（通信与信息系统专业论文）无线衰落信道下的ofdmcdm系统研究.pdf

摘要 本文主要介绍结合码分复用( c o d e d i v i s i o nm u m p l e x i n g ) 的o f d m 系统，即 o f d m c d m 系统在无线衰落信道中的传输。由于o f d m c d m 系统利用码分复用， 将信号扩展到不同的子载波上，因此可以达到很好的频率分集的效果。 0 f d m c d m 系统虽然获得了频率分集增益，但是，它必须通过有效的检测技术才 能使其性能较之0 f d m 系统有所改善。本文针对0 f d m 。c d m 系统，分别介绍了 单符号检测和多符号检测的一些方法，并对其进行了仿真和性能比较。通过仿真 结果可以看出，多符号检测的性能优于单符号检测。本文还介绍了o f d m c d m 系 统中，进行t e r b i 软判决译码所需要的可靠信息，即l u t 的获取方法。通过本文 介绍可以知道，利用l l r 作为可靠信息进行软判决译码的o f d m c d m 系统的性 能优于采用硬判决译码的系统。 本文对整个0 f d m c d m 系统进行了原理介绍，系统仿真以及性能比较，并 对其传输的无线衰落信道进彳亍了建模。通过本文，我们可以看出，o f d m c d m 系 统比一般的o h ) m 系统在误码率( b e r ) 性能上有很大的优势。 关键词：正交频分复用码分复用单符号检测多符号检测软判决译码 a b s n a c t i nt l l i s p a p e r c 咖b i i l i n go n l l o g o n a l雠q u e n c y d i v i s i o nm u m p l e x i n gw i m c o d e d i v i s i o nm u l 廿p l e x i n g ( i e 0 f d m - c d m ) s y s t e mi nw i r e l e s sf a d i n gc h a n i i e l si s p r e s e n t e d e x p l o “i n gc d m ，e a c hd a t as y m b o l i ss p r c a do v e rs e v e r a ls u b c 州e r sa i l d a na d d i t i o n a l 舶q u e n c yd i v e r s i t yg a i nc a nb eo b t a i n e d a 1 m o u 曲也ea d d i t i o n a l 疔e q u e n c yd i v e r s 时g a i nc 粕b ea t t a i n e d ，b yu s i n ge 墒c i e n td e t e c t i o nt e c h i l i q u e s ，m e p e r f b n n a l l c eo fo f d m - c d ms y s t e mi sb c n e rt l l a l l 血a to fc o n v e n t i o m lo f d m i n o f d m c d mr e c e i v e r ，s i n 9 1 e s y m b o ld e t e c t i o n ( s d ) o rm u l t i - s y m b o ld e t e c t i o n ( m d ) t e c l l l l i q u e s a r ea p p l i e d s e v e r a ls c h e m e sw l l i c h c o r r e s p o n dt os i n 9 1 e s y m b o l o r m u l t i s y m b oa r ep r o p o s e di nt l l i sp a p e lt h ea l g o r i t l l m st 0o b t a j n e dt l l eo p t i m u i n r e l i a b i l 姆i n f o m a t i o n ( i e l u uf o rt h e t e r b id e c o d e rw l l i c hd e r i v e do f o f d m c d m s y s t e mi sp r e s e n t e d t h er e s u l t so fs i m m a t i o ni ss h o w nm a tt 1 1 ep e r f o r m a n c eo f m u l t i s y m b o li sb e t t e rt h a i lt l l a to fs i l l g l e s y m b o la i l dt l l ep e r f o m a n c eo fs o nd e c i s i o n d e c o d i n gi sb e t t e r 也觚也a to fh a r dd e c i s i o nd e c o d i n g a c c o r d i n gt om es i i n u l a t i o n r e