（通信与信息系统专业论文）多载波系统中的载波间干扰消除方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 下一代无线通信系统致力于向多个移动用户提供更高质量的高速无线多媒体 服务和数据业务 多载波调制 m c m 技术与多址接入技术由此受到了极大关注 典型的多载波调制技术 正交频分复用 o f d m 利用循环前缀 c p 从理论 上说可以完全消除符号间干扰 i s i 而多址接入技术为多个用户同时提供接入服 务 它很容易与多载波调制技术相结合 尤其是与o f d m 技术相结合的正交频分 多址接入 o f d m a 技术 当前 支持宽带无线接入的w i m a x 技术受到业界普遍关注 它基于无线城 域网 w m a n 标准 可以在固定或移动的环境下提供高速的数据 语音和视频 等业务 具有广阔的应用前景 而o f d m a 技术是支持移动性的i e e e8 0 2 1 6 e w i 标准的基础 本文主要研究子载波交织分配的o f d m a 上行链路系统 由于用户数据率提高和移动速率增大 使得无线传输信道的多径效应以及多 普勒扩展等造成更为严重的符号间干扰 载波间干扰 i c i 和多址接入干扰 m a i 这是多载波系统研究中所必须解决的主要问题之一 本文的研究内容和主要结论如下 研究了基于c p 的o f d m 系统模型以及时变多径信道模型 对i c i 的产生机 理分别从时域和频域的角度进行了分析 并对信干比 s 瓜 与多普勒频移的关系 信号干扰噪声比 s 矾r 与信噪比 s n r 的关系 以及i c i 的能量分布特征进 行了理论分析和仿真分析 研究了基于w i m a x 技术的子载波交织分配的o f d m a 上行链路系统 对i c i 和m a i 进行了综合分析 在接收端 基站 将o f d m a 系统简化到o f d m 模型 中来一并处理i c i 和m a i 此外 介绍了现有的几种i c i 消除方法 干扰自消除算 法 频域抽头滤波算法 频域整体均衡算法和匹配滤波算法等 并对这几种方法 进行了复杂度比较以及性能仿真分析 利用i c i 的能量分布特点 结合t u r b o 迭代思想 对经典m m s e 算法进行逐 次改进 本文提出一种基于任意子载波分配的串行干扰消除 s i c 方案 能够很 好地消除i c i 和m a i 将改进的方案与经典算法进行对比 当子载波数目很大时 改进算法的系统运算复杂度大为降低 误码率性能也得到保障 传统的c p o f d m 系统由于引入循环前缀 降低了信道信息容量 而且时域 i 中文摘要 上的矩形脉冲导致了频谱的浪费 基于此 本文接着研究了一种新型的多载波系 统叫f d m o q a m 系统 其脉冲成形考虑了信道的时频特性 经过时频局域化 t f l 处理 能够较好地抵抗i s i 和i c i 并克服了c p o f d m 系统的两大固有 缺陷 本文的o f d m o q a m 系统采用f 兀 结构实现 系统复杂度在可实现范围 内 最后对c p o f d m 系统和o f d m o q a m 系统在几种信道环境下的误码率性能 进行了仿真比较 可以预见 将o f d m o q a m 技术融入到o f d m a 系统中的应用 前景非常广泛 关键词 正交频分多址接入载波间干扰消除多址接入干扰消除偏移正交频 分复用脉冲成形 a b s t r a c t 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 sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mc o m m i t si t s e l ft op r o v i d em o b i l e u s e r sw i t hb e t t e r q u a l i t y h i g h s p e e dw i r e l e s sm u l t i m e d i as e r v i c e s w h i c hr e s u l t si na g r e a t c o i l c e r l la tm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n m c m t e c h n o l o g ya n dm u l t i a c c e s s t e c h n o l o g y o r t h o g o n a lf i e q u e n e yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o f d m w h i c hi s at y p i c a l m c mt e c h n o l o g y t h e o r e t i c a l l yc o u l d c o m p l e t e l y e l i m i n a t et h e i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e i s l