（通信与信息系统专业论文）现代移动通信中的多载波cdma和空时编码技术的研究.pdf

摘要 摘要 在现代移动通信中，无线信道的衰落效应严重制约了通信系统的性能，因此 克服信道衰落效应，提高系统频谱利用率是个非常重要的研究问题。近年来，多 载波码分多址技术由于支持高速率、具有高频谱利用率和抗多径衰落强等优点己 受到越来越多的关注：而且最近提出的空时编码技术则由于抗衰落强、支持高速 率和高频谱效率，以及有效提高系统容量等优点也成为现阶段研究的热点。本论 文主要致力于现代移动通信中的多载波码分多址技术和空时编码技术的研究。 论文共分八章，第一章给出了论文的研究背景和意义、现代移动通信中多载 波技术和m i m o 技术的研究现状以及本论文的主要工作。第二章在介绍移动通 信中的信道特性、m i m o 信道模型的基础上，给出了接收分集技术、空时编码技 术以及多载波码分多址技术的原理性说明和相关的理论基础知识。 论文第三章提出了一种基于复小波包的多载波c d m a 系统 ( c w p - m c c d m a ) ，研究其在瑞利衰落信道下的下行链路性能。该系统充分利用 优化复小波包的优良特性，具有与循环前缀的多载波系统相比较的优势，可克服 通常多载波系统插入循环前缀所带来频谱效率的降低。在下行链路，利用时分复 用模式下上下行链路之间的信道互易性，采用预均衡技术简化接收机结构和实现 复杂度。理论分析表明该技术能有效她抑制多址干扰且不放大噪声功率；而且仿 真结果也表明采用预均衡技术的所提系统具有非常好的误比特率性能。 论文第四章研究了所提的c w p m c c d m a 系统上行链路，给出原理性说明 和相应的系统模型。在此基础上，利用基站可进行多天线接收，我们把空间分集 接收合并技术应用于c w p m c c d m a 系统，给出相应的系统模型和理论分析， 与单天线接收系统相比，多天线接收技术可显著提高系统性能。仿真结果表明所 提系统要好于通常的多载波c d m a 系统和基于实小波包的多载波c d m a 系统， 而且空间分集合并技术的应用能有效地提高系统抗信道衰落能力和系统容量。 论文第五章研究了级联空时编码和t u r b o 码的c w p - m c c d m a 系统及性能。 首先我们研究了基于空时编码的c w p m c c d m a 系统性能，给出了相应系统模 型和性能分析；理论分析表明采用2 发射天线和2 接收天线空时编码的 c w p m c c d m a 系统的性能要好于单天线c w p m c c d m a 系统的四倍，这从 仿真结果中也得到了较好的说明。在此基础上，我们采用t u r b o 码作为信道编码， 提出一种级联空时编码和t u r b o 码的c w p m c c d m a 系统，给出相应的系统模 东南大学博士学位论文 型和原理性分析。理论分析表明所提系统一方面通过空时编码获得空间分集增 益，增强系统抗信道衰落能力和提高系统容量；另一方面利用t u r b o 码多次迭代 译码来提供判决的软信息，以及利用其良好的抗衰落信道的突发错误能力，来进 一步完善系统性能；这从仿真结果也得到了较好的证实。 论文第六章提出了一种满速率、低复杂度和复正交的多天线空时块码方案。 该方案是在时分复用模式下基于最大信邋增益发送而设计的；由于特殊的编码方 案和结构，使得该方案含有相对多的空间冗余信息，从而级联t u r b o 码后其性能 要明显好于其它满分集码：而且由于其最大化利用两个信道增益，避免了深衰落 的影响，有时即使不级联信道编码，其性能也好于相应的满分集空时码，所有这 些在仿真中也得到了很好的证实。在相同的系统吞吐量下，该方案仅需要低阶的 调制方式；而且对于一个符号检测时所需的计算复杂度也明显低于那些满分集空 时块码。 现有的几种差分空时码基本上都是基于多进制相位调制，这样会因为在高频 带利用率下符号间的距离变小，带来编码增益下降，导致相应的性能下降。为此 第七章，我们在现有的差分正交空时码的基础上提出两种改进方案，一种是基于 星形q a m 和互正交设计的差分空时码；另一种是基于方形q a m 和互正交设计 的差分空时码；并针对所提出的2 天线差分空时码，运用相关数学理论知识和现 有的理论结果，推导出系统误比特率公式。这两种方案通过引入q a m 调制，使 得编码符号不在局限于单位星座图，有着更多的自由度，提高了符号间的最小距 离以及相应的码矩阵间的最小乘积距离，从而避免了高频谱利用率下的性能下 降。仿真结果也表明这两种方案均要好于现有的差分酉空时码和差分正交空时 码，而且2 天线差分空时码的理论误比特率与实际的仿真结果取得较好的一致。 在第八章对全文进行了总结，并给出了一些可以进一步研究的问题。 关键词：正交频分复用码分多址多载波c d m a 空时编码 小波包差分空时码空间分集合并预均衡技术 时块码酉空时码 t u r b o 编码复 多幅值调制空 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si s s e v e r e l yl i m i t e db yt h ef a d i n ge f f e c to f w i r e l e s sc h a n n e l ，s oh o wt oo v e r c o m et h ec h a n n e lf a d i n gi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n di m p r o v e t h es y s t e ms p e c t r u me f f i c i e n c yb e c o m e sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c m u l t i - c a r r i e rc d m a t e c h n i q u e h a sr e c e i v e de n o r m o u si n t e r e s t si nr e c e n ty e a r sd