（通信与信息系统专业论文）自适应调制与解调技术.pdf

摘要 自适应调制技术是近几年来移动通信领域的热点，采用自适应调制可以提高 系统的传输速率，特别在正交频分复用( o f d m ) 系统中使用自适应调制，不但可以 提高频谱利用效率，系统的误码率性能也有明显的改善。 本文首先介绍了s i s o o f d m 与多输入多输出( m i m o ) 技术的基本原理以及无 线多径信道的特性，接着重点分析了单用户o f d m 系统中三种基于不同分配原则 的自适应比特和功率分配的最优调制算法( 即h u g h e s h a r t o g s 算法，c h o w 算法， f i s c h e r 算法) ，并对r u g h e s h a r t o g s 算法的复杂度以及f i s c h e r 算法的性能上进行 了改进。在复杂度上改进后的h u g h e s h a r t o g s 算法比原算法降低很多而在性能上 只有略微的降低，使之在实际系统中的应用成为可能。在性能上改进后的f i s c h e r 算法比原算法有所改善，使系统误码率进一步降低。随后在基于奇异值分解( s v d ) 等效信道的m i m o 系统下采用基于最小误码率比特和功率分配算法( f i s c h e r 算法) ， 将各个子信道的信道矩阵进行奇异值分解，而后利用得到的特征值作为各子信道 的信道状态信息来进行比特和功率分配，仿真结果表明在m i m o o f d m 系统上的 性能有所提升，特别在信道处于深度衰落或者频率选择性衰落的情况下，采用改 进后的算法的系统明显具有比非自适应系统更好的误码特性。 关键词：单入单出正交频分复用 多入多出正交频分复用 多输入多输出自适应调制 奇异值分解 a b s t r a c t a d a p t i v em o d u l a t i o nh a sb e c o m et h es u b j e c to fi n t e n s i v es t u d yi nr e c e n ty e a r s i t c a l ll a r g e l yi n c r e a s et h eb i t s r a t i oo ft h es y s t e m t h ea d a p t i v eo f d mt e c h n o l o g yc a l l e n h a n c et h es p e c t r a le f f i c e n c ya n dl o w e rt h ee r r o rr a t ec o n s u m e d l y i nt h i st h e s i s , t h et h e o r yo fs i s o - o f d mt e c h n i q u e sa n dt h em i m os y s t e ma r e i n t r o d u c e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e la n dt h em o d e lo ft h e m u l t i p a t hc h a n n e la r ee x p a t i a t e df i r s t l y s e c o n d l y , t h r e eo p t i m a la l g o r i t h m so fa d a p t i v e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nd i f f e r e n ta l l o c a t i o np r i n c i p l e sa r ea n a l y s e dd e t a i l e d l yi n o f d ms y s t e m w h a t sm o r e ，t w on e wa l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e db yi m p r o v i n gt h ef i s c h e r a l g o r i t h m s a n dt h e h u g h e s h a r t o g sa l g o r i t h m s t h e n e w i m p r o v e m e n t i n h u g h e s - h a r t o g sa l g o r i t h mh a ss i m i l a rp e r f o r m a n c ew i t ht h e f o r m e ri nb i t s e r r o r r a t i o ，b u tr e d u c e st h ec a l c u l a t i o ni t e r a t i o n s b e s i d e s ，t h en e wa l g o r i t h mm a yb ea p p l i e di n t h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h en e wi m p r o v e m e n tt ot h ef i s c h e ra l g o r i t h mh