（信号与信息处理专业论文）基于多用户mimoofdm系统资源分配的优化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 o f d m 在克服频率选择性衰落方面有着明显的优势，m i m o 技术能够提供 明显的分集增益或者系统容量的增加，因此，两者的结合使得无线通信系统在 获得更低的b e r 以及取得更高的数据速率两个方面有着明显的优势。在m i m o o f d m 系统中，不同的信道经历的衰落不同，其具有不同的传输能力，因此， 如何根据信道特征自适应地分配系统资源( 比特、功率等) 是其关键技术之一。 m i m o 与o f d m 的结合使得系统复杂度有所增加，从而导致设备成本的增加， 这也是m i m o o f d m 系统的主要缺陷之一。 本文主要研究m i m o o f d m 系统中资源分配问题，并将天线选择技术融入 m i m o o f d m 系统的接收端对系统进行综合优化。论文由两部分组成：第一部 分研究无天线选择的多用户m i m o o f d m 系统的比特、功率分配，通过奇异值 分解，将m i m o 系统分解成为相互独立的并行子信道，m i m o o f d m 系统就 简化为多个s i s o o f d m 系统，在现有的s i s o o f d m 系统的自适应资源分配 技术的基础上，基于边值自适应算法，设计一种优化方法，目标是在总发射功 率和数据速率受限的条件下最小化系统的误比特率。该算法旨在根据用户需求， 使多用户共用的子载波、功率和比特资源在各个用户之间得到合理和公平的分 配。算法主要经过子载波分配、功率分配以及自适应调制三个步骤。由于不需 要进行阵列处理和信道估计即可得到所需的c s i ，该算法大大降低了计算与结构 的复杂度。第二部分在第一部分的基础上进一步优化系统，在原有多用户m i m o o f d m 系统的接收端引入天线选择技术。以信道估计得到的功率大小为选择准 则，从m ，个接收天线中选择l 个符合要求的天线分支进行信号处理。该准则 能够保证以较低的计算复杂度选择出所需的天线。通过仿真证明方案是可行的。 关键词：o f d m ；m i m o ；天线选择；多用户m i m o o f d m ；资源分配 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o f d mi sap o w e r f u lt e c h n i q u ee m p l o y e di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c o m b i n e d 、析t hm i m om u l t i p l ea n t e n n a sa sw e l la sa d a p t i v em o d u l a t i o n ，i ti sp r o v e n t ob er o b u s ta g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v i t yf a d i n ga n dm u l t i - p a t hd e l a ys p r e a d i n m i m o o f d ms y s t e mo v e rm o b i l ef a d i n gc h a n n e l s ，e a c hs u b c h a n n e lh a sd i f f e r e n t c h a n n e lc a p a c i t yb e c a u s eo fi n d i v i d u a la t t e n u a t i o n t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tf o ra m i m o o f d ms y s t e mt oa d a p t i v e l ya l l o c a t er e s o u r c e s ( b i t s ，p o w e r e t c ) a c c o r d i n gt o e a c hs u b c h a n n e l sf e a t u r e s t h i st h e s i s sm a i n w o r ki ss t u d y i n go na d a p t i v er e s o u r c e a l l o c 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 m t h et h e s i si sc o n s i d e r e di nt w os t a g e s t h ef i r s ts t a g ei n v o l v e st h ea p p l i c a t i o no f b i t sa n dp o w e ra l l o t a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e mw i t h o u ta n t e n n as e l e c t i o n b y u s i n gt h es v d t os e