b yu s i n ge y e l i ep r e f i x c p m u l t i i t c c c s st e c h n o l o g yc 觚p r o v i d e 1 t c c 鹪 s e i v i c c sf o rm u l t i p l el t l s c l r sa tt h es a m et i m e w h i c h 啪b ee a s i l yc o m b i n e d 砘m m c m t e c h n o l o g y c u r r e n t l y w i m a x w h i c hs u p p o r t sb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y a t t r a c t s t h ee x t e n s i v ea t t e n t i o no ft h ei n d u s t r y w i m a x b a s e do i lt h es t a n d a r do fw i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k w m a n h a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dc 锄p r o v i d e h i g h s p e e dd a t a v o i c ea n dv i d e os e r v i c e sb o t hi n 丘x e da n dm o b i l ee n v i r o n m e n t s o r t h o g o n a lf i 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 o f d m a i sam a i n s t r e a mt e c h n o l o g y o fi e e e8 0 2 16 e w i m a x s t a n d a r d w h i c hs u p p o r tm o b i l i t y t h i sp a p e rm a i n l y c o l l c e r l l so f d m a u p l i n ks y s t e mw h o s es u b c a r r i e r s a lei n t e r l e a v e d d u et ot h ei n c r e a s ei ni l s e i s d a t ar a t e sa n dv e l o c i t y m u l t i p a t he f f e c t sa n dd o p p l e r s p r e a da n ds oo n i nt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nc h a n n e l w i l lr e s u l ti nm o r es e r i o u si s i i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i c i 鹤w e l l m u l t i i k c e i n t e r f e r e n c e m a i w h i c hi so n e o f t h em a i np r o b l e m si nt h er e s e a r c h t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s r e s e a r c ho f d m s y s t e mm o d e la n dt i m e v a r y i n gm u l t i p a t hc h a n n e lm o d e l a n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo f t h ei c if r o mt h ef r e q u e n c ya n dt i m ed o m a i n r e s p e c t i v e l y a n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i r a n dt h ed o p p l e r f r e q u e n c ys h i 凡a n dt h e r e l a t i o m h i pb e t w e e nt h es i n ra n ds n r a n d t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fi c ii nt h e o r y a n ds i m u l a t i o n t h i sp a p e ra l s os t u d yo f d m as y s t e m sw h i c hi sb a s e do