（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的自适应多业务传输系统研究.pdf

中文摘要+ 在现代社会对业务传输质量的需求越来越高、频率资源越来越紧 张的情况下，未来移动通信系统拟采用的关键技术正交频分复用 ( o f d m ) 技术正在日益受到人们重视。o f d m 与自适应算法的结合 使其具有非常广阔的应用领域和技术优势。本文所研究的内容得到了 国家自然科学基金资助项目“用于下一代移动通信系统的o f d m 技 术的研究”( 项目编号：6 0 1 7 2 0 6 8 ) 的资助，重点分析并研究了单用 户利用o f d m 技术自适应地传输多种业务的算法，并完成了与之相 应的自适应控制信息传送以及信道估计算法，最终提出了一种基于 o f d m 技术的自适应多业务传输系统的设计方法。 目前，对o f d m 与自适应技术结合的研究工作大多局限于自适 应调制技术的研究。本文提出的自适应多业务传输算法在子载波自适 应分配的基础上对所传输的不同业务采用了自适应调制，不但节省了 子载波，而且还能充分利用在其它方法中不得不摒弃的处于深衰落的 子载波。本方案针对不同误码率( b e r ) 要求的业务，如视频和语音， 将子载波和比特的自适应分配相结合；在保证传输速率的前提下，根 据业务对传输质量要求，挑选质量最好和最差的子载波分别用于视频 和语音信号的传输，算法考虑了子载波数目和调制方式的变化。经过 对采用多种分配方案后的信号误码率测试，寻求最佳的比特、子载波 分配方式，即找到误码率和调制阶数的平衡点，达到既保证业务的正 常传输又节省子载波的目的。子信道质量的估计和自适应传输信息的 传送是由沃尔什( w a l s h ) 码调制的导频序列完成的。 为了不增加发送端运算的复杂性并减少运算延时，在发送端可以 建立一个自适应信息数据库。数据库中存储各种条件下多业务自适应 传输的软件仿真最优结果以及相应的信道状况。每完成一项实际的传 输，就将相关数据存入数据库作为参考。这样在传输某种业务时，根 据业务要求和信道参数，系统会自动在对应的信息数据库中搜寻与之 最相近的子载波和比特分配方式来发送信号，从而使系统更实用、经 济。 关键字：正交频分复用( o f d m ) ；多业务；自适应分配； 沃尔什( w a l s h ) i q 导频；自适应信息数据库 奉研究课题是国家自然科学基金资助项目( 项目编号：6 0 1 7 2 0 6 8 ) a b s t r a c t 4 w i t ht h eh i g hr e q u i r e m e n to ft h et r a n s m i s s i o no fs e r v i c e si n q u a l i t y a n dt h e s c a r c i t yo f 厅e q u e n c yr e s o u r c e s ，t h eo r t h o g o n a lf r e q u e n c y m u l t i p l e xa c c e s s ( o f d m ) i s a t t a c h e di m p o r t a n c e i t sc o m b i n a t i o nw i t h a d a p t i v ea l g o r i t h m sw i l lm a k ei tm o r eu s e f u li nw i d ef i e l d s 1 1 1 i sp a p e r e m p h a s i z e dt h ea d a p t i v em u l t i - s e r v i c et r a n s m i s s i o na l g o r i t h m sb a s e do n o f d m a n df i n i s h e dt h e a n a l y s i s o ft h et r a n s m i s s i o no fc o n t r o l i n f o r m a t i o no f a d a p t a t i o n a n dc h a n n e le s t i m a t e t h e n t h ew h o l e d e s i g n a t i o no f t h ea d a p t i v es y s t e mi sd o n e a tp r e s e n t t h er e s e a r c ho nt h ec o m b i n a t i o no fo f d ma n da d a p t i v e t e c h n o l o g yi s1 i m i t e di nt h ef i e l do fa d a p f i v em o d u l a t i o n b a s e do nt h e a l g o r i t h m s ，p u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , a d a p t i v em o d u l a t i o ns c h e m e sa r e a d