（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中的链路自适应研究.pdf

摘要 摘要 在无线环境实现中高速的传输数据需要鲁棒的和频谱利用率高的传输技术。 如果叫以估计信道的参数，并将这些估计信息反馈给发送端，发送端就可以根据 信道参数自适应调整发送策略。大多数的调制和编码技术都无法根据信道的衰落 状况调整自身参数。这些非自适应技术都是根据最差的信道参数设计的，从而保 证系统总能够维持f 常工作，但是这样将无法充分利用系统的资源。自适应的根 据信号衰落调整发送功率和速率能够使得好的信道条件得到充分的利用。 经过在链路自适应方面的大量研究，本文首先在发送端获得理想信道信息 ( p e r f e c tc s i ) 的基础上，提出了一种在频率选择性衰落信道条件下，能够在 m h v i o o f d m 系统中提供高速数据传输的可变速率利功率的m o a m 和m p s k 的 调制机制。作者首先回顾了m i m o 系统中“注水定理”的重要结论，该结论说明 在m i m o 系统中应用自适应传输技术能够达到信道的最大容量。基于o f d m 技术 能够将频率选择性信道转化成平坦衰落信道的特点，通过数学推倒得出在频率选 择性衰落信道中，对各独立子信道应用新的自适应功率速率分配算法，能够使得 各独立子信道达到最大的信道容量，进而也就证明了应用新的自适应算法能够提 高m i m o o f d m 系统的频谱利用率。 随后作者又将本文算法同平均分配算法和反信道条件算法做了比较，分析了 他们的优缺点。通过仿真比较这三种算法分别在不同子载波个数( = 4 0 ，8 0 ，2 0 0 ， 4 0 0 ) 和不同目标b e r ( 1 0 ，l o “，1 0 ，l o _ 4 ，1 0 4 ，1 0 。) 的条件下的性能，作者得出 了本文提出的算法比其余两种算法具有好的多的性能这一结论。 由于信道反馈链路的延迟和信道估计的局限性，实际系统中获得理想的c s i 是比较困难的。因此研究部分c s i 系统的自适应比特功率算法具有现实意义。考 虑到这一原因，本文中作者通过数学推导得到一个基于部分c s i ( p a r t i a lc s i ) 估 计信道传输矩阵的数学模型，并将这个模型作为基础，将前面提出的自适应比特 功率分配算法应用到部分c s i 系统中。最后作者给出了自适应算法的具体实现步 骤和仿真结果。 关键字；m i m 0 一o n m ，链路自适应，自适应功率，自适应调制，部分c s i 注水定理 a b s t r a c 【 a b s t r a c t h i 曲一s p e e dw i r e l e s sd a t a a n s m i s s i o nr e q u i r e sr o b u s ta n ds p e c t r a l l ye 币c i e n t c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s w h e nt h ec h a n n e lc a nb ee s t i m a t e da 1 1 dt h i se s t i m a t ei ss e m b a c kt ot h et r a n s m i t t e lt h e 咖s m i s s i o ns c h e m ec a nb ea d a p t e d r e l a t i v e l yt om ec h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s m o s tm o d m a t i o na n dc o d i n gt e c h n i q u e sd on o ta d a p tt o f a d i n g c o n d i t i o n s t h e s en o n a d a p t i v e 1 e t h o d sr e q u i r eaf i x e dl i i l k m a r g i nt o m a i n t a i n a c c e p t a b l ep e r f 0 埘旧n c ew h e nt l l ec h a i l n e lq u a l i t yi sp o o lt h u s ，t h e s es y s t e m sa r e e m c t i v e l yd e s i g n e df o rt h ew o r s tc h 咖e lc o n d i t i o l l s ，r e s u l t i n gi ni n s u 茁c i e n tu t i l i z a t i o n o ft h ew h o l ec h a i l n e lc 印a c i t y a d a p t i n gt ot h es i g n a lf a d i n ga l l o w s 吐l ec h a n i l dt ob e u s e dm o r ee m c i e n t l ys i n c ep o