nt h ew i m a x t e c h n o l o g y l l i a b s g a c t a n dw h o s eu p l i n ks u b c a r r i e r sa r ei n t e r l e a v e d s y n t h e t i c a l l ya n a l y z em a ia n di c i a n d c h a n g eo f d m as y s t e mi n t oo f d m m o d e lt ob ed e a l tw i t hi c ia n dt h em a i i n t r o d u c e s e v e r a le x i s t i n ge l i m i n a t i o nm e t h o d so fi c i i n t e r f e r e n c es e l fc a n c e l l a t i o na l g o r i t h m f r e q u e n c yd o m a i nt a p f i l t e ra l g o r i t h m f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o na l g o r i t h m m a t c h f i l t e ra l g o r i t h m a n dc o m p a r et h ec o m p l e x i t yo ft h e s em e t h o d sa n ds i m u l a t i o n t h i sp a p e r c o m b i n i n gw i t hi t e r a t i v et h o u g h t 勰t u r b oc o d ea n do nt h eb a s i so f c l a s s i cm m s e a l g o r i t h m p r o p o s e sas e r i a li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ns c h e m eb a s e do n r a n d o ms u b e a r r i e ra l l o c a t i o n t h i ss c h e m ec a ne l i m i n a t ei c ia n dm a lw e l l t h i sp a p e r a l s oc o m p a r es e v e r a lt y p e so fa l g o r i t h m 7 v l l e nt h en u m b e ro fs u b c a r r i e r si sb i g t h e c o m p l e x i t yo fc o m p u t i n ga f t e rc h a n g i n gt h ea l g o r i t h ms y s t e mw i l lg r e a t l yr e d u c e 们t l l b i te t o tr a t ep e r f o r m a n c eg u a r a n t e e d b e c a u s eo ft h ei n t r o d u c t i o no ft h ec y c l i cp r e f i x t r a d i t i o n a lc p o f d ms y s t e m s r e d u c e dc h a n n di n f o r m a t i o nc a p a c i t y a n dr e m t a n g u l a rp u l s e si nt h et i m ed o m a i nl e a d s t ot h ew a s t eo fs p e c t r u m t h e nt h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n o t h e rm u l t i c a r r i e rs y s t e m o f d m o q a m w h o s ep u l s es h a p i n gt a k e s i n a c c 0 u n tt h e t i m e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e l t h i ss y s t e ma l s oc a nr e s i s tt h ei s ia n di c lw e l la n d o v e r c o m et w oi n h e r e n tf l a w so fc p o f d ms y s t e m f i n a l l y t h i sp a p e rc o m p a r e st h e p e r f o r m a n c eo fc p o f d ms y s t e ma n do f d m