（通信与信息系统专业论文）虚拟mimoofdm中的子载波分配技术研究.pdf

摘要 摘要 虚拟多输入多输出( v m i m o ) 系统可以将若干用户终端的收发天线当作整体来 考虑，利用移动终端设备构成接力小区并进行合作通信，构成虚拟天线阵列( v a a ) ， 实现m l m o 技术提高系统容量的目的。正交频分复用( o f d m ) 技术具有良好的抗多 径衰落能力，同时通过在频域划分子信道提供较好的资源分配和调度粒度，因此， v m i m o 和o f d m 能较好的结合起来。 o f d m 系统依据各个用户的信道状态信息( c s i ) 和相应的优化准则，将o f d m 符号的子载波动态分配给不同的用户。相对于f d m a 、t d m a 等固定分配方式， o f d m 系统更容易实现动态子载波分配，以优化的通信系统频谱效率。由于各用 户的信道衰落是相互独立的，v m i m o o f d m 系统也可实现动态子载波分配。但 目前对于分布式系统的载波分配方法研究还不多，而传统的子载波分配方法都是 基于集中式系统的，无法将其直接应用于分布式系统。本文在分布式系统载波分 配方面做了以下一些工作： 1 研究了分布式系统与集中式系统的自适应技术的异同点，对比归纳了多种 集中式算法的使用范围及技术特征，由此找到分布式载波分配的突破口。 2 研究了基于波束成形思想在终端分布式但是天线集中式的分布式 m i m o o f d m 系统中的子载波分配方法。提出了一种新的适合分布式的子载波分 配算法。该算法依据可用子载波和干扰子载波集合这个重要概念，以最小化用户 单位比特发送功率为目标，有效地克服了在分布式系统中同频干扰的问题，降低 了用户传输功率。仿真结果表明该算法有较好的性能。 3 提出了一种适合于虚拟m i m o o f d m 系统的子载波分配算法。该算法应用 虚拟m i m o o f d m 系统跨层合作的思想以及分布式计算的原理，充分利用物理层 与m a c 层的信息交互，将传统m i m o o f d m 系统的集中式信道信息计算分布到 各个虚拟小区的分布式终端，然后再由虚拟小区的主终端合并分布式终端的计算 结果，达到优化载波分配，克服同频干扰的目的。仿真结果表明，提出的算法具 有较低的比特发送功率，相对于固定子载波分配有很大的改进。 关键词：正交频分复用，虚拟m i m o o f d m ，子载波分配，分布式系统 a b s t r a c t a b s t r a c t v i r t u a lm u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( v m i m o ) s y s t e mc o u l dt r e a tt h ea n t e n n a so f u s e rt e r m i n a l sa saw h o l e i to r g a n i z e st h em o b i l et e r m i n a l st oc l u s t e rac e l lf o r c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，s ot h a tt h ev i r t u a ld i s t r i b u t e dm i m oa n t e n n a sa r r a y si s f o r m e dt or e a l i z et h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h es y s t e mc a p a c i t yb ym i m ot e c h n i q u e 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 ) t e c h n i q u eh a sg o o dp e r f o r m a n c e o fa n t i m u l t i p a t hf a d i n g m e a n w h i l ei tc a l lp r e f e r a b l yp r o v i d er e s o u r c ea l l o c a t i o na n d s c h e d u l i n gd e m e n tu n i t sb yd i v i d es u b c h a n n e li nf r e q u e n c yd o m a i n i nt h i sc a s e , v m i m oa n do f d mc a nb ei n t e g r a t e dw e l l a c c o r d i n gt ot h eu s e r s c h a n n e la a m si