（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中自适应调制策略的研究.pdf

耋塞坠兰鎏娄奎耋至耋兰堡呈兰 ；壅茎 摘要 未来通信技术和业务发展的一大趋势是无线通信，计算机和因特网( i n t e r n e t ) 的融合。 为了实现该目标，首要问题就是需要提高高速数据在移动信道中的传输效率和质量，有效对 抗多径衰落信道的不利影响，同时充分利用信道环境来调节系统参数以达到大幅度提高频谱 效率的目的。这也是本文所研究的对象选择了正交频分复用( o f d m ) 技术和自适应调制策略 的原因。由于存在系统性能和自适应算法实现复杂度的折衷，如何在不同的通信环境中最大 限度利用已有硬件资源如数字信号处理器( d s p ) ，并提出与之相对应的可实用而又相对最优 的白适应策略是本文研究的目标。 本文首先介绍了o f 聃的系统模型和特点。在此基础上提出了一种新的研究o f 朋系统中 自适应算法可行性的模型。该研究模型以h u g h e s h a r t o g s ( 简称h - h 算法) 算法为例，先 建立算法的数学模型以便对其运算复杂度进行详细分析，接着进行算法仿真分析，并提出了 判断该算法是否具有实用性的步骤和标准。与此同时，在该研究模型框架内总结了其他几种 针对不同优化目标的经典自适应算法的实用性分析 其次，在单输入单输出( s i s o ) o f d m 系统中，本文结合子载波分组策略提出了一种新的 自适应调制算法，充分考虑了相邻子信道之问的相关性对子载波分组的影响，并对其性能和 计算量进行了理论推导和仿真分析，得到了该算法性能损失不大且可以实用的结论。通过对 所提算法和其他两种经典自适应算法的比较，本文对算法实用中的性能和复杂度的折衷问题 提供了参考依据。 另外，本文还介绍了可以提高通信系统的容量和改善无线链路的传输质量的多输入多输 出( m i m o ) 技术。在总结了m i m o 信道模型和奇异值分解( s v d ) 的特点后，本文着重研究了 m i m o - o f d m 基于s v d 的自适应调制策略，该策略就是把s i s o - o f d m 系统中的自适应算法直接 用在m i m o - o f d m 系统中本文总结了收发两端天线数不大于2 时使用自适应调制策略对性能 才有显著提高。接着主要研究收发两端天线数均为2 的m i m o - o f d m 系统。通过仿真，本文分 析了同一种h h 算法在s i s o 和m i m 0 系统中的不同性能和对应的运算复杂度，分析算法的实 用性，并提出了s i s o - o f d m 系统和m i m o - o f 叫系统两者切换的门限。此外。也讨论了抗多径 时延能力和系统数据率之闷的折衷问题 不同服务质量( q o s ) 的通信业务可以通过选择不同的自适应调制策略来实现的。这也 是本文一直研究的方向。通过对s i s o - o f d m 和m i m o - o f d m 中自适应调制策略中各种系统参数 折衷情况的研究，本文提出了一些有参考价值的不同通信业务下的自适应策略。 关键字：正交频分复用( 0 f d m ) ，多入多出系统( m i m o ) ，自适应调制，运算复杂度。 h - h ( h u g h e s - h a r t o g s ) 算法，奇异值分解( s v d ) 耋里丝：堡尘奎兰堡：兰堡尘三 垒! ! 竺! a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc o m m u n i c a t i o ni sc o m b i n i n gt o g e t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , c o m p u t e ra n di n t e r n e t t oa c h i e v et h i sg o a l ，t h ep r i m a r yp r o b l e mi st oi m p r o v et h et r a n s f e rs p e e d a n dq u a i l t yo ft h ed a t a , t oe f f e c t i v e l yc o m b a tt h ei m p a c to fm u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l ，a n dt o i m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c yb ya d a p t i v e l ym a k i n gf u l lu s eo ft h es t a t eo ft h ec h a n n e l f o rt h e s e r e a s o n s ，t h i ss t u d yc h o o s e so 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 ya n d a d a p t i v em o d u l a t i o ns 打a t e g y t om a k eac o m p r