（通信与信息系统专业论文）宽带无线多媒体系统上行链路关键技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 宽带无线多媒体( b w m ) 标准在中国下一代无线通信研究浪潮中应运而生， 旨在寻求一种运行高效、成本低廉的技术途径，从业务平台、核心网络、无线 接入网络、空中接口和终端等不同侧面全方位达成“三网融合 的总体目标。 在b w m 系统中，上行链路采用的是基于离散傅立叶变换扩频的广义多载波频 分z t l ( d f t - s p r e a d g e n e r a lm u l t i - c a r r i e r , d f t - s g m c ) 技术。d f t - s - g m c 采用 的是非严格采样的滤波器组技术，具有天然的对频偏和多用户干扰( m u i ) 的鲁 棒性，同时d f t - s g m c 还有很好的p a p 刚c m 性能。 本文在d f t - s g m c 现有研究基础上，对其p a p r c m 的性能和初始随机 接入问题进行了深入的研究和理论推导。 在p a p r c m 方面，通过研究d f t - s g m c 和d f t - s o f d m 的p a p r 问题， 理论推导得出d f t - s g m c 系统不是一个纯粹的单载波系统，其p a p r 不仅与 调制方式有关还与子带数有关的结论；并提出一种改善d f t - s g m c 的p a p r 和c m 性能的方法。通过仿真证明：使用改进方法后，在一个用户分配一个或 两个子带的情况下，其p a p r 和c m 性能接近甚至优于d f t - s o f d m 的p a p r 和c m 性能。 在初始随机接入方面，选择了z a d o f f - c h u 序列作为d f t s g m c 的随机接 入序列，并仿真得出了c h u 序列具有c m 值较小的特性，其p a p r c m 性能优 于p n 序列的结论；通过比较两种随机接入机制，选择两步随机接入机制作为 d f t s g m c 的随机接入机制；提出了三种d f t s g m c 的随机接入检测算法， 并对其中频域上的两种算法的性能进行了推导和比较，发现复杂度较小的算法 在定时性能上有一定的损失，并对具体的时延误差进行了推导，对算法性能进 行了仿真。 关键词：d f t 扩频；广义多载波；峰均比；随机接入；等幅零自相关 i x 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r o a d b a n dw i r e l e s sm u l t i m e d i as t a n d a r do r i g i n a t e df r o mt h er e s e a r c hp r o j e c t o fn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nc h i n a t h eo b j e c t i v eo fb w m i st o d e v e l o p ak i n do fe f f e c t i v ea n dl o wc o s tm e t h o d o l o g yt oa c h i e v e t h r e en e t s f u s i o n s ”f r o mt r a f f i cp l a t f o r m 。c o r en e t w o r k ，w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ，a i ri n t e r f a c e t ot e r m i n a l i nb w ms y s t e m ，u p l i n kp h yl a y e ra d o p t sd f t - s g m ct e c h n o l o g y ( d f t - s p r e a d g e n e r a lm u l t i c a r d e r ) d f t - s - g m c u s e st h e t e c h n o l o g y o f n o n - c r i t i c a l l ys a m p l e df i l t e rb a n k s ，w h i c hh a st h en a t u r er o b u s tt of r e q u e n c yo f f s e t ， m u ia n dg o o dp e r f o r m a n c eo fp a p r c m b a s e do nt h ee x i s t i n gs t u d yo fd f t - s g m c ，t h ep e r f o r m a n c eo fp a p r c ma n d t h ep r o b l e m so fi n i t i a lr a n d o ma c c e s sa r