（通信与信息系统专业论文）自适应ofdm研究及其在认知无线电中应用.pdf

摘要 摘要 本文主要研究了自适应o f d m 的关键技术及其在认知无线电系统中的应用。 文中首先介绍了o f d m 系统的基本原理，分析了o f d m 系统的信道估计以及信 噪比估计问题；接着研究了o f d m 的自适应技术，对自适应o f d m 系统的组成 结构、工作过程进行了详细的描述，随后对自适应传输切换门限以及o f d m 的子 载波比特分配以及功率分配方法进行了研究，并介绍了一种适于t i g e r s h a r k 板卡 的自适应o f d m 系统的具体实现；最后介绍了认知无线电系统的关键技术，研究 了该系统的两种应用场景：集中式和分布式场景中的功率控制以及频谱资源管理 方法。提出一种应用于分布式认知无线电系统的信道及传输功率的自适应分配的 方法。仿真结果表明，本文提出的方法能够有效的进行分布式的信道和功率自适 应分配，性能比使用固定发射功率的分布式信道分配的方法有大幅度提升。 关键词：认知无线电自适应o f d m 功率控制频谱资源管理 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n i q u e so fa d a p t i v eo f d ms y s t e m sa n dt h ea p p l i c a t i o n b a s e do nc o g n i t i v er a d i oa r es t u d i e d f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d mt e c h n o l o g y a l ei n t r o d u c e d ，t h e nt h ec h a n n e le s t i m a t i o na n ds n re s t i m a t i o no f o f d ms y s t e m sa r e d e s c r i b e d ；s e c o n d l y , t h ea d a p t i v et e c h n i q u e so fo f d ms y s t e m sa r es t u d i e di n c l u d i n g t h ec o n s t r u c t i o no fa d a p t i v eo f d ms y s t e m ，t h et r a n s m i t s w i t c h i n gt h r e s h o l da n dt h e m e t h o d so ft r a n s m i t - p o w e ra l l o c a t i o n f u r t h e r m o r eai m p l e m e n t a t i o no fas i m p l e a d a p t i v eo f d ms y s t e mb a s e do nt h es o f t w a r ed e f i n e dr a d i op l a t f o r mt i g e r s h a r ka r e d e s c r i b e d ；f i n a l l y , t h et r a n s m i t p o w e rc o n t r o la n ds p e c t r m nr e s o u r c em a n a g e m e n t t e c h n i q u e su s e di nt h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e dc o n g i t i v er a d i os y s t e ma r ed e e p l y i n v e s t i g a t e d ad i s t r i b u t e da d a p t i v ec h a n n e l a n dp o w e ra l l o c a t i o na p p r o a c hf o r c o g n i t i v er a d i on e t w o r ki sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d a p p r o a c hc o u l da l l o c a t ec h a n n e la n dp o w e ra d a p t i v e l ya n de f f i c i e n t l y , m e a n w h i l ei t a l s oa c h i e v e sab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ea p p r o a c hw h i c ho n l ya l l o c a t ec h a n n e l k e y w o r d ：c o g n i t i v e r a d i o a d a p t i v eo f d m t r a n s m i t - p o w e rc o n t r o l s p e c t r u mr e s o u r c em a n a g e m e n t 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名丝 醐迪z 三2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人繇赴 导师签名：害生妻蔓 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 随着通信技术的不断进步，通信网络正快速地向包括数据、语音、图像的综 合宽带多媒体方向发展，人们对通信质量、通信速度和通信内容也都提出了新的 要求。