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从调制方式看4G.pdf

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*++" 年 # 月 第 ’ 期 天津通信技术 0<9:G<: >H//.:<>90J:H8H(K 1MNF*++" :LF’ 从调制方式看 &’( 宋胜辉D 曹达仲 A天津大学 电子信息工程学院D 天津 ’+++$*B 摘 要:讨论了多载波技术(/>/)与 >=/9 技术相结合的多载波码分多址(/>,>=/9)技术的原理及其 应 用 的 优缺点,认为该技术将在下一代无线通信系统中发挥重要的作用。 关键词:多载波E 正交频分多路复用E 多载波码分多址 中图分类号:0:#*#F?’ 前言 文章编号:"++-,$&&*(*++")+’,++"",+& 文献标识码:9 ! 随着第三代(’()移动通信标准格局的基本形 成,人们又开始了对第四代(&()移动通信(也有称 为后三代移动通信的)技术的研究和展望,以推出 更多更有效的移动通信业务。目前能够相互兼容的 &( 移动通信标准正在业界萌动,&( 与 ’( 相比,在 技术和应用上将有质的飞跃,特别是 &( 移动通信 系统在业务、功能和频带上都将与 ’( 移动通信系 统有所不同。对于 &( 移动通信技术来说,主要的 要求是: (")数 据 速 率 要 超 过 ./01,即 从 * /234 5 6 提 高到 "++ /234 5 6。 (*)满足 ’( 移动通信在覆盖、质量、造价上尚 不能达到的对高速数据和高分辨率多媒体服务需 求的支持,以及所形成的宽带无线局域网(789:) 能够与 ;,<1=: 和 90/ 兼容,实现宽带多媒体通 信,并形成综合宽带通信网(<;>:)。 (’)对全速移动用户能够提供 "?+ /23456 的高质量 的影视和声讯服务。 实践证明调制方式及多址技术对于一个移动 通信系统来说是至关重要的。数字移动通信技术经 历了 @=/9、0=/9 和 >=/9 的演进过程,人们对 作者简介 宋胜辉!男,"#$% 年生,硕士,现从事移动通信研究。 曹 达 仲!男 ,"#&" 年 生 ,教 授 ,现 从 事 ’( 关 键 技 术 的研究。 >=/9 技术投入了巨大的精力,这是因为 >=/9 相对于其它两种多址方式具有很多的优越性。但是 >=/9 的系统容量受到了用户之间干扰的限制,而 且接收机比较复杂,也无法提供较高的频谱利用 率。实验证明,>=/9 与多载波技术(/>/)的综合 是可以有效地提高系统性能的。因此,本文即对能 够在 &( 移动 通 信 系 统 中 应 用 的 多 载 波 码 分 多 址 A/>,>=/9B技术进行讨论。 多载波调制技术( #$# ) 多载波调制的原理 " "%! 在多载波调制中,总带宽被分成 : 个子信道, 每个子信道又被相互正交的载波调制,使得频谱重 叠。其基本原理如图 " 所示。 图 ! 多载波基本原理 图 " 中原 始 数 据 流 被 分 为 : 个 平 行 数 据 流 , 调 制 到 : 个 正 交 的 载 波 上 ,CA4B和 C)A,4B均 为 匹 配 滤波器。 多载波调制技术的优点 "%" 多载波技术具有以下优点: (")串 5 并变换的各子信道码片的长度是原来 的 : 倍,可以有效地降低多径带来的码间串扰。 收稿日期 ! * ++",+-,*$ ) 深圳华为技术有限公司资金资助项目,因篇幅所限定量分析部分另文讨论。
’0 (0)子载波间的频谱重叠提供最优的频谱效率。 (1)传输函数在时域和频域几乎是恒定的,可 以得到较高的频域多径增益,而且提高了系统的容 量。 正 交 频 分 多 路 复 用 23!% (24567879:; 34<# =><9?@ !ABACA79 %>;5AD;;:4 Q4
