（信号与信息处理专业论文）基于ldpc码的ofdm扩频多址技术研究.pdf

五邑大学硕士论文 摘要 无线数据、多媒体业务以及移动通信系统的目标是实现无所不至、高质量、 高速率的移动多媒体传输，它要求在高载频以及宽带上支持2 m b i t s 至数十y e l l 特秒的高速率传输，如何保证数据通信的可靠性就显得非常重要。无线衰落信 道中的多径传播和散射引起的信号衰落，以及严重的多径时延而引起的符号间干 扰，大大降低移动通信的可靠性。正交频分复用( o f d m ) 技术将信道分成许多正 交子信道，数据可以在子信道中并行传输，这样可以做到高速率传输。为避免子 载波在传输中的差错，许多纠错编码技术已被用于o f d m 系统，例如卷积码。 有效性与可靠性是无线移动通信系统中的两大矛盾，在可靠性方面，信道编 码是提高系统可靠性的有力手段，在众多的信道编码方案中，卷积码已经在各种 标准中占据主导地位，而目前一种性能非常接近s h a n n o n 极限而且可以实现的分 组编码方案l d p c 码己成为信道编码领域内新的研究目标，l d p c 码具有很强的纠 错抗干扰能力，当码长较长时，性能甚至可以优于t u r b o 码，是目前倍受关注且 具有广泛应用前景的信道编码方案。对l d p c 码本身的现状研究已经从多个方面 展开，例如校验矩阵构造、编译码简化、性能分析等，本论文中提出了基于刀旋 转的l d p c 码的构造方法，降低了l d p c 码的计算复杂度，而易于用软件和硬件 实现。 b 3 g 移动通信的主流调制技术将是o f d m 技术，而将l d p c 编码应用于o f d m 系统中构成的l d p c - c o f d m 系统将具有广阔的应用前景，l d p c 码与其他技术相结 合也是研究者们关注的焦点，。本文构建了l d p c - c o f d m 系统的仿真模型，并对 l d p c 码应用于o f d m 的系统进行了以下几下方面的研究： 1 ) 码长对l d p c - c o f d m 系统性能的影响； 2 ) 码率对l d p c - c o f d 系统性能的影响； 3 ) 编码规则对l d p c - c o f d m 系统性能的影响； 4 ) 调制方式对l d p c - c o f d m 系统性能的影响。 仿真结果表明：在多径衰落信道下，通过合理选择码长，码率，编码规则，调制 方式的应用，基于l d p c 码的c o f d m 系统性能将会非常优越，特别适合在末来的 移动通信系统中使用。 关键词：正交频分复用；低密度奇偶校验码；多径衰落；纠错编码；l d p c - c o f d m 五邑大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er e q u i r e m e n to fw i r e l e s sd a t aa n dm u l t i m e d i ab u s i n e s s ，t h ep u r p o s eo ft h eb e y o n d3 g a n d4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt u r n st ob ea c h i e v i n go m n i p r e s e n t , h i g h - c a l i b e r , a n d h i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nf o rm o b i l em u l t i m e d i a t h es y s t e mr e q u i r e ss u p p o r tt ot h eh i g h s p e e d t r a n s m i s s i o ni nt h eh i g hc a r d e ra n db a n d w i d t h ，a n dw i t ht h er a t ei nt h er a n g ef r o m2 m b i t st os e v e r a l m e g a b i t sp e rs e c o n d a n dt h eq u e s t i o nh o wt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o n b e c o m e sv e r yi m p o r t a n t , s ow en e e do v e r c o m em a n yd i f f i c u l tp r o b l e m st oa c h i e v et h i sg o a l ，t h e p r o b l e m sm a i n l ye x h i b i tt ob em u l t i p a t hp r o p a g a t i o ni nt h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l ，s i g n a lf a d i n g c a u s e db yt h es c a t t e r i n ga n di n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h el o n gm u l t i p a t ht i m ed e l a y t h e t e c h n i q u eo fo r t h o g o n a lf r e n q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gd i v i d e st h e c h a n n e li n t om a n y o r t h o g o n a ls u b - c h a n n e l s ，s ot h ed a t ac a nb et r a n s m i t t e dp a r a l l e l i nt h es u b - c h a n n e li no r d e rt o a c h i e v eh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n i no r d e rt op r e v e n tt h et r a n s m i s s i o ne r r o r # n a n yt e c h n i q u e sf o r c o r r e c t i o ne l t o rh a v ea p p l i c a t i o ni nt h eo f d ms y s t e m , s u c ha sc o n v o l u t