o p t e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns e r v i c e sa f t e rt h ea d a p t i v e s u b c a r r i e r sa l l o c a t i o n i t sa p p l i c a t i o nn o t o n l ye c o n o m i z e ss u b c a r r i e r sf o r o t h e rs e r v i c e s ，b u ta l s om a k e sb e t t e ru s eo ft h o s es u b c a r r i e r sw i t i ld e e p f a d i n g t os o m es e r v i c e sw i t hd i f f e r e n tb e rr e q u i r e m e n t , s u c ha sv i d e o a n dv o i c e ，t h ea l l o c a t i o no fs u b c a r r i e r sa n da d a p t i v em o d u l a t i o na r e c o m b i n e d a n dw i t ht h eg u a r a n t e eo f t h et r a n s m i s s i o n r a t e ，b e s ta n d w o r s t s u b c a r r i e r si nq u a l 时a r eu s e dt ot r a n s m i tt h ev i d e oa n dv o i c er e s p e c t i v e l y , c o m b i n e dw i t ht h ec h a n g eo ft h en u m b e ro fs u b c a r r i e r sa n dm o d u l a t i o n s c h e m e s w h i c hc a nc a u s es o m ea l l o c a t i o nm o d e s 1 1 1 e no n ew i l lb e c h o s e n ，w h i c hc o u l dm e e tt h eb e rr e q u i r e m e n ta n dc a u s et h eh i g h e s t t h r o u g h p u t ，w h i c hn o to n l ye c o n o m i z e ss u b c a r r i e r s b u ta l s oe n s u r et h e g o o dt r a n s m i s s i o n t ot h ee s t i m a t i o no fq u a l i t i e so ns u b c a r r i e r sa n dt h e t r a n s m i s s i o no fa d a p t i v e i n f o r m a t i o n ，w ea d o p t e d t h e p o l i ts e q u e n c e m o d u l a t e db y 晒l s hc o d et of i n i s ht h e m 。 i no r d e rt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ec a l c u l a t i o na n dd e l a yi nt 1 1 e s e n d e r , ad a t a b a s ei n v o l v i n ga d a p t i v ei n f o r m a t i o nc o u l db ei n s t a l l e d o p t i m a ls i m u l a t e dr e s u l t si ne v e r yc o n d i t i o na n dt h ec o r r e s p o n d e n c et o c h a n n e l q u a l i t i e s a r es t o r e di nt h ed a t a b a s e a f t e r f i n i s h i n g ar e a l t r a n s m i s s i o n ，r e l a t e dp a r a m e t e r sa r ea l s os t o r e di ni t a sr e f e r e n c e t h u s ， e a c hs e r v i c et ob et r a n s m i t t e dc o u l df i n di t s c o r r e s p o n d i n g b i ta n d t h e w o r ki ss u p p o s e db y t h e n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n