無線通信系統(tǒng)中的高速傳輸技術(shù)

摘要：

增加數(shù)據(jù)傳輸速率和提高頻譜利用率是對現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)提出的新的要求。文章分述了幾種無線通信系統(tǒng)的高速傳輸技術(shù)，著重介紹了正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：

高速數(shù)據(jù)；無線傳輸；調(diào)制技術(shù)

ABSTRACT:

Toincreasedatarateandimprovefrequencyefficiencyisahotspotinwireless

communications.Thispaperreviewsseveralhigh-speedtransmissiontechnol

ogiesrespectively，whileputtingemphasisontheOrthogonalFrequencyDivis

ionMultiplexing(OFDM)modulationtechnology.

KEYWORDS:

High-ratedata;Wirelesstransmission;Modulationtechnology

在無線環(huán)境中，由于存在多徑效應(yīng)而對傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生時延擴(kuò)展，特別是在高速數(shù)據(jù)傳輸時，信道的時延擴(kuò)展大于數(shù)據(jù)周期，引起嚴(yán)重的信元間干擾(ISI)。另外，信元速率較高時，信號帶寬較寬，當(dāng)信號帶寬接近和大于信道相干帶寬時，信道的時間彌散將對接收信號造成頻率選擇性衰落，這是使無線信道傳輸速率受限的主要原因之一，但可以通過分集來提高性能[1]。

傳統(tǒng)的調(diào)制方式，如相移鍵控(PSK)、頻移鍵控(FSK)和正交幅度調(diào)制(QAM)需要采用均衡來克服信道的時間彌散。最佳接收機(jī)需要最大似然序列估計(jì)器(MLSE)，通常采用Viterbi算法實(shí)現(xiàn)，完全利用了信道本身的分集特性，但在時延擴(kuò)展大于幾個信元寬度時，它的復(fù)雜度太大而無法實(shí)用，此最佳均衡器還會引起系統(tǒng)性能下降。

近來，正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)受到廣泛關(guān)注，被幾個新的無線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(如數(shù)字音頻、視頻廣播；無線局域網(wǎng)；美國的IEEE802.11a；日本MMAC等標(biāo)準(zhǔn))選擇為物理層的調(diào)制方式[2]。碼分復(fù)用(CDM)調(diào)制方式可用于無線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸[1]。擴(kuò)頻技術(shù)因頻譜利用率和多址能力、抗干擾、抗信道衰落等方面的優(yōu)異特性，被第3代移動通信系統(tǒng)采用。將OFDM與擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合的調(diào)制方式是一種很有前途的無線系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[3]。

1OFDM

OFDM是一種單用戶多載波的調(diào)制方式[4-6]。但由于它實(shí)用的復(fù)雜性，直到最近才開始應(yīng)用，并被一些系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)[2]。廣泛的應(yīng)用表明，它可以替代傳統(tǒng)的信道均衡輔助的串行調(diào)制解調(diào)[5]技術(shù)克服信道散布。

經(jīng)過30多年的研發(fā)，OFDM被廣泛地用于高速數(shù)字通信中。由于近來數(shù)字信號處理(DSP)和超大規(guī)模集成(VLSI)技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM最初應(yīng)用時的障礙，如大量復(fù)雜的計(jì)算、高速存儲問題已經(jīng)不存在了，同時，快速付立葉變換(FFT)算法的采用消除了正弦信號產(chǎn)生器以及并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)的相干解調(diào)。OFDM變得越來越廣泛的另一個原因是它的最佳性能已被理論證明[7，8]。

OFDM的基本原理是將串行高速數(shù)據(jù)信號先轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，再使用相互正交的一組子載波構(gòu)成的子信道來傳輸各個子數(shù)據(jù)流，所有子信道都是窄帶的，可以認(rèn)為是平坦的衰落。由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，與串行系統(tǒng)相比，其均衡變得簡單了。

