（通信与信息系统专业论文）ofdm移动通信系统中时间频率同步新技术研究.pdf

摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术，由于能够显著简化接收机设计并具有优越的频谱 效率，成为未来移动通信的主流技术之一；但其中一些关键技术仍有待优化和完 善。o f d m 系统的主要缺点之一是其信号对于频率偏移非常敏感，微小的频率偏移 即可造成严重的子载波间干扰，因此频率同步是o f d m 系统的关键技术。此外， 为了捕获和跟踪到达接收端o f d m 信号的起始位置，精确的时间同步同样不可或 缺。针对上述问题，本文研究了o f d m 移动通信系统中的时间频率同步技术，在 传统技术的基础上，提出了新的优化算法。 本文第一章回顾了移动通信发展的历史，以及新一代移动通信中所采用的关 键技术，说明了o f d m 技术是下一代移动通信的核心技术，并指出了同步对于 o f d m 技术是不可或缺的。 本文的第二章介绍了o f d m 系统中的同步问题，提出了时间同步和频率同步 的概念，并指出时间同步和频率同步的重要性。 针对电子科技大学b 3 g 链路，本文第三章中提出了一种应用于多天线o f d m 系统的时间同步方法。该方法结合成形滤波器和信号过采样的硬件实现特点，对 时间同步的判决方式进行了改进，从而降低了虚警和漏报的概率，增强了时间同 步性能。在第三章中，本文还提出了一种具有低复杂度的快速时间同步方法，该 方法将自相关和互相关算法结合，降低了传统时间同步方法的实现复杂度。 本文的第四章中提出了一种高性能的盲频率同步的方法。此方法无需发送端 发送任何先验信息，在接收端直接利用数据本身的性质进行频偏估计和补偿，从 而能够有效的纠正残余频偏，提高系统的传输效率。在第四章中，本文还提出了 一种基于发射端预纠正的频率同步方法。该方法在发射端进行频偏预校正，从而 接收端无需频率同步，以降低下行链路中接收机的实现复杂度。计算机仿真表明 该方法能够取得与传统方法一致的性能。 最后，第五章对全文进行了概括性的总结，明确了下一步有待进行的工作和 未来的一些研究方向。 摘要 关键词：正交频分复用，时间同步，频率同步，盲同步，信道估计 a b s t r a c t a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，w h i c hh a sg a i n e dm u c h a t t e n t i o nw i t hi t sa b i l i t vt or e d u c es y s t e mc o m p l e x i t y , i sr e g a r d e da so n eo ft h em o s t p o t e n t i a lc a n d i d a t e sf o rt h ef u t u r em e b i l ec o m m u n i c a t i o n b u ts o m ek e yp r o b l e m ss t i l l n e e dt ob eo p t i m i z e d i ti so n eo ft h em a i nd i s a d v a n t a g e si n0 f d m s y s t e mt h a ts i g n a ii s v e r ys e n s i t i v e t of r e q u e n c yo f f s e t ；e v e nt i n yo f f s e tm a k e ss e r i o u si n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e s of r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si n0 f d m s y s t e m f u r t h e rm o t c - p u n c t u a lt i m es y n c h r o n i z a t i o ni sa l s oe s s e n t i a lt oc a p t u r ea n d 仃a c kt h es t a r tp o s i t i o no fr e c c i v e d0 f d ms i g n a l b a s e1 3 1 1t r a d i t i o n a lt e c h n i q u e s t h e r e s e a r c ht a r g e ti nt h i sp a d e ri st or e s e a r c ho nt i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni n o f d m s y s t e ma n dp r o p o s es o m en e wt e c h n i q u e sf o rt h es a k eo fs o l v i n gt h ep r o b l e m s c h a p t e r1r e v i e w st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d t h ek e yt e c h n i q u e si nt h en e x tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ng e n e r a t i o n , s h o w s0 f d mi st h e c o r et e c h n i q u e m o r e o v e r , t h i sc h a p t e rp o i n t so u ts y n c h r o n i z a t i o ni se s s e n t i a lt o0 f d m c h a