（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的高速无线局域网80211a的定时同步算法研究.pdf

摘要 作为一项正在兴起的无线应用服务，无线局域网已在机场、校园、会议室、 甚至在家庭都有所应用它正叩开高速无线数据业务市场的大门。目前，无线局 域网仍处于众多标准共存时期。每一标准的背后都有大公司或者大集团的支持。 现在，没有人能够解决无线互联标准不统一的问题，主要是因为行业发展太快而 标准跟不上，造成标准“百花齐放”。在众多无线局域网协议中i e e e 8 0 2 1 l a 协议 是很有特色的一个，它的优势在于采用了正交频分复用( o f d m ) 方式来传输数据， 该技术可帮助提高速度和改进信号质量，并可克服干扰。但是o f d m 系统中的 一些关键技术在具体实现上还有一些困难，其中主要包括定时同步、信道编码、 信道估计、用户检测、降低峰均比等。在这些关键技术中定时同步技术对于o f d m 系统来说又显得尤为重要，它的好坏直接影响该系统的性能。本文在本实验室多 载波调制理论和应用研究的基础上，着重研究在正交频分复用系统中定时同步的 各种算法与实现，提出种适合在i e e e s 0 2 1 l a 协议环境下的定时同步算法，加 以实现并研究其性能。 、 首先我们系统总结了目前o f d m 系统定时同步的算法。0 f d m 系统定时同 步包括定时恢复和载波同步，其中定时恢复分为码元同步和抽样同步，载波同步 又分为粗同步、细同步和跟踪。对于这些同步按实现区域分可分为时域算法和频 域算法，按实现手段分可分为基于训练序列算法、基于导频算法和基于循环前缀 算法。对于每一种算法都阐述了它们的原理并分析了它们的性能。 其次我们详细介绍了i e e e 8 0 2 1 1 a 协议的系统模型，主要是物理层协议。包 括i e e e 8 0 2 1 l a 物理层的帧映射、m e e 8 0 2 1 l a 物理层的数据调制方式、 i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层的o f d m 参数、加窗和循环前缀、i e e e 8 0 2 1 1 a 的基带i f f t 实现、i e e e 8 0 2 1 l a 的分组结构。 最后我们针对i e e e 8 0 2 1 l a 系统提出了码元同步、载频同步的算法。在 i e e e s 0 2 1 l a 系统码元同步中，我们提出了最大值算法，给出了一个范式，在1 6 0 个样值长的窗口里计算该范式的值，找出对应最大值的窗口起始点就是帧的起始 点，由于 e e e 8 0 2 1 l a 系统中每个码元的长度是不变的，因此实现了帧同步也就 实现了码元同步。随后，我们在a w o n 和多径瑞利衰落信道下分别做了仿真， 可以看出最大值算法的估计误差和估计误差方差都明显好于一般的相关算法，而 且在实现同步的时间上也要明显小于一般的相关算法。在i e e e 8 0 2 1 l a 系统载波 频率同步中，我们分为粗同步、细同步和跟踪三个部分。在租同步中我们利用两 个连续的短训练符号存在固定相位差的特性估计出频偏，然后用估计出来的频偏 去补偿两个长训i 练符号，再对两个长训练符号用类似的方法估计出剩余频偏，这 两次估计出的频偏之和就等于所要估计的载频偏移。由于多普勒效应和振荡器不 稳定因素的影响，载波频率还会漂移，因此需要对它进行跟踪。对于载频跟踪我 们给出了两种算法，基于导频的和基于循环前缀的，同时也定性的分析了它们的 性能。 关键字：无线局域网、正交频分复用、i e e e s 0 2 1 l a 、训练序列、定时同步、码 元同步、载频偏移估计、载频跟踪、相关算法、最大值算法 a b s t r a c t a sa r i s i n gw i r e l e s sa p p l i c a t i o ns e r v i c e ，w i r e l e s sl a ni si m p l e m e n t i n gi nm a n y a r e a ss u c ha ss c h o o l ，a i rs t a t i o n ，c o n f e r e n c et o o m ，e v e n h o m e ，a c c e l e r a t i n gh i g hs p e e d w i r e l e s sd a t as e r v i c em a r k e tg r o w i n g i nc u r r e n t ，t h e r ea r eal o to fw i r e l e s sl a n s t a n d a r d sw h i c ha r es u p p o r t e db ys o m eb i gc o m p a n i e s n os t a n d a r dc a n o c c u p yt h e w h o l em a r k e tb e c a u s et h es e r v i c ed e v e l o p ss or a p i d l yt h a ts t a n d a r d sc a n tg e ta l o n g w i t ht h es t e p b u ti e e e 8 0 2 1 l ai s t m d o u b t e d l y av e r ys p e c i a ls t a n d a r da n a o n gt h e s e w i r e l e s sl a ns t a n d a r d s i t sal a r g ea d v a n t a g et h a ti tt r a n s m i t sd a t at h r o u g ho f d m w h i c hc a nh e l pi n c r e a s et r a n s m i s