OFDM子信道的頻譜是可以相互重疊且正交的，因此，OFDM是一種頻譜效率高的調(diào)制方式。我們知道，正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，以消除信道間干擾(ICI)。但在OFDM信號通過一個時間彌散信道時，會產(chǎn)生ISI和破壞子載波間的正交性，在接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)時就很難將原始數(shù)據(jù)恢復(fù)出來。為此，文獻(xiàn)9引入了循環(huán)前綴(CP)的概念，就是用OFDM原始信元的循環(huán)擴(kuò)展來增大傳輸信元的周期，同時使得發(fā)送信號周期化，這樣，當(dāng)CP長度大于信道的沖擊響應(yīng)時，就能克服ISI對有用信號的影響和避免ICI。

基于FFT的OFDM收發(fā)系統(tǒng)框圖如圖1所示[10]。

輸入數(shù)據(jù)信元的速率為R，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分成M個并行的子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流的速率降為R/M，每個子數(shù)據(jù)流中的x個比特分成一組，x的數(shù)目取決于對應(yīng)子載波上的調(diào)制方式，如PSK、16QAM等。M個并行的子數(shù)據(jù)信元送到逆FFT(IFFT)，以將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時域，IFFT塊的輸出是N個時域的樣點(diǎn)，再將長為Lp的CP加到N個樣點(diǎn)前(CP是N個樣點(diǎn)中的最后Lp個)，形成循環(huán)擴(kuò)展的OFDM信元，因此，實(shí)際發(fā)送的OFDM信元的長度為Lp+N，經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時域信號，它受信道影響而發(fā)生畸變，此信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后移去CP，如果CP長度大于信道的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉CP也就去掉了ISI的影響。移去CP后的信號進(jìn)行FFT以將信號從時域變回到頻域，F(xiàn)FT的輸出為：

Y=CX+?濁(1)

（1）式中，Y是接收信號的頻率響應(yīng)，C是信道的頻率響應(yīng)，X是發(fā)送信號的頻率響應(yīng)，?濁是加性噪聲。在發(fā)射端IFFT和CP操作以及接收端的FFT操作的結(jié)合，將頻率選擇性的衰落信道分成了平坦的衰落子信道，因此，頻域信道均衡就可以用FFT輸出的信號除以信道的響應(yīng)完成[11]。這個過程可以表示如下：

從(2)式可知，均衡過的信號就是原始信號加上一個噪聲，再經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換，就得到了原始的OFDM信號。

OFDM是一種可以用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝д{(diào)制方式，可以減輕頻率選擇性衰落的嚴(yán)重影響。從上述的OFDM工作原理可知，OFDM系統(tǒng)中有如下3個關(guān)鍵問題需要解決。這3個問題也是目前的研究熱點(diǎn)[11-34]。

(1)峰值平均功率比問題

在OFDM調(diào)制系統(tǒng)中，輸出信號峰值平均功率比(PAPR)大，與系統(tǒng)中載波個數(shù)成正比。如果在大的峰值功率時出現(xiàn)非線性，會產(chǎn)生子載波間的交調(diào)干擾和帶外輻射。因此，要求功率放大器的線性范圍大，這樣功放的效率就低。已經(jīng)提出的許多降低PAPR的方法中，最有名的是基于幅度限制和編碼設(shè)計(jì)(不但提供糾錯能力，還能降低峰值平均功率比)[17]。前者是最簡單和直接的，但這種方法會引起限幅噪聲，造成性能下降。其它降低PAPR的方法還有文獻(xiàn)12、13提出的選擇映射方法，它通過引入小的冗余來提高PAPR的統(tǒng)計(jì)特性。在SLM（選擇映射）中，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一系列不同候選信號的集合，這些信號表示的是相同的信息，從中選擇最好(使PAPR最小)的集合來發(fā)射，這樣峰值功率的降低就是無畸變的。文獻(xiàn)14提出了采用復(fù)雜度低的壓縮技術(shù)來降低PAPR，它的基本原理是保持大的信號、放大小的信號。它的缺點(diǎn)是功率放大器的輸入信號的平均功率增加了，這對大功率放大器的非線性更敏感。為此文獻(xiàn)15將限幅和壓縮方法結(jié)合，提出了壓縮轉(zhuǎn)換降低PAPR的方法，它的基本原理則是壓縮大的信號、放大小的信號，使得發(fā)射信號的平均功率保持不變，這樣可以提高性能。為了評估各種PAPR降低方法的能力或設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的非線性器件，需要知道OFDM信號中PAPR的特性，為此，文獻(xiàn)16、17用不同的方法分析了OFDM系統(tǒng)中PAPR的特性。