s u l t sp r e s e m e di i lt h i s p a p e r ，i tc a nb es h o w nt l l a to f d m - c d mo u t d e r f o m s c o n v e n t i o n a lo f i ) mw i 血r e s p e c t t ob i te r r o rr a t e ( b e r ) p c r f 0 珊a n c e k e y w o r d ：o f d m c d m s i n g 量e - s y m b o id e t e c t i 佃m u l 蝣s y m b o id e t e c t i o n s o nd e c i s i o nd e c o d i n g 创新性声明 y8 5 9 8 3 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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中所罗列的内容以外，论文中 不包含其它人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： d 帕；f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 现代社会已经步入了信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支 撑性作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代 通信技术的开发以及现代综合通信网的建设，移动通信正成为现代通信技术中不 可缺少的部分。回顾移动通信的发展历程【2 1 ，几乎每十年就会诞生新的无线技术来 提高移动通信系统的容量和性能，移动通信系统正在逐步演进以满足人们对移动 通信的高速率、高移动性和宽覆盖区域的需求。 1 、从1 g 到2 g 一数字革命 1 9 7 1 年，贝尔实验室在技术报告中论证了蜂窝系统的可行性，之后，各国都 对蜂窝移动通信系统进行了深入的研究。其中，美国制定的a m p s 和英国制定的 t a c s 是模拟移动系统的两个主要系统，它们传输和处理的都是模拟信号，并都采 用频分复用的无线接入方式，信道带宽大约为2 5 3 0 k h z 。这些模拟蜂窝系统即 第一代移动通信系统。 然而模拟系统的频谱利用率低，保密性差，且提供的业务比较单一，难以适 应用户的数字业务需求，因此走向数字化是移动通信发展的必然趋势。8 0 年代中 后期，欧洲率先提出了0 s m 数字移动通信系统，它很快就被多国商用，并成为现 有数字系统中规模最大的网络。在欧洲之后，美国、日本也相继推出自己的数字 系统。由于数字系统掘对于模拟系统具有很明显的优越性，它的发展极为迅速， 并继续保持着快速发展趋势。上述数字移动系统被称为第二代移动系统，它们采 用了时分复用的多址接八方式，信道带宽为2 5 2 0 0 k h z 。同属2 g 系统的i s 一9 5 是美国高通公司于1 9 9 0 年提出的，它采用码分多址( c d m a ) 无线接入技术。信 道带宽达到1 2 5 m h z ，远高于其他z g 系统。为满足人们对不同信息形式的需求， 2 g 系统也由最初单纯的语音通信移动到提供语音、图像、文字等综合信息的传输， 并能无线接入因特网。 2 、从2 g 裂3 g 一宽带对代 在发展第二代移动通信时，各国根据自己的情况发展各自的系统，致使多种 体制不能互相兼容，难以实现全球漫游。各个系统主要是为话音业务设计的，虽 能提供一些辅助业务，但远远不能满足多媒体通信的需求。便携式计算机的迅猛 发展使得人们对移动数据业务的要求迅速增长，因特网的普及使得交互式的多媒 体“数据”业务( 融合语音、文本、图像、图形等业务于一体) 在未来的通信系 无线衰落信道下的o f d m c d m 系统研究 统中占有重要的地位。人们要求移动通信具备固定网络的高质量、宽带性的特点。 蜂窝网将成为综合业务数字网( i s d n ) ，信息传输速率将达到1 4 4 k b p s ，甚至 2 m b p s 。而这些业务靠现有的无线通信系统是难以达到的。在原有9 0 0 m h z 频段的 基础上增加了1 8 0 0 m h z 频段，虽然可解决容量问题但不能解决数据速率问题。即 使采用一些改进的技术，如通用分组无线业务( g p r s ) 、增强数据速率应用 ( e d g e ) ，也不能从根本上解决问题。所有这些，都意味着必须突破现有网络， 建设更为完善的第三代移动通信网，达到传送宽带化、多媒体和构成i s d 咐的目标。 第三代移动通信系统的概念是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出的，1 9 9 4 年正式改名为“国际移动通信系统”( “t 一2 0 0 0 ) 。取这个名字具有三重含义：工 作在2 0 0 0 m h z 频段，能够支持高达2 m b p s 的业务，在2 0 0 0 年左右实现商用。第 三代移动通信系统除了解决2 g 存在的问题以外，还要满足人们对数据传输能力不 断增长的要求。