（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信系统中上行多址接入技术的研究.pdf

摘要摘要在无线通信系统中，无论上行链路还是下行链路，都需要使用一种技术来区分不同的用户，即多址技术。频分多址、时分多址和码分多址是无线通信系统中共享有效带宽的三种主要接入技术。第一代移动通信系统所采用的多址技术就是频分多址，而时分多址在第二代移动通信系统中得到了广泛应用。随着人们对通信业务范围和业务数量要求的不断提高，宽带无线通信由于可以容纳庞大的用户数，达到高速数据传输的要求，越来越受到人们的关注，同时人们也开始研究适合宽带无线通信的多址技术。此时，基于扩频的码分多址技术开始进入第三代移动通信系统中。而在3 g 的长期演进系统l t e 及其进一步演进l t e a d v a n c e d 系统中，正交频分复用( o f d m ) 成为核心的技术，因此基于o f d m 的多址技术也成为研究的焦点。本文的目标是研究l t e a d v a n c e d 系统中的上行多址接入技术，基于已有的多址技术进行分析，研究改进的多址技术，通过分析和仿真验证，找出一种适合于l t e a d v a n c e d 的上行多址接入技术，并且研究其实现过程中的降峰均比和d f t 算法，最后给出一套完整的多址接入技术实现方案。主要研究工作如下： 对宽带无线通信中的o f d m 技术进行研究，分析o f d m a 多址接入方案，并在此基础上研究基于o f d m 扩展的多址接入方案s c - f d m a 的频域实现( d f t s - o f d m ) 方案。 l t e a d v a n c e d 作为l t e 的演进，首先分析l t e 中采用的多址接入方案能否直接用于l t e - a d v a n c e d 中，然后根据l t e - a d v a n c e d 的特点，重点研究改进的多址接入方案，找出适用于l t e a d v a n c e d 的上行多址接入技术。 针对已选的l t e - a d v a n c e d 的上行多址接入技术研究降峰均比算法，在研究已有的相位优化法和频谱成形算法基础上，对降峰均比算法进行改进，通过仿真验证，改进算法可以进一步降低峰均比，而在与已有算法获得相同峰均比性能下，可以提高频谱利用率。 针对已选的l t e - a d v a n c e d 的上行多址接入技术进一步研究d f t ( 离散傅里叶变换) 算法，对现有算法进行分析比较，通过进一步的深入研究和公式推导，提出适合于混合基的通用实现方法，并设计混合基通用的d f t 算法结构流图。 将所研究的算法加入到l t e - a d v a n c e d 上行多址接入过程中，给出一套完整的上行多址接入解决方案。关键词：多址接入，l t e - a d v a n c e d ，峰均比，离散傅里叶变换a b s 仃a c ti nw i r l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h e r ei sat e c h n i q u et od i s t i n g u i s hb e t w e e nd i f f e r e n tu s e r sf o rb o t hu p l i n ka n dd o w n l i n k , w h i c hi sc a l l e dm u l t i p l ea c c e s s t h em u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h ef i r s tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nm o b i l es y s t e mi sf d m a , w h i l et d m ai sw i d e l yu s e di nt h es e c o n dg e n e r a t i o ns y s t e m w i mt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fs e r v i c et y p ea n dq u a n t i t y ，t h 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 ng e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ra c c o m m o d a t i n gal a r g en u m b e ro fu s e r sa n dr e a c h i n gt h eh i g h - s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t a tt h es a m et i m e ，r e s e a r c h i n go l lt h em u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yg e ts t a r t e di nt h 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 