（通信与信息系统专业论文）降低ofdm系统峰平功率比的研究.pdf

中文摘要+ 随着3 g 相关标准的制定，对下一代移动通信系统关键技术的研究已经提剑 了议事日程上。由于3 g 不能完全满足人们对未来通信的要求，没有实现全球统 一的标准，因此人们将精力放在了4 g 的研究上，更加关注如何降低移动通信系 统的成本、提高系统的资源利用率、实现全球统一标准的目标。 本文针对在下一代无线通信系统中具有广泛应用前景的正交频分多路复用 ( o f d m ) 技术开展了研究，重点要解决o f d m 系统峰平功率比( p a p r ) 较高的问 题。本课题的研究内容得到了国家自然科学基金的资助，项目号：6 0 1 7 2 0 6 8 。 本文首先对o f d m 的基本原理做了简要介绍，分析了o f d m 系统峰平功率比的 概率特性，并从概率角度简要介绍了两种降低o f d m 峰平功率比的传统方法。然 后，提出两种不同的降低o f d m 峰平功率比的创新算法：分组检测算法和相位检 测算法。为了证明算法的可行性和有效性，采用m a t l a b 6 5 仿真平台，搭建了 个较完整的o f d m 系统，对所提出的两种算法进行了分析验证，证明了这两种算 法优于传统的算法并且可以应用于实际。最后，利用仿真数据对这两种算法的优 缺点进行了分析，论证了算法对系统性能的改善程度，进而证明了这两种算法的 f 确性，同时也得出了相对于传统算法的优点。 关键字：正交频分多路复用；峰平功率比；选择映射；部分传输序列 水1 i j 究样题是国家自然科学皋余资助项日( 项日编； 6 0 1 7 2 0 6 8 ) a b s t r a c t + w i t ht h ef o r m a t i o no f3 gs t a n d a r d s ，t h en e x tm o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y h a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i n c e3 gc a r ln o tm e e tt h ei n c r e a s i n gn e e d so f f u t u r ec u s t o m e r sa n dm o r ei m p o r t a n t ，t h e r ei sn ou n i q u es t a n d a r d ，p e o p l ea r en o w f o c u s i n g6 nh o w t ou s et h er e s o u r c em o r ee f f i c i e n t l ya n dh o wt oi m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e ，a sw e l l a st or e a c ha u n i q u es t a n d a r d i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h eo f d m t e c h n o l o g yt h a th a sap r o m i s i n gf u t u r ei nt h e n e x tm o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en a t u r e s 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 a c tn o 6 0 1 7 2 0 6 8 t h e f o c h so ft h i s r e s e a r c hi st or e s o l v eo n eo ft h em a i np r o b l e m so fo f d ms y s t e m ，h i g h e rp e a kt o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo f o f d m b r i e f l ya n da n a l y z e st h ep r o b a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co f p a p ro fo f d m s y s t e m a f t e rt h i s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st w om e t h o d sw h i c hr e d u c et h ep a p rb yu t i l i z i n gt h e p r o b a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i co fp a p r t h e n t w on e wc r e a t i v ea l g o r i t h m sa r ep u tf o r w a r d i no r d e rt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h e s et w oa l g o r i t h m s ，is e tu pa n o f d m s y s t e mu s i n gs i m u l a t i o nt o o l s ，m a t l a b6 5 ，a n