（通信与信息系统专业论文）高移动性环境下ofdm系统载波间干扰抑制技术.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 高速铁路的发展，对铁路移动通信系统提出了更高的要求。与普通的移动通信环境 相比，高速移动环境最突出的问题是多普勒频移对通信产生的影响。正交频分复用 ( o f d m ) 技术由于具有较高的频谱效率，有效地抗多径传输能力，已成为下一代移 动通信系统的关键技术。然而，o f d m 系统对频率偏差和相位噪声比较敏感。研究表 明，随着移动性增加，信道时变性增强，多普勒频移和多普勒扩展明显，将破坏o f d m 系统子载波间的正交性，产生子载波间干扰( i c i ) ，从而大大降低系统性能。因此， 研究o f d m 技术在高速移动环境下的应用，提高其抗多普勒效应的能力，具有重要的 理论意义和实用价值。 多普勒效应体现了无线信道的时变特性。时变信道可以提供时间分集，也称为多普 勒分集。多普勒分集将多普勒扩展作为一种分集方式，通过增强信号能量来改善系统 性能。实现多普勒分集的方法主要可以归纳为三种，即发射机多普勒分集，接收机多 普勒分集，发射机和接收机联合多普勒分集。通过在发送端采用预编码器，在接收端 采用均衡器，可以实现最大分集传输。将多普勒分集技术应用于o f d m 系统，可以有 效地对抗多普勒扩展对系统性能的影响。本文系统地研究了多普勒分集技术的原理， 并基于基扩展模型，对时间选择性信道下的最大分集传输进行了仿真。结合高范德蒙 预编码器的特点，设计了一种适合o f d m 系统的多普勒分集方案。与无编码的系统相 比，o f d m 系统中的多普勒分集方式可以获得分集增益，并且分集阶越大，获得的分 集增益越大。 对于o f d m 系统中的多普勒频移，可以采用i c i 消除算法来降低其对系统性能的 影响。i c i 消除算法主要有频域均衡法、时域加窗法、i c i 自消除算法等等。在o f d m 系统中，当归一化频率偏移的值不是很大时，可以采用简单的i c i 自消除算法来降低 i c i 对系统的影响。本文详细分析了i c i 自消除算法的基本原理，对几种i c i 自消除算 法的性能进行了仿真分析，并在此基础上提出了一种改进的i c i 自消除算法。仿真分 析表明，在归一化频移较小时，该方法对系统性能的改善优于之前的几种i c i 自消除 算法。 关键词：正交频分复用；载波间干扰；多普勒分集；i c i 自消除算法；高速移动 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n t so fh i g h s p e e dr a i l w a yp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tt o r a i l w a y m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m c o m p a r e d w i t hn o r m a l m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s e n v i r o n m e n t ，t h em o s tp r o m i n e n tp r o b l e mo fh i 曲m o b i l i t ye n v i r o n m e n ti st h ei m p a c to f d o p p l e rs h i f to nc o m m u n i c a t i o n 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 ) h a s g o o dp e r f o r m a n c ei nm u l t i p a t hd e l a yr e s i l i e n tw i t hh i 曲f r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c y , a n d h a sb e c o m et h ek e y t e c h n o l o g yo fn 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 n ss y s t e m h o w e v e r , o f d mi ss e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e ta n dp h a s en o i s e s t u d i e ss h o wt h a tt i m ev a r i a t i o no f t h ec h a n n e lw i l lb ee n h a n c e da n dd o p p l e rs h i f ta n dd o p p l e rs p r e a dw i l lb e c o m eo b v i o u s w i t ht h ei n c r e a s e dm o b i l i t y f r e q u e n c yo f f s e td e s t r o y st