es t u d i e da n dd e d u c e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i s t h e s i s i nt h ea s p e c to fp a p r c m ，b ys t u d y i n gt h ep a p ro ft h ed f t o s - g m ca n d d f t - s o f d m ，w et h e o r e t i c a l l yd e d u c et h a td f t o s g m ci sn o tap u r es i n g l ec a r r i e r s y s t e ma n d i t sp a p rh a sr e l a t e dw i t ht h em o d e r nm e t h o d sa sw e l la st h en u m b e r so f s u b b a n d s am e t h o di sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so fp a p ra n dc m o f d f t - s g m c t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ep e r f o r m a n c e so fp a p ra n dc m o fd f t - s g m cc a nb ec l o s et oo re v e nb e t t e rt ot h a to fd f t o s o f d mw i t h1 o r2 s bf o r o n e u s e r i nt h ea s p e c to fi n i c i a lr a n d o ma c c e s s ，z a d o f f - c h us e q u e n c ei ss e l e c t e dt ob e t h er a n d o ma c c e s ss e q u e n c e t h es i m u l a t i o ns h o w st h a t t h ep e r f o r m a n c eo f p a p r c mo fc h us e q u e n c ei sv e r ys m a l la n dm u c hb e r e rt h a nt h a to fp ns e q u e n c e t w o - s t e pr a n d o ma c c e s sp r o c e d u r eh a sb e e nc h o s e nt o b et h er a n d o ma c c e s s p r o c e d u r eo fd f t - s g m cb yt h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt w or a n d o ma c c e s s p r o c e d u r e s t h l e e r a n d o ma c c e s sd e t e c t i o n a l g o r i t h m s a r e p r o p o s e d ，t h e x 上海大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c eo ft w of r e q u e n c yd o m a i na l g o r i t h m si sd e d u c e da n dc o m p a r e d ，a n dw e f i n dt h a tt h ea l g o r i t h mw i t ht h es m a l l e s tc o m p l e x i t yh a sal i t t l el o s s i nt i m i n g p e r f o r m a n c e ，t h e nt h es p e c i f i cr t d e r r o ri sg i v e n i nt h ee n d ，t h es i m u l a t i o n so ft h e p e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h ma r eg i v e n k e y w o r d ：d f t - s p r e a d ；g e n e r a lm u l t i c a r d e r ；p e a k t oa v e r a g ep o w e rr a t i o ； r a n d o ma c c e s s ；c o n s t a n ta m p l i t u d ez e r oa u t oc o r r e l a t i o n x i 上海大学硕士学位论文 3 g 3 g p p a ，d a