（通信与信息系统专业论文）软件无线电和ofdm系统中的同步技术研究.pdf

摘要 近年来，人们对实现b 3 g 4 g 的关键技术进行了大量的研究，并取得了初步的 成果。正在研究的热点技术包括f 交频分复用( o f d m ) 、多输入多输出( m i m o ) 、 软件无线电技术等。同步问题是通信信号处理中首先需要解决的重要问题，其直 接关系到后续的基带信号处理算法的性能。本文则主要研究了o f d m 系统中的载 波频偏估计问题和软件电台中的单载波突发信号同步问题。本文的主要研究成果 如下： 1 提出一种基于m l 准则的o f d m 整数倍频偏估计方法，其充分利用了频域 两个连续的o f d m 数据码元序列之间的差分信息。通过理论分析表明，无论是在 a w g n 信道还是在频率选择性衰落信道情况下，新的m l 估计方法的性能都要优 于传统的s c 估计方法。 2 研究了多径传播环境中基于循环前缀的m l 联合同步方法的相关长度对同 步估计性能的影响。提出一种基于部分相关的p c p m l 算法，其首先利用子空间分 解技术动态跟踪多径信道变化，然后实时计算出最佳相关长度用于码元定时和频 率偏差估计。仿真结果证明，与基于全部相关的a c p m l 算法相比，新的p c p m l 算法可以有效地抑制多径传播对同步估计性能的影响，避免地板效应的出现，从 而进一步提高了同步估计性能。 3 开发了o f d m 系统和信号的m v 分析模型。m v 模型以严格的数学形式定 义了o f d m 信号从发射到接收经历的各个过程，并综合考虑了多种因素如虚载 波、载波频偏、多径信道和信道阶数大于循环前缀等。基于m v 表示形式的o f d m 频域接收信号模型有助于分析o f d m 系统中的i c i 和i s i 等问题。o f d m 时域接 收信号模型的m v 推导形式清楚展现了o f d m 信号模型和等距线阵信号模型的相 似之处，这启发了利用d o a 估计方法进行o f d m 频偏估计的思路。 4 通过分析表明基于虚载波的o f d m 频偏估计模型可以等价为阵列信号处 理中的等距线阵d o a 估计模型。这个重要的结论为解决o f d m 频偏估计问题提 供了广阔的思维空间，因为只是简单的利用多种已有的d o a 估计方法就可以得到 多种频偏估计方法。 5结合等价模型中o f d m 等价方向矩降的特有结构，并以d o a 估计中的 d m l 方法为基础，提出了四种新的o f d m 频偏估计方法。这四种方法或者具有高 的计算效率，或者具有好的估计性能。 6 研究了一种基于鉴频检测和f f t 的g m s k 突发信号的联合同步方法。提 出了一种g m s k 突发检测方法，其包括突发捕获和突发确认两个过程，并设计了 相应的突发帧格式和检测窗滑动策略。在此基础上，提供了一种适合于g m s k 突 发信号的鉴频检测非相干解调方案，重点解决了突发信号检测( 突发捕获和确认) 、 载波频率同步、码元定时同步和数据判决问题。 7 研究了一种适合于d q p s k 突发信号的高效联合码元定时恢复、频偏估计 与纠正方法。该联合同步方法具有前馈结构和不需要前导同步序列的特点，因此 特别适合在突发模式传输中使用。 关键词：正交频分复用软件无线电同步矩阵向量模型 a b s t r a c t w i t hr e c e n tr e s e a r c ha n da d v a n c e m e n t si nb 3 g 4 uo f d m ，m i m oa n ds o f i w a r e r a d i oa r e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt o p i c s i nw 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 s y n c h r o n i z a t i o ni sr e g a r d e da st h ep r i m a r yo b j e c tf o rc o m m u n i c a t i o ns i g n a ip r o c e s s i n g w h i c hi n f l u e n c e so nt h ef o l l o w i n gb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nf o ro f d ma n ds y n c h r o n i z a t i o no fs i n g l ec a r r i e r s i g n a lf o rs o f t w a r er a d i oa r es t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hp r o d u c t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o ni s a sf o l l o w s ： 1 an o v e lm e t h o df o ri n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o no fo f d ms y s t e m si s d e r i v e d ，w h i c hi sb a s e do nm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) t e c h n i q u ea n de x p l o i t st h e d i f f e r e n t i a li n f o r m a t i o nb e t w e e nt w oc o n s e c u t i v eb l o c k so fo f d md a t as y m b o l si