a s t h ea d v a n t a g e so ft h eb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dl o w e rb i t s e r r o rr a t i ow i 廿lt h eo l do n e a n n e wo p t i m a la d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mi nm i m o o f d ms y s t e mb a s e do ns v di s p r o p o s e d t h ee a c hc h a n n e lm a t r i xi sd e c o m p o u n d e db ys v d a n dt h ee i g e n v a l u e so ft h e m a t r i xa r et oi m p l e m e n tt h ea l l o c a t i o no fb i t sa n dp o w e r t h e nt h ef i s c h e ra l g o r i t h mi s p r e s e n t e di nt h em i m o o f d ms y s t e ma n da c q u i r e sb e t t e rb i t s - e r r o rr a t i oa n dt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yw h e nt h ec h a n n e li si nt h ed e e pf a d i n go rt h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g k e y w o r d s ：s l s o - o f d m m i m o a d a p t i v em o d u l a t i o n m i m o o f d m s v d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：贺磊 本人签名：盈叠 本人承担一切的法律责任。 日期圣! ! ! ：三! 兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期一兰! ! ! ：三：! 兰 1 7 1 剪i 丝丝：三：f 圣 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线移动发展概况 随着社会的发展、科技的进步和人民生活水平的提高，人们期望能够随时随 地、可靠地进行信息交流。为了满足这种需求，移动通信技术的发展已经经历了4 代，其中前3 代技术已经成熟且实用化，而第4 代技术正处于研究热潮中。下面 简单介绍这四代移动通信技术的特点： 第一代移动通信系统( 1 g ) 【l l 是二十世纪七十年代末八十年代初出现的采用频 分多址( f d m a ) 方式的模拟蜂窝系统。它主要包括北美的a m p s ，英国的t a c s ， 北欧的n m t 和日本的h a m t s 等。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了 带宽窄、频率利用率低、费用较贵、业务种类受限制以及通话易被窃听等一系列 问题。更重要的是其系统容量较小，不能满足日益增长的移动用户的需求。 第二代移动通信系统( 2 g ) 1 5 3 j 是数字蜂窝移动通信系统。数字蜂窝系统不仅解 决了模拟蜂窝系统的诸多问题而且具有更容易与发展中的数字有线网有机的结合 在一起、能灵活地提供数字化的话音业务及低速的窄带数据业务，并支持新业务 的特点。第二代移动通信系统包括窄带的时分多址( t d m a ) 和窄带的码分多址 ( c d m a ) 。欧洲的g s m 系统和北美的i s 1 3 6 是时分多址的主要代表；而著名的北 美i s 9 5 是码分多址的主要系统。但是第二代移动通信系统带宽有限，限制了宽带 数据业务的应用，比如移动的多媒体业务等等。 第三代移动通信系统( 3 g ) 是宽带c d m a 移动通信系统，随着数字蜂窝移动通 信系统的应用和发展，通信业务的种类和数目增长非常迅速。就无线通信技术来 说，已从单一的话音业务，发展到可以提供话音、数据和传真业务。随着通信技 术和计算机技术的发展，第三代移动通信系统的主要特征是可以提供来自各种信 源( 语音、传真、低速和高速数据) ，具有不同特征( 数据率、突发率) 和不同质量( 误 比特率) 要求的多媒体业务，其最高业务速率要求能够达到2 m b i t s 。第三代移动通 信的正式名称为i m t 2 0 0 0 ，其前身为f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) 。 i m t 2 0 0 0 接纳三种标准，即：欧洲和日本提出的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 方案。