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电 子科技大学博士学位论文o f d m无线移动通信系统关键技术研究 摘要 对于实现下一代移动通信系统的目 标而言， 正交频分复用 ( o f d m) 技术与 码分多址 ( c d m a ) 技术相比就显出 其优越性。 但是， o f d m不仅对于同步误差 和信道估计误差非常敏感，而且还伴随发射信号高峰平比 ( p a p r )的缺点。为 此，针对下 一 代无线移动通信系统的新目 标，如何有效地在接收机中实现同步、 信道估计并降低p a p r则是有待解决的新问题。 钊 一 对这些问题， 本文重点研究了 o f d m接收机中的同步、信道估计以 及p a p r 这三类关键技术。 首先， 论文提出了四种串行p n序列时间同 步和频率同步算法。 前两种同步 算法使用了巴 克码与p n序列来提高同步性能。 后两种算法是通过不同 方法在发 射端频域对p n序列进行设计，从而在接收端时域中 产生比常规算法更多的可利 用的关系以产生更佳的同步信号。分析和仿真表明:对于a wg n信道和多径衰 落信道下的高速移动环境， 这四种算法同步性能均优于常规算法。 其次， 论文提出了三种并行p n序列帧同步算法。 这三种算法与常规算法最 大的不同 之处在于: 利用的 在一个信息符号 上叠 加p n序列所分配的能量仅占总 能 量的 1 .4 % ， 从而 对信号 和系统性能 造成的影响 均可忽略。 第 种 帧同 步算法 直接利用了一个长p n序列产生相关并融合保护间隔的 冗余特性获得同步信号。 第二种帧同步算法采用一个长p n序列在多径信道下的二次相关并融合保护间隔 特性获得同步算法。 第三种帧同步算法利用短复巴 克码的最佳自 相关特性和最大 似然估计原理推导出。仿真表明:在高 速移动的d v b - t系统中， 这三种同步算 法性能均优良 ，尤其是第三种算法， 不仅计算复杂度更低， 而且同步性能更好。 第三， 提出了一 种计算量较低的利用并行p n序列进行信道估计的l mm s e 算法。分析和仿真表明:该算法不需要任何先验知识，不占用宝贵的带宽资源， 计算复杂度比l s算法还低，而在低信噪比 下信道估计性能比l s算法还好。同 时，提出了一种并行p n序列能量分配原则，该原则将拓宽并行p n序列在同步 和信道估计技术中的应用。 最后， 提出了 一种降低】 a p r的压缩扩张算法， 该算法是一种数值变换的预 失真方法， 通过理论推导获得。 分析和仿真表明: 该算法计算复杂度比 其他所有 降低p a p r的算法计算复杂度更低， 而 所获得的压扩增益远比同类算法更大， 且 算法在低信噪比下对系统性能的影响可以 忽略。 总之， 本文提出了涉及同步， 信道估计、 降低p a p r三个关键方向的九种算 法和 ，个方案，这些算法可用于 o f d m 无线移动通信系统实现下一代移动通信 的目标。 关键词 无线移动通信系统正交频分复用同步 信道估计峰平比 abs t ract f a c i n g t h e o b j e c t o f t h e n e x t g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n ic a t io n s y s t e m , o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t ip l e ( o f d m ) a g a in s t c o d e d i v is io n m u l t ip le x a c c e s s ( c d ma ) h a s it s d i s t i n c t s u p e r io r i t y . h o w e v e r , o f d m i s s e n s it i v e t o s y n c h r o n iz a t io n e r r o r a n d c h a n n e l e s t i m a t i o n e r r o r a n d it h a s t h e w e a k n e s s o f t h e h i g h p e a k - t o - a v e r a g e p o w e r r a t i o ( p a p r ) o f t h e t r a n s m i t t e d s ig n a l . t o t h e s e w e a k n e s s e s , s c h o l a r s h a v e d o n e n u m e r o u s r e s e a r c h e s a n d g a i n e d g r e a t a c h i e v e m e n t s . b u t a s f a r a s t h e n e w o b j e c t a b o u t t h e n e x t g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n ic a t i o n s y s t e m i s c o n c e r n e d , t h e q u e s t io n a b o u t h o w t o r e a l i z e t h e s y n c h r o n iz a t io n a n d c h a n n e l e s t i m a t io n a n d t o r e d u c e p a p r i n t h e t r a n s m itt e r i s u n d e r t h e w a y . a g a i n s t t h e s e p r o b l e m s , t h e t h e s i s h a s