o q a ms y s t e m i ns e v e r a lc h a n n e l e n v i r o n m 锄t sb ys i m u l a t i o n i tc a l lb ef o r e s e e nt h a tt h ec o m b i n a t i o no fo f d m j o q a m s y s t e ma n do f d m aw i l lh a v eab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s o f d m a i c ic a n c e l l a t i o n m a ic a n c e l l a t i o n o q a m p u l s es h a p i n g w 图目录 图目录 图1 1 多载波传输系统的一个示例图 3 图1 2o f d m a 连续分组子载波 6 图1 3o f d m a 交织分配子载波 6 图1 4o f d m a 系统结构框图 7 图2 1 基于c p 的o f d m 系统基带框图 l o 图2 2o f d m 连续系统模型 1 l 图2 3 时变多径信道的时间弥散性和频率弥散性 1 4 图2 4 时变多径信道的抽头延时线信道模型 1 5 图2 5 时域转移矩阵日的结构特征 1 7 图2 6s i r 随载波数 和多普勒频移 店变化的曲线 2 2 图2 7i c i 干扰信号的功率分布 2 3 图2 8 归一化多普勒频移 后不同时s i n r 与s n r 的关系 2 5 图3 1 上行链路p u s c 的堆结构 31 图3 2 任意子载波分配方式的用户占用子载波示意图 3 4 图3 3o f d m a 上行链路发送端 第u 个用户 原理图 3 5 图3 4o f d m a 上行链路接收端 基站 原理图 3 6 图3 5 现有的i c i 消除算法误码率比较 己居2 4 0 图3 6 现有的i c i 消除算法误码率比较 u 4 4 1 图3 7 修正后的频域转移矩阵结构图 4 4 图3 8 基于s i c 的p m m s e 算法流程图 4 7 图3 9i c i 频域迭代消除与均衡算法 泸2 4 8 图3 1 0i c i 频域迭代消除与均衡算法 u 4 4 8 图3 1 1 基于s i c 的p m m s e 算法在不同d 时的性能图 0 2 4 9 图3 1 2 基于s i c 的p m m s e 算法在不同d 时的性能图 u 4 4 9 图4 1o f d m o q a m 连续系统基本原理图 5 3 图目录 图4 2o f d m o q a m 与c p o f d m 的时频分布图 5 4 图4 3 基于f f t 和滤波器组的o f d m o q a m 系统 6 1 图钳信道均衡效果图 6 5 图4 5i o t a 函数的符号时间 6 5 图4 6i o t a 函数的符号时间 对数 6 6 图4 7i o t a 函数的载波频率间隔 6 6 图4 8c p o f d m 与o f d m o q a m 在信道a 条件下的性能比较 6 7 图禾9c p o f d m 与o f d m o q a m 在信道b 条件下的性能比较 6 8 图4 1 0c p o f d m 与o f d m o q a m 在信道c 条件下的性能比较 6 8 i x 表目录 表目录 表2 1c o s t 2 0 7 模型t u 环境参数 1 6 表3 1i e e e8 0 2 1 6 系列各空中接口标准特征比较 2 9 表3 2 不同f f t 点数的上行p u s c 分配方式 3 2 表3 3o f d m a 上行链路子载波分配 3 2 表3 4o f d m a 在w i m a x 标准中的系统参数 3 3 表3 5 算法误码率性能和复杂度比较 5 0 表4 1 发送端实部支路的滤波器组尸 刀 系数 6 3 表4 2 发送端虚部支路的滤波器组e n 1 2 系数 6 3 表4 3 接收端实部支路的滤波器组尸j n 系数 6 4 表4 4 接收端虚部支路的滤波器组尸j 1 2 甩 系数 6 4 表4 5 三种信道模型参数 6 7 x 缩略词表 英文缩写英文全称 缩略词表 a d d i t i v ew eg a l l s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t c y c l ep r e f i x d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m e x t e n d e dg a u s s i a nf u n c t i o n f 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f u l l yu s e ds u b c h a n n e l i z a t i o n g u a r di n t e r v a l i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i