dc d m ac o m ei n t o t h e t h i r dg 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 ns y s t e ma san e wm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y i nt h el o n gt e r me v o l u t i o na n dl t e - a d v a n c e ds y s t e m s ，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 ) i su s e da sak e yt e c h n o l o g y ，t h u st h em u l t i p l ea c c e s s e sb a s e do no f d mb e c o m et h ef o c u si nt h er e s e a r c h t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oa n a l y z et h eu p l i n km u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yf o rl t e - a d v a n c e d t h ep a p e rf i r s t l yd of 1 1 l t h e rr e s e a r c hb a s e do nt h ee x i s t i n ga n a l y s i so fm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y ，f i n das u i t a b l em u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yf o rl t e - a d v a n c e du p l i n kb ya r l a l y z i n ga n ds i m u l a t i n g , t h e ns t u d yp e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r )r e d u c t i o na n dd f ta l g o r i t h m sf o rt h es e l e c t e dm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y , a n df i n a l l yg i v eac o m p l e t es o l u t i o nf o rm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l ys t u d y i n gt h eo f d mt e c h n o l o g yw h i c hi su s e di nt h 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 ns y s t e m s ，t h e na n a l y z i n gt h em u l t i p l ea c c e s sb a s e do no f d n i _ o f d 【aa n dt h ee x t e n d e dm u l t i p l ea c c e s s _ s c f d m ai nf r e q u e n c yg e n e r a t i o n f t s - o f d m ) f o rl t e - a d v a n c e di sr e g a r d e da st h el t ee v o l u t i o n ，f i r s t l ya n a l y z i n gw h e t h e rt h em u l t i p l ea c c e s si nl t ec a l lb ed i r e c t l yu s e di nl t e a d v a n c e do rn o t , t h e nf o c u s0 1 1t h ei m p r o v e dm u l t i p l ea c c e s sa c c o r d i n gt ot h el t e - a d v a n c e df e a t u r e s ，a n df i n a l l yp r o p o s i n ga na p p r o p r i a t em u l t i p l ea c c e s sf o rl t e - a d v a n c e d a n a l y z i n gt h ep a p rr e d u c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h es e l e c t e dm u l t i p l ea c c e s sf o rl t e - a d v a n c e d , t h et w oe x i s t i n gp