（通信与信息系统专业论文）高速移动环境下宽带ofdm系统的分集技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 由于具有信道频谱利用率高、实现容易( 可采用快速傅立叶变换) 等优点， 正交频分复用( o f d m ) 技术已成为高速数据传输的关键技术，并被纳入第四代移动 通信参考标准。然而，o f d m 系统对频率偏差非常敏感，尤其在高速移动环境下， 用户移动速度快，导致信道的时变特性更加明显，多普勒频移和多普勒扩展更加 显著，频率偏差使o f d m 系统子载波间的正交性遭到破坏，产生子载波间干扰 ( i c d ，这将大大降低系统性能。本文从分集技术对抗多普勒效应和对o f d m 系统 性能的影响入手，研究高速移动环境下o f d m 宽带通信。 本文首先研究高速无线信道的物理特性和数学模型，描述各种衰落信道的特 性，分析信道的时变特性对传输信号频谱的影响，给出了几个描述衰落信道的常 用函数，特别分析了高速移动环境下o f d m 系统的关键问题。随后介绍了o f d m 系统的基本原理及分集技术，分析了o f d m 传输系统的基本原理，推出了o f d m 时域和频域的模型，然后介绍了o f d m 系统的优点和缺点，最后介绍了分集技术， 着重讨论了比较常用的几种分集方式。研究了它们各自的优缺点，最终得出分集 技术的一般实现规律和特点。 本文主要研究内容是多普勒分集技术，把多普勒扩展作为频域分集资源，这 样不但可以克服多普勒扩展对o f d m 系统的不利影响，还可以通过分集获得系统性 能的提高。在接收端，针对高速移动环境下多普勒扩展明显的特性，研究了o f d m 系统中的多普勒分集技术，分析了一种适用于o f d m 系统的简化多普勒分集技术， 同时也研究了m i m o o f d m 系统的多普勒分集技术。通过仿真，得出多普勒分集 技术和发射分集相结合可以更好的提高系统性能。在发射端，根据高速列车通信 的特点，提出了基于固定轨道的多普勒发射分集技术，同时提出了未来高速移动 通信的宽带o f d m 解决方案，在现有的t d s c d m a 的高速铁路解决方案的基础上， 解决应用多普勒分集技术的难题，仿真结果表明，该技术有很大的优越性。 关键词：o f d m ：快变信道；多普勒分集技术 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e1 1 i g l ls p e c t r u me f f i c i e n c y ，e a s eo f i m p l e m e n t a t i o n ( v i af a s tf o u r i e r 1 黜t - o 胁) 锄ds o 呱o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c l m o l o g y 1 1 鹪b e c o m et h ek e y t e c h n o l o g yo fh i g h s p e e dd a t at r a i l s j n i s s i o i l ，a i l dh a s a d o p t e d b yt h ef o u n l lg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n b u to f d m s y s t 黜a r e 唧s e n s i t i v e t 0 打e q u e n c yd e v i a t i o n , p a r t i c u l a r l yi nh i g h s p e e dm o b i l ee n v i r 0 砌e n t b e c a u g e t h eu s e r m o v e s 蜮t h ec h a r m e l st i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c si so b v i o u s ，t h e d 叩p l e rs h i f la n d d o p p l e rs p r e a da r es i g n i f i c a n t t h e s ec a l l s gt h ef r e q u e n c yo f f s e t , t h u st h e o m l 0 9 0 n a i 对 b 咖e no f d ms u b - c 硎e r si sd e s t r o y e d ，w k c h r e s u l t si i li r 婚c a m e r i n t e 疏r e n c en 晶 a 1 1 dg r e a t l yr e d u c e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i s t h e s i sw ef o c u s0 nt h ed o p p i e r e n e c t sw i l i c ha f f e c to f d m s i g n i f i c a n t l y ，a n ds t u d yk e yt e c i l i l o l o 西e so fo f d mi l l h i g h s p e e dm o b i l ee o m m u n i c a t i 0 1 1 s i nt h i st h e s i s w es t u d yt h e p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm a m e m a t i c a lm o d e l o f m g f l 。