h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e no f d m s u b _ c a r r i e r s ，w h i c hb r i n g sa b o u ti n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) ，r e s u l t i n gi np e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n t h e r e f o r e ，s t u d yt h ea p p l i c a t i o no fo f d mt e c h n o l o g yi nh i g hm o b i l i t y e n v i r o n m e n t ，a n di n c r e a s ei t sr e s i s t a n c et od o p p l e re f f e c th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e d o p p l e r e f f e c tr e f l e c t st h e t i m e - v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l t i m e 。v a r y i n gc h a n n e lc a np r o v i d et i m ed i v e r s i t y , a l s ok n o w na st h ed o p p l e rd i v e r s i t y d o p p l e rd i v e r s i t yc o n s i d e r sd o p p l e rs p r e a da saw a yo fd i v e r s i t y , a n di m p r o v e st h es y s t e m p e r f o r m a n c eb ye n h a n c i n gt h es i g n a le n e r g y d o p p l e rd i v e r s i t ym e t h o d sc a nb es u m m a r i z e d i n t ot h r e ek i n d s ，t r a n s m i t t e rd o p p l e rd i v e r s i t y , r e c e i v e r d o p p l e rd i v e r s i t y , a n dj o i n t t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rd o p p l e rd i v e r s i t y m a x i m u md i v e r s i t yt r a n s m i s s i o nc a nb ea c h i e v e d b ya d o p t i n gp r e c o d e ra tt h et r a n s m i t t e ra n de q u a l i z e ra tt h er e c e i v e r a p p l y i n gd o p p l e r d i v e r s i t yi no f d ms y s t e mc a nc o m b a tt h ee f f e c to fd o p p l e rs p r e a do ns y s t e mp e r f o r m a n c e t h ep r i n c i p l eo fd o p p l e rd i v e r s i t yi ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y , a n db a s e do n t h eb a s i s e x p a n s i o nm o d e l ，m a x i m u md i v e r s i t yt r a n s m i s s i o nu n d e rt i m es e l e c t i v ec h a n n e li ss i m u l a t e d i nv i e wo ft h es t r u c t u r eo ft a l lv a n d e r m o n d ep r e c o d e r , a d o p p l e rd i v e r s i t ys c h e m e a p p r o p r i a t ef o ro f d ms y s t e mi sd e s i g n e d c o m p a r e dw i t hn o n c o d i n gs y s t e m ，d o p p l e r d i v e r s i t ys c h e m ei no f d mc a na c h i e v ed i v e r s i t yg a i n ，a n dl a r g e rd i v e r s i t yo r d e rc a ng e