（通信与信息系统专业论文）基于dftsofdm系统上行链路跨层技术研究.pdf

摘要 摘要 下一代无线通信系统必须能够与互联网实现信息交互 这就需要利用通信协议来实现系统与其他通 信系统间的互连互通 但是 现有通信协议基于o s i 标准 其协议栈按照严格的分层方式工作 很难适 应快速变化的无线通信环境 通过对现有协议栈进行改进 加入跨层设计方案则有助于改善下一代无线 系统性能 因此 跨层设计已经成为未来无线宽带发展的关键技术之一 d f t 扩展正交频分复用技术 d f t s o f d m 是一种物理层传输技术 它具有与单载波传输相近的 峰均比性能 并且能够灵活地分配不同用户占用的子载波 接收端采用频域均衡可以获得较好的误码率 性能 因此 d f t s o f i m 技术是3 g p p 组织提出的e v o l v e d u n 认物理层接入上行链路中的较有竞争力 的传输技术 d f t s 旬f d m 系统的频域成型技术可以有效的降低系统的p 删t 在无码间干扰和接收机最大输出 信噪比条件下 文中研究了在加性高斯白噪声信道中发送端频域成型函数及接收端频域成型函数所要满 足的条件 然后根据该条件设计了频域成型滤波器 仿真结果表明 该频域成型方法不仅可以提高系统 的抗噪声性能 而且能进一步有效降低发送信号的峰均比 多输入多输出 m i m o 技术可以显著增加系统容量 提高频谱效率 是未来移动通信系统的关键 传输技术之一 本文主要研究m m od 兀 s o f d m 系统中的跨层联合优化算法 论文首先介绍了 d f t s 旬m m 技术的系统结构 对不同调制方式下的d f t s o m m 系统和o f i m a 系统的p a p r 性能做了 仿真比较 然后讨论了传统的物理层自适应技术及链路层的差错控制技术等跨层设计所涉及的相关技 术 文中对d f t s 旬m m 与m i m o 技术的结合问题进行了研究 并对两发两收天线配置给出了传输模型 的数学表示及接收机信号检测算法 在此基础上 重点研究了m i m od f t s o f d m 系统中的跨层联合优 化算法 主要是物理层的a m c 和链路层的a r q 协议的联合设计 并在r a y l e i g h 衰落信道中做了大量的仿 真 对比了跨层自适应传输与传统物理层自适应技术在频谱利用率性能上的差异 通过仿真可以知道 该算法相比传统物理层自适应传输 在频谱利用率性能上有明显的增益 关键词 跨层设计 自适应调制编码 多输入多输出系统 d f t s o f d m 频域成型 东南大学硕士论文 a b s t r a c t n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s ss y s t e ms h o u l di n t e r o p e r a t ew i t hi n t e r a c t t h u sp r o t o c o ls t a c ki sn e e d e dt oa l l o wi t t oi n t e r w o r kw i t ho t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r t h ee x i s t i n gp r o t o c o ls t a c kb a s e do no s is t a n d a r d a d o p t ss t r i c tl a y e r e d w o r k i n gm o d e w h i c hm a k e si td i f f i c u l tt oa d a p tt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t w i t hc o n s t a n tc h a n g e s t h e r e f o r et h ee x i s t i n gp r o t o c o ls t a c ki m p r o v e db yc r o s s l a y e rd e s i g nw i l lb eh e l p f u lt o p r o m o t et h ep e r f o r m a n c e so f t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s ss y s t e m d f ts p r e a do f d m d f t s o n m i st h ei r a n s m i s s i o ns c h e m ew h i c ha h o w sf l e x m l ea l l o c a t i o no f s u b c a r r i e r sa n di m p r o v e dc o v e r a g eo w i n gt ot h el o wp e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o p a p r f e a t u r ec o m p a r a b l e t os i n g l e c a r r i e rw a n s m i s s i o ns y s t e m s t h e r e f o r e d