（信号与信息处理专业论文）wimax中信道估计与单载波系统信道均衡技术的研究.pdf

摘要 摘要 w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l 畸m i c r o w a v e a c c e s s ) 技术可以提供固定、移动、便携形 式的无线宽带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供移动无线宽带连接。 正交频分复用( o f d m ) 以其高频带利用率和良好的抗干扰能力被广泛应用于w i m a x 系 统中。本文研究内容之一为探讨o f d m 的信道估计以及均衡问题，并结合8 0 2 1 6 d 协议设 计w i m a x 系统的信道估计器。高阶单载波通信作为目前一种重要的辅助通信手段，特别 适用于丘陵山区或其它地理条件比较恶劣的地区。但由于采用高阶0 a m 调制技术，码元 速率高，所以受多径干扰影响较大。本文研究内容之二为探讨研究数字微波系统中的均衡 技术，实现适用、简单、性能优良的信道均衡器。论文的主要工作为： 通常从导频和前导两方面研究o f d m 系统信道估计问题。前者主要是基于导频点信道 信息与插值算法实现信道估计。本文对诸如线性、二次、基于变换域等插值算法的估计效 果进行了比较之后，针对8 0 2 1 6 中的非均匀导频设计特点，提出一种改进的时域信道估计 算法。即，利用i f f t 变换，根据已知的导频点信息估计值获得信道时域响应，并通过线 性预测滤波器或自适应预测滤波器来降低加性噪声的影响。仿真结果表明，该算法在s u i 3 信道模型下，与原型时域估计算法比较，在b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 下误符号率分别有l d b 、 2 d b 与4 d b 的改善。后者主要是采用简单实用的l s 信道估计算法。在上述工作基础上， 提出了一种性能良好的信道估计结构。即，利用l s 算法在突发报文的开始利用前导进行 信道信息初始值的估计。在信道最大时延小于导频数目的情况下，采用改进的时域估计算 法对信道的情况进行跟踪，否则利用d d c e 根据判决结果对信道情况进行追踪。 单载波系统信道均衡器的结构主要分为初始均衡器与判决反馈两部分。一方面，研究 了判决反馈均衡器算法，仿真结果表明平均梯度算法性能最优。另一方面，研究了c m a 盲均衡算法，并从代价函数、迭代方程及初始化系数等方面对该算法存在的伪收敛问题进 行了深入研究。在此基础上提出一种带时延估计的c m a 改进算法。即，通过引入时延校 正因子来调整主径位置，避免伪收敛现象。仿真结果表明该算法克服了伪收敛性问题，并 且具有运算量小、易实现等优点，可有效地用于高速单载波数字通信应用。 关键词：w i m a x ，正交频分复用( o f d m ) ，信道估计，插值算法，时域估计，盲均衡 a b s t r a c t a b s t r a c t w o r l di n t e m p e r a b i l i t ym i c r o w a v ea c c e s si sas t a n d a r dt e c h n o l o g yp r o v i d i n gs e r v i c e sf r o m i m m o b i l em o b i l ea n dh a n d h o l dw i r e l e s sb r o a d b a n dc o n n e c t i o nt om o t i v ew i r e l e s sb r o a d b a n d c o n n e c t i o nu n d e rn l o s w i 也h 砷s p e c t r u mu s a g ea n di m m u n i t yt o m u l t i - p a t hf a d i n g ， 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 ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n y a d v a n c e dd i g i t a lc o r r t m u r f c a t i o ns y s t e m s 。