（光学工程专业论文）正交频分复用系统中的turbo编码研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 正交频分复用( 0 f d m ) 是一种多载波传输技术，常用于抗频率选择性衰落或窄 带干扰。但是为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，单纯使用o f d m 技术 的宽带无线通信手段需要大量增加子载波的数量，而这种方法会大幅增加系统的复杂 度，并大量占用系统带宽，势必很难适应目前带宽和功率有限的无线局域网应用环境。 而m i m o 技术能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，因此 将m i m o 与o f d m 相结合可以实现在频率选择性衰落信道中提高频谱利用率，例如 b l a s t - o f d m 。但是，为了降低路径损耗给m i m o _ 0 f d m 系统带来的影响，提高接收的 正确度，采用好的编码也是非常重要的。 本文主要研究了未来无线通信应用的m i m 0 - 0 f d m 系统中的编码技术，具体内容包 括空频码、t u r b o 码和分层空时码三部分。并提出一个更为有效的t u l s t 方法。利用 迭代均衡算法实现循环纠错，即使在高速移动的环境中也能抵抗快速衰减。并且将 m i m 0 o f d m 系统与空频分组码和t u l s t 进行级联，实现空间、时间和频率的最优化 组合。 第一章简要回顾了无线局域网的发展以及o f d m 的基本原理。并介绍了本文的 各章节安排。第二章首先介绍了移动通信中的无线移动信道的特点，及其造成的衰落 效应。其次，分析了m i m o o f d m 系统的原理框图，并建立m i m o o f d m 系统模型。 最后，我们指出m i m o 系统的改进方向是调制和纠错问题，从而引出本文研究的方向。 第三章主要介绍了空频码的编码原理和解码算法，通过对s f b c o f d m 系统的研究， 分析了空频分组码的成对错误概率，并给出了获得最大分集的设计标准，从而得出多 径时延影响空频分组码的原因，以及抗多普勒频移的原因。第四章简要的分析t u r b o 码译码特点和b l a s t 技术特点，建立了t u l s t 编码方式。并对t u l s t 码的设计和编 译码算法进行了详细的分析。最后通过仿真结果来验证t u l s t 编码方式。第五章将 s f b c o f d m 系统与t u l s t 编码进行级联，并通过对t u r b o 码的性能分析和仿真结果 验证系统的可行性和有效性。 关键词：多入多出正交频分复用 空频分组码 拓扑编码分层空时码 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 e 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 l t i p l e x i n g ( o f d m ) s y s t e m i sm u l t i c a r r i e r s y s t e m sa n du s u a l l yu s e dt oc o m b a tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n go rn a r r o w b a n di n t e r f e r e b u t i no r d e rt oi n c r e a s et h es y s t e m a t i cc a p a c i t yf u r t h e r , r a i s et h es y s t e m a t i ct r a n s f e rr a t e ，o n l y u s e0 f d mt e c h n o l o g yb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm e a n st on e e dt oi n c r e a s et h e q u a n t i t yo ft h es u bs i g n a lc a r r i e rs i m p l yi nal a r g ea m o u n t , a n dt h i sk i n do fm e t h o dw i l l i n c r e a s es y s t e m a t i cc o m p l e x i t yb yaw i d em a r g i n ，a n dt a k eu pt h es y s t e m a t i cb a n d w i d t hi na l a r g ea m o u n t ，c e r t a i n l yw i l lb ev e r yd i f f i c u l tt oa d a p tt ot h el i m i t e db a n d w i d t ha n dp o w e r w i r e l e s sl a na tp r e s e n t b u tm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 叫i m 0 ) s y s t e m sc o u l di