与以模拟技术为代表的第一代和以低速率数字技 术为代表的第二代移动通信技术相比，3 g 拥有更宽的带宽，其传输速度最低为 3 8 4 l 曲i t s ，最高为2 m b i t s ，带宽可达5 m h z 以上，与前两代的通信系统相比传输 率有上千倍的提高，基本上能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务等，从而为 用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。但是其带宽仍无法满足未来高质 量的多媒体的通信需求。 2自适应调制与解调技术 从目前的发展来看，3 g 无线通信系统并没有实现所有无线通信网络的统一以 及不同无线网络之间的无缝漫游。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，所以有理由认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来 移动通信系统过渡的阶段。 由于4 g 无线通信系统需要满足更高速率、更好的通信质量以及更加方便等通 信需求，则4 g 将具备如下一些基本特点： ( 1 ) 采用全数字技术，通信数率大为提高，频谱利用率远大于3 g 系统； ( 2 ) 支持分组交换，通信以i p 协议为基础，能实现更高质量的多媒体通信，兼 容性强更强； ( 3 ) 采用大区域覆盖，与3 g 、无线l a n ( w - l a n ) 和固定网络之间无缝隙漫游， 使得终端具有智能和可扩展性； ( 4 ) 实现真正意义的全球漫游，能满足用户接入因特网不受地域和设备的限制， 各种用户设备便捷地入网； ( 5 ) 采用高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性， 独立的软件平台等。 在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实下，为了使4 g 能支持高达 1 0 0 m b i t s s 的最高传输速率，4 g 里综合采用了一些关键技术，主要包括正交频分 复用( o f d m ) 技术、多入多出( m i m o ) 技术、自适应调制技术、低密度奇偶校验信 道编码技术、混合自动重传技术、智能天线技术和软件无线电技术。正是由于综 合采用了上述提高频谱效率的关键技术，4 g 才能在有限的无线频谱下提供最高达 1 0 0 m b i t s s 的传输速率。如何高效利用上述技术，充分发挥各种技术的优势，使它 们融合成为一个有机的整体，从而达到更高的频谱效率与更高的传输速率，为用 户提供更高效的通信服务，就是目前要研究的内容。 虽然新一代( 4 g ) 无线移动通信系统的标准尚未形成，但相关的研究却很活跃， 其中正交频分复用( o f d m ) 技术与多天线( m i m o ) 技术的结合所形m i m o o f d m 系 统更是研究的热点。虽然目前仍处于研究阶段，但长远看该技术很有可能成为新 一代无线移动通信系统的核心技术。 正交频分复用( o f d m ) 并不是一种全新的技术，它最早起源于2 0 世纪5 0 年代 中期，在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月 首次公开发表有关o f d m 的专利。o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它既可 以被视为一种调制技术，也可以被视为是一种复用技术。o f d m 技术的最显著的 特点是具有良好的抗窄带噪声性能和抗多信道干扰的能力，且频谱利用率高，适 合高速的数据传输。虽然o f d m 有这样的优点，但是由于移动环境中窄带滤波器 组实现的复杂度极高，使的这一技术在当时没有被进一步推广。直到1 9 7 1 年， w e i n t e i n 和e b e r t 把离散傅立叶变换( d f t ) 弓i x , 并行传输系统中，并作为调制和解 第一章绪论 调过程的一部分，这样就避免了使用窄带滤波器组、子载波振荡器组以及相干解 调，使得o f d m 在实际中的运用成为可能。2 0 世纪8 0 年代中期随着欧洲数字音 频广播( d a b ) 方案中采用o f d m ，该方法才受到关注并且得到广泛运用。到目前为 止o f d m 技术除了运用于数字音频广播( d a b ) 之外，还广泛运用于数字视频广播 ( d v b ) ，基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域n ( w l a n ) 以及有线电话网上的基于 现有铜双绞线的非对称高速率数字用户线技术( a d s l ) 。 o f d m 作为多载波的一个特例，将高速的数据分流成若干个低速的子流，并 且在不同的子载波上分别传输，使得每个o f d m 符号的周期将远大于数据符号的 周期，符号间的干扰问题将得到大大的缓解；另外，在o f d m 符号中添加循环前 缀c p ，并且循环前缀c p 的长度大于信道的最大时延扩展，那么i s i 可以完全消除。 此外，o f d m 将宽带信道分成若干个并行的窄带子信道，当子载波间隔足够小， 那么每个载波上的信道可以是平坦的。 在未来的宽带接入系统中，o f d m 会是一项基本技术。