（通信与信息系统专业论文）ofdm技术在未来移动通信中的应用研究.pdf

摘要 j 、代无线通信要提供无所不在的业务。无所不在不仅指使用业务的 环境等条件不受限制，更指业务类型覆盖面广，可满足不同需求。随着末 来无线通信对速率的要求越来越高，o f d m 技术以其较高的数据传输速率 和较好频谱利用率而日益成为下。代无线通信的核心技术。o f d m 方案可 以 醴好地处理大数量的交叠路径上的信号，并提供完全自适应的频率信道 挖制。o f d m 技术具有内在抗码间干扰的能力，并自动形成频率分集。另 外，与o f d m 相关的其他技术( 包括高电平调制和编码调制) 的运用可使 信道容量在功率谱的利用率上更接近香农极限。 本文首先洋细介绍了0 f d m 技术的原理及其优缺点，然后将0 f d m 系统 与当时的广泛使用的单载波均衡系统和c d m a 系统进行了比较，尤其对0 f d m 和c d m a 两种技术在1 1 个方面做了对比，并且结合仿真结果，对编码和调 制在o f d m 中的应用进行了深入的研究，然后重点分析了m c - - c d m a 技 术在抗多径f 二扰和抗d o p p l e r 频移两方面的优势。 本文的创新点在于提出了一种m c - - c d m a 系统下行信道的发送接收 机模犁，并结合d s p 硬件系统对关键算法进行了设计，给出了详细的设计 方案及各个软件模块实现的方法。最后给出了结论和展望。 关键词：0 f d m ( 正交频分多路复用) ，m c - - c d m a ( 多载波c d m a ) ，0 f d m - - g d m a ， 自适应调制和编码，w a l s h 编码，迭代译码，m m s e ( 最小均方误差) 接收机 中文提要 中文提要 下一代无线通信要提供无所不在的业务。无所不在不仅指使用业务的环境等条件不受 限制，更指业务类型覆盖面广，可满足不同需求。随着未来无线通信对速率的要求越来越 高，o f d m 技术以其较高的数据传输速率和较好频谱利用率而日益成为下一代无线通信的 核心技术。o f d m 方案可以很好地处理大数量的交叠路径上的信号，并提供完全自适应的 频率信道控制。o f d m 技术具有内在抗码间二i 二扰的能力，并自动形成频率分集。另外，与 o f d m 相关的其他技术( 包括高电平调制和编码调制) 的运用可使信道容量在功率谱的利 用率上更接近香农极限。 本文首先详细介绍了o f d m 技术的原理及其优缺点，然后将o f d m 系统与当前的广泛使 用的单载波均衡系统和c d m a 系统进行了比较，尤其刺o f d m 和c d m a 两种技术在儿个方面 做了对比，并且结合仿真结果对编码和调制在o f d m 中的应用进行了深入的研究，然后 重点分析了m c c d m a 技术在抗多径干扰和抗d o p p l e r 频移两方面的优势。 本文的创新点在于提出了一种m c - - c d m a 系统下行信道的发送接收机模型，并结合 d s p 硬件系统剥关键算法进行了设计，给出了详细的设计方案及各个软件模块实现的方法。 晟后给出了结论和展望。 关键词：o f d m ( 正交频分多路复用) ，m c - - c d m a ( 多载波c d m a ) ，o f d m - - c d m a ， 自适应调制和编码，w a l s h 编码，迭代译码，m m s e ( 最小均方误差) 接收机 a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i e a t i o nw i l lo f f e r t h es erv i ( ：ea 1 1t h et i m ea n de v e r y w h e r e t h e “a 1 t h et i m e a n de v e r y w h e r e m e a n st h a tn o to n l yt h es e r v i c ec a nb e o f f 。e r e du n d e ra l lk i n d so fs i t u a t i o n s b ula 1s oc a ns a t i s f y t l ed i f f e r e n tn e e d s t h ed e m a n df o rh i g hs p e e dm o b i l ew if e l e s sc o m m u n ic a t i o n sisr a p i d l yg r o w i n g ，s oo f d mt e c h n o l o g y p f o m i s e st ob eak e yt e c h n i q u ef o ra c h i e v i n gt h eh i g hd a t a c & p a c it ya n ds p e e t r a le f f i c i e n c yr e q u i r e m e n t sf o rw i r e i e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m so ft h en e a rf u