a p rr e d u c t i o na l 鲥m m s _ 讪a s eo p t i m i z e da n df r e q u e n c yd o m a i ns h a p i n gm e t h o d sa r ef i r s t l yi n t r o d u c e d , a n dt h e ns t u d y i n gt h ei m p r o v e da l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ena b s t r a c ti m p r o v e da l g o r i t h mc a nf u r t h e rr e d u c et h ep a p r , a n di m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y a n a l y z i n gt h ed f ta l g o r i t h m sb a s e do nt h es e l e c t e dm u l t i p l ea c c e s sf o rl t e a d v a n c e d ，t h ee x i s t i n ga l g o r i t h m sa r ef i r s t l ys t u d i e d ，t h e nd o i n gf l l r t h e rr e s e a r c hi nt h ee x i s t i n ga l g o r i t h m s , f i n a l l yp r o p o s i n gat t a ) m m o l lm e t h o df o rr e a l i z a t i o no fm i x e d r a d i xd f ta l g o r i t h ma n dd e s i g nt h eg e n e r a ls t r u c t u r ef l o wg r a p h so f t h ea l g o r i t h m a p p l y i n gt h ea l g o r i t h m ss t u d i e da b o v et ot h el t e a d v a n c e du p l i n km u l t i p l ea c c e s s ，a n dg i v i n gac o m p l e t es o l u t i o nf o rm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y k e y w o r d s ：m u l t i p l ea c c e s s ，l t e a d v a n c e d , p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r mn i图表目录图表目录图2 1o f d m 系统基本模型框图5图2 2o f d m 系统中子信道符号的频谱( 经过矩形脉冲成型) 6图2 3m c c d m a 发射机模型7图2 4m c d s c d m a 发射机模型8图2 5o f d m a 示意图9图2 6d f t - s o f d m 系统发送端流程图1 0图2 7 集中式映射和分布式映射1 1图2 8o f d m a 在各种调制方式下的p a p r 分布1 4图2 9s c f d m a 在各种调制方式下的p a p r 分布1 5图2 1 0o f d m a 同s c f d m a 在相同调制下的p a p r 比较1 5图3 1 用户非连续资源分配1 8图3 2o f d m a 和s c f d m a 混合传输结构2 0图3 3d f t s o f d m 集中式映射框图2 l图3 4d f t - s o f d m 和c l u s t e r e dd f t s o f d m 的频谱2 2图3 5c l u s t e r e dd f t s o f d m 的结构图2 2图3 6 “簇”变化的p a p r 分布。2 3图3 7 每个“簇”包含的资源块数变化的p a p r 分布：2 4图3 8d f t s o f d m 和n xd f t - s o f d m 的频谱2 5图3 9n xd f t s o f d m 的结构图2 5图3 1 0 分块的个数变化的p a p r 分布2 6图3 1 1 每个块包含的资源块数变化的p a p r 分布2 7图3 1 2q p s k 调制下各多址方案p a p r 比较2 9图3 1 31 6 q a m 调制下各多址方案p a p r 比较2 9图3 1 46 4 q a m 调制下各多址方案p a p r 3 0图3 1 5e p a 5 h z 信道下各多址方案性能比较3 1图3 1 6e v a 5 h z 信道下各多址方案性能比较31图4 1 加入相位优化法的仿真结构3 7图4 2 原信号同加入相位优化法后p a p r 比较3 8图4 3 频谱成形算法框图3 9图4 4 频谱成形算法仿真结构图4 1图4 5 原信号同采用各频谱成形函数p a p r 比较4 2v i图表目录图4 6 采用广义升余弦函数下不同口的p a p r 比较4 3图4 7 改进算法实现框图4 4图4 8 改进算法同各算法的p a p r 比较( 采用的滚降因子固定为o 2 5 ) 4 5图4 9 改进算法同频谱成形算法不同滚降因子以及同s c f d m a 信号p a p r 比较l ! ；图5 1 非整序混合基算法实现流图5 6图5 2 非整序混合基算法每级处理流图。