论文读书笔记资料.docx
- 文档编号:23744213
- 上传时间:2023-05-20
- 格式:DOCX
- 页数:25
- 大小:566.53KB
论文读书笔记资料.docx
《论文读书笔记资料.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《论文读书笔记资料.docx(25页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
论文读书笔记资料
一、想研究基于离散小波变换的OFDM,必须先知道移动通信技术的历史及发展趋势
一、移动通信技术的发展历程
在过去的10年中,世界电信发生了巨大的变化,移动通信特别是蜂窝小区的迅速发展,使用户彻底摆脱终端设备的束缚、实现完整的个人移动性、可靠的传输手段和接续方式。
进入21世纪,移动通信将逐渐演变成社会发展和进步的必不可少的工具。
第一代移动通信系统(1G)是在20世纪80年代初提出的,它完成于20世纪90年代初,如NMT和AMPS,NMT于1981年投入运营。
第一代移动通信系统是基于模拟传输的,其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。
1G主要基于蜂窝结构组网,直接使用模拟语音调制技术,传输速率约2.4kbit/s。
不同国家采用不同的工作系统。
第二代移动通信系统(2G)起源于90年代初期。
欧洲电信标准协会在1996年提出了GSMPhase2+,目的在于扩展和改进GSMPhase1及Phase2中原定的业务和性能。
它主要包括CMAEL(客户化应用移动网络增强逻辑),SO(支持最佳路由)、立即计费,GSM900/1800双频段工作等内容,也包含了与全速立即计费,GSM900/1800双频段工作等内容,也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术,使得话音质量得到了质的改进;半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。
在GSMPhase2+阶段中,采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术,引入智能天线技术、双频段等技术,有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM系统容量不足的缺陷;自适应语音编码(AMR)技术的应用,极大提高了系统通话质量;GPRS/EDGE技术的引入,使GSM与计算机通信/Internet有机相结
合,数据传送速率可达115/384kbit/s,从而使GSM功能得到不断增强,初步具备了支持多媒体业务的能力。
尽管2G技术在发展中不断得到完善,但随着用户规模和网络规模的不断扩大,频率资源己接近枯竭,语音质量不能达到用户满意的标准,数据通信速率太低,无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。
第三代移动通信系统(3G),也称IMT2000,是正在全力开发的系统,其最基本的特征是智能信号处理技术,智能信号处理单元将成为基本功能模块,支持话音和多媒体数据通信,它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务,例如高速数据、慢速图像与电视图像等。
如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps,在用户高速移动时最大支持144Kbps,所占频带宽度5MHz左右。
但是,第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA三大分支,共同组成一个IMT2000家庭,成员间存在相互兼容的问题,因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信;再者,3G的频谱利用率还比较低,不能充分地利用宝贵的频谱资源;第三,3G支持的速率还不够高,如单载波只支持最大2Mbps的业务,等等。
这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要,因此寻求一种既能解决现有问题,又能适应未来移动通信的需求的新技术(即新一代移动信:
nextgenerationmobilecommunication)是必要的。
二、第四代移动通信系统的概念
4G也称为广带接入和分布网络,具有超过2Mb/s的非对称数据传输能力,对高速移动用户能提供150Mb/s的高质量的影像服务,并首次实现三维图像的高质量传输.它包括广带无线固定接入、广带无线局域网,移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统),是集多种无线技术和无线LAN系统为一体的综合系统,也是宽带IP接入系统.在这个系统上,移动用户可以实现全球无缝漫游.为了进一步提高其利用率,满足高速率、大容量的业务需求,同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落和多径干扰等众多优势。
三、第四代移动通信系统的关键技术
4G系统中有两个基本目标:
一是实现无线通信全球覆盖;二是提供无缝的高质量无线业务.为了达到这个目标,,需要在下列几个方面做出努力:
频谱的高效使用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更高的服务质量、高性能的信号调制传输技术。
为此,4G系统使用了许多新技术,其中关键技术介绍如下:
3.1正交频分复用技术
第3代移动通信主要采用以码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAddress,CDMA)技术,而正交频分复OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionModulation,OFDM)技术因具有频谱利用率高、抗多径衰落能力强等优点,受到越来越广泛的关注.并已成功地应用到高速率数字用户线(HDSL)、不对称数字用户线
(ADSL)、高清晰度数字电视(HDTV)、无线局域网网标准802.11a、数字视频广播(DVB2T)以及固定本地无线接入系统中.可以预见4G中将采用OFDM技术作为主要的传输方式OFDM技术实际上是多载波调制MCM(Multi2CarrierMul-tiplexing,MCM)的一种,其主要原理是:
将待传输的高速串行数据经串/并变换,变成在N个子信道上并行传输的低速数据流,再用N个相互正交的载波进行调制,然后叠加一起发送.接收端用相干载波进行相干接收,再经并/串变换恢复为原高速数据.图1是OFDM系统基本框图.OFDM技术的主要
优点有:
(1)抗衰落和码间干扰能力强.OFDM通过串/并变换,
扩展了每个子载波上的数据符号的脉冲宽度,降低了子信道的信息速率,使得对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗能力更强;并且采用插入循环前缀技术.若循环前缀长度大于信道扩展长度,则能有效地保持载波间的正交性,进而抑制了符号间干扰ISI(Inter2symbolInterference,ISI).
