（通信与信息系统专业论文）ofdm系统信道估计和均衡技术研究及其在ieee80216e中的应用.pdf

摘要 摘要 i e e e8 0 2 1 6 e 是i e e e8 0 2 1 6 协议族中重要的一次演进，在之前协议的基础上加入了 对移动宽带无线接入的支持，是当今讨论的热点技术。对无线通信系统，信道估计与均 衡技术具有相当的重要性，尤其对于应用于未来更高速环境下的无线通信技术，更需要 快速而稳健的信道估计以及均衡技术。针对这一问题，本文在i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 系 统下研究了针对下行链路信道估计的方法，并特别针对快变信道的环境，研究了多种均 衡算法。 本文首先介绍了o f d m 系统基本原理，然后介绍了无线信道模型及其实现，随后 介绍了i e e e8 0 2 1 6 e 系统以及其o f d m a 模式，并介绍了o f d m a 帧格式，以及整个 发送过程。在介绍一些经典信道估计算法之后，给出了基于i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 簇结 构的信道估计算法，并在实验信道上给出实际仿真比较结果。 对于快变信道，提出二种利用帧前导符号进行多径定位，结合数据符号进行时域信 道估计的算法，再利用时域中近似线性的特性，可以得到符号内所有采样时刻的时域信 道估计值；给出产生i c i 的数学分析，介绍不同均衡算法原理，主要包括频域中的m m s e 、 部分m m s e 以及干扰抵消算法，和时域中的m m s e 算法及l s q r 算法，以及算法的复 杂程度，给出一些简化方法：最后给出在v b l 2 0 信道下的仿真结果，作为比较。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 e ，o f d m a ，信道估计，快变信道，均衡算法 a b s t r a c t a b s t r a c t e e8 0 2 16 ei sa ni m p o r t a n te v o l u t i o ns t e pf o r 呢e8 0 2 16f a m i l y i ta d d st h es u p p o r to f t h ea c c e s st om o b i l eb 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 n , a n dt h e r e f o r eb e c o m e sah o tt o p i co f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s f o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，c h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n o l o g ya n de q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya r eh i g h l yi m p o r t a n t , e s p e c i a l l yf o rf n t u r es y s t e m s a p p l i e di nh i g h - s p e e de n v i r o n m e n t ，w h i c hn e e df a s t , r o b u s ta l g o r i t h m s t os o l v et h e s es o r t so f p r o b l e m s 。t h i sp a p e rm a k e ss o m er e s e a r c ho nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sf o ri e e e8 0 2 16 e d o w n l i n ks y s t e m , a n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h m s ，e s p e c i a l l yf o rh i g h - s p e e de n v i r o n m e n t f i r s t l y , w eg i v ea l li n t r o d u c t i o no f b a s i cp r i n c i p l e so fo f d ms y s t e m w ei n t r o d u c et h e m e8 0 2 1 6 es y s t e ma n di t so f d m am o d e a f t e rt h a tt h ef r a m es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi s i n t r o d u c e d , f o l l o w i n gw i t ht h ew h o l et r a n s m i t t i n gp r o c e d u r e s a f t e rs