f t s o f d mh a sb e e np r o p o s e db y3 g p pa st h ep r o m i s i n g s c h e m ei ne u t r au p l i n kl r a n s m i s s i o n s p e c t r u ms h a p i n gm e t h o d so fd f t s o f d ms y s t e mi ss t u d i e di n t h e s i s i nt h i sp a p e r w ef i r s td e r i v et h ec o n d i t i o n so fs p e c 仃u mp u l s es h a p i n gf i l t e r sf o ri s i f r e ea n dm a x i m u m o u t p u ts a to ft h er e c e i v e r a c c o r d i n gt ot h ed e r i v e dc o n d i t i o n s s p e c m l mp u l s es h a p i n gf i l t e r sa r es e l e c t e d s i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h ed f t s o f d mw i t hp r o p e r l yd e s i g n e s p e c t r u mp u l s es h a p i n gf i l t e r sc o u l d i m p r o v et h eo u t p u ts n r o f t h er e c e i v e ra n df u r t h e ri m p r o v ep a p rp e r f o r m a n c e c r o s s l a y e rj o i n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h mr e s e a r c hi nm i m od f t s o f d ms y s t e m si st h ef o c u s e so ft h i s d i s s e r t a t i o n i nt h i st h e s i sf i r s t l y w em a k eap r e s e n t a t i o na b o u td f t s o f d ms y g e ma n dr e s e a r c ht h ep a p r p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to v e ro f d m au n d e rd i f f e r e n tm o d u l a t i o na n da c c o m p l i s ht h es i m u l a t i o n t h e n i n l r o d u c et h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so fc t o s s l a y e rd e s i g ns u c ha st h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yo fa d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n gi np h y s i c a ll a y e ra n de r r o rc o n 仃o lt e c h n o l o g yi nd a t al i n kl a y e r f u r t h e r m o r e t h e t o p t i co fc o m b i n a t i o no fd f t s o f d ma n dm i m oi sa l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s w eg i v et h em a t h e m a t i c e x p r e s s i o na n ds i g n a ld e t e c t i o na l g o r i g h mf o r2 t r a n s m i t t e rw i t h2 r e c e i v e r b a s e du p o nt h ea b o v e t h em a i n c o n t e n to ft h i st h e s i si sc r o s s l a y e rj o i n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h mr e s e a r c hi nm i m od f t s o f d ms y s t e m s w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fa m ci np h y s i c a ll a y e ra n da r qi nd a t al i