au n d e rc o n t r a c t n o6 0 1 7 2 0 6 8 s u b c a r r i e ra l l o c a t i o nf r o mt h ed a t a b a s e ，w h i c hm a k e sa d a p t i v es y s t e m c h e a p e r , m o r ep r a c t i c a la n ds i m p l e r k e yw o r d s ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c ym u l t i p l e xa c c e s s ( o f d m ) ； m u l t i - s e r v i c e ；a d a p t i v ea l l o c a t i o n ；w a l s hc o d e ； d a t a b a s ei n v o l v i n g a d a p t i v ei n f o r m a t i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘堂或其他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。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名 签字闩期：年月日签字日期：年 月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着通信需求的不断增长和技术的不断进步，无线宽带化已成为当今通信技 术领域的主要发展方向。在短波电离层反射信道、对流层散射信道、移动信道、 广播信道等实际信道中，由于云层、山脉、城市中林立的高层建筑的影响，使在 这些信道中传输的信号产生多径衰落现象，从而引起严重的符号问干扰( i s i ) ， 限制了信息传输速率的进一步提高。传统方法是使用自适应均衡技术来抗多径衰 落。由于均衡技术较复杂所以自适应均衡器的制作、调试往往成为通信系统研 制的瓶颈。另一方面，随着传输带宽的不断增加，均衡器的复杂性也越来越高， 成本也不断增加，难度越来越大。因此，正交频分复用( o f d m ) 技术作为一种 抗多径衰落的技术开始受到人们的重视。其传统方法是将高速数据分成若干路低 速数据，并且对正交的载频进行调制，这样就可以使每路载频上传输的数据信号 的脉冲大大展宽。由于每路载频上传输的是窄带信号，进行的是窄带传输，就在 很大程度上避免了频率选择性衰落。又由于在符号之间插入了保护时隙。因此也 大大增强了抗多径衰落的能力。由于数字信号处理和大规模集成电路技术的不断 进步，目前0 f d m 在各个领域都得到了广泛的应用，如在欧洲的数字声讯广播 ( d a b ) 系统、高清晰度电视、地面广播系统和无线通信等领域。在移动通信 领域，0 f d m 被看成是未来通信系统最有可能采用的调制方式。 1 2 正交频分复用( o f d m ) 技术的发展 有关正交频分复用的概念早在6 0 年代就已经被提出来了，它的基本思想是 通过允许子信道( 采用频分复用) 频谱重叠但不产生相互影响的方法将高速的数 据分成若干路低速数据，并且对不同的载频进行调制来并行传输数据。此处的调 制被称为二次调制( 次调制是指o f d m 调制之前的m p s k 或者q a m 调制， 是用m p s k 以及多进制q a m 对并行的数据进行调制) 。这样，多进制调制技术 与多载波的结台大大提高了数据的传输速率。众所周知，频率选择性衰落是由于 信号的带宽大于信道的相关带宽所造成的。o f d m 引入多载波大大减小了每个 子载波上的信号带宽，从而避免了频率选择性衰落。由于每个子载波上的信息是 不相关的，所以它们的相加值在时域内接近白噪声。由哈尔凯维奇理论可知，要 克服多径衰落的影响，信道中传输的最佳波形应具有类似白噪声的统计特性，这 第一章绪论 就是o f d m 具有抗多径干扰的能力。 为了实现频分复用，在早期的o f d m 系统中各个子载波的频谱不互相重叠， 发信机和相关接收机都需要很多正弦信号发生器来产生所需要的子载波阵列，同 时还需要大量的发送滤波器和接收滤波器，并且要求在相关接收时各子载波要准 确的同步。因此当并行子信道的数目较多时，系统非常复杂，成本也较高。同时 为了减少子信道间的干扰，各个子信道之间要留出一定的保护带间隔，故频带利 用率较低。为了简化系统，1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了使用离散付立叶变 换( d f t ) 来实现o f d m 的调制与解调。这样，通过专用的硬件f f t ( 快速付立 叶变换) 芯片就能实现全部的调制( i f f t 变换) 和解调( f f t 变换) 功能，从而大 大简化了复杂的振荡器阵列和相关接收机中本地载波的严格同步问题，为o f d m 的全数字实现方案奠定了理论基础。采用i f f t 进行调制，各个子载波上的频谱 相互重叠，但是由于在整个符号周期内满足正交性，因此在接收端通过f f t 可 以实现无失真的恢复。