o n eo f t h i st h e s i s st a s k si st h er e s e a r c ho f t h ec h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n o l o g yu s e di no f d ms y s t e ma n dp r o p o s a lo f t h ec h a n n e le s t i m a t o ra v a i l a b l ef o r w i m a xs y s t e mb a s e do n8 0 2 1 6p r o t o c 0 1 o nt h eo t h e rh a n d ，h i g h - o r d e rs i n g l e - c a r t i e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa n o t h e ri m p o r t a n tc o m m u n i c a t i o nm e t h o dw i d e l yu s e di nc h i n a e s p e c i a l l yi nm o u n t a i n o u sa r e a s d u et oi t sh i g hb i t sr a t e ，c h a n n e ld i s t o r t i o nh a sas e v e r ea f f e c t o nt h ec o n s t e l l a t i o n a n o t h e rq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o ni nt h et h e s i si st h ec h a n n e le q u a l i z e ru s e di n d i g i t a lm i c r o w a v es y s t e m t h ec h a n n e le s t i m a t ei no f d mc a l lb ed i v i d e di n t oe s t i m a t eb a s e do np i l o ta n de s t i m a t e b a s e do np r e a m b l e t h ef o r m e rt e c h n o l o g yi n c l u d e se s t i m a t i o no np i l o ts u b - c a r r i e ra n d i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s ；o r d i n a r yi n t e r p o l a t i o ns u c ha sl i n e a r , g a u s s ，a n dt r a n s f o r mc a n n o tb e u s e di nw i m a xd i r e c t l yf o ri t su n e v e na r r a n g e m e n to ft h ep i l o t i nt h i st h e s i s ，i m p r o v e d t i m e - z o o ee s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dw h i c hm a k e sg o o du s eo f t h ep i l o tm e s s a g ei nw i m a x s y s t e m i nt h ep r o p o s e ds t r u c t u r e ，f i r s t l y , t h et i m e z o n ec h a n n e li m p u l s ei so b t a i n e dt h r o u g h m a t r i xc a l c u l a t i o n ；t h e nt h en e g a t i v ee f f e c to f n o i s ei sr e d u c e db yp a s s i n gp r e d i c t i o nf i l e r , w h i c h c a nb ee i t h e rl i n e a rf i l t e ro ra d a p t i v ef i l t e r s i m u l a t i o n si n d i c a t et h a ti m p r o v e da l g o r i t h m sc a n a c q u i r el d bi n c r e a s e df o rb p s k ，2 d bi n c r e a s e df o rq p s ka n d4 d bi n c r e a s e df o r1 6 q a m ， c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a la l g o r i t h mu n d e rs u i 一3c h a n n e lm o d e l e s t i m a t ea l g o r i t h m sb a s e do n p r e a m b l ec o n s i s t so fl s ，m m s e ，f f t ，s v d a n ds oo n i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h el e a s ts q u a r e ( l s ) c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mh