w e ra n dr a t ec a nb ea l l o c a t c dt ot a k ea d v a n t a g eo f f a v o r a b l ec h a n n e lc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r ，av a r i a b l e r a t ea n dv a r i a b l e - p o w e rm q a ma n dm p s km o d u l a t i o n s c h e m eb a s e d0 np e m c tc s if o rb j 曲- s p e e dd a t at r a n s m j s s j o dj nm i m o o f d m s y s t e m s o v e r f k q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l sw a sp r o p o s e d t h ea u t h o rf i r s t r e v i e w e dr e s u h sf o rm e “w a t e r _ f i l l i n g ”p o w e ra 1 1 0 c a t i o ns c h e m eo fm i m os y s t e m s 、v j 恤c h a n n e l8 i d ei n f o r m a t i o n ，w h e r et h em a x i m u mc 印a c i t yi sa c h i e v e du s i n ga d a p t i v e t r a n s r i l i s s i o nt e c h n i q u e s t h eo f d mt e c h n i q u ec a nc h a n g et h ef r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l t om en a tf 甜i n gc h a n n e l a c c o r d i n gt ot i 】a t ，t h ep a p e rt h e nd e r i v e dm e p e r f b n l l a l l c er e s u n so f t h es y s t e mu s i n gt h en e wa d 印t i v ea l g o r i t h i ni ne a c hs u b c h a n n e l t oa c h i e v e 山em a x i m u ms u b c h a n n e lc a p a c “yi n 矗e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l t h i sr e s u l t sf h n h e 咖o r ev e r i 丘e st 1 1 a tt h en e wa l g o r i t i u nc a ni m p r o v et h ef r e q u e n c y e m c i e n c yo fm i m o o f d ms y s t e m s t h e nt 1 1 ea u m o rc o m p a r e dt h en e wa l g o r i m m 、v i mt h cu n i f b 咖a 1 1 0 c a t i n ga l g o r i t l l i i l a 1 1 dt h ec h a i l l l e lr e v e r s i l l ga l g o r i t l l i n ，a n a l y z e dt h e i ra d v a i l t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b y c o m p a r i n gt h et h r e ea l g o r i t h m si nc o n d i t i 吼so fd i 脏r e mn u m b e ro fs u b c a r r i e r s ( n = 4 0 ，8 0 ，2 0 0 ，4 0 0 ) a n dd i 彘r e m tt a r g e tb e r ( 1 0 ，1 0 一，l o - 。