t m o r ed i v e r s i t yg a i n w i t hr e s p e c tt ot h ed o p p l e rs h i f ti no f d m s y s t e m ，i c ic a n c e l l a t i o na l g o r i t h m sc a nb e a d o p t e dt or e d u c ei t s e f f e c tt os y s t e mp e r f o r m a n c e i c ic a n c e l l a t i o nm e t h o d si n c l u d e f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ，t i m ed o m a i nw i n d o w i n g ，i c is e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h m ， a n ds oo n i no f d ms y s t e m ，w h e nt h en o r m a l i z e df r e q u e n c ys h i f ti sn o tt o ol a r g e ，s i m p l e i c is e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h mc a nb eu s e dt od e c r e a s et h ee f f e c to fi c i t h eb a s i cp r i n c i p l e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 | i 页 o fi c is e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h mi sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a li c i s e l f - c a n c e l l a t i o n a l g o r i t h m s a r e c o m p a r e db ys i m u l a t i o n b a s e do ne x i s t i n gi c i s e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h m ，a ni m p r o v e di c is e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h mi s p 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 e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a np r e v i o u s r e l a t i v ea l g o r i t h m sw h e nt h en o r m a l i z e df r e q u e n c yi sn o tl a r g e k e yw 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 ；i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ；d o p p l e r d i v e r s i t y ；i c is e l f - c a n c e l l a t i o na l g o r i t h m ；h i g hm o b i l i t y 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名： z 徐挈 l 指导老师签名 日期：汐幻占罗 日期：z 口lo 6 、7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 研究了高速移动环境下o f d m 系统性能，通过计算机仿真，分析了多普勒效应对 o f d m 系统性能的影响。研究表明，随着移动性增加，多普勒频移和多普勒扩展 明显，将破坏0 f d m 系统子载波间的正交性，产生子载波间干扰，从而大大降低 系统性能。 2 多普勒分集技术可以在接收端有效地对抗多普勒扩展对系统性能的影响。论文系统 地研究了多普勒分集技术的作用，并基于基扩展模型，对时间选择性信道下的最大 分集传输进行了仿真。 3 结合高范德蒙预编码器的特点，设计了一种适合0 f d m 系统的多普勒分集方式。 与无编码的系统相比，o f d m 系统中的多普勒分集方式可以获得分集增益，并且 分集阶越大，获得的增益越大。 4 系统地研究了0 f d m 系统中常用的i c i 消除技术，包括频域均衡法，时域均衡法 和i c i 自消除算法。论文详细分析了i c i 自消除算法的基本原理，对几种i c i 自消 除算法的性能进行了仿真分析，并在此基础上提出了一种改进的i c i 自消除算法。 仿真分析表明，在归一化频移较小时，该方案对系统性能的改善优于已有的几种 i c i 自消除算法。