OFDM无线通信体系信道预估及自适应计算之研究.doc

OFDM无线通信体系信道预估及自适应计算之研究 第一章绪论1.1研究背景和意义无线移动通信系统按照能够提供的业务量，可以分成若干阶段。第一代(1G)移动通信系统形成于1970’s，采用模拟制式，只支持语音业务，不能进行移动环境中的高速率数据传输。在这一阶段，移动通信第一次成为现实，在全球范围迅速发展起来。第二代(2G)移动通信系统形成于1980’s，它是第一代的数字化的无线通信系统，主要包括GSM系统和CDMA IS-95系统。与第一代移动通信系统相比，二代移动通信系统效率高，容量大，保密性能好，话音质量好。但是，二代通信的核心网仍然以电路交换为基础，语咅业务仍是其承载的主要业务。二代系统能提供的通信带宽非常有限，限制了数据业务的应用，更无法实现可视电话等高速率的多媒体业务，发展新一代移动无线通信系统势在必行。目前，第三代(3G)移动通信系统己经得到广泛的应用，三大主流标准是：WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA。WCDMA 标准是在 3GPP 组织制订的。CDMA2000是从IS-95 CDMA的基础上演进而来，TD-SCDMA是由中国信息产业部电信科学技术研究院(CATT)代表巾国提出的第三代移动无线通信标准，在2000年5月正式被ITU确认为国际第三代移动无线通信标准之一。第三代移动通信系统在下行和上行链路上分别能提供14.4Mbps和5.7Mbps的峰值数据指标，然而这只能在理想的情况下才可能达到。因此，3G通信系统虽然能够较多的数据业务，但是不能满足更多的多媒体新业务对无线带宽的需求。移动用户对通信业务需求不断提高，对第4代移动通信系统提出了更高的带宽要求，第四代移动通信的带宽要求在100Mbps以上。除了能够提供语音服务以外，能够提供的业务类型还包括：数据、彩信、定位、可视图文、Internet接入等综合多媒体业务。多媒体和数据业务将占主导地位。为了解决3G中存在的问题，满足下一代移动通信系统数据速率和业务的需求，自上世纪末，掀起了对新一代移动通信系统(B3G和4G)的研究热潮。2004 年12月，国际标准化组织3GPP正式开始了 3G长期演进系统(LTE)标准化工作1。LTE工作的出发点是保证3G系统未来十年的竞争力，使其性能、功能等得到全面提升。LTE期望达到的目标为：下行频谱效率为5bps/Hz，上行频谱效率为2.5bps/Hz;相对应的峰值速率为：下行100Mbps，上行50Mbps。国际电信联盟对未来移动通信系统的期望为：当用户处于静止状态，或者低速运动时，支持的数据业务速率峰值为IGbps;用户处于高速运动状态时，支持的数据业务速率为 100Mbps2。宽带高速无线数据的传输因为频率过大，容易产生严重的符号间干扰(ISI)，无线通信系统的性能会受到严重影响。通过串并转换，OFDM将高速的数据流分配到若干个正交子载波上进行传输，有效降低了各个子载波信道的数据传输速率。这样，增大了每个子信道上的符号周期，减少了 ISI对系统的影响;同时，通过在OFDM符合前面插入循环前缀(CP)，能够有效消除多径传输引起的ISI问题。OFDM非常适合于宽带无线数据的传输，是第4代移动无线通信系统的关键技术之一，已经得到广泛的应用与研究。1.2无线通信中的关键技术多媒体通信等数据业务是未来无线通信的发展方向，这就给系统带宽提出越来越高的要求，而带宽资源非常有限3。因此，必须采用新技术高效率地利用带宽，以提供高速率、大容量的数据通信。同时，在快时变信道中会产生频率选择性衰落和时间选择性衰落，这会造成系统性能的下降，对这个问题的研究也是无线通信中的关键技术。针对无线信道的特点，为适应未来移动通信的发展，已经提出各种先进的无线通信技术。其中，最重要的是MIMO(Multiple-Input Multiple-Out,多入多出)和 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)等通信技术4-8。1.2.1正交频分复用(OFDM)技术早在19世纪，FDM就已经被提出9，它将信道带宽按频率划分为若干个子载波，分别传输低速信号，从而达到信号复用的目的。由于这种多载波传输方式每个了载波都需要单独的射频前端，因此实现复杂。并且为了能够正确区分各个了-载波，各子载波间必须留出一定的频率用做保护间隔，以防止经过信道后子载波间的频谱混叠，因此该类系统的频谱效率很低。正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波调制技术，也可以被看作是一种频分复用的技术。OFDM系统的多个子载波在频率上相互重叠而且正交，形成了多个子信道，调制信号在每个子信道上进行传输，从而能够传递高速的数据流。一般的通信条件下，OFDM系统每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道的衰落符合平坦性衰落。由于每个子信道的带宽只是信道总带宽的一部分，因此接收端较简单，采用单抽头均衡器即可实现较好的系统性能。OFDM具有良好的抗多径衰落的性能，从而受到大量关注。目前，作为物理层的核心技术,OFDM已被多个通信标准采纳。例如：欧洲数字音频广播(DAB)标准釆用了差分相位调制方式的OFDM技术10,11，数字视频广播(DVB)标准使用了多幅度调制方式的OFDM 12-14，无线局域网IEEE 802.11a标准、无线城域网IEEE 802.16标准等都采用了 OFDM作为核心技术15，16。OFDM已经被列入B3G无线通信系统和“4G”移动通信系统物理层重要技术之一，受到通信研究人员的广泛关注。第二章无线传播环境2.1前言无线通信信道的衰落是随机的，因此对数据的传输产生很大影响1。这一章中，主要介绍无线通信信道的特性。信号在无线信道传输会发生多径效应和多谱勒效应，造成频率选择性衰落和时间选择性衰落2,无线信道的建模方法也主要围绕信道的这两种效应。无线信道是无线通信的重要组成部分，是无线通信与其他通信方式区别的重要特征，对无线信道的研究是研究无线通信的基础。2.2多径信道参数由于移动通信信道是多径信道，移动台的移动和信道存在的不同散射环境，在时间上、频率上和角度上会产生不同的色散。这样，传输的无线信号分别经历频率选择性、时间选择性以及空间选择性衰落，这样就会产生了时延扩展、多谱勒扩展和角度扩展，这三种扩展对应的相关参数分别为——相关带宽、相干时间和相关距离。多径传播是无线信道的重要特征，在多径传播时，会产生时延扩展。如果在发送端发送一个窄脉冲信号时，在接收端收到的信号是由许多不同时延的脉冲组成，这就造成了信号的时延扩展，其中最大时延扩展为3。在无线移动通信中，移动台的运动造成的接收信号可能是离散的、也可能是连续的。描述时延扩展的参数有两个：平均附加时延时延扩展OV，都与功率延迟分布函数有关。功率延迟分布一般通过一段时间内对信号的瞬时功率延迟分布取平均而得到;当接收机移动时也可以在空间上取平均。