（通信与信息系统专业论文）基于mbofdmuwb系统窄带干扰抑制方法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 超宽带( u w b ) 技术以其高速率、高性能、低成本、低功耗等特点成为短距离无线 通信极具竞争力的技术之一。目前，关于超宽带的两大主流标准分别是基于直接序列扩 频的d s - u w b 方案和基于o f d m 技术的m b o f d m u w b 方案。本文重点研究基于 m b 0 f d m u w b 系统的窄带干扰抑制方法。 本文通过对o f d m 技术和m c c d m a 技术以及u w b 信道模型的研究，提出了一 种基于正交扩展与交织的窄带干扰抑制方案，并且针对干扰强度较大、影响范围较广的 情况提出了基于m c c d m a 的增强方案。正交扩展与交织将子载波传输的编码比特流 扩展到相应子带的所有子载波上，然后再将各子载波传输的扩展数据流在所有的子带间 进行交织，这样充分利用了系统子载波和子带之间的频率分集性，大大增强了 m b o f d m u w b 系统抗窄带干扰的能力；基于频率分集的思想，m c c d m a 将经过正 交扩展和交织后的数据流进行复制后传输，在接收端配合检测技术可以削弱甚至消除窄 带干扰，从而弥补了正交扩展和交织的不足。 最后通过仿真获得了系统的误比特率( b e r ) 性能评估，仿真结果表明在i e e e 建 议的多径信道模型c m l c m 4 的信道条件下，正交扩展与交织和增加的m c 。c d m a 模 块能有效抑制窄带干扰，如在系统误比特率为l o 句时，正交扩展和交织能使系统信干比 改善6 7 d b 左右，而增加的m c c d m a 模块能使系统在原有基础上使信干比再改善 1 2 d b 左右。而在干扰强度较大、影响范围较广的环境下，增加了m c c d m a 技术的 系统的误比特率性能要明显优于仅采用正交扩展和交织技术的系统误比特率性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v et e c h n o l o g i e si n s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd u et oi t sh i 曲b i tr a t e ，h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h ed s - u w b ( d i r e c ts e q u e n c eu w b ) a n dm b o f d m - u w b ( m u l t i - b a n d o r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gu w b ) a 陀t h et w om a i ns t a n d a r d so fu w b t h i s t h e s i ss t u d i e dt h em e t h o dt os u p p r e s sn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c eb a s e do nm b o f d m - u w b a f t e rs t u d y i n go f d m ，m c c d m a ( m u l t i - c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t ia c c e s s ) t e c h n o l o g y a n du w bc h a n n e lm o d e l ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dan a r r o w b a n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n g s c h e m eb a s e do no r t h o g o n a ls p r e a d i n ga n di n t e r l e a v i n g ，a n do n er e m e d ys c h e m eb a s e do n m c c d m ai sa d v a n c e da i ma tt h ec i r c u m s t a n c ei nw h i c ht h ei n t e n s i t ya n da f f e c t i n gr a n g eo f t h e i n t e r f e r e n c ei s c o m p a r a t i v e l yg r e a t b i ts t r e a m sa r es p r e a do v e ra l ls u b - t l t i e r sb y o r t h o g o n a it r a n s f o r mm a t r i xa n di n t e r l e a v e da c r o s sa l ls u b - b a n d s t h i sw o u l dm a k et h eb e s t o ff r e q u e n c yd i v e r s i t ya c r o s st h es u b - c a r