj o i n t l ye s t i m a t e sc h a n n e la n dd e c o d e ss y m b o lu s i n g e ma l g o r i t h m 伯em e r i t sa n db a dp o i n t so ft h e s et h r e ec h a n n e le s t i m a t o ra r e c o m p a r e di nt h ed i s s e r t a t i o n f u r t h e r m o r e t h ee ma l g o r i t h mi sa l s ou s e di ns p a c e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s so f d ms y s t e m w h e ni ti su s e di ns p a c e t i m eb l o c kc o d e s y s t e m s t 1 1 ea l g o r i t h mc a n b es i m p l i f i e d s e c o n d l y ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h em u l t i u s e rs p a c e t i m e c o d e d0 f d ms y s t e m s f o rt h es p a c e t i m eb l o c kc o d e d0 f d ms y s t e m t h r e e i i i 申请上海变通大学工学博士学位论文 m u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m s ，s u c ha sm m s e ，i m p r o v e dm m s ea n dm la r e p r o p o s e d ；f o rt h es p a c e - t i m et r e l l i sc o d e do f d ms y s t e m ，t w om u l t i u s e rd e t e c t i o n a l g o r i t h m s i n c l u d i n gm m s ea n dd e t e c t i o nu s e rb yu s e r , a l ep r o p o s e d t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o n ss h o wt h ei n t e r f e r e n c ee x i s t sn o to n l yb e t w e e nu s e r sb u ta l s ob e t w e e n a n t e n n a s i tc a nn o tb ec o n s i d e r e dt h a tt h ep e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e db ya d d i n g t r a n s m i ta n t e r m a s w h e t h e rt h ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e dd e p e n d i n go nt h es p a c e - t i m e c o d i n gs c h e m e ，t h en u m b e ro f r e c e i v ea n t e n n a sa n dt h em u l t i u s e rd e t e c t i o nm e t h o d s t h i r d l y ，t h ed i s s e r t a t i o n d i s c u s s e st h ea n o t h e r k e yt e c h n i q u e s p a c e 4 i m e f r e q u e n c yc o d ei n0 f d ms y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h es p a c e - t i m eb l o c kc o d e c o m b i n e dw i t ho f d mi nt i m ed i m e n s i o na n di nf r e q u e n c yd i m e n s i o na r ea n a l y z e d a n da na d a p t i v es p a c e t i m eb l o c kc o d e d0 f d mi sp r o p o s e d t h es p a c e - t i m ec o d e s i m p l yc o n c a t e n a t e dw i t ho f d mc a l ln o to b t a i nt h em a x i m u md i v e r s i t yi l l t h e s y s t e m s f o rt h ep u r p o s eo fa c h i e v i n gm a x i m u md i v e r s i t y , t h ec o d i n gs h o u l db e a m o n gs p a c e - t i m e f r e q u e n c y d i m e n s i o n s as p a c e - t i m e - f r e q u e n c yc o d ew h i c h c o m b i n e ds p a c e t i m e 付e l l i sc o d ew i t ht h el i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n gi no f d m s y s t e mi sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h i sc o d ei ss u i t a b l ef o rb o t hs l o wa n dr a p i d f a d i n gc h a n n e l s ， f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o no ft h et e c h n i q u e si n s p a c e t i m ec o d e do f d ms y s t e m s i ti ss u r et h a tt h es p a c e t i m ec o d e do f d ms h o u l d b eu t i l i z e di ut