nt h e f r e q u e n c yd o m a i n t h er e a s o nw h y t h ep r o p o s e dm lm e t h o dh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o di sa n a l y z e d 2 s y m b o lt i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na r ek e yt e c h n i q u e si no f d m s y s t e m s m a x i m u ml i k e l i h o o da l g o r i t h m sb a s e do nc o r r e l a t i o no p e r a t i o na r ew i d e l y u s e d o p t i m a lc o r r e l a t i o nl e n g t hp l a y s0 2 1i m p o r t a n tr o l ei nc o r r e l a t i o no p e r a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o np r o v e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o nm e t h o d b a s e do nc y c l i cp r e f i xc a nb ei m p r o v e db yd e c r e a s i n gc o r r e l a t i o nl e n g t h t h eo p t i m a l c o r r e l a t i o nl e n g t hu n d e rm u l t i p a t hp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n te q u a l st h el e n g t ho fc y c l i c p r e f i xm i n u sm a x i m u mm u l t i p a t hl e n g t h t h ep a r t i a lc o r r e l a t i o na l g o r i t h mt r a c k s m a x i m u mm u l t i p a t h l e n g t hb ys u b s p a c ed e c o m p o s i t i o n a n dc a l c u l a t e s o p t i m a l c o r r e l a t i o nl e n g t hs u b s e q u e n t l yf o rs y m b o lt i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f i c i e n t l ys u p p r e s sa f f e c t i o no f m u l t i p a t ho ns y n c h r o n i z a t i o ne s t i m a t i o n 3 t h em va n a l y t i c a lm o d e lo fo f d ms y s t e ma n ds i g n a li sp r e s e n t e di n t h i s d i s s e r t a t i o n e a c hp r o c e s so f t h e0 f d ms i g n a lf r o mt r a n s m i t t e rt or e c e i v e ri sd e f i n e db y t h es t r i c tm a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o ni nt h em vm o d e l s o m ef a c t o r ss u c ha sv i r t u a l c a r r i e r s ，c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ，m u l t i p a t hc h a n n e la n dc h a n n e lo r d e rm o r et h a nc y c l i c p r e f i xa r es y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r e di nt h i sm o d e l b a s e do nt h ee x p r e s s i o no ft h em v m o d e l ，t h er e c e i v e ds i g n a lm o d e li nt h eo f d mf r e q u e n c yd o m a i nh e l p st oa n a l y z et h e i c ia n di s io ft h eo f d ms y s t e m t h em vd e r i v e de x p r e s s i o no ft h er e c e i v e ds i g n a l m o d e li nt h eo f d mt i m ed o m a i nd i s t i n c t l yi l l u s t r a t e st h es i m i l a r i t yb e t w e e n0 f d m s i g n a lm o d e la n du n i f o r ml i n e a ra r r a