，l o ，1 0 ，1 02 ) r e 唧) e c t i v e l y 吐1 ea u t h o ro b t a i n e dt h a tt h en e wa l g o r i t l l l nh a dm u c hb e n e rp e r f b 蛳a n c et l l a l lt h eo t h e r n 0 b e c a u s eo ft h ed e l a yo ft h ef e e d b a c kc h a i l n e l 锄d 吐i cl i m i t a t i o no fc h 籼e 1 e s t i m a t i o n ，i ti sv e r yd i 伍c u l tt oo b t a i nm ep e r f e c tc s i s om er e s e a r c ho ft l l ea d 叩t i v e b i t - p o w e ra 1 1 0 c a t i o na l g o r i t h mi np a r t i a lc s is y s t e m si sv 以u a b l ef 研p r a c t i c a lw o r k f o c u s i n go nt h i sr e a s o n ，t h ea u t h o rd e r i v e dam a t h e m a t i cm o d e lf o rc h a n n e le s t i r i l a d o n 曼坚! 竖殳2 1 型萋堡堂塑矍墅窒堡蜜璧壅 b a s 砖张p 8 瘫a le s l ，箍毪d 豫王s e dt 醅耐帮 i v 。8 l 辨纛t h 辩i 建瀚d 酶稻f e 穗p a 摄8 le s l s y s t e m so nt h eg r 0 1 l i l do f m i sm o d e l f i n 出l y ，t h ea u m o rp r o v i d c dt h cs t e p so fu s i n gt h c 繇a 拱i v e 鑫l 秘糠 h 辩勰ds 魏。粥d 镪。幽强u l 箍t i o 拄鞠l t s 越珏ee 挺o f t 聚sp 颦e 矗 k 姆w o l 畦黜m 王重。国f d 囊瓢l 辆萋a d a p t i v 岛 a d 塞擎t 拇ep o w e ba d 锺p 量v e m o d u l a t i o n ，p a r l i a ic s l ，w 魏t e 卜妊l l i n g 巡丝苎型蹩! ! ! ! ! ! 创新性声明 本人声明所量交的论文是我个人在譬师的据譬下述行的研究工作及取褥的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以杯注和致谢巾所罗列的内容以外，论文 中不包台其它人融疑发表或撰写过的研究成果i 也0 i 包含为获褥西安电子科技大 学或其它教育枫构龅学像或迁书聪镬嗣过盼材料。与筏一冈工作的闲恚所馓的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明劳表示了谢意。 申请学位论文与资料藉有不实之处，本人承抿一切相关资任。 本人签名：盥 一 坤 e l 期；蔓翌i ：兰 关于论文使用授权的说明 本人宠全了解西安f 睦予科技大学有关保留和使餍学位潦文酌规定，嚣：研究 生在校攻读学位期间埝文：作的知识产权单位属谣安毫予科技大学。本人保溅毕 业离校质，发表论文或使用论文工作成暴时署名单位仍然为两安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印俘，允许蚕阀和借阕论文；学校可以公布论文盼垒 部或部分内容，可以允许聚用影印、缩印、或其它艇制手段保存论文。( 保密睡 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后遮用本授权书。 本人熬名； 导师髂名： 弱觏 塑：! ： 目j 朗： 1 州6 毒 籀一章前畜 第一章前言 l 。l 弓l 言 随着社会信息化避程的加快，人们需要越来越频繁地交换各种数据，多媒体 宽带业务也随之迅猛发展。同时，宽带业务的通信方式也从有线通信向无线通俗 矗囱发展，对无线频谱的需求怠尉增加。但怒无线频谱资源襁对于需求量来说非 常有限，因此，迫切需要一种能在有限的频谱中撼傲离速数槲传输能力的无线通 信技术。亲来移动通信技术的主要特点就是有限的籁港上无限商速的数据话输熊 力。m i m o ，o f d m 技术就悬在这种大的应用背聚下产生的。 m l m o ( m u l t i p l e ，i n p u t ，m u l t 捌e o u t p u t ) 技术的瘩瑷带来了颁谱幂鞋用搴馥蘩命 性提高。以往的s i s o ( s i n 9 1 e ，i n p m s 衲g l e ，o u t p u f ) 系统中，无线信道的多径环蟪 是譬致系统憾熊变坏魄主要骧因。m l m 0 技术能够利用多径信邋产生多个糨豆独 立的平行传输信道，并利用这些信邋同时传输多路数据信息，这样可以有效地提 赢系统的传输速率，同时不褥要增加系统所占带宽，搜得系统的频落利崩率褥到 很大提高。也就是滋，如果多个收发天线辩之间的平行子信道互不棚关，m 玎蚺o 系统的信邋容量会随潜天线数目的增大而增大。j e 是m i m o 黎统的这一特点解决 了未来移动遗信系统中最主要的频带利用率无法提商的关键慷阍题，从丽也决定 了来束移动通信技术将围绕m i m o 技术发展。 未来宽带无线通信系统所要露幅的另一个挑战是多径衰落。无线魄波在穆秘 环境中传播时受天线周围物体的影响，经历各种敞射、绕射、反射过程到达接 牧天线。接收天线接收到的信号是经过多个传播路镫到达的多径信号蛉合成信号。 