（通信与信息系统专业论文）时移非正交多载波调制技术的性能分析及其应用研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来，随着移动通信和因特网的融合，数字通信技术得到了前所未有的发 展，人们对通信的多样化和便捷性提出了越来越高的要求。虽然为应对当代社会 对通信技术不断提高的要求，各种新技术层出不穷，但调制技术的发展却相对缓 慢。其中，正交频分复用技术( o f d m ) 作为一项多载波调制技术，相对于其他调 制方法在数据传输效率上具有明显优势，已被多种通信标准所采用，但实际应用 中在某些技术性能上受到了限制，最明显的就是对频率偏移敏感和高的峰值均值 功率比。 时移非正交多载波调制技术( t s n m t ) 是一种具有全新思想的多载波调制技 术。t s n m t 与o f d m 同属于多载波调制，最大的不同是t s - n m t 时域上的每一 个子载波的起点有一个离开符号起点的延迟，这个延迟被称为时移，时移进一步 造成频域上不同频率的子信道不再正交。这给t s - n m t 带来了一系列优秀的特性， 同时也带来了信号处理的新问题。我们的前期研究工作已经从理论上证明了非正 交调制在传输效率上优于正交调制，并且计算机仿真和物理有线及无线信道的实 验也证明t s - n m t 比o f d m 具有更高的效率和其它优良特性。但单纯的实验验证 是不够的，考虑o f d m 已经成为当前数字通信中的主流调制技术，有必要从理论 上对t s - n m t 和o f d m 的多种性能做定量的分析对比，这正是本文工作的第一个 重点。理论上的定量分析比较，将为t s n m t 替代o f d m 走向实用奠定坚实的理 论基础。本文另一个重点是根据t s - n m t 的优良特性探讨如何将其应用于实际。 具体工作包括： ( 1 ) 对t s n m t 调制和解调过程中的相关问题和解决方案进行了分析和研究， 包括子载波间干扰( i n t e rs u b s y m b o li n t e f i - e n c e ，i s s i ) 和病态性的分析及解决方 法。在分析t s - n m t 波形结构特点的基础上，总结出t s n m t 具有时域和频域紧 性的特点。所谓时域紧性指的是，t s n m t 利用时移特性，将多个单载波的多个 符号的波形“挤压”在一个符号中，提高了时域的效率；所谓频域紧性指的是， 子信道的非正交性可以让各个子信道更紧密的排列，大大压缩占用带宽。时频域 的紧性特点是形成t s - n m t 优良特性的基础。从n y q u i s t 提出数字通信的理想系统 中文摘要 至今已经8 0 多年，数字通信基本是以在f o u r i e r 分析基础上发展起来的正交分析 法为主要工具。为了给非正交调制提供更多的理论依据，本论文讨论了用分数频 傅立叶级数( f f f s ) 分解的方法对信号进行合成和分解，实验证明f f f s 比传统 的正交傅立叶级数( f s ) 在压缩带宽、逼近项数、与原函数逼近度、g i b b s 现象等 方面比正交分解具有更好的性能。这也从另一侧面为非正交调制提供了理论支持。 ( 2 ) 对t s - n m t 和o f d m 的性能进行了理论上的定量分析对比：利用星座 图分析法推导出t s - n m t 与o f d m 两者单子信道的频谱效率之比可懈m 的公式及 相应曲线，当t s - n m t 单子信道的子波数在4 - 6 0 时，有1 r n s ，n 5 ；根据t s n m t 频域紧性的特点，得到a f n ( 4 和4 厶分别为t s - n m t 与o f d m 的子信 道频率间隔) ，从而得出t s n m t 的信号带宽可大大压缩的结论，频谱效率之比 加倍提高；根据t s n m t 的时移特性造成各子波同向相加的概率降低的特点， 验证了t s - n m t 合成波的最大幅度随子载波数的增长速度远远低于o f d m ，从而 得出在峰值均值功率比( p a p r ) 方面t s n m t 比o f d m 具有先天优势的结论； 提出将信号由频移造成的误差转换成等效噪声功率的方法，理论和实验结果表 明t s - n m t 在抗频偏能力上优于o f d m ；在频谱效率分析的基础上，进一步利 用星座图分析法证明了t s - n m t 的功率消耗小于o f d m 。 ( 3 ) 高效利用传感器节点的有限电池能源是无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 的关键技术之一。本论文基于对t s n m t 的功耗性能的理论分 析及比o f d m 低功耗的特点，提出将其应用于无线传感器网络的思想，并在理论 推导及同等实验条件下，验证了t s - n m t 单位比特功耗低于q p s k ，t s - n m t 在 w s n 的节能方面具有一定的应用前景。 ( 4 ) 本文对t s - n m t 在v d s l 线路进行了应用仿真，搭建了v d s l 传输线路 的仿真环境信道模型和噪声模型，将t s n m t 和d m t 在同等实验条件下置 于v d s l 仿真环境中进行实验比较。实验结果表明，t s n m t 在v d s l 线路上的 传输性能优于d m t ( o f d m 在v d s l 应用中的另一名称) 。验证了t s n m t 的 实用可行性及优于o f d m 的特性。利用t s n m t 的频域紧性的特点，提出一种通 中文摘要 过压缩占用带宽将用户分组的方法，减少了s e l f - f e x t 串扰，从而达到提高比特传 输率的目的。 