n f o r m a t i o na n dc o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o n , o f d ms y s t e ma l l o c a t e st h es u b c a r r i e r st od i f f e r e n tu s e r sd y n a m i c a l l y c o m p a r e d 谢t l l f i x e dr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m es u c ha sf d m aa n dt d m a ，i ti sm o r ee a s i l yt o a l l o c a t es u b c a r r i e r sd y n a m i c a l l yi no f d ms y s t e ms oa st oo p t i m i z et h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ss p e c t r a le f f i c i e n c y b e c a u s eu s e r s c h a n n e lf a d i n gi si n d e p e n d e n t , i ti sp r a c t i c a l p o s s i b l et oa p p l yd y n a m i c a ls u b c a r r i e r sa l l o c a t i o ns c h e m ei nv i v l i m o o f d ms y s t e m h o w e v e r , d i s t r i b u t e ds y s t e m s s u b c a r r i e r a l l o c a t i o ns c h e m eh a s n tb e e nd e e p l y r e s e a r c h e dt i l in o w , a n dt h et r a d i t i o n a ls c h e m ei sb a s e do nc o n c e n t r a t e ds y s t e m ，s oi ti s h a r dt oa p p l yt h ec o n c e n t r a t e ds y s t e m ss u b c a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi m m e d i a t e l yi n t h ed i s t r i b u t e ds y s t e m 。h e n c e , t h i sd i s s e r t a t i o nd o e ss o m er e s e a r c hw o r ko ns u b c a r r i e r a l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rd i s t r i b u t e ds y s t e ma sf o l l o w i n g ： 1 t h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so fa d a p t i v et e c h n i q u eb e t w e e nc o n c e n t r a t e d a n dd i s t r i b u t e ds y s t e mi sa n a l y z e d t h ea p p l i c a t i o ns c o p ea n dt e c h n i q u ef e a t u r e so f c o n c e n t r a t e ds y s t e m sa l l o c a t i o na l g o r i t h mi ss u m m a r i z e d ，a n dt h u st h eb r e a k t h r o u g ht o t h ea l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rd i s t r i b u t e ds y s t e mi sf o u n d 2 ab e a m f o r m i n g - b a s e ds u b c a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hi s s u i t a b l ef o rd i s 伍b u t e dm i m e o f d ms