（通信与信息系统专业论文）imtadvanced的多址与调制技术研究.pdf

学科、专业： 研究方向： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 工学信息与通信工程 作者：沈加民 指导教师：杨龙祥教授 题 英文题目：r e s e a r c ho nm u l t i p l ea c c e s sa n dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y f o ri m t - a d v a n c e ds y s t e m 主题词：i m t a d v a n c e d ，l t e ，d f t - s o f d m ，o f d m a ，m i m o ，子载波分配 k e y w o r d i m t a d v a n c e d ，l t e ，d f t - s o f d m ，o f d m a ，m i m o ，s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 为了能够获得超越i m t - 2 0 0 0 移动通信系统的性能，i t u r 提出了对新一代移动通信 系统的研究，并称之为i m t - a d v a n c e d 系统。在2 0 0 9 年1 0 份的i r u rw p 5 d 会议上，确 定了两种国际候选标准：8 0 2 1 6 m 和l t e a d v a n c e d 。正交频分复用技术( o f d m ) 技术仍是 i m t - a d v a n c e d 系统的核心技术，它有很多优势：频谱效率高、带宽扩展能力强、抗多径衰 落和易于实现m i m o 等。 本文研究了上行链路采用s c f d m a ( 主要是基于o f d m 的单载波技术d f t - s o f d m ) 和o f d m a 两种不同多址在不同调制方式下系统的性能，并在不同的条件下对两种方式的 性能进行了比较研究。分析与仿真结果表明，大多数情况下o f d m a 的链路性能都优于 d f t - s o f d m ，但是o f d m a 有着较高的峰均功率比( p a p r ) ，所以d f t - s o f d m 可以牺 牲少量的链路性能来换取较低的p a p r ，这样更有利于降低上行链路用户终端对射频的要 求。然而，o f d m a 在大多数条件下性能优于d f t - s o f d m ，尤其是采用m i m o 技术时， 所以，i m t - a d v a n c e d 系统上行多址方式具体要采用o f d m a 还是s c f d m a 还有待进一 步研究。 i m t - a d v a n c e d 系统基本确定了o f d m a 作为下行的多址方式，本文详细分析了 o f d m a 多址接入过程，研究了在不同调制和传输模型下的性能，并对一种子载波分配算 法进行了深入系统的分析，重点分析了此算法下链路的性能。研究表明当使用本文所设计 的子载波分配算法时，链路的性能和吞吐量都得到了一定的提高，并且此算法对所有用户 来说是公平的。 关键词：i m t a d v a n c e d ，l t e ，d f t - s o f d m ，o f d m a ，m i m o ，子载波分配 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 i m t - a d v a n c e ds y s t e mi st h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o n m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o p o s e db y i t u r ，w h i c hh a sh i g h e rp e r f o r m a n c et h a ni m t - 2 0 0 0m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 8 0 2 16 m a n dl t e a d v a n c e da r et w oc a n d i d a t e sf o rt h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d o f i m t - a d v a n c e d 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 ) t e c h n o l o g y i ss t i l lt h ec o r e t e c h n o l o g y o fi m t - a d v a n c e d ，w h i c hh a s m a n ya d v a n t a g e s ：ah i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c y , a n t i m u l t i p a t hf a d i n g ，e a s yt oi m p l e m e n tm i m oa n ds oo n f o rt h eu p l i n k ，d f t - s o f d m ( d f ts p r e a do f d m ) a n do f d m aa r es t u d i e di nt h i st h e s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si nd i f f e r e n tm