（计算机应用技术专业论文）多载波cdma上行链路预均衡技术的研究.pdf

江苏大学硕士研究生毕业论文 摘要 随着人们生活品质的不断提高，对移动通信的要求也越来越高，特别是在数 据传输业务方面，现在的移动通信系统的数据传输速率已逐渐不能满足用户的需 求，未来的第四代移动通信系统需要提供更高的数据传输速率，多载波码分多址 ( m c c d m a ) 因为结合了正交频分复用( 0 f d m ) 和码分多址( c d m a ) 技术的优点，所以 它被作为第四代移动通信系统的关键技术受到广泛的关注。 在过去几年，经过研究m c c d m a 作为下一代无线移动通信系统下行链路最有 希望的技术已经被证明非常适合于下行链路传输，但是另一方面，由于复杂的无 线传播环境导致当m c - - c d w t a 用于上行链路时会带来许多额外的问题，主要是信道 估计困难和多址干扰( v i a l ) 问题( 多址干扰会导致在均衡时需要更复杂的算法) ， 因此如何准确的进行信道估计和有效的消除干扰便成为提升系统性能的关键。传 统的m c c d m a 系统在接收端通过尽可能收集某一数据信号散布在所有子信道上 的能量来恢复数据信号，因此分集合并技术对接收机误码率性能有着决定性的影 响。本论文研究在时分双工( t d d ) 模式下m c c d 5 c i a 系统上行链路的预均衡技术： 利用在下行链路获得的信道状态信息在移动台上行发送数据前对预发送数据可 能受到的信道响应进行预处理，由于在慢衰落信道条件下上行链路和下行链路间 具有很强的相关性，因此可以在下行链路通过导频获得下行链路的信道状态信 息，将原本应该在基站接收端进行的检测合并操作移到移动台发射端提前进行， 即在发送数据信号之前先对数据信号进行预均衡，经过预均衡的信号在通过上行 链路时正好跟信道响应相抵消，这样不仅避免了在上行链路中插入导频导致系统 效率下降的不利影响，而且减小了多址干扰对系统误码率性能的影响，同时，由 于已经在移动台进行了均衡在基站就不再需要均衡操作，可以降低基站的复杂 度。 本论文的目标是通过比较几种预均衡技术在t d d m c c d m a 系统上行链路 的性能找到最适合于m c c d m a 系统上行链路的预均衡技术。在本论文中我们 讨论了m c c d m a 的多种分集合并方式，并在m c c d m a 上行链路模型下，通 过计算机仿真，比较了不同用户数和信噪比下多种预均衡方式对系统误码率性能 的影响，通过与传统m c c d m a 系统在基站端进行的均衡方案相比较，仿真结 果表明预均衡技术具有很好的性能，同时c e ( 控制) 预均衡和q u a s im m s e ( 最 小均方误差) 预均衡优于其它预均衡，另外我们也分析了不同预均衡技术的功率 控制方法，最后仿真结果还表明m c c d m a 发送帧长度即信道的相关时间也是 影响t d d 模式下预均衡技术能否有效用于m c c d m a 上行链路的一个重要参 数。 关键字：t d d ；m c c d m a ；上行链路；预均衡 江苏大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t w i 也t h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gq u a l i t y , t h er e q u i r e m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ni sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r , e s p e c i a l l yi nd a t at r a n s m i ts e r v i c e a s p e c t ，t o d a yt h ed a t at r a n s m i ts p e e do f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sg r a d u a l l yc a n n o tc o n t e n tc o n s u m e r sd e m a n d t h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ef u t u r en e e d st o p r o v i d eh i 2 hd a t at r a n s m i s s i o n t h u s ，m c c d m a ，w h i c h c o m b i n e sv i r t u e so fo 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 ) a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) i sr e g a r d e da so n eo ft h ec a n d i d a t e st e c h n o l o g yo f t h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n di sp