关键词：调制解调；正交频分复用；非正交调制；v d s l ；无线传感器网络 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sr e c e i v e dr a p i dd e v e l o p m e n t w i t ht h ei n t e g r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n di n t e m e t ，b u tt h eb e t t e rp e r f o r m a n c e o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e r ni s s t i l lr e q u i r e d a l t h o u g hv a r i o u sn e wt e c h n o l o g i e sh a v e e m e r g e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，t h ed e v e l o p m e n to fm o d u l a t i o nm e t h o d si s s l o w e r o f d mh a so b v i o u sa d v a n t a g e si nd a t at r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya sam u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o nt e c h n i q u ec o m p a r e dw i t ho t h e rm o d u l a t i o nm e t h o d s ，w h i c hh a sb e e nu s e d i nav a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s h o w e v e r , t h eo f d ms y s t e mh a st w om a j o r d r a w b a c k s ：h i g hp e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) a n ds e n s i t i v i t yt of r e q u e n c y s h i f t ，w h i c hl i m i tp e r f o r m a n c e so fo f d m t s n m ti san o v e lm u l t i c a r t i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y b o t ht s - n m ta n d o f d ma r em u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi s t h a te a c hs u b c a r t i e rh a sat i m ed e l a yt ot h es t a r t i n gp o i n to ft h es y m b o l ，w h i c hi sc a l l e d t i m e s h i f t a sar e s u l to ft h et i m e - s h i f t ，t h ed i f f e r e n tf r e q u e n c ys u b c h a n n e l sa r en o l o n g e ro r t h o g o n a l ，w h i c hp r o v i d e ss o m ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e st ot s - n m ta n da l s o l e a d st on e ws i g n a lp r o c e s s i n gp r o b l e m s r e c e n tr e s e a r c h e sh a v ep r o v e dt h a tt h e s u p e r i o r i t yo ft s - n m tt ot r a d i t i o n a lo r t h o g o n a lm e t h o d si nt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y c o m p u t e rs i m u l a t i o n sa n dp h y s i c a lw i r e da n dw i r e l s se x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a t t s - n m ti s s u p e r i o rt oo f d mi nt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n do t h e rp e r f o r m a n c e s o f d mh a sb e c o m et h em a j o rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , s ot h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt s - n m ta n do f d m a r en e c e s s a r y t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sa r et h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt s - n m ta n d o f d ma n dt h ea p p l i c a t i