da p p l yt h e s et w oa l g o r i t h m si n t h eo f d m s y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z ed a t ag a i n e d f r o mt h es i m u l a t i o nt og e t t h e a d v a n t a g e s ，s h o r t c o m i n g s a n dt h e d e g r e e o ft h e i m p r o v e m e n t o ft h e s et w o a l g o r i t h m st ot e s t i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h e s et w oa l g o r i t h m sa n dt h ea d v a n t a g e so v e r t h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m s k e yw o r d s ：o f d m ，p a p r ，s l m ，p t s t h ew o r ki ss u p p o r t e db yt h en a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e r c o n t r a c tn o6 017 2 0 6 8 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，也不包含为获得鑫鲞盘鲎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谫 意。 学位论文作者签名签字日期：们吩年2 月习f j i | f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：墨盗盘茔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) 学位一铱鼢 签字日期：孵年月) 7 同 导师签名 签字日期，呼卅 斧m 灸 第一章移动通信概述 第一章移动通信概述 随着经济的发展，人们的社会活动日益频繁。在经济发达的国家，人们 平均有2 0 的时间处于运动状态，因此移动通信系统得到了极大发展。移动 通信是要在移动状态下的实现通信，所以只能采用无线通信方式。对于移动 通信系统，信号在传输路径上会受到各种恶劣的地形和天气的影响，从而形 成了无线传输条件的恶劣性和多变性，因此必须采用一系列的抗干扰和抗衰 落技术。因此移动通信系统被认为综合体现了整个通信技术发展的最高水 平。 1 1 移动通信发展史 人类通信的历史可以追溯到遥远的古代。但直到十九世纪术，人们都是 采用十分直观的方式实现简单的信息传输。古代的烽火台、金鼓和旌旗都是 直观通信的例子。1 8 6 4 年，英国物理学家麦克斯维创造性地总结了人们已有 的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1 8 8 6 年，德国物理学家赫兹用实验产 生出电磁波，证明了麦克斯维的预言。1 8 9 7 年，意大利科学家马可尼和俄国 军官波波夫首次使用无线电波进行信息传输并获得成功。在后来的一个多世 纪时削里，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信理论和技 术取得了巨大的进步。 移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分。顾名思义，移动通信就是 通信的双方至少有一方在运动状态中进行信息交换。移动体( 车，船，飞机， 行人) 与固定点之间或移动体之间的通信都属于移动通信的范畴。 现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信 的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。日前，移 动通信已经从模拟通信发展到数字移动通信阶段，并朝着个人通信这一更高 阶段发展。未来移动通信的目标是5 w ，即任何人( w h o e v e r ) 可以在任何h , j f b j ( w h e n e v e r ) 任何地点( w h e f e v e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式 ( w h a t e v e r ) 的通信。 第一章移动通信概述 由于移动通信的个人化和便利性，随着移动通信技术的发展和衍变，移 动通信同益成为人们工作、生活中一种不可或缺的通信及获取信息及交流的 工具。8 0 年代初，蜂窝移动通信开始商用，到2 0 0 0 年底，全球用户已达7 3 4 亿，普及率为1 4 7 ，而且仍然以高于5 0 的增长速度在持续神话般地发 展。2 0 0 2 年全球移动通信用户突破1 0 亿大关，2 0 0 6 年全球移动用户将达1 7 亿。自1 9 8 7 年起，我国的移动通信开始商用，每年几乎以翻番的速度在增 长，到2 0 0 2 年4 月底，移动电话用户己达1 5 亿，预计2 0 0 5 年我移动 用户将超过3 亿。