m p r o v e t h ec a p a c i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n ds p e c t r a lu t i l i z a t i o nr a t i oa td o u b l ei nc a s eo f n o ti n c r e a s i n gb a n d w i d t h t h e r e f o r e ，c o m b i n gt h e s et e c h n i q u e st of o r mam i m oo f d m s y s t e mi sap r o m i s i n gs c h e m ef o ra c h i e v i n gh i 出d a t ar a t e sf o rt h ef u t u r eb r o a d b a n d w i r e l e s s n e t w o r k si nf r e q u e n c ys e l e c t e dc h a n n e l ，e x a m p l eb e l l - l a b sl a y e r e ds p a c et i m e l a s t ) o f d ms y s t e m b u t , i ti sa l s oi m p o r t a n tf o rm i m o o f d ms y s t e m st oa d o p tt h eg o o dc o d i n g t od e c r e a s eb a de f f e c to fm i m o - o f d ms y s t e m sc o m i n gf r o mp a t hw a s t ea n di m p r o v e a c c u r a c yo f r e c e i v es i g n a l s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o d et e c h n o l o g yo fm i m o o f d ms y s t e mu s e di n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , s u c ha s ，s p a c ef r e q u e n c yc o d i n g ，t u r b oc o d i n ga n db l a s t c o d i n g a n dp u tf o r w a r dam o r ee f f e c t i v et u l s ts c h e m e i tt a k e si t e r a t i v ed e t e c t i o na n dd e c o d i n g a l g o r i t h mt or e a l i z ec i r c u l a i i o nc o r r e c te r r o ra n dc a nr e s i s ta n dd e c r e a s ef a s tf a d i n gi nt h e l l i g h s p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n t a tl a s tw ec o m b i n em i m o 一0 f d ms y s t e mw i t hs p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d ea n dt u l s t c o d et or e a l i z et h em o s to p t i m i z a t i o nc o m b i n a t i o no f s p c e , t i m ea n df r e q u e n c y n 忙s t r u c t u r eo f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： c h a p t e ro n er e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sl a n a n db a s i cp r i n c i p l eo f o f d m b f i e f l y a n dt h e nr e c o m m e n d e de v e r yc h a p t e ra r r a n g eo f t l l i sp a p e n c h a l ) e rt w oi n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew i r e l e s sm o b i l ec h a n n e li nm o b i l e c o m m u n i c a t i o na tf i r s t , a n dt h ef a d i n ge f f e c tc a u s e d s e c o n d l y ，a n a l y s et h ep r i n c i p l eb l o c k d i a g r a mo fm i m o o f d ms