5 6图5 3 非整序混合基算法同m a t l a b 中的m 函数误差比较5 8图5 4 整序混合基算法实现流图6 0图5 5 整序混合基算法每级处理流图6 1图5 6 整序混合基算法同m a t l a b 中的m 函数误差比较6 2图5 7n = 1 2 采用非整序混合基算法的结构图6 3图5 8n = 1 2 采用整序混合基算法的结构图6 4图6 1l t e a d v a n c e d 上行多址接入实现流程图6 7图6 2e p a 5 h z 信道环境下采用降峰均比和d f t 整序混合基算法同没采用算法的性能比较6 9图6 3e v a 5 h z 信道环境下采用降峰均比和d f t 整序混合基算法同没采用算法的性能比较6 9图6 4e t u 7 0 h z 信道环境下采用降峰均比和d f t 整序混合基算法同没采用算法的性能比较7 0图6 5 加入峰均比算法和没采用算法的p a p r 比较7 0v n缩略词a m 噼sc d m ad f td f t s o f d me d g ef d m af d df f tg s mg p r si f d m af tl t em 【m oo f d mo f d m ap u c c hp a p rp f as c f d m at d m au e下t | a缩略词a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e mc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r md 盯s p r e a d i n go 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 ge n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o nf 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 sf r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e xf a s tf o u r i e rt r a n s f o r mg l o b ms y s t e mf o rm o b i l eg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c ei n t e d 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 si n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o i ml o n gt e r me v o l u t i o nm u l t i p l ei n p u tm u h i p l eo u t p u to 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高级移动电话系统码分多址离散傅里叶变换基于离散傅里叶变换扩频的正交频分复用增强型数据速率g s m 演进频分多址频分双工快速傅里叶变换全球移动通信系统通用无线分组业务交织频分多址快速傅里叶逆变换长期演进多输入多输出正交频分复用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 正交频分多址接入m u l t i p l e x i n ga c c e s sp h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e lp e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i op r i m ef a c t o ra l g o r i t h ms i n g l ec a r r i e rf d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s su s e re q u i p m e n tw i n o g r a df o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m3 g p p3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c tv m物理上行控制信道峰均比素因子算法单载波频分多址时分多址用户设备w i n o g r a d 傅里叶变换算法第三代合作伙伴计划第一章绪论第一章绪论本章概述了宽带无线通信系统及多址接入技术，介绍了本课题研究的意义以及论文结构。1 1 宽带无线通信系统概述通信是现在人们生活中不可缺少的部分，由此产生了各种移动通信系统的研究。2 0 世纪2 0 年代，移动通信技术开始发展，到2 0 世纪7 0 年代中期，移动通信迎来蓬勃的发展。