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o f d m - m i m o 系统自适应分配算法计算量的研究 摘要 摘要 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严竣的挑战：多径衰落信道和带宽效率。近 年来。正交频分复用( o f d m ) 技术和多输入多输出技术( m i m o ) 披普遍认为是克服以上 两个问题的有效手段，因此成为研究热点o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域 内转换为平坦衰落信道，减小了多径衰落的影响。而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，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带 宽的情况下增加频谱效率。将o f d m 和m i m o 两种技术结合起来的o f d m m i m o 系统可 达到两种效果：很高的传输速率和很强的可靠性。 研究表明，在o f d m 系统或o f d m m i m o 系统中加入自适应调制技术可以更加有效地 利用系统资源，增强系统的稳定性。o f d m 系统自适应调制技术就是根据各个子信道的实 际情况，灵活地为每个子载波加载不同的比特数，并分配给相应的功率，这样可以优化系统 的性能 。 本文介绍了o f d m 技术、m i m o 技术的基本原理、特点及应用发展，介绍了这两种技 术相结合的优势。以自适应调制技术为研究中心。总结了o f d m 系统中几种基于不同优化 目标的经典自适应分配算法，包括“注水”算法、h u g h e s - h a r t o g s 算法c h o w 算法和f i s c h e r 算法。 本文对o f d m 系统中经典的自适应分配算法进行了计算量的研究。着重对 h u g h e s - h a r m g s 算法的计算量进行了分析。在此基础上，分析了减小h u g h e s h a r t o g s 算法计 算量的改进方案，通过仿真验证了改进后的算法大幅度降低了计算量，而性能保持稳定采 用与分折h u g h e s - h a r t o g s 算法计算量相类似的方法本文还分析了c h o w 算法、f i s c h e r 算 法的计算量。并在仿真的基础上，得出了用d s p 对c h o w 算法、f i s c h e r 算法进行计算所需 的时间，以期对这些算法在实际中的应用提供理论依据。 本文最后介绍了o f d m m i m o 系统模型，讨论了o f d m - m i m 0 系统中基于v - b l a s t 算法的简化的比特分配( s b a ) 算法，分析并比较了在多种天线阵列系统中该算法的性能和 计算羹，得出在不同天线阵列系统中使用d s p 对s b a 算法进行运算的主要工作耗时该算 法是一静简化的比特分配方法，使得在天线和子载波同分配比特更为简单，接收端采用 v - b l a s t 的迫零检测算法进行检测。与完全的比特分配算法相比。s b a 算法减少了反馈信 息，降低了计算复杂度，且性能与原有方式非常接近 关键字：多入多出系统( m i m o ) ，正交频分复用( o f d m ) ，白适应调制，v - b l a s t 计算 量，算法实现 ：罂筌：鹜至筌圣鉴塞薹窑坌墨三鎏薹茎薹塑呈薹兰茎詈 a b s t r a c t t h e r ea r ct w o c h a l l e n g e s i nt h eb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i n f u t u r e ：m u l t i p a t hf a d i n g c h a n n e la n db a n d w i d t he f f i c i e n c y o r t h o g o n a l f 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 ( o f o r d ) t e c h n o l o g ya n dm u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e r o u t p u t ( m i m e ) t e c h n o l o g ya r e r e g a r d e da se f f e c t i v em e t h o d st oc o m b a tt h e s et w oi s s u e sr e c e n t l y , s ot h e s et e c h n o l o g i e si 凇, o m e t h ef o c u so ft h er e s e a r c h o f d md i v i d e st h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e li n t om u l t i p l e s u b - c h a n n e l s ，s oi n t e r - s y m h n li n t e f f e r e n c e ( i s l ) c a nb em i n i m i z e da n dm u l t i p a t hf a d i n ge f f e c tc a n b er e d u c e d m i m oc a l lp r o d u c ei n d e p e n d e n ts u b - c h a n n e l s a n dt r a n s m i tm u l t i p l ed a t as t r e a m s s i m u l t a n e o u s l y , w h i c hi n c r e a s e st h eh i tr a t e t r a n s m i s s i o ne f f e c t i v e l y o f d m - m i m os y s t e m ，t h e c o m b