于是容量更大、传输速率更高的b e y o n d3 0 移动通信系统自然而然成为了 研究的热点，其核心技术正交频分复用( 0 f d m ) 技术，凭借出色的对抗多 径信道衰落的特性和极高的频谱利用率，更是引起了广泛的关注。自适应调制的 主要思想是通过研究无线信道的衰落程度、信道流量等参数动态地改变调制方式， 使信道容量达到最大或者使系统性能达到最佳，从而提高系统的频谱利用率和信 息传输速率。o f d m 技术不仅可以很好的抵抗多径效应，而且还可以根据每个子 载波上的衰落情况动态的调整每个子信道上所采用的调制解调制式、发射功率、 编码方式等。因此自适应o f d m 技术被人们广泛关注，并成为下一代移动通信系 统中关键的自适应技术。 众所周知，无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，一般由政府授权使用。 由于通信行业的迅速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，尤其是在频率需求非 常紧张的数百m h z - 3 g h z 无线频带中，些频带大部分时间内并没有用户使用， 另有一些偶尔才被占用，其他频带使用竞争则相对很激烈。怎样才能提高频谱利 用率，在各地区和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常关注 的技术问题。j o s e p hm i t o l a 在软件无线电的基础上提出了认知无线电( c o g n i t i v e r a d i o 简称c r ) 的概念【1 1 1 2 1 ，为这个问题提供了解决方法和系统模型。 如何将自适应o f d m 技术应用在认知无线电系统中，从而实现最大限度的利 用频谱资源，提高系统传输效率，成为未来通信发展的一个热点。本章首先介绍 了自适应o f d m 技术，接着介绍了认知无线电的概念以及系统模型，最后介绍了 本论文的主要工作和章节安排。 1 10 f d m 技术的发展概况 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r 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 ) 技术是 一种高速传输技术。它的基本原理是将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多径时延扩展对系统造成的影响。同时，由于它 在每个o f d m 符号之前插入了保护间隔，只要使得保护间隔大于信道的最大时延 2 自适应o f d m 研究及其在认知无线电中应用 扩展，这样就可以对抗由多径引起的符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e , i s l ) 。 因此o f d m 技术能够同时满足高速和抗干扰两方面的要求【3 】【4 】。 o f d m 技术主要有以下特点1 3 】1 4 】，就优点来说主要有：1 ) 可以有效地对抗信 号波形间的干扰。适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多 径衰落而出现频率选择性衰落时，只有落在频率凹陷处的载波及其携带的信息受 影响，其它载波未受损害；2 ) 在o f d m 技术中，可通过插入循环前缀( 只要使循 环前缀持续长度大于最大信号延迟) ，就可以很好地克服i s i 和i c i ；3 ) f f 4 于o f d m 各子载波相互正交，允许各子载波有1 2 重叠，因此可以大大提高频谱利用率； 4 ) f h 于深度衰落而丢失的一些子载波可通过编码、交织等措施来很好的恢复，提 高系统误码性能；5 ) 通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。与单载波 系统相比，若衰落不是特别严重，可以不加信道均衡器，减小了系统的复杂度； 6 ) o f d m 技术抗脉冲及窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的 子信道；7 ) 若采用差分调制，无需信道估计；8 ) 与单载波系统相比，对采样定时 偏移不敏感；9 1 采用f f t 技术实现调制和解调功能，使得计算更加有效。其缺陷 主要有：1 ) 由于要求各子载波正交，使得其对频率偏移和相位噪声很敏感；2 ) 由 于各子载波相互独立，使峰值与均值功率比相对较大，且峰平比随着载波数目的增 加而增加，高峰平比信号通过功放时，为了避免信号的非线性失真和带外频谱再 生，需要功放具有大的线性范围，使得功放有较大的回退，导致射频放大器的功 率效率降低；3 ) 加载算法和自适应调制会增加系统复杂度。 通过近些年来对o f d m 技术的广泛研究，o f d m 系统的频偏估计、信道估 计、峰平比抑制等问题已经很好的解决。