n kl a y e ra n dt h e na c c o m p l i s ht h e s i m u l a t i o ni nr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l b yc o m p a r et h eg r o s s l a y e ra l g o r i t h mw i t ht h et r a d i t i o n a la m ci n p h y s i c a ll a y e rw ef i n dt h a tt h ec r o s s l a y e rd e s i g nh a so b v i o u sg a i ni ns p e c t r a le f f i c i e n c y k e y w o r d s c r o s sl a y e rd e s i g n a m c m i m o d f t s o f d m s p e c t r u ms h a p i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明艇呈交的学位论文是我个人在蹲师指导下进行的研究工作及取褥魏研究残巢 尽我所知 除了文中特剔加以标注释致谢的地方辨 论文中不包含其饱入已经发表或撰写过姆研究成巢 也不包含 为获得东南犬学或其它教育机构的学位或证粥而使用过的材料 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作了明确懿说明并表示了谢意 研究生签名 日期 塑盟笙丝 复璺 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息磅究耩 国家图书键有权僳謦本入所送交学位论文豹复印 孛稷电子文 档 可以采用影印 缩印或萁他复制手段保存论文 本人电予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 包括以电子信息形式刊登 论文的全部 内容或孛 英文揍要等蒸分内容 论文的公帮 毽括淡毫子嫠意形式列登 授权东南大学研筑生院办理 日期 丝物豳 第一章绪论 第一章绪论 在过去的二十多年内 移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统 第二代数字移动通信系统发展 到了第三代多媒体通信系统 如今正向大系统容量 高服务质量 多业务的方向发展 未来的移动通信 系统 第四代移动通信系统的研究工作也已展开i 随着社会进步和新技术的不断出现 人们对自由通信的要求越来越强烈 任何时间 任何地点 都能与任何人进行快速可靠的交流 已经成为了下一代移动无线通信系统的主要目标 由于传统的语音 业务与爆炸式发展的因特网融合的实现 对无线网络的性能提出了更高的要求 无线频谱资源也变得异 常紧缺 因此人们在无线接入技术 传输技术及网络结构等方面做了大量的研究 并提出了多种有效的 方案 其中跨层设计的提出被视为未来无线通信系统的关键技术之一 1 1 论文背景 移动通信正在飞速发展 从第一代主要采用频分多址 兀 m a 方式的模拟蜂窝系统 如a m p s t a c s 等 发展到目前广泛采用的的第二代以时分多址 r m a 或码分多址 c d m a 为主的数字蜂 窝系统 如g s m i s 9 5 等 以及正在投入商用的能够提供全球漫游 支持多媒体业务且有足够容量的 第三代移动通信系统和正在大力开展研究的第四代移动通信系统 目前人们正在经历3 g 时代 3 g 是指第三代数字通信 主要特点是能够实现高速数据传输和宽带多 媒体服务 3 g 的带宽可达5 m h z 以上 传输速率最低为3 8 4 k b i t s 最高为2 m b i t s 它将高速移动接入和 基于互联网协议的服务结合起来 用以提高无线频谱利用率 能够提供包括卫星在内的全球覆盖并实现 有线和无线以及不同无线网络之间的无缝连接 在第三代移动通信的发展过程中 随着r 9 9 r 4 r s r 6 和r 7 各个系统版本技术规范的发布 第 三代合作伙伴计划 3 g p p 作为w c d m a 和t d s c d m a 这两个系统进行国际标准化工作的主要组织 为 基于c d m a 技术的第三代移动通信技术的发展发挥了重要的作用 近年来这些系统逐渐进入了商用的进 程 3 g 技术己经在许多国家得到了具体应用 如美 欧 日 韩等国家和地区 使用人口已经达到了1 亿多 随着人们对移动通信系统的各种需求与日俱增 目前投入商用的2 g 2 5 g 系统和部分投入使用的3 g 系统已经不能满足现代移动通信系统日益增长的高速多媒体数据业务需求 因此 对b e y o n d3 g 4 g 移动 通信系统的研究也正在如火如茶的进行 以正交频分复用 o f d m 技术为代表的各项新技术在近几年成 为热点 并且逐渐走向产业化 特另4 是这些新技术在无线宽带接入系统中的出现 将无线通信的接入速 率提升到了1 0 0 m b p s 篚j 范畴 同时开始加强对终端移动性的支持 在此基础上 一些学者又进行了未来 移动通信系统的新构想一后三代移动通信系统 b 3 g b e y o n d3 g 的先期研究 b 3 g 系统致力于满足如 下技术要求 2 1 全舻分组的数据传输 在固定或者低速移动的情况下达到l g b p s 