t u r e o f d mc a np r o c e s s l o t so i e n v e l o p e ds i g n a l sa td i f f e r e n tp a t h sa n da 、f o r d 州 = i n tjv ec o n t r o lo ft h ew h o l ec h a n n e l s o f d mt e c h n o l o g yh a s i n h e r e n ta b i l i t vt or e s i s ti s ia n dc a nf o r mf r e q u e n c y d i v e r s i t ya u t o m a t i c a l l y o nt h eo t h e rh a n d ，u s i n go t h e r t e c h n 0 1 0 9 i e sa b o u to f d m ( s u c ha sh i g h l e v e lm o d u l a t i o na n d c o d i n gm o d u a t i o n ) c a nm a k et h ec h a n n e lc a p a c i t yc l o s e r t ot h es h a n n o nl i m i t i ? jr sl 1yt h e p a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo ft h eo f d m t e c h r m l o g ya n di t sm e r i ta n dd is a d v a n t a g e t h e nm a k e st h e c o m p a r ew i t ht h es i n g l ec a r r i e re q u a l i z a t i o ns y s t e m ，c d m a a n do f d ms y s t e m ，e s p e c i a l l yc o m p a r e st h eo f d ma n dc d m aa t l1 a s p e c t s g i v e nt h es i m u f a t i o n ，t h ec o d i n ga n dm o d u l a t i o n i no f d ma r ed e e p l yr e s e a r c h e d t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e r ist oa n a l y z et h ea d v a n t a g eo fm cc d m ai nt h er e s i s t a n c eo f m u l t 】一p a t h i n t e r f e r e n c ea n d d o p p l e rf r e q u e n c y o f i s e t c o m p a r e dw jt hd s c d m aa n do f d m t h ec r e a t i o no ft h i s p a p e r i st o d e s i g n a t r a n s m ill e r r e c e i v e rm o d e lf o rb t c c d m ad o w n l i n kc h a n n e l c o m b i n e dt h ed s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ) h a r d w a r es y s t e m ，s o m e k e y a lg o t i t h m sa r e d e s i g n e d f i n a l l y t h ec o n e l u s i o na n d p r o s p e c ta r eg iv e n ， k e y w o r d s ：o f d m ，m c c d m a ，o f d m c d m a ，a d a p t iv em o d u la tio n a n dc o d i n g ，w a ls hc o d e ，i t e r a t i v ed e c o d i n g ， g l s er e c e i v e r 些塑坠里 一一 。 