哦e d 眦l e s sc h a r m e l s ，d e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e 唰砌迦c h 锄e l s ， 觚d 锄a j y z et h ei m p a c to f t i m e - v a r y i n gc h a n n e lo ns i g n a ls p e c 讥强w ea i l a l ) 珊s e v e r a l c o 蛐i l o n 脚1 n gc h a r m e l s f u n c t i o n , a n dm a i n l yf o c u s0 n 也ek e y t e c h n i q u e so fo f d m s y s t e 鲻岫d e rl l i 曲。s p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n t t h e nw e i n t r o d u c et h eo f d m s v s t e m s ， b a s l cp n n c l p l e 觚dd i v e r s i t y t e c h n i q u e s ，g i v eo f d mt i m ed o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i nm o d e l , a i l dd i s c u s st h eo f d m s y s t e m s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v 如t a g e s f 砌1 v w e1 n 昀d u c e d l v e f s 毋t e c h i l i q u e sa n ds e v e r a lc o m m o n l yu s e dm e 1 0 d s n ea d v a n t a g e s 觚dd l s a d v a n 姆so 蹦v e r s i t y a r ea n a l y z e d ，a n dt h eg e n e r a l f l l i e sa n dc h 础矧s t i c so f d i v e r s i t yt e c h n i q u e sa r eg i v e n jn em a l nw o r d0 it h i st h e s i si sd o p p l e r d i v e r s i t yt e c h n o l o g y w et a k et h ed o p p l e r s p 删嬲a 丘e q u e n c yd i v e r s i t yr e s o u r c e ，w h i c hn o t 砌yo v e r c o m e s 龇i m p a c to f d o p p l e rs p r e a do no f d ms y s t e m s , b u ta l s o i i i l p r o v e st h ep e r f o r m 锄c eo fs v 妣m 帅嘞d 1 v 粥i t y a tt h er e c e i v e r , w es t u d yd o p p l e r d i 螂时f o ro f d ms y s t e m su i l d e r t l i 咖s p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n t , a n a l y z eas i m p l i f i e dd o p p l e r d i v e r s i t yt e c h n 0 1 0 9 yf o r u h ) ms y s t e n s ，a n dd i s c u s st h e d o p p l e rd i v e r s i t yt e c h n o i o g ) ，f o rm i m o o f d m s y s t 锄s s 1 m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e d o p p l e rd i v e r s i t yt e c h n i q u e sc o m b i n e 