（通信与信息系统专业论文）ofcdm系统的研究.pdf

摘要 第四代移动通信的目标是应用先进的技术来提供高速的无线数据传输，并且能够承 载高速多媒体业务。 码分多址( c d m a ) 多址方案具有频谱效率较高、抗多径干扰能力强的优点，但多 址干扰是其固有的缺陷。正交频分复用( o f d m ) 可以有效对抗频率选择性衰落，适合 高速数据传送，但对载波同步要求很高。多载波c d m a 方案综合了两者的优点，系统可 满足高速率与大容量的要求。 日本的n t td o c o m o 公司提出了基于o f d m 和m c c d m a 的正交频分码分复用 ( o f c d m ) 方案，该系统使用时域频域联合扩频的二维扩频技术，并采用了可变扩频 因子( v s f ) 方案，根据小区结构和无线信道状况灵活调整扩频因子，从而能够充分发 挥o f d m 系统和m c c d m a 系统的优点。 本文用m a t l a b 软件仿真了o f c d m 系统的基本架构，讨论了o f c d m 系统和多载 波码分多址( m c c d m a ) 系统在高斯白噪声( a w g n ) 信道以及c o s t 2 0 7 多径衰落信 道下，在不同的调制方式下的比特误码率( b e r ) 性能比较，以及不同扩频因子组合下 的系统性能比较。仿真结果显示，o f c d m 系统在相同调制方式下，相同信道条件下， b e r 性能优于m c c d m a 系统。 关键词：正交频分码分复用，正交频分复用，多载波码分多址，二维扩频 a b s t r a c t 4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa i mt o p r o v i d ee x t r e m e l yh i g h s p e e d d a t a t r a n s m i s s i o n ，a n dc a np r o v i d eh i g hs p e e dm u l t i m e d i as e r v i c e s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) s c h e m eh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c ya n ds t r o n ga n t i m u l t i - p a t hi n t e r f e r ea b i l i t y h o w e v e r , i ts u f f e r sf r o mm u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e 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 ) c o n f r o n t sf r e q u e n c y s e l e c t i v ee f f e c t i v e l y , w h i l ei tr e q u i r e sv e r yh i g hp r e c i s i o no fc a r r i e r - s y n c h r o n i z a t i o n m u l t i c a r t i e rc d m ac o m b i n e st h es t r o n gp o i n t so fb o t hc d m aa n do f d m ，a n di tm e e t st h e r e q u i r e m e n to f b o t hh i g ht r a n s m i s s i o nr a t ea n dh i g hc a p a c i t y t h en t td o c o m oi nj a p a np u tf o r w a r dt h es c h e m eo fo r t h o g o n a lf r e q u e n c yc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f c d m ) b a s e do no f d ma n dm c c d m a ，w h i c hc a l lt a k et h e a d v a n t a g eo f b o t ho f d ma n dm c c d m a w i t ht h et i m ed i m e n s i o n f r e q u e n c yd i m e n s i o n s p r e a d i n g ( t w od i m e n s i o n a ls p r e a d i n g ) ，a n dv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r s ，i t sa b l et of l e x i b l y a d j u s ts p r e a d i n gf a c t o r s ( s f ) a c c o r d i n gt oc e l lc o n f i g u r a t i o na n dr a d i oc h a n n e lc o n d i t i o n s t h i st h e s i ss i m u l a t e so f c d m s y s t e mw i t hm a t l a b ，a n dc o m p a r e st h eb e r o f p e r f o r m a n c eo f c d m w i t hm c - c d m au n d e rt h ed i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n t m o d u l