此外，o f d m 还易于 结合空时编码、分集、干扰( 包括i s i 和i c i ) 抑制、智能天线，以及目前被广泛推 崇的m i m o 系统，最大限度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应 调制、自适应编码、动态子载波分配以及功率分配等技术，可以使其性能进一步 提高。 如前所述，随着社会信息化进程的加快，人们需要越来越频繁地交换各种数 据信息，各种宽带业务随之迅猛发展。为了能为用户提供多种业务，新一代移动 通信技术所应具有的一个特点就是高速的信息传送能力。3 g 、b e y o n d3 g 4 g 技术 将可以提供高达1 0 0 m b i t s 的数据传输能力，甚至更高；支持的业务从语音业务到 多媒体业务，包括实时的流媒体业务，并且数据传输速率可以根据这些业务所需 速率的不同进行动态调整。而新一代移动通信技术所应具有的另一个特点是低成 本：要求在有限的频谱上实现高速率和大容量的信息传输，这就需要一种频谱利 用率极高的技术。 为了攻克这些难题，一些学者提出了采用多发射和多接收天线的模型和发射 分集技术。如最早由g j f o s c h i n i l 5 0 】等人指出，在准平稳瑞利衰落信道下，采用多 元阵列( m u l t i e l e m e n ta r r a y ，m e a ) 技术可以明显提高信道的容量，这种多发射和 多接收天线信道模型称为多输入多输出( m 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 ) 信道。在发 射端和或接收端安置多个天线，天线之间相隔足够远，此时各天线可以认为互不 相关，从而在发射端与接收端之间构筑了多条相互独立同分布的通道，实现空间 分集( 天线分集) 。可以看出在实现空间分集时，信号既没有在时间域内引入冗余， 也没有在频率域内引入冗余，因此空间分集没有降低频带利用率，这对高速传输 特别有利。实际上在多天线传输模式下，信号虽然在时间域和频率域都没有引入 冗余度，但是信号赋予了一定的空间结构，在空间域上引入冗余，因此提高了传 4 自适应调制与解调技术 输性能。如果接收端有理想的信道信息( 可通过采用训练序列或导频序列进行信道 估计得到) ，多输入多输出天线系统的信息容量与发射天线数目和接收天线数目中 较小者成正比。 2 0 世纪末，世界上很多研究机构和公司对m i m o 进行了系统性的研究，取得了 很多令人瞩目的研究成果。其中1 9 9 5 年t e l a t a r t m 给出了衰落信道下的信道容量， 1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了d b l a s t 算法，1 9 9 8 年t e l a t a r 等人讨论了空时码，1 9 9 8 年 w o k y t 5 2 1 等人采用v b l a s t 方法建立了世界上第一个m i m o 实验系统。a t & t 的t a r o k h 等人则在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时格码处 理方案。与此同时，a l a m o u t i 也提出了一种简单的发射分集的方案，t a r o k h 等人还 进一步提出了空时块码( s p a c e , t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 编码方案等等。目前还没 有商用化的m i m o 产品，在3 g 中，除了使用纯发射分集的解决方案( m i s o ) 外，没 有使用m i m o 技术。几年前，朗讯通信技术公司做了m i m o 系统的早期实验，并成 功地测试了两款b l a s t 芯片，芯片的最高速度达到了1 9 2 m b p s 。而b l a s t 分层空 时结构( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e ，b l a s t ) 处理方案，将信源数据分成 几个子数据流，独立地进行编码和调制，实测的频谱效率高达：2 0 b i t s h z 以上。比较 而言，使用传统的无线调制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为 1 5 b p s h z ，对于点到点的微波通信系统取得的频谱效率为1 0 1 2 b p s h z ，在3 0 k h z 的带宽内，贝尔实验室在上述的频谱效率上实现了0 5 m b p s 1 m b p s 的有效载荷数据 速率，而使用传统的技术，在该带宽内取得的数据速率仅为5 0 k b p s 。 实践证明，仅仅依靠传统单输入单输t i ( s i s o ) 无线通信系统是无法实现频谱效 率质的提高的。未来的无线通信系统必然是一种多输入多输出( m i m o ) 系统，即多 个发射天线与多个接收天线的无线系统，此时无线空间资源将被充分利用，频谱 效率将会几倍甚至几十倍的增长。随着微电子技术的发展，手机的重量越来越轻， 体积也越来越小。在小小的手机上，安装多个接收天线既不容易，又很昂贵。因 此基于多发射天线的发射分集是一个对抗衰落的很好的解决方案。毋庸置疑，多 天线的发射分集对未来的新一代移动通信极具魅力，多天线的多输入多输出技术 可以看成是提高数据流量、系统性能和频谱效率方面的有效手段，已成为新一代 移动通信标准框架讨论中不可缺少的一部分。 