y s t e m t h ea l g o r i t h mu t i l i z e st w oi m p o r t a n t d e f i n i t i o n s ，t h eu s a b l es u b c a r r i e r ss e ta n di n t e r f e r es u b c a r r i e r ss e t ，a i m i n gt om i n i m i z e t h eu s e r sa v e r a g eb i tp o w e r i tc a nc o n q u e rt h ei n t e r f e r ea m o n gt h es a m ef r e q u e n c yi 1 1 t h ed i s t r i b n t e ds y s t e m ，a n dr e d u c et h eu s e r st r a n s m i s s i o np o w e r i i a b s t r a c t 3 t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e san e ws u b c a r r i e ra l l o c a t i o naa l g o r i t h mw h i c hi s s u i t a b l ef o rv i r t u a lm i m o o f d ms y s t e m t h ep r o p o s e d a l g o r i t h ma p p l i e st h e c r o s s - l a y e ri n t h ev i r t u a lm i m o - o f d ms y s t e ma n dt h ep r i n c i p l eo fd i s t r i b u t e d c o m p u t i n g w i t ht h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e np h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e r , i t d i s t r i b u t et h ec h a n n e li n f o r m a t i o nc o m p u t i n gi nm i m o o f d ms y s t e mt od i s t r i b u t e d t e r m i n a l si nt h ev i r t u a lc e l l s a tt h ee n d ，t h ec o m p u t i n gr e s u l tf r o md i s t r i b u t e dt e r m i n a l s i sc o m b i n e db ym a i nt e r m i n a l si nt h ev i r t u a lm i m oc e l lt or e a l i z et h ep u r p o s eo f o p t i m i z i n gt h e s u b c a r r i e ra l l o c a t i o na n dc o n q u e r i n gt h ei n t e r f e r ea m o n gt h es a m e f r e q u e n c y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mp r o p o s e di n t h i sc h a p t e rr e d u c e t h ea v e r a g eb i tp o w e r , a n dh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nf i x e ds u b c a r r i e ra l l o c a t i o n k e y w o r d s ：o f d m ，v m u a lm i m o o f d m ，s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n ，d i s t r i b u t e ds y s t e m i i i 图目录 图目录 图1 1 四代移动通信系统的主要特点2 图2 1o f d m 和f d m 的带宽利用率对比6 图2 2 连续时间域o f d m 信号的形成示意图7 图2 3o f d m 子载波频谱示意图8 图2 4o f d m 时域波形示意图8 图2 5o f d m 系统模型框图9 图2 - 6m i m o 系统构成原理图1 l 图2 7m