s o t r o p i co r t h o g o n a lt r a n s f o r ma l g o r i t h m i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e l i n eo fs i g h t m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n 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 e de r r o r n o n l i n eo fs i g h 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 nm u l t i p l e x o r t h o g o n a lf r o 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 o f f s e tq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n p a r t i a lm i a i m u mm e a ns q u a r e de r r o r p a r t i a l l yu s e ds u b c h a n n e l i z a t i o n q u a d r 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 d r a t u mp h a s es h i f ik e y i n g x i 中文释义 加性高斯白噪声 比特误码率 码分多址接入 载波频率偏移 循环前缀 离散傅立叶变换 扩展高斯函数 频分多址接入 快速傅立叶变换 全部占用子信道 保护间隔 载波间干扰 快速傅立叶逆变换 等方正交变换算法 符号间干扰 视距 多址接入干扰 多载波调制 最小均方误差 非视距 正交频分复用 正交频分多址接入 偏移正交幅度调制 部分最小均方误差 部分占用子信道 正交幅度调制 正交相移键控 n a 久 l e 江江m因 职一 口肿 耋 肿一q砑唧胁瑚潞眦一一一一一一一一删畔 缩略词表 s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ef r e q u e n c yl o c a l i z a t i o n t y p i c a lu r b a n w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i 够f o rm i c r o w a v ea c c e s s w i r d e 韶l o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sm e t r o i t a na r e an e t w o r k w t r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k z e r of o r c i n g x 串行干扰消除 信号干扰噪声比 信干比 信噪比 时分多址 时频局域化 典型城市 微波存取全球互通 无线局域网 无线城域网 无线区域网 迫零 啦 考 g 軎 一 吼 阿 一 砑 主要数学符号表 符号类别 变量 矢量 矩阵 转置运算 共轭运算 共轭转置运算 卷积运算 取实部运算 取虚部运算 单位矩阵 主要数学符号表 由矢量元素构成对角矩阵d i a g a 字体 说明或用法 小写斜体 小写粗斜体 大写粗斜体 t h r e i m 对角元素为1 而非对角 元素为的0 的mx m 阶方 阵 将mx l 阶矢量口的元素 排放到全零方阵的对角 线上构成的新方阵 铡 臼 似 一硎 口 4 彳 事 p n h 厶 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 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 为获得电子科技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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 岌 牡 日期 年6 月 e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 导师签名 j 鳖丝 日期 跏矛年占月 口日 第一章引言 1 1 研究背景与意义 第一章引言 随着信息产业的飞速发展 通信技术与计算机技术的融合已成为必然趋势 而因特网的出现则加速了两种技术的融合 全球通信产业技术的发展呈现出三大 趋势 移动化 宽带化和m 化 互联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求 宽带用户数量在全球呈现出非常强劲的增长态势 在众多的宽带技术中 无线技 术尤其是移动通信技术成为近年来通信技术市场的最大亮点 是构成未来通信技 