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北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于覆盖延展的高速业务新型切换算法 摘要 4 g 系统支持多种业务类型，存在多种业务的覆盖，一般业务速 率越高，其覆盖范围越小。高速业务的覆盖范围比较小，很难保证覆 盖的连续性，致使承载该业务的用户往往还没有到达小区的切换区域 就产生掉话。 o f d m a 系统是典型的4 g 系统，本文首先介绍了o f d m a 系统 的原理、多址方式及其无线资源管理技术。对于o f d m a 系统，高速 率业务通常占用系统资源较多，会对系统的动态特性造成很大影响， 造成切换期间和切换之后的一段时间内系统传输性能的下降。目前在 多业务共存的环境下，关于多业务切换算法的文章主要关注不同q o s 业务的等级划分和切换排队算法，并没有关注未来多业务、多q o s 共存的条件下，高速业务用户由于覆盖不连续而造成切换失败的问 题。 其次，本文针对以上切换算法的不足提出了新型的切换算法：基 于覆盖延展的高速业务新型切换算法。该算法在降低信源编码速率的 同时结合弱子载波去除策略( f a i n ts u b c a r r i e re l i m i n a t i o ns t r a t e g y ， f s e s ) ，动态的调整用户子载波的分配，使资源利用更加灵活，延展 了高速业务的覆盖面积，形成“暂态覆盖 ；采用“暂态切换o o s ， 减少切换对目标小区的影响，使高速业务用户能够平滑切换。 最后本文设计并实现了o f d m a 的系统级仿真平台，并在此仿真 平台的基础上，通过仿真分析对本文提出的基于覆盖延展的高速业务 新型切换算法性能进行了评估。仿真结果表明，新型的切换算法能够 维持高速业务用户通话连续性，降低切换掉话率和接入阻塞率，提高 资源利用率，优化了o f d m a 系统的整体性能。 关键词：4 g 切换弱子载波去除策略暂态覆盖暂态切换o o s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ac o v e r a g e b a s e dh a n d o v e ra l g o r i t h mf o r h i g h s p e e dd a i as e r v i c e a b s t r a c t 4 gs u p p o r t sv a r i o u s t y p e s o fs e r v i c e s d i f f e r e n ts e r v i c e sh a v e d i f f e r e n tc o v e r a g e t h ec o v e r a g eo fh i g h - s p e e dd a t as e r v i c ei ss m a l l e r t h a nt h a to fl o w - s p e e dd a t as e r v i c e ，w h i c hc a nn o tg u a r a n t e ec o n t i n u o u s c o v e r a g ea n du s u a l l ym a k e st h eh i g h s p e e dd a t as e r v i c eu s e r so c c u r d r o p p i n gb e f o r er e a c h i n gt h eh a n d o v e ra r e a o f d m ai st y p i c a l4 gs y s t e m f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e so f d m a s y s t e mt h e o r 5m u l t i p l ea c c e s ss c h e m e sa n dr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) t e c h n o l o g i e s ；h i g h s p e e dd a t a s e r v i c e u s u a l l yo c c u p i e sm o r e s y s t e mr e s o u r c e i n4 gs y s t e m ，w h i c hw i l lb r i n gg r e a t l yi m p a c to n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e m ，c a u s es y s t e mp e r f o r m a n c et od e c l i n e d u r i n ga n d a f t e rh a n d o v e rp r o c e s s e x i s t i n gh a n d o v e ra l g o r i t h m sf o r m u l t i p l es e r v i c e sa r em a i n l yc o n c e r n e do nc l a s s i f i c a t i o no fs e r v i c e so f d i f f e r e n tq o sa n dh a n d o v e rw i t h q u e u i n g ，i g n o r i n gt h ep r o b l e mo f h a n d