m r a 【c h k 瞄g r b w m b p s k b 3 g b s c a p e x c a z a c c c d f c 咽r c m c p c q i d ，a d f t d f r - s g m c 缩写说明 t k e eg e n e r a t i o n 3 r dc - e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a a n a l o g d i g i t a l a d a p t i v em u l t i r a t e a c q u i s i t i o ni n d i c a t i o nc h a n n e l a d d i t i v ew h i t eg a u s s i 弛n o i s e b b r o a d b a n dw i r e l e ssm u l t i m e d i a b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g b e y o n dt h r e eg e n e r a t i o n b a s es t a t i o n c c a p i t a le x p e n d i t u r e c o n , c a n ta m p l i t u d ez e r oa u t o c o n e l a t i o n c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v e d i s t r i b u f i o nf u n c t i o n c a r t i e rt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s e r a d i o c u b i cm e t r i c c y c l i cp r e f i x c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t i o n d d i g i t a l a n a l o g d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d f r - s p r e a d g e n e r a lm u l t i c a r t i e r d f t - s - o f d md f t s p r e a do 日压a d v b t e u t r a n f b f b t f d d f f t d f t d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l e e v o l u t i o n u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s sn e t w o r k f f i l t e rb a n k f i l t e rb a n kt r a n s f o r m f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f 缸tf o u r i e rt r a n s f o r m i t 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 v i 三代 第三代合作项目 模拟擞字 自适应多速率 捕获标识信道 加性高斯白噪声 宽带无线多媒体 二进制相移键控 超三代 基站 资本性支出 等幅零自相关 互补累积分布函数 载波干扰噪声比 立方制系数 循环前缀 信道质量标识 数字膜拟 离散傅立叶变换 基于离散傅立叶变换 扩频的g m c 基于d f t 扩频的 o f d m 数字视频电视一地面 演进的d - i v i t s 地面无 线接入网络 滤波器组 滤波器组变换 频分双工 快速傅立叶变换 离散傅立叶逆变换 上海大学硕士学位论文 巧b 巧b t 巧f t m s d i s i t i u l d p c l - i e m a c 玉血m s m c m 心s e m o f d m o f d i v l k o p e x p a p a p r p n q 压 q p s k r a c h r a n r f r f e x p r n c r r c o s s b s c s f n i n v e r s ef i l t e rba n k i n v e r s ef i l t e rb a n kt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m dm u l t i m e d i as u b s y s t e m i n t e r n e tp r o t oc o l i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n l l o w d e n s i