o m i s eb e t w e e np e r f o r m a n c eo fs y s t e ma n dt h e c o m p l e x i t yo fa d a p t i v ea l g o r i t h m t h i ss t u d yt e n d st of i n do u tt h eb e s tw a yo fm a k i n gu s eo f e x i s t i n gh a r d w a r er e s o u r c e ( e g ，d s p ) i nd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ，a n dt op r e s e n t p r a c t i c a la n dr e l a t i v e l ym o r es u i t a b l es o l u t i o n st ot h i sp r o b l e m ab r i e fi n t r o d u c t i o no f o f d ms y s t e m i t sc h a r a e t e r i s t i t sa sw e l la san e wp r a c t i c a lm o d e lo f a d a p t i v ea l g o r i t h mi no f d ms y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em o d e l ( t a k i n gh u g h e s h a r t o g s ( h h ) a l g o r i t h mf o re x a m p l e ) ，f i r s ts e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e la n da n a l y z e si t sc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t yi nd e t a i l a f t e ras i m u l a t i o nc o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，s t e p sa n dc f i t e r mo fc a l c u l a t i n g t h ep r a c t i c a l i t yo ft h ea l g o r i t h mi sp r e s e n t e d a tt h es a m et i m e , a n a l y s e so nt h ep r a c t i c a l i t yo f s e v e r a lc l a s s i c a la d a p t i v ea l g o r i t h m sa r ea l s od e m o n s t r a t e d b e s i d e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wa d a p t i v ea l g o r i t h mi ns i m p l e i n p u ts i m p l e - o u t p u t ( s l s o ) o f d ms y s t e mo nt h eb a s i so fb l o c ka d a p t i v em o d u l a t i o ns t r a t e g y , t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h e e f f e c t so ft h ec o r r e l a t i o no fn e i g h b o rs u b c h a o n e l s t h e o r e t i c a li n f e r e n c ea n ds i m u l a t i o na n a l y s i s l c a dt ot h ec o n c l u s i o nt h a t t h i sa l g o r i t h mi sp r a e t i c a la n dc o u l dr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a l e o m p l e x i t yw h i l ek e e p i n gt h ec a p a e i t yt ot h eh i g h e s tv o l u m ep o s s i b l e b ym a k i n gac o m p a r i s o n b e t w e e nt h i sa l g o r i t h ma n dt w oo t h e rc l a s s i c a la l g o r i t h m s ，t h i sp a p e rp r o v i d e se v i d e n c e st ot h e d e g r e eo f c o