（通信与信息系统专业论文）wimax物理层若干关键算法研究与仿真.pdf

摘要 辅尊 ，- ，- ， 多载波通信技术由于具有抗频率选择性衰落的频谱效率高等优点，是一种适 于无线环境下高速数据的传输的技术；多天线的多入多出系统结构为增大系统容 量，提高数据传输质量提供了可能，二者均是新一代移动通信中的核心技术。采 用多入多出的多载波通信系统结构能够提供更大的覆盖范围，更好的传输质量， 更高的数据速率和频谱效率。多载波通信技术所存在的高峰均比问题，载波干扰 噪声比测量始终是其得到广泛应用的主要障碍，本文对上述问题进行了研究。主 要工作和研究成果有： 1 介绍了无线通信传输技术的发展和w i m a x 的基本概念和8 0 2 1 6 e 物理层 的主要内容，总结了需要进一步需要解决的问题。 2 介绍了o f d m 的基本原理，和其中一些关键参数的选择。 3 针对多载波通信系统中峰值平均功率比的统计特性进行研究。针对常见的 峰均比抑制方案进行了研究，本文通过大量的仿真和理论分析对预留子载 波方法的峰值平均功率比抑制性能进行比较，发现其降低峰均比不会影响 系统的误码率。理论分析证明了该方法能够得到更好的系统性能。本文将 预留子载波方法结合8 0 2 1 6 e 协议规定的链路进行了各种信道情况下的仿 真，得到了很好的效果。 4 研究了载波干扰噪声比的研究现状并强调了其在无线通信系统中的重要 性，并且对现有文献中的方法进行了描述和仿真。本文针对现有算法复杂 度过高，测量效果不精确的现状进行了分析，并且提出了一种能够准确的 测量载波干扰噪声比的低发杂度方法，并且结合8 0 2 1 6 e 协议进行了大量 的仿真工作，证实该方法能够很好的测量信道的变化。 关键词：正交频分复用峰均比载波干扰噪声比 a b s t r a c t m u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi su s u s l l ya p p l i e dt ot h eh i 曲s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o ni nt h et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a r lr e s i s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g a n dh a v eh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c y m e a n w h i l e ，m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i 。o u t p u t ( m i m o ) s y s t e ma r c h i t e c t u r em a k e si tp o s s i b l et oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t ya n di m p r o v ed a t a t r a n s m i s s i o ns p e e da n ds y s t e mt r a n s m i s s i o nq u a l i t y c o n s e q u e n t l y , t h e yb e c o m ek e y t e c h n o l o g i e s i nt h en e wg e n e r a t i o nt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m m u l t i c a r r i e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hm i m ot e c h n o l o g yc a np r o v i d ew i d e rc o v e r i n ga r e a ，b e t t e r t r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n da c h i e v eh i g h e r d a t at r a n s m i s s i o ns p e e da n df r e q u e n c y e f f i c i e n c y h o w e v e r , t h eh i g hp e a k t o a v e r a g e p o w e rr a t i o ( p a p r ) p r o b l e m o f m u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc a r r i e rt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o m e a s u r e m e n tb e c o m e sm a i nd r a w b a c k si ni t sr e a l i z a t i o n t h i st h e s i si si n t e r e s t e di n t h i sp r o b l e m t h em a i nw o r k st h i st h e s i dd oa r ea sf o l l o w s ： 1 t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， d e f i n i t i o no ft h ew i m a xa n dt h ep h y s i c a ll a y e ro f 8 0 2 16 e ，a l s o ， s u m m a r i z e sp r o b l e m sn e e d e dt ob er e s o l v e d 2 t h i st h e s i ss a t a e st h em a i nt e c h n o l o g yo fo f d mt r a n s m i s s i o n ，a n