t yp a r i 锣c h e c kc o d e l o n g - t e r me v o l u t i o n m m e d i aa c c e s sc o a t r o l m u l t i m e d i ab r o a d c a s ta n dm u l t i c a s t s e r v i c e m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m u l t i 璐e rl ：l t e r f e f e n c e o o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m 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 n m u l t i p l e x i n ga c ce s s o p e r a t i n ge x p e n s e p p o w e ra m p l i t u d e p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p s e u d o r a n d o mn o i s e q q u a & a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g r r a n d o ma c c e ssc h a n n e l r a d i oa c c e ssn e t w o r k r a d i of re q u e n c y r o o tf l i p p e d e x p o n e n t i a lp u l s e r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r o o tr a i s e d c o s i n ep u l s e s s i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s s u b b a n d s u b c a r r i e r s i n g l e f r e q u e n c yn e t w o r k v 逆滤波器组 逆滤坡器组变换 快速傅立叶逆变换 d 多媒体系统 网络协议 符号间干扰 国际电信联盟 低密度奇偶校验码 长期演进 媒体接入控制 多媒体广播多播服务 多载波调制 最小均方误差 多用户干扰 正交频分复用 正交频分多址接入 运营成本 功率放大器 峰值平均功率比 伪随机序列 正交幅度调制 四相相侈键控 随机接入信道 无线接入网 射频 根跳跃指数滤波器 无线网络控制器 根升余弦滤波器 基于单载波的频分多 址 子带 子载波 单频组网 上海大学硕士学位论文 。i d d t u u e u 卫肥 u m t s u t r a 弋；圻l 正a x w s s 盯s t t i m ed i v i s i o nd u p l e x t y p i c a lu r b a n u u s e re q u i p m e n t u l t r am o b i l eb r o a d b a n d u n i v e r s a lm o b i l e t e l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s w w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s w i d e s e n s es t a t i o n a r y u n c o r r e l a t e d s c a t t e r i n g v i i i 时分双工 典型城区 用户设备 超宽带 通用移动通信系统 u m t s 地面无线接入 全球微被接入互操作 性 广义平稳非相关散射 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：葛虿童查! 圣e l 期：缨墨：至：三 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：毯师签名：篮荔期 i ! i ：伊苫；，乙 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 在第三代移动通信系统( 3 g ) 的研发工作接近尾声时，学术界和工业界已经 在思考、构建和展望b 3 g 1 心移动通信系统的蓝图。由于国际电信联盟( i t u ) 将 3 g 标准称为i m t - 2 0 0 0 ( 全球移动电信2 0 0 0 ) ，所以b 3 g 所使用的学名为b e y o n d i m t - 2 0 0 0 ，并于1 9 9 9 年将b e y o n di m t - 2 0 0 0 的概念与需求研究正式列入议事日 程。