o v e rf a i l u r ec a u s e db yt h ed i s c o n t i n u o u sc o v e r a g eo fh i g h s p e e dd a t a s e r v i c ei nt h ec o n d i t i o no ft h ec o e x i s t e n c eo fm u l t i p l es e r v i c e sa n dq o s c l a s s e s s e c o n d ，c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g e so fp r e s e n th a n d o v e ra l g o r i t h m s ， t h i s p a p e rp r o p o s e s an e wo f d m ah a n d o v e r a l g o r i t h m ： a c o v e r a g e b a s e dh a n d o v e ra l g o r i t h mf o rh i g h s p e e dd a t as e r v i c e t h e n e wh a n d o v e ra l g o r i t h mr e d u c e ss o u r c er a t ea n da d o p t sf s e s ( f a i n t s u b - - c a r r i e re l i m i n a t i o ns t r a t e g y ) t oa d j u s tt h es u b - c a r r i e ra l l o c a t i o na n d m a k et h er e s o u r c ea l l o c a t i o nm o r ef l e x i b l e ，w h i c he x t e n d st h ec o v e r a g e o fh i g h s p e e dd a t as e r v i c ea n dm a k e su s e r sa c q u i r e “t r a n s i e n tc o v e r a g e ” m e a n w h i l e ，t h en e wa l g o r i t h mu t i l i z e st h e “t r a n s i e n th a n d o v e rq o s t o r e d u c et h eh a n d o v e re f f e c tt ot a r g e tc e l lf o rh i g h s p e e dd a t as e r v i c eu s e r s a n dm a k et h e s eu s e r sa c q u i r es m o o t hh a n d o v e r i i 北京邮电人学硕士研究生学位论文 l a s t ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n dc o m p l e t e st h eo f d m as y s t e ml e v e l s i m u l a t i o np l a t f o r m b a s e do nt h ep l a t f o r m ，t h en e wh a n d o v e ra l g o r i t h m p e r f o r m a n c ei se v a l u a t e db ys i m u l a t i o na n a l y s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w st h a tt h en e wa l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e ， r e d u c et h eh a n d o v e r d r o p p i n gp r o b a b i l i t y a n dn e wc a l l b l o c k i n g p r o b a b i l i t y , e n h a n c et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t i o 。 k e yw o r d s ： 4 g h a n d o v e r f s e s t r a n s i e n tc o v e r a g e t r a n s i e n th a n d o v e rq o s i i i 北京邮电人学硕上研究生学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担切相关责任。 日期： 丛翌墨：兰2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 北京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 未来的移动通信要求能够提供高速数据传输和宽带多媒体业务，然而目前被 3 g 系统广泛采用的c d m a 多址接入技术因其频谱受限，在高数据率下只能提供 很小的编码增益。因此人们开始研究基于多载波的技术，即通常所说的o f d m 技术。在新一代宽带无线通信系统中，o f d m ( 正交频分复用) 技术已经取代单 载波扩频技术( 如c d m a ) ，成为主流的基本发送技术。