B3G/4G的一些相关技术的演进（摘自一博士论文）

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B3G/4G的一些相关技术的演进

正交多载波技术
在一个典型的无线信道中，多径现象源于多散射体对传输信号的反射。由
于不同传播路径的不同时延，导致了信道的时域色散。由于多径的存在，在接
收端的同一个符号周期内，存在着多个符号的信息，因此也就产生了符号间串
扰（Inter ¡ Symbol Interference，ISI）。如果传输距离很短（小于几百米）
且数据速率很低，则符号周期远大于信道最大延时，此时即使在没有均衡处
理的情况下ISI的影响也很小。但若传输距离很长或数据率很高，ISI则会严重
影响信号解调，因此必须采用信道均衡技术。当ISI延伸到100个符号周期时，
均衡滤波器将十分复杂。在信道延时很大时实现高速数据传输，需要一种新
技术，于是正交多载波技术应运而生，其中最有代表性的是OFDM(Orthogonal
Frequency Division Multiplexing)技术。
1.2.1.1 OFDM技术发展历程
多径散射是产生频率选择性衰落之源。面向频率选择性信道的信息传输技
术的研究是宽带移动通信中最具有挑战性的工作之一。在第三代移动通信系统
中，采用码分多址（CDMA）技术来处理多径问题，以获得多径分集增益。然
而在该体制中，多径干扰和多用户干扰始终并存。虽然在理论上采用多用户检
测（MUD）的办法能够完全分离各个用户的信号，分解多址干扰和多径干扰，
但在用户数较多的情况下，实现多用户检测是非常困难的。DS-CDMA的自干扰
特性使它在B3G/4G中的应用前景不被看好。此时，人们把目光转向了另外一种
传输技术—正交频分复用（OFDM）技术。OFDM是一种高频谱利用率的并行
传输技术，其思想是使用多个并行的子载波传输数据，并使相邻子载波间隔等
于一个子载波的带宽，子载波之间相互正交。在理想情况下，接收端可以利用
子载波之间的正交性，互不干扰地对各子载波进行解调，如图1.1所示。由于
频谱重叠，OFDM系统的频谱利用率提高幅度与一般的频分复用相比几乎达到
一倍。OFDM传输技术与单载波系统相比最大的优势在于它适配于频率选择性
衰落信道。在接收端，经过无线信道后的OFDM信号各子信道间保持了原有的
正交性，信道干扰的影响简化为一个复传输常数与一个子信道所传输的信号相
乘。因此，对信号进行均衡变得很简单，但在传统的相同带宽的单载波系统中
实现这种均衡是非常困难的。

这种并行传输的思想早在五十年代便有人做过研究，1967年B. R.
Saltzberg对此做了系统地描述[7]，为OFDM技术的演进打下了基础。在OFDM技
术的发展过程中，有两次飞跃性的发展：第一次飞跃出现在1971年，S. B.
Weinstein和P. M.Ebert提出使用离散傅里叶（Fourier）变换来实现多载波基带的
调制和解调[8]，而第二次飞跃是A.Peled和A.Ruiz在1980年提出的采用循环前缀
（Cyclic Prefix,CP）来做保护间隔，以保证各子载波信号在经过色散信道后仍
保持正交[9]，这两次改进使OFDM成为一项可实现的技术。
在过去的20年里，OFDM技术得到了广泛的应用，在八十年代，OFDM的
研究是针对高速调制解调器，移动数字通信和高密度记录。Hirosaki采用
多路复用OFDM技术设计了19:2Kbps 的音频调制解调器[10]，之后不同速率
的调制解调器不断产生。在这一时期提出了很多用于语音波段的OFDM调
制解调器的方案， 但大多由于不为标准所采纳而没有得到商业推广。
在最近的十年当中，OFDM 被用于无线移动调频信道下的高速数据通信
和数字用户线(Digital Subscriber Line,DSL)当中。之后OFDM技术又被不断
的应用到数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,DAB)[11] 和数字视频广
播(Digital V ideo Broadcasting,DVB)[12]当中。OFDM另一个在无线中的应用
是在高速以太网中的应用。在这种系统中虽然绝对的延时不大，但是当