2 0 0 1 年1 0 月在东京进行的i t u 会议上，收到了许多有关b e y o n di m t - 2 0 0 0 的 研究提案，初步明确了基本研究框架，并指出b e y o n di m t - 2 0 0 0 是广泛用于各种 电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧( n o r d i c ) 接入系统 等，其能力将涵盖并远远超出i m t - 2 0 0 0 系统，也就是不仅涵盖目前的i m t - 2 0 0 0 、 无线接入、数字广播等系统的能力，还将新增两个部分：支持约1 0 0 m b s 的蜂 窝系统和支持高达1 g b s 以上速率的游牧和本地无线接入系统。在i t u 给出的有 关b 3 g 研发的进程时间表中，总体目标及远景计划已于2 0 0 2 年6 月完成，2 0 0 3 年蛰j 2 0 0 6 年之间完成b 3 g 系统的需求定义，2 0 0 6 年至u 2 0 1 0 年左右完成全球标准 化工作，2 0 1 0 年之后开始商用，而其频谱分配将在2 0 0 6 年以后渐进完成。 中国的宽带无线多媒体网络【3 】【4 ( b r o a d b a n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a ，b w m ) 在 中国下一代无线通信研究浪潮中应运而生，旨在寻求一种运行高效、成本低廉 的技术途径，从业务平台、核心网络、无线接入网络、空中接口和终端等不同 侧面全方位地达成“三网融合”的总体目标。其上行链路接入技术采用的就是 d f t - s g m c t 5 】【6 】【7 】【8 】【9 】 1 0 】技术。目前，配置回传信道( r e t u r nc h a n n e l ) 的移动电视 多媒体系统普遍采用蜂窝移动网络和广播电视网络集成的技术手段，核心网实 现统一管理，终端采用多模方式。这种解决方案的问题是，网络基本不具备宽 带通信的能力，运营成本高，核心设备复杂，同时也存在很大的政策风险，商 业运营主体不明确，难以支撑“三网融合 等信息产业的长远发展。为此，宽 带无线多媒体网络以系统创新和技术创新为基础，紧紧抓住国际电联和我国正 在大力推进b 3 g 宽带无线移动通信系统的历史机遇，重点开展无线接入网络和 上海大学硕士学位论文 空中接口的研究和开发。 b w m 网络是一个融合移动电视网络和宽带无线接入网络技术特征的新型 宽带无线移动网络，同时，b w m 网络又区别于宽带无线接入网络和移动电视网 络，可以配置强大的i p 核心网络和i m s 综合业务管理平台，并为不同的终端业 务配置了相同的运维支撑平台。在无线接入网络架构方面，b w m 网络充分考虑 了移动电视网络和宽带无线接入网络的组网特征，既支持传统广播电视网络的 大基站覆盖的大区模式，又支持以蜂窝组网为特征的全小基站覆盖的小区模式。 同时，在覆盖热点和室内场景时，允许针对点到点或者点到多点的通信模式进 行优化组网。 图1 1b w m 网络系统架构 f i g1 1b w m n e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r ef r a m e 在重用传统广播电视系统的大基站台，以及传统蜂窝系统的小基站台形成 无线覆盖时，b w m 网络有两种典型的运营模式： 1 )以大基站和小基站构成的大小区制混合覆盖模式 采用大基站发射广播电视业务，小基站发射宽带无线数据业务，这样可以 沿用即设的广播电视系统和蜂窝系统的基站台，降低建设基站的工程成本，提 升现有装置的使用寿命和效率。同时，混合式的无线网络在开展运营服务时具 有非常强的灵活性，适应广播电视业务和宽带无线接入业务分离和合成运营模 式，便于首先开展广播电视业务，随后开展宽带无线接入业务的演进式运营实 施模式。广播电视业务的服务质量也可以优先得到保证。 2 上海大学硕士学位论文 2 )以全小基站构成的小区制覆盖模式 如果尽可能地重用传统蜂窝网络的基站站址，以全小基站形成小区制覆盖， 同样也可以提供复合的广播电视业务和宽带无线接入业务。这种情况和大小区 制混合式覆盖模式有较大的差别，在技术手段上也有一定的区别和联系。在工 程实施时需要重点优化广播电视业务在小区边缘的传输质量和传输容量。 b w m 系统具体技术特征有： 1 ) 无论以大区制或以小区制基站提供多媒体广播业务，都应支持单频组网 ( s v n ) 方案； 2 ) 多媒体广播业务和宽带无线接入业务以静态或者动态方式共享相同的无线 频率资源； 3 ) 无论在哪种网络架构中，宽带无线接入业务都应以小区制基站提供网络覆 盖： 4 ) 在统一频率规划和较低建设成本情况下，宽带无线多媒体网络应具备提供 地区或者全国覆盖能力； 5 ) 新一代宽带无线多媒体广播系统应提供足够强度的保护措施，以隔离来自 模拟电视、数字移动电视、移动通讯和其它无线电干扰源。