i n a t i o no ft h eo f d ma n dm i m e ，l e a d st ot w oe f f e c t s ：v e r yh i 曲b i tr a t et r a n s m i s s i o na n d e n h n u c lr e l i a b i l i t y r e s e a t c h sd e m o n s t r a t et h a tt h ea p p l i c a t i o no fa d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u ei no f d m s y s t e mo ro f d m m i m os y s t e mc a nu t i l i z et h es y s t e mr e , s o u r c e se f f e c t i v e l ya n de n h a n c et h e s t a b i l i t yo fs y s t e m 。t h eo f d ms y s t e ma d a p d v em o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，a l l o c a t e sd i f f e r e mn u m b e r s o fb i t s t oe a c hs u b c a t r i e ra n da s s i g n sc o r r e s p o n d i n gp o w e r , w h i c hc a na c h i e v ea l lo p t i m i z e d p e r f o r m a n c e i nt i i i st h e s i s w ef i r s ti n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e d s t i c so fo f d ma n dm i m o t e c h n o l o g y , a n dt h ea d v a n t a g e so ft h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w ot e c h n o l o g i e s r e g a r d i n gt h e a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u ea st h ef o c u so ft h er e s e a r c h , w es u m m a r i z es o m et y p i c a la d a p t i v e a l l o c a t i o n a l g o r i t h m s b a s e do nt h ed i f f e r e n t o p t i m i z e do b j e c t s ，s u c h a s w a t e r - f i l l i n g a l g o r i t h n x h u g h e s - h m t o g sa l g o r i t h m ，c h o wa l g o r i t h ma n df i s c h e ra l g o r i t h m t h er e s e a r c h , w h i c hs t u d i e st h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo f s o m e t y p i c a la d a p t i v ea l l o c a t i o n a l g o r i t h m si no f d ms y s t e m ，p a y sm o r ea t t e n t i o no nt h ea n a l y s i so fh u g h e s h a r t o g sa l g o r i t h m s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y b a s e do nt h e s e ，a ni m p r o v e da p p r o a c ho fr e d u c i n gt h ec o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t yo fh u g h e s h a t t o g sa l g o r i t h mi sa n a l y z e d , w h i c hi st e s t i f i e db ys i m u l a t i o nt h a ti tc a n m a i n t a i nas t a b l e p e r f o r m a n c ei n t h ec a s eo fr e d u c i n gt h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y r e m a r k a b l y u s i n gt h es a m em e t h o d so fm a k i n ga l la n a l y s i s o fh u g h e s h a r t n g sa l g o r i t h m s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h i ss t u d y a l s oa n a l y z e st h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fc h o w a l g o r i t h ma n df i s c h e ra l g o r i t h m a n dt h et i m et h e y s ti nc u r r e n td s p a t ec a l c u l a t e db a s e do nt h e s i m u l a t i o n t h