a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l to fo f c d m s y s t e ms h o w st h a tw i t ht h es a m em o d u l a t i o n a n dc h a n n e lc o n d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fb e ri sb e t t e rt h a nm c - c d m a k e yw o r d s ：o f c d m ，o f d m ，m c - c d m a ，t w od i m e n s i o n a ls p r e a d i n g i i 缩略语词汇 l l s to fa b b r e v i a t i o n s a w g na d d i t i v e m i t eg a u s s i a nn o i s e b e r c d m a c p d s c d m a f f t g i h a r q i c i i s i l t e m c c d m a m i m o m p i o f c d m o f d m q o s s f s 之 s n r b i te r r o r r a t i o c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x d i r e c ts p r e a dc d m a f a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l g u a r di n t e r v a l h y b r i da u t or e p e a tr e q u e s t i n t e r - c a r r i e ri n t e r f a c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o n gt e r me v o l u t i o n m u l t i c a r t i e rc d m a m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x 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 q u a l i t yo fs e r v i c e s p r e a d i n gf a c t o r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o i i i 加性高斯白噪声 误比特率 码分多址 循环前缀 直接扩频c d m a 快速傅里叶变换 保护间隔 混合自动重传请求 载波间干扰 符号间干扰 长期演进 多载波码分多址 多输入多输出 多径干扰 正交频分码分复用 正交频分复用 服务质量 一 扩频因子 信干比 信噪比 南京邮电大学学位论文原创性声明 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 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签名：二旺日期：卓 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 l 研究生签名： 煎尘 导师签名：日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 移动通信，可以说从1 8 9 7 年m g 马可尼完成固定站与一艘拖船之间进行的无线通 信试验开始就产生了，迄今为止已经走过了1 1 2 个年头。 如今，移动通信早已与我们的日常生活、工作紧密相连，对我们的生活和社会的发 展产生了重要的影响。只有移动通信网与i n t e m e t 网的发展和融合，才能实现真正意义 上的个人通信，即实现任何人在任何时刻、任何地点和任何人进行任何种类的信息交换。 因此，移动通信是实现未来个人通信的关键。 1 1 移动通信的发展 早期的移动通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，用户数量很少。 2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，使移动通信摆脱了传统的大区制结构， 为移动通信的大规模商用奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代，具有高可靠性的固态微型射频 硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从2 0 世纪7 0 年代末到现在，移动通信系统先后 经历了第一代模拟通信系统、第二代数字通信系统( 窄带系统) ，刚刚进入的第三代数 字通信系统( 宽带系统) ，未来移动通信系统第四代移动通信系统的研究工作也早 已经展开。 1 第一代( 1 g ) 移动通信系统 第一代商用移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代初，主要代表系统有：美国的先进 移动电话业务( 枷s ) ，英国的全接入通信系统( t a c s ) ，北欧的移动电话( n m t ) 等。这些系统的主要工作频段为8 0 0m h z 和9 0 0 m h z 。所有这些系统均采用了频分 ( f d d ) 双工方式，即前向链路( 由基站到移动台) 和反向链路( 由移动台到基站) 使 用分开的频段，每个方向上频带宽度的典型值为2 5 k h z 或者3 0 k h z t 。第一代蜂窝电话 系统的调制方式为模拟调频，系统的发遴功率取决于所使用的信道带宽和蜂窝网络中小 区的半径。