（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统关键技术的研究(1).pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 未来宽带无线通信要求高达1 0 0 m b p s 甚至更高的数据传输速率，以满足 从各种多媒体业务的需求。要实现这一目标，存在两个最严峻的挑战：多径 衰落信道和带宽效率。正交频分复用m i m o 技术通过串并转换，将频率选择 性衰落信道转变为并行的平坦衰落子信道，可以消除多径信道所产生的码间 干扰，极大地降低了高速数据传输时接收端均衡器复杂度，成为继c d m a 后的无线接入核心技术。多输入多输出m i m o 技术在发射端和接收端利用多 个空间分散的天线进行信号的发射和接收，从而在多径环境下获得空间分集， 可以在不增加系统带宽的情况下极大地提高系统容量。m i m o o f d m 技术， 融合了m i m o 和o f d m 技术二者的优点，已被认为是第四代移动通信最有 可能的技术方案，并已开始被标准化组织所采用。 本论文对m i m o o f d m 关键技术进行研究，重点研究其编码技术。论 文首先对o f d m 基本原理进行阐述，介绍胤0 一o f d m 系统的基本原理和 m i m o - o f d m 系统关键技术及其研究现状。重点对m i m o o f d m 编码技术 进行研究，包括空时编码和空频编码各自的实现方法和优缺点分析。和 s i s o o f d m 系统一样，m i m o o f d m 系统同样对载波频率偏移非常敏感， 会破坏其各子载波间正交性，引入载波问干扰i c i ，严重降低系统性能。因 此，本文对m i m o o f d m 系统的i c i 自消除空频编码技术进行了深入的研究。 仿真结果表明，m i m o o f d m 系统对频率偏移极其敏感，当频率偏移比较大 时，会产生错误地板。而通过采用i c i 自消除空频编码，系统性能也会随着 频率偏移的增大而降低，但不会出现错误地板；且该编码方式实现起来比较 简单，因此具有重要的应用和研究价值。 关键词：多输入多输出；正交频分复用；空时编码；空频编码；i c i 自消除 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f t t t t t r ew i d e b a n dw i r e l e s se o m m u n i c a t i o ma r cs u p p o s e dt op r o v i d ed a t ar a t e o f o v e r1 0 0 m b p st os a t i s f ya u d i oa n dv a r i o u sm u l t i m e d i as e r v i c e s t oa c h i e v et h i s g o a l ，t h e r ea r ct w om a i nc h a l l e n g e s ，i e ，m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e la n db a n d w i d t h e f f i c i e n c y o f d mt e c h n o l o g yi sa b l et oc o n v e r tt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a , i i n g c h a n n e li n t op a r a l l e lf l a tf a d i n gs u b - c h a n n e l sb ys e r i a lt op a r a l l e lc o n v e r s i o n , w h i c hc a ne l i m i n a t et h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n ds i g n i f i c a n t l ys i m p l i f yt h e e q u a l i z e r sc o m p l e x i t ya tt h er e c e i v e r h e n c e ，o f d mh a sb e c o m ea n o t h e rk e y w i r e l e s sa t , c l a s st e c h n o l o g ya i d e rc d m a m i m oi sa l le m e r g i n gt e c h n o l o g yu s i n g m u l t i p l ea l l t e n n 船a tb o t hl x a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r i tt a k e sa d v a n t a g e so fs p a c e d i v e r s i t yb ys p a t i a l l ys e p a r a t e da n t e r m 嬲i nam u t t i p a t he n v i r o n m e n tt ob o o s tt h e s y s t e mc a p a c i t y m i m o - o f d m ，w i t hc o m b i n e da d v a n t a g e so fm i m oa n d o f d mt e c h n o l o g y , i sr e g a r d e da sam o s tp r o m i s i n gw i r e l e s sa c c e s ss c h e m ef o r t h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n dh a sb e e na d o p t e db ys o m e s t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n s t h i st h e s i sd o e se x t e n s i v es t u d i e s o n k e yt e c h n i q u e sc o n c e r n i n g m i m o o f d ms y s t e m sa n dm a i n l yf o e t t s e so i li t sc o d i n gt e c h n i q u e s f i r s t l y , t l a e