y s t e ma n ds e tu pm i m o - o f d ms y s t e m a t i cm o d e l f i n a l l y , w e p o i n to u tt h ei m p r o v e m e n td i r e c t i o no fm i m 0s y s t e mi sm o d u l a t i n ga n de r r o r - c o r r e c t i n g q u e s t i o n , t h e nd r a wt h ed i r e c t i o ni nw h i c ht h i sp a d e r s t u d i e s c h a p t e rt h e r em a i n l yi n t r o d u c e ds p a c ef r e q u e n c yc o d ep r i n c i p l e a n dd e c o d e d a l g o r i t h m s ，a n d a n a l y s e dt h ep e ro fs p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d ea n dp r o v i d e dd e s i g n s t a n d a r d sa b o u th o wt oo b s t a i nt h el a r g e s td i v i s i o ng a i nt h r o u g hs e t t i n gu ps f b c 一0 f d m 华中科技大学硕士学位论文 s y s t e m t h u sw ed r a wt h e r e a s o nw h ys p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d ec a bb ee f f e c tb ym u l t i p a t h d e l a ya n dc a nr e s i s td o p p l e r e f f e c t c h a p t e rf o u r , b r i e fa n a l y s i sd e c o d ec h a r a c t e r i s t i co ft u r b oc o d ea n db l a s tc o d i n g t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n dh a v es e tu pt u l s tc o d em e t h o d a n dh a sc a r r i e do n d e t a i l e da n a l y s i st ot h ed e s i g no f t u l s tc o d ea n dt h ec o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m v e r i t y t u l s tc o d em e t h o dt h r o u g ht h ea r t i f i c i a lr e s u l tf i n a l l y c h a p t e rf i v e ，c a r r yo ns f b c o f d m s y s t e r m a n dt u l s tc o d eo n eg r a d eo fa n t i t h e t i c a l c o u p l e t s ，a n dv e r i f ys y s t e m a t i cf e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yt h r o u g ht h ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c e a n da r t i f i c i a lr e s u l t k e yw o r d s ：m i m o o f d m s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d e ( s f b c ) t u r b oc o d i n gt u l s t c o d i n g t l l 独创性声明 k y ) 0 1 6 6 5 3 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 碌【舀 日期：办妒年j 1 月，妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密区 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者躲硫c 舀 日期：z 却6 年1 1 月i 【f 日 指签名够嘶 日期：w 年f 1 月日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 无线局域网技术( w l a n ) 是计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物，下 面先简单介绍一些相关的背景知识。 