m a i n l y d i s c u s s e d t h e t h r e e k e y t e c h n o l o g i e s a b o u t s y n c h r o n i z a t i o n a n d c h a n n e l e s t im a t i o n a n d r e d u c in g p a p r f o r t h e o f d m s y s t e m s in t h e r e c e i v e r . f i r s t ly , t h e t h e s i s h a s p r o p o s e d f o u r k i n d s o f t i m i n g s y n c h r o n i z a t io n a n d fr e q u e n c y s y n c h r o n iz a t i o n a l g o r i t h m s u s i n g s e r i e s - w o u n d p s e u d o n o i s e ( p n ) s e q u e n c e . t h e f ir s t t w o s y n c h r o n iz a t i o n a l g o r i t h m s e m p l o y i n g b a r k e r c o d e a n d p n s e q u e n c e . t h e r e s t t w o a lg o r it h m s e m p l o y i n g p n s e q u e n c e d e v i s e d b y t h e d i ff e r e n t d e s i g n m e t h o d s i n t h e fr e q u e n c y d o m a i n o f t h e r e c e i v e r . t h e n , t h e a l g o r it h m s a g a i n s t t h e c o n v e n t i o n a l a lg o r i t h m s g a i n e d f u r t h e r a d v a n t a g e r e la t i o n s i n t h e t i m e d o m a i n o f t r a n s m it t e r t o a c h i e v e t h e s y n c h r o n i z a t i o n s i g n a l a n d t o d e d u c e t h e s y n c h r o n i z a t i o n a lg o r it h m s勿 t h e o r ie s . i t s p r o v e d 勿 s i m u la t i o n t h a t t h e s y n c h r o n i z a t i o n p e r fo r m a n c e s o f t h e f o u r a lg o r i t h m s a r e s u p e r io r t o t h o s e o f t h e c o n v e n t io n a l o n e s fo r a wg n c h a n n e l a n d m u lt i - p a t h f a d i n g c h a n n e l u n d e r t h e h i g h s p e e d m o b i l e e n v iro n me nt s e c o n d l y , t h e t h e s i s h a s p r o p o s e d t h e t h r e e fr a m e s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m s e m p l o y i n g t h e s u p e r i m p o s i n g p n s e q u e n c e . t h e m a i n d i ff e r e n c e o f t h r e e a lg o r it h m s a g a i n s t t h e c o n v e n t i o n a l a l g o r it h m s i s t h a t t h e p r o p o s e d s u p e r im p o s i n g p n s e q u e n c e is d i s t r i b u t e d f a r w e a k e r p o w e r t h a n i t d o e s i n t h e c o n v e n t io n , w h ic h t h e i n f l u e n c e o v e r t h e s i g n a l a n d t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e c a n b e ig n o r e d . t h e f ir s t k i n d o f t h e fr a m e s y n c h r o n iz a t i o n a l g o r i t h m e m p lo y s t h e c o r r e la t i o n o f t h e lo n g p n s e q u e n c e a n d t h e r e d u n d a n c y o f t h e g u a r d i n t e r v a l t o p r o d u c e t h e s y n c h r o n i z