在移动用户迅速增长的同时，移动通信的业务也在发生着 变化，尽管目前话音业务仍是主导业务，但数据业务已经开始起步，特别是 移动i n t e r n e t 业务，据国际权威组织预测，到2 0 0 4 年全球移动i n t e r n e t 用户将达7 亿，从2 0 0 3 年开始全球的移动i n t e r n e t 用户将超过固定i n t e r n e t 的用户数量。所以，移动通信已经实现了“移动电话”的普及，正在向着普 及“移动i n t e r n e t ”的方向发展。纵观移动通信的发展历史，从贝尔实验室 首次发明蜂窝移动通信至今，移动通信已经和正在经历着三代演变。 1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，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，其它发达国家也 相继开发出蜂窝式公用移动通信网。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 户要求迅速增加这一主要推动力之外，还有技术进展所提供的条件。首先， 微电子技术在这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型 化。其次，提出并且形成了移动通信新体制，即贝尔实验室在7 0 年代提出 的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率复用，大大提 高了系统容量。第三方面的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，从而为大型通信网的管理与 控制提供了技术手段。这阶段所诞生的移动通信系统被称为第一代移动通 信系统。 第一代移动通信系统是采用f d m a 方式的模拟蜂窝系统，如：北美的a m i s ， 英国的t a c s 和北欧的n m t 等。模拟通信的主要问题是频率的利用率低，能 提供的业务种类有限，不能提供高速数据业务，保密性差，易被窃听，移动 设备成本高，体积大，网络的管理控制存在问题等。 山于蜂窝模拟网的容量己不能满足同益增氏的移动用户的需求，从2 0 擞 第一章移动通信概述 纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。8 0 年代中期， 欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ) 。随后美国和日本也相继指定了各 自的数字移动通信体制。2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄代 码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事 件。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。目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统是以t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，主要支持 电路交换型业务，这一系统能支持较高质量的语音传输并提供低速率的数据 业务和短消息服务。它的成功代表有欧洲的g s m 系统、北美的i s 一9 5c d m a 系统和日本的j d c 和p h s 系统。其容量和功能都比模拟系统有了很大的提高。 数字网的优点归纳为：( 1 ) 频率利用率高，可进一步提高系统容量。( 2 ) 能 提供多种业务。( 3 ) 用户信息传输时的保密性好。( 4 ) 数字无线传输能提高 信号抗信道衰落的能力。( 5 ) 能实现有效、灵活的网络管理与控制。第二代 移动通信系统是目前的主流系统，用户在空中链路上的传输速率为k b s 。 尽管第二代移动通信系统无论是在技术上还是在市场上都获得了巨大的 成功，但第二代移动通信系统的业务种类主要限于话音和低速率数据 ( 4 9 6 k b i t s ) 。进入信息时代，社会的发展对通信业务种类和数量的需求 与日俱增，图象、话音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务 量将会大大增加。目前的第一、第二代蜂窝移动通信系统不当远远不能满足 未来用户的业务需求，而且随着用户数目的迅猛增加，现在的系统会远远不 能满足用户容量的发展需要。于是一种拟提供全球漫游功能、支持多媒体业 务且有足够容量的第三代移动通信系统就应运而生了。第三代移动通信系统 ( i m t 一2 0 0 0 ) 主要采用宽带c d m a 技术。它借助c d m a 技术，将i n t ef n e l 与移 动通信有机地结合在一起，从而在移动领域能真正开展从话音、数据到多媒 体的通信业务。第三代移动通信系统的主要技术有欧洲提出的w - c d m a 、北美 提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。第三代移动通信将实现宽带和综 合多种业务的需求，不仅能提供高质量的语音业务，而且能提供高速率的数 据传输业务。第三代移动通信系统的数据传输速率，在静止或步行情况下能 达到2 m b i t s ，在车速情况下能达到3 8 4 k b i t s ，在高速情况下能达剑 14 4 k b i t s 。 1 2 下一代移动通信系统研究的必要性 第一章移动通信概述 到目前为止，尽管各种第三代移动通信系统的标准和规范已经完成，已 有商业化样机推出，并在某些地区已经试商用。但应该看到这些系统尚有很 多需要改进的地方，最主要的原因是仍满足不了迅速发展的个人通信愈来愈 高的要求。