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浙江工业大学硕士学位论文 wim a x 物理层o f d m o f d m a 同步技术研究 摘要 w i m a x 技术是一项新兴的无线宽带接入技术，是解决最后一公 里的最佳接入方式，很好地满足了用户对无线通信移动化和宽带化的 需求。w i m a x 主要有两大标准构成：m e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 。 i e e e 8 0 2 1 6 d 支持固定无线宽带接入，i e e e 8 0 2 1 6 e 则同时支持固定 和移动无线宽带接入。w t m a x 物理层可以分为四种结构： w i r e l e s s m a n s c a 、w i r e l e s s l 气n o f d m 、w i r e l e s s m a n - o f d 【a 、 w i r e l e s s m a n 孙ma n 。 本文结合i e e e 8 0 2 16 d e 标准，主要分析了其中的 w i r e l e s s m a n o f d m 和w i r e l e s s m a n o f d m a ，重点研究了 o f d m o f d m a 系统同步技术。分析了o f d m 系统的载波、采样、 符号同步原理及对整个o f d m 系统的影响，并给出性能仿真结果。 针对每一种同步，提出了相关算法，并给出了仿真结果，还根据 w l m a x 物理层o f d m 系统具体要求与标准提出了一个完整的同步 流程，并给出了同步参数估计算法，包括精细定时同步算法，分数倍 频和定时联合估计算法，整数倍频估计算法及导频相位跟踪算法，同 时给出了仿真结果，效果良好；另外，重点研究了o f d m a 系统上行 链路频率同步问题及相关补偿方法，提出了一种基于子空间结构的多 用户频偏估计算法，并且给出了仿真结果，可以得到性能比采用直接 m l 估计算法更好，具有明显的优势。最后，对上行测距技术原理与 算法作了简要分析与研究，为以后进一步研究提供了基础。 关键词：w i m a x ，i e e e 8 0 2 16 ，o f d m ，o f d m a ，同步估计 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d y0 fo f d m o f d m as y c h r o n i z a t i o n t e c h n i q u e i nt h ep h y s i c a ll a y e ro fw i m a x a b s t r a c t w i n 似i san e wb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yw h i c hi st h e b e s tm e t h o do fl a s t m i l ea c c e s s ，a n ds a t i s f i e su s e r sn e e do fm o b i l i n g ， b a n d w i d i n gi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w i l 、嗄axs t a n d a r d i n c l u d e s i e e e 8 0 2 16 da n di e e e 8 0 2 16 e i e e e 8 0 2 16 ds u p p o r t sf i x e da c c e s s w h i l ei e e e 8 0 2 1 6 es u p p o r t sb o t hf i x e da c c e s sa n dm o b i l ea c c e s s t h e r e a r e f o u rf r a m e w o r k sa v a i l a b l ei nw r i m 渔x p h y s i c a ll a y e r ： w i r e l e s s m a n s c a , w i r e l e s s m a n - o f d m ，w i r e l e s s m a n o f d m a w i r e l e s s 4 a 全t 王in a n i nt 1 i sp a - p e r , t h ew j i e l e s s m a n o f d ma n dw i r e l e s s m a n o f d m a f r a m e w o r ki ss t u d i e dc o m b i n e dw i t ht h ei e e e8 0 2 16 d es t a n d a r d t h e a u t h o rg o e sd e e pi n t ot h eo f d m o f d m a t e c h n i q u e 1 1 1 es y n c h r o n i z a t i o n p r i n c i p l eo fc a r r i e r , s a m p l i n ga n ds y m b o la n dt h e i re f f e c tt ot h eo f d m s y s t e m a r ea n a l i z e dw h i l ep r o v i d i n ge m u l a t i o nr e s u l t s a l g o r i t h m