p t e r2e x p l a i n ss y n c h r o n i z a t i o ni n0 f d ms y s t e m ，p r o p o s e st h ec o n c e p to ft i m e a n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt os h o wt h ei m p o r t a n c e f o rt h eb 3 gp r o j e c to f u e s t c , c h a p t e r3p r o p o s e s as c h e m eo ft i m e s y n c h r o n i z a t i o nf o r0 f d ms y s t e m t h i sm e t h o dm a k e si m p r o v e m e n tf o rt h et h r e s h o l d o ft i m es y n c h r o n i z a t i o nb yc o m b i n i n gs h a p e d6 l t e ra n dt h ec h a r a c t e ro fh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o nf o rs i g n a lu p s a m p l i n g 皿ei m p r o v e m e n tc a nr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo f f a l s ca n do m i ta n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，af a s tt i m es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ew i t hl o wc o m p l e x i t yi sp r o p o s e d b yc o m b i n i n gt h ea u t o c o r r e l a t i o na n do o s s c o r r e l a t i o n ，w h i c h c a nr e d u c et h e c o m p l e x i t yo ft h es y s t e mw h i l er e m a i n i n gt h es a m ep e r f o r m a n c ew i t ht r a d i t i o n a l m e t h o d c h a p t e r4p r o p o s e s ab l i n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ew i t hh i g h p e r f o r m a n c e w i t ht h i st e c h n i q u e t h er c c c i v e r 啪e s t i m a t et h ef r e q u e n c yo f f s e ta n d c o m p l e m e n ti tf r o mt h er e c e i v e dd a t aw i t h o u ta n yp r e - i n f o r m a t i o ns e n db yt h e t r a n s m i t t e r , a n dt h er e s i d u a lo f f s e t c a nb ec o r r e c t e de f f e c t i v e l yt oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m m e a n w h i l e an e wm e t h o di sp r o p o s e db a s e do np r e - c o r r e c t i o no ff r e q u e n c yo f f s e t a tt h et r a n s m i t t e rs ot h a tt h e r ei sn on e e df o rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na tt h er e c e i v e r , w h i c h 锄r e d u c et h ec o m p l e xo ft h ei m p l e m e n t a t i o nf o rr e c e i v e ri nt h ed o w n 1 i n k c o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h i sm e t h o dc a nm a k et h es a u l ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a l m e t h o d f i n a l l y , i nc h a p t e r5 ，s o m ec o n c l u s i o nt ot h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sg i v e n , a n d f u r t h e rr e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ep o i n t e do u t m a b s t r a c t k e y w o r d s ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n , f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n , b l i n ds y n c h r o n i z a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n i v 图形列表 图1 - 1 图1 - 2 图2 - 1 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图4 - 1 图4 2 图4 _ 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 _ 6 图4 - 7 图4 - 8 图4 9 图4 - 1 0 图妒1 1 图4 1 2 图形列表 o f d m 信号的频谱图。 