s i o n r a t e ，i m p r o v es i g n a lq u a l i t y a n dh a sm u c h r o b u s t n e s so f m u l t i p a t hf a d i n g b u t t h e r ea r es o m ed i f f i c u l t i e so i ls o m ek e y t e c h n i q u e si m p l e m e n t a t i o nf o ro f d ms y s t e m ，i n c l u d i n gs y n c h r o n i z a t i o n , c h a n n e l c o d i n g ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，n s e rd e t e c t i o n , r e d u c i n gp a r a m o n gt h e s ek e y t e c h n i q u e ss y n c h r o n i z a t i o n i sm o l e i m p o r t a n t f o ro f d m s y s t e m b e c a u s e s y n c h r o n i z a t i o n e r r o rw i l j 如t e r i o r a t et h ew h o l e s y s t e mp e r f o r m a n c e s o m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o ro f d m a l er e s e a r c h e db a s e do nt h el a b sm u l t i - c a r r i e r m o d u l a t i o nr e s e a r c hr e s u r si nt h ep a p e ei na d d i t i o n , as y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mf o r i e e e 8 0 2 1l ai sp r e s e n t e d w es h o wi t sg o o d q u a l i t yt h r o u g h m a t l a bs i m u l a t i o n f i r s t l y , w es u m m a r i z ec u r r e n to f d ms y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m si nd e t a i l s o f d ms y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e s t i m i n g a n dc a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o n ， t i m i n gc o n s i s t so fs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na n ds a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n c a r r i e r f e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni n c l u d e st h r e ep h a s e s ：c o a r s ee s t i m a f i o n ，f m ee s t i m a t i o n a n dt r a c k s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mc a nb es p l i tt ot i m ed o m a i na l g o r i t h ma n d f r e q u e n c yd o m a i na l g o r i t h mi ni m p l e m e n td o m a i n s ，a l s ob es p l i tt oc pa l g o r i t h m ， p i l o ta l g o r i t h ma n dt r a i n i n gs e q u e n c ea l g o r i t h mi ni m p l e m e n tw a y s t h ep r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c eo f e a c ha l g o r i t h m i ss p e c i a l l ya n a l y s e di nd e t a i l s e c o n d l y , w e i n t r o d u c ei e e e 8 0 2 1lap r o t o c o ls y s t e mm o d e l ，s p e c i a l l yp h y s i c a l l a y e rp r o t o c 0 1 i ti n c l u d e s f l a m e m a p p i n go fi e e e 8 0 2 1 l ap h y s i c a l l a y e r , d a t a m o d u l a t i o ns t y l eo f i e e e 8 0 2 1 l ap h y s i c a ll a y e r , o f d m p a r a m e t e r so f