o f d m 技术最突出的优 点是频谱利用率高，有利于信号的高效传输，特别是抗多径效应特别突出。目前 己将o f d m 应用于多用户系统，从而产生了具有高灵活、有效的多用户o f d m 通信系统，即o f d m a 多址接入系统。 本章将首先介绍o f d m o f d m a 技术的发展及目前的应用，然后提出本论 文的研究意义，以及主要工作及内容安排。 1 1o f d m a 的发展与应用 1 1 1 移动通信的发展历程 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是直到2 0 世纪7 0 年代中 期，才迎来了移动通信的蓬勃发展。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室成功研制了先 进移动电话系统( a m p s ，a d v a n c e dm o b i l e p h o n es y s t e m ) ，建成了蜂窝状模拟移动 通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其他发达国家也相继开发出蜂窝式公 共移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并且在世界各 地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户需求迅速增加这一主要推 动力之外，还有几方面技术发展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得 到迅猛发展，使得通信设备可以实现小型化、微型化。其次，贝尔实验室在2 0 世纪7 0 年代提出的蜂窝网的概念形成了移动通信新体制。蜂窝网，即所谓的小 区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模 集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，为 大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统一般 被称为是第一代移动通信系统。 第一代移动通信系统主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术。由 于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移 第1 页 北京邮电人学硕士研究生学位论文 动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是t a c s 。第一代移 动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话 质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。 从2 0 世纪8 0 年代中期丌始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。模拟 蜂窝网的容量己不能满足日益增长的移动用户的需求。2 0 世纪8 0 年代中期，欧 洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ，g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) ，随后美国和同 本也相继指定了各自的数字移动通信体制。2 0 世纪9 0 年代初，美国o u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a , c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信 系统，这是移动通信系统发展中的里程碑。从此，码分多址这种新的无线接入技 术在移动通信领域占据了越来越重要的地位。这些目前j 下在广泛使用的数字移动 通信系统就是第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要采用的是数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多 址( c d m a ) 技术。主要业务是语音，其主特性是提供数字化的话音业务及低速 数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提 高，并可进行省内、省际自动漫游。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完 成模拟技术向数字技术的转变，但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不 统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游，由 于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速 率的业务，如移动的多媒体业务。 为了适应新的市场需求，人们正在发展第三代o g ) 移动通信系统。但是由于 3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍 认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已 经把目光越来越多的投向超3 g ( b e y o n d 3 g ) 的移动通信系统，该系统可以容纳庞 大的用户数、改善现有通信质量，达到高速数据传输的要求。