i sw o r kc a nb eu s e da sar e f e r e n c ef o re m p l o y i n ga d a p t i v ea l l o c a t i o na l g o r i t h m si n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i nt h el a s tp a r to f t h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h eo f d m m i m os y s t e mm o d e l ，d i s c u s sas i m p l i f i e db i t a l l o c a t i o n ( s b a ) a l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h ev - b l a s ta l g o r i t h m 。m a k ea na n a l y s i s a n d c o m p a r i s o no fp e r f o r m a n c ea n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yw h e na p p l y i n gt h es b aa l g o r i t h mi n d i f f e r e n ta n t e t r l aa r m ys y s t e m s ，a n dt h ec o s tt i m eo fe m p l o y i n gs b aa l g o d t h mi nd i f f e r e n t s y s t e m sa r ec a l c u l a t e d n p r o p o s e da l g o r i t h mm a k e sa l l o c a t i n gb i t sa t n o n gd i f f e r e n ta n t e o n a s a n ds u b c a t r i e r sm o r ee a s i l y , u s i n gt h ev - b l a s tz e r of o r c i n gd e t e c t i o na l g o r i t h ma sad e t e c t i o n a l g o r i t h ma tt h et 瑚m s m i t t e r c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lv - b l a s tf o ro f o mm l m o i l l 2 ：型：坚! 竺2 至篓呈鎏璧2 塑兰薹立兰墨望鐾蚤 当坠竺： s y s m mi naf e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e lm o d e l ，t h ea d v a n t a g eo fs b aa l g o r i t h mi st h a to n l y am i m m a if e e d b a c ko fi n f o r m a t i o nb a c kt ot r a n s m i t m ri sr e q u i r e dw h i l es t i l lm a i n t a i n i n gg o o d p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m 1 m o ，o f d m ，a d a p t i v em o d u l a t i o n ，v - b l a s t , c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , a l g o r i t h mr e a l i z a t i o n 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：吐丞圭 加7 年5 - 月留日 o f d m - m i m o 系统自适应分配算法计算量的研究第一章绪论 第一章绪论 当今世界已经进入了飞速发展的信息时代，通信则成为信息产业中发展最为迅速、进步 最快的产业。其中，移动通信作为快速、便携、可靠方便的通信方式更是倍受关注。自从 1 8 9 7 年马可尼首次实现长距离无线通信开创新纪元以来，人们一直努力向提供全球性优质 服务，真正实现在任何时闻、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标迈 进。尤其在过去的几十年里，通信技术得以迅猛发展和广泛应用，极大的推动了社会经济发 展，改变着人们的生活方式。 1 1 移动通信的发展状况 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了1 8 9 7 年，m g 马可尼所完成的无 线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为1 8 海里。现代移动通信技术的发 展始于本世纪2 0 年代，大致经历了五个发展阶段。 第一阶段 从本世纪2 0 年代至4 0 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发 出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率 为2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 4 0 m h z 。可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段， 特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段 从4 0 年代中期至6 0 年代初期在此期间内。