m p r o m i s eb e t w e e np r a c t i c a l i t ya n de o m p l e x i t y m o r e o v e r , t h i sp a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o no nm u l t i i n p u tm u l t i - o m p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g y w h i c hh e l p si m p r o v et h ec a p a e i t yo f s y s t e ma n dt h eq u a l i t yo f w i r e l e s sl i n k a sac o m b i n a t i o no f t h ea d v a n t a g e so fm i m oa n do f d m m i m o 0 f d mh a sb e c o m eah o ti s s u ei nt h ef i e l do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a f t e rar e v i e wo nt h ec h a n n e lm o d e la n d $ v do fm i m o ，t h i sp a p e r f o c u s e so nt h ea d a p t i v em o d u l a t i o ns t r a t e g yo nm i m o - o f d mb a s e ds v d , w h i c hm a k e su s eo f a d a p t i v ea l g o r i t h mi ns i s o o f d ms y s t e md i r e c t l yo nm i m o - o f d m b e s i d e s t h i sp a p e rf u c u s e s o nt h em i m o 一0 f d ms y s t e mw i t ht w oa n t e n n a si nt r a n s f e ra n dr e c e i v e r a f t e rs i m u l a t i o n , t h e s t u d ya n a l y s e st h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c ea n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yw h e nh ha l g o r i t h mi s u s e di ns i s oa n dm i m os y s t e m i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r p r o p o s e st h et r a d e o f fb e t w e e nt h e s i s o - o f d ms y s t e ma n dm i m o o f d ms y s t e m d i s c u s s i n gt h ec o m p r o m i s eb e t w e e nt h ea b i l i t y o f c o m b a t i n gm u l t i p a t hd e l a ys p r e a da n dt h ed a t ar a t eo f s y s t e m v a r i o u ss e r v i c e sc a nb ep r o v i d e db yc h o o s i n gd i f f e r e n ta d a p t i v em o d u l a t i o ns o l u t i o n s t h i si s a l s ot h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i sp a p e r ：p r o p o s i n ga d a p t i v es o l u t i o n si nd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e so nt h eb a s i so fr e s e a r c ho np a r a m e t e r si na d a p t i v em o d u l a t i o ni ns i s o o f d ma n d m i m 0 - o f d m s y s t e m s k e y w o r d 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 ) ，m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m , a d a p t i v em o d u l a t i o n , c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , h u g h e s 。