从技术层面来看， 3 g 系统主要是以c d m a 为核心技术，而在3 g 以后的移动通信系统中正交频分 复m ( o f d m ) 最受瞩目，有不少专家学者正针对o f d m 技术在无线通信技术上的 应用从事研究。 现阶段，关于下一代移动通信系统的研究工作已经提交给u r 第8 研究 组和世界无线电大会( w r c ，w o r l dr a d i oc o n f e r e n c e ) 。许多世界著名通信公司已 经投入巨资研究下一代移动通信系统，而在这其中，对于o f d m 技术的研究也 成为业内关注的焦点。 1 1 2o f d m a 的发展与应用1 副 第2 页 北京邮电人学硕上研究生学位论文 对于高速数据业务来说，单载波时分多址接入( t d m 八t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 系统和窄带c d m a 系统都存在很大的缺陷。由于无线信道存在 时延扩展，高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较为严重的 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 r e n c e ) ，这对单载波t d m a 系统中使用的均 衡器提出了非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间 要足够长，从而均衡算法的复杂度也会大大增加。对于窄带c d m a 来说，其主 要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。在保证相同带宽的前提下，高速 数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了c d m a 系统抵抗噪声 的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则 必须要相应的提高带宽。此外，c d m a 系统一个非常重要的特点是采用闭环的 功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进 行预测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组 业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。因此，人们开始关注o f d m 系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以 满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。 o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就己经形成了使用并行 数据传输和频分复用的概念。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 又提出用离散傅立叶变 换d f t 来完成多载波基带o f d m 调制和解调功能，这样也就可用快速傅立叶变 换f f t 来实现，大大减小了系统的复杂度，为对抗符号间干扰( i s i ) 和载波间干扰 ( i c i ) ，使得o f d m 技术更趋于实用化。由于o f d m 的各个子载波问相互正交， 在当时的实际应用中，实时傅立叶变换的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定 性以及射频功率放大器的线性要求等因素成为o f d m 技术实现的制约条件。近 年来，数字信号处理技术和超大规模集成电路( v k s l ) 的发展使得o f d m 技术发 展的障碍不再存在。 o f d m 技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多 信道干扰能力，可以提供比目前无线数据技术质量更高( 速率高、时延小) 的服 务和更好的性能价格比，能为4 g 无线网提供更好的方案。例如无线区域环路 ( w l l ) 、数字音讯广播( d a b ) 等，都将采用o f d m 技术。4 g 移动通信对加 速增长的宽带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内 和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提 供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段， 使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构， 以傅利叶变换来发展硬件架构实现网络架构。移动通信将向数据化，高速化、宽 第3 页 北京邮电人学硕士研究生学位论文 带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动i p 将成为未来移动网的主流业务。 o f d m a 可以看成是一种特殊的频分复用f d m 形式。对于f d m 技术的应 用最早可以追溯到一个世纪前。许多低速率信号使用该技术，例如电报使用不同 的载波频率，在同一个宽带信道中并行传输。但是，为了方便分离这些信号，传 统多载波系统中载波之间要有足够的频率间隔，并且要使用保护频带来使载波信 号频谱互不重叠，因此系统频谱效率较低。