完整的o f d m 系统框图 不同频率偏移对有效信干比的影响 利用循环前缀进行时间同步的目标函数值 经过信道得到的归一化互相关值 b 3 g 基带系统结构图 联合成形滤波器的时间同步帧结构 联合成形滤波器的时间同步流程图 时间同步的目标函数值 低复杂度的时间同步方法的系统结构图 低复杂度的时间同步帧结构 低复杂度的时间同步流程图。 长度为m 的共轭相乘对应关系 多径情况下的归一化自相关值 理想状态下的自相关 利用重复符号的的训练序列结构 利用导引符号的的发送数据结构 基于导引的频率同步方的误码率曲线 频率偏移效果示意图 4 ! ； 4 3 4 4 一种高性能的频率同步系统结构图4 5 一种高性能的频率同步流程图4 5 a w g n 情况下不同频偏的m s e 比较4 7 多径信道下移动速度为7 0 k m h 时不同频偏的m s e 比较。4 8 多径信道下移动速度为1 2 0 k m h 时不同频偏的m s e 比较4 8 基于预纠正的频率同步的系统结构图 移动速度为7 0 k m h 时与基于循环前缀的方法的m s e 比较5 3 移动速度为7 0 k m h 时与基于循环前缀的方法的误码率比较5 4 v h 殂笼 笱拍打 n 砣砣站弭 舛钉钙 图形列表 图附a - 1 二径信道的接收数据图6 2 图附b 1 接收端循环前缀的示意图6 5 v i i i 表格列表 表3 - 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 - 5 表3 6 表3 - 7 表3 8 表3 - 9 表格列表 7 0 k m h 时仅采用硬判门限2 8 0 0 0 的时间同步情况2 9 1 2 0 k m h 时仅采用硬判门限2 8 0 0 0 的时间同步情况2 9 移动速度为7 0 k m h 时的时间同步情况3 0 移动速度为1 2 0 k m h 时的时间同步情况 a w g n 信道下的本方法与传统的方法的比较3 7 多径信道下的本方法与传统的方法的比较3 7 a w g n 信道下不同工取值的时间同步性能比较。3 8 c o s t 2 0 7 多径信道下不同工取值的时间同步性能比较3 9 不同工的情况下的计算复杂度比较3 9 i x 缩略字表 缩略字表 3 g3 mg e n e r a t i o n 第三代( 移动通信系统) a g ca u t o m a t i cg a i nc o n t r o l 自适应增益控制 a t & t a m e r i c a t e l e p h o n e & t e l e g r a p h 美国电话电报公司 a w g n a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 白高斯噪声 b 3 g b e y o n d3 g 超三代( 移动通信系统) b e rb i te r r o rr a t e 比特误码率 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 d f t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶变换 f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 g s mg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s全球移动通信系统 i c ii n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e载波间干扰 i d f t i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶逆变换 i f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶逆变换 m 一器瑟裟删m o 删b i l e 掰一u n 记撕啷需嚣黼2 0 0 0 i pi u t e m e tp r o t o c o l 网络协议 i s ii n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 符号间干扰 h ui n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联合会 m c - c d m a ! 诎1 p l c c 8 而。c o o 。d i v i 5 i o n m u l t i p l e 多载波码分多址 access。 。 m i m o m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t 多入多出 m s em i n i m u ms q u a r ee r r o r 最小均方误差 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x 正交频分复用 o f d m a9 n h 0 9 0 n a l f r e q u e n c yd i v i s l o n m u l t i p l e x 正交频分多址 a c c e s s 。