r i e r sa n ds u b - b a n d s ，a n de n h a n c et h er o b u s t n e s st o n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e b a s e do nf r e q u e n c yd i v e r s i t y , m c - c d m at r a n s m i t sc o p i e so f s p r e a da n di n t e r l e a v e dd a t as 1 肿黜s t h i ss c h e m en m k eu pf o rt h es h o r t a g eo fo r t h o g o n a l s p r e a d i n ga n di n t e r l e a v i n gb yw e a k e n i n go re v e nc a n c e l i n gt h en a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ew i t h d e t e c t i v et e c h n o l o g ya d o p t e di nt h er e c e i v e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rm u l t i - p a t hc h a n n e lm o d e lc m l - - c m 4p r o p o s e db y i e e e ，o r t h o g o n a ls p r e a d i n g a n di n t e r l e a v i n g ，m c c d m ac a ns u p p r e s sn a r r o w b a n d i n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l y f o re x a m p l e ，o r t h o g o n a ls p r e a d i n ga n d i n t e r l e a v i n gc a ni m p r o v es i r 6 7 d bw h e nb e r = 1 0 3 ，w h i l ea c c e s s o r i a lm c c d m ac a l li m p r o v e1 - 2 d bf u r t h e rm o r e t h e s y s t e mw i t ha c c e s s o r i a lm c - c d m a h a st h ea d v a n t a g e si nb i t 睨q o rr a t ep e r f o r m a n c eo v e rt h e s y s t e mw h i c ha d o p t so r t h o g o n a ls p r e a d i n ga n di n t e r l e a v i n go n l yw h e nt h ei n t e n s i t ya n d a f f e c t i n gr a n g eo ft h ei n t e r f e r e n c ei sc o m p a r a t i v e l yg r e a t i i 南京邮电大学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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：整! 蕴日期：堡z ：丝! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：磁导师签名：j 益左垦日期：塑望! 丝! 多 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作者：2 0 0 4 级研究生黄芳指导教师张力军张士兵 题目：基于m b o f d m u w b 系统窄带干扰抑制方法的 研究 英文题目： r e s e a r c ho nt h en a r r o w b a n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n gs c h e m eo f m b - o f d m - u w bs y s t e m 主题词：超宽带抗干扰扩展交织m c c d m a k e y w o r d s ： u l t r a - - w i d e b a n d a n t i - i n t e r f e r e n c e s p r e a d i n g i n t e r l e a v i n g m c - c d m a 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章前言 1 1 超宽带技术基本概念 1 1 1 超宽带的发展历史 第一章前言 超宽带( u w b ) 的历史可以追溯到一百多年前波波夫和马可尼发明越洋无线电 报的时代。现代意义上的超宽带( u w b ) 无线电，又称冲激无线电( i r )技术，出 现于1 9 6 0 年代，从那时起就有学者开始尝试用短脉冲而不是正弦波传播无线电信号， 他们研究了脉冲传输系统的主要部件和脉冲收发信机的设计。