1 9 7 8 年年底，美国贝尔实验室成功研制出高级移动电话系统( 舢旧s ) ，建成了蜂窝状模拟通信网，有效地提高了系统容量，并且开始在世界各地得到迅速发展【l 】。这一阶段所诞生的移动通信系统称为第一代移动通信系统，以模拟制式作为信号的传输手段，其能支持的业务仅限于语音通信。随着2 0 世纪8 0 年代起数字通信的到来t 2 l ，人们开始研究基于数字技术的第二代( 2 g ) 移动通信标准和系统，有效地提高了系统容量和通信质量。2 0 世纪8 0年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ) 。在第二代移动通信系统向第三代( 3 g ) 移动通信的过渡中，以g p r s ( 通用无线分组业务) 、e d g e ( 增强型数据速率g s m 演进) 为代表的2 5 g 系统诞生，其更高的速率传输数据业务为人们带来更快捷方便的服务。目前广泛使用的数字移动通信系统就是第二代移动通信系统。第二代移动通信系统的设计主要针对话音和低速率的数据业务，但随着不断提高的通信业务范围和业务速率要求，新的业务要求在已有的第二代移动通信网上很难得到满足。为适应新的市场需求，人们开始发展第三代移动通信系统。其能够在室内环境下提供最高为2 m b i t s 的数据率，在高速移动环境下，提供1 4 4 b i t s的数据率。从核心网上看，3 g 系统还没有完全脱离第二代移动通信系统的结构，所以普遍认为3 g 系统仅处于从窄带系统向未来宽带移动通信系统过渡的阶段。由于可以容纳庞大的用户数，达到高速数据传输的要求，宽带无线通信越来越受到人们的关注。宽带无线通信技术包括宽带移动通信技术和宽带固定无线接入技术。从发展角度看，宽带移动化和移动宽带化是未来无线移动通信的发展趋势，传统的蜂窝移动通信系统将会朝更宽的带宽以及分组业务发展。从技术层面上将3 g 系统和宽带无线通信系统进行比较，3 g 系统主要以c d m a ( 码分多址)重庆邮电大学硕士论文为技术核心，而在3 g 以后的b 3 g ( b e y o n d3 g ) 、4 g 宽带移动通信系统中，正交频分复用( o f d m ) 技术成为关注的焦点【3 】。1 2 多址技术介绍在移动通信系统中，三种常见的多址技术为：频分多址、时分多址和码分多址，下面将对这三种多址技术进行简单介绍。1 2 1 频分多址( f d m a ) 技术频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道( 信道) ，这些信道按要求分配给不同的用户使用。在频分双工( f d d ) 系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站向移动台的下行信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站的上行信道。这样，利用频道和移动用户之间的一一对应关系，只要知道用户占用的频道号即可实现选址通信。f d m a 系统的特点为1 4 1 ： 每个信道占用一个载频，因此相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽要求。由于频谱资源有限，因此为扩大用户容量，一般都希望间隔越窄越好，也就是说f d m a 通常在窄带系统中实现。 在f d m a 方式中，每个信道传输的信号速率较低，因此符号时间与平均延迟扩展相比很大，所以在数字信号传输过程中，由码间干扰引起的误码较小，因此窄带f d m a 系统中不需要自适应均衡。 基站设备较复杂。基站有多少信道，就需要多少部收发信机，同时需用天线共用器，功率损耗较大、容易产生信道间的互调干扰。 越区切换较为复杂和困难。1 2 2 时分多址( t i ) m a ) 技术时分多址是在一个宽带无线载波上，将时间分成周期性的帧，每一帧上再分成若干个时隙( 帧和时隙都必须互不重叠) ，每个时隙对应一个通信信道，分配给一个用户。系统根据一定的分配原则，可以保证各个移动台每帧内只按规定的时隙向基站发送信号，在定时和同步精确的条件下，基站可以在各个时隙中接收到来自各移动台的信号而没有干扰。从而根据时隙号可以区分不同用户的数据。与前面不同的是，时分多址对任何一个用户而言发射都是不连续的，而是突发信号。t d m a 系统的特点为【4 1 ：2第一章绪论 传输速率高，因此会增大码间干扰，所以接收端必须采用自适应均衡技术。 基站复杂性减小。n 个时分信道共用一个载波，占用相同带宽，只需要一部收发机，互调干扰较小。 相比f d m a ，抗干扰能力强，频谱利用率高，系统容量大。由于其不连续地突发式传输，因此越区切换较简单。1 2 3 码分多址( c d m a ) 技术c d m a 的技术基础是直接序列扩频技术，通过利用不同的正交扩频码来区分不同用户的信号。因此c d m a 通信系统既不区分频道又不分时隙，是基于码道分割的，从频域和时域上来看，多个c d m a 信号之间相互重叠。在接收端，只要知道用户采用的正交扩频码，就可以对本用户信号进行检测。c d m a 系统的特点【4 】： c d m a 系统用户共享同一频率。 通信容量大，理论上信道容量完全由信道特性决定，但实际很难达到理想情况。c d m a 是干扰限制性系统，任何干扰的减少都可以直接转化为系统容量提高。 