i m o 系统的基带数学模型1 2 图2 8 系统容量与天线数目的关系1 2 图2 - 9 传统m o o f d m 系统框图1 4 图2 1 0 基于认的通信系统示意1 5 图2 1 1 合作接力分布式m i m o 的一般模型1 5 图3 1 多用户o f d m 子载波分配方案2 0 图3 2 系统容量与用户数目之间关系曲线2 3 图3 3 不同用户容量比较图2 3 图3 - 4 多用户o f d m 的系统模型2 4 图4 1 分布式节点频率复用示意图3 1 图4 - 2 分布式m i m o o f d m 中的收发端系统框图3 2 图4 - 3 算法思想示意图3 6 图4 - 4 仿真程序流程图3 9 图4 _ 5 三种算法总功率比较4 1 图4 - 6 三种算法比特功率比较4 2 图禾7 竺对算法性能的影响4 3 图5 1 无线虚拟m i m o 通信系统一级示意图4 5 图5 2 两种建立小区方案示意图4 6 图5 3 虚拟m i m o o f d m 机制图4 6 图5 - 4 小区载波分配合作通信示意图4 9 图5 5 前期准备阶段小区广播信息帧格式5 0 v 图目录 图5 - 6 虚拟m i m o o f d m 中的信道向量示意图5 0 图5 7 一般终端提供载波排序信息给主终端数据帧格式5 1 图5 8 载波分配结果共享数据帧格式5 1 图5 - 9 载波算法流程图5 4 图5 1 0 用户总发送功率比较图5 5 图5 1 1 用户平均比特功率比较图5 6 图5 1 2 竺对性能的影响5 7 图5 1 3 小区终端数目对分布式算法中平均比特功率的影响比较5 8 图5 1 4 小区终端数目对分布式算法中平均比特功率的影响比较5 8 v i i i 表目录 表目录 表3 1 集中式与分布式自适应技术对比2 7 表3 1 集中式与分布式自适应技术对比( 续表) 2 8 表4 - 1 多用户分集与传统分集比较表3 0 表4 2 主要变量符号的意义3 7 表5 1 主要数学符号的意义5 2 表5 2 子载波和衡量函数值对应表5 3 i x 简略字表 叁瀚g 拭 b e r c p c s i e v d f d d f d 【a f f t i c i f t i s i m a m c m m o m r c 砌d o f d m o f 正a q a m r a s n r t d d t d m a v m m o 。幽 简略字表 a d d i t i v e n 1 1 i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n e i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n f r e q u e n c y - d i v i s i o nd u p l e x 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 m i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o l r i l l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e m 姆n a la d a p t i v e m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t m a x i m a lr a t i oc o m b i n e r m u l t i - u s e rd i v e r s i t y 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 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 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r a t ea d a p t i v e s i g n a l - t o - n o i s er a t i o t i m e d i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v m u a l m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t v i r t u a la n t e n n aa r r a y x 加性高斯白噪声 误比特率 循环前缀 信道状态信息 特征值分解 频分双工 频分多址接入 快速傅立叶变换 信道间干扰 快速傅立叶逆变换 符号间干扰 余量自适应 介质访问控制 多输入多输出 最大比合并 多用户分集 正交频分复用 正交频分多址 正交幅度调制 速率自适应 信噪比 时分双工 时分多址接入 虚拟多输入多输出 虚拟天线阵列 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：芝盔塞氢日蝴，伊夕年，月纯 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：逊导师签名：雌 日期：冲f 爿矽目 第一章绪论 1 1 移动通信发展历程 第一章绪论 个人通信可以保证任何人在任何时间、任何地方、与任何人、进行任何方式 的通信。