1 9 9 0 年，美国国防部首先 定义了“超宽带( u w b ) 概念，超宽带无线通信开始得到美国军方和政府部门重视。 超宽带技术在雷达和军事中的研究已有三十多年的历史，但在商业通信中的应用才刚刚 起步。 2 0 0 2 年2 月1 4 日f c c ( 美国联邦通信委员会) 在充分讨论和研究u w b 系统对 g p s 、w l a n 等现有系统的干扰、电磁干扰性、安全性等问题后，批准将超宽带无线 技术用于民用产品，尽管f c c 对u w b 的功率谱指标提出了苛刻的要求，但任何人不 必申请就可以使用超宽带频段3 i g h z 1 0 6g h z 进行通信，由此掀起了u w b 技术 用于民用高速率、低功耗通信的研究热潮。i e e e 8 0 2 委员会已将超宽带作为无线个域网 ( w p a n ) 的基础技术来研究讨论，很有可能被未来b 3 g 4 g 所采用。 1 1 2 超宽带的概念 1 相对带宽 为了更好地理解超宽带的概念，我们先给出相对带宽( 或分数带宽) 的定义。设无 和厶分别是信号功率谱密度的下限频率和上限频率，那么中心频率为( 厶+ 4 ) 2 。相 对带宽定义为信号带宽与中心频率的比值，表达式如下： 相对带宽= 石( 丁f , , 面- f a ( 1 1 ) 2 超宽带概念 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章前言 2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布了u w b 的频谱规划，并规定只要一个信 号在1 0 d b 处的绝对带宽大于5 0 0 m h z 或相对带宽( 分数带宽) 大于2 0 ，则这个信号 就是超宽带信号】。如图1 1 所示。 即 或者 图1 1u w b 信号的定义 监二旦 2 0 c ( 厶一五) 5 0 0m h z ( 1 2 ) ( 1 3 ) 其中，矗、 分别为功率较峰值功率下降1 0d b 时所对应的系统上限频率和下限 频率，正为系统载波频率或系统中心频率 ，：丝五2 jc ( 1 - 4 ) 显然，它不同于通常窄带通信系统所定义的3d b 带宽。 u w b 与传统的无线技术有着本质的不同，它不是去寻找可能存在的新的频谱资源， 而是利用频谱重叠技术去充分共享目前正在使用的频谱资源。为了不影响在其频谱范围 内的其它通信系统，u w b 系统的发射功率受到了严格的限制。根据f c c 的规定，室内 u w b 通信的实际使用频谱范围为3 i g h z - - - - 1 0 6 0 h z 。在这一频谱范围内，带宽为1m h z 的辐射体在3 m 距离处产生的场强不得超过5 0 0u v m ，相当于功率谱密度为7 5n w m h z ， - - 4 1 3d b m m h z i 删。美国f c c 对u w b 设备在室内环境下发射信号功率谱密度的规 定如图1 2 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章前言 频率( 弛) 0 1 图1 2f c c 对u w b 设备在室内环境下发射功率谱密度的规定 1 1 3 超宽带标准 自2 0 0 2 年2 月1 4 日f c c ( 美国联邦通信委员会) 批准u w b 民用以来，已经得到 了快速地发展，但它也正在面临着标准制定的挑战。i e e e8 0 2 1 5 的主要工作是制订不 同无线个域网的标准，它分为四个重点研究小组，其中i e e e8 0 2 1 5 3 关心的是数据速 率达5 5 m b p s 的w p a n 的开发，i e e e8 0 2 1 5 3 a 研究小组的目标是确定能在1 0 米内支持 1 1 0 - - 4 8 0 m b p s 数据传输率的物理层标准，该标准将使w p a n 具有精练的体系结构，并 且可以在已有的i e e e8 0 2 1 5 3 m a c 层下运行。 自从t g 3 a 开始审查i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准的建议以来，很多公司联合推出各种建议， 目前在u w b 技术领域基本上只剩下两大竞争者，一个是由i n t e l 和t i 领导的多带o f d m 联盟( m b o a ) 提交的多载波正交频分复用【l l ( m b o f d m ) 建议，另一个是由美国 x t r e m e s p e c t r u m 和f r e e s c a l e 等倡导的直接序列u w b ( d s u w b ) 建议。由于双方都没 能达到i e e e 批准所必要的7 5 的投票率，因此都未能成为超宽带标准，而原定2 0 0 5 年上半年完成的u w b 标准的制定工作也因此停滞不前。 d s c d m a 建议采用了双频带( 3 1 5 1 5g h z 加5 8 2 5 - 1 0 6g h z ) 的方法，在 每个超过1 g h z 的频带内用极短时间脉冲传输数据，该方法也称为脉冲无线电，它采用 2 4 脉片( c h i p ) 符号的直接序列扩频( d s s s ) 实现编码增益，与m b o f d m 相比有 较好的频率利用率。 