dk e y p a r a m e t e r si nt h es y s t e m 3 t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ep a p rs t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e m u l t ic a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b yt h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n g t h e p e r f o r m a n c eo fr e d u c i n gp a p r w i t hr e s e r v e - t o n e ( r t ) ，w ef i n dt h a ti tr e d u c e t h ep a p rw i t h o u tb e ri n c r e a s e m e a n w h i l e ，t h e r e t i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t h i sm e t h o da c h i e v eb e t t e rp e r f o m a c e a l s o ，t h i s t h e s i sc o n t a i n st h e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e p e n do nt h el i n kw h i c hi s d e f i n e db yt h e8 0 2 16 e p r o t o c 0 1 a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss h e m e c a l li m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c ee f f e c t u a l l y 4 t h i st h e s i ss t a t et h ec a r r i e rt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s ep o w e rr a t i o ( c i n r ) p r e s e n ts i t u a t i o no ft h er e s e a r c h ，a n dt h ei m p o r t a n c e o ft h ec i n ri nw i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i st h e s i ss i m u l a t e dm a n ym e t h o d sa b o u th o w t oc a l c u l a t et h ec i n ri np r e s e n ta r t i c a l sa n dp a t e n t s t h em e t h o dw h i c hi s u s e di np r e s e n ts y s t e mh a v eg o th i g hc o m p l e x i t ya n dl o wp r e c i s i o n t h i s t h e s i sc o n t a i nam e t h o dt h a t c a nd e a lw i t ht h ep r o b l e ma b o u th i g h c o m p l e x i t ya n d l o wp r e c i s i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa b o u tt h i sm e t h o da r ea l s o c o n t a i n e di nt h i st h e s i s 目录 k e y w o r d ：o f d mp a p r c i n r 3 一 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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，除了文中特另l j ) j n 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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期塑：坚 西安电子科技大学 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。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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 翮、舻 日期塑堕! ! ! f 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简述了论文工作的研究背景，回顾了无线通信中多载波通信技术的起 源，w i m a x 发展和现状，然后提出了论文准备研究的基本问题和目标，最后， 阐述了论文工作的创新之处，论文结构和内容安排。 1 1w i m a x 简介 w i m a x 是一种基于标准的技术，可以替代现有的有线和d s l 连接方式， 来提供最后一英里的无线宽带接入。w i m a x 将提供固定、移动、便携形式的无 线宽带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供移动无线宽带连接。 在典型的3 到1 0 英里半径单元部署中，获得w i m a x 论坛认证的系统有望为固 定和便携接入应用提供高达每信道4 0 m b p s 的容量，可以为同时支持数百使用t 一1 连接速度的商业用户或数千使用d s l 连接速度的家庭用户的需求，并提供足够 的带宽。