因此，希望3 g 至少实现具备多媒体传输能力、更好的传输质量、 更高的频谱效率等目标。 现在，第三代移动通信系统的标准化已经基本完成。目前比较成熟的方案有 三种：w c d m a 、c d i m a 2 0 0 0 和由我国电信科学技术研究院提出的t d s c d m a 。 3 g 系统的核心网是在g s m 系统的核心网或i s 一9 5 的核心网的基础上发展而来的， 其空中接口与相应的2 g 系接后向兼容。它的三种工作模式为：单载波频分双工、 多载波频分双工和时分双工方式。 3 、4 g 移动通信系统一无线多媒体社会 过去的移动通信技术全球不统，比如第二代有g s m 、c d m a ，而第三代技 术有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 等，不同标准对用户使用造成一定的 不便。4 g ( b 3 g ) 移动通信要求实现全球统一的标准，真正达到部手机可以在 全球任何地点都能实现通信。 4 g 移动通信不仅是为了适应用户数的增加，更重要的是，必须要满足多媒体 的传输需求，当然还包括通信品质的要求。4 g 的一个主要目标是提供移动用户超 宽带的多媒体服务，使其能充分利用基于移动网的下一代因特网技术。总的来说， 必须可以容纳庞大的用户数，改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。 其主要特点有： ( 1 )高速率。4 g 移动通信技术的信息传输速率要比3 g 高一个等级，要超过 u m t s ，即从2 m b p s 提高到1 0 泺伯p s 。 ( 2 )主要发展以数字宽带为基础技术。在蜂窝通信中，信号以毫米波为主要传 输波段，传播条件相对困难，蜂窝小区也会相应小很多，这虽然可以提高用户容 量，但却会引起一系列技术上的难题。 ( 3 ) 较好的技术基础。4 g 技术将以几项突破性技术为基础，例如o f d m 技术、 无线接入技术、光纤通信技术、软件无线电技术等，从而大幅度提高无线频率的 第一章绪论 使用效率和系统的可实现性。 ( 4 ) 用户共存性。4 g 中的移动通信技术能根据网络的状况和变化的信道条件 进行自适应处理，使低速与高速的用户和各种各样的用户设备能够并存与甄通从 而满足系统多类型用户的需求。 ( 5 ) 灵活性较强。虽然3 g 的速率已有很大的提高，但仍然不能很好动态地分 配资源，大流量时系统利用率低，而4 g 系统拟采用智能技术使其能自适应地进行 资源分配，能够调整系统对通信过程中变化的业务流大小进行相应处理而满足通 信要求，采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的 正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。 1 2 课题的提出 由上一小节，我们了解到，现在世界各国提出的各种3 g 实现方案都选择了码 分多址( c d m a ) 技术。这是因为相对于f d m a 、 m a 而言，c d m a 有频谱利 用率高、软容量和软切换、抗窄带干扰、具有内在的抗多径衰落能力和保密隐蔽 性等优点。然而，如果要求数据传输再进一步提高，3 g 中使用的简单的c d m a 技术已经不能满足要求，例如多径延时、码间串扰等。人们又提出了许多新方法 来改进传统c d m a 系统的容量、抗多径干扰能力和实现复杂度等多方面的性能， 这些新方法包括：多用户检测、正交频分复用( o f d m ) 、时空联合信号处理、智 能天线，软件无线电等等。 近年来，人们特别关注多载波传输尤其是o f d m 技术。o f d m 是可以直接利 用i d f t 实现的一种多载波调制并霉亍传输技术。它将所传送的数据分配到多个并行 的子信道上，使每个子信道上的码元宽度大于多径扩展时延，并且在每两个o f d m 符号之间插入一定宽度的保护间隔，这样可以基本抑制多径效应带来的码间串扰 ( i s i ) 。多载波传输的另一个优势是可以把频率选择性衰落引发的突发错误分散到 不相关的子信道上，使其变成随机性错误。这样可以使解调端均衡的复杂度降低。 应用交织和软判决信道译码，0 f d m 数据传输可以获得更好的性能，我们称之为 编码o f d m ( c o f d m ) 。目前，已经有许多标准选择c o f d m 技术作为主要调制 技术，如数字音频广搔 时延扩展和相关带宽 在移动通信中，经常用来描述多径无线信道特性的两个参数是时延扩展z 。 和相关带宽瓦。在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。时延扩展可 以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，也就 是最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时闻的差值。在数字传输中， 由于时延扩展，接收信号中的一个码元波形会扩展到其它码元周期中，引起码间 串扰( i s i ) ，相应地使无线通信系统的性能下降，并且增加了接收机设计的复杂性。 为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径时延扩展。 