o n so ft s - n m t t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e l e v a n ti s s u e sa n dr e s o l u t i o n sd u r i n gm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na r e a n a l y z e d ，s u c ha st h ei n t e rs u b - s y m b o li n t e f r e n c e ( i s s i ) a n di l l c o n d i t i o n a l i t yi nt h e e q u a t i o ng r o u po ft s n m t b a s e d o nt h ew a v es t r u c t u r eo ft s n m t ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nc o m p a c t n e s sa r ep r o p o s e d d u et o t h et i m e - s h i fc h a r a c t e ro ft s - n m t ，m a n ys y m b o l so ft h es i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o na r e c o m p a c t e di n t oo n es y m b o li nt i m ed o m a i n d u et ot h en o n - o r t h o g o n a l i t yc h a r a c t e ro f 英文摘要 t s - n m t ，s u b c h a n n e l so ft s n m ta r ec l o s e ri nf r e q u e n c yd o m a i nt or e d u c et h e b a n d e w i d t hg r e a t l y t h en o n - o r t h o g o n a li d e ah a sb e e nu s e di ng e n e r a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h em e t h o do ff o u r i e rs e r i e sw i t hf r a c t i o n a lf r e q u e n c yi n t e r v a l s ( f f f s ) f o rt h e d e c o m p o s i t i o no fs i g n a l si sp r o p o s e d ，a n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tf f f sc a l lp r o v i d e b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nf s ( 2 ) t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt s - n m ta n do f d ma r e m a d ea n dl i s t e da sf o l l o w s ：a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc o n s t e l l a t i o nd i a g r a m a n a l y s i s ，t h ef o r m u l ar l n s 口o ft h es p e c t r u me f f i c i e n c yr a t i oo ft h es u b - c h a n n e li s d e r i v e d w h e nt h en u m b e ro ft h es u b - c a r r i e r si no n es u b c h a n n e li s4 - 6 0 ，r n s di s b e t w e e no n ea n df i v e b a s e do nt h ef r e q u e n c yd o m a i nc o m p a c t n e s s ， ni ss m a l l e r t h a n o ，w h e r e qa n da f o a r et h ef r e q u e n c yi n t e r v a l so ft s - n m ta n do f d m r e s p e c t i v e l y t h eb a n d w i d t ho ft s - n m tc o u l db ec o m p r e s s e dt oi m p r o v et h es p e c t r u m e f f i c i e n c y b a s e do nt h el o wp r o b a b i l i t yo fa d d i n gs u b - c a r r i e r si nt h es a m ep h a s e ， t h em a x i m u ma m p l i t u d eo ft s - n m ts i g n a li n c r e a s e ss l o w e rt h a nt h en u m b e ro f s u b c a r r i e r s t s n m tc a l lp r o v i d eb e t t e rp a p rt h a no f d m t h em