a sl o wc o m p l e x i t yb u ti t sp e r f o r m a n c ed e c a y sw h e ns i g n a ln o i s e r a t i o ( s n r ) i si o w ；w h i l eo t h e r sh a v eg o o dp e r f o r m a n c e ，b u tt h eh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y l i m i t st h ea p p l i c a t i o n t h i st h e s i sp r o p o s e da ne f f e c t i v ec h a n n e le s t i m a t o rs c h e m ef o rw i m a x ， w h i c hu s e sl sa l g o r i t h mo np r e a m b l ef o ri n i t i a l i z a t i o n t h e nm a k eu s eo fi m p r o v e dt i m e - z o n e e a t i m a t i o nm e t h o d so np i l o tf o ri n f o r m a t i o nt r a c k i n ga n dd d c em e t h o da sc o m p l e m e n t a r y m e t h o dw h e nt h em a x i md a l a yt i m ei sl a r g e rt h a nt h en u m b e ro f p i l o t t h ec h a n n e le q u a l i z e ru s e di ns i n g l e - c a r t i e rs y s t e mi n c l u d e si n i t i a le q u a l i z e ra n dd e c i s i o n d i r e c t e dp a r t t h ed e c i s i o n d i r e c t e da l g o r i t h m sa r ec o m p a r a t i v e l yd e v e l o p e d ；s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tm e a l - g r a d i e n ta l g o r i f l u n sc a ng e tb e s tp e r f o r m a n c e t h ei n i t i a lp a r tm a i n l yu s e s b l i n de q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y b u tt h ec o n v e r g e n c eo ft h ec o n s t a n t m o d u l u sa l g o r i t h mw i d e l y i i i 查塑查兰堡主兰垡丝苎 u s e di nm i c r o w a v es y s t e mi sa c o m p l e xp r o b l e m f i r s t t y ，s o m ei n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sc o s t f u n c t i o n ，i t e r a t i v ee q u a t i o na n df i k e rc o e f f i c i e n t s a r ec o n s i d e r e d ；t h e n ，i nt h i st h e s i s ，a a m e l i o r a t i v ea l g o r i t h mw i t ht i m e - d e l a ye s t i m a t ei sp r o p o s e d ，w h i c hc a na v o i dc o n v e r g i n gt ot h e i l ls o l u t i o nb yc o r r e c t i n gt h ep o s k i o no fm a i np a t h s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a l lh i g h l yi m p r o v et h ec o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c eo ft h ep r i m a r yo n e b e s i d e s ，i t s s i m p l i c i t ya n de f f i c i e n c ym a k ei tf