i e e e 9 0 2 1 i a p h y s i c a ll a y e r , w i n d o w si nt i m ed o m a i na n dc y c l ep r e f i x e s ，i e e e s 0 2 1 l ab a s eb a n d i f f t i m p l e m e n t a t i o na n di e e e s 0 2 1l ap r e a m b l e s t r u c t u r e l a s t l y , w ep r e s e n tat 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 na l g o r i t h ma p p l i e dt o i e e e s 0 2 1l a s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m u s e di nt h e p a p e r i sn a m e d m a x i m u ma l g o r i t h m w e g i v ea s p e c i a l f u n c t i o nw h i c hw i l lb ec a l c u l a t e di na 1 6 0 一s a m p l el e n g t hw i n d o w w h e nt h e 、v a l u eo ft h ef u n c t i o ni sm a x i m u m ，t h eb e g i n p o i n to f t h ew i n d o wi sj u s tt h eb e g i np o no ft h eo f d m f r a m e b e c a u s et h es t r u c t u r e o fo f d mf l a m ea n d l e n g t ho fe a c ho f d ms y m b o li sf e d w ec a l lr e a l i z es y m b o l s y n c h r o n i z a t i o na f t e rf i n i s h i n gf r a m es y n c h r o n i z a t i o n t h em a a bs i m u l a t i o ni n a w g na n d m u h i - p a t hf a d i n gc h a n n e ls h o w st i m i n g o f f s e ta n d t i m i n g o f f s e tv a r i a n c e o fm a x i m u ma l g o r i t h ma r es m a l l e rt h a nt h o s eo fc o m m o nc o r r e l a t i o na l g o r i t h m i n a d d i t i o n t h er e a c h i n gs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ns p e e do fm a x i m u m a l g o r i t h mi sa l s o m u c hf a s t e rt h a nt h a tt o t a l n o nc o r r e l a t i o n a l g o r i t h m c a r r i e rf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e st h r e ep a r t s ：c o a l - s es y n c h r o n i z a t i o n , f r e es y n c h r o n i z a t i o na n d t r a c k f o rc o a r s e s y n c h r o n i z a t i o nw e e s t i m a t et h e c , a r r i e l f r e q u e n c yo f f s e tb e c a u s e t h e f i xp h a s eo f f s e tb e t w e e nt w oc o n t i n u e ds h o r t t r a i n i n gs y m b o l s ，t h e n ，w ec o m p e n s a t e t w ol o n g t r a i n i n gs y m b o l sw i t he s t i m a t e dc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t t h er e m a i n e d c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tc a nb ee s t i m a t e dw i t ht h et w oc o m p e n s a t e dl o n gt r a i n i n g s y m b o l si nt h es a l l l ew a y t h es r mo f t h et w oc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ti st h ec a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e tw ew a n t e d b u tw em u s tt r a c kt h eg a l t i e rf r e q u e n c ya f t e rc