州t 1 1 咖s m l 撕d 1 螂i t y 咖i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e o b v i o u s l y i nt h e 咖r n j 慨 2 山东大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h eh i g h s p e e dt r a i n sf e a t u r e ，w ep r o p o s ed o p p l e rd i v e r s i t yt r a n s m i t t e r , a n dp r o p o s et h es c h e m eo ff u t u r eh i 曲一s p e e db r o a d b a n do f d mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , w h i c hi sb a s e do nt h es c h e m eo ft d s c d m ah i 曲一s p e e dr a i l w a ya n ds o l v e st h e a p p l i c a t i o np r o b l e mo fd o p p l e rd i v e r s i t yt e c h n i q u e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i s t e c h n o l o g yh a sag o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：o f d m ；f a s t - v a r y i n gc h a n n e l ；d o p p l e rd i v e r s i t y 3 山东大学硕士学位论文 4 3 g 4 g k 鼬g n b e r c d m a c p d s l d v b d l a b d m b f d m f d m a g l l c i i s i m i m o m a c m s m r s o f d m s i r s n r t d m u m t s 英文缩略语 3 珂g e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 4g e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a d d i t i v e m i t eg a u s s i o nn o i s e b i te r r o rr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g f m q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g u a r di n t e r v a l i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o b i l es t a t i o n m o b i l er e l a ys t a t i o n 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 s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c ep o w e r r a t e s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 第三代移动通信技术 第四代移动通信技术 加性高斯白噪声 比特误码率 码分多址 循环前缀 数字用户线路 数字视频广播 数字信号广播 数字多媒体广播 频分复用 频分多址 保护间隔 载波问干扰 码问干扰 多输入多输出 媒体接入控制 移动台 移动中继站 正交频分复用 信干比 信噪比 时分复用 通用移动通信系统 山东大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖化 1 1 本课题研究的技术背景 2 0 0 9 年，第三代移动通信( 3 g ) 在我国开始投入商用，且规模正在迅速的扩大， 相对第二代移动通信( 2 g ) 的话音和数据等业务种类，第三代移动通信( 3 g ) 将业务扩 展到话音、数据、图像及多媒体等多种业务。与此同时，对下一代移动通信系统 的研究也早已经提上了r 程【l 。5 1 。在现有的研究成果中，o f d m ( i e 交频分复用) 由于 可以很好地抵抗多径传输的码间干扰( i s d ，而且可以支持高速数据传输，因而受到 了广泛的关注，将这一技术应用于高速移动环境也是未来一个重要的发展趋势。 例如，对于城市智能交通系统、高速列车通信系统以及卫星通信等系统而言，物 体的移动速度非常快，会产生非常明显的多普勒效应，这就会给接收性能带来很 大的影响。