i o n a lc o d e , r e e d - s o l o m o n c o d e , t u r b oc o d e ，a n ds oo n e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ya 陀t w op e r m a n e n tp r o b l e m si nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c h a n n e l c o d i n gi sa l le f f e c t i v ew a yt oi m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y , l d p cc o d e sa 心ac l a s so fb l o c kc o d e sw i t h n e a rs h a n n o nl i m i tp e r f o r m a n c et h a tc a nb er e a l i z e d , t h ep e r f o r m a n c eo fl d p cc o d e sw i t hl o n g c o d el e n g t hc a nb ee v e nb e t t e rt h a nt u r b oc o d e f o re f f i c i e n c y , l i n ka d a p t a t i o ni saw e l l k n o w n t e c h n o l o g yt oe = i l l l a i l c et h es p e c t r a le f f i c i e n c yo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i t sm e a n i n g f u lt oi n v e s t i g a t et h el i n ka d a p t i v es y s t e mb a s e do nl d p c c o d e sw h i c hc a nm a k ef u l lu s eo fs p e c t l 可r g s o u r g ew h i l em a i n t a i n i n ga l la c c e p t a b l et r a n s m i s s i o n q u a l i t y f i r s to fa l l ，w eh a d at h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ec o n s t r u c t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so f l d p cc o d e s ，i n c l u d i n gt h ec o n s t r u c t i o no fp a r i t y - c h e c km a t r i x , e x t e r n a li n f o r m a t i o nt r a n s t e rt h e o r y a n dl d p cc o d e dm o d u l a t i o ne r e ，b a s e do nt h ea b o v e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t ya tt h es a m et i m e ，w ec o m b i n e dl d p cc o d e sw i t hl i n ka d a p t i o nt e c h n i q u e t h ek e ym o d u l a t i n gt e c h n o l o g yf o rb 3 ga n d4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lb eo f d m t e c h n o l o g y , a n dt h el d p c - c o f d ms y s t e mc o n s l r u c t e db yl d p cc o d ea p p l i e di no f d mp r o v e st o h a v ew i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r , l e s t a b l i s h e das i m u l a t i n gm o d e lf o rl d p c - c o f d m c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dd i ds o m er e s e a r c ho fl d p c c o f d m s y s t e mi ns e v e r a la s p e c t s ： 1 ) t h ei n f l u e n c et o t h es y s t e mp e r f o r m a n c ea d a p t e dw i t hd i f f e r e n tc o d el e n g t h h 五邑大学硕士论文 2 ) t h ei n f l u e n c et ot h es y s t e m p e r f o r m a n c ea d a p t e dw i t hd i f f e r e n tc o d er a t e 3 ) t h ei n f l u e n c et ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ea d a p t e dw i t hd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n 4 ) t h ei n f l u e n c et ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ew i t hd i f f e r e n tm o d u l a t i o nm e t h o d a n dig e ts o m ec o n l u s i o n sf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ：t h eb e rp e r f o r m a n c eo f t h e l d p c c o f d ms y s t e mw i l lb ee x c e