h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi 1 1f u t u r e k e yw o r d s ：s p a c e t i m ec o d e ，s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ， o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，s p a c e t i m e f r e q u e n c yc o d e ，e ma l g o r i t h m i v 3 g 3 g p p 4 g b i c m b i s t c b l a s t c c c d m a c p c s i d a b d b l a s t d d d f t d s p e m f d m a f f t g i g s m g s t f c g s t f b c g s t f t c h b l a s t h d t v i c i ) f t i f f t i m t 2 0 0 0 i s l i t u l c p l d c l d p c l h i m s e l s m c 英文缩写说明 t h i r d g e n e r a t i o n 1 1 1 i r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t f o u r t h - g e n e r a t i o n b i ti n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n b i t - i n t e r l e a v e ds p a c e t i m ec o d e b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e c o n v o l u t i o nc o d e c o d e - d i v i s i o nm u l f i n ea c c e s s c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i a g o n a lb l a s t d e c i s i o n d i r e c t e d d i s c r e t ef o u r i e rt r a i l s f o r i l l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r l r l g u a r di n t e r v a i g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n g r o u ps t f c g r o u ps p a c e t i m e f r e q u e n c yb l o c kc o d e g r o u ps p a c e - t i m e - - f r e q u e n c yt r e l l i sc o d e h o r i z o n t a lb l a s t h i g h - d e f i n i t i o nt v i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed f t i n v e r s ef f t i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n l i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c e d i n g l i n e a rd i s p e r s i o nc ! o d e s l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c k l e a s tm i n i m a lm e a ns q u a r e se s t i m a t e l e a s ts q u a r e m u l f i c a r t i e r v 第三代 第三代合作伙伴计划 第四代 比特交织编码调制 比特交织空时码 分层空时结构 卷积码 码分多址 循环前缀 信道状态信息 数字音频广播 对角分层空时码 直接判决 离散傅立叶变换 数字信号处理 期望一最大化 频分多址 快速傅立叶变换 保护间隔 全球移动通信系统 分组空时频码 分组空时频块码 分组空时频格码 水平分层空时码 高清晰度数字电视 载波间干扰 离散傅立叶反变换 快速傅立叶反变换 国际移动电信2 0 0 0 符号问干扰 国际电信联盟 线性星座预编码 线性分散码 低密度奇校验 最小均方估计 摄小平方 多载波 申请上海交通大学工学博士学位论文 m c mm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n多载波调制 m e a m i m o m l m m s e m t c m n e x t g n 0 一s t b c o d ，s t b c o f d m p a p r q o s t b c s d m s f b c s n r s s t c s t b c s t c s t f c s t t c s v d t d m a t c m u c p v b l a s t v l s i w r c w l a n w l l z p m u l t i e t e m e n ta r r a y m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u m m e a r ls q u a r e de r r o r m u l t i p l e - t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n n e x t - g e n e r a t i o n n o n o r t h o g o n a ls t b c o r t h o g o n a ld e s i g n e ds t b c 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 p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o q u a s i o r t h o g o n a ls t b c s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s p a c e - f r e q u e n c yb l o c kc o d e s i g n a ln o i s er a t e s p h e r i c a ls p a c e t i m ec o d e s s p a c e t i m eb l o c kc o