+ 。一。 x 缩略字表 p a _ p r p n s i s 0 s n r t d d t d m a r n w l a n p e a k - t o - a v e r a g e p o w e rr a t i o p s e u d on o i s e s i n g l e - i n p u ts i n g l e - - o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l w i r c l e 蟠l o c a la r e an e t w o r k x i 峰值平均功率比 伪噪声 单入单出 信号噪声比 时分双工 时分多址 传输时间间隔 无线局域网 符号表 日 毒 ( e x p ( ) a r g o m g m a x ( ) 卜l ( ) ( ) 7 ( ) 8 ( ) - l e v a r ( ) 符号表 求时间偏移估计 求频率偏移估计 求和 求以自然对数为基底的幂 求幅角 求最大值 求复数的模 求复数，复向量，复矩阵的共 轭 求向量或矩阵的转置 求向量或矩阵的共轭转置 求向量或矩阵的广义逆 求数学期望或均值 求方差 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 f 月砧日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第一章引言 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展概况 移动通信是当前发展最迅猛的技术之一，在飞速发展的技术革命中，各种全 新的无线通信概念层出不穷、各种新的体制及其关键技术日新月异。移动通信已 成为当代通信领域内发展潜力最大，市场前景最广的热点技术。目前，在网运营 的移动通信系统主要是第二代移动通信系统，其缺点是全球无线技术各自为营， 没有统一的标准，而且只支持话音和低速率的数据业务。而人类对于未来通信的 需求将向宽带化、个人化、智能化、移动化的方向发展，音频、视频、图像以及 i n t e r n e t 业务等多媒体业务将成为未来移动通信的主导业务，而这些业务对无线链 路传输能力和网络组成形式提出了新的需求。现有移动通信系统无法满足高速率 ( 峰值业务速率大于2 0 m b i t s 或更高) 、大业务动态范围( 8 k b i t s 2 0 m b i t s 动态可变) 和多种q o s 需求【1 1 1 2 3 4 1 1 s l 。随着互联网技术的飞速发展、数字设备的广泛使用， 人们希望未来的无线接入网能够很好地支持i p 协议，无线终端能够轻松地接入网 络。 国际电信联盟( i t u ) 目前已经开始研究制订第四代移动通信标准，并已达成共 识：把移动通信系统同其他无线系统结合起来，产生超3 代( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 技术。 b 3 g 将最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播电视网和卫星通信网的无缝 衔接并相互兼容。 为了适应未来的通信发展需求，世界各国都己经把研究重点转入第四代移动 通信的先期研列司。美国a t & t 公司已经开始研究第四代移动通信技术，目标是 提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特网的速率。瑞典的爱立信公司宣布已 经开始着手研制第四代移动通信系统，其研究机构负责人表示，第四代移动通信 技术不仅可以将上网速度提高到第三代移动通信技术上网速度的5 0 倍，而且届时 人类将首次实现三维图象的高质量传输。日本的d o c o m o 移动通信公司也在日本 进行第四代移动通信的研究。 我国在“十五”8 6 3 计划中也投入了大量资金着手研究新一代移动通信系统。 研究内容包括蜂窝系统，局域性短程接入系统和蓝牙技术等。其目的是在b 3 g 移 1 电子科技大学硕士学位论文 动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上的研究同步发展，获取 具有自主知识产权的核心技术专利，对形成新一代无线与移动通信知识产权和体 制标准做出较大贡献，为国家培养一支有一定规模的具有国际竞争力的超前研究 队伍，为实现我国未来无线通信产业的跨越式发展创造条件。 1 2 新一代移动通信的定义及其关键技术 b 3 g 的概念可称为广带移动和无缝业务。所谓广带即传输速率在2 一 l o o m b i t s s 甚至更高，无缝业务则要求各种网络之间很好的互联，融合，保证终端 漫游中业务的不间断性，跨多个网络时业务提供的透明性。 b 3 g 的关键技术主要有【7 l ： 1 正交频分复用【8 】技术 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术是一种 特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被看作是一种复 用技术。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而 减小了多径衰落的影响。 2 多入多出技术 , h 多, q 4 , ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术能够在空间中产生独立的 并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地增加了系统的传输速率。 3 定位技术 有三种定位技术，基于移动终端的定位，基于移动网络定位和混合定位。在 b 3 g 移动通信系统中，移动终端可以在不同系统间进行移动通信，对其定位和跟 踪是实现高速率和高质量移动通信的前提和保障。 