r o s p e r o u s o v e rt h e p a s t s e v e r a ly e a r s ，m c - c d m ae m e r g e da st h em o s tp r o m i s i n g c a n d i d a t ef o rt h ed o w n l i n ki nn e x tg e n e r a t i o nf o rw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sh a sb e e np r o v e dt ob eas u i t a b l et e c h n i q u ef o rt h ed o w n l i n kt r a n s m i s s i o n o n t h eo t h e rh a n d c o n s i d e r i n gm c c d m af o ru p l i n kt r a n s m i s s i o ni n 订o d u c e ss o m e a d d i t i o n a l p r o b l e m s d u et ot h em o r e c o m p l e xp r o p a g a t i o n c o n d i t i o n s e s p e c i a l l y , d i f f i c u l t yi nc h a n n e le s t i m a t i o na n dt h ec o m p e n s a t i o np r o b l e m c o m e sf r o mm a lw h i c hr e s u l ti nr e q u i r em o r ec o m p l e xa l g o r i t h m s s oh o wt o e l i m i n a t et h ei n t e r f e r ee f f e c t i v e l yb e c o m e st h ek e yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m t r a d i t i o n a lm c c d m as y s t e mr e c o v e rs i g n a lb yc o l l e c t i n ge n e r g ys c a t t e r e di n a 1 1s u b c h a n n e l sa tr e c e i v e r s oad i v e r s i t yc o m b i n i n gm e t h o di sc r o c i a l f o rt h e p e r f o r m a n c e o ft h er e c e i v e r l nt h i st h e s i s ，t h e p e r f o r m a n c e o fa n u p l i n k t d d ，m c c d m as y s t e mo v e rr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e li si n v e s t i g a t e d ，t h et d dm o d e e n a b l e sp r e e q u a l i z a t i o no ft h ec h a n n e li n f l u e n c eo nt h eu p l i n ks i g n a la l r e a d ya tt h e m o b i l es t a t i o nb a s e do nt h ec h a n n e le s t i m a t i o nf r o mt h ed o w n l i n ks i g n a l ，w ee x p l o i t s t h es t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nu pa n dd o w n l i n kc h a n n e lc o n d i t i o n so ft h es l o w l y t i m e v a r y i n gc h a n n e l s o b t a i nt h ec h a n n e le s t i m a t i o nf r o mt h ed o w n l i n ks i g n a la n d m o v et h ed i v e r s i t yc o m b i n i n go p e r a t i o nf r o mb a s es t a t i o nt om o b i l es t a t i o n , n a m e l y p r e q u a l i z et h es i g n a lb e f o r et r a n s m i t ，t h u sc a na v o i dp i l o ti n s e r t i o no nt h eu p l i n k w h i c hd e