新一代移动通信系统需要极高频谱利用率的技术，大多数研究人员认为 o f d m 技术是4 g 的核心技术，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的， 在o f d m 的基础上合理开发空间资源，也就是采用m i m o o f d m ，可以提供更高 的数据传输速率。 因此，多输入多输出天线和正交频分复用技术的结合作为新一代无线移动通 信系统中的关键技术之一，很有必要对其进行深入研究。 第一章绪论 1 2 自适应技术的发展 频带是无线通信中最宝贵的资源，随着人们对无线数据业务需求的快速增长， 如何在有限的带宽上最大限度地提高数据传输速率，也就是如何最大限度地提高 频带利用效率，成为移动通信的研究热点。而自适应技术正是由于在提高数据传 输速率和频谱利用率方面具有很强的优势，从而成为目前和未来移动通信系统的 关键技术之一。 自适应技术在2 0 世纪6 0 年代末就已经被提出，但是在当时并没有引起人们 的注意，主要的原因是硬件的限制以及缺乏良好的信道估计技术。直到2 0 世纪9 0 年代，随着技术的发展，这些限制逐渐得到解决，因此自适应技术重新成为研究 的热点。 首先，h a y e s l 2 】提出使用传输功率的自适应概念，而c a v e r s l 3 】提出根据接收信 道质量采用变化的符号长度。变功率技术的缺点是它会提高平均发送功率，造成 对其他用户的共信道干扰( c c i ) ，同时必须使用线性度较高的a 类或者a b 类功率 放大器。而变符号算法则会引起带宽的变化，同时硬件实现也比较复杂。 相比于上面两种方法，自适应调制是利用衰落的更简单有效的方法。s t e e l e 和 w e b b t 4 5 】提出了基于星形q a m 的自适应调制技术。而后斯坦福大学的g o l d s m i t h 6 】 教授及其领导的研究小组，对自适应调制进行了深入的研究。根据对瑞利衰落信 道的信道容量分析，g o l d s m i t h 证明了联合功率速率自适应方式从接近信道容量来 说很有吸引力，并且得到了变功率q a m 的吞吐量性能的表达式。但是，他们也发 现对于大多数类型的衰落信道来说，变功率辅助自适应相比于恒定功率变速率方 式所获得效果不是很明显。他们还分析了在n a k a g a m i 衰落信道以及平均功率受限 的条件下，三种经典的功率和速率调制方案的性能以及自适应调制与接收分集相 结合时所得到的香农信道容量，并指出分集技术可以迸一步提高信道容量。此外， 对自适应调制系统中自由度的分析得到，利用自适应调制系统中一个或者两个自 由度，就可以十分接近利用所有自由度可能达到的最大频谱效率。 英国南安普顿大学的h a i l z 0 1 7 】教授也在自适应调制技术的研究中取得了很大 的成就。t o r r a n c e 和h a n z o 提出了基于切换电平的自适应调制，用于获得较高的每 符号比特数，而保持目标平均误码率( b e r ) 不变。c h o i 和h a n z o 3 3 1 进一步提出，在 高信道s n r 的条件下，降低模式切换门限，鼓励使用高阶调制方式，就可以获得 更高的数据速率。t a n g 进一步提出，用智能学习的方法来适当修正自适应调制中 的切换门限。 c h u a 和g o l d s m i t h 4 3 1 研究了在窄带环境中信道编码结合自适应调制的性能， 其中使用了没有信道交织的网格码，使用发送端和接收端之间的反馈控制调制模 式。k e l l e r 和h a n z o 【8 】提出了自适应多载波调制，同时提出了以子带为单位进行自 6 自适应调制与解调技术 适应调制的概念。另外有很多学者提出了自适应调制用于o f d m 系统中自适应算 法，其中包括基于最小误码率的f i s c h e r 算法，基于最小功率的h u g h e s h a r t o g s 算 法以及最大化系统容量的c h o w 算法。 一般的自适应调制只是在时间域上进行，即由于信道时变，调制方式随时间 进行相应的变化。但是随着多载波o f d m 和多天线技术的使用，未来4 g 系统有 多个信号域，即o f d m 系统中的频率域和多天线系统中的空间域。因此o f d m 系 统和多天线系统中的自适应调制也是近来研究的热点。 然而在o f d m 系统及多载波系统中采用自适应调制技术仍然存在很多问题： ( 1 ) 由于一般要采取迭代运算，使得算法复杂度太高，在实际系统中难以应用； ( 2 ) 在实际系统中，算法的实际应用与理论上仍存在较大误差； ( 3 ) 自适应调制算法在m i m o o f d m 系统中的应用问题仍需要更进一步的研 究和发展。 1 3 论文的内容安排 本论文主要研究无线环境下单用户s i s i - o f d m 系统与m i m o o f d m 系统中 的自适应比特、功率分配算法。论文主要分为六章： 第一章综述了无线通信技术发展以及自适应调制与解调技术的发展概况。 第二章简要介绍了无线信道特性以及o f d m 的技术背景以及相关原理。 第三章先提出在o f d m 系统中自适应调制应用的必要性；而后提出最优功率 分配的注水定理，从理论上分析了其最优性；在此之后介绍了三种单用户下经典 的自适应调制的比特加载以及功率分配的算法原理以及步骤，这三种方法分别是 基于最小功率，最大速率以及最小误码率原则的分配算法；最后分别针对基于最 小误码率以及基于最小功率的分配算法提出了相应的改进算法，从仿真结果可以 看出新提出的改进方法比原先的算法在性能上有所提高而在复杂度上大为降低。 