sa n d e m u l a t i o n sa r ep r o v i d e da c c o r d i n gt oe a c hk i n do fs y n c h r o n i z a t i o n t h e c o m p l e t e ds y n c h r o n i z a t i o np r o c e s so fo f d ms y s t e mi n 厂i 嗽s p h y s i c c a ll a y e ri sp r o v i d e d t h ee s t i m a t i o na l g o r i t h m sa b o u tp a r a m e t e r s i n d u d i n gf i n et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，j o i n te s t i m a t i o no f f r a c t i o n - f r e q u e n c ya n dt i m i n ga l g o r i t h m ，i n t e g e r - f r e q u e n c ye s t i m a t i o n a l g o r i t h m a n d t r a c k i n g p h a s eb a s e dp i l o t a g o r i t h m a r e p r o v i d e - d a l s o , t h ea u t h o rg i v e st h ee m u l a t i o no ft h ea l g o r i t h m s ，a n dg e t sag o o d r e s u l t t h ea u t h o rg o e sd e e pi n t ot h es y n c h r o n i z a t i o no fo f d v i au p 1 i n k f r e q u e n c yo f f s e ta n di t sc o m p e n s a t i o nm e t h o d t h e n ，m u l t i u s e rf r e q u e c y 0 凰e te s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e ds u b s p a c es t r u c t u r ei sp r o v i d e d a n d a l s ow i t hi t se m u l a t i o nr e s u l tw h i c h s h o w si t sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h e m la l g o r i t h m l a s t ，t h ea u t h o r s i m p l ya n a l y z e s t h e u p l i n k r a n g i n g t e c h n o l o g yw h i c hp r o v i d e sb a s e m e n t f o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：w i m 已气x ， i e e e 8 0 2 16 ，o f d m ，o f d 【a ， s y c h r o n i z a t i o ne s t i m a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景意义 随着无线通信技术的迅速发展，新一代无线通信系统正朝着更高速率、更大 覆盖范围、更好移动性方向发展。w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 技术的出现正好满足了这种需求，很好地解决了无线通信接入技术中的 “最后一公里 接入问题。w i m a x 技术是基于无线城域网i e e e 8 0 2 1 6 标准的 宽带无线技术，目前主要包括i e e e s 0 2 1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 两大标准i l h 2 1 ， i e e e 8 0 2 。1 6 d 支持固定宽带无线接入，i e e e 8 0 2 1 6 c 支持固定和移动宽带无线接 入，可以在固定和移动的环境提供高速的数据、语音和视频等业务，具有广阔的 应用前景。 o f d m o f d m a ( i e 交频分复用i e 交频分多址接入) 技术作为i e e e 8 0 2 16 标 准的核心技术应用到w i m a x 系统的物理层。新一代宽带无线通信系统里的其他 宽带无线接入系统诸如i e e e 8 0 2 1l g a n 、8 0 2 2 0 也以o f d m o f d m a 技术为基 础。总之，目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以o f d m o f d m a 为核心【j j 。 o f d m o f d m a 技术的大部分技术优势都是建立在精确的系统同步与信道 估计基础之上的，系统同步问题成为o f d m o f d m a 系统最核心的技术问题， 是未来无线通信系统所必须解决的关键问题 3 】。