a t io n s i g n a l . t h e s e c o n d k i n d o f t h e f r a m e s y n c h r o n i z a t io n a l g o r it h m e m p l o y s t h e r e - c o r r e l a t io n o f t h e l o n g p n s e q u e n c e a n d t h e r e d u n d a n c y o f t h e g u a r d in t e r v a l t o p r o d u c e t h e s y n c h r o n i z a t i o n s ig n a l u n d e r t h e m u lt i- p a t h f a d i n g c h a n n e l. t h e t h r e e k i n d s o f t h e f r a m e s y n c h r o n iz a t i o n a l g o r it h m s h o w t h a t t h e i r s y n c h r o n iz a t i o n p e r f o r m a n c e s a r e s u p e r i o r . e s p e c i a l l y t h e c o m p u t a t io n c o m p l e x i t y o f t h e t h ir d i s n o t o n l y t h e lo w e s t , b u t i t s n e r f o r ma n c e i s t h e h e m t h ir d l y , t h e t h e s i s h a s p r o p o s e d ( l m ms e ) c h a n n e l e s t i m a t i o n a l g o r i t h m le s s c o m p u ta t i o n c o m p l e x it y . i t s p r o v e d inf o r ma t i o n a n d d o e s n t c o m p u t a t io n c o m p le x i t y i s o f t h e p r o p o s e d a lg o r i t h m o c c u p y t h e t h e l i n e a r mi n im u m me a n s q u a r e e r r o r u s i n g t h e s u p e r im p o s i n g p n s e q u e n c e w it h t h a t t h is a lg o r i t h m d o e s n t n e e d t h e a p r io r i p r e c i o u s b a n d - w i d e t h . f u r t h e r m o r e , it s l o w e r t h a n t h a t o f l e a s t s q u a r e 匡s ) a n d t h e p e r f o r m a n c e i s b e tt e rt h a n t h a t o f l s i n t h e l o w e r ( s n r ) . f u rt h e r m o re ,t h e t h e s i s h a s p r o p o s e d t h e f e 10 认 r s 地 n a l - t o - n o i s e r a t io p o w e r d i s t r i b u t i o n r u l e o f t h e s u p e r i m p o s i n g p n s e q u e n c e t h a t w i l l p l a y a n a n d c h a n n e l e s t i ma t io n t e e h n i m p o rt a n t r o l e i n t h e s y n c h r o n iz a t io n e q u e s e m l a s t ly , t h e t h e s i s h a s p r o p o s e d t h e t h e s u p e r i m p o s in g p n s e q u e n c e a lg o r i t h m i s t h e o r i e s . i t s c o m p a n d o r a l g o r it h m t o re d u c e p a p r . t h i s a p r e - d i s t o rt i o n m e t h o d o f n u m e r i c a l v a l u e t r a n s f e r a n d i s p r o v e d t h a t t h e c o m p u t a t i o n c o m p l e x i t y o f t h e a lg o r i t h m d e d u c e d b y t h e t o r e d u c e p ap p 电子科技人学博士学位论文o f d m无线移动通信系统关键技术研究 i s f a r s m a l le r t h a n o t h e r s , b u t i t s c o m p a n d o r g a i n i s la r g e r t h a n o t h e r s , w h o s e e ff e c t o n