(2)实现容易.对OFDM的N个正交子载波进行调制与解调,可以通过快速傅立叶逆变IFFT(InverseFastFourierTransform,IFFT)和快速傅立叶变换FFT(FastFourierTransform,FFT)来实现,这在数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor,DSP)上比较容易实现.
(3)频谱利用率高.在传统的频分复用方法中各个子载波的频率是互不相同,为了减少各子载波之间的相互串扰,需要留出足够的频率保护带,降低了频谱利用率.同时,需要使用大量的对应各个子载波频率的发送滤波器和接收滤波器,在一定程度上增加了系统的成本.而OFDM信号的相邻子载波相互重叠中,可以最大限度地利用频谱资源.这对于稀有的无线频谱资源非常重要.
3.2多输入多输出(MIMO)技术
多输入多输出(MIMO)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。
该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是下一代移动通信系统的核心技术之一。
MIMO技术的基本思想就是在无线通信系统的发射和接收端都采用多天线
为输入信号,
为输出信号式中符号
-矢量或矩阵的转置,见图2,MIMO系统原理图。
MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理,在丰富的散射环境下,空分复用MIMO系统(如BLAST结构)可以获得与天线数成正比的容量增长,从而极大地提高频谱效率,增加系统的数据传输速率。
但是当散射程度欠佳时,会引起信道间的空间相关,尤其在室外环境下,由于基站的天线较高,从而角度扩展较小,其空间相关难以避免,在这种情况下MIMO不可能获得所期望的数据传输速率。
研究表明,采用MIMO技术的无线局域网系统在室内环境下的频谱效率可以高达20~40bps/Hz;而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1~5bps/Hz,在点到点的固定微波系统中也只有10~12bps/Hz。
3.3 切换技术
切换技术能够实现移动终端在不同小区之间跨越和在不同频率之间通信以及在信号质量降低时如何选择信道.它是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠通信的基础.主要划分为硬切换、软切换和更软切换.硬切换发生在不同频率的基站或不同系统之间.在切换过程中,移动台先中断与原基站的联系,然后调谐到新的频率上,再与新基站建立联系.其明显缺点是在通信过程会出现短时的传输中断,影响通话质量.另外,由于各种因素还会导致切换失败,引起掉话.软切换是同一频率下不同基站之间的切换.在切换过程中,移动台在中断原基站的联系之前,先用相同频率建立与新基站的业务信道,原基站和新基站同时接收移动台的信号,移动台也接收2个基站
的信号,当检测到新基站的传输质量满足指标要求后,移动台才切断同原基站的链路.由于在2条链路传输的是同一个数据流,保证了通信不会发生中断,也减少了切换过程中的掉话率.软切换是指发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间的切换.第4代移动通信中的切换技术正朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。
3.4软件无线电技术
软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。
通过下载不同的软件程序,在硬件平台上可实现不同功能,用以实现在不同系统中利用单一的终端进行漫游,它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。
软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬(DigitalSignalProcessHardware,DSPH)、现场可编程器件(FieldProgrammableGateArray,FPGA)、数字信号处理(DigitalSignalProcessor,DSP)等。
3.5 IPv6协议技术
3G网络采用的主要是蜂窝组网,而4G系统将是一个基于全IP的移动通信网络,可以实现不同类型的接入系统和通信网络之间的无缝互连.为了给用户提供更为广泛的业务,使运营商管理更加方便灵活,4G中将取代现有的IPv4协议,采用全分组方式传送数据的IPv6协议。
IPv6协议主要有如下优点:
①巨大的地址空间:
地址字段采用128位,能够为所有网络设备提供一个全球唯一的地址.②地址的自动配置:
IPv6支持无状态和有状态2种地址自动配置方式.③服务质量:
IPv6能提供不同水平的服务.这主要是由于IPv6报头中新增加了“业务级别”字段和20位的“流标记”字段.通过这2个字段,中间的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流.“流标志”将用于基于服务级别的新计费系统.另外,IPv6还将支持“实时在线”连接、防止服务中断以及提高网络性能.④移动性:
移动IPv6在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性.每个移动设备设有一个固定的家乡地址,这个地址与设备当前联网的位置无关.当设备在家乡以外的地方使用时,可以通过一个转交
地址来提供移动节点当前的位置信息.移动设备每次改变位置,都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点.在家乡以外的地方,移动设备传送数据包时,通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址.
