（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中自适应技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 多输入多输出正交频分复用( m i m o o f d m ) 是一种新的高速数据传输技术。 m i m o 技术通过采用多个发射天线和接收天线可以显著提高无线通信系统的信道容 量，增强数据传输的可靠性。o f d m 技术可以把频率选择性衰落的信道转化成一组 正交的平坦衰落的信道，因此可将o f d m 技术应用在m i m o 系统中来克服多径衰落 的影响。m i m o o f d m 技术被业界认为是未来第四代移动通信系统的主要物理层技 术。 m i m o o f d m 系统的自适应调制技术就是根据信道状态信息，动态的改变每个 子载波的传输参数来优化系统的总体性能。这种情况下，自适应调制又称为自适应功 率和比特分配，即根据实时信道状态信息，把发射功率和传输信息比特动态的分配到 每个子载波上以达到优化系统性能的目的。 本文针对m i m o o f d m 系统的自适应调制技术进行研究，构建了自适应 m i m o o f d m 系统模型，并结合自适应分配算法对基于奇异值分解的自适应 m i m o o f d m 系统进行仿真分析。随后进一步利用奇异值分解把m i m o o f d m 信道 转化成一系列并行的子信道，然后将这些子信道按照信道增益从大到小的顺序排列。 通过研究排序后信道增益的统计特性，本文提出了一种低复杂度的自适应传输方法来 优化系统的发射功率。通过仿真分析可以看出：该方法由于采用通过固定排序后的子 信道的功率和比特分配方案大大降低了算法复杂度，在子载波数较大的情况下，新提 出的方法由于奇异值子信道总数的减少而导致了性能损失比最优方法却仅低l d b 。 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 5 级研究生丁凯指导教师钱学荣 题目：m i m o o f d m 系统中自适应技术的研究 英文题目：s t u d yo fa d a p t i v et r a n s m i s s i o ni nm i m o o f d m s y s t e m s 主题词：多输人多输出正交频分复用自适应调制 奇异值分解 k e y w o r d s ： m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) 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 ) a d a p t i v em o d u l a t i o n ( a m ) s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) 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 w i t ht h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s f o rh i l 曲- d a t a - r a t e m u l t i m e d i a s e r v i c e s ， 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 ( m r m o ) a n do r t h o g o r m 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 ) t e c h n i q u e sh a v eb e e ng i v e nm o r ea n dm o r ei n t e r e s t m i m os y s t e m sc a l li n c r e a s e t h ec h a n n e lc a p a c i t ya n de n h a n c et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yb y e m p l o y i n gm u l t i p l e a n t e n n a sa tt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r o f d mh a st h ea b n i t yo ft r a n s f o r m i n gt h e f r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l i n t oac o l l e c t i o no fp a r a l l e l f l a t f a d i n gs u b - c h a n n e l sa n d t h e r e f o r ec a l lb ea d o p t e di nm i m os y s t e m st oc o m b a tm u l t i - p a t he f f e c t s t h e m i m o o f d ms y s t e mi sr e g a r d e da sap o t e n t i a lc a n d i d a t ef o r4 gm o b i l es y s t e m i ft h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) i sk n o w na tt h et r a n s m i t t e r , a d a p t i v em o d u l a t i o n t e c h n i q u e s ，s p e c i f i c a l l y , a d a p t i v eb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o nt e c h n i q u e sc a l lb ea p p l i e dt o