容量的软特性：f d m a 和t d m a 系统中同时可以接入的用户数固定，而d s c d m a 系统中，多增加一个用户只会导致通信质量下降，但不会出现硬阻塞情况。 信道数据传输速率较高。 平滑的软切换和有效的宏分集。当移动台处于小区边缘时，同时有两个或以上的基站向该移动台发送相同的信号时，移动台的分集接收机能同时接收并且合并这些信号，此时处于宏分集状态。 低信号功率谱密度。可以获得的好处为：具有较强的抗窄带干扰能力。 存在多址干扰和远近效应的问题。1 3 课题研究的意义以及论文安排近年来，随着3 g 系统逐步进入商用，各国都开始加大对下一代移动通信系统( b 3 g 4 g ) 的研究力度。b 3 g 4 g 无线通信系统被认为是比3 g 具有更高传输速率的系统，并且在各种信道环境下仍能为用户提供各种业务。在b 3 g 4 g 系统中，要获得更高的数据速率，现有多址接入技术却由于存在一些固有的问题变得难以实现【5 】。具体来说，对于d s c d m a 系统，当宽带高数据速率传输时，由于系统带宽远远大于相关带宽，大量衰落路径( 如2 0 条) 会出现。此时r a k e 接收机就变得重庆邮电大学硕士论文非常复杂而很难实现，从而导致接收端不能获得足够的分集增益。因此，要获得更高的传输质量、传输速率和频谱利用率，必须采用新的多址技术来代替现有技术，由此人们开始关注o f d m 系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而满足带宽要求更高的各种多媒体业务，并达到更快的网络浏览速度。基于以上分析，本文研究l t e a d v a n c e d 系统中的多址接入技术，由于在针对l t e - a d v a n c e d 系统的技术提案讨论中考虑到l t e 系统的兼容，确定其采用的下行多址接入方案与l t e 系统相n t 6 1 ，所以本文并没有研究l t e a d v a n c e d 系统的下行多址接入。上行多址接入技术则由于l t e a d v a n c e d 系统自身的特点，导致l t e 系统的上行多址接入方案不再适用，需要进一步研究，因此本文目的是研究l t e a d v a n c e d系统中的上行多址接入技术，从而为l t e a d v a n c e d 技术进一步研究开发奠定基础。全文共分为七章，具体安排如下：第二章研究了基于o f d m 的多址接入技术，并分析其优缺点，针对s c f d m a多址的频域实现进行了详细的研究，最后分析l t e 系统中采用的多址技术。第三章研究了l t e a d v a n c e d 系统中的上行多址接入技术，分析了在l t e a d v a n c e d 系统中，研究上行多址接入的动机，针对几种改进的多址接入技术进行研究，最后仿真比较p a p r 和链路性能，给出适合于l t e a d v a n c e d 系统的上行多址接入技术。第四章研究了基于已选多址方案下的降峰均比技术，对现有的算法进行研究，仿真其p a p r 性能，分析其各自优缺点，并在此基础上进行改进，设计改进方案的处理过程，最后进行仿真验证。第五章研究了基于已选多址方案的d f t 算法，对已有算法进行进一步的公式推导，提出适合于混合基的通用实现方法，并对算法进行设计，仿真验证两种算法的正确性，最后对两种算法进行比较，选择较优算法。第六章对前面的方法进行总结，给出一套完整的实现方案。第七章总结全文，指出下一步要进行的工作。4第二章宽带无线通信系统中的多址技术第二章宽带无线通信系统中的多址技术在宽带无线通信系统中，o f d m 技术由于其频谱利用率高、抗频率选择性衰落能力强等优点成为其关键技术，同时基于o f d m 的多址技术也成为研究的重点。本章首先介绍o f d m 技术的基本原理及实现过程，接着介绍基于o f d m 的多址接入技术，分析各种多址技术的优缺点及存在的问题，最后介绍了在l t e 系统上行和下行采用的多址接入技术，并分析其采用的原因。2 1o f d m 技术o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代就已经提出，由于采用模拟载波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来。2 0 世纪7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出了采用离散傅里叶变换( d f t ) 来实现多载波调制，从而为o f d m 的实用化奠定了理论基础【7 】；8 0 年代，l j c i m i m 首先分析了o f d m 在移动通信应用中所存在的问题，并提出了解决方法【剐，使得o f d m 在移动通信中的应用得到快速的发展。o f d m 技术的具体描述如下【9 】：o f d m 即正交频分复用，是一种多载波调制技术，其基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于o f d m 将宽带传输转换为多个载波上的窄带传输，因此在每个子载波对应的子信道上，可以看成是平坦衰落信道，所以o f d m技术可以有效地抵抗信道频率选择性衰落。而加入循环前缀作为保护时隙，可以避免由多径带来的子载波间干扰。o f d m 系统实现框图如图2 1 所示：j 扣一蚓鼢f _i i 暑。