無線通信系統中的高速傳輸技術

摘要：

增加數據傳輸速率和提高頻譜利用率是對現有移動通信系統提出的新的要求。文章分述了幾種無線通信系統的高速傳輸技術，著重介紹了正交頻分復用(OFDM)調制技術。

關鍵詞：

高速數據；無線傳輸；調制技術

ABSTRACT:

Toincreasedatarateandimprovefrequencyefficiencyisahotspotinwireless

communications.Thispaperreviewsseveralhigh-speedtransmissiontechnol

ogiesrespectively，whileputtingemphasisontheOrthogonalFrequencyDivis

ionMultiplexing(OFDM)modulationtechnology.

KEYWORDS:

High-ratedata;Wirelesstransmission;Modulationtechnology

在無線環境中，由于存在多徑效應而對傳輸的數字信號產生時延擴展，特別是在高速數據傳輸時，信道的時延擴展大于數據周期，引起嚴重的信元間干擾(ISI)。另外，信元速率較高時，信號帶寬較寬，當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]。

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

近來，正交頻分復用(OFDM)調制技術受到廣泛關注，被幾個新的無線系統標準(如數字音頻、視頻廣播；無線局域網；美國的IEEE802.11a；日本MMAC等標準)選擇為物理層的調制方式[2]。碼分復用(CDM)調制方式可用于無線信道的高速數據傳輸[1]。擴頻技術因頻譜利用率和多址能力、抗干擾、抗信道衰落等方面的優異特性，被第3代移動通信系統采用。將OFDM與擴頻技術相結合的調制方式是一種很有前途的無線系統高速數據傳輸技術[3]。

1OFDM

OFDM是一種單用戶多載波的調制方式[4-6]。但由于它實用的復雜性，直到最近才開始應用，并被一些系統作為標準[2]。廣泛的應用表明，它可以替代傳統的信道均衡輔助的串行調制解調[5]技術克服信道散布。

經過30多年的研發，OFDM被廣泛地用于高速數字通信中。由于近來數字信號處理(DSP)和超大規模集成(VLSI)技術的飛速發展，OFDM最初應用時的障礙，如大量復雜的計算、高速存儲問題已經不存在了，同時，快速付立葉變換(FFT)算法的采用消除了正弦信號產生器以及并行數據系統的相干解調。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據信號先轉換成并行的低速子數據流，再使用相互正交的一組子載波構成的子信道來傳輸各個子數據流，所有子信道都是窄帶的，可以認為是平坦的衰落。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制方式。我們知道，正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，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，會產生ISI和破壞子載波間的正交性，在接收機進行解調時就很難將原始數據恢復出來。為此，文獻9引入了循環前綴(CP)的概念，就是用OFDM原始信元的循環擴展來增大傳輸信元的周期，同時使得發送信號周期化，這樣，當CP長度大于信道的沖擊響應時，就能克服ISI對有用信號的影響和避免ICI。

基于FFT的OFDM收發系統框圖如圖1所示[10]。

輸入數據信元的速率為R，經過串并轉換后，分成M個并行的子數據流，每個子數據流的速率降為R/M，每個子數據流中的x個比特分成一組，x的數目取決于對應子載波上的調制方式，如PSK、16QAM等。M個并行的子數據信元送到逆FFT(IFFT)，以將頻域數據轉換到時域，IFFT塊的輸出是N個時域的樣點，再將長為Lp的CP加到N個樣點前(CP是N個樣點中的最后Lp個)，形成循環擴展的OFDM信元，因此，實際發送的OFDM信元的長度為Lp+N，經過并/串轉換后發射。接收端接收到的信號是時域信號，它受信道影響而發生畸變，此信號經過串并轉換后移去CP，如果CP長度大于信道的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數據，去掉CP也就去掉了ISI的影響。移去CP后的信號進行FFT以將信號從時域變回到頻域，FFT的輸出為：

Y=CX+?濁(1)

（1）式中，Y是接收信號的頻率響應，C是信道的頻率響應，X是發送信號的頻率響應，?濁是加性噪聲。在發射端IFFT和CP操作以及接收端的FFT操作的結合，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，再經過并串轉換，就得到了原始的OFDM信號。

OFDM是一種可以用于高速數據傳輸的高效調制方式，可以減輕頻率選擇性衰落的嚴重影響。從上述的OFDM工作原理可知，OFDM系統中有如下3個關鍵問題需要解決。這3個問題也是目前的研究熱點[11-34]。

(1)峰值平均功率比問題

在OFDM調制系統中，輸出信號峰值平均功率比(PAPR)大，與系統中載波個數成正比。如果在大的峰值功率時出現非線性，會產生子載波間的交調干擾和帶外輻射。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計(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的統計特性。在SLM（選擇映射）中，發射機產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)的集合來發射，這樣峰值功率的降低就是無畸變的。文獻14提出了采用復雜度低的壓縮技術來降低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15將限幅和壓縮方法結合，提出了壓縮轉換降低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計系統中的非線性器件，需要知道OFDM信號中PAPR的特性，為此，文獻16、17用不同的方法分析了OFDM系統中PAPR的特性。

(2)同步問題

在OFDM系統中，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，可以用專用的訓練序列來進行信元同步，保護間隔的循環特性也可以用作信元同步，這樣就不需要訓練序列了。但是在多徑衰落信道中，保護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的采樣時鐘頻率與發射機一致。采樣時鐘頻率誤差會引起ICI，采樣時鐘頻率誤差進一步還會導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，如果信元定時建立，幀同步也就隨之完成[19]。OFDM系統中載波頻率同步的誤差使得接收信號發生頻域偏移，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，因此許多文獻討論了頻率同步問題[20]。一類是利用導頻信號或訓練序列完成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。另一類是盲估計方法，其中最簡單的是直接判決，它利用解調后信元速率數據檢測相位或頻率誤差，因此，估計的范圍不超過信元速率的1/2。文獻21、22提出了載波頻偏的最大似然估計(MLE)方法，前者利用保護間隔進行頻偏估計，估計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構，提出了頻率選擇性瑞利衰落信道中載波頻偏的MLE，可以達到更寬的估計范圍和更高的準確性。子空間方法的研究在文獻23中有描述。