随着数字信号处理( d s p ) 和超大规模 集成电路( v l s i ) 技术的发展，在小型移动设备上实现高性能的o f d m 调制成 为可能。由于o f d m 本身的性能优越，基于o f d m 技术的通信系统标准也如雨 后春笋般地不断涌现，如用于提高铜双绞电缆通信能力的对称数字用户链路 ( a d s l ) ，应用于无线局域网的i e e e s 0 2 1 1 和欧洲电信标准协会( e t s i ) 推出 h i p e r l a n - 2 标准，适用于无线城域网的i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 标准等。在广播方 式的音频和视频传输中o f d m 技术也同样得到广泛应用，如欧洲的数字音频广播 ( d a b ) 、数字视频广播( d ) 以及日本的综合业务数字广播( i s d b ) 等。o f d m 与多输入多输出( m i m o ) 以及智能天线( s m a r t a n t c n n a ) 一起成为第四代移动 通信系统物理层的关键技术。 1 2 自适应技术与o f d m 技术的结合 在实际的无线传输过程中，无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性嘲。 时变特性是由终端、反射体、散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的 第一章绪论 细微变化引起的。因此，无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量，要最大 限度地利用信道容量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使 编码调制方式具有自适应特性。但是在传统的无线数字通信系统中，都是以最差 情况时的信道为目标设计编码和调制等技术，系统中包含了很多用来克服最差条 件的开销，即使是在信道条件较好的时候，这些开销也依然存在。目前的无线通 信系统，通常都是选择使用一种简单的调制外加复杂的纠错编码来实现。但是这 种方式很明显对频谱资源的利用度不高。 自适应技术可以根据无线传输环境的变化自动的改变调制方式、编码速率、 传输功率、传输信道等等的参数，以便最大限度的传输有效信息，从而提高频谱 资源的利用率。自适应传输的思想是6 0 年代末提出的，但由于受当时硬件条件的 限制一直未得到重视。9 0 年代随着计算机技术和数字信号处理技术的高速发展和 人们对多媒体通信业务的需求，自适应调制受到越来越广泛地关注，g o l ds m i t ha j 等提出的自适应功率控制【6 】，u et 等提出的变符号率传输 7 1 ，w c b bwt 等提出 的动态地改变星座点大小嘲，m a t s u o k ah 等提出的可调编码速率或者是这些方案 的结合【9 】都正在研究中。很多实际的通信系统，例如u m t sh s d p a 高速下行分组 接入以及c d m a 2 0 0 01 xe v d o d v 都将自适应调制技术作为关键技术之一。 o f d m 作为一种频分复用技术，本身就具有适合自适应传输的特点。对于无 线信道，多径传输带来的频率选择性衰落对通信系统的影响是非常严重的。o f d m 技术通过将高速数据码流并行分配到多个并行的子信道上，虽然在整个o f d m 带 宽范围中存在频率选择性衰落，但是对每个子信道来说，衰落程度都是基本相同 的，通过o f d m 的信道估计以及信噪比估计技术，可以检测或预测出o f d m 各 个子信道上的衰落程度以及噪声功率，这样就能根据每个子载波上不同的信道条 件，自适应的改变各载波上的调制制式以及相应的发送功率，实现同时对信道在 频域以及时域自适应传输的目的。 更近一步，在多用户o f d m 接入( 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 a c c e s s ，o f d m a ) 系统中，由于不同的用户所在的位置不同，信道的传输条件也 可能不同，因此可以进行子载波的自适应分配，即根据各个用户在各个子载波上 的实际的传输情况灵活的为每个用户分配所需要的子载波，从而更加公平有效地 将无线资源分配给共享无线媒质的多个用户。正由于自适应o f d m 技术的灵活可 靠的性能，自适应技术已经应用在i e e e 8 0 2 i l 等一些通信系统中。随着对该技术 的深入研究，自适应o f d m 技术必将拥有广泛的应用前景。 4 自适应o f d m 研究及其在认知无线电中应用 1 3 认知无线电技术的提出及发展 众所周知，无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，一般由政府授权使用。 由于通信行业的迅速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，尤其是在频率需求非 常紧张的数百m h z - 3 g h z 无线频带中，一些频带大部分时间内并没有用户使用， 另有一些偶尔才被占用，其他频带使用竞争则相对很激烈。怎样才能提高频谱利 用率，在各地区和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常关注 的技术问题。