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率 低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是 其容量己不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发数字蜂窝移动 通信系统。 2 第二代( 2 g ) 移动通信系统 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 随着数字通信技术的发展和用户对高质量移动通信的追求，从2 0 世纪8 0 年代末 开始，移动通信系统发展到了以数字通信技术为代表的第二代( 2 g ) 移动通信系统， 这些系统由于采用了更先进的数字技术，使得通信质量、传输效率和系统容量有了很大 提高。主要代表系统有：欧洲全球移动系统( g s m ) ，美国通信工业协会颁布的i s 9 5 ， 欧洲电信标准协会制定的数字无绳电话d e t c ，美国贝尔公司提出的个人接入通信系统 p a c s ，日本个人手提电话系统p h s 等【2 1 。第二代移动通信系统采用了数字调制技术、 先进的呼叫处理技术和新的网络结构，具有更高的频谱利用率和更大的系统容量，除话 音业务以外，还可以开展一些简单的数据业务，话音质量和安全性好于第一代移动通信 系统。此外，第二代移动通信系统还有许多可支持i p 业务的增强版。 我国使用的两种制式g s m 和i s 9 5 正向第三代演变，试图进行平滑过渡，出现了 所谓“2 5 g ”的技术。g s m 中已经集成分组无线服务( g p r s ) ，其理论支持速率为 3 8 4 k b p s ；e d g e ( g s m 演进的增强型数据速率) 技术也已经运用，它用8 p s k 调制代 替了传统g s m 的g m s k 调制，将信息速率与系统容量扩大为原来的3 倍。 3 第三代( 3 g ) 移动通信系统 移动用户的高速增长及更高速率数据业务的需求推动了第三代移动通信系统的发 展。第三代移动通信，即国际电信联盟( 丌u ) 定义的i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) ，俗称3 g 。国际电信联盟丌u 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移 动通信系统的概念，最初命名为f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) ，后在1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 。1 9 9 9 年底兀ut g 8 1 最后一次会议上，通过了i m t - 2 0 0 0 的无线 接口技术规范，它分为五种技术，其中主流技术为以下三种【3 】： ( 1 ) i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( i m t - 2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a 。它是在一 个宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频； ( 2 ) i m t - 2 0 0 0c d m a - m c ( i m t - 2 0 0 0 “多载波”c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这是美 国提出的技术，由多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统； ( 3 ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( i m t - 2 0 0 0 时分双工c d m a ) 。目前包括t d s c d m a 和u t r a t d d ，其中t d s c d m a 是我国提出的技术。 值得一提的是i e e e8 0 2 1 6 e 于2 0 0 7 年1 2 月被接纳为i t u 第三代移动通信的新标 准。正在制定中的8 0 2 1 6 m 将成为4 代标准之一。 目前，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的商用产品已经成熟，正等待在全球范围内大规模 运营。而我国自主研发的t d s c d m a 也日趋成熟，即将投入商用运营。 第三代移动通信系统以全球范围的个人通信和多媒体通信为目标，它是一个支持 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 多速率、多业务、宽频带的系统，能够满足移动性、高比特率、可变业务等需求。与第 二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有高频谱利用率、高服务质量、低成本、 高保密性等许多优点。该系统能够为移动用户提供全球漫游、无缝覆盖的业务，能为移 动用户提供与固定网络相当的语音、数据以及多媒体等多种速率的业务，其最高传输速 率可达2 m b p s ，而且满足上、下行链路业务量不对称的需求。 1 2 第四代( 4 g ) 移动通信技术的发展现状 随着i m t - 2 0 0 0 系统开始商用，各国开始研制更高性能的移动通信系统，统称为 b e y o n di m t - 2 0 0 0 系统，或b 3 g 系统【4 1 。日本等国则明确提出了第四代移动通信系统的 概念，即4 g 。