ys i g n a lm o d e l ，w h i c he n l i g h t e n su so nt h eo f d m f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nu s e db yd o a e s t i m a t i o nm e t h o d 4 a n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h em o d e lo fo f d mf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nb a s e d o nv i r t u a l c a r r i e rc a nb ee q u i v a l e n tt ot h em o d e lo fd o ae s t o i m a t i o no fu n i f o r i f tl i n c u r a r r a ya m o n ga r r a ys i g n a lp r o c e s s i n g n l i si m p o r t a n tc o n c l u s i o np r o v i d e sm a n y h e u r i s t i c m e t h o d sf o rc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o no fo f d ms y s t e m s t h i si sb e c a u s e m a n ym e t h o d so f d o a e s t i m a t i o nc a nb ea p p l i e dt oo f d m f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n w i t h o u ta n ym o d i f i c a t i o n 5 c o m b i n e dw i t ht h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h eo f d me q u i v a l e n ts t e e r i n gm a t r i x a n db a s e do nt h ed m lm e t h o df o rd o ae s t i m a t i o n ，f o u ro f d mf r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e d t h e s em e t h o d sa r ep r o v i d e dw i t he i t h e rt h eh i g h c o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c yo rt h es a t i s f i e de s t i m a t i o np e r f o r m a n c e 6 ab u r s td e t e c t i o nm e t h o df o rb u r s t m o d eg m s ks i g n a li sp r e s e n t e d ，a n d c o r r e s p o n d i n gb u r s tf r a m ea n ds t r a t e g yo f d e t e c t i o nw i n d o ws l i pi sd e s i g n e d i tc o n s i s t s o fb u r s ta c q u i s i t i o na n da c k n o w l e d g e m e n t ，i ti sb a s e do nd i g i t a lf r e q u e n c yd i s c r i m i n a t o r a n df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) ，a n ds u i t a b l ef o rs o f t w a r er a d i o s ac o m b i n e d e f f i c i e n tm e t h o do fb u r s td e t e c t i o n ，s y m b o lt i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nf o r b u r s t - m o d eg m s kb a s e do nd i s c r i m i n a t o ra n df f ti sa l s op r o p o s e d t h et w o - l e v e l d e c i s i o nm e t h o db a s e do n 粗i m e g r a t e a n d d u m pf i l t e rs u i t a b l ef o rd i s c r i m i n a t o r d e t e c t i o ni se m p l o y e d 7 ，a ne f f i c i e n tc o m b i n e dm e t h o do fs y m b o lt i m i n gr e c o v e r y , f r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o na n dc o r r e c t i o ni sp r o p o s e df o rb u r s t - m o d ed q p s ki ns o f t w a r er a d i o s ，d