l l e n ti f w ec h o o s ec o d el e n t h , c o d er a t e ，c o d el e n g t h ，m o d u l a t i o n t y p ea n di n t e r w e a v et e c h n o l o g yr e a s o n a b l y , a n di ti ss p e c t i a l l ys u i t a b l et oe x t e n dt ou t i l i z ei nt h e f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：o h ) m ；l d p c ；m u l t i p a t h f a d i n g ；e r r o rc o r r e c t i o nc o d i n g ；l d p c - c o f d m i i i 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成。在完成论文时 所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者：莫志刚 签字：爱，s l 司1 1么i u i 2 0 0 8 年4 月5 旷 五邑大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 低密度校验( l d p c ：l o wd e n s t yp a i r t yc h e c k ) 码和正交频分复用o f d m 口1 ( 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 ) 是未来无线通信提高通信质量和数据 传输速率的两大关键技术。本文将重点对l d p c 码的构造进行深入研究，并进一步结合o f d m 系统探讨适用于未来宽带无线通信的有效l d p c o f d m 方案。 o f d m 是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流经过串并变换后变为多个低 速率码流，每个码流用不同子载波发送。o f d m 技术不使用带通滤波器来分隔子载波，而 是通过快速傅立叶变换( f f t ) 来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。 由于o f d m 技术具有非常高的频谱利用率和很强的抗多径干扰的能力，近年来在移动 通信领域倍关注。o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进 对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠， 从而减小了子载波间的相互干扰。o f d m 每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波 能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 0 a m 、6 4 q a m 等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。o f d m 技术使用了自适应调制，根 据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。o f d m 还采用了功率控制和自适应调制相协调 工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式( 如6 4 q a m ) ，或者在低调制 方式( 如q p s k ) 时降低发射功率。 o f d m 技术采用一种不连续的多音调制技术，载波的不同频率，使大量信号合并成单 一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此 常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中，因此o f d m 技 术也被认为是b e y o n d 3 g 甚至是4 g 移动通信系统的核心技术。 信道编码技术可以带来编码增益，节省宝贵的功率资源，已经成为现代数字通信系 统中必不可少的关键技术，而c o f d m 就是将信道编码和o f d m 技术结合起来的一种传输方 案。在数字信号的传输过程中，由于各种原因传送的数据流中总是会产生误码，从而使 接收端产生一些与期望不符的现象。而通过信道编码这一环节，可以对数据流进行相应 的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，从而进一步保护传输数据。目前己 五邑大学硕士论文 被成功应用于c o f d m 系统中的信道编码技术有卷积码、r s 码、t u r b o 嘲等等。 1 2l d p c g o f d m 的国内外研究现状 目前，o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的d a b 系统 使用的就是o f d m 调制技术，它明显改善了移动中接收无线广播的效果。用于d a b 的成套 芯片的开发正在一项欧洲发展项目中进行。它将使o f d m 接收机的价格大大降低，市场前 景非常看好。当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调试技术中就有o f d m 技 术。 欧洲h d t v 传输系统己经采用了c o d e d - o f d m 即编码o f d m 技术，它具有很高的频谱利 用率进一步提高抗干扰能力，能够满足电视系统的传输需求。随着人们对通信数据化、 宽带化、个人化以及移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的 应用。随着d s p 芯片技术的发展，傅立叶反变换、格状编码技术、软判决技术、信道自 适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中精力 开发o f d m 在移动通信领域中的应用，现在3 g 、b e y o n d 3 g 甚至是4 g 移动通信的主流技术 就是o f d m 技术。此外，o f d m 还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术， 最大程度地提高物理层信息传输地可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动 态等原因越来越受到人们的关注。子载波分配、动态比特分配等技术，其性能可以进一 步提高。