其实质是用户的的控制性和移动性得到前所未有的注重，是人类心目中 理想的通信方式，目前无数的通信工程师正在为实现这个目标而不懈努力。 作为个人通信实现方式的移动通信系统在过去几十年里经历的突飞猛进的发 展，以下将简单回顾一下移动通信的发展历史，由此综观现代移动通信的发展历 程。图l 概括四代移动通信系统的主要特点。 第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 采用了模拟通信技术，其主要特点是采用模拟调 频( f m ) 加上频分多址接7 x ( f d m a ) 。但1 g 系统存在保密性差、频带利用率低、传 输速率低、终端体积大、设备成本高等缺点。 第二代移动通信系统( 2 g ) 是以数字语音传输技术为核心，数字信号处理技 术和芯片技术的发展促进了2 g 的蓬勃发展。特别是在关键的空中接口上采用了一 系列增强传输可靠性的技术，包括信源编码技术、信道编解码技术、数字加密、 数字调制等；采用了时分多址( t d m a ) 和码分多址接) k ( c d m a ) 作为其接入技术。 第三代移动通信系统是如今在中国正在大规模商用的移动通信系统，目前中 国的3 g 之路刚刚开始，最先普及的3 g 应用是“无线宽带上网”，手机用户可以 像p c 一样随时随地手机上网。3 g 最基本的特征应当是智能信号处理技术，在多 媒体业务方面比2 g 有了长足的进步，具有更高的频谱效率、更高的服务质量及更 低的成本。实现全球无线覆盖，在人类个人通信的进程上迈开了重要的一步。 第四代移动通信系统( 4 g ) 在频带上、功能上、业务上都将有别于前三代通信系 统，具有宽带接入和分布式网络的特点，目前m i m o 和正交频分复o f d m 技术是 实现4 g 的最热门技术，包括本文所述的自适应技术在内的一系列技术旨在提高用 户的体验。4 g 的主要指标有：( 1 ) 、移动速率支持步行到车速，甚至更高，数据速 率从3 g 的2 m b s 提高到1 0 0 m b s 。( 2 ) 、达到支持高分辨率多媒体服务和高速率 数据传输的目的的同时，在覆盖范围、通信质量、系统造价等上将比3 g 更加优越。 ( 3 ) 、对全速移动用户能够提供1 5 0 m b s 的高质多媒体业务。 电子科技大学硕十学位论立 剀1 - l 四代移动通信系绩的丰要特点 12 课题研究背景及意义 目前各种通信标准和技术的传输容量离无线高速移动多媒体业务的需求还有 较大差距。而当前许多技术( 包括调制技术，编码技术扩频技术) 对传输带宽 的改善已经接近s h a n n o n 极限。冈此在无线资源日益紧张的的情况下，人们必须 寻求其他方案。因此，人们提出了多输入多输出( m 蹦o ) 技术吐该技术在理论 上可以大幅度提高无线通信系统的容量和抗干扰能力。 然而，m i m o 技术在实现上的有许多困难，尤其在i g h z 以下频段的便携式 终端应用而终端小型化将是未来移动通信的主流趋势之一。因此人们借鉴多跳 无线a dh o c 网络的中继和合作通信思想，引入了虚拟m i m o 技术。该技术有望 获得m i m o 技术的好处却更易实现，因此受到广泛关注。 但是，现有的文献对虚拟m i m o 技术的讨论主要停留在理论上；且在理论分 析中，基于许多理想条件直接等效成传统的m i m o 系统进行分析，忽略了其分布 式合作通信的本质问题1 3 ，因此许多关键理论及技术有待进一步研究。 为克服m i m o 技术实现上的对终端要求过高的困难，人们提出了虚拟m i m o 的概念。虚拟m i m o 系统把若干用户终端的收发天线当作整体，从而构成了虚拟 的分布式m i m o 天线阵列，其基本原理仍是空间分集【4 】【5 1 。但是它能更好地满足 m i m o 系统的多个独立信道条件，克服m i m o 系统对终端天线数量的苛刻要求。 虚拟m i m o 技术的研究最早始于1 9 7 9 年tm c o v e r 等h 1 关于中继信道( r e l a y c h a n n e l ) 的理论容量的研究。后来虚拟m i m o 技术逐渐受到广泛关注。m d o h l e r 第一章绪论 最早于2 0 0 1 年提出了虚拟天线阵列蚺并申请了相关专利5 1 。 1 2 1 自适应资源分配研究现状 o f d m 系统把信道带宽划分很小的窄带子信道，其中一个好处就是能够根据每 个子信道的信道质量动态地分配载波资源，采用自适应算法使系统性能达到最优。 