3 o 5 o 5 a 6 o 5 _ r r 占 专 寸 毒 奇 膏 h遗薯号v雠却壮得霄絮越麴虐足谁蔌忙申妲aas 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹前言 m b o f d m 把频段分成多个5 2 8 m h z 的子频带，每个子频带采用时一频交织正交频 率复用( t f i o f d m ) 方式，不同于传统意义上的u w b 系统，m b o f d m 通过多个子 带来实现带宽的动态分配，增加了符号的时间。长符号时间的好处是抗符号间干扰( i s i ) 能力较强，但是o f d m 方式提高了收发器的复杂度，增加了对i c i ( 子信道间干扰) 的 处理，对功放器件的线性度要求也更高了。 d s c d m a 与m b o f d m 的主要区别在于超宽带带宽的分配方法，由此衍生了各种 性能上的差异。d s c d m a 的i c i 受影响小，定位准确，耗电量小，适合作为对鲁棒性 要求和覆盖率要求大的系统。m b o f d m 与其他无线系统能够灵活共存，符号周期长， 对时间抖动不太敏感，但设备复杂度高。 由于d s c d m a 与m b o f d m 技术上的巨大差异，二者的融合几乎是不可能的， u w b 通信究竟采用何种技术作为标准，最终还要由市场决定。 1 1 4 超宽带的特点与应用 与其他传统的无线通信技术相比较，超宽带的技术特点1 2 l 主要有 1 ) 系统容量大。根据s h a n n o n 信道容量公式，在高斯信道中，系统无差错传输速 率的上限为 c = b x l 0 9 2 ( i + s n r ) 其中b 为信道带宽，s n r 为信噪比。这个公式说明当传输系统信噪比下降时，可 增加系统传输带宽以保持信道容量不变。正因为这样，通信技术一步步由点频通信到跳 频通信，再到扩频通信，发展到现在的u w b 通信。 2 ) 传输速率高。在短距通信中，u w b 技术以非常宽的频率带宽来换取高速的数 据传输。u w b 系统使用上千兆赫兹的超宽带频带，所以即使把发送信号功率谱密度控 制得很低，也可以实现高达5 0 0 m b i t s 的信息速率，在理论上甚至可以达到l g b i t s 。 3 ) 通信距离短。由于随着传播距离的增加高频信号强度衰减太快，因此使用超宽 频带的系统更适合于进行短距离通信。理论分析表明，当收发机之间的距离大于1 2 m 时， u w b 的信道容量低于传统的窄带系统。 4 ) 功耗低：u w b 系统可以使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一 般在0 2 0 n s - 1 5 m 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时 系统的耗电量仅为几百w 几十m w 。民用的u w b 设备功率一般是传统移动电话所 需功率的1 1 0 0 左右，是蓝牙设备所需功率的1 2 0 左右。军用的u w b 电台耗电也很 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章前言 低。因此，u w b 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越 性。 5 ) 多分辨能力强，定位精确。极短窄带脉冲在空间和时间上都不容易重叠，因此 u w b 信号具有很强的多径分辨能力，从而u w b 系统也具有很强的抗衰落能力。同时 u w b 信号还具有极强的穿透能力，无论在室内或地下都可以精确定位，其定位精度可 达厘米级，而且费用也比全球定位系统( g p s ) 低。 凭借短距离传输范围内的高传输速率这一巨大优势，超宽带技术的应用就定位在无 线个域网和无线局域网上，主要体现在以下几个方面： 1 ) 各种移动设备之间的高速信息传输，例如p d a 、m p 3 、可视电话、3 g 手机等设 备之间的短距离点到点通信。 2 ) 桌面p c 机、笔记本电脑、移动设备与各种外设之间的无线连接，例如与打印机、 扫描仪、存储设备等的无线连接。 3 ) 数字电视、家庭影院、d v d 机、投影机、数码相机、机定盒等家用电子设备之 间的可视文件盒数据流的传输。 总之，u w b 定位于各种消费类电子设备和终端间的高速无线连接。 1 1 5 超宽带关键技术 超宽带系统与现存的很多通信系统工作在同一频段，能否很好地解决相互之间的干 扰是超宽带技术大规模商用的前提，而且超宽带技术具有超宽频带和极低功率谱密度的 特点，这对发送和接收系统的性能要求非常高。因此，在超宽带技术大量商用前还有很 多问题急需解决。本节将简单介绍主要的关键技术。 1 ) 超宽带脉冲信号的设计 研究表明发射波形和相应的频域特性【3 5 】将直接影响发射信号的功率谱特性。而且， 脉冲波形还影响u w b 无线通信系统的误比特率，与u w b 无线通信系统的调n 解调、 捕获同步、相关接收、信道传播特性，甚至天线设计都有密切关系。所以对u w b 无线 电基本脉冲发射波形的优化设计应该考虑对u w b 无线通信系统设计各方面的联合优化 设计，在提高u w b 无线电系统性能的同时，使u w b 无线电系统与共存的其它窄带系 统能够更好地实现兼容共存。 2 ) 调制解调与多址技术 u w b 原先用在军事上，大容量、多用户不是它的主要目的，但在商业通信中，大 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹前言 容量、多用户恰恰是它的主要问题。作为多用户通信，通信双方有独自的地址码和信息 码，因此可以将地址码与信息码看成是可对u w b 传输脉冲参数实施调制的调制信号 1 6 - 9 。