然而，人们对w i m a x 系统的 o f d m o f d m a 同步与均衡技术的研究仍于初始阶段，迄今为止，还没有非常行 之有效的同步与均衡算法，因此对于w i m a x 物理层的o f d m o f d m a 同步技术 的研究具有非常重要的现实意义。 1 2wim a x 技术简介 1 2 1w im a ) ( 技术概念介绍 w i m a x 全称为w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波接 入互操作性【4 】【5 】。它的目标是促进i e e e 8 0 2 1 6 的应用，推广遵循i e e e 8 0 2 1 6 和 e t s i h i p e r m a n 的宽带无线接入设备，并确保其兼容性及互用性。所以 w i m a x 几乎是i e e e 8 0 2 1 6 ( w m a n ) 标准的代名词，也就相当于无线局域网 标准i e e e8 0 2 1 l 的“w i f i ”联盟。w i m a x 是采用无线方式代替有线实现“最 后一公里”接入的宽带接入技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中 接口标准。它用于将8 0 2 1 1 无线接入热点连接到互联网，可连结公司、家庭等 环境至有线骨干线路，也可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现无线宽 浙江工业大学硕士学位论文 带接入。 w i m a x 的优势主要体现在这一技术集成了w i f i 无线接入技术的移动性与 灵活性以及x d s l 等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性，其技术优势概 括如下【4 】【5 】： 1 无“最后一公里瓶颈限制、系统容量大 作为一种宽带无线接入技术，w i m a x 接入灵活、系统容量大。服务提供商 无需考虑布线、传输等问题，只需要在相应的场所架设w i m a x 基站。w i m a x 不仅支持固定无线终端也支持便携式和移动终端，能适应城区、郊区以及农村等 各种地形环境。一个w i m a x 基站可以同时为众多客户提供服务，为每个客户提 供独立带宽请求支持。 2 传输距离远、接入速度高 w i m a x 采用o f d m 传输技术，能有效对抗多径干扰；同时采用自适应编 码调制技术可以实现覆盖范围和传输速率的折衷；此外，还利用自适应功率控制， 可以根据信道状况动态调整发射功率。因而w i m a x 具有更大的覆盖范围和更高 的接入速率。当信道条件较好时，可以将调制方式调整为6 4 q a m ，同时采用编 码效率较高的信道编码，提高传输速率，w i m a x 最高传输速率可以达到 7 5 i b i t s 。 3 提供广泛的多媒体通信服务 w i m a x 可以提供面向连接的、具有完善q o s 保障的电信级服务，满足用户 的各种应用需要。 4 提供安全保证 w i m a x 系统安全性较好。w i m a x 空中接口专门在m a c 层上增加了私密 子层，不仅可以避免非法用户接入，保证合法用户顺利接入，而且提供加密功能， 充分保护用户隐私，例如提供e a p s i m 认证。 5 互操作性好 运营商在网络建设时能从多个设备制造商处购买w c e r t i f i e d 设备，而 不必担心兼容性的问题。 6 应用范围广 w i m a x 可以应用于广域接入、企业宽带接入、家庭“最后一公里，接入、 移动宽带接入、热点覆盖及数据回路( b a e k h a u l ) 等所有宽带接入市场。尤其在有 线基础设施薄弱的地区，如广大农村和山区，w i m a x 更加灵活、成本f 氐，是首 选的宽带接入技术。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2w i m a x 技术发展现状 1 w i m a x 技术市场应用现状 从2 0 0 6 年年初以来，全球范围的w i m a x 部署发展迅速。到2 0 0 6 年下半年， 全球得到w i m a x 许可的企业已达到7 2 0 多家【6 】。其中北美最多，共3 9 4 家；欧 洲、亚洲及加勒比与拉美地区分别为1 8 6 、9 7 和4 9 家。进行w i m a x 试验和提 供商用的运营商全球已超过1 5 0 个，遍及美洲j 欧洲、亚洲、非洲和大洋洲。在 韩国、日本、美国、英国、法国、意大利、西班牙、新西兰、阿根廷和瑞典等国 共有2 4 个网进入商用阶段，w i m a x 在不断升温的过程中开始在全球部署。 英特尔公司在2 0 0 4 年下半年) 于始生产基于8 0 2 1 6 d 标准的芯片，用于实现 与基站的无线高速连接。有望在今年推出的笔记本芯片中支持w i m a x 技术，这 样即使用户乘坐出租车时，也能实现无线上网。另外，如果手机通信运营商支持 w i m a x 无线宽带接入，那么它的应用前途就会更广阔。目前一些测试用或试运 行的w i m a x 系统已经建立起来了。 国内的华为、联想、烽火通信等著名设备厂商，都纷纷投入研发和测试 w i m a x 相关产品，同时中国网通、中国移动、中国电信、中国联通等各大运营 商也开始测试相关产品和网络，同时积极申请相关频段和运营牌照。 我们可以大胆预测，在不久的将来，w i m a x 将同w l a n 和3 g 三分宽带无 线接入的天下。 2 w i m a x 技术标准体系发展现状【5 】 i e e e 8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、9 0 2 1 6 d 、 8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 t , 8 0 2 1 6 9 、8 0 2 1 6 h 、8 0 2 1 6 i 和8 0 2 1 6 k 十个标准。