u et oi t sh i g hd a t ar a t e ，h i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c ya n ds t r o n g e ra b i l i t yt oc o m b a tm u t l i p a t hf a d i n g ；a n dr e c e n ts p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e a l s ob e c o m e sr e s e a r c hh o t s p o td u et oi t ss t r o n ga b i l i t i e so f s u p p r e s s i n gt h ei n t e r f e r e n c e ，c o m b a t i n g t h ef a d i n g , i n c r e a s i n gt h es y s t e mc a p a c i t ya n ds oo n i nt h i sd i s s e r t a t i o n 。w ef o c u so nt h er e s e a r c h o nm u l t i - c a r r i e rc d m at e c h n i q u ea n d s p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e i nm o d e mm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t oe i g h t c h a p t e r s c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d a n dt h em a i nw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s e a r c hs t a t u so fm u l t i - c a r r i e rc o m m u n i c a t i o na n d m i m e t e c h n o l o g i e si nm o d e m c o m m u n i c a t i o n si sa l s or e v i e w e di nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e r2 ，o n t h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h em o b i l ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec h a n n e lm o d e lo fm i m e s y s t e m ，t h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tt h es p a t i a lr e c e i v e rd i v e r s i t yt e c h n i q u e 、s p a c e - t i m ec o d i n g t e c h n i q u ea n d m u l t i - c a r r i e rc d m a t e c h n i q u ea r eg i v e n i nc h a p t e r3 am u l t i c a 州e rc d m a s y s t e mb a s e do no p t i m i z e dc o m p l e xw a v e l e tp a c k e ti s p r o p o s e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gd o w n l i n kp e r f o r m a n c ei si n v e s t i g a t e di nr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l t h e s y s t e mc a n m a k ef u l lu s eo f s u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i co f o p t i m i z e dc o m p l e xw a v e l e tp a c k e t ，a n d o b t a i nc o m p a r a t i v es u p e r i o r i t yt ot h ec o n v e n t i o n a lm c - c d m aw i t hc y c l i cp r e f i x ( c p ) m o r e o v e r , t h e s y s t e m c a l lo v e r c o m et h ed e c r e a s eo fs p e c t r u me f f i c i e n c ya n de n e r g yo fc o n v e n t i o n a l m c - c d m ad u et oi n s e r t i n gc p i nd o w n l i n k ，w ea d o p tt h ep r e e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u et os i m p l i f y t h er e c e i v e ra r c h i t e c t u r ea n dr e a l i z a t i o n c o m p l e x i t y t h e o r e t i c a la n a