尽管i m t 一2 0 0 0 可以支持高质量的无线话音业务，以及高达2 m b s 的数据通信。但是，随着人们对无线通信的服务质量、容量、功能等需 求的不断增加，特别是随着移动用户数的剧增和互联网的迅速普及， i n t e r n e t 作为全球最大和最丰富的信息内容来源，人们希望能随时随地接入 互联网，获得各种各样的服务，不受时间和地点的限制。同时随着社会的发 展，人们对通信的要求越来越高，对各种业务，如移动w e b 浏览、视频会议、 移动商务、文件传递、e - m a i l 、教育、远程医疗、基于位置的服务，公司和 数据库访问等的移动无线i n t e r n e t 接入，提出了更多的需求。因此预计 未来高速多媒休业务将取代实时语音业务成为下一代移动通信系统的主流。 这就使支持多媒体业务和全球无缝漫游成为下一代移动通信系统的主要目 标。 目前，第三代移动通信系统并没有形成一个全球统一的标准，i t u 通过的 有关第三代移动通信的规范、标准、频率、频段等表明：人类想实现完全统 一标准的第三代移动通信系统己不可能。由于没有一个全球统一的标准，将 会在设备复杂性、成本、使用方便性等方面带来众多的问题。这些问题只能 在下一代移动通信系统中得到解决。同时由于3 g 技术本身上的一些缺陷， 如：由于各种业务之间的干扰，c d i a 系统很难达到高数据速率，很难实现各 种q o s 和性能需求下的变速率业务的提供，导致第三代移动通信系统对于高 速业务的支持能力有限，决定了第三代移动通信系统仍然无法满足迅速发展 的个人通信愈来愈高的要求。 纵观移动通信的发展历史，可以看到每一代移动通信系统从丌始研究、 标准化到投入商用一般需要十年左右的时间。因此现在丌始对下代移动通 信系统的研究非常必要。正是基于以上述考虑，本文选择了以满足未来用户 需求的下一代移动通信系统的关键技术作为研究方向。 1 3 国内外研究现状 目前有不少国家特别是欧洲、北美及日本己经投入了相当的人力、物力 和财力开展下一代移动通信( 也被称为第四代移动通信系统：4 g ) 的研究，甚 第一章移动通信概述 至有些大学号称正开展第五代移动通信关键技术的研究。不管这些名词和内 容如何，说明国际上都正在为下一代移动通信的到来做技术准备。 虽然4 g 对大多数人来说还很新鲜，但是4 g 并非近期才提出的概念。早 在2 0 世纪9 0 年代初期，欧洲就开始对4 c 进行研究，并打算研究出能满足 2 0 2 0 年移动通信需求的超高速率移动通信技术。研究的结果是起草了一个称 之为移动宽带系统m b s 的粗略标准。虽然关于这个标准还有许多问题需要解 决，但可以肯定的是，这个网络将是一个采用高频段小蜂窝结构、速率可以 达到l o o m b p s 的网络。 2 0 0 0 年1 0 月6 日，在加拿大蒙特利尔市成立于i m t2 0 0 0a n db e y o n d 工作组，这是由国际电信联盟( 1 t u ) 发起的，旨在统全球移动通信标准的工 作组。2 0 0 1 年，以欧美5 大通信设备制造商( 法国阿尔卡特、瑞典爱立信、 美国摩托罗拉、芬兰诺基亚、德国西门子) 为中心成立了无线世界研究论坛 ( w w r f ) ，该论坛作为在全球范围内探讨、研究4 g 标准的一个非营利性组织， j 下在积极地推进4 g 标准的制订以及相关技术的研究工作。根据4 g 移动论坛 提供的资料，截止到2 0 0 2 年底，全球各大公司在4 g 上的投资将超过3 0 0 亿。 并且，与以前的各代通信系统不同，4 g 将不再仅仅提供蜂窝通信相关的产品。 目前世界发达国家都正在积极进行4 g 技术规范的研究制定工作，以期能 在全球4 g 规范制定中享有发言权。 1 美国 a t & t 最近推出了4 ga c c e s s 网络，它能配合目前的e d g e 技术实现上行 传输，并利用宽带o f d m 进行下载。目前a t & t 的4 ga c c e s s 网络升级分为两 个阶段，第一阶段是移动基站的软件升级，第- - 阶段估计在2 年后进行智能 型天线的硬件改造。 2 欧洲 世界上最大的电信基础设施提供商爱立信公司己开始着手研制第四代移 动通信系统。它是与美国加利福尼亚大学合作共同研究4 g 技术。加利福尼 第一章移动通信概述 亚大学已经正式成立了加州通信和信息技术学会，并由该大学的圣迭戈分校 和欧文分校共同合作管理。目前该学会已经得到爱立信公司1 2 0 0 万美7 己的 投资，加州通信和信息技术学会将在4 g 技术、先进天线系统、新一代移动 因特网、电力放大器技术和无线接入网络等领域内进行深入的研究。 3 日本 为了能够抢占未来移动通信系统的先机，日本邮电部己向其咨询机构 日本电气通信技术委员会提交了制定第四代( 4 g ) 移动电话规范的提案。日本 电气通信技术委员会将负责审核与4 g 有关的技术规范，决定其使用的频率、 系统技术和开发日程等。 4 、韩国 韩国政府吸取了自己在开发第二代移动通信( 2 g ) 技术时放松了对3 g 技 术研究，从而导致其在3 g 技术开发方面落后于其它先进国家的教训，同前 与移动通信设备公司及服务公司合资成立了下一代移动通信技术开发协会， 着手进行4 g 等未来移动通信服务技术的开发和研究。下一代移动通信技术 开发协会还将聚集产、学、研的通信专家，成立未来移动通信企划委员会， 负责推动4 g 规划、3 g 服务及系统改进，并针对无线网络专用通信的t d d ( t i m e d i v i s i o nd u p l e x ) 方案和高速数据通信( h i g hd a t ar a t e ) 等技术开展研究。 