第四章主要介绍在m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的应用。首先介绍 了多天线m i m o 系统的基本原理；接着简要分析了m i m o o f d m 系统的基本技术 原理：而后主要介绍了一种在m i m o o f d m 系统中应用的s v d 信道分解的基本 模型，以及基于此信道模型上的自适应调制技术的应用，通过仿真可以看到当信 道处于频率选择性衰落或者某些载波处于深度衰落的情况下自适应调制技术所体 现出来的优势。 第五章主要介绍用c 语言编写的自适应调制系统模型，并进行对改进算法的 仿真和分析。 第六章对全文的工作进行总结，对自适应调制技术的应用前景进行展望，同 时，提出论文尚待进一步研究的几个方向。 第二章无线信道与o f d m 技术基础 第二章无线信道与o f d m 技术基础 本章首先介绍无线信道基本特性，分析大尺度衰落和小尺度衰落，尤其是多 径传播和多普勒频移对于信号的影响，并给出系统分析中常用的无线信道模型。 然后初步分析o f d m t 3 2 1 系统的基本原理、时域和频率域模型以及其技术特点。 2 1 无线信道的特性 无线通信最基本的特点就是在自由空间中通过无线电波来传输信息，这也正 是无线通信所必须面对的最大的挑战。因此，了解无线信道是研究无线通信的前 提。 信号从发射天线到接收天线的过程中，会经过各种复杂的传播路径，包括直 射路径、反射路径、衍射路径、散射路径以及这些路径的随机组合。同时，电波 在各条路径的传播过程中，有用信号会受到各种噪声的污染，包括加性噪声( 如高 斯白噪声) 、乘性噪声，因而会出现不同情形的损耗，严重时会使有用信号难以恢 复。无线信号在传播时不仅要受到自由空间固有的传输损耗，还会受到由于建筑 物、地形等的阻挡而引起信号功率的衰减，这种衰减还会由于移动台运动和信道 环境的改变出现随机的变化。 无线衰落信道的这种随机性和时变性大致可以划分为三个组成部分： ( 1 ) 路径传播损耗：它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观 大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 ( 2 ) 慢衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的 阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化 趋势，一般服从对数正态分布，其变化率较慢故又称为慢衰落。 ( 3 ) 快衰落：它主要是由于多径传播而产生的衰落它反映微观小范围内数十波 长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般服从r a y l e i g h ( 瑞利) 分布或r i c e ( 莱 斯) 分布，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落。 一般把路径传播损耗和慢衰落称为大尺度衰落特性，而快衰落则称为小尺度 衰落特性。 2 1 1 大尺度衰落和小尺度衰落 通常情况下，当接收机和发射机之间的相对位置在1 1 0 米的范围内变化时， 接收信号功率的平均值基本保持不变，但当它们的相对位置的改变远超过上述范 围时，接收信号的平均功率会有几个数量级的变化。大尺度衰落正是用来描述接 8 自适应调制与解调技术 收机和发射机之间的距离有大尺度的变化时，接收信号的平均功率值的变化规律。 在自由空间传播条件下，接收机接收的平均功率p 可由下式给出： 玷e ( 南) 2 船 ( 2 - 1 ) 其中，是发射功率，蜀是发射天线增益，g ，是接收天线增益，a 是电波波 长，d 是发射机与接收机之间的距离。于是以分贝为单位的路径损耗公式为： e l ( r i b ) = 1 0 1 0 9 ( l ：- ) = 3 2 4 5 + 2 0 1 0 9 f 4 - 2 0 1 0 9 d - g 。一g r ( 2 - 2 ) 其中，为电磁波频率，g f 和g ，分别为发射和接收天线增益( d b ) 。由式( 2 - 1 ) 可以看出，自由空间中接收信号的功率与距离的平方成反比，即： 一p , o c l d 2 ( 2 - 3 ) 在实际的移动环境中，传输损耗要比自由空间中的大许多，通常用下式表示： 一p ro c万1(2-4) 其中a 2 称为路径损耗系数，一般可取为3 - 4 。 除了路径损耗，大尺度衰落还包括阴影衰落，阴影衰落使得实际的损耗成为 一个随机变量，由式( 2 1 ) 求出的是到发射机距离d 处的平均路径损耗。一般认为实 际的损耗服从对数正态分布。 综合考虑路径损耗和阴影衰落，大尺度衰落下路径损耗可以表示为： p l ( d b ) = 常量+ 1 0 a l o g d + f l 拈( 2 5 ) 其中如表示由阴影衰落引起的路径损耗( d b ) ，是一个正态分布的随机变量， 均值为0 ，方差为仃2 肠，在大多数的经验公式中，标准差d 肠可以取4 - 1 2 d b 。 