移动网络部署将能够在典型的( 最高) 3 公里半径单元部署中提供高达 1 5 m b p s 的容量。w i m a x 技术预期将于2 0 0 6 年用于笔记本电脑和p d a ，从而 使城区以及城市之间形成“城域地带( m e t r o z o n e s ) ”，为用户提供便携的室外 宽带无线接入。 w i m a x 论坛是一个由业界领先的运营商、通信部件和设备公司共同成立的 组织。w i m a x 论坛的宗旨是促进和认证符合i e e e8 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 标 准的宽带无线接入设备的兼容性和互操作性。由于标准本身不足以推动某种技术 的大规模使用，而w i m a x 论坛的建立则可以帮助消除大规模使用宽带无线接入 ( b w a ) 技术所面临的各种障碍。在这些方面，论坛与服务供应商和管理部门紧 密合作，确保获得w i m a x 论坛认证的系统能够符合客户和政府的要求。 w i m a x 论坛的主要目标之一是利用i e e e8 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 标准 建立一个单一的互操作标准，这一目标通过创建系统特征( s y s t e mp r o f i l e ) 来实 现。根据服务供应商和厂商的设备计划，w i m a x 论坛决定首先重点关注 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准( 2 0 0 4 年6 月获得i e e e 批准) 的2 5 6o f d mp h y 模式。这一 物理层( p h y ) 将与一个单一的介质访问控制器( m a c ) 结合在一起，确保为 所有的w i m a x 实现提供一个统一的基础。与8 0 2 1 6 标准兼容并不意味着某一 设备获得了w i m a x 论坛认证，或能够实现与其它供应商的设备的互操作。不过， 获得了w i m a x 论坛认证的设备，将能兼容8 0 2 1 6 标准，又能与其它供应商获 得了w i m a x 论坛认证的设备实现互操作。 2 w i m a x 物理层若干关键算法研究与仿真 1 2 新型无线传输技术的发展 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，通信起着支撑作用。由于人 类社会生活对通信的需求越来越搞，世界各国都在致力于现代通信技术的研究与 开发以及现代通信网的建设。现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了 无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多 成果，近年来，伴随着半导体技术，微电子技术和计算机技术的发展，无线通信 技术得到了迅猛的发展喝广泛的应用，极大的推动了社会的发展。在世界其他发 达国家和发展中国家，无线通信产业已成为各国信息基础建设的一个不可缺少的 部分。在我国，近几年的个人移动用户数目激增，无线通信行业的大发展带动了 整个通信产业，信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比重也不断提高， 逐渐成为经济发展的支柱型产业【l 】。 从移动通信的发展历史来看，人们在追求任何人，任何地点，可以用任何形 式方便的进行通信的同时，对通信速度和质量的要求也不断提高。第一代模拟移 动通信技术的诞生，达到了模拟话音的一般质量的通信要求：为了获得高质量的 话音通信服务，产生了以g s m 系统【2 1 ，i s 9 5 e 3 】系统等为代表的第二代数字移动通 信系统，可以传输9 6 k b p s 的低速话音；被人们认为是2 g 到3 g 的过渡技术的 2 5 代g p r s 系统增强了分组数据业务的传输能力，将最大传输速率提高到 1 6 0 k b p s ，使移动用户既能获得话音通信业务，又能获得数据通信业务。而基于 c d m a 技术的第三代【4 】，如c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a 和t d s c d m a 移动通信系统具 有更高的带宽，更大的容量，其最大传输速率可以达到2 m b p s ，进一步扩大了服务 业务的范围，可以为用户提供话音，数据，较低速率时频，w e b 浏览，文件传输， e m a i l 等多种业务。 随着移动通信，数据通信和i n t e m e t 的飞速发展和日益融合，在移动用户对 于多种业务需求不断增加的同事，对通信速率的要求也不断提高。数十到数百 m b p s 的高速率高质量的实时多媒体和非实时的高速数据传输，多网合一和多业 务融合等要求迫使人们去对未来移动通信即超三代( b e y o n d3 gb 3 g ) 移动通信 技术进行探讨和研究。b 3 g 通信系统不进具有兼容2 5 g 和3 g 的能力，更重要的 是它具有比2 5 g 和3 g 系统更高的传输速率和带宽。 在过去的十年里，无线通信领域受到较多关注的新兴技术主要有：c d m a 技 术【6 】【7 1 ，超宽带技术【引，多载波技术，特别是正交频分复用( 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 x i n g ，o f d m ) 9 - 1 2 和在无线链路发送和接收使用多个无线阵元构 成的多输入多输出( 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 ，m i m o ) 结构【1 3 1 14 1 。 码分多址( 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 ) 技术在9 0 年代的兴起和 商业化应用，使得以c d m a 为技术核心的第三代( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 移动通 第一章绪论 3 信系统成为近十年里移动通信领域的主要焦点。目前，3 g 系统已在少数国家商业 化运行。