随着交通环境的改善和通信技术的发展，普通的个人移动通信在高速 移动环境下进行也成为可能，因此，研究无线通信系统在高速移动环境下的应用， 保证用户信息传输的有效性和可靠性将有很大的理论价值和实用应用价值 6 - 9 ) 。 高速移动信道属于一种复杂的时变和频变信道，具有高噪声、高误码率的特 点，其主要特征有多径传播引起的时延扩展和移动台运动引起的多普勒频移，以 及阴影效应引起的慢衰落。与普通的移动通信环境相比，高速移动通信中无线信 道最突出的问题之一就是多普勒效应带来的高误码率。 o f d m ，英文全称为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 ，中文全称为 正交频分复用，o f d m 是一种特殊的多载波频分复用( f d m ) 技术。早在1 9 6 6 年1 2 月，r w c h a n g 在文献【1 0 】中首次分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波和 带限的子载波保持正交，该技术的频谱利用率比普通f d m 几乎一下子提高了一倍。 1 9 7 1 年1 0 月，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 在文献【1 1 】中首次提出采用i d f t 和 d f t 来实现o f d m 的基带调制和解调，降低了系统实现的复杂度。近些年，由 于d s p 技术迅猛发展，o f d m 技术变得易于实现，于是，它越来越受到人们的关 注。进入2 0 世纪8 0 年代后，a p e l e d 和a r u i z 在文献【1 2 】中提出使用循环前缀 c p ( c y c l i cp r e f i x ) 作为o f d m 的保护间隔g i ( g u a r di n t e r v a l ) ，以此来解决多径信道 中子载波问的正交性问题。c p 引入会导致少量的信噪比损失，也使o f d m 技术的 5 山东大学硕士学位论文 时间利用率有所下降，但以此换来的是非常健壮的抗多径特性。这一补偿远远抵 消了c p 的代价，于是，o f d m 自然而然地成为未来移动通信的关键技术。随后， 在1 9 9 0 年，j a c b i n g h a m 在文献【1 3 】中进一步完善了o f d m 系统的结构， 为o f d m 技术的普及应用铺平了道路。 如今，o f d m 技术已经在许多有线和无线通信领域发挥着重要作用【1 4 1 。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 首次采用了o f d m 技术制定了数字音频广播( d a b ) 的标准；1 9 9 7 年，基于o f d m 的数字视频广播( d v b ) 标准投入使用【15 1 ；1 9 9 8 年， i e e e 8 0 2 1 1 标准组决定在无线局域网( w l a n ) 的物理层方案中采用o f d m 技术，而 后，e t s i 的一个工作组( 宽带无线接入网：b r a n ) 研制出基于o f d m 技术的 w l a n 标准- - h i p e r l a n 2 。日本的类似标准( 多媒体移动接入通信系统：m m a c ) 也采用o f d m 为物理层基本技术：到了2 0 世纪末，非对称数字用户线( a d s l ) 也 采用了o f d m 技术；由于o f d m 易于结合空时码、分集、智能天线、m a c 层接 入等技术，预计它还将成为b 3 g ( b e y o n d 3 g ) 移动通信系统的核心。正交频分复用 ( o f d m ) j i 厦信系统是将所传输的数据符号并行调制在若干个子载波上，而所有子载 波之间具有j 下交性，使之较传统的串行调制通信系统具有结构简单、频带利用率 较高、抗多径衰落和脉冲噪声等许多优点。o f d m 技术也有比较明显的缺点：正交 频分复用建立在子载波之间严格正交的基础之上，任何传输过程中载波信号波形 畸变均会影响子载波之间的正交性。产生载波信号波形畸变的因素主要有：发射 机或接收机的( 晶振或者振荡器工作) 频率不稳定引起的载波频率误差、接收机在高 速移动过程中多普勒效应引起的接收信号频谱的扩展、发射机和接收机之间频率 同步误差引起的载波频率偏移、接收机附近环境中信号反射物体的高速移动产生 的多普勒效应引起的接收信号频谱的扩展，等等。特别是在高频和高速移动的环 境下，多普勒扩展对o f d m 系统的影响会更大。 1 2 课题研究意义 移动通信未来所要追求的目标是高容量和高移动速度。高容量的实现可以通 过提高频谱利用率和增加带宽两种方式来实现，然而由于无线频谱资源的缺乏， 要想实现高容量就必须提高频谱利用率。o f d m 技术因其具有抗多径干扰，抗窄带 干扰，频谱利用率高和实现容易等优点，将成为下一代蜂窝通信系统的关键技术。 6 山东大学硕士学位论文 然而，在宽带、高频、高速移动的前提下，无线传播环境显得十分复杂，高速移 动会引起多普勒频偏，并且多普勒频偏是与发送频率和移动速度成正比的，所以 多普勒频偏的影响会更大，从而引起信道的快衰落变化，会使o f d m 信号同时产生 严重的i s i 和i c i 。 