u l t i p l ea c c e s sa n dm o d u l a i t i o ns c h e m e ss h o wt h a tt h el i n k p e r f o r m a n c eo fo f d m a i sb e t t e rt h a nt h a to fd f t - s o f d mi nm o s tc a s e s ，b u to f d m ah a s h i g h e rp e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) w h i c hi n c r e a s e sd r a m a t i c a l l yt h ec o s ta n dp o w e r c o n s u m p t i o no ft e r m i n a l s h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fo f d m ai s m u c hb e t t e rt h a n d f t - s o f d mw i t ht h em i m ot e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，i m t - a d v a n c e dn e e d st of i n dat r a d e - o f f b e t w e e np a p ra n dp e r f o r m a n c ei nt h eu p l i n k o f d m ah a sb e e na p p l i e dt ot h ed o w n l i n ka sam u l t i p l ea c c e s sm e t h o d i nt h i st h e s i s ，an e w s u b c a r r i 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 d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e df o ran u m b e ro f t r a n s m i s s i o nm o d e s i ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fo f d m aw i t ht h es u b c a r r i e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hi se q u a lf o ra l lu s e r s ，i ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d k e yw o r d s ：i m t a d v a n c e d ，l t e ，d f t - s o f d m ，o f d m a ，m i m o ，s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n i l 南京邮电 2 1i m t - a d v a n c e d 的主要技术标准方案3 2 1 18 0 2 1 6 m 技术特点4 2 1 2l t e a d v a n c e d 技术特点5 2 2o f d m 技术5 2 2 1o f d m 基本原理6 2 2 2 保护间隔与循环前缀7 2 2 3o f d m 的系统实现1 0 2 2 4o f d m 技术的特点1 1 2 3m i m o o f d m 技术。1 2 2 3 1m i m o o f d m 基本原理1 3 2 3 2m i m o o f d m 中的空时编码1 5 2 4 多址和调制技术1 7 第三章i m t - a d v a n c e d 链路级仿真平台设计1 9 3 1 流程控制模块1 9 3 2 信道编译码模块2 1 3 3 调制模块2 2 3 4 信道模块2 4 3 5m i m o 空时处理模块及其他模块。2 6 第四章i m t - a d v a n c e d 的上行多址与调制技术：2 8 4 1o f d m a 2 8 4 1 1o f d m a 基本模型2 9 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 1 2o f d m a 基本原理一3 0 4 1 3 峰均功率比p a p r 一3 3 4 2s c f d m a 3 3 4 2 1i f d m a 基本原理3 4 4 2 2d f t - s o f d m a 基本原理3 4 4 3m i m o 与o f d m a 和s c f d m a 的结合_ ，3 8 4 4 性能仿真与分析：4 0 4 4 1 无编码下的b e r f b l e r 4 1 4 4 2 有编码下的b e r b l e r 4 3 4 4 3p a p r 。4 5 4 5 本章小结4 5 第五章i m t - a d v a n c e d 的o f d m a 多址接入技术4 7 5 1 下行o f d m a 多址接入4 7 5 1 1o f d m a 基本理论4 8 5 1 2o f d m a 子载波的分配4 9 5 2 种公平的子载波分配算法5 l 5 3 仿真参数的设定：一5 3 5 4 性能仿真与分析5 5 5 4 1 随机子载波分配下的p e r t h r o u g h p u t 5 5 5 4 2 不同子载波分配下的p e r 5 8 5 4 3 公平子载波算法下的p e r t h r o u g h p u t 6 0 5 5 本章小结6 2 第六章总结与展望6 3 6 1 本文总结：6 3 6 2 论文进一步研究的问题6 4 参考文献6 5 致谢6 9 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文7 0 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1i m t - a d v a n c e d 综述 第一章绪论 b 3 g 技术的研究从2 0 世纪末3 g 技术完成标准化之时就开始了。