a b s t r a c t t h en e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i l lo f f e rt h es e r v i c ea l l t h et i m ea n d e v e r y w h e r e t h e “a l lt h et i m ea n de v e r y w h e r e ”m e a n st h a tn o to n l yt h es e r v i c ec a l lb eo f f e r e d u n d e ra l lk i n d so fs i t u a t i o n s ，b u ta l s oc a l ls a t i s f yt h ed i f f e r e n tn e e d s t h ed e m a n df o rh i g h s p e e d m o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si sr a p i d l yg r o w i n g ，s oo f d m t e c h n o l o g yp r o m i s e st ob eak e y t e c h n i q u ef o ra c h i e v i n gt h eh i g hd a t ac a p a c i t ya n ds p e c t r a le f f i c i e n c yr e q u i r e m e n t sf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m so ft h en e a rf u t u r e o f d mc a np r o c e s sl o t so fe n v e l o p e ds i g n a l sa t c l i f f e r e n t p a t h s a n da f f o r d a d a p t i v e c o n t r o lo ft h ew h o l ec h a n n e l s o f d mt e c h n o l o g yh a s i n h e r e n ta b i l i t yt or e s i s ti s ia n dc a nf o r mf r e q u e n c yd i v e r s i t ya u t o m a t i c a l l y o nt h eo t h e rh a n d ， u s i n go t h e rt e c h n o l o g i e sa b o u to f d m ( s u c h a sh i g h - l e v e lm o d u l a t i o na n dc o d i n g - m o d u l a t i o n ) c a l lm a k et h ec h a n n e lc a p a c i t yc l o s e rt ot h es h a n n o nl i m i t f i r s t l y t h e p a p e r i n t r o d u c e st h e t h e o r y o ft h eo f d mt e c h n o l o g ya n di t sm e r i ta n d d i s a d v a n t a g e ，t h e nm a k e st h ec o m p a r ew i t ht h es i n g l e c a r r i e re q u a l i z a t i o ns y s t e m ，c d m aa n d o f d m s y s t e m ，e s p e c i a l l yc o m p a r e st h eo f d m a n dc d m aa t11 a s p e c t s g i v e nt h es i m u l a t i o n ， t h ec o d i n ga n dm o d u l a t i o ni no f d ma r ed e e p l yr e s e a r c h e d t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e ri st o a n a l y z et h ea d v a n t a g eo fm c - c d m a i nt h er e s i s t a n c eo f m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n dd o p p l e r f r e q u e n c y o f f s e tc o m p a r e dw i t hd s c d m aa n do f d m t h ec r e a t i o no ft h i s p a p e r i st o d e s i g n at r a n s m i t t e r r e c e i v e rm o d e lf o rm c c d m a d o w n l i n kc h a n n e l c o m b i n e dt h ed s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ) h a r d w a r e s y s t e m ，s o m ek e ya l g o r i t h m s a r ed e s i g n e d f i n a l l yt h ec o n c l u s i o na n d p r o s p e c