单纯的使用o f d m 技术是不够的，还要跟其它技术有机地结合。在无线通信 系统中提高信息传输可靠性的一种有效手段就是采用分集技术，特别是空间分集， 可以在不牺牲带宽资源的l j i 提下，提高无线通信的可靠性和稳定性，也能够有效 的对抗多普勒频偏。有数据证呀1 昏1 引，采用多个接收天线可以显著提高对多普勒 频偏的容忍度，并且接收天线越多，容忍度也越高。 所以，深入研究基于o f d m 的分集技术在高速移动环境下的应用具有重大意 义，这直接关系到未来无线通信的应用领域的扩展。 1 3 论文的主要工作 本文围绕着高速移动环境下o f d m 系统的关键问题展开。在高速移动环境下， 多普勒效应成为影响系统性能的关键因素。多普勒效应包括多普勒频移和多普勒 扩展两部分。本文只研究多普勒扩展部分，多普勒扩展破坏了o f d m 系统载波间的 正交性，但同时也带来了可以利用的资源。本文针对多普勒扩展，在接收端研究 了多普勒分集技术，并结合其它分集技术，充分利用各种资源提高系统性能；在 发射端提出了基于固定轨道的多普勒分集技术。此外，还提出了高速移动环境下 o f d m 的宽带通信方案。 1 4 论文内容的安排 第一章绪论，介绍本文的研究技术背景，主要内容及对该技术展开研究的重 要意义。 第二章高速移动无线信道研究，主要介绍多径效应、多普勒效应、信道的衰 落分类以及高速移动环境下无线信道模型，最后还特别介绍了高速移动环境下 o f d m 系统的关键问题。 第三章o f d m 传输系统及分集技术，首先分析了o f d m 传输系统的基本原 理，然后介绍了o f d m 系统的优点和缺点，最后介绍了分集技术，着重讨论了比较 7 山东大学硕士学位论文 常用的几种分集方式。 第四章高速移动环境下o f d m 系统的多普勒分集技术，本章首先研究了前人 的o f d m 系统多普勒分集技术和简化多普勒分集技术，然后分析了m i m o o f d m 系统的多普勒分集技术，接着根据高速列车运行特点，给出了基于固定轨道的多 普勒分集发射机，最后总结给出了未来高速移动环境下宽带o f d m 通信方案。 第五章结束语，总结全文并展望该领域的研究发展趋势。 8 山东大学硕士学位论文 第二章高速移动无线信道研究 移动通信以无线电波作为传输介质，受无线信道的制约。无线信道采用的技 术要比有线信道复杂的多，因为无线电波传播环境很复杂，包括地形地貌、人工 建筑、气候特征等造成电磁波在传播时产生反射、散射和绕射，再加上各种热噪 声干扰大大的降低了系统的可靠性。 高速移动环境下，移动台所处的客观环境条件决定了信道参数是时变的，这 就需要我们不断的优化移动通信系统的有效性、可靠性和安全性3 项基本指标。同 时尽可能的少占用信道资源，尽可能大的抵抗外界干扰并确保传输的安全保密。 另外，我们利用信道模型模拟真实环境中的情况，分析和掌握信道的基本特点和 实质，针对无线通信中存在的问题对症下药，进行了比较详细的研究。本章主要 讨论的是移动通信系统中信道衰落。 2 1 多径效应 移动信道的最主要特征就是多经传播1 9 1 ，即发射信号经过直射、反射、折射 等不同的路径到达接收端。由于这些无线电波的传播路径是不相关的，他们各自 的统计特性就自然而然的也不相关，因而各路径中发射信号的到达时间、相位都 不同，不同相位的多个信号在接收端叠加，有时会增强信号幅度( 同相叠加) ， 有时会削弱信号幅度( 反相叠加) ，结果是信号的幅度发生急剧变化，导致信号 产生衰落。 多经信号到达接收端的时间不同导致接收端信号产生了时延扩展，与时延扩 展相关的另一个重要概念是相干带宽。实际应用中定义信道的最大时延扩展的倒 数为信道的相干带宽。 从频域分析多径信号，针对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现不 同的随机响应，当信号的带宽超过无线信道相干带宽时，多出的这部分信号频谱 与信道是不相干的，也就使得整个信号的衰落不统一，信号波形就会发生畸变， 此时就认为发生了频率选择性衰落；反之当信号的带宽不超过相干带宽时，信号 频谱与信道是都相干的，信号的衰落就基本一致，在带宽范围内有恒定增益及线 9 山东大学硕士学位论文 性相位，因而衰落波形不会失真，信道表现为频率非选择性( 平坦) 衰落。在实际 应用中，我们可以采用抗多径天线、自适应抵消和频域均衡等技术补偿或克服频 率选择性衰落。图2 1 给出了频率选择性衰落和平坦衰落示意图。 信道相干带宽 频率选择性 平坦衰落 图2 1频率选择性衰落和平坦衰落示意图 2 2 多普勒效应 在移动无线传播环境中，通信终端通常是运动的，这就可能带来频率偏移， 使信道呈现频率色散和时变特性。这种时变特性可能是由移动台和基站之间的相 对运动引起的，也可能是由周围散射体的运动引起的。这种无线信道产生的时变 特性我们称之为多普勒效应。当移动台朝向基站运动时，载波频率会变大；反之 移动台背向基站运动时，载波频率则变小。这就好像对信号频谱进行了搬移，实 质上就是非人为的频率调制。