d e s p a c e t i r n ec o d e s p a c e - - t i m e - f r e q u e n c yc o d e s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c s s n e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n u n i t a r yc o n s t e l i a t i o np r e c o d i n g v e r t i c a lb l a s t v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n w o r l dr a d i oc o n f e r e n c e w i r e l e s sl o e a ia r e an e t w o r k w i r e l e s sl o c a ll o o p z e r o s p a d d e d v i 多元阵列 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 多层网格编码调制 下一代 非正交s t b c 正交设计的s t b c 正交频分复用 峰平功率比 准正交s t b c 空分多址 空频块码 信噪比 球状空时码 空时块码 空时码 空时频码 空时格码 奇异值分解 对分多址 网格编码调制 酉星座预编码 垂直分层空时码 超大规模集成 世界无线电大会 无线局域网 无线区域环路 填零 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：矽年) 月 泽淑中 3 _ ) 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囝，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：淳：自故( l 日期：妒垆年三月z 日 指导教师签名： 弹文防 ( j 日期：彦一。v 年文月之 日 j 上海交通大学学位论文答辩决议书 i 申请者单淑伟 j 所在学科( 专业) | j 通信与信息系统 1 论文题目空时编码o f d m 系统中若干关键技术研究 i 答辩日期 2 0 0 4 - 0 2 - 2 7 l i 答辩地点 | l 上海交通大学教二楼3 0 2 室 ! 答辩委员会成员 l f 担任职务 姓名职称。所在工作单位备注签名 上海大学答辩委员会 f 溯 主席 陈惠民教授 通信学院主席 上海交通大学 缀 委员陈健教授无 电子工程系 上海交通大学 锄彳 i委员 王豪行 教授 无 电子工程系 上海交通大学 影隐屿 委员黎滨洪教授无 电子工程系 南京邮电 列酬b ； 委员郑宝玉 教授 无 学院 上海交通大学 善撕 委员 朱杰 教授无 电子工程系 。解放军理工大学 善友乏 委员徐友云教授i无 通信工程学院 评语和决议： 单椒伟i 可学的博七学位论文空时编码o f d m 系统中若千关键技术研究对空时编码o f d m 系统中的信道估计技术、 多用户捡尉接术和空时额编码技术进行了比较系统的研究是当前移动通信领域的研究热点，其有较好的理论意义 和庶用价值，论文的主要工作及创新性在于：第一，重点研究了适用于快衰落信道目实现起来较容易的信道估计方 法，提出丫三种适用于快衰落信道的信道估计方法。第二，将e m 算法应用到空时块码系统中井进行丁简化，简化 曲算法可降低r 对系统硬件的要求。有实i ；示应用价值。第三，分别针对多用户空时块码o f d m 和多用户夺时格码 o f d m 系统提山j 几种多用户检i 宴| | 的方法重点将其性能与单天线多用户o f d m 系统的性能进行比较，僻到丁一些 有盘的结论。第幽。给出，种适合于空时块码在时变衰落信道中的解鹕方法。对影响两发射天线窄时块鸲o f d m 和守频聃码o f d m 忡能的信道条件进行了仿真分析提出了一种根据信道条件选择结台方式的自适应夺时块鸽 o f d m 系统。第五提n _ l 将空时懈码结台线性星座预编码应用到o f d m 系统中的空时频码该空时频码在快衰落和 性寝藩下均具有好的性能。论立条理清楚，论证严格反映作者具有坚实宽广的基础埋论和系统深入的专业知识， 具有独口的科研t 作能力。符辩过程中讲述清楚，罔芥问题正确。经答辩委员会光也名投基致通过单淑伟| 1 1 ：j 学 的博l 学位论殳替辩，娃泌杖学位订定委鼓会授。f 其1 学埔卜学位。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 本论文对下一代( n e x t g e n e r a t i o n ，n e x t g ) 移动通信系统中将要用到的 空时编码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 e x i n g ) 原理及其关键技 术进行了深入研究，重点研究了信道估计、多用户检测和空时频编码技术，得 到了一些有益的结论。 本章内容安排如下：第二节对无线移动通信发展的历史、现状及前景进行 简单描述；第三节简要介绍了下一代移动通信及其关键技术；第四节介绍了本 论文的课题来源、研究意义，作者所做的工作及创新性成绩；第五节为本论文 的篇章结构。 1 2 无线移动通信的发展 无线移动通信从其诞生以来，已经经历了几代变迁。从最初的模拟网，即 现在所说的第一代移动通信，发展到以欧洲的全球移动通信系统( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 和美国的c d m a o n e ( 即i s 9 5 ) 为代表 的第二代无线通信系统。第二代无线移动通信系统采用的是数字调制技术， g s m 系统采用时分多址( t i m e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 技术，i s 一9 5 采用码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术【l 】，与第一代移动 通信相比，显著改善了通话质量，大大增加了系统容量。目前，第一代移动通 信已经退出了历史舞台，第二代移动通信系统成为当前无线移动通信平台的主 体。 当第二代系统还在扮演移动通信舞台上的重要角色时，国际移动电信2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ，i m t 2 0 0 0 ) ，即第三代( t h i r d g e n e r a t i o n , 3 g ) 移动通信系统已经由国际电信联盟( h a t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n , i t u ) 于2 0 世纪9 0 年代后期提出来了，提出3 g 系统 的目的是能够向用户提供更多的无线数据业务以及更高的无线数据传输速率。 