1 1 无线局域网的发展 1 1 1i e e e 8 0 2 1 l 系列标准 无线局域网以其可移动性、使用灵活、维护方便、易于扩展和良好的性价比等优 势，近年来发展十分迅速，在医院、商店、工厂和学校等不适合网络分布的场合得到 了广泛的应用。 表1 - 1i e e e 8 0 2 1 1 标准 8 0 2 1 18 0 2 1 1 b8 0 2 1 l a 8 0 2 1 l g 标准定制时 1 9 9 71 9 9 91 9 9 92 0 0 3 间( 年) 频率 2 4 一之4 8 3 5 g h z 2 4 之4 8 3 5 g h z5 1 5 巧2 5 g h z2 咖之4 8 3 5 g h z 5 2 5 5 3 5 g h z 5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 速率 1 、2 m b p s 1 1 、5 5 m b p s 5 4 、4 8 、3 6 、2 4 、1 8 、 一 2 0 m b p s 1 2 、9 、6 m b p s 距离 1 0 0 m 1 0 0 m 3 0 0 m 1 0 0 m 至几千米 1 5 0 m 业务 数据数据、图像语音、数据、图像 语音，数据、图像 物理层红外线、直接序列扩高速直接序列正交频分复用直接序列扩频 传输方式频、调频扩频 扩频( o f 【 m ) 扩频 优点成本低。已得到数据传输快，频段干数据传输快，可与 普及扰小8 0 2 1 i b 兼容 为了让各种w l a n 技术能够被更好的接受和使用，这些技术必须要建立一种业界 标准，以确保各厂商生产的设备能够具有兼容性与稳定性。这些标准是由i e e e ( 电器 电子工程师协会，t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 所制定的，最早 的标准i e e e 8 0 2 1 l 是在1 9 9 7 年提出的，初期的标准制定了在r f 射频频段2 4 g h z 上 的运用，并且提供了1 m b p s 、2 m b p s 和许多基础信号传输方式与服务的传输速率规格 1 2 6 1 。目前1 m b p s 和2 m b p s 的w l a n 技术和产品已相当成熟，整个系统的实现成本也 华中科技大学硕士学位论文 正逐步下降。但与以太网( 1 0 m b p s ) 相比，w l a n 较慢的数据传输速率成了进一步发 展的瓶颈。为此，i e e e 接着在1 9 9 9 年9 月又相继推出了新的高速标准：一种是采用 c c k ( 互补编码键控) 技术，支持l l m b p s 速率的i e e e 8 0 2 1 l b ) 另一种是采用o f d m 技术作为物理层技术，支持6 m b p s 到5 4 m b p s 的i e e e 8 0 2 1 1 a t 3 们。后来于2 0 0 3 年6 月 中旬正式通过了相当于前二者的混合标准8 0 2 1 l g 。i e e e 8 0 2 1 l g 标准方案在确保兼容 现有使用2 4 g h z 频带的i e e e s 0 2 1 l b 的同时，实现了5 4 m b p s 的数据传输速率，使得 w l a n 的发展速度又向前迈进了一大步。i e e e 8 0 2 1 1 标准的异同点如表1 1 。 1 1 2 髓e 8 0 2 1 1 a 协议 8 0 2 1 l a 代表了新一代w l a n ，尽管8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 产品非常相似，但是8 0 2 1 l a 在整个覆盖范围内提供了更高的速度。其速率最高可以达到5 4 m b p s ，比任何其他 w l a n 解决方案都更快。另外，8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频带，该频带的使用者较少，因 此，干涉和信号争用情况也较少。8 0 2 1 l a 是非常可靠和有效的方法，可以满足高带宽 应用支持大量用户的需要8 个不重叠信道使部署的可扩展性和灵活性更高。因此，可 以将8 个a p ( a c c e s sp o i n t ) 编成一组，提供高达4 3 2 m b p s 的共享吞吐量来支持同一地 区的多个用户。另外，为了提供更高的安全性，8 0 2 1 l a 提供了w i r e d e q u i v a l e n t p r i v a c y 2 ( w e p 2 ) ，该技术与w e p 类似，但却采用1 2 8 位加密密匙，从而提供更高的安全。 这为没有部署无线局域网的用户、期待增加或扩展现有无线局域网的用户提供了最有 价值的高性能网络选择，因此8 0 2 1 l a 将得到广泛采用【2 】【3 】。 1 2i e e e 8 0 2 1 l a 中o f d m 技术的基本理论 o f d m ( 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 l 卸l e x i n g ) 正交频分复用技术是一种新 的高效的多载波调制技术，它能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠 地接收，由于现代数字信号处理技术( d s p ) 和超大规模集成电路地迅速发展，最初 实现o f d m 技术的障碍，如庞大的复数运算和高速存储器等已经不复存在，同时快速 傅立叶算法也避免了并行数据传输所需的正弦波发生器组和相关解调器组，使该技术 的实现费用更趋实际。