各径信号分爨的幅度和相位都各不相同，相互叠加之后造成台成信号幅度发生急 剧变化，引起信号波形畸变。从频域蒋，多径衰落会造成信号中不同的频率成分 经历不同的信道衰落，也就怒通常所说的簌率选择性衰落。o f d m ( o 妯o g o n a l f r e q u o n c vd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术通过串并变换把离速数镊流分配蟹多个相互 正交的予载波上进行传输，7 搬频率选择性信道变成了平垣衰落傣遵，可以有效对 抗僚道多径衰落的影响。o f d m 已成为多个无线通信标准的指定调制方式。 m i m o f d m 系统将两种按术绻舍起来，既剥用了m l m o 技术掇离系统鞭落 利用率的优转，同时又具备了o f d m 抵抗频率选择性褒落的优点。这嫂特点决定 了m i m o 一0 f p m 系统将是下一代移动遇信按术豹棱心。 虽然m i m o o f d m 技术很好的解决了系统频带利用率和多径衰落的问题，假 m i m o - o f d m 系统中的链路自适麻研究 蔻没有禳摇无线信遒的衰落和时交特性给出院较好盼自适应方案。 o f d m 技术将频率选择性信邋转化成多个平坦袭落子信道，无线信道对于不 瓣平毽予信遂的不同衰落决定了每拿子信遴辩蒋辕状嚣不同。有些信道的传输状 况较好，信噪比较大，在接收端得到的误码性能较好：有些信道的传输状况较差， 信噪比禳夫，在接牧端褥刘戆误筠性链不谴，甚至有隧无法满足正确终褡静簧求。 通常在多个子信道传输状况不同时，总是根据最差子倍道的信邋条件指定统 一翡信息传输速率，良僚i 茇赝有予信道罄熊燕誊售稔。毽是这嚣会忽略好裁子信 道所能带来的性能的提高，也就是说，最低的信息传输速率无法充分利用好的子 俊遵费竣瓣多的馈息。这就要求对于每一个子信道豁莱用不同的信息速率，竣大 敝度的利_ ；j 信道条件，以达到信道容量的最大化。阊时，无线信道的时变性也要 求发送端即时调熬发送速率达到最佳性能。 为了满足以上对性髓的要求，由发送端在发送激据之前，自发调整传输参数， 从而最大限度利用信道条件。发送端自发调整的参数包括发送速率( 调制方式) 、 发送功率等。这种发送端禳据接收端反馈酌信遥信慧调整发送速率和发送功率等 传输参数的技术统称为链路自适应技术( l i n k a d a d t i v e ，简称l a ) 。 1 2 本文研究内容 早在上世纪9 0 年代就有很多人关注自邋应链路技术在平坦s i s o 信道中的应 霁；，a 识发疆，幽予最早对予系统发嚣功率蠢谲毒l 方式瀚设计总是投摆最差数囊 邋条件来规定一个恒定的方案，即使信道条件发生改变，也只能用相同的发射功 率驹速率遴零亍黉输，这本隽裁是对信遥资滚静一秽淡费。因戴a n d f e aj g o l d s 娜也 等人提出在衰落的信道条件下，s i s o 系统中发送端利用接收端反馈的信道参数动 态调整发送功率和m q a m 的调制阶数，以达到信邋容量的缀大化。 随着m i m o o f d m 技术的f f 栽成熟，无线多襁环境下的链路自适应问髓很自 然的成为精的研究热点。加之m i m o o f d m 和a d i o c 技术的结合，囊于在a d h o c 隧络中，倍道状态的变亿非常普遍，同时，自适应功率和速率本身靛是a d | o c 技 术中的重点问题，阁此研究m i m o o f d m 系统中的l a 技术具有重要的现实意义。 基予以上静鹜景，本文集中讨论了一静在m l 醚限0 f d 鲥系统中瓣链躇蠡遥应 技术( 其中的自适应参数主要集中在m i m o o f d m 系统中备子信道的功率和调制 方式) ，瓣出了一释藐懿功率分配方寨稆叁适应调裁税裁，莠将它应爝到部分e s i 的系统中，为以后更加深入的研究m i m o ，o f d m 系统与a dh o c 网络的结合打下 蘩稿。 本文结构如下： 第一章前言 第一章前言。简要介绍了m i m o o f d m 技术和链路自适应技术的应用背景。 第二章m i m o o f d m 技术概述。介绍了m i m o 和0 f d m 技术原理以及二者 的结合，给出m i m o o f d m 系统框架。 第三章m i m o o f d m 系统中的自适应算法。通过理论分析，提出一种新的链 路自适应算法，并对算法性能进行分析。 第四章基于部分信道信息的自适应算法。通过理论推导，提出了根据部分c s i 估计信道的数学模型，并将前面讨论的自适应算法应用到部分c s i 系统中。 第二章m i m o o f d m 技术概谜 第二章m i m 0 0 f d m 技术概述 2 。l 芬l 言 现代社会对邋信的依赖和要求越柬越高，予燕设计和开发效率更高静通信系 统就成了业界不断追求的目标。通信系统的效率，说到底就是频谱利用率和功率 剿臻宰。将翻是在无线逶信静綮躐下，对这两个搬标躲要求j 主茳更蓬，尤其是频 谱利用率。由于空间可用频谱资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线 频谱豹壤鬻受囊各罾致府豹严穆镑瑾并绞麓划。于是，备耱各撵豹曼有骏鑫频 谱效率的通信技术不断被开发出来，m l m ( ) 。