ta r eg i v e n k e y w o r d s ：o f d m ，m c c d m a ，o f d m c d m a ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，w a l s hc o d e ， i t e r a t i v ed e c o d i n g ，m m s er e c e i v e r 引言 引言 18 9 7 年，意大利人马可尼( m a r c o n i ) 粥一次展示了无线电技术使在英格兰海峡行驶的 船只保持连续l ：断的谨信裁力，1 9 0 1 年，马霹尼在美翻试验皴功了在趣拿大戆绥芬兰与英 国的昆沃尔之间、横跨大西洋3 0 0 0 公晕的越洋无线电通讯。从此，无线电技术的大发展 成为2 0 键纪的热门事情。 。移动逶傣憨发蔗 第一代无线通信出现于2 0 世纪7 0 年代，作为早期的移动通信系统，它有着与生俱来 的缺点，所以到目前为止，第一代无线通信系统已经不再使用。 无线遽馈的飞速发震出现在2 0 世纪8 0 年饯9 0 年代，姿蔻应耀最多蕊第二代移动通 信技术主耍有g s m 、n - c d m a 、t d m a 和p d c 。其中，g s m 应用最为广泛，其他几项技术也各 自稍有一定的市场空间，并鼠在网络演进中起着非常夔器的作用，为人们的生活带来了极 大抟方倭。毽援时遣可以看剿，各个国家聚爰各鑫不霜懿标撼，占翅静蒙蔽帮采餍翁稍翻 方式都不尽相同，这极大限制了各个国家的互联和互通，而熙第二代移动通信主要是集中 在话音应用上，无法进行高谶商质挺的数据通信。 9 7 年良来，国舔上有关筹三代移动遴僖i m t - - 2 0 0 0 系统无线传输技术魏范的争论逐 渐成为移动通信领域的热点。随着1 9 9 9 年1i 月i t u - - r t g 8 i 赫尔辛基会议的结束，晷际 第三代移动通信( 简称3 g ) 标准格局基本形成。这次会议最终通过了第三代i m t - - 2 0 0 0 系 统瓣无线竣翻羧术援薄i m t 。r s p c 建议。中国代表圈提毒静t d - - s c d m a 的标准提案氆被 接纳为3 g 无线接口技术规范。从曩通过的无线接口技术规范来看，l m t 一2 0 0 0 在 无线接口方面并未达到一个统一的标准，而是将一些第二代( 2 g ) 就已有和 两商第三代的无线传输技术敖在一裁，统统投入i m t 2 0 0 0 “家族”。3 g 技术 规范如表i 1 所示： 淡1 i3 g 技术规范 i 核心潮无线攘嗣 i m i 、一2 0 0 0 c d m ad si m t d sw c d m a i m t 一2 0 0 0 c d m a 麓e 赫羊一赫sc d m a 2 0 0 0 g s m m a pi m t 2 0 0 0t d dt d s c d m a i a n s i 一4 1i m t t u t r a t d d i m t 一2 0 0 0t d m as ci m t s gu w c 1 3 6 i 骐l 一2 0 0 0 罩d 淞f l ! 瓣一器d e c t 引言 可冤，第e 1 4 用户费用高茹； 强业模型不确定。 所以，运营商在3 g 中承诺的东西也许将在4 g 移动通信系统中实现，丽且许多3 g 系 统的不是将在4 g 系统中得到改善，因而4 g 系统廷现实、更实用。 未来移魂逯镲系统( 4 g ) 未来移动通信系统又称为4 g 或者后3 g 移动通信系统。第四代移动通信系统与第三代 移动通信系统都是为未来无线通信服务的，将多媒体包括语音、数据、影像等大鼹信息透 过窝频弱信遘传送出去。棼爨伐移凌遂薅不仅是为了逶应用户数静壤嬲，燹重要瓣是，努 须蘩适应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。总的来说，必须可以容纳庞大 的用户数、改善观有通信品质以及达到高邀数据传输的臻求。第四代移动通信系统在业务、 功戆、频繁上都婚不黧于第三代系绞，其有j # 对称篷趣避2 m b i t s 静数据鼹徐能力。它包 括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操作的广播网络( 基于地面和 卫缀系统) 。另外，第四代移幼通信将在不同的固定和无线平台和跨越不同频带的网络运 嚣中提供无线暇务，霹以在任俺主逄方兖豢铵入因褥溺，魍含量霍透信，能懿供信怠通信之 外的定位、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统将是多功能集成 的宽带移动通信系统，是宽带接入i p 系统。图i 1 是4 g 的组成示意图。 4 g 按零较3 g 移动逶信技术有诲多超越之魅，铡如麓速率、技术发展以数字宽带援术 为主、灵活性较强、兼容性好、用户共存性强、业务多样性、随时照地的移动接入、具有 自治的网络结构筹。 引离 4 g ：3 g + b e y o n d3 g ( b 3 g ) + w l a n l 到l 4 g 的组成示意幽 4 g 将采用如下几个关键技术： 高速调制技术； 软件无线电技术： 智能天线技术： 交互干扰抑制和多用户识别； 可重构性自愈网络； 其中的高速调制技术即指o f d m 技术。