o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fm i m o o f d ms y s t e m s ，s u c ha st r a n s m i tp o w e r , b i t - e r r o r - r a t i o r b e r ) a n ds of o r t h i nt h i sp a p e r , t h ea d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rm i m o - o f d m s y s t e m sa r ef i r s t s t u d i e d ，a m m i m o o f d ms y s t e mi se m u l a t e db a s e do ns i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) m e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h em i m o - o f d mc h a n n e lc a l lb ed e c o m p o s e di n t oag r o u p o fp a r a l l e ls u b c h a n n e l sb ys i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) al o w - c o m p l e x i t yb i ta n d p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h i ss t r u c t u r e t om i n i m i z et h eo v e r a l l t r a n s m i tp o w e r , w ec a r r yo u taf e db i ta n dp o w e ra l l o c a t i o no v e rt h e s es u b - c h a n n e l sb y e x p l o r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r d e r e ds u b - c h a n n e lg a i n s 。t h ef i x e db i ta n dp o w e r a s s i g n m e n tc a l lb ed e t e r m i n e db yg r e e d ya l g o r i t h ma tt h ei n i t i a ls t a g ea n du t i l i z e dw i t h o u t c h a n g et h r o u g h o u tt h ed a t at r a n s m i s s i o np r o c e s s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mh a sl e s st h a nld bp e r f o r m a n c el o s sr e l a t i v et ot h eo p t i m a la l g o r i t h mw h e nt h e n u m b e ro fo f d ms u b c a r r i e r si sl a r g e ，b u td r a s t i c a l l yr e d u c e st h ec o m p l e x i t y n 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 5 级研究生丁凯指导教师钱学荣 题目：m i m o o f d m 系统中自适应技术的研究 英文题目：s t u d yo fa d a p t i v et r a n s m i s s i o ni nm i m o o f d m s y s t e m s 主题词：多输人多输出正交频分复用自适应调制 奇异值分解 k e y w o r d s ： m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) 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 ) a d a p t i v em o d u l a t i o n ( a m ) s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) 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：了勃b日期：扣髫归， 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：3 塾g 导师签名： 日期：2 护。孑乡， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信发展概况 第一章绪论 1 1 1 第一代蜂窝移动通信系统 第一代蜂窝移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术， 包括模拟蜂窝和无绳电话系统，仅能提9 6 k b p s 通信速率。其典型系统有美国的a m p s 、 前西德的c - 4 5 0 、北欧的n m t 、英国的t a c s 等。由于模拟技术十分成熟，模拟蜂窝 系统因而在发展初期也得到了较为广泛的应用。但随着市场的发展，模拟蜂窝系统在 实际的使用中逐渐暴露出一些问题：频谱利用率低；有限的频谱资源和无限的用户容 量的矛盾十分突出；业务种类单一，主要是话音业务；存在同频干扰和互调干扰；系 统保密性较差等。因此模拟系统在经历了2 0 世纪8 0 年代的辉煌后，很快就被9 0 年 代推出的数字蜂窝系统所取代。 1 1 2 第二代移动通信系统 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模拟 网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需要。