p a r a t et h em i m oc h a n n e li n t op a r a l l e ls u b c h a n n e l s ，t h em i m o o f d ms y s t e mc a nb es i m p l i f i e di nt os i s o - o f d ms y s t e m o nt h eb a s e so ft h e c u r r e n tg r e e d ya l g o r i t h mf o rc h a n g e a b l eb e rb a s e do nm a r g i na d a p t i v ep r i n c i p l e ，a n e f f i c i e n tr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o ra n t e n n aa r r a yo f d ms y s t e m a i m i n ga tm i n i m i z i n gt h eb i te r r o rr a t eu n d e rac o n s t r a i n to ft h et o t a lt r a n s m i t sp o w e r a n dd a t er a t e b yi n t r o d u c i n gp r o p o r t i o n a lr e s o u r c ea l l o c a t i o nc o n s t r a i n t st ot h e t r a d i t i o n a lm a r g i na d a p t i v ea l g o r i t h m ，t h es u g g e s t e da p p r o a c hc a nf a i r l ya l l o c a t et h e s u b c a r r i e r s ，t h ep o w e r s ，a n dt h ed a t ab i t sa m o n ga l lt h eu s e r s t h es e c o n ds t a g e d i s c u s s e st h ea d a p t i v ea l l o c a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e m sb yi n t r o d u c i n ga n t e n n a s e l e c t i o no nt h es i d eo fr e c e i v e r t a k i n gt h ep o w e ra p p r o a c h e df r o mc h a n n e l e s t i m a t i o na st h ej u d g m e n t ，c h o o s elo u to fm ，a n t e n n a sf o rs i g n a lp r o c e s s i n gc a n r e d u c et h ec o m p l e x i t y t h es i m u l a t i o ns h o w st h ep r o p o s e ds c h e m ei nt h i st h e s i si s f e a s i b l e k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，m u l t i - u s e rm i m o o f d m ，a n t e n n as e l e c t i o n ， r e s o u r c ea l l o c a t i o n i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：习鳖芷日期：逊：! ! ：丝_ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章中首先介绍论文的研究背景和研究的意义，然后介绍相关领域的研究 现状以及本文的主要研究内容。 1 1 快速发展的移动通信技术 随着社会的发展，移动通信技术也有了长足的发展，无线通信与个人通信 在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从f d m a 到c d m a 的巨大发 展。随着移动通信业务的飞速发展、用户数量的剧增、人们对多媒体业务的更 多需求，并且由于第三代移动通信技术存在的不足，比如：很难达到较高的通 信速率、所能提供服务速率的动态范围不大、不能满足各种业务类型要求、分 配给3 g 系统的资源趋于饱和等，因此需要更好的移动通信技术来弥补3 g 的不 足，于是第四代移动通信技术应运而生。 4 g 移动通信系统在业务上、功能上、频带上都将不同于第三代移动通信系 统。作为第四代移动通信技术，国际电信联盟已经研究指定了4 g 系统标准：高 速速据传输，根据移动速度支持各种传输速度( 3 小时：1 0 0 m b p s ，6 0 k m 小时：2 0 m b p s ，1 2 5 k m j 、时：2 m b p s ) ；以i p 为基础的无线接续，支持q o s ， 以及一下的要求川： ( 1 ) 数据要从2 m b s 提高到10 0 m b s ，移动速度要求从步行到车速，对全 速移动用户能提供1 5 0 m b s 的高质量的影音服务。 ( 2 ) 个人通信、信息系统、广播和娱乐等各项业务结合成一个整体，提供 更广泛的服务和应用；系统使用更加安全方便。 ( 3 ) 满足3 g 尚不能达到的覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率 多媒体服务的需要。宽度无线局域网( w l a n ) 应能与b i s d n 和a t m 兼容， 实现宽度多媒体通信，并形成综合宽度通信网( i b c n ) 。 ( 4 ) 各系统如i m t - 2 0 0 0 、w l a n 、b w a 、卫星、广播之间满足无缝的业务 支持，并支持全球漫游。 ( 5 ) 支持多重模式、支持对称非对称业务。 同时，4 g 系统能提供更高的数据传输速率和频谱利用率，有更好的安全性、 武汉理工大学硕士学位论文 智能性和灵活性，更好的传输质量和服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) ，更低 的传输成本【2 】。从技术角度讲，主要有四种因素影响4 g 系统的集成度、灵活性 和有效性【3 】，分别是：无缝隙链接、高性能的物理层、灵活和自适应的多址接入 和应用适配。 在未来的宽带无线通信系统中，需要主要解决两个问题：带宽效率和多径 衰落信道。多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术能够在不增 加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善，而正 交频分复用( 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 ) 技术能够有效 的对抗多径传播、很好的解决频率选择性衰落信道中的抗干扰问题。这样，将 o f d m 和m i m o 两种技术相结合，能具有高效的频谱利用率，可以有效改善系 统性能，实现很高的传输速率，通过分集提高网络的覆盖范围和可靠性。但由 此产生的资源分配问题成为现在乃至未来的宽带无线通信系统中存在严峻的问 题之一。如何提高系统容量和降低系统误码率，成为现在宽度通信接入研究的 重要课题之一。 m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样 就有效地提高系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。 空时编码是m i m o 的基本问题之一，早期的空时编码的研究主要集中在基于 m i m o 系统的空时分组码，其编码和解码结构与算法简单，能提供全额空间分 集增益。o f d m 技术能够通过动态数据分配和动态子信道分配来充分利用信噪 比比较高的子信道，从而提升系统性能，尤其是在对抗深衰落的方面有着较的 优势。 天线选择技术是通过一定的选择准则在m i m o 系统的发射端或接收端的天 线进行针对性选择，从而在保持多天线系统中较高的频谱利用效率和较高的可 靠性的同时，降低系统的复杂度和成本。所以如果可以联合天线选择和m i m o o f d m 资源分配技术，必定会克服各自技术的缺点，降低系统的复杂度，保证 数据在环境恶劣的移动通信环境中高效快速的传输，从而大幅度的提高系统容 量和降低系统误码率。 1 2m i m o o f d m 资源分配现状及面临问题 无线信道的频率选择性衰落会导致o f d m 系统中不同的子信道经历不同的 衰落，也就是说不同的子信道具有不同的传输质量，如果平均分配数据比特和 2 武汉理工大学硕士学位论文 功率，则要根据衰落最厉害的子信道来分配，这样就会造成一定的浪费，因此 将自适应资源分配技术应用于o f d m 系统，根据各子信道的特征动态地分配数据 比特和功率：在信道增益好的子信道上多分配一些数据比特，在信道衰落厉害 的子信道上少分配一些数据比特，可以达到提高系统性能的目的。而且像o f d m 系统这样的多载波调制系统可以根据每个子信道上不同的比特数来选择不同的 调制方案，这样可以更好地提高系统性能。对于多用户m i m o o f d m 系统首先 要根据各个用户的需求来分配子信道，在为每个用户分配子信道后就要在相应 的子信道上分配传输比特和发射功率。 到目前为止，已经有很多关于自适应资源分配的方法，这些方法可以分为 两类：边值自适应( m a r g i n a d a p t i v e ，m a ) 和速率自适应( r a t e a d a p t i v e ，r a ) 。 边值自适应即在传输速率和误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 约束条件下达到发射 功率最小；速率自适应即在发射功率约束条件下达到传输速率最大。c h o w 提出 经典的基于信道s n r 的比特、功率分配算法。j o r g ec a m p e l l o 提出分别基于m a 优 化准则和r a 优化准则的算法，在每次分配时都选择多分配1 比特数据功率增加最 少的子信道进行分配。