第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术， 而第四代移动通信技术则以o f d m 最受瞩目，o f d m 是种无线环境下的高速传输技术。在 o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了 子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 由图l 可以看出，在4 g 通信系统中，比3 g 系统增加的主要是后3 g 系统和高速无线 接入平无线局域网系统。后3 g 系统物理层的主要技术是o f d m 与c o m a 结合的m c c d m a 技 术，高速无线接入和无线局域网系统物理层的主要技术是o f d m 技术，可见o f d m 技术是未 来移动通信的核止、技术。 第一章o f d m 圭尘术简介 第一章o f d m 技术简介 正如我们前面所糟到的：o f d m 技术怒下一代无线通信的核心技术。未来无线数字邋信 怒宽带多媒体通信系统。在介绍o f d m 技术之前，为了充分了解o f d m 的优越性能，首先介 绍“宽繁”避信系统瀚特薤。 i i “宽带”系统 宽带( w i d e b a n d ) 一词在一些科普文章和主簧的新闻报刊中，蕻出现频率之高简直就 如图“多嫘体”、“信息享会”这样瓣词一样随处词觅。在_ 芷式静援术文献中它有着不嗣的 宙义。在无线邋信系统中，“宽带”一词的意义是将系统的特定属性与传擐环境的属性进 行比较后得出的。 由予觚发射枧到矮毅撬的多衽传疆，接投信号不仅仅是发射丰凡所传送豹单个圆波( 酃 经过衰减与相穆后的一砖简单复制) ，而是具有不同传播时闯的多个回波。也就是说，这 叫移动无线信道的冲激响应不只是单个的冲激脉冲，而是一个由冲激脉冲缎成的序列，这 静信道裁设称为时润色教信遂。魏莱最大怒垂延迟( 都第一个和最屠一个圆波之闯的延邂) 逯小于一令数字符号鲍持续时阃，那么时阕色散对接收售号懿形状戡没有竣显弱影嗡，这 种系统就称为窄带系统。由此可以发现，仅从系统知识的角度是绝不可能判断清楚它是宽 带还是窄带的，还需要了解它运行时的信道特征。我们可以通过检奢最大超量延迟和符号 长艘相比是硝小一些( 但不是小的太多) 迩是更太一些寒对系统进行划分。在兹耱攮况 下，系统的性能通常跟种举带系统相似，会遇到由于时间色散效威( 符号间干扰) 所产 生的一些加性误差。在后一种情况下，如果最大超量延迟大予符号长度，就必须建立一种 具有时闻色教对抗技术鲍系统，这横蛇系统更复杂，造徐也爨爨，毽鸳能毙囊正懿窄繁系 统运作的厦好。 在室外信道的情况下，最大超爨延遴的典型值是5 2 0 微秒的量级。如果采用二进制 调制方式，则数据率大予l o k b s 毂塞终系绞及数撵霉麓予2 0 0 k b s 戆室内系绞觚上瑟讨 论过的意义上况都是“有点”宽带的，而数据率超过5 0 k b s 的室外系统及数据率等于i m b s 酌赛内系统则完全是宽带的。 i 。2 无线移动傧道 传输信道的特性很大程度k 决定了宽带系统的性能，因此，在进行系统设计时需要对 宽带( 色散) 无线移动信道的特征有较完全的了解。通常，无线运行环境中信号的衰落可 4 第一章o f d m 技术简介 到干扰。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错； 可以有效j - t g x , l 抗信号波形问的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传 输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子 载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性 能要好得多； 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了 信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将 各仑信道联合编码，则可以使系统性能得到进一步提高： 信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要：当子载波个数 很大时，系统的频谱利用率趋于2 b a u d h z 。 但是o f d m 也有两个主要缺点。一是在o f d m 系统中是利用子信道的正交特性保证系统 不存在予信道干扰。如果所需要的子信道的峰值频率与其它频率的零点不能完全一致，则 会导致载波间干扰，因此o f d m 系统对载波频率偏移和相位噪声很敏感。二是峰值对平均 功率( p a p ) 问题。由于o f d m 信号是由各个子载波调制信号的和构成的，这样就会出现峰 值功率远远大于平均功率的情况，使信号的动态范围变化较大，这种大的动态范围使得a d 和d a 变换器的选择更困难，因此必须使用商线性和低效率的射频放大器。 1 3 1o f d m 原理 信号模型 o f d m 的主要思想是将串行的数据流串并转换成比特速率较低的n 个并行支路，每个支 路再调制在一个子载波上，最后合成输出。