最早实现高频谱效率的多载波通信系 统的是五十年代的k i n e p l e x 系统。该系统设计目标是在有严重多径衰落效应的 高频无线信道中实现无线传输，与现代的o f d m 系统一样，其相邻两个子载波 之间的间隔近似等于各子载波上的符号率，这样就可保证各子载波的频谱虽然是 重叠的，但它们是正交的，在接收端可以互不干扰地进行各子载波解调。由于频 谱间是可以重叠的，其频谱的利用效率获得了大幅度提高，但该系统仍使用传统 的多载波系统的实现方式。以o f d m 技术为基础的多址技术o f d m a 是一种先 进的多址技术，相对于目前的f d m a 、t d m a 、c m d a ，其有更高的频谱利用率 和抗频率选择性衰落特性。从3 g p pl t e ( 长期演进) 技术到b 3 g ，还有u w b ， d a b ( 数字广播) 和d v b ( 数字电视、) 。第四代移动通信系统( 4 g ，理论速率可达 1 0 0 m b p s ) 矛- i 宽带无线接入系统( i e e e8 0 2 1 l a ，理论速率5 4 m b p s ) ，以及无线城域 网( i e e e8 0 2 1 6 d e ) 。在这些系统中，其核心技术就是o f d m o f d m a 。 总之，伴随着人们对宽带移动通信和多媒体业务需求的不断提高， o f d m o f d m a 技术已经成为下一代无移动通信关注的焦点。 1 2 论文的研究意义 由于o f d m a 系统的高频谱利用效率、频率分集和抗符号间干扰等优点，使 得o f d m a 技术与其他的多址接入技术相比具有很大的优势。本论文主要研究 o f d m a 系统下的切换技术。 由于4 g 系统支持多种业务类型，存在多种业务的覆盖，一般业务速率越高， 其覆盖范围越小。高速业务的覆盖范围比较小，很难保证覆盖的连续性，致使承 载该业务的用户往往还没有到达小区的切换区域就产生掉话。然而目前，关于多 业务切换算法的文章主要关注不同q o s 业务的等级划分和切换排队算法，并没 有关注未来多业务、多q o s 共存的条件下，高速业务用户由于覆盖不连续而造 成切换失败的问题。 为了解决上述问题，本文提出一种基于覆盖延展的高速业务新型切换算法， 该算法通过降低信源编码速率，延展高速业务的覆盖区域；另外为了降低高速业 务用户的切换对目标小区的影响，又在降低信源编码速率的同时引入弱子载波去 第4 页 北京邮电大学硕十研究生学位论文 除策略( f a i n ts u b c a r r i e re l i m i n a t i o ns t r a t e g y ，f s e s ) 。仿真结果表明新算法能 够扩展高速业务的覆盖，降低切换掉话率和新呼叫阻塞率，并提高了资源利用率。 1 3 论文的研究内容及章节安排 本人参与了国家自然科学基金“面向4 g 系统的动态切换技术研究 ( 编号： 6 0 6 7 2 1 3 1 ) 的课题研究工作，依托于此课题，本论文的研究内容是： 1 研究o f d m a 系统中的无线资源管理技术，设计并实现o f d m a 系统 级的仿真平台，负责仿真平台的总体设计，仿真平台中大部分重要模 块的设计以及代码编写工作。 2 深入研究分析了o f d m a 中的切换技术，提出了一种基于覆盖延展的 高速业务新型切换算法，验证了新切换算法的可行性，并分析了切换 算法对o f d m a 系统性能的影响。 内容安排： 本论文共分为五章，各内容安排如下： 第章绪论部分。回顾移动通信技术的发展历程，介绍o f d m a 的发展 现状以及o f d m 技术的优点，概述论文的研究意义，最后介绍论 文的研究内容和章节安排。 第二章介绍o f d m a 的基本原理、多址方式和关键无线资源管理技术， 为论文后续章节的论述提供必要的概念和理论基础。 第三章首先介绍切换技术的控制和过程，并对切换的准则进行概括性的 论述。然后提出一种基于覆盖延展的高速业务新型切换算法，并 对该算法进行了详细的理论分析和流程介绍。 第四章本章论述新型切换算法的仿真实现以及结果分析。第一节阐述系 统级仿真技术；第二节介绍开发工具的选择；第三节就系统级仿 真技术对新算法进行系统建模。第四节是分析仿真结果。 第五章结束语，包括此论文的研究工作总结，以及可以在此研究成果上 还可以做那些相关研究的建议。 第5 贞 北京邮电大学硕 ：研究生学位论文 第二章o f d m a 系统简介 未来无线移动通信系统( b 3 g 或4 g ) 可将无线通信的传输容量和速率提高 十倍甚至数百倍，同时根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合 系统。作为4 g 的关键技术之一，o f d m a ( 多址方式1 是空中接口技术的演进趋势， o f d m a 在综合无线接入领域将得到越来越广泛的应用1 2 j - 【引。 本章首先介绍o f d m a 基本原理，包括o f d m 基本原理和信号模型；其次 介绍了o f d m a 的多址方式，并分析了与多载波c d m a 之问的区别，突出了 o f d m a 的优点；最后介绍了o f d m a 的无线资源管理技术。 2 1o f d m a 原理 2 1 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理就是将一个较宽频带分成一些子信道( s u b c h a n n e l ) 子载 波( s u b c a r r i e r ) ，把高速的数据流进行串并变换，分配到传输速率相对较低的若 干个子信道中进行传输。