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 对使用1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统 的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的频段较高，因此仅能应 用于视距范围内。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 对8 0 2 1 6 进行了扩展，对使用2 1 1 g h z 许可和 免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范， 该频段具有非视距传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 k i n ，通常小区半径为 6 1 0 k m 。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供q o s 保证机制，可支持语音和视频等实 时性业务。 2 0 0 2 年正式发布的8 0 2 1 6 c 是对8 0 2 1 6 的增补文件，是使用1 0 6 6 g h z 频段 8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，它详细规定了1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的 一系列特性和功能。 8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的一 个标准版本。8 0 2 1 6 d 对2 - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规 定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多 浙江工业大学硕士学位论文 个物理层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入 规范。它保持了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性，增加或修改 的内容用来提高系统性能和简化部署，或用来更正错误、补充不明确或不完整的 描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能够后向平滑过渡到 8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持用户的移动性。 8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 的增强版本，该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无 线接入的系统，工作在2 - 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户站以车辆速 度移动，同时8 0 2 1 6 a 规定的固定无线接入用户能力并不因此而受影响。该标准 还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。 8 0 2 1 6 e 标准面向更宽范围的无线点到多点城域网系统，可提供核心共同接 入。制定8 0 2 1 6 e 的目的，是提出一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动 性的宽带无线接入解决方案，该技术被业界视为目前惟一能与3 g 竞争的下一代 宽带无线技术。8 0 2 1 6 f 定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及相关的管理流程。 8 0 2 1 6 9 的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接口，从而能够实 现8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。8 0 2 1 6 h 主 要关注在免执照频段上运作的无线网络系统。8 0 2 1 6 i 目的是制定宽带无线接入 系统空中接口移动管理信息库( m i b ) 要求。8 0 2 1 6 k 主要致力于局域网和城域 网m a c 网桥8 0 2 1 6 桥接。这些标准仍在撰写中，而这些标准的发布无疑将大大 推动w i m a x 的商用。 1 2 3w i m a x 技术发展趋势与应用前景 由于w i m a x 8 0 2 1 6 技术实现了数据分组化、接入宽带化、终端移动化这三 大发展方向的统一，因此一起步便受到了极大的重视。近几年来，w i m a x 8 0 2 1 6 在美国、欧洲、亚太甚至南美和阿拉伯等国家和地区逐渐升温，各政府、机构、 运营商都采取积极的动作1 6 。迄今为止，全球得到w i m a x 许可的企业已超过7 2 0 多家，进行w i m a x 试验和提供商用的运营商全球已超过2 0 0 个。s e m i c o 公司 曾预测，到2 0 1 0 年，w i m a x 的市场规模将会由2 0 0 5 年的2 1 6 0 万美元成长至 3 3 亿美元。