要传输很高的数据率(一般要几十兆比特)时，延时与符号间隔相比就会很
大，OFDM在长时间均衡的情况下更有优势。最新的无线局域网（WLAN）标
准IEEE802.11a，HIPERformance LAN type 2 （HIPERLAN/2）和Multimedia Mobile
Access Communication（MMAC）[13–15]都采用OFDM作物理层的传输手段，
用于在5GHz频段内支持6Mbps到54Mbps的高速无线传输。之后由于不同的
需求和传输环境的不同，OFDM技术开始和其它技术相结合出现了OFDMCDMA
和VOFDM等技术。
除OFDM信号之外， 还有一些其它的正交多载波技术， 如PCCOFDM
和DWMT等，本论文将在第3章中对这些正交多载波技术进行介绍。
1.2.1.2 OFDM技术中的峰值平均功率比（PAPR）问题
在OFDM信号中，信号被分配在相互重叠、但又相互正交的各个子载波上
传输。由于各子载波之间的统计独立性，其相应的时域波形包络近于高斯，因
此，OFDM传输方式的一个主要缺点是峰值、平均功率比（PAPR）比较高，见
图1.2，这就要求系统中的功率放大器有很大的线性动态范围，以避免传输信号
的非线性失真和频谱扩散，从而增加了系统成本和实现难度。
为了解决OFDM中的大峰均比难题， 许多文章作了大量的研究， 文
献[16, 17]中针对多音频信号，从选择各个子载波的初始相位入手，提出了几
种降低PAPR的方法。但随着通信技术的发展，为提高传输效率，载波的相位和
幅度均被用于传递信息，上述文章的方法不再适用。文献[18–20]中则通过某些预
编码方法，使各子载波传输的信息相互关联，从而降低PAPR。这类方法具有良
好的数学结构，实现简单，运算量小，但如何寻找相应的编码方案理论上有相
当的难度，从目前所得到的一些结果来看，或者传输效率不高，或者PAPR的
改善有限。文献[21]中则从实现的角度出发，提出了一种OFDM系统中降低信
号PAPR的新的思路。它的基本想法是：如果一组OFDM发送符号的时域信号幅
度低于所要求的门限值，则将其不加任何变换地发送出去；否则，通过某种预
先规定的变换方法对其进行变换，直到其时域信号的幅度满足要求为止，同
时，将变换的一些参数，包括变换次数以很小的代价发送给收方。这种方法虽
然成倍地增加了计算量，但随着器件水平的飞速发展，计算量已不再是难以解
决的问题，而其对OFDM 信号PAPR的大大改善则更加引人注目。
1.2.1.3 OFDM技术中的同步问题
OFDM信号的同步可以分为两个部分：1）符号定时同步；2）子载波
同步。OFDM信号的定时同步与单载波信号的定时同步是完全不同的，因
为OFDM符号没有单载波信号那样的“眼图”来判断最佳采样时间。在一
个OFDM符号之内有成百上千个采样点，因此采样数要与子载波数一致。寻找
一个OFDM符号的定时相当于估计OFDM符号的起点，当OFDM符号前加了循
环前缀（Cyclic Prefix，CP）时[9]，系统对OFDM符号定时误差的忍耐力会大
大提高。对于子载波同步来讲，接收端必须非常精确的对OFDM信号进行子载
波频率同步，否则各子载波之间会失去正交性。OFDM信号对子载波频偏是非
常敏感的，只有当频偏相对于子载波间隔来说非常小时才不至于影响系统的性
能。一般情况下，只有子载波频偏小于子载波间隔的1%时，对系统性能的影响
才基本可以忽略。
OFDM系统的子载波频偏会在两个方面对系统的性能产生影响：1）匹配
滤波器的输出信号幅度变小；2）子载波不再严格正交而产生子载波间串扰
（ICI）。第2章，将对OFDM子载波同步问题做深入的研究。
1.2.2 多天线技术
无线通信发展到今天，频谱资源匮乏和可利用频段的恶劣的传输特性（尤
其是城市信道的各向异性特征）使得实现B3G/4G的目标变得尤为艰难。挖掘传
统的信道编码、均衡、多址等技术的潜力给无线通信带来的改善十分有限。幸
运的是，近年来在多天线技术研究上取得了突破性进展，这些进展给高速无线
通信带来了曙光。
多天线技术大体上可分为三类：1）波束成型技术；2）空间分集技术；3）
空间复接技术。在波束成型多天线技术中，最有代表性的是智能天线，它利用