实际上，由于移动传输环境十分复杂，在不同的地域，不同的地点，甚至不 同的时间，实测的时延差都不尽相同，因而要定量地给出时延扩展的值，只能用 大量实测数据的统计平均值来定义。 作为测量频率之间衰落相关性的一种手段，相干带宽与时延扩展直接相关。 对于一个功率延迟呈指数分布的系统，相干带宽可以如下给出： l 瓦k 。= i 一 ( 2 - 8 ) z 刀斑胁 如果移动信道相干带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益及 线性相位，则接收信号会经历平坦衰落过程，因此这样的信道是频率非选择性衰 落信道，且这种衰落是最常见的一种。如图2 1 所示，这时所有的频率都遭受相同 第二章移动信道模型 的幅度衰减，相位偏移和时延，这种情况通常在窄带信道中发生。另一方面，如 果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，这样导致接收信 号产生频率选择性衰落。因此当相干带宽b 比传输信号带宽。窄时，信 道是频率选择性衰落信道。这种情况通常发生在宽带信道中。频率选择性衰落信 道的特性如图2 2 所示 n 。耻。a 。嘲 s ( 砷 厂 j l f 0 ，) 并f ) r ( ，) 卜小 圈2 1 半坦曩滔信遭的特性 旦( 豆弘 矗( r ) 八。 o f c ，1 小八， j ， 。 ，( 曲 价 o 精 图2 2 频率选择性衰落信道的特性 因此，一般情况下，窄带信号通过移动信道时将引起平坦衰落，而宽带扩频信 号通过移动信道时将引起频率选择性衰落。 多普勒扩展和相干时间 时延扩展和相干带宽是用于描述移动信道时间色散特性的两个参数，然而它 们并未提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由移动台与基站的相对 运动引起的，或是由信道路径中的物体的运动引起的。多普勒扩展和相干时间就 是描述小尺度内信道时变特性的两个参数。多普勒扩展是用载波频率偏移的变化 来测度，更直观地说，可以把它作为信道变化速度的一种测度。当移动台在运动 中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。多普勒效应引起的附加 频移称为多普勒频移。在多径环境中，这种频移称为多普勒频展。多普勒扩展的 功率谱具有如图2 3 所示的u 型谱。衰落信号中频率的这种随机变化称为随机调 无线衰落信道下的o f d m c d m 系统研究 频。多普勒扩展被定义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱为非零值。 当发送频率为正的纯正弦信号时，接收信号谱即多普勒谱在正一力至工+ 以范围 内存在分量，其中以是多普勒频移。谱展宽依赖于五，兀是移动台的相对速度、 移动台的运动方向和散射波入射方向之间的夹角口的函数。多普勒频移可以如下 表示： f ：上j 生：兰c o s 臼 ( 2 9 ) 。“ 2 石fa 舻是由于路程差造成的接收信号相位的变化值，f 为运动的时间间隔，v 是 移动台的运动速度，a 是频率f 的正弦波的波长。若移动台朝向入射波方向运动， 则多普勒频移为正( 接收频率上升) ；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频 移为负( 接收频率下降) 。信号经不同方向传播，其多径分量会造成接收机信号的 多普勒扩散，因而增加了信号带宽。 图2 3 多普勒频移的功率谱密度 相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变 特性。相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说， 相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达的信号有着很强的幅度相 关性。相干时闻与多普勒扩展成反比，即： 瓦a 舷 ( 2 一1 0 其中，厶是最大多普勒频移。 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可以分为快衰落信道和慢衰 落信道。如果移动通信系统的符号周期z 品。比相千时间小，则信道的冲激响应在 符号周期内变化很慢，信道受到慢衰落的影响。在频域中，这意味着多普勒扩展 第二章移动信道模型 比信号带宽小的多。如果移动通信系统的符号周期7 。比相干时间大，那么信道 受到快衰落的影响。在快衰落信道中，信道的冲激响应在符号周期内变化很快。 由于多普勒扩展引起频率色散( 也成为时间选择性衰落) ，从而导致信号失真。从 频域中可以看出，信号失真随着发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。各种 不同多径无线信道之间的相互关系以及它们的代表模型和相关的工作环境在表 2 1 中给出。 表2 1 无线信道特性，信道模型和工作环境 信道特性7 l 册w z k z w 正m 。 信道模型 非色散时间色散 频率非选择性衰落 b r m f1 b 。n 频率平坦衰落( 窄带信号)平坦一平坦衰落 频率色散双色散频率选择性衰落 b 。n m ? ：b c 。 