因此u w b 信道的时域特殊性需要一个合适的编码方案、调制技术以及多址接入技 术来提高系统的用户容量。 3 ) 快速捕获、同步与检测 在d s u w b 方案中，载体是极窄脉冲，而且数据传输速率可达上百m b p s ，因此对 超宽带通信系统的捕获和同步要求非常苛刻。现有的研究主要通过优化的捕获策略、导 频机制和后级信号处理【1 0 2 1 ，加速捕获过程，提高捕获精度。超宽带通信系统的接收端 接收到的极窄脉冲信号具有频谱极宽、能量微弱的特点，因此高性能的极窄脉冲检测技 术是实现超宽带通信系统的难点。受u w b 密集多径传播特性的影响，接收到的超宽带 信号能量分散于各多径路径之中。为提高信号能量的检测概率，现有研究大多采用多径 信道估计和多径能量的分集接收，同时考虑通过分析多径分量参数分布、合并算法、系 统开销等因素优化现有的多径分集接收技术【1 3 q 4 l 。在m b o a 方案中，帧同步、载波同 步以及位同步是关键。 4 ) 超宽带小型化天线 一般意义的超宽带天线的研究已有几十年的历史，并已形成一些经典的超宽带天线 结构，如行波天线、对数周期天线、等角螺线天线、脊波导喇叭天线【1 5 - 17 】等，这些天线 都可以实现几个倍频程的工作频带，完全可以覆盖3 1 1 0 6 g h z 工作频段。但这些经典 的超宽带天线结构都有一个共同的点，即其结构尺寸比之同类型的窄带天线要大不少， 满足不了u w b 系统小结构的要求。因此，用于u w b 系统的小型超宽带天线设计的研 究依然是天线近年来研究的一个热点。 5 ) 超宽带信号的传播特征及其信道模型 u w b 信道不同于一般的无线衰落信道，传统的通信系统采用瑞利分布来描述单个 多径分量幅度的统计特性，前提是每个分量可以视为多个同时到达的路径合成；但是 u w b 可分离的不同多径到达时间之差可短至i l s 级。另外，从频域上看超宽带脉冲横跨 了几g h z 的频率范围，它所经历的频率选择性衰落要比一般窄带信号远为严重得多。从 时域上来看，会导致接收波形严重失真，而且时延扩展极大。因此获得超宽带信号的传 播特性，并根据信道传播特性建立相应的u w b 信道模型的理论与方法都将与传统的窄 带系统和宽带系统不同，是进行u w b 无线系统理论设计和性能的计算机仿真的基础和 前提。虽然人们已经推出了多种信道模型【1 8 2 4 1 ，但令人遗憾的是至今人们对u w b 的信 道特性还不十分清楚，对于u w b 信道的时变特性建模还没有雏形，我们还没有足够多 6 堕室堂皇奎堂堕主塑壅兰兰垡垒壅釜二兰塑童 的实验数据来建立一个完善的信道模型。 6 ) 超宽带与其他通信系统的频谱共存、兼容与抗干扰技术 u w b 采用的是频谱重叠技术，容易对其它同频系统产生干扰。u w b 的发射功率虽 然很小，但它的瞬时峰值功率还是比较大的，因此有必要采取一定的优化措施，例如自 适应功率控制、占空比优化等，以减少对其它通信系统的干扰。另一方面，u w b 系统 也受到位于同一频段的其他窄带射频系统的严重干扰，研究消除现有窄带系统对u w b 无线系统的干扰和实现u w b 系统与其他系统之间的电磁兼容成为超宽带技术应用急需 解决的重要问题【2 5 舶】。例如可以使用软无线电技术，实现u w b 接收机全数字化，动态 调整数据传输速率、功耗等，使得u w b 接收机真正与发射机的频带自适应，提高u w b 系统与其它通信系统在同频段共用时的兼容性。 m b o f d m u w b 系统的窄带干扰抑制技术的研究是本文的重点，我们将在第四章 中进行关于抗干扰技术的研究。 1 2 本文的主要工作和论文安排 1 2 1 本文的主要研究内容 f c c 规定，室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 g h z - - 1 0 6 g h z 。在如此宽的 带宽中，u w b 系统理论上会对现存所有电子系统都会产生干扰，同时u w b 系统也将 受到来自其它无线通信系统的干扰，如地面通信系统，g p s ，卫星通信，无线电导航系 统，探测系统等等。 为了减少u w b 系统对现有系统的干扰，f c c 规定在这一频谱范围内，带宽为1m h z 的辐射体在3 m 距离处产生的场强不得超过5 0 0u v m ，相当于功率谱密度为7 5n w m h z ， 即- - 4 1 3d b r n m h z 。u w b 系统的发射功率如此之小，因此其对来自其他现存系统的干 扰显得十分敏感。在这样的背景下，研究u w b 系统的干扰抑制技术显得尤为重要。 人们对u w b 系统和窄带无线系统之间的相互干扰及其影响作了大量的分析与研 究，但是对于如何增强u w b 系统抗窄带干扰的能力却研究得不多。像篮牙、i e e e 8 0 2 1 5 1 、i e e e8 0 2 1 5 3 这样一些带外干扰很容易通过前端滤波器滤除，问题是如何消 除像部分频带干扰、脉冲干扰、多频干扰等这样一些带内干扰。 本文提出了一种适合m b o f d m u w b 系统的干扰抑制技术，在系统中充分利用多 带和多载波的特性，通过正交扩展和交织，将系统受到的干扰分摊到各个子载波上，从 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章前言 而提高系统的抗干扰性能。在此基础上，系统又引入m c c d m a 模块，利用m c c d m a 的频率分集的作用，消除系统受到的干扰，从而进一步提高系统的抗干扰性能。