o m ec l a s s i cc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d ，an e wa l g o r i t h mb a s e do nt h ei e e e8 0 2 16 eo f d m a c l u s t e rs t r u c t u r ei sg i v e n , a l o n gw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s0 1 1at o s tc h a n n e l f o rh i g h l yv a r i a n tc h a n n e l ，f i r s t l yw ep r o p o s ea na l g o r i t h m , w h i c ht a k e st h ef r a m e p r e a m b l ei n t oc o n s i d e r a t i o n t l l i sa l g o r i t h mu s e sp r e a m b l et od e t e r m i n ep a t h sp o s i t i o n so ft h e c h a n n e l ，a n dt h e nf i g u r eo u tt h et i m e - d o m a i nc h a n n e lr e s p o n s ew i t ht h eh e l po f d a t as y m b o l s t a k i n gt h el i n e a r i t yp r o p e r t yo ff a s t l yv a r i n gc h a n n e li n t oc o n s i d e r a t i o n , w ec a ng e tc h a n n e l l o $ p o n sa ta l lt i m es a m p l i n gp o i n t sb vl i n e a ri n t e r p o l a t i o n s e c o n d l y , t h em a t h e m a t i ca n a l y s i so fi c ii si n t r o d u c e d ，a l o n gw i t hs e v e r a le q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gm m s e ，p a t i a lm m s e ，i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h m s ，e t e ，a l lo f w h i c ha r ei nf r e q u e n c yd o m a i n ；a n dm m s ea n dl s q ra l g o r i t h m si nt i m ed o m a i n a l s os o m e r e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o n sa r eg i v e nt ot h e s ea l g o r i t h m s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ni t u 1 2 0h i 曲s p e e dc h a n n e li sg i v e n k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 e ，o f d m a ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，t i m e - v a r i a n tc h a n n e l ，e q u a l i z a t i o n 学位论文独创性声明 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经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名童：! 室尘日期圭! 12 ：兰：兰z 关于学位论文使用授权的说h 月 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 第1 章绪论 第1 章绪论 过去的二十年里，无线通信技术的迅速发展给人们的生活和工作带来了极大的方便。 进入2 1 世纪之后，无线通信技术，尤其是移动通信技术，更呈现出前所未有的发展势 态。下一代移动无线通信系统的目标是实现无所不在的、高质量的、高速率的移动多媒 体传输。为了实现这一目标，各种新的技术正不断地被应用到移动通信系统中来。 1 1 论文研究背景 目前，移动通信技术正处于有史以来最快的发展时期。在短短的几十年内，移动通 信已经经历了几次更新换代，由最初的第一代( 1 g ) 模拟移动通信系统、第二代( 2 g ) 数字 移动通信系统发展到了目前正在商用化的第三代( 3 g ) 宽带数字移动通信系统。目前，未 来第三代以后的3 g ) 移动通信系统的研究工作也已经在世界范围内展开。 