e a s i b l ei nt h eh i g h - r a t ed i g i t a lc o n n e c t i o na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：w i m a x o f d mc h a n n e le s t i m a t o r i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m t i m e - z o n e e s t i m a t i o nb l i n de q u a l i z a t i o n 目录 附图目录 图1 1 无线标准层次示意图 图2 1o f d m 系统基本模型框图 图2 2 包含四个子载波的o f d m 符号 图2 3o f d m 系统中子信道符号的频谱 图2 4 包含循环前缀的o f d m 符号 图2 5o f d m 收发基带模型框图。 图2 6s u i 信道模型通用结构 s 图2 7s u i 3 信道仿真结果 图3 1 等效平行高斯信道模型 圉3 2 嚣p e 筇刍c e d 8 瑚a - s 醒蹿l e - s p a c e d 信遭 图3 3 s a m p l e s p a c e d & n o ns a m p l e - s p a p - m 信道下的窗函数 图3 4 图3 5 图3 6 基于f f t 变换的延时加权信道估计框图 s v d 信道估计算法框图 一阶自适应信道估计器框图， 图3 7 变换域插值示意图 图3 8 参数p 与i g h ( p ) i 的关系 图3 9 导频插入示铡一 图3 1 0 ( a ) 图3 1 0 彻 图3 1 0 ( c ) 图3 1 l ( a ) 图3 1 l c o ) 麟l e 曲信道下b p s k 误码率。 r a i l e e , h 信道下q p s k 误码率 r a i l e g h 信道下1 6 q a m 误码率 采用块状导频b p s k 误码率 采用块状导频q p s k 误码率 l l 1 5 2 l 2 3 ，2 3 2 4 2 5 2 8 2 9 ，3 2 图3 1 1 ( c ) 采甩块状导频1 6 q a m 误码搴 图3 1 2w i m a x 长前导结构示意图 图3 1 3w i m a x 短前导结构示意图 图3 1 4 ( a ) 线性插值算法信道拟合曲线。 图3 1 4 ( b ) 二次插值算法信道拟合曲线 图3 z 4 ( c ) 改进的二次插值算法信道拟合曲线 图3 1 4 ( d ) c u b i c s p l i n e 插值算法信道拟合曲线 图3 1 5 导频谲制的p k b s ，一 图3 1 6 多项式插值算法信道拟合情况 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 三小于8 时时域估计结果 工大于8 时时域估计结果 d d 算法信道估计器结构 线性预测原理示意图 3 3 3 4 3 5 3 5 3 5 3 9 图3 2 l 系统信遭估计器启动示意图。 图3 2 2 ( a ) s u i 3 信道下b p s k 误符号率曲线 图3 2 2 c o ) s u i - 3 信道下q p s k 误符号率曲线 3 9 4 0 4 1 4 2 图3 2 2 ( c ) s u l - 3 信道下1 6 q a m 误符号率曲线。 图3 2 3 采用预均衡器的结构示意图 图3 2 4 结合译码器的信道估计器结构示意图 图4 1 q a m 调制器和解调器的框图 4 2 4 3 4 5 4 5 4 6 4 6 4 7 ，4 9 东南大学硕士学位论文 图4 2 图4 3 码问干扰示意图。 横向均衡器构成。 图4 4 一维全时域判决反馁均衡器结构 图4 5d f e 信道均衡实例。 。5 2 。5 2 5 5 。5 5 ，5 6 ，5 6 圈4 6 ( a ) 理想条件下d f e 均衡器收敛误差 图4 6 c o ) 理想条件下f ie 均衡器收敛误差 图4 7 有噪声条件下d f e 均衡器误差发散示意图 髓4 8d f e 误码转移状态圈 图4 9 误差取值示意图 图4 1 0 系统仿真结构图。 图4 1 1 信道幅频响应特性曲线 图4 1 2 盲均衡算法收敛性能比较 图4 1 3 全时域滤波器输出星座圈横向滤波器输出星座图 图4 1 4 第三种误差函数收敛轨迹第四种误差函数收敛轨迹 图4 1 5t d e - c m a 均衡器结构图。 图4 1 6c m a 的收敛轨迹& t d e - - c m a 的收敛轨迹 圈4 1 7 正确收敛后数据分布伪收敛后数据分布 图4 i s ( a ) c m a 伪收敛后输出结果及滤波器系数 6 1 6 2 6 2 图4 1 s ( b ) t d e - - c m a 一次修正后输出结果及滤波器系数。 