l y s i s s h o w st h a tt h e p r e - e q u a l i z a t i o ns y s t e mc a ns u p p r e s sm a ic o m p l e t e l yw i t h o u ti n c r e a s i n gt h en o i s ep o w e r ；a n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tp r e - e q u a l i z a t i o ns y s t e mh a ss u p e r i o rb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c e c h a p t e r4i n v e s t i g a t e s t h e u p l i n kp e r f o r m a n c e o fc w p m c - c d m as y s t e m ，a n dg i v e s p r i n c i p l ee x p l a n a t i o na n dc o r r e s p o n d i n gs y s t e mm o d e l c o n s i d e r i n gb sc a f lp e r f o r mm u l t i p l e a n t e n n ar e c e i v e r s ，w e a p p l y t h e s p a c ed i v e r s i t y r e c e i v e r c o m b i n i n g ( s d c ) t e c h n i q u et o c w p - m c c d m as y s t e m ，a n d g i v ec o r r e s p o n d i n gs y s t e m m o d e la n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s c o m p a r e dw i t hs i n g l ea n t e n n as y s t e m ，t h em u l t i p l e a n t e n n ar e c e i v e r sc a ni m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e ds y s t e mo u t p e r f o r m s c o n v e n t i o n a lm c - c d m as y s t e ma n dr e a lw a v e l e tp a c k e tb a s e dm c c d m as y s t e m ，a n dt h e a p p l i c a t i o no fs d c c a ni m p r o v et h es y s t e m a b i l i t yt o c o m b a tt h ec h a n n e lf a d i n ga n ds y s t e m c a p a c i t ye f f e c t i v e l y - i i i 东南大学博士学位论文 c h a p t e r 5 i n v e s t i g a t e s t h ec w p m c - c d m as y s t e m p e r f o r m a n c ec o n c a t e n a t i n gw i t h s p a c e - t i m ec o d i n ga n d1 、l f b oc o d i n g f i r s t l y , am c - c d m a s y s t e mb a s e do nc o m p l e xw a v e l e t p a c k e ta n ds p a c e t i m eb l o c kc o d i n gi sp r o p o s e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w s t h a t h ep r o p o s e ds y s t e mw i t h2 - t r a n s m i s s i o na n t e n n aa n d2 - r e c e i v e ra n t e n n as p a c e - t i m eb l o c kc o d e s p e r f o r m sf o u rt i m e sb e t i e rt h a nt h es i n g l ea n t e n n ac w p - m c - c d m a s y s t e m b a s e do nt h i s ，w e e m p l o yt h et u r b oc o d e 越c h a n n e lc o d e a n dp r e s e n tac w p - m c - c d m as y s t e mc o n c a t e n a t i n g w i t hs p a c e t i m ec o d i n ga n dt u r b oc o d i n g ，a n dg i v ec o r r e s p o n d i n gs y s t e mm o d e la n dp r i n c i p l e a n a l y s i s t h es y s t e mc a nm a k e u s eo f s p a c e t i m ec o d e s t r a n s m i td i v e r s i t yg a i n ，t u r b oc o d e s s o f t d e c i s i o ni n f o r m a t i o nf r o mm