t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e c a n b e ig n o r e d in lo w e r s n r . a b o v e a l l , t h e t h e s i s h a s p r o p o s e d n i n e a lg o r it h m s a b o u t t h e t h re e k e y t e c h n o l o g ie s : s y n c h r o n iz a t i o n , c h a n n e l e s t i m a t i o n a n d p a p r . t h e s e a l g o r it h m s w i l l p l a y i m p o r t a n t rol e s i n r e a l i z i n g t h e o b j e c t s o f n e x t g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t io n s y s t e m w i t h o f d m. k e y w o r d s wi r e l e s s m o b i l e c o m m u n i c a t io n s y s t e m, o rt h o g o n a l f r e q u e n c y d iv i s i o n mu lt ip le ( o f d m ) ， s y n c h r o n i z a t io n ， p e a k - t o - a v e r a g e p o w e r r a t i o ( p a p r ) c h a n n e l e s t i ma t i o n， i i i 电子 科 技 大 学 博士 学 位 论 文o f d m无线移动通信系统关键技术研究 主要符号表 符号 刀 奋 盯gma x 夕 g ( b ) 含义 矩阵a的共骊 矩阵a的转置 矩阵a的共扼转置 线性卷积 圆周卷积 随机变量: 的数学期望值 方差 子载波数 有用子载波数 求使g ( b ) 最大时 的值 了万 a月协夕戈叭 k r o n e c k e r 冲激函数 实部 虚部 概率密度函数 信道冲激响应函数 彻rc(.im(.p(.)润 缩略语及专用术语表 缩略语 gg 飞月呀 ads l aw gn ber cdm a cs i dab dvb- t df t dmt fdm a gs m isllcils l os m ap m i m o m l e m m s ee no n - l os obs ofdm p apr 英语解释 th i r d ge n e r a t i o n f o u r t h ge n e r a t i o n a s y m m e t r i c a l d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e ad d i t i v e wh i t e ga u s s i a n n o i s e i n 魄e r ror r a t e c o d e d i v i s i o n mu l t i p l e x i n g a c c e s s ch a n n e l s t a t u s i n f o r ma t i o n d i g i t a l a u d io b r o a d c a s t i n g t e r re s t r i a l d ig i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g di s c ret e f o u r i e r t r a n s f o r m di s c ret e mu l t i t o n e mu l t i t o n e f r e q u e n c y d iv is i o n mu l t i p l e x i n g a c c e s s gl o b a l mo b i l e p h o n e s e rvi ces i n t e r - s y m b o l- i n t e r f e re n c e i n t e r - c a r r i e r - i n t e r f e r e n c e l e a s t s q u a re l i n e - o f - s i g h t ma x i m u m a p r i o r p rob a b i l it y mu l t i p l e i n p u t mu l t i p l e o u t p u t ma x i mu i m l i k e l i h o o d e s t i ma t o r mi n i m u m me a n 和u n re e r ro r e s t i m a t o r me a n 匆u a re e r ror n o n - l i n e - o f - s i g h t ob s t r u c t i o n o r t h o g o n a l f re q u e n c y d i v i s i o n mu l t i p l e p e a k - t o- a v e r a g e p o w e r r a t i o 中文解释 第三代移动通信 第四代移动通信 非对称数字用户环路 加性白高斯噪声 误码率 码分复用 信道状态信息 数字音频广播系统 地面数字视频广播系统 离散傅氏变换 离散多音频 频分复用 全球移动通信系统 符 号间干扰 载波间干扰 最小二乘法 直视环境 最大后验概率 多输入多输出 最大似然估计 最小均方误差估计 均方误差 非视线环境 