h a r t o g s ( h - h ) a l g o r i t h 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 ) i i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 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也遵守此规定。 作者签名：敬哆作者签名：剑整! ! ：z 叼年，月7 日 2 ：些童篁耋皇重窒堡型茎塞墼至耋兰= 兰篓竺 第一章绪论 1 1 宽带无线多媒体通信的发展现状 宽带无线多媒体通信被认为是多媒体技术、网络技术和移动通信技术的结合，是一次划 时代意义的技术革命。宽带无线多媒体技术，可以使任何人在任何地区、任何地点互动地进 行语音，视频和信息的交沉它的出现，使个人宽带多媒体通信成为可能，同时也成为网络 和通信领域研究的热点和难点。根据权威机构的调查和预测。在未来的几年内支持高速数据、 高质量视频和交互式操作的无线宽带多媒体业务将迅速发展，它必将代替话音业务，从而成 为通信市场中占主导地位的业务；它也必将成为未来移动通信发展所追求的目标，同时也将 成为人们生活中不可或缺的一部分。通过无线宽带数据传输网络，我们可以观看高清晰数字 电视节目；可以收听高保真数字广播节目；可以高速浏览互联网上的视频点播、宽带网络游 戏；可以随时、随地进行会议电视；可以实现对边远地区的远程教学等等。 宽带无线多媒体系统是一种大容量的信息传输系统。由于所有传输的信息量大 ( 2 0 i 蝴o p s ) ，且在无线移动信道下传输，因此如何实现高质量、高速度数据传输是实现该系 统的关键之一。适用于宽带无线多媒体系统的宽带无线传输技术应该拥有很高的技术含量， 具有很强的技术前瞻性和广阔的市场前景。因此，对其他高速传输技术的研究。成为宽带移 动通信研究的热点。现阶段。o f d m ( 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 ，正交频分 复用) 以及o f d m + 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 ，多输入多输出) 技术被公认为最佳 解决方案之一o f d m 是一种多载波的数字传输技术。它将高速串行数据转变为低速并行数 据，并用多个相互正交的子载波分别调制这些并行数据。虽然子载波频谱有交叠，但是由于 各个子载波具有正交性，载波之间没有干扰，因此可以有效提高频谱利用效率，尤其适用于 高速宽带通信系统。m i m o 多输入多输出技术同时采用多天线发射和多天线接收，能够大大 提高无线通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统发展的关键技术之一。多天 线系统一般采用空时传输技术或空时编码方法进行高数据率或高可靠性的数据传输。来来宽 带移动通信系统计划用m i m o + 0 f 蹦为核心技术提供移动宽带多媒体增值业务，如数字电视、 数据广播、互联网业务，信息点播等。 在下一代移动通信系统中，将有大量的基于分组数据传输的i p 业务，无线终端上的一 些高速数据业务，如w 硼测览、文件传输、手机视频服务等，对系统传输的可靠性和系统容 量提出了更高的要求。传统的通信系统中所采用的无线传输方案都是针对信道的最恶劣的条 件的，由于移动信道的时变性，当用户位于深衰落区时，采用前向纠错编码( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o nc o d e 。f e c ) 可能会纠错失败，数据传输就会产生所谓“丢包”现象。通信协议 的上层为了保证数据传输的正确性，就会要求对丢失的数据进行重传，造成系统资源的浪费。 为了避免和减少这种不必要的重传。提高系统的通信流量，可以采用自适应调制技术，即根 据信道的不同状态信息。相应地改变调制方式和编码的复杂度，将传输误码率控制在某一要 求值以下，使其在f e c 可纠错的范围内，从而避免了影响系统通信流量的不必要的重传 2 1 呈竺至垒尘窒薹璧堡型兰堕塑竺彗 ；董= 耋篁丝 1 2 自适应调制策略的作用及意义 由于具有极高的频带利用率和抗多径时延扩展的鲁棒性。o f d m 被认为是下一代高速无 线通信领域中最关键的技术之一，并已经被多种通信标准采纳作为核心的物理层技术。在 o f d m 系统中，要采用自适应传输技术来改变调制模式或编码速率以适应衰落信道的变化， 这样可以大幅度提高系统的频谱效率。很多无线通信系统已采用了自适应传输技术来提高系 统的传输速率，比如g p r s ，e d g e 和h s d p a 1 。 近年来，自适应链路技术已经成为无线通信领域的研究热点之一 2 - 4 ，并且作为一种 增强技术在第三代移动通信技术标准如w c d i a 、c d i a 2 0 0 0 中得到应用c 5 这是由无线信道 频率选择性衰落、时间选择性衰落以及空间选择性衰落的特征所决定的。在传统的采用固定 链路方案的无线通信系统中，为了保证链路0 0 s 的要求，系统必须根据最差的信道状况选择 链路传输方案，从而不利于系统容量的提高。