同时，应尽量降低 本系统对现有其它系统的干扰； 6 ) 具备竞争力的上下行链路峰值传输速率，例如，下行有比d v b t 更高的广 播信息速率和近百兆的信息通讯速率，上行达到近5 0 m 的消息上传速率； 7 ) 下行支持o f d m a 传输方式，针对大区制广播业务及小区制宽带无线通讯 业务做相应的参数优化； 8 ) 上行支持基于滤波器组变换的单载波频分多址( s c f d m a ) 接入方式 d f t - s - g m c ，针对小区制宽带无线通讯业务做参数优化； 9 ) 多个可调节的无线信号传输带宽，以适应不同的系统运营需求，例如， 5 m h z 、8 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 、2 0 m h z 或者其它带宽配置； 1 0 ) 合理的系统和终端复杂度，成本以及功率消耗； 1 1 ) 所有系统业务均在分组域支持，包括广播业务、多播业务和宽带无线通讯 业务； 上海大学硕士学位论文 1 2 研究意义 1 2 1 课题项目支持 本课题的研究来源于下列项目的支持： 1 ) 上海市科委重点科技攻关资助项目，面向未来移动通信的多天线解决方案 及评估测试。项目编号：n o 0 6 d z l 5 0 1 3 。 2 ) 上海市重点学科建设资助项目。项目编号：n o t 0 1 0 2 。 国家已把发展具有自主知识产权的宽带无线接入系统纳入“十一五 发展 规划中，在此背景下，本文所研究的下一代宽带无线接入系统上行传输技术隶 属上海市科委的面向未来移动通信的多天线解决方案及评估测试总课题， 和国家的重大战略计划紧密相关，意义重大。同时，b w m 标准项目已经在信 标委中立项，并已取得了一定的研究成果。 1 2 2 课题研究意义 近年来，人们对移动通信系统所能提供的业务种类和质量提出了越来越高 的要求，未来的移动通信系统必将是宽带的、高效率的、高容量的、高质量的 移动多媒体系统。 o f d m 技术从提出以来一直受到广泛的研究，但是o f d m 自身存在很多缺 点。o f d m 1 1 】【1 2 】1 3 】【1 4 】【1 5 】时域信号为多个独立同分布信号分量的线性叠加，造成 o f d m a 系统发射信号峰值均值功率比( 峰均比) 很高，从而提高了发射机功 率放大器的线性要求，减小了系统上行链路系统覆盖范围。同时由于o f d m a 系统子载波之间是正交的，导致对于由子载波频偏和定时误差导致的多址干扰 非常敏感，所以o f d m 不适合上行链路传输。关于上行链路的解决方案，现在 国际上有s c f d m a 和g m c 技术。单载波频分多址( s c f d m a ) 是近年来国 际上提出来的一种既具备单载波通信峰均比特性，又具备多载波通信实现简单 和资源调度灵活特性的新型频分多址通信系统，主要应用于宽带移动通信的上 行链路解决方案。目前，s c f d m a 的实现方式主要有两种。一种是，通过频 4 上海大学硕士学位论文 域处理的s c f d m a ，也就是基于离散傅立叶变换扩频的正交频分复用多址 ( d f t - s o f d m a ) ；另一种是通过时域处理的s c f d m a 。d f t - s o f d m a 系统 主要是基于之前盛行的o f d m a 系统改进而成的，与o f d m a 系统相比，该系 统可明显降低传输信号峰均比。然而，由于d f t - s o f d m 也是基于o f d m 传 输的，因此也具有对同步误差导致的多址干扰敏感的缺陷。时域处理的 s c f d m a 比d f t - s o f d m a 具有更低的峰均比，但是相对于基于o f d m 技术 的d f t - s o f d m a ，其频谱利用率明显降低。在b w m 系统物理层方案中，上 行采用的是d f t - s g m c 技术，适用于高速移动环境或多普勒频移和时延扩展 相对很大的情况。在中国的f u t u r e 计划中，就采用了此技术，并被写入了国 家信标委制定的标准中，它将作为中国4 g 中的一个技术亮点。 d f t s g m c 是一种全新的上行链路解决方案，虽然没有o f d m 系统的频 带利用率高，但是却能很好的对抗多址干扰，并且具有较低的p a p r ，是具有 中国自主知识产权的新技术。目前对d f t s g m c 系统的研究已经日益展开。 因此，对其关键技术的研究也有相当的必要。 1 3 研究主要工作和贡献 本文在d f t - s g m c 现有研究基础上，对其p a p r c m 的性能和初始随机 接入问题进行了的分析研究和理论推导。主要工作和贡献包括： 1 ) 研究了d f t - s g m c 和d f t - s o f d m 的系统模型和信号产生原理；并 对o f d m 、d f t - s g m c 和d f t - s o f d m 系统的p a p r 性能进行了深入的分析； 理论推导得出了d f t - s g m c 系统不是一个纯粹的单载波系统，其p a p r 不仅 与调制方式有关还与子带数有关的结论。在此基础上提出了一种改善 d f t - s g m c 的p a p r 和c m 性能的方法，并通过仿真证明了，使用改进方法后， 在一个用户分配一个或两个子带的情况下，其p a p r 和c m 性能接近甚至优于 d f t s o f d m 的p a p r 和c m 性能。 