o f d m 系统的频谱宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽， 所以这种技术的频谱利用率很高。近年来，随着v l s i 和数字信号处理技术的迅 速发展，已经出现了高速大阶数的f f t 专用芯片和可用软件快速实现f f t 的数 字信号处理( d s p ) 通用芯片，这些芯片价格低廉，从而使得目前利用f f t 来实现 o f d m 技术成为可能。进入8 0 年代以后，为了更有效地利用无线资源，o f d m 调制技术又成为了研究熟点，目前被普遍看成是未来移动通信系统最可能采用的 调制技术。 在无线移动通信中，由于多径传播的存在，调制信号将受到多径衰落和多普 勒频移所引起的频率选择性衰落的严重影响，从而导致系统性能急剧下降。 o f d m 不但能够消除频率选择性衰落的影响，也能减轻瑞利衰落的影响。这是 因为在传送高速串行码元时，深衰落将导致邻近的一串码元被严重破坏，造成突 发性误码。与串行方式不同，o f d m 将高速串行码流转为低速并行码流传送， 码元周期较长，远远大于深衰落的持续时间。这样在出现深衰落时，并行码元受 损轻微，通过纠错技术还可以恢复。另外，对于多径传播引起的码间串扰问题， 可在码元之间插入保护时隙得到解决，只要保护时隙大于最大的传播延时间隔， 码间串扰就可以完全避免。即使在信道状况异常恶劣的情况下，虽然有时候最大 的传播延时会大于保护时隙，o f d m 技术也能比其他调制技术大大减少码间串 扰的影响。基于这些优点，1 9 8 5 年c i m i n i 提出了一种适于无线信道的o f d m 方 案”1 ，其特点是调制器发送的子信道载波调制码型是方波，并在码元之间加入保 护时隙。这样，虽然各子信道频谱为s i n x x 形，但由于码元周期很长，单路子信 道所占的频带很窄，位于信道频率边缘的子信道拖尾对整个信道带宽影响不大， 因此可以完全避免多径传播引起的码问串扰，且省去了升余弦滤波器，使实现方 第一章绪论 案非常简单。因此，以后的o f d m 方案都是以此为原型实现的。 进入9 0 年代以后，o f d m 广泛应用于移动f m 信道进行的高速数据通信、 陆地移动通信、高速数字用户环路( h d s l ) 、非对称数字用户环路( a d s l ) 、超 高速数字用户环路( v h d s l ) 、数字声广播( d a b ) 以及高清晰数字电视( h d t v ) 和陆地广播等各种通信系统。1 9 9 1 年，c a s a s 提出了o f d m f m 方案，利用现 有的调频系统进行数据传输。第二年，m o t o r o l a 公司推出新一代的数字集群 i d e n 系统”1 ，采用o f d m 调制技术，用4 路子载波在2 5 k h z 标准带宽内实现 6 4 k b s 的数字话音传送。c h o we t a 1 的研究表明，用d f t 进行多音频调制实现 a d s l 、h d s l 、和v d s l 具有良好的性能价格比。交织和网格编码调制( t c m ) 编码的引入为o f d m 技术开拓了更为广阔的应用领域。交织技术是为了克服多 径衰落和遮蔽所引起的突发性误码，使突发差错信道变为随机差错信道。自从 1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出了信道编码和调制相结合的t c m 以来，更加促进了 o f d m 技术的发展。采用t c m 技术的o f d m 系统可以在不付出带宽的前提下 获得3 - q s d b 的编码增益，因此t c m 在带宽受限和功率受限的o f d m 系统中具 有很大的吸引力。t c m 利用扩展信号空间的方法提供编码冗余度，通过集分割 映射使信息序列获得最大的欧氏距离，并利用软判决维特比译码完成对整个信息 序列的最大似然译码。十余年的技术实践和理论研究表明，t c m 技术在高斯白 噪声条件下可获得良好的效果。然而对宽带频率选择性信道而言，传统的t c m 技术显得无能为力。近年来的研究表明，在平坦衰落信道上，t c m 结合足够深 度的交织可获得一定的效果，这为o f d m 抗子信道的平坦衰落提供了解决方案。 综上所述，o f d m 实际上就是把信道分割成中心频率各不相同的子信道，把宽 带通信转换成多个并行的窄带通信。在选取了合适的保护时隙以后，各个子信道 可以看作是相互独立的衰落信道，这就使得t c m 技术有可能应用于o f d m 通信 系统。而o f d m 虽然很好地解决了多径环境中的频率选择性衰落对系统性能的 影响问题，但对于多径传播产生的时间选择性衰落，即信道平坦性衰落，o f d m 只能是在多个符号之间进行平均，无法完全消除其影响。以上说明，o f d m 的 各个子信道需要通过编码来让它们之间有相互联系。近年来人们提出了将 o f d m 与有效的信道编码相结合，称为c o f d m 。基于使信息在时域和频域扩展 的思想，通过编码使传输时各单元码信号受到的衰落统计独立，从而消除平坦性 衰落和多普勒频移。 