然而，以c d m a 建构的3 g 系统在下行( 从基站到移动台) 的数据传输 仍然存在着数据速率的瓶颈，其较低的峰值数据速率( 2 m b s ) 仍然无法满足人 们对宽带多媒体和移动i n t e m e t 业务的需求【8 】。超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技 术也是近十年发展起来的一种新兴宽带无线传输技术，以提供高速的数据速率能 力二被业界广泛看好，可期望应用与无线个人局域网，家庭网络和无线局域网。 它已经由最初的冲激无线电发展到采用多带o f d m 调制的方式，在宽带无线接入 ( i e e e8 0 2 1 5 3 ) 领域正处于标准化阶段。但是，u w b 占用的频段较宽较高，存 在传播距离受限的问题，期望的应用仅局限与短距无线接入方面。 o f d m 技术从在数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ，d a b ) 和数字视频广 播( d i 西t a lv i d e ob r o a d c a s t ，d v b ) 中的应用，逐渐扩大到i e e e8 0 2 1l a g ， h i g p e r l a n 2 ，e t s i b r a n 和8 0 2 1 6 m a n 中，广泛的应用使用o f d m 成为了近1 0 年无线通信领域另一个受人关注的话题【9 】- 【1 2 l 。o f d m 能将频率选择性衰落信道转 换为一系列并行的窄带平坦衰落信道，在抗多径衰落，抗窄带干扰，多址接入和 信号处理方面显示出优势。更重要的是，类似用户数字线路( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ， d s l ) 的应用，o f d m 能在较小的带宽内提供较高的频谱利用率。i e e e8 0 2 1 6 点到多点的城域网( m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ，m a n ) 也将采用o f d m 。 1 3 多载波通信系统的特点 自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 技术已经在数字时频广播，数字音频广播， 基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w h l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术( 如： a d s l ) 中得到了应用。在这些正在商用化的系统中，o f d m 技术扮演了重要的 角色，也已经越来越得到人们的关注，其原因在于o f d m 系统存在以下主要优点： 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对 增加，从而有效地减少无线信道的时间弥散带来的i s i ，这样就减少了接收机内均 衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法 消除i s i 的不利影响。 传统的频分多路传输方法，将频带分为若干个不相交的子载波带来传输并行 数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由各个子载波之间的 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 系统可以最大限度地利用频谱资源。 各个子信道中的正交调制和解调可以通过采用f f t 和d f t 的方法来实现。 对于子载波数很大的系统，可以采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。而随着大 4 w i m a x 物理层若干关键算法研究与仿真 规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 与f f t 都是非常容易实现的。 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要大于上行 链路中的数据量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，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。 o f d m 可以容易地与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 t d m a 等，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。 但是o f d m 系统内由于存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子 信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 高峰均比，由于o f d m 系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果信号 中同相成分增加，必然会出现较大的峰值功率。为了提高系统效率，射频端通常 需要使用效率较高的非线性高功率放大器，其带来的非线性失真会造成系统性能 的显著恶化。如何解决多载波所带来的高峰均比问题，目前仍是o f d m 技术实用 化的一大障碍。 易受频率偏差的影响，由于o f d m 系统子信道的频谱互相覆盖，这就对它们 之间的正交性提出了更严格的要求。否则由无线信道产生的频率偏移会使得子载 波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间信号相互干扰，误码率上升。 1 4 基于i e e e8 0 2 1 6 的w i m a x 物理层标准 宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，正受 到业界越来越多的关注。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 ea c c e s s ， 微波接入全球互操作性) 用于推广基于i e e e 8 0 2 16 和e t s ih i p e r m a n 协议的无 线宽带接入设备，目的是确保不同无线款开接入设备之间的兼容性和互操作性。 