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( c s m ) ，采用时分多址方式( t d m a ) 。2 0 世纪9 0 年代初，美国 推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义 的事件。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有越来越重要的地 位。除此之外，还有欧洲的d c s 1 9 0 0 ，美国的i s 5 4 等。这些目前正在广泛使用的数 字移动通信系统正是第二代移动通信系统。 1 1 3 第三代移动通信系统 第二代移动通信系统主要是为支持语音和低速率的数据业务( 9 6 1 4 4 k b p s ) 而设 计的。随着人们对通信业务范围( 如高速率数据、多媒体、对称或非对称业务等) 和业 务速率要求的不断提高，已有的第二代通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 的市场需要，第三代( 3 g ) 移动通信系统应运而生。从技术层面上看，第三代移动通信 系统主要以c d m a 为核心技术，目标是要实现通信的全球化、综合化和个人化，以 满足未来人们对通信的要求。为此，第三代移动通信采用了诸多关键技术，如高效信 道编译码( 如t u r b o 编译码) 、智能天线( s a ) 、软件无线电( s d r ) 、多用户检轫 u ( m u d ) 等。 但是3 g 也存在如下缺点【l 】：首先，3 g 的三大主流标准为w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ，它们之间不易互相兼容，因此3 g 不能实现真正意义上的个人通信和 全球通信；其次，3 g 的频谱效率较低，不能充分利用宝贵的频谱资源；第三，3 g 支 持的业务速率还不够高，如室内环境下最大能支持2m b p s 的数据业务。这些不足之 处使得3 g 还不能适应未来移动通信的业务和技术需求，因此人们将目光投向了三代 以后( b 3 g ) 的移动通信系统研究。 1 2 新一代移动通信 3 g 系统并不能真正为用户提供宽带多媒体业务的接入。然而随着通过互联网进 行的视频、语音和数据通信流量的显著增长，用户更加迫切希望移动通信系统可以提 供移动多媒体业务的接入。因此世界各国也都开始研究和开发无线宽带多媒体通信系 统( w b m c s ) ，从而真正实现“全球信息村”的概念f 2 1 。 w b m c s 将要把各种应用结合在一起，期望可以为用户提供信息速率超过2 m b p s 的业务，这需要系统具备良好的健壮特性，以弥补无线信道的损耗，因此需要仔细选 择调制方案，其中正交频分复用( o f d m ) 就是一种引人注目的候选方案之一。 总的来说，下一代移动通信系统性能方面主要有以下要求： 1 ) 用户速率在准静止( 低速移动和固定) 情况下达2 0 mb p s ，在高速移动情况下达 2 m b p s ； 2 ) 容量要达到第三代系统的5 1 0 倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统； 3 ) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统： 4 ) 具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量； 5 ) 网络的每比特成本要比第三代低。 功能方面主要有以下要求： 1 ) 支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等： 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 ) 实现与固定网或专用网的无缝化连接； 3 ) 能通过中间件支持和开通多种多样的口业务： 4 ) 能提供用户定义的个性化服务； 5 ) 按服务级别收费。 由于未来无线业务的多样性和频谱资源的有限性，将o f d m 技术与m i m o 技术 及灵活的自适应调$ 1 j ( a d a p t i v em o d u l a t i o n , a m ) 技术相结合将是适应下一代无线通信 网发展要求的趋势。 1 3 自适应调制技术 第一代和第二代移动通信系统中，技术上感兴趣的主要是增加话音业务的系统容 量。为了使信道衰落很大时系统能够正常工作，往往采用低阶调制、低码率编码和大 功率发射的方式来保证最低设计要求。虽然实现简单，但在较好的信道条件下无法充 分利用资源。随着人们对包括话音、数据和图像的多媒体业务需求的快速增长，第三 代和第四代陆地移动通信系统的研究目标转移至高速、高可靠性的无线多媒体业务。 这对更高的频谱利用率提出了要求，可以根据业务和信道的变化自动调节系统参数的 自适应技术得到了广泛关注和应用。 传统自适应调制在时间域上进行，随着多载波和多天线技术的应用，也有很多研 究将自适应调制扩展到空间域、频域，或者几个域联合进行。自适应调制也可应用于 多天线系统中，现有的研究一般包括自适应调制与空分复用的结合、与空时分组码的 结合，以及与基于s v d 分解的m i m o 信道的结合等。如果将自适应调制应用于 m i m o o f d m 系统【3 】【4 】，可以在时间、频率和空间三个维度上对无线资源进行分配， 达到更优的系统性能。但这也使得分配算法、反馈信令和系统工作方式更加复杂。所 以，合适的白适应调制方式应该是性能和复杂度的折衷。 1 4 论文结构安排 在参阅了大量中英文文献的基础上，本文对自适应技术在m i m o o f d m 系统中的 应用进行了研究分析，论文结构安排如下： 第一章：介绍了移动通信系统的概况，未来的发展趋势，引入自适应技术。 第二章：从无线传播环境的分析入手，分析了m i m o o f d m 技术的基本原理。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第三章：研究了自适应技术在o f d m 系统中的应用，搭建自适应0 f d m 系统模型，论 述了单用户比特分配算法及多用户状态下的子载波和比特分配算法。 