时间平坦衰落时间和频率色散( 宽带信号) 慢衰落快衰落 工作环境 ( 室内信道) ( 室外信道) 总之，对于数字移动通信来说，当信号通过移动无线信道传播时，其衰落类型 决定于发送信号特性及信道特性，信号参数( 如带宽、符号间隔等) 与信道参数 ( 如时延扩展和多普勒扩展) 决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。当 码元速率较低，信号带宽远小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分 量的变化具有一致性，则信号波形不失真，无码间串扰，此时的衰落为平坦衰落； 反之，当码元速率较高，信号带宽大于相关带宽时，信号通过信道传输后各频率 分量的变化是不一致的，将引起波形失真，造成码间串扰，此时的衰落为频率选 择性衰落。根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道又可分为快衰落信道 和慢衰落信道。在慢衰落信道中，信道冲激响应变化率比发送基带信号变化率低 得多，因此可假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。在快衰 落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间比发送信号 的周期短。由于多普勒扩展引起频率色散( 即时间选择性衰落) 从而导致信号失 真。 2 3 1 多径信道模型 2 3 移动信道模型 如前所述，陆地移动信道的主要特征是由于多径传播所引起的快衰落与时延扩 展和由于移动台运动而引起的多普勒频移。在移动通信系统中，最通用的信道模 型是线性时变系统。考虑到各种因素，移动信道可用信道传输函数( 厂，) 来描述， 无线衰落信道下的o f d m d m 系统研究 它是关于频率以及时间的函数。( ， f ) 所对应的信道冲击响应为 ( f ，r ) ，即已知 信道肘刻 的响应，对于时刻，一r 时刻的脉冲，若输入川) ，则其输出： y ( f ) = p o ，f ) x o ) d f ( 2 1 1 ) 其中 ( f ，f ) 给出了信道脉冲响应和它是如何随时间变化。图2 4 给出了同一信息 ( t r ) 的四种不同形式之间的关系： 岁晟( r 幻 瑞利衰落分布 当信道中不存在一个较强的直达径时，其信号包络服从瑞利分布。 第二章移动信道模型 当发射机和接收机之间有互相移动时，散射通道( 多径通道) 的时变性使得 接收波形的同向分量和正交分量之和的幅度也是时变的。己证明，当多径 ，大于6 时，根据中心极限定理，可以认为和z 切都是高斯分布( 、分别表 示同向分量和正交分量) ，均值为零，方差为盯2 ，是具有相同的功率谱密度和自 相关函数的随机过程：其概率密度函数为： 1 二 p ( x ) = 亡e 2 4 2 o x ( 2 1 5 ) 幅度”( f ) 服从瑞利分布， p ( “) = 二e 。旁 o “ ( 2 1 6 ) 这样，当信号包络“( r ) 降低到方均根值( i 蝴s ，r 0 0 t o f m e a l ls q u a r e ) 以下时，称 信号经历了“衰落”。对幅度“的概率密度函数p 国) 取积分，得其概率分布函数 ，( ) ： ”h- 2”2 以的2 p 。胁5 膀。一万幽= 1 - c 一百 ( 2 - 1 7 ) o0 。 相位9 ( f ) 服从均匀分布，即： p ( 妒) = 一o s 妒2 厅 ( 2 1 8 ) 莱斯衰落分布 当存在视距传播时，则信号在如上所述的“瑞利衰落”多径上叠加了一个主 要的静态( 非衰落) 信号分量。包络检波器的输出端就会在随机多径分量上叠加 一个直流分量，所以包络“服从莱斯分布。正如从热噪声中检测出正弦波一样， 主要的信号到达时附有许多弱多径信号，形成莱斯分布。当主信号消失时，混和 信号包络服从瑞利分布。包括了静态信号分量的混和信号包络“( f ) 为： “( r ) = l 卢( f ) + m ( f ) l = ( r ) + m 。( f ) 】+ j k ( f ) + 埘：( r ) 】l = 【“( f ) + 碍( f ) 】2 + 【卢：( f ) 十m ：( f ) 】2 ( 2 一1 9 ) 式中，m ( f ) 代表信号中的直射分量( 均值) ，m ( f ) = 嵋( f ) + j 聊2 ( f ) = 胪1 2 ”“4 】； p 、工、b 分别是直射分量的幅度、多普勒频移和相位。( f ) 代表信号的散射分 量，( f ) = “( f ) + j 心( r ) 。幅度“( ，) 服从莱斯分布，即： 无线衰落信道下的o f d m c d m 系统研究 砸，李e 坤( 一等m 等) 嘞 o 。 ：。， 相位妒( f ) 的概率密度函数为： 舯卸压詈醐一卜陪小舭圳， 式中，参数户指主信号幅度的峰值：i 。( x ) 为第一类修正的贝塞尔函数；e r f ( - ) 是 误差函数。定义用于描述莱斯分布的参数一一莱斯因子足为主信号的功率与多径 分量方差之比，即k = p 2 ( 2 盯2 ) ，它能够完全地确定莱斯分布。当p 斗o ，k 哼一。 ( d b ) ，即主信号幅度减小时，莱斯分布转变为瑞利分布。因此，瑞利分布是莱 斯分布的一个特例；莱斯分布是瑞利分布的一个扩展。 