2 0 0 0 年3 月，i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n si nt h ey e a r2 0 0 0 ，也称为3 g ) 标准的第一版本完 成后，i t u r ( 国际电信联盟无线通信部门) 并开始考虑i m t - 2 0 0 0 的未来发展和后续演进 问题。2 0 0 6 年，i t u r 已经正式将b 3 g 技术命名为i m t - a d v a n c e d 技术( 也称为4 g 技术) 。 根据原定的工作计划，i m t - a d v a n c e d 标准化已经“近在眼前”。i m t n a d v a n c e d 技术【6 1 主 要实现更高的数据速率和更大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下 1 g b i t s 以上，高速移动、广域覆盖场景下1 0 0 m b i t s 。 2 0 0 9 年l o 月1 4 日至2 1 日，i t u 在德国德累斯顿举行i t u rw p 5 d 工作组第6 次会 议，征集i m t - a d v a n c e d 候选技术。i t u 收到来自中国、日本、韩国、3 g p p 和i e e e 的共 6 项候选技术提案，其中，中国提交的方案为t d l t e a d v a n c e d 4 1 。这些提案涵盖了 l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m 两种技术i t , 3 ，并且都包含了t d d 和f d d 两种制式。i t u 确定 l t e a d v a n c e d 和8 0 2 16 m 为4 g 国际标准候选技术。根据工作计划，i t u 下一步将对两种 候选技术进行分析评估和试验验证，并于2 0 1 0 年1 0 月最终决定i m t - a d v a n c e d 国际标准。 作为第四代移动通信，i m t - a d v a n c e d 系统应是能力超过i m t - 2 0 0 0 的新一代移动系统。 i m t - a d v a n c e d 移动通信系统在业务、功能和频带上都将与3 g 不同，i m t - a d v a n c e d 系统 6 1 的主要要求是：具有很高的数据传输速率、实现真正的无缝漫游、高度自治的网络、良好 的覆盖性能、实现基于i p 的网络、采用先进的编码和检测技术。 作为i m t - a d v a n c e d 的两个标准，l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m 都是以o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ，正交频分复用) 和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 ) 为核心技术的。就多址方案来讲，3 g p p 的l t e a d v a n c e d 提出了上行采用基于o f d m 的 单载波频分多址接入技术s c f d m a ( s i n g l e c a r r i e rf d m a ) ，下行采用正交频分多址技术 o f d m a 3 , s ；i e e e 的8 0 2 1 6 m 提出了上下行都采用o f d m a 多址技术 1 , 2 l 。从调制角度来 讲，这两个技术标准都仍以多载波调制( m c m ) 为基础的，而基本的信道调制除了可以使 用传统的正交移相键控q p s k 、正交幅度调制q a m 等外，还提出了使用1 6 q a m 、6 4 q a m ， l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 甚至是2 5 6 q a m 等高阶的调制方式，以适应i m t - a d v a n c e d 高速率传输的要求。另外，两 种技术标准都提出了m i m o 与多址技术的结合使用，由于m i m o 技术有利于抗多径衰落 和干扰消除，所以m i m o 多天线的运用也是i m t - a d v a n c e d 系统所面临的机遇和挑战。 1 2 本文研究内容 与3 g 相比，i m t - a d v a n c e d 系统将有质的飞跃，所以必须采用先进的技术有效利用频 率资源，同时满足高速率大容量的业务需求，还要能克服高速数据在无线信道下的多径衰 落。 本文主要从多址和调制两个方面来研究不同方案下的i m t - a d v a n c e d 系统的性能，着 重研究上行链路不同多址和调制方案下系统的性能，另外详细研究了i m t - a d v a n c e d 中最 得到认可的o f d m a 多址接入技术和子载波分配问题。 本文的主要组织结构： 第一章主要介绍了i m t - a d v a n c e d 的发展现状，并概要介绍了目前多址和调制技术的 研究结果。 