在蜂窝移动通信系统中，尤其是在室内环境条件下，一般蜂窝半径( 有时达到 5 0 0 m ) 比较小，结构为微蜂窝或者微微蜂窝，此时无线信道的大尺度衰落并不是无 线衰落信道所考虑的主要问题。而在郊区、平原、海滨或者海平面等宽阔地带， 蜂窝移动通信系统大都采用宏蜂窝结构，这种环境下的无线信道大尺度衰落就是 传播损耗所考虑的主要问题了。 无线信道的小尺度衰落是无线通信环境的重要衰落特征，包括因多径效应而 引起的衰落和信道时变性引起的衰落，其中，由于反射、散射等影响使得实际到 达接收机的信号是发射信号经过多条传播路径后的信号分量叠加而成，这称为多 径效应；信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，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相同的。 第二章无线信道与o f d m 技术基础 9 多径时变信道根据无线移动环境的统计信道可以划分为几种典型的信道，其 划分依据主要从两个角度出发：( 1 ) 多径时延扩展特性( 信号包络的随机衰落) ；( 2 ) 时变特性( 信号相位的随机衰落) 。 多径效应会引起信号的时域弥散性。与多径时延扩展有关的一个重要概念就 是多径信道的相干带宽【5 3 l ( c o h e r e n tb a n d w i d t h ) 墨，它反映了不同频率分量所经历 的衰落的相互关系( 即其包络的相关性) 。信道的相干带宽与均方根时延扩展吼成反 比，如果将相关函数大于o 5 认为相关，一般有下面的关系： 忍击 ( 2 6 ) 实际应用中，也常用下面的定义： 毽：1(2-7) f m 越 其中f 一为最大多径时延扩展。 相干带宽反映了无线移动信道对信号包络的衰落具有频率选择性，根据多径 信道的相干带宽和信号带宽的关系分为平坦衰落和频率选择性衰落。 1 平坦衰落 若多径信道的相干带宽大于信号的带宽，这时，由于多径信号的时域弥散性 而造成的衰落为平坦衰落( f l a tf a d i n g ) ；在这种条件下，发射信号的频谱特性通过 多径信道后，在接收端信号的频谱仍然可以得到保持。 2 频率选择性衰落 若多径信道的相干带宽小于信号的带宽，这种条件下的多径衰落为频率选择 性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。这时，从时域上看，信道多径时延脉冲响应大 于符号周期，出现符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，简写为i s i ) 。 无线移动信道的时变性反映在衰落信号的相位的随机变化，它是一种随机调 频现象。在多径环境下，收发天线间相对运动以及传播环境中的移动物体的随机 移动，造成了多普勒频谱扩展，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为 具有一定带宽的信号，这又可以称为信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。信 号发生多普勒扩展后的频谱范围为易= 【z 一乃一，六+ 兀一】，其中，厶一= 为 最大多普勒频移，疋为载波频率，v 和a 分别为相对运动速度和电波波长。 类似地，可以定义信道的相干时间( c o h e r e n tt i m e ) t 。来表征时变信道变化的快 慢。相干时间与多普勒扩展成反比，一般可以有： 乏亡 ( 2 - 8 ) 类似相干带宽，根据“相干程度”的不同，还有不同的定义为： 1 0 自适应调制与解调技术 乃瓦9 e ( 2 - 9 ) 从前面的介绍可以看出，多径效应和多普勒效应是造成无线移动信道环境恶 劣的两个相对独立的传播机制，信道的单位脉冲响应可以看作是在二维空间内以 时间和时延为自变量的二维函数。 2 1 2 多径信道数学模型及影响 用数学模型来全面描述实际无线移动信道中的多径信号，其分析过程是相当 复杂的。为了简化，不考虑空间域，只考虑时域、频域两维情况。描述它的模型 有很多，其中最为常用的一种就是线性时变信道模型。 设发射信号为是s o ) ，用它的等价的低通信号s l ( f ) 来表示： s ( f ) = r e ( s 工( r ) e x p ( j 2 a f c t ) ) ( 2 - 10 ) 上式中五为载波频率。假若信号经过的是线性时变多径信道，多普勒( d o p p l e r ) 频移为： 厶= f o l c o s 9( 2 一1 1 ) 那么到达接收端的信号为： r ( f ) = h , ( t ) s ( t - r ，( f ) ) 木e x p ( - j 2 n f a t ) ( 2 - 1 2 ) 式中为多径数，f 以) 为第i 条路径在f 的时延，曩( f ) 为第i 条路径在r 时刻的 衰落幅度。由以上两式得： 心肚悖n - i ( t ) s l ( t - z , ( t ) ) * e x p ( - j 2 n f c 啪，) * e x p ( j 2 n f c 小躬， 则等价的低通信号为： n - i 吒( r ) = h i ( t ) s 工( t - - 。( r ) ) 宰e x p ( - j 2 n f c r 。