无线通信系统中的高速传输技术

在无线环境中，由于存在多径效应而对传输的数字信号产生时延扩展，特别是在高速数据传输时，信道的时延扩展大于数据周期，引起严重的信元间干扰(ISI)。另外，信元速率较高时，信号带宽较宽，当信号带宽接近和大于信道相干带宽时，信道的时间弥散将对接收信号造成频率选择性衰落，这是使无线信道传输速率受限的主要原因之一，但可以通过分集来提高性能[1]。

　　传统的调制方式，如相移键控(PSK)、频移键控(FSK)和正交幅度调制(QAM)需要采用均衡来克服信道的时间弥散。最佳接收机需要最大似然序列估计器(MLSE)，通常采用Viterbi算法实现，完全利用了信道本身的分集特性，但在时延扩展大于几个信元宽度时，它的复杂度太大而无法实用，此最佳均衡器还会引起系统性能下降。
近来，正交频分复用(OFDM)调制技术受到广泛关注，被几个新的无线系统标准(如数字音频、视频广播；无线局域网；美国的IEEE 802.11a；日本MMAC等标准)选择为物理层的调制方式[2]。码分复用(CDM)调制方式可用于无线信道的高速数据传输[1]。扩频技术因频谱利用率和多址能力、抗干扰、抗信道衰落等方面的优异特性，被第3代移动通信系统采用。将OFDM与扩频技术相结合的调制方式是一种很有前途的无线系统高速数据传输技术[3]。

　　1 OFDM

　　OFDM是一种单用户多载波的调制方式[4-6]。但由于它实用的复杂性，直到最近才开始应用，并被一些系统作为标准[2]。广泛的应用表明，它可以替代传统的信道均衡辅助的串行调制解调[5]技术克服信道散布。
经过30多年的研发，OFDM被广泛地用于高速数字通信中。由于近来数字信号处理(DSP) 和超大规模集成(VLSI)技术的飞速发展，OFDM最初应用时的障碍，如大量复杂的计算、高速存储问题已经不存在了，同时，快速付立叶变换(FFT)算法的采用消除了正弦信号产生器以及并行数据系统的相干解调。OFDM变得越来越广泛的另一个原因是它的最佳性能已被理论证明[7,8]。

　　OFDM的基本原理是将串行高速数据信号先转换成并行的低速子数据流，再使用相互正交的一组子载波构成的子信道来传输各个子数据流，所有子信道都是窄带的，可以认为是平坦的衰落。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，与串行系统相比，其均衡变得简单了。

　　OFDM子信道的频谱是可以相互重叠且正交的，因此，OFDM是一种频谱效率高的调制方式。我们知道，正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，以消除信道间干扰(ICI)。但在OFDM信号通过一个时间弥散信道时，会产生ISI和破坏子载波间的正交性，在接收机进行解调时就很难将原始数据恢复出来。为此，文献9引入了循环前缀(CP)的概念，就是用OFDM原始信元的循环扩展来增大传输信元的周期，同时使得发送信号周期化，这样，当CP长度大于信道的冲击响应时，就能克服ISI对有用信号的影响和避免ICI。

　　基于FFT的OFDM收发系统框图如图1所示[10]。

图1 FFT的OFDM基带收发系统模型

　　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降为R/M，每个子数据流中的x个比特分成一组，x的数目取决于对应子载波上的调制方式，如PSK、16QAM等。M个并行的子数据信元送到逆FFT(IFFT)，以将频域数据转换到时域，IFFT块的输出是N个时域的样点，再将长为Lp的CP加到N个样点前(CP是N个样点中的最后Lp个)，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，它受信道影响而发生畸变，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。移去CP 后的信号进行FFT以将信号从时域变回到频域，FFT的输出为：