f u n d a m e n t a l so fo f d mt e c h n o l o g ya l ei n l r o d u e e d ，a n dt h ek e yt e c h n i q u e s c o n c e r n i n gm i m o - o f d ms y s t e m sa r ep r e s e n t e d 嬲w e l l 勰t h e i rr e s e a r c hs t a t u s c o d i n gt e c h n i q u e so f m o - o f d ms y s t e m s f l t r es t u d i e di nd e t a i l i n c l u d i n gt h e s p a c e t i m ec o d i n ga n ds p a c e f r e q u e n c yc o d i n g a sw e l la st h e i ri m p l e m e n t m e t h o d s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e s a m ea ss i s o o f d ms y s t e m s ， m i m o o f d ms y s t e m sa r ev e r ys e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e ta sw e l l i tb r e a k s t h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e ns u b - c a r r i e r sa n di n d u c e st h ei n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ， w h i c hd e g r a d e st h es y s t e mp e r f o r m a n c eg r e a t l y t os o l v et h i sp r o b l e m ，i nt h i s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h e s i s d e e ps t u d i e sa l ep e r f o r m e d0 1 1t h ei c is e l f - c a n c e l l a t i o ns p a c e - f r e q u e n c y c o d i n gt os u p p r e s st h ei c ii n d u c e db y 丘e q u e n c yo f f s e t s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ， 皿一o f d ms y s t e m sa r ev e r ys e n s i t i v et o 丘e q u e n c yo f f s e t , a n da ne r r o rf l o o r o c c t l r s w h e na d o p t i n gt h ei c is e l f - c a n c e l l a t i o ns p a c e - f r e q u e n c yc o d i n g s y s t e m p e r f o r m a n c ei sa l s od e g r a d e d 鹊t h ef r e q u e n c yo f f s e ti n c r e a s e s b u tt h ee r r o rf l o o r i se l i m i n a t e d t l l i sc o d i n gs c h e m eh a sv e r ys m a l li m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y , a n d h e n c eh a sv e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hv a l u e s k e yw o r d s ：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 ；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 ；s p a c e - t i m ec o d i n g ；s p a c e f r e q u e n c yc o d i n g ；i c i s e l f - c a n c c l l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，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。 日期：砷年弓月。日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落和带 宽效率。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若干个平坦 衰落子信道，从而大大降低了接收端均衡器的复杂度。而m i m o 技术由于能 够在空闻中产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，从而有效地提高了 系统的数据传输速率，极大提高了系统的频谱效率。因此，将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，一是可以实现很高的传输速率，二是可以通过分集实现很 强的可靠性，充分利用时间、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 技术已成为未来宽带无线通信的 发展趋势。 1 1m 【m o 概述 m i m o ，就是在无线信道中利用多个天线收发来抑制信道的衰落。对于 无线信道而言，多径衰落是一个先天的缺陷，会引起码间干扰，从而大大降 低系统的性能，然而对于m i m o 系统而言，多径却可以作为一个有利因素加 以利用。m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通 道，从而改善每个用户得到的服务质量( 误比特率或数据速率) 。 