1 1 1 移动通信系统的演进 第一代移动通信系统采用模拟信号传输方式，以北美的a m p s 和欧洲t a c s 为代表， 所支持的业务仅限于话音业务。它有很多不足之处，如频带利用率不高、容量有限、制 式太多且互不兼容、保密性差、不能提供自动漫游等。这也促使人们开发出第二代移动 通信系统数字蜂窝移动通信系统。第二代移动通信系统实现了从模拟系统到数字系 统的转变，主要提供语音业务和低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的一些弱点， 频谱利用率、语音质量、保密性能得到很大的提高，并能提供比第一代系统更先进的漫 游服务。2 g 系统主要包括欧洲的g s m 和美国的i s 9 5 等。2 g 系统进一步演进，是以 g p r s 、e d g e 为代表的2 5 代( 2 5 g ) ，这些2 5 g 系统可以满足用户对数据业务的需求， 提供基于电路交换或分组交换的中等速率数据业务。目前，2 g 和2 5 g 系统是许多国家 正在投入商用的主要移动通信系统。 第二代移动通信系统虽然比第一代移动通信系统有了很多改进，但是还存在业务单 一、很难支持高速率的业务传输、无法进行全球漫游等缺点。于是第三代移动通信应运 而生，其目的是希望移动通信系统能具有更高的频谱利用率、更好的传输质量，实现全 球普及和全球无缝漫游，并能和固定网一样提供将话音、图像、数据等综合在一起的交 互式宽带多媒体业务，支持分组交换业务和非对称传输模式。国际电信联盟( i t u 9 于1 9 9 6 年底确定了i m t - 2 0 0 0 的基本框架，这是3 g 系统标准化的标志【l 】。最终确定的3 g 标准 有欧洲提出的基于g s m 的w c d m a 、北美提出的在i s 9 5 基础上进一步演进的 c d m a - 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。3 g 目前正处在大规模商用化的前期阶段。 全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务主体的快速转变，预示着手持移动终 1 东南大学硕士学位论文 端将逐步取代p c 成为人机接口的主要设备。而为高速业务和多媒体业务设计的3 g 系 统在通信的容量与质量等方面仍不能满足要求，世界各国在推动3 g 系统产业化的同时， 目前已把研究重点转入“三代后 0 3 3 g ) 移动通信系统的先期研究，目的是在概念和技 术上寻求创新和突破，使移动通信系统的容量和速率有数十倍甚至数百倍的提高【2 h 4 】。 b 3 g 系统面临的挑战之一便是需要支持高速分组数据传输的要求。为了达到数据速 率为数十兆b p s 甚至数百兆b p s 的全i p 高速分组数据传输的目的，b 3 g 系统需要的频 带宽度相当宽，因此宽带传输也是b 3 g 系统的主要特点 3 】。相对于传统的单载波t d m a 和c d m a 技术，多载波并行传输技术的抗衰落能力强、对窄带干扰和窄带噪声不敏感、 带宽扩展灵活和支持可变用户速率等一系列优点使其非常适合应用于宽带无线通信系 统中，这就是以o f d m 为代表的多载波并行传输技术在沉寂数年之后于近期迅速发展 普及的原因【5 】- 【1 1 】。 1 1 2o f d m 技术的发展与应用 多载波技术的研究和使用可以追溯到上个世纪中期。那时，许多低速率信号，例如 电报信号，是使用不同的载波频率在同一个宽带信道中并行传输【1 2 】。在传统的多载波 系统中，数据频带被划分成多个互不交迭的子带，数据在不同的子带上并行传输，接收 端利用带通滤波器实现子带信号的分离。由于具有陡峭截止频率的带通滤波器难以实 现，子带之间通常要留有一定的保护频带，子带数日越多，保护频带占整个信号带宽的 比例越大，频谱效率就越低，因而限制了传统多载波技术的发展，促使人们去寻求提高 频谱利用率的高效多载波传输技术。 6 0 年代中期，rwc h a n g 提出了一种可以完全消除载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰 ( i s 0 的正交信号多载波传输方案【6 】，随后b r s a l t z b e r g 对该方案的性能进行了分析， 得出“子载波之间的i c i 是多载波系统性能下降的主要原因”的结论，并以此为依据对 c h a n g 的方案予以肯定【1 3 】。c h a n g 的方案仅为o f d m 的雏形，多载波o f d m 技术真正 的普及和推广要归功于s b w e i n s t e i n 等人1 9 7 1 年发表的题为“d a t at r a n s m i s s i o nb y f 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 gu s i n gt h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ”的文章【1 0 】。该文章提 出使用离散傅立叶变换( d f t ) 来完成多载波基带的调制和解调，这样就可以用一个模 拟前端来代替传统方法中各子载波分别需要的多个模拟前端，并且d f t 可用快速傅立 叶变换来实现，大大减小了系统实现的复杂度。