目前o f d m 系统存在两种资源分配方案：静态资源分配和动态资源分配。 o f d m t d m a 和o f d m f d m a 1 】是目前最常用的两种静态资源分配方法。采 用o f d m t d m a 的方法，根据用户速率要求，每个用户被分配一个或多个预定的 时隙，在其分配的时隙内用户可以使用所有的子载波，其信号是多路并行信号叠 加而成；就o f d m f d m a 而言，每个用户被分配一个或多个预定的子载波，在特 定的时间内一直占用这些子载波。对于这些静态分配算法，子载波和比特的分配 是预先设定的，没有充分利用瞬时信道状态信息来自适应地分配子载波。因此， 静态资源分配方案不能达到性能上的最优，但是也有其优点，就是复杂度会很低。 利用用户的信道检测和估计技术，动态资源分配方案获取用户的信道状态信 息，自适应地为每个用户分配资源。在多用户系统中，由于传输信道的独立性， 动态资源分配方法可以更加有效地获取多用户分集增益来实现更高频谱效率。目 前自适应资源分配技术根据优化准则的不同大体可以分为以下两类【6 】：第一类是常 速率系统( c b r ) ，也即m a 准则。这种系统的设计的目标是在满足用户速率要求， 合理分配载波、功率，使功率最小或者误码率最低。其中功率最小与误码率最低 两者实质上是等价的，因为功率与误码率是可以转化的，发送功率越大接收的信 噪比越大，信噪比越大误码率就越低。第二类是变速率( 3 r ) 系统，也即m a 准 则。其设计的目标通常满足一定的功率限制和b e r 要求的前提下，使频谱效率最 大化。该系统可以根据用户的速率要求灵活地分配资源以满足用户的需求，它能 够支持不同的速率需求，即多样化的业务需求。 子载波分配技术能够根据用户的信道c s i ，确定子载波的传输能力以及为了满 足用户的b e r 和速率要求所需的子载波数目，以此来合理有效的使用有限的频谱 资源。o f d m 系统中各个子载波是相互独立的，因此，通过自适应地将子载波分配 给不同用户，系统中的每个信道都能充分发挥其效用，可以利用终端由于传输信 道的衰落的独立性而带来的信道分集增益，从而提高系统的频谱效率，这称之为 多用户分集【7 1 。 信道c s 耐于自适应技术起着关键作用。在f d d 双向信道中，信道估计的结果 电子科技大学硕士学位论文 可以通过专用信令信道反馈给发送端，而在t d d 双向信道中，信道估计可以直接 在发送端来进行。不论在何种情况下，只要发射机获取每个用户的信道状况就可 以把o f d m 和自适应载波分配结合起来实现资源的优化分配。目前已存在多种子载 波分配算澍7 】【8 】。这些算法的基本思想是是r a 准则和m a 准则，但是最优算法虽然 具有最佳的资源利用效果，但是其复杂度过于大，在实际系统中难以实现，因此 目前大多数的算法是次优算法，通过将整个自适应技术分步来实现，如先进行子 载波分配，而后进行比特分配，最后进行功率加载。 1 2 2 课题研究意义 无线通信的发展趋势是宽带通信移动化、移动通信宽带化，多种不同的业务 对有限的带宽资源争夺日益激烈，所以需要有效的资源分配技术以更好地利用信 道资源，并满足多业务系统对带宽的要求。 传统的多用户o f d m 系统多采用静态的t d m a 或者f d m a 的接入方式，分别对 每个用户分配固定的频段或者时隙，虽然些方式系统实现比较简单，但是有可能 对某个用户来说，性能最好的子信道只部分时间使用甚至就没有占用过，这势必 造成频率的浪费。如何合理分配有限的无线资源，增大每个子信道的效率，是一 个非常有意义的研究课题。 频率选择性衰落是无线信道的一个典型特征，而信道经历的衰落是相互独立 的，因此每个信道具有不同的传输能力。多用户o f d m 系统中，同一子载波在每 个用户的传输路径同时深衰落的可能性很小，所以可以通过合理地分配子载波， 将每个子载波分配能发挥其效用的用户，就能提高信道利用率，在保证正常传输 的情况下减少系统发射功率。 1 3 本文的主要工作及章节安排 对于包括子载波分配技术在内的自适应技术，目前的研究主要聚焦在集中式 o f d m 系统、集中式m i m o o f d m 系统中的资源分配算法，而分布式算法研究甚 少。本文系统研究了集中式系统中的子载波分配技术并对之归纳总结，并由此得 到启发，提出了两种子载波分配算法，一种适用于终端分布式m i m o o f d m 系统， 另一种适用于虚拟m i m o o f d m 系统，并对提出的算法进行了仿真验证。本文的 主要工作安排如下： 第一章首先简单概述了移动通信发展的历程；接着概括介绍了课题研究背景、 4 第一章绪论 技术需求以及课题的研究意义，并分析了自适应资源分配的研究现状；最后给出 了论文的主要结构安排。 