o f d m ( m u l t i p l ei n p mm u h i p l eo u t p u t 一0 曲。黔n 越f w q u e n e y 驯v i s i o nm u l t p l e x i n g ) 是囊褥墨知的频谱剥赐攀最高的一嵇 通信系统，它将数字嘲制、数字信号处理、多载波传输等技术和空间时间簧用技 术有机结合在一越，使得它在系统的频谱列用率、功率利用率、系统复杂性方丽 综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动遥信特别是移渤多媒体通信的主要技 术之一。 2 2 0 f d m 原理简介 o f d m 是一种多载波传输技术，n 个子载波把整个信文睦分割成n 个子信道， n 个子僖遘著嚣传瓣蔼惑。o f d 醚系统寿诲多菲常| 久注黧秘霞点。第一，o d 麓 具有非常高的频谱利用率。普通的f d m 系统为了分离开各子信道的信号，需要在 糖镰熬债遵阗设鬟+ 一定戆保护潮骚( 频带) ，以挺接收臻笺蠲豢运滤波爨分离出穗 应子信邋的信号，造成了频谱资源的浪费。o f d m 系统各予信道间不但没有保护 颧赘，磁且媚邻信道超癌号的频落的主瓣运槌互重整( 见照2 1 3 ) ，但各予信道信 号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，o f d m 系统的各 予信道信号的分蕊( 勰调) 是靠这种正交性来完成姻。另外，o f d m 的各予信道 上还可以采用多避制调制( 如频谱效率很商的0 a m ) ，进一步提高了o f d m 系统 的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用o a m 戚m p s k 调制方式时， 调制过程可以甭l f f t 完成，解诵过程可激稍f f t 完成，鬣不用多组振荡源，又不 用带通滤波器组分离信号。第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般 的0 f d m 系统均莱雳毒蓦环嚣缀( c y c l i ep 辩羲x ，e p ) 方式，使得它在定条释下霹 以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性 m i m o - o f d m 瑟统中的链路自适应研究 的破坏，因此o f d m 系统具有很好的抗多径干扰能力。o f d m 的予载波把整个信 道划分成许多窄信谴，尽管熬个信邋有可能是极不平煺的衰落信道，缎在各子倍 遵。t 的衰落却魑近似平遵的，这使得o f d m 系统子僚道的均衡特别简荦，往往只 需个抽头的均衡器即可。 强然，与单载波系统魄，o f d m 也有蹙困难闯惩需要解决。这些闻题主簧 是：第，同步问题。理论分析和实践都表明，o f d m 系统对同步系统的糙度要 求更离，大的同步谈菠不仅造成输蠢信嗓比的下降，逐会破坏予载波闽的币交髓， 造成裁波问干扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法f 常工作。篇二， o 1 d m 信号的蜂值平均功率比( p e 8 l ( - 如- a v e r a g ep o w 嚣r 蕊t i o ，淞p r ) 主链强大， 使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大嚣的效率。o f d m 在未来通 信系统中的应用，特别是在来来移动多媒体避信中的应属，将取决予上述问题的 解决摆度。 o f d m 技术已经或正在获褥一然应用。恻如，在广播废用中欧洲的e t s i ( e u r o 口e a nt c l e o o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t e ，欧洲电信标凇学会) 已经制定了 采用o f d m 技术的数字音频广播( d 磷t a la u d i ob r o a d c a s t i n d v b ) 的标准，数 字视频广播( 蕊g i 酬v d e ob f o a d c 鼢t i 醒，d v b ) 的标嘏也正在制定中；在宽带无 限接入应用中，i e e e8 0 2 1 1 a 及1 e e e8 0 2 1 6 郝有基于o f d m 技术的建议，e t s i 的 l i 静e r l a nl l 也是一释基予o f d m 技术的标准；在数字蜂窝移动通信中应用中， o f d m 是目自u 研究的热点技术之一；在有线宽带接入技术中，侧如x d s 乙( 备种高 速数字罔户线) 技术中，o f d m 的一种特殊形式d m ( d 括c r c t em u l t i t o n e ) 隧 获得广泛皮用；等等。o f d m 在这魃应用中已经表现出强大的生命力，随着制约 o f d m 应用蛉一些关键闻题的鼹决，棚信o f d m 在未来的通偿应用中将会扮演越 来越煎要的角色。 2 。2 1 多载波调铡与薹i t f t o f d m 怒一种多载波传输技术。