因此，这一项技术在近几年得到广泛的普及。 1 2 1o f d m 的基本原理 o f d m 是多载波调制技术应用于无线传播环境中的典型代表。其基本思想是将信号 流划分为多路子数据流，再去并行调制多路载波。其子载波的频谱虽然重叠但保持了 良好的正交性，故称为正交频分复用。它是频谱利用率最高的一种频分复用方式。 2 华中科技大学硕士学位论文 设o f d m 信号发射周期为t ，子载波数为n ，令丘= 五+ k a f ( k = 0 ，1 ，2 ， n 1 ) ，正为高频载波，厂为子载波之间的频率间隙，各子载波间满足正交性，即： f e j 2 ：矿t ：t 2 吖廊= 骺；i ： m ， 可以证明，只要当选择载波之间的频率间隔a f ，使a f = 去，即可使各载波在整个 o f d m 信号的符号周期内满足正交性。当所有载波组合在一起时，总的频谱非常接近于 矩形频谱，其频带利用率理论上可以达到香农( s h a n n o n ) 信息论极限。这一点同单载 波比具有明显的优越性。在实际应用中，由于难以设计适当的奈奎斯特滤波器，单载波 系统的带宽利用率很少超过8 0 ，而o f d m 系统可能实现近1 0 0 1 拘频谱利用掣5 1 。 1 2 2o f d m 的实现 o f d m 的调制信号可以表示为： d ( r ) = d ( n ) e x p ( j 2 z f t ) t 【o ，刀 ( 1 - 2 ) 这里d ( 拧) 是第n 个调制码元，t 是码元周期t 加保护间隔万( 丁= j + t ) 。各子载波 的频率为 正= 五+ 昙( 1 - 3 ) 这里 为最低子载波频率。由于一个o f d m 符号是将m 个串并变换之后并行传播出 去，所以o f d m 码元周期是原始数据周期的m 倍，即l = m t ，当不考虑保护间隔时， 则由式( 1 - 2 ) ，( 1 3 ) 得到： 盼【篓荆e 则老耐) e j 2 z a t = x 蛐 ( 1 4 ) 式中x ( t ) 为复等效基带信号 x q ) = 篓d ( n ) e x p ( j 薏哟 ( 1 5 ) = 等n f ) ( 1 5 ) n f 对x ( t ) 进行抽样，其抽样速率为_ 1 ，即“= k t , ，则有： m - ! 一 x 以) 2 萎d 。) e x p ( _ ，箐n k ) ( m - i ) ( 1 - 6 ) 华中科技大学硕士学位论文 从上式可以看出；x ( k ) = x ( t 。) 恰好是d ( n ) 的反离散傅立叶变换。所以o f d m 调制可 以采用反离散傅立叶变换( i f f t ) 来实现，相应的接收端解调则可用快速傅立叶变换 ( f f t ) 来完成。 o f d m 的原理框图如图1 1 ： 图1 一l o f d m 原理框图 以上框图中的编码和解码实际上是映射和解映射的过程，可以采用b p s k ，q p s k ， 8 p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 等，并以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过 选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大的频谱效率。 1 2 3o f d m 存在的问题和解决方法 在无线环境中，信号的传输都会经过多条路径到达接收端，o f d m 技术可以有效 地对付多径衰落，有利于移动接收。但是单纯的使用o f d m 技术很难适应目前带宽和 功率有限的无线局域网应用环境，且无法提高频谱使用效率。为了在不增加带宽的情 况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，利用多进多出技术( m i m o ) 与o f d m 技术相结合，可以实现在频率选择性衰落信道中提高频谱利用率，例如空时正交频分 复用( b l a s t - o f d m ) 技术。但是b l a s t - - o f d m 系统在高速的移动环境中，或者 快衰落信道中性能会受到很大的制约。本文的重点就是提出一个更为有效的t u l s t 方 法。利用迭代均衡算法实现循环纠错，即使在高速移动的环境中也能抵抗快速衰减。 并且将m i m o o f d m 系统与空频分组码和t u l s t 进行级联，实现空间、时间和频率 的最优化组合。 1 3 课题研究内容 为了增强o f d m 系统在无线环境中抗多径的能力，可以将o f d m 技术和m i m o 技术相结合，构成m i m o o f d m 系统。在m i m o o f d m 系统中，合理的选择编码技 4 华中科技大学硕士学位论文 术是提高无线通信系统进行高速率数据传输性能的关键点之一。因此，本文研究的主 要内容就是m i m o - o f d m 系统中的编码技术，包括空频码( 主要是空频分组码) 、t u r b o 码和分层空时码等。 华中科技大学硕士学位论文 2m i m o o f d m 系统分析研究 o f d m 能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠地接收。