天线波束成型来提高接收方向的信号能量，同时尽可能地抑制来自其他方向上
的干扰，提高信噪比，进而提高系统的性能和用户容量。波束成型多天线技术
与其它多天线技术相区别的最明显特征是它要求天线阵元之间存在相关性，并
利用这种相关来实现波束成型。第二类多天线技术是多天线分集技术，可进一
步分为发送分集和接收分集技术。首先被研究并成熟起来的是接收分集技术，
应用接收天线分集的系统通常是单发多收（SIMO）系统。由于移动台的体积
受限，很难在移动台上安装多根天线，所以多天线接收分集基本上都应用在无
线上行接收链路。然而，这种用于上行接收多天线分集技术并没有给移动通信
带来实质性的改观，因为未来的移动通信业务呈现出非常明显的不对称性，即
用户的下载数据量通常要远远高于上载的数据量。也就是说，下行的数据传输
速率才是制约整个系统传输速率的瓶颈。所以，能够极大改善下行传输速率的
多天线发送分集技术成为人们的研究热点。多天线发送分集系统是一种多发单
收（MISO）系统，这一点与智能天线极为相似，有很多学者也将这两者归为
一类，但作者认为，他们在出发点上存在着很大的不同，如前所述，智能天线
需要发送的天线之间存在相关性以达到波束成型的目的，而发送天线分集则力
求发送天线之间独立，以获得最大的分集增益。多天线发送分集的基础是空时
编码（Space-time Code）理论，它将时域编码与多天线提供的空间分集结合起
来，能够同时获得编码增益和空间分集增益。有代表性的编码技术包括空时格
栅码（STTC）[22–24]和空时正交分组码（STBC）[25–28]。其中作为空时正交分组
码的一个简单特例，空时传输分集（STTD）双天线发送分集技术已经被3G标
准所采用。
以上归纳的第一类和第二类多天线技术中，无论是波束成型增益还是
空间分集增益，最后都是通过提高系统的信噪比（SNR）来改善系统性能
的，但这些技术对提高系统的频谱利用率的作用并不明显。而第三类多天
线技术，即空间复接技术，是通过在收发两端都装上多根天线，通过传
输多个数据子流来达到提高频谱利用率的目的。1995年Telatar首次给出了高
斯噪声独立信道下的多天线系统信道容量[29]，随后，G.J. FOSCHINI 和M.J.
GANS也给出了类似的理论结果[30]。结论是：在较高信噪比下，信道容量大致
随minfMT ;MRg（MT 和MR分别表示发送和接收天线的数目）呈线性增长，这
说明在时间资源和频率资源的利用几乎达到饱和的情况下，利用多天线技术可
以在不增加带宽的条件下成倍地提高系统的容量。这一理论无疑是非常振奋人
心的，因为从某种角度上讲，空间资源与时间资源、频率资源相比几乎是无限
可利用的，现有的技术对空间资源的利用程度还远未达到极限的程度，利用多
天线技术来提高系统的容量具有很大的潜力。另一个意义重大的结论是，单方
面地增加接收天线或发送天线所能获得的信道容量增益都是非常有限的，其增
幅将随天线数目的增加而趋于饱和，这也正是采用MISO或者SIMO系统不能显
著提高频谱利用率的原因。只有同时增加收发天线的数目才能大幅度提高频谱
利用率。这些振奋人心的理论结果很快就被贝尔实验室的实验所证明。在这个
实验里，一个8发12收、16QAM调制、V-BLAST发送方案实现了25.9bit/s/Hz的
频谱利用率[31]。典型的空间复接技术包括D-BLAST、V-BLAST。
虽然空间复接多天线技术在容量上占尽优势，但在误码性能上还距离人们
的期望较远。牺牲部分频谱利用率以换得空间分集或者时间分集增益，从而在
误码性能和容量性能上取得最佳折衷成为人们追求的目标[32] 。MIMO技术是近
年来的研究热点，关于MIMO的研究成果层出不穷。不过，最近的研究结果表
明，采用信道编码＋交织＋BLAST能够取得接近容量极限的性能。而信道编码
方案的选取学者们更倾向于Turbo码和LDPC码。第5章将对LDPC-BLAST进行详
细的描述。
1.2.3 Turbo码与LDPC码
1948年，香农[33]证明了如下命题：对于离散无记忆信道，传输速率R小
于信道容量C 时，都存在一族块码，使解码的平均差错率小于任意小的正
数"。数十年以来人们一直致力于寻找一种低复杂度、高性能的编解码方