(2)同步問題

在OFDM系統(tǒng)中，同步問題包括載波頻率同步和時間同步，而時間同步又可以進(jìn)一步分為信元同步和采樣時鐘同步[18]。信元同步的目的是找到FFT窗的正確位置，可以用專用的訓(xùn)練序列來進(jìn)行信元同步，保護(hù)間隔的循環(huán)特性也可以用作信元同步，這樣就不需要訓(xùn)練序列了。但是在多徑衰落信道中，保護(hù)間隔通常會受到干擾，OFDM信號的周期特性也就被破壞了，因此在ISI環(huán)境中不能保證正確的信元同步，如果信元同步的時間誤差超過保護(hù)間隔，還會破壞子載波間的正交性。采樣時鐘同步的目的是使接收機(jī)的采樣時鐘頻率與發(fā)射機(jī)一致。采樣時鐘頻率誤差會引起ICI，采樣時鐘頻率誤差進(jìn)一步還會導(dǎo)致信元定時的漂移并使信元同步問題變得更壞。OFDM中的信元同步與幀同步密切相關(guān)，如果信元定時建立，幀同步也就隨之完成[19]。OFDM系統(tǒng)中載波頻率同步的誤差使得接收信號發(fā)生頻域偏移，破壞子載波間的正交性，造成ICI。

OFDM傳輸對載波頻率偏差(CFO)非常敏感，因此許多文獻(xiàn)討論了頻率同步問題[20]。一類是利用導(dǎo)頻信號或訓(xùn)練序列完成OFDM載波同步，這種方法的性能好，但會造成帶寬和功率的損失。另一類是盲估計(jì)方法，其中最簡單的是直接判決，它利用解調(diào)后信元速率數(shù)據(jù)檢測相位或頻率誤差，因此，估計(jì)的范圍不超過信元速率的1/2。文獻(xiàn)21、22提出了載波頻偏的最大似然估計(jì)(MLE)方法，前者利用保護(hù)間隔進(jìn)行頻偏估計(jì)，估計(jì)的范圍被限制在信元速率的1/2；后者利用多載波信號原有的結(jié)構(gòu)，提出了頻率選擇性瑞利衰落信道中載波頻偏的MLE，可以達(dá)到更寬的估計(jì)范圍和更高的準(zhǔn)確性。子空間方法的研究在文獻(xiàn)23中有描述。

文獻(xiàn)18則提出了基于導(dǎo)引子載波的定時恢復(fù)方法(導(dǎo)引子載波大多數(shù)用于相干OFDM系統(tǒng)的同步和信道估計(jì))，用基于保護(hù)間隔的相關(guān)方法進(jìn)行粗信元同步，進(jìn)一步用路徑時延估計(jì)方法來提高粗同步的準(zhǔn)確性，最后用數(shù)字鎖相環(huán)(DLL)進(jìn)行采樣時鐘頻率的同步和保持信元定時。

文獻(xiàn)6提出了OFDM系統(tǒng)中下行鏈路基于參考信元的時間和頻率聯(lián)合同步捕獲算法。M.Speth[19]分析了信元(幀)、載波和采樣頻率時鐘偏差的影響，還進(jìn)一步給出了OFDM接收機(jī)中同步技術(shù)的設(shè)計(jì)[24]。