t e l e c o m v i e w 预计，到2 0 1 1 年w i m a x 营收可达5 3 0 亿美元。i n - s t a t 也预测，随着开放频谱、互操作性设备增加及c p e 的价格下降，预计到2 0 0 9 年 全世界花费在w i m a x 设备上的费用将上升到2 0 亿美元。同时，随着w i m a x 技术与w i f i 、3 g 等无线技术相结合，商机将更加庞大。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3wim a x 关键技术 w i l v b x 工作频段2 - 6 6 g h z ( 对于i e e e s 0 2 1 6 e 标准：2 1 1 g h z ；对于 i e e e 8 0 2 1 6 , t 标准：1 0 6 6 g h z ) ，信道带宽可在1 5 2 0 m h z 范围内灵活调整，有 利于在所分配的信道带宽内充分利用频谱资源【7 】。 w i 删采用宏小区方式，最大覆盖范围达5 0 k m ，当在2 0 m h z 信道带宽时， 支持高达7 0 m b i t s 的共享数据传输速率( 此时，最大覆盖范围为3 - 5 k m ) 。可采用 多扇区技术来提高系统容量，一个扇区可同时支持6 0 多个采用e 1 t i 的企业用 户或数百个家庭用户。 w i m a x 采用了o f d m 、收发分集、自适应调制等多种先进技术实现非视 距n l o s 和阻挡视距o n l o s 传输，有效提高了城市内无线传输的效能。 物理层支持t d d t d m a 和f d d t d m a 两种无线双工多址方式，以适应不 同国家或地区电信体制要求。支持单载波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 ) 、 h u m a n 四种模式，可根据需要灵活选择。物理层可以根据传输信道性能变化， 动态调整调制方式和物理层参数( 例如：调制参数、f e c 参数、功率电平、极化 方式等) ，以保证较好的传输质量。 w i m a x 的关键技术主要包括以下几个方面降】： 1 正交频分复用正交频分复用多址( o f d m o f d m a ) 正交频分复用o f d m 是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统下 一代蜂窝移动系统的关键技术之一，3 g p p 已将o f d m 技术作为其l t e 研究的 主要候选技术。在w i m a x 系统中，o f d m 技术为物理层技术，主要应用的方 式有两种：o f d m 物理层和o f d m a 物理层。无线城域网o f d m 物理层采用 o f d m 调制方式，o f d m 正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数 据流。支持t d d 和f d d 双工方式，上行链路采用t d m a 多址方式，下行链路 采用t d m 复用方式，可以采用s t c 发射分集以及a a s 自适应天线系统。无线 城域网o f d m a 物理层采用o f d m a 多址接入方式，支持t d d 和f d d 双工方 式，可以采用s t c 发射分集以及a a s 。o f d m a 系统可以支持长度为2 0 4 8 、1 0 2 4 、 5 1 2 和1 2 8 的f f t 点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流。这些数据流可以采 用不同的调制及编码方式，以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数 据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议( m a p ) 分配子 信道传输上行数据流。 而在o f d m o f d m a 技术中，同步技术是最核心的关键技术之一，所以也 是w i m a x 系统的核心关键技术之一。本文的研究重点也在这点。 2 自适应调制编码( a m c ) a m c 在w i m a x 的应用中有其特有的技术要求，由于a m c 技术需要根据 信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以a m c 技术必须根据 浙江工业大学硕士学位论文 w i m a x 的技术特征来实现。由于w i m a x 物理层采用的是o f d m 技术，所以 时延扩展、多普勒频移、p a p r 值、小区干扰等对于o f d m 解调性能有重要影响 的信道因素必须被考虑到。自适应编码调制可以有效增加w i m a x 系统的抗无线 信道的多径衰落性能。所以自适应o f d m 是w i m a x 系统中最为关键的技术之 一o 3 多输入多输出( m l m o ) 对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的q o s 是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于s i s o 系统，如果要满足 上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移 动终端的特性都制约着它的发展，所以m i m o 是未来移动通信的关键技术。 4 面向连接的m a c 层协议及q o s 服务 w i m a x 的m a c 层提供面向连接的业务，将数据包分成业务流，业务流通 过逻辑链路传送。