注水算法是解决单、多用户o f d m 系统的子载波、比特和 功率分配的最优方法，但是注水算法是一个非线性求解的问题，有很高的复杂 度，在实际应用中，常以牺牲一部分性能为代价来降低其计算复杂。w o n g 等人 提出联合的子载波、比特和功率的迭代分配算法，用拉格朗日乘子来解决m a 最 优化，这是个很复杂的算法，要求进行大量的循环，是个非线性问题，在用户 数、子信道数很大时需要很高的计算量。在文献1 5j 中，在整数比特约束下将该 非线性问题转化为线性问题，但是复杂度也会随着比特数的增加而增加。d i d e m 等提出著名的多用户贪婪算法，将问题分为两步：首先，依据各用户的平均s n r 确定每个用户的应分得的子载波数，然后，找出最适合于各用户的子载波进行 分配。文献m j 提出基于相对比特数和相对利用度的子载波分配算法，虽然计算 复杂度较小，但在用户数、子载波数多时计算量很大。文酬1 4 】提出一种低复杂 度的子载波、功率分配算法，在子载波分配时优先考虑总发射功率最小的用户。 1 3 本文的研究内容 本文主要研究m i m o o f d m 系统中资源分配问题，并将天线选择技术融入 m i m o o f d m 系统的接收端对系统进行综合优化。文章由两部分组成：第一部 分研究多用户m i m o o f d m 系统的比特、功率分配。方法是通过奇异值( s i n g u l a r 武汉理工大学硕士学位论文 v a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 分解，将m i m o 系统分解成为相互独立的并行子信 道，这样m i m o o f d m 系统就可以简化为多个s i s o o f d m 系统，在现有的 s i s o o f d m 系统的自适应资源分配技术的基础上，基于m a 算法，本文提出 一种优化方法，目标是在总发射功率和数据速率受限的条件下最小化系统的误 比特率。该算法的关键应用旨在根据用户需求，使多用户共用的子载波、功率 和比特资源在各个用户之间得到合理和公平的分配。第二部分在第一部分的基 础上进一步优化系统，在原有m i m o - o f d m 系统的接收端引入天线选择技术。 以信道估计得到的功率大小为选择准则，从m ，个接收天线中选择l 个符合要 求的天线分支进行信号处理。该准则能够保证以较低的计算复杂度选择出所需 的天线。通过仿真证明方案是可行的。 一个系统的优劣主要是依据q o s 和服务代价( c o s to f s e r v i c e ，c o s ) 两个 标准来判断，q o s 由误码率、数据速率来判断，c o s 由发射总功率来判断。m i m o o f d m 系统自适应资源分配的性能的好坏也是基于这两个标准来判断的。在本 文的研究过程中也将依此来判断自适应资源分配技术的性能。 1 4 论文的结构安排 本文共分为五章，具体安排如下： 第一章首先介绍课题的研究背景、目的及意义，然后阐述m i m o o f d m 系 统自适应资源分配算法的研究现状及存在的问题，最后介绍本文的主要研究内 容。 第二章在分别研究o f d m 和m i m o 系统的原理及其各自的特性的基础上， 对m i m o o f d m 系统的结构作分析，并阐述m i m o o f d m 系统自适应资源分 配算法的研究现状。 第三章研究多用户m i m o o f d m 系统的比特、功率分配。方法是通过奇异 值分解，将m i m o 系统分解成为相互独立的并行子信道，这样m i m o o f d m 系统就可以简化为多个s i s o o f d m 系统，在现有的s i s o o f d m 系统的自适 应资源分配技术的基础上，基于m a 准则，本文设计一种优化方法，目标是在 总发射功率和数据速率受限的条件下最小化系统的误比特率( m a 算法) 。该算 法的关键应用旨在根据用户需求，使多用户共用的子载波、功率和比特资源在 各个用户之间得到合理和公平的分配。对该系统进行仿真比较和分析。 第四章在对多用户m i m o o f d m 系统的比特、功率分配研究的基础上进一 4 武汉理工大学硕士学位论文 步优化系统，在原有系统的接收端引入天线选择技术。以信道估计得到的功率 大小为选择准则，从m ，个接收天线中选择l 个符合要求的天线分支进行信号 处理。该准则能够保证以较低的计算复杂度选择出所需的天线。通过仿真证明 方案是可行的。 第五章总结本文的主要工作和不足，提出今后需要继续研究的问题。 5 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章m i m o o f d m 系统 2 1o f d m 基本原理 o f d m 技术是多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 的一种。其 主要思想是：将信道分成许多正交子信道，将告诉的串行数据流分解成若干低 速的并行子数据流同时传输在相互正交的子信道上，在每个子信道上进行窄带 调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ， i c i ) ，同时又提高了频谱利用率。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽， 因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰( i n t e r - s i g n a li n t e r f e r e n c e ， i s i ) 。 