第二章主要介绍了i m t - a d v a n c e d 的关键技术，简单介绍了8 0 2 1 6 m 与l t e a d v a n c e d 的技术特点，然后研究了i m t - a d v a n c e d 中关键技术o f d m 的基本原理，以及m i m o 与 o f d m 结合的技术特点。 第三章主要根据i m t - a d v a n c e d 不同多址和调制的特点，对链路级仿真平台进行了设 计，链路性能的仿真研究可建立在这平台基础上。本章主要研究了包括信道编译码、调制 处理、信道模块和m i m o 空时处理模块等几个重要的模块。 第四章主要研究了i m t - a d v a n c e d 中上行链路的多址和调制技术，着重研究了两种多 址方式即单载波频分多址s c f d m a 和正交频分多址o f d m a ，充分研究了两种不同多址 在不同调制下的性能，并在不同条件下对性能进行了仿真分析。并研究了m i m o 多天线技 术的引入对两者性能的影响，最后从链路性能和p a p r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，峰均 功率比) 两方面来比较得出各自的优越性。 第五章主要研究了i m t - a d v a n c e d 下行多址方式o f d m a 的性能，分析了多址接入过 程，并分析提出了一种公平的子载波分配算法，研究了在不同调制和传输模型下的性能， 分析了此算法对链路性能和吞吐量的影响，并仿真比较了此算法的优点。 第六章是对本文研究内容进行了总结，并展望了今后需要进一步研究的问题。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 第二章i m t a d v a n c e d 的关键技术 第四代移动通信i m t - a d v a n c e d 系统是能力超过i m t - 2 0 0 0 的新一代移动通信系统，该 系统能够提供广泛的电信业务。 i m t - a d v a n c e d 系统提供更宽范围的数据带宽，基本满足不同用户环境下用户和业务的 需求，它体现了移动无线网络及传统i p 网络不断融合的发展趋势，因此i m t - a d v a n c e d 系 统应是一个全i p 的网络，而基于i p 技术的网络结构可以使用户可实现在3 g 、4 g 、w l a n 及固定网间无缝漫游。 i m t - a d v a n c e d 的关键特性包括：在不提高成本的基础上，达到世界范围内的高度通用 性；支持i m t 业务和固定网络业务的能力；提供高质量的移动服务；世界范围内的无缝漫 游能力：增强的峰值速率能支持各种新的业务和应用，例如多媒体业务( 理想情况下，在 高移动性下支持1 0 0 m b p s ，低移动性下达到1 g b p s ) 。 2 1i m t - a d v a n c e d 的主要技术标准方案 目前，i m t - a d v a n c e d 的技术标准主要有l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m 两种候选标准，这 两种方案的技术原理基本一致，都采用o f d m 和m i m o 为核心的技术组合，不过这两者 物理层最基本的帧结构并不相同【l ，3 1 。另外，在多址方案的选择上也存在一定的分歧，主要 集中在上行链路，这也是本文研究的重点。 8 0 2 1 6 m 是i e e e 向i t u r 提交的i m t - a d v a n c e d 的候选技术 1 , 2 1 。2 0 0 7 年1 0 月，i e e e 提交的o f d m a t d dw m a n 被接受为i m t - 2 0 0 0 新的无线接入技术，它是基于i e e e 8 0 2 1 6 标准与w i m a x 的规范说明。8 0 2 1 6 m 即是在w m a no f d m a 的基础上，进行修改以满 足i m t - a d v a n c e d 的系统需求，同时可以继续支持w m a no f d m a 设备。 l t er e l e a s e1 0 & b e y o n d ( l t e a d v a n c e d ) 是3 g p p 提交的i m t - a d v a n c e d 无线接入 技术解决方案 3 , 5 1 。该方案是基于现有的l t e 标准( l t er e l e a s e8 ) ，为了满足i m t - a d v a n c e d 的性能要求而进行的演进，包含f d d 接入方案和t d d 接入方案。3 g p p 提交的支持信息 文档为3 g p pt r3 6 9 1 2v 9 0 0 ( r e l e a s e9 ) ，作为向( l t e a d v a n c e d ) 演进的可行性研究。 8 0 2 1 6 m 方案中提出在上下行均采用可扩展的o f d m a 技术，而l t e a d v a n c e d 方案 提出在下行使用o f d m a 多址技术，上行采用d f t s o f d m ( s c f d m a 技术的一种) ， 是在子载波映射前进行d f t 预处理，为了降低峰均比。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 2 1 18 0 2 1 6 m 技术特点 在宽带移动化方面，i e e e8 0 2 工作组先后制定了w l a n 和w i m a x 等技术规范，其 中基于i e e e8 0 2 1 6 e 标准的移动w i m a x 技术，由于兼具了移动化、宽带化和i p 化的特 点，成为最具发展潜力的无线接入技术之一。 由于i e e e8 0 2 1 6 e 标准并不支持高速移动服务，在i e e e8 0 2 1 6 e 基础上，i e e e 已经 成立了8 0 2 1 6 m 工作组。