c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fs y s t e ma n dd e c r e a s et h ei n f l u e n c eo fm a it o p e r f o r m a n c eo fb e r o f t h es y s t e m t h ea i mo ft h i st h e s i si st oe a r yo u tap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fd i f i e r e n t t d d ，m c c d m ac h a n n e lp r e e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e si n t h eu p l i n k ，w ed i s c u s s e d v a r i o u sd i v e r s i t yc o m b i n i n gm e t h o d so fm c - c d m aa n dt h e i rs i m u l a t i o n sa n d p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n o fd i f i e r e n tc h a n n e l p r e - e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s a r e p r e s e n t e d w i t hv a r i o u su s e rn u m b e r sa n ds n r si nt h e u p l i n k o fm o b i l e c o r n m t m i c a t i o n c o m p a r e dw i t ho r i g i n a le q u a l i z a t i o ni nt h eb a s es t a t i o n , t h ec o n c l u s i o n t h a tt h ec ep r e e q u a l i z a t i o na n dq u a s i m m s ep r e - e q u a l i z a t i o no u t p e r f o r mo t h e r p r e e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e si so b t a i n e da n dw e d i s c u s s e dd i f f e r e n tp o w e rc o n s t r a i n to f d i 虢r e n tp r e e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s ，a tl a s tt h ec o n c l u s i o n st h a tt h em c c d m a f r a m el e n g t h sn a m e l yt h ec o h e r e n c et i m eo ft h ec h a n n e l i st h ec r u c i a lp a r a m e t e rt h a t d e t e r m i n e st h e1 i m i t so f t d da p p l i c a b i l i t yt ou p l i n km c - c d m aa r eg i v e n k e y w o r d s ：t d d ；m c c d m a ；u p l i n k ；p r e e q u a l i z a t i o n 江苏大学硕士研究生毕业论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 扩 学位论文作者签名： 王井幺 加年石月fl 日 看 遣 ，r 江咖 繇 月 签 厶 一 船 指 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：如年月f 乙日 江苏大学硕士研究生毕业论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人们生活品质的不断提升，对移动通信的要求也越来越高，从8 0 年代 以f d m a ( 频分复用) 为主要技术的第一代模拟蜂窝移动通信系统到9 0 年代以t d m a ( 时分复用) 和c d m a ( 码分复用) 为技术标志的第二代数字蜂窝移动通信系统 再到今天的第三代移动通信系统以及正在研究中的未来第四代移动通信系统，移 动通信得到了飞快的发展。 目前世界上存在多种数字移动通信系统，其中以g s m 系统、i s 一1 3 6t d m a 系 统和i s 一9 5c d m a 系统为主，g s m 系统可以提供2 4 k b i t s 。