四、4G通信系统的主要特征
目前正在构思中的4G通信具有以下特征:
(1)通信速度更快
人们研究4G通信的最初目的是为了提高蜂窝电话和其他移动终端访问Internet的速率,因此,4G通信最显著的特征就是它有更快的无线传输速率。
据专家估计,第四代移动通信系统的传输速率速率可以达到10M~20Mbps,最高可以达到100Mbps。
(2)网络频谱更宽
要想使4G通信达到100Mbps的传输速率,通信运营商必须在3G网络的基础上进行大幅度的改造,以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。
据研究,每个4G信道将占有100MHz的频谱,相当于W-CDMA3G网络的20倍。
(3)通信更加灵活
从严格意义上说,4G手机的功能已不能简单划归“电话机”的范畴,因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一而已。
而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端。
(4)智能性更高
第四代移动通信的智能性更高,不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化,更重要的是4G手机可以实现许多目前还难以想象的功能,例如,4G手机将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。
(5)兼容性更平滑
要使4G通信尽快地被人们接收,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下较为容易地过渡到4G通信。
因此,从这个角度来看,4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。
(6)实现更高质量的多媒体通信
4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等,大量信息透过宽频的信道传送出去,为此4G也称为“多媒体移动通信”。
随着固定和移动宽带化的发展趋势,通信网络正在发生着根本性的变化,通信的主体也将由主要是人与人,扩展到人与物或物与物。
固定网与移动网的融合,通信网、计算机网、广播电视网和传感器网络的融合将成为未来发展的趋势。
二、下面介绍OFDM工作系统的基本原理
20世纪80年代,OFDM技术被应用到无线通信当中,因为其可以最大程度的减小信号的衰落,且具有较高的速率二得到了广泛的应用。
如今OFDM已被多个标准所采纳和应用,如无线局域网、数字电视、宽带无线接入等等,OFDM技术都是作为最核心的技术。
一、OFDM系统简介
在OFDM系统中,信号的产生和调节都是通过数字信号的处理方式来进行处理的。
因此,在进行处理时,首先是采用1/Ts的平率来抽样,形成离散的时间信号,然后再通过串并转换,进过信号映射后表示为:
。
通过变换后的并行数据符号率为1/(N·Ts),也就是说此时的并行符号的持续时间已经是串行时间Ts的N倍。
然后再把数据向量
进行傅里叶变换,再在添加上保护间隔时间Tg即可得到
。
如果用Sn,k表示第n个符号,第k个子载波的IDFT输出,则其关系式可表示为:
变换后得到的信号经过并串转换,数模转化后送入信道程序。
在这个过程中,为了消除符号间干扰ISI和载波间干扰ICI的影响,保护间隔的长度应大于信道的最大时延扩展。
同理,在接受部分,OFDM信号依次经过模数转换、串并转化,去掉时间保护间隔,通过N的离散傅里叶变化,然后再经过并串转化和解码便可得到需要输出的数据。
二、串并转换
串并转换就是把一个连续的信号元序列变换成为表示相同信息的一组相应的并行出现的信号源的过程。
OFDM进行串并转化的原因为了进行调制,同时还可以尽可能的减少多径无线信道的影响。
转换后的信道虽然是非平坦的,还具有一定的线信道的影响。
转换后的信道虽然是非平坦的,还具有一定的选择性,但对于每个子信道来说却是相对平坦的,在信道上进行传输时,信号的带宽也远远小于信道的带宽,可以大大的减少信号波之间的相互干扰,提高了频谱的利用率,同时也消除了码间内的干扰,消除信源的长时间0串或者是1串所带来的影响,因此,串并转换在OFDM通信系统中是至关重要的一环。