4 切换技术 b 3 g 系统中切换技术的适用范围更广泛，有同一网络内的切换，也有不同网 络之间的切换，并朝着硬切换和软切换相结合的方向发展。 5 软件无线电技术 软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件，旨在建立一个无线电通信平台， 通过平台实现多通路，多层次和多模式的无线通信。 2 第一章引言 6 智能天线技术 智能天线具有抑制干扰，自动跟踪信号，智能化时空处理算法形成数字波束 等功能。 7 光纤无线电技术 利用光纤传送广带无线电信号，其损耗比其他传输媒介小。还可以用光纤传 送包含多种业务的微波( 6 0 0 1 - i z ) 无线电信号。 8 传输技术 主要研究高速率( 2 0 m b i t s s ) 条件下，高速移动通信微波传输的性能以及在 6 0 g h z 时室内传输的多径传输性能，改善高速数字传输性能。 9 调制与信号传输技术 在高频段上进行高速移动通信，会产生严重的频率选择性衰落。研究和发展 智能调制和解调技术，能有效抑制这种衰落。另外，采用高速发射功率控制t p c ， r a k e 扩频接收，跳频，高性能低密度l d p c 校验码等技术j 能增加信号能量噪 声比和增加容量。 1 0 网络结构和协议 b 3 g 移动通信网络包含许多类型的通信网络，研究无线接口协议成了关键技 术之一。 从技术层面来看，第三代移动通信系统所基于的核心技术是码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s , c d m a ) 技术，新一代移动通信系统所基于的核心技术则以 o f d m 技术最受瞩目。 1 3o f d m 技术的基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可 以被看作是一种复用技术。o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就 已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有 关o f d m 的专利。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 9 】把离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d m 3 应用到并行传输系统中，完全依靠执行快速傅立叶变换的硬 件来实施调制和解调，这样就不再利用带通滤波器，而是经过基带处理就可以实 3 电子科技大学硕士学位论文 现o f d m ，避免了复杂的子载波振荡器组以及相干解调器，降低了系统复杂度， 为0 f d m 技术的实用化奠定了基础。 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对 较低的若干个子信道中进行传输，见公式( 1 2 ) 和图1 - 1 ，由于每个子信道中的符号 周期会相应增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性 对系统造成的影响，并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大 于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰 ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可 以避免由多径而带来的载波间干扰( i n t e rc a r r i e ri n t c r f c r c n c c ，i c i ) 。 魁 警 葚 l 皿 0 , 8 0 6 o o - 0 2 6 - - 4- 1 2 0246 归一化频率 图卜1o f d m 信号的频谱图 o f d m 调制的基本原理是对数据信号屯进行不同的载波调制， 调制的信号叠加，得到o f d m 符号，其数学表达式如下： 一以e 胁矾 箭 公式( 1 2 ) 描述了一个o f d m 符号的组成： y m 2 r e n 磊- 1 瓦e x p ( j 2 - r t 巾舭丁 4 并将这些经过 ( 1 - 2 ) 第一章引言 其中，2 为一个o f d m 符号长度，为子载波个数。墨为o f d m 调制之前的 数据。 由公式( 1 2 ) 可知，o f d m 调制可用离散傅立叶逆变换0 d f t ) 来实现，同样在 接收端，o f d m 解调可以使用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现，所以当子载波个数 为2 的幂次时，就可以采用成熟的快速傅立叶变换对( f f t i f f r ) 来实现o f d m 的 解调、调制过程。 o f d m 的循环前缀中的数据是一个o f d m 符号后端数据的复制。如公式所示： g 伽1 - s u + 一一月：l ( 1 3 ) 其中，g m 】表示循环前缀，s 加】表示o f d m 符号，以是正整数。 一个完整的o f d m 系统框图如图1 - 2 所示。 x 比特 映 畦 7 射 - - - 富 i 一 并 添加 并陌 盔 富 j o c ) 转- 1 射 写 - - - - - - _ 保护 葛 转 间隔 换 l 一 换 。陌 7 巴 - 西 _ 接 l 口l 、酽削 由r 加c ) 去掉 并 、幽 骂 并 - - - 一 保护 砸互) 富 转转间隔 换换 冈 射 d 。 