w i m a x 系统定义了业务流的服务质量参数集，提供面向链接 的q o s 保障，支持固定速率、实时可变比特率( v b r ) 、非实时可变比特率、尽 力而为四种业务类型。优化业务流程和q o s 服务业是非常关键的技术之一。 另外，动态带宽分配，安全性保障等内容都是w i m a x 系统的关键技术。 1 4 本文的体系结构和主要工作 第一章绪论介绍了课题研究的目的意义、w i 技术概念与特点、市场应 用现状及标准体系的发展情况，并对w i m a x 物理层关键技术进行了阐述，同时 指明了本文的研究重点。 第二章分别详细阐述了o f d m 和o f d m a 系统技术概念与基本原理、关键 技术、优缺点等，介绍分析了无线信道的衰落损耗形式，并根据w i m a x 的应用 地区特点，选择了无线宽带接入的典型信道模型一s u l 3 模型。 第三章结合i e e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 标准详细阐述了w i m a x 物理层 w i r e l e s s m a n o f d m 规范结构和w i r e l e s s m a n o f d m a 规范结构。 第四章为本文研究的重点。首先详细介绍了o f d m 系统的同步原理以及具 体分析了载波、样值、符号同步对整个系统的影响，并给出相应仿真结果。然后 针对每一种同步，提出了相关算法及相应仿真结果。最后，根据w i m a x 物理层 o f d m 系统具体要求与标准提出了整体同步流程，并给出了基本的同步参数估 计算法，包括精细定时同步算法，分数倍频和定时联合估计算法，整数倍频估计 算法和相位跟踪算法，同时给出了仿真结果，效果良好。 第五章第此章也为本文研究重点之一。本章首先详细介绍了基于w i l d a x 系统 的上行链路o f d m a 符号数学模型，分析了上行链路的频率同步问题及相关补偿方 法，提出了一种基于子空间结构的多用户频偏估计算法，并且给出了仿真结果， 浙江工业大学硕士学位论文 可以得到性能比采用直接地估计算法更好，具有明显的优势。最后，对上行测 距技术原理与算法作了简要分析与研究，为以后进一步研究提供了基础。 第六章作了全面的总结和展望，并提出了下一步的研究方向。 1 5 本文主要贡献 本文基于i e e e 8 0 2 1 6 d e 协议的分析、研究，介绍了w i m a xo f d m 系统的同 步原理。具体分析了载波、样值、符号同步对整个系统的影响，并给出相应仿真 结果。针对每一种同步，提出了相关算法及相应仿真结果。根据w i m a x 物理层 o f d m 系统具体要求与标准提出了整体同步流程并给出了基本的同步参数估计算 法，包括精细定时同步算法，分数倍频和定时联合估计算法，整数倍频估计算法 和相位跟踪算法，同时给出了仿真结果。 通过对基于w i m a x 系统的上行链路o f d m a 符号数学模型以及上行链路的频率 同步问题及相关补偿方法的研究，提出了基于子空间结构的多用户频偏估计算 法。通过仿真以及对结果的分析、比较，得出了有益的结论。证明了作者提出的 算法比直接m l 估计算法的性能有明显改善。最后，还对上行测距技术原理与算 法作了简要分析与研究，为以后进一步研究提供了基础。 1 6 本章小结 本章介绍了课题研究的目的意义、w i l v l a x 技术概念、技术特点、市场应用 现状及i e e e s 0 2 1 6 标准体系的发展现状，并对w i m a x 物理层关键技术进行了 阐述，同时指明了本文的研究重点；另外，还简要地介绍了本文的体系结构、主 要工作及本文主要贡献。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章o f d m o f d m a 技术介绍与无线信道模型 2 1o f d m 系统概述 2 1 1o f d m 技术历史与现状， 正交频分复用0 f d m 技术由上个世纪五十年代的多载波调制( m c m ) 技术 发展而来。但在当时，o f d m 系统结构非常复杂，直到7 0 年代，人们提出了采 用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制1 9 】，简化了系统结构，才使o f d m 技 术更趋于实用化。但在实际应用中，实时的d f t 器件的复杂度、发射机和接收 机震荡器的稳定性以及射频功率放大器的线形要求等因素都成为o f d m 技术的 制约条件【3 】。经过十年的努力，终于在2 0 世纪8 0 年代，随着大规模集成电路和 数字信号处理技术的发展和成熟，o f d m 逐渐成了通信领域的焦点。9 0 年代， o f d m 广泛应用于非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广播 ( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 、无线局域网( w l a n ) 等领域。第三代移动通信系统以及将来的第四代移动通信都将o f d m 技术作为 核心的技术之一。 o f d m 之所以受到高速数字通信系统的青睐，主要是因为其具有频谱利用 率高和抗多径能力强的特点。采用正交频分复用来分散众多信息的衰落，可以有 效地减少由瑞利分布衰落引起的随机误差，因而能够替代附近个别被严重破坏了 的信号，而仅使多数信号稍受影响。 2 1 2o f d m 系统基本模型与原理 o f d m 技术是将一个高速的数据流经过串并变换，分成几个低比特率的数 据流，它们之间经过编码、交织后分别调制到各个子载波上，每个数据流仅占整 个信道带宽的一小部分。