在接收端则采用子载波去同步解调,然后再按照发送端相反的方向还原出原始的数据。
正常情况下信道衰减严重的话会引起连串的比特错误,然而经过串并变化后的信号在时间上几乎是相同的,所以同时消除了错误。
另外也在一定程度上提高了前向纠错编码的性能,从整体上提高了OFDM的性能。
三、子载波调制
在OFDM系统中,对载波所使用的调制方法可以相同也可以不同,根据信道的实际状况选择不同的调制方式。
如果用N表示子载波的个数,T表示OFDM符号的持续时间;di表示子信道的数据符号,
表示第i个子载波的频率,矩形函数rect(t)=1,|t|≤T/2,时间从ts开始,则通常用下式来描述OFDM的输出信号:
OFDM技术的特点就是各子载波相互正交,使扩频后的频谱可以相互重叠,减少相互之间的干扰,提高了传递的速度。
四、保护间隔与循环前缀
OFDM最大的优势就是把数据流串并到N个并行的子信道上,是的数据符号的周期可以扩大为原来数据符号周期的N倍,同时时延扩展与符号周期的比值也降低了N倍。
为了尽可能的消除符号间以及信道间的相互干扰,OFDM系统又采取了保护间隔和循环前缀二种措施。
保护间隔通过插入到符号之间起到保护的作用,而且保护间隔的长度一般应大于无线信道的最大时延扩展,在保护间隔内可以不再插入信号,即暴露空闲的传输时段。
而这种空闲的信道之间也往往会产生干扰,造成ICI,为了解决这种现象,OFDM系统将原来宽度为T的符号进行周期扩展,用扩展信号进行填充。
处于保护间隔内的信
号即为循环前缀。
同样,在接收端要先把宽度为Tg的部分丢弃掉,然后再进行傅里叶变换、解调等。
五、OFDM系统参数的确定
OFDM的系统参数主要包括带宽、比特速率以及时延扩展。
他们的选择需要根据不同的要求进行优化,但经过多年的实践,还是有一些规律可循的。
保护间隔的时间长度一般为移动环境信道时延扩展均方
根的2~4倍,如果保护间隔确定那么符号周期的长度也基本可以确定了。
为了减少插入保护间隔带来的信噪比损失,一般附后周期的长度是保护间隔的5倍。
在确定了符号周期及保护间隔后,则可以直接用带宽除以子载波间隔得到子载波的数量。
比特速率则是有调制类型、编码速率和符号速率共同确定的。
三、这是一块比较重要的东西,是研究离散小波与OFDM一起的说明,是基于离散小波变换正交频分复用(DWT-OFDM)相关的了解。
基于离散小波的基本理论,提出了一种新的多载波调制技术—离散小波变换正交频分复用(DWT—OFDM)。
针对下一代移动通信中频率选择性及符号干扰的问题,比较全面的研究了基于离散小波变换的调制的基带特性,包括抗载频偏移和抗脉冲干扰等各方面性能,以及该系统在AWGN和典型无线传输环境下的表现等。
理论及实践证明:
在对抗窄带干扰方面,DWT—OFDM系统性能表现突出,远远优于传统OFDM的性能。
传统的OFDM系统是基于FFT的系统,能够提高系统抗衰落和抗同信道干扰的能力,但是传统的OFDM技术存在两个问题:
其一,当信道特性破坏了各载波子信道的正交性时,系统的性能会受到很大的影响;
其二,对信号进行FFT变换时,实质上对信号有一符号周期(Ts)长的截断过程,这一截断过程相当于信号与一个时长为Ts的矩形脉冲相乘,因而具有Sinc函数形状的频谱,前后两个数据帧有较大的频谱重叠,在信道畸变(如相位失真)时会产生较大的码间干扰(ISI)和各子信道之间的串扰(ICI)。
为了解决这两个问题,人们在实际应用中一般加有保护带宽,同时增加数据帧之间的保护时宽。
然而保护时宽的增加,一方面降低了信号传输速率,另一方面在多径信道中,保护时宽只能清除前一符号对当前符号的影响,但对当前符号由于自身的多径效应而造成的干扰则没有多大的抑制作用。
另外,增加帧间保护带宽等传统的方法是基于信道的线性假设条件的,当线性假设条件不满足时,其抗干扰的效果仍然会受到影响。
因此,这种增加保护带宽和增加数据帧之间保护时宽的方法并不能解决根本问题,必须采用新的方法来抑制干扰。
本文利用在时域和频域同时满足紧支撑特性的小波函数,克服了基于
FFT的OFDM系统的缺陷。