而链路自适应技术则根据无线信道在时域、频 域以及空间域上变化的特征采用变化的链路传输方案，在信道状况较好时选择频谱效率高 的传输方案以提高系统速率，在信道状况较差时采用低速率传输方案以提高链路传输质量。 因此，链路自适应技术或被用来提高系统速率、或用来改善系统b e r 性能、或者用来减小系 统的功率开销。 链路级自适应技术的基本思想就是自适应调节信号传输的参数来充分利用当前信道环 境。可以调节的基本参数包括调制方式、编码方式、发射功率、扩频增益和信令带宽等。通 过自适应技术得到的系统的信道容量的增益是非常明显的。因此与非自适应方案相比，可以 提高频谱利用率并提供较高的数据传输速率。在保持一定误比特率的情况下，采用自适应调 制可以解决一部分频谱资源紧张的难题。采用自适应调制的另一个优点是可以通过改变期望 误比特率( b e r ) 来控制通信的q o s 。 链路自适应技术具有很多优势，但要把它应用于实际通信系统仍然面临着一些挑战，比 如不准确的信道状态信息、系统复杂度的限制。在f d d 系统中，由于接收端必须把信道状 态信息、或者链路自适应的判决结果反馈给发送端，反馈开销以及反馈b 寸延同样是必须考虑 的因素。因此，高效而又鲁棒的自适应算法成为自适应链路技术所追求的目标，高效是指自 适应算法要最充分地利用当前的信道状况，鲁棒是指在实际系统中的各种限制下自适应算法 仍然能够很好地工作，而自适应链路的研究者需要在高效和鲁棒之间取得最好的平衡。 迄今为止人们在已经进行的自适应策略的研究中提出了一系列多载波调制的自适应算 法。从这些研究中，我们可以肯定自适应调制是一项非常重要的技术。可以得到比固定调制 更好的系统性能。尽管如此，这些文章仅仅从理论的角度来研究算法对性能的改进，而没有 从实际实现的角度出发来研究可行性。这种可行性包括对算法进行详细的计算复杂度分析以 及用硬件( 如数字信号处理器：d s p ，现场可编程门阵列：f p g a 等) 实现的开销等。随着 超大规模集成电路( v l s i ) 的不断发展，过去因为运算复杂度大而难以实现的最优，次优算 法，现在在系统中有望实现，这正是我们所感兴趣的课题。 1 3 本文的内容及主要贡献 本文主要以o f d m 系统中自适应调制策略为研究中心，根据所提的新的自适应调制算 2 2 1 呈坠垂垒耋呈重窒塑型茎塑墼窒耋兰= 耋篁兰 法的研究模型和评估方法对典型的算法进行了介绍和计算量的分析。在此基础上，本文从算 法的可行性出发提出了一种计算复杂度低、性能好的自适应算法，并对其进行理论分析和性 能仿真，并根据不同的通信q o s 的要求讨论了算法的适用条件。本文的内容安排如下： 第二章从总体上介绍o f d m 系统模型和特点。首先介绍了o f d m 系统的基本原理和特 点，分析了o f d m 能被广泛应用的技术原因，最后介绍了多用户o f d m 的系统模型，因为 通信系统商用不可避免要解决多用户的问题，这也是作者将来研究的重点。本章的介绍可以 对实际的通信业务有直观感知，同时为f 文更好地讨论不同的通信业务下自适应策略的选择 做好铺垫。 第三章提出了一种新的o f d m 系统自适应调制算法的研究模型和评估方法。从分析最 优的功率谱分配方法即“注水”原理开始，接着介绍了o f d m 系统中一些典型的自适应分 配算法，而这些算法都是以注水原理为理论基础根据不同的优化目标而改进了的。然后本 章以其中的一个经典算法为例，详解新的研究自适应算法的数学模型，并分析该算法的计算 量从而对自适应调制算法的可行性进行研究。接下来作者从软件无线电的思想出发，结合 目前的数字信号处理器( d s p ) 估算出经典算法的执行时间，使算法的复杂度用具体的时间来 表征。最后，作者根据以上的分析提出了种新的判断自适应算法可行性的步骤和标准，该 标准做为下文自适应策略研究的方向和基准。 第四章详细研究了单天线s i s o - o f d m 系统的自适应调制技术。首先介绍无线移动信道 的特征，包括时间色散和频率色散。如何在损失性能不人的前提下尽可能地降低自适应算法 复杂度是本文改进算法的思路。因此，本文结合子载波分组的思想，提出了一种新的自适应 调制算法并按照本文提出的研究o f d m 自适应算法的模型进行计算量和性能分析。最后， 根据理论分析和性能仿真得到了性能和计算量的折衷，并通过和其他两种经典自适应算法的 比较本文得出了所提的新算法具有明显的性能和运算复杂度的优势且可以实用的结论。 第五章主要研究了m i m o - o f d m 系统的自适应调制策略。首先总结了多天线m i m o 系 统的原理和特点。紧接着结合m i m o 和o f d m 各自的优势，分析了m 1 m o o f d m 的系统 模型和m i m o 信道模型，总结了目前m i m o o f d m 的三个研究方向。按下来，从分析信道 奇异值分解( s v d ) 入手，研究了闭环m i m o o f d m 系统中基于s v d 方法进行自适应调制 时可以直接采用s i s o o f d m 系统的自适戍算法，然后对其性能仿真和分析，并讨论了在 m i m o - o f d m 系统中采用自适应算法的运算复杂度，并结合实际应用对仿真结果进行探讨 第六章对全文进行总结，根据以上的仿真结果，根据不同q o s 对自适应调制处理时间 等的要求，提出一个可行的自适应调制策略，并提出了今后可以进一步研究的课题。 