目前已经提出了许多与o f d m 相结合的技术，这些技术包括空时码、小波 变换、c d m a 和自适应技术，研究表明o f d m 与这些技术的结合可以更好地克 服其缺陷，更大地发挥其优势。本文将重点介绍o f d m 与自适应技术的结合， 对t c m 和交织技术并不做过多的分析研究。但是在o f d m 的发展过程中，t c m 第一章绪论 和交织技术一直是一种有效减小信道平坦性衰落的方法，地位非常重要，因此在 本文的开头对它们做了一些介绍。目前，对于o f d m 与其它各种技术结合的研 究还主要处在理论分析和计算机模拟阶段。 1 3 本文的主要研究工作 作为未来移动通信技术的热点，o f d m 开始受到人们广泛而深入的研究。 自适应技术与o f d m 的结合即自适应调制技术，是目前一个重要的研究领域。 但是，对于多用户自适应调制中对处于深衰落的子载波，由于性能较差，系统自 动舍弃它”1 。然而，在频率资源非常紧张的今天，这种自适应方法造成了无线资 源浪费。 本文针对这个问题提出了新颖的比特和子载波分配算法，能够针对多业务及 信道状况动态地分配资源，并还能很好地利用那些处于深衰落的子载波。针对高 速率大容量的业务传输情况下，也能在保证质量的前提下将使用子载波的数目减 到最小，从而提高了频率资源的利用率。 由于本人水平有限，论文中的错误和不足之处望各位老师和同学批评指正。 第二章o f d m 基本原理 2 1o f d m 系统 第二章o f d m 基本原理 o f d m 是将高速串行数据分成成百上千路低速并行数据，并分别对不同的 载频进行调制，这种并行传输方式大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰 落的性能。采用数字信号处理技术的o f d m 系统，各子载波上的频谱是互相重 叠的，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而使调制信号在接收端能得 到无失真的恢复。 设o f d m 信号的符号周期为l 当个子载波频率之间的最小间隔为1 t 时，即设卮= 正+ k t , 则下式( 2 1 ) 成立： + ：西：n 、 【0 ，苫i ：? ， 可见，各子载波满足正交性条件，每个子载波的调制频谱为s i r o c x 形状，其主峰 值正对应于其他子载波频谱的零点，其频谱图样见图2 1 。各子载波组合在一起， 总的频谱形状非常近似矩形频谱。其频谱宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽，所 以o f d m 系统的频谱利用率较高( 见图2 2 ) ，又由于省掉了带通滤波器，从而 简化了系统。再有，由于每个载波上所传输的信息互不相关，相加后在时域内合 成的信号非常近似于白噪声。早在5 0 年代，哈尔凯维奇就从理论上证明，信道 传输的最佳信号形式应该具有类似白噪声的统计特性。这从另一方面说明了 o f d m 系统抗多径衰落的能力。o f d m 系统的基本结构框图如图2 3 所示。 图2 - 1 正交子载波的频谱图样 第二章o f d m 基本原理 图2 - 2o f d m 频谱实例( 矩形) 2 2o f d m 基本原理 一对快速离散傅立叶变换( i f f l 佰f t ) 是o f d m 系统基本结构的重要组成部 分，o f d m 将它们用来调制和解调信号。接收端被串并转换的原始信号在经过 一次调制( m p s k 或q a m ) 之后采用i f f t 进行二次调制，各个子载波上的信 号实现正交，并串变换之后形成o f d m 信号( 见图2 3 ) 。能使各子载波相互正 交的最初想法是w e i n s t e i n 于7 0 年代提出的。设o f d m 信号发射周期为 0 ，t ， 在这个周期内并行传输的 ，个符号为( o ，c ，c n - i ) 其中g 为一般复数， 并对应调制星座图中的某一矢量。比如g 一口( f ) + 6 ( f ) ，a ( 0 和b ( o 分别为所要传 输的并行信号，若将其合为一个复数信号，很多个这样的复数信号采用快速傅立 叶变换，同时也实现对f 交载波的调制，这就大大加快了信号的处理调制速度( 在 接收端解调也同样) 。由于实际发送的是复数的实部，因此在i f f t 的算法中会将 处理后的信号都映射为实数，然后再经过射频调制。设第n 个符号调制第1 7 个载波( 表示第i 7 个载频的幅度和相位) 为e 口4 r ，则在【o ，t 】内的任一时刻t ， o f d m 信号可以表示为 ( ，) = c 。p 肋“7 ， ( ，【o ，丁】) 6 ( 2 2 ) 第二章o f d m 基本原理 卿m 燃 图2 - 3o f d m 系统的基本结构框图 将式( 2 2 ) 离散化，可得到x ( o 信号的抽样： x ( t ) = c n e 7 2 “” ( 2 - 3 ) 这种信号经过数模转换器滤波以后便可经上变频在信道中传输了。在解调 时，利用下式( 2 4 ) 得到输出信号： 一 - l x ( ”) = x ( k ) e 印“7 1 ( 2 4 ) = 0 式( 2 - 3 ) 是离散傅立叶反变换( i d f t ) 的一般形式，而式( 2 - 4 ) 是离散傅立 叶变换的一般形式，这就是利用数字信号处理技术实现多载波并行传输的基本原 理。