第四章：本文的重点。主要研究了基于奇异值分解( s v d ) 的自适应调制m i m o - o f d m 系统设计与仿真，结果表明，通过采用自适应调制技术提高了系统的频谱利用率。在 最好条件下，系统可以得到近5 d b 的增益；然后针对m i m o o f d m 系统中最优的自适应 算法复杂度较高的问题，本文提出一种用于m i m o o f d m 系统的低复杂度自适应传输 方法。 第五章：对全文工作的总结和展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 2 1 无线信道 在移动通信信道中，信号在空间中自由传播，受外界信道条件的影响很大。由于 天气的变化、建筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作用以及移动台的运动造成的多 普勒频移的影响等造成信道的变化，可以认为这种信道为随参信道【5 】。 在移动通信信道中，一般来说接收信号的功率可以表示为： p ( d ) = 矧1s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，i d i 表示移动台与基站之间的距离。根据式 ( 2 1 ) ，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例，也被称作大尺度衰落，其中聆一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ，p ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对地波 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 ( 矗) ：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，这也被称作小尺度衰落。 此外，由于移动台的移动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现 就是会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆 盖，通过合理的设计可以消除这种不利影响。 通常情况下，当接收机和发射机之间的相对位置在1 1 0 米的范围内变化时，接 收信号功率的平均值基本保持不变，但当它们的相对位置的改变远超过上述范围时， 接收信号的平均功率会有几个数量级的变化。大尺度衰落正是用来描述接收机和发射 机之间的距离有大尺度的变化时，接收信号的平均功率值的变化规律。 在自由空间传播条件下，接收机接收的平均功率万可由下式给出阳1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 耳= e ( 南) 2 岛爵( 2 - 2 ) 其中，是发射功率，吕是发射天线增益，g ，是接收天线增益，旯是电波波长，d 是发射机与接收机之间的距离。于是以分贝为单位的路径损耗公式为 一 d p l ( d b ) = - 1 0 l o g ( - 景- ) = 3 2 4 5 + 2 0 l o g f + 2 0 l o g d g g r ( 2 3 ) 其中厂为电磁波频率，g ，和q 分别为发射和接收天线增益( d b ) 。由式( 2 2 ) - i p a 看出自由空间中接收信号的功率与距离的平方成反比，即 c 芘方( 2 - 4 ) 在实际的移动环境中，传输损耗要比自由空间中的大许多，通常用下式表示 芘方( 2 - 5 ) 其中口2 称为路径损耗系数，一般可取为3 4 。 除了路径损耗，大尺度衰落还包括阴影衰落，阴影衰落使得实际的损耗成为一个 随机变量，由式( 2 4 ) 求出的是与发射机距离为d 处的平均路径损耗。一般认为实际的 损耗服从对数正态分布。 综合考虑路径损耗和阴影衰落，大尺度衰落下路径损耗可以表示为 p l ( d b ) = 常量+ 1 0 c r l o g d + ， ( 2 - 6 ) 其中艮表示由阴影衰落引起的路径损耗( d b ) ，是一个正态分布的随机变量，均 值为0 ，方差为2 。在大多数的经验公式中，标准差可以取4 - 1 2 d b 。 在蜂窝移动通信系统中，尤其是在室内环境条件下，一般蜂窝半径( 有时达到 5 0 0 m ) h 匕较小，结构为微蜂窝或者微微蜂窝，此时无线信道的大尺度衰落并不是无线 衰落信道所考虑的主要问题。而在郊区、平原、海滨或者海平面等宽阔地带，蜂窝移 动通信系统大都采用宏蜂窝结构，这种环境下的无线信道大尺度衰落就是传播损耗所 考虑的主要问题了。 无线信道的小尺度衰落是无线通信环境的重要衰落特征，包括因多径效应而引起 的衰落和信道时变性引起的衰落。其中，由于反射、散射等影响使得实际到达接收机 的信号是发射信号经过多条传播路径后的信号分量叠加而成，这称为多径效应；信道 的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号， 在接收端收到的信号是不相同的【7 1 。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 多径效应会引起信号的时域弥散性。与多径时延扩展有关的一个重要概念就是多 径信道的相干带宽( c o h e r e n tb a n d w i d t h ) 色，它反映了不同频率分量所经历的衰落的相 互关系( 即其包络的相关性) 。信道的相干带宽与均方根时延扩展q 成反比，如果将相 关函数大于o 5 认为相关，一般有下面的关系田 1 忍 ( 2 7 ) ) o f 实际应用中，也常用下面的定义 1 甓= l -( 2 8 ) f 麟 其中k 为最大多径时延扩展。 相干带宽反映了无线移动信道对信号包络的衰落具有频率选择性。根据多径信道 的相干带宽和信号带宽的关系分为平坦衰落和频率选择性衰落。 1 平坦衰落 若多径信道的相干带宽大于信号的带宽，这时，由于多径信号的时域弥散性而造 成的衰落为平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 。