【文章內(nèi)容簡介】 分別 對應(yīng)于 OFDM 符號的同相和正交分量，在實際中可以分別與相應(yīng)子載波的 cos 分量和 sin 分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。圖 中給出了 OFDM 系統(tǒng)的基本模型，其中 /icf f i T?? 。 圖 OFDM 系統(tǒng)的基本模型 圖 中給出了 1 個 OFDM 符號內(nèi)包括 4 個子載波的實例，其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位。但在實際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個子載波的幅值和相位都可能是不同的?？梢钥吹剑總€子載波在一個 OFDM 符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差 一個周期。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即 ： 011 e x p ( ) e x p ( ) 0T nmj t j t d tT ?? ?? ? ? ??? mnmn?? （ 23） 例如式 (22)中的第 j 個子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時間長度 T 內(nèi)進(jìn)行積分， 見式（ 24）。 由 式 （ 24）知 ，對第 j 個子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號 id 。而對其它載波來說，由于在積分間隔內(nèi)，頻率差別 ( )/i j T? 可以產(chǎn) 生整數(shù)倍個 周 期，所以其積分結(jié)果為零。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 jd10101 e x p 2 ( ) e x p 2 ( )1 e x p 2 ( )ssssNtTs i stiN tTi s jtijjj t t d j t t d tT T Tijd j t t d t dTT??????? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ????? ? ? ???????? ? （ 24） 圖 OFDM 內(nèi)包含 4 個子載波的情況 這種現(xiàn)象還可以從頻域角度來解釋。根據(jù)式（ 21）， 可知 每個 OFDM 符號在周期 T 內(nèi)包 括多個非零的子載波。因此其頻譜可以看作是周期為 T 的矩形脈沖的頻譜與 一組位于各個子載波頻率上的函數(shù)的 ? 卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為 sin ( )c fT 函數(shù)，這種函數(shù)的零點出現(xiàn)在頻率為 1/T 整數(shù)倍的位置上 。 圖 OFDM 系統(tǒng)中子信道信號的頻譜（經(jīng)過矩形脈沖成型） 這種現(xiàn)象可以參見圖 ，圖中給出相互覆蓋的各個子信道內(nèi)經(jīng)過矩形脈沖成型邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 得到的符號的 sinc 函數(shù)頻譜。在每一個子載波頻率的最大值處所有其它子信道的頻譜值恰好為零。由于在對 OFDM 符號進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計算這些點上所對應(yīng)的每一個子載波頻率的最大值，因此可以從多個相互重疊的子信道符號頻譜中提取出每個子信道符號，而不會受到其 它子信道的干擾。 從圖 可以看出， OFDM 符號頻譜實際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個子信道頻譜之間不存在相互干擾，但這是出現(xiàn)在頻域中。因此這種一個子信道頻譜的最大值對應(yīng)于其它子信道頻譜的零點可以避免子信道間干擾 (ICI)的出現(xiàn)。 DFT/IDFT 實現(xiàn) 為了敘述的簡潔，令式 (22)中的 0st ? ，并且忽略矩形函數(shù)，對信號 ()st 以刀 /NT的速率進(jìn)行抽樣，即 令 / ( 0 ,1 1 )t k T N k N? ? ?，可以得到 ： 102( / ) e x p ( )Nkiiiks s k T N d j N????? ? (0 1)kN? ? ? （ 25） 可以看出 ks 恰好等效為對 kd 進(jìn)行 IDFT 運算。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號 id ，可以對接收到的 ks 進(jìn)行逆變換，即 DFT，即可恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)符號 id ，如下所示 ： 102e x pNikiikd s j N???????????? (0 1)iN? ? ? （ 26） 從以上分析可知， OFDM 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號到子載波的調(diào)制和解調(diào)可以分別通過 IDFT 和 DFT 來實現(xiàn)。通過 N 點的 IDFT 運算，把頻域數(shù)據(jù)符號 id 試變換為 時域數(shù)據(jù)符號 ks ，經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中。其中每個 IDFT 輸出的數(shù)據(jù)符號 ks 都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成的，即對連續(xù)的多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號進(jìn)行抽樣得到的。 在 OFDM 系統(tǒng)的實際運用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換(IFFT/FFT)來實現(xiàn)。 