障碍环境 正交频分复用 峰平比 电子科技大学博士学位论文o f d m无线移动通信系统关键技术研究 p i l o t s y m b o l a s s i s t e d mo d u l a t io n p s e u d ono i s e p a rt i a l t r a n s mi t s e q u e n c e p a r a l l e l t o s e r i e s c o n v e rto r s e r i e s t o p a r a l l e l c o n v e rto r s i g n a l f r e q u e n c y n e t w o r k s e l e c t iv e ma p p i n g s y n c h ron i z t i o n mu l t i c r r i e r s c d ma me psapnptsp/s钟sfn洲smc s nr s i g n a l a n d n o i s e r a t i o s vd s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s 川 o n t i m e d i v i s i o n mu l t i p l e x i n g a c c e s s v d s l v e r y - h ig h - s p e e d d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e w cdma wi d e - b a n d c d m a w l anwi r e l e s s lo c a l area ne t wo r k 基于导频的调制方法 伪噪声 部分传输序列 步 仁 串转换 串并转换 单频网 选择性映射 同步多载波c d ma系统 信噪比 奇异值分解 时分复用 甚高速数字用户环路 宽带码分复用 无线局域网 电子科技大学博士学位论文 o f d m无线移动通信系统关键技术研究 第一章绪论 1 . 1 研究背景和意义 当ma r c o n i 一个世纪前展示无线电报时就预示了工业的重大转折点产生。 百 多年来，无线传输技术允许人们可以不使用任何物理连接进行通信。半导体 技术的进步让许多在世界各地的公众同时通话成为了现实。现在，移动用户的 数量急剧增加，数据通信和多媒体业务也随之增加。于是，下一代无线移动通 信系统对新技术的需求更加迫切， 实现无所不在的、高 质量的、高数据传输速 率的、高移动速率的、低功耗的无线移动多媒体传输成了目 标。 移动通信系统按照所提供的 业务可分为不同的发展阶段。 第一代采用频分 多 址 ( f d m a ) 模拟 调制 方式， 这种 系 统主 要 包 括n m t ( n o r d ic m o b ile t e le p h o n e s y s t e m ) 和a m p s ( a d v a n c e d m o b i l e p h o n e s e r v i c e s ) ， 其主要 缺点 是频谱利用率低， 信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统包括最先的 采用时分多址( t d m a ) 的 g s m( g l o b a l mo b i l e p h o n e s e r v i c e s ) , d - a mp s ( d ig it a l a mp s ) , p d c ( p a c if i c d i g i t a l c e l l u l a r ) 系统和 采用码分多 址 ( c d m a ) 的i s - 9 5 系 统。 第二代蜂窝系统主要 是提供了语音通信，但是数据通信传输速率仍然非常低，而且不同的网络之间 也无法实现资源共享。第三代数字蜂窝移动通信系统的三大主要候选方案分别 是北美的c d ma 2 0 0 0 系统、 欧洲和日 本的wc d ma系统以及中国的t d - sd ma 系统。 这些以c d m a为标志的第三代数字蜂窝移动通信系统协议已经出台，其 主要特征是:支持多媒体业务， 其数据传输速率至少为3 8 4 k b it / s ，可全球漫游， 接口开放，能与不同的网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等。然 而， 如果要求数据传输率再进一步提高， 3 g中使用简单的c d ma技术己经不能 满足要求。 于是，以正交频分复用 ( o f d m) 调制技术为标志的第四代移动通信 系统开始走入人们视野，并成为目 前的研究热点。 与c d m a相比， o f d m具 有如 下优点 l : 对于 单 蜂窝 和多 蜂窝 环 境， o f d m性 能 远 优于c d m a j i 。 在 单 蜂窝 环 境， o f d m可允许同时通话的用户数为c d m a的2 - 1 0 倍。 对于多蜂窝环境， o f d m 可允许同时通话的用户数为c d m a的0 . 7 - 4 倍。 o f d m和c d ma在用户容量上 的差异主要在于是否使用了蜂窝分区( c e l l s e c t o r iz a t i o n ) 和语音激合检测技术 第一章绪论 ( v o ic e a c t i v i t y d e t e c t io n ) 。 如:用1 . 2 5 m h z 的带宽和1 9 . 5 k b p s 的用户数据率时， c d ma在单蜂窝系统中性能较差，在每个蜂窝 ( c e ll )中仅允许 7 - 1 6个用户同 时通话， 而对于o f d m系统则可达到1 2 8 个用户。 这种c d ma的低蜂窝容量( lo w c e l l c a p a c it y )是由于在反向传输链接中使用非正交码导致了 较高的用户间干扰 造成的。 