2 3 2 多径信道仿真 多径传播信道的信道脉冲响应模式是模拟一个离散的广义乎稳非相关散射模 型( w s s u w ) 。这样的频率选择性衰落信道应该满足两个假设条件：1 ) 在时间t ( 可能是几个码元长度) 的时间内，衰落的统计特性是平稳的；也就是说，在时 间间隔 内只有多普勒频移的影响；2 ) 电波到达角a 和传播时延是统计独立变量。 在离散的广义平稳非相关散射信道( w s s u s ) 中，接收信号可以表示为输入 信号的延时分量和独立零均值复高斯时间变化过程乘积的和。 x ( r ) 和y ( f ) 分别代表信道输入和输出的复数低通样值，j l l ( l ，) 是关于时延和时 间多径传播信道的冲激响应，它对应的嚣( ， f ) 是关于频率和时间的信道传输函 数， ( f ，f ) 和h ( ， f ) 是复低通函数。对于某个特定的f ， ( r ，r ) 是具有平坦衰落 特性的冲激响应厅( f ) 的平均复高斯时间变化过程。对于不同的f ， ( r ，) 彼此是不 相关的。由个多径信道组合而成的时变冲激响应为： l l ( f ，f ) = 扣岛( f ) 占( f q ) ( 2 2 2 ) ，；o 式中，月为第，个时延分量，是复高斯过程，它的功率谱就是第，个路径的多普勒 频谱，它控制第，个路径的衰落率。实际上，过程岛( f ) 可以理解为在某一时延间 隔内从不同入射角到达的不可分辨的多径分量的组合。l 为抽头时延。总得来说， 延时系数曰和离散传播时延0 决定着多径信道的特性。这样经过信道后的信号可 以表示为： 一1 一 y ( f ) = 0 9 ，o ) x ( f q ) ( 2 2 3 ) 第二章移动信道模型 多径时延扩展信号的功率谱用连续的指数函数，( f ) 表示。可以把指数函数 j p ( f ) 离散化，分成个离散值表示时延扩展信道的时延和时延对应的平均功率值。 即沪瞄p ( r 矽r ( 2 - 2 4 ) 在不同的延时( o f ) 路径中，因为入射波方向和运动速度方向之间的夹角 不同，就有不同的多普勒频移，即： 白( f ) = 蜀，( ，) + j 9 2 雕) 这里， ( 2 。2 5 ) 蜀，( f ) ：釜c i 。，c 。s ( 2 石，。，+ q 。，) ( 2 2 6 ) c f 。，表示第，径的第九个组成的多普勒系数，z 川和q 。，分别称为多普勒频移和多 普勒相移。这里，为了使不同传播时延的多径相互独立，需要保证不同传播路径 对应的蜀( f ) 之间互不相关，这就要求不同路径对应的多营勒频率集合 ，。0 没有 交集，即 z ，z 。 ，埘 ( 2 - 2 7 ) 多普勒效应引发的信道变化由下面介绍的仿真平坦衰落信道的方法来仿真。 根据文献【4 】，仿真平坦衰落信道的六种方法分别为：等距离法( m e d ) 、等面 积法( m e a ) 、m o i l t ec a r l o 法、最小均方误差法( m s e m ) 、精确多普勒扩展法和 j a k e s 模型仿真法。我们这里主要介绍本文仿真信道所用的j a i 【e s 模型的仿真方法。 j “e s 模型的仿真法是由o 个低频振荡器产生频谱c o s f 絮竽j ，其中 0 ：丢( 芸一1 1 ，频率间最终的相差分布尽可能地接近均匀分布，其表达式为去。 z z，上冗 仿真模型的结构图如图2 5 所示，振荡器的数目是8 个。利用一定的三角关系，可 以用增益为2 c o s 卢和2 s i n 卢的放大器来产生合适的相角。每个振荡器的输出加在 一起首先产生同相的和正交的t 的频带信号，然后将它们分别与同相和正交的 载波。相乘，就可以得到最后的输出信号y ( f ) 。k 和x ，可以表示为： t ( f ) = 2 c o s 尾c o s 峨r + 2c o s a c o s ， ( 2 2 8 ) t ( ，) ：2 釜s i n 成c 。s f + 压s i n 口c 。s ， ( 2 2 9 ) ! !垂垡塞蔓焦望! 塑竺旦坚：曼里坚墨堕婴壅一 为了保证y ( f ) 的相位是随机的，且服从1 到2 玎的均匀分布。由于( ) “( ) ， ( t k ) zo ，所以可以用以下的方法来实现： n “ ( 霉) = 2 艺c o s 2 凤+ c o s 2 = 0 + c o s 2 + c o s 2 尾 ( 2 _ 3 0 ) n n q ( ) = 2 芝s i n 2 成+ s i n 2 = o + s i n 2 一芝c o s 2 晟 ( 2 - 3 1 ) d ( ) = 2 s i i l 以c o s 尾+ s m a c o s 口 ( 2 3 2 ) 月一1 由此选择其中一种结果口= o ，卢2 嚣，此时( t t ) = o ，( ) 。o ，( ) = o + 1 口 这里y ( f ) 是以吐为中心的窄带信号，具有瑞利衰落个性。其自相关函数近似为贝 塞尔函酬训，频谱为跗) 2 蔬专霸相姚g ( 小l 瓣) - 去。 申由 - 2 “肛 2 ，m 嗥4 “矿 m t ；( 扣 ，一c 啤_ ，矗n 啤 图2 5j a k e s 仿真模型结构图 在本文中，多径信道的仿真是通过一抽头时延线性模型完成的。如图2 6 所 示，每一个抽头的时间间隔为符号周期t ，抽头系数矗( f ，f ) 则为互不相关的零均值 复高斯随机过程( 即假定信道为瑞利衰落) 。 