在高速移动情况下达到l o o m b p s 的数据速率 高系统容量和高传输质量 数据业务的误码率低于1 旷 东南大学硕士论文 高频谱利用率和功率效率 在不同的速率之间能够自动切换 保证通信质量 因此 b 3 g 系统必须在网络结构 空中接口 传输体制 编码与调制以及天线与射频等各个方面有 创新的模式 b 3 g 采用许多新的技术和新的方法来支撑 包括自适应调制和编码技术 a m c a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应混合 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 技术 多输入多输出 m i m o 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 和正交频分复用 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 t i p l e x i n g 技术 等 3 j 1 2d f t s o f d m 技术概述与研究现状 目前3 g p p l t e 上行链路有四种候选技术 o f d m a 正交频分复用 s c f d m a 单载波f d m a m c w c d m a 多载波w c d m a m c t d s c d m a 多载波t d s c d m a 后两者不是以o f d m 为核 心技术 不利于向3 g 演进和兼容 只是在c d m a 基础上增加了多载波技术 频谱效率较低 r a k e 接 收机难以实现而被3 g p pl t e 否决 在上行多址技术是选用o f d m a 正交频分复用 还是s c f d m a 单载波f i m a 3 g p p 成员分为2 种观点 大部分厂商因为对o f d m 的上行峰均比p a p r 将影响 手持终端的功放成本和电池寿命 有顾虑 主张采用具有较低p a p r 的单载波技术 另一些公司 主要 是积极参与w i m a x 标准化的公司 建议在上行也采用o f d m 技术 并用一些增强技术解决p a p r 的 问题 经过激烈的讨论和艰苦的融合 3 g p p 最终选择了大多数公司支持的方案 即下行o f d m 上行 s c 只 m a l t e 主要讨论了两种s c f d m a 多址方案 皿m 交织频分多址 和d f t s o f d m 而i f d m a 有很多缺点 首先它比o f d m 矩形波需要更大的传输带宽 即频谱效率比较低 其次 在i f d m a 系统 中 多径导致的i s i 需要更复杂的接收机才能消除 最后i f d m a 设计不如m c c d m a 灵活 因为它不 支持自适应的子载波分配 由于以上的原因 l t e 已经暂时放弃了i f d m a 作为上行链路接入的候选技 术 d f t s o f d m 技术是在o f d m 与单载波频域均衡技术的基础上发展起来的 近年来受到了越来越 多的关注 d f t s o f d m 在传统o f d m 传输技术的基础上采用频域处理的数据扩展方式 即在传统的 o f d m f d m a 多址接入上预先通过一个用户子载波数目大小的d f t 扩展模块 4 该技术具有与单载波 传输相接近的峰均比性能 并且能够灵活的分配不同用户占用的子载波 满足上行链路的要求 采用频 域均衡的接收机可以获得较好的链路性能p j d f t s o f i m 技术主要优点有 1 传输信号时 符号能量分布在整个传输频带 因此获得比o f d m 系统相低的峰均比性能 2 比i f d m a i n t e r l e a v e df r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 更有效的频谱利用率 3 提供了较方便的频域资源分配方式 并能通过频分复用保证小区内的正交性 4 和使用中的o f d m a 接入技术相同的系统参数 比如子载波间隔 最大采样频率等 因此 d f t s o f d m 技术成为3 g p p 组织近期提出的e v o l v e du t r a 物理层接入上行链路中的较有竞 争力的传输技术州 目前对d f t s 旬f d m 上行链路物理层的研究大多集中在以下几个方面 2 第一章绪论 1 上行参考符号设计 上行参考符号位于两个s c f d m a 短块中 用于n o d e b 的信道估计和信道质量 c q d 估计 参考符 号的设计需要满足两种s c f d m a 传输一局部式 l o c a l i z e d s c f d m a 和分布式 d i s l r i b u t e d s c f d m a 的需要 由于s c f d m a 短块的长度仅为长块的一半 s c f d m a 参考符号的子载波宽度为数据子载波宽 度的2 倍 与下行相似 上行参考符号也可能采用正交设计 以支持多个m i m o 天线之间 多个u e 之间 的参考符号区分 上行正交参考符号也可以用f d m t d m c d m 或上述方法的混合方法实现 其中c d m 方法通过一个c a z a c 序列的不同循环位移样本实现 2 调制和编码 l t e 下行主要采用o p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 