第 期 L 宋胜辉;曹达仲:从调制方式看 4M 护时间),用于防止瞬时干扰或符号间串扰,! " # 为 并 " 串变换,!#$ 为脉冲成型滤波器。扩频后各用户 的特有 !% 序列相加,由 &$$’ 实现多载波调制和 序列中的每一码片对应一个频率脚,以及每个 % 位块都添加一个 ()*+,-.* 前缀,最后由脉冲成型滤 波器输出。这样,即使某个用户速率较慢,也不必去 占用全部的频率脚,只由其他用户占有即可。 "#" $%&%’$( 基站接收机的基本结构 /(0(1/2 基站接收机的基本结构如图 3 所示。 图 * $%&%’$( 基站接收机基本原理图 图 3 所示的基本内容同图 4,系统对信号处理 的 过 程 与 发 射 端 相 反 ,(!5 为 去 保 护 时 间 ,67 为 均衡。在 $$’ 后的数据将分成多路,每一路对应一 个用户,分别进行解扩。如是单用户接收机将更为 简单。 "#) $%&%’$( 系统的性能 (8)频谱利用率 正交多载波会带来更高的频谱利用率。多载波 系统的频谱如图 9 所示,频分复用系统的频谱如图 : 所示。 图 + 多载波系统的频谱 图 ! 频分复用系统的频谱 事实上,1#0(1/2 多载频技术对频谱的利用 也如图 : 所示,可以看出 /(0(1/2 对频谱的利 8L 用率已接近最佳;在理想的情况下可以认为是 1#0 (1/2 系 统 频 谱 利 用 率 的 两 倍 (载 波 数 % 较 大 时)。 (<)抗时延扩展 在多径传播的条件下,发送端发送一个极窄脉 冲 #=>.=!(?);由于多径的存在,各信号到达接收端的 时间不一样,并随移动台的移动而变化。接收信号由 许多时延脉冲组成,即: ! !"" !(#0#" #(?)>.= 式中 ! 为多径脉冲个数,#" >6(?)@ " > 8 A$? )@ A$? 为第 " 径的时延;"" 为反射系数。时延扩展 % 可以理解为在一串接收 脉冲中最大传输时延与最小传输时延的差,也就是 脉冲展宽的时间。若脉冲宽度为 ’,接收脉宽为 ’B %, 那 么 时 延 扩 展 将 会 引 起 码 间 串 扰 (&#&: )C?@*DEFGH- )C?@*0I@*@C+@),为避免 &#&,码元周期应 大于 ’,或码速率小于 8 " %。在 /(0(1/2 中原始 数据流被复用到 C 个平行数据流后,复用的速率 5F+ 会等于原速率 5 " C; 每个子系统中的 &#& 会由 ’F.J " ’ 变 为 ’F.J " ’F+>’F.J " (CK’)。 式 中 ’F.J 为最大的时延,&#& 将随着 C 的增加而减小。 (L)克服多径衰落 信号在通过移动信道时,会引起多径衰落,而 且不同的信道和不同的信号也会有不同的衰落。根 据衰落与频率的关系,衰落分为频率选择性衰落和 非频率选择性衰落(平坦衰落)。在非频率选择性衰 落的信道中,信号各分量衰落状况与频率无关,而 且各频率的衰落具有一致性(相关性),衰落的信号 也不会失真。而在频率选择性衰落的信道中,由于 信号的不同频率成分有不同的随机响应,使得衰落 值不一致,信号会产生失真。因此,在传统的调制方 式中,多径的频率选择性衰落会使传输率降低,虽 然通过均衡可以有所改善,但将带来更大的噪声和 对干扰更高的敏感性。然而,在 /(0(1/2 系统 中,由于采用了多载波(/(/)技术;其相关的带宽 只使衰落影响有限的子载波,因而人们可以利用前 向纠错编码将差错有效地进行纠正。同时频分交织 技术也可以使性能得到进一步的提高,不同业务的 数据流子载波间的交织也会提高各个用户数据传 输衰落之间的独立性,发挥与时域交织相类似的作 用。再有,多载波技术还有许多获得多径增益的方 法,比如频(时)域交织,时(频)域编码,以及不同的
LB 频率采用不同的信号星座图和根据信道状态调整 天津通信技术 子载波速率的方法等等。 (B)AA! 的运用带来时频转换 在接收机和发送端对 AA! 的运用,可使 576 7859 将原来用于时域消除扩散的方法用于频域 消除扩散之中,比如最大长度线性反馈移位寄存器 序列可用于监测时域延迟的情况,如果对这个序列 进行 AA!,并以多载波的方式发送,就可以获得 81%%.’( 参数,而且会在多径移动信道中将来自不 同路径的波形表现出不同的 81%%.’( 频移。那么多 载 波 接 收 机 就 可 以 在 AA! 输 出 管 脚 寻 找 序 列 移 位,来发现单独的参数,并通过校正参数来校正本 地接收机的晶振频率和相位,更好的对信号进行跟 踪。5767859 是可以很好的利用这一性质的。 (C)子载波增益控制 5767859 最早是由 D#--&(,E 等人提出来的, 而 D#--&(,E 和 F’’ 则证明了使用 AA! 