第二章概述了与虚拟m i m o o f d m 技术密切相关的关键技术，包括o f d m 技 术、m i m o 技术，并特别阐述了虚拟m i m o o f d m 技术的提出背景及研究价值，给 出了虚拟m i m o o f d m 技术与传统m i m o o f d m 技术的异同点。 第三章先探讨在集中式系统的自适应技术，重点分析了自适应o f d m 子载波 分配技术，对众多自适应技术进行了对比，理清了这些技术的使用范围及技术特 征，归纳出对分布式系统有用的重要技术要点，为后续两章的算法设计做好了理 论铺垫。 第四章首先介绍了天线集中式终端分布式系统的基本结构和设计目标，接着 推导并设计了终端处于分布式状态下m i m o o f d m 系统的子载波分配算法。该算 法利用基于波束成形载波分配算法的思想，引入可用子载波和干扰子载波集合的 概念，通过用户不断更新可用子载波和干扰子载波集合，从而达到克服分布式环 境中的同频干扰问题。最后对提出的算法进行了仿真和性能分析。 第五章针对虚拟m i m o o f d m 协同传输的模型，设计了一种基于信息共享机 制的子载波分配方案。文中提出了一种适合虚拟m i m o o f d m 系统的子载波分配 算法，该算法利用分布式计算的思想，将集中的信道矩阵分散到各个终端单独计 算。最后对提出的算法进行了m a t l l a b 仿真，仿真结果表明提出的算法具有较好的 性能，相对于固定的载波分配有较大的改进。 第六章，对全文进行了总结，并对本课题的进一步研究方向做了归纳。 电子科技大学硕士学位论文 第二章虚拟m i m o o f d m 系统的关键技术 虚拟m i m o o f d m 技术来源于m i m o 思想和o f d m 技术，又不同于这两者。 因此本章将介绍三部分内容，首先介绍o f d m 传输技术的基本原理系统结构以及 技术特点，其次介绍m i m o 技术原理以及提高误码性能的分集技术，最后顺利引 入虚拟m i m o o f d m 技术，并阐述虚拟m i m o o f d m 和集中式m i m o o f d m 技 术的异同点，从而为后续研究工作做好铺垫。 2 1o f d m 技术 o f d m 是多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n , m c m ) 的一种，它将一个高 速的数据流分流成多个低速的并行子数据流，然后将这些子数据流同时对多个子 载波调制，再合并为一个o f d m 符号。 在o f d m 之前，我们采用的并行数据传输系统是将总的信道资源，亦即信道 带宽划分为个不重叠的、有一定间隔的子信道，这样的系统就是传统的频分复 用。这种方法通过引入一定的信道间隔来消除了子信道之间的相互干扰，然而这 样的系统并没有充分利用的有限的频谱资源。图2 1 显示了传统f d m 与o f d m 调 制方式的差异。从图中可以看出，o f d m 这种采用并行数据传输和子载波重叠的 技术相比于f d m 方式具有更高的频谱利用率，同时还能克服多径干扰，避免使用 高速均衡器，提高数据传输的可靠性。 传统的频分复用( f d m ) 多载波调制方式 正交频分复用( o f d m ) 多载波调制方式 图2 1o f d m 和f d m 的带宽利用率对比 6 第二章虚拟m i m o o f d m 系统的关键技术 2 1 1o f d m 的基本原理及系统组成 为了提高系统的频谱利用率，o f d m 技术采用相互重叠的子载波来构成子信 道，并且这些子信道之间是相互正交的，以此来避兔子信道之间的干扰。我们采 用每个t ( t 为o f d m 符号持续的周期) 时间内所有的子载波都有整数的周期， 这样来能保证子载波之间的正交性。 在采用d f t 来实现o f d m 调制时，假设有一个复数符号序列 讫 ，k = o ，1 ，n l ，这些复数符号均可采用q a m 、p s k 等复数数字调制方式实 现，对序列 五 做反离散傅里叶变换( i d f t ) 变换，得到的个点的复数序列 为： x = 寺五e x p ( j 2 万，z k n ) = 寺以唧( 2 万以乙) ( 2 - 1 ) vk = o vk = o 其中，厅= o 1 ，n - 1 ，以= 纠魍，乞= 拧互，霉为序列 中原始符号的持 续时间。如果不考虑常数因子1 n ，式2 1 可以表示成图2 2 的结构。 图2 - 2 连续时间域o f d m 信号的形成示意图 将式2 - 1 中表示的符号序列的实部进行低通滤波，并使相邻符号间隔为乃秒， 则可得： m ) = 丙1r e 催n - l 五e x p 酬丁) 卜斛 ( 2 _ 2 ) 式中，t = 咽。信x ( t ) 就是o f d m 信号的时域信号表达形式。从式子2 2 容易发现，颤f ) 实质上是由一个在( 咖，佃) 上的时域函数乘上一个【o ，t 】的矩形窗 形成的，所以我们可以从中得到o f d m 系统的子载波的频谱示意图如图2 3 。