伴随着超大规模集成电路( v l s d 技术的 发展，o f d m 技术于8 0 年代初期迎来了它的第一个发展高峰1 1 4 1 1 5 。 近年来，由于o f d m 技术可以较好地解决高速无线移动通信中的多径干扰和宽带传 输等问题，其应用日益广泛。在数字广播系统中，它已经分别被欧洲的数字音频广播 ( d a b ) 系统和地面数字视频广播( d v b - t ) 系统的标准 1 6 】【1 6 】所采纳；在有线通信系统 中，它分别被应用于v h d s l 和a d s l 系统中，并被冠名为离散多音频( d m t ) 调制；同 时，i e e e 推出的融合了固定接入和移动接入的最新无线城域网( w i r c l e s s m a n ) 标准 2 第1 章绪论 i e e e 8 0 2 1 6 0 1 s q 了，也将o f d m 作为最主要的物理层调制技术，而符合i e e e 8 0 2 1 6 标 准的系统也被称为w i m a x 系统。概括起来说，o f d m 技术之所以得到人们的广泛关注， 其原因在于有以下几个主要优点： 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， 从而有效地减少由于无线信道的时间弥散带来的符号间干扰( i s d ，减小了接收机内均衡 的复杂度，而通过加入长于信道多径时延的循环前缀( c p ) 可以消除i s i 的不利影响。 由于o f d m 系统各个子载波之间保持正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常 规f d m a 系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源【1 9 】。 各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅里叶反变换( d f t ) 和离散傅里 叶变换( d f t ) 来实现。对于子载波数较多的系统，可以采用快速傅里叶反变换( i f f t ) 和傅 里叶变换( f f t ) 来实现，这在d s p 中是非常方便的。 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的 数据传输量，o f d m 系统支持非对称高速速率数据传输，可以通过使用不同的数据子信 道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 o f d m 系统把实际信道划分成若干个子信道，能够根据各个子信道的实际传输情况 灵活的分配信息比特，充分利用信噪比较高的子信道，对抗信道的深衰落。 o f d m 系统可以和其它多种接入方式相结合，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 等等，使得多用户可以同时利用 o f d m 技术进行信息传输。 但是由于o f d m 系统采用多个正交子载波传输，而且其输出信号是多个信道信号的 叠加，因此与单载波系统相比，o f d m 系统也存在如下几个主要缺陷z 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们的正交性提出了严 格的要求。由于无线信道的时变性在传输中出现的无线信号频谱偏移和发射机与接收 机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏， 导致子载波间干扰( i c t ) ，这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比( p a p v ) 。多载波输出是多个子信道的叠加，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 致较大的峰均比。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信 号的畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子载波间的正交性遭到破坏，产生干 扰使性能恶化。 因此，o f d m 技术在无线通信系统中的实现还面临着许多实际的技术问题。众所周 知，无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变特性和多径传播引起的。未来无 线通信系统工作的射频频段比现有系统有所提高，并且系统的工作条件和信号传播环境 更趋复杂多样，这就导致信号将经受更为严重的时间频率选择性衰落。另外，为了进一 步提高系统的频谱效率，o f d m 系统需要采用幅度非恒定的调制方式如 _ t 6 q a m 。这 3 东南大学硕士学位论文 样，接收机需要信道状态信息( c s d 才能进行相干解调。 即使对于q p s k 这样的恒幅调制方式，利用信道状态信息进行相干解调也比不利用 信道状态信息的差分解调可提高系统性能3 - 4 d b 2 0 。因此对o f d m 无线通信系统信道 估计技术的研究就显得特别重要。 1 2 本文的研究内容 本论文的研究工作以o f d m 为中心，主要研究了o f d m 系统的信道估计及均衡技 术，并应用到最新的无线城域网i e e e 8 0 2 1 6 eo f d m a 系统中。 