u et o i t sl o wc a l c u l a t i o nr e q u i r e m e n ta n de a s yr e a l i z a t i o ni nd s p , t h em e t h o di sr e a d i l y i m p l e m e n t e di n as o f t w a r er a d i n sr e c e i v e r t h em e t h o dh a saf e e d f o r w a r da n d p r e a m b l e l e s ss t r u c t u r et h a ti sp a r t i c u l a r l ys u i t e di nb u r s t m o d et r a n s m i s s i o n s k e y w o r d ：o f d m ，s o f t w a r er a d i o ；s y n c h r o n i z a t i o n ，m a t r i x - v e c t o rm o d e l b l u e c p d f t d m l d o a e s p r i t f b a f f 0 f f t i c i i d f t i f o i s i i q m l m a i m i m 0 m l m s e m u s i c m v n l s o f d m 0 f d m a p a r s n r s s u l a w l s w s f 缩略词 b e s tl i n e a ru n b i a s e de s t i m a t i o n 最佳线性无偏估计 c y c l i cp r e f i x 循环前缀 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶变换 d e t e r m i n i s t i cm a x i m u ml i k e l i h o o d确定性最大似然 d i r e c t i o no f a r r i v a l波达方向 e s t i m a t i n gs i g n a lp a r a m e t e r sv i ar o t a t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s 借助旋转不变技术估计信号参数 f o r w a r d b a c k w a r da v e r a g i n g前后向平均 f r a c t i o n a lf r e q u e n c yo f f s t e小数倍频偏 f a s tf o u r i e rt r a n s f o m 快速傅立叶变换 i m e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e 载波间干扰 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶逆变换 i n t e g e rf r e q u e n c yo f f s t e 整数倍频偏 i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e 码间干扰 i t e r a t i v eq u a d r a t i cm a x i m u ml i k e l i h o o d 迭代二次型最大似然 m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e 多址干扰 m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t 多输入多输出 m a x i m u ml i k e l i h o o d 最大似然 m e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n 多重信号分类 m a t r i x v e c t o r矩阵向量 n o n l i n e a rl e a s ts q u a r e 非线性最d , - 乘 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 k i p l e x i n g 正交频分复用 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 nm u l t i p l e a c c e s s 正交频分多址接入 p e a k - t o a v e r a g er a t i o 峰平比 s i g n a l t o - n o i s er a t i o 信噪比 s p a t i a l - s m o o t h i n g 空间平滑 u n i f o r ml i n e a ra r r a y 等距线阵 w i 曲t e dl e a s t - s q u a r e s 加权最小二乘 w e i g h t e ds u b s p a c ef i t t i n g 加权子空间拟和 符号定义 共轭 转置 共轭转置 卷积运算 矩阵的s c h u r 乘积 信号子空间上的投影算子 噪声子空间上的投影算子 点d f t 变换 连续信号的傅立叶变换 升余弦滤波器滚降因子 均方根时延扩展 相干带宽 多普勒扩展 相干时间 最大时延 最大多普勒频移 采样速率 采样周期 载波频率偏移 维的d f t 矩阵 n x n 维的i d f t 矩阵 n x n 维的单位矩阵 n n 维的矩阵，其反对角线上的元素等于l ，其它元素等于0 n x n 维的对角矩阵，对角线元素等于扩，k = 0 ，_ l 对角矩阵，其对角线元素构成向量x 信道冲激响应 信道矩阵，分别为以j 维的下三角和上三角t o e p l i t z 矩阵。 ，尸波达方向 户方向向量 方向矩阵 ) i l o h 叫 9 】= ， ， 1 ，0 弄p r n 一。n衅嘶删口田犀回瓦名足瓦缈w f h扎喇嘲h唧忙螂a a 的一个子阵，见p 7 3 页 a 的一个子阵，见p 7 3 页 a 的一个子阵，见p 7 3 页 信号特征向量矩阵 噪声特征向量矩阵 第k 个频域数据码元向量 i f f t 单元的输入向量 循环前缀删除矩阵 虚载波删除矩阵 i s i 样点删除矩阵 虚载波插入矩阵 循环前缀插入矩阵 子信号样点抽取矩阵 前向平滑形成的信号子块 后向平滑形成的信号子块 算法列表 s m i t h 信道仿真方法 s m i t h 时域信道仿真方法 s c 整数倍频偏估计方法( o f d m ) m l 整数倍频偏估计方法( 0 f d m ) a c p m l 基于全相关的码元定时和频率偏差估计方法( o f d m ) p c p m l 基于部分相关的码元定时和频率偏差估计方法( o f d m ) o f d m 系统和信号模型的m v 分析方法 e s p r i t 频偏估计方法( o f d m ) m u s i cl i k e 频偏估计方法( o f d m ) r o o tm u s i cl i k e 频偏估计方法( o f d m ) w s fr o o tm u s i cl i k e 频偏估计方法( o f d m ) i q m ll i k e 频偏估计方法( o f d m ) g m s k 码元定时和频率偏差估计方法 g m s k 突发检测方法 d q p s k 码元定时和频率偏差估计方法 p 2 9 页 p 3 0 页 p 4 3 页 p 4 4 页 p 5 6 页 p 5 8 页 p 7 1 页 p 8 6 页 p 8 8 页 p 8 9 页 p 9 0 页 p 9 0 页 p 1 0 6 页 p 1 1 3 页 p 1 2 5 页 t 锄虬u u娴珊k酗k k 啪蹦 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特剐加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：i 筮基日期迎! ! ：生! 丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名 i ：鑫 耥 同期型! 兰：生：丛 日期照竺：纩 第一章绪论 第一章绪论 1 9 0 1 年1 2 月1 2 日，意大利科学家马可尼在人类历史上第一次实现了无线电 通信。2 0 世纪7 0 年代，随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展，移 动通信得到了迅猛发展和应用。1 9 7 8 年，美国芝加哥开通第一台模拟移动电话， 标志着第一代移动通信( 1 g ) 的诞生。1 9 8 7 年，我国首个t a c s 制式模拟移动电话 系统建成并投入使用。1 9 9 3 年，我国首个全数字移动通信系统( g s m ) 建成开通， 使我国进入了第二代移动通信f 2 g ) 时代。2 0 0 1 年，数个国家相继开通了3 g 商用 网，标志着第三代移动通信时代的到来。在2 0 0 4 年，全球3 g 市场发展开始加速， 3 g 商用网络数量迅速增加，一些运营商的3 g 运营收入和用户数量开始快速增长。 目前，第二代移动通信系统正在以前所未有的速度发展着；第三代数字移动通信 系统也正处于大规模商用化的前夕。与此同时，下一代移动通信系统( b e y o n d 3 g 4 g ) 的研究工作也己悄然展开。如果说从1 g 到2 g 是从模拟到数字的变革， 2 g 到3 g 仅仅是一次平滑过渡，而将来从3 g 到4 g 的发展则是一次基于新技术 的飞跃。 1 14 g 研究现状 对于4 g 的标准，欧洲、北美、东亚地区的政府和研究机构，以及诺基亚、爱 立信、摩托罗拉、朗讯、n t td o c o m o 等企业表现非常积极。为了共同推动4 g 技术和标准的发展，各方也组织了如w w r f ，m l t f 、s d r 论坛，4 g 论坛、m v c e 等多个论坛和联合体。日本业界雄心勃勃地计划进行第四代移动通信系统技术的 研究，意欲赢得时间和主动，抢占2 1 世纪移动通信技术的制高点。日本最大的移 动运营商n t td o c o m o 公司日前表示，其在4 g 移动通信设备上成功实现了无线 数据传输速率1 0 b p s 的新纪录。d o c o m o 公司称，他们此次实现传输速率达到 1 g b p s 的无线测试采用了v s f o f c d m ( 可变扩频因子正交频分与码分复用) 技 术和实现多路信号空间复用的m i m o 技术。出于竞争需要，欧盟也把第四代移动 通信系统列入了“第六框架研究计划”。中国在成功推出t d s c d m a 第三代移动 通信技术标准后，于2 0 0 2 年也正式启动了开发新一代无线移动通信系统的步伐。 中国科学技术部已经在国家“8 6 3 ”计划中将超3 g 4 g 的研究作为战略研究重点领 域之一，称为f u t u r e 计划。 软件无线电和o f d m 系统中的同步技术研究 b 3 g 4 g 标准化组织 i t u ( 国际电信联盟) 己将3 g 之后的移动通信技术定义为b 3 g ( s y s t e m sb e y o n d i m t - 2 0 0 0 ) ，目前有些国家称之为4 g 。i t u 的b 3 g 标准化工作主要由i t u r 的 w p g f 和i t u t 的s s g 负责。i t u t 的s s g 组主要负责在网络层面进行相应的标 准制定工作。i t u r 的w p 8 f 工作组的主要任务是负责3 g 未来发展和b 3 g 的研 究。