OFDM無(wú)線通信體系信道預(yù)估及自適應(yīng)計(jì)算之研究

1、ofdm無(wú)線通信體系信道預(yù)估及自適應(yīng)計(jì)算之研究 第一章緒論1.1研究背景和意義無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)按照能夠提供的業(yè)務(wù)量，可以分成若干階段。第一代(1g)移動(dòng)通信系統(tǒng)形成于1970’s，采用模擬制式，只支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)，不能進(jìn)行移動(dòng)環(huán)境中的高速率數(shù)據(jù)傳輸。在這一階段，移動(dòng)通信第一次成為現(xiàn)實(shí)，在全球范圍迅速發(fā)展起來(lái)。第二代(2g)移動(dòng)通信系統(tǒng)形成于1980’s，它是第一代的數(shù)字化的無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)相比，二代移動(dòng)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(yǔ)咅業(yè)務(wù)仍是其承載

2、的主要業(yè)務(wù)。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(wù)的應(yīng)用，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)可視電話等高速率的多媒體業(yè)務(wù)，發(fā)展新一代移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)勢(shì)在必行。目前，第三代(3g)移動(dòng)通信系統(tǒng)己經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，三大主流標(biāo)準(zhǔn)是：wcdma、cdma2000 和 td-scdma。wcdma 標(biāo)準(zhǔn)是在 3gpp 組織制訂的。cdma2000是從is-95 cdma的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來(lái)，td-scdma是由中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)研究院(catt)代表巾國(guó)提出的第三代移動(dòng)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，在2000年5月正式被itu確認(rèn)為國(guó)際第三代移動(dòng)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)之一。第三代移動(dòng)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(biāo)，然而這只能在理想的情況下才可能達(dá)到。因此，3g通信系統(tǒng)雖然能夠較多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是不能滿足更多的多媒體新業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)線帶寬的需求。移動(dòng)用戶對(duì)通信業(yè)務(wù)需求不斷提高，對(duì)第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了更高的帶寬要求，第四代移動(dòng)通信的帶寬要求在100mbps以上。除了能夠提供語(yǔ)音服務(wù)以外，能夠提供的業(yè)務(wù)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(wù)。多媒體和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將占主導(dǎo)地位。為了解決3g中存在的問(wèn)題，滿足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和業(yè)務(wù)的需求，自上世紀(jì)末，掀起了對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(b3g和4g)的研究熱潮。2004 年12月，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3gpp

4、正式開始了 3g長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)(lte)標(biāo)準(zhǔn)化工作1。lte工作的出發(fā)點(diǎn)是保證3g系統(tǒng)未來(lái)十年的競(jìng)爭(zhēng)力，使其性能、功能等得到全面提升。lte期望達(dá)到的目標(biāo)為：下行頻譜效率為5bps/hz，上行頻譜效率為2.5bps/hz;相對(duì)應(yīng)的峰值速率為：下行100mbps，上行50mbps。國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的期望為：當(dāng)用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)，或者低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，支持的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率峰值為igbps;用戶處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，支持的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率為 100mbps2。寬帶高速無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸因?yàn)轭l率過(guò)大，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的符號(hào)間干擾(isi)，無(wú)線通信系統(tǒng)的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，ofdm將高速的數(shù)據(jù)流分配

5、到若干個(gè)正交子載波上進(jìn)行傳輸，有效降低了各個(gè)子載波信道的數(shù)據(jù)傳輸速率。這樣，增大了每個(gè)子信道上的符號(hào)周期，減少了 isi對(duì)系統(tǒng)的影響;同時(shí)，通過(guò)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(wèn)題。ofdm非常適合于寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，是第4代移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用與研究。1.2無(wú)線通信中的關(guān)鍵技術(shù)多媒體通信等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是未來(lái)無(wú)線通信的發(fā)展方向，這就給系統(tǒng)帶寬提出越來(lái)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(shí)，在快時(shí)變信道中會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落，這會(huì)造成系統(tǒng)性能的

6、下降，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究也是無(wú)線通信中的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)無(wú)線信道的特點(diǎn)，為適應(yīng)未來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展，已經(jīng)提出各種先進(jìn)的無(wú)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(fù)用)等通信技術(shù)4-8。1.2.1正交頻分復(fù)用(ofdm)技術(shù)早在19世紀(jì)，fdm就已經(jīng)被提出9，它將信道帶寬按頻率劃分為若干個(gè)子載波，分別傳輸?shù)退傩盘?hào)，從而達(dá)到信號(hào)復(fù)用的目的。由于這種多載波傳輸方式每個(gè)了載波都需要單獨(dú)的射頻前端，因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。并且為了能夠正確區(qū)分各個(gè)了

7、-載波，各子載波間必須留出一定的頻率用做保護(hù)間隔，以防止經(jīng)過(guò)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(fù)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(fù)用的技術(shù)。ofdm系統(tǒng)的多個(gè)子載波在頻率上相互重疊而且正交，形成了多個(gè)子信道，調(diào)制信號(hào)在每個(gè)子信道上進(jìn)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(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道的衰落符合平坦性衰落。由于每個(gè)子信道的帶寬只是信道總帶寬的一部分，因此接收端較簡(jiǎn)單，采用單抽頭均衡器即可實(shí)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(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)采納。例如：歐洲數(shù)字音頻廣播(dab)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)使用了多幅度調(diào)制方式的ofdm 12-14，無(wú)線局域網(wǎng)ieee 802.11a標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)線城域網(wǎng)ieee 802.16標(biāo)準(zhǔn)等都采用了 ofdm作為核心技術(shù)15，16。ofdm已經(jīng)被列入b3g無(wú)線通信系統(tǒng)和“4g”移動(dòng)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(wú)線傳播環(huán)境2.1前言無(wú)線通信信道的衰落是隨機(jī)的，因此對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸產(chǎn)生很大影響1。這一章中，主要介紹無(wú)線通信信道的特性。信號(hào)在無(wú)線信道傳輸會(huì)發(fā)生

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