u l t i p l ei t e r a t i o n sd e c o d i n g , r a n d o mi n t e r l e a v e ra n dg o o da b i l i t yt o c o m b a tt h eb u r s te r r o ro ff a d i n gc h a n n e lt op e r f e c ts y s t e mp e r f o r m a n c ef u r t h e r t h i si sa l s o t e s t i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s af u l l + r a t ea n dc o m p l e xo r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d es c h e m ew i t hl o wc o m p l e x i t yi s p r o p o s e di nc h a p t e r6 t h es c h e m ei sb a s e do nm a x i m u m c h a n n e lg a i ni nt d dm o d e l i th a s r e l a t i v em o r e s p a t i a lr e d u n d a n c y i n f o r m a t i o nd u et o s p e c i a le n c o d i n g s t r u c t u r e ， s ot h e p e r f o r m a n c e s o ft h es c h e m ep e r f o r m sb e t t e rt h a no t h e r f u l l d i v e r s i t yc o d es c h e m e sw h e n c o n c a t e n a t e dw i t ht u r b oc o d i n g ；a l lt h e s ea r et e s t i f i e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s m o r e o v e r a tt h e s a m et h r o u g h p u 0t h ep r o p o s e ds c h e m eo n l yn e e dl o wl e v e lm o d u l a t i o nm o d e ，a n dt h ed e c o d i n g c o m p l e x i t yi sa l s ol o w e r t h a nt h o s ef u l l d i v e r s i t yc o d e s i nc h a p t e r 7 ，t w oi m p r o v e ds c h e m ef o rd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d e a r ep r o p o s e d ，o n ei sb a s e o ns t a rq a ma n da m i c a b l eo r t h o g o n a ld e s i g n ，a n dt h eo t h e ri sb a s e do ns q u a r eq a ma n d a m i c a b l eo r t h o g o n a ld e s i g n m e a n w h i l e ，w ea p p l yc o r r e l a t e dm a t h e m a t i c a lt h e o r yk n o w l e d g ea n d e x i s t i n gt h e o r yc o n c l u s i o n st od e r i v et h eb i te r r o rr a t e f o rt h ep r o p o s e d2a n t e n n a sd i f f e r e n t i a l s p a c e t i m ec o d e b yi n t r o d u c i n gq a mm o d u l a t i o n ，t h ec o d i n gs y s t e m i sn o tl i m i t e di nu n i t c o n s t e l l a t i o n ，a n dh a sm o r ef r e ed e g r e e ，t h u st h em i n i m u md i s t a n c eb e t w e e ns y m b o l s a sw e l la s c o r r e s p o n d i n g m i n i m u m p r o d u c e d i s t a n c eb e t w e e nc o d e sm a t r i x e s a r e i m p r o v e dg r e a t l y ， s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h et w os c h e m e sa r eb o t hs u p e r i o rt ot h ee x i s t i n gd i f f e r e n t i a l u n i t a r ys p a c e - t i m ec o d ea n dd i f f e r e n t i a lo r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d e ，a n dt h et h e o r yv a l u e sf o r2 a n t e n n a sd