文章的结构安排如下： 第二章介绍了o f d m 系统的组成和基本原理，对o f d m 的信号特征、利用i d f t 、 d f t 实现o f d m 的调制解调的原理等进行了介绍和分析，给出了o f d m 系统的基带系 统模型；同时介绍了i e e e 8 0 2 1 6 e 系统及其中的关键技术，重点介绍了其o f d m a 模式 及其帧结构，并结合物理层协议介绍了o f d m a 的发送流程。 第三章介绍了无线信道的特性及分类，介绍了常见的无线信道统计模型，包括 r a y l e i g h 模型、r i c e 模型、n a k a g a m i - m 模型，介绍了j a k e s 仿真模型的实现方法，最后 给出了i e e e 8 0 2 1 6 e 系统采用的参考模型。 第四章介绍了适用于传统慢变信道下的经典信道估计算法，并给出了一种基于 8 0 2 1 6 e 系统o f d m a 模式簇结构的信道估计算法，给出了仿真结果，表明该算法具有 较好应用前景。 第五章针对快变环境，给出了一种结合系统前导符号( p r e a m b l e ) 的时域信道估计算 法，该算法考虑了系统虚子载波造成的影响，利用干扰抵消的思想，具有较高的精度， 同时分别介绍了一些适用于快变信道的时域和频域的均衡算法，最后给出仿真比较结 果。 第六章是全文总结，并对进一步工作给出建议。 参考文献 【1 】p c h a u d h u r y ，w m o h r ，a n ds o n o e ，“1 k3 g p pp r o p o s a lf o ri m t _ 2 0 0 0 ，”m e e c o m m m a g ，v o l ：3 7 ，n o 1 2 ，p p ：7 2 _ 8 l ，d e c 1 9 9 9 【2 】y u ，g c h e r t ，m c h e n , a n dx g a o ， t o w a r db e y o n d3 g ：t h ef u n 珏l ep r o j e c ti n c h i n a ，”观c o m m m a g ，v 0 1 1 ，p p ：7 0 - 7 5 ，j a n 2 0 0 5 【3 】s o h m o r i ，y y a m a o ，n n a k a j i m a ，“1 1 l ef u t u r eg e n e r a t i o n so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s b a s e do nb r o a d b a n da o c e s 8t e c h n o l o g i e s ，”m e ec o m m m a g ，v o l ：3 8 ，n o 1 2 ，p p ： 1 3 4 _ 1 4 2 。d e c 2 0 0 0 4 第l 章绪论 【4 】y k i m ，b j j e o n g ，j c h u n g ，c s h w a n g ，j s r y u ，k h k i ma n dy i ck i m , “b e y o n d3 g ：v i s i o n ，r e q u i r e m e n t s ，a n de n a b l i n gt e c h n o l o g i e s ，m e ec o m m m a g ，v o l ： 4 1 ，n o 3 ，p p ：1 2 0 - 1 2 4 ，m a r 2 0 0 3 【5 】j a c b i n g h a m , “m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nf o rd a t at r a n s m i s s i o n ：a ni d e aw h o s et i m e h a sc o m e ， i e e ec o m m m a g ，v 0 1 2 8 ，n o 5 ，p p ：5 1 4 ，m a y19 9 0 【6 】rw c h a n g ，“s y n t h e s i so fb a n d - l i m i t e do r t h o g o n a ls i g n a l sf o rm u l t i c h a n n e ld a t a w a n s m i s s i o n , ”b e l ls y s t t e c h j ，p p ：17 7 5 17 9 6 ，d e c 1 9 6 6 【7 】l j c i m i n i ， a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fad i g i t a lm o b i l ec h a n n e lu s i n go r t h o g o n a l f 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 ，”i e e et r a n s c o m m ，v 0 1 3 ，p p ：6 6 5 6 7 5 ，j u l y19 8 5 【8 】b l f l o c h ，m 越a r d ，a n dc b e r r o u ，“c o d e do 