2 2 1 多载波调制技术 针对信号在无线信道的传播特点，人们提出了m c m 技术。传统的并行多载 波系统把整个宽待分割后被送到子信道中，频带没有重叠，其频率利用率很低。 而多载波调制技术通过不同载波支路所占有的频段不同来实现多路传输。它把 高速率数据流分成多个低传输比特速率的数据流，用并行数据流去调制多个载 波。多载波调制的方式有多音频( m u l t i t o n e ) 、o f d m 等。 多载波技术的优点主要有 4 1 ： ( 1 ) 由于串并变换各子信道码片长度是原来的n 倍，这将有效降低多经 带来的码间串扰； ( 2 ) 子载波间的频谱重叠提供最优的频谱效率； ( 3 ) 传输函数在时域和频域几乎是恒定的，将得到较高的频域多径增益， 提高了系统容量。 多载波技术本身具有上述的优点，并且已经在很多领域得到了广泛应用， 目前人们对于这一技术的关心主要集中在它与其它技术的结合以及此项技术在 无线领域的应用。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2o f d m 和f f t o f d m 是一种多载波技术，其调制和解调是通过离散傅立叶反变换( i n v e r s e d i s c r e t ef l o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 和离散傅立叶变换( d i s c r e t ef l o u r i e rt r a n s f o r m d f t ) 来实现的。传统的频分复用( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 技术 中，每个子信道足不重叠的，为防止信道间的干扰，信道间还要加保护间隔， 导致频带利用率下降。与传统的f d m 技术不同，采用i d f t 实现调制的o f d m 中，子信道间不加保护间隔，因此可有效提高频带的利用率。如图2 1 所示， o f d m 中子信道频带是叠加的，但信号频谱在子载波频率处正好没有信道问干 扰，因此可采用d f t 实现解调p j 。 时域频域 图2 1 包含有4 个子载波的o f d m 信号频谱 o f d m 的接收机实际上是通过快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ， f f t ) 实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积 分，其他载波信号与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。又 采用一种被称为h o m e p l u g 的处理技术1 6 ，对所有将要被发送数据信号位的载波 进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。 设以( j j = 1 ，2 ，：，) 为个子载波频率，则一般的多载波已调信号在第f 个码 元间隔内可以表示成： n 。一- i 墨( ，) = 五( 七，t ) e x p ( i 2 7 r z t ) ( 2 - 1 ) k = 0 其中，五( 七，f ) 是信号在第i 个码元间隔内携带的信息，它决定了墨( ，) 的幅度和相 7 武汉理工大学硕士学位论文 位，一般情况下它们是只与码元标号有关的复常数，它们携带了要传输的信息； 为表述方便，在只需研究一个多载波信号码元的时候，常常省略码元标号i ；而 当子载波采用普通的q a m 或m p s k 调制时，与f 无关，从而将置( 七，) 简写成 x ( k ) ，根据上下文这样不会产生歧义。按上述约定，( 2 1 ) 式可以写成： s ( ，) = x ( k ) e x p ( i 2 7 r f k t ) ( 2 - 2 ) 经过细致地分析可以发现，上述多载波传输系统的调制解调都可以利用 d f t 实现，d f t 有著名的f f t ，使得多载波传输系统实现起来大为简化，特别 是利用f f t 实现的o f d m 系统，以其结构简单、频谱利用率高而受到广泛重视。 为确定子载波间的频率间隔，在此讨论接收端如何对信号解调。对接收信 号( 暂不考虑噪声和失真的影响) 以抽样率z 抽样，利用d f t 对抽样信号进行 解调。利用n 点d f t 可以计算出信号的第k 个频谱分量为： s ( k a f ) = s ( n f ，) e x p ( - j 2 r r n k n ) ( 2 3 ) 其中，s ( 七鲈) 是第k 个频谱分量；s ( n f , ) ( n = o ，1 ，2 ， ，n 一1 ) 是抽样信号； a f = z n 是d f t 的分辨率。为使d f t 正确计算出频谱，信号必须在点抽样 以外周期重复，当信号只含有该d f t 的谐波成分时，条件就满足。