m i m o 用于通信系统的概念早在2 0 世纪7 0 年代就有人提出，但是对其应 用产生巨大推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年代由a t t ( a m e r i c a nt e l e p h o n e & t e l e g r a p hc o m p a n y ，美国电话电报公司) b e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年 t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量。1 9 9 6 年f o s h i n i “1 给出了一种 m i m o 处理算法，i l p d b l a s t ( d i a g o n a l - b l a s t ，对角b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 等”1 讨论了用于m i m o 的空时码；1 9 9 8 年w o l i n a n s k y 等采用 v b l a s t ( v e r t i c a l b l a s t ，垂直b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统， 在室内试验中达到- f 2 0 b p s i - i z d a _ k 的频谱利用率，这在普通系统中是极难实 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现的。这些工作引起了各国学者的极大注意，并使得m i m o 的研究得到了迅 速发展。 空时编码是m i m o 的基本问题，相关文献中已提出了不少m i m o 及其空 时编码算法四。空时编码技术己被许多无线通信标准所采纳，但是为了在第 四代( 4 g ) 等新一代宽带无线通信系统中得到更为广泛的实际应用，还有大 量工作要做。i e e e8 0 2 1 6 3 宽带固定无线接入标准的物理层把空时码作为内 码，r s 码作为外码；欧洲w i n d - f l e x 项目正在研究空时处理用于室内“ 1 0 0 m b i t s 的无线自适应m o d e m ；数据速率2 0 m b i t s ，带宽效率提高2 0 的空 时码是4 g 的重要技术之一”。目前人们仍在不断地提出新的或改进的空时编 码方法，以进一步改善m i m o 性能，减少空时编码系统复杂性，更好地满足 新一代宽带无线通信系统的要求和信道的实际情况。 h o c h w a l d 等”提出了一种针对分段恒定衰落信道的新的信号调制方法， 即单式空时调制( u n i t a r ys p a c e - t i m em o d u l a t i o n ) 。这种方法可以在不估计 信道传输矩阵的条件下实现m i m o 处理。随后，他们又将该方法推广到连续 衰落信道情况，提出了微分单式空时码；b a u c h 等”3 提出了将t u r b o 码与短空 时分组码串接，l i u 等“”基于秩理论提出了全分集和全速率空时t u r b o 码；c u i 等1 研究了并行级联t u r b o 空时码；s a l l a t h u r a i 等“2 1 针对v b l a s t 的问题， 提出采用软对消方式实现检测的t u r b o 编码与b l a s t 结构结合的m i m o 处理 方案。为了在新一代系统中实际应用m i m o 技术，还必须结合具体通信体制 ( 多址方式、双工方式、调制方式、常规信道编码方式、多用户检测方式、 波束形成方式等) 进行性能研究和系统设计。近年来，已有一批有关的研究 结果发表。a g r a w a l 等”提出了一种o f d m 与空时码结合的m i m o 方案； g o e c k e l 等1 提出了用于o f d m 的多维信号集；w a n g 等1 研究了在相关衰落 信道情况的o f d m 空时码系统。空时码与信道编码等处理的结合也是空时码 研究的重要方向。l i u 和h a n z o 在文献 1 6 中对空时码与信道码的级联做了 很好的综述。 m i m o 实验系统研究是极为重要的内容。各大公司均在研制其实验系统。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b e l l 实验室的b l a s t 系统“是最早研制的m i m o 实验系统。该系统工作频率 为1 9 g h z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用d b l a s t 算法。在室内实验时， 发射分支长为1 0 0 符号，其中2 0 符号用于训练，符号率为2 4 3 k s y m b o f s 。8 个 发射子流均用未编码的1 6 q a m ，达到t 2 5 9 b p s h z 的频谱效率。但该系统仅 对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3 g 、4 g 中的应用尚有相当大的距 离。 1 2o f d m 概述 o f d m 的英文全称为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 ，该技术 主要思想是：将信道分成若干正交子信道，从而将高速数据信号流转换成并 行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。尽管总的信道是非平 坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进 行的是窄带传输，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅 仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易”。 关于o f d m 技术的提出最早出现于1 9 6 6 年”，文章中作者提出了一种在 限定带宽的情况下，可以利用多载波进行同时传输更多的数据而不会产生码 间干扰和符号闻干扰的方法。随后，有人通过正交幅度调制的方法验证了上 述理论的可行性o ”，但是进行实验时所使用的系统实现起来是相当复杂的， 不利于实际应用。1 9 7 1 年s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 把离散傅立叶变 换( d f t ) 应用到并行传输系统中，作为调制和解调的一部分，这样不需要 带通滤波器，而直接进行基带处理就可以实现频分复用。1 9 8 0 年a p 和a r u i z 在论文中提出1 ，把循环前缀引入o f d m 技术解决正交性问题。