　　（1）式中，Y是接收信号的频率响应，C是信道的频率响应，X是发送信号的频率响应，是加性噪声。在发射端IFFT和CP操作以及接收端的FFT操作的结合，将频率选择性的衰落信道分成了平坦的衰落子信道，因此，频域信道均衡就可以用FFT输出的信号除以信道的响应完成[11]。这个过程可以表示如下：

　　从(2)式可知，均衡过的信号就是原始信号加上一个噪声，再经过并串转换，就得到了原始的OFDM信号。
OFDM是一种可以用于高速数据传输的高效调制方式，可以减轻频率选择性衰落的严重影响。从上述的OFDM工作原理可知，OFDM系统中有如下3个关键问题需要解决。这3个问题也是目前的研究热点[11-34]。

　　(1)峰值平均功率比问题

　　在OFDM调制系统中，输出信号峰值平均功率比(PAPR)大，与系统中载波个数成正比。如果在大的峰值功率时出现非线性，会产生子载波间的交调干扰和带外辐射。因此，要求功率放大器的线性范围大，这样功放的效率就低。已经提出的许多降低PAPR的方法中，最有名的是基于幅度限制和编码设计(不但提供纠错能力，还能降低峰值平均功率比)[17]。前者是最简单和直接的，但这种方法会引起限幅噪声，造成性能下降。其它降低PAPR的方法还有文献12、13提出的选择映射方法，它通过引入小的冗余来提高PAPR的统计特性。在SLM（选择映射）中，发射机产生一系列不同候选信号的集合，这些信号表示的是相同的信息，从中选择最好(使PAPR最小)的集合来发射，这样峰值功率的降低就是无畸变的。文献14提出了采用复杂度低的压缩技术来降低PAPR，它的基本原理是保持大的信号、放大小的信号。它的缺点是功率放大器的输入信号的平均功率增加了，这对大功率放大器的非线性更敏感。为此文献15将限幅和压缩方法结合，提出了压缩转换降低PAPR的方法，它的基本原理则是压缩大的信号、放大小的信号，使得发射信号的平均功率保持不变，这样可以提高性能。为了评估各种PAPR降低方法的能力或设计系统中的非线性器件，需要知道OFDM信号中PAPR的特性，为此，文献16、17用不同的方法分析了OFDM系统中PAPR的特性。

　　(2)同步问题

　　在OFDM系统中，同步问题包括载波频率同步和时间同步，而时间同步又可以进一步分为信元同步和采样时钟同步[18]。信元同步的目的是找到FFT窗的正确位置，可以用专用的训练序列来进行信元同步，保护间隔的循环特性也可以用作信元同步，这样就不需要训练序列了。但是在多径衰落信道中，保护间隔通常会受到干扰，OFDM信号的周期特性也就被破坏了，因此在ISI环境中不能保证正确的信元同步，如果信元同步的时间误差超过保护间隔，还会破坏子载波间的正交性。采样时钟同步的目的是使接收机的采样时钟频率与发射机一致。采样时钟频率误差会引起ICI，采样时钟频率误差进一步还会导致信元定时的漂移并使信元同步问题变得更坏。OFDM中的信元同步与帧同步密切相关，如果信元定时建立，帧同步也就随之完成[19]。OFDM系统中载波频率同步的误差使得接收信号发生频域偏移，破坏子载波间的正交性，造成ICI。

　　OFDM传输对载波频率偏差(CFO)非常敏感，因此许多文献讨论了频率同步问题[20]。一类是利用导频信号或训练序列完成OFDM载波同步，这种方法的性能好，但会造成带宽和功率的损失。另一类是盲估计方法，其中最简单的是直接判决，它利用解调后信元速率数据检测相位或频率误差，因此，估计的范围不超过信元速率的1/2。文献21、22提出了载波频偏的最大似然估计(MLE)方法，前者利用保护间隔进行频偏估计，估计的范围被限制在信元速率的1/2；后者利用多载波信号原有的结构，提出了频率选择性瑞利衰落信道中载波频偏的MLE，可以达到更宽的估计范围和更高的准确性。子空间方法的研究在文献23中有描述。