9 6 k b i t s 以及 1 4 4 k b i t s 的电路交换语音业务，还可以通过g p r s ( 通用分组无线业务) 和e d g e ( 增强型数据速率g s m 演进技术) 分别提供1 4 4 k b i t s 和3 8 4 k b i t s 的分组交换 数据业务；i s 一1 3 6t d m a 系统可以提供9 6 k b i t s 的电路交换语音和传真业务以 及最高4 0 k b i t s 6 0 k b i t s 的数据传输业务；i s 一9 5 系统能够提供可变速率接入， 峰值速率为1 4 4 k b i t s ，还可以通过c d p d ( 蜂窝数据分组数据) 网络来提供 1 9 2 k b it s 的数据业务。显然，基于支持话音业务的电路交换模式的前几代移 动通信系统已经不能满足多媒体业务的需要。 但是对于高速数据业务来说，单载波t d 淞系统和窄带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，而且高速信息流的符号宽度又相对较短， 所以符号间会存在较严重的符号间干扰( i s i ) ，由此对单载波t d m a 系统中使用 的均衡器提出非常高的要求，即抽头数要足够大，训练符号要足够多，训练时问 要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加；而对于窄带c d 姒系统来说，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，对 高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就会大大限制了c d m a 系统噪声 平均的优点，从而使得系统的软容量会受到一定的影响，而如果保持原来的扩频 增益，则必须要相应地提高带宽。此外，c d m a 系统内的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可以比较容易得到实现，但是对于分 组业务来说，对信道进行探测，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有缺陷。 进入二十一世纪以来，虽然第三代无线通信系统的商业应用由于种种原因一 再推迟，但是人们对于更高通信质量和更丰富通信业务的追求却从来没有停止 过。伴随着新世纪的到来，欧美等发达国家纷纷启动了新一代无线通信技术的研 江苏大学硕士研究生毕业论文 发项目，特别是欧洲，美国，日本，韩国等国家都投入了大量的人力和物力，加 快研发的力度和进程，力图在未来无线通信领域占据先机。尽管目前人们对于新 一代无线通信的需求和应用目标尚未形成统一的意见，但普遍的看法是新一代无 线通信系统应该具有支持更高的峰值信息传输速率，支持更灵活的可变速率，支 持更丰富的业务，适应更恶劣的环境的能力。为了具备上述能力，新一代无线通 信系统在技术上必须有所突破。o f d m 技术的基本思想是将高速数据流分解成多 个低速数据流，各个低速数据流在不同的子载波上并行传输。子载波上较低的数 据速率实际上意味着每个子载波信道具有平衰落特性，可以有效地克服信道频率 选择性衰落的影响，从而减少由于i s i 所带来的系统性能损失：子载波间的正交 性使得信道干扰的影响被减小为每个子载波上乘以一个复传输因子，这样信号均 衡就变得非常简单。另外，o f d m 技术允许相邻子载波的频谱有很大程度的重叠， 从而能更加有效的利用可用频段，使得频谱利用率更高。另外，o f d m 技术也很 容易使用f f t ( 快速傅立叶变换) 器件来实现，而并不增加发射机和接收机的复 杂度。由于o f d m 的以上优点，使得o f d m 在下一代无线移动通信中倍受青睐。o f d m 较之直接序列扩频技术具有更灵活的频率分集能力和更高效的频谱利用能力，但 是，如果子载波处于深衰落时，如不采用纠错编码，会产生很高的误码率。而 c d m a 技术是一项发展成熟的技术，因此o f d m 与c d m a 技术的结合可以取长补短， 达到更好的通信传输效果，必然在下一代无线移动通信系统中扮演越来越重要的 角色。1 9 9 3 年出现了3 种将二者结合的技术。n y e e ，j p l i n n a r t z ，g f e t t w e i s 提出了m c c d m a 系统；k f a z e l ，l p a p k e 等人提出了m c d s c d m a 系统： l v a n d e n d o r p e 提出了m t c d 凇系统1 2 】。这三种也是现在研究最多的多载波c d 凇 系统。 1 2m c c d m a 研究现状及存在问题 近年来，对无线环境中能够提供多媒体业务的各种调制技术和多址接入方案 的研究已经成为通信领域中一个新的研究热点。多载波码分多址( m u l t i c a r r i e r c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ：m c c d m a ) 接入系统已经广泛地被认为是未来 移动通信系统中最适合的系统候选方案之一1 3j 。m c c d m a 是最早提出的多载波 c d m a 方案，它结合了正交频分复用( o f d m ) 与码分多址( c d m a ) 技术的优点。