，叫l i量扣叫州鼢r -串，并+爿三卜并，串_站去一晔图2 1o f d m 系统基本模型框图重庆邮电大学硕士论文实现过程描述如下：首先经过串并变换，把数据流分解为多个并行的数据，对每个数据进行不同的子载波调制，各子载波之间满足正交关系，最后将所有调制后的数据叠加形成o f d m 符号。根据前面分析可知，一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，因此一个周期内的o f d m 符号可以表示为：。s ( t ) - d i r e c t ( t - t s 一每) e x p j 2 丌咕) o 一) 】，j + 丁式( 2 1 )s o ) = 0t r + 其中n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，也是单个子载波调制符号的时间。4 ( f = 0 ，1 ，n 一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，第0 个子载波的载波频率设为0 ，r e e t ( t ) = 1 ，iri 获得频率分集来提高系统性能；由于各个并行子信道载波间相互正交所以信号的调制和解调均可以用f f t 来实现从而降低系统复杂性； 在各个子信道中码片展宽，容易实现扩频序列的同步，而且有效地减少了符号间干扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) 。还需要解决的问题： 减少信号的峰值平均功率比； 各子信道的时间、频率的准确同步问题； 需进一步减少在多用户环境中的同信道干扰。2 3m c d s c d m am c d s c d m a 由多伦多大学的v d a s i l v a 和e s s o u s a l 提出【1 1 。这种方案是从时域上完成数据信号的扩频。其基本过程是：发射数据序列首先经过串并变换变成c 路并行输出，然后将并行的每路数据进行相同的短扩频码扩频，最后对这c路数据进行o f d m 调制。扩频后的相邻子带间有1 2 的重叠，并且保持正交关系。由于扩频后的信号带宽被限制在一个子带中，因此一般选择较短的扩频序列。m c d s c d m a 这种方案引入了o f d m 信令，有助于建立同步信道，因此它适合于上行通信链路。图2 4 表示m c d s c d m a 的发射机的基本模型。c “1o愚。7 y y7；拳c ( f )7 y y7串并并阿富变变换换札一1 杰c ( f )7 y yr图2 4m c d s - c d m a 发射机模型m c d s c d m a 的优点是利用了多载波调制并行传输的特点，相对于单载波d s c d m a 可以降低扩频码的码片速率。在接收机理想同步、扩频码完全正交时，m c d s c d m a 没有多址干扰。8第二章宽带无线通信系统中的多址技术但由于不同子载波上传输不同的数据，m c d s c d m a 不具有频率分集增益。m c d s c d m a 扩频后的信号带宽被限制在一个子带中，因此只能使用较短的扩频序列，扩频码的长度受到限制。2 4o f d m ao f d m a 是l t e 系统采用的下行多址方案【1 1 1 ，它是基于0 f d m 技术，将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过把不同的子载波集分配给不同的用户，将可用带宽灵活地在不同移动终端之间共享，从而避免不同用户间的多址干扰，图2 5 为o f d m a 示意图。o f d m a 方案是将总资源在频率上进行分割来实现多用户接入，是一种通过频率来区分各用户的多址接入方式，它与传统的f d m a 多址方式的区别在于不同用户之间不再需要保护带宽从而有效地提高频谱利用率。翱城心蕊心沁心蕊沁心蕊忒蕊心瀵心心蕊沁心蕊蕊蕊心蕊蕊汰心蕊蕊心重庆邮电大学硕士论文采用o f d m a 多址技术的优点为：频谱效率高：带宽扩展性强；抗多径衰落：自适应地频域调度。而需要进一步解决的问题：峰均比( p a p r ) 过高的问题；时间和频率同步。2 5s c f d m a 频域实现( d f t s o f d m )单载波频分多址( s c f d m a ) 有两种实现方式：交织频分多址( i f d m a ) 和d f t s o f d m ( d f t 扩展的o f d m ) ，其中d f t s o f d m 系统是s c f d m a 系统的频域实现方式，是基于o f d m 的一种改进技术，本文将重点研究。d f t s o f d m 技术将传输带宽分为正交的子载波集合，并将不同的子载波集合分配给不同的用户，系统传输带宽可以灵活地在多用户之间共享，同时由于信号在频域的正交性，避免了系统中的用户间多址干扰。图2 6 为d f t s o f d m 系统发送端流程卧1 1 】，下面分析系统的基带模型。首先假定系统中有m 个不同的用户同时发送信号，每个用户分别分配l 个不同的子载波，系统总的子载波个数为札= l x m ，每个用户分配到各自子载波上的数据是经过编码调制后的符号序列d ，伽) ，z = 0 ，三一1 。l 个调制符号通过d f t 变换，将每个符号都扩展到系统的l 个子载波上，从而得到了频域上的l 个复值传输符号s 伽) ，= 0 ，l 一1 。