实际通信中无线信道经常引入连续分布在某一频率 范围内的多普勒频移，所以从频域上看信道对输入信号的影响表现为频谱展宽， 即多普勒扩展，而不仅是一个频率偏移，即多普勒效应包括多普勒频移和多普勒 扩展。 考虑如图2 2 所示的情况，基站与移动台之间的相对运动产生的多普勒频移可 表示为 力= 堕c o s 拈z c o s 秒，( 2 1 ) f几 其中，五表示载波频率，v 表示移动台的移动速度，c 表示光速，五表示载波波长， 口为传播路径与移动台运动方向的夹角。根据公式( 2 1 ) ，得到最大多普勒频移为 厶= m a x 乃 = ( 2 2 ) 1 0 山东大学硕士学位论文 m s 爱_ ，一一一一一一本 m s 鞠一， 甲 y 图2 2多肾勒效应 由公式( 2 1 ) 可知，若移动台背向传播路径方向运动，多普勒频移为负值( 即载 波频率变小) ；若移动台面向传播路径方向运动，多普勒频移为正值( 即载波频率变 大) 。实际通信中，接收端的多径信号有各自的时延、幅值大小、相位大小和多普 勒频移，传输信号同时受到多径传播和多普勒效应的影响。若假设波到达角0 在 0 ，兀 上均匀分布，信号功率将分布在 z 一厶，+ 厶 上，其功率谱密度为 s ( 厂) ：车【1 一掣一 n - j d , - ，厶 ， ( 2 - 3 ) 六一乙f z + 乙 其中，z 是载波频率，已是每个多径信号接收到的平均功率，式( 2 3 ) 即是经典的功 率谱谱，由如图2 3 的多普勒频移功率谱可知信号功率被扩展到【z 一厶，z + 厶 区间匕了。 图2 3 多普勒频移功率谱 在无线数字通信中，移动台与基站之间的相对运动或周围散射体的运动引起 的多普勒效应，使得通信终端必须不问断的估计信道状况，以获取信道的即时信 息，从而立即更新通信系统的信道模型参数，提高通信系统的可靠性。实际通信 山东大学硕士学位论文 中，我们采用相关时间( 信道保持基本不变的时间间隔) 这一概念来衡量信道的 时变特性，相关时间定义为 乏l 厶( 2 4 ) 由式( 2 - 4 ) 可知，如果传输信号的带宽比最大多普勒频移大得多，则在时域上， 符号的时间长度要比相干时间小得多。因此信号经过信道时，可认为一个符号周 期内信道是基本不变的，所以在实际通信中，人们一般认为一个符号内的传输不 受多普勒频移的影响。 2 3 信道衰落的分类 在信号通过无线信道时，信号与信道参数共同决定了衰落的类型。平坦衰落 会降低信号的信噪比，因为信道环境的反射、散射和绕射会损耗信号的能量；频 率选择性衰落会产生码间干扰( i s i ) ，使得通信终端很难精确翻译出收到的符号。快 衰落会使传输信号发生严重的失真，可能会导致信道同步困难等一系列问题，慢衰 落也会降低信噪比【2 啦! 1 。总的来说，多径和多普勒效应导致的小范围衰落可能对通 信的破坏力最大。 小尺度衰落是根据信号参数( 如带宽、符号间隔等) 与信道参数( 如延迟扩展和 相干时间) 来分类的，其中多普勒扩展引起的衰落主要有以下两种衰落： 1 、慢衰落：由于移动台的不断运动，传输信号的幅值会出现缓慢的变化， 主要是由于通信终端位置的改变以及气象条件变化造成的。这种由阴影效应和气 象条件引起的信号变化，称为慢衰落。发生慢衰落时，信道的相干时间远远大于 信号的周期，传输信号的带宽远远大于相关带宽，信道冲激响应的变化比要传送 的信号码元周期慢的多。如图2 4 为慢衰落示意图。 2 、快衰落：移动台的快速运动，信道中各种散射、反射和折射路径信号的 叠加，使合成信号表现为快速起伏变化。快衰落体现的是瞬时值的快速变化，这 种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，大大影响了通信的可靠性。发生快衰落 时，信道的相干时间比发送信号的周期短，传输信号的带宽小于相关带宽，信道 冲激响应在符号周期内变化很快，从而导致信号失真严重。如图2 5 为快衰落示意 图。 1 2 山东大学硕士学位论文 5 0 5 0 图2 4 慢衰落示意图 图2 5 快衰落不慈图 在实际通信系统中，无线信道的特性是非常复杂的，对信号的影响也要严重 得多，其根本原因是由于它包含一个复杂的传输媒介。移动台与基站之间的相对 运动、复杂的传播路径和各种热噪声干扰使无线信道具有极大的随机性。所以相 对于设计一个的有线通信系统，设计一个移动通信系统的要复杂、困难得多。恶 劣的信道特性是移动通信最显著的特征，要在这样的传播环境下实现方便、快捷 的通信，就必须采用各种技术措施来处理恶劣环境带来的消极影响。我们通常采 用分集、跳频、均衡等抗衰落技术来提高信道的可靠性【2 l - 2 3 。 2 4 高速移动无线信道模型及参数 本文中研究所涉及到的信道模型参数主要考虑的是基站与移动台接入点之间 的信道环境，也就是室外信道。室外信道模型由于受到周围散射物体的影响，其 1 3 ， 山东大学硕士学位论文 信道模型参数不同于室内无线信道。这里我们主要研究c o s t 2 0 7 2 4 1 信道模型，它 是欧洲工作组c o s t 2 0 7 提出的广义平稳不相关散射类信道模型，该模型已在德 国、荷兰、芬兰和瑞士进行了大量实验测量和评估。c o s t 2 0 7 模型是抽头延时模 型的一个特例。