o f d m可容忍较大的多径时延扩展。事实上，多径信号在进行r a k e接 收机处理后将导致接收信号加强。对应于3 0 k m的多 径反射、 低于1 0 0 。 的时延 扩展都是可以忍受的。 o f d m信号峰值的 截除 ( c l ip p i n g ) 不会对系统性能 产生较大影响。 在错 误率较高时，信号的峰值功率可以被截除6 - 9 d b 。这将减少对o f d m发射端输 出阶段的动态范围要求。 所以， 对于高容量、 高移动速度的 无线移动通信系统而言， o f d m是一个很 好的调制技术，并且在今后的无线移动通信网络发展中将扮演越来越重要的角 色。 1 . 2 o f d m研究历史、应用 o f d m的研究经历了一百多 年曲 折的发展， 现在己 经应用到不同的领域中。 然而，面对移动用户、移动速度、传输数据量的急剧增加，在高速移动环境下 的o f d m无线移动通信系统关键技术仍是人们关注的热点和研究的 难点。 1 .2 . 1 o f d m研究历史 o f d m可以 看成是 一 种特殊的频 分复 用 ( f r e q u e n c y d iv i s io n m u lt ip le x in g , f d m) 形式。它的发展经历了 五个阶段: 第一阶段: 极低频谱效率的f d m技术阶段。 该技术在一个世纪前就开始使 用。许多不同载频的低速信号在同一个宽带信道中进行并行传输，但是，为了 在接收端分离出这些信号，传统多载波系统中各载波频率要分隔开来，并在子 信道之间利用保护频带使各载波信号互不干扰，所以它的系统频谱效率很低。 第二阶段:最早的、高频谱效率的多载波通信系统阶段。该系统是在 1 9 5 7 电子科技大学博士学位论文 o f d m无线移动通信系统关键技术研究 年出 现的c o l l in s k i n e p l e x 系统 2 ，该系统能在严重多径衰落效应的高频无线信 道中实现无线传输。为了提高频谱利用率，可使用相互交错的正交幅度调制技 术，在 3 d b处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相 或正交子带的数据得到 ( 即将数据偏移半个周期) ，此时频谱利用率可以提高， 但子载波总数有限。由于该系统仍使用传统的多载波实现方式，各子信道两边 的保护频带仍浪费了宝贵的带宽，降低了系统频谱利用率。 第三阶段:多载波理论发展阶段。1 9 6 6年， c h a n g在他的文章中提出了 传 输信号通过一个带宽受限的 信道时无i s i 和 i c i 的原理 3 0 1 9 6 7 年， s a lt z b e r g 经过性能分析认为:设计一个有效的系统主要应该集中考虑如何降低邻信道间 千扰，而不是仅考虑每个独立的子信道情况，这是因为引 起信号失真的主要原 因 是 信道间串 扰 4 。 这是一 个很 重要的 结论。 第四阶段:o f d m无线移动通信系统理论形成阶段。 各个子载波之间有1 1 2 的重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤 波器组，同时使用频谱效率提高近 i 倍。为了减少多载波系统的复杂度，1 9 7 1 年s . b . w e in s t e in和 p m .e b e rt提出了几个思想 5 : ( 1 ) 每个子载波的 频谱在没 有经过滤波时，其频谱形状为 s in e函数且为非带限的;( 2 )离散傅立叶变换 ( d i s c r e t e f o u r ie r t r a n s f o r m , d f t )可以完成多载波基带的调制和解调。( 3 ) 各 符号 间 可以 采用空白 时隙 作为 保护间隔以 消除i s i o 1 9 8 0 年a .p e le d 和a .r u i z 将 空自 时隙改为了 循环前缀以 满足色散信道时各载波的 正交性【 6 1 . 1 9 8 5 年， c i m i n i 将o f d m思想运用到无线蜂窝移动通信系统中 7 ， 从此奠定了o f d m无线移动 通信系统的理论基础。 第五阶段:从理论到实用阶段。近十年来，大规模集成电 路技术高 速发展， 高速大点数f f t芯片的实现已经不难，从而促进了o f d m理论的广泛应用。 1 . 2 .2 o f d m应用 在有线环境中， o f d m又名离散多音频( d i s c r e t e m u lt it o n e , d m t ) 调制。由 于 其对抗时间色散信道的能力和对脉冲噪声、频域噪声的抑制作用，被用于非 对 称 数字 用户 环路 ( a s y m m e t r ic a l d ig it a l s u b s c r i b e r l in e , a d s l ) 8 和甚 高 速数 字 用 户 环路 ( v e r y - h ig h - s p e e d d ig it a l s u b s c r ib e r l in e , v d s l ) 系 统 9 1 0 。 作为 调 制 技术， d m t比正交幅度调制( q a m) 能提供更高的下行速率和更远的传输距离， 因而被美国国家标准学会 ( a n s i )选定为a d s l的传输使用标准。 第 一 章绪论 在无线环境中，o f d m应用比有线环境更加广泛。 由于o f d m具有很好的抗多径能力， 在单频网( s i n g l e f r e q u e n c y n e t w o r k , s f n)的地面广播系统中具有强大优势。1 9 9 5年，欧洲电信标准协会 ( e t s i ) 采用o f d m制定了 数字音频广播系 统 ( d 馆 i t a l a u d io b r o a d c a s t i n g , d a b ) 标准 1 l 1 2 ，该标准可以 提供与c d媲美的语音质量、 更新的数字业务以 及更高的 频谱效率t 1 3 0 1 9 9 7 年， 基于。 