文獻18則提出了基于導引子載波的定時恢復方法(導引子載波大多數用于相干OFDM系統的同步和信道估計)，用基于保護間隔的相關方法進行粗信元同步，進一步用路徑時延估計方法來提高粗同步的準確性，最后用數字鎖相環(DLL)進行采樣時鐘頻率的同步和保持信元定時。

文獻6提出了OFDM系統中下行鏈路基于參考信元的時間和頻率聯合同步捕獲算法。M.Speth[19]分析了信元(幀)、載波和采樣頻率時鐘偏差的影響，還進一步給出了OFDM接收機中同步技術的設計[24]。

(3)信道估計問題

無線通信系統采用差分檢測和相干接收，在完善信道估計條件下，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，而對要求頻譜效率更高的OFDM系統，相干檢測更合適[25]。采用分集接收的系統也需要進行信道估計，以達到最佳合并[26]。OFDM的結構使信道估計可以用不同頻率和時間上的信道頻率響應的相關來完成。這種二維的信道估計器結構太復雜以至于無法實用。降低其復雜度方法，可以是將時間和頻率上的相關分開來做[26]，也可以利用參數化的信道模型構造來大大減少信道相關矩陣的維數，同時還可以提高性能[27]。上述方法需要用導頻或訓練序列，這會降低系統的效率。盲信道估計和均衡不需要訓練序列，可以節省帶寬并能跟蹤慢變信道[28，29]。

從上述OFDM調制、解調的原理可知，如果某個子載波處于深衰落，這個子載波攜帶的數據信息就會被破壞。通過將OFDM與交織和軟判信道譯碼結合，可以得到頻率和時間分集，從而進一步提高數據傳輸的魯棒性[3，29]，這稱為編碼

OFDM(COFDM)。COFDM是歐洲數字音頻(DAB)和陸地數字視頻(DVB-T)的標準。

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

眾所周知，分集技術在衰落環境(尤其是在平坦衰落信道)中可以顯著提高系統性能，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，因此將分集技術用于OFDM可以達到更好的性能[2，32-34]。

2CDM

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

上述的OFDM調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據，避免了ISI，它是一個簡單但有效的通信系統，如果子信道足夠窄，呈現非選擇性(平坦)頻率衰落，就不需要均衡了。但其缺點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解調的性能。

在多用戶系統中，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調制方式類似于FDMA系統(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，而且不同速率的數據可以并行傳輸。單載波的調制方式類似于TDMA系統(不同用戶用正交的時隙傳輸數據)，采用PSK、FSK、QAM調制后，不同的數據比特用正交的時隙傳輸。很有趣，還沒有一種類似于CDMA的單用戶調制方式，CDM將填充這個角色。在CDM調制方法中，K個數據比特用類似于OFDM調制方式并行傳輸，但每個數據比特用一個長為N的擴頻序列進行直接序列擴頻調制后發送，如果K=N，這種調制方式的頻譜效率與單載波和多載波相同。這種CDM調制方式的優點都與CDMA有關。實際上，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這種調制方式并不新，它是并行組合擴頻多址[34]的一個特例，也是多碼CDMA[35]的特例。并行組合和多碼CDMA都是為了提高系統的數據傳輸能力，但這里的CDM是作為一種單用戶的調制方式。不同于OFDM調制方式，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，在時延擴展非常大時，它的復雜性是可控制的。

CDM的解調技術有：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制方式，CDM沒有引起人們關注的原因。即使采用并行干擾對消方法，相對于采用MLSE的BPSK調制方式，CDM調制方式也有1.5dB左右的性能損失，但如果采用文獻3提出的并行干擾對消/迭代似然最大混合接收機，其性能與采用MLSE的BPSK調制方式基本相同。如果采用更好的接收機，頻譜效率會更高。

在OFDM調制方式中，將每個數據信元再進行擴頻可以提高性能，這種結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，每個數據信元進行了頻率/時間的擴展，這個擴展是用哈德碼變換(HT)實現的。由于擴展的數據信元的重疊，MC-CDM在非理想的信道狀態下有自干擾，這是MC-CDM的一個缺點。但從另一個角度說，將每個數據信元擴展到幾個信道上，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。這里OFDM前的交織不僅是用作頻率交織，還用作時間交織，達到頻率和時間分集。

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

3結束語

在已經被廣泛應用的基于OFDM的傳輸技術中，同步技術、PAPR和信道估計問題仍然是目前的研究熱點。隨著CDMA技術逐步走向實用化，OFDM和CDMA技術相融合形成的一種新的通信系統——多載波碼分多址(MC-CDMA)通信系統也迅速引起了人們的興趣[33]。但是由于現行的MC-CDMA系統使用OFDM調制方式，它在繼承了OFDM調制的諸多優點的同時，也不可避免地還存在上述的3個問題。此外，MC-CDMA系統作為一種CDMA多址方式，在具有比OFDM系統更好的抗衰性能的同時，也存在與CDMA系統相類似的多址干擾問題，因此，進一步研究MC-CDMA系統在如異步情況下的性能以及MC-CDMA系統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，中國科學技術大學信息科學技術學院副教授，博士。研究方向為移動通信、擴頻通信(主要包括功率控制、多用戶檢測、系統設計和性能分析)。