本文是在作者广泛调研和深入研究基础上，结合新一代移动通信的发展技术和发展趋势 完成的，达到了预期的研究目标。本文的主要贡献有： 1 本文不仅从理论上研究了自适应算法的性能和计算复杂度，而且从实用性出发论证 了算法的优劣提出了一个分析自适应算法运算量的详细模型，得到了实现算法所需的较精 确的d s p 指令数，从而可以判断该算法是否可在容忍的时间内完成。在此基础上，本文提 出了判断一个o f d m 自适应算法是否具有实用性的步骤和标准，这给研究如何改进自适应 算法提供了一个新的方向。 2 本文系统介绍了几种基于不同优化目标的经典算法，并以其中功率受限的h h 算法 3 呈! 呈坚重篁耋皇耋耋耋型兰坠塑竺窑兰= 茎堑鎏 为例。详细分析了其计算量和性能，提出了h h 算法并不像以前所认为的那样因为复杂度 太大而无法实用的结论。本文进一步提出了基于h - h 算法和子载波分组策略的新算法，并 对其性能进行了分析。所提算法充分考虑了相邻子载波问的相关性，将相邻子载波划分为组- 以组为单位进行功率分配。与以往的一些基于注水原理的算法相比，新算法性能损失不大， 但大大降低了计算复杂度。在所提算法的研究过程中，可以直观地看到容景和计算量之问的 折衷关系，从而为自适应策略提供参考依据。 3 本文研究了收发天线数为2 的m i m o o f d m 系统基于s v d 分解后采用h h 算法自 适应调制的性能。由于在m i m o o f d m 实际应用中，信道每改变一次，就得计算信道矩阵 的s v d ，这需要较大的计算量和反馈延时。本文总结了s v d 的计算量并提出了s l s o o f d m 和m i m o - o f d m 的切换门限，这与信道的变化速度有关。这项t 作也为在子载波数选择、 抗时延扩展能力、系统的信道容量以及算法实现复杂度之间的折衷问题的解决提供了理论依 据。 4 本文从算法的实用性出发来研究自适应调制的策略，对目前热点研究的几种通信模 式下的自适应调制技术进行了综合分折，提出了一些针对不同通信业务的有参考价值的自适 应策略。 4 o f d m 系统中自适应调制簧路的研究 第二章o f d m 无线通信系统及持点 第二章o f d m , - j 巳线通信系统及特点 2 1 引言 o f d m 技术与已经普遍应用的频分复用( f d m ，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 ) 技术 十分相似。与f d m 基本原理相同，但o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作 是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流， 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。就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载 波调制( m c m ，m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一种改进。它的特点是各子载波相互正交。所 以调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。 选择o f d m 的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选抒性衰落和窄带干扰。在单 载波系统中。一次衰落或者干扰会导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会 有少部分的子信道受到深衰落。 虽然o f d m 的概念已经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体业务的发展，它才 被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。随着d s p 芯片技术的发展。 傅里叶变换反变换、高速m o d e m 采用的6 4 1 2 8 2 5 6 q a m ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n 。 正交幅度调制) 技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术，插入保护时段、减少 均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发o f d m 技术在移动 通信领域的应用，预计第三代以后的移动通信( b 3 gb e y o n d3 g ) 的主流技术将是o f d m 技术。 o f d m 由于其频谱利用率高，成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信 数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将越来越得到 广泛的应用。 