如果各个子信道所占用的带宽足够窄，每个子信道中的 符号周期会相对地增加，由此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间 弥散性对信道造成的影响。而且，为了提高系统的频谱效率，o f d m 系统中各 个子信道之间的频谱是相互交叠的，但它们之间又是正交的，如图2 2 所示，这 就是其正交频分复用( o f d m ) 名称的由来。此外，在o f d m 系统中，通过引入循 环前缀使信号即便通过多径信道，其各子信道问的正交性仍能够得到保持，循环 前缀( c p ) 就是将o f d m 码元最后一部分复制到各码元前面，如图2 1 所示。c p 对消除码间干扰和保持载波间正交性起着关键作用。由于码元符号是周期的，保 持了子载波问的正交性，减小了载波间干扰( i c i ) 的影响。只要选取的保护问隔大 于信道的最大迟延扩展，就会完全消除i s i 和i c i 的影刊1 列。 复制 i f 保护 f t 输出 保护 i f f t 输$ ： i 闩j 隔 i f f t 输 问隔 图2 - 1o f d m 循环前缀示意图 第6 页 北京邮电人学硕十研究生学位论文 o f d m 技术属于多载波调s 0 ( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术，也是一种 无线环境下的高速传输技术。在宽带条件下，无线信道的频率响应曲线往往是非 平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信 道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样， 尽管总的信道在频域上是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是 相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干 带宽，因此就可以大大消除载波问的干扰。 o f d m 系统的一个优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从 而可以大大简化系统实现的复杂度。最初的o f d m 系统没有使用d s p 技术，是 时间域上连续的。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， 其中每个子载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度i 周$ m j ( q a m ) 符号的调 制。如果n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，d ，( f = 0 ，1 ，n 1 ) 是分 配给每个子信道的数据符号，c 是第0 个子载波的载波频率，则从t = t ，开始的 o f d m 符号可以表示为： 5 0 ，： r e 薯d re x p ，2 万( 正+ 手) ( f 一气) 】 ，s rs t + 丁式。2 1 ， 10 ，t t + t 。 然而通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，表示为： s 。f ，：j 蓦d re x p 歹2 万手( f t ) ，f ，sf t + 丁 【o , t 丁+ f 。式( 2 - 2 ) 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 分别与对应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号。 图2 - 4 给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波( 这里只是为简单起见，实 际系统子载波数远大于4 ) 。其中所有的子载波都具有相同的幅度和相位，但在实 际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅度和相位都可能是不同的。 可以看到，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数个周期，而且各个 相邻子载波之问相差1 个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： 手拿e x p ( ，”f ) 。e x p ( 一，m f ) d f 2 i - l 。, ，m ，以= n 强 式( 2 3 ) 这种正交性还可以从频域角度来理解。每个o f d m 符号在其周期t 内包括 第7 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位 于各个子载波频率上的函数的6 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f r ) i 函数，这 种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。 图2 - 2 单载波和正交多载波示意图 从图2 2 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多 个子信道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中的，因此这种一个子信 道频谱的最大值对应于其他子信道频谱的零点可以避免子信道之间干扰( i c i ) 的 出现【。 