总之，研究o f d m 技术有着巨大的应用前景。 1 9 9 9 年i e e e 通过的无线局域网标准i e e 8 0 2 1 l a ，其中采用了o f d m 调制技术并将其 作为其物理层标准。欧洲电信标准协会( e t s i ) 的宽带射频接入网的局域网标准也把o f d m 定为它的标准调制技术。1 9 9 9 年1 2 月，包括e r i c s s o n 、n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司 发起了国际o f d m 论坛，致力于策划一个基于o f d m 技术的全球性统一标准。 1 3 本论文的研究意义 近年来，一种新的信道编码方案l d p c 码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ，低密度奇偶校 验码) 引起了人们的注意。l d p c 码是g a l l a g e r 最早于1 9 6 2 年提出的一种具有疏校验矩阵的 线性分组码，亦称g a ll a g e r 码。之后，在t u r b o 码研究的巨大成功带动下，m a c k a y 等人重 新研究了l d p c 码，并发现它具有非常好的特点：其性能不仅逼近香农极限，而且描述和实 现简单，易于进行理论分析和研究，译码简单且可实行并操作，适合硬件实现。 2 五邑大学硕士论文 虽然t u r b o 码在3 g 通信标准中获得了主导地位，但是与t u r b o 码相比，l d p c 码有 三个明显的优势： 首先，l d p c 码具有一套较为系统的优化设计方法、更强大的纠错能力和更低的地板 效应。 其次，由于l d p c 码迭代译码算法为并行算法，可以实行完全并行的操作，便于硬 件实现，延时远远小于t u r b o 码的串行迭代译码算法。 第三，l d p c 码本身即有抗突发差错的特性，不需要引入交织器，避免了可能带来的 时延。这些优点使得l d p c 码在信道条件较差的无线移动通信中展现出了巨大的应用前 景，非常适合于在未来的移动通信系统中实现。 现在许多正在拟定的通信标准都更多地关注着l d p c 码，例如卫星通信标准d v b - 一 s 2 已经采纳l d p c 码作为前向纠错码。我们相信l d p c 码具有巨大的应用潜力，将在光 纤通信、卫星数字视频和声频广播、磁舢全息存储、移动和固定无线通信、电缆调n 解调器和数字用户线( d s l ) d f l 得到广泛应用。 l d p c 码以其优异的性能、简洁的形式及良好的应用前景日益倍受青睐，可以应用于 空间通信、光纤通信、个人通信系统、a d s l 和磁录设备等。已有的研究表明，l d p c 码在 具有实用意义的解码复杂度下有着接近香极限的性能，因此，基于l d p c 码的c o f d m 系统性 能进行深入研究具有重要理论意义和实用价值。 1 4 论文各章节内容安排 本文主要工作是将l d p c 码应用于0 f d m 系统中，构建了l d p c - c o f d m 系统的简化模型， 并分别对不同码长、不同编码规则、不同的码率以及不同调制方式的系统的误比特率性 能进行了仿真与比较，并从中分析了影响该系统性能的因素，从中获得了一定的研究成 果。 本文共分六章： 第一章绪论。先介绍了题目来源和研究背景，接着对l d p c 码与0 f d m 技术及在国内 外的研究状况进行了简单的介绍： 第二章详细介绍0 f d m 技术的原理、0 f d m 的技术优势、以及实现方法。同时，指出 了0 f d m 技术存在的不足以及0 f d m 系统中编码技术的应用。 第三章介绍了移动信道的特点，移动信道的数学模型，为后续在不同信道中做仿真 五邑大学硕士论文 给出了理论基础。 第四章l d p c 码的结构和编码。l d p c 码的结构和编码。先介绍了l d p c 码的定义以及 如何用二部图来表示，简要概述了几种比较常见的编码方法，介绍了使用 t a n n e r 图和节点度分布函数来描述l d p c 码的方法。最后着重解释了低密度 奇偶校验码的编码及译码原理。 。 第五章构建了本文所提出的l d p c c o f d m 系统的简化模型，并且对不同的构建的系统 模型性能进行了仿真，并对不同的仿真结果做了相应的分析，随后对整个 l d p c - c o f d m 系统做出了全面的性能分析和研究。 第六章结束语 4 五邑大学硕士论文 第二章正交频分复用( o f d m ) 技术 2 1o f d m 系统的发展过程及现状 正交频分复用调制( o f d m ) 的概念可追溯到2 0 世纪6 0 年代提出频带混叠的多载波 通信方案，其思路是选择相互之间正交的载波作子载波，也就是我们所说的o f d m ，这种 “正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，o f d m 既能充分利用信道 带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。o f d m 是一种特殊的多载波通信方案， 单个用户的信息流经过串并变换后变为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发 送。但早期的o f d m 系统因其结构复杂限制了其进一步推广。7 0 年代，人们提出采用离散 傅氏变换( d f t ) 实现多载波调制，由于f f t 和i f f t 易用d s p 实现，所以此时o f d m 技术 开始走向实用化。o f d m 技术不使用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换， 来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形，0 f d m 技术属于多载波调制技术。 o f d m 作为一种宽带无线传输技术的优势很突出，由于o f d m 具有抗多径能力强、频谱 利用率高的优点，使它受到广泛关注，o f d m 技术已被欧洲的数字电视标准d v b - t 和数字 音频广播( d a b ) 标准所采纳，近年来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，加 上o f d m 技术具有非常高的频谱利用率和很强的抗多径干扰的能力，近年来在移动通信领 域倍受关注。o f d m 已被视为第四代移动通信最具竞争力的传输技术。