但在实际应 用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及 射频功率放大器的线性要求等因素，都成为o f d m 技术实现的制约条件。直 到最近随着d s p 芯片技术的发展、傅立叶变换反变换、高速m o d e m 采用的 “1 2 8 2 5 6 q a m 技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、 插入保护时段、减小均衡计算量等成熟技术的逐步引入，解决了高速运算和 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数据大量储存的问题，才使o f d m 技术更容易实现。 2 0 世纪6 0 年代，o f d m 技术就已经被应用到多种高频军事系统中，其中 包括k 1 n e p l e x ，a n - d e f t ，k n 唧y n 。目前，0 f d m 技术已被广泛应用 到数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、非对称数字用户线技术 ( a d s l ) 等通信系统中，并己成为第四代移动通信的核心技术。 1 3m i m o o f d m 概述 m i m o 和o f d m 技术相结合的系统由d a g r a w a l 等人在文献 2 2 】中首次 提出。后来b e nl u 等人做了进一步的探讨1 。文献【2 2 】和【2 3 】的研究主要集 中在空时格状码( s t r c ) 与o f d m 相结合方面的研究。然而，由于其译码 过于复杂，限制了其在实际中的应用。国内m i m o - o f d m 技术的研究处于 起步阶段，北京邮电大学蜊、西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实 验室嗍明、东南大学移动通信国家重点实验室删等都在对这一技术进行追踪 研究。 美国a g e r e 系统公司目前成功开发了最高传输速度为1 6 2 m b i f f s 的无线 局域网技术，这种技术是在收发两端使用阵列天线的m i m o o f d m 技术， 使用3 对收发天线，每对收发天线可以实现5 4 m b i t s ，表现了其强大的应用 潜力。i e e e8 0 2 1 l a 、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 系列则是以m i m o o f d m 技术为核心。世界各国和各大电信厂商目前都已 经开展了新一代移动通信系统的研究，而且由于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的巨大潜力，使得这两种技术特别是二者的结合 有望成为过渡到4 ( 3 的潜在技术。因此这两种技术已经成为目前4 ( 3 研究的热 点。 1 4 论文研究的目的及章节安排 未来无线通信要求提供高达l o o m b s 甚至更高的数据传输速率，以满足 从语音到各种多媒体业务的需求。未来无线通信的另一个特点是低成本，在 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有限的频谱资源上实现高速率和大容量，因此需要极高的频谱效率。m i m o 技术可以充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不增加频谱资 源和天线发送功率的情况下，成倍地提高信道容量。o f d m 技术是多载波传 输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，且具有极强 的抗多径和码间干扰能力。二者的结合，即m i m o o f d m 技术已被认为是 未来宽带无线通信最有可能的技术方案，并已开始被标准化组织所采用。本 课题将对m i m o o f d m 关键技术进行研究，并重点研究其编码技术，特别 是i c i 自消除空频编码技术，为m i m o o f d m 技术尽快在实际中的应用奠定 基础。 论文分为4 章，结构安排如下： 第1 章简要介绍m i m o 和o f d m 的发展背景，以及目前m i m o - o f d m 的国内外发展研究现状； 第2 章详细介绍o f d m 系统的基本模型，实现方法以及循环前缀和保护 间隔的使用，分析o f d m 系统的优缺点，并介绍o f d m 系统的关键技术； 第3 章给出m i m o o f d m 的基本理论，详细介绍其关键技术： 第4 章对m i m o o f d m 编码技术进行研究，分别研究空时编码和空频 编码技术，并重点对i c i 自消除空频编码技术进行研究。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章o f d m 系统的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 通过把高速的数据流经过串并转换，分配到传 输速率相对较低的若干个子信道中并行传输，使每个数据符号周期相对增加， 从而将频率选择性衰落信道转变为并行的平坦衰落子信道，降低了由于无线 信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，消除了码间干 扰i s i 。同时，通过符号间保护间隔和循环前缀的插入，进一步消除其载波间 干扰i c i 。本章将对o f d m 系统的基本原理、优缺点及关键技术进行阐述。 2 1o f d m 系统的基本原理 2 1 1o f d m 的基本模型 一个o f d m 符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子 载波都可以采用相移键控( p s k ) 或者正交幅度调$ i j ( q a m ) 的符号映射方法。如 果n 表示子信道的个数，r 表示0 f d m 符号的宽度，z ( f = 0 , l 2 n 一1 ) 是 分配给每个子信道的数据符号，正是第0 个子载波的载波频率，r e c k ) = 1 ， i fi r 2 ，则从t = t s 开始的o f d m 符号可以表示为： 妫：乒e 馨硎璐坤比毋一) ) 一t , a t t + t 协。， 【相= o， n 在多数文献中，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，如式 ( 2 - 2 ) 所示： 荆：偿n - i 面删( h ，一三 e 文胁亍i 川 鲻肿。2 彩 ls ( f ) = 0，t t + 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分 别与相应子载波的c o s 分量和s i l l 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o f d m 符号。