2 1 2o f d m 信号模型 o f d m 调制原理，如图2 3 所示，速率为r b i t s 的串行比特流，经过数据 编码器，每l o g ，m 个比特被映射为一个符号( m 为符号空间的符号个数) ，从而 产生速率为只。= r b l o g ，m 符号s 的串行符号流，符号周期t = l r , ( 单位s ) 。 将这些串行符号串并变换为n 路并行符号，每一个符号调制n 个正交子载波中 的一个，n 个调制后的子载波相加，再进行传输，然后再读入n 个符号，重复 以上过程。每n 个子载波和破称为一个o f d m 符号( 宽带信道被划分成n 个窄 带子信道) 。o f d m 符号的周期疋勘= n l ，但是因为共有n 个串行速率为r 的子信道并行传输，故总数据速率不变。 第8 页 北京邮电大学硕十研究生学位论文 承” = 罱h 飞丽：f 艘) z 张) 蕊玛嚣 c 嘛( 2 t o ，囟；，一 ，_ ， 0 孵) m n 枷，j 型， 2 疆，舭 ， ，p s i n ( 2 x f n l t 图2 3o f d m 系统发送端的调制部分 各子载波问的正交性是通过适当选取兀以及子载波间隔实现的，取子载波 间隔，= l i n t , ，以及i o = k l n l ( 其中k 为大于或等于零的整数，一般取零) ， = 厂0 + n a f ，则各子载波问在一个o f d m 符号周期内可保持正交。 不妨取k = 0 ，即五= 0 ，则五= 1 n t , ，左；2 n t 。，五= 3 n t 。，无= n n t 。， 可以看出各个相邻的子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之 问的正交性，即： 吾j e x p c ，2 万厶，e x p ( j 2 a r f ) d t 2 三= n 式。2 4 ， 其中t = l f d 。= n r , ，对第m 个子载波进行解调，然后在时间氏度t 内进行积分，即： 蠢= 手r + r e x p ( 一歹2 玎等。一气，) 篓d t e x pj 2 万；o t ，) 出 = ；孰a ，, + r 唧【，况了i - m 。，) 吨 ( 其中t s 表示抽样时刻) 第9 负 北京邮电人学硕上研究生学位论文 幅 度 0 f d x 符号 时闸( 1 0 - 3 ) 图2 - 4 四个子载波o f d m 符号时域波形示例 图2 4 给出了子载波数目n - - 4 时，承载的数据为d = ( 1 ，1 ，1 ，1 ) ，4 个 子载波独立的波形叠加后的信号，即对应的o f d m 符号时域波形。由图2 4 可 知，虽然4 个子载波的幅度范围恒为【1 ，1 】，但叠加之后的o f d m 符号的幅度 范围却变化很大，这也就是o f d m 系统具有高峰均比的现象。 在每个子载波频率最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。因为在对 o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的 最大值，所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不 会受到其他子信道的干扰。 o f d m 的可以获得频谱相互重叠一半的子载波群，可以节约频谱资源、提 高频谱效率。 ，1 ， o f d m 技术的频谱效率：叩：竺，其中，m 为子载波数，即i f f r 的采样 肘+ l 点数。o f d m 系统接收端的解调部分如图2 5 所示，o f d m 符号经过混频器积 分器组进行解调和判决。 第1 0 页 北京邮电大学硕上研究生学位论文 避一,int 2，|rot)一p，f，n,iit) 旒) ，黔， 逝兹敬撼ij 冀d ，积月) i 绺l 韶i i “赫( 2 叫肛 r 。i 玛r + ，珂! 一 o f d m 可以与各种多址方式相结合，从而应用于移动通信。基于o f d m 的 移动通信系统的各种接入方案如o f d m a ( o f d m f d m a ) 、多载波c d m a ( o f d m c d m a ) 等引起了普遍的关注f 1 6 】【1 7 】。 2 2 1 多载波c d m a o f d m 与d s c d m a ( 直接序列c d m a ) 的结合。其基本动机是利用o f d m 第1 1 页 北京邮电大学硕七研究生学位论文 和c d m a 各自的优点，构造种高速传输的有效方式。它们相结合的方式主要有 3 种：m c c d m a 、m c d s c d m a 以及m t - c d m a ，统称为多载波c d m a 。其 中第1 种属于频域扩频，它将一个扩频序列的各个码片分配到不同的子载波上传 输，从而可以获得明显的频率分集。而后2 种都是时域扩频，它们的每个子载波 上传输的都是一路d s c d m a 信号【1 8 l 。 m c c d m a m c c d m a 发射机在频域使用给定的扩频序列将原始数据在不同的子载波 上进行扩频。图2 - 6 为采用b p s k 调制的发射机结构及在子载波数m = 4 和处理 增益g m c ；4 = c 时的功率谱示意图。 0 = 7 叱f lf j f 2 i 藏暖f 写f l - f i 毡哦域锣频 舷眨l i “ ， l ：!二l =2 l ， b 劳! 竣扩7 娥 图2 - 7 时域扩频与频域扩频的比较 m c d s c d m a m c d s c d m a 发射机在时域用给定的扩频码将s p 变换后的数据流进行扩 频，使所得各个子载波频谱在最小频率间隔的情况下保持正交。这种方式能降低 每路子载波上的数据速率，得到较长的码片周期，有利于扩频序列的同步。