这些子载波可通过选择恰当的载波间隔使它们 相互正交，因此允许子载波的频谱重叠，由于载波间的正交性，在接收机中仍能将载波分 开。o f d m 的调制器和解调器的结构如图1 5 和图1 6 所示，o f d m 信号的数学表达式如式( 1 1 ) 所示： r 生一i 毒 竽卜一打s s ( t ) = r e d , + , v 彳e x p ( j d r ( f c - o ( ，) = 0 ， t 。+ t( 1 1 ) 其中d ，足经过采样和映射后的离散复信号；n 是子载波的数目：t 是子载波传输的符 出一y 并 点 一 一丫 一 ： 变 e x p ( 一口( 。一2 ) ( f z ；) i t ) 换一古 一 图i 5 o f d m 信号调制模型 由 _ ： - ： 并忒 蛔 ， 变； e ：q o ( 一j 厅( ，一2 ) 0 一，) r ) 换 点 q z q 2 q 。 幽16o f d m 信号解调模型 o f d m 信号的频谱如图1 7 左图所示，作为对比，图1 7 右图是传统的f d m ( 频分复用) 的频谱。 一一 到1 7 o f d m 信号和f d m 信号的频谱 由图l - 7 可以看出：当子载波增加时，o f d m 信号要比f d m 信号需要少得多的带宽，取极限 有：l i m = l i m 坐型r r n r 1 9 、 “+ 。 “。n， 当予载波的数目很大时，o f d m 信号占用的带宽只有f d m 信号的一半。 o f d m 信号频谱虽然有重叠，但是利用子载波之间的正交性，信息能正确恢复出来。图 1 8 表示了 个包含了4 个子载波的o f d m 信号，假设刚正弦信号表示( 实际上应该是s i n c 信号) ，为了便于看清每个子载波的正交性，上图是分解的信号，下图是实际中的合成信 号。可以看出，每个子载波的频率相差1 2 t ，这是两个信号满足正交性的最小间隔。 第一章o f d m 技术简介 o v d m 信号的棚二j 二解调表达式为： l 。se x p ( - j 2 疗扣遘d 刚：扣胪 孔吲卜万字”。舻d 似r n 。， 由式( 1 3 ) 可以看出，子载波信号可以通过如图i 6 结构的解调器完全恢复。 o f d m 技术在刚开始出现时，由于不能高效的实现硬件调制器而无法发挥其作用，1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 在论文中提出了用离散傅立叶变换( d f t ) 完成基带调制和解调， 简化了系统结构，使得0 v d m 技术更趋于实用化。 n - i 一，翌h ( ) = d f t x ( n ) 】= ：x ( n ) e 0 兰 兰n 一1 x ( n ) = ，。，r x ( ) 1 = j ；羹；( ) e j 鲁h 1 0 n _ n - 1 ； ( - t ) 式1 4 是d r t 的信号表达式。我们将式( 1 4 ) 与式( 1 1 ) 进行比较可以看出，0 f d m 信号 完全可以用d f t 信号表达，所以当d f t 的快速运算方法f f t ( 快速傅立叶) 和快速的数字 1 0 一 一一笾二篓2 1 里翌篓查塑! ! 一 _-。_“”1。-_hm。”“。“h。”。“”1。一 信号处璎稀( d s p ) 礤观以后，0 而甜得到了广泛的应带。 谖设耍绩输趋数鬟为( i ，l ，l ，一i ，i ，l ，一l ，i ) ，疑遭f f t 数诗葵螽艨褥熬结 果如图1 9 所示，在实际中，一般添用过采样( o v e r s a m p t i n g ) 技术，这是为了防止产生 伪信号( 印采样率达不到输入信号灏谱的2 倍对产生的信号失真) 而在实际中段采用4 嵇的避莱徉李，赝跬在o f d i 鲻餐嚣霉 瓣漉器弱谈诗中，一羧采蹙签一4 ( r a d i x 4 ) 黪蝶 陲) 进行f l i l 、i f r i 、2 蓬换。 点$ + 鸯；兵+ 羹一 ；疆卜l 一茹一j ；毒瓢一茹； ；妞。+ 曲一矗( 1 + 娄一1 ；- l ( t 一靡j 扣噌 ；。交一一j；蠢i 一委一 ；轰a 茹一? ；蠢p + 秀； ；蠢n 一曲一，；靠( 一l 一鸯一l ；o _ ( 。1 + 弗j艟o + 羹 厂 t、 i 痢+ ，渣。1 羚 i 2 + 2 j l t 瓣+ j + 臻l 一可 o f l 。撼一j 瓶+ 1 ) ) l k ：矗j 幽1 9f f i 计冀终聚 循环蔫缀( 抗多衽干扰) 峦予澄蛳按求豹饶越性旯鸯奁子载波完全正交的情嚣下方能得爨竞势的发挥，薪疆 保证各个予载波的正交性对于o f d n 系统趸关堂袋。信号在传输过程中要受到多镪干扰的 影晌导致寝落和失真，造成对信号的影响( 如图1 1 0 左豳所示) ，使褥系统产生i s l 和i c l ， 无法镰褒子载波之涵鲍正交性。 匿l1 i o 信号经多径传输后i _ i 勺影ij 向 蹿这个随题的最簿荦的勰决办法是增搬子鼗渡抟数霹，麓每一路信号黪信输射淘遗丈 于多径时逑，其效果如鼹1 1 0 毫隧龋示。 