图1 心完整的o f d m 系统框图 5 电子科技大学硕士学位论文 1 4o f d m 技术的优缺点 近年来，o f d m 系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系 统存在如下的主要优点【1 0 l ： 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增 加，从而可以有效地减少无线信道的时间弥散所带来的i s i ，这样就减小了接收机 内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法 消除i s i 的不利影响。 传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行 的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是简单、 直接，缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤 波器的实现也有不少困难。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许 子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可最大限 度地提高频率利用率。 各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i d f t 和d f r 方法来实现。对 于很大的系统中，可以通过采用快速傅立叶变换( v f r ) 来实现。随着大规模集成 电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f r 容易实现。 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于 上行链路的数据传输量，如i n t e m e t 业务中的网页浏览、f t p 下载等。另一方面， 移动终端功率一般小于l w ，在大蜂窝环境下传输速率低于1 0 k b i t s 一1 0 0 k b i t s ；而 基站发送功率可以较大，有可能提供1 m b i t s 以上的传输速率因此无论从用户数据 业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对 称高速数据传输，而o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的予信道来实现 上行和下行链路中不同的传输速率。 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰 落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信 噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。而且对于多用户系统来说，对一个用 户不适用的子信道对其他用户来说可能是性能比较好的子信道，因此除非一个子 信道对所有用户来说都不适用，该子信道才会被关闭，但发生这种情况的概率非 常小。 6 第一章引言 o f d m 系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统， 其中包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等等，使 得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程度 上抵抗窄带干扰。 但是o f d m 系统内由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道 的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 存在较高的峰值平均功率比。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输 出时多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信 号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比 ( p a p r ) 。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态 范围不能满足信号的变化，则会使得信号产生畸变，进而使得叠加信号的频谱发 生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系 统性能恶化。 易受频率偏移的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交 性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线 信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡 器之间存在的频率偏移，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从 而导致i c i ，这种对频率偏移敏感时o f d m 系统的主要缺点之一。因此，同步技 术，尤其是频率同步技术对o f d m 系统起着十分重要的作用。 1 5 本文的主要内容及创新 1 5 1 课题来源 本课题来源于国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划。其目的是在超三代移动通信发展 初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上同步发展，获取具有自主知识产权 的核心技术专利，为我国未来提出超三代或第四代移动通信标准奠定基础。电子 科技大学通信抗干扰国家级重点实验室从项目启动之日即参与承担该项目。