d f t 变换的表达式可以表示为：一业s t子载波映d f ti f 丌射图2 6d f t - s o f d m 系统发送端流程图l - 1s 埘= q e 伽m 工，：o ，l 一1式( 2 3 )v = 0从发送端流程图来看，日肼) 经过d f t 变换得到其频谱，然后经过子载波映射之后进行i f f t 变换则得到s c f d m a 符号。子载波映射决定了频谱中哪部分用于传输信息，而这是通过在上端或者下端插入合适数目的“0 ”来实现的。频谱资源的分配有两种方式：( 1 ) 集中式映射，即d f t 的输出映射到连续的子载波上：( 2 )分布式映射，即d f t 的输出等距离地映射到离散的子载波上。分布式映射使得子载波之间的相关性变小，这样系统可以获得更大的频率分集增益。图2 7 所示为集中式映射和分布式映射。1 0第二章宽带无线通信系统中的多址技术。 三l：d f 警输_ i f f t出：。匪d f t 的输出i f f t图2 7 集中式映射和分布式映射从图2 6 可以看出，d f t s o f d m 与o f d m 系统的区别在于前面多了一个d f t预编换，因此才称为d f t 扩展的o f d m ，其主要的优势在于峰均比较小，具有单载波特性，但是从发送端的流程图是无法得出来的，本文将通过公式推导两种映射方式产生的s c f d m a 信号，分析其单载波特性和峰均比较小的原因，下面将分别进行介绍。2 5 1 集中式映射s c f d m a 信号产生假设用户m 的频谱信号s 枷) 从第n 个子载波开始映射到连续的子载波上，得到 & ) ，则有【1 2 】：咖：js ：= 胚腿“肛1式( 2 4 )l00 | 刀，三+ 刀k m - 1令f = m x ，+ g ，其中0 s 1 ，l l ，并且0 s g m 一1 。则将映射之后的频谱信号 墨伽) 通过i f f t 变换得到的时域信号可以表示为：墨阳) - 档g = 吉瓯伽p 业柏mv ck - - o= 玄主1n 荟c - i 靠m= 万1z 1l 刍+ n - 1 蹦叱m ) ，c= l ，e j 2 z n ( 岫帆l - is 肺) p 伽，心m三- 1 - 0 当g = 0 时，则( 2 5 ) 式化简为：墨( “k 面1z 1 扩，。荟l - is ( m ) e j 2 x l 万1e j 2 x m , l l 乜肿)lml怎mv式( 2 5 )式( 2 6 )茬重庆邮电大学硕士论文当g o 时，因为s 肘) = l - i 朋) p 川石咖厄，代入( 2 5 ) 式得：墨伽) - 二三e j 2 1 m ( m v + q ) n , mld p 伽p 叩批p 删7 也- i = 0 - p = op抄州虬篁( l - ip ( v - p ) 1 瓦q m)三厶p = o ，、缶。7=持伽帆驴l-i两1-ej27t(v-p)ej21rq2j 旨圭p ，2 月n ( 肺，+ g y 虬茎d ，m ：二二三；i 三；i 三鼍2ml 三e j 2 1 t n 脚帆以y v t _ 式( 2 7 舯矿2 矽l - 1 毒南j 2 t t ! 。从式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可以看出，在g = 0 处，得到原信号值，而在g 0 时，得到的值是在原信号值上的过采样内插1 2 】【1 3 】，同式( 2 1 ) 相比，产生的信号没有多载波叠加的过程，而是单个载波调制的过程，因此避免了o f d m 系统中的多载2 5 2 分布式映射s c f d m a 信号产生将用户m 的频域信号经过分布式映射后通过i f f t 变换到时域，则用户朋的时域信号可以表示为：岛r a - l - - y 。s , 桫石碡7 心式( 2 8 )由于分布式映射，产生的频谱信号s ”等间隔地分布在系统总的子载波上，毗牡嚣肌m令k = l xm + m ，0 系统带宽1 4 m h z ，分配的资源块数为6 采用q p s k 调制、1 6 q a m 和6 4 q a m 调制分别仿真了o f d m a 、s c f d m a 的p a p r 分布及两者的比较，结果如下：8叱乱基金乱叠荽图2 8o f d m a 在各种调制方式下的p a p r 分布1 4第二章宽带无线通信系统中的多址技术。叱正乱叱正正r正星正正金也乱芑正p a p r 0 ( d b )图2 9s c - f d m a 在各种调制方式下的p a p r 分布；ji 恧 | ：鲨a 巨# i 三享；乳卫；三；至1 1 1 一季1 、兰蠢；至蔫；一基基菇；l ；一|xq一一 一。一|￥一f! ：! ：蔑。一一1 l一i11一一一l 一一一一一_ 一一_。一一弋一、一1下p a p r o ( d b )图2 1 0o f d m a 同s c f d m a 在相同调制下的p a p r 比较1 5重庆邮电大学硕士论文从上面的仿真图，可以得出以下结论：( 1 ) o f d m a 多址方式下的p a p r 与调制方式无关。( 2 ) s c f d m a 多址方式下的p a p r 随着调制方式的增大而增高。( 3 ) o f d m a 的p a p r 比s c f d m a 的p a p r 高。从文献【1 7 】【1 8 1 看，结论与这里得到的仿真结果相同。2 7 本章小结本章首先介绍了基于o f d m 技术的各种多址接入方