这样就大大简化了多载波并行系统结构且可利用快速傅立叶变换( i f f t f f t ) 高速算法使系统实用。具体的i f f t f f t 变换说明见图2 4 。o f d m 调制的一般 处理过程是：发送端将 g 做i f f t 得到信号 预砷 ，然后经d a 转换和滤波， 则得到了o f d m 信号：接收端将接收到的信号抽样后得到( 坝d ，然后对其进行 f f t 得到f g ) 的估计值。o f d m 系统中各载波为 = 工+ k + a f , 其中，2i t 2 第二章o f d m 基本原理 1 n + i s ( i s 为串行数据的符号周期，工是系统所用频率范围起始值) 。 然而以上所推导的结果是在不考虑符号间干扰、多径衰落等情况下得出的。 信道中的多径传输，以及瑞利衰落会破坏子载波间的正交性，其结果会使信号无 法正确解调，更谈不上质量了。因此，系统采用了一种方法，就是增加保护时隙。 图2 - 4o f d m 调制中的i f f t ，f f t 变换 o f d m 信号的符号周期为t ，现在要增加为r = t + ，( 就是保护时隙) 这样，式( 2 2 ) 就要改变一下： n - i z ( f ) = c e 删”， ( ，卜，刀) ( 2 5 ) 月= 0 在任意时刻t ，o f d m 信号可以表示为： s q ) + 一i g p 止州”7 g ( t - m t ) m = - - h i m o f d m 信号中的保护间隔是由烈，) 函数来实现的，烈，) 定义为 f 1 ， 一a f t g 7 21 0 ，f r ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在保护时隙内的o f d m 信号就是未加保护时隙前o f d m 信号其中一部分信号的 周期拓展。当保护时隙长度大于i 信道脉冲相应或者多径延时，这样使得相邻信号 在这段时隙内急剧衰减，不影响本时隙内信号的正常解调，从而消除i s i ，加有 第二章o f d m 基本原理 保护时隙的o f d m 符号见图2 5 。 设 ( r ，) 为信道的冲激响应，月( f ) 为加性高斯白噪声，接收端收到的信号为 r ( f ) = f j ( f f ) 厅( f ，f ) d f + 珂( r ) 其频域表达式为 ( 2 8 ) r 。= g n 最+ n 。n = 1 , 2 ，n c ( 2 - 9 ) 其中h 。为第疗个子载波的复衰落系数，m 代表第以个子信道的a g w n ，它的 实部和虚部服从零均值高斯分布，且相互独立。噪声方差为 盯2 = e m 1 2 疗= l 2 ，2 以 接收机在 印，r + q 内对接收信号解调得到输出信号为 r 。= 争p 7 州) e - j 2 x k ( i - t ) i t 出 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 2 0 0 4 _ 0 0 6 o f d ms i g n a lw i t hh a l fz e r og u a r dp e r i o d 2 42 62 833 23 43 6 s a m p l e s x1 0 4 图2 - 5 带有零保护时隙的连续五个o f d m 符号 ( 2 - 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 口3兰qe 第二章o f d m 基本原理 般多径信道的冲激响应可表示为 盯i + m2 h ( r ，) = h 。j ( f 一) ，t i ( 2 1 2 ) 式中h ，是第i 条路径信号的复包络。f 为第i 条路径的时延。由于o f d m 增 加了发射信号码元周期，故可以假设所有的r 均满足f t 。将f 分为两类： 0 r ，a( i = l ，尬) f ，t( i = m + l ，m + 尬) 这里 矗为多径时延不超过保护时隙的路径数目，尬为多径时延超过保护时 隙的路径数目。 综合( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 - 11 ) 、( 2 - 1 2 ) 各式，同时假设相对o f d m 信 号周期而占信道是准恒定的，则可推出接收机接收到的o f d m 符号表达式 ( 2 一1 3 ) ： 如：协e - 1 2 m c r 1 “兰2 毕止机”b 一 拦2 艺王子矿脚川巾( 一舯州r 删z ( n - k ) ( r i - a ) ) c i n 。yy 1 1 勘e 掣m q ”巾( “x f j “) ”s c 。 一厶一个 ， ” i + 1 n p + ”2 艺王矿 一 一阶叫r s i n c ( “c ( n - k ) ( r , 州_ u + 虬r - a ) ) c h j 2 一( r j + yy 二 兰p 一 ) “，椰4 x f j 一6 ) ”s i n c “+ “ j jt ”一j ( 2 1 3 ) + 式中c 。为第t 个子信道在【f r ，( i + i ) t 发送的信号，而 i ，为加性高斯白噪声。