图4 1 8 ( c ) d e - c m a 输出结果及滤波器系数 图4 1 9 盲均衡和载波恢复联合环路结构 6 4 6 6 6 7 ，6 7 v 珊 6 8 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：迳查匠日期：血p 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：i 圣堡 导师签名： 盥玺塑日期：扩f _ w 第一章绪论 第一章绪论 本章作为全文的绪论，主要介绍了宽带无线通信技术近年来的发展，作为无线接入技术重要组成部 分的w i m a x 技术的发展状况以及特点，以及固定无线互连的重要手段之一高阶单载波传输技术的目前 的应用情况。在本章的最后，给出了论文的主要工作和章节安排。 1 1 宽带无线技术的发展 电话可以轻而易举地摘掉电线，发展成为日下十分普及的移动电话。因此，毫不奇怪，无线技术在 个人和商业计算领域也将日益流行起来。 2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信和e t 互联网是信息产业发展最快的两个领域，它们直接影 响了亿万人的生活，大大地改变了人类的生活方式。世界各国的电信市场相继开放，电信运营商主体向 多元化发展，电信竞争的焦点也由长途骨干网络转为本地接入。宽带无线接入凭借其组网快速灵活， 运营维护方便以及成本较低的竞争优势，迅速成为市场热点。而无线接入可以帮助新兴的运营企业快速 切入试产，提供经济，高效，灵活的宽带接入手段，将在中国宽带浪潮中扮演重要角色。目前宽带无线 接入技术的发展极为迅速：各种微波，无线通信领域的先进手段和方法不断引入各种宽带固定无线接 入技术迅速涌现，包括3 5 g h z 频段中宽带无线接入系统，2 6 g h z 频段l m d s 系统合无线局域网系统 等等。宽带无线接入技术的发展趋势凸现出来：一方面充分利用过去未被开发，或者应用不是很广发的 频率资源( 如2 4 g h z ，3 5 g h z ，5 $ g i - i z , 2 6 g h z , 3 0 g h z , 3 8 g l - l z ) 。实现尽量高的接入速率；另一方面融合 微波和有线通信领域成功应用的先进技术如高阶q a m ( 如6 4 q a m ，1 2 8 q a m ，2 5 6 q a m ) 调制，a t m ， o f d m ，c d m a ，i p 等，以实现更大的频率资源利用率，更丰富的业务接入能力和更灵活的带宽分配 方法。其中采用高阶q a i w 调制方法的代表就是数字微波技术，而w d v l a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v e a c c e s s ) 则是通过o f d m 技术来提高更高速率、更大覆盖范围以及具有移动性的无线宽带接 入。 1 2 w x m a x 技术 1 2 1 e e 8 0 2 1 6 无线接入标准 i e e e 8 0 2 1 6 是为制定无线城域网( w i r e l e s sm a 标准成立的工作作组，该工作组自1 9 9 9 年成立后， 土要负责开发工作在2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口物理层和媒质接入控制层( m a c ) 规 范，同时还与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间共存的规范，涉及m m d s ， l m d s 等技术。它由三个工作小组组成，每个工作小组分别负责不同的方向。 i e e e s 0 2 1 6 协议标准按照三层体系结构组织的： 物理层：三层结构中的最底层，该层的协议主要是关于频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机 同接收机的同步、数据传输速率和时分复用结构等方面。 数据链路层：在物理层之上，该层上土要规定了为用户提供服务所需的各种功能这些功能都包括在 东南大学硕士学位论文 介质访问控制层m a c 层中，主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享的无线介质中 进行控制。 汇聚层：在m a c 层之上，该层能根据所提供服务的不同而相应地提供不同的功能。该层也可以归 到数据链路层上。 i e e e 8 0 2 1 6 目标的最大覆盖范围是5 0 k i n ，是一种定位于宽带城域网的无线接入技术。3 g 技术强 调地域上的全覆盖和高速的移动性，强调“无处不在”的服务，而8 0 2 1 6 5 1 j 牺牲了全覆盖仅保证在一定 区域内实现连续覆盖，强调数据传输能力的提高8 0 2 1 6 d 定位于为企业用户提供无线传输的手段，可以 作为企业t l 和家庭x d s l 和c a b l em o d e m 的无线扩充技术，或者取代有线宽带接入的市场，同时它还能 够连接w l a n 的热点和互联网。8 0 2 1 6 e 在移动性和覆盖范围上比8 0 2 1 l 获得了增强，可以提供更广泛的 高速数据接入。从某种意义上，它是解决“最后一公里”通信接入的一个很有效的技术。根据地域位置 划分，图1 1 显示了i e e e 电气电子工程师协会的无线标准层次示意图。 