o f d m 码率低， 又加入了时间保护间隔，具有极强的抗多径干扰能力；其多径时延小于保护间隔，所 以系统不受码间干扰的困扰。m i m o 可以不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量 和频谱利用率，因此将m i m o 技术与o f d m 技术相结合是未来的宽带无线接入领域中必 然采用的关键技术之一。 2 1 无线信道中多径传播与衰落 移动通信系统的传输性能同其信号经历的信道有非常密切的关系，信号在移动信道 中传输时会受到多径效应、多普勒频移( d o p p l e r ) 以及路径衰落的影响。要在接收端 正确无误的得到传输的信号，就必须对接收到的信号进行信道性能正确估计。 无线电波能量的传播主要依靠信号的反射、衍射和散射。这三种传播机制会产生大 量的传播路径，同一个天线会接收到很多来自不同方向、不同能量损失、不同相位的 电磁波，这些电磁波叠加在一起，就构成了接收信号，这种现象称为多径传播。在移 动接收中，散射体的运动和接收机的运动对接收信号的影响是一致的。如果接收机和 附近的散射体始终保持一致，则所接收到的信号包络保持不变；如果二者存在相对运 动，则接收到的信号包络有起伏变化【4 】。 2 1 1 多径传播和影响衰落因素 天线信道中的衰落效应主要表现为三个方面： 短距离或者短时间中信号功率快速变化； 不同多径信号的d o p p l e r 的频偏不同，会产生随机调频现象； 多径传播时延会造成时延扩展。 多径信号的振幅、相位和入射角都是随机分布的，即使接收天线处于静止状态， 由于信道中障碍物的运动，仍然会造成信号参数的随机分布现象。无线信道中很多的 因素会影响衰落，其中包括： ( 1 ) 多径传播：无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一个不断变 化的传播环境，引起接收信号在幅度、相位和到达时间上的变化。随机分布的幅度和 相位使信号功率产生波动而引起衰落，也可能造成信号失真【8 】。 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 移动台的移动速度：接收天线和发射天线之间的相对运动会产生d o p p l e r 频移， 各个多径信号的d o p p l e r 频移一般都不一样。 ( 3 ) 信道中障碍物的移动速度：如果信道中有移动的物体，那么也同样会造成多径 信号的d o p p l e r 频移的差异。如果物体的移动速度大于接收天线的移动速度，那么就 要考虑这些移动物体的影响；如果小于，那么一般可以忽略不计。 ( 4 ) 信号的带宽：如果信号的带宽大于多径信道的带宽( 多径信道可以看成是一个 时变系统，带宽可以用相干带宽表示) 接收信号就会失真，但是接收信号的能量在很 小的范围内变化也不大，即意味着衰落现象并不严重嘲川。 2 1 2 衰落类型 由于多径时延产生的衰落分为两类，一个是平坦衰落，一个是频率选择性衰落。 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发射信号带宽，并且信道频率响应的幅度近似为常数，相 位为线性，那么信道的频谱会保持不变，但是信道增益会随着时间变化( 由多径所造 成) 。这种衰落称为平坦衰落，也是最常见的一种。 因而在平坦衰落信道中，信道的冲击响应可以近似的认为是一个艿函数，也就是 说没有附加的延迟【9 】。其条件可以概括为： b i “b c ，t l o t 1 其中，眈是信道的相关带宽，c r f 是其时延扩展，b = ，e 和e 分别是信号的周 。 期和频率。而由于信道增益的变化，接收信号的包络也将是一个随机变量，因此通常 可用r a y l e i g h 分布来描述这种包络的变化。 ( 2 ) 频率选择性衰落 对应于平坦衰落。当信道的带宽小于信号的带宽时，那么信号中各个频率分量的 增益不同，信道波形失真，称为频率选择性衰落。当多径时延超过发送信号的周期时， 前个信号就会落入后面的信号中，引起码间干扰( i s i ) 。一般解决的方法有两个，一 个是加宽传输频带，任何频谱中的陷落只引起- d , 部分信号能量的丢失；另一个方法 是把发射信号分为很多窄带的载波，就像c o f d m o f d m ，因为原始的信号是宽带的， 那么频谱中的陷落不可能出现在所有的子载波频率上，因此只会引起一些载波的丢失， 而不会引起整个信号的丢失。而丢失载波的信息可以通过前向纠错编码恢复。因此， 一般判断频率选择性衰落的条件是： 7 华中科技大学硕士学位论文 b i b c ，ti o f 2 1 3 多普勒( d o p p l e r ) 频移 ( 1 ) 信道时变特性两个参数 信道时变特性是由移动台与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运 动引起的。多普勒频移和相干时间就是描述小尺度信道时变特性的两个参数【5 】。 当载频为正传输信号相对于物体移动方向以角度口入射时，接收信号的多普勒频移 为：乃= z l e o s 0 = 8 0 c o s 0 。z 是信号源的频率，v 是信号源和接收机的速度差，c 是 f 光速。多普勒效应使得传输信号的载频在，b o 的范围内变化。如果基带信号带宽远 大于口。，则在接收端可以忽略多普勒频移的影响。 相干时间瓦是多普勒频移在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特 1 征。