a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o ni no r d e rt oc o r r e c tt h ec a r r i e rf r e q u e n c yj i t t e rd u et o d o p p l e re f f e c t s a n do s c i l l a t o r s j i t t e r w ep r e s e n tt w oc 甜i e rf r e q u e n c yt r a c k i n g a l g o r i t h m ：o n ei sb a s e do np i l o ts y m b o l sa n dt h eo t h e ri sb a s e do nc y c l ep r e f i x e s t h e i rp e r f o r m a n c ei sa l s oa n a l y s e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , 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 ) , i e e e s 0 2 1l a ，t r a i n i n gs y m b o l ，s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ，c a r r i e r f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n ，c a r r i e rf r e q u e n c yt r a c k ，c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m ， m a x i m u m a l g o r i t h m 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 作为一项正在兴起的无线应用服务，无线局域网己在机场、校园、会议室、 甚至在家庭都有所应用，它正叩开高速无线数据业务市场的大门。无线局域网市 场己引起国内咨询机构的关注，最近的研究成果认为，未来一两年，国内各大运 营商将掀起无线局域网业务的应用热潮。 目前，无线局域网仍处于众多标准共存时期。每一标准的背后都有大公司 或者大集团的支持。现在，没有人能够解决无线互联标准不统一的问题，主要是 因为行业发展太快而标准跟不上，造成标准“百花齐放”。另外值得一提的是，目 前在中国大陆市场中推得比较成功的无线局域网产品，如c i s c o 和3 c o m 的产品， 均是支持i e e e 8 0 2 1 1 b 协议。在世界大学生运动会上和在apec 会议期间， i e e e 8 0 2 1 1 b 都有成功的运用，这对于i e e e 8 0 2 1 1 系列协议成为中国的主流无线 局域网标准将有着重要的影响。 i e e e 8 0 2 1 1 a 是i e e e 8 0 2 1 1 协议族中另一个高速的标准版本它的优势在于 采用了正交频分复用( o f d m ) 方式来传输数据，该技术可帮助提高数据传输速率 和改进信号质量，并可克服干扰。正交频分复用( o f d 旧技术是一种很有前途的 克服多径干扰的传输手段。它利用许多并行的、低数据速率的子载波来实现一个 高数据速率的通信。由于每个子载波的速率比较低，则其码元的周期相对较长， 再加上每个码元又采用了循环前缀作为保护间隔，所以符号间干扰便可得到明显 减少，甚至完全消除。但是o f d m 系统中的一些关键技术在具体实现上还有一 些困难，其中主要包括定时同步、信道编码、信道估计、用户检测、降低峰均比 等。在这些关键技术中定时同步技术对于o f d m 系统来说又显得尤为重要，它 的好坏直接影响该系统的性能。原因是o f d m 系统将高速率的数据分配到许多 并行的、低数据速率的子载波上传输，这些子载波是相互正交的，可以很好的抵 抗由于多径传输带来的干扰，但定时同步的误差将破坏子载波的正交性，导致整 个系统性能的急剧恶化。本文在本实验室多载波调制理论和应用研究的基础上， 着重研究在正交频分复用系统中定时同步的各种算法与实现，提出了适合在 i e e e 8 0 2 1 l a 协议环境下的定时同步算法，加以实现并研究其性能。 本章首先简单介绍了无线局域网的发展以及各种无线局域网标准的技术特 点。接着介绍了i e e e 8 0 2 1 l a 采用的正交频分复用系统的演进和应用，然后讨论 了i e e e 8 0 2 1 l a 采用的正交频分复用系统的优缺点，最后介绍了本论文所研究的 主要问题以及针对研究问题所给出的解决方案。 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 无线局域网技术的发展 无线局域网是2 0 世纪9 0 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物， 它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信 的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。世界上第一个试验性无线局 域网是1 9 8 7 年建立的，随后在医疗、零售、机场等地方，都出现了无线局域网， 在很多环境下，例如校园或者企业内，无线网络一般会作为已存在的有线网络的 最终连接方式的一个补充，帮助一些计算机客户端通过无线手段访问大楼以外或 者远在校园内某处的丰富资源。进入9 0 年代以来，随着个人数据通信的发展， 功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应用，为了实现任何人在任何 时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线， 由固定向移动，由单一业务向多媒体业务发展，更进一步推动无线局域网的发展。 