2 2 o f d u 系统模型和特点 多载波调制的基本原理是将所要传输的数据流分解成若干个子数据流，每个子数据流以 较低的数据传输速率去并行调制若干个子载波，然后合并输出。o f d m 是多载波调制的一 种特殊形式，它采用相互正交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据流，子信道的频谱 是可以相互重叠的，这样就提高了频谱利用率。 由于在o f d m 系统中的每个子载波之间具有正交性，所以即使在子信道频谱重叠的情 况下，信号仍然可以被接收并且没有载波间的干扰。接收器作为一组解调器，将每个载波转 换到直流，并且将一个符号周期内的o f d m 信号恢复成原始数据。要获得子载波之间的正 交性，可以选择每个子载波的波特率为l 厂r ，并且子载波之间的间隔也为l 厂r 。正交性也可 以表述为每一个子载波在时间间隔t 内都有整数个周期【6 】。 以上所描述的正交子载波的调制方法可以通过专用硬件完成的快速傅立叶变换( f f t ) 来实现系统，f f t 是d f t 的一种有效的实现方案，目前超大规模集成电路( v l s i ) 技术的 发展使高速大规模的f f t 芯片已经商业化，使用这种方法，发送端和接收端都可以使用有 5 2 1 呈坠至竺! 呈耋至翌型茎塑墼矍垒 兰：；兰呈! 呈坠垂垒翌篁重篓垒丝皇 效的f f t 技术实现，并且可以将运算复杂度从n 2 减小到n l 0 9 2 n 【7 】。 2 2 1 保护间隔和循环前缀 o f d m 的优势之一是其抗多径干扰的能力较强。在无线信道中发射机发出的r f 信号 会被诸如高山、楼房和汽车等物体反射，因此接收机接收到的信号是从不同路径来的信号的 叠加。由于不同路径来的信号的延时和相位是随机的，假设其中最强的主径信号是我们希望 的，那么其他路径来的信号对希望信号就形成了多径干扰。在快衰落信道中，信号的变化在 短距离( l m ) 内就可能达到l o 一3 0 d b 8 。冈此多径效应是比较严重的。 在o f d m 系统中，一个高速的数据流被转换成n 个低速的子数据流，数据速率的降低 就意味着符号的时间间隔增加n 倍，这有利于降低多径干扰的影响。为了消除符号间的干 扰( 即i s hi n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，需要在o f d m 符号之间增加保护间隔。只要保护间 隔大于信道最大的多径延时，那么一个o f d m 符号就不会对下一个o f d m 符号产生干扰 在保护间隔中可以不发送任何信号，但是，这样会导致子载波之间的干扰( 即i c l ： i n t e r e a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 【6 】，下面的例子可以说明这个i c i 是如何产生的。在图2 i 中。示 出了一个o f d m 符号的子载波l 及其延迟的子载波2 。当接收端解调子载波l 时，由于在 采集用于f f t 运算的样点间隔内，子载波l 和子载波2 之间的周期数之差不是整数，因此。 这两个子载波不再正交，子载波2 对子载波l 产生干扰。 子载波 + - 面丽藕葡丽百一 图2 - 1i c i 的产生实倒 为了消除子载波之间的相互干扰，o f d m 的符号在保护间隔内采_ l j | 了循环扩展的前缀 如图2 - 2 所示，这样在保护间隔大于最大多径延迟时，就保证了一个f f t 运算间隔内，o f d m 的多径信号也有整数个周期，从而保证了子载波之间的正交性。 6 2 望竺至簦耋2 重窑望型薹堕竺坚塞丝三耋2 罂竺重彗翌竺圣堡垒丝皇 ；八一 八、l 八八i ，循环前缀 呷圳腑号时溷 ( a ) 0 f 蹦符号中薯频率甘量 叩珊符号时间 ( b ) 合成的o f 叫符号 图2 - 2 带循环前缀的0 f 喇符号 图2 3 说明了多径信号是如何影响o f d m 信号的。虽然o f d m 信号是各个子载波相加 的合成信号，但在图2 3 中还是将各子载波分开。以便更加清楚地描述多径的影响。图中所 示为两径的信道，o f d m 信号包含两个子载波，采用b p s k 调制方式实线表示到达接收 端的第一径信号，虚线表示第二径信号。在( a ) 中，多径延迟小于保护间隔，因此在f f t 的 积分区间内，子载波之间都是正交的只是每个子载波都引入了一个相位偏移在( b ) 中， 多径延迟大于保护间隔，此时多径信号中的相位翻转点落在了f f l 的积分区间内，导致子 载波之间的正交性丢失。 ( a ) 多径延时小于保护问隔，不产生i c i 7 o f d m 系统中自适应调制策略的研究第二章o f d m 无线通信系统及特点 ( b ) 多径延时大于保护间隔产生i c l 图2 - 3 多径信号对0 f 眦信号的影响 图2 4 给出了循环保护间隔抗多径干扰的一些仿真结果。这里，o f d m 符号采用了不同 的调制方式，保护间隔为2 0 u s 。在两径的情况下，较强的一径作为希望信号，另一径为干 扰。图中b p s k 、q p s k 和d b p s k 、d q p s k 调制方式下两径相差3 d b ，1 6 q a m 方式两径相 差1 2 5 d b ，无噪声无峰值功率控制。