第二章移动信道模型 矗f 0 y 0 ) 图2 6 多径信道的离散时延线性模型 本文仿真中， ( f ，f ) 的产生均由上面的j a k e s 模型给出，而 ( ，r ) 的权重则应符合 所仿真信道的时延功率谱。本文所用的信道模型是一种常用的抽头时延线模型的 一个特例c o s t 2 0 7 模型【5 】，这一模型给出了四种典型环境下的时延功率谱， 表2 2 中列出了这四种环境的信道参数。 表2 26 抽头c o s t 2 0 7 模型 抽 乡村环境( r a ) 典型城市环境( t u )恶劣城市环境( b u )山区地形( h t ) 头 号 时延( 1 l s )功率( d b )时延( 邺)功率( d b )时延( u s )功率( d b )时延( u s )功率( d b ) 10o03 0 2 50 o 2 0 1- 4o 200 - 3oo 1- 1 5 30 280 5- 21 o一3o 3- 4 5 4 0 31 21 66 1 65 o 5 7 5 50 41 62 3- 85 o21 5 o培0 60 52 05 o- 1 06 6 4 1 7 2一1 77 2 4 本章小结 本章主要讨论了移动信道的基本特性，分析了移动信道的电波传播特性。在 给出影响移动信道的主要参数的同时，以此为基础，探讨了移动信道建模及计算 机模拟仿真的问题，并提出本文中使用的仿真信道模型。移动信道的特性在很大 程度上决定了系统的性能，因而对移动信道的认识将直接影响到今后对系统的性 能分析及改进。 第三章o f d m c d m 的基本原理及系统模型1 9 第三章o f d m c d m 的基本原理及系统模型 3 。1 引言 随着人们对高性能通信系统需求的增长，宽带化的通信技术越来越受到研究 人员的重视，并成为了未来通信的发展方向。但由第二章我们知道，在移动无线环 境下，信号受到多径传播的影响，从而频率选择性衰落成为限制信道传输能力的 主要因素。为了抗多径的影响，人们提出了抗多径影响的技术。在频域，采用了 多载波调制( m c m ) 技术，即将信道在频域分成若干个互补相关的子信道，尽量 使其中的每个予信道的频谱平坦，在接收机中将经历不同信道的信号进行合并， 这样，可以有效地对抗多径造成的频率选择性衰落。o f d m 系统是最常见的多载 波调制技术，它的主要优势是能够在宽带信道上传送高速率的数据而只需很少的 均衡工作。然而这种技术也有缺点，o f d m 的每一个子载波都受到平坦衰落的影 响，因而为了取得更好的性能，还需要纠错能力很强的信道编码。另一种方法就 是本文所讨论的采用o f d m 和码分复用( c d m ) 结合的技术。它将信号扩展到不 同的子载波上，可以达到很好的频率分集的效果，这就是o f d m c d m 对于o f d m 系统的优势所在。 本章将首先介绍多载波调制即o f d m 的基本原理、系统实现及其优缺点。再 其基础上，对多载波扩频技术进行简单介绍，然后建立o f d m c d m 的系统模型。 3 2 0 f d m 系统 3 2 1 多载波调制( m c m ) 概述 早在6 0 年代，人们就已经提出了多载波调制( m c m ) 的概念，并开始对它 进行研究。1 9 6 6 年r w c l m n g 在理论上论证了多载波传输系统中正交有限带宽信 号设计的一般方法，证明了其所具有的优越性能。但由于该系统对载波相位偏差 和定时偏差较为敏感，在接收端各个子信道必须独立地调整载波系统和定时系统， 这就大大地增加了系统复杂性，使系统成本上升、可靠性下降，因而该技术的使 用受到限制，一直没有进入实用阶段。1 9 7 2 年，随着w e i n s t e m 和e b e r t 提出利用 离散傅立时变换( d f t ) 来实现正交频分复用( o f d m ) ，入们的研究开始偏重于 各个载波间相互正交的并行传输。八十年代开始，随着数字信号处理技术和大规 模集成电路技术的进步以及人们对高速数据通信需求的日益增长，一方面技术上 2 0 无线衰落信道下的o f d m c d m 系统研究 己经很容易用f f t 来实现m c m ，另一方面m c m 具有单载波传输无法比拟的优点， 因此m c m 越来越受到人们的重视，并得到迅速发展。 m c m 的基本原理是将所要传输的串行数据流变成若干个并行数据流，使每一 个子数据流具有低得多的传输速率，并且用这些子数据流去分别调制若干子载波。 m c m 的主要优点是具有抗无线信道时间弥散( 即频率选择性衰落) 的特性。如前 所述，无线信道( 特别是移动信道) ，由于多径效应引起的多径扩展会造成接收信 号中前后符号交叠，产生所谓的符号间干扰( i s i ) ，造成判决错误，严重影响传输 质量。特别是在符号速率较高的情况下，更是如此。这是由于在符号持续时间很 短的情况下，多径扩展将跨越更多的符号，造成严重的i s i 。从另一个角度看，符 号速率较高时信号带宽较宽，当信号带宽接近和超过信道的相干带宽时，信道的 时间弥散将对接收信号造成频率选择性衰落，所以时间弥散是使无线信道传输速 率受限的主要原因之一。在多载波调制的子信道中，数据传输速率低，符号持续 时间长，只要多径扩展与符号持续时间之比小于一定的值，就不会造成i s i 。