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 后 i 日期：w ，。、6 ，7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 高移动性环境下o f d m 系统及其主要问题 随着经济的快速发展，高速交通工具在我们的日常生活中得到了越来越广泛的应 用，人们在高速移动环境下使用通信工具的需求越来越大，因此对高速环境下的网络 质量要求也越来越高。与普通的移动通信环境相比，高速移动环境中的无线信道最突 出的问题是多普勒频移对通信产生的影响。克服高速移动带来的多普勒效应是无线通 信系统一个必须解决的问题。正交频分复用( o f d m ) 技术由于具有较高的频谱效率， 而且可以有效地对抗多径传输，已成为高速数据传输的关键技术。但是，o f d m 系统 对频率偏差和相位噪声比较敏感。o f d m 技术要求子载波之间具有良好的正交性，一 旦子载波间失去了正交性，就会引入子载波间干扰( i c i ) ，使系统性能严重下降【lj 。对 于时不变信道，f f t 变换的傅里叶基是正交基，使得接收信号很容易被恢复出来。然 而，在高速移动环境下，如果o f d m 分组长度比较长或者信道的相关时间比o f d m 分 组长度小得多时，信道在一个o f d m 分组期间将是时变的，信道的多普勒频移和多普 勒扩展明显。这样o f d m 系统中的傅里叶基将不再是正交的，即子载波间的正交性遭 到破坏，产生i c i ，这将大大降低系统性能。 1 2icl 消除与多普勒分集国内外研究现状 频率偏移导致的i c i 会对o f d m 的系统性能带来非常严重的影响，因此必须采取 措施克服i c i 。近年来，i c i 消除技术得到了广泛的研究，主要有频域均衡法【2 j 、时域 加窗法【9 郴】、i c i 自消除算法 1 6 - 2 2 等等。 频域均衡法是利用导频信号和训练序列，估计出系统的频率偏差，从而消除i c i ， 虽然对频偏的估计精度较高，但是其实现复杂，并且需要多余的信息开销。如分段均 衡【2 】，并行干扰消除( p i c ) 【3 】，基于带状l d l h 分解的m m s e 均衡1 4 3 ，q 抽头m m s e 均衡【5 】，次优l m m s e 均衡【6 】，迭代判决反馈均衡( i d f e ) 【7 】，改进的分组d f e 均衡 i s 】等等。通过分段均衡方法，能有效提高接收机的信干比，提高o f d m 系统对移动速 度的容忍性，是o f d m 在高速移动环境下应用的有效解决方案，但会增加接收端的f f t 次数，并会增加信道估计的复杂度。对于q 抽头m m s e 均衡，如果信道的时变性导致 的i c i 成为主要的干扰，那么该方案将产生误差性能的“地板效应”，同时，随着导频 符号数目的增加，系统吞吐率和地板效应的平台会降低，可见，该方案是以牺牲系统 吞吐率为代价来换取性能的提高。次优l m m s e 均衡需要的计算量与z f 均衡器相同， 但与最优l m m s e 均衡器相比，其吞吐量有所降低。 时域加窗算法根据加窗位置，可以分为两类：一类是窗形加在发送端；另一类是加 在接收端f f t 之前。对o f d m 符号加窗，主要目的是使其符号周期边缘的幅度值逐渐 过渡到零。常用的一类具有很小旁瓣并且能很好保持载波间正交性的窗形称为n y q u i s t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 窗。近年来，研究比较广泛的n y q u i s t 加窗算法有：矩形窗函数( r e c t a n g l e ) ，升余弦 窗函数( r a i s e dc o s i n e ，r c ) ，自适应n y q u i s t 加刮9 1 ，最优n y q u i s t 加割1 0 j ，改进升余 弦窗函数( b e t t e rt h a nr a i s e dc o s i n e ，b t r c ) 1 1 1 - 1 2 】，二阶多项式n y q u i s t 窗函数【1 3 彤】 等等。应用这些窗函数可以减轻系统的加性噪声和i c i 的影响。典型的时域加窗方案 都是基于多普勒频移，利用最小均方误差算法( m m s e ) 来实现的。加窗滤波器的设 计要求已知信道的先验统计知识，当该信息与实际信道存在失配时将会导致性能损失。 i c i 自消除算法是最简单的i c i 消除算法，其主要思想是将一个数据信号调制到一 组预先确定系数的子载波上，那么在这一组信号中产生的i c i 就可以相互抵消。这种 方法是根据相邻载波间的干扰系数差别比较小的特性设计的。利用该特性对载波上的 符号进行编码处理，接收端做相应的解码处理，从而使接收信号中的i c i 减少。i c i 自 消除算法实际上是一种预编码方法，比较典型的方法有：邻近数据取反1 1 6 j ，邻近数据 共轭取反l l7 。，i c i 自消除空频编码( i c is e l f - c a n c e l l a t i o ns p a c e f r e q u e n c yc o d e s ， i s c s f ) 1 8 】，时域干扰自消刚1 9 1 ，邻近数据复数加权【2 0 1 ，加窗自消除【2 1 - 2 2 1 等等。