由于e t s ih i p e r m a n 协议物理层采用o f d m 技术，其技术规范完全和 i e e e 8 0 2 1 6 协议中规定的o f d m 物理层规范类似，所以目前的研究重点和设各 实现都集中在i e e e 8 0 2 1 6 协议规范。w i m a x 已成为i e e e 8 0 2 1 6 标准的代名词， 是一种面向城域网的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速无线连接。 在1 0 6 6 g h z 频段范围内，电磁波的波长为毫米波段，是需要许可证的频段， 易被地形和建筑物吸收，因此要求发射天线和接收天线不能有障碍物，即有视距 性( l i n eo fs i g h t ) 。此外，信号还易受雨衰( r a i nf a d i n g ) 的影响。这些因素使 系统的部署要求搞，覆盖面积较小，但频率资源丰富，分配的频段较宽，系统容 量大。i e e e8 0 2 1 6 对这个频段的物理层规范是w i r e l e s s m a n s c ，采用单载波调 制。 在2 - 1 1 g h z 频段范围内，包含许可证( l i c e n c e d ) 频段和免许可证 第一章绪论 5 ( l i c o r i c e e x e m p t ) 频段。这个频段内的电磁波波长变长，发射天线和接收天线不 必有视距路径，因此多径干扰问题变得突出。此外，许多别的设备也工作在这个 频段内，如蓝牙，无线局域网等，如何与这些设备共存而不增加彼此的干扰，也 是一个需要考虑的问题。考虑到系统工作的物理环境，i e e e8 0 2 1 6 中提出三种物 理层规范： w i r e l e s s m a n s c a ：采用单载波调制( m q a m ) ；由于使用点对多点的结 构，下行链路上基站通过发射t d m 信号，为单个s s 进行串行时隙分配； 上行链路的接入采用t d m a 方式。 w i r e l e s s m a n o f d m ：上行接入采用t d m a 作为多址方式，这个空中接 口对于免许可证频段是必选项。 w i r e l e s s m a n 0 f d m a ：通过为每个接收机提供一组子载波实现多址。考 虑到非视距传播的需要，引入了对高级天线系统( a a s ) 的支持。 1 5 主要内容及章节安排 本文首先详细介绍了w i m a x 的发展现状和一些基本概念、并详尽地描述了 新型无线传输技术的发展。并且给出了o f d m 系统的基本概念，和基本原理。描 述了o f d m 系统的特点和缺点，并且针对现存的主要问题，本文给出了现存的解 决方法，和各个方法的仿真结果。并针对现存的主要问题提出了一些新的解决方 案。经过仿真验证，能够很好的解决现在w i m a x 系统中出现的主要问题。 第一章，简要介绍w i m a x 概念，并叙述了w i m a x 的基本概念。简要描述 了新型无线传输技术的发展现状，和多载波通信系统的特点，以及8 0 2 1 6 协议的 物理层标准。 第二章，详细给出了o f d m 系统的基本原理和其中关键步骤的理论分析。 第三章，根据o f d m 系统峰均比过大这一主要的缺点进行分析，并描述了峰 均比产生的原因和现存的解决的办法。并且给出了一种基于8 0 2 1 6 e 的峰均比抑 制算法的理论分析和仿真结果。 第四章，针对8 0 2 1 6 e 中对于载波干扰噪声比的要求，对现存载波干扰噪声 比的测量方法进行了描述。针对现有方法的缺点，本文给出了一种计算复杂度低， 运算量小的算法，并给出了仿真结果。 第五章在总结全文的基础上，提出了关于8 0 2 1 6 e 以及w i m a x 物理层中值 得进一步研究的问题。 第二章o f d m 基本原理 7 第二章o f d m 基本原理 图2 1 为o f d m 系统收发端的典型框图，发送端将被传输的数字信号转换成 子载波幅度和相位的映射，并进行i d f t 将数据的频谱表达式变到时域上。i f f t 与i d f t 的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的应用系统。其 中，上半部分对应与发射机链路，下半部分对应于接收机链路。由于f f t 操作类 似于1 f f t ，因此发射机和接收机可以使用同一硬件设备。当然，这种复杂性的节 约则意味着该发射机不能够同时进行发送和接收操作。 图2 1o f d m 收发机框图 2 1 串并变换 数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频 谱可占据整个可利用的带宽；但在并行数据传输系统中，许多符号被同时传输， 减少了那些在串行系统中出现的问题。 在o f d m 系统中，每个传输符号速率的大小大约在几十b i t s 到几十b i t s 之 间，所以必须进行串并变换，将输入串行比特流转换成为可以传输的o f d m 符号。 因此调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可以变化的，因而 每个子载波可以传输的比特数也是可以变化的，故串行变换需要分配给每个子载 波数据段的长度也是不一样的。在接收端执行相反的过程，从各个子载波处传来 的数据被换回原始的串行数据。 w i m a x 物理层若干关键算法研究与仿真 当一个o f d m 符号在多径无线信道中传输时，频率选择性衰落会导致某几组 子载波受到相当大的衰落，从而引起比特错误。这些在信道频率响应上的零点会 造成在临近的子载波上发射的信息受到破坏，导致在每个符号中出现一连串的比 特错误。与一大串错误连续出现的情况比较，大多数前向纠错码( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n f e c ) 在错误分布均匀的情况下会工作的更有效。所以，为了提高系 统的性能，大多数系统采用数据加扰作为串并转换工作的一部分。这可以通过把 每个连续的数据比特随机地分配到各个子载波上来实现。在接收机端，进行一个 对应的逆过程来分解出信号。