图1 1 无线标准层次示意图 1 2 2 晰m a x 的技术特点 作为一种户外应用的无线接入方式，w h m a x 除了具有一般无线接入所具有的特点外，特别在技术 方面还具有一些其它特色。 1 ) 应用特点： 首先，作为宽带无线接入应用的w i m a x 具有逐步投资和弹性部署的特点，网络运营商可以根据用 户容量增长的需要，逐步增加投入，逐步扩容到位。其次，网络部署快速，安装方便，不需要复杂的网 络规划，网络结构灵活，尤其在临时性和突发性应急通信中能发挥巨大作用。最后，作为一种小区半径 可达5 0 k i n ，接入速率可达7 0 m b i t s 的宽带无线接入技术，既可以作为城域网有线方式的无线延伸，亦 可作为线缆方式的替代方案。特别的，对于用户密集或业务量不高且分布分散的地区比线缆方式更具竞 争力。 2 ) 物理层特点： w i m a x 工作频段可从2 - 6 6 g h z ( 对于i e e e 8 0 2 1 6 标准：2 - 1 i g h z ；对于正e e 8 0 2 1 6 a 标准： 1 0 - 6 6 g h z ) ，信道带宽可在1 5 - 2 0 m h z 范围内灵活调整，有利于在所分配的信道带宽内充分利用频谱资 源。w i m a x 采用宏小区方式，最大覆盖范围达5 0 k i n ，当在2 0 m h z 信道带宽时，支持高达7 0 m b i t s 的共享数据传输速率( 此时，最大覆盖范围为3 - 5 k m ) 。可采用多扇区技术来提高系统容量，一个扇区 2 第一章绪论 可同时支持6 0 多个采用e 1 r l 的企业用户或数百个家庭用户。w t m a x 采用了o f d m 、收，发分集、自 适应调制等多种先进技术实现非视距n l o $ 和阻挡视距o n l o s 传输，有效提高了城市内无线传输的效 能。物理层支持t d d d m t a 和f d d t d m a 两种无线双工多址方式，以适应不同国家或地区电信体制 要求。支持单载波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 点) 三种调制方式，可根据需要灵活选择。 物理层可以根据传输信道性能变化，动态调整调制方式和物理层参数( 例如：调制参数、f e c 参数、 功率电平、极化方式等) ，以保证较好的传输质量。 3 ) m a c 层特点 支持q o s 管理，满足对不同业务质量的要求。m a c 层根据业务q o s 要求和业务参数，以轮询方 式请求连接带宽或进行带宽调整，以保证语音和视频等实时业务的低延迟要求。同时，针对无线信道环 境下，较高的误码率和丢包率，定义了基于每个应用流的a r q ，保证m a c 层业务数据单元m s d u 的 自动重发，确保端到端包的传输质量。 m a c 层具有a t m 业务和分组业务汇聚子层c s ，能方便地实现与a t m 业务或口业务为特征的网 络应用。同时，m a c 层具有安全子层，支持m a c 层安全机制，实现鉴权、加密等安全管理。 4 ) 业务能力 w i m a x 采用面向连接的方式，可以向用户提供具有q o s 性能的数据、视频和语音( v o i p ) 业务。 在i e e e 8 0 2 1 6 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 机制，还定义了四种不同的业务，分别为：非 请求的带宽分配业务( u g s ) 、实时轮询业务( r t p s ) 、非实时轮询业务( n r t p $ ) 、尽力面为业务( b e ) ， 分别可以用来向用户提供高质量的视频和语音业务、普通质量的视频和语音业务，以及质量无保证的诸 如i n t e r n e t 等业务。可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。因此，w i 4 a x 可 为不同业务提供不同的服务质量q o s 。 5 ) 网络结构特点 支持的点到多点( p m p ，p o i n t t o m u l t i p o i n t ) 体系结构，可构建以w h m a x 基站为中心的星形接入 网结构。最新颁布的i e e e 8 0 2 1 6 a 同时也支持网状网m e s h 体系结构，该结构中允许多个w i m a x 节点 采用无线互连方式构建网状网。这意味着可以灵活地拓展接入网的结构，在骨干网覆盏不到的地方，采 用w i m a x 网状隗覆盖，实现城域网的弹性延伸。 从网络结构和应用角度看，w i m a x 无线接入技术具有无线技术带来的所有优势，同时从技术上看， 高效调制技术提高了频谱利用率；q o s 机制提高了业务能力；宏小区覆盖方式，特别适合户外应用：并 且其以较高的接入速率，克服了无线技术的带宽瓶颈，成为今后线缆传输方式的补充或替代方式。可以 预见，随着w i m a x 技术的普及，设备成本的下降，其完全可能成为解决信息高速公路“最后一公里” 极具竞争力的手段。 1 3 单载波传输技术 1 3 1 数字微波技术简介 数字微波通信( d i g i t a lm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n ) 是一种基于时分复用技术的数字通信体制。