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 e e ep r o c ，v 0 1 8 3 ，n o 6 ，p p ：9 8 2 9 9 6 ，j u n e19 9 5 【9 】v m i g n o n sa n da m o r e l l o ，“c d 3 - o f d m ：an o v e ld e m o d u l a t i o ns c h e m ef o r 钕c da n d m o b i l er e c e i v e r s ，”i e e et r a u s c o m m v 0 1 4 4 ，n o 7 ；p p ：11 4 4 一l15 1 ，s e p t 19 9 6 【1 0 】s b w e i u s t e i na n dp m e b e r t , d a t at r a n s m i s s i o nb yf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l 邱l e x i n g u s i n gt h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，”i e e et m n s c o m m ，v 0 1 c o m - 1 9 ，l a p ：6 2 8 - 6 3 4 ， o c t 1 9 7 1 。 【1 1 lw y z o ua n dy w u ， c o f d m a no v e r v i e w , ”i e e et r a m b r o a d c a s t i n g ，v 0 1 4 1 ， n o 1 ，p p ：1 - 8 ，m a r 1 9 9 5 【12 】m l d o e l z ，e t h e a l da n dd l m a r t i n ， b i n a r yd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sf o r l i n e a rs y s t e m s ，”p r o e i r e ，v 0 1 4 5 。p p ：6 5 6 - 6 6 1 ，m a y1 9 5 7 【13 】b & s a l t z b e r g ， p e r f o r m a n c eo fa ne f f i c i e n tp a r a l l e ld a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m , ”i e e e t r a m c o m m ，v 0 1 c o m - 1 5 ( 6 ) ，p p ：8 0 5 - 8 11 。d e c 1 9 6 7 【14 】b h i r o s a k i ，a19 2k b i t sv o i c eb a n dd a t am o d e mb a s e do no r t h o g o n a l i t ym u l t i p l e x e d q a mt e c h n i q u e s ， p r o c i e e ei c c 。8 5 ，v 0 1 2 ，p p ：2 1 1 1 5 ，1 9 8 5 【l5 】w e k e a s l e ra n dd l b i t z e r ， h i g hs p e e dm o d e ms u i t a b l ef o ro p e r a t i n gw i t ha s w i t c h e dn e t w o r k , ”u s p a t e n tn o 4 ，2 0 6 ，3 2 0 ，j u n e19 8 0 【1 6 】e t s i , “d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ：f r a m i n gs t r u c t u r e ，c h a n n e lc o d i n g ，a n dm o d u l a t i o n f o rd i g i t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n , ”e n3 0 0 7 4 4 ，a u g 19 9 7 【17 】e t s i ， r a d i ob r o a d c a s t i n gs y s t e m s ；d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n gt om o b i l e ，p o r t a b l ea n d f i x e dr e c e i v e r s ，”e t s3 0 0 - 4 01e d 2 ，m a y 19 9 7 【18 】i e e e ，“i e e es t a n d a r df o rl o c a la n dm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s - p a r t1 6 ：a i ri n t e r f a c e f o rf i x e da n d _ m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s - a m e n d m e n t 2 ：p h y s i c a la n d m e d i u ma c c e s sc o n t r o l l a y e r sf o rc o m b i n e df i x e da n dm o b i l eo p e r a t i o ni nl i c e n s e d b a n d sa n dc o r r i g e n d u m1 ，”f e b 2 8 ，2 0 0 6 【19 】j m i k k o n e n ，j k r u y s “t h em a g i cw a n d - aw i r e l s e ea t m a c c e s ss y s t e m , a c t sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss u m m i t , g r a n a d a ，s p a i n ，19 9 6 5 东南大学硕士学位论文 【2 0 】j o h np z o a k i s ，d i g i t a lc o m u n i c a t i o n s ，m c g r a w - h i l l ，1 9 9 9 6 第2 章o f d m 技术与i e e e 8 0 2 1 6 e 系统 第2 章o f d m 技术与i e e e 8 0 2 1 6 e 系统 近年来随着数字信号处理技术以及大规模集成电路的不断发展，正交频分复用 ( o f d m ) 技术已经被越来越广泛地应用于高速数字通信系统之中。正交频分复用是一种 频谱部分重叠的多载波技术，最早于2 0 世纪5 0 年代应用于军队无线通信。o f d m 利 用并行数据及频分多路( f d m ) 的方式来克服噪声及多径干扰，从而避免使用高速复杂的 均衡器，同时达到最大限度利用可用频带获得高频谱利用率的目的。 2 1 多载波系统与o f d m 系统 任何实际的无线通信信道均存在各种非理想干扰，这种非理想干扰限制了信道上的 最大信息传输速度。在宽带无线数字通信系统中影响信息高速传输的最主要的一类干 扰是由信道的多径效应引起的频率选择性衰落。频率选择性衰落表现为对某些频率成分 的信号产生严重衰减，而对另一些频率的信号有较高增益，这使得接收信号出现码间干 扰0 n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，造成通信性能下降。克服频率选择性衰落的传统方法 是，在接收端采用均衡器或采用直接序列扩频加r a k e 接收机的方法。但是随着信息传 输速率的进一步提高，上述的两种方法在实现复杂度和性能方面都面临着许多障碍，而 多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术则是一种比较好的解决方案。 多载波调制采用一组子载波在相应的子信道上并行地传输数据信号，从而将高速数 据流分成一些同时在并行子信道上传输的低速数据流。一个具有n 个子载波的m c m 系 统与具有相同传输速率的单载波系统比较每个子载波上的码元周期是单载波系统码元 周期的n 倍这通常会远远大于信道的时延扩展，因此，m c m 系统每个子载波均具有 很强的抗码间干扰能力多载波传输的另一个主要优点在于，可以将频率选择性衰落引 起的突发性误码分散到各个子信道上去，从而将突发性误码转化为随机性误码，这样就 可以利用一般的前向纠错编码的方法有效地恢复所传信息。 在传统的多载波调制系统中，总的频带被划分为多个不重叠的子信道，各个子信道 之间被分隔开并单独调制。为了降低邻近子信道的干扰，各个子载波之间必须采用频率 保护带，这样又降低了系统的频谱效率。为了提高频谱利用率，在2 0 世纪6 0 年代，有 研究者提出采用子载波重叠的频分复用进行数据并行传输的思想。当子信道被划分得很 多时，采用重叠多载波体制可以节省大量的频带。此外，这种方式还可以采用低复杂度、 低成本而高效的数字基带实现。然而，为了消除子载波的干扰，要求各子载波之间是相 互正交的。这种各子载波之间相互正交的多载波系统称为正交频分复用( o r d m ) 。 7 东南大学硕士学位论文 2 2o f d m 技术基础 2 2 1o f d m 基本模型 o f d m 的基本原理就是把高速的数据符号流通过串并转换，分配到传输速率相对较 低的若干个子载波上面传输。由于每个子载波上的符号周期相对增加，因此可以在一定 程度上减轻由无线信道的多径时延对系统造成的影响。并且，通过快速傅立叶变换进行 调制和解调，可以大大简化系统实现的复杂度。 一个o f d m 符号包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波被单独调 制，在大多数应用中，调制的方式都是正交幅度调带t j ( q a m ) 。在第九个o f d m 周期内， 如果表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号的周期，互代表系统采样时钟， x ( n ，七) ，( 七= o ，o ，n 一1 ) 是分配给第七个子载波的符号数据，以表示第七个子载波的频 率。