围绕i m t 2 0 0 0 标准的制定，在各国提出的诸多标准中，以欧洲的w c d m a 标 准和美国的c d m a 2 0 0 0 标准最令人瞩目。为了促进i m t 2 0 0 0 系统多个标准的融 合，分别以w c d m a 标准和c d m a 2 0 0 0 标准为核心组成了第三代合作伙伴计划 ( t h i r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 和3 g p p 2 。中国提出的t d s c d m a 标准在频谱利用率方面优势非常明显，与w c d m a 标准在频谱利用率 方面有很好的互补性，已被3 g p p 接纳并进行了融合。 率请上海交通大学工学博士学位论文 但是，受2 0 0 1 年全球经济发展不景气等因素影响，3 g 无线通信系统的发 展遭遇了寒冬。尽管3 g 无线通信系统的发展遇到了严重挫折，但其商业亿却 是必然的。2 0 0 2 年，3 g 的发展已经恢复了生机。由于市场培育是一个渐进的过 程，3 g 的实用化还需要一定的时间。据有关部门透露，中国信息产业部将在近 两年内发放3 g 牌照。由于3 g 系统的不完善和到目前为止还未商用化，人们对 后三代( b e y o n d3 g ) 无线通信系统的研究已经悄然兴起。后三代无线通信，也 称为下一代( n e x t g ) 无线通信或第四代( f o u r t h g e n e r a t i o n ，4 0 ) 无线通信1 2 】。 3 g 系统的主要特征是“无线”，而4 g 系统的主要特征是“移动”，它将能够 更好地支持多环境和多业务，多载波与多天线等技术将在其中得到广泛的应 用。 1 3 下一代移动通信中的核心技术 虽然下一代无线移动系统的标准尚未形成，但相关的研究却很活跃，其中 正交频分复用( o f d m ) 技术与多天线技术的结合所形成的空时编码o f d m 系 统更是研究的热点。虽然目前仍处于研究阶段，但长远看该技术很有可能成为 下一代无线移动通信系统的核心技术。 1 3 10 f d m 技术的发展及应用口1 从技术层面来看。3 g 系统主要是以c d m a 为核心技术，n e x t g 系统则以 o f d m 技术最受瞩目。无线区域环路( w l l ) 、数字音频广播( d a b ) 等，都 将在未来采用o f d m 技术，而n e x t g 移动通信系统则计划以o f d m 为核心技 术，提供增值服务。有不少专家学者已经和正在针对o f d m 技术在移动通信技 术上的应用进行深入研究。o f d m 技术之所以受到第四代移动通信的青睐，主 要是因为其具有频谱效率高、抗多径干扰能力强、适合高速数据传输等优点。 虽然3 g 移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体 通信的要求，n e x t g 系统较之3 g 移动通信系统，采用多种新技术的o f d m 调 制不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将 包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务。 o f d m 并不是新生事物，它由多载波调制( m c m ) 发展而来。美国军方早 在上世纪的五六十年代就创建了世界上第一个m c m 系统，在1 9 7 0 年衍生出采 用大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统。但在以后相当长的一段时间， o f d m 理论迈向实践的脚步放缓了。由于o f d m 的各个子载波之间相互正交， 可采用傅立叶变换( d f t ) 实现这种调制，但在实际应用中，实时d f t 设备的 复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因 素都成为o f d m 技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在2 0 世纪8 0 年代，m c m 获得了突破性进展，大规模集成电路让d f t 技术的实现不再是难 2 第一苹绪论 以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，o f d m 走上 了通信的舞台，逐步迈入高速数字移动通信的领域。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信、高清晰度数字电视 ( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 。随着超大规模集成( v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ，v l s i ) 技术和数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 技术 的发展。高速大容量的d f t 商用芯片的不断问世，o f d m 技术的实现和完善指 日可待，其在n e x t g 高速宽带无线通信中的竞争地位也将不断得到巩固。 为了推动o f d m 技术在n e x t g 移动通信中的应用，一些通信设备厂商组成 了o f d m 论坛( h t t p ：w w w o f d i n f o r u m c o r n ) ，共同制定全球高速无线网络的 o f d m 标准。关于下一代移动通信系统的研究工作已经提交给i t u r 第8 研究 组和世界无线电大会( w r c ) 。许多世界著名通信公司已经投入巨资研究下一 代移动通信系统。对于电信产业而言，o f d m 仍有许多问题待解决，不过部份 标准化制订的工作已经接近尾声而即将商用化( 如d a b ) ，但若要应用在移动 通信领域仍需些时日。 1 3 2 多天线技术的发展及应用 由于目前所研究的第三代移动通信系统仍存在着用户间相互干扰大、误码 率较高的问题，很难达到理想的通信速率，因此人们十分希望能在n e x t g 系统 中解决这个问题，有一个满意的通信质量。但是在无线多径衰落或高斯白噪声 信道中，要降低误码率和提高传输质量是非常困难的。虽然可以通过增加发射 功率和额外带宽来获得信噪比( s i g n a ln o i s er a t e ，s n r ) 的改善，但这又违背 了下一代移动通信发展的要求。因此，如何在不增加功率和不牺牲带宽的情况 下，减少多径衰落的影响，就成了一个十分重要的研究课题。 为了攻克这一难题，一些学者提出了采用多发射和多接收天线的模型和发 射分集技术。如最早由g j f o s c h i n i 等人指出，在准平稳瑞利衰落信道下，采 用多元阵列( m u l t i e l e m e n ta r r a y ，m e a ) 技术可以明显提高信道的容量，这 种多发射和多接收天线的信道模型称之为多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 信道。在发射端和或接收端安置多个天线，天线之间相隔足 够远，此时各天线可以认