设点g = l ，2 ，) 为个子载波频率，则一 般的多载波已调信号在第f 个码元间隔内可以表示成 拦 置 ) = 2 j 置( 女，) 。x p ( ，2 疗五f ) 0 3 0 ( 2 1 ) 篡中，置强，站楚信号在第f 个羁元闽黼内掰携带嬲信息，它决定了的憾瀣 和相位，一般情况下它们是只与码元标号l 有燕的复常数，它们携带了臻传输的信 息；铡如，蓉第女个子载波采臻q p s k 调制时，设采用衫4 方式的星照，当第i 个 码元为”o o ”时，根据码元和鼹废的映身寸关系可以知道并。( t ，r ) 。2 ( i 十，) 2 。为叙 述方便，在只霭研究一个多载波信号粥元的时候，常常密略码元标号f ；露当予载 第二章m i m 0 0 f d m 技术概述 波采用普通( 没有采用波形形成) 的q a m 或m p s k 调制时，置( ，r ) 与f 无关，从 而将置( 女，f ) 简写成x ( ) ，根据上下文这样不会产生歧义。按上述约定，( 2 1 ) 可以 写成 s ( f ) = _ ( ) e x p ( ，2 z 正f ) 扣o ( 2 2 ) 我们希望这种多载波传输方式的频谱利用率要高，即子载波间隔要尽可能小， 还希望系统实现简单。 要实现上述多载波传输系统，一般需要个振荡源和相应的带通滤波器组， 系统结构复杂，体现不出多载波传输的优势。但是，经过细致的分析可以发现， 上述多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o m ，d f t ) 实现，由于d f t 有著名的快速算法f f t ( f a s tf o l l r i e rt r a n s f o m ) ， 使得多载波传输系统实现起来大为简化，特别是利用f f t 实现的o f d m 系统，以 其结构简单、频谱利用率高而受到广泛重视。 下面分析多载波传输系统可以用d f t 实现的条件。 为确定子载波i 刈的频率间隔，我们考虑接收端如何对信号解调。我们对接收 信号( 暂不考虑噪声和失真的影响) 以抽样率f 抽样，利用d f t 对抽样信号进行 解调。利用点的d f t 可以计算出信号的第女个频谱分量为 5 ( t 矽) = j ( 形z ) e x p ( 一，2 础) 2 0 f 2 - 3 1 这里，s ( z ) 仍= o ，1 ，2 ，一1 ) 是抽样信号；，= 工是d f t 的分辨率。 为使d f t 正确计算出频谱，信号必须在点抽样以外周期性重复，当信号只含有 该d f t 的谐波成份时，条件就能满足。将k f 代入式( 2 2 ) 得 j ( 形z ) = x ( ，) e x p ( ，2 口n 工) ( 2 4 ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 得 j ( t v ) = ( ，) e x p ( ，2 月乃n 工) e x p ( 一2 万n i ) = ( ，) e x p ( ，2 万乃胛z ) e x p ( 一，2 万一七) ( 2 5 ) = 善盖c ，p c 鲁一专， 其中 f o 卅” 盯( 埘，玎) = 1 l -m = h 观察上式可以发现，当多载波己调信号的频率 ( 2 6 ) m 【m o o 胁m 系统中的链路自适廊研究 五= 等 ( 2 7 ) v 对，载有s ( t 4 厂) = y ( 是) ，其巾c 为鬻数，藏怒说当备予载波鹣频率为赡调 用的d f t 分辨率整数倍时，可以用d f t 对信号完成解调。从以上分析可知，为保 谖正确解调，x ( 豇) 在一个鸦元间隔内保持为常数是必要的，如果子载波的q a m 或m p s k 调制采用了波形形成技术，如采用余弦滚降波形，采用d f t 解调时还要 作专门的处理。 由戬上分析，当各子载波的频率为解调髑的d f t 分辨率整数倍时，可| 薹罔d f t 对多载波已调抽样信号完成解调。特别地，当子载波的频率间隔为工时，由式 0 ) 有 一i s ( 形工) = 石( ) e x p ，2 万( 规m 工) 篡露8 ) = 义( m x p 【，2 硝 ，) 】 = o 上式徐为舅( 女) ( = 0 ，l ，2 ，。，一1 ) 序翻( 以后我霄j 将该j 葶掰篱记为舅( 奶) 雏 i d f t ( i n v e r s ed i s c 【ef o u r i e rt r a i l s f o 廿n ) ，即当子载波频率间隔为时，多载波已调 信号兹时域抽棰序列霹敷蠢l d f t 谤簿密来。 由于携带信息的序列( ) 恰为多载波已调信号抽样序列的d f t ，所以我们 说，暴耀瓣t 实现躲多载波调铡系统鼹调制是在频域上进彳亍翡。 由以上分析可知，多载波调制系统的调制可阻由i d f t 完成，解调可以由d f t 完成，出数字信号处理的知识可以知道， d f t 和d f t 都可以采用高效的f f t 实 现。 2 。2 。2 f d 戮系统瀚组成 o f d m 系统的缱成框蕊如图2 + l 所示。 输入比特序列完成串并变换后，根据采用的调制方式，完成相应的调制映射， 形残诵裁臻惑序到菇( 奶，对盖( 避行国f t ，诗算窭。