( ，) ) e x p ( - j 2 a f a t ) ( 2 14 ) j = o 因为等价的低通接收信号为低通信道脉冲响应与等价的低通发射信号的卷 积，则等价的低通线性时变多径信道脉冲响应为： n - i h ( r ，f ) = h , ( t ) 6 ( t - r ，( f ) ) 拳e x p ( 一j 2 n f c r ，( f ) ) 木e x p ( 一j 2 万d t ) ( 2 - 1 5 ) 扭o 用臼f ( ，) 代表第f 条路径上的相位2 7 昵r ) ，则上式可表示为： 一1 h ( r ，) = h , ( t ) 6 ( t - r ，( f ) ) 宰e x p ( - j 0 ，( f ) ) 木e x p ( - j 2 n f a t ) ( 2 - 1 6 ) i = 0 通常上式可描述线性时变信道模型的冲击响应，有时为了进一步简化，往往 第二章无线信道与o f d m 技术基础 将上述时变参量看成时不变的，这时有： 办( f ) = 乏：忽o ) 6 0 f ，o ) ) 幸e x p ( 一歹b ) 掌e x p ( 一j 2 a f d t ) ( 2 - 1 7 ) 当径数较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响应办0 ) 可以看成一 个复高斯过程，其包络的值a 符合瑞利分布： p ( 舻争e x p 等2 ，o 爪 ( 2 - 1 8 ) 仃 仃一 信号包络的均值为7 r 2 仃，方差为仃2 。相位妒符合均匀分布，即： p ( ) = - 9 1 2 ，0 驴 2 1 r ( 2 1 9 ) 此种信道被称为瑞利信道： 矗o ) = a 。6 ( r f ，) e x p ( 她) ( 2 2 0 ) 式中三代表到达的多径的径数；4 代表第i 条路径的信号幅度；r ；代表第f 条 路径相对第一条路径0 = 0 ) 的时延：以代表第i 条路径的相位。 多径效应是移动信道的主要特点之一，它对接收信号的影响是多方面的，尤 其是对数字信号，主要有以下几个方面： 第一，多径效应会引起接收信号幅度的深度衰落，这会严重影响数字通信的 质量。当信号电平在某些时间间隔内低于接收机的检测门限电平时，会增大误码 率，严重时甚至使通信中断。 第二，多径效应造成的时延扩展将在接收信号中引起码间串扰( i s i ) ，导致误码 率增加。在码元速率较高时，当信号带宽接近或超过信道的相关带宽时引起频率 选择性衰落，使波形严重失真。 2 2o f d m 的基本原理 o f d m 技术【3 2 】的发展可以追溯到本世纪六十年代，起初主要用于军用高频通 信系统，例如k i n e p l e x ，a n d e f t 和k a t h r y n 。但由于o f d m 系统的结构非 常复杂，从而限制了其进一步推广。直到7 0 年代，人们提出了采用d f t 来实现多 载波调制，简化了系统结构，才使得o f d m 技术更趋于实用化。8 0 年代，人们研 究了如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。进入9 0 年代以后，o f d m 技术的 研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输，在高速( 宽带) 无线应用环境下， o f d m 技术的优势很突出，它被广泛应用于民用通信系统中，如a d s l ，d v b 和 d a b 等系统。近年来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 最初应 用时的障碍( 如计算量较大) 已经不存在。因此作为一种可以有效对抗信号码间干扰 自适应调制与解调技术 的高速传输技术，o f d m 引起了广泛关注，有着极为广阔的应用前景。目前，人 们在o f d m 基础上，又设计出w - o f d m ，其主要思想是选择足够大的子载波间隔， 以至于传输中的频率错误影响相对很小，这样在评价系统性能时就可以忽略频率 错误的影响，以此方法o f d m 技术可以用于带宽更宽的通信系统中。 o f d m 由多载波调制( m c 蛐发展而来，它将有用频谱分成多个子信道，传输 时将一串行高码率码流变成多个并行低码率码流，在每个子信道上使用一个子载 波进行调制，最后将多个载波并行传输。这样一来，尽管总的无线信道的频率响 应曲线是非平坦的，也就是具有频率选择性的，但是每个子信道是相对平坦的， 克服了频率选择性衰落。且每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道 的相应带宽，因此还可以大大消除信号波形间的干扰。 图2 1f d m 频谱和o f d m 频谱特性 o f d m 与传统的频分多址( f d m a ) 有些方面是相似的，他们都是通过将有用带 宽细分为多个信道然后分配给用户来提供多用户接入。然而o f d m 克服了传统的 f d m a 的不足，在o f d m 中，子信道的载波是相互正交的，每个载波在系统中的 其它每一个载波的中心频率上都是零。这种正交多载波传送方式使它具有一定的 抗多径干扰能力，同时又因为载波的正交减小了载波间的互扰，使相邻信道的频 谱可以重叠，载波间结合的很紧凑，没有像f d m a 中的频率间隔开销。因此o f d m 有更高的频谱利用率。如图2 1 所示。 o f d m 之