由 自消除算法的原理可知，这种方法主要是以增加系统复杂度和降低频谱利用率来换取 系统性能的提高。当频率偏移较小时，相邻子载波间产生的i c i 差别较小，采用简单 的自消除方法就可以有效地减小i c i 。但当频率偏移较大时，即使复杂的自消除算法也 不能完全消除i c i ，此时采用自消除方法就不能很好的提高系统的性能了。 在高速移动环境下，多普勒效应是影响系统性能的关键因素。抗多普勒效应的方法 可以归纳为三种：( 1 ) 多普勒频移估计技术；( 2 ) 多普勒频移补偿或消除；( 3 ) 多普 勒分集技术。前两种方法是把多普勒频移( 扩展) 看作一个不利因素，主要目的是补 偿或减弱多普勒效应带来的负面影响。而多普勒分集则是将多普勒扩展作为一种分集 方式，通过增强信号能量的方式来改善系统性能。因此，频率偏移也可以作为一种分 集资源来利用。基于这种思想，am s a y e e d 首先提出了利用多径和多普勒扩展构成联 合多径多普勒分集【2 引。在分析信道散射函数s 0 ，8 ) 的基础上，将信道分解为一系列 具有平坦衰落的正交子载波，且每个载波存在多普勒频移。该多径多普勒分集( 时频 r a k e ) 接收机在时域上的分集接收原理与普通的r a k e 接收机相同。同时，它采用短 时傅立叶变换( s h o r t t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，s t f r ) 的方法，在频域上把多普勒扩展频 谱分成k 条路径，接收端将各条路径上的信号能量进行叠加，实现分集接收。 但是，通过时频两维接收机仅获得了接收分集增益，并不能保证获得最大分集增益， 除非对发送端也进行一定的处理。x m a 和gb g i a n n a k i s 在文献f 2 3 1 的基础上，提出 了一种应用在时间选择性衰落信道上的最大分集传输技术【矧，将多普勒分集的应用扩 展到非扩频通信系统，并基于基扩展模型( b a s i se x p a n s i o nm o d e l ，b e m ) 得出了系统 所能获得的最大分集增益。若b e m 信道系数的相关矩阵r 的秩为吒，则时| 日j 选择性 信道的最大分集增益为q = 。当咒具有满秩r h ；a + 1 ，则最大分集增益为q = q + 1 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 其中，q 为b e m 基的数目，即b e m 信道基的数目决定系统的最大分集增益。多普勒 分集是在时域表现为e j 2 “f 的频偏在频域等效为6 ( 厂一厶) ，与原信号相乘，可看作原 信号在频域的延迟，把这些经过延迟的频谱识别出来，作为分集的路径与原信号进行 叠加，可以在消除多普勒效应的同时增加信号的能量，提高信噪比，降低误码率。x m a 和gb g i a n n a k i s 还研究了双选择性衰落信道上的最大分集传输技术，得到该信道 条件下的最大分集增益为+ 1 ) ( q + 1 ) ，l 表示可分离的多径数目。 将文献f 2 4 1 提出的基于基扩展的单天线时变信道模型推广到多天线m i m o 系统中， 得到时间选择性衰落信道下m i m o 系统的等效模型。这是一种联合考虑空间分集与多 普勒分集的方法【矧。通过建立多天线发送多天线接收( m i m o ) 系统模型，采用适当 的编码方法，系统所能获得的最大分集阶是m n ( q + 1 ) ( m 为发送天线数，为接收 天线数) 。 以上的多普勒分集方式都是针对单载波系统而言的，并不能直接应用于o f d m 系 统，因为o f d m 系统中存在i c i ( 在单载波系统中并不存在) ，当对o f d m 系统的接 收信号进行频移后，可能导致i c i 成份的能量增强，而目标信号的能量被降低。 在文献 2 7 2 8 】中，k i mb y u n g c h u l 提出了适用于o f d m 系统的频域多普勒分集技 术。首先对接收到的o f d m 信号进行频移，以生成不同的分集支路信号。每个分集支 路上的子载波再进行f f r 解调。来自不同分集支路的相同的子载波上的信号根据i c i 的能量进行不同的加权，匹配滤波，然后合并，以达到消除衰落，增强目标信号能量 的目的。但这种多普勒分集接收机存在着计算复杂、接收机没有进行最优配置等问题， 且接收端需要知道信道的频响函数。在高速移动环境下，采用的算法需要具有较好的 实时性，所以在实际的通信系统中，上述多普勒分集接收机较难实现。 为了简化计算，提高算法的实时性，文献【2 9 】提出了o f d m 系统简化多普勒分集技 术。简化多普勒分集接收机在对o f d m 信号进行频移后，直接合并，然后进行f f r 解 调，减少了各分集支路分别进行h 可运算的环节。此外，在该接收机中，接收端不需 要知道信道频响函数，因此实用性得到提高。 1 3 本文主要研究内容与结构安排 本文围绕高速移动环境下o f d m 系统的通信问题，着眼于减小多普勒效应对 o f d m 系统的影响，从而提高系统性能。在高速移动环境下，信道冲激响应发生快速 变化，信道时间选择性增强，产生明显的多普勒扩展。多普勒效应成为影响系统性能 的关键因素。多普勒扩展破坏了o f d m 系统的正交性，产生了i c i ，但同时也带来了 可以利用的资源。