e t h o do f c o n v e r t i n gt h ee r r o rc a u s e db yf r e q u e n c ys h i f tt oe q u i v a l e n tn o i s ep o w e ri sp r o p o s e d t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt s - n m th a sb e t t e rc a p a b i l i t yo f t o l e r a t i n gf r e q u e n c ys h i f t b a s e do nt h ea n a l y s i so fs p e c t r u me f f i c i e n c y , i tc a l lb e p r o v e nt h a t ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft s n m ti sl e s st h a no f d ma c c o r d i n gt ot h e c o n s t e l l a t i o nd i a g r a ma n a l y s i s ( 3 ) o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fw s ni sh o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f l i m i t e db a t t e r yp o w e ri nas i n g l en o d e b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fe n e r g y p e r f o r m a n c ea n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft s - n m t , t h ei d e ao f a p p l y i n gt s - n m tt ow s ni sp r o p o s e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s r e s u l t sp r o v et h a tt s - n m ti ss u p e r i o rt oq p s ka n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o no fo n eb i t i sl o w e r t h er e s u l tp r o v e st h ep r a c t i c a b i l i t yo ft s n m ta p p l y i n gt ow s n ( 4 ) f i n a l l y , c o m p u t e rs i m u l a t i o n so ft s - n m ti nv d s ll o o pa r em a d e t h e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h ec h a n n e lm o d e la n dn o i s em o d e l ，i se s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nc o m p a r i s o nb e t w e e nt s n m ta n dd m ti sm a d ei n t h es a m e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，t h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e 英文摘要 o ft s - n m ti sb e t t e rt h a nd m ti nv d s ll o o p t h er e s u l ta l s op r o v e st h ep r a c t i c a b i l i t y o ft s - n m t b a s e do i lt h ec h a r a c t e r i s t i co ff r e q u e n c yd o m a i nc o m p a c t n e s so ft s - n m t t h eu s e r sa r ed i v i d e di n t og r o u p st or e d u c et h es e l f - f e x tn o i s ef o rh i g hb i tr a t e t r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ；n o n o r t h o g o n a l m o d u l a t i o n ；v d s l ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 创新点摘要 创新点摘要 ( 1 ) 从理论上对t s n m t 与o f d m 的性能进行了定量分析和比较： 利用星座图分析法推导出t s n m t 与o f d m 两者单子信道的频谱效率之 比7 梳，d 的公式及相应曲线，当t s - n m t 单子信道的子波数在4 6 0 时，有 1 7 7 胚，d 5 ；基于t s - n m t 频域紧性的特点，从两者子信道频率间隔不等式 舐 鲲出发，证明了t s - n m t 的信号带宽可大大压缩，频谱效率之比加倍提高； 提出了将频偏对系统的影响转化成等效噪声的方法，证明了在t s n m t 和 o f d m 系统功率相等的条件下，产生相同频偏时的等效噪声功率相等，从而得出 在相同频偏下t s - n m t 比o f d m 的传输效率高的结论，证明t s - n m t 比o f d m 具有更好的抗频偏能力； 根据t s n m t 的时移特点，验证了t s - n m t 合成波的最大幅度随子载波 数的增长速度远远低于o f d m ，从而得出在峰值均值功率比( p a p r ) 方面t s - n m t 比o f d m 具有先天优势的结论； 利用星座图分析法证明了t s n m t 比o f d m 的功率消耗小。 