N 點 IDFT 運算需要實施 2N 次 的復(fù)數(shù)乘法 (為了方便，只比較復(fù)數(shù)乘法的運算量 )，而 IFFT 則可以顯著降低運算的復(fù)雜度。對于常用的基 2 IFFT 算法來說，其復(fù)數(shù)乘法次數(shù)僅為 2log ( / 2)NN，并且隨著子載波個數(shù) N 的增加，這兩種方法復(fù)雜度之間的差距也越明顯。對于子載波數(shù)非常大的 OFDM 系統(tǒng)來說，可以進(jìn)一步采用基 4 的 IFFT 算法來實現(xiàn)傅立葉變換。 為了消除由于多徑所引入的 ICI，可以在 OFDM 符號保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號，如圖 所示。這樣就可以保證 在 FFT 周期內(nèi)， OFDM 符號的延時副本內(nèi)所邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 包含的波形的周期個數(shù)也是整數(shù)。這樣，延時小于保護(hù)間隔 GT 的時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生 ICI。 OFDM 系統(tǒng)加入保護(hù)間隔后，會帶來功率和信息速率的損失，其中功率損失定義為 ： 101 0 lo g ( 1 )Gg u a r d FFTTv T?? （ 27） 其中 guardv 為功率損失， GT 為保 護(hù)間隔時長， FFTT 為 OFDM 符號周期長度。從上式 可以看到，當(dāng)保護(hù)間隔占到 20% 時，功率損失 卻 不到 ldB，雖然信息速率損失達(dá) 20% ，卻可以消除 ISI 和多徑所造成的 ICI 的影響，因此這個代價是值得的。 圖 加入循環(huán)前綴的 OFDM 符號 MIMO 基本原理 分集 的概念 由于無線衰落信道的多徑與時變特性，經(jīng)過其傳輸?shù)男盘栐诮邮斩丝赡軙艿絿?yán)重的 衰落。與無衰落的理想信道相比，這種衰落使得接收端可能不能正確地判斷出原發(fā)送信號。 根據(jù)信息論原理，若有經(jīng)過其它衰落信道的原發(fā)送信號副本提供給接收機(jī)，則有助于接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收機(jī)正確判決率的方法被稱為分集。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 分集的基本原理 [11] 就是通過多個信道 (時間、頻率或者空間 )接收到承載相同信息的多個副本，由于多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機(jī)使用多個副本包含的信息能比較正確地恢復(fù)出原發(fā)射信號。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限條件下，發(fā)射機(jī)需要較高的發(fā)射功率才能保證信道情況較差時鏈路正常連接。在移動無線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集的方法可以降低發(fā)射功率，這在移動通信中非常重要。 利用分集技術(shù)，在接收端需要接收通過不同分集路徑所得到的信號副本，然后把不同的分集支路得到的信號副本合并起來，以達(dá)到提高總信噪比、降低信號誤碼率的目的。在采用分集技術(shù)時，為了獲得好的分集效果，要求分集接收到的各個信號副本之間的相關(guān)性盡可能的小。 就時間分集、頻率分集和空間分集三者 而言，由于空間分集技術(shù)不用犧牲信號的頻率帶寬，且能夠在保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時獲得最大的分集增益，因而它是減小多徑衰落的有效方法，受到了廣泛的關(guān)注，成為第三代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。 多 天線 系統(tǒng) MIMO 技術(shù)是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的一大突破，它提供了解決未來無線網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的方法。 MIMO 技術(shù)的核心思想是信號的空間一時間聯(lián)合處理。在此，數(shù)字信號固有的時間維度與多個空間分離天線帶來的空間維度聯(lián)合起來。在某種意義上，MIMO 系統(tǒng)也可以看作是傳統(tǒng)智能天線技術(shù)的擴(kuò)展。 MIMO 系統(tǒng)的重要特性是它能利用無線通信的多 徑傳播特性來提高系統(tǒng)的性能。也就是說， MIMO 技術(shù)能夠有效地利用無線鏈路中的隨機(jī)衰落和延遲擴(kuò)展特性來成倍地提高傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃浴? MIMO 技術(shù)是在接收端和發(fā)送端都采用多個天線，可以成倍地提高衰落信道下的信道容量。根據(jù)信息論最新成果，假定發(fā)送天線數(shù)為 tN ，接收天線數(shù)是 rN ，在每個天線發(fā)送信號能夠被分離的情況下，有如下信道容量公式 ： 2log ( / )t r tC N N N SNR?? rtNN? （ 28） 其中， SNR 是每個接收天線的信噪比。根據(jù)這個公式，對于采用多天線陣發(fā)送和接收 的系統(tǒng)，在理想情況下信道容量將隨 tN 線性增加，從而提供了目前其他技術(shù)無法達(dá)到的容量潛力。 邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 MIMOOFDM 的關(guān)鍵技術(shù) MIM00FDM 集成了 MIMO 和 OFDM 技術(shù)的優(yōu)點，利用 OFDM 能夠?qū)㈩l率選擇性信道轉(zhuǎn)換為平坦衰落信道的特點可以實現(xiàn) MIMO 技術(shù)在寬帶無線數(shù)據(jù)傳輸中的可靠應(yīng)用。