但在恶劣的传输环境里，系统仍然会面临小部分的多径干扰，为了迸步( 逝乎于痛 全) 逑漓躲多径干扰对予载波正交筏带来的影确，在g e i n s t 尊f n 秘e b e r t 鲍经典论文中就 l l 1 l i t 1 l -，f：；l：。+。，f、 第一章o f d m 挫术简介 已经提出在时域中的信元和信元之间加入保护时间( g u a r dt i m e ) 以对抗i s i 和i c i 。但 由于当时使用的是空保护间隔，虽然没有能量损失，但是子载波之间不能保持原有的正交 性。p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年的沦文中引入了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) 的概念，解决了 正交性的问题。这种方法不用空保护间隔，而是用o f d m 信元的循环扩展来填充，可以有 效地模拟一个信道完成循环卷积。虽然这种方法带来了能量的损失，但是当循环前缀( c p ) 大于信道的脉冲响应时，子载波之间的正交性可以得到保证( 图1 1 1 ) 。 图1 1 1 循环前缀( c p ) 示意图 加l ：循环前缀( c ) ) 后的o f d m 信号可以表示为： 符号间隔为：f t o t a l = 瑰+ 殆：其中殆是没有插入循环前缀之前的符号间隔。 幽1 1 2保护间隔的作用 幽图2 1 2 可以明显的看出循环前缀的作用，在接收端将保护间隔去掉，即可在理论上 完全消除多径二f 扰。 加窗处理 为了抑制o t ? d m 子载波信号的带外辐射，一般都将输入信号采取加窗( w i n d 。w i n g ) 处 理。图1 1 3 是单个子载波上的p s k 信号，由于相邻符号相位的不连续性使频谱产生了扩 i2 一皿 一 1 2 d b 时，可以达到很低的误码率，而c d m a 系统对高斯噪声较为敏感。 b e r ”e ，c h a n m ls i li o n o 讧er “i of o r o f d m c h a n n e ls n r ( b e r wc h j t i f m l s i , i r i i 墟t og h u ，妇l , i o 讧l b s i g n a lt on o i s er b d i o ( d 功 图2 6o f d m 和c d m a 的抗高斯噪声干扰的能力 ( 8 ) 网络规划的复杂度 c d m a 系统必须仔细选择扩频码，以保证经历过长距离衰减后，如果发生p n 码偏移， 也不会导致不同p n 码接收的判决错误，因为c d m a 正是利用p n 码的正交性来区分每个用 户的。c d m a 系统在进行蜂窝覆盖时也会对相邻基暨占产生干扰，因为这会占用其他蜂窝的相 同频谱，所以必须采用功率控制技术才能进行抑制。c d m a 系统最大的问题在于“呼吸”效 应，当用户增多时，或者传输速率提高时，就会增加蜂窝内部的干扰，这会降低基站的有 效s n r 。所有这些都增加了网络规划设计的复杂性。 o f d m 系统的网络规划主要是为了消除信道间干扰( i c i ) ，因此要简单的多，它的网络 规划复杂度类似于t d m a 系统。 第二章o f d m 披术与其他技术的比较 ( 9 ) 功率控制 c d m a 系统必须采用适当的功率控制，来避免i s i 和i c i ；而在o f d m 系统中则没有必 要定要采取功率控制技术。 ( 1 0 ) 峰值一平均功率比 c d m a 系统的峰值平均功率比一般在5 一1 1 d b 之间，而o f d m 系统的峰值一平均功率 比很高，需要采用特殊的方法进行控制，否则会引起非线性放大，严重影响系统的性能。 ( 1 1 ) 多用户环境下的性能比较 c d m a 系统由于采用正交码来区分不同用户，作为多址接入的方式比o f d m 有很大的优 势，而且p n 码的安全性也比较高，而0 f d m 只能依靠增加子载波数来容纳更多的用户，但 由j 二0 f d m 对频率偏移非常敏感，增加子载波数会导致系统性能的下降。在移动通信系统 中，由于采用蜂窝系统结构，c d m a 比o f d m 更适合作为一种多址技术，而在无线接入或者 无线局域网的环境中，可以在m a c 层采用c s m a - - c 1 3 ( 载波侦听多路存取) 的技术对多用户 通信进行控制，所以o f d m 比c d m a 更适合高速的无线接入和无线局域网系统，即固定接入 系统。表2 2 给出了t d m ，c d m 和o f d m 三种技术的性能比较，可以看出，o f d m 和c d m a 技 术各有优势，而t d m 技术则相对较差。 表2 2 三种技术的比较 t d mo f d mc d m 频率复用 差燕好 f 多径信道下的高速传送差( 均衡)好( 保护间隔)一般( r a k e 接收机) 多速率服务 差一般好 【分集差( 均衡) 好( 频率分集)好( 多径分集) 通过以上的比较可以看出，t d m a 和c d m a 技术由于利用了频率的固有分集，所以 抗平坦衰落的性能比较好，o f d m 技术的优势在于抗多径时延的的能力很强，这使得它的 数据传输速率可以远高于t d m a 和c d m a 系统。