(3)信道估計(jì)問題

無線通信系統(tǒng)采用差分檢測和相干接收，在完善信道估計(jì)條件下，后者的SNR性能可以提高

3~4dB。在OFDM中差分檢測方法適合于較低速率，如歐洲的DAB系統(tǒng)，而對要求頻譜效率更高的OFDM系統(tǒng)，相干檢測更合適[25]。采用分集接收的系統(tǒng)也需要進(jìn)行信道估計(jì)，以達(dá)到最佳合并[26]。OFDM的結(jié)構(gòu)使信道估計(jì)可以用不同頻率和時間上的信道頻率響應(yīng)的相關(guān)來完成。這種二維的信道估計(jì)器結(jié)構(gòu)太復(fù)雜以至于無法實(shí)用。降低其復(fù)雜度方法，可以是將時間和頻率上的相關(guān)分開來做[26]，也可以利用參數(shù)化的信道模型構(gòu)造來大大減少信道相關(guān)矩陣的維數(shù)，同時還可以提高性能[27]。上述方法需要用導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列，這會降低系統(tǒng)的效率。盲信道估計(jì)和均衡不需要訓(xùn)練序列，可以節(jié)省帶寬并能跟蹤慢變信道[28，29]。

從上述OFDM調(diào)制、解調(diào)的原理可知，如果某個子載波處于深衰落，這個子載波攜帶的數(shù)據(jù)信息就會被破壞。通過將OFDM與交織和軟判信道譯碼結(jié)合，可以得到頻率和時間分集，從而進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜訹3，29]，這稱為編碼

OFDM(COFDM)。COFDM是歐洲數(shù)字音頻(DAB)和陸地?cái)?shù)字視頻(DVB-T)的標(biāo)準(zhǔn)。

在COFDM中，網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)與時間和頻率交織最有效，可以達(dá)到高編碼增益，也有采用RS信道編碼、卷積編碼和Turbo碼[30，31]。

眾所周知，分集技術(shù)在衰落環(huán)境(尤其是在平坦衰落信道)中可以顯著提高系統(tǒng)性能，OFDM有將頻率選擇性衰落信道分成并行的平坦衰落子信道的特性，因此將分集技術(shù)用于OFDM可以達(dá)到更好的性能[2，32-34]。

2CDM

碼分復(fù)用(CDM)是作為一種在大的彌散衰落信道中用于單個用戶的調(diào)制方式被提出的。這種調(diào)制方式是采用擴(kuò)頻技術(shù)與多用戶檢測技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，在時延擴(kuò)展大的頻率選擇性衰落信道時，CDM不管是對單載波調(diào)制方式(如PSK)，還是對多載波方式(如OFDM)，都是一種優(yōu)異的調(diào)制解調(diào)方式，因此，CDM對需要高數(shù)據(jù)速率的未來無線系統(tǒng)(如無線Internet和無線視頻傳輸)是一種有吸引力的調(diào)制方式[1]。

上述的OFDM調(diào)制方式通過把通信信道分成不同的子信道，在每個子信道上并行傳輸數(shù)據(jù)，避免了ISI，它是一個簡單但有效的通信系統(tǒng)，如果子信道足夠窄，呈現(xiàn)非選擇性(平坦)頻率衰落，就不需要均衡了。但其缺點(diǎn)是放棄了頻率選擇性信道的自然分集，在簡單的同時，它的性能不如單載波采用MLSE解調(diào)的性能。

在多用戶系統(tǒng)中，典型的多址方式有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)3種。OFDM調(diào)制方式類似于FDMA系統(tǒng)(不同用戶用正交頻率共享信道)，不僅不同的用戶通過使用正交頻率間隙來共享信道，而且不同速率的數(shù)據(jù)可以并行傳輸。單載波的調(diào)制方式類似于TDMA系統(tǒng)(不同用戶用正交的時隙傳輸數(shù)據(jù))，采用PSK、FSK、QAM調(diào)制后，不同的數(shù)據(jù)比特用正交的時隙傳輸。很有趣，還沒有一種類似于CDMA的單用戶調(diào)制方式，CDM將填充這個角色。在CDM調(diào)制方法中，K個數(shù)據(jù)比特用類似于OFDM調(diào)制方式并行傳輸，但每個數(shù)據(jù)比特用一個長為N的擴(kuò)頻序列進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻調(diào)制后發(fā)送，如果K=N，這種調(diào)制方式的頻譜效率與單載波和多載波相同。這種CDM調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)都與CDMA有關(guān)。實(shí)際上，它可以通過RAKE或類似的操作利用信道提供的所有分集，如果N足夠大，ISI可以忽略。