在这种条件下，发射信号的频谱特性通过多径信道 后，在接收端信号的频谱仍然可以得到保持。 2 频率选择性衰落 若多径信道的相干带宽小于信号的带宽，这种条件下的多径衰落为频率选择性衰 落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。这时，从时域上看，信道多径时延脉冲响应大于符号 周期，出现符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，简写为i s i ) 。 无线移动信道的时变性反映在衰落信号的相位的随机变化，它是一种随机调频现 象。在多径环境下，收发天线间相对运动以及传播环境中的移动物体的随机移动造成 了多普勒频谱扩展，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽的 信号，这又可以称为信道的频率弥散。 生( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。信号发生多普勒扩展 后的频谱范围为岛= z 一乃一，z + 乃一】，其中厶懈= 为最大多普勒频移，z 为载 波频率，v 和五分别为相对运动速度和电波波长。 类似地，可以定义信道的相干时间( c o h e r e n tt i m e ) 来表征时变信道变化的快慢。 相干时间与多普勒扩展成反比，一般可以有 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 瓦击 ( 2 - 9 ) 类似相干带宽，根据“相干程度 的不同，还有不同的定义为 乏面9 i 2 1 。) 根据时变信道条件下信号的符号周期和时变信道的相关时间的关系，可以将时变 信道分为快衰落信道和慢衰落信道。 当信道的相干时间乃( 多普勒的倒数) 比发送信号的符号周期乃短，且基带 信号的带宽忍小于多普勒扩展时，信道冲击响应在符号发送时间内变化很快，从 而导致信号失真，产生快衰落，即 瓦 瓦，e ( 2 1 1 ) 从频域的角度上可以看出，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加 剧。 当信道的相干时间乏远大于发送信号的符号周期i ，且基带信号的带宽忍远远大 于多普勒时，信号冲击响应的变化比要传送的信号发送时间低的多，可以认为该 信道时慢衰落信道，即： c 乙，鼠 ( 2 1 2 ) 在慢衰落信道中，可以认为信道参数在一个或多个信号码元周期内是稳定的。 前面已经介绍了小尺度衰落根据时间色散参数( 时延扩展c r f 和相关带宽忍) 、频 率色散参数( 多普勒扩展和相关时间疋) 进行分类的情况，综合考虑时间色散参 数和频率色散参数，将信道进一步分类为：频平一时平、时平、频平和非平。图2 1 为了简单明了阐述了信道的分类。所谓频平一时平( 频率平坦一时间平坦) ，又称为 平坦慢衰落，时指信号的带宽b 小于信道的相关带宽忍，并且信号的持续时间z 小 于信道的相关时间乏；而时平( 时间平坦) ，又称频率选择性慢衰落，是指信号的持 续时间t 小于信道的相关时间瓦，并且信号的带宽忍大于信道的相关带宽忍；频平 ( 频率平坦) ，又称平坦快衰落，是指信号的带宽色小于信道的相关带宽芝，并且信 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 号的持续时间瓦大于信道的相关时间瓦；非平( 频率和时间都不平坦) ，又称为频率 选择性快衰落，是指信号的持续时间z 大于信道的相关时间t ，并且信号的带宽b 大 于信道的相关带宽统。 2 2o f d m 技术 2 2 1o f d m 技术简介 图2 1 信道分类示意图 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有n 个载波) ，各载波可用同 一种数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法将高速串行数据分成多路并行 的低速数据，加以调制【8 】【9 】【1 0 1 。所以o f d m 实际上是一种并行调制方式，将符号周期 扩大n 倍，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的频分复用( f d m ) 中，存 在较大的保护带宽来防止干扰，各载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。在 o f d m 系统中，各子载波在整个符号周期上是正交的，即在符号周期上的任何两个不 同子载波的乘积等于零，因此各子载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用 率f l l 】。 图2 - 2 所示为频分复用( f d m ) 信号频谱与( o f d m ) 信号频谱利用率的比较【1 2 】。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 传统的频分复用( f d m ) 多载波调制技术 正交频分复用( o f d m ) 多载波调制技术 图2 2f d m 和o f d m 带宽利用率的比较 2 2 20 f d m 的工作原理 图2 - 3o f d m 系统工作原理 o f d m 的工作原理 1 2 】如图2 3 ，输入数据信元的速率为r ，经过串并转换后，分 成m 个并行的子数据流，每个子数据流的速率为r m ，在每个子数据流中的若干个 比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m 等。m 个并行的子数据信元编码交织后进行i f f t 变换，将频域信号转换到 时域，i f f t 块的输出是n 个时域的样点，再将长为三。的c p ( 循环前缀) 加到n 个 样点前，形成循环扩展的o f d m 信元，因此，实际发送的o f d m 信元的长度为 三。+ ，经过并串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并 转换后移去c p ，如果c p 长度大于信道的记忆长度时，i s i 仅仅影响c p ，而不影 响有用数据，去掉c p 也就去掉了i s i 的影响。 