通信工程毕业论文-第四代移动通信系统展望

通信工程毕业论文-第四代移动通信系统展望内容摘要：

子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个自信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。 OFDM 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 在OFDM 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减少了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 简介 OFDM 的工作原理，输入数据信元的速率为 R，经过 串并转换后，分成 M 个并行的子数据流，每个子数据流的速率为 R/M，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如 PSK、 QAM等。 M 个并行的子数据信元编码交织后进行 IFFT 变换，将频域信号转换到时域，IFFT 块的输出是 N 个时域的样点，再将长为 Lp 的 CP(循环前缀 )加到 N 个样点前，形成循环扩展的 OFDM 信元，因此，实际发送的 OFDM 信元的长度为 Lp＋ N，经过并 /串转换后发射。 接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去 CP，如果 CP 长度大于信道的记忆长度时， ISI 仅 仅影响 CP，而不影响有用数据，去掉 CP 也就去掉了 ISI 的影响。 图 1 OFDM 系统图示 9 由于 OFDM 信号是经过 IFFT 得到的，发送的数据在频域被充分随机化，OFDM 信号可以认为是独立同步分布的随机变量的线性组合。 当子载波非常大时，由中心极限定理知 OFDM 信号近似服从复高斯分布，从而 OFDM 信号具有较大的峰值平均功率比（ PAPR），此为 OFDM 系统的一个缺点。 由于 OFDM 系统各个子载波间相互正交， OFDM 系统另外一个缺点是对系统频偏比较敏感。 （二） OFDM 中的峰均比问题 由于 OFDM 信号是有一系列 的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大的 PAPR。 大的 PAPR 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。 但是由于大的 PARP 的概率并不大，可以把大的 PAPR 值的 OFDM 信号去掉。 但是把大的 PAPR 值的 OFDM 信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。 一般通过以下几种技术解决： （ 1）信号失真技术。 采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。 （ 2）编码技术。 采用专门的前向纠错码会使产生非常大的 PAPR 的 OFDM符号去除。 （ 3）扰码技术。 采用扰码技术，使生成的 OFDM 的互相关性尽量为 0，从而使 OFDM 的 PAPR 减少。 这里的扰码技术可以对生成的 OFDM 信号的相位进行重置，典型的有 PTS（部分传输序列） 和 SLM（选择映射 ）。 这三种方法都有自己的着眼点和特色，但每类方法都存在在各自的缺陷。 限幅类技术直接对信号的峰值进行非线性操作，它最直接，最简单。 但因为它采用了非线性操作，因此会带来带内噪声和带外干扰，从而降低系统的误比特率性能和频谱效率。 编码类技术利用编码将原来的信息码字映射到一个具有比较好的PAPR 特性的传输码集上，从而避开了那些会出现 信号峰值的码字。 该类技术为线性过程，它不会使信号产生畸变，因此也没有限幅类的缺陷。 但其计算复杂度非常高，编解码都比较麻烦。 重要的是，这类技术，它不像编码类计数，完全避开信号的峰值，而是着眼于努力使信号峰值出现的概率降低。 该类技术采用的方法也为线性过程，因此，它不会对信号产生畸变。 这类技术能够很有效的降低信号的 PAPR 值，它的缺点也是计算复杂度太大。 总的来说，这三种技术中，概率类技术最有希望解决 OFDM 中的峰均比问题。 从实用的角度看，限幅类技术简单而最实用，但其会带来一定的干扰和系统性能损失。 因此，到目前为止 ，很多人都在努力研究这类技术，已经提出了很多有效的方法。 但还需要继续研究。 （三） OFDM系统中的同步技术 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，直接关系到通信系统的整体性能。 没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，同步技术是信息可靠传输的前提。 在单载波系统中，载波频率从偏移只会对接受信号造成一定的衰减和相位旋转。 OFDM 系统中，Ｎ个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。 对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使 OFDM 系统子载波之间的正交 性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。 由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它 正 确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差 会破 10 坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。 