CDM這種調(diào)制方式并不新，它是并行組合擴(kuò)頻多址[34]的一個特例，也是多碼CDMA[35]的特例。并行組合和多碼CDMA都是為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，但這里的CDM是作為一種單用戶的調(diào)制方式。不同于OFDM調(diào)制方式，CDM容易利用頻率選擇性信道的全部分集，也不同于單載波技術(shù)，在時延擴(kuò)展非常大時，它的復(fù)雜性是可控制的。

CDM的解調(diào)技術(shù)有：匹配濾波器、最大似然檢測、并行干擾對消，以及并行干擾對消/迭代似然最大混合接收機(jī)等[1]。用匹配濾波器接收時，OFDM的性能比CDM好，這也許就是作為一種單用戶的調(diào)制方式，CDM沒有引起人們關(guān)注的原因。即使采用并行干擾對消方法，相對于采用MLSE的BPSK調(diào)制方式，CDM調(diào)制方式也有1.5dB左右的性能損失，但如果采用文獻(xiàn)3提出的并行干擾對消/迭代似然最大混合接收機(jī)，其性能與采用MLSE的BPSK調(diào)制方式基本相同。如果采用更好的接收機(jī)，頻譜效率會更高。

在OFDM調(diào)制方式中，將每個數(shù)據(jù)信元再進(jìn)行擴(kuò)頻可以提高性能，這種結(jié)合的方式稱為多載波CDM(MC-CDM)[3]。

與COFDM不同的是，在信元映射后，每個數(shù)據(jù)信元進(jìn)行了頻率/時間的擴(kuò)展，這個擴(kuò)展是用哈德碼變換(HT)實(shí)現(xiàn)的。由于擴(kuò)展的數(shù)據(jù)信元的重疊，MC-CDM在非理想的信道狀態(tài)下有自干擾，這是MC-CDM的一個缺點(diǎn)。但從另一個角度說，將每個數(shù)據(jù)信元擴(kuò)展到幾個信道上，與COFDM相比，可以獲得額外的分集，這個額外的分集克服了它自干擾的缺點(diǎn)。這里OFDM前的交織不僅是用作頻率交織，還用作時間交織，達(dá)到頻率和時間分集。

為了克服MC-CDM系統(tǒng)中的自干擾，在接收端需要采用干擾對消或聯(lián)合檢測技術(shù)。文獻(xiàn)5提出了MC-CDM系統(tǒng)中的軟干擾對消和最大似然逐個信元估計(jì)的接收方法，模擬結(jié)果顯示，采用這兩種接收方法的MC-CDM系統(tǒng)的頻譜效率和BER性能都比COFDM好。

3結(jié)束語

在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的基于OFDM的傳輸技術(shù)中，同步技術(shù)、PAPR和信道估計(jì)問題仍然是目前的研究熱點(diǎn)。隨著CDMA技術(shù)逐步走向?qū)嵱没?，OFDM和CDMA技術(shù)相融合形成的一種新的通信系統(tǒng)——多載波碼分多址(MC-CDMA)通信系統(tǒng)也迅速引起了人們的興趣[33]。但是由于現(xiàn)行的MC-CDMA系統(tǒng)使用OFDM調(diào)制方式，它在繼承了OFDM調(diào)制的諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，也不可避免地還存在上述的3個問題。此外，MC-CDMA系統(tǒng)作為一種CDMA多址方式，在具有比OFDM系統(tǒng)更好的抗衰性能的同時，也存在與CDMA系統(tǒng)相類似的多址干擾問題，因此，進(jìn)一步研究MC-CDMA系統(tǒng)在如異步情況下的性能以及MC-CDMA系統(tǒng)中的多用戶檢測等問題很有必要。

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(收稿日期：2001-12-07)

作者簡介

邱玲，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，博士。研究方向?yàn)橐苿油ㄐ?、擴(kuò)頻通信(主要包括功率控制、多用戶檢測、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析)。