这样，不仅可以还原出数据比特顺序，同时还可以 分散由于信道衰落引起的连串的比特错误，使其在时间上近似均匀分布。这种将 比特错误位置的随机化可以提高前向纠错码( f e c ) 的性能，并且系统的总性能 也能得到改进。 表2 1 列出了单载波和多载波传输方式在符号时间、速率、频带带宽和对i s i 敏感度等几方面的比较。其中，n 为子载波个数，1 ，为一个o f d m 符号的持续时 间。 单载波多载波 符号时间 t s | ni 速率 nft s 1 | t s 总频带带宽 2 n t ,2 n t 。+ ( 2 e ) i s i 敏感度较敏感较不敏感 表2 。l 单载波和多载波传输方式的比较 2 2 子载波调制 一个o f d m 符号之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。其中，n 为子载波的个数；t 为o f d m 符号的持续时间( 周 期) ；呸( 滓o ，1 ，2 ，n 1 ) 为分配给每个子信道的数据符号：，为第i 个子载 波的载波频率；r e t c ( t ) = 1 ，h t 2 ，则从t = 开始的o f d m 符号可以表示为： r n - i 、 s ( f ) = r e 4 r e t c ( t - t , 一t 2 ) e x p j 2 r c f ( t 一) 】 f + 丁 ( 2 1 ) l i = 0 j s ( t ) = 0t 或者t 丁+ 一旦要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式就将它们映射为子 载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见式 ( 2 2 ) 。 第二章o f d m 基本原理 9 一l s ( f ) = d l f r e t c ( t - t , - t 2 ) e x p j 2 r c f ( t - t , ) 】 f + f ( 2 2 ) i = o j o ) = 0t 或者t r + 乞 式中j ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相( i n p h a s e ) 和正交 ( q u a d r a t u r e p h a s e ) 分量，在实际中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分 量相乘，构成最终的子信道信号合成的o f d m 符号。图2 2 为o f d m 系统基本 模型的框图，其中z = z + i t 。在接收端，将接收到的同相和正交矢量映射回数 据信息，完成子载波解调。 以o f d m 符号内含4 个子载波的实例。其中，所有子载波都具有相同的幅值 和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波都有相同的幅 值和相位是不可能的。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，而且各个相邻的子载波之间相差1 个周期。这一特性可以用来解释予载波之 间的正交性。即 ；善c x 刚删e x p ( 删a r t = m l m = n 以( 2 - 3 ) 这种正交性还可以从频域的角度来解释，根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在 其周期t 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲 的频谱与一组位于各个子载波频率上万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅度值为 s i n c ( f ) 函数，这种函数的零点出自按在频率为1 t 整数倍的位置上。在每个子 载波频谱值最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。因为在对o f d m 符号 进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，所以 可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子 信道的影响。 o f d m 符号的频谱实际上可以满足乃奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不 存在相互干扰。因此这种一个子信道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零点的 特点可以避免载波间干扰( i c l ) 的出现。 2 3d f t 的实现 傅立叶变换将时域和频域联系在一起，傅立叶变换的形式有几种，选择哪种 形式的傅立叶变换由工作的具体环境决定。大多数信号处理采用离散傅立叶变换 ( d f t ) 。d f t 是常规变换的一种变化形式，其中，信号在时域和频域上均被抽 样。由d f t 的定义，时间上波形的连续重复，因此导致频域上频谱的连续重复。 快速傅立叶变换( f f t ) 仅是d f t 计算应用的一种快速数学方法，由于其高效性， 使o f d m 技术迅速发展。 1 0 w i m a x 物理层若干关键算法研究与仿真 对于o f d m 点数较多较大的系统，式子( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号 可以采用历算傅立叶变换( i d f t ) 方法实现。为了叙述简洁，可以令式( 2 2 ) 中的= 0 ，并且忽略矩形函数，对于信号s ( f ) 以t n 的速率进行抽样，即令 t = k r n ( k = o ，1 ，2 ，n - 1 ) ，贝i j 得至0 & = s ( k t n ) ：芝4e x p ( _ ，攀) ，( o 敛 z ) = 1 一p ( p a r z ) = 1 一( 1 一e ) ( 3 7 ) 第三章抑制峰均比技术1 7 类似与图3 2 ，图3 3 中表示的是不同子载波个数条件下，累积分布函数c d f 的理论曲线图，从图中不难，在给定p a r 门限值的情况下，随着子载波个数的增 加，c c d f 也会相应增加，同样表示超过p a r 门限值的符号出现的概率会有所增加。 