式 ( 2 一1 1 ) 中的第项为所需要的信号乘上一个平衰落因子，对不同的子信道这个衰 落因子是不同的；第二项是信道问干扰( i c i ) ，这是同一时刻其它子信道信号对 该子信道的干扰：第三项为码间干扰( i s i ) ，是前一时刻各子信道信号对该子信 道当前时刻信号的干扰。从( 2 一1 1 ) 式可以看出，由于多径传输的影响，o f d m 信 号的严格肛交性被破坏了，接收信号中有i c i 和i s i ，而这两项是由于传输时延 大丁保护时隙的路径引起的，由此可以看出保护时隙的加入不可能完全消除t c r 和 s i 。若保护时隙取得太长，会占用太多的系统资源：取得太短，会引来较多 的干扰。所以保护时隙的选择是系统设计考虑的主要因素之一，根据具体的信道 情况选择合适的保护时隙可以使系统中的信道间干扰和码间干扰控制在允许范 0 第二章o f d m 基本原理 围之内，一般它取小于符号周期的i 4 。从式( 2 1 1 ) 还可以看出，对一个子信道 影响最大的其它子信道是与其相邻的几个子信道，相距较远的子信道之间的影响 越小。 根据式( 2 - 9 ) ，o f d m 传输系统可以等效为图2 - 6 所示的频域系统。这个 系统有，个并行的子系统，每个子系统经受乘性复干扰和加性高斯白噪声的影 响。o f d m 符号的时域结构见图2 - 7 0 ) 所示。在实际应用中，经常将，个o f d m 符号组合成一个o f d m 帧，帧长为： 乙= m ( 2 1 4 ) 为了使o f d m 的表述简洁，此处引入矩阵和向量来表示。符号( ) 7 表示矩 阵或向量的转置。信源序列 s o ，l = 1 , 2 ，n 。可以用向量s 表示为 s = ( s 曼，) ( 2 1 5 ) 秘 hl n n 杰 ，1卜r i 胃肖 虫遍w a - , 凡 并 并 自 变壹 t 止商l点对k j 按接 生一舍! 。 图2 - 6o f d m 系统的频域表示 1崽 i p i i 耳 m c a ) o f d m 符号 ( b ) o f d m 帧 闰2 7o f d m 符号和o f d m 帧的时域结构 l j_ 第二章o f d m 基本原理 经过反o f d m 后的接收序列泳。) ，h = l 2 ，n c 可以用向量r 表示 r = ( r l ，r 2 ，月。) 7 接收向量r 为 r = 日占+ n 其中为n 。n 。的信道矩阵 h = h 1 00 0 h 2 0 ；j 0 0 h ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 由于子载波之间相互正交，不存在i c i ，所以h 为对角阵，其中 h 。，h = 1 , 2 ，n c 表示每个子信道的平坦衰落系数。向量 甩= ( l ，2 ，以) 7 ( 2 1 9 ) 为n c 个子载波上的高斯白噪声。o f d m 发送端的输出序列( 包括保护间隔 扛， ，y = 1 一乓，m ) 可用向量x 表示 x = x i - l r , x 2 - 。, , x n , l r ( 2 2 0 ) o f d m 接收端的输入序列抄，x y = l - l g ，m 可用向量j ，表示 j ，= ( y 。y 一，y f ) r ( 2 - 2 1 ) 多载波调制由于大大降低了符号速率，因此在带宽受限系统中只需采用简单 的均衡算法就可以达到很好的性能，而传统的单载波接收机往往需要采用较复杂 的接收技术。 2 3 o f d m 优缺点总结 2 3 1 o f d m 的主要优点 ( 1 ) 本身可以有效地对抗i s i ，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输 第二章o f d m 基本原理 ( 2 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力； ( 3 ) 基于i f f t f f t 的快速算法； ( 4 ) 采用的子载波数目越多，信道利用率越高。当子载波数目很大时，系统的 频率利用率接近n y q u i s t 极限。 2 3 2 o f d m 的不足之处 ( 1 ) 对系统的非线性问题敏感 原始的o f d m 系统先对调制器的输出信号进行放大，然后合并各个信号。 而基于f f t 的o f d m 系统中，所有调制器的输出被加在一起，合并后的信号被 放大。这种类似噪声信号被放大之后，加大信号峰值功率，使其频谱扩展，旁瓣 会干扰相邻信道。o f d m 这种特性就要求发射机的功放有很强的非线性特征， 因此会耗费功率较大。这是o f d m 进一步发展中一个值得研究的课题。 ( 2 ) 对定时和频率偏移敏感 精确定时和减小偏移对o f d m 系统尤为重要。因为做不到这一点，o f d m 的 正交性无法保证，就必然引起各子载波间的干扰和符号间干扰。 ( 3 ) 由于保护问隔的插入带来功率和信息速率的损失。功率损失可以定义为： = 1 0 1 0 9 l o 皇+ 1 ) ( 2 - 2 2 ) 当保护间隔占到2 0 时，功率损失也不到l d b 。但是带来的信息速率损失达2 0 。 传统的单载波系统由于升余弦滤波器也会带来信息速率( 带宽) 的损失。这个损 失与滚降系数有关。