m i l t r e 公司的j o s e p h m i t o l a 在软件无线电( s o f t w a r e d e f i n e d r a d i o ， s d r ) 的基础上，提出了认知无电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念，为这个问题提 供了解决方法。 软件无线电是m i t o l a 在1 9 9 2 年5 月提出的一种实现无线通信的新概念和新 体制，是作为多频带多模式的个人通信系统平台而出现的。其中心思想是：构造 一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，各种功能，如工作频段、调 制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等，用软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线 通信系纠1 0 1 】。它以硬件作为无线通信的基本平台，无线通信功能尽可能用软件 实现。这样设计的无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级 变得非常方便。采用软件无线电平台，很容易根据信道条件，自适应的选择适合 传输的调制方式、调制参数等，达到自适应传输的目的。近些年来，随着高速信 号处理芯片的发展，软件无线电系统正越来越多的应用于实际系统中。 接收机 图1 1 基本认知周期 以软件无线电为扩展平台的认知无线电是一种新的智能无线通信技术，它可 以感知到周围的环境特征，采用构建理解的方法进行学习，通过无线电知识描述 语言( r k r l ) 与通信网络进行智能交流，实时调整传输参数，使系统的无线规则与 第一章绪论 输入的无线电激励的变化相适应，以达到无论何时何地通信系统的高可靠性和频 谱利用的高效性。 根据m i t o l a 定义的认知无线电框架，用户首先需要检测环境，估计当前信道 中的干扰温度及其接入对邻近用户的干扰，根据这些测量数据，用户可以自适应 地改变他们的传输参数，以达到最终的网络总性能提高的目的口i f 2 。图1 1 描述了 一个基本的认知周期。可以概括出认知无线电的基本任务是：无线电环境分析； 信道估计和信道预测建模；传输功率控制和动态频谱资源管理。下面简要介绍一 下上述的3 个任务： 1 无线电环境分析 认知无线电系统首先需要分析无线电传输环境。这个分析过程一般是通过在 发送端产生用于测量的信号，接收端对接收信号进行处理后判断干扰温度的大小， 同时检测出频谱空洞并估计出相关的传输参数的统计量。接收端将这些信息反馈 到发射端，用于传输功率控制和动态频谱资源管理。在这里有两个重要概念：干 扰温度和频谱空洞。 通常的无线电传输环境中，传输是以发送端为中心的，由于一些不可预知的 干扰源的存在，在发送端固定传输功率将导致传输性能不可靠。为了避免这种情 况的发生，f c c 提出了一个度量干扰的新标准：干扰温度，可以通过式( 1 1 ) 计算。 k = 半，k “3 8 0 7 1o _ 2 3 式( 1 - 1 ) 这里乙。一为干扰温度，单位是开尔文温度；只妨是带内功率谱密度，单 位是瓦特每赫兹；k 是波兹曼常数。通过定义干扰温度，限定了在某频带和特殊 地理位置上满足接收者需求的最差传输环境特性。在应用中，如果当前接收天线 处的干扰温度大于干扰温度上限，则认为该频带内的通信系统性能很差，不能使 用；如果低于上限，则可以将此频带安排给等待服务的用户。 频谱空洞是：己分配给某用户，但在特定时间和地理位置可以被其他用户利 用的频带。在认知无线电系统中如何有效地进行频谱空洞检测是非常重要的。频 谱空洞按照干扰级别可分为三种：黑色区域，该区域内有很高功率的干扰；灰色 区域，该区域内的干扰较小；白色区域，除了环境噪声，该频带内没有其他干扰。 其中白色区域和灰色区域是可以被用户使用的，而在黑色区域中，由于干扰非常 大，应该避免在此区域内进行通信传输。 2 信道状态估计及其容量预测 为了在认知无线电接收机处进行相关检测和预测计算其信道容量，必须进行 信道估计。一般的信道估计方法有差分检测法和训练序列传输法两种，它们各有 自己的优缺点。差分检测法鲁棒性较强，实现简单，但接收端使误帧率显著下降 所需的信噪比代价高；训练序列传输法接收机性能好，但浪费传输能量和带宽。 6 白适应o f d m 研究及其在认知无线电中应用 现在还出现了基于信道统计的盲估计以及半盲估计，这两种估计是差分检测法以 及训练序列发的有效补充，可以应用于相应的场景中。当得到信道估计的结果后， 可以通过香农公式近似的计算出信道的容量，进而应用该结果控制发送端的传输 参数。相关信道估计的问题是认知无线电中非常重要的一个环节，该问题也将在 论文中详细介绍。 3 功率控制和频谱资源管理 认知无线电系统中的用户由于不需要注册所使用的频谱资源，一定会出现相 互竞争频谱资源的现象。如何解决多用户在网络中的资源共享，成为认知无线电 系统需要重点解决的问题。 在认知无线电系统中传输功率控制可以归结为多用户的协作，一般应用博弈 论和信息论解决此类问题。博弈论是一种用于分析决策过程中参与者交互作用的 数学工具，它可以预测这些参与者交互作用的结果，并为参与者制定最佳的决策。 多用户的认知无线电系统的功率控制问题可以看作是一个博弈论问题。信息论中 的注水法也同样可以解决此类问题，注水法的基本思想是：在衰落较大的子信道 上分配较少的能量；而在衰减较小的信道上多分配能量。