三种调制方式 上行主要采用位移b p s k p 2 s h i f tb p s k 用于进一步降低d f t s o f d m 的p a p r q p s k 8 p s k 和1 6 q a m 另一个正在考虑的降p a p r 技术是频 域滤波 s p e c t r u ms h a p i n g 另外也已明确 立方度量 c u b i cm e t r i c 是比p a p r 更准确的衡量对功 放非线性影响的指标 在信道编码方面 l t e 主要考虑t l l r b 0 码 但如果能获得明显的增益 也将考虑其 他编码方式 如l d p c 码 为了实现更高的处理增益 还可以考虑以重复编码作为f e c 前向纠错 码 的补充 3 上行m 卫m 0 和发射分集 上行m o 的基本配置是2 2 天线 正在考虑发射分集 包括c s d 和空时 频块码 s d m 和预编 码等技术 同时 l t e 也正在考虑采用更多天线的可能性 考虑到某些双天线u e 可能只有一套射频发射 系统 l t e 也正在考虑天线选择技术 上行m i m o 还将采用一种特殊的m u m m o s d m a 技术 即 上行的m u m o 也即已被w i m a x 采用的虚拟 正卟厦o 技术 此项技术可以动态的将两个单天线发送 的u e 配成一对 进行虚拟的m i m o 发送 这样2 个m i m o 信道具有较好正交性的u e 可以共享相同的时 频资源 从而提高上行系统的容量 这项技术对标准化的影响 主要是需要u e 发送相互正交的参考符 号 以支持m i m o 信道估计 此外还包括 上行链路自适应技术 异步地 r q 或自适应h a r q 功率控制 上行随机接入 非同步 随机接入和同步随机接入 同步问题 切换等主要研究问题 1 3 跨层技术及其发展 传统的通信系统广泛采用开放系统互连 o s i 分层网络设计思想 包括物理层 链路层 网络层 传 输层和应用层等 该模型采用分层结构 各层都独立设计和工作 层间接口也是静态的 网络各层的限 制与应用无关 该模式极大地简化了网络设计 并具有很好的鲁棒性 在设计协议栈时 假设其在通信 条件最为恶劣的情况下进行工作 在无线网络领域 新兴的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量 q o s 要求 并 支持网络拓扑结构的变化 由于无线通信环境具有快速变化的特性 而基于分层结构的协议栈只能在相 邻的层之间以固定的方式进行通信 现有的协议栈就无法灵活地适应无线移动环境的变化 从而使得在 协议栈无法对有限的频谱资源以及功率进行有效的利用1 7 为了解决这个问题 人们提出跨层反馈机制 即通过在协议栈的各层之间传递特定的消息来协调协 议栈各层之间的工作过程 使之与无线通信环境相适应 从而使系统能够满足各种业务的不同需求 8 9 3 东南大学硕士论文 跨层设计思想将分散在网络各个子层的特性参数协调融合 以提升整体网络的性能 提高通信协议的效 率 降低设备功耗 提高频率利用率 它强调在研究各网络 各层性能优化时 更要关注物理层 链路 层或网络层以及上层之间的互相协调配合对网络性能的影响 其核心就是使协议栈能够根据无线信道的 变化来实现对资源的自适应优化配置 例如 链路控制层及媒体接入控制层利用物理层的信道特征来调 整数据的发送方式 跨层反馈机制的示意图如下 业务 q o s 链路状 信道信 应用层 传输层一 网络层 链路层 物理层 信道信息 信号处理 技术 图1 i 跨层反馈机制示意图 跨层设计已经成为了当今无线通信研究的热点技术 文献 l o 提出了一种跨层策略 它根据信道状态 和应用层需求信息来实现吞吐量 稳定性和时延的折中 从而提高分级视频传输的鲁棒性和有效性 文 献i l l 在单载波系统中 将物理层的自适应调制和卷积编码与数据链路层的自动请求重发协议结合 在保 证时延和性能的情况下 物理层选择合适的a m c 组合 从而在保持所需性能的基础上 使数据的频谱 利用率最大 文献 1 2 则把这种思想与空时码结合应用于m i m o 系统中 文献 1 3 则将研究的重点放在 m i m o 系统中的跨层无线资源分配和保障q o s 上 为了提高网络尤其是t c p 的整体性能 文献 1 4 1 提出 了两种跨层反馈机制 一种方法是将用户反馈加到协议栈中 从而可以动态控制移动主机上应用的t c p 吞吐量 另一种方法是利用低层的连接和断开信息 此外 在移动a dh o c 和无线传感器网络中 跨层 设计也获得了相当大的应用 1 5 1 6 1 刀 1 4 论文的主要工作及结构 d f t s o f d m 是基于o f d m 的一种改进技术 吸取了o f d m 和s c f d e 技术的优点 它从一提出 来就备受关注 已经成为了长期演进计划 l t e 中上行链路的重要传输方案 而跨层自适应传输技术 适应未来移动通信系统的高频谱利用率和q o s 是很有前景的一种传输技术 本论文将跨层自适应传输技术应用于m i m od f t s o f d m 系统 主要从传统物理层自适应技术和 链路层的自动请求重传协议入手 研究了物理层与链路层之间的跨层自适应 文中详细讨论了m i m o d f t s o f d m 系统并将跨层自适应算法应用在系统中 并对其性能进行了分析 在衰落信道中进行了大 量的仿真 