公用移动通信业务开始问世1 9 4 6 年， 根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽 车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为1 2 0 k h z ，通信方式为单工，随 后，西德0 9 5 0 年) 、法国( 1 9 5 6 年) 、英国( 1 9 5 9 年) 等国相继研制了公用移动电话系统。美国 贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网 过渡，接续方式为人工，网的容量较小。 第三阶段 从6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期问，美国推出了改进型移动电话系统( i m t s ) ， 使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够 自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的8 网可以说，这一阶段是移 动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实 现了自动选频与自动接续。 第四阶段 从7 0 年代中期至8 0 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试 验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。 1 9 8 3 年，首次在芝加哥投入商用。同年1 2 月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美 国逐渐扩大。到1 9 8 5 年3 月已扩展到4 7 个地区，约l o 万移动用户这一阶段的待点是蜂 窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。 呈! 呈竺：兰! 竺呈：量竺窒鎏璧坌墼塞兰生兰兰墼丝塞至= 茎翼篁 第五阶段 从8 0 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。以a m p s 和1 a c s 为 代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。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 开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。 另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与 s d n 等兼容。 下一代移动通信系统 目前，第三代移动通信系统正处于实际应用的快速发展时期，与此周时第四代移动通 信系统( 4 g ) 的概念和最新技术也在世界各国进行着广泛的研究。目前还没有一个对4 g 通 信系统的精确定义，但可以肯定的是4 g 是在因特网和移动通信系统飞速发展基础上形成的 一种无线宽带多媒体通信系统( w b m c s ：w i r e l e s sb r o a d b a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s ) ，目前在欧洲也称为复合式可重构的无线网络( c o m p o s i t er e c o n f i g u r a b l ew i r e l e s s n e t w o r k s ) ，其目标是要在世界范围内建立“全球信息村”。4 g 的概念应包括不同的接入 层次和技术，从微微小区( p i c o c e l l s ) ，微小区( m i c r o c e l l s ) ，宏小区( m a c r o c e l l s ) 直至全 球的各种区域结构。集成不同模式的无线通信从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、 广播电视一直到卫星通信，这个系统允许移动用户在“任何时间、任何地点以最优化的方式 接入网络” 4 g 通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度，它的最大数据传输速率将达 到1 0 0 m b i f f s ，这个速率是目前移动电话数据传输速率的l 万倍也是3 g 移动电话速率的 5 0 倍，4 g 通信将给人类带来真正的沟通自由。 移动通信的未来与挑战 人们对于未来无线通信系统的需求仍然在不断增长，其中明显的趋势总结如下： 1 )宽带化：系统具有更高的数据速率和更低的数据传输成本。 基于i p 的网络：完全的i p 分组交换，在切换和分组传输中具有更小的时延，无缝 连接。 3 )业务集成：支持多种应用，包括更多的多媒体业务，而且希望有无处不在且根据个 人需求进行定制的新的应用和服务。 4 )智能化：具有高度自治，自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性 等，用以满足不同环境、不同用户的通信需求。 1 2o f d m 技术：未来移动通信的关键技术之一 未来的无线通信系统，对通信速率和服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e 。q o s ) 有更高的要求， 而这又受到系统功率、带宽和复杂度的限制。具有高频谱利用率和高性能的通信方式是无线 通信领域重要的研究开发目标之一。尽管困难重重，但在未来美好蓝图的召唤之下，世界各 国在推动第三代移动通信系统商用化的同时，目前已经把研究重点转入超三代以及第四代移 动通信的研究，在概念和技术上寻求创新和突破，先后出现了多项具有光明前景的重要技术， 比如多载波传输技术( 如正交频分复用技术，o f d m ) 。多天线技术，高性能编码、调制技术， 2 o f d m - m i m o 系统自适应分配算法计算量的研究第一蕈绪论 超宽带技术( u w b ) 各种动态及快速自适应技术，智能资源管理以及a dh o c 网络等。本 文研究的对象正是其中一项备受关注的技术：o f d m 技术，在移动通信中引入o f d m 技术， 可以显著提高无线通信系统的频谱效率 1 2 1o f d m 与单载波技术 与单载波技术相比，多载波技术是一种全新的通信方式，从而导致其在很多方面都与单 载波技术有相当大的区别。