随着无线局域网应用的发展，各厂商的无线局域网能互联互通的要求也越 来越迫切，于是1 9 9 0 年1 1 月成立了i e e e s 0 2 1 1 委员会，着手制定无线局域网 标准，并于1 9 9 7 年6 月制定出全球第一个无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 。无线局 域网技术被提出之后，己经有不同的厂商和规范化组织提出了多种标准规范。目 前得到广泛应用的技术标准有i e e e 8 0 2 1 1 家族、h o m e r f 、h y p e r l a n 2 和蓝牙 技术等，它们各有特点，其应用领域也不尽相同： i e e e 8 0 2 1 1 是第一代无线局域网标准之一。该标准定义物理层和媒体访问 控制( m a c ) 规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。目前 它已有两个高速的标准版本：8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a ，其主要差别在媒体访问控制 ( m a c ) 子层和物理层。8 0 2 1 1 b 是目前无线局域网技术的主流标准，在2 4 g h z 频率下提供1 1 m b i l s 的数据传输速率，适用于1 0 0 1 5 0 米无障碍的无线网络。其 后续标准8 0 2 1 l a 在5 g h z 频率提供5 6 m b i l s 速率，可支持语音、数据和图像业 务，它在提高速度和改进信号质量，并克服干扰方面有很大的优势。 高性能局域网( h i p e r l a n 2 ) 是欧洲电信标准化协会( e t s i ) 制定的目前最 为完善的无线局域网协议。它的特点是：高速传输、面向连接、支持q o s 、自动 频率配置、支持小区切换、安全保密、网络与应用无关。h i p e r l a n 2 标准是对目 前无线接入系统的补充，与其他蜂窝系统比较，它的户外移动性虽然受到限制， 但适用面广，可在典型的应用环境如办公室、家庭、机场、火车站等热点地区， 向终端用户提供高速数据传输。 h o m e r f 技术是为了满足家庭用户独特网络应用而开发设计的，适用于小公 司或家庭组建小无线局域网，有人称之为无线个人局域网( w p a n ) 。h o m e r f 北京邮电大学硕士学位论文第一章引言 有效工作区域在1 5 0 英尺的范围内，工作频率为2 4 g h z ，支持高质量的语音和 数据业务。由于技术定位的局限，h o m e r f 不能成为目前无线局域网的主流，而 只能处于补充的地位。 ， 蓝牙技术其实严格的来说该技术并不算一种w l a n 技术，它面向的是移动 设备间的小范围连接，因而本质上说它是一种代替线缆的技术。它可以用来在较 短距离内取代目前多种线缆连接方案，并且克服了红外技术的缺陷可穿透墙壁等 障碍，通过统一的短距离无线链路，在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成 本、小功耗的话音和数据通信。但对蓝牙产品的全面测试( 包括硬件和软件测试) 问题还没有解决，加上很关键的蓝牙芯片价格贵等问题，蓝牙产品要实用化，还 有待测试等问题得到解决。 在众多无线局域网的标准中i e e e 8 0 2 1 l a 无疑是一个研究热点，尽管8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b 产品非常相似，但是8 0 2 1 l a 采用了正交频分复用( o f d m ) 方式来传输 数据，代替了8 0 2 1 1 b 的直接序列扩频( d s s s ) 。可以在整个覆盖范围内提供了 更高的速度和更好的信号质量，根据选用的信道编码速率和调制方式的不同组 合，信息数据传输速率可达6 5 4 m b i t t s ，比任何其他w l a n 解决方案都更快。 另外8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频带，该频带的使用者较少，因此，干涉和信号争用 情况也较少。8 0 2 1 l a 是最可靠、最有效的方法，可以满足高带宽应用支持大量 用户的需要。随着应用的发展，8 0 2 1 l b 会不能满足其需要，最终8 0 2 1 l a 将得 到广泛采用。 1 2 正交频分复用( 0 f d m ) 系统的演进与应用 正交频分复用f 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 i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，f d m ) 。对于f d m 技术的使用可以追溯到一个世纪前。那时，许多 低速率信号，例如电报，即是使用不同载波频率，在同一个宽带信道中进行并行 传输的。但是，为了在接收端能使用较容易实现的滤波器来分离这些信号，传统 多载波系统中各载波频率要分隔的足够远，并且要采用保护频带来使各载波信号 频谱互不重叠，所以它的系统频谱效率很低。此外，传统多载波传输方式复杂性 也很高，因为各载波都需要自己的模拟前端。尽管传统多载波系统有这些缺点， 但在当时，人们就已经认识到这种并行传输方式可有效地减少由于信道时延扩展 引起的符号间干扰问题。这时因为各载波速率低，则信号码元周期就长，并可远 大于信道的最大附加延时，这样i s i 带来的影响就可减小。在均衡器没有被使用 前这种并行传输技术就被用来在时间色散信道中实现高速率通信。 最早实现高频谱效率的多载波通信系统的是五十年代的k j n e p l e x 系统。