o f d m 系统的核心部分就是发送端的i f f t 和接收端的f f t 变换1 3 1 。这种可逆变 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 换实际完成了复数据信号和复o f d m 子载波符号之间的线性映射。一个n 点的f f t 运算需要进行n l o g n 次乘法，然而直接计算将需要2 次乘法运算。就这一点而言， o f d m 系统比等效的采用均衡的系统在单位时间里大大减少了运算次数。同时，频域 数据经过正交线性变换f f t 后传输，在时域具有较强的抗符号间干扰( i s i ) 的性能。 o f d m 符号中引入循环前缀用来对抗无线传输环境中的多径效应【1 4 ”】。符号间 插入保护问隔是一项十分有用的技术，它可以容忍传输信号的多径分量。同时，利用 保护间隔还可以简化接收机的复杂度。o f d m 系统特殊地引入循环前缀作为符号间的 保护间隔。这样做的目的是把信号与信道函数间的线性卷积转换为圆卷积，从而使得 信号与信逆函数圆卷积的f f t 等效为他们各自f f t 的圆卷积。但是这里有一个前提， 就是要求循环前缀的长度要大于信道时延扩展的长度。所以循环前缀长度的确定要综 合考虑系统效率和传输信道的最大时延扩展。 1 ) 子载波调制n 2 1 一个0 f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的子载 波。其中，n 表示子载波的个数，t 表示o f d m 符号的持续时间( 周期) ， z ( 扛0 ，l ，2 ，n - 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，z 是第f 个子载波的载波频率， 矩形函数阳c ，( f ) = 1 ，t l t 2 ， 贝i j ) h t = t y 开始的o f d m 符号可以表示为： 删= 篓， 。一殄e x p d 2 # ( j r e z d r e c t ( t - t x p d 2 # ( f 。+ 争刊 铎矧；+ 丁 s ) = j 。一) e+ 专) 一r ，) 】 f ，f ；+ 丁 s ( t ) = 0 f ，+ ， ( 2 一1 3 ) 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为子载 波的幅度和相位，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号。 s ( f ) = 委n - i d i r e c t ( t - t , 一) e x p j 2 n - 嘉( t 删g ”丁 s ( f ) = 一) e一，) 】g f ，+ 丁 j = 0 - 上 s o ) = 0t r + ( 2 - 1 4 ) 其中占( r ) 的实部和虚部分别对应于0 f d m 符号的同相和正交分量，在实际系统中 可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 0 f d m 符号。在图2 - 4 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中z = z + 。在接收 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o - o f d m 技术 端，将接收到的同相和正交矢量映射会数据信息，完成子载波解调。 e j h 如 藜p，2芹，|虫参一 串并 + 鸟如 图2 - 4o f d m 系统基本模型框图 每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数个周期，而且各个相邻的子载波 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： 亍1 ，。7 e 冲c 魄d e 冲c 缈。r ，衍= 三：二： c 2 一，5 ， 弓= ；f ，+ 7 e x p 一歹2 了手。一， 善n - l z ：x p ，2 万；。一t ，p 。2 。6 ， 。 了1n 。- 。i 州e x p 胁孚”，卜= 嘭 卜。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。因此这种一个子信道频谱 出现最大值而其他子信道频谱为零点的特点可以避免载波间干扰( i c i ) 的出现。 2 ) d f t 的实现 傅立叶变换将时域与频域联系在一起，傅立叶变换的形式有几种，选择哪种形式 的傅立叶变换由工作的具体环境决定。大多数信号处理使用d f t 。d f t 是常规变换的 一种变化形式，其中，信号在时域和频域上均被抽样。由d f t 的定义，时间上波形连 续重复，因此导致频域上频谱的连续重复。快速傅立叶变换( f f t ) 仅是d f ，r 计算应用 的一种快速数学方法，由于其高效性，使0 f d m 技术发展迅速。 对于n 比较大的系统来说，式( 2 - 1 4 ) 中的0 f d m 复等效基带信号可以采用i d f t 来 实现。为了叙述的简洁，可以令式( 2 一1 4 ) 中的t = 0 ，并且忽略矩形函数，对于信号s ( f ) 以t n 的速率进行抽样，即令f = k t n ( k = o ，1 ，n 一1 ) ，则得到： ( k t n s k = s ( k t n ) = 篓ze x p 警 邮f n - 1 ) ( 2 - 1 7 ) z e l 等i ( o f ( 2 - 1 7 ) f = 0l j 可以看到& 等效为对z 进行i d f t ：l 垂_ 算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号4 ， 可以对瓯进行逆变换，即d f t 得n - 4=n-isk一jf警(o姚nsk e x pn - 1 ) (218)k=0 4 = l j f 等i ( o f ( 2 一 l v j 根据以上分析可以看到，0 f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来代替， 通过n 点的i d f t 运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制 之后，发送到无线信道中。