上述几方面是o f d m 在实用中需要解决的关键性技术问题，从理论上证明了 t s - n m t 在这些性能方面全面超过o f d m ，这为t s n m t 走向实用化奠定了坚实 的理论基础。 ( 2 ) 根据v d s l 的标准，对t s - n m t 和d m t 进行了对比仿真研究，证明 t s - n m t 具有更高的传输效率；进一步利用t s n m t 的频域紧性特点，提出了在 不降低信噪比的情况下将所有用户分成多组，各组占据不同的频段，从而降低 f e x t 干扰提高信噪比的新的手段，进一步提高了t s - n m t 的传输效率。 ( 3 ) 证明了t s n m t 的能量消耗低于q p s k 和b p s k 调制方法，并通过仿真 验证了t s n m t 用于无线传感网络的可行性和低功耗优势。 时移非正交多载波调制技术的性能分析及其应用研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 数字通信理论的发展和回顾 每一次新的通信手段的改变都对人类生活方式的改变起着推动作用。继蒸汽 机和电力两项技术性革命之后，电通信是对人类社会起巨大推动作用的又一次技 术革命。电通信起始于数字通信，1 8 3 7 年美国人m o r s e 成功地用“莫尔斯电码 将人类历史上第一份电报通过电线从美国的华盛顿传到了巴尔的摩，这标志着数 字通信的开始。然而，在之后长达一个世纪的时间里，与以电话( 英国人b e l l 发 明于1 8 7 8 年) 为代表的模拟通信相比，以电报为代表的数字通信的发展要缓慢得 多。真正具有现代意义的数字通信技术是基于n y q u i s t 在1 9 2 4 年提出的关于无符 号串扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 传输脉冲的最大速率的理论和方法，推导 出在理想低通信道条件下，带宽为形的无噪声低通信道的最高码元信息传输速率 的值【1 】 钆= 2 w ( 1 1 ) 这个速率后来被称为n y q u i s t 速率。 1 9 2 8 年h a r t l e y 根据n y q u i s t 的工作研究了当采用多幅度电平( p u l s ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，p a m ) 时在带限信道上能可靠传输数据的问题【2 】，h a r t l e y 假定接收机 能以某个准确度( 如以) 可靠的估计接收信号的幅度，那么当最大信号的幅度限 定于某个值( 由固定功率限制) 且幅度分辨率为以时，存在一个能在带限信道可 靠通信的最大传输速率。到2 0 世纪中叶，信息技术不断取得革命性的进步，为通 信设备的微型化、智能化、自动化和数字化打下了坚实的基础。与模拟通信系统 相比，数字通信系统具有抗干扰能力强，差错可控制，实现电路灵活可靠，便于 进行加密和信号处理，可综合传递各种信息等优点，更能适应现代社会对通信技 术越来越高的要求，其发展明显超过模拟通信而成为技术主流。h a r t l e y 和n y q u i s t 的关于数字信息最大传输速率的研究成果是s h a n n o n 工作的基础，s h a n n o n 于1 9 4 8 第1 章绪论 年【3 】和1 9 4 9 年【4 】相继发表了两篇具有划时代意义的文章，对n y q u i s t 和h a r t l e y 的 工作做了发展，建立了信息传输的数学基础，采用了信息源和通信信道的概率模 型，给出了存在加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a n n o i s e ，a w g n ) 的信道 的最大信息传输容量 f ，p 、 良引0 9 2 【1 + 赢p “2 式中，尸是平均发送功率，n 是加性高斯白噪声的功率谱密度( p o w e rs p e c t r a l d e n s i t y ，p s d ) ，形为理想带限系统的带宽。s h a n n o n 证明了在低于最大传输容量 的条件下总能找到一种纠错编码使误比特率( e r r o rb i tr a t e ，e b r ) 降到所期望的 程度，开创了信息论的基础。 在s h a n n o n 的研究成果公布之后，h a m m i n g 5 】在纠错和纠错码方面的经典研究 工作克n t 信道噪声的不利影响。此后多年，h a m m i n g 的研究成果激发了许多研 究工作者在编码方面的不断深入研究，形成了信道编码研究的活跃局面，发现了 很多新的功能更强的信道编码方法，至今还用于当代通信系统中。例如：m u l l e r 6 1 、 r e e d 和s o l o m o n 7 8 】等发展了新的分组码；f o r n e y t 9 - 1 0 】发展了级联码；w o z e n e r a f t 和r e i f f e n t l l 】等人对卷积码机译码算法做出了贡献；u n g e r b o e c k t l 2 1 、f o m e y t l 3 1 和 w e i 1 4 1 等人发展了网格编码调制；z i v 和l e m p e l 1 5 】等人发展了用于数据压缩的高效 信源编码算法；b e r r o u 1 6 1 等人发展了t u r b o 码和迭代译码。