目前，业界公认的移动无线技术的演进路径主要有3 条：一是w c d m a 和t d s c d m a ，均从h s p a ( h i g h s p e e dp a c k e ta c c e s s ，高速分组接入) 演进至h s p a + ， 进而到l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) ；二是c d m a 2 0 0 0 沿着e v - d o r e v 0 r e v a r e v b ，最终到u m b ( u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ，超移动宽带) ；三是8 0 2 1 6 m 的w i m 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 rm i c r o w a v e a c c e s s ，全球微波互联接入) 路线。 国际标准化组织3 g p p 在2 0 0 4 年底启动了其长期演进l t e 技术的标准化工作，希 望达到以下目标：保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势；填补第3 代移动通信 系统和第4 代移动通信系统之间存在的巨大技术差距；使用已分配给第三代移动通信的 频谱，保持无线频谱资源的优势：解决第三代移动通信系统存在的专利过分集中问题。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行l o o m b i t s 、上 行5 0 m b i t s 的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用 户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于 5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ；支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖： 能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b i f f s 的接入服务；支持成对或非成对频谱； 并可灵活配置1 2 5 m h z 到2 0 m h z 多种带宽【5 l 。 2 0 0 4 年1 2 月初，在加拿大多伦多，3 g p p 第一次正式进行u t r a n 演进研究。在 随后的2 0 0 4 年12 月3 g p p 会议上正式立项开始u t r a & u t r a nl o n gt e r me v o l u t i o n 可行性的研究。高速率、低时延、基于i p 分组业务并在未来十年有足够竞争力成为3 g p p 系统演进的研究方向。2 0 0 5 年，物理层基本方案在艰苦讨论后最终确定为下行o f d m a 、 上行s c f d m a 技术。2 0 0 6 年9 月，可行性研究阶段正式结束。根据可行性阶段的研 究成果，3 g p p 正式开始e u t r a nw o r ki t e m 研究计划实质工作。2 0 0 8 年1 月2 2 日， 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 3 g p p 确认l t e 地面无线接入网络技术规范已通过审批，将被纳入3 g p p 第8 版之中。 2 0 0 8 年3 月，3 g p p 冻结l t e 第一版本的绝大部分内容，并与2 0 0 8 年9 月完成终端测 试规范的所有标准。为了应对唧对于i m t - a d v a n c e d 技术的征集3 g p p 于2 0 0 8 年3 月开始l t e 演进系统l t e + 的研究工作。 日本政府希望日本能够在4 g 的国际标准方面占有领先地位，为此，日本政府在 2 0 0 1 年1 月发布了“e - j a p a n 战略”，计划在2 0 0 5 年前制定4 g 核心技术标准，并使之 在2 0 1 0 年普及。同年5 月日本总务省官员表示，政府与主要移动通信企业已为4 g 技 术拟定了基础计划。6 月1 5 日，日本信息通信审议会专门委员会完成了4 g 标准提案。 日本的4 g 研发以n t td o c o m o 为主。2 0 0 2 年年初n t td o c o m o 公司宣布，他们 将投入4 g 无线分组数据传输技术的研发，并开始着手构建初始的实验网络【6 】。4 g 网络 的试验基地位于东京的横须贺市技术开发园，包括实验的基站和移动终点站。2 0 0 2 年 1 0 月，n t td o c o m o 在室内成功地进行了4 g 传输试验，下行和上行传输速度分别可 以达到1 0 0 m b s 和2 0 m b s 。在此次传输试验中n t td o c o m o 采用的接入方式为该 公司自行开发的可变扩频因子正交频分码分复用( v s f o f c d m ) 方式。这种方式像 正交频分多路复用( o f d m ) - - 样采用多载波，使用与c d m a 相同的扩频处理来增大容 量。其最大的特点在于，可以根据具体的通信服务来改变时间方向与频率方向的扩频率。 1 3 本论文的主要内容及章节安排 本文主要对m 盯d o c o m o 公司提出的4 ( 3 系统实现方案正交频分码分复用 ( o f c d m ) 系统进行了研究。利用m a t l a b 软件对o f c d m 系统搭建了仿真平台进 行仿真，主要对o f c d m 系统与m c c d m a 系统在不同的数据调制方式和信道条件下 的比特误码率进行了性能比较，并初步研究了不同的扩频因子对o f c d m 系统的影响。 