OFDM無線通信體系信道預估及自適應計算之研究

1、ofdm無線通信體系信道預估及自適應計算之研究 第一章緒論1.1研究背景和意義無線移動通信系統(tǒng)按照能夠提供的業(yè)務量，可以分成若干階段。第一代(1g)移動通信系統(tǒng)形成于1970’s，采用模擬制式，只支持語音業(yè)務，不能進行移動環(huán)境中的高速率數(shù)據(jù)傳輸。在這一階段，移動通信第一次成為現(xiàn)實，在全球范圍迅速發(fā)展起來。第二代(2g)移動通信系統(tǒng)形成于1980’s，它是第一代的數(shù)字化的無線通信系統(tǒng)，主要包括gsm系統(tǒng)和cdma is-95系統(tǒng)。與第一代移動通信系統(tǒng)相比，二代移動通信系統(tǒng)效率高，容量大，保密性能好，話音質(zhì)量好。但是，二代通信的核心網(wǎng)仍然以電路交換為基礎(chǔ)，語咅業(yè)務仍是其承載

2、的主要業(yè)務。二代系統(tǒng)能提供的通信帶寬非常有限，限制了數(shù)據(jù)業(yè)務的應用，更無法實現(xiàn)可視電話等高速率的多媒體業(yè)務，發(fā)展新一代移動無線通信系統(tǒng)勢在必行。目前，第三代(3g)移動通信系統(tǒng)己經(jīng)得到廣泛的應用，三大主流標準是：wcdma、cdma2000 和 td-scdma。wcdma 標準是在 3gpp 組織制訂的。cdma2000是從is-95 cdma的基礎(chǔ)上演進而來，td-scdma是由中國信息產(chǎn)業(yè)部電信科學技術(shù)研究院(catt)代表巾國提出的第三代移動無線通信標準，在2000年5月正式被itu確認為國際第三代移動無線通信標準之一。第三代移動通信系統(tǒng)在下行和上行鏈路上分別能提供14.4mbps和5

3、.7mbps的峰值數(shù)據(jù)指標，然而這只能在理想的情況下才可能達到。因此，3g通信系統(tǒng)雖然能夠較多的數(shù)據(jù)業(yè)務，但是不能滿足更多的多媒體新業(yè)務對無線帶寬的需求。移動用戶對通信業(yè)務需求不斷提高，對第4代移動通信系統(tǒng)提出了更高的帶寬要求，第四代移動通信的帶寬要求在100mbps以上。除了能夠提供語音服務以外，能夠提供的業(yè)務類型還包括：數(shù)據(jù)、彩信、定位、可視圖文、internet接入等綜合多媒體業(yè)務。多媒體和數(shù)據(jù)業(yè)務將占主導地位。為了解決3g中存在的問題，滿足下一代移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和業(yè)務的需求，自上世紀末，掀起了對新一代移動通信系統(tǒng)(b3g和4g)的研究熱潮。2004 年12月，國際標準化組織3gpp

4、正式開始了 3g長期演進系統(tǒng)(lte)標準化工作1。lte工作的出發(fā)點是保證3g系統(tǒng)未來十年的競爭力，使其性能、功能等得到全面提升。lte期望達到的目標為：下行頻譜效率為5bps/hz，上行頻譜效率為2.5bps/hz;相對應的峰值速率為：下行100mbps，上行50mbps。國際電信聯(lián)盟對未來移動通信系統(tǒng)的期望為：當用戶處于靜止狀態(tài)，或者低速運動時，支持的數(shù)據(jù)業(yè)務速率峰值為igbps;用戶處于高速運動狀態(tài)時，支持的數(shù)據(jù)業(yè)務速率為 100mbps2。寬帶高速無線數(shù)據(jù)的傳輸因為頻率過大，容易產(chǎn)生嚴重的符號間干擾(isi)，無線通信系統(tǒng)的性能會受到嚴重影響。通過串并轉(zhuǎn)換，ofdm將高速的數(shù)據(jù)流分配