将跨层算法和传统的物理层自适应算法以及固定调制算法进行了对比 通过对比可以看出 跨层算法可以使得系统可以利用有限的延时和存储代价在满足系统差错率要求的前提下最大限度地提 高频谱利用率 同时 本文还研究了d f t s o f d m 系统的最优的频域成型 可以使其在误码率性能和 4 第一章绪论 峰均比性能方面均达到最优 论文的结构安排如下 第一章为绪论 从现代移动通信的技术背景出发 介绍了d f r s 旬f d m 技术和跨层设计的基本概念 和研究现状 第二章是对无线信道和d f t s o f d m 系统的一个概述 首先介绍了无线信道的主要特点并对无线 信道进行建模 然后讨论了d f t s o f d m 系统的模型和基本原理 并着重讨论了d f t s o f d m 系统 的频域均衡技术和峰值均值功率比性能 第三章研究了加入频域滤波的d f t s o f d m 系统以及最优的频域成型方法 首先推导出无码间干扰 和接收机最大输出信噪比条件下发送频域成型函数及接收频域成型函数所要满足的条件 然后根据此条 件来设计频域滤波器 并给出了仿真 从仿真结果可以看到 频域成型方法不仅对系统有无码间干扰的 特性和抗噪声性能有重要影响 而且对发送信号的峰均比也有重要影响 第四章介绍了跨层设计以及其相关技术 首先介绍了跨层反馈机制的基本原理 然后讨论了链路层 自适应技术 分析了自适应调制编码o 蝴c 系统中的相关技术 如判决准则 判决门限的获得等 最后 介绍了链路层的差错控制技术 第五章介绍了m i m od f t s o m m 系统及其跨层设计 首先介绍了m m od f t s d m m 系统 然后 在未编码系统和编码系统中运用跨层联合优化算法 并在r a y l e i g h 衰落信道中做了大量的仿真 我们着重 分析了未编码系统中跨层算法的性能 并与传统物理层自适应算法和固定调制算法进行对比 可以看到 跨层算法可以提高系统的频谱利用率 第六章是对论文所做工作的总结 并且对进一步的研究工作提出建议 5 第二章无线信道模型和d f t s o f d m 系统 第二章无线信道模型和d f t s o f d m 系统 2 1移动信道 移动信道属于无线信道 它既不同于传统的固定有线信道 也与一般具有可移动功能的无线接入的 无线信道有所区别 它是移动的动态信道 取决于用户所在地环境条件的客观存在 其信道参数是时变 的 在利用这类复杂的移动信道进行通信时 我们就要分析和掌握信道的基本特点和实质 并对移动信 道进行数学建模 2 1 1 移动无线信道特性 无线通信信号主要是通过电磁波传播的 电磁波传播的机理总体上可以分为反射 绕射和散射 无 线电信号通过无线信道时所受到的衰减损害总的来说可以分为三种类型 路径损耗 阴影衰落 慢衰落 和小尺度衰落 无线电信号通过无线信道后的总的衰减为上述三种衰减效应的综合作用 具体描述如下 1 路径损耗 无线电波在自由空间内传播 其信号功率会随着传播距离的增加而减小 这种损耗一般用平均路径 损耗来衡量 它是发射机与接收机间距离的函数 平均路径损耗与距离的关系如下 瓦 d 一其中瓦表 示平均路径损耗 d 为发射机与接收机之间的距离 n 称为路径损耗指数 根据不同的环境 r 在2 至r j 6 之间取值 2 慢衰落 当电磁波在空间传播受到地形起伏 高大建筑物的阻挡 在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影 造成场强中值的变化 从而引起衰落 被称作慢衰落 慢衰落由地形或建筑物的阴影效应造成 其表现 为接收信号功率的缓慢变化 研究表明 阴影衰落服从对数正态分布 对数正态分布的概率密度函数为 p p f x 2 舻 2 1 其中 x 是一个随机变量 表示阴影衰落的值 单位为d b p 和仃分别为x 的均值和标准差 单 位均为 m 3 多径衰落 又称快衰落 用尺 孑 表示 这是由于移动传播环境的多径传输引起的衰落 它描 述的是在中等小尺度范围内 接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征 其衰落特性一般符合瑞利分 布 主要是由接收端周围物体产生的反射波相叠加引起的 7 东南大学硕士论文 曼 霄 中 颦 炬商 艨 图2 1 某一衰落信号的路径损失 慢衰落与快衰落 图2 1 给出了某一衰落信号的路径损失 慢衰落和快衰落的示意图 从移动通信系统工程的角度看 传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖 而多径衰落则严重影响信号的传输质量 必须采用抗衰 落技术来减少其影响 要研究这些技术 首要工作便是了解无线信道对于数字信号传输的影响 并在此 基础上研究信道的统计特性 建立合适的随机信道模型 无线信道对于数字信号传输的影响主要包括 1 多径时延扩展和相干带宽 多径传播信道中由于反射及反射物的存在导致发射波到达接收机时形成在时间 空间上相互区别的 多个无线电波 不同的多径成分具有的随机相位和幅度引起信号强度波动 导致小尺度衰落 信号失真 等现象 多径传播常常延长信号基带部分到达接收机所用时间 并产生码间干扰引起信号模糊 多径信 道的冲激响应可以表示为 h t f 以 f 弦 f k 2 2 l 其中a m 为狄拉克函数 t 为第k 径的延迟时间 由于载体的移动性 k k t 为各径相互独立的 均值为零的广义平稳窄带高斯复过程 假设对各径功率的和进行了归一化处理即 