8 0 2 1 6 m 目前提出的要求如下【1 1 ：支持在时速3 5 0 k m h 以上的移 动物体上使用；其他方面，提出带宽分为5 ，1 0 ，2 0 ，4 0 m h z ，计划最多可支持4x 4 的m i m o ； 在使用2 0 m h z 带宽、利用t d d 进行通信时，数据传输速度要求下行速度4 0 m b p s ，上行 1 2 m b p s 以上；要求链路层的访问时间及切换延迟分别为1 0 m s 以下、2 0 m s 以下。另外， 8 0 2 1 6 m 还需要与现行的8 0 2 1 6 e 兼容。 i e e e8 0 2 1 6 m 在2 0 0 9 年l o 月向i t u 提交了技术方案，并成为i m t - a d v a n c e d 的候选 方案，该方案提出了上下行均采用可扩展的o f d m a 技术。同时支持s d m a ( 也可称为多 用户m i m o ) 技术。该方案支持t d d 与f d d 两种双工模式，以及f d d 模式下支持a m s ( 自适应m i m o 转换) 的h f d d ( 半双工f d d ) 实现，系统参数依赖于具体的传输带宽 与双工模式。 8 0 2 1 6 m 的主要技术特点为1 1 , 2 1 ： ( 1 ) 上下行均采用可扩展的o f d m a 技术，并兼容o f d m at d dw m a n ； ( 2 ) 支持t d d 与f d d 两种双工模式，先进的多天线技术； ( 3 ) 对i p 网络的开放接口，支持实时服务的q o s ； ( 4 ) 统一的单用户与多用户m i m o 结构； ( 5 ) 支持多载波： ( 6 ) 多跳接力通信，接力采用解码转发( d f ) 方式； ( 7 ) 支持家用基站( f e m t oa b s ) 与自组织功能，如a b s 可以自动配置系统参数， 优化网络性能、覆盖范围及系统容量； ， ( 8 ) 增强的广播与多播服务； ( 9 ) 先进的干扰抑制技术； ( 1 0 ) 与其他的接入技术共存，如通过同步与t d s c d m a 在邻近信道共存。 其中( 1 0 ) 条是8 0 2 1 6 m 超越i m t - 2 0 0 0o f d m a t d dw m a n 的新特性。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 2 1 2l t e a d v a n c e d 技术特点 l t er e l e a s e10 & b e y o n d ( l t e a d v a n c e d ) 是对l t e 标准( l t er e l e a s e8 及r e l e a s e 9 ) 的改进，以满足i m t - a d v a n c e d 的系统要求。 l t e a d v a n c e d 的主要特点 3 , 6 1 ： ( 1 ) 上行采用s c f d m a 技术，下行采用o f d m a 技术，支持多种传输带宽； ( 2 ) 支持t d d ，f d d 以及h f d d 双工模式； ( 3 ) 通过载波集合来支持更宽的带宽，获得更高的峰值传输速率和更灵活的频谱利 用： ( 4 ) 先进的m i m o 技术，下行支持高达8 层的传输模式，上行支持4 层的单用户m i m o 传输结构； ( 5 ) 支持多点协同传输与接收技术( c o m p ) ( 下行的c o m p 传输与上行的c o m p 接 收) ，提高小区边缘用户的吞吐量； ( 6 ) 支持中继接力通信传输，扩大系统覆盖； ( 7 ) 采用家用基站( h n b ) ： ( 8 ) 支持自组织网络( s o n ) 传输： ( 9 ) 前向兼容l t e 更早的标准。 2 2o f d m 技术 o f d m 技术是下一代通信系统i m t - a d v a n c e d 的核心技术：o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ) 耳p 正交频分复用技术，是m c m ( m u l t i c a r d e rm o d u l a i o n ) 多载波调制的一种。其主要思想是：在频域内将给定的信道分成若干正交子信道，然后再 将高速数据信号通过串并转换，形成并行的低速子数据流，每个子信道可以使用一个子载 波进行调制并且各子载波之间并行传输。另外，可以通过加循环前缀来减少和消除码间干 扰i s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的影响，就是在基带产生的时域信号上再加入一个循环 前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) ，该循环前缀的长度一般大于最大时延，循环前缀可以在接收端再 去除。 一般来讲，尽管整个信道可能是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子载波相对平 。 坦，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰 落，从而可以消除符号问干扰i s i 。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部 5 南京邮电 分，从 一，可以结合先进的编码技术、m i m o 多天线技术、干扰消除技术以及智能天线技术，最 大程度地提高系统性能。 2 2 1o f d m 基本原理 o f d m 信号的产生流程是输入的数据符号首先进行串并转换，然后经过快速傅里叶逆 变换( i f f t ) 对星座点进行基带调制，再经并串转换成为o f d m 信号，所以说，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，其中每个子载波都受到了调制( 如 q p s k 、1 6 q a m 等) 。