法。编码理论发展到今天，大体经历了两个阶段[34]：1948年到上世纪90年
代中期，代数编码理论（Algebraic Coding Theory）[35]占据主导地位；从上
世纪90年代中期到现在， 编码理论的研究热点正由代数编码理论转向稀
疏几何编码（Sparse-Graph Coding） 理论。这一时期， 出现很多性能很好
的编码方法，其中有代表性的有：R. G. GALLAGER在1961年提出的低密度
奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码[36]；Berrou等人在1993年
提出的Turbo码[37, 38]；H. Jin等人在2000年提出的不规则重复累积（Irregular
Repeat Accumulate，IRA） 码[39]；M. Luby在2002年提出的陆柏变换（Luby
Transform，LT）码[40]。在这些码中，最受人们关注、理论最成熟的无疑
是Turbo码和LDPC码，因此也就成为了在下一代移动通信中应用前景最被看好
的两种编码方法。
1.2.3.1 Turbo码
Turbo码是一种迭代信道编码，由Berrou等人在1993年提出[37, 38]。Turbo码
的概念可以通过它的编码和解码结构很好的描述。图1.3[38]给出了Turbo码编码
的示意图。非常明显，为了产生Turbo 码，需使用两个编码器，而且在第二个
编码器前放置了一个交织器。Turbo码的目的就是用一个相同的输入比特序列来
产生两个互相独立的码字。而加交织器的目的就是使得经过交织后的两个进行
编码的比特流相互独立。图1.3中的两个编码器可以是块码编码器，也可以是卷
积码的编码器，现在一般使用的都是卷积码编码器。
在接收端（如图1.4[38])，接收到来自信道的软信息，其中包括系统比特和
校验比特。图中可以看出，两个解码器之间并不是独立的，每一个解码器的解
码信息经过交织（反交织）之后反馈给另一个解码器。
由此可见，对于Turbo码来说，解码的复杂度要远高于编码的复杂度。但由
于在无线通信系统中，人们更渴望有一个复杂度很低的终端，以降低成本。于
是解码复杂度低的LDPC[41]信道编解码方法进入了人们的视野。
1.2.3.2 LDPC码
当Turbo码得到了广泛认可并讨诸应用之际，另一种与它特点和性能相
似的编码方法也渐渐被人们所重新认识[41]。这类码被称为低密度奇偶校验
码（Low Density Parity check，LDPC）码，最早由Gallager在1961年提出[36]。
从Gallager的论文发表到提出Turbo码的很长一段时间里，LDPC码被严重地忽略
了[41]。
LDPC码与Turbo码相比有较低的解码复杂度，基本实现了线性译码，而且
信道越好，迭代次数也会越少。在OFDM系统中，加性白高斯噪声（AWGN）
环境下，规则LDPC码的性能比turbo差，但在多径信道下，LDPC码的性能更优
越[42]。LDPC码的另一个优势在于它本身有很好的自交织性。而对于一个码长
较长的Turbo码来说设计一个好的交织器本身就是一个非常复杂的工作。
LDPC码的最初的形式，即规则LDPC码，在AWGN条件下与Turbo码相比性
能差距很小。例如一个码长10,000 码率0.5的LDPC规则码，达到10¡5的误比特
率需要的Eb=N0 为1.4dB，而相同的Turbo码仅需要0.8dB，码率0.5的二元码的香
农极限Eb=N0为0:187dB。
现如今人们对LDPC码的关注热点已经转向了非规则LDPC码。非规
则LDPC 码最早于1997年由M. Luby等人提出[43, 44]，在文献[45–47]中对其进行
了较深入的研究，并指出在AWGN信道中，非规则LDPC码与规则LDPC码
相比有更强的纠错性能。文献[48]中提出的非规则LDPC码在码率1/2、码
长107、Eb=N0为0:1915dB（与香农极限的差距只有0:0045dB）的情况下，误
比特率达到了10¡6。另外多边缘（Multi-edge）LDPC码[49]也是LDPC码研究的
一个热点。

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