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 3o f 【) m 子载波频谱示意图 图2 - 4o f d m 时域波形示意图 图2 5 是一个o f d m 系统的基本模型框图，图中o f d m 的调制解调是通过 i f f t 和f f t 来实现的。用户信息数据首先进行信道编码，然后进行交织并进行调 制映射，调制映射可以采用p s k ，d p s k 或q a m 等方式。通过i f f t 算法对调制 后的数据作i d f t 变换，产生点的相应时域序列。对i f f t 的输出进行串并变换， 然后再加上循环前缀，这是通过将时域序列的最后以个样点加到该序列的前端来 实现的，这样能够更好的避免符号间干扰。最后形成的一个样点数为+ 刀的发送 符号，经由加窗和滤波，就得到o f d m 基带信号，由r f 发射模块将信号发送出 去。为了克服采用相位调制时o f d m 信号功率谱旁瓣过大的问题，我们经常采用 第二章虚拟m i m o o f d m 系统的关键技术 网瓶侧彳纱一 i 鍪h 鍪国三二二国鍪h 竺h 篁h 墨差h 篓l 同其他的通信系统一样，o f d m 系统也需要要面对许多参数的合理选择和性 能的折中。其中常见的一些参数有系统的比特率、误码率、保护间隔、可用带宽、 信道的r m s 延迟等。一般参数选择的顺序是首先确定保护间隔，其大小必须适中， 过小无法克服i s i 和i c i ，过大造成系统资源的浪费。然后确定符号间隔，一般为 保护间隔的5 7 倍。最后计算子载波频率间隔，其计算方法是取o f d m 符号间隔 减去保护间隔的倒数。而相应的子载波数目也容易确定。 2 1 20 f d m 技术的特点 o f d m 技术凭借其优良的性能已经越来越受到人们的广泛关注，现对其主要 的优点归纳如下： ( 1 ) 频率利用率高。o f d m 不同于传统f d m a 的简单划分子信道，它把信 号带宽划分为相互重叠的正交子载波，从而有效地提高了频率利用效率。 ( 2 ) 抗衰落能力强。o f d m 系统通过把源数据流串并变换，用户信息通过 多个子载波传输，导致每个子载波的持续时间远比单载波的持续时间长，使o f d m 对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。 ( 3 ) 适合高速数据传输。o f d m 系统容易与自适应技术结合，实现动态分 配资源，提高频率利用率。 ( 4 ) 抗码间干扰( i s i ) 能力强。在实际传输系统中，由于信道的带宽是有 限的，这样的系统i s i 是客观存在的。o f d m 技术采用的循环前缀，通过将o f d m 符号末尾的数据挪到前面，能够有效对抗码间干扰。 9 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) o f d m 容易数字实现，并且可用i d f t 和d f t 来实现正交调制和解调， 在实际系统常常采用高效的i f f t 算法和f f t 算法来实现。 ( 6 ) 适合于无线非对称业务。 o f d m 也具有自身固有的一些缺点，归纳如下： ( 1 ) 对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是利 用各个子载波之间严格的正交性，一旦子载波之间的正交性破坏，将导致各子信 道之间的信号的强烈干扰； ( 2 ) 功率峰值与均值比( p a p r ) 大。经过多个子载波调制的信号的合并叠 加的每个o f d m 符号的输出信号具有高p a p r ，高峰均值比的增大对射频放大器 的要求，导致射频放大器的功率效率较低。这是由于o f d m 信号是由多个独立的 经过调制的子载波信号相加而成的，有可能导致比较大的峰值功率。 2 3mim 0 技术概述 m i m o 技术最早是在上世纪7 0 年代提出，而在9 0 年代在a t & tb e l l 实验室 学者的推动下得到蓬勃的发展。1 9 9 5 年t e l a d a r 仿真了衰落信道的m i m o 容量； 次年，d b l a s t 空时信号处理算法提出；1 9 9 8 年t a r o k h 提出了空时编码的概念； 同年v - b l a s t 结构提出，并在实验室成功运行，证明了可以获得大于2 0b i t s h z 的频率利用率。目前m i m o 技术正在作为4 g 的核心技术受到国内外众多学者专 家的重视 2 2 1 川m 0 技术的基本原理 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线移动通信领域中天线技术的重大突破。该技 术能在不增加带宽的情况下，成倍地扩大通信系统的容量和提高频谱利用率，是 第四代移动通信系统与