抽头延时模型中信道冲击响应可以写成 h ( t ，f ) = 口) 万( 卜f ，) p 删， ( 2 5 ) 其中，是抽头的个数，a l ( t ) 是与时间有关的抽头系数( 通常是复高斯分布) ，乃是 输入到第，个抽头的延时。对每个抽头，都有一个多普勒谱来描述其系数随时间的 变化，一般可令乃_ o 。c o s t 2 0 7 给出了四种典型环境下的功率时延谱( p d p ) 。四 种典型的环境是： ( 1 ) 乡村地区( r a ) 环境的功率时延谱为 ie ，p ( - 9 2 三) o f o 7 雕 j 口( f ) 2 o ，其他脚 ( 2 6 ) 【 ( 2 ) 山地地区( h t ) 环境的功率时延谱为 ic x p ( 一3 5 三) ，0 r 2 s 加卜1 ：黜晶删5 2 。雕( 2 - 7 ) ( 3 ) 典型城市( n j ) 环境的功率时延谱为 le x p ( 一三) ，o f 7 肛 烈力2 k s(2-8) 【 ( 4 ) 恶劣城市地区( b u ) 环境的功率时延谱为 ie x p ( 一三) ，o r 5 s 加户慨 0 5 e x 蕃p ( 5 s - r u s ) , 5 r 枷一 ( 2 - 9 ) 2 5 高速移动环境下o f d m 系统的关键问题 无线信道的衰落问题对于通信系统性能的影响很大，尤其是在高速移动环境 下，移动速度越快的通信系统所受影响越明显。一方面是因为信号的多径传播导 1 4 山东大学硕士学位论文 致信号衰落和符号间干扰：另一方面是因为高速移动带来多普勒效应导致的快衰 落，体现在以下三个方面【2 0 】： ( 1 ) 信号的随机相位漂移； ( 2 ) 多径传播延迟引起时间弥散； ( 3 ) 不同路径信号多普勒频移的变化引起频率弥散。 多径传播条件下产生的时延扩展使传输信号发生平坦衰落或频率选择性衰 落，而不同路径信号多普勒频移的变化引起的多普勒扩展使传输信号发生慢衰落 或快衰落。当传输信号的带宽大于信道相干带宽，或者传输信号的信号周期小于 信道的时延扩展时，多径信号发生频率选择性衰落；当传输信号的带宽远小于信 道相干带宽，或者传输信号的信号周期远大于信道的时延扩展时，多径信号发生 频率非选择性( 平坦) 衰落。当传输信号的信号周期远小于信道的相干时间，多 径信号发生慢衰落；当传输信号的信号周期大于信道的相干时间，多径信号发生 快衰落，传输信号的多普勒扩展越大失真越严重1 2 6 1 。 在高速移动环境下，o f d m 系统受多普勒扩展的影响相对于单载波系统更加明 显。对于第四代( 4 g ) 通信系统，室内传输环境下测量得到的信道相干时间为2 7 6 m s ， 室外环境下为4 1 5 p s 【2 5 1 。然而对于带宽为2 m h z ，子载波数为1 0 2 4 的o f d m 系统， 信号周期5 1 2 p s ，显然当这个系统由室内环境到在室外环境下时，由于o f d m 系统 的信号周期大于信道的相干时间，多径传输的信号会经历快衰落，而且在快衰落 信道环境下，信号失真随多普勒扩展的增加而变得愈加明显，所以必须重新设计 o f d m 系统的信号周期使其小于信道的相干时间。 2 6 本章小结 在本章中，首先简要的介绍了高速移动环境的特点，其中包括多径衰落及多 普勒频移，并对它们的形成原因及后果作了较为详细的分析；其次介绍了高速移 动环境下常用的信道模型及其仿真参数；最后分析了高速移动环境下o f d m 系统的 关键问题。 1 5 山东大学硕士学位论文 第三章o f d m 传输系统及分集技术 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的正交多载波传输技术，其基本思想是将高 速率的数据流分成许多速率较低的数据流，同时在多个子信道上进行传输，这意 味着，频率选择性衰落信道被转换成平坦衰落信道，因此能克服信道多径衰落所 引起的码间干扰，从而在实现高速数据传输等方面具有独特的优势【2 7 。3 3 1 。与传统 的频分复用系统相比，o f d m 系统的不同载波信号频谱重叠，因此它最大限度的提 高了频带利用率。o f d m 技术在许多通信标准中得到广泛应用，包括：非对称双绞 线高速接入o s l ) 【3 4 1 、数字音频广播( d a b ) 【3 5 】、数字视频广播( d v b ) p 6 1 、无线局 域网技术标准i e e e 8 0 2 1la 1 3 7 1 和宽带无线接入技术标准i e e e 8 0 2 16 | 3 8 l 等等，并且已 经被第四代移动通信参考标准所采用1 3 纠。 本章将对o f d m 技术的基本原理做一次回顾，主要包括调制和解调技术， d f t i d f t ( f f t i f f t ) 实现，保护间隔和循环前缀，并且得到多径信道下的时域和 频域模型，分析其如何对抗i c i 和i s i ，同时对分集技术做一个基本介绍。 3 1o f d m 传输系统 3 1 1o f d m 系统的模型 对于传统的频分复用( f d m ) 系统而言，为了避免载波间的相互干扰，载波间通 常需要加保护频带，这种以牺牲频谱的利用率为代价的做法，在频带资源如此紧 张的今天是无法忍受的。