因而， 从本质上说，m c m 对信道的时间弥散不敏感，或者说具有抗时间弥散的特性。由 于i s i 的明显减少，m c m 对均衡器的复杂度要求很小。 3 2 _ 2o f d m 的基本原理及系统实现 我们知道，自适应均衡技术是传统上消除多径衰落的有效方法，但由于它的复 杂性，尤其面临高速率、宽带化通信要求，单纯的均衡技术已不能适应，于是人 们开始了并行传输体制的研究。这就产生了0 f d m 技术。o f d m 是将高速数据分 成若干路低速率的数据，并分别对不同的载波进行调制，这样其中每一路信号的 脉冲宽度被大大扩展，尤其是在脉冲宽度大于相干带宽时，系统就有了较好的抗 多径衰落的性能。 o f d m 由大量在频域上间隔的子载波构成( 假设为n 个子载波) ，各子载波可 以使用同样的或者不同的数字调制方法，并且串行的n 个信息符号组成一帧，它 们分别调制到n 个子载波上。在这里，子载波间隔的选择是0 f d m 的关键，为了 提高频谱的利用率，0 i 哪m 中各子载波的频谱是相互重叠的，但子载波间隔的选 择使得这些子载波在整个符号周期上是正交的。若要使得子载波满足正交条件， 每个子载波的调制频谱为s i n x 形状，其峰值正好对应其它子载波的零点。当各 子载波的频谱组合在一起，总的频谱图形状非常接近矩形，其频谱的宽度接近传 输信号的奈奎斯特带宽，所以这就证明了o f d m 系统的频谱利用率很高。而另一 方面，由于每个子载波上的信息是互不相关的，相加后在频域内的合成信号非常 近似于白噪声，哈尔凯维奇在5 0 年代就已经证明：要克服多径衰落，信道中传输 的最佳信号形式应该具有高斯自噪声的统计特性。因此，从这一方面也可以看出 第三章o f d m - c d m 的基本原理及系统模型 0 f d m 信号具有很好的抗多径的性能。图3 1 为1 6 个子载波的o f d m 信号的频谱 图。 n 饵l l j 鲥f i b p 蝴眦y 圈3 11 6 子载波的o f d m 频谱 假设并行的札个子载波对m 个复数符号最，一= o ，”，c l 进行多载波调制传 输，这些符号已经经过信道编码，交织和符号映射。假设串行符号的周期为乃， 在串并变换之后，o f d m 信号的符号周期为： c = 札艺 ( 3 1 ) o f d m 的原理就是把数据分成c 个子载波进行调制，每个子载波之间的间隔为： e = 晏 ( 3 。2 ) 为了满足札个子载波上的信号的正交性，假设符号是矩形脉冲形状。我们认为一 个并行的符号墨，l = o ，m 一1 是一个o f d m 符号。则o f d m 符号的复包络形状 为： 删= 寿茗驴硼，晒 c 则为时域和频域交织。通常情 况下，o f d m 前的交织器用来进行频域交织，但本文选用的则是更为普遍的同时 丑 一护一一保一一加一目 回卜 一织一一交一 一内一 固囹母圆圆 一码一 一编一一道一圆 h 第三章o f d m c d m 的基本原理及系统模型3 3 进行时域和频域交织的交织器。此外，可以降低接收的复杂度。o f d m 调 制由i f f t 和加循环前缀组成，其中，循环前缀为0 f d m 符号的循环扩展，起保 护间隔的作用，可以有效的抗符号串扰( i s i ) ，保证正交性。 对o f d m - c d m 系统来说，我们必须非常关注在非理想信道中，o f d m c d m 本身固有的由于三个扩频数据符号重叠造成的白干扰( s i ) 。这是o f d m 系统不存 在的干扰，也是o f i ) m - c d m 系统相对于o f d m 系统的缺点。但是，由于对数据 符号进行扩展所带来的分集增益也是o f d m 系统没有的，由本文第五章的仿真结 果就可以看出，分集带来的增益足以弥补自干扰这个缺点。 3 2 4o f d m c d m 的数据检测 图3 9 ( b ) 为o f d m c d m 系统的接收端原理框图。信号通过信道之后，在 接收端先去循环前缀，然后进行f f t 和解内部交织，这样，数据符号检测器输入 的接收序列可以表示为： ，= 曰i + 一= ( 墨，r ，墨) 7 ( 3 3 3 ) 假设循环前缀的长度大于多径信道的时延，s 为通过信道前的发送信号序列，三三 对角矩阵日表示的三个子信道上的衰落。矢量一= ( 1 ，2 ，) 7 表示三个子信道 上的噪声。信道估计采用导频辅助信道估计得到相干检测所需的信道状态。，输入 检测器之后，进行检测，然后解符号映射，解外交织，译码输出。 由于时变多径信道的频率和时间选择性衰落，使得码分复用后的数据符号的 正交性丢失并且产生了自干扰( s 1 ) 。因此，必须利用有效的数据检测技术来减小 信道引起的衰落。检测技术分为两种：单符号检测和多符号检测。单符号检测就 是对一个符号d 进行检测，将s i 作为单纯的白噪声进行处理而不考虑由s i 得到的 任何信息；多符号检测则是要利用s i 的信息进行检测。下一章我们将详细的讨论 0 f d m c d m 系统的数据检测。 3 4 本章小结 正交频分复用( o f d m ) ，因其抗衰落以及传输高速数据的能力而引起了人们 的广泛注意。在o f d m 系统中使用频分复用( c d m ) 可以将相同的信息符号在不 同的子载波上同时发送，从而达到频率分集的效果，得到分集增益。因而，c d m 的应用可以改善o h ) m