而在传统的串行传输系统中，发送信号依次顺序传输， 每一个数据占用频谱上全部可用带宽。o f d m 将高速数据流分散到多个等间隔 的正交子载波上，从而降低了码率，加长了符合的间隔，加强了时延扩展的抵抗 能力。正交频分复用可以利用f f t 来实现系统的调制和解调，通过加保护间隔， 可以有效地克服码间干扰( i s l ) 和子信道间干扰( i c i ) 。 并行数据传输在把频率选择性衰落分散到众多信号方面具有很大的优越性。 通过把频率选择性衰落分散到众多信号上可以有效地随机消除由衰落矛口脉冲干 浙江工业大学硕士学位论文 扰引起的误差，因此，与个别信号完全被破坏不同，很多信号只是轻微的受到干 扰，这就可以利用前向纠错编码对大部分信号成功重构。在并行数据传输中，整 个信道带宽被分为很多窄的子载波，每个子载波上的频率响应相对平滑。由于每 个子信道仅仅占用- d , 部分原始带宽，均衡比起串行系统相对简单。简单的均衡 算法可以减少每个子信道的均方误差，可以使用不同解码方式，还可以避免同时 均衡。它的系统基本模型框图【3 1 和系统框图分别见图2 1 和图2 - 2 。 p j 2 矾。 ，2 磊fi g 广： 卅气叫= ：p 窖末 窖j 。 并，审 串，+ 巩_ i f1 l 并 p 堙籼翌 叫8 卜_ - 卜叶磊 - i - - 一 图2 1o f d m 系统基本模型框图 图2 - 2o f d m 系统框图 一个o f d m 符号之内包含多个经过q p s k 或正交调幅调制( q a m ) 的子载 波。原始数据经过串并变换，然后并行数据经过子载波调制的结构，可以用d f t 来实现，f f t 是d f t 的一种快速数学方法，可以大大地缩小计算量。也正是由 于f f t 的高效性，才使得o f d m 技术得以迅速的发展。 在o f d m 的信号发送周期【o ，t 】内，第k 个符合瓯调制到第k 个子载波 c 七( f ) = p ，2 万 上，各子载波间的频率关系为五：l + k 矽。它们满 足正交性条件： 了q o ，- c o ，田= 否；i 乡 c 2 _ ， 于是我们可以得到子载波之间的正交性条件： 浙江工业大学硕士学位论文 厂：三 ( 2 2 ) 7 从而我们可以得到 五= 事 协3 ) 其中k - - 0 ，1 ，n l 。 于是o f d m 的调制过程可以表达为 s ( f ) = e s , p 。2 f 五f 【o ，丁】 t 2 0 ( 2 4 ) = 足e 业砝厅 如果对发送信号s o ) 以f = 2 的采样率采样，我们可以得到n 个样点 甩 o ，n - 1 】 ( 2 5 ) 从式( 2 5 ) 可以看到，序列 s 疗 正是序列 的离散傅立叶逆变换。所以 o f d m 的调制可由i d f t 实现，同时在接收端可以用d f t 来完成o f d m 的解调。 - i 瓯= e 川砌ke o ，n 一1 】 ( 2 - 6 ) n = 0 图2 - 3 ( a ) o f d m 子载波频谱 图2 - 3 0 0 ) o f d m 频谱 图2 3 ( a ) 表示了正交频分复用子信道的频谱，图2 3 ( b ) 表示了正交频分复用 的频谱。通过仔细选择载波的间隔，可以将正交频分复用信号频谱包络变得平滑， 实现子载波间的正交。 避免码元间干扰的一个方法是产生出一个循环扩展的保护间隔，每一正交频 分复用码元都通过信号本身周期扩展。整个码元宽度变为z = 丁+ i ，这里t g 表 h 廖2 p m 脚 = 、j 丁胛 ，l j = n s 浙江工业大学硕士学位论文 示保护间隔，t 是有效的码兀宽度。当保护间隔比信道脉冲响应或多径延迟长时， 码元间干扰可以被消除。由于插入保护间隔减少了数据量，t g 通常小于t 1 4 。 o f d m 信号s o ) 在信道传输过程中受到多径衰落和加性噪声的影响，到了接 收端变为【1 ，( f ) = rs ( 卜f ) c ( r ；t ) d r + ，z ( f ) ( 2 7 ) 其中c ( r ；t ) 是信道在t 时刻的冲击响应，玎( f ) 是加性高斯白噪声的复包络， f 一是信道的最大时延扩展。 为了使前一个码元不影响到当前码元，两者之间应该插入一段保护间隔t g ， 如图2 - 4 所示。 图2 4 循环前缀的添加 加上保护前缀后，信号的表达式为 j v l s ( f ) = 瓯e 谢仃t 卜i ，明 ( 2 - 8 ) k = 0 需要指出的是，虽然信号传输周期变成了丁+ 疋，但是各个子载波间的间隔 仍然是l t ，接收端的相关接收时间也仍然是【o ，t 】。可以推导，当t f 。懈时， 理论上可以完全消除子信道间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 。 2 1 3o f d m 系统的关键技术 1 同步技术 o f d m 系统中，n 个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对 时间的偏差不十分敏感。发送端和接收端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本 都一定程度地偏离它正确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，一 定程度上会破坏载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。另少h ，在传 输过程中会引入相位噪声，会对子载波引入随机相位噪声，一定程度上会破坏信 道间的正交性。