在国 家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第一阶段中，通信抗干扰国家级重点实验室负责单入单出 7 电子科技大学硕士学位论文 ( s i n 舀ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，s i s o ) 系统的浮点和定点仿真，并提出m i m o 系统的设 计方案；在第二阶段中，通信抗干扰国家级重点实验室负责t d d 方式下行链路 m i m o 系统的设计；在第三阶段中，通信抗干扰国家级重点实验室主要负责t d d 方式下行链路m i m o 系统的实现工作。 1 5 2 主要内容及创新 本文主要研究了o f d m 的时间频率同步技术。为未来移动通信系统提供几种 在恶劣的信道环境中具有一定抗干扰，抗衰落性能的数据同步解决方案。 本文的主要研究内容如下： 第二章研究了o f d m 系统中的各种同步偏差，以及对同步的要求。根据o f d m 系统时域和频域的划分，阐述了时域同步处理和频域同步处理，进而引出o f d m 系统中主要的同步问题以及本文的研究方向。 第三章研究了改进的o f d m 移动通信系统中时间同步新技术。首先介绍了传 统的时间同步的技术。然后在传统方法的基础上，提出了联合成形滤波器的时间 同步方法和具有低复杂度的快速时间同步方法。其中，联合成形滤波器的时间同 步新方法不仅优化了同步性能，还充分考虑了系统的硬件实现特点。此外，本文 所提出的具有低复杂度的快速时间同步的方法，无论是在高斯噪声的环境下还是 在多径环境下都可以得到与传统的时间同步相同的性能，同时又降低了时间同步 的复杂度。 在第四章中研究了o f d m 移动通信系统中频率同步新技术。首先介绍了传统 的频率同步技术。然后提出了高性能的盲频率同步的新方法和基于频率预纠正的 新方法。其中盲频率同步的方法不需要任何先验信息，仅利用接收到的数据进行 频率偏移的估计，能够有效的纠正残余频偏对数据的影响；而基于频率预纠正的 方法直接在发射端进行频率预纠正，有利于简化接收端复杂度；仿真显示该方法 在高斯环境和多径环境下均可以与传统方法相当的频率同步性能。 本文的主要创新： 第三章提出了两种o f d m 移动通信系统中时间同步的新技术。 8 第一章引言 一种是联合成形滤波器的方法，提出了一比特量化的处理办法，设置了双重 门限，降低了虚警漏报概率。并在保证系统时间同步性能的前提下，进行了一系 列简化算法的处理工作。 另一种是低复杂度的快速时间同步的方法，提出了每接收到一定数据后才进 行一次自相关，取得粗同步性能后再进行互相关的处理方法。在取得与传统的时 间同步方法一致的性能的同时，降低了计算复杂度。 第四章提出了两种o f d m 移动通信系统中频率同步的新技术。 一种是高性能的盲频率同步的方法， 接收到的数据本身来进行频率偏移估计。 提高了系统的传输效率。 提出了不利用任何先验信息，而是利用 在保证系统频率同步的性能的前提下， 另一种是基于频率预纠正的方法，提出了在发送端进行频率偏移估计和频偏 补偿的方法。在系统频率同步性能损失不大的情况下，降低了接收机的硬件复杂 度。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章o f d m 系统中的同步问题 2 1o f d m 系统中的各种同步偏差 o f d m 符号有多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区分， 因此确保这种正交性对于o f d m 系统来说是至关重要的。另外，由于o f d m 系统 大多引入傅立叶变换来降低复杂度，因此找到f f t 的起点对接收端的正确解调也 至关重要。 围绕上述两点，o f d m 系统中存在如下几种同步偏差： 1 时间抽样率偏移6 产生原因主要是接收端的抽样不稳定度，会导致抽样频率出现偏差。 例如发送数据带宽b 一2 0 m i - i z ，对应的单倍采样间隔为t 一1 b 一5 0 n s ， 接收端若用r ；5 0 0 0 1 a s 的采样间隔进行采样，那么此时的时间抽样偏移 率为： 6 = ( r 一互) i 一2 0 p p m ( 2 - 1 ) 2 时间抽样偏移出 产生原因主要是接收端的抽样时刻与发送端的数据时刻没有对齐。例 如接收端的采样率是2 0 m h z ，此时的抽样间隔即为一5 n s ，若接收端的 抽样时刻与发送端的数据时刻之间相差缸。1 0 鹏时，即出现了两个采样点 的时间抽样偏移。 3 载波频率偏移 指接收信号频谱出现整体的搬移，可以看作是一种上变频的载波调 制，其产生原因主要有以下两点： 1 1 晶体振荡器的不稳定度 无线通信中需要将信号进行载波传输，在收发两端的上下变频的过程 中，由于所使用的晶体振荡器的稳定度有限，造成接收信号的载波存在偏 移，频谱上表现为信号频谱出现整体的搬移。一般来说，晶振稳定度越高， 第二章o f d m 系统中的同步问题 载波频率偏移越小。例如，现已知收发两端的晶振稳定度分别为口，一l p p m 和q - l o p p m ，标准载波频率为正= 3 g h z ，那么，由晶振不稳定度导致的 最大可能频率偏移为： a ( q + q ) 一( 1 x 1 0 - 6 + l o x l o - 6 ) 3 1 0 9 3 3 k h z ( 2 - 2 ) 单径条件下的多普勒频移 移动通信中，通信双方之间的相对运动导致了接收信号频谱的整体搬 移。显然这种影响可以等价于上面晶振不稳定度的影响。 此外，应该指出多普勒效应的另一种影响基于多径信道，此时信道的时变性 导致了接收信号频谱发生多普勒频谱展宽。要抑制这种影响，一种思路是改造发 射信号使其对多普勒效应变得更为健壮，这一点已经超出了同步的研究范围，本 文中不作讨论。 2 2 各种同步偏差因素的建模及影响 本小节分析上述各种l 司素对子载波性能的独立影响【l “。以下讨论均假设发射 数据满足： e 陋，卜e 【邑 | e 吲= 0 ( 2 - 3 ) e 五一卜e 【五z 卜i x l 2 ( 2 - 4 ) e 峨1 2 】| e 1 五1 2 】。e i x l 2 卜刃