它与多普勒频移成反比，即= 。相干时间是一段时间间隔，在此间隔内，两 a d 个到达信号有很强的幅度相干性。 ( 2 ) 多普勒扩展引起的衰落效应 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信 道。 1 ) 快衰落信道 在快衰落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快。即如果信道的相干时问 比发射周期短，那么信道就是快衰落信道。由于多普勒频移引起频率色散( 时间选择 性衰落) ，从而导致信号失真i 矧。从频移角度可以看出，信号失真随着发送信号带宽的 多酱勒扩展的增加而加剧。因此，信号经历快衰落的条件为 z 乃，色 这里需要说明的是，快衰落与多径没有关系，它仅表示信道中运动物体的变化所引 起的信道响应的变化快慢。一个快衰落信道既可能是平坦衰落，也可能是频率选择性 衰落。平坦信道的冲击响应可以近似为万函数，那么如果一个信道是平坦快衰落信道， 那么就表示此艿函数的变化率要大于发射信号的符号变化率，一般来说，只有当数据 率非常低的情况下才有可能发生快衰落。而且统计表明，在障碍物均匀的城市街道或 森林中，信号包络起伏变化近似于r a y l e i g h 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落。例 如在郊区或非规则地形上，车速4 0 k m h ，电波频率8 0 0 m h z 时，衰落速度达每秒3 0 华中科技大学硕士学位论文 - - 4 0 次【3 2 】。 2 ) 慢衰落 在慢衰落信道中，信道的变化率要小于信号的符号变化率。也就是说，在一个或 者多个符号周期内信道是不变换的( 或者说变化得非常慢) ，是一个静态的信道【帅】。相 应的在频域中，信道的d o p p l e r 扩展要比基带信道的带宽小的多。长期慢衰落服从对数 正态分布，表示本地平均或对数正态衰落分量，它的幅度是对数正态功率密度函数。 慢衰落信道的条件是： b d 显然，移动台的移动速度及基带信号发送速率，决定了信号是经历快衰落还是慢衰 落 2 2m i m o o f d m 系统的基本原理 2 2 1 m 0 基本原理 m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 系统是一种将信号的空间域与时域处理相结合的技 术方案，空间域的处理实际上是利用了多径环境中的散射所产生的不同子信号流的非 相关性而在接收端对不同的信号流进行分离。 通常多径会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对m i m o 系统 来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在通信接收、发射双方都使 用一组天线阵列，在发送端将一个用户的数据信息分成多路并行信号，并分别由多个 天线元同时，同频段发送；接收方为了分辨出不同的并行子码流，必须使用数目不少 于发送天线数目的天线组进行接收，并依靠特殊的编码方式与信号处理过程实现子信 号流的分离。最后将恢复出的子信号流合并成原有的发送串行信号。由于m 1 m o 将信 道视为若干并行的子信道，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利 用，理论上可以极大的扩展频带利用率，提高无线传输速率，同时还增强了通信系统 的抗干扰、抗衰落性能1 4 2 】。 目前m i m o 技术已经成为一项研究熟点，2 0 0 2 年曾被美国 t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ) 评为十大热门通信技术之一。m i m o 技术的主要研究内容就是发射与接收处理方案， 其主要存在两种方案：空间复用和分集技术。空间复用主要是指各种b l a s t 算法，而 分集指空时编码，这两种方案的主要目标都是使频带利用率最大化。如图2 1 是m i m o 系统的原理框图。 9 华中科技大学硕士学位论文 c - ( k )x i ( k ) 天 线 阵 c n ( k ) x m ( k ) 图2 1 是m i m o 系统的原理框图 2 2 2m i m o o f d m 系统概念 m i m oo f d m 技术通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，以提高 信号质量，是o f d m 与m i m o 相结合而产成的一种新技术。它采用了时间、频率和空 间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。m i m o o f d m 系 统的框图如图2 - 2 。 图2 - 2m i m o - o f d m 系统框图 从图中可以看出，m i m o o f d m 系统有n 个发送天线、m 个接收天线。