o f d m 系统的一个重要优点就是允许频带重叠，这样就大 大的提高了频谱的利用率；此外该技术利用快速傅旱叶变换( f f t ) 实现调制和解调， 可大大简化了系统实现的复杂度。 o f d m 的原理就是把一个高速的数据流分割成许多低速的数据流，这些低速的 数据流再通过正交频率进行调制的同时进行传输，这样就可以把宽带变成窄带， 进而可以彻底的解决频率选择性衰落这个难题。o f d m 系统的调制解调原理框图如 图3 1 所示。 1 6 山东大学硕士学位论文 f 一 + 由 三 并 并 南 变变 换换 与 并 由 变 出 图3 1o f d m 系统基本模型框图 多个经过调制的子载波信号合成了一个o f d m 符号，每个子载波都可以进行相 移键控( p s k ) 或者正交幅度调佑i ( q a i v 0 符号的调制。我们用糠示子信道的个数，r 表示o f d m 的符号周期，4 0 = o ，1 ，n - 1 ) 表示分配给每个子信道的数据符号，z 表示第0 个子载波的载波频率，r e c t ( 1 ) = l ，i f i f+ti=0 i t ( 3 - - ，l ) j， s o ) = 0 ， + r 式中s ( o 的实部和虚部分别对应o f d m 符号的余弦分量和j 下弦分量。 由数字信号处理知识可知，在实际的计算中，并不需要进行n 次调制，对于发 射终端来说它相当于执行了一次快速离散傅里叶逆变换，而对于接收机来说调制 部分类似于执行了一次快速离散傅里叶变换。 o f d m 的每个子载波在一个符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻 子载波之间相差1 个周期。这一特性就可以用来解释子载波之间的正交性，即： ；r e x p ( j m , , 分唧c 也，d t = i ：j ：l z p 3 ， 对式( 3 2 ) 中的第f 个子载波进行解调，然后在时间长度丁内进行积分，即： 匆= ；r + r e x p ( 一j 2 万事。一) ) s ( f ) a t - - a , ( 3 - 4 ) 1 7 山东大学硕士学位论文 由式( 3 - 4 ) n - - j 见，接收端对第f 个子载波进行解调便可恢复出期望的符号z 。而 对于其他子载波而言，由于在积分间隔内，频率差别( i - j ) t 可以产生整数倍个周 期，所以积分结果为零。 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 3 1 ) ，每个o f d m 符号在其周 期丁内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频 谱与一组位于各个子载波频率上的万函数卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f r ) 函 数，这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。这种现象可以参见图3 2 和图3 3 。 一i f i 如f i y ii 7f m f j 1 f 川+ f ：f ：、 矧禚蝴辨的 图3 2o f d m 子信道频谱 图3 3o f d m 信号频谱 图3 2 给出了单个子载波的频谱，图3 3 给出了o f d m 信号的频谱。相互覆 盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每一个子载 波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。因此，在o f d m 系统中， 每个子载波的带宽为i t ，而o f d m 符号的总带宽为n t 。 o f d m 以数字信号的正交处理为基础，它充分利用了信号频谱的j 下交性而允 许各子信道频谱有1 2 的重叠，因此可以获得较高的频谱利用率。 另外，当子载波数足够多时，每个子信道的信号带宽就小于信道的相关带宽， 此时每个子信道都可以看成平坦衰落的信道，从而具有很强的抗多径衰落能力。 而且，由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对 容易。 对于比较大的系统来说，式( 3 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散 傅里叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。为了叙述的简洁，令式( 3 2 ) 中的= 0 ，并且忽 略矩形函数，对信号s ( f ) 以r 的速率进行抽样，即令t = k t n ( 七= o ，1 ，n - 1 ) ， 1 8 山东大学硕士学位论文 可以得到 & 艺4 e 啾，攀) ( o 七 ( 3 - 5 ) = s ( k t n ) =n - i )& 4 e 啾，等) ( o 七 a - - - - o y 由上式可见& 等效为对z 进行i d f t 运算。同样，在接收端为了恢复出原始的 数据符号4 ，可以对瓯进行逆变换，即d f t 得到 砘：n - 1 &