2 ) 介绍了初始随机接入的原理，选择了z a d o f f - c h u 序列作为d f t s g m c 的 随机接入序列，并通过给出的z a d o f f - c h u 序列的性能仿真，得出了c h u 序列的 上海大学硕士学位论文 c m 值较小，p a p r c m 性能优于p n 序列的结论：介绍了两种随机接入机制并 进行了比较，通过比较结果，选择两步随机接入机制作为d f t s g m c 的随机 接入机制；分析了三种d f t s g m c 的随机接入检测算法，并对其中频域上的 两种算法的性能进行了公式推导和比较，发现复杂度较小的算法在定时性能上 有一定的损失，并对具体的延时误差进行了公式推导；对定时同步性能和c i n r 进行了分析；最后对复杂度最小的检测算法进行了仿真。 1 4 论文主要内容和结构安排 本文的主要内容安排如下： 第一章包括了研究背景、研究意义、作者主要工作和贡献以及论文的主要内 容和结构安排。 第二章首先介绍了d f t s g m c 的传输原理和系统特征，接着介绍了l t e 的概况和其上行传输技术d f t s o f d m ，为下一章的p a p 刚c m 性能比较奠定 基础。 第三章首先介绍了峰均比的基本问题，再分别对o f d m 、d f t s o f d m 和 d f t s g m c 系统的p a p r 问题进行了深入的分析和理论推导。最后给出了一 种改善d f t s g m c 的p a p r c m 的方法，并分别针对p a p r 和c m 性能进行 了仿真。 第四章首先阐述了非同步随机接入概念，接着对随机接入的序列进行了分析 和设计，选定了z a d o f f o c h u 序列为d f t s g m c 的随机接入序列，并对其自相 关、互相关和p a p r c m 性能进行了仿真，同时比较了p n 序列的p a p r c m 性 能，得出z a d o f f o c h u 序列更适合于b w m 上行链路的传输的结论。然后重点分 析了d f t s g m c 的随机接入检测的三种算法算法，并对其复杂度进行了分析， 结果是复杂度最低的算法有一定的性能损失。第5 节和第6 节分别对定时估计 问题和c i n r 问题进行了分析。最后给出了仿真曲线。 第五章对全文的总结并对下一步工作进行了展望。 6 上海大学硕士学位论文 第二章d f t s g m c 传输技术 2 1d f t - s g m c 基本原理 d f t - s g m c 技术是基于多子带滤波器组和d f t 扩频的传输技术。它是中 国自行提出的上行链路传输技术，并已确定为中国宽带无线多媒体( b w m ) 的上 行链路解决方案之一。d f t o s g m c 具有天然的对频偏和多用户干扰( m u i ) 的鲁 棒性。 2 1 1d f t s - g m c 概述 d f t o s g m c 7 】是一种基于d f t 扩频和滤波器组【1 6 1 【1 7 】【1 8 】【1 9 ( f i l t e rb a n k ，f b ) 的传输技术。采用的是非严格采样滤波器组调制方式。在频域内，相邻子带间 不在3 d b 处交叠( o f d m 频域信号交叠处) ，而在约1 5 d b 处交叠；在时域内， 波形由原型滤波器移位正交形成。因此，其信号在频域上拟正交，在时域上正 交。d f t - s g m c 系统有以下特征： 1 ) 采用d f t 变换实现扩频。 2 ) 采用多子带滤波器组实现频分复用多址。 3 ) 采用保护频带消除相邻子带之间的干扰。 4 ) 通过快速衰减的子带频谱克服子带之间的干扰。 5 ) 通过生成循环数据块，即d f t - s g m c 符号有效部分，最大化时域数据传 输效率。 6 ) 通过插入时域保护间隙消除信道时延扩展影响。 7 上海大学硕士学位论文 2 2 2d f t - s - g m c 信号产生原理 星座点 符号 k - d f t 子带移位 循环数 - _映射 m i f b t据块生加c p 叠加 成 b o ( b l ( b m 1 ( 图2 1d f r - s g m c 发射机结构 f i g2 1d f t - s g m ct r a n s m i t t e rs t n l c t u r e 叫p ( z ) 卜一 t m j i ) ： z 1 ： - - 斗 一叫粤c z ，叫t m1 1 m i f f t i； z 1 ： i ) 一p o e m - i ；( z ) 一下mi 图2 2 逆滤波器组变换( i f b t ) 实现结构 f i g2 2i f b ti m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r e 图2 1 为d f t - s g m c 信号的发射机结构图。而图2 2 是m i f b t 的结构图。 系统首先根据用户占用的子带数目，通过d f t 变换将已调制数据符号变换到频 域，再通过子带映射，将d f t 变换输出信号扩展到指定的子带( 子信道) 上传输， 实现扩频。