离散小波变换能同时提供时间轴上函数本身的正交性和正交子空间中各函数基的互正交性,同时小波的滤波器具有高频谱容量,所有基于离散小波的OFDM系统都能更好的对抗窄带干扰,且比FFT一OFDM具有天然的特性减少ICI。
并且,小波OFDM中也不再需要FFT一OFDM中的保护间隔,这样系统更加简单,
且数据速率更高。
一DWT-OFDM基带传输系统的基本原理
DWT一OFDM复基带系统的实现框图如图1所示:
正交小波变换基于两个函数中
和
它们分别具备如下特征
构成了一组正交基
包含N个子载波的DWT-OFDM系统的复等效基带信号为:
快速小波变换采用两子带滤波器h(k)和g(k)构成塔式结构方案。
由(4)式知,DWI一OFDM系统采用Malat快速算法实现多载波调制,如果采用N个子载波调制,那么等效于用h(k)和g(k)组成的滤波器组进行
次迭代实现。
二、DWT-OFDM系统与传统OFOM系统的性能比较
DWT一OFDM和传统的DFT一OFDM两种多载波调制,具有多载波调制的一般优点,但二者由于两种正交变换的性质不同,调制性能也不同。
1.DWT一OFOM系统对抗加性高斯白噪声的性能
假定系统处于理想同步情况,我们采用最简单的加性白高斯噪声
信道模型,选用Daubeehies族dbl一dbs等小波作为正交小波基函数,采用QPsK数字调制,不加循环前缀,与传统OFDM系统在相同条件下进行性能比较,仿真结果如图2所示。
循环前缀是用来对抗多径干扰的,但在理想同步的情况下,AWGN不会带来ISI和ICI,加循环前缀只会带来1dB的信噪比损失。
因此为了公平比较,两系统都没有加人循环前缀。
从仿真图中我们看到,两系统对抗加性高斯白噪声的性能是一样的,主要因为DWI一OFDM是一种特殊的OFDM系统,和传统OFDM系统一样,也是选取一组正交基带,对输入的数据进行正交调制,获得一个长周期的OFDM符号,而接收端对调制后的信号能够完全重建。
该仿真结果验证了DWT一OFDM系统建立的正确性。
2.DWT一OFDM系统对抗窄带脉冲噪声的性能
根据相关文献,窄带脉冲噪声的幅度的概率分布函数为:
—式中,A代表脉冲指标,
为高斯噪声一脉冲噪声功率比。
为高斯噪声功率。
为脉冲噪声功率,
为总的噪声功率。
幅度服从(5)式分布的噪声通常包括高斯分布的背景噪声,噪声功率为
脉冲噪声源服从泊松分布m!
。
参数A定义为接收机单位时间间隔内的脉冲噪声数。
A值越大,脉冲噪声出现的频度越高,A类噪声越接近高斯噪声。
当A值接近10时,A类噪声的统计特性几乎是高斯分布了。
所以,为了正确的模拟出窄带脉冲噪声,A一般取小于10的整数,在仿真中,我们选取A=2,选取Haar、db3、db5、db7
Db9等小波作为正交小波基函数。
选用相同的信道环境,对DWT-OFDM系统和传统OFDM系统分别进行仿真并比较,仿真结果如图3所示。
图三表明:
DWT-OFDM系统对抗窄带脉冲噪声的性能明显好于DFT-OFDM系统,并且随着Daubechies小波支撑长度的增加,系统对窄带脉冲噪声的性能会越来越好。
小波滤波器具有很好的频谱集中器,副瓣衰减得很快,谱能量主要集中在主瓣,频谱容量远远高于Fourier滤波器;同事,随着Daubechies小波支撑长度的增加,小波滤波器的频谱几种性越来越好,所以DWT-OFDN系统在窄带脉冲噪声环境下更有优势。
3.DWT-OFDM系统对抗多径干扰的性能
我们同样假定系统处于理想同步的情况下,采用4径Rayleigh,选取Haar、db3、db5、db7、db9等小波作为正交小波基函数,采用QPSK数字调制,插入块状导频,采用频域线性信道估计算法,对信道进行均衡。
选用相同的条件,对DWT-OFDM系统和传统OFDM系统分别进行仿真并比较,仿真结果如图4所示。
对抵抗多径干扰方面,传统PFDM系统采用加循环前缀的方法来消除ISI和ICI,而对于DWT-OFDM系统,因为正交小波基数波形的非规则性,不能采用加循环前缀的方法。
图4表明:
在多径衰落信道下,采用相同频域线性信道估计算法,DWT-OFDM系统对抗ISI和ICI的性能要比传统OFDM系统差,但是我们不
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 论文 读书笔记 资料