也 q o o a o 图3 3 不同子载波条件下c c d f 对峰均比的曲线图 3 2o f d m 系统中的抑制峰值平均功率比的方法 目前所存在的减小p a p r 的方法大概可以分为四类：第一类是信号预畸变技 术，即在信号经过放大器之前，首先对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变， 主要包括限幅滤波( c l i p p i n ga n df i l t e r i n g ) 、峰值加窗( p e a kw i n d o w i n g ) 、 压缩扩展( c o m p a n d i n gs c h e m e ) 和减去参考信号( r e f e r e n c es i g n a l s s u b t r a c t i o n s ) 等方法。这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但信号畸变 对系统性能造成的损害是不可避免的；第二类是编码方法，即避免使用那些会生 成大峰值功率信号的编码方式，例如采用循环编码( c y c li cc o d i n gs c h e m e s ) 、 选择性加扰( s e l e c t i v es c r a m b li n g ) 等方法。这种方法的缺陷在于，可供使用 的编码图样数量较少，而当子载波的数量n 增大时，对计算时间和存储空间的要 求则呈指数倍增大；第三类则是根据适当的旋转信道星座图可以减少峰值这一观 察到的现象，利用不同的相移序列对o f d m 符号进行加权处理，从而选择p a p r 较 小的o f d m 符号来传输。主要包括最佳化相位法( p h a s eo p t i m i z a t i o n ) ( 其中包 括选择性映射法( s e l e c t i v em a p p i n g ) 和部分传输序列法( p a r t i a lt r a n s m i t w m a x 物理层若干关键算法研究与仿真 s e q u e n c e ) ) 、载波干涉测量法( c a r r i e ri n t e r f e r o m e t r y ) 等，这种方法的缺点 主要是需要传递一些额外的边信息( s i d ei n f o r m a t i o n ) ，如果接收机获得的边信 息出错，会极大的恶化系统性能；第四类则是对载波进行处理，用来抑制p a p r 过大的方法，主要包括人工信号法( a r t i f i c i a ls i g n a l ) 、脉冲成形法( p u l s e s h a p i n g ) 、t o n er e s e r v a t i o n 和t o n ei n j e c t i o n 。 下面将一一介绍这些抑制p a p r 方法各自的原理及其优缺点。 3 2 1 限幅滤波( c l i p p i n ga n df i l t e r i n g ) 限幅是最简单和直接的降低o f d m 系统内p a p r 的方法，在信号经过非线性部 件之前进行限幅，就可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。尽管限幅本身 非常简单，但它却会为o f d m 系统带来相关的问题。首先，在带内对o f d m 符号幅 度进行畸变，这种带内失真是无法用滤波方法去除的，会对系统造成自身干扰， 从而导致系统的b e r 性能降低。其次，o f d m 信号的非线性畸变会导致带外辐射功 率值的增加，其原因在于限幅操作可以被认为是o f d m 采样符号与矩形窗函数相 乘，如果o f d m 的幅值小于门限值时，则该矩形窗函数的幅值为1 ；而如果信号幅 值需要被限幅时，则该矩形窗函数的幅值应该小于1 。根据时域相乘等于频域卷 积的原理，经过限幅的o f d m 符号的频谱等于原始o f d m 频谱与窗函数频谱的卷积， 因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大者来决定，也就是由矩形窗函 数的频谱来决定。这种带外辐射功率可以用滤波的方法加以去除，但是滤波方法 也会重新生成新的峰值，甚至导致某些点的幅度值甚至会超过原始值。为了防止 这种重新生成的峰值带来的危害，有方法提出迭代使用限幅滤波方法或者与其他 抑制p a p r 方法联合使用。 图3 4 给出了采用硬限幅方法对系统误码性能的影响曲线图： 1 9 2 w i m a x 物理层若干关键算法研究与仿真 卜无限幅： 擎4 d b ： k 警襄一i 争5 d 8 t 6 d b 。飞粪弋| | l ；鼍饕擎 、嚏：、2 氐 ： 姆 ；隧葛 l 弋蹬、 z 、 v 霁 n 鞍 、 上 c o1z34567891 0” s n r ( d b ) 图3 5 采用不同门限值的峰值加窗方法的系统误码曲线图 从图中不难看出，随着限幅门限值的降低，系统的误码性能也随之降低。但 是采用峰值加窗的方法对于系统性能的损失明显小于硬限幅的方法。 3 2 3 压缩扩展( c o m p a n d i n gs c h e m e ) 除了上述两种方法之外，还有一种信号预畸变方法就是对信号实施压缩扩张。 在传统的扩张方法中，需要把幅度比较小的符号进行放大，而大幅度信号保持不 变，这样就会以增加整个系统的平均功率为代价，来降低峰均比。而这种方法的 弊端在于，一方面增加了系统的平均发射功率，另一方面会使得o f d m 符号的功率 值更加接近功率放大器的非线性变化区域，容易造成信号的失真。 在这里主要介绍其中一种应用u 律压缩扩展算法于此种方法，在发射端对信 号实施压缩扩展操作，而在接收端要实施逆操作，恢复原始数据信号。 在o f d m 系统中，输出符号的复基带信号可以表示为： n - 1k s ( f ) = 邑t g ( f 一等一，z ( 3 8 ) n = - 0 0k = o v 其中t 表示o f d m 符号周期长度，k 表示一个符号周期内的第k 个采样值，n 表示时域内的第n 个o f d m 符号；g ( t ) 表示满足n y q u i s t 脉冲滤波器的冲激响应； s 蝣表示经过变