多载 波c d m a 最早由n y e e ，j - p l i n n a r t z ，g f e t t w e i s 和f a z e l ，l p a p k e 各自独立提 出的，前者提出的接收机方案是采用相关接收和采用可变增益因子的合并方式； 后者提出在接收机端采用最大似然检测技术。m c c d m a 作为未来第四代移动通信 系统中的关键技术已经受到大家的广泛关注，但现有的m c c d m a 的研究多集中在 下行链路，在上行链路方面的研究很少，通过研究m c c d m a 已经被认为是一种非 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 常适合于在下行链路进行传输的技术【4 j ，传统的m c c d m a 系统在下行链路的接收 端进行均衡并取得了不错的效果1 5 。”，但它也存在许多问题需要去解决，例如在 多用户环境中，由于复杂的无线传播环境导致当m c c d m a 用于上行链路时会产生 许多问题：首先，要在上行链路获得准确的信道估计比在下行链路困难，这是由 于移动台距离基站远近不同，到达基站的各个移动台的信号都经过了不同的传输 路径，每个经过频率选择性衰落的信号都经过了不同的信道传输函数，因此通过 插入导频的方法来获得信道状态信息变得困难，为了减少不同用户问的相互干 扰，对应于不同用户的导频符号必须放在o f d m 帧的不同位置，但如果每个用户 都在o f d m 帧中插入导频符号将会占用较多的系统资源，导致系统效率的下降； 其次，由于多址接入是通过给不同的用户分配不同的正交扩频码来获得，而在上 行链路，由于不同的用户距离基站远近不同，移动速度不同，所以在m c - c d m a 系统中的上行链路进行良好的同步是比较困难的，因此导致不同用户问的扩频码 的正交性被破坏，导致产生多址干扰( m a i ) ，严重影响系统性能。因此，如何准 确的进行信道估计和有效的消除干扰便成为提升系统性能的关键。 1 3 本文提出的解决方案 为了准确的进行信道估计并有效克服多址干扰的影响，本文考虑m c c d m a 上行链路的情形，如果能将在下行链路较易获得的信道状态信息用于上行链路 中，对上行发射信号进行预处理将有可能解决上述的问题【8 - 9 1 ，t d d 模式下上下行 信道间的对称性有利于采用预均衡技术，条件是t d d 的帧长相对于信道相关时间 要足够短，因此，下面我们研究在t d d 模式下m c c d m a 系统上行链路的预均衡技 术。在t d d 模式下，由于上下行链路之间的对称性，上行链路和下行链路占用相 同的频谱，使用不同的时隙来区分上下行链路，假如t d d 的时隙长度小于信道的 相关时间，即在慢衰落信道条件下，当从移动台从下行链路获得信道估计后【1 0 】， 可以认为信道的状态还没有发生较大改变，因此，当移动台上行传输信号时，可 以利用在下行链路已经得到的信道估计信息来对发送数据做预均衡，这样就不需 要在上行的o f d m 帧中插入导频符号，避免了在上行链路中插入导频导致系统效 率下降，并且减小了多址干扰对系统误码率性能的影响；在基站端，由于原先的 均衡操作已经在移动台预先进行过了，因此在基站端就不需要再进行均衡操作， 这样就简化了基站的复杂度。 1 4 本文的内容安排 本文第一章介绍了论文的研究背景及m c c d m a 系统在上行链路传输时遇到 的问题和我们提出的解决方案。 江苏大学硕士研究生毕业论丈 第二章阐述了m c c d m a 系统中的核心技术正交频分复用( o f d m ) 技术的基本 原理，为后面的信道估计以及分集合并做好准备。 第三章给出了o f d m 系统中信道估计的方法，主要讨论了在慢衰落信道条件 下的信道估计。通过这些方法我们可以在m c c d m a 系统的下行链路获得我们所需 要的信道状态信息。 第四章详述了m c c d m a 系统的发射机和接收机模型以及几种常用的检测合 并技术，最后分析了带功率控制的预均衡方案。 第五章首先讨论了t d d 模式下在m c c d m a 系统的上行链路的发射端，利用假 设在下行链路已经获得的信道状态信息用c e ，q u a s i m m s e 等合并技术对发送信 号进行预均衡后的系统误码率性能进行理论分析，并用m a t l a b 对系统进行了 m o n t ec a r l o ( 蒙特卡罗) 仿真，最后将仿真结果与理论分析进行了验证。 第六章进行总结和对未来的展望。 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 第二章正交频分复用系统的基本原理 o f d m 是m c c d m a 的核心技术，o f d m 技术由于采用了正交多载波方案，因此 可以采用较为简单的均衡方案，通过对o f d m 的研究我们可以深刻的理解m e c d m a 的预均衡方法。 o f d m 技术在固定无线通信，个人移动通信系统( p c s ) ，数字音频广播( d a b ) ， 非对称数字用户线路( a d s l ) 和利用双绞线传输的甚高速数字用户环路( v d s l ) 系 统中取得了广泛的应用。