i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m em a k ea g o o da g r e e m e n t w i t hp r a c t i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s c o n c l u s i o n sa r eg i v e ni nc h a p t e r8 a n df u r t h e rr e s e a r c ho nt h em u l t i - c a r r i e rc d m a a n d s p a c e - t i m et e c h n i q u e s i sa l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：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 ) , c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( c d m a ) ，m u l t i c a r r i e rc d m a ，s p a c e t i m ec o d i n g , t u r b oc o d i n g , c o m p l e x w a v e l e t p a c k e t ，d i f f e r e n t i a ls p a c e - t i m ec o d e ，s p a c e t i m ed i v i s i o nc o m b n i n g ， p r e e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e ，m u l t i p l ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，s p a c e - t i m eb l o c kc e d e ， u n i t a r ys p a c e - t i m ec o d e 一l v 东南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，也不包含为获得东南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：虚渤皇日期：2 1 业 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：_ 量嫂导师签名：弘日期： 第一章绪论 第一章绪论 随着现代通信技术的快速发展，人们对通信系统的要求越来越高，期望能够 随时随地、及时可靠、不受限制地进行信息交流。移动通信作为现代通信中不可 缺少的组成部分，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且还集中 了网络技术和计算机技术的新成果；解决了人们在生活中与固定终端或其它移动 终端进行通信联系的要求，提高了工作效率，节约了人力、物力，带来了很大的 社会效益和经济效益。目前移动通信技术正朝着在任何时间、任何地点、向任何 人提供可靠的通信服务这一目标而努力，这就需要移动通信系统能最大限度地利 用频带、提供大容量、高效、可靠、高质量和多种速率的信息化业务。为此，各 种新的技术将不断地应用到移动通信中以适应现代通信技术的快速发展。 1 1 论文的研究背景和意义 现代移动通信技术起源于2 0 世纪2 0 年代，但是直到7 0 年代初美国的b e l l 实验室提出了蜂窝移动通信系统的概念之后才得到了飞速发展，蜂窝移动通信方 式提高了无线频谱的利用率，大大扩展了系统的容量，使移动通信的业务能力迅 速增加，从而满足了越来越多的用户的要求，真正体现了移动通信的实用价值。 现在移动通信技术正处于有史以来最快的发展时期，先后经历了第一代的模拟式 移动通信系统、第二代数字式移动通信系统、即将商用的第三代移动通信系统， 以及正在酝酿和研发中的三代后与第四代移动通信系统【l 3 。 第一代移动通信系统起源于二十世纪7 0 年代末到8 0 年代初，其中以美国的 a m p s ( 主要应用在美国、南美、澳大利亚、中国) 和欧洲的e t a c s 为代表， 它们是以频分多址( f d m a ) 为基础的模拟式蜂窝移动通信系统，它们克服了以往 移动通信只局限于某些特殊应用领域，第一次将移动通信方式大规模地引入商业 银行，为后续民用系统的发展提供坚实的基础和宝贵的经营，但也存在频率利用 率低、系统容量小、设备复杂、费用昂贵、业务种类少以及保密性差等缺点，制 约了其普及和发展，于是人们很快地便将目光投向了第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要开始于2 0 世纪8 0 年代后期的数字式移动通信系 统，与一代系统相比，数字式移动通信系统可提供高的频带利用率、大的系统容 量，而且能有效地与数字有线网络融化在一起，更加灵活有效地提供语音数据 东南大学博士学位论文 通信，支持新业务的开发。作为第二代蜂窝移动通信中具有代表性的系统，是基 于时分多址( t d m a ) 的欧洲g s m 系统( 包括g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 ) 、日本的p d c 系统、美国的l s 一5 4 系统以及后来采用码分多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统。在二代系 统中，欧洲的g s m 是最为成功的商用系统，它占据了全球大部分的移动业务市 场，目前己在全球大部分国家或地区取得了广泛的应用，成为当前数字蜂窝系统 市场的主流。其优点在于该系统容量大，接口标准明确，不同厂商设备兼容性强， 开放性网络结构适合于向未来的p c n 过渡。