将t = n z 代 入式( 2 2 ) 得： s ( 刀z ) = x ( k ) e x p ( j 2 7 r f k n f ，) ( 2 - 4 ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 - 3 ) 得： s ( 七矽) = x ( 尼) e x p ( 2 万五，2 z ) e x p ( 一2 万力后) = x ( k ) xe x p ( 2 万五胛z ) e x p ( 一_ 2 万，z 七) = 篓删c 尝一争 p 5 ， 其中浙，加 留。 观察上式可以发现，当多载波已调信号的频率五= 等时，就有 s ( k a f ) = c x ( k ) ，其中c 为常数，就是说当各个子载波的频率为解调用的d f t 分辨率整数倍时，可以用d f t 对信号完成解调。 8 武汉理工大学硕士学位论文 从以上分析可知，为保证正确解调，x 在一个码元间隔内保持为常数是必 要的。当各个子载波的频率为解调用的d f t 分辨率整数倍时，可以用d f t 对多 载波已调抽样信号完成解调。特别地，当子载波的频率间隔为z n 时，由式( 2 4 ) 有： n l s ( n l ) = x ( k ) e x p ( j 2 z r ( k f 。n ) n f , ) k = 0 一l = x ( k ) e x p ( j 2 n n n ) ( 2 6 ) k = 0 上式恰为x ( 尼) ( | j = o ，1 ，2 ，一1 ) 序列( 将该序列简化记为x ( n ) ) 的i d f t ，即 当子载波频率间隔为z 时，多载波已调信号的时域抽样序列可以由i d f t 计 算出来。 携带信息的x ( ) 序列恰为多载波已调信号抽样序列的d f t ，参有f f t 实现 的多载波调制系统的调制是在频域上进行的。 由以上分析可知，多载波调制系统的调制可以由i d f t 完成，解调可以由 d f t 完成，由数字信号处理的只是可以知道，i d f t 和d f t 都可以采用高效的 f f t 实现。 2 2 3 正交性 o f d m 信号包含的各个子载波具有正交性，这种正交性司以从时域和频域 角度分别来理解。 在时域里，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 且各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正 交性，即【7 】： ；re x p ( 噱，) e x p ( 一歹，) 西= 韶= ( 2 7 ) 对上式中的第个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，有： 吒= 打r 唧( 啦万扣，崖n - 1 z e x p ( 砌；，沙 = 7 1 轳n - 1 t i t s + te 一( 伽孚( ) 卜 ( 2 - 8 ) 根据上式可以看到，对于第个子载波进行解调可以恢复处期望符号d ， 9 武汉理工大学硕士学位论文 而对于其他子载波来说，在积分间隔内，频差旱可以产生整数倍个周期，所 以其积分结果为零。 在频域内，其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子 载波频率上的函数的万卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s a ( f r ) 函数，这种函数 1 的零点出现在频率为圭整数倍的位置上。在每个子载波频谱的最大值处，所有 其他子载波的频谱值恰好为零。在对o f d m 符号进行解调过程中，需要计算这 些点上所对于的每个子载波频谱的最大值，因此，可以从多个相互叠加的子载 波符号频谱中提取处每个子载波符号，而不会受到其他子载波的干扰，因此也 就消除了i c i 。 2 2 4o f d m 系统的结构 信号在传输的过程中，信道中的多径传输会引起符号间的干扰i s i ，将会破坏 子载波问的正交性，使得接收机无法正确地提取各个子载波上的调制符号。因 此可以在每个o f d m 信号周期前插入一个保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ，保护 间隔要大于多径时延，在这段保护间隔内可以传输任何信号，即它是一段空闲 的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传输的影响，在一个f f t 周期内子 信道之间的周期数之差可能会不再是整数，这是就产生子信道间的干扰。为了 消除多径传输在成的i c i ，一种有效的办法是将原来宽度的丁的o f d m 符号进行 周期扩展，用扩展的信号来填充保护间隔，将保护间隔内的信号成为循环前缀 ( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 。图2 2 是o f d m 的系统结构框图。 信号i 1 串，并 输入h 交换 嚣羞h 簇输出h 转换 星座 映射 星座 解 映射 并串 转换 卑| 并 转换 图2 2o f d m 系统结构 1 0 插入 保护 间隔 ( c p ) 去除 保护 间隔 ( c p ) 数，模 转换 模，数 转换 信道 武汉理工大学硕士学位论文 其工作过程如下：输入的二进制信息比特首先经过串并( s p ) 转换变为 路并行比特流，各子信道上的信息比特数根据各信道的特征自适应地分配，然 后各子信道上的信息比特根据各自的调制方式( m p s k 或q a m ) 分别进行星座映 射，得到信号空间中的复数坐标，然后经过i f f t ，并串( p s ) 转换，加入c p ， 数模转换( d a ) ，送入信道进行传输。