术的重要组成部分 当前支持宽带无线接入的w i m a x 技术受到了业界的普遍关 注 w i m a x 技术是基于无线城域网 w m a n 标准的宽带无线技术 可以在固 定和移动的环境提供高速的数据 语音和视频等业务 具有广阔的应用前景 作 为i e e e8 0 2 1 6 e 标准的主流技术 o f d m 正交频分复用 和o f d m a 正交频分 多址接入 技术被广泛地应用到系统的物理层中 特别是后者 它是支持移动性 的i e e e8 0 2 1 6 e 标准的基础 因此 对于o f d m a 技术的研究具有很重要的现实 意义 近年来 o f d m a 系统作为一种新的多址接入技术受到了极大关注 在 o f d m a 系统中 相邻的多个子载波被分配给不同的用户使得用户并行低速传输数 据 其子载波相互重叠且正交 所以避免了载波间干扰 i c i 的产生 同时也抑 制了多用户带来的多址接入干扰 m a d 本文重点关注基于w i m a x 技术的子载 波交织分配的o f d m a 上行链路系统 o f d m a 是在o f d m 技术的基础上发展起来的 在数字音频广播 d a b l 数字视频广播 d v b 2 1 无线局域网 i e e e8 0 2 11 系列 h i p c r l a n 2 3 和数 字用户线 x d s l 4 等领域中 o f d m 都得到了广泛的应用 但o f d m 技术一般 应用于单向广播通信之中 而大多数的实际通信系统都是支持多用户并发通信的 通过为每个用户分配这些子载波组 即子信道 中的一个或者几个子载波组 就 得到了一种新的多址接入技术o f d m a o f d m a 类似于常规的频分多址接入 f d m a 但o f d m a 不需要f d m a 中 必不可少的保护频带 从而避免了频带的浪费 同时还允许子载波间有一定重叠 提高了子载波利用率 此外 o f d m a 的分配机制非常灵活 可以根据用户业务量 电子科技大学硕士学位论文 的大小动态分配子载波的数量 并且可以在不同的子载波上使用不同的调制阶数 及发射功率来减少干扰 增加传输效率 因而可以达到很高的频谱利用率 在传统的串行单载波传输系统中 数据逐符号通过多径信道 当信道的最大 多径时延很大时 系统需要进行均衡来消除符号间干扰 i s i 而在并行o f d m 传输系统中 数据并行经过多径信道 信道的最大多径时延远小于o f d m 的符号 长度 系统中存在的码间干扰大大减小 如果再加上循环前缀 c p 就可以忽略 码间干扰的影响 多载波的并行传输使得信号在经过信道时 每个子载波可以看 作经过一个平坦衰落信道 在接收端只要估计出每个子载波上的衰落因子 就可 以进行简单的单抽头频域均衡 这使得在频率选择性衰落信道条件下o f d m 多载 波系统要比单载波系统占有复杂度方面的优势 这也是o f d m 系统得以广泛应用 的一个重要原因 无线信道通常存在着时间和频率两个维度上的色散 时间上的色散会破坏 o f d m 相邻符号间的正交性 在o f d m 系统中产生i s i 与此同时 频率上的色 散会破坏o f d m 相邻子载波间的正交性 从而产生i c i 由于o f d m 符号长度本 身己经很长 如果加入适当长度的循环前缀 i s i 能够在很大程度上被消除 但是 传统的o f d m 系统对于频率色散却没有太好的方法来消除 使得o f d m 系统对于 多普勒频移较为敏感 从而导致系统中误码平台 e r r o rf l o o r 的产生 5 在o f d m a 系统中 各个用户的多普勒频移不仅会引入i c i 还会引入m a i 使得系统性能恶化 尤其在上行链路 每个用户具有不同的移动速度 多普勒频 移也不同 相比单用户系统具有更大的挑战性 本文对o f d m a 系统中的i c i 和 m a i 进行了综合分析 并将o f d m a 系统简化到o f d m 模型中来一并处理i c i 和 删 现有的i c i 消除方法有几种 干扰自消除算法 频域抽头滤波算法 频域整体 均衡算法和匹配滤波算法等 其中 干扰自消除算法和频域抽头滤波算法能有效 降低i c i 的影响 但是在信噪比高的时候性能改善不是很快 频域整体均衡算法性 能最好 通过迫零 z f 均衡或者最小均方误差 m m s e 均衡能将i c i 或者加 上噪声影响 降到最低 但是这种方法要求规模很大的矩阵求逆运算 算法复杂 度很高 利用i c i 的能量分布特点 结合t u r b o 迭代思想 在经典m m s e 算法的基础 上 本文提出一种基于任意子载波分配的串行干扰消除算法 能够很好地消除i c i 和m a i 并将几种算法进行对比 当子载波数目很大时 改进算法的系统运算复 杂度大为降低 误码率性能也得到保障 2 第一章引言 传统的c p o f d m 系统由于引入循环前缀 降低了信道信息容量 而且时域 上的矩形脉冲导致了频谱的浪费 基于此 本文接着研究了一种新型的多载波系 统o f d m o q a m 系统 其脉冲成形考虑了信道的时频特性 经过时频局域化 t f l 处理 能够较好地抵抗i s i 和i c i 并克服了c p o f