多载波调制的基本思想是用同时发射的多路窄带信号 ( 予信道) 来代替一个宽帝信号，这些窄带信号( 子信道) 与被代替的宽带信号 具有相同的带宽，在原理上，两种方法在高斯白噪声( a w g n ) 平坦信道上等效， 然而，在衰落的信道环境中，多窄带复用的方式具有很多优点，例如如果单个信 道的带宽比信道的相干带宽窄，这就意味着一般情况下，单个码元的持续时问比 传播时延大很多，码元间干扰的影响就会大大降低；另一方面，采用多窄带子信 道是引入频率分集的一种方式，如果存在频率选择性衰落，通过选择合适的子信 道带宽，则大部分子信道不会位于整个信道带宽的衰落部分中，如果信道变化足 够慢，就像在个人移动通信系统( f c s ) 或本地无线环路系统中，那么就有可能通 过学习信道特性并把该信息反馈给发射机，在一个动态基础上，根据“灌水”原 理【i m 3 1 在发射端设计发送信号时，使之与传输信道相匹配，这就是预均衡技术的 思想来源。 2 10 f d m 技术的发展及原理 2 1 1o f d m 的发展 o f d b t 的概念早在2 0 世纪5 0 一6 0 年代就被提出，1 9 7 0 年o f d m 的专利首次被 发表l l ”，其基本思想是通过采用允许子信道频谱重叠，但相互又不影响的频分 复用( f d m ) 方法来并行传送数据。 在早期的o f d m 系统中，发射机和相关接收机所需的子载波阵列是由正弦信 号发生器产生的，系统复杂且昂贵。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 散傅立叶变换实现o f 阴系统中的全部调制和解调功能的建议，这样就不再通过 带通滤波器，而是经过基带处理就可以实现f d m ，而且，这样在完成f d m 的过程 中，不再要求使用子载波振荡器组以及相干解调节器。 8 0 年代以后，o f d m 的调制技术再一次成为研究热点，例如在有线信道的研 究中，h i r o s a k i 于1 9 8 1 年用d f t ( 离散傅立叶变换) 实现的o f d m 调制方法，成 江苏大学硕士研究生毕业论文 功试验了1 6 q a m 多路并行传送1 9 2 k b i t s 的电话线m o d e m i l 副 1 9 8 4 年，c i m i n i 提出了一种适于无线信道传送数据的o f d m 方案【16 】，其特 点是调制波的码型是方波，并在码元问插入了保护间隔，这样可以避免多径传播 引起的码间串扰。 9 0 年代以后，o f d m 的应用又涉及到了利用移动调频( f m ) 和单边带( s s b ) 信道进行高速数据通信，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 ) ，数字音频广播( d a b ) 及高 清晰度数字电视( h d t v ) 等。 2 1 2o f d m 的原理 在物理层上，无线通信系统面临的主要问题是如何克服无线信道的时间弥散 和频率弥散，提高无线信道传输的速率与质量。由于无线信道( 特别是陆地移动 信道) 地面情况的复杂性，发射的信号往往是经过多条路径到达接收端，即产生 多径效应，数字信号在无线信道上传输时会产生一定的时延，从而造成接收信号 相互重叠，产生信号符号间相互干扰( i s i ) ，致使接收端判断错误，严重影响信 号传输质量。特别是在高码元速率时，这种影响将会更大，因为码元速率越高， 码元周期就会越短，时延扩展会跨越更多的码元，这对均衡提出了更高的要求， 通常需要引入非常复杂的均衡算法，实现比较困难。另一方面，码元速率提高后， 信号的带宽会变宽，当信号带宽接近或大于信道的相关带宽时，信道的时间弥散 就将对接收信号造成频率选择性衰落，所以时间弥散是无线信道传输速率受限的 一个主要原因。虽然目前单载波调制解调系统使用的均衡技术可以在一定程度上 减轻时间弥散问题，但是它是以增加噪声为代价的，而且单载波系统中的信元周 期较短，严重影响了对噪声和衰落的抵抗性。 随着数字移动通信系统中各种多媒体业务，特别是实时业务的出现，接入和 数据传输的速率都需要有较大的提高。鉴于目前单载波调制解调技术的不足，在 数字移动通信系统的发展中，物理层需要采用新的调制解调技术，由前面的分析 可知，这种调制解调技术既要有较高的信元传输速率，又要有较长的码元周期( 用 以减轻i s i 的影响) ，于是产生了这样一个想法：将所有的数据流分解成若干个 子数据流，用这些子数据流去并行的调制多个载波，然后合成输出。这样一来， 每个子数据流就可以具有相对低得多的传输比特速率，减小了前后码元的重叠机 会和信号的传输带宽，从而降低了i s i 和频率选择性衰落，而总的传输速率并不 会降低。相反，如果适当提高数据流的传输速率，还可以提高整个数据流的传输 速率。多载波调制技术可以通过多种途径来实现，其中正交频分复用( o f d m ) 是 目前研究的热点之一。 诈交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i 0 1 3m u l t i p l e x i n g ) 技 6 江苏大学硕士研究生毕业论文 术与频分复用( f d m ，f 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 ) 技术有相似之处也有 不同。在传统的广播通信系统中，每个无线基站在不同的频率上发送信号，运用 f d m 技术来保证每个站点的分隔，广播系统中的每个站点没有任何的同位或同 步。