这两种 方案都无需复杂的算法，而且又可利用m c c d m a 技术中已经比较成熟的一些理论进 行系统的扩展，如可方便地引入多用户等。本文对系统的抗干扰性能进行了定性和定量 的分析，并对系统的抗干扰性能进行了仿真。 本文的主要贡献有： ( 1 ) 根据m b o f d m u w b 系统的特点，提出了正交扩展技术、交织技术，并分 析推导了它们在窄带干扰抑制方面的性能。 ( 2 ) 进一步研究正交扩展与交织技术在窄带干扰强度比较大时的性能，针对其在 低信干比情形下的不足，提出采用m c c d m a 模块进一步削弱甚至消除干扰的方案。 ( 3 ) 推导出各种情况下系统的误比特率公式，为仿真做好理论基础。 1 2 2 本文的总体安排 第一章，介绍课题的背景，包括u w b 的产生和发展历史、基本概念、标准之争、 技术特点等。 第二章，介绍本文论述对象m b o f d m u w b 所采用的关键技术一正交频分复用的 原理，并介绍了本文借鉴其思想的多载波c d m a 原理。 第三章，介绍目前几种常见的信道模型，并采用修正的s v 模型作为仿真的基础。 第四章，关于窄带干扰的研究。首先介绍了本文所设计的m b o f d m u w b 系统的 框架，然后分析了窄带干扰的类型，介绍了常用的抑制窄带干扰的方法类型，然后详细 描述了本文作者所采用的利用正交扩展和交织以及m c c d m a 的窄带干扰抑制方法。 第五章，对系统性能进行分析并仿真。首先分析了采用正交扩展和交织时系统抗部 分频带干扰的性能，接着分析了加入m c c d m a 模块后对系统抗部分频带干扰性能的 改善。然后根据第四章介绍的系统架构，对系统的性能进行仿真，并对仿真结果进行讨 论和总结，提出自己的看法与见解。 第六章，对论文期间工作进行总结，并提出下一步研究的建议。 南京邮电大学硬士研究生学位论文第二章正交频分复用( o f d m ) 与多载波c d m a 简介 第二章正交频分复用( o f d m ) 与多载波c d m a 简介 2 1 无线衰落信道的传播特征 与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种，电波传播的主要方式是空间波， 即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。信号通过无线信道时，会受到各种衰落 的影响一般来说接收信号的功率可以表达为【4 6 】 p ( d ) = ”s ( a ) r ( d ) ( 2 - 1 ) 式中d 表示移动台与基站的距离向量，l d l 表示移动台与基站的距离。根据上式，无 线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗卜，也被称为大尺度衰落，其中行一般为3 4 ： ( 2 ) 阴影衰落s 似土表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波 的阻塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落r 甜a 由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因 此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相 同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象，这也被 成为小尺度衰落。 2 2 多载波通信系统 我们将先通过单载波与多载波传输系统的对比证明多载波传输系统的优越性，接着 简单介绍o f d m 系统及其主要优缺点。 2 2 1 单载波与多载波传输系统 通常我们采用的通信系统是单载波方案，这种系统在数据传输速率不太高的情况 下，多径效应引起符号间干扰不是特别严重，可以通过使用合适的均衡算法使得系统能 够正常工作。但是对于宽带业务来说，由于数据传输的速率较高，时延扩展造成数据符 9 堕室塑皇查兰堡主翌窒生堂垡堡奎丝三兰垩奎塑坌壅旦! q 里坚! 皇垒塞鎏兰里! 竺笪坌 号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰( i s i ) 。从另一个角度看，当信号的带 宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落，使得同一 个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，这时我们不希望看到的。 多载波传输把串行的数据流分解为若干个并行的子比特流，这样每个子数据流将具 有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载 波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中，一次衰落或者干 扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会 受到深衰落的影响。 2 2 2o f d m 系统及其主要优缺点 o f d m 技术是一种高效的并行多载波传输技术，它将所传送的高速串行数据分解并 调制到多个并行的正交子信道中，从而使得每个子信道的码元宽度大于信道时延扩展， 使每个子信道相对平坦。通过加入循环前缀，保证了系统不受多径干扰引起的i s i 的影 响。它能够非常有效地对抗多径传播，同时使受到干扰的信号能可靠地接受。