当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制 正 确的时间进 行采样。 载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。 OFDM 系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。 无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。 多普 勒 扩展 会导致频率 发生弥散，引起信号发生畸变。 从频域上看，信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。 因此对于要求子载波严格同步的 OFDM 系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰（ ICI）加以克服，系统的性能很难得到改善。 OFDM 中的同步通常包括 3 方面的内容： （ 1）帧检测； （ 2）载波频率偏差及校正； （ 3）采样偏差及校正。 由于同步是 OFDM 技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多 OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML估计算法，其中 ESPRIT 算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信号的循环前缀，可以有效地对 OFDM 信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与 ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。 对 OFDM 技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。 OFDM 系 统对定时频偏的要求是小于 OFDM 符号间隔的 4%，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的 1%~2%，系统产生的 3dB 相位噪声带宽大约为子载波间隔的 %~ %。 （四） OFDM 系统中的信道估计技术 OFDM 系统中信道估计器的设计主要有两个问题。 一个是导频信息的选择问题，由于无线信道的时变特性，需要接收机不断地对信道进行跟踪，因此导频信息必须不断地被传送。 二 是既有较低计算复杂度又有良好信道跟踪能力的信道估计器的设计问题，即在确定的导频发送方式和信道估计准则条件下，寻找最佳的信道估计器结构。 OFDM 系统中的经典信道估计技术。 有常见的最小平方（ LS）、线性最小均方误差（ LMMSE）信道估计，以及基于离散傅立叶变换（ DFT）的信道估计算法、基于奇异值分解（ SVD）的信道估计算法和最大似然信道估计算法。 （五） OFDM 多址接入技术 频分多址（ FDMA）、时分多址（ TDMA）和码分多址（ FDMA）是无线通信系统中常见的三种主要接入技术。 而 OFDM 是一种高效的信号复用技术，与多址技术相结合能允许多个用户共享有限的无线资源，获得较高的系统容量。 1. 与 FDMA 结合的系统 OFDM 系统在频域划分为一系列的并行子载波并在 频域内进行数据调制， 很自然地可以通过不同子载波集来区分用户，即 OFDM 复用技术与频分多址的结合方案。 根据细节的不同，主要有以下几种： a. OFDMA 方案 OFDMA 多址接入系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。 OFDMA 系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化。 由于不同用户占用 11 互不重叠的子载波集，在理想同步情况下，系统无多户间干扰，即无多址干扰（ MAI）。 b. FHOFDMA 方案 跳频 OFDMA（ FHOFDMA）通 过不同的跳频图案来区分用户。 在每个时隙中，根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波位置，每个用户使用不同的调频图样进行跳频，且互不碰撞。 这是一种灵活的多址方案，其主要优点是可以获得频率分集增益，并可以避免或减少小区间干扰，主要缺点在于较难根据信道状况产生一种简单有效的调频图样。 c. IFDMA 技术 交织频分多址（ IFDMA）系统结合了单载波和多载波系统的优点，具有低PAPR 特性，无多用户间干扰，在上行系统中受到了广泛的关注。 将需要传送的比特信息首先进行信道编码、调制，然后分组进行码片压缩和重复并加入循环前缀，将每个用户的信号乘以用户相应的相位偏移序列后经 根升余弦滤波器 发送出去。 在接收端，首先用 根升余弦滤波器 对接收信号进行滤波，并乘以用户的共轭相位序列以提取所需用户的信号，在合并重复的码片后经 FFT 变换到频域，在频域里采用 MMSE 均衡器进行信道均衡，并用 IEFT 变换回时域并进行后续的解调和解码恢复出传送的原始比特信息。 d． DFTSOFDM 技术 单载波频分多址（ SCFDMA）系统可以在频域实现，称之为 DFTSOFDM系统。 该系统的信号是在频域内构造，具有良好的灵活性。 各用户占用的子载波可以不一样，可根据各用 户的具体需要进行动态分配。 虽然该系统的 PAPR 特性。