而使用o f d m 传播技术的数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 将多个基站的信号组合在一起形成一个单独的复用数据流，这些数据是由多个子 载波组成的，所有予载波在时间和频率上同步，由于调制的正交性并且采用循环 前缀作为保护间隔，因此不会发生子载波间干扰( i c i ，i n t e rc a r r i e r in t e r f e r e n c e ) 。 传统的频分复用系统，在两个信道之间要留有足够大的频率间隔作为保护带 宽来防止干扰，因此降低了系统的频谱利用率。而正交频分复用将多个子载波在 频域交错重叠，因此大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率，其效果如图2 3 所示： 传统频分复用多载波调制技术 正交频分复用多载波调制技术 图2 3 传统频分复用与币交频分复用带宽利用率比较 在宽带无线数字通信系统中，影响信息高速传输的最主要的一类干扰是由信 道的多径效应所引起的频率选择性衰落。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦 的，频率选择性衰落表现为对某些频率成分的信号衰减特别严重。 多径传播是所有无线通信环境共有的一大特征。通常情况下，从a 点的发射 端到b 点的接收端之问有一条主要( 最直接的) 通道。但不可避免的是，一些发 射信号会通过其它路径( 从环境中的物体，大地以及大气层等反射) 到达接收端。 经过非直接通道传输的信号到达接收端的时间会略晚于正常信号，而且通常会有 衰减。处理衰减的多径信号的一般做法是简单的忽略。但是，当多径信号太强以 至于无法忽略时，会导致系统性能的下降。 无线信号可以借助于正弦波进行描述，如图2 4 ( a ) 所示，纵坐标表示振幅， 横坐标表示时间。当多径信号比主信号稍晚到达接收端时，其峰值和谷值与主信 7 江苏大学硕士研究生毕业论文 号的峰谷值不会完全同相，因此接收端接收到的混合信号多少会出现失真，详见 图2 4 ( b ) 。如果多径信号的时延导致其波峰与主信号的波谷在同一时刻出现， 那么多径信号将部分或完全抵消主信号，详见图2 4 ( c ) 。 振 幅 时间 d 一个无线信号可以用一个正弦波表示 b 多静信号到达接收器会略有相位偏移，与土信号合并后会生成一个略有衰减和失真的信号。 c 在极端情况下到达接收器的多径信号与主信号相位相差1 8 0 度，此时两者相互抵消 图2 4 无线信号的正弦波表不 传统无线系统要么不对多径采取任何防范措施，仅依靠主信号自身来抑制多 径信号；要么利用多径缓解技术。一种缓解技术是使用多个天线以便能够在任一 时刻及时捕捉最强信号；另一种技术则给接收信号增加了不同的时延，迫使各波 峰和波谷同相。 o f d m 技术是一种无线环境下的高速传输技术，它的基本思想是将高速率的 信源信息流转换为n 路并行的低速率数据流，然后用n 个相互正交的载波分别对 n 路并行的数据流进行调制，再将调制后的信号合并得到发射信号。通过使用 o f d m ，可以有效降低多径效应对系统性能的影响。 2 2o f d m 的调制和解调 每个o f d m 符号由多个经过调制的子载波信号组成，其中每个子载波的调制 8 江苏失学硕士研究生毕业论文 方式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果用表示子载波 的个数，表示o f d m 符号的宽度( 持续时间) ，4 ( i = 0 , 1 ，n 一1 ) 表示分配给每 个子载波的数据符号，z 表示第0 个子载波的载波频率，则从t = t s 开始的o f d m 符号可以表示为： 她) = n - 1 t - t s 一t expiredirect(t-t。1 x p i 2 z ( f 。i+ 知训) 祭嘲+ ，( 2 5 ) = 0 s ( f ) = 一e+ 亭) ( f - t ) ) ，r + ， ( 2 5 ) 在很多文献中，经常采用如下所示的复等效基带信号来描述o f d m 的输出信 号： n - 1 t； s ( f ) = d , r e c t ( t 一一寺) e x p 【，2 石睾( ，一，) 】f + 7 1 ( 2 6 ) i = o 1 其中，式( 2 6 ) 的实部和虚部分别对应于0 f d m 符号的同相( i n p h a s e ) 和正 交( q u a d r a t u r e p h a s e ) 分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的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o f d m 系统基本模型的调制和解调框图，其中，= 丘+ 睾，且假定= 0 a 图2 4o f 删系统基本模型框图 每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的 子载波之间相差1 个周期，这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： 拍e x p ( 柳加x p ( 蛾懈= 怯：i ： ( 2 7 ) 接收端第- ，路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第，路的解调子载波 e x p ( 一，2 万圭( ，一t s ) 相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行积 分，即可获得相应的发送信号d ，即： 9 江苏大学硕士研究生毕业论文 z = ；r “e x p ( 一j 2 万亍ioi ) 善n - 1 4 e x p 2 z 专( t t , ) j a t i ) 4 一 f = 0 = 亍 刍n - i 谚删2 石孚凇 = d 1 ( 2 8 ) 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d ，而对 于其它子载波来说，由于在积分问隔内，频率差别l - 一j 可以产生整数倍个周期， 所以其积分结果为零。 实际上，式( 2 6 ) 中定义的o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变 换( i d f t ) 来实现。令式( 2 6 ) 中的= o ，f = 等( t = 0 ，1 ，一1 ) ，可以得到： 们叫争篓细u 型n ) o _ k _ n - 1 ( 2 _ 9 ) 式( 2 9 ) 中，s 即为z 的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号 吐，可以对j ( f ) 进行傅立叶变换( d f t ) 变换，得到： 一= 芝i = 0j 阳p ( 可2 z k i ) o i n - 1 ( 2 1 。) 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代 替。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号z 变换为时域数据符号5 ( ，) ，经过载 波调制之后发送到无线信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基 带信号进行n 点d f t 运算，即可获得发送的数据符g - a , 。 在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换快速 傅立叶逆变换( f f t i f f t ) 来实现调制和解调。点i d f t 运算需要2 次的复 数乘法和n ( n 一1 ) 次复数加法( 为了方便只比较乘法的运算量) ，而i f f t 可以显 著地降低运算的复杂度。对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为 要l 。g ：( 转换为实数乘法次数为2 l o g ：) ，以1 6 点的变换为例，i d f t i f f t 中所需的乘法数量分别是2 5 6 次和3 2 次，而且随着子载波个数n 的增加，这种 算法复杂度之间的差距也越明显，i d f t 的计算复杂度会随着n 的增加而呈现二 1 0 江苏大学硕士研究生毕业论文 次方增长，而i f f t 的计算复杂度的增加速度只是稍稍快于线性变化。 对于子载波数量非常大的0 f d m 系统来说，可以进一步采用基4 i f f t 算法。在 4 点的i f f t 运算中，只存在与 1 , - 1 ，_ ，o ) 的相乘运算，因此不需要采用完整的 乘法器来实施这种乘法，只需要通过简单的加，减以及交换实部和虚部的运算( 当 与j , - j 相乘时) 来实现这种乘法。在基4 算法中，i f f t 变换可以被分为多个4 点的i f f t 变换，这样就只需要在两个级别之间执行完整的乘法操作。因此， r 点的基4 i f f t 算法中只需要执行d _ i v ( 1 0 9 2n 一2 ) 次复数乘法( 转换为实数乘法次 d 1r 数为d _ i ( 1 0 9 2 n - 2 ) ) 或相位旋转，以及n l 0 9 2 n 次复数加法，例如在6 4 点的 二 f f t 中，需要计算9 6 次复数乘法和3 8 4 次复数加法。 图2 5 为基4 蝶型算法，4 个输入值x o x l ，x 2 ，x 3 经过简单的相加和相位旋转 操作，可以生成4 个输出值儿y l ，y 2 ，y 3 ，例如y o = x o 一五+ 成一码。 五 屯 图2 5 基4 蝶型算法 m 儿 弘 基4 蝶型算法可以用于高效的计算大规模的i f f t 。图2 6 为利用基4 蝶型 算法的1 6 点i f f t 实例，其中包括2 级运算，第一级内包含4 个基4 蝶型运算， 在两级之间存在中间过渡级别用于对1 6 个中间过渡结果实施相位旋转，其中 j 2 7 r i = en 。在n = 1 6 的情况下，当f _ 0 ，4 ，8 ，1 2 时，与珊。相乘就可以被简化为与 1 ，+ ，一1 ，一_ ，相乘。 m 此 b 江苏大学硕士研究生毕业论文 图26 壮4 算法的1 6 点i f f t 通过比较可以看出基2 和基4 的i f f t 都可以使得计算量大大降低，而基4 算法又稍优于基2 算法。 2 3o f d m 的保护间隔和循环前缀 2 3 1 保护间隔 正如前面所