本论文的章节安排如下： 第一章绪论，介绍了本文的研究背景和主要工作； 第二章主要介绍了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 o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分 复用) 系统与多载波c d m a 系统( 包括m c c d m a 和m c d s c d m a ) 的原理和关键技 术； 第三章介绍了o f c d m 系统的原理，关键技术，以及n t td o c o m o 所采用的 v s f o f c d m ( 可变扩频因子正交频分码分复用) 系统； 第四章对o f c d m 系统搭建了仿真平台，对其与m c c d m a 系统的性能进行了比 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 较分析； 第五章对全文工作进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 o f c d m ( 正交频分码分复用) ，是以m c c d m a ( 多载波c d m a ) 和o f d m ( 正 交频分复用) 为基础的技术，其本质和m c c d m a 一样，每个子载波上能传输较低的 符号速率，这样可以有效的抑制频率选择性衰落。所以，本章先介绍o f d m 和多载波 c d m a 系统。 2 1o f d m 系统 2 1 1o f d m 系统提出背景 宽带系统中存在的主要问题是频率选择性衰落可能引起符号间干扰( i s i ) 问题。 传统上克服i s i 的方法有两种：第一种方法是采用单载波调制加时域均衡的方法，如2 g 蜂窝系统g s m 中即采用了这种方法；第二种方法是采用直接序列扩频码分多址 ( d s c d m a ) 加r a k e 接受技术，如2 g 蜂窝系统i s 9 5 和3 g 蜂窝系统i m t - 2 0 0 0 中均 采用了这种方法。上述两种方法在各自的系统中都能很好的克服因频率选择性衰落所引 起的符号间干扰问题，但是，对于高速数据业务来说，传统的单载波系统和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，所以符号之间会存在较严重的i s i ，由此对单载波系统中所使用的均衡器提出非 常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，这样均衡 算法的复杂度也会大大增加。对于c d m a 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不能太 高，否则就大大限制了c d m a 系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定 的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应地提高带宽。此外，受系统实现复杂 度的限制，c d m a 系统中r a k e 接收机的分支不能太多，在高速宽带系统中可分解的多径 数量较多，此时会有较大的能量损失。 正交频分复用( o f d m ) 是近年来受到人们广泛关注的一种多载波传输技术。多载 波传输把数据流分解为若干个独立的子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特 速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多 个低速率符号并行发送的传输系统。它具有克服多径衰落、频谱利用率高、抵抗窄带干 6 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 扰等优点。o f d m 利用逆快速傅立叶变换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( e f t ) 来分别实现多 载波调制和解调，是实现复杂度低、应用最广的一种多载波传输方案【7 1 。 o f d m 技术的应用可以追溯到上世纪六十年代，主要用于军用高频通信系统，但 当时o f d m 系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到七十年代，人们提 出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得o f d m 技术 更趋于实用化。八十年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。九十年 代后，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。由于数字信号处理 ( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 技术有着更为广阔的应用前景。今天，o f d m 已经广泛 用于高比特率数字用户线( 如a d s l , v d s l ) ，数字音视频广播( 如d a b 和d v b ) 、高速 无线局域网系统( 如h i p e r l a n 2 ，ie e e 80 2 1 l a ) ，w i m a x8 0 2 1 6 d 和e 等8 】【9 1 。 2 1 2o f d m 系统的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制( m c m ) 技术的一种。m c m 的基本思想 是把数据流串并变换为n 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制n 路子载波后再 并行传输。因子数据流的速率是原来的1 n ，即符号周期扩大为原来的n 倍，远大于信 道的最大延迟扩展，这样m c m 就把一个宽带频率选择性信道划分成了n 个窄带平坦 衰落信道，从而“先天 具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特别适合于高速 无线数据传输【1 0 】。o f d m 是一种子载波相互混叠的m c m ，因此它除了具有上述m c m 的优势外，还具有更高的频谱利用率。o f d m 选择相互正交的子载波，它们虽然在频 域相互混叠，却仍能在接收端被分离出来。o f d m 系统原理框图如图2 1 所示。