在 MIMOOFDM 系統(tǒng)中，經(jīng)過空時編碼后輸出與天線數(shù)相同個數(shù)的子數(shù)據(jù)流，這些子數(shù)據(jù)流并行輸入到同樣數(shù)目的 IFFT 變換器，變換后由多個發(fā)射天線發(fā)送，接收端進(jìn)行相反的操作。在高速無線傳輸中，由于每個子數(shù)據(jù)流都經(jīng)過了 OFDM 模塊，使得映射在子載 波上的數(shù)據(jù)符號長度增加，有效地抵抗了無線信道的時間彌散所帶來的 ISI。而對于子載波來說，每個 IFFT 的子載波采用同樣的載波間隔，則同樣位置的子載 波 上映射了一個空時編碼符號向量。 MIMOOFDM 技術(shù) [11]也被業(yè)界認(rèn)為是未來第四代移動通信系統(tǒng)的 主要物理層技術(shù)。 OFDM 系統(tǒng)的技術(shù)難題都將在 MIMOOFDM 系統(tǒng)中出現(xiàn)，同時 MIMO0FDM系統(tǒng)還要面對 MIMO 方面的一些問題。 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 1． 信 道估計 相干檢測需要用到信道的信息，因此在接收機(jī)需要先進(jìn)行信道估計。在 OFDM系統(tǒng)中，信道估計的設(shè)計主要有兩個問題 ： 一是導(dǎo)頻信息的選擇，二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計器的設(shè)計。在實際的設(shè)計中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計器的設(shè)計通常又是互相聯(lián)系的，因為估計器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。常用的信道估計的方法有基于導(dǎo)頻信 息和基于導(dǎo)頻符號兩種，而最小均方值 方法、最大后驗概率法等估計方法都可以根據(jù)具體要求選用。 2． 同步問題 OFDM 系統(tǒng)的最大缺點就是對同步偏差十分敏感， 即使 很小的頻率、定時同步錯誤就會引起符號間干擾 ISI 和載波間干擾 ICI，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，因此很好的同步對于 OFDM系統(tǒng)十分重要。如何減小 IC1對系統(tǒng)性能的影響，是 OFDM系統(tǒng)性能得到廣泛應(yīng)用的前提條件之一，也是系統(tǒng)實現(xiàn)的一個難點。當(dāng)前提出的同步方法主要有兩種 ： 基于導(dǎo)頻的同步和基于循環(huán)前綴的同步。 3． 自 適應(yīng)調(diào)制 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的基本思想是自 適應(yīng)調(diào)節(jié)信號傳輸?shù)膮?shù)來充分利用當(dāng)前信道環(huán)境，可以調(diào)節(jié)的參數(shù)包括調(diào)制方式、編碼方式和發(fā)射功率等。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被廣泛的認(rèn)為是無線通信系統(tǒng)中有效提高頻譜利用率的重要手段之一。 OFDM 把實際信道劃分為若干各子信道，這樣就能夠根據(jù)各個子信道的實際傳輸情況靈活的邵陽學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 分配發(fā)射功率和信息比特，從而獲得更好的系統(tǒng)性能。 MIMO 空時處理技術(shù) 1． 空間復(fù)用 空間復(fù)用是指在一定的差錯率下，通過不同的天線盡可能多的在空間信道上傳輸相互獨立的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在主要有三種空間復(fù)用技術(shù) ： 對角貝爾實驗室分層空時(DBLAST)方案、水平貝爾實驗室分層空時 (HBLAST)方案以及垂直貝爾實驗室分層空時 (VBLAST)方案 [12] [13] 。其中 VBLAST 由于操作簡單而廣泛應(yīng)用。 由于每根 接收天線同時接收到多 根 發(fā)送天線 傳送 來的疊加在一起的信號，信號檢測或分離一直是 MIMO 系統(tǒng)的研究熱點之一。信號檢測的基本思想非常相似于CDMA（碼分多址）技術(shù)市場 中的多用戶檢測 (MUD)。信號檢測的主要算法有 ： 最小均方誤差 (MMSE)，迫零 (ZF)、最大似然 (ML)、并行干擾抵消 (PIC)和串行干擾抵消 (SIC)。其中， ML 性能最好，但是復(fù)雜度最高 ； PIC 和 SIC 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜度和性能的良好折中。 2． 空時編碼 空時編碼主要分為兩 大 類 ，即 ： 空時網(wǎng)格碼 (STTC) [14] 和空時分組碼 (STBC) [15] 。 STTC 是由朗訊實驗室的 Tarokh 等 人 提出的空時編碼技術(shù)，適用于多種無線信道環(huán)境。 STTC 把編碼和調(diào)制結(jié)合起來，能夠達(dá)到編譯碼復(fù)雜度、性能和頻帶利用率的最佳平衡， 是一種非常好的編碼。采用 STTC 能同時得到編碼增益和分集增益，雖然它能夠提供比現(xiàn)有系統(tǒng)高 34 倍的頻帶利用率，但是其譯碼復(fù)雜度隨著狀態(tài)數(shù)的增加而呈指數(shù)增長。 STBC 是由 ATamp。T 的 Tamkh等人在 Alamouti的研究基礎(chǔ)上提出的。 Alamouti提出了采用 2 個發(fā)射天線和 1 個接收天線的系統(tǒng)可以得到采用1 個發(fā)射天線和 2 個接收天線系統(tǒng)同樣的分集增益。 STBC 正是利用正交設(shè)計的原理分配各發(fā)射天線上的發(fā)射信號格式，實際上是