在2 0 0 1 年1 0 月日本举行的w p 8 f 第六次会议上，该工作组讨论通过了 “i m t - 2 0 0 0 未来发展及超i m t - 2 0 0 0 的远景框架及总目标( i m t - v i s ) ”，对b 3 g 进 行了定义。主要包括三个方面的内容。首先是3 g 的未来发展。i t u r 的基本看 法是i m t - 2 0 0 0 将继续演进，以支持新的应用、产品和服务。增强型i m t 2 0 0 0 的 传输速率大约在1 0 m b s 左右，希望i m t - 2 0 0 0 地面无线接口的能力到2 0 0 5 年能 扩展到3 0 m b s 。第二部分是b 3 g 系统的引入。除了继续演进之外，i t u 预想到 2 0 1 0 年能有一种基于新的无线接入技术的新系统。称为超i m t - 2 0 0 0 系统。它将 是增强型i m t - 2 0 0 0 系统及其他无线系统的补充。b 3 g 的目标是能够支持低速移 动1 g b s ，高速移动1 0 0 m b s 的传输速率。b 3 g 的频谱分配方案有望在w r c 0 7 上确定。第三方面的内容是各种无线接入系统的融合，包括i m t 2 0 0 0 、b 3 g 和其 他无线接入系统，以提供综合服务。不同的接入系统将根据它们的应用区域、小 区范围以及无线环境组织在一个分层结构中。 w w r f l w w r f ( 无线世界研究论坛) 是一家旨在制订下一代无线通信发展蓝图和技术 规范的业界团体，成立于2 0 0 1 年，欧美5 大通信设备制造商( 阿尔卡特、爱立信、 摩托罗拉、诺基亚、西门子) 为发起者，目标是在行业和学术界内对未来无线通 信的研究方向和远景进行规划，提出并确立无线系统技术的研究方向。现该论坛 已向全球发展，对i t u 的工作影响较大。w w r f 认为4 g 应该采用o f d m 作为 其核心技术。目前w w r f 设想的4 g 包含很多现有的以及新兴的无线技术，有望 集成不同方式的无线通信：从无线局域网和蓝牙等近距离通信、蜂窝通信、广播 电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。 m l t f 日本的m l t f ( 移动互联网技术论坛) 成立于2 0 0 1 年6 月，下设4 g 移动通信 委员会。r 本的4 g 研究是以m i t f 为中心来进行的，近几年已经进行了很多项课 题研究。日本的标准化组织a r i b 在m l t f 中发挥了主导的作用。2 0 0 3 年5 月， m l t f 和w w r f 签订了合作协议，以共同推动b 3 g 移动通信系统的研发和标准 第一帝绪论 化工作。4 g 移动通信委员会的主旨是促进4 g 的发展和标准化，目标是阐明4 g 移动通信系统的系统架构和应用，以2 0 1 0 年左右实现初步商用为蓝图提出近期具 体工作，由此奠定业界和学术界研发和标准化工作的基础。 i e e e i e e e8 0 2 局域网和城域网标准委员会负责部分b 3 g 标准的制定工作。在i e e e 中，8 0 2 委员会负责制定w l a n 、w m a n 和w p a n 的标准，这些标准都属于低 速和固定的无线接入系统的范畴。此外，基于新的移动通信技术，i e e e8 0 2 还在 制定包括8 0 2 1 6 e 和8 0 2 2 0 等具有很高移动性的高速移动通信系统的标准。2 0 0 4 年，i e e e 还成立了8 0 22 1 研究组，准备进行w p a n 、w m a n 以及w l a n 相互 融合的工作。 1 2 4 g 关键技术 新一代移动通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) 可能采用演迸或革新的方式来实现。 所谓演进指的是对3 g 系统i m t - 2 0 0 0 加以改善，而革新则指的是完全开发新的系 统。4 g 移动通信系统设想能够在高速移动情况下支持高达1 0 0 m b s 的峰值数据 速率，而在低速移动情况下可以达到1 g b s ，支持的业务从语音到多媒体业务， 包括实时的流媒体业务。近年来，人们对实现b 3 g 4 g 的关键技术进行了大量的 研究，并取得了初步的成果。正在研究的热点技术包括正交频分复用( o f d m ) 、 多输入多输出( m i m o ) 天线系统、软件无线电技术等。 o f d m 技术 o f d m ( 正交频分复用) 技术实际上是m c m ( 多载波调制) 的一种。其主 要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据转换成并行的低速子数据流， 并调制到每个子信道上进行传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽， 因此每个子信道都可以看作是一个平坦衰落信道。早在2 0 世纪6 0 年代，o f d m 技术就已经被应用到多个军事高频通信系统中，例如k i n e p l e x 、a n d e f t 及 k n t h r y n 等。但直到2 0 世纪8 0 年代，随着欧洲在数字音频广播中采用o f d m 技术，其才开始受到关注并且很快得到了广泛应用。o f d m 现已被多个重要的 标准所采纳，例如欧洲的数字音频广播( 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 ) 2 1 和陆 地数字视频广播( d v b t ：t e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 无线局域网 标准i e e e8 0 2 1 1 j 、e t s i 的h i p e r l a n 2 t 5 j 和f 1 本的m m a c 等。 o f d m 技术具有许多优点： ( 1 ) 抗时延扩展能力强：由于o f d m 系统把高速数据分散到许多个子载波上， 软件无线电和o f d m 系统中的吲步技术聊f 究 这大大降低了各子载波的符号速率，从而可以减轻无线信道时州弥散所带 来的i s i 影响。