图2 - 8 给出了m c - c d m a 方式的发射机结构及子载波数n 。= 4 和处理增益g 肋= 4 时 的发射信号的功率谱示意图。 第1 2 页 北京邮电大学硕十研究生学位论文 图2 8m c d s c d m a 发射机结构和频谱 m t - c d m a m t - c d m a 发射机在时域用给定的扩频码将s p 变换后的数据流进行扩频， 使得每路子载波频谱在扩频前能够以最小的频谱问隔保持正交，因此所得扩频后 的各子载波频谱不再保持正交。m t - c d m a 使用长度与子载波数成正比、相对于 普通d s c d m a 更长的扩频序列进行扩频，其用户容量也大于普通d s c d m a 系统。图2 9 为m t o c d m a 方式的发射机结构及子载波数n = 和处理增益时c 4 的发射信号的功率谱示意图。 。i 又。畛j l j 沁，t 6 “ 书，? “1 ( f ：7 ，t 1 j i 畦 湖 - 釜l 一，f 歌l “f ， ，矽一 j 沽， ，j c f 例i ，f x - 旷j 冷心n ，0 2 2 2o f d m a 多址接入 伽j “螂l 螂 赖率 图2 - 9m t - c d m a 发射机结构和频谱 o f d m a 系统是基于o f d m 发展起来的多址接入系统。o f d m f d m a 的多 第1 3 页 ，p硝i 北京邮电大学硕十研究生学位论文 址接入方式即o f d m a 多址接入方式是最直接的方式，因为o f d m 本身可以看 作是一种多址接入技术，也就是将传输带宽划分成正交的子载波集，通过将不同 的子载波集分配给不同的用户，每个用户可以分配一个子载波或一组子载波。由 于o f d m a 系统子载波之间的相互正交性及独立性，从而避免了不同用户间的多 址干扰。这是一种以频率来区分用户的多址接入方式。 子信道o f d m a 即将整个o f d m 系统的带宽分成若于子信道，每个子信道 包括若干子载波，分配给一个用户( 也可以一个用户占用多个子信道) 。 集中式( l o c a l i z e d ) 和分布式( d i s t r i b u t e d ) o f d m 子载波可以按两种方式组合成子信道：集中式( l o c a l i z e d ) 和分布式 ( d i s t r i b u t e d ) ，如图2 1 0 所示。集中式又称分组式分配方式，是最简单的一种 分配方式，是将若干连续子载波分配给一个子信道( 用户) ，这种方式下系统可 以通过频域调度( s c h e d u l i n g ) 选择较优的子信道( 用户) 进行传输，从而获得 多用户分集增益( 图2 1 0 ( a ) ) 。另外，集中方式也可以降低信道估计的难度。 虽然这种方式分组子载波方法用户间干扰比较小，但是受传输中的衰落影响比较 大获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。 分布式又称问隔扩展子载波分配方式，是分配给一个子信道的子载波分散到 整个带宽，各子载波的子载波交替排列，从而获得频率分集增益( 图2 1 0 ( b ) ) 。 但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。 用户l用户2用户3用户l用户2用户3 广 弋i 一，广人_ 、斗 jljljljlj lj lj lj ljljl ljl jljl jljl jljl jljl ( a ) 集中式子载波分配 ( b ) 分布式子载波分配 图2 1 0 两种子载波分配方式 分布式子载波分配方式通过频域扩展，增加频率分集，从而减小了衰落的影 响，但是它受用户间的干扰影响则相对较大。 跳频o f d m a 子信道o f d m a 对子信道( 用户) 的子载波分配相对固定，即某个用户在相 当长的时长内使用指定的子载波组( 这个时长由频域调度的周期而定) 。这种 o f d m a 系统足以实现小区内的多址，但实现小区问多址却有一定的问题。因为 如果各小区根据本小区的信道变化情况进行调度，各小区使用的子载波资源难免 冲突，随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰，则需要在相邻小区间进行 第1 4 页 北京邮电大学硕上研究生学位论文 协调( 联合调度) ，但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持，对网络结构 的影响较大。 另一种选择就是采用跳频o f d m a 。在这种系统中，分配给一个用户的子载 波资源快速变化，每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一 时隙中，各用户选用不同的子载波组( 如图2 1 1 所示) 。与基于频域调度的子信 道化不同，这种子载波的选择通常不依赖信道条件而定，而是随机抽取。在下一 个时隙，无论信道是否发生变化，各用户都跳到另一组子载波发送，但用户使用 的子载波仍不冲突。跳频的周期可能比子信道o f d m a 的调度周期短的多，最短 可为o f d m 符号长度。这样，在小区内部，各用户仍然正交，并可利用频域分 集增益。在小区之间不需进行协调，使用的子载波可能冲突，但快速跳频机制可 以将这些干扰在时域和频域分散丌来，即可将干扰白化为噪声，大大降低干扰的 危害。随着各小区的负载的加重，冲突的子载波越来越多，这种“干扰噪声”也会 积累，使信噪比降低，但在负载不是很重的系统中，跳频o f d m a 可以简单而有 效地抑制小区间干扰。 用户1 囵e 。：薹 l 目