常采 用高阶正交调幅( q a m ) 或移相键控( p s k ) 等调制方式，可以用来传输语音、数据和图像信号。数 字微波通信具有两大技术特征：传送的信号是按照时隙位置分列复用而成的统一数据流，具有综合传输 3 东南大学硕士学位论文 的特性；利用微波信道来传送信息，拥有很宽的传输带宽，可以复用大量的数字电话信号，可咀传送电 视图像或高速数据等宽带信号。 由于微波电磁信号按直线传播，数字微波通信可以按直视距离设站( 基站间距可达5 0 千米) ；因此， 建设起来比较容易。特别在丘陵山区或其它地理微波条件比较恶劣的地区，数字微波通信具有一定的优 越性。在整个国家通信的传输体系中，数字微波通信也是重要的辅助通信手段。 我国的数字微波通信研究始于2 0 世纪6 0 年代。在2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代初为起步阶段，研制 出了小，中容量数字通信系统，并很快投入了应用，调制方式以q p s k 为主，并有少量设备使用了8 p s k 调制。2 0 世纪8 0 年代，我国数字微波通信的单载波传输速率上升到1 4 0 m b s ，调制方式一般采用1 6 q a m ， 同时自适应均衡、中频合成和空间分集接收等高新技术开始出现。2 0 世纪8 0 年代后期至今，随着同步 数字序列( s d h ) 在传输系统中的推广应用，数字微波通信进入了重要的发展时期。目前，单载波传输 速率可达3 0 0 m b s 以上，6 4 q a m 甚至2 5 6 q a m 等高阶调制技术被广泛采用；另外，为了迸一步提高数 字微波系统的频谱利用率，同波道交叉极化传输、多重空间分集接收和无损伤切换等技术得到了应用。 这些新技术的使用将进一步推动数字微波通信系统的发展。 1 3 2 数字微波通信的特点 数字微波通信是用徽波作为载波来传递数字信号的一种通信方式，它同时具有数字通信和微波通信 的一些特点： 抗干扰能力强，线路噪声不积累。数字信号是可以再生的，因此数字微波通信中的中继站大多使用 再生中继的方式。但是必须指出的是，一旦干扰信号对数字信号造成了误码，那么在以后的传输过程中 很难倍纠正过来，因此误码是逐渐累积的。 保密性强。数字微波通信设备的保密性强主要表现在两个方面：一是数字信号易于加密，除了在设 备中已采用扰码电路外，还可以根据要求加入响应的加密电路：= 是微波通信中使用的天线方向性好， 因此偏离微波射线方向是接收不到信号的。 便于组成数字通信网。数字微波通信系统便于与各种数字通信网相连，并且可以用计算机控制各种 信息的交互。 设备体积小，功耗低。数字微波通信设备的体积小，功耗低主要表现在两个方面：一是传输的是数 字信号，所以设备中大量采用集成电路。使得设备的体积变小，电源功耗降低；二是数字微波系统把所 有数据当成流对待，常常只包含物理层的收发器，最多包含最简单的流控协议，系统复杂度比较低。 占有频带宽。数字通信比模拟通信占用的信道频带宽。 1 4 本论文的结构与安排 本论文的主要任务包含两部分：一是讨论i e e e8 0 2 1 6 物理层标准下的o f d m 系统信道估计技术， 给出合适的信道估计器结构。二是提出单载波通信系统( 3 g 互连设备) 中的信道均衡器的框架，选用 合适的算法并进行研究。 论文内容安排如下： 第一章为绪论，对宽带无线通信技术、无线城局域网技术和发展，以及高阶单载波通信技术的发展 4 第一章绪论 和特点作了简要的介绍。 第二章介绍了o f d m 的基本原理、无线宽带通信信道的统计模型，并给出了s il l 信道计算机仿真结 果。 第三章第一部分中介绍o f d m 系统中经典的信道估计及信道均衡算法，给出了仿真结果；第二部 分主要是针对w t m a x 协议的标准设计合适的信道估计器并进行系统仿真。 第四章针对高阶q a m 调制，介绍了数字微波设备中常用的均衡器结构和常用的盲均衡算法；对算 法的不足之处进行了改进，给出了仿真结果。 第五章总结全文，提出系统后续工作和w i m a x 面临的挑战。 5 第二章0 f d m 系统简介 第二章o f d m 系统简介 在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会产生时间选择性衰落 和颓率选择性衰落f l 司。信道的时交特性引起信号频谱的展宽，导致d o p p l e r 效应。信道的多径传播会 引起信号在时间上展宽并导致频率选择性衰落。由于无线信道的多径特点，使得发送数据在接收端产生 i s i 。当数据速率相当高的情况下，也就是说多径的时延和数据符号周期可比的情况下，严重影响到通 信系统的设计和传输数据的能力，因此在无线通信中，研究对抗多径衰落技术成为一个重要的方面。根 据多径信道在时域和频域上各自表现出的特性，人们提出了两种不同抗多径衰落的途径，在时域上，在 接收端采用r a k e 接收机分离各路径，实现信号的路径分集从而对抗多径衰落。