o f d m 是一种特殊的多载波技术，很多现有的多载波技术都与 o f d m 有着直接或间接的关系。o f d m 主要的特征是将高速的数据流分成多个低速的子流， 将这些低速的子流放在不同的子载波上进行传输，然后在接收端对每个不同的子流进行单独 的解调这种独特的调制解调方式导致了o f d m 系统中很多独特的问题，因此就研究了多 种技术来解决这些问题o f d m 在处理多径衰落信道时有着特别简单的特性，这使得与单 载波技术相比，o f d m 技术可以在很严重的多径信道下用比较少的代价获得很好的性能。 这是0 f d m 技术与单载波技术相比的主要优势 1 2 2o f d m 系统的主要优缺点 近年来，o f d m 技术己经越来越受到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系统存在如 下的主要优点： 1 )把高速数据流转换成一系列并行的低速子数据流，使得各子载波上的数据符号持续长度 相对增加，从而可有效地减小由于多径引起的i s l ，适用于多径环境和衰落信道中的高 速数据传输； 2 )o f d m 系统由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规 的频分复用系统相比。o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源； 3 ) 各个子信道中的正交调制和解调可以采用离散傅立叶反变换离教傅立叶变换 ( i d f t d f t ) 来实现，而i d f t 和d f t 都有相应的快速算法i f f t 和f f t ； 4 )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远远大于上行链路中的 数据传输量。而o f d m 系统可以很容易的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； 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，其中包括多载波码分 多址m c - c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m - r d m a 等等使得多个用户可以同时利用 o f d m 技术进行信息传输 但是o f d m 系统内由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠 加因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 1 )峰值平均功率比过高。由于o f d m 信号是一系列子载波上调制信号的叠加，当子载波 数目较大时叠加后的信号会存在较大的峰值。这就要求射频功率放大器有非常宽的线性 范围，否则会产生非线性失真造成子载波间干扰。这个问题可以通过峰均比抑制算法来 解决，即对发送信号进行处理，降低其峰均比： 2 )对同步误差比较敏感。同步包括时间同步和频率同步，o f d m 系统对频率同步的要求 尤其高。因为即使很小的频偏也会破坏子载波间的正交性，产生子载波问干扰。或者说， 由于o f d m 系统中相邻子载波间有1 2 的重叠，也就是说冗余量很小周样，o f d m 0 f d m m i m o 系统自适应分配算法计算量的研究第一章绪论 系统对信道的多普勒频移很敏感： 3 )损失了频率分集。由于o f d m 使用窄带的子载波，这就损失了多径信道固有的频率分 集增益。但是这个问题可以通过采用子载波间的编码来克服。或者说用一定的系统容量 ( 传输速率) 来换取频率分集增益( 性能) 。 1 2 3o f d m 系统的关键技术 0 f d m 技术最早应用于有线通信领域，因为其众多的优点而被作为无线接入技术进行 研究。但由于无线移动信道的特殊性，o f d m 技术在无线移动环境中有其明显的局限性， 在此简要介绍一下o f d m 在无线移动环境中应用的一些关键技术。 1 2 3 1 同步 在无线通信系统中，同步往往是系统中比较难解决的问题。在o f d m 系统中。同步也 是关键技术之一，o f d m 系统中的同步通常包括以下三部分：采样时钟同步、帧同步( 符 号同步) 和频率同步。采样时钟同步是指补偿发射端和接收端的采样时钟偏差。由于存在采 样时钟的偏差，每一个信号样点会偏离正确采样点位置，并且偏移量随时间线性增加。在 o f d m 系统中通常会引入循环前缀( c y c l i cp r e f i x , c p ) ，帧同步的目的是检测符号的边界， 找到去除c p 的合理位置，即确定接收端合适的傲f f t 的窗位置。如果不同步则会引入符号 问干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。频率同步是指补偿发射端和接收端的载频偏差。在 o f d m 系统中，由于每一路载波上调制的都是低速数据流，所以与宽带单载波系统相比较， 相同的频偏会造成更为恶劣的影响。载波频偏会破坏子载波间的正交性，从而造成子载波间 干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e 。i c i ) 。由于o f d m 系统对频偏极为敏感，因而频率同步是一个 非常重要并被广泛研究的问题。 o f d m 通信系统时频同步方法主要分为两类：第一类是基于额外的前导符号，这类算 法的优点是捕获快、精度高，适合分组数据传输；另一类是盲估计，它利用o f d m 信号的 结构，例如由于加循环前缀使o f d m 信号的前端和后端有一定的相关性以及利用系统内插 p i l o t 的同步算法。盲估计最大的优点是：避免由于插入导频而带来的资源浪费，缺点是为 了获得高精度需要几十个甚至上百个o f d m 数据块，捕获时间长。 1 2 3 2 信道估计 由于无线移动信道是时间和频率双重色散的，要抵消信道的影响可以采用差分解调或相 干解调，差分解调通常会造成一定的性能损失或需要较为复杂的算法来获得与相干解调相近 的性能。