　　文献18则提出了基于导引子载波的定时恢复方法(导引子载波大多数用于相干OFDM系统的同步和信道估计)，用基于保护间隔的相关方法进行粗信元同步，进一步用路径时延估计方法来提高粗同步的准确性，最后用数字锁相环(DLL)进行采样时钟频率的同步和保持信元定时。

　　文献6提出了OFDM系统中下行链路基于参考信元的时间和频率联合同步捕获算法。M. Speth[19]分析了信元(帧)、载波和采样频率时钟偏差的影响，还进一步给出了OFDM接收机中同步技术的设计[24]。

　　(3)信道估计问题

　　无线通信系统采用差分检测和相干接收，在完善信道估计条件下，后者的SNR性能可以提高3 ~4dB。在OFDM中差分检测方法适合于较低速率，如欧洲的DAB系统，而对要求频谱效率更高的OFDM系统，相干检测更合适[25]。采用分集接收的系统也需要进行信道估计，以达到最佳合并[26]。OFDM的结构使信道估计可以用不同频率和时间上的信道频率响应的相关来完成。这种二维的信道估计器结构太复杂以至于无法实用。降低其复杂度方法，可以是将时间和频率上的相关分开来做[26]，也可以利用参数化的信道模型构造来大大减少信道相关矩阵的维数，同时还可以提高性能[27]。上述方法需要用导频或训练序列，这会降低系统的效率。盲信道估计和均衡不需要训练序列，可以节省带宽并能跟踪慢变信道[28,29]。

　　从上述OFDM调制、解调的原理可知，如果某个子载波处于深衰落，这个子载波携带的数据信息就会被破坏。通过将OFDM与交织和软判信道译码结合，可以得到频率和时间分集，从而进一步提高数据传输的鲁棒性[3,29]，这称为编码OFDM(COFDM)。COFDM是欧洲数字音频(DAB)和陆地数字视频(DVB-T)的标准。
在COFDM中，网格编码调制(TCM)与时间和频率交织最有效，可以达到高编码增益，也有采用RS信道编码、卷积编码和Turbo码[30,31]。

　　众所周知，分集技术在衰落环境(尤其是在平坦衰落信道)中可以显著提高系统性能，OFDM有将频率选择性衰落信道分成并行的平坦衰落子信道的特性，因此将分集技术用于OFDM可以达到更好的性能[2,32-34]。

　　2 CDM

　　码分复用(CDM)是作为一种在大的弥散衰落信道中用于单个用户的调制方式被提出的。这种调制方式是采用扩频技术与多用户检测技术相结合产生的调制解调技术，在时延扩展大的频率选择性衰落信道时，CDM不管是对单载波调制方式(如PSK)，还是对多载波方式(如OFDM)，都是一种优异的调制解调方式，因此，CDM对需要高数据速率的未来无线系统(如无线Internet和无线视频传输)是一种有吸引力的调制方式[1]。

　　上述的OFDM调制方式通过把通信信道分成不同的子信道，在每个子信道上并行传输数据，避免了ISI，它是一个简单但有效的通信系统，如果子信道足够窄，呈现非选择性(平坦)频率衰落，就不需要均衡了。但其缺点是放弃了频率选择性信道的自然分集，在简单的同时，它的性能不如单载波采用MLSE解调的性能。

　　在多用户系统中，典型的多址方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)3种。OFDM调制方式类似于FDMA系统(不同用户用正交频率共享信道)，不仅不同的用户通过使用正交频率间隙来共享信道，而且不同速率的数据可以并行传输。单载波的调制方式类似于TDMA系统(不同用户用正交的时隙传输数据)，采用PSK、FSK、QAM调制后，不同的数据比特用正交的时隙传输。很有趣，还没有一种类似于CDMA的单用户调制方式，CDM将填充这个角色。在CDM调制方法中，K个数据比特用类似于OFDM调制方式并行传输，但每个数据比特用一个长为N的扩频序列进行直接序列扩频调制后发送，如果K=N，这种调制方式的频谱效率与单载波和多载波相同。这种CDM调制方式的优点都与CDMA有关。实际上，它可以通过RAKE或类似的操作利用信道提供的所有分集，如果N足够大，ISI可以忽略。