本文研究了高速移动环境下o f d m 系统性能，通过计算机仿真，分 析了多普勒效应对o f d m 系统性能的影响。研究表明，随着移动性增加，多普勒频移 和多普勒扩展明显，将破坏o f d m 系统子载波问的正交性，产生子载波问干扰，从而 大大降低系统性能。本文分别介绍了o f d m 系统中的i c i 消除方案和多普勒分集方案， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 在此基础上，结合高范德蒙预编码器的特点，设计了一种适合于o f d m 系统的时间选 择性信道下的多普勒分集方案，并提出了一种改进的i c i 自消除算法。 论文主要内容的结构安排如下： 第一章是绪论部分，主要介绍了高速移动环境下0 f d m 系统面临的主要问题， o f d m 系统中的i c i 消除方案和多普勒分集技术的国内外研究现状。 第二章研究高速移动环境下的o f d m 系统。首先介绍了高速移动信道中的多径效 应和多普勒效应及其对o f d m 系统的具体影响。接着介绍了几种主要的i c i 消除方法， 即频域均衡法，时域加窗法和i c i 自消除算法。最后详细介绍了三种多普勒分集技术， 包括发射机多普勒分集，接收机多普勒分集以及发射机和接收机联合多普勒分集。 第三章研究时间选择性信道下o f d m 系统中的多普勒分集技术。通过对发送信号 进行预编码，可以实现最大多普勒分集传输，在接收端采用均衡器可以进行分集接收， 从而为系统提供分集增益。常用的均衡算法有迫零均衡，最小均方误差均衡和判决反 馈均衡。基于基扩展模型，仿真了时间选择性信道下的最大分集传输。结合高范德蒙 预编码器的特点，设计了一种适合o f d m 系统的多普勒分集方式。与无编码的系统相 比，o f d m 系统中的多普勒分集方式可以获得分集增益，并且分集阶越大，获得的增 益越大。 第四章研究o f d m 系统中的i c i 自消除技术。详细分析了i c i 自消除算法的基本原 理，对o f d m 系统中频偏导致的i c i 进行了理论分析，并对几种i c i 自消除算法的性 能进行了仿真。基于已有的i c i 自消除算法，提出了一种改进的i c i 自消除算法。仿真 分析表明，在归一化频移较小时，该方法对系统性能的改善优于之前的几种i c i 自消 除算法。同时介绍了一种适合o f d m 的多普勒分集接收机，对该接收机进行了理论分 析，并提出了将该多普勒分集接收机与i c i 自消除算法相结合的理论设想。 第五章总结论文所做的工作，以及研究过程中所遇到的问题，获得的经验和体会。 说明了下一步的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章高速移动环境下o f d m 系统性能分析 2 1 高速移动信道的特性 在无线移动通信系统中，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，无线通信系统 的性能主要受到移动无线信道的制约。信号在无线信道传播时会受到周围环境的作用， 产生绕射、反射或散射的传播路径，同时移动台相对于发射台移动的方向和速度也对 接收信号有很大的影响。由于这些原因使得信号沿着多条路径传播，这种现象叫做多 径传播。此时各个信号的传播路径和传播时间不同，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机波动，引起 多径衰落【3 们，具有多径衰落特性的信道被称为多径衰落信道，多径衰落是移动无线信 道最基本的特性。 表征无线信道特性的参数有很多，主要有时延扩展和相干带宽、多普勒扩展和相干 时间等。 2 1 1 多径效应 多径传播是无线信道的主要特征，信号在无线信道传播过程中会受到各种障碍物的 影响，以致接收到的信号是来自不同传播路径的信号的叠加。从发射机到接收机，一 般均有多条不同时延的直射或反射传输路径，这种现象称为多径效应。信号从发送端 到接收端的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这就使接 收信号在时间上被扩展了，其结果是接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号 造成符号间干扰( i s i ) ；体现在频域就是频率选择性衰落，即信号在不同的频率上遭受 不同的衰落。时延扩展和相干带宽是描述无线信道多径效应的两个主要参数。 时延扩展是由反射和散射传播路径引起的现象，是描述多径信道特性的重要参数之 一。时延扩展会使接收信号中的一个码元波形叠加到其他的码元波形上，产生i s i ，严 重的i s i 会使接收机的符号判决性能严重下降。为了不影响信号的传输，信号的码元宽 度要明显大于时延扩展，这也说明，时延扩展限制了数字多径信道的最大码速【3 1 1 。最 大多径时延扩展气。，是指第一个和最后一个到达接收天线的信号分量的时间差。 在多径信道中，信道频率选择性是由相干带宽口来度量的。相干带宽是一定范围内 的频率的统计测量值，是指某一频率范围，在这个频率范围内的任意两个频率分量都 有很强的幅度相关性。