e 嚏 f 1 2 l 2 3 i 并认为 f 具有经典多普勒谱 其谱密度为 p t f 其中红 f 为最大多普勒频移 同时气 f 的自相关函数r 0 可以表示为 8 2 4 第二章无线信道模型和d f t s o f d m 系统 r f e 吃 f f f q 2 j o 2 7 r f s r 2 5 其中吼2 4 红 叫2 为第七径功率 为第一类零阶贝塞尔函数 若移动无线信道在比发射信号带宽大得多的带宽内具有不变的增益和线性相位 则接收信号将发生 平坦衰落 设定相干带宽为慝 发射信号带宽为忍则当忍 忍时 我们可以认为接收信号是平坦衰落 的 当最 皿时 则接收信号为频率选择性衰落 2 多谱勒扩展和相干时间 时变特性或是由移动台相对于基站移动引起的 或是由信道路径中物体的运动引起的 当发射机与 接收机作相对运动时 接收信号的频率会发生变化 称为多普勒 d o p p l e r 效应 其值取决于两者相对 运动的速度 多谱勒扩展和相干时间就是描述小尺度内信道时变特征的两个参数 多谱勒扩展岛是谱 展宽的测量值 被定义为一个频率范围 其频率偏移可写作 石 f o v o o s c p 2 6 f 其中 五为接收端检测到的发射机频率的变化量 五是发射机的载波频率 i 是发射机与接收机之 间的相对速度 c 为光速 9 为移动方向与电波入射方向的夹角 多普勒扩展描述了无线信道的时变性 所引起的接收信号的频谱展宽称度 即当发送一个频率为兀的信号时 接收信号频谱分量包含 一 l f d 相干时间是多谱勒扩展在时域的表示 用于在时域描述信道频率色散的时变特性 它与多谱勒频移 成反比 信道相干时间越大 信道变化越慢 信道相干时间越小 信道变化越快 因此信号参数与信道参 数决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落 2 1 2 移动信道建模 接收信号是具有不同幅值 不同相位的多条路径的叠加 如果各条路径信号的幅值和到达接收天线 的方向角是随机的且满足统计独立 则由中心极限定理可知 接收信号可以看成是两个相互独立的零均 值高斯随机过程的叠加 r t i f 儿 f 2 7 其包络为 月 i t 2 f 乞2 p 2 8 则r t 的概率密度函数服从瑞利 r a y l e i g h 分布 c 小产既 参工气 9 东南大学硕士论文 其中盯2 表示接收信号包络的平均功率 r a y l e i g h 分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一个分布类 型 接收信号包络不超过特定值的累计分布函数为 s 儿姐 s 了 d a 1 e x p 虿叫2 2 2 1 如果发射机和接收机之间的多径传播中存在一个主要的静态信号分量 还存在视距传播路径 则接 收信号的包络服从莱斯 r i c e 分布 其概率密度函数为 一 崇州一警0 争队揣圳 l 7 其中d 表示主信号幅度的峰值 厶 表示第一类 阶修正贝塞尔函数 r i c e 分布也称广义r a y l e i g h 分布 其概率密度函数常用参数k 来描述 r i c e 因子k 被定义为主信号的功率a 2 2 与多径分量的方差 盯2 的比值 或者可以表示为k 翘 10 1 0 9 参船 e 撒e t r i c e 分布 在保持信号功率不变的情况 下 当彳一 0 k 一 一 d b r i c e 分布转为r a y l e i g h 分布 当k 一 d b r i c e 分布转变g a u s s 分 信道转变为a w g n 信道 瑞利分布和莱斯分布都是在一定的假设条件用数学方法得到的 但是某些实测数据并不能与之匹 配 一般来说 对于更一般的衰落分布 我们称为s a l a g a m i 分布 肿冲 署 磊唧 一m 妒 其中q e 2 为平均功率 m 为n a k a g a m i 衰落参数 脚 r 则表示伽马函数 衰落参数 肌取不同值时 n a k a g a m i 分布也对应这不同的衰落 当肌 1 n a k a g a m i 分布就成为瑞利分布 当 肌 k 1 2 2 k 1 则其分布就变为参数为k 的莱斯分布 当m o o 时 就得到a w g n 信道 2 2 d f t s o f d m 技术原理 d f r s o f d m 在传统o f d m 传输技术的基础上采用频域处理的数据扩展方式 即在传统的 o f d m 印m a 多址接入上预先通过一个用户子载波数目大小的d f r 扩展模块 1 刀 该技术具有与单波传输 相接近的峰均比性能 并且能够灵活的分配不同用户占用的子载波 满足上行链路的要求 用频域均衡 的接收机可以获得较好的链路性能 d f t s o f d m 技术是3 g p p 组织近期提出的e v o l v e du t r a 物理 层接入上行链路中的较有竞争力的传输技术 4 5 其系统框图如2 2 所示 1 0 第二章无线信道模型和d f t s o f d m 系统 强蓁 柑蓁 if 子 fr 1 载 f l 波 ti f 映 h 射 频 域 均 衡 f f t 并 串 加循 环前 缀 去循 环前 缀 串 并 d a 上变 频 下变 频 a d 图2 2d f t s o f d m 的系统框图 由上图我们可以得知 二进制数据首先进行信道编码 调制 串并转换 然后进行f i t 处理由时域 转换到频域 映射到各自占用的子载波上 