在接收端，信号首先经过模数( a d ) 转换，去除循环前缀，s p 转换，然后经过f f t ，得到每个子信道上的接收信号， 然后经星座逆映射到每个子信道上的接收比特，再经过p s 转换，最后得到串行 的接收比特流。 2 2 5o f d m 系统中几种关键技术 与传统的单载波系统相比，o f d m 系统本身可以有效地对抗i s i ，适用于多 经环境和衰落信道中的高速传输，它对多经传输中出现的频率选择性具有很强 的鲁棒性【8 】因为采用离散傅立叶变换来实现多载波调制，其复杂性大大降低， 更是促经了o f d m 技术的发展，而且由于子载波的正交性，o f d m 系统的信道 利用率很高，这一点在频谱资源有限的无限环境中很重要。可以证明，当子载 波数目很大是，系统的频带利用率趋于耐奎斯特极限【5 】。对o f d m 系统中几个 关键技术简要介绍如下： ( 1 ) o f d m 系统的均衡 在o f d m 系统中，如果数据速率较低，而且与信道的最大延迟相比符号持 续时间较长，那么就有可能无需任何均衡技术来处理i s i 。通信范围内在几百米 之内的无绳电话就属于这种情况。随着系统的通信距离和数据速率的增加，i s i 变得越来越严重，就必须借助于信道均衡技术【8 1 ( 2 ) o f d m 系统的同步 o f d m 系统中能采用i d f t 和d f t 来实现多载波调制，主要是利用其子载 波间的正交性，如果正交性无法保证，则必然引起子载波之间的相互干扰和符 号间干扰。所以系统的同步对o f d m 系统尤为重要。o f d m 的同步包括几部分： 定时同步、位同步、载波和相位的同步。其中载波的不同不对系统性能的影响 最大 9 1 。o f d m 系统对定时误差不敏感，因为定时误差可看作一种多径时延，而 o f d m 最到的有点就是抵抗多径能力较强。因此o f d m 对定时误差有较强的鲁 棒性。相位的偏差对每个信号都是一样的，因此如果采用差分编码，在接收端 采用差分检测，检测的信号时前后两个信号的相位差，就可以将相位偏差抵消 武汉理1 大学硕士学位论文 掉。如果系统在接收端采用相干检测，可在发射信号中插入向导信号，将相位 偏差估计出来，在接收端进行相位偏差的补偿以抵消相位的不同步。o f d m 信 号对频率偏差非常敏感，这是因为o f d m 系统中，载波频率的不同步，除了回 产生相位噪声，导致接收端信噪比下降外，还使子载波间的正交性被破坏，产 生子信道问干扰，因此在对接收信号进行d f t 解诃前，必须要估计出频率偏差， 并进行补偿。 ( 3 ) o f d m 系统的编码 前面已经指出，若无限信道是由很多传输路径组成的多径信息，且没有视 距路径( l i n eo fs i g h t ，l o s ) ，那么根据中心极限定理，调制后的o f d m 信号是 高斯分布的，相应地，多径传输路径的传输系数的幅度是瑞利分布的。由于这 个原因，一般采用c o f d m 系统 1 0 1 。c o f d m 实际上是将编码和o f d m 结合起 来的一种传输方案。利用时间和频率分集，o f d m 提供了一种在频率选择性衰 落信道中传输数据的方案。但是它本身并不能抑制衰减。由于频域中所处位置 的不同，不同的子信道收到的衰减也不同。这就要求采用信道编码进一步保护 传输数据。研究表明桫j ，在所有信道编码方案中，网格编码调制( t r e l l i sc o d i n g m o d u l a t i o n ，t c m ) 结合频率和时间交织被认为是频率选择性衰落信道中最有效 的方法，在误码率为1 0 巧时可取得3d b 的编码增益。 ( 4 ) o f d m 系统的峰平比控制 在基于d f t 的o f d m 系统中，所有调制器的输出都自动的联合加在一起， 然后，这个合并的信号被放大。这与原始的o f d m 系统不同，在最初的o f d m 系统中，是先对m o d e m 的输出进行放大，再将各个放大后的信号合并在一起。 这就使的基于d f t 的o f d m 系统对放大器的非线性敏感，因为合并后的信号具 有类似于高斯噪声的幅度特性。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，如果 放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会对信号带来畸变，是叠加的信号 频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之问的正交性遭到破坏。产生相互干 扰，是系统性能恶化。所以o f d m 系统要求进行峰平比控制。 ( 5 ) 自适应分配 在宽带移动o f d m 系统中，不同的子信道经受不同的信道衰落，因此具有 不同的传输能力。为了提高o f d m 的信息传送能力，人们对o f d m 资源的自适 应分配算法进行了广泛的研究。o f d m 系统的每一个子信道都有两个参数须要 决定，即发送功率和数据传输速率。在各个子信道之间有效地分配功率和数据 武汉理1 = 大学硕士学位论文 就可以提高系统效率【5 】。此类有效地进行功率和数据分配的算法也称为加载算 法。 