该 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 系统设计目标是在有严重多径衰落效应的高频无线信道中实现无线传输。它有 2 0 个子载波，各载波上使用差分q p s k 调制方式。与现代的o f d m 系统一样， 其相邻两个子载波之间的间隔近似等于各子载波上的符号率，这样就可保证各子 载波的频谱即使是重叠的，但它们是正交的，在接收端可互不干扰地对各子载波 进行解调。由于频谱允许，其频谱效率可大幅提高，但该系统仍使用传统的多载 波系统的实现方式。为了减小多载波系统的复杂度，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出使用 离散傅立叶变换( d f t ) 来完成多载波基带的调制和解调。这样就可以用一个模 拟前端来代替传统方法中各子载波分别需要的多个模拟前端，并且d f t 可以用 快速傅立叶变换( f f t ) 来实现，大大减小了系统的复杂度。另外这个系统在各 符号间采用一段空白时隙作为保护间隔来消除i s i 。但是用这种方法，在信号经 过色散信道后，各载波将不再正交。针对上述问题，又提出采用循环前缀( c p ) 而不是空白时隙作为保护间隔，来保证各载波信号在经过色散信道后仍保持正 交。这样，现在我们使用的o f d m 系统概念便形成了。另外值得一提的是c i m i n i 将这种o f d m 概念用到蜂窝移动无线通信中来，为当代无线o f d m 通信系统的 发展奠定了基础。 自从8 0 年代以来，o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播 ( d v b ) 、基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w l a n ) 以及有线电话网上 基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术( 例如a d s l ) 中得到了应 用。其中大都利用了o f d m 可以有效地消除信号多径传播所造成符号间干扰 ( i s i ) 的这一特征。 d a b 是在a m 和f m 等模拟广播基础上发展起来的，其中可以提供与c d 相媲美的音质，以及其它的新型数据业务。1 9 9 5 年，由欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定了d a b 标准，这是第一个使用o f d m 的标准。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 的d v b 标准中也开始投入使用。在a d s l 应用中，o f d m 被典型地当做离散多 音调制( d m tm o d u l a t i o n ) ，成功地用于有线环境中，可以在1 m h z 带宽内提供 高达8 m b s 的数据传输速率。1 9 9 8 年7 月，经过多次的修改之后，i e e e 8 0 2 1 1 标准组决定选择o f d m 做为w l a n ( 工作于5 g h z 波段) 的物理层接入方案， 目标是提供6 m b p s 到5 4 m b p s 数据速率，这是o f d m 第一次被用于分组业务通 信当中。而且此后，e t s i 、b r a i q 以及m m a c 也纷纷采用o f d m 做为其物理 层的标准。 此外，o f d m 还易于结合空时编码、分集、干扰( 包括i s i 和i c i ) 抑制以 及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适 应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术可以使其 性能迸一步得到优化。 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章引言 1 3 正交频分复用( 0 f d m ) 系统的主要优缺点 i e e e 8 0 2 1 l a 采用正交频分复用( o f d m ) 方式主要是由于其很好的抗无线信 道中多径时延扩展的性质，它比较好的解决了在高速率无线通信中面临的由于多 径带来的符号间干扰问题。欧洲的d a b 、d v b 标准的物理层也采用了这种调制 方式，而且人们已经把它列为第四代移动通信系统的一种候选方案，用来实现超 过2 m b p s 的移动无线多媒体和数据通信。 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 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，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的i s ，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。 2 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 以最大限度地利用频谱资源。 3 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 t 方法来实现。 对于很大的系统中，我们可以通过采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。随着 大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，m f t 和f f t 都是非常容易实现的。 但是o f d m 系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子 信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 1 易受频率偏差