在发送端 和接收端各设置多重天线，可以提供空问分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是 因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流 经串并变换分为多个分支，每个分支都进o f d m 处理，即经过编码、交织、q p s k 映 射、空时频编码器，插入导频信号、i f f t 变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到 无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、f f t 变换、解码等等，同时进行信道估计、定时、同步、m i m o 检测技术，来完全恢复原 来的比特流r m l 2 1 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 3m i m o o f d m 系统的统计信道模型 本文主要讨论的重点是无线局域网中的m i m o o f d m 系统，所以本节要讨论的信 道模型也是在这种环境中的信道模型。在通信系统仿真中，目前使用的信道模型大致 有两类1 2 ；一类是基于无线电磁波传播机理建立的确定性信道模型，对信道描述比较准 确，但实现较复杂；另一类是建立在大量测试数据基础上的统计性信道模型，在这类 模型中常用固定抽头系数的离散模型，比如3 抽头、5 抽头的形式等 3 1 。它实现简单， 但反映了时延扩展特性。对真正的无线通信系统而言，发送信号经过无线信道传播后， 除产生时延扩展外，还受到多普勒扩展的影响，用固定抽头系数的信道模型并不能全 面反映无线信道的特点。而且当m i m o o f d m 系统在高速的移动环境下多普勒频移对 误码率的影响更为显著。因此，本文在描述m i m o o f d m 系统时还考虑了多普勒扩展 的统计特性。 假设m i m o + o f d m 系统有n t 个发送天线和n r 个接收天线，它将提供多个空间 信道，且不会全部同时遭受到衰落的影响。m i m o 和o f d m 技术在各自的领域中都发 挥了巨大的作用，将二者相结合并应用到下一代无线局域网中，已成为无线通信的一 个研究热点。 无线移动信道一般利用时变的信道冲激响应矗p ；f ) 表示，j ( f ；f o ) 是 ( f ；f ) 对t 的傅 立叶变换，即 j ( f ；厶) = f f h q ：；t ) e - 1 2 柑西 ( 2 1 ) 式中，f 表示时延，厶表示多普勒频移。通常，当信道不相关的传输路径条数足够多 时，无线移动信道被看作一个高斯广义平稳非相关散射( g w s s u s ) 模型的随机过程。于 是，利用s ( f ；f o ) 的二维自相关函数来描述该信道特性： e ( f ，f ；f o ，尼) = 研s ( f ；f o ) j ( f ，；尼) 】 ( 2 2 ) 式中，s 表示s 的共轭。根据无线移动信道的广义平稳和非相关散射的特点，公式( 2 2 ) 化简为： 月，( r ，f ；f o ，尼) = 占( f o 一尼) j ( f f ) 只( f ；厶) ( 2 3 ) 式中，e a r ；f o ) 为散射函数，6 ( 厶一尼) 和万( f - - i ) 是冲激函数。这样，p a r ；f o ) 完全 表征了无线移动信道的特性，它提供了信道平均功率输出的度量。 由于具有时延扩展和多普勒扩展的信道冲激响应可以进一步表示为【4 】： 华中科技大学硕士学位论文 坂“f ) 2 磐赤驴“。烈卜 ) 则信道可看作由0 条不相关的路径组成，且丸( f ) = 2 z r + 厂d ) 。 第r l 条路径的随机相位九服从【o ，2 】内的均匀分布；在g w s s u s 假设下，t o 和f 的 联合概率密度函数p ( f ；厶) 与只( f ；厶) 威2 i f _ l t 假设厶和f 相互独立，则p ( f ；厶) 可表示 成多普勒功率谱p o 乞) 和时延功率谱p ( r ) 的乘积，即 只( f ；厶) 8p 0 ；厶) = p ( 厶) p ( f ) ( 2 - 5 ) 利用m o n t e c a r l o 方法，根据p 0 名) 和p ( f ) 产生大量的随机数，d 。和，将其代入 公式( 2 3 ) i p 可得到连续时间下的g w s s u s 信道。 为便于计算机仿真，用离散模型描述g w s s u s 信道。我们把发送滤波器、信道、接 收滤波器以及采样结合在一起，用系数可变的有限抽头数的滤波器表示，以一个符号 周期作为抽头之间的间隔。 整个系统在t 时刻的冲激响应表示为； 矗。“( f ；r ) = 厅( f ；，) + g ，。“( f ) + 拧( r )( 2 6 ) 式中，g ( r ) = g ( f ) + g ( 吖) ，力( r ) = n ( r ) g ( 一f ) ，表示卷积，g 为g 的共轭。 g ( r ) ，h ( r ，t ) 和g ( - r ) 分别为发送滤波器，信道以及接收滤波器的冲激响应。再用一 个滤波器等效信道时，可忽略加性噪声即( f ) 的影响，则公式( 2 6 ) 简化为： h t o 。a ( f ；力= ( 巧，) ( )( 2 7 ) 当t = k t ，对啊。( f ；f ) 以t 为周期进行采样，得到一组复数，并作为此刻滤波器的一 组抽头系数： 班。死忉2 粤赤艺问e j ( o * 2 硝o j c r ) g 一( n t - r t ) ，肛o ，l ，- l ( 2 - 8 ) 式中，“：是第后r 时刻第厅抽头的系数，为滤波器抽头总数，当f 正【o ，( 一1 ) t 】时， 啊。( r ；k t ) = 0 。至此，整个传输过程即可等效为时变的离散时间模型。 在后面的m i m o o f d m 系统，为了便于仿真，我们假定在一个符号传输期间，随