遗憾的是，相对于信道 编码技术，调制方法的研究和发展就显得不够活跃，进展不快。 1 1 2 信息网络的发展 通信技术不断发展，一直对人类社会的进步起着推动作用。但是，影响作用 巨大更具有革命性的推动技术是在数字通信和光通信基础上发展起来的现代信息 网络技术。这是因为在i n t e m e t 出现以后，各种信息通过计算机和网络快速准确的 传输，各种网络把世界上各个国家和地区联为一体，形成“地球村落”，促进了 人类的共同发展。当今，数以亿计的人们正在享受着信息网络带来的获取信息的 多样性和快捷性的效率和快乐，但是，对网络速度不满的声音又不时地出现。这 说明在信息网络的发展中存在着瓶颈，这个瓶颈主要表现在接入网上。由光纤组 时移非正交多载波调制技术的性能分析及其应用研究 成的骨干网就有极高的传输率，在1 9 9 0 年代中期以后得到迅速发展。由终端设备 组成的用户驻地网发展也很快，但从骨干网到用户驻地网之间的接入网却远远跟 不上骨干网和用户驻地网的发展。至今，这种不对称的发展并未得到大的改善， 解决这个问题需要新的技术支持。新技术的发展可以是通过包括物理的、方法论 的和两者结合的三种手段。物理手段主要靠资源的投入，方法论的手段指的是在 不消耗更多资源的情况下用新的原理和技术提高传输效率。下面对1 9 9 0 年代中期 以来在接入技术上依靠这三种手段的发展概况做简单叙述。 ( 一) 有线宽带接入： ( 1 ) 物理手段： 使用不同规格的双绞线，以提高传输带宽，传输速率及传输质量。比如局 域网最初使用5 类线，后来发展到超5 类，6 类和7 类双绞线的标准也正在制定中。 其中5 类线是最常用的以太网电缆，外面有一层高质量的绝缘材料，传输频 率可达1 0 0 m h z ，用于语音传输和最高传输速率为1 0 m b p s 的数据传输，主要用于 1 0 0 b a s e t 和1 0 b a s e t 网络。超5 类线与5 类线比较，衰减更小，串扰更少， 并且具有更高的衰减串扰比( a a e n u a t i o n t o c r o s s t a l kr a t i o ，a c r ) 和结构回波损 耗( s t r u c t u r a lr e t u r nl o s s ，s r l ) ，更小的时延误差，性能得到很大提高。与5 类线相比，超5 类线系统在1 0 0 m h z 的频率下运行时，可以为用户提供8 d b 的近 端串扰余量，用户设备受到的干扰只有普通5 类线系统的1 4 ，使超5 类线系统具 有更强的独立性和可靠性。超5 类线主要用于千兆位以太网( 1 0 0 0 m b p s ) 。6 类 线电缆的传输频率为1 m h z 2 5 0 m h z ，6 类布线系统在2 0 0 m h z 时的综合衰减串 扰比有较大的余量，可以提供2 倍于超5 类的带宽。6 类线的传输性能远远高于超 5 类标准，最适用于传输速率高于1 g b p s 的应用。6 类与超5 类的一个重要的不同 点在于：6 类线改善了线路受到串扰以及回波损耗时的性能，对于新一代全双工的 高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极其重要的。6 类标准中取消了基本链 路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不 能超过9 0 m ，信道长度不能超过1 0 0 m 。 第1 章绪论 光纤接a t l 7 】：分为光纤到路边( f i b e rt ot h ec u r b ，f t t c ) 、光纤到小 区( f i b e rt ot h ez o n e ，f t t z ) 、光纤到大楼( f i b e rt ot h eb u i l d i n g ，f t t b ) 、 光纤到办公室( f i b e rt ot h eo f f i c e ，f t t o ) 和光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) ， 统称为f t t x 。光纤接入是指用户和局端之间以光纤作为传输媒介，具有传输容 量大、传输质量高、可靠性高、传输距离长、抗电磁干扰等优点，是固定带宽接 入网的发展方向，能够向用户提供1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 和1 g b p s 的高速传输速率。 现已在欧美日韩等多个国家有了飞速的发展，这些国家的宽带发展都已经进入了 以光纤网络建设为中心的阶段。其中日韩光纤到户普及率分别达到5 5 和4 9 ， 新西兰也将投巨资用于推广高速光纤宽带网络，我们国家近几年也加快了光纤发 展的步伐。但是，由于工程改造、光电转换等设备成本的限制，光纤到户发展迟 缓，要完全替代数字用户环路技术( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，d s l ) 还需要较长的 路要走。而无线宽带接入，特别是移动通信，由于它的软连接和可移动特性，是 包括光纤在内的其他固定式硬连接接入手段所不能替代的。虽然出现了可以算做 软连接的直接在空间传输的光通信技术，但是抛开空气介质对激光的严重干扰不 谈，单说激光束在空中无限制穿行也是不可想象的。因此d s l 短期内不会退出市 场，并且依然占据主流技术地位。 ( 2 ) 方法论的方法： 在d s l 中充分挖掘双绞线的潜力。在话音通信中，只是利用了低频段很窄的 频带范围。