插入保护间隔可以消除i s i 和i c i 的影响，因此这个代价的 付出是值得的【3 l 。 2 4 o f d m 系统中采用的关键技术 ( 1 ) 与衰落信道的最大多普勒频移相比，子载波间隔必须足够大，从而使得 i c i 很小： ( 2 ) 如果能保持系统的正交性，o f d m 系统不需要均衡器。但为了充分利用 信道特性，需要适当地使用编码和交织技术。 第一二章o f d m 基本原理 2 4 1 信道编码和交织 o f d m 中，编码是一个有特殊意义的步骤。t c m o f d m ( c o f d m ) 就是利 用了信道编码技术的o f d m 。采用这样的信道编码可以使由于多径而产生的部 分频率选择性衰落、时间选择性衰落及多普勒频移对正交性造成的影响减少到最 低。t c m ( 网格编码) 就是利用扩展信号空间的办法来提供编码冗余度，通过 集分割映射使信息序列获得最大的欧式距离，并利用软判决维特比译码完成对整 个信息序列的最大似然译码。将t c m 应用于各个独立的平坦衰落子信道，做足 够深度的交织，各个子信道之间也建立起某种联系。交织使信息在频域和时域扩 展，使传输时各单元码信号受到的衰落可以认为统计独立，利用信道编码技术可 以使部分由于频率选择性衰落或干扰而被破坏的数据依靠另外一些频率分量得 到增强的部分数据恢复，这说明了o f d m 系统具有频率隐分集和时间隐分集的 作用，这对频率选择性衰落及时间选择性衰落是有效的。理论上已经证明，如果 信号在某一载波处受到一个负回波的损失，从统计上说另外的载波上会出现正 回波，两者相互补偿抵消。采用如此有效的信道编码，在时间和频率上对传输的 信息进行交错，达到抗衰落的目的。编码和交织的使用把一个局部的衰落在整个 带宽和时间交错深度之内进行平均，在通常系统中频率选择性这一缺点，在 o f d m 中就转化为了优点，它实际上提供了频率上的分集效果( c o f d m 系统框 图见图2 8 ) 。 匝蛰 编码可以采用各种码，如分组码、卷积码。使用卷积码时，接收端采用维特 比译码，效果比分组码好，但复杂性较高。衰落信道会产生数据突发性错误，有 效方法是对编码后的数据进行交织，使突发性信道变为随机信道。交织可以在频 域和时域进行。交织器的结构有两种：分组结构和卷积结构。二者配合使用效果 更佳。可根据具体的应用选择不同的编码和交织方案。 4 第二章o f d m 基本原理 2 4 2 信道估计 在自适应o f d m 传输系统中，自适应的比特分配、子载波分配实现的前提 就是精确的信道估计，所以这里信道估计尤为重要。进行信道估计的目的有两个： 其一根据估计得到的子信道质量参数采用合适的自适应比特和子载波分配方 法：其二，根据信道衰落情况对接收到的信号进行纠错。导频序列可以用来完成 信道估计。各子载波上导频的参数已知，经过接收端对接收到的导频信号进行分 析，就可以得出各个子载波上的信号衰落情况，从而为自适应技术的应用提供了 参照，也可以纠正各子载波上传输的信号。在基于导频的信道估计中，可以同时 对导频进行编码( w a l s h 码) 来传输发送端的自适应比特和子载波分配信息。 2 4 3 均衡 均衡的实质是补偿多径信道特性。而o f d m 系统本身已经利用了多径信道 的分集特性，一般情况下系统不必再加均衡器。在高度散射的信道中，信道记忆 长度很长，保护时隙的长度要求很长才能保证i s i 不出现。但保护时隙太长必然 导致能量损失，尤其在子载波数目不大时。这时可以考虑加均衡以使保护时隙的 长度不至于过大，在稍微增加系统复杂性的基础上，提高频带的利用率。 2 4 4 改善系统对非线性的敏感性 当子载波数目很大时，根据中心极限定理，o f d m 信号波形将是一个高斯 随机过程，其包络是不稳定的。经过非线性放大后，信号频谱扩展，其旁瓣干扰 临近信道，破坏子信道之间的正交性。一般而言，要求发射机中的功放h p a ( h i g h p o w e r a m p l i f i e r l 具有很好的线性。为了不使频谱扩展得很厉害，h p a 必须工作 在有很大回退量的状态，这样就会浪费较大功率。o f d m 系统包络的不恒定性 可以用峰值功率和平均功率之比p a p r 表示。p a p r 越大，包络的不恒定性就越 大。因此要改善系统性能，就是要设法减小p a p r 。最近出现了许多减小p a p r 的技术，其中通过编码来减小p a p r 的方式最具有吸引力。典范之一就是基于互 余序列的分组码方法，其基本思想是寻找自相关函数旁瓣小的g o l a y 序列。其他 方法还有：向量变换方式和经特殊选择的映射方式等，它们需要在发送端加额外 的峰值检测器和映射选择器，这样做显然会造成一定的时延。另外，这些技术需 要附加信息说明每个符号的向量和映射变换，如果这些信息出现错误，必然会导 致系统的突发性错误。因此编码方式还是较为理想的。 第二章o f d m 基本原理 2 5 本章小结 本章详细介绍了o f d m 的系统模型和基本原理，以及o f d m 调制技术的优 缺点和与o f d m 相关的一些技术。 第三章无线环境对调制方式的影响及仿真 第三章无线环境对调制方式的影响及仿真 3 1无线环境 与其它通信方式相比，移动通信的电波传播环境十分恶劣。陆地移动信道的 主要