再通过插入循环前缀的方法，就可以非常有效的减轻或完 全消除i s i 影响。这样接收机就可以采用简单甚至不采用时域均衡器，降 低了接收机设计的复杂度。 ( 2 ) 频谱利用率高：出于o f d m 各子载波阳j 相互正交，相邻子载波频谱有1 1 2 重叠，因此可以大大提高频谱利用率，这对于频谱资源有限的无线通信非 常有意义。 ( 3 ) 具有很强的抗衰落能力：o f d m 技术本身就可以自动提供频率分集的好 处，再通过各子载波的联合编码，可以进一步增强处于深衰落的子载波所 携带的信息能够被正确恢复的能力。 ( 4 ) 调制解调容易实现：正交调制和解调可以采用快速算法( f f t ) 实现，而 f f t 非常容易用d s p 实现。 ( 5 ) 具有抗窄带干扰能力：因为窄带干扰只会影响到一小部分子信道，所以 o f d m 系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。 o f d m 技术的缺点是： ( 1 ) 对载波频率偏差非常敏感：这是出于o f d m 正交子信道的频谱互相重叠 的缘故。载波频偏是由于发射接收机振荡器频率不匹配或多普勒频移引 起的。 ( 2 ) 峰值平均功率比高；o f d m 输出信号有多个子信道信号的叠加而成，有 时会出现叠加信号的瞬时功率远远大于信号的平均功率的情况。大的峰值 平均功率比( p a r ) 要求发射机线性放大器必须具有大的的动态范围，这 增加了发射机设计难度和成本。 m i m o 技术 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 1 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提 出的，其充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不增加带宽和发射 功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。信道容量随着天线数量的增加而线性 增加。利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的传输可靠性， 降低误码率。前者是利用了m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用了 m i m o 信道提供的空间分集增益。 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗 多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前在 m i m o 系统中解决频率选择性衰落问题一般是利用均衡技术，还有一种是利用 o f d m 技术。实际上，由于m i m o 技术具有极高的频谱利用率，在理想情况采用 v - b l a s t 算法可以达到2 0 - - 4 0 b i t s s h z ，这是目前任何一种技术所不能达到的； 第一章绪论 i s i 是影响无线通信质量的主要因素，而o f d m 技术能够有效对抗i s i ，同时具有 频谱利用率高、抗多径衰落能力强和易于实现等优点，因此这两种技术的结合是 一种必然的趋势，其必将成为下一代移动通信系统4 g 的核心技术之。 目前m i m 0 技术的应用领域还主要是在固定无线接入。i e e e8 0 2 ，i l a 和i e e e 8 0 2 ，1 l g 都是以o f d m 作为核心技术，而i e e e8 0 2 1 6 系列则是以m i m o + o f d m 技术为核心。由于m i m o 和o f d m 在提高无线链路的传输速率和可靠性方面具 有巨大的潜力，使得这两种技术特别是二者的结合有望成为过渡到4 g 的潜在技 术。因此这两种技术已经成为目前4 g 研究的热点。 软件无线电技术 软件无线电是最近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和新的通信体系 结构。所谓软件无线电，就是构造一个通用的、可重复编程的硬件平台，使其工 作频段、调制解调方式、业务种类、数据速率与格式、控制协议等都可以通过软 件进行重构和控制，选用不同的软件模块就可以实现不同类型和功能的无线电台。 其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换器，并尽可能多 地用软件来定义无线功能。软件无线电把无线通信系统从长期以来依赖硬件的特 性中解放了出来，其被认为是继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后 的无线通信领域的第三次突破。软件无线电最初是作为一种与军事相关的技术被 提出。最近，软件无线电的发展重心开始从军事用途转向商业用途。以前，研究 侧重于军事的r f 频段和空中接口模式灵活性方面。而现在，尤其是在欧洲，研 究的焦点越来越集中到3 g 4 g 手机、基站和网络等基础结构的经济可行性方面。 软件无线电技术被认为是解决多频段多模式多业务终端问题的唯一方案，也是解 决多频段多模多业务基站问题的最佳选择。软件无线电在移动通信中的应用，将 会从根本上改变移动通信系统的网络结构，实现有线网与无线网融合并能容纳各 种标准、协议，并提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。 近年来软件无线电技术取得了一些新的进展，包括： 1 ) 宽带天线技术 宽带天线被认为是实现理想软件无线电系统的最佳天线方案，但在目前的技 术条件水平下是难以实现的。目前采用的是多频段组合式天线，即在全频段甚至 每个频段使用几副天线组合起来形成宽带天线。近年来发展起来的微电子机械系 统( m e m s