最近不少通信公司在此基础上推出 了g p r s 、e d g e 和w a p 等技术业务来弥补其不足，并成为向第三代( 3 g ) 移动 通信系统过渡的中间技术。 第二代移动通信系统主要是为了支持话音和低速率的数据业务而设计的，但 随着人们对通信范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信系统将 很难满足新的业务需求，为此人们正在发展第三代移动通信系统。在已提出的 3 g 方案中，欧洲提出的基于g s m 的w c d m a ，北美提出的基于i s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 以及中国提出的t d s c d m a 成为了三个主流标准。3 g 移动通信系统以全世界 范围的个入通信和多媒体通信为尽标，它是一个支持多业务、多速率和宽频带的 移动通信系统，能够满足高速率、可变业务等需求。与第二代系统相比，3 g 移 动通信系统具有许多优点，如高服务质量、低成本、高频谱利用率、保密性好等。 该系统能够实现高覆盖范围，支持全球漫游以及提供各种综合性业务，如语音、 视频，图像传输、无线接入i n t e m e t 及i p 网络等各种速率的业务。在快速移动环 境下，最高速率能达1 4 4 k b p s ；而在室内环境下最高速率可达2 m b p s ，并且满足 上行、下行链路业务量不对称需求【4 7 】。 为了满足更高的数据传输速率和更优质的通信质量的需求，近年来一些学者 提出了未来移动通信系统的新构想一第四代( 4 g ) 移动通信系统的概念 1 - 3 ，8 - 9 】。 目前许多著名通信公司已经投入大量资金开展4 g 移动通信系统的研究。其中： 日本n t td o c o m o 公司早在1 9 9 7 年就已经启动下一代移动通信系统的开发研究 工作，并于2 0 0 1 年6 月间向国际电信联盟0 t u ) 提交了有关建议：欧洲的b r a i n 计划，该计划是英国电信、法国电信、诺基亚、爱立信、西门子、伦敦大学国王 学院等合作进行的。另外，我国科技部8 6 3 高科技通信课题也将下一代移动通信 系统列为重要的研究课题。第四代移动通信系统具有以下特点：高速率，在低速 移动和固定情况下速率可达1 0 0 m b p s ，在高速移动情况下速率达2 0 m b p s 【1 0 b 商系统容量，容量要达到3 g 系统的5 1 0 倍，传输质量基本上要优于3 g 系统； 高覆盖范围，小区覆盖范围要大于3 g 系统；支持更丰富的移动业务，包括高清 晰度图像业务、会议电视等业务：高的通信质量、低的网络成本以及与固定网、 专业网的无缝连接。 第一章绪论 为了适应现代通信技术的快速发展，许多新技术正在不断地被研究和应用到 移动通信中，主要包括：自适应调制与编码技术，功率控制技术，信道编码与均 衡技术、i p 技术、多用户检测技术、码分多j ：2 i ：( c d m a ) 技术、多载波通信技术以 及基于多天线的m i m o ( m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ) 技术等。其中多载波通信技术和 m i m o 技术由于高的频带利用率、高的传输速率以及具有有效抑制干扰和抗衰落 强等优点，将成为未来宽带移动通信技术的两项关键技术【1 1 - 1 2 】。这里又以多载 波通信技术中的m c - d s c d m a 1 3 2 2 】和正交频分复用( o f d m ，o 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 e x i n g ) 技术 2 3 2 7 1 ，以及m i m o 中的空时编码技术 2 8 3 0 更吸引人注目，已成为现阶段研究的热点。另外，综观现代移动通信的发 展历程，不难发现，愈来愈高的传输速率、愈来愈宽的传输带宽、愈来愈先进的 信号处理技术、愈来愈高的频带利用率要求以及愈来愈严竣的成本考验已成为未 来宽带移动通信系统必须面临的挑战。为了有效地解决以上问题，选择适当的信 号处理技术对于未来宽带移动通信系统将至关重要，例如，采用多载波的o f d m 技术受到重视与i f f l 忭f t 快速算法的出现有着极大的关系。因此，寻求应用小 波分析、神经网络等信号处理技术来解决移动通信系统中的一些技术问题，也是 信号处理技术与移动通信技术相结合、共同发展的一种趋势。 1 2 多载波通信技术的发展概况 早在2 0 世纪5 0 年代，m l d o e l z 等学者( 3 i 】就提出了多载波传输原理，即将 串行传送的高速率信息数据流经串并转换后，分割成若干路低速数据流，然后 每路低速数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号。在接收端用 同样数量的载波对发送信号进行相关接收，获得低速率信息数据后，再通过并 串变换得到原来的高速信号。此多载波传输原理首先在一种频域k i n e p l e x 的无 线数据传输系统得以应用，该系统采用2 0 路并行发送的子载波，每个子载波的 传输速率可达1 5 0 b i f f s ，但由于系统中的本振与信号处理部分含有大量数匿的振 荡器组和滤波器组，导致其体积庞大且难以实现，因而商业价值不高。多载波技 术有着很多不同的称谓，如多载波调制、正交复用q a m 、正交频分复用( o f d m ) 及动态赋值的复合q a m ；在有线环境中，如应用于不对称数字用户环线( a d s l ) 时，则称为数字多音调制技术。为了便于描述，我们以正交频分复用技术代表多 载波技术( 实际中也有不少文献这样引用的) 。 多载波技术的真正历史可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期，当时，当时的r w c h a n g 写了两篇有关将带限信号综合用于多信道传输的文章 3 2 3 3 】，首次提出了 一种在线性带限信道上实现无信道间干扰( i c i ，i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号 间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e n e n c e ) 的并行传输原理。