根据子带映射方式不同，传输信号可以占用连续的频谱，也可以以 子带带宽为基本单位占用间隔的频谱。扩频后的信号带宽为d f t 变换的点数乘 以子带带宽。接着，各子带信号分别经过上采样，成形滤波和频谱搬移后，形 成宽带合成信号。最后，对宽带合成信号进行符号波形截取操作，以生成首尾 连续的d f t - s g m c 符号波形。 下面对d f t o s g m c 的符号生成过程进行数学推导。 调制符号经过d f t 扩频后的归一化输出为： 上海大学硕士学位论文 4 ( 刀) = 专a k ( 刀) e x p ( 一j 2 万k k k ) ，o k _ k - 1 ；0 - n - d - 1 ( 2 1 ) 八k = 0 其中， 口。( 刀) ，0 ksk 一1 ；0 刀d 一1 ，为输入并行调制数据符号，d 表示在每个数据块中传输的波形符号数目，亦即在每个数据块中进行i f b t 变 换的次数，刀是每个数据块中的波形符号的序号，k 是每个用户使用的子带数 目。k 是使用的子带的序号。 经过映射后的输出为： 对于分散映射： = 悟譬裂娘；0 鲕陲蜘鲰k 蜘如胪1 ( 2 2 ) 对于集中映射： 瓦c 刀，= 孑i ? 三二竺匕0 m m - 1 ；0 k 1 ；0 胚d - 1 c 2 固 其中，c 是特定用户的子带偏移量。m 是系统的子带总数，m 是系统 的子带序号，r 是子带映射间隔。 接着经过逆滤波器组变换后输出为： m i 2 t t t 哪 蜀( 珂) = ( 刀) p 7 百( f ) ，0 t l - 1 ；0 ，z d - 1 ( 2 4 ) 其中f p ( t ) 是长度为的原型滤波器的冲击响应，原型滤波器满足移位正 交性，f o 。i ) = f p ( m + n m ) ，而厶，。( 珂 ) 是第m 个多相滤波器昂。的冲击响应。 然后对串行数据进行缓存和移位累加，将d 个i f b t 成型符号移位累加， 每次累加时的位移量为原型滤波器的上采样率，这样可以利用原型滤波器的 移位正交性实现时域复用。移位累加输出为： n j ( f ) = n ( 刀) ? ( 2 5 ) m lm l 、7 = ( 刀珑( 绷n ) 印( 刀册( 绷n ) m ) ，o f p 1 ) n + l 一1 n = o m - - o 输出的时域数据过长，必须进行截短和首尾循环叠加，以达到宽带无线通 9 上海大学硕士学位论文 信上行链路的帧结构的要求。生成的循环数据块为： s ( f ) = s l ( t ) + s 2 ( t ) + s 3 ( t + t i t 2 ) ，o f n x d 一1 ( 2 6 ) ls t ( t ) = s ( t + t 1 ) r t 2 ( f ) ( t ) = s ( t + t l + t 2 ) r t 3 ( t ) i s ，( f ) = s ( f ) rt l ( t ) s ( t ) ( d - i ) n + l 采样点 集荐警一一 nxd 采样点 州= 盅 o t t 一1 o t h e r w i s e 图2 3 循环数据成块 f i g2 3b l o c k e dc i r c u l a rd a t a 循环数据块是d f t - s g m c 的有效部分，与o f d m 系统一样，d f t - s g m c 需要添加c p 形成一个完整的d f t - s g m c 符号。添加c p 可以用于消除信道多 径导致的符号间干扰。c p 的长度必须大于无线信道冲击响应绝大多数能量对应 的时延扩展的长度。下图说明了循环前缀的插入方法。 i o 譬 i 己己 上海大学硕士学位论文 婴型墼 l l ic p l k 一d 兀一s - g m c 循环数据块一 图2 4 循环前缀的添加 f i g2 4c pa d d i n g 2 2 3d f t s g m o 信号接收原理 在接收端去除c p ，同步，频域均衡，数据块循环扩展后，按原型滤波器移 位正交间隔移位提取d 个长度为三的数据块，并将各数据块级连串行输出。滤 波器组变换( f b t ) 模块将串行输入数据块序列进行与g m cu e 发射机逆滤波器 组变换( i f b t ) 相应的子带匹配滤波过程，以恢复各子带传输的数据符号。再经 过子带解映射，k 点i d f t ，并串转换，得到调制符号。下面两幅图是接收 d f t - s g m c 符号的接收机基带结构图。 图2 5d f t - s g m c 接收机基带模型 f i g2 5m o d e lo fd f t - s g m cr e c e i v e rb a s e b a n d 上海大学硕士学位论文 ：z 。1 也州州z - 1 ) h 、 叫丑c z pm f f t ； ； ：z 。1 - 肭l ( z 1 ) b 图2 6 滤波器组变换( f b t ) 实现结构 f i g2 6f b ti m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r e 2 3d f t - s g m c 系统特征 g m c 技术具有以下固有的特征使其非常适