这样可以在整体上充分 利用现有的资源，达到最大化的传输容量。 简单的说，频谱管理的首要目的是充分高效地利用射频频谱资源。频谱管理 算法在检测到的频谱空洞上，挑选一个适应于此时变无线电环境的调制策略，以 保证该信道上的稳定通信。 1 4 自适应0 f d w 技术在认知无线电场景中的应用前景 通过上面的介绍，适应调制解调技术是宽带移动系统的关键技术之一。自适应 调制的主要思想是通过研究无线信道的衰落程度、信道流量等参数动态地改变调 制方式，使信道容量达到最大或者使系统性能达到最佳，从而提高系统的频谱利 用率和信息传输速率。o f d m 技术不仅可以很好的抵抗多径效应，而且还可以根 据每个子载波上的衰落情况动态的调整每个子信道上所采用的调制解调制式、发 射功率、编码方式等，自适应技术与o f d m 技术的结合成为近些年来研究的热点。 认知无线电技术是一种崭新的提高频谱利用率的解决方法，在认知无线电系统中 使用的传输方式一定要具有灵活可变、能够智能的适应传输信道的改变的特性， 自适应o f d m 技术就具有这些特性，所以完全适合认知无线电系统的需求。所以 如何将自适应o f d m 技术应用于认知无线电系统中，必将成为未来移动通信系统 的关键技术。 第一章绪论 7 l5 本文主要工作及章节安排 本文的来源于国家“8 6 3 ”认知无线电技术研究项目，目的是研究自适应 o f d m 及认知无线电系统的关键技术。出于上述目的，本文的主要工作如下： 1 分析o f d m 系统的传输环境，并在此基础上对o f d m 系统的信道估计算 法及信噪比估计相关现有算法进行了研究。通过该部分的工作，为自适应o f d m 传输提供了重要的参考依据。 2 深入研究了o f d m 系统的自适应传输切换门限设置以及o f d m 的子载波 比特分配及功率分配算法。通过将信道估计的结果应用到这部分研究的自适应传 输方法中，实现o f d m 系统的自适应传输。并在t i g e r s h a r k 板卡上设计自适应 o f d m 系统。 3 研究认知无线电系统的关键技术，将认知无线电系统分类为分布式系统以 及集中式系统两种应用场景，并分别对这两种应用场景中的功率控制和频谱资源 管理问题进行了深入研究。提出了一种应用于分布式认知无线电系统的信道及传 输功率的自适应分配的方法，并根据该法结合自适应o f d m 系统搭建系统仿真平 台，分析提出方法在该平台上的工作过程以及应用性能。 本文的章节安排如下： 第二章介绍了o f d m 系统的基本原理，研究了o f d m 系统的信道估计以及 信噪比估计问题，并给出了多种估计方法的实现方法以及性能对比；第三章研究 了o f d m 的自适应技术，对自适应o f d m 系统的组成结构、工作过程进行了详 细的描述，随后对自适应传输切换门限以及o f d m 的子载波比特分配以及功率分 配方法进行了研究，最后介绍了一种可在t i g e r s h a r k 板卡上实现的自适应o f d m 系统设计；第四章介绍了认知无线电系统的关键技术，研究了该系统的两种应用 场景：集中式和分布式场景。研究了适用于不同种应用场景的功率控制以及频谱 资源管理的方法。提出一种应用于分布式认知无线电系统的信道及传输功率的自 适应分配的方法，给出了仿真方法及结果。最后对全文的工作进行了总结。 第二章0 f d m 基本理论以及信道估计技术研究 9 第二章0 f d m 基本理论以及信道估计技术研究 2 10 f d m 基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它既可以被看作一种 调制技术，也可以被看作一种复用技术。它由于抗频率选择性衰落能力强、频谱 利用率高、便于与其他接入方式结合使用、可以使用高效的i f f l 忭f t 来实现等 优点使它成为最有发展前途的多载波调制技术【3 】【4 】。 2 1 10 f d m 的基本原理 1 o f d m 的基本原理模型 o f d m 的基本原理就是把串行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并 行子数据流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载波 上的信号叠加合成起输出。 o f d m 系统的基本原理如图2 1 所示： 护 串 f 萋粤。一 + f 矿“ 玲 发送端 信 道 飞p 变 嚣 换 叫洲竺p 接收螬 图2 1o f d m 系统基本原理模型 从上图可以看出：0 f d m 的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换 成n 路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。 而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出 原始数据。 2 o f d m 信号的表达式及其正交性 从上面对o f d m 基本原理的论述可以看出：其实现的根本思想是通过串并变 换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波 1 0 自适应o f d m 研究及其在认知无线电中应用 之间的正交性。串并变换是很容易实现的，而正交性是如何实现的呢? 下面先看 看o f d m 信号的表达式。 