第四代移动通信技 术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力，它包 括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动 通信标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台 和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网，能够提 供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。要实现第四代移动通信系统提出的目标， 将会遇到诸如怎样确保第三代移动通信系统实现平滑过渡的问题。更为重要的，是如何 利用有限的无线频率资源、在恶劣的信道环境中，实现高速率、高质量的多媒体综合业 务传输，即，如何解决现有频率资源紧张与确保大容量信息的高稳定性、高可靠性与高 质量传输等问题。另外，在高频段进行高速移动通信，将面临严重的频率选择性衰落。 因此，为提高信号性能，必须研究和发展智能调制和解调技术，以更有效地抑制这种衰 落。 o f d m 作为多载波通信的一种，它采用并行传送方式，具有信道利用率高，抗脉冲噪 5 五邑大学硕士论文 声能力强和抗多径衰落，适合高速数据传输等特点。然而，o f d m 仍然存在一些固有的问 题，阻碍o f d m 成为建立成熟的第四代无线通信系统的基础，影响其在无线通信领域的深 入发展。这些问题包括：对载波的相移及时钟取样( 同步) 的误差比单载波系统的要敏 感；相关解调对信道估算要求严格；同时o f d m 信号的“峰值和平均值的功率比”较高( 即 具有比较大的动态范围要求) ，所以对放大器的线性要求也较高。这些问题必须彻底解决 才能使o f d m 成为一种实用的、经济的、能解决多径干扰的数据传输技术。 o f d m 技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术。无线信道的频率响应曲线大多 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，从而有效的抑制无 线信道的时间弥散所带来的i s i 。这样就减少了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不 采用均衡器，仅通过插入循环前缀的方式消除i s i 的不利影响。由于在o f d m 系统中各个 子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相 互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 方法来实现，随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f i 都是非常 容易实现的。f f t 的引入，大大降低了o f d m 的实现复杂性，提升了系统的性能。 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链 路的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考 虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而o f d m 容易通过使用不同数量的子信道来 实现上行和下行链路中不同的传输速率。o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利 用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后 的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。o f d m 每个载波所使用的调制方 法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如b p s k 、q p s k 、 8 p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。o f d m 技术使 用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。o f d m 还采用了功率控制 和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式( 如 6 4 q a m ) ，或者在低调制方式( 如q p s k ) 时降低发射功率。 o f d m 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，通信路径传送数据 的能力会随时间发生变化，o f d m 能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保 证持续地进行成功的通信。该技术可以自动地检测传输介质的基础上确定哪一个特定的 载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进 6 五邑大学硕士论文 行成功通信。o f d m 技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及 将信号散播的地区、高速的数据传播及播音都希望删除多径影响地方。 由于无线信道存在频率选择性衰落，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况 中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信 道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响小部分子载波，因此o f d m 系统在某种程 度上抵抗这种干扰。另外，同单载波系统相比，o f d m 还存在一些缺点，比如易受频率偏 差的影响和存在较高的p a p r 。o f d m 技术有非常广阔的发展前景，i e e e s 0 2 1 l a 、 i e e e 8 0 2 1 1 9 标准为了支持高速数据传输都采用了o f d m 调制技术。目前，o f d m 结合时空 编码、分集、干扰( 包括符号间干扰i s i 和邻道干扰i c i ) 抑制以及智能天线技术，最大 程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、 动态比特分配算法等技术，其性能将得到进一步提高。 2 2o f d m 技术主要优缺点： 1 、在窄带带宽下也能够发出大量的数据。o f d m 技术能同时分开至少1 千个数字信号， 而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上己经开始流行的 c d m a 技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力，使得 o f d m 技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎。 