则第张个f d m 符号的第z 个采样点( ，= o ，1 ，n 一1 ) 可以表示为： 一i s ( n ，d = x ( n ，k ) d 2 确亿 ( 2 1 ) 如图2 1 所示，待传输的数据比特通过q a m 符号映射后，再并行化成个速率相 对较低的符号，对并行化后的符号分别调制不同的载波频率五厶q ，然后将各路子载 波的调制信号相加。 在公式( 2 1 ) 的基础上，o f d m 和普通f d m 的最大区别，就是用予各个子载波调制 的各个频率五厶一，是相互正交的，它们满足公式： l fe-a#,dt二篙elzff,re-12t施= 0 h m 三： ( 2 2 ) 山 智i 以 、 为 - “e i 2 x t t i t , s p+ 毒唾 图2 1f d m 调制框图 为了满足公式( 2 2 ) 中的正交条件，必须使每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含 整数倍个周期，且相邻子载波间相差一个周期，那么子载波频率可以定义为： 五= ；七， 七= o ，1 ，一l ( 2 3 ) 8 第2 章o f d m 技术与i e e e 8 0 2 1 6 e 系统 那么0 f d m 的调制公式可以写成： s o ，d = 丙1 丕n - i x ( 玎，七) 一- 2 x m = 册( x o ，七) ) ( 2 4 ) 0 f d m 的信号调制可以通过快速傅立叶反变换( i f f t ) 来实现。在接收端，同样可以使 用简单的f f t 实现信号的解调： z ( 捍，七) ：芝s ( 以，1 ) e - j 争：f f t ( s ( 靠，功 ：专i = o 篓篆石。玎，七，p ，鲁t ，e 一焉手村：x 。力，七，2 5 根据公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，0 f d m 调制和解调的基本模型如图2 2 所示 x ( n ，o )s 旭o )删 s 甩i f 盯f f t聃 x ( n , n - 1 )s ( n , n - 1 ) z ( n , n - 0 图2 2o f d m 调制解调基本模型 o f d m 信号的频谱如图2 3 所示，每个子载波的频谱呈s i n c 函数形状，且各个子载 波相互重叠。但是，由于在整数子载波间隔的位置上，各个子载波保持正交，所以在这 些位置上没有子载波间干扰o c l ) ，可以在接收端对数据进行理想地恢复。正是由于 o f d m 信号在频谱上可以相互叠加的特点，它不需要保护频带，可以以奈奎斯特( n y q u i s 0 符号速率进行数据传输，从而提供比普通f d m 系统更高的带宽利用率。 上 一a a 石矗忒么x皴乒、石弋a a 一 图2 3o f d m 信号频谱 9 东南大学硕士学位论文 2 2 2 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 的一个重要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。除了通过数据并行 传送的方法消除符号间干扰之外，还需要在两个连续的o f d m 符号之间插入时间保护 间隔，而且该保护间隔的长度一般要大于无线信道的延迟扩展l z ，这样一个符号的 多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 通过插入长度的零保护间隔可以完全避免前一个o f d m 符号所带来的符号间干 扰( i s i ) ，但是无法避免多径传播所造成的子载波间干扰q c i ) 。为了不但能够完全消除i s i ， 还可以消除i c i ，在o f d m 中，保护间隔被定义为循环前缀的形式： 州一，= s ( n , l - i + 聊。州1 - 1 0 ( 2 6 ) 通过加入式( 2 6 ) 中定义的循环保护间隔，o f d m 可以完全消除i s i 和i c i 的干扰。 带有循环保护间隔的o f d m 时域帧结构如图2 4 所示。除了加性高斯白噪声的影响，在 某个单独的子载波上，解调后的数据是原始发送的数据和信道的频域响应的乘积。 叫 叫 t gk t + t g 图2 4o f d m 的循环前缀保护间隔结构 这样我们可以在接收端利用很简单的单抽头频域均衡器完全消除信道时延所带来 的影响： x ( n , k ，2 器“d + 器 ( 2 7 ) 岔( 玎，七) 是对信道频域响应日( 以，七) 的估计。采用循环前缀保护间隔的方式，不但可 以完全消除多径衰落所造成的i s i 和i c i ，还可以大大降低接收端的复杂度。正是由于 循环前缀保护间隔在o f d m 中的特殊作用，在几乎全部现有的o f d m 无线通信标准中， 都采用了以循环前缀保护间隔为基础的o f d m 信号帧结构。并且，在几乎所有的o f d m 接收机中，都采用t ( 2 7 ) 中描述的频域均衡方法。 1 0 第2 章o f d m 技术与i e e e 8 0 2 1 6 e 系统 2 2 3 虚拟子载波 如图2 1 3 所示，每个o f d m 子载波的频谱呈s i n e 函数的形式。由于$ i n c 函数的滚降 延展特性，会造成频谱的拓展【2 1 】。频谱拓展一方面会造成相邻频带内的邻信道干扰， 影响其它通信系统的正常工作。另一方面，随着o f d m 子载波数