图2 1 中给出了o f d m 系统的基本模型，其中z = 正+ 矿r 。 旦园 画史脚s o ) 广 s p_ + 圆- + 一信道b 1 一 巩+ p m 4 _ + 酽 弘 p f s 降 图2 1o f d m 系统的基本模型 图2 2o f d m 符号内包括4 个子载波的情况 图2 2 中给出了1 个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例，其中所有的 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，每个子载波的幅值和相位都可能是不同的。可以看到，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，而且各个相邻子载波之间相差一 个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： ；r 唧( ，峨，) 御( _ 柳) d t = ：i ：( 2 - ，) 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 匆刮1 。t , ”e x 扣争崛i d 伽扣归。2 4 ， = 亍1 轳n - i r t j7 d 叩万孚，垆= 乃 图2 3o f o m 系统中子信道符号的频谱( 经过矩形脉冲成型) 这种现象可以参见图2 3 ，图中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形脉 冲成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每一个子载波频率的最大值处所有其 它子信道的频谱值恰好为零。由于在对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一个子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其它子信道的干 扰。 从图2 3 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即 多个子信道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中。因此这种一个 子信道频谱的最大值对应于其它子信道频谱的零点可以避免子信道间干扰 ( i c i ) 的出现。 2 1 2d f l d f t 实现 为了叙述的简洁，令式( 2 - 2 ) 中的f ，= 0 ，并且忽略矩形函数，对信号 s ( f ) 以叫n 的速率进行抽样，a o 令t = k r n 传= o ，1 一1 ) ，可以得到： 铲( k r ，) = 窆z ，警) ( o 妣n z , 2 1 7 1 kng=0 1 ) 亿s ) = j ) = z 叫j 百i ( o i 一1 ) ( 2 5 ) 可以看出屯恰好等效为对吐进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复 出原始的数据符号西，可以对接收到的 进行逆变换，即d f t ，即可恢复出 传输数据符号西，如下所示： 4 = 叁唧( 一，警) n - 1 ) 协6 ， 从以上分析可知，o f d m 系统中，数据符号到子载波的调制和解调可以 分别通过i d f t 和d f t 来实现。通过点的i d f t 运算，把频域数据符号z 变换为时域数据符号以，经过射频载波调制之后发送到无线信道中。其中 每个i d f t 输出的数据符号吼都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即 对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。 在o f d m 系统的实际运用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 ( i f f l 垤f t ) 来实现。点i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法( 为了方便， 只比较复数乘法的运算量) ，而1 f f t 则可以显著降低运算的复杂度。对于常 用的基一2i f f t 算法来说，其复数乘法次数仅为n l o g ：( n 2 ) ，并且随着子载 波个数的增加，这两种方法复杂度之间的差距也越明显。对于子载波数非 常大的0 f d m 系统来说，可以进一步采用基- 4 的i f f t 算法来实现傅立叶变 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 换。 2 1 3 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 的一个最主要原因就在于它可以有效地对抗多径时延扩展。 通过将输入数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个用于调制子载 波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周 期的数值比也同样降低倍，从而将频率选择性衰落信道转化为频率非选择 性衰落信道。为了完全消除符号间干扰，还需要在每个o f d m 符号之间插入 保护间隔( c , u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中 的最大多径时延，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在这段保护间隔内可以不插任何信号，即是一段空白的传输时段。然而在这 种情况下，由于多径传播的影响，会破坏各子载波之间的正交性，产生载波 间干扰( i c i ) ，如图2 4 所示。 零孳戮八八 v 一-l 保护问隔f 啊j 分时问长度 图2 4 多径情况下空闲保护闻隔在子载波闻造成的干扰 由于每个o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出 现该o f d m 符号的时延信号，因此图2 4 给出了第一子载波和第二子载波的 时延信号。从图中可以看到，由于在f f t 运算时间长度内，第一子载波和带 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对 第一子载波进行解调时，第二子载波会对第一子载波造成干扰。同样，当接 收机对第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。 