以下用n 表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度， z ( j = o ，1 ，n - 1 ) 是进过串并转化后分配给每个子信道的数据符号，z 是载波频率，则从 t = t 。开始的o f d m 符号可以表示为： j ( f ) ：r e n 1 2 - 1d j 2 x ( 厶一半x f 一f + 丁 ( 2 1 ) i = - n 1 2 然而，我们通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，如下式： s ( f ) ：n 1 2 - 1 e ) 2 x d i + n 1 2 争s ( f ) = 1 ( 2 2 ) 它的实部和虚部分别与o f d m 符号的同相和正交分量相对应，在实际传输过程中可以 分别与相应的子载波的余弦和正弦分量相乘，从而构成最终的子信道信号合成的o f d m 符 号。 o f d m 系统的另外一个重要优点就是可以利用离散傅里叶变换( d f t ) 来实现调制和解 调，从而避免了在直接生成n 个载波时由于频率偏移而产生的交调，这样仍可保持o f d m 的正交性，而且能够通过简单的f f t i f f t 变化模块来实现信号的调制和解调，这样可以 大大简化系统实现的复杂度。 实际上，从式( 2 2 ) 中定义的o f d m 等效基带信号可以采用离散逆傅立叶变换( i d f t ) 来实现。令上式中的= o ，t = k t n ( k = o ，1 n 一1 ) ，可以得到： n - i 2 k o t s ( 尼) = s ( 灯) = 可，o k n - 1 ( 2 - 3 ) s ( k ) 即为z 的i d f t 运算。在接收端，若要恢复出原始的数据符号，可以对s ( k ) 进行 d f t 变换，得到： 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 一1 二船f 吐= s ( 七) g 叫丁，o i 可以表示为： & = 丽| n 缶- i se x p ( 等) ( 七= 一g ，一心+ 1 ，：- 1 ，o ，一1 ) ( 2 - 5 ) 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 m 为循环前缀的长度。在经历多径信道和加性高斯白噪声作用后的接收信号为： y ( f ) = r “j ( 卜f 弦( f ，f ) d f + 玎( f ) ( 2 - 6 ) y ( t ) 经过模数转换a d 变换后可得到接收序 儿) ，( 七= 一g ，一g + l ，一l ，0 ，n 1 ) 。 通过去c p 方法，去除。个样点后可以消除i s i 干扰的影响。之后再对序列进行d f t 变换， 得到输出解调序列 s ) ，i = 0 ，1 ，n 1 ： 童= 丽1 缶n - 1 儿e x p ( 二百2 r e i n ) ，( i = 。，1 ， ( 2 _ 7 ) 研究表明，通过选择合适的子载波个数n 和循环前缀c p 的长度，可以使信道响应平 坦，有助于保持子载波间的正交性，而插入保护间隔还有助于减少符号之间的干扰，因此 o f d m 有可能完全消除i c i 和i s i 带来的影响。 2 2 3o f d m 的系统实现 图2 5 是一个完整的o f d m 系统流程框图，它包括了发送和接收两部分。如果考虑更 简单的o f d m 系统实现，即假设己经完成所有的同步，且不考虑信道对信号产生的畸变。 则发送和接收的基本情况可描述为： 发送端：首先通过串并变换将串行的调制数据转换为n 路并行的比特流，比如分别对 应n 个不同的子载波，然后根据各个子信道的情况选择合适的调制方式进行星座点映射并 进行子载波的分配。然后再经过i f f t 变换和并串变换，形成o f d m 数据符号，最后根据 需要再加上合适长度的循环前缀从而产生一个完整的o f d m 符号。最后经过d a 转换后 送入无线信道发送出去。 接收端：其过程与发送过程相反，经过a d 转换后先去除循环前缀c p ，这里假设信 号已经完成同步，然后经过串并转换和进行f f t 变换后，从而获得各个子载波上传输的信 号，再经过星座点逆映射( 与发送端星座点映射对应) 解调得到各个子载波上的比特信息， 最后经过并串转换得到与发送数据符号对应的接收比特流信息。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 2 2 4o f d m 技术的特点 图2 5o f d m 系统完整框图 根据上面的研究分析不难看出，o f d m 系统具有如下优点： ( 1 ) 各个子信道中的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 来实现。对于子信道数 很大的系统，还可以用f f t 来实现。这样运算量就很小，实现简单。 ( 2 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上 行链路的数据传输量。o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和 下行链路中的不同传输速率。 ( 3 ) 实际的信道多数都是频率选择性衰落信道，但是不可能所有的子信道都同时处 于深衰落。因此，性能差的只是其中的一小部分子信道，就可以通过信道编码来得到最终 的解调数据。还可以通过动态数据分配和动态子信道分配来充分利用信噪比较高的子信 道，从而提升系统性能。 