适用于多 径环境和频率选择性衰落信道中的高速信息传输。o f d m 技术的主要优点是 有效克服i s i ，适用于多径环境和衰落信道的高速数据传输； 通过各个子载波的联合编码具有很强的抗衰落能力； 信道利用率很高，当子载波数很多时可达到n y q u i s t 极限； 抗窄带干扰和脉冲干扰能力很强，在衰落信道高速数据传输中显示了很强的 鲁棒性。 可采用方便快捷的f f t 实现 适用于不对称的业务 易与其他多种接入方法相结合构成o f d m a 系统。 o f d m 系统的主要缺点是 o f d m 对频偏和相位噪声敏感： o f d m 的功率峰均比值比较大，会导致射频放大器的功率效率比较低并产 生非线性失真。 2 3 正交频分复用系统的基本原理 正交频分复用的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 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章正交频分复用( o f d m ) 与多载波c d m a 简介 较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以 减轻由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。并且还可以在 o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以 最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。而且，一般都采用循环前缀作为 保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 2 3 io f d m 系统的基本模型 o f d m 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而可 以大大简化系统实现的复杂度。 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，其中每个子载波都 可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q l m ) 符号的调制。如果表示子信 道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，z ( i = 0 ，1 ，n 1 ) 是分配给每个子信道的数据 符号，五是第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = 1 ，i fi 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 0 5 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 在o f d m 系统中，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1 个周期，这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： 亭弘x p c 吐e x p c 一r ，刃= ：i ： c 2 - 3 ， 例如对式( 2 2 ) 中的第，个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即 匆= 专c + r e 印( 一一，2 万事( r 一) ) 善n - 1 4e x p ( 一，2 万；( r 一) ) d ， = 7 1 台n - i zr 唧( 伽孚( ) ) d r ( 2 4 ) = d j 根据上式可以看到，对第个子载波进行解调可以恢复出期望符号a j 。而对于其他 载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( f j ) t 可以产生整数倍个周期，所以其积分 南京邮电大学硕士研冤生学位论文第二章正交频分复用( o f d m ) 与多载波c d m a 简介 结果为零。 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 2 2 ) ，每个o f d m 符号在其周期t 内包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位 于各个子载波频率上的函数的6 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( ) 函数，这种函数 的零点出现在频率为1 厂r 整数倍的位置上。因此，在每一子载波频率的最大值处，所有 其他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 些点上所对应的每子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱 中提取出每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。 2 3 2 快速傅立叶变换在o f d m 系统中的应用 对于n 较大的系统来说，式( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立 叶逆变换( i d f t ) 来实现。