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 波信号都可以进行相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q m ) 。如果n 表示子信道 的个数，r 表示一个o f d m 符号的时间宽度，d , a = o d ，- - 为每个子信道的数 据符号，石是第0 个子载波的载波频率，则f = 开始的一个已经调制的o f d m 符 号可表示为： 占( ，) = r e d ，p 7 2 + 争x 卜t 。，s t ，+ r式( 2 1 ) 然而在多数的文献中，通常采用复等效基带信号来表示o f d m 的输出信号， 如式( 2 2 ) 所示。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 际中可以分别与相应的子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，再叠加成o f d m 信号。 j ( f ) = d ，p m ( “t ，sf 茎t ，+ t 式( 2 2 ) 从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 都可以看出，o f d m 信号相邻子载波间的间隔为o f d m 的 码元速率即l 这样就有： ；r e 鸬斫= ；r e 丘f 争e “争出 一7 争西式(2-3)tm 一7 = 骺：i ： 式( 2 - 3 ) 说明了只要使各个子载波之间的间隔为j 仃就保证了各个子载波之间 的正交性。正是这种正交性使频谱互相重叠的各个子载波信号能够被正确的分离 出来。比如要解调第，个子载波，根据图2 1 以及式( 2 3 ) 有： 巧= 手r q s o 弦2 。_ 西 = ；r 鸭罗，。, j 2 x l - - ( t - t 乙叫2 f 5 。 式( 2 4 ) = 亍1 刍y - i 矿e 胁铷出 = d 这种正交性在时域的表现就是每个子载波在一个o f d m 符号周期内包含整 数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。如图2 2 所示。 第二章0 f i ) m 基本理论以及信道估计技术研究 l l 图2 。2o f d m 信号正交性的时域表现 这种正交性也可以从频域得到更直观的体现。因为每个o f d m 符号包含了多 个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与各个子载 波的脉冲响应函数8 ( 0 的卷积，图2 - 3 显示了o f d m 信号频谱中各个子信道频谱 的情况，其中每个子信道的频谱为s m c ( # f t ) 函数，它在中心频率处有最大值，在 z 仃的整数倍频率上的值为零。这样，在每个子载波的频谱最大值处所有其他子 载波为零，在解调时，需要计算各个子载波频谱的最大值，只要保证各个子载波 的频率没有偏移，就可以准确的解调出每个子信道上的数据而不受其他子信道的 影响。 黧瓣 图2 3 从各个子信道看o f d m 信号的频谱 图2 4 一般的f d m 和o f d m 频带占用示意图 自适应0 f d m 研究及其在认知无线电中应用 从图2 4 所示的频带占用示意图可以看出：在o f d m 信号频谱中，由于各个 子信道频谱相互重叠，o f d m 信号的带宽是进行一般频分复用信号带宽的一半， 即频谱利用率提高了一倍。这是o f d m 给我们带来的最大好处之一。 2 1 2o f d m 的i f f t f f t 实现 图2 1 只是从理论上说明了o f d m 系统的基本原理，按图2 1 来实现o f d m 系统是非常的困难和不可取的。因为当子载波数目多，子载波间隔非常小时，难 以实现这么高的频率分辨率，而且解调时每一路子载波都要进行积分，导致系统 结构庞大，非常的浪费资源，因此需要寻找一种易于实现的方案。 在式( 2 - 2 ) q h ，令t s = o ，对信号s ( o 以t n 的速率进行采样，即令f = 七明、r 伍= d ，j ，2 ” n - 1 ) ，可以得到： j 。：笠1 d i e 2 x 争0 七sn l 式 i - o 可以看到既可以看作对面进行离散傅立叶反变换i d f t 运算。同样在接收端， 为了恢复出原始的数据符号西，对政进行反变换，即进行离散傅立叶变换d f t 得 到： d ，：芝1 叩州f 争 o ，s r l 式( 2 6 ) 0 根据以上的分析可以看出，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 完成。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号4 变成时域数据符号符号斑，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 输出的数据符号船 都是由所有子载波信号经过叠加而生成，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。这样通过d f t 的方法来实现o f d m 有很大的好处，它 大大简化了调制解调器的设计，使用i d f t d f t 便可完成了多路子载波的调制和 解调，而且i d f t 仍f t 早就有了成熟的快速算法i f f l 作f t ，它可以方便的在d s p 芯片中实现。