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数，即 d 1 乃c2 一 f l 撒 ( 2 1 ) 在多径衰落信道中传输的信号，当信号带宽瓦小于信道相干带宽时，信号通过无 线信道后各频率分量受到相同的衰落，其幅度、相位等具有较强的相关性，此时信号 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 的衰落与频率无关，仅随时间的变化而变化，这种衰落称为频率非选择性衰落或平坦 ( f l a t ) 衰落，有这种特性的信道称为频率非选择性信道。平坦衰落不会引入i s i ，但 是会造成信噪比下降，因此性能仍会下降。由以上分析我们可以看出，为了避免产生 i s i ，应该保证信道是平坦衰落信道，即 皿 玩( 2 2 ) 时域上就是要求最大多径时延扩展小于码元周期。信号带宽远大于信道相干带宽的 信道被称为频率选择性信道。传输信号在经过该信道时会经历频率选择性衰落，即某 些频率成分的幅度被加强，而另一些频率成分的幅度被减弱，此时接收信号中包含经 历了不同时延和衰减的信号的叠加，因此接收信号会产生失真【3 2 1 。 2 1 2 多普勒效应 由于移动台与基站之间的相对运动，或是由于信道路径中物体的运动，固定点接收 到的载波频率将随运动速度的不同而产生不同的频移，也就是说频率发生了变化和偏 移，通常把这种现象称为多普勒效应。多普勒效应所引起的附加频率偏移称为多普勒 频移。多普勒频移体现了无线信道的时变特性。信道的时变性是指信道的传播函数是 随时间变化而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不同 的。信道的时变性将导致时间选择性衰落，表现在信号的频谱被扩展。多普勒扩展和 相干时间是描述无线信道时变性的两个参数。 移动台与接收机之间的相对运动引起的多普勒频移可以由公式( 2 3 ) 来表示： 。 力= 厶c o s 0 = z 二c o s 秒 ( 2 3 ) c 其中，f 是发射机的载频，秒为运动方向与电波入射方向的夹角，c 为光速，v 为 移动台速度。厶= f v c 为最大多普勒频移，常用于描述无线信道的时变性所引起的接 收信号的频谱扩展的程度，即多普勒扩展。多普勒频移与载波频率和移动台运动速度 成正比。 相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性， 它与多普勒频移成反比。相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值， 即指一段时间间隔，在此时间间隔内，接收信号的幅值有很强的相关性。如果基带信 号带宽的倒数大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化，造成信 号的畸变，产生时间选择性衰落，即快衰落；反之，如果基带信号带宽的倒数小于相 干时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落【3 3 】【3 4 1 。相干时间a ( t c ) 可以表示为多普 勒频移或多普勒扩展的倒数，即： 11 h ( t 。) = = ( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 2 高速移动信道对o f d m 系统的影响 无线信道恶劣的传输环境对于通信系统性能的影响很大，尤其是对于高速传输的移 动通信系统就更为明显。多径引起的时间弥散使发射信号经历平坦衰落或频率选择性 衰落，而移动引起的多普勒扩展使发射信号经历慢衰落或快衰落。 2 2 1o f d m 基本原理 正交频分复用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 ) 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。它实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化为若干个平坦的窄带子信 道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以可以将每个子信道上的频率 选择性衰落看作是平坦衰落。 o f d m 系统的主要特征就是子信道之间的正交性，虽然每个子信道在频谱上相互 叠加，但是仍然保持正交性，如图2 1 所示。由于载波间的正交性，每个子载波上接 收的信号和其他子载波的信号相互独立，接收机就是依靠这种正交性来解调o f d m 信 号。 图2 1o f d m 系统子载波频谱分布图 图2 2 给出了o f d m 系统基本模型框图，其中q = 2 x k t 。发送数据完成串并 变换后，被转化成个并行的低速数据流，调制到n 个相互正交的子载波上，将路 调制后的信号相加得到发射信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 多一 吨卜叫竺竺卜 i q 7 ip j o l t s 斗 一母 p l + | ps e j c o n 1 7 ，p j e a n _ j t 丫 - g h 叫一积分卜 图2 - 2o f d m 系统基本模型框图 以x ( k ) 表示第七个子载波上传输的经过p s k 或q a m 调制后的信号，其符号持续 时间为丁。信号的起始时刻为，对于含有个子载波的o f d m 系统，发送信号在一 个符号持续时间内的复基带表达式为： x o ) = x ( 七) e 。