这就是码分多址技术和 未来的超宽带技术在频域上，多径效应体现为频率的选择性衰落，人们把系统带宽划分为若干极窄的 子频带，分别独立或联合并行发送信号，这就是多载波传输方案：正交频分复用( o f d m ) 2 1o f d m 系统的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并转换，分配到传输速率相对较低 的若干个相互正交的子信道中进行传输。这样一个o f d m 符号内就包含了多个经过调制的子载波信号。 每一个信号可以是子载波的相位调制，也可以是子载波幅度和相位的联合调制，比如b p s k 、q p s g 、 1 6 q a m 等。如果表示自信道的个数，r 表示一个o f d m 符号的周期，西( f = o ，1 ，；v - i ) 是分配给 每个子信道的数据符号，五是第0 个子载波的载波频率，g ( f ) = l ，l d 7 挖，则发送端o f d m 符号可以 表示为： - 1 m o j ( f ) = r e d ，g ( t - t , 一二) 1e x p u 2 万( l + 书( 一) 】 ( 2 一1 ) s - 0 二,it 为了研究方便，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见式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，在实际中分别与相应子载波的c 璐分量和s i n 分量相乘，构成最 终的子信遒信号和合成的o f d m 符号。图2 1 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中，尸五+ l - 1下o j ( r ) = 吐g ( f 一一争唧【，2 石专。一) 】 ( 2 2 ) 弋一运h 竺卜 多一 骂厂狺鬲一叫涮至乏 臀 ，如l o+ 寄斟舻 图2 1o f d m 系统基本模型框图 7 东南大学硕士学位论文 由式2 - 2 可知不同的数据珥分别调制在不同的子载波上，这些子载波的频率依次为o ，1 正，m 1 ，l 如果从时域来看，每一个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波 之间相差一个周期。这个特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： 1 f e x p ( j r o , , 小e x p ( j r a 。咖姥三二 ( 2 _ 3 ) 利用这个特性，接收端可以准确的解调出各个子载波上的数据。比如对式( 2 - 2 ) 中的第j 个子载 波进行解调，首先接收信号要和解调的子载波作相关运算，然后在时间长度r 内进行积分，即： 毛= 手r 唰咖扣 + 篓酬2 万扣凇 。：4 ， = ；篓巧f c x p ( 珈孚( f t , ) ) a t - - a ， 根据上式可以看到，对第，个子载波进行解调可以恢复出期望符号面。而对于其它载波来说，由于 在积分区间内，频率差别( 咧r 可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。在图2 2 中给出了一个 o f d m 符号内包含4 个子载波的实例。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，每个子载波的幅值和相位都可能是不同的。 , i - ，、， 一 一，j 、 一 、 ，g 一心 ， 、 7 ， ， ， 、 矿：d 6 0 h 、q 、 f 、l疆 ， ， 、， ， ，j 。1 、 一，弋， 图2 2 包含四个子载波的o f d m 符号 这种正交性还可以从频域的角度来解释。根据式( 2 - 2 ) 每个o f d m 符号在其周期矗内包括多个非 零子载波。因此其频谱可以看作是周期为l 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的6 函数 的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c o 瓦) 函数，这种函数的零点出现在频率为1 巧整数倍的位置上。 这种现象可以参见图2 3 ，图中给出了相互重叠的各个子信道内经过矩形波成形得到的符号的s i n e 函数 频谱。在每个子载波频率最大处，所有其它子信道的频谱恰好为零。 、，j 八，、八 !￥ ；f ，jf ifl f 援卜j i 、 二t ，、多v 、斑1i ：护、坂l 么，矗 岁 、j 焉j 粥i 倒 弼矿7澎 2 2 罗 口m u e m y h ：j 图2 3o f d m 系统中子信道符号的频谱 8 1：o 2 ， o o o 。 七出曲4 第二章o f d m 系统简介 2 1 ii f f t f f t 在0 f d m 系统中的应用 从前面的分析可以知道，要实现一个o f d m 传输系统，需要一组振荡器以产生个子载波频率源， 接收端也要对这n 个载波进行同步。显然，当n 很大时，系统的硬件构成将非常复杂。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 【3 j 将d f t 技术引