5、到若干個正交子載波上進行傳輸，有效降低了各個子載波信道的數(shù)據(jù)傳輸速率。這樣，增大了每個子信道上的符號周期，減少了 isi對系統(tǒng)的影響;同時，通過在ofdm符合前面插入循環(huán)前綴(cp)，能夠有效消除多徑傳輸引起的isi問題。ofdm非常適合于寬帶無線數(shù)據(jù)的傳輸，是第4代移動無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)得到廣泛的應用與研究。1.2無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)多媒體通信等數(shù)據(jù)業(yè)務是未來無線通信的發(fā)展方向，這就給系統(tǒng)帶寬提出越來越高的要求，而帶寬資源非常有限3。因此，必須采用新技術(shù)高效率地利用帶寬，以提供高速率、大容量的數(shù)據(jù)通信。同時，在快時變信道中會產(chǎn)生頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落，這會造成系統(tǒng)性能的

6、下降，對這個問題的研究也是無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)。針對無線信道的特點，為適應未來移動通信的發(fā)展，已經(jīng)提出各種先進的無線通信技術(shù)。其中，最重要的是mimo(multiple-input multiple-out,多入多出)和 ofdm (orthogonal frequency division multiplexing,正交頻分復用)等通信技術(shù)4-8。1.2.1正交頻分復用(ofdm)技術(shù)早在19世紀，fdm就已經(jīng)被提出9，它將信道帶寬按頻率劃分為若干個子載波，分別傳輸?shù)退傩盘枺瑥亩_到信號復用的目的。由于這種多載波傳輸方式每個了載波都需要單獨的射頻前端，因此實現(xiàn)復雜。并且為了能夠正確區(qū)分各個了

7、-載波，各子載波間必須留出一定的頻率用做保護間隔，以防止經(jīng)過信道后子載波間的頻譜混疊，因此該類系統(tǒng)的頻譜效率很低。正交頻分復用(ofdm)技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，也可以被看作是一種頻分復用的技術(shù)。ofdm系統(tǒng)的多個子載波在頻率上相互重疊而且正交，形成了多個子信道，調(diào)制信號在每個子信道上進行傳輸，從而能夠傳遞高速的數(shù)據(jù)流。一般的通信條件下，ofdm系統(tǒng)每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道的衰落符合平坦性衰落。由于每個子信道的帶寬只是信道總帶寬的一部分，因此接收端較簡單，采用單抽頭均衡器即可實現(xiàn)較好的系統(tǒng)性能。ofdm具有良好的抗多徑衰落的性能，從而受到大量關(guān)注。目前，作為物

8、理層的核心技術(shù),ofdm已被多個通信標準采納。例如：歐洲數(shù)字音頻廣播(dab)標準釆用了差分相位調(diào)制方式的ofdm技術(shù)10,11，數(shù)字視頻廣播(dvb)標準使用了多幅度調(diào)制方式的ofdm 12-14，無線局域網(wǎng)ieee 802.11a標準、無線城域網(wǎng)ieee 802.16標準等都采用了 ofdm作為核心技術(shù)15，16。ofdm已經(jīng)被列入b3g無線通信系統(tǒng)和“4g”移動通信系統(tǒng)物理層重要技術(shù)之一，受到通信研究人員的廣泛關(guān)注。第二章無線傳播環(huán)境2.1前言無線通信信道的衰落是隨機的，因此對數(shù)據(jù)的傳輸產(chǎn)生很大影響1。這一章中，主要介紹無線通信信道的特性。信號在無線信道傳輸會發(fā)生

9、多徑效應和多譜勒效應，造成頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落2,無線信道的建模方法也主要圍繞信道的這兩種效應。無線信道是無線通信的重要組成部分，是無線通信與其他通信方式區(qū)別的重要特征，對無線信道的研究是研究無線通信的基礎(chǔ)。2.2多徑信道參數(shù)由于移動通信信道是多徑信道，移動臺的移動和信道存在的不同散射環(huán)境，在時間上、頻率上和角度上會產(chǎn)生不同的色散。這樣，傳輸?shù)臒o線信號分別經(jīng)歷頻率選擇性、時間選擇性以及空間選擇性衰落，這樣就會產(chǎn)生了時延擴展、多譜勒擴展和角度擴展，這三種擴展對應的相關(guān)參數(shù)分別為——相關(guān)帶寬、相干時間和相關(guān)距離。多徑傳播是無線信道的重要特征，在多徑傳播時，會產(chǎn)生時延擴展。如果在發(fā)送端發(fā)送一個窄脈沖信號時，在接收端收到的信號是由許多不同時延的脈沖組成，這就造成了信號的