令式( 2 2 ) 中的t , - - o ，并且忽略举行函数，对信号s ( f ) 以 t n 的速率进行抽样，即令，= k t n( k = 0 ，i ，n 1 ) ，可以得到： = 占( k t = 善n - 1 4 “，百2 z i k ( k t n ) e x ) ( 一1 ) ( 2 5 ) = 占 = 4 “，百) ( o 七一1 ) ( 2 5 由此看出，屯等效为对一进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据 符号4 ，可以对& 进行逆变换，即d f t 得到： 西：n - i e x p ( 一，百2 z i k j ( os f 一1 ) ( 2 6 ) i 曲 y 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。 在实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换( f f t i f f t ) 。 2 3 3 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入 的数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期 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比值也同样降低 倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔 ( g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度i 一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹正交频分复用( o f d m ) 与多载波c d m a 伺介 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，可以不插入任何 信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生 信道间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为 了消除由多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，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。这样时延小于保护间隔瓦的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 加入保护间隔之后基于i d f t ( i f f t ) 的o f d m 系统框图可以表示为图2 1 。 到鍪阳卸 d 函 刚 耐篁阔翊剖赌 图2 - 1o f d m 系统框图 2 4m c c d m a 原理 2 4 1 概述 码分多址技术( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是一项发展成熟、很有前 途的技术。窄带信号通过与扩频码相乘而扩展为宽带信号后进行发射。使用的扩频信号 可以是伪随机序列，码片速率比原数据速率高若干个数量级。c d m a 技术能让很多的用 户共享相同的频谱资源，而不会产生明显的干扰，因此在多用户情况下可以提高频谱效 率。通过扩频技术不但可以将某一特定扩频信号从其他信号中恢复出来，还能有效的对 抗窄带干扰，因为窄带干扰只影响扩频信号中的小部分信号。同时，良好的抗多径干扰 的特性也是无线通信系统中广泛采用c d m a 技术的重要原因之一。 从本章前三节介绍可知，o f d m 技术利用了多径效应在频域上的特性，使信道的频 域均衡更易实现，适合高速数据传送。它是把数据流分解为若干个子数据流，再把这些 子数据流分别调制到若干个相互正交的子载波上。在这种多载波调制信道中，数据传送 速率相对较低，码元周期加长，只要保证时延扩展小于码元周期，就不会造成码间干扰； 若干个子载波把频域分成若干个相互正交的子信道，只要子信道的带宽小于相干带宽， 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章正交频分复用( 0 f d m ) 与多载波c d m a 简介 使每一个信道的频谱特性都近似平坦，也可以有效对抗频率选择性衰落。所咀这种方案 可以解决信道的时间弥散问题。但是，如果子载波处于深度衰落或窄带干扰时，如不采 用纠错编码，会产生很高的误比特率。 c d m a 技术和o f d m 技术各有利弊，m c c d m a 技术就是将二者结合起来，取长补 短，以达到更好的通信传输效果的一种技术。 2 4 2 多载波c d m a 方案 总结目前提出的以o f d m 和c d m a 为基础的多载波c d m a 的方案，它们可以分为两 大类：一类是用给定的扩频序列对经过串并变换后的数据流进行扩频，也就是在对应的 每路载波上进行类似d s c d m a 的操作，即在时域上进行扩频；另一类是用给定的扩频 序列对原始数据流扩频，用扩频序列中对应的每个码片将数据调制到不同的子载波上， 即在频域上进行扩展。 m c c d m a 系统采用频域扩频方式。其基本过程是：每个信息符号由一个特定的扩 频码片进行扩频，然后将扩频以后的每个符号调制到一个子载波上，因此，如扩频码长 度为，那么对应的这个子载波传送