使用i f f t f f t 的o f d m 系统基本原理如图2 5 所示。 解调 圈2 5o f d m 基本原理的i f f l y f f t 实现 第二章0 f d m 基本理论以及信道估计技术研究 2 1 3 添加循环前缀 o f d m 的一个最主要优点是它可以有效的对抗多径时延扩展。通过串并变化 把输入数据转换到个并行的子信道中，使每个子信道信号的符号周期扩展为原 来的倍，时延扩展与符号周期的比值也就降低了倍，大大提高了系统的抗码 间干扰( i s d 能力，这是多载波调制也是o f d m 的一个明显好处。为了最大程度的 消除码间串扰，还可以在每个o f d m 符号的之间插入保护间隔。保护间隔的长度 疋一般要大于最大时延扩展。在保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空 闲传输时段，但是由于多径传播的影响，会产生信道问干扰o c d ，即子载波间的 正交性遭到破坏，子载波之间产生干扰。这种情况如图2 6 所示。 孓咫 图2 6 插入空保护同隔时多径时延带来i c i 综上所述，单纯的插入空的保护间隔时多径时延会带来i c i 。为了消除i c i ， 需要改变保护间隔的插入方法。研究表明，在保护间隔中插入循环前缀( c y c l i c p r e f i x 。c p ) 可以解决这个问题，因为插入循环前缀后，只要多径时延小于c p 的长 度，在f f t 的计算时间内各个子载波的包含周期数是整数，也就是说各个子载波 之间保持正交，没有i c i 。c p 的插入方法如图2 7 所示，也就是把每个o f d m 符 号的后五时间的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀。此时o f d m 的符号 周期为：瓦= 7 ，+ 疋。 ：粥w 瓣 图2 7 循环前缀的添加 1 4 自适应o f 嘣研究及其在认知无线电中应用 从图2 7 也可以看到，在循环前缀和o f d m 符号主体交界处t t ，信号相位是 连续的。这是因为在每个符号周期内都包含整数倍个子载波周期，也就是说对每 个子载波来说其相位在白、t z 时刻是相同，所以它们叠加合成的信号在“、t 2 时刻 相位也相同，因此循环前缀和o f d m 符号主体交界处，信号相位是连续的。 这样，添加c p 之后通过i f f t 用阡实现的基带o f d m 系统模型如图2 8 所示。 数据流经过串并变换实现了把串行数据流变换成个并行数据流( 为o f d m 系 统的子载波个数) 后，进行点的礤f t 变换，从而在基带上实现把n 个并行数 据调制到n 个并行的正交子载波上，为了最大程度的消除码间串扰( i s i ) 和信道 问于扰( i c i ) ，在每个o f d m 数据符号前面添加了长度为以的循环前缀( c p ) ， 最后经过并串变换和d a 变换发送到信道中。 图2 8 基带o f d m 系统模型 2 2o f d m 系统的信道估计 需要实现o f d m 系统的自适应传输，我们首先要了解系统传输的环境，也就 是信道。对于o f d m 系统来说，信道状态的估计问题分为信道的频域响应估计以 及信道的信噪比估计。信道的频域响应估计是用来描述在某一时刻，信道在一个 频率范围内的信道传输响应情况；而信噪比估计可以用来描述在一段时间内，信 道的传输能力，信道的容量与信噪比的关系在香农定理中有详细阐述。 研究o f d m 系统的信道估计问题首先需要了解o f d m 传输系统的信道传输 环境。下面先研究o f d m 系统的信道模型。 2 2 1o f d m 系统的信道模型 与有线传输系统相比，无线信号传输的环境要复杂和恶劣的多。无线信号在 传输中会受到收发之间复杂地形，移动物体，大气变化特性的影响，从而产生反 射，折射，衍射和散射等。与有线传输的静态特性相比，无线信道更多地星现出 一种随机特性和时变特性。这种时变性和随机性引起的信号衰落可以分三类1 5 l ： 第二章o f d - l 基本理论以及信道估计技术研究 1 ) 自由空间传播损耗和弥散，指的是在理想的、均匀的、各向同性的介 质中传播，不发生反射，折射和吸收现象，只存在由电波能量扩散而引起的传播 损耗。 2 ) 阴影衰落，这是一种慢衰落，当无线电波在传播路径上遇到起伏地形、 建筑物、植被等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影；接收信号通过不同的障 碍物阴影时，场强中值发生变化，从而引起服从对数正态分布的阴影衰落。如果 阻挡物的尺寸达到几个至几十个波长，则阴影衰落的影响往往在几个到几十个波 长内基本保持不变。 3 ) 无线移动环境中特有的多径衰落。由于无线电波在传输的过程中会遇 到各种建筑物，树木、植被以及起伏地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的 反射、散射和绕射等，这样到达接收天线的信号就不是经过单一路径到达，而是 由许多不同路径的反射、折射波合成的。又由于不同方向的电波通过每条路径的 距离不同，因而各条路径的反射波的到达时间是不相同的，相位也不同。不同相 位的多个接收信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。 这样，接收信号的幅度就急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象引 起的，称为多径衰落。