如果结合适当的信道编码和自适应调制， o f d m 系统的平均b e r 可以接近c d m a 的水平。从计算的复杂度来看，o f d m 也有定 的优势。所以o f d m 技术更适合于需要高速率的传输系统，因此许多厂商已经将o f d m 技术作为新一代固定无线接入和无线局域网的主要技术。 第三章m c c d m a 技术 第三章m c - - c d m a 技术 由t 一章的比较可以看出，o f d m 技术和c d m a 技术各有优势。在移动通信系统中，为 了达到频率复用，必须采用蜂窝( c e l l ) 结构。从无缝覆盖的角度来讲，应该采用多蜂窝 的结构，这样c d m a 可以获得最好的频谱利用率，而且c d m a 是最好的多址接八方式，可以 保征每个用户数据的安全性：而从最大系统吞吐量的角度来看，单蜂窝结构是最好的选择， o f d m 可以获得最好的频谱利用率。未来的移动通信系统要求可以适应复杂的覆盖范围和低 成本，需要在多蜂窝系统中也要达到尽可能大的用户吞吐能力。而传统的d s - - c d m a 系统 采用r a k e 接收机对多径信号进行分离，由上一章的论述中可以看出，当信号速率增加时， 需要采用复杂的r a k e 接收机才能抵抗多径干扰，但是当r a k e 接收机的叉指增加到定数 目时，r a k e 接收机的实现将变得异常复杂，而且由时间分集带来的噪声能量太大，对系统 的整体性能也会产生影响，另一方面码片间隔太小可能导致无法进行同步。归其根本原因， 主要是e h 于扩频后码率太快带来的影响。一个很自然的方法是降低传输的码率，而o f d m 技术正是以降低码率为基础的。所以在未来的移动通信系统中，将o f d m 技术与c d m a 技术 相结合而产生的m c - - c d m a 技术将受到广泛的重视。 3 1 多载波c d m a 技术 从1 9 9 3 年以来，研究人员提出了3 种多载波c d m a 技术，它们可以归为两类：一类是 在频域扩展的m c c d m a ；另一类是在时域扩展的m c d s c d m a 和m t - - c d m a 。下面对这三 种多载波c d m a 的发送机结构，接收机结构和信号频谱分布进行说明，为了与d s - - c d m a 进 行比较，首先给出d s - - c d m a 的相应结构。 3 1 1d s c d m a ( 见图3 1 ) 发送信号为 图3 1d s - - c d m a 第三章m c - - c d m a 技术 s ，j ，。( r ) ：艺羔d 砸) c ：协( ，一一1 ) 疋一皿) c 。s ( 2 矾f ) ( 3 1 ) f n f = l d s - - c d m a 采用r a k e 接收机来进行多径分离。 3 1 2m c - - c d m a ( 见图3 2 ) m c - - c d m a 将输入码片进行复制，把同一个码片分散到不同的子载波上传播。如果输入 的码片速率太快，可以先进行串并转换，使码片速率降低。m c - - c d m a 的接收机采用普通的 接收机结构，利用适当的合并方式，可以获得满意的b e r 性能。每个子载波输入表达式为： i s 焱、( ，) ：艺羔。，( ，) 。：p ，( f f 瓦) c 。s ( 2 万( 五十。夥) f ) ( 3 2 ) 蕞0 扩呻磊耐 竺l 二b 苔竺 + p p 一 c 3 ftc o s ( 2 巧( 3 啪 i = = 广$ 卜p 一 王旦5 舀3 。 nf 2i 3mf r e q u e n c y ( 5 ) p o w e rs p e c n , u r no fl a a n s m i t t e ds i g n a l 幽3 2m c c d m a 3 1 3m c d s c d m a ( 见图3 3 ) ( h ) p o w e rs p e c o ft r a n s m i t t e dg i g n a ! c o s ( 2 矿( 4 0 ) q 4 “o 卜h 萏卜il p f c o s ( 2 , r f c ( 2 t ) ) vc 2 了l 竺 圆一驴匡丝 c o s ( a 彤o 黜t + 匝) ) 丫c 3 下l 坐 + p 岖卜i 面； c o s ( 2 矾( 4 啪+ 去一 ( e ) r e c e i v e r 并 富 转 换 d 图33m c d s - - c d m a m c d s c d m a 舀先将接收的信号进行串并转换，然后将不同的信号分布到不同的子 载波上。m s d s c d m a 也采用标准接收机结构。但m s - - d s - - c d m a 每个子载波的符号间隔 更长，所以利于同步，最初设计应用于上行信道。 笙三! 塑! = ! ! 坚垒垫查 每个子载波输入表达式为 ，( ，) ：艺兰g i x , 卅( o c ：p 。( ，一( m 一】) l f ) c o s ( 2 玎( + 埘。) ) ( 3 3 ) 3 1 4m r c d m a ( 见图3 4 ) m t c d m a 采用的扩频因子比m c - - c d m a 和m c - - d s - - c d m a 都大，所以频率间隔不再满足 正交条件，发送