2 、把高速速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对 增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的i s i ，减少了接收机内均衡的复 杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而通过插入循环前缀的方法来消除i s i 的不利影响。 3 、频谱利用率高。o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护 频带分离子信道的方式，提高了频谱利用效率。再者，适合高速数据传输。o f d m 自适应 调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当 信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强 的调制方式。还有，无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要 远远大于上行链路中的数据传输量。这就要求物理层支持非对称高速数据传输，而o f d m 容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 4 、通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了 信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信 道联合编码则可以使系统性能得到提高。 7 五邑大学硕士论文 5 、o f d m 技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号 散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。可以 有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道 中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的 信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。 6 、实现简单，各个子信道的正交调制和解调可以通过i f f t 和f f t 的方法来实现。随 着大规模集成电路技术和d s p 技术的发展，i f f t 和f f r 都是非常容易实现的。 7 、信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数 很大时，系统的频谱利用率趋于2 b a u d h z 。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，其输出信号是多个子信道的叠加，因此 与单载波系统相比，存在如下的缺点： 1 、易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱互相覆盖，这就对它们之间的正交性提 出了严格的要求，由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发 射机与接收机本地振荡器之间存在的偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破 坏，仅仅1 的频偏移就会使信噪比下降3 0 d b 。因此，o f d m 系统易于受频偏移和相位噪声 的影响，导致子信道间干扰，每个子载波上的数据都将遭受其余子载波上的数据的干扰， 使解调性能大大恶化，与单载波系统相比，在下降同样的信噪比条件下，o f d m 的频率偏 移只能是单载波系统的频率偏移的几十分之一或几百分之一。 2 、存在较高的峰值平均功率比( p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 咖。多载波系 统的输出是多个子信道的叠加，一次如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的 瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致高的峰值平均功率比，这就对发射机内放 大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号的畸变，使系统的性能恶化。 2 3o f d m 系统的关键技术 与下一代移动通信系统相关的o f d m 系统的关键技术主要有以下几个方面： 2 3 1 时域和频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移敏感度很高，特别是实际应用中与f d m a 、t d m a 和c d m a 等多址方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。与其他数字通信系统一样，同 步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号， 8 五邑大学硕士论文 所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必 须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带 信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同 步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。 2 3 2 信道估计 在o f d m 系统中，信道估计其的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。由于无 线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送：二 是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选 择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式 有关。 2 3 3 信道编码和交织 为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道 中的随机错误，可以采用信道编码：对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术。