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率 浙江工业大学硕士学位论文 偏移会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，对系统的损害很大。o f d m 系统的许多优点都是建立在正交性的基础之上，因此对正交性有严格的要求，如 果不采取措施对这种信道间干扰( i c i ) 加以克服，系统的性能很难得到改善。 因此。o f d m 中的同步过程t 9 主要包括3 大方面的内容：( 1 ) 载波同步；( 2 ) 采样值同步：( 3 ) 符号同步。 同步是o f d m 技术中的一个难点，很多人也提出了很多o f d m 同步算法， 主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利 用奇异值分解的e s p r i t 同步算法和m l 估计算法，其中e s p r i t 算法虽然估计 精度高，但计算复杂，计算量大，而m l 算法利用o f d m 信号的循环前缀，可 以有效地对o f d m 信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与e s p r j t 算法相比， 其计算量要小得多。对o f d m 技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的 系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。o f d m 系 统对定时频偏的要求是小于o f d m 符号间隔的4 ，对频率偏移的要求大约要小 于子载波间隔的l 胁2 ，系统产生的3 d b 相位噪声带宽大约为子载波间隔的 0 0 l 0 1 。 2 高峰值平均功率比( p ：根) 的抑制 由于o f d m 信号是有一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较 大的p a p r 。大的o f d mp a r 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带 内失真【1 2 1 。一般通过这几种技术解决：( 1 ) 信号失真技术：采用修剪技术、峰值 窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除；( 2 ) 编码技术：采 用专门的前向纠错码会使产生非常大的p a p r 的o f d m 符号去除；( 3 ) 扰码技术： 采用扰码技术，使生成的o f d m 的互相关性尽量为0 ，从而使o f d m 的p a p r 减少。 3 训练序列导频及信道估计技术 接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的 相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。 尤其是在o f d m 系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。 2 1 4o f d m 系统的主要优缺点 1 主要优点： ( 1 ) 经串并变换降低了符号速率，延长了每个子载波上的数据符号，从而有 效消除多径时延扩展所产生的i s i ，降低了接收机内均衡器的复杂度。同时插入 了保护间隔，几乎全部消除了符号间的串扰( i s i ) ； ( 2 ) 将频率选择性衰落引起的突发性错误分散到互不相关的子信道上，从而 将突发性错变为随机性错误，就可以用前向纠错技术f e c 有效恢复所传信息； 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 采用多个并行的正交子载波传输数据，允许各子信道的频谱相互重叠， 从而大大节省了系统带宽，最有效提高频率利用率； ( 4 ) 采用i f f t 和f f t 算法大大减少系统的复杂度； ( 5 ) 容易与其他多址接入方式相结合等。 2 主要缺点： ( 1 ) 多载波系统对频率、定时同步及相位噪声非常敏感。由于收发端的上、 下行转换器和调谐振荡器带来的相位噪声抖动、频偏、以及相位噪声会使子载波 间的正交性遭到破坏，仅l 的频偏就会使信噪比下降3 0 d b 。 ( 2 ) o f d m 符号是由许多独立信号的叠加，其包络服从高斯分布，所以其峰值 平均功率比( p a r ) 较大，这导致对系统前端放大器的线性范围要求增大； ( 3 ) 由于保护间隔的插入将带来功率与信息速率上的损失。 2 20 f d m a 系统概述 2 2 1 正交频分多址0 f d 舭 在无线通信系统中，多址方式允许多个移动用户同时共享有限的频谱资源。 多址接入技术是无线通信的关键技术之一，主要有频分多址( f d m a ) 、时分多址 ( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和正交频分复用多址( o f d m a ) 接入技术【1 3 】f 1 4 】。 o f d m a 接入技术成为第三代、第四代移动通信系统标准中要采用的多址接入方 式，因此成为当前研究的热点问题之一。 2 2 20 f d m a 系统模型【l 4 】 o f d m a 是基于o f d m 技术的一种多用户接入系统，是一种多址技术。它依 据o f d m 原理产生多组相互正交的子载波组，然后从每个子载波组中选择一个子 载波，组成新的用户子载波组为用户传输数据，多个用户选择特有的一组子载波 来传输数据。o f d m a 系统中，不同用户是