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 串 p _ ，w l f 口一，w 串 并 世 并 变 + 脚 j 换 变 换 e j w n t 图2 - 1o f d m 系统框图 一个o f d m 符号内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的 子载波。 o f d m 符号可以表示为式( 2 1 ) s ( f ) = d f r e c t ( t - t 。一t 2 ) e x p ( j 2 7 r f _ f ( t t ，) ) ，t s t t ，+ 丁 ( 2 1 ) 其中，n 是子载波的个数，r 是o f d m 符号的持续时间，d i 是分配给每个信道的 数据符号，z 是第f 个子载波的载波频率，是一个o f d m 符号的起始时间，r e c t ( t ) 矩形函数，r e c t ( t ) = 1 ，i t l _ t 2 。 s ( t ) = 0 , t r + t ( 2 2 ) 其中，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，= 正+ i t ， 而且各个相邻的子载波之间相差1 个周期，其正交性证明如下： 对式( 2 1 ) 中的第个子载波进行解调，然后在时间长度丁内进行积分，即 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 珏j 1r + t s 唧卜如，挚唧卜弘乎 = 淳f + r e x p p 孚，乎咆 3 ) 由式( 2 3 ) 可看到，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望的符号，而对其他 子载波来说，由于在积分间隔内，频率差别o j ) t 可以产生整数倍个周期，所以积分 结果为零。 因此o f d m 信号频谱实际上是满足奈奎斯特准则的，即多个子载波之间不存在互 相干扰【1 1 1 。 2 1 3o f d m 系统的关键技术和特性 1 保护间隔和循环前缀 设输入的某个符号块序列k ，坼书，t 一州 ，则对应的输出用矩阵形式表示如下： ( 2 4 ) 由于信道有记忆性，导致结果输出块不仅与当前输入块有关，还与上一个块的最 后m 个输入有关，这样就导致了i b i ( 块间干扰) 。 为了消除i b i ，可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ， 而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，即在个数据块后加m 个0 t 1 2 1 。如图2 2 ： 9 七 川 ； h + hko 一；k o o 么 一 b k 一啊 0 啊一 o ；o 女 一 一儿鼍 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 共m 个0 加入保护间隔的 ln + m 点数据块i 图2 2 插入保护间隔 然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生载波之间的干扰( i c i ) ，即子载 波之间的正交性遭到破坏，如图2 3 ： 卜一o f d m 符号时间长度一 ： 卜保护间隔畸_ 一f f t 积分时间长度一 ： 图2 - 3 子载波之间正交性遭到破坏 由于在f f r 运算时间长度内，第一个子载波和第二个子载波之间的周期数之差不 再是整数，由前面正交性证明知，这两个子载波不再正交，所以当接收机试图对第一子 载波进行解调时，第二子载波会对第一子载波造成干扰。 1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 把循环前缀( c p ) 或称循环扩展引入o f d m 以解决正交性 问题。为了克服i c i ，他们在保护间隔中加入的是o f d m 符号的循环前缀，而不是使用 空白保护间耐13 1 。如图2 4 ： 1 0 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 卜堡堑堕篁f i 三? c o 二x 三1 二三& qo二二xn-m op d x n - 2 x n - ! 带循环前缀的 in + m 点数据块l 图2 - 4 插入循环前缀 改用循环前缀后，只要多径时延小于保护间隔，在f f t 的运算时间长度内，不会 发生信号相位的跳变，因此o f d m 接收机所接收到的仅仅是存在某些相位偏移多个单 纯连续正弦波的叠加信号，而且这种叠加也不会破坏子载波之间的正交性。 2 同步技术 同步性能的好坏对o f d m 系统的性能影响很大。o f d m 系统中的同步包括载波同 步、样值同步和符号同步三部分。与单载波调制系统相同，载波同步是为了实现接受信 号的相干解调，而符号同步是为了区分每个o f d m 符号块的边界。每个o f d m 符号块 包含个样值，样值同步是为了使接收端的取样时刻与发送端完全一致。o f d m 系统 中的同步一般分为捕获和跟踪两个阶段，对于突发式的数据传输，一般是通过发送辅助 信息来实现同步。与单载波系统相比，o f d m 系统对同步精度的要求更高，同步偏差 会在o f d m 系统中引起i s i 和i c i 。 3 信道估计 加入循环前缀后的o f d m 系统可以等效为个独立的并行子信道。如果不考虑信 道噪声，个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的 频率乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信 道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。信道估计的方法很多，在移动通信 中，一般采用插入导频的方法进行信道估计。 4 信道编码 信道编码可以显著地提高数字通信系统的抗干扰能力。在o f d m 系统中，可以使 用任意传统的信道编码，如分组码、卷积码、网格编码调制( t c m ) 以及t u r b o 码等， 堕塞唑皇奎兰塑主型塑竺堂垡丝奎兰三兰竺! 