5 、i t u 2 0 0 0 年1 0 月6 日在加拿大蒙特利尔市成立了i m t2 0 0 0a n db e y o n d 工 作组，这是由国际电信联盟发起的、旨在统一全球移动电话标准的最新的工 作组。第三代移动通信标准的竞争异常激烈，目前1 1 u 承认的、在全球已有 相当规模的移动通信标准共有g s m 、c d m a 和t d m a 三大标准。每个标准在市 场上都占有一席之地。这3 个主流标准的融合问题只有通过第四代移动通信 标准的制定来解决。i t u 的官员认为，两三年后大家爿i 会再就3 g 问题进行争 论了，i t u 目前已经开始研究制订第四代移动通信的标准，最终由i t u 电信 标准局直接决定4 g 系统的各项标准。 第一章移动通信概述 1 4 通向4 g 的技术 1 移动宽带系统 移动宽带系统( m b s ) 是欧洲在对4 g 研究的诸多技术中最为先进、最为引 人注目的项目，其设计初衷是研究一种具有低等待延时、能保证q o s 、数据 速率可达到1 5 5 m b p s 的蜂窝移动通信系统。该系统在研究之初就提出，传输 速率需要比现有的各种技术都要快1 0 0 0 倍左右。m b s 系统的物理层将基于正 交频分复用( o f d m 技术) ，以抵抗由无线多径衰落产生的干扰，其高层技术 拟采用i p v 6 。 2 h s d p a 系统 正如将包交换技术与采用电路交换的数字蜂窝通信系统相结合，升级后 的系统被称为2 5 g 一样，改进的3 g 版本被称为3 5 g 。高速下行分组接入 ( h s d p a ，h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 技术采用更优的调制技术达 到l o m b p s 的速率。蜂窝中的所有用户共享系统的容量，但是采用一种被称 之为“极度不公平”的有效的方式。该方式不是像通常一样分配同样的带宽， 而是为那些处于非干扰区的用户提供更多的带宽。 目前w l a n 标准i e e e8 0 2 1 l b 系统的速率可以达到1 1 m b p s ，而i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 儿s 标准能够支持5 4 m b p s 的速率。欧洲的h ip e r l a n 2 系统，物理层与8 0 2 1 l a 的物理层上几乎完全相同：主要的区别在于 h i p e r l a n 2 包括更先进的服务质量和漫游特性。正是由于w l a n 能支持高速率 的数据传输，有人也将其称为下一代移动通信系统。由于l a n 的接入点覆 盖范围非常小，导致该技术的应用受到限制，常常被用在机场休息室、会议 中心和宾馆等热点地区，为慢速移动用户提供服务。因此在对一f 一代移动通 信系统的研究过程中，一方匝要努力提高v l a n 的带宽和覆盖范围，另方 面还要研究w l a n 与其它系统的互连互通，以便能相互补充共同满足未来用 户的业务需求。 第一章移动通信概述 5 其他 i e e e 诈在研究被称之为高速未授权的城域网( h u m a n ) 。欧洲的一些运营 商，特别是英国电信将此称为4 g 应用。该技术是在端到端的链路上采用 8 0 2 1 1 a 的无线本地环路。建筑物中的膝上型电脑用户和蜂窝通信用户能够 通过8 0 2 1 1 a 局域网进行通信，然后通过屋顶的转发器将信息转发到外界 的网络中去。8 0 2 1 1 a 和h u m a n 仍然需要有线链骼将无线l a n 接入点连接到 屋顶的转发器。 e t s i 正在研究可以不需要这些有线连接的系统，从而使分布式网络完 全无线。该项技术被称之为宽带无线接入网络( b r a n ) ，该系统定义了 h i p e r l a n 的点对点版本，称之为h i p e r a c c e s s 。而另一项全新的被称之为 h i p e r l i n k ，其目的是想替代建筑物内的有线系统。h i p e r l i n k 技术采用1 7 g i i z 频段的固定链路连接接入点。 1 5 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( 一次调制是指o f d m 调制之前的m p s e 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合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。引入多载波后， o f d m 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。山 于每个子载波上的信息互不相关，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，这就是o f d m 具有抗多径干扰的能力的原因。 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重叠， 发射机和相关接收机都需要许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刚，系统非常复杂，成 第一章移动通信概述 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定的傈 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 提出了使用离散付里叶变换( d f t ) 来实现o f d m 的调制与解调的方法“。