其中每个i d f t 输出的数据符号都是由所有已调子载波信 号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到 的。 在0 f d m 系统的实际运用中，可以采用更加方便快捷的i f f t f f t 。n 点i d f t 运算 需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基 一2 i f f t 算法来说，其复数乘法次数仅为( n 2 ) l 0 9 2n ，但是随着子载波个数n 的增加， 这种方法复杂度也会显著增加。对于字载波数量非常大的0 f d m 系统来说，可以进一 步采用基一4 i f f l 算法来实施傅立叶变换。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 3 ) 保护间隔、循环前缀和子载波数的选择 应用o f d m 的一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延扩展。把输入数据流 串并转换到n 个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始 数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低n 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 i ) ，而且该保 护间隔长度疋一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一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任何信号，即是一段空白的传 输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生载波间干扰( i c i ) ，即子 载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间会产生干扰。 在系统带宽和数据传输数率都给给定的情况下，o f d m 信号的符号速率将远远低 于单载波的传输模式。例如在单载波b p s k 调制模式下，符号速率就相当于传输的比 特速率，而在o f d m 中，系统带宽由n 个子载波占用，符号速率则为单载波传输模式 的i n 。正是因为这种低符号速率使o f d m 系统可以自然地抵抗多径传播导致的i s i ， 另外，通过在在每个符号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵制i s i ，还可以减少 在接收端的定时偏移错误。这种保护间隔是一种循环复制，此种符号的复制产生了一 个循环的信号，即将每个o f d m 符号的后疋时间中的样点复制到o f d m 符号的前面，形 成前缀，在交接点没有任何的间断。因此将一个符号的尾端复制并补充到起始点增加 了符号时间的长度，图2 - 5 显示了保护间隔的插入。 ” i + - 卜 保护 i 保护 i f f t i f f t 输出 ii f f t 间隔 l 间隔 图2 - 5 加入保护间隔的o f d m 符号 符号的总长度为t ，其中i 为o f d m 符号的总长度，乙为抽样的保护间隔长度， 为f f t 变换产生的无保护间隔的o f d m 符号长度，则在接收端抽样开始的时刻c 应 该满足下式： 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技术 疋 ( 2 - 1 9 ) 其中气戤是信道的最大多径时延扩展，当抽样满足该式时，由于前一个符号的 干扰只会存在于【o ，z m a x 】，当子载波个数，o f d m 的符号周期e 相对于信道的脉冲响应 长度。很大，则i s i 的影响很小，甚至会没有i s i ；而如果相邻o f d m 符号之间的保 护间隔五满足t 的要求，则可以完全克服i s i 的影响。同时，由于o f d m 延时副 本内所包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 增加o f d m 符号周期可以减少i s i 的影响，为了确定这种影响，我们定义了一种 衡量标准： 叩= ( 2 - 2 0 ) 其中，- r 为延迟扩展，t 为符号周期。在给定带宽的o f d m 信号中，符号周期与子载 波数目是成比例的，如果n 值很大，大量独立的o f d m 符号受到i s i 的影响，导致系 统的高误比特率；相反，如果i l 值很小，则只有- - d , 部分的独立o f d m 符号受到i s i 的影响，因此系统的误比特率较低。i s i 相对于子载波数大的o f d m 系统而言，对子载 波数小的o f d m 系统影响更大。 有较长持续时间的o f d m 符号对于频率选择性衰落有更强的承受能力，但对于时 间选择性衰落则较为敏感。时间选择性衰落导致子载波之间正交性的破坏。对于给定 的信号带宽，随着子载波数的增加，子载波之间的频率间隔也相对减少，由于信道多 普勒扩展而引入的频偏导致了i c i ，而子载波之间间距的减少使子载波更易受到i c i 的破坏。 o f d m 系统加入保护间隔之后，会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失可 以定义为： 铀= 1 0 l o g 。o b t p 2 - ， 从上式可以看到，当保护间隔占到2 0 时，功率损失也不会超过l d b ，但是带来 的信息速率损失却达到2 0 。而在传统的单载波系统中，升余弦滤波也会带来信息速 率( 带宽) 的损失，这个损失与滚降系数有关。而由于插入保护间隔可以消除i s i 和 多径造成的i c i 的影响，因此这个代价是值得的。加入保护间隔之后基于i f f t 的o f d m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 技