和可变增益 多径混合器,可以形成相当简单的接收机来接收 5767859 信号,以及其多径增益可以简单地对该 子 信 道 的 衰 落 进 行 控 制 ,D#--&(,E 和 F’’ 还 发 现 5767859 下行链路子载波混合器仅依靠特殊子 载波上的码相位偏置和信号衰落来实现增益控制。 这 种 简 单 的 子 载 波 增 益 及 相 位 纠 正 方 法 可 以 与 G9HI 接收和干扰消除技术结合起来使用。其结果 显示出了一个满负荷(用户数J扩频因子)的 576 7859 系 统 在 一 个 高 时 延 的 信 道 中 表 现 出 有 比 8K67859 好得多的性能。 @JK 1DLDM1F 系统的缺点 5767859 尽管有许多优点,但也不能避免有 不足之处,它的缺点是: (L)多 普 勒 扩 频 (81%%.’( $%(’&)#-0)的 频 率 偏 差将会破坏子载波的正交性,使误码率提高和相位 出现偏差,导致产生信道间的干扰(>7>),同时使子 M]]L 年 载波的同步难以捕获和跟踪。 (M)功率非线性放大—峰 平 均 功 率 (N9GN)较 高,要求发射机的功放需具有较高的动态范围,因 而使造价提高。对此人们又提出了部分发射序列 N!K 及选择映射 KD5 等解决的方案。 结论 , 5767859 虽然存在某些缺点,但它的性能非 常适合于无线信道的传输,其对频谱高效的利用, 可以极大的提高用户数及传输的速率,这也正是未 来系统亟待解决的问题。5767859 所具有的这些 优势,一度由于实时 AA! 难以实现及存在晶振稳 定性和功率放大器的线性要求等相关的问题而无 法得到发挥。但随着 8KN 的飞速发展,实时 AA! 的 实现已不再成为问题,其它方面的问题也得到了相 应的解决,因此可以设想 5767859 很有可能在 下一代无线通信系统中发挥重要的作用。 O参考文献P OLP Q#$"#,& R&,"#= K#;+.&,#1- 14 5+.,#67&((#’( 786 59 $:$,’; 41( 4+,+(’ 2#(’.’$$ $:$,’;$= OMP 81-065#-0 7"+&-0,F+*1-0 S+= 5+.,#67&((#’( 7859 71;;+-#*&,#1-$ K:$,’; 8’$#0-=IITUM7 K%(#-0= LVVU= OTP W=5=8&$#.X&,I=K=K1+$&= N’(41(;&-*’ 14 @(,"6 101-&. 7859 71)’$ 41( Y+&$# 6K:-*"(1-1+$ 71;;+-#*&,#1- K:$,’;$=>III K’.’*,’) 9(’&$ #- 71;;+-#*&,#1-= LVVB/LM(=C):UBM6UCM= OBP R&--& Z10+*3&= !(&-$;#$$#1- &-) G’*’%,#1- 14 ,"’ 5+.,# 67&((#’( 7859 K#0-&.$ #- ,"’ T() S’-’(&,#1- 51<#.’ 71;;+-#*&,#1- K:$ 6 ,’;= >III >-,’(-&,#1-&. 71-4’(’-*’ 1- N’($16 -&. [#(’.’$$ 71;;+-#*&,#1-$=LVV\/M:TLV6TMM= !"#$%&’ "()*+ ,- (. +/0 1)2*#"+%)& 10+/)2 !"#$ !%&’()%*+, -." /0)1%2’( 34"5*#+. )6 7#05+8)&%5 9&6)8:"+%)& 7&’%&008%&’ !%"&;%& <&%=08>%+.? !%"&;%& @AAABC? D/%&"E F(>+8"5+G !"#$ %&%’( )#$*+$$’$ ,"’ ,’*"-#*&. %(#-*#%.’/ 011) &-) 2’&3 %1#-,$ 14 &%%.#*&,#1-$ 14 5+.,#67&((#’($ 7859 ,’*"-1.10: ,"&, 2&$ *1;<#-’) ;+.,# 6*&((#’($ ;1)+.&,#1- 2#," ,"’ 7859 ,’*"-1.10:= >, ,"#-3$ ,"#$ ,’*"-1.10: 2#.. %.&: &- #;%1(,&-, (1.’ #- -’?, 0’-’(&,#1- 2#(’.’$$ *1;;+-#*&,#1- $:$,’;= H0. I)82>G 575;@A85;5767859
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