d m 系统的两个固有缺陷 本 文的o f d m o q a m 系统采用f f t 结构实现 系统复杂度在可实现范围内 本文 还对c p o f d m 系统和o f d m o q a m 系统在几种信道环境下的误码率性能进行了 比较 可以预见 将o f d m o q a m 技术融入到o f d m a 系统中的应用前景非常广 泛 本课题的工作是在华为公司的项目资金支持下完成 1 2 多载波调制技术与多址接入技术简介 1 2 1 多载波调制技术简介 多载波调制 m c m 技术1 6 1 的原理在于把高速串行数据流转换为多个低速并 行数据流 每个子数据流分别调制到相应的子载波上 在单载波系统中 一次衰 落或者干扰就可能导致整个链路失效 而在多载波系统中 当子载波数m 较大时 由于变换之后的数据符号长度远大于原始数据符号的长度 某一时刻只会有小部 分的子信道会受到深衰落的影响 因此i s i 的影响被大大减小 这使得系统的均衡 器设计变得简单 一个子载波数目m 4 的多载波系统的例子如图1 1 所示 图中 的每个立方体代表一个信号的三维时间 频率 功率密度范围 其中每一串行数据符 串行数据 波五 载波 i 二 r 么变换么 一r1 d一 1 0 拶 一 a 一 rk y a 并行数据 图1 1 多载波传输系统的一个示例图 多载波调制技术有多种具体实现方法 如正交频分复用 o f d m 离散多音 3 瓦m 互 足满系 献委凳 两 子载波 子载 互 子 为度长号符据数行并 一 每 瓦 为度长号 电子科技大学硕士学位论文 调制 d m t 和多载波调制 m c m 等 其中o f d m 技术是一种特殊的多载波 调制方法 其子载波之问保持相互 f 交 多载波系统的子载波间主要有3 种不同的设置方案 第1 种是传统的频分复 用 f d m 将整个频带划分成 个不重叠的子带 在接收端用滤波器组进行分离 这种方法的优点是简单 直接 缺点是频谱的利用率低 子信道之间需要留有保 护频带 而且多个滤波器的实现也有不少困难 第2 种采用偏置q a m s q a m 技术 在3d b 处载波频谱重叠 其复合谱是平坦的 子带的正交性通过交错同相 或正交子带的数据得到 即将数据偏移半个周期 第3 种方案即o f d m 各子载 波有1 2 的重叠 但保证相互正交 在接收端通过相关解调技术分离出来 避免使 用滤波器组 同时使频谱效率提高近1 倍 与传统的调制技术相比 o f d m 技术是一种多载波数字调制技术 它的应用 己经有4 0 年的历史 第一个o f d m 技术的实际应用是军用的无线高频通信链路 由于实现的复杂程度以及相关技术的发展状况 o f d m 技术在相当长一段时间内 的发展是比较慢的 近年来 随着超大规模集成电路 d s p 和软件无线电等相关 软硬件的技术发展 o f d m 技术的重要性被人们所重新认识 1 2 2 多址接入技术简介 在多用户系统中 各个移动台发出的信号应具有各自独立的特征以便于相互 区分 避免相互干扰 解决这一问题的技术即称为多址接入 m u l t i p l e a c c e s s 技 术 7 1 常用的多址接入方式有三种 分别是时分多址接入 t d m a 码分多址接 入 c d m a 和频分多址接入 f d m a 多载波调制技术可以很容易与多种多址接入技术相结合 为多个用户同时提 供接入服务 o f d m 技术与多址接入技术相结合 分别可以构成o f d m t d m a o f d m c d m a 和o f d m f d m a 技术 1 2 2 1o f d m t d m a 在o f d m t d m a 系统 8 中 信息的传送是按时域上的帧来进行的 每个时间 帧包含多个时隙 每个时隙的宽度等于一个o f d m 符号的时间长度 有信息需要 传送的用户根据各自的需求可以占用一个或多个o f d m 符号 每个用户在信息传 送期间 将占用所有的系统带宽 即该用户的信息可以在o f d m 的所有子载波上 进行分配 o f d m 系统中的t d m a 接入方式与在单载波系统中相似 o f d m 只是 作为一种调制技术 i e e e8 0 2 1 l a 以及h i p e r l a n 2 等就是采用这种方式 4 第一章引言 1 2 2 2o f d m c d m a 在o f d m c d m a 系统 9 中 多载波调制技术与扩频技术结合的方法可分为两 类 频域扩频和时域扩频 频域扩频通常称为m c c d m a 在m c c d m a 系统中 一个原始数据符号通 过扩频后 成为多个码片 每个码片在一个子载波上传输 这样一个符号的信息 就在多个子载波中并行传输 时域扩频有两种不同的构成方法 m cd s c d m a 和m t c d m a 两者的基本 原理相似 地址码将数据符号在时间上进行扩展 每个子载波上传送的是一个直 接序列扩频信号 两者的差别在于 m cd s c d m a 最后实际形成的是正交多载波 时间扩展信号 而m t c d m a 的子载波之间则是非正交的 需要注意的是 当扩频系数s f 1 时 m c c d m a 就变成了o f d m 而m c d s c d