堕室塑皇奎兰堡主堕塞竺兰垡笙兰 星三里! 竺! 型：竺! ! ! 塑差堡垫查 ( 4 ) o f d m 系统由于其频分特性，容易与其他多种多址方式相结合，构成o f d m a 系统。 o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此 与单载波系统相比，存在如下主要缺点： ( 1 ) 易受频率偏差影响。由于子信道的频谱相互重叠，这就对它们之间的正交性提 出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信道的频率偏 移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在频率偏差， 都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰， 这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 ( 2 ) 存在较高的峰均功率比( p a p r ) 。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输 出是多个子信道的叠加，因此如果多个信号相位一致时，所得到的叠加信号的瞬间功率会 远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰均功率比。这样就对发射机内放大器的线性 提出了更高的要求。 2 3m l m o o f d m 技术 m i m o 和o f d m 技术能够解决带宽效率和多径衰落。o f d m 通过将频率选择性多径 衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响。而m i m o 技术能够在空间中 产生独立的并行信道同时传输多路数据流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率，有 效地提高了系统的传输速率。这样，将m i m o 和o f d m 两种技术相结合，就能达到两种 效果：一种是实现很高的数据传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性。 从理论上来说，作为高速无线局域网核心的o f d m 技术，只要适当选择各载波的带宽 和采用纠错编码技术，多径衰落对系统的影响可以完全被消除。因此如果没有功率和带宽 的限制，可以用o f d m 技术实现任何传输速率。而其他技术就不具备这种特性，采用其他 技术，当数据传输速率增加到某一数值时，信道的频率选择性衰落会占据主导地位，此时 无论怎样增加发射功率也得不到改善，这正是o f d m 技术适用于高速无线局域网的原因。 而m i m o 系统虽然在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗多径 衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然无能为力。而m i m o 和o f d m 技术 的结合可以很好地解决以上问题。 m i m o o f d m 技术利用了时间、频率和空间3 种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、 多径的容限大大增加。m i m o 和o f d m 技术作为未来4 g 的核心技术，两者相结合在提高 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 无线链路的有效性和可靠性方面具有巨大潜力。 2 3 1m i m o o f d m 基本原理 m i m o o f d m 系统发送端框图如图2 6 所示： 图2 6m i m 0 一o f d m 系统发送端框图 考虑到一个有坼个发送天线，r 个接收天线的m i m o o f d m 系统，发送端的基带信 号为： ，( r ) ：焉i 艺k 1 2 - 1 。g ( t 一刀c ) p 皿嗉。1 弓吨 ( 2 8 ) ( r ) = 万， 一刀c ) p 。砀一 ( 2 8 ) 吖a ，z = k 2 式中( f ) 为第个发送天线的基带信号；k 为o f d m 系统的子信道数；，为第一 个发送天线、第n 个o f d m 符号的第k 个子信道上发送的信号：l 为整个o f d m 符号周 期，包括数据周期和保护间隔毛，弓= 乃+ ； g ( t ) 为成形函数，由下式给出： 酏) - l 鬓蔷l 协” 基带上变频到发射信号，得到： ( f ) = ( 咖7 2 f 石+ 卉 ( 2 - 1 0 ) 式中石为第惕个发送天线上的载波频率；力为第惕个发送天线上的载波相位； 由于各个发送天线的载波是由同一晶体振荡器混频，各个天线的载波频率可以近似认 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i m t - a d v a n c e d 的关键技术 为是相等的；而混频、载波所引入的相位偏差与后面经信道引起的相位偏差比较，要小得 多，可以忽略不计。所以，各个发送天线载波统一为石和力。 式( 2 - l o ) 中，屯( f ) 在频域是( ，) 简单的频移，其频域是不对称的，而实际发送的 只有实信号，实信号的频域是对称的，因此实际发送的信号是( f ) 的实部，即 r e 吼( f ) 】- r e ( 2 嘶+ q ( 2 1 1 ) 在后面的下变频中，同样也要取实部，为了推导的简化，就对频谱作单边的搬移，而 并不影响推导的结果。 假设从发送天线_ 到接收天线伟有 条发送路径，并将k 一条路径的信道复增益写 作k ，那么从发送天线_ 到接收天线伟的信道 可以由下式描述： 厶一1