1 9 6 7 年，b r s a l t z b e r g 东南大学博士学位论文 对c h a n g 提出的方法进行了性能分析，得出很重要的结论【3 4 】，即在并行传输系 统中，相邻信道间的串扰将是信道畸变的主要原因，因此系统的设计重点应在于 尽量减少相邻信道间的串扰，而不是优化每一个单独的子载波信道。随后1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 发现通过i d f t 和d f t 快速实现了多载波技术的调制与解 调方法【3 5 】，为后来o f d m 在通信中的广泛应用奠定了良好的基础。他们的工作 重点集中在如何快速有效地实现正交频分复用的调制和解调，而不是纠缠单个子 信道的处理，从而消除了以前并行系统需要予载波振荡器组这一缺点，为了消除 i s i 和i c i ，他们在o f d m 中引入了保护间隔，同时在时域使用了升余弦窗。另 外他们还讨论了多载波系统中的时不变线性信道响应及信道均衡，并提出了一种 差分o f d m 系统以避免信道均衡。虽然他们的系统在多径衰落信道中不能保持 很好的正交性，但d f t 的引入对o f d m 技术的发展仍是一个重要的贡献。针对 以上所存在的问题，p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年提出了循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的概念 3 6 】，解决了在多径衰落信道中各子载波信道间的正交性问题。与通常在 符号间插入空的保护间隔来防止i s i 的做法不同，他们是将o f d m 符号进行循环 扩展。这种方法可有效地将信道与传送符号之间的线性卷积近似成循环卷积。当 循环前缀的长度大于信道的脉冲响应时间长度时，就能很好地保持子信道间的正 交性。尽管这样做会造成一定程度上的能量损失，而且能量损失正比于循环前缀 长度，但只要多载波系统能实现良好同步，则循环前缀所带来的无i s i 和i c i 是 非常有价值的。 进入9 0 年代以后，随着频率资源的臼益紧张，通信系统对频带利用率的要 求越来越离。此外，通信系统需要传输的数据率也越来越高，而传统的单载波系 统受多径信道引起的i s l 的限制，不能提供高速的数据传输速率。伴随着信号处 理技术和微电子技术的发展，人们开始对多载波技术在有线和无线通信中的应用 感兴趣，掀起了一般研讨o f d m 的高潮。使得它在许多领域得到了广泛的应用。 像欧洲的d a b ( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t ) 系统使用的就是o f d m 调制技术【3 7 】，它 明显地改善了移动中接收无线广播的效果；用于d a b 的成套芯片的开发正在一 项欧洲发展项目中进行，它将使o f d m 接收机的价格大大降低，市场前景非常 看好。国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中也有o f d m 技 术；欧洲h d t v 传输系统也采用了c o f d m ( c o d e do f d m 一编码o f d m ) 技术 f 3 8 ，它具有很高的频谱利用率，进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输 要求。另外，o f d m 还成功应用于高速数字用户环线以及无线a 1 m 。在无线局 域网领域中，1 9 9 9 年i e e e s 0 2 i i a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准 3 9 ，其 中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准。欧洲电信标准协会( e t s i ) 的宽带 射频接入网的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术e 4 0 4 1 。同年1 2 月，在p h i l i p 、w i l a n 、e r i c s s o n 和n o k i a 等公司的邀请下，来自世界六十多家 第一章绪论 公司的一百多名代表经过讨论成立了一个世界性的组织o f d m 论坛，致力于 策划一个基于o f d m 技术的全球性统一标准。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。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 在无线通信的应用己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 s 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 的城域网的物理层标准。随着 i e e e 8 0 2 11 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和应用，o f d m 技术 将会进一步在无线数据本地环路的广域网作出重大贡献。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，正交频分复用技术在综合无线接入领域将越来越得到广 泛的应用( 4 2 。最近不少学者还把正交频分复用技术与空时编码、智能天线、分 集以及干扰抑制等技术相结合起来 4 3 4 6 ，最大限度地提高物理层信息传输的 可靠性，可以说在未来的宽带接入系统中，o f d m 将是一项关键技术。 在正交频分复用技术的发展过程中，还有一类多载波通信技术，就是2 0 世 纪9 0 年代中初期，有学者针对o f d m 技术和c d m