f d m的 地面数字 视频广 播系统( t e r r e s t r ia l d i g it a l v id e o b r o a d c a s t in g , d v b - t ) 标 准 1 4 1 也 开 始 使 用。 1 9 9 8 年7 月， 基于i e e e 8 0 2 . 1 l a 的 无线局域网( w ir e le s s l o c a l a r e a n e t w o r k , wl a n)标准把o f d m作为其物理层传输方法，它是工作于2 .4 g h z i s m频段 的 第 一 个w l a n 标准， 用于5 g h z 频 段内 支 持6 m b p s 到5 4 m b p s 的 高 速无 线 传 输。 后来， h i g h - p e r fo r m a n c e l a n t y p e 2 ( h i p e r l a n / 2 ) m u l t i m e d i a m o b i l e a c c e s s c o m m u n ic a t i o n ( m m a c ) 及 m u lt i m e d i a m o b i le a c c e s s c o m m u n i c a t io n ( m m a c ) 也相续把o f d m作为其 物理层 传输方法 1 5 1 6 1 7 0 o f d m 还被用于宽带固定无线接入系统 l m d s 1 8 ( l o c a l m u lt ip o in t d is t r ib u tio n s y s t e m s ) 中， 作为 在非 视线 (n o n - l in e - o f- s ig h t , n o n - l o s ) 环 境的 传 输方法。o f d m 不仅可作为传输方法，而且在多用户环境可以作为接入方式 1 9 2 0 ) 。 尤其是o f d m可以 解决高速移动环境的i s i 问 题，被作为第四代无线 移动通信的 候 选方案之一 2 1 2 2 ， 用于实现超过2 m b p s 的移 动无线多 媒体和 数 据通信。 .3 o f d m研究现状 正因为o f d m系统具有如此美好的前景和下一代移动通信的要求，所以， 研究o f d m系统中的同步、 信道估计和峰平比 p a p r ) 等关键技术就显得非常 重要。 围 绕o f d m系统的关键技术，国内 外广大学者作了 深入地研究。 1 . 3 . 1 o f d m系统中同步研究现状 在高速移动环境中，由于发射机和接收机两端振荡器器件的不稳定和多普 电子科技大学博士学位论文o f d m无线移动通信系统关键技术研究 勒效应导致了载波频率发生偏移;同时由于多径现象以及各种噪声干扰等导致 了 定时偏移。因此，需要进行时间同步和频率同步，以实现系统的良 好性能。 常规的时间同步和频率同步方法如下: 1 .保护间隔进行同步 用 保护 间隔 的 循环 特 性 2 3 2 4 来进 行同 步时， 可以 不需 要训练 序列， 同 时 避免了导频的使用，减少了计算复杂度。 基于 2 3 2 4 的改进算法 2 5 通过多个保护间隔的信号进行累计来获得更优 的同 步 信 号。 2 3 的 改 进 算法 2 6 1 是 通过加 权的 方 式来减小i s i 的 影响， 这 在一 定程 度上仍然不够理想。 2 7 1 是 通过减小 对采样时 钟频率偏移的 敏感 性， 用大的 运 算量 和运算复杂性来换取性能的 提高。 一 种较简单且常 用的保护间隔 算法 2 8 1 能获得精确的细频偏估计。通过减少符号间千扰并利用保护间隔获得同步信号 的 算 法 2 9 可以 获 得 整数 倍频 偏。 3 0 在时 域引 入 保护间 隔并 应用到 清华 大 学 提 出的国家数字广播电 视候选方案之一的d m b - t 系统中进行同步。 2 4 是 采用 保护间 隔 进 行同 步 的m l 算 法， 3 1 是2 4 1 的改 进算 法， 它 在 2 4 基础上引 入了自 适应权重和信噪比 进行加权， 从而改善了 算法性能。 通过融合保护间隔的相关性和 p n序列的相关性 3 2 可以改善时间同 步性 能，但是该算法所获得的同步性能仍不理想。 总之， 通过保护间隔进行同步的算法简单，运算量小， 在a wg n信道条件 下性能较好，但是， 在高速移动多径衰落信道中不易保证精确的时间同步。如 果时间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。而频率同 步 与时间同步同 时 进行， 实现虽简单， 但易受时间同步 误差的影响 3 3 a 2 .导频进行同步 传统的 采用导 频 进行同 步 的方 法都 遵循最 大似然估计 ( m l ) 原理 3 4 ， 这 类m l 算法搜索的时间较长， 估计也不够精确。 在d v b - t 系统中， 采用导频进 行同 步 获 得了 较好的 效果 3 5 3 6 。 实 质上， 算法的 性能与 导频的设 计 有关。 在 d v b - t 系统中， 导频分布方式有两种: 分布导频和连续导频 1 2 e 但是这些导频因为占 用了 宝贵的系统带宽资源而在使用中受到限制。而且， 即使在d v b - t系统中， 采用导频和保护间隔联合进行同步，其性能也不理想。 一般在移动速度超过 1 0 0 k m / h 时， d v b - t的同步就会出现问题。虽然欧洲也一 直试图改善d v b - t系统的移动接收性能，但是， 至今仍没有公开的相关技术报 第一章绪论 道。所以，在高速移动环境下如何改善d v b - t系统的同步性能仍是学术界研究 的难点和重点。 3 ，训练序列进行同步 利用训练序列进行同步，其理论依据是 ml原理，采用的序列是具有优良 自 相关属性的p n序列。 总体而言， 采用训练序列