　　CDM这种调制方式并不新，它是并行组合扩频多址[34]的一个特例，也是多码CDMA[35]的特例。并行组合和多码CDMA都是为了提高系统的数据传输能力，但这里的CDM是作为一种单用户的调制方式。不同于OFDM调制方式， CDM容易利用频率选择性信道的全部分集，也不同于单载波技术，在时延扩展非常大时，它的复杂性是可控制的。

　　CDM的解调技术有：匹配滤波器、最大似然检测、并行干扰对消，以及并行干扰对消/迭代似然最大混合接收机等[1]。用匹配滤波器接收时，OFDM的性能比CDM好，这也许就是作为一种单用户的调制方式，CDM没有引起人们关注的原因。即使采用并行干扰对消方法，相对于采用MLSE的BPSK调制方式，CDM调制方式也有1.5 dB左右的性能损失，但如果采用文献3提出的并行干扰对消/迭代似然最大混合接收机，其性能与采用MLSE的BPSK调制方式基本相同。如果采用更好的接收机，频谱效率会更高。

　　在OFDM调制方式中，将每个数据信元再进行扩频可以提高性能，这种结合的方式称为多载波CDM(MC-CDM)[3]。

　　与COFDM不同的是，在信元映射后，每个数据信元进行了频率/时间的扩展，这个扩展是用哈德码变换(HT)实现的。由于扩展的数据信元的重叠，MC-CDM在非理想的信道状态下有自干扰，这是MC-CDM的一个缺点。但从另一个角度说，将每个数据信元扩展到几个信道上，与COFDM相比，可以获得额外的分集，这个额外的分集克服了它自干扰的缺点。这里OFDM前的交织不仅是用作频率交织，还用作时间交织，达到频率和时间分集。

　　为了克服MC-CDM系统中的自干扰，在接收端需要采用干扰对消或联合检测技术。文献5提出了MC-CDM系统中的软干扰对消和最大似然逐个信元估计的接收方法，模拟结果显示，采用这两种接收方法的MC-CDM系统的频谱效率和BER性能都比COFDM好。

　　3 结束语

　　在已经被广泛应用的基于OFDM的传输技术中，同步技术、PAPR和信道估计问题仍然是目前的研究热点。随着CDMA技术逐步走向实用化，OFDM和CDMA技术相融合形成的一种新的通信系统——多载波码分多址(MC-CDMA)通信系统也迅速引起了人们的兴趣[33]。但是由于现行的MC-CDMA系统使用OFDM调制方式，它在继承了OFDM调制的诸多优点的同时，也不可避免地还存在上述的3个问题。此外，MC-CDMA系统作为一种CDMA多址方式，在具有比OFDM系统更好的抗衰性能的同时，也存在与CDMA系统相类似的多址干扰问题，因此，进一步研究MC-CDMA系统在如异步情况下的性能以及MC-CDMA系统中的多用户检测等问题很有必要。

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[摘要] 增加数据传输速率和提高频谱利用率是对现有移动通信系统提出的新的要求。文章分述了几种无线通信系统的高速传输技术，着重介绍了正交频分复用(OFDM)调制技术。

[关键词] 高速数据；无线传输；调制技术

[Abstract] To increase data rate and improve frequency efficiency is a hotspot in wireless communications. This paper reviews several high-speed transmission technologies respectively, while putting emphasis on the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation technology.

[Keywords] High-rate data; Wireless transmission; Modulation technology