实 际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在o f d m 系统中， 如果信道衰落不是太严重，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为 o f d m 系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息己经被o f d m 这种调制 方式本身所利用了。但是，o f d m 系统的结构却为子载波间进行编码提供了机会，形成c o d e d o f d m 即c o f d m 方式。前向的信编码可以采用多种码编码技术，如分组码、卷积码、t u r b o 码以及l d p c 码，本文主要采用l d p c 的编码方式。一般来说，卷积码的效果要好于分组 码，l d p c 码的效果要好其他各种码。因此，在各种信道编码方式中，性能优异的l d p c 码无疑是一种较好的选择。 2 3 4 降低功率峰值与均值比 由于o f d m 信号时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当这n 个信号恰好均以峰 值相加时，o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的n 倍。尽管峰值功率 出现概率较低，但为了不失真的传输这些高速率的o f d m 信号，发送端对高功率放大器 ( h i g hp o w e ra m p li f i e r ，h p a ) 的线性度要求很高，从而导致发送效率极低，接收端对前 端放大器以及模数变换器的线性度要求也很高。因此高的p a p r 使得o f d m 系统的性能大 大下降，甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术， 9 五邑大学硕士论文 信号扰码技术和基于信号空间扩展技术等来降低o f d m 系统的功率峰值与均值比。 2 3 5 均衡 在一般的衰落环境下，o f d m 系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的 实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而o f d m 技术本事已经利用了多径信道的分集特性， 因此在一般情况下，o f d m 系统就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道记忆长度 很长，循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的长度必须很长，才能够使1 s 1 尽量不出现。但是， c p 长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考 虑加均衡器以使c p 的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性来换取系统频带利用率的 提高。此外，o f d m 与时空编码、智能天线等技术的结合也倍受关注。 2 4o f d m 基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波传输技术，它具有良好的抗噪声性能、抗多径干扰能力以 及高频谱利用率，适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。 o f d m 的基本原理是将单个的高速数据流在一组低速正交子载波上并行传输。对于低 速并行子载波，符号周期是增加的，由多径时延引起的时间扩展将相对减小。这意味着， 频率选择性衰落已被转化为平衰落信道。为了消除多径信道引起i s i ，需要在每一个o f d m 块中引入保护间隔。保护间隔的长度应大于信道的最大多径时延，从而使前一个o f d m 块 的延时拷贝不会影响下一个o f d m 符号块。然而，保护间隔的引入破坏了载波间的正交性， 使得不同子载波相互交叠，形成i c i 干扰。为了解决这一问题，可以将o f d m 符号循环扩 展到保护间隔中，构成循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) ，如图2 一l 所示。 原始信号 循环前缀 时间 时间 图2 - 1 带循环前缀的o f d m 符号 这样，只要信道的最大时延小于c p 的长度，便可以同时解决由多径信道引起的i s i 1 0 五邑大学硕士论文 和i c i 问题。如果接收机的符号定时存在误差，但仍能保证d f t 窗口在这个符号以内， 那么定时误差只会使解调结果中带有附加相移，并不会破坏子载波之间的正交性。从图 2 2 中可以看到不论哪一种调制方式下，只要最大时延时间小于保护带长度，那么就可以 有效地避免错误的发生。当最大时延时间大于保护带长度时，误比特率会呈指数上升。 图2 - 2 不同时延对误码率的影响 假设o f d m 系统的子载波( 子信道) 个数为n ，带宽为wh z ，符号长度为t ，同时，假设是 第l 个o f d m 符号所承载的数据( 已调制) ，那么，第l 个o f d m 符号的基带信号可以表示 为： | = ， ( f ) = ，西( ，一，丁) ( 2 1 ) ，皇o 设输入数据序列多载波信号s ( t ) 可写为如下复数形式： s ( f ) = = 以( f ) p 脚( o ，r ) ( 2 2 ) 其中，q = t o o + 七a r o 为第k 个载波频率以( ，) 为第k 个载波上的复数信号，在一个符号 周期内d k ( t ) 为定值，即d k ( t ) = 以，信号采样点个数为，则第刀点的表达式为： 五邑大学硕士论文 s ( 刀矿t = 以p j ( o j o + k a o j ) n 吾 ( 2 3 ) 一个符号周期丁内含有个采样值，即每点之间的时间间隔为常数址= 专。不失一般性， + c o o = 0 ，则 。 s ( 二血) ：噍e 肚砖 ( o 刀一n ( 2 4 ) 将其与d f t 形式( 系数忽略) x ( 甩) = = x ( 尼) p 百扫( o 刀一1 ) ( 2 - 5 ) z 石 比较，可以看出，若把巩看作频域采样信号，s ( 刀& ) 为对应的时域信号，当a e a = 等， 即矽= 7 1 时，两式等价。加入保护间隔之后基于f t 的o f d m 系统图如2 3 所示。 图2 - 3 加入保护间隔，利用i d f t d f t 实施的0 f d m 系统图 由此可知，若载波频率间隔为1 t ，则o f d m 信号不但保持了正交性