如前所述，o f d m 系统是一个典型的多载波传输系统，这就为其创造了在 信道及比特分配方面的优越性。系统本身就是由多个正交的信道组成的，使得 信道的分配很直观，另外一般的o f d m 系统的调制都是由i f f t 实现的，而i f f t 的每个并行输入端正好对应了不同的频点，也就正好对应了不同的信道，这又 使得信道分配问题非常容易实现。至于比特分配问题，o f d m 系统中各个子信 道相互正交独立，各信道之间可以采用独立的调制方式，就为实现比特分配问 题带来了方便j 。 2 2 6o f d m 的应用前景 对现阶段o f d m 技术的主要应用，在此简约归纳介绍于以下几个方面： ( 1 ) o f d m 在数字声音广播中的应用 数字声音广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 是近几年发展的继调频调 幅之后的新一代广播体制。9 0 年代初，欧洲提出了用正交频分复用进行数字地 面广播的方法，以取代传统方法中复杂而昂贵的自适应均衡器，并成功的应用 于e u r e k a 1 4 7 工程中。采用了c o f d m 信道编码技术的d a b 系统，具有节 目质量高，可单频组网，抗干扰能力强，频谱利用率高等优点，是下一代的主 流广播体制。在欧洲，英国，瑞典，德国，法国的先后进行了d a b 试播，我国 也己建成了d a b 实验台和先导网。 ( 2 ) o f d m 在高清晰度电视中的应用 固定高清晰度电视( h i 幽d e f i n i t i o nt v , h d t v ) 以地面广播为主，与d a b 不同的是，h d t v 接收机是固定的，所以基本上不存在多普勒频移，但其传输 速率更高( 大于6 m 秒) ，受多径衰落的影响更为严重。采用o f d m 技术可以容 易地解决这些问题。c o f d m 传输系统于1 9 9 3 年被欧洲正式采用，由于它对各 种地面传输干扰有较强大的抵抗能力，已被越来越多的国家认可。在欧洲d v b t 已被作为h d t v 的标准。我国在h d t v 领域也历来重视对c o f d m 传输方案的 研究。我国在8 0 年代中期就开始研究c o f d m 传输方案的设计和计算机模拟。 ( 3 ) o f d m 在无线l a n 中的应用 在新一代w l a n 技术标准，美国的i e e e 8 0 2 1 1 a 和欧洲e t s i 的h i p e r - l a n 中，均采用了o f d m 技术。i e e e8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频带，采用o f d m 调制 武汉理工大学硕士学位论文 技术，速率可大5 4m b i t s 。h i p e r - l a n 物理层应用了o f d m 和连路自适应技术， 媒体接入控制( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层采用面向连接、集中资源控制的 t d m a t d d 方式和无线a t m 技术，最高速率达5 4m b i t s ，实际应用最低也能 保持在2 0m b i t s 。w a l n 中的o f d m 系统模型中除了有编码器、调制器、串并 转换、f f t f f t 变换器、射频放大器以外，o f d m 系统还需发送训练序列对信 道进行估计、系统同步、功率控制、子信道分配、比特分配等前导序列。工作 在5 g h z 频段的无线l a n 系统通过使用不同的调制和编码技术支持可变速率。 目前采用b p s k 、q p s k 、16 q a m 、6 4 q a m 可支持6 5 4m b i t s 的传输速率。 ( 4 ) w - o f d m w - o f d m 是宽带正交频分复用( w i d e b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的缩写。目前，w - o f d m 已经正式通过i e e e 组织的认证，成为 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准( 无线城域网的国际通用标准) 物理层调制技术。w - o f d m 通 过循环前缀克服了多径干扰的问题；在反向信道上可以通过简单地除以频率响 应来克服多径影响；它还使用了扩展的前向纠错编码( 如r e e d s o l o m o n 码) 以 便在多个频率上扩展符号，把信号转换成为直接序列扩展频谱信号。直序扩频 技术即使是在完全没有载频的情况下也能恢复出信号。w 二o f d m 的效率和噪声 容限结合了窄带系统和扩展频谱的优点，又避免了二者的缺点( 扩频系统通过 牺牲带宽来补偿噪声和多径的影响，而窄带技术对于多径干扰十分敏感) 。为了 克服信号幅度的高峰均比和由多径效应引起的衰落问题，w 二o f d m 结合了信号 随机化和信道估计技术。发射端的信号随机化具有强化w 二o f d m 信号和减小对 射频功率放大器的线性要求。因此，大大提高了o f d m 技术的实用性和经济性。 ( 5 ) o f d m 在未来移动通信中的应用 m c c d m a 技术结合了o f d m 技术和c d m a 技术的优点，得以在高速宽 带无线通信中获得诸多便利，为在