尤其是在o f d m 系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干解调。相干解 调需要做信道估计，这通常使用训练序列或导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信 道中，在时变信道中一般使用导频信号。在o f d m 系统中，导频信号是时频二维的，为了 提高估计的精度，可以插入连续导频或离散导频，插入的导频数量必须折中考虑估计精度和 系统复杂度。导频信号之间的间隔取决于倍道的相干时阃和相干带宽，在时域上，导频的间 隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频模式的设计 要根据具体情况而定。 而作为o f d m 链路级智能技术之一的自适应信道估计方法由于其高效的导频利用率以 4 塑呈竺：坚竺垂篓皇耋垩坌堡兰至兰兰兰墼至彗兰= 蓁丝呈 及良好的信道估计与信道跟踪的性能，已经引起了人们广泛的兴趣。基于自适应原理的信道 估计方法主要分为两类：一类是系统根据信道的状态自适应的调节时频滤波器的系数，使得 系统在相同的导频消耗下有更为良好的信道跟踪性能；一类是首先经过一小段的导频训练序 列得到信道的初始状态，然后使用自适应信道跟踪算法对信道的状态进行跟踪，达到减少系 统导频开销的目的。 1 ，2 3 3 信道编码和交织 为了提高数字通信系统性能，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， 通常同时采用信遭编码和交织，进一步改善整个系统韵性能在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已经被o f d m 这种调试方式本身 所利用了但是o f d m 系统的结构却为再子载液同进行编码提供了机会，形成c o f d m 方式。o f d m 系统可以采用各种信道编码方式，如分组码、卷积码等，其中卷积码的效果 要比分组码好 1 2 3 4 均衡技术 均衡的实质是补偿多径信道特性。而o f d m 系统本身已经利用了多径信道的分集特性， 一殷倚况下系统不必再加均衡器。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，保护时隙的长 度要求很长才能保证i s i 不出现。但保护时隙太长必然导致能量损失尤其在子载波数目不 大时。这时可以考虑加均衡以使保护时隙的长度不至于过大，在稍微增加系统复杂性的基础 上，提高频带的利用率 1 2 3 5 降低峰值平均功率比 从o f d m 传送的原理可以看出，o f d m 信号是由大量独立的经过调制的子载波合并丽 成。当这些信号分量同相相加时，发送方会出现很高的瞬时信号峰值，导致峰值功率与平均 功率的比值( p a p r ：p e a k - t o - a v e r a g e p o w e r r a t i o ) 较高( 极限情况可达到n 倍，n 为子载 波的数量) 这里峰值功率定义为一个幅值等于最大包络值的正弦信号的功率 较高的p a p r 要求发射机的功率放大器必须要有大的线性动态范围，并且系统的a d 和d a 转换器的复杂度也要提高。实际的功率放大器的线性范围有限，如果不能对峰值信 号进行线性放大，即峰值被“削掉”的话，那么就会导致严重的带外谐波失真功率( o o b ) ， 在相邻子信道间引入干扰。 从目前的文献看，解决p a p r 问题的方法主要有三类：第一类是信号畸变技术，包括蜂 值“削除”( c l i p p i n g ) 、峰值加窗和峰值对消等 1 7 】 1 8 】 1 9 】，这类方法就是直接将峰值切除； 第二类是采用不同的编码技术和映射方式来减，f p a p r 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 , 第三类方法是对o f d m 符号加扰码 2 3 1 ，使叠加后的信号的相关性尽可能小，从而使p a p r 最小化。 1 2 3 6 自适应技术 自适应传输的基本思想是根据传输信道的实际情况，改变发射功率的水平、每个子信遭 o f d m - m i m o 系统自适应分配算法汁算量的研究第一章绪论 的符号传输速率、q a m 星座大小、编码等参数或这些参数的组合以维持恒定的误码率。对 于同一o f d m 通信系统的所有子载波来说，其误码率主要由经历衰落最严重的子信道决定。 在频率选择性衰落信道中随着平均信噪比的增加，系统的误码率下降十分缓慢。可以对不 同的子信道选用不同的无线传输参数，即采用不同的发射功率、传输速率、调制和编码参数， 使信噪比不同的每个子信道得到其最佳的一对应的传输方案。简单地说，就是在不牺牲误 码率的情况下，通过传输质量好的子信道采用高速传输，而在质量不好的子信道以降低传输 速率等方式来提供较高的频谱使用效率。 自适应技术大大减少了对均衡和交织的依赖，提升了通信系统的性能。 1 2 4o f d m 技术的应用 随着o f d m 技术逐步成熟，目前o f d m 技术应用有三种； 1 ) 直接采用o f d m 技术 这样干扰只可能出现在个别的子载波上，因此干扰也只能影响个别的信息段而绝大部分 信息将不会受到影响，从而提高了效率加大了数据吞吐璧。 2 ) o f d m 技术与t d m a 技术相结合使用 有几个公司建议将o f d m 技术与t d m a 技术相结合引入到宽带无线接入系统中。这样 对于一个用户来说，有选择地将数据调制到性能好的子载波上，用户利用o f d m 调制解调 技术，使不同的用户在不同的时隙与基站全速通信。由于频率选择性衰落和窄带干扰，些 深衰落或者受干扰的o f d m 子载波没有足够的能量发送数据信号，因此被舍弃。 3 ) o f d m a 技术 描述了种用户l 和用户2 应用和丢弃子载波通道的技术。o f d m t d m a 技术允许每 个用户只能在分配的时隙发送接收信号，对于用户l 来说质量差的子载波对于用户2 来说 却是质量好的通道，但在该时隙该通道被浪费了，因此如果在该时隙该通道能够被利用，将 提高系统的频谱利用率和容量。