旦坚兰至望鎏呈里坚垒墨竺 现在的发展之一是在o f d m 系统中结合多天线技术使用空时编码，即所谓的m i m o o f d m 技术，这项技术可显著地提高o f d m 系统的性能。 5 o f d m 信号的频谱特性 当各子载波用q a m 或m p s k 进行调制时，如果基带信号采用矩形波，则每个子 信道上已调信号的频谱为s a ( x ) 形状，其主瓣宽度为1 t ，h z ，其中c 为o f d m 信号长 度( 不包括c p ) 。由于在z 时间内共有o f d m 信号的个抽样，所以o f d m 信号的时 域抽样周期为z n 。由于相邻子载波之间的频率间隔为a f = 六n ，其中z 为o f d m 信号的抽样频率，即= n r , ，所以 a f = f n = 1 t , ( 2 5 ) 即这些已调子载波信号频谱s a ( x ) 函数的主瓣宽度为2 7 , ，间隔为1 r , 。根据函数的性 质，知道它们在频域上正交，这就是正交频分复用( o f d m ) 名称的由来。 一般的频分复用传输系统的各子信道之间要有一定的保护频带，以便在接收端可 以用带通滤波器分离出各子信道的信号。保护频带降低了整个系统的频谱利用率。 o f d m 系统的子信道间不但没有保护频带，而且各子信道的信号频谱还相互重叠，如 图2 5 所示。 图2 - 5o f d m 信号频谱 这使得o f d m 系统的频谱利用率相比普通频分复用系统有很大提高，而各子载波 可以采用频谱效率高的q a m 和m p s k 调制方式，进一步提高o f d m 系统的频谱效率。 由于循环前缀的影响，o f d m 信号的频谱结构将发生一定的变化，但这仅仅使信 号的某些频谱成分得到增强，而不会使o f d m 信号增加新的频率成分。 移动信道一般存在多径传播问题，使信道表现出明显的衰落特性。信道的多径衰 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 落在单载波传输系统中往往会产生严重的码问干扰，使得接收机往往需要比较复杂的均 衡滤波器，所以设计单载波高速移动通信系统的均衡器是一项富有挑战性的工作。 o f d m 系统利用个子载波，将整个信道划分为个子信道，在每个子信道上信道的 衰落近似平坦衰落，而且每个子信道上的码速率也比较低，这使得o f d m 系统的均衡 滤波器的设计比较容易，一般每个子信道只需要一个单抽头的均衡器即可，这也是 o f d m 吸引人的特点之一。 o f d m 子信道间的间隔对系统的性能也有很大影响。子信道间隔越大，各种因素 造成的子信道间的干扰越小，但同时，系统的频谱效率也越低，由于子信道带宽的加大， 系统抗击频率选择性衰落的能力也下降；反之，为提高系统的频谱效率而缩小子信道间 的间隔，必然使系统的子载波间的干扰加大；系统设计人员需要在它们之间折中。信道 带宽和f f t 的点数决定了o f d m 子信道问的间隔，确定子信道间隔的一般原则是，满 足系统频谱利用率和保证o f d m 系统的良好的抗击频率选择性衰落的前提下；尽可能 加大子载波间的间隔【m 】。 2 1 4o f d m 系统的优势与缺点 o f d m 技术得到广泛应用的主要原因在于： 1 ) o f d m 可以有效地对抗频选多径传播所造成的符号间干扰，其实现复杂度比采 用均衡器的单载波系统小很多。 2 ) 在变化相对较慢的信道上，o f d m 系统可以根据每个子载波的信噪比来优化分 配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量。 3 ) o f d m 系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响o f d m 系统的一小 部分子载波。 4 ) o f d m 系统可以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，以满足非对称性业务的需求。 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方法使用，构成o f d m a 系统，使得多个用户可以 同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 的主要缺点在于： 1 ) o f d m 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高。 2 ) o f d m 系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 使得它对功率放大器的 线性要求高。 1 3 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章o f d m 与多载波c d m a 系统 2 2m c c d m a 系统 2 2 1m c c d m a 系统提出背景 大多数3 g 移动通信的候选方案是基于c d m a 方式的，c d m a 技术具有无可争辩 的竞争力，但是，c d m a 的容量受限于多址干扰和频率选择性衰落引入的干扰。而多 载波技术对于有频率选择性衰落导致的多径干扰和符号间串扰有很强的抵抗力，因此可 以将o f d m 和c d m a 结合起来，兼具两者的优点，对多径效应引起的符号间干扰( i s i ) 有很强的抵抗力，同时继承了c d m a 的高用户容量的优州15 1 。 2 2 2m c c d m a 系统的基本原理 m c c d m a 是频域扩频与多载波调制的结合，其原理如图2 - 6 所示： c ( f ) o m c f = _ _ 一 ( f ) = n o 图2 6m c - c d m a 原理图 第i 个信息符号j ( 先与扩频序列各位相乘，相乘后的每路信号调制到每个子载波 上。也就是说，一个原始数据符号，通过扩频后，成为多个码片，每个码片