其次，我们还知道，在无线移动信道环境中，由于移动台 和基站的相对运动，会造成接收信号的多普勒频移，而多个多径分量经由不同的 方向到达接收机，就会造成接收信号的多普勒扩展。 自由空闯损耗、阴影衰落和多径衰落的表现范围是不相同的。前两种衰落都 属于大尺度衰落，距离长，影响无线通信的距离和覆盖范围，可以通过天线的合 理布局来消除其不利影响。后种属于小尺度衰落，它在几十个波长范围内或是 短时间内呈现出快速的随机起伏。但这两种衰落并不是相互独立的，在同一个无 线信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。 大尺度衰落是表示接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而 呈现出缓慢变化，主要是由信号的特征和收发距离以及阴影效应引起的衰减。大 尺度衰落描述的是发信机到收信机的长时间的场强衰减，该衰减与收发信机间的 距离、收发信机的高度、收发信机之间的传输环境等有关。 小尺度衰落表征接收信号短时间内的快速波动，主要是由电波反射、绕射和 散射等导致的多径传播以及以动态的运动速度导致的多普勒扩展，会严重影响传 输信号的质量，也是室内无线传输信道中的主要影响因素。对于o f d m 系统，研 究该系统传输环境的小尺度衰落特性是非常重要的，下面重点介绍小尺度衰落的 特性及对o f d m 系统的影响。 小尺度衰落反映了在短时间( 较短距离) 内的幅度和相位多径延时的快速变 化，无线信道的多径性导致了小尺度衰落。引起小尺度衰落的因素有以下几个： ( 1 ) 经过短距离或短时传播后信号强度的急速变化。 1 6 白适应0 f i ) - i 研究及其在认知无线电中应用 ( 2 ) 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的 随机频率调制。 ( 3 ) 多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 描述信道的小尺度衰落的参量有两个，一个是信道的相干带宽，另一个是信 号的相干时间。相干带宽是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很 强的幅度相关性；而相干时间是信道的冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均 值。 ( 1 ) 相干带宽可近似： 1 忍2 志 式( 2 _ 8 ) 这里o 。为多径信道的r i l l s 时延扩展。定义p ( 气) 为信道的时延功率谱，那么 妒而；= 猎7 = 猎蝴 ( 2 ) 相干时间可近似定义为： 瓦2 赢 式( 2 - 1 0 ) o 这里= 厶为多普勒频移。根据不同的产生原因，可以将小尺度衰落产生的 信道分为不同的类型。表2 1 给出了分类的结果。 表2 1 衰落类型 小尺度衰落 多径时延扩展多普勒频移扩展 平坦衰落信道频率选择性衰落信道快衰落信道慢衰落信道 磁 b cb s b d d e l a ys p r e a d 乏 s y m b o lp e r i o d s y m b o lp e r i o d s y m b o lp e r i o d 其中：最相关带宽，风信号带宽，多普勒频移扩展 d e l a ys p r e a d 延时扩展s y m b o lp e r i o d 信号周期，乏相干时间 根据o f d m 系统的实际传输环境，我们研究的o f d m 的信道模型是一个有 加性白噪声的无符号间干扰的频率选择性慢衰落信道。图2 9 与2 1 0 分别描述了 典型o f d m 系统信道在时域上呈现的瑞利衰落以及在频域频率选择性衰落。 第二章o f 脚基本理论以及信道估计技术研究 1 7 图2 9 瑞利衰落信道模型图2 1 0 频率选择性信道模型( 采用t u l l 2 j 模型) 下面将详细介绍信道的频域响应估计以及长时间上的信噪比估计问题。 2 2 2o f d m 信道频域响应估计 假设o f d m 系统的发送端输入的频域数据为x ，进行i f f t 后输出的时域数 据为孰，那么有 工。：y n - 1 。p ，2 “，” ts 一1式(211x0n 1 1 1 ) 工t = j p7 2 ” ts 一 式( 2 - f l o 其中为子载波数。在接收端，假设接收到的时域数据为此，i f f t 后输出的 频域数据为k ，那么有 - 1 一= y k p 印“0 sf n l 式( 2 - 1 2 ) 发送数据x k 经过信道作用后接收到数据鲰，如果信道的脉冲响应用矗俐来表 示，噪声用n 例表示，用毛表示第i 径时延对于o f d m 码元速率的归一化时延， 则有 y ( 押) = x ( 竹) o 矗( ) + 押( 功 h ( n ) ：壹q 6 ( m ，) 式( 2 1 3 ) 对上式两端同时做傅立叶变换，那么上式可以表示成 l ，( k ) = x ( k ) 日( 量) + ( x )式( 2 - 1 4 ) 那么o f d m 传输系统的信道等效模型可以表示成下图： 1 8 自适应0 f d m 研究及其在认知无线电中虑用 墨喜 图2 1lo f d m 系统传输等效模型 这里的凰与甄都是频域信号，也就是o f d m 系统调制前的发送数据与解调 后的接收数据。这样如果要估计某个子带的信道频域响应，