2 础7 _ 仃 f + r ( 2 - 5 ) k = 0 每个子载波上的传输信号在一个符号持续时间丁内，都恰好经历整数倍的符号周 期，而相邻子载波中心频率的间隔均为1 仃，这就形成了子载波间的相互正交。接收 端可以利用此正交性，通过数学方法而不是带通滤波器完成子载波间的分离。以第m 个 子载波为例，接收端只需要对接收信号在丁时间内做如下积分，即可以得到第m 个子 载波的解调结果： t , + t e _ j 2 删( f 一) ：r x ( t ) d t _ 一- - 2 眵口圳心坩薹聊州n 衍( 2 - 6 ) = 薹柳惟s t t * + t e j 2 x ( k - m x t - t , ) t 出 = x ( 聊) t 在数字通信系统中，式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可以分别由i d f t ( f t ) 和d f t ( f f t ) 来实现。 2 2 2 多径效应对o f d m 系统的影响 多径衰落是影响无线数据传输的最主要因素。信号的多径传播将引起时延扩展，多 径引起的时延扩展使发射信号经历平坦衰落或频率选择性衰落。当发射信号的带宽远 小于信道相干带宽，或者发射信号的信号周期远大于信道的均方根延迟扩展时，多径 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 信号经历平坦衰落；当发射信号的带宽大于信道相干带宽，或者发射信号的信号周期 小于信道的均方根延迟扩展时，多径信号经历频率选择性衰落。 应用o f d m 的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入数 据流串并变换到( 子载波数目) 个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据 周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样 降低倍。为了最大限度的消除符号间干扰，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一般要大于无线信道中的最大时延扩展， 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 任何信号，即是一段空白的传输时段。在这种情况下，由于在f f t 运算时间长度内， 第一个子载波与带有时延的第二个子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当 o f d m 接收机解调第一个子载波的信号时，会引入第二个子载波对它的干扰。同样， 当接收机对第二个子载波进行解调时，也会存在来自第一个子载波的干扰。为了减小 多径所造成的i c i ，o f d m 需要在保护间隔内填入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，实现 方法如图2 3 所示。在f f t 变换后，复制当前o f d m 符号时域信号中最后长度为g 的 波形加到本符号时域信号前面，形成循环前缀。在接收端，首先将接收符号开始的长 度为g 的部分移除，再对剩余的长度为的部分进行f f t 变换。通过在o f d m 系统 中加入循环前缀，可以保证在一个f f t 周期内，o f d m 符号的时延扩展内所包含的波 形的周期个数是整数，这样时延小于保护间隔g 的时延信号就不会在解调过程中产生 i c i 3 3 。 图2 3o f d m 系统中的循环前缀示意图 在o f d m 系统中加入保护间隔后，会带来系统功率和信息速率的损失，但可以消 除i s i 的影响，因此为了提高系统性能加入保护间隔是有必要的，但在性能允许的情况 下应该尽量缩短保护间隔的长度。 2 2 3 多普勒效应对0 f d m 系统的影响 o f d m 技术的主要缺点之一是对频率偏移十分敏感，频率偏移会导致子载波之间 产生干扰。引起频率偏移的主要原因有：发射机和接收机之间频率同步误差及频率不 稳定引起的载波频率偏移、多普勒效应引起的接收信号频谱的扩展等等。下面主要介 绍多普勒效应引起的i c i 。 在o f d m 信号带宽与载波频率之比很小的情况下，可假设各子载波受到相同的多 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 普勒频移。因此，在理想频率同步的情况下可认为受多普勒频移影响的接收信号仍然 保持子载波之间的正交性f 3 5 】。 如图2 4 所示，图中为经信道传输后仍保持正交性的两个子载波，左边的子载波标 识为z ，右边的子载波标识为乃，z 7 是第f 个子载波接收频率。但具有随机特性的多 普勒频移往往造成频率同步误差，如图中的丘= z 7 一。如图2 - 4 上面圈出，这个频率 偏差使得目标子载波上传输信号有效成分衰减( 及相移) ，并引入了i c i ( 如图2 4 下 面圈) ，导致有效信噪比进一步降低1 1 。 氕it jl 。i 、 f - _ _ 、v 、 一。弋夕、扎 j ， 沁f 图2 5 多普勒扩展破坏子载波之间的正交性 多普勒扩展破坏o f d m 子载波正交性的情况如图2 5 所示。