m a 则变成了d s c d m a 从这里也可以看出频域扩频和时域扩频之间本质 的区别 1 2 2 3o f d m f d m a o f d m f d m a 1 0 也简称为o f d m a 是建立在o f d m 基础上的一种接入技 术 与传统的f d m a 很类似 它通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实 现多用户接入 也就是每个用户分配一个o f d m 符号中的一个子载波或一组子载 波 以子载波频率来区分用户 与f d m a 的不同之处在于 o f d m a 不需要在各 个用户频率之间采用保护频段去区分不同的用户 从而大大提高了系统的频谱利 用率 o f d m a 有很多方法来给用户分配子载波 使用最广泛的有两种 1 1 连续分 组子载波和交织分配子载波 连续分组子载波是最简单的一种分配方式 它将整 个带宽分配成多个连续的子载波组 即子信道 每个组里有相邻连续的子载波 给每个用户分配一个或者多个子载波组来传输数据 这种分配方式与传统的 o f d m 相似 实现比较简单 且相邻子信道干扰较少 但是在频谱资源使用效率 及子载波多样性上存在一定局限性 而交织分配子载波方式中 子载波交织分配给每个子载波组 每个子载波组 的子载波分布存在于整个带宽上 并且有相同的子载波带宽 然后给用户一个或 者几个子载波组进行数据传输 相对于第一种分配方式 第二种有更高的频谱使 用效率以及更高的子载波多样性 但是这种方法会导致系统对子信道间的干扰较 为敏感 5 电子科技大学硕士学位论文 图1 2 和图1 3 分别给出这两种分配方式的示意图 其中 u o u 一1 代 表用户 用户0用户1用户u i i l广一一一一 广一一 一 l jijijiji jijijijiji 图l 2o f d m a 连续分组子载波 用用用用用用用用用 户产产产产p 产产户 ol弘lolu l0l弘l jijijij ij ijijijlji 一 图1 3o f d m a 交织分配子载波 在o f d m a 的基础上 很容易结合跳频技术构成f h o f d m a 1 2 从而利用干 扰平均来提高性能 i e e e8 0 2 1 6 a 中定义了三种工作模式 单载波 o f d m t d m a 和o f d m a 其中的o f d m a 方式采用了间隔扩展方式 并使用了跳频技术 在 很多情况下 也常将o f d m a 与o f d m t d m a 相结合 以时频块来区分用户 从 而获得更大的灵活性 o f d m a 与跳频技术相结合 即在每个时隙中 根据跳频图样来选择每个用户 所使用的子载波频率 这样允许每个用户使用不同的跳频图样来进行跳频 从而 可以利用跳频的优点为o f d m 系统带来好处 与直扩c d m a 或者m c c d m a 相 比 跳频o f d m a 系统的最大好处在于为小区内的多个用户设计正交跳频图样 从而可以相对容易地消除小区内的干扰 o f d m a 系统结构如图1 4 所示 在o f d m a 系统中 来自不同用户的数据流 首先进入队列缓存 然后根据一定的子载波分配算法被分配到不同的子载波上 由于无线信道的时变特性 算法要依据从各个用户反馈回来的信道状态进行资源 分配 同时也确定了每个子载波的调制编码方式 然后进入 f t 单元 实现o f d m 6 第一章引言 调制 在接收机一侧 用户对数据进行相反的操作 一 一一 一 一 一一 一 一 一一一 1 1 3 论文的工作安排 图1 4o h m a 系统结构框图 o f d m a 技术秉承了o f d m 的许多显著优点 但是在时变信道环境中 各个 子载波间正交性的保持以及多用户之间的干扰影响却是一个有待研究和解决的问 题 如何分析和解决由信道时变特性带来的i c i 以及m a i 正是本文所力图解决 的问题 本文共计五章 第二章首先引入基于c p 的o f d m 系统的基本模型 并对子 载波间的正交性进行了证明 然后引入时交多径信道模型 并对一种抽头延时线 模型c o s t 2 0 7 在t u 环境下的信道参数进行了概述 考虑到o f d m 的i c l 分析是 o f d m a 的i c l 分析的基础 接着给出时变多径信道下i c l 分量的时域和频域表达 式 还指出影响i c i 大小的信道参数和与之相关的o f d m 信号参数 并对i c i 干 扰信号的能量分布进行了研究 第三章首先介绍o f d m a 技术在w i m a x 标准中的应用 给出了o f d m a 上 行链路p u s c 的子载波分配方式 以及o f d m a 在w i m a x 标准中的典型参数 然后对o f d m a 上行链路系统进行了i c l 分析和m a l 分析 接着对现有i c i 消除 7 电子科技大学硕十学位论文 方法进行对比分析 并在此基础上 利用i c i 的能量分布特点 结合t u r b o 迭代思 想 对经典m m s e 算法进行逐次改进 提出一种基于任意子载波分配的串行干扰 消除 s i c 方案 能够很好地消除i c i 和m a i 并在o f d m a 系统中