硒黼己调信号静辩躐籀 样序列，加j 二循环前缀c p ( 循环前缀可以使o f d m 系统完全消除信号的多径传播 造成戆挎号闫于撬( | s 1 ) 巍载波霹予貔( 怼| ) ) ，秀俸叠後变换，褥捌o f d m 已 调信号的时域波形。接收端先对接收信号进行a d 变换，去掉循环前缀c p ，得到 o f d m 己弱信号的撼撑序列，对该撼撑亭列传d f 譬即 ! 孽到原谈割薅息净到菇( | ；v ) 。 第二誊m 1 m 0 ，0 f d m 技术概述 9 图2 10 f d m 系统结构 循环前缀c p 的引入，使得o f d m 传输在一定条件下可以完全消除由于多径 传播造成的褥学闻干撬( 1 s ) 帮子信遥闻手撬( c i ) 酶影昀，大大箍述了( ) f d 醚 技术实用化的进程。图2 ，2 是循环自4 缀示懑图。 r”。”。_w。_-_。h_h_。_h_w-_1。“11一一 t 嚣譬；x m ( ) ，x 即媳删桶卜删- 2 ) ，州) l一一。，。+一一一一一 图2 2 循环前缀示意罔 2 2 3o f d 艇信号戆频谱特性 当备子载波奔lq a m 或m p s k 送 亍调翻靖，如栗基帮信号采藤矩形渡，刘每 个子信道匕已调信号的频谱为黝( x ) 形状，其主瓣宽度为2 亿h z ，其中，为o f d m 符号长蕊( 不毽籍e p ) 。由子在r 鹤词蠹共窍0 f d 醚信号鹣薄令辘弹，赝殴0 弼酝 信号的时域抽样周期为正。由于相邻子载波之间的频率间隔为a 厂= f ，其 中f 燕0 f d m 燕号的撼搀凝率，鄹f = 删疋，掰强 厂= = 1 e( 2 9 ) 即这些已调子载波信号频潜醢数的主瓣宽度为2 乏，间黼为v t 。根据瓤扛) 函 数的性艨，知道它们在颧域上正交，这就是正交频分复用( o f d m ) 名称的由来。 我们知道，般的颧分复用传输系统的各予信道之间要有一定的保护频带， 以便在蔽收端可阻用带遮滤波器分离宙各子信道的信号。保护频带降低了整个系 统的频谱利用率。o f d m 系统的子信道f 刚不但没有保护频带，而且各子信遒的信 号菝漤瞒稿互熏整，蟊黼2 3 聪零，这馁褥o f d 獬系统静频谱秘溺率褶 0 蔷逶蔟 分复用系统有很大提高，而各子载波可以采用频谱效率高的o a m 和m p s k 调制 方式，避一步掇莲了0 f d 粥系绞爨频谱效宰。 鹰滚指出，由于循环阿缀的影响，o f d m 信号的频谱结构将发生一定的变化， 但这仅仅馕信号的某些撅氆成份褥到增强，两不会镬镄；d m 谊号壤擞耨戆缀率或 份。 m i m 0 一o f d m 茉统中的链潞自适麻研究 i 一了r 曩一蠢一 o8 。 卜 t f 瞄二 fj 0 8 一 ；| ， ， fj 。4 l i ；f ； 引 。：i 涔澄耥美皆 _ 02 i 、，”| 、j ，i 、“一一，1 、。，j j 圈2 3 0 f d m 信号的频谱 移动信避一般存在多径传播问题，使信邋表现出明显的衰落特性。信道的多 径衰落在单裁波传输系统中往往会产生严重的码问干扰，使褥接收机往往需要院 较复杂的均衡滤波器，所以设计单载波高速移动通信系统的均衡器是一项富有挑 战瞧的工作。0 f d 醚系统利用个子载波，褥整个詹邋鲻分戚个窄予信道，在 每个子信道上信道的衰落近似平坦衰落，而且每个子信道上的码速率也比较低， 这使褥0 f d m 系统戆均鬣滤波器豹设计吃较容易，一般每个予僖遵只嚣要一个攀 抽头的( 自适应) 均衡器即可，这也是o f d m 吸引人的特点之一。 0 固醚予售邀润瀚耀蕊蹲系统懿性有缀犬影响。子信遴瓣疆越大，由于备 种因素造成的子信道问的干扰越小，但同时系统的频谱效率也越低，出于子信道 带宽的加大，系统抗击频率选择性交薄的能力也下蹲；反之，为提高系统的颞潜 效率而缩小予信道间的间隔，必然使系统的子载波间的干扰加大。信道带宽和f f t 的点数决定了0 f d m 予信道阅的闻聪，确定予信道间隔的一般原则是，满足系统 频谱乖j 用率和保证钟d m 系统的良好的抗击频率选择性衰落的前提下，尽可能加 大子载波间的间隔。 2 2 4o f d m 的子载波调制 0 f d m 的子载波调制一般采用q a m 或m p s k 方式。各子载波不必要采用相 第一二章m i m o o f d m 技术概述 黼静状态数( 避翻数) ，甚至不登簧采用褶黼的调制方式。这使得o f d m 支持海传 输速率可以在一个较大的范围内变化，并可以根据子信道的干扰情况，在不同的 予信遭上袋蠲不麓获态鼗懿谲翻，甚至采爨不磊静谖糕方式。这也锼褥盛璃链路 臼适应技术成为可能。调制信号星座的形成在i d f t 前由相应的调制映射完成。具 髂她巍，藏是投撼串著变换磊瓣毫特序列叹及0 a 姒( 或m p s 轻) 豹援痊凌爨关系， 计算出相应的同栩分量d 。和正交分璺岛，得到( f ) = q + 6 ，这就怒第f 个载波被 调剩后在一个o f d m 雩蜚号潮期内黝频氆 ! ol 焉l 禹lx x 。lx m o x n x m fx l l x81 。j。1。一。je。i。一。_l一。l一一e一 图24 将信息序列扩展战对称形式的方法 下面驻子载波采用1 6 q a m 调制为翻，说嗡1 6 q a m 调制映射的实现。 