2 0 世纪6 0 年代，a t & t 贝尔实验室提出了综合业务数字网( i n t e g r a t e d s e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) ，之后通过扩展对未用频带的利用，相继提出了 h d s l ( h i g h b i t - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 、a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 和v d s l ( v e r yh i g h - b i t - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 等技术，后来统称为 x d s l 技术。v d s l 2 作为d s l 技术的最新发展，再次挖掘了双绞线的数字业务承 载能力，使f t t b + d s l 短距离、高速率成为可能。虽然d s l 技术发展到v d s l 2 之后，频谱资源基本用完，但动态频谱管理( d y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n t ，d s m ) 技术却能进一步挖掘双绞线的潜力【1 8 】。 ( 二) 无线宽带接入： 时移非正交多载波调制技术的性能分析及其应用研究 ( 1 ) 物理手段：可通过扩大带宽来实现，但是频率资源已经濒临饱和，可用的 带宽资源越来越稀缺，因而单纯依靠增加频率带宽是行不通的。 ( 2 ) 物理辅助方法论为主的：通过技术的改进来解决频带资源紧张的部分问 题。例如采取更佳的无线调变技术或压缩能力，让一个无线频段内可以挤进更多 信息，从而达到总体带宽增加的效果。另外采用多输入多输出( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 天线技术【1 ”1 】也可增加信道容量，即在信号的发送方和 接收方不再局限于使用单个天线，而改为用多个天线来提高信道容量【2 2 】。多天线 始于2 0 世纪9 0 年代，1 9 9 4 年p a u l r a j 和k a i l a t h 提出了在发送端和接收端同时使 用多副天线可以增加无线信道的信道容型2 3 1 。1 9 9 6 年，r o y 和o t t e r s t e n 又提出在 基站使用的多天线在同一个信道上可同时支持多个用户【2 4 】。紧接着，贝尔实验室 研究表明了高斯白噪声信道条件下m m o 技术大大提高了信道容量，相继提出适 用于窄带系统和室内环境的分层空时编码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ，l s t c ) 技术，将频谱效率提高到4 0 b p s h z 以上。a l a m o u t i 在文献 2 5 中提出一种发送分 集实现方案。t a r o k h 等人在a l a m o u t i 工作的基础上，将发送分集技术与正交编码 相结合，提出空时分组编码技术( s p a c e t i m e b l o c k i n g c o d i n g ，s t b c ) 2 6 - 2 7 】；将 发送分集与格状编码调制( t r e l l i sc o d i n gm o d u l a t i o n ，t c m ) 技术相结合，提出空 时网格编码技术( s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ，s t t c ) 2 8 】。m i m o 天线系统的简化 框图见图1 1 。在发送端，二进制数据流在发送处理模块中经过编码、星座映射及 加权后送到发送天线上，再经过上变频、滤波、放大后发送出去。经过信道多径 衰落后的信号被接收天线接收后，经过解调、匹配滤波、接收处理和译码后，就 可得到发送的原始数据信息。 第1 章绪论 图1 im i m o 天线系统示意图 f i g 1 1d i a g r a mo fm i m o a n t e n n as y s t e m 由上述分析可见，物理手段由于受到频谱资源和成本的限制已经不能满足人 们对通信快速提高的需求，而必须从方法论的角度开辟新的解决途径。 1 1 3 数字调制技术的发展过程 数字调制技术中包含了重要的方法论手段。为了寻找新的技术手段有必要对 数字调制技术的发展过程作一回顾。 2 9 】 数字通信系统( 这里只限于电通信，不包括光通信) 的一般模型如图1 2 所示 输出 信号 图1 2 典型数字通信系统模型 f i g 1 2b a s i ce l e m e n t so fad i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 时移非正交多载波调制技术的性能分析及其应用研究 通信的任务是实现信息传输，因此信息传输的有效性和可靠性是衡量一个通 信系统效率的最主要的指标。调制解调技术是数字通信系统的基础环节，也是最 关键的环节【3 0 】，不同的调制方式下的通信系统的性能也不同。 传统的数字调制方法可分为幅度调制( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，a m ) 、频率调 制( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) 、相位调制( p h a s em o d u l a t i o n ，p m ) 、脉宽调 制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 、脉码调制( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 以及复合调制等。为应对人们对通信不断增长的需求，许多新的具有更高传输速 率、更宽带宽和更高频谱效率的有线及无线接入方式不断被提出。如x d s l ( 主要 有h d s l 、a d s l 和v d s l 等) 的双绞铜线回路接入技术、光纤接入技术、蓝牙技 术、w i f i 技术、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