为了消除由于多径所引入的i c i ，可以在o f d m 符号保护间隔内填入循 环前缀信号，如图2 5 所示。这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的 延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，延时小于保护间隔琵 的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 o ；手礴o f d i 符号长度 图2 5 加入循环前缀的o f d m 符号 o f d m 系统加入保护间隔后，会带来功率和信息速率的损失，其中功率 损失定义为： 个 v 删= 1 0 l 0 9 1 0 ( 亭- + 1 ) ( 2 7 ) 1 w 其中”删为功率损失，r o 为保护间隔时长，骗为o f d m 符号周期长度。 从上式可以看到，当保护间隔占到2 0 时，功率损失不到l d b ，虽然信息速 率损失达2 0 ，却可以消除i s i 和多径所造成的i c i 的影响，因此这个代价 是值得的。加入保护间隔和循环前缀之后基于i d f t ( i f f t ) 的o f d m 系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 框图可以如图2 6 所示。 图2 6 加入保护间隔利用i d f t d f t 实施的o f d m 系统框图 2 2o f d m 系统的技术特点 2 2 1 o f d m 系统的优点 与其它通信系统相比，o f d m 通信系统具有许多不可比拟的优势，主要 表现在： 1 通过串并转换将频率选择性衰落信道转换为并行的频率非选择性衰 落子信道，且保护间隔和循环前缀的引入不仅消除了i s i ，而且克服了子载波 问干扰，降低了接收端均衡器的复杂度； 2 允许子信道的频谱相互重叠，因此频带利用率是常规的频分复用系统 的2 倍，如图2 7 所示： 3 可以通过i d f t 和d f t 实现数据符号到各子载波的调制、解调，从而 可以采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现，大大降低了系统实现复杂度； 传统的频分复用( f 孤) 多袭坡调制技术 正交频分复用( o f t ) i ) 多载蔹调制技术 图2 7o f d m 与f d m 带宽利用率的比较 4 易于与其它多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，如多载波码 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： 5 因为窄带干扰只能影响- 4 , 部分的子载波，因此o f d m 系统具有一 定的抗窄带干扰能力。 2 2 20 f d m 系统的缺点 由于o f d m 系统是多个正交的子载波并行传输，其输出信号是多个子信 道信号的叠加，与单载波系统相比，存在如下缺点： 1 易受频率偏移的影响 由于各子信道间严格正交，任何频率偏移都会破坏其正交性，引入载波 间干扰i c i ，从而产生误码率性能的地板效应。这就对系统的同步提出了极 高的要求，要求其发送端和接收端载波严格同步。同时，信道的时变性引入 的多普勒频移也会破坏o f d m 系统正交性，所以需要采取一定的措施，消除 多普勒频移的影响。 2 较高的峰值平均功率比 多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位 一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出现较大的峰值平均功率比( p a r r ：p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对 发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，可能带来信号畸变，使信号的 频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生子载波间干 扰，严重影响系统性能。 2 3o f d m 系统的关键技术 在过去的2 0 年，o f d m 技术的相关研究取得了很大的进展，并在许多 通信标准中得到了广泛的应用。但是，未来的无线通信系统的载波频率更高， 通信容量更大，终端的移动速度也更快，对o f d m 技术提出了更高的要求。 目前o f d m 系统关键技术的研究主要集中在以下几个方面： 1 时域和频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移非常敏感，特别是在实际应用中与 f d m a 、t d m a 和c d m a 等多址方式结合时，时域和频域同步显得尤为重 要。与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路 中，基站向各个移动终端以广播方式发送同步信号，所以，下行链路同步相 对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达 基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带 信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动 终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频 域同时进行同步。 2 信道估计 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题。一是导频信息的 选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频 信息也必须不断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的 信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常 又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。 3 信道编码和交织 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了提高数字通信系统性能，通常需要采用一定的信道编码方式和信道 交织。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。