这就形成了o f d m a 技术的设计思路， 目前o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统中，主要 的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广播( d a b ) 、数字 视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 、无线城域网、无线局域网( w l a n ) ，甚至3 g 的c d m a 也开始引入o f d m 技术思想以提升其性能。 1 3 m i m o 技术 实际上多输入多输出( m i m o ) 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来抗衰落。 在2 0 世纪7 0 年代有人提出将m i m o 技术用于通信系统，但是m i m o 技术对无线移动通信系 统产生巨大推动的奠基工作则是上世纪9 0 年代由a t & tb e l l 实验室的学者完成的。1 9 9 5 年 t a r o k h 等给出了在衰落情况下的m i m o 信道容量；1 9 9 6 年f o s h i n i 给出了一种多入多出处理算 法：对角一贝尔实验室分层空时( d b l a s l ) 算法：1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入多出的空 时码【2 8 】；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v - b l a s n 算法建立了一 个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0 b i f f s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在 普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得m i m o 的研究工作得到了 迅速发展。 6 些呈竺：竺坚呈垂丝星重璧坌矍塞堡兰塞苎墼至圣董= 量塞篁 简单说来，m i m o 系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量。相 对于普通的s i s o ( s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u t m u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统。 1 3 1 从s i s 0 到m i m o 随着通信技术的发展，特别是多媒体业务的兴起，未来移动通信对系统的容量，数据传 输速率和q o s 等指标均提出了更高的要求。这使得s i s o 系统难以满足未来移动通信的需求 多输入多输出( m i m o ) 技术应运而生。通过在发射和接收端都采用分集技术。将原来认为是 制约无线通信发展的多径衰落问题转换成用户增益，有效地利用了信道随机衰落，多径延时 扩展等来提高信息传输速率 1 3 2m i m o 系统基本原理 m i m o 系统的基本原理就是发射端和接收端均采用多个天线对信号进行发射和接收， 这样可以获得空问复用增益或空间分集增益，增大信道容量。按发射天线或接收天线之间的 距离不同，m i m o 系统可以分为集中式m i m o 系统和分布式m i m o 系统在集中式m i m o 系统中，发射端或接收端各个天线之间的间距可以忽略，因此可认为各天线对之间的时延和 大尺度衰落相同：而在分布式m i m o 中，发射端或接收端各个天线之问相隔较远，各天线 对之间的时延和大尺度衰落各不相同。按m i m o 系统的结构不同，又可以分为采用空间复 用( s m ) 方案的m i m o 系统和采用空问分集( s d ) 方案的m i m o 系统。 1 3 3m i m o 技术的优点 m i m o 技术之所以受到人们的广泛青昧，是因为在m i m o 系统中，我们可以获得以下 几种增益，而这些增益可以使移动通信系统的容量明显提高 1 ) 阵列增益 阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得的平均s n r 的提高。在发 射机不知道信道信息的情况下，m i m o 系统可以获得的阵列增益与接收天线数成正比 2 ) 复用增益 在采用空间复用方案的m i m o 系统中。可以获得复用增益，即数据传输速率的增加。 传输速率的增加与m i n ( n ，m ) 成正比，n 和m 分别为发射天线数和接收天线数 3 1 分集增益 在采用空间分集方案的m i m o 系统中。可以获得分集增益，即系统误码率性能的改善 分集增益用独立衰落支路数来描述，即分集阶数。在使用了空时编码的m i m o 系统中，分 集阶数等于发射天线数与接收天线数的乘积。另外在分布式m i m o 系统中，由于接收天 线或发射天线之问的间距较远，可认为它们各自的大尺度衰落是相互独立的，因此分布式 m i m o 系统不仅可以获得上述的小尺度衰落分集，还可以获得大尺度衰落分集，即宏分集。 1 3 4m i m o 系统的改进方向 目前m i m o 无线通信系统设计面临着许多问题，其中最关键的有以下两个问题： 首先是m 1 m o 系统的调制问题。在接收和发射端都采用多天线的多输入多输出系统可 7 o f d m m l m o 系统自适应分配算法计算量的研究第一章绪论 以成倍的提高系统的传输容量比如b l a s t 系统。同时，采用适当的空时编码技术或空频 编码技术还可以提高这种系统的分集性能。但在多天线的无线通信系统的设计中，提高系统 的传输容量和分集性能是两个矛盾的问题。 其次是纠错控制问题，即衰落环境中的阵列天线通信系统如何设计相应的纠错控制系 统。 1 3 5m i m o 技术的应用 目前，朗讯，松下，金桥和n t td o c o m o 等公司都在积极倡导m i m o 天线系统技术的 应用。在3 g p p 的高速下行分组接入方案( h s d p a ) 中提出了使用m i m o 天线系统，这种系 统在发送和接收方都有多副天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外，在3 0 p p 的 w c d m a 协议中，涉及到了六种分集发射方法：空时分集发射( s t t d ：s p a c en m e