这样， 通过专用的f f t ( 快速付立叶变换) 硬件芯片就能实现全部的调制( i f i ? 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的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 技术成为了可能。进入 8 0 年代以后，为了更有效地利用无线资源，o f d m 调制技术又成为研究的热点， 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，调制信号会受到多径衰落和 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f 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。 这是因为在传送商速串行码元时，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，码问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_ r 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，但由于码元的周期很长，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 的码间串扰，且省去了升余弦滤波器，使实现方案非常简单。因此，以后的 9 第一章移动通信概述 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 r 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”3 ，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 ) 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 落和消除突发性误码，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 - 6 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 抵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间隔之后，各 个子信道可以被看作是相互独立的衰落信道，这就使t c m 技术有可能应用于 o f d m 通信系统。然而，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i f 坦性衰落，o f d m 只能是在多个符号之蚓进行平均，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，被称为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 o 第一章移动通信概述 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 好地克服缺陷，更大地发挥其优势。本文研究的重点是如何降低o f d m 的峰 平功率比。 1 6 本文研究的重点 0 f d m 被认为是下一代移动通信系统将要采用的关键技术，然而0 f d m 系 统峰平功率比较高的问题制约着这项技术被更加广泛的应用。本文主要研究 了导致0 f d m 系统峰平功率比较高的原因，提出了降低0 f d m 系统峰平功率比 的2 个改进方法及其相应算法，并通过仿真证明了新算法的有效性和可行性。 本文的结构如下： 第一章移动通信概述，主要介绍移动通信系统的发展过程和背景。 第二章0 f d m 系统综述，简要介绍了0 f d m 系统的基本原理，以便能为后续的 分析奠定理论基础。 第三章降低0 f d m 系统峰平功率比的传统方法 第四章降低0 f d m 系统峰平功率比的2 种新方法 第五章仿真结果分析及结论。 最后是结束语、参考资料、致谢、参考文献和附录。 本文主要完成的工作包括： 1 用m a t l a b 软件搭建了完整的o f d m 系统平台 2 在所搭建的系统平台上，仿真分析并验证了本文所提出的2 种算法 第一章移动通信概述 3 对不同的调制方法，仿真并分析了o f d m 系统中峰平功率比的情况 4 对不同的调制方法，将仿真得到的新算法的峰平功率比与原始的 o f d m 系统的峰平功率比进行了比较，以考察新算法对峰平功率比的降低程 度。 5 对不同的调制方法，分析了所提出算法的每一步对峰平功率比的改善 情况，以考察算法得每一步所起的作用和对峰平功率比的改善程度； 6 从整个o f d m 系统性能及接收端误码率的角度，谈探讨了新算法是 否有利于整个系统的改进。 创新之处 1 本文提出了2 种降低峰平功率比的方法。与传统的算法相比，可以大 大减少运算量和设计的复杂度。方法一利用o f d m 系统的数学模型从概率角 度出发改进系统的峰平功率比。方法二从o f d m 系统的初相角出发来降低系 统峰平功率比： 2 在2 个方法中加入判断检测部分，使o f d m 系统的峰平功率比能够 完全达到人们根据实际情况丽设定的标准； 要。 3 对改进后的系统参数设置提出了建议，使系统能更符合实际应用的需 2 第二章0 f d m 系统综述 第二章0 f d m 系统综述 2 10 f d m 技术原理 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 别对不同的子载频进行调制，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，从而使调制信号能在接收端被无失真的恢 复。 