经过i f f t 变换后又转化为时域信号 再经过并串转化 加 循环前缀过程 数 模转换后送入射频单元发送 信号经过时变衰落信道后 进入接收端 在接收机端 系统先通过正f t 将信号转换到频域 然后用频域均衡器对每个用户的信号进行均衡 在发射机端须插 入c p 以实现频域均衡 最后通过d f t 解扩展恢复用户数据 我们可以发现这样一个特点 发送端发送的时域信号 在经过兀t 和i f f t 的变换后 又被转换成 了时域信号 和单载波系统相同 这样p a p r 就被大大降低了 由于在这个系统中 每个用户的发送 信号波形类似于单载波 也有人将其看作一种单载波技术 2 2 1 发送端模型 由轷 m n 加 子 并 用户数据并 点 载 点 循 串 变 f 波 i 环 f 映 f 前 变 f m 1 f 缀 换 换 瑚磊b t 射 t 图2 3 发送端框图 图2 3 给出了比较详细的上行链路d f t s o f d m 发送端的结构框图 用户产生的二进制信息通过串 并交换送到调制器进行调制 此处根据信道的信息以及用户信息来自适应的进行调制方式的选择 从而 取得更好的系统容量与性能 设第k 个符号经过调制后得到的m 个符号为 s n 七 i s 0 七 s 1 七 s f l j j r 2 1 3 对其做m 点的f f r 可得到 东南大学硕士论文 x o 七 x 1 j i x c m 一1 七 根据子载波映射的方式不同 d f t s o f d m 也具有两种模式 局部式和分布式 如下图所示 f r o m d f t c t o i f f t f r o m d f t t o i f f t 图2 4 子载波映射方式 局部式 左 和分布式 右 在用户占用的子载波上映射x k 所对应的子载波分别为乇 t 0 一 其余子载波补0 变为 川 后 0 1 n 则映射后的子载波的数据可以表示为 2 1 4 川瑚 铲 紫k l t k j 2 5 再做n 点的i f f t 转换为时域信息 表达式可以写为 n 七 去i 篓v 七弘 等一 2 6 o 七 u 1 七 一1 七 r 我们来分析分布式映射中信号所占子载波均匀的分布在整个带宽上时的情况 此时应该满足以下条 被映射后对应的子载波为 将v 七 代入可得 n p m 2 1 7 姒护卜争瑚扛加以 肛1 p 0 p s e 2 1 8 1 2 耐 坚m 一 l 疗 l s 脚 j 七 u x 第二章无线信道模型和d f t s o f d m 系统 缸 刀 专美v p m p k 等 舯 专薹1 v f 七弦 等州 击笺咖脓倍 州眨 万1 百1m 毳 ix 聊 七声 窖 斋叩 专x nm o d 蛳 争 由上式可以看出 从发射机发出的信号u n 七 y 0 1 n 1 可以看做是调制后的信号 x 7 j 0 1 m 1 重复串行后 再乘以旋转因子所得 因此 当信号所占子载波均匀的分布 在整个带宽上时 d f t s o f d m 的信号特性与单载波的信号特性一致 2 2 2 接收端模型 接收端的结构可参照图2 2 接收端采用频域均衡技术 并且假定已经达到了理想同步并且已经消 除了载波的频偏影响 基站首先要接收多个用户的信息 把接收到的射频信号经过下变频变为基带信号 做模数变换 考虑到信道的时变性 则接收到的第k 个符号为 1 9 置n 1 行 t 历 z j e j 2 露 咒 玎 2 2 0 k l m o 其中置 代表第七个用户第j 个符号的朋子载波上的数据值 苁 j 代表第后个 用户第个 符号的r r l 子载波上的信道频域值 可以表示为 k 芝批刀 2 u i e j 万舢z 0 舻 刀 2 2 1 其中办 是信道增益 甜 是方差为 o 的白高斯噪声 去掉循环前缀并做h 可变换后变为频 域的值 表达式可写为 n i一 坚删 w j 玎 y 叫万 2 2 2 w o 耽w 1 耽 w n 1 明 每个用户提取出自己占用子载波上的数据 根据信道估计所得信道响应做单载波频域均衡 星座图 解映射得到用户信息设为y 做i f f r 变为时域信息 表达式为 上n 字m o y m z e 一 等脚 1 3 东南大学硕士论文 再经过信息解调和信道解码后得到用户信息 2 2 3 d f t s o f d m 系统的频域均衡技术 在经过衰落信道后 接收信号都将成为频率选择性信号 如果用户所占用的子载波上的信道不是常 值的话 就需要均衡器来恢复信号 而使用频域均衡的单载波传输方式 在性能 效率和较低的信号处 理复杂度方面与o f d m 非常接近拉引 频域均衡的基本思想是对频域的每个子信道的频率响应场作出估 计 然后在每个子信道乘以系数呒来补偿信道衰落 由于l t e 上行链路采用的d f t s o f d m 技术本质 上是一种单载波的调制技术 所以在接收端的n 叮和i f f t 模块间使用频域均衡技术是一种必然选择 频域均衡器的结构如图2 5 所示 剖 w 降 r n 叫w 卜 n 点 m 点 f f t 下t 叫 图2 5 频域均衡器的结构图 设发射端映射后的发送码元为巳 每m 个 组成一个传输的数据块 信道冲击响应为丸 则每个 接收到的数据符号可以表示为 o 吃 刀 0 1 m 一1 2 2 4 假设发送信号 的平均功率是p 式中 为方差为仃2 的加性高斯白噪声 o 为卷积符号 经过 f i 吓变换后 频域表示为 r 彳i 吼 k 七 o l 必一l 2 2 5 峨是信道的频率响应 假设同步和