从图中可以看出，当多径延时小于保护间隔时，系统 的误符号率是很小的；而当多径延时超过2 0 u s 以后，产生了i s i 和i c i 干扰，因此系统的误 符号率迅速增加。其中q p s k 和1 6 q a m 在2 0 u s 附近的变化最为剧烈，这是因为在这两种 调制方式下，调制信号的幅度和相位都带有信息，一旦受到多径干扰的影响，幅度和相位都 会发生变化，因此带来的误符号率也较高。 2 2 2 系统设计 多径延时u 8 图2 - 4 循环保护间隔抗多径干扰的性能 由于o f d m 的调制和解调可以通过d f t 变换来实现，因此。我们可以得到一个o f d m 系统的基本模型框图，如图2 - 5 所示。用户信息数据首先进行信道编码，然后进行交织并进 行调制映射，调制映射可以采用d p s k 、p s k 或q a m 等方式。利用i f f t 算法对调制后的 数据作i d f t 变换，产生n 点的相应时域序列。将时域序列的最后n 个样点加到该序列的前 端，经并串转换后，就形成一个样点数为n + n 的发送符号，再经过加窗和滤波，就得到o f d m 8 哥努嗒挈巾靶 2 1 盟至竺圭窒重窒堡型茎窒墼至塞 篓三耋竺至竺蚕丝耋篁至堡垒竺皇 发送方式的基带信号。最后由r f 发射模块将信号发送出去。 图2 _ 50 f 嘣系统收发器的基本框图 由于相位调制方式中信号相位发生跳变，因此导致o f d m 信号的功率谱密度有较大的 旁瓣。为了使带外的功率谱能快速下降，可以对o f d m 信号进行加窗处理。最典型的窗函 数是升余弦滚降函数。它的数学表达式为： 嘶) = 0 5 + o 5 c o s ( # + 耐0 田：) ) 1 0 0 r , a r r , a r r ，t ( 2 - 1 ) 0 5 + o 5 c o s ( ( t c k g 日i ) ) e t s o + p ) r r 其中，矸是比实际o f d m 符号周期稍短一些的符号周期，芦是滚降因子这样就允许 相邻符号间有部分重叠。，的增加可以改进功率谱的特性，但会将有效保护时间减小，耳。 值得注意的是，也可利用滤波代替加窗来加速带外谱密度的下降。但是，滤波技术比加 窗更难控制，因为要避免o f d m 符号受到滤波器的纹波影响，这种影响直接导致抗多径延 迟的性能的下降。 在图2 - 5 中，接收信号通过r f 接收模块和模，数转换器之后，首先要对信道进行估计， 对信号进行时频同步，将接收到的o f d m 信号的保护间隔去除然后利用f f t 算法对所有 子载波进行解调，重新得到发射谱。对每个子载波上的符号解映射，将其转换成二进制比特， 并经解交织和信道解码最终恢复信息数据。这个过程与发射端工作过程相反。 o f d m 系统和其他的通信系统一样。要面对许多参数的选择和性能的折衷。主要的一 些参数有系统的比特率、b e r ，可用带宽、信道的i t m s 延迟等 信道的多径延迟直接决定了保护间隔的大小。保护问隔过大会导致系统信噪比( s n r ) 的损失，因为保护间隔是不携带任何信息的。保护问隔过小又容易引起i s i 和i c i ，尤其是 高阶调制( 如6 4 q a m ) 比低阶调制( 如q p s k ) 对i s i 和i c l 的影响更敏感，这一点从图 2 - 4 中也能观察到一般而言，保护间隔至少为多径信遘的r m s 延迟的2 4 倍1 6 】。 当保护间隔确定之后，就可以确定符号间隔了。为了尽量减小保护间隔所带来的系统 s n r 的损失，就必须使符号间隔比保护间隔要大得多。但是。也不能过度增加符号间隔。 因为符号间隔的增加就意味着子载波数的增加、子载波间隔的减小和实现复杂度的增加。因 此，比较合理的选择是使符号间隔至少为保护间隔的5 倍【6 】，这样，由保护间隔引起的系 9 呈! 呈警至篁：皇重窒兰型兰氅塑望耋 塞三兰2 1 呈竺垂彗鎏尘耋垒垒竺耋 统s n r 的损失也可以接受。 符号间隔确定之后。就可以计算相邻子载波之间的间隔了。计算方法是用o f d m 符号 间隔减去保护间隔，然后再取倒数。那么所需的子载波数为可用带宽除以子载波的间隔。子 载波数也可用系统要求的比特率除以每个子载波的比特率来估算。 系统的数据速率也是一个重要的参数，它与数据的调制方式和编码方式密切相关。在 o f d m 系统中必须将调制方式和编码方式进行适当地组合。以达到系统所要求的数据速率。 同时。也要满足不同业务的b e r 的要求。 2 2 3o f d m 辅r 方式的主要优点 o f d m 系统被认为是一种能够可靠地传送高速数据的方法，已经广泛地用于数字音频 ( d a b ) 、数字视频( d v b ) 、数字用户环( x d s l ) 和宽带无线局域网中。它的优点总结如 下： 1 o f d m 方式能够有效抵抗多径干扰。对一个给定的延迟扩展，只要通过设置，使循环保 护前缀的持续时间大于该延迟扩展，那么就可以消除多径干扰。在性能要求相同的情况 下，o f d m 系统实现的复杂度比使用均衡器的单载波系统要小得多有时甚至可以不采 用均衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除i s l 的不利影响。 2 在相对较慢的时变信道中，可以根据特定的子载波的信噪比来调整每个子载波的数据速 率以大大增强系统的容量。假设通过信道估计算法获得传输信道中的衰落情况，那么就 可以自适应地在各子载波上改变调