设o f d m 信号的符号周期为r ，如果个子载波频率之间的最小 唰隔为1 兀即设 = + n t ，则式( 2 1 ) 成立： f7 1 巩吖r 1 出：r j o 、7 0 ，占；：； - ， 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 n x 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，如图2 2 所示。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自噪声的统计 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。 第二章0 f i n 系统综述 图2 1正交子载波的频谱图样 图2 2o f d m 频谱实例( 矩形) 第二章o f d m 系统综述 卿m 鳓 图2 3o f d m 系统的基本结构框图 在图2 3 中，一对快速离散傅立叶变换( i f f t f f t ) 是o f d m 系 统基本结构的重要组成部分，o f d m 用它们来实现调制和解调。发 送端通过串并转换的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，使各个子载波上的信号是正交的。然后再进 行并串变换就形成了o f d m 信号。能使各子载波相互f 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 o ，t ， 在这个周期内并行传输的个符号为( c o ，c ，c ，) 其中c 。 为复数，并对应调制星座图中的菜一矢量。比如c 。= 口( i ) + b ( i ) + ，a ( i ) 和b ( i ) 分别是要传输的并行信号，将其合成一个复数信号。对很多个 这样的复数信号采用快速傅立叶变换，同时也实现对正交载波的调 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) 。 出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c 。调制第 个载波( 表示第月个载频的幅度和相位) 为e 皿咖，则在0 ，t 内的 任一时刻f o f d m 信号可以表示为 第二章0 f d m 系统综述 x ( f ) = c 。8 伽“7 ， ( f 【o ，r 1 ) 将式( 2 2 ) 离散化，可得到x ( t ) 信号的抽样。 x ( ) cn e m “n ( 2 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，利用式( 2 - 4 ) 可以得到输出信号。 爿( h ) = x ( k ) e ” ( 2 4 ) 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。这样可以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 c 。 做i f f t 得到信号 x ( k ) ) ，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 坝七) ，然后 对其进行f f t 得到 c 。 的估计值。o f d m 系统中各载波为 = f c + ” + 厂，其中= l t = l n * t 。( b 为串行数据的符号周期， 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问干扰、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予载波间的正 交性，其结果会使信号无法正确解调。因此，系统采用了一种方法， 就是增加保护涮隔。 第二章0 f d m 系统综述 图2 40 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t = t + ，( 就是 保护间隔) 这样，式( 2 - 2 ) 改变为： ( ，e - 6 ，7 】) 在任意时刻f ，o f d m 信号可以表示为 ( 2 5 ) n1 x ( f ) = c 。- p 。2 邮一7 ”g ( t m t ) ( 2 6 ) m 。一0 o f d m 信号中的保护间隔是由g ( t ) 函数来实现的，g ( t ) 定义为 鲥，= 一，r f t ( 2 7 ) 在保护间隔内的o f d m 信号就是未加保护间隔前o f d m 信号的周期 拓展。当保护州隔长度大于信道脉冲相应或者多径延时，不会影响本 时隙内信号的正常解调，从而可以消除is i ，加有保护i 目隔的o f d m 符号如图2 5 所示。 应用0 f d m 的一个重要原因在于它可以有效的抵抗多径时延扩 肌2 p c l i )( x 第二章o f d m 系统综述 展。把输入的串行数据在n 个并行的子信道中传输，使每个了载 波e 的数据传输时间扩大成为原始数据符号时间的n 倍，因此时延 扩展与符号周期的比值也同样降低了n 倍。为了最大限度的消除符 号间干扰，在o f d m 符号之间插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e l - v a l ) 。 该