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，迸 一步改善整个系统的性能。 4 降低峰均功率比 由于o f d m 信号时域上表现为个正交子载波信号的叠加，当这个 信号恰好均以峰值相加时，o f d m 信号将产生最大峰值，该峰值功率通常是 平均功率的倍。为了不失真地传输这些高峰均功率比的o f d m 信号，发 送端对高功率放大器( 耻a ) 的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对 前端放大器以及a d 变换器的线性度要求也很高，往往实现起来比较困难， 容易引入非线性处理，从而破坏各子载波间的正交性。 5 均衡 在一般的衰落环境下，o f d m 系统中均衡不是有效改善系统性能的方 法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而o f d m 技术本身已 经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，o f d m 系统就不必再做 均衡。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀c p ( c y c l i c p r e f i x ) 的长度必须很长，才能够使i s i 尽量不出现。但是，c p 长度过长必然导致能 量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器 以使c p 的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的 提高。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先论述了o f d m 的基本原理，其中包括o f d m 的基本模型、d f t 实现以及保护问隔和循环前缀的优点，接下来根据o f d m 技术的原理对其优 缺点进行了分析，最后对o f d m 技术中的关键技术进行了介绍。通过本章的 介绍，对o f d m 系统有了一个整体上的把握，为下一步的深入研究提供了理 论基础。 1 6 哈尔滨翠人学硕十学付论文 第3 章m i m o 。o f d m 基本原理 未来无线移动通信系统要求物理层技术能根据通信环境和业务q o s 等 要求自适应的提供更高的频谱效率和功率效率。o f d m 具有较高的带宽效率 和抗多径干扰能力。m i m o 技术可以在不增加宝贵的频率带宽的基础上，通 过在发射端和接收端增加天线数目，提供空间分集或者复用，进而提升系统 的吞吐量。二者相结合的m i m o 0 f d m 是未来宽带无线通信的核心技术， 具有广阔的应用前景和重要的研究意义。本章将首先介绍m i m o 0 f d m 的 基本理论和相关概念，然后对m i m o o f d m 中的关键技术进行详细分析。 3 1m i m o o f d m 基本原理 3 1 1m i m o 基本原理 m i m o ，就是在无线信道中通过多个天线收发来抑制信道的衰落。对于 无线信道而言，多径衰落是一个先天的缺陷，它会引起码间干扰，从而大大 降低系统性能，然而对于m i m o 系统而言，多径却可以作为一个有利因素加 以利用，通过在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，改 善每个用户得到的服务质量( 误比特率或数据速率) 。 空时， 空频 编码 q f 削 c 幻 天 线 阵 空时， _ _ _ _ - _ - 空频 1 信 解码 i 宿 l 一 图3 1m i m o 系统原理图 图3 1 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s 伍) 经过空时编码形成 个信息子流c ， ) ，f 1 ，n 。这个子流经由n 个天线发射出去，经空 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 间信道后由m 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码分开并解 码这些数据子流，从而实现最佳处理。这个子流同时发送到信道，各发射 信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独 立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独 立地传输信息，从而提高数据传输速率。 m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现 高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干 扰对消处理。当信道为独立的瑞利衰落信道，并设、膨很大，则信道容量 可近似表示为： c = m m ( m ，n ) a l o g ： ( 3 - 1 ) 厶 其中，b 为信道带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，的较小 者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量随最小天线数 的增加而线性增加。 3 1 - 2m i m o - o f d m 系统 从上节和第2 章的分析可知，m i m o 和o f d m 在各自的应用领域有各自的 优点，m i m o 系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，m i m o 仍是无 能为力，现在一般采用均衡技术来解决m i m o 系统中的频率选择性衰落。 o f d m 技术虽然具有较强的抗频率选择性衰落能力，被认为是下一代移动通 信的核心技术，但4 g 还需要高频谱利用率的技术，而o f d m 提高频谱利用率 的能力有限。如果结合m i m o 技术，则可以在不增加系统带宽的情况下提高 频谱效率，还可以通过分集达到很强的可靠性。此外，o f d m 由于码率低和 加入了保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力，当多径时延小于保护间隔时 系统将不受码间干扰的影响，从而使m i m o o f d m 系统具有很强的抗多径能 力。 m i m o o f d m 系统框图如图3 2 所示： 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 发射端 信源的比特流经前向纠错编码交织后映射到数字解调器的星座图上，再 串行进入一个空时编码器进行编码；经过空时编码之后的信息流变成m 路并 行的低速数据流