一种精简单的1 6 q a m 信号星虞图如下面图25 所示。 图2 + 51 6 q a m 星座图 图中的横轴表示问趣分量的信息比特，纵轴表示芷交分爨豹信息比特。设第女 个子信道上要传输的信息比特为“l l o l ”，从图2 5 可知，x ( ) = 3 3 ，；同样若 惦息比特为“1 0 1 0 ”，则( 女) = 一3 + ，等等。 亩予o f d m 的子载波璃箭是在频城上根据信号鼙座圉计算出来酶，而且完成 调制的i d f t 也需要大量的运算，因此o f d m 系统的发射机必须有强大的计算能 力( 其实攘牧橇氇蹩翔l 迸) ，这可戳由专门的d s p 芯片或f p g a 芯冀完成，随着计 算机技术的进步，朱来也有可能由通用计算机完成。从这种意义上说，o f d m 是 m i m 0 - 0 f d m 繇统中的链路自适席研究 通信斧口计尊技术的融合。由于o f d m 的发射帆和接收机一般有强大的计算能力， 所以在o f d m 予载波调制中，可毗掇掇接收端反馈的信道特性，采用多种自遗应 的调铷方式，毗提离信号的功率利用率。 2 3 m l m o 原理篱余 未来盼宽带无线通信网络需求酶数据传输率将达列3 0 m b p s 。这l 冬大大超过3 g 移动通信系统的能力。对更高的数据传输率、更好的传输质嫩、更少的掉话，鼹 大盼网络容童和更广阔魄覆蕊范围的需求呼唤藿技术的革薪以获取更离的频谱剃 用率和更可积的传输链路。在无线链路的两端靛射机和接收桃同时采用 多元天线簿，也藏怒m i 知妁冤线通信，藏怒一张麓提供f 所未有的凝谶效率鲍新 技术。 为什么在无线偿遂上避行数据传输如此雕难? 这主要是受到无线信道本囊圈 有的物理特性影响。无线通信的主要难题在于无线传输环境中的障碍物对信号产 生反射和数射，从丽造成的多径效应会令传输的信号发生衰减和畸变我们称 之为多径衰落。一般米说，我们使用瑞利衰落( r a y l e i 曲撼i n g ) 模型束衰征这军申 现缘。就性熊丽畜，瑞利衰落信道对通信系统的性能影响远大予a w g n ( 加牲商 辩国噪声，a d 蕊i v ow 随eg a u s s i a nn o i s e ) 信道。为了说咀这个问题，我们以b p s k ( = 避制相位调制，b i n a r yp h a s os h 讯k e y i n g ) 为例。众所周虫丌，b p s k 调制在 a g n 信避下的谈比特搴为 剿( 雁 ( 2 ，l o ) 其中磊o 表示每比特信息的信噪比，q ( ) 为高斯q 方程。 联曲2 去p 瘫 在瑞刹衰落下，最甄澄一随帆变量，如令靠= ( 磊氓) ，它服从瑞剩分布 p ( ) = 三e x p ( 一勺 ) ( 2 1 2 ) 式( 1 2 ) 中巧表示是平均信漂噶，嚣= ( 磊强) e 融2 】。搿是接收傣号幅度鹩镪 络( 瑞利分布的) 。遂样对于b p s k 的只有 嚣* 厩 圆聊 盎予在一般的礤究讨论中，为了便于分析，都游均馕霹靠2 l 龉一化为l ，闲此 巧= ( 瓦0 ) ，当磊0 足够大时，也就是说，岛o l 时，t 式可简化为 箱二帝m i m o + o f d m 技术概进 e 2 赢赢 g 。4 ) 这说明在璃剃衰落信遵下，误比特率近似与僖啜昆的恻数成芷比，丽不是蕊 。陡高斯囱噪声下的逆指数关系。 8 p s k 调制在磷剥衰潞信遭下的性能如图2 6 所示。与b p s k 调镶l 在a w g n 信邋下的帔能比较，容翰观察得，要取得同样的传输可靠性，在瑞利衰落下我们 需要更大的罐嗓比。 o5 1 0 1 52 0 2 53 0 e b 烈o ( d b ) 图268 p s k 调露在瑞铡衰落信滋和自啜声信遂下的性能 面对这样的难题，传统的s i s o ( 椎入单出，s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统 中，设计时一般预露一定发射功率( 也就怒所谓的凌落余_ 爨) 柬抵抗衰落。但是 最然这种方法会降低基站的覆盖范围。无线信道的其它局限还包括延时扩展和c c i ( 同频予扰，c o 。c h a 越e li n t o 壤f e n c e ) 。延时扩展是出于发射信号是经过诲多不露 蜒时的不同路径到达接收机的，相当于接收机“看到”的接收信号的时间问隔变 长了。这种自千，抗效应大大的增加了接收机提取发射信号信息的复杂度。最后， 由于无线颁谱是有限的。在蜂窝无线通信系统中，许多不同的蠲户傻矧相同的频 率进行通信。这导致对期掇信号的干扰( c c i ) ，从丽令信号质量变羲。 通过在无线通信系统的发蔚机和接收机上安装多元天线晦，我们可以采耀多 种手段来抵抗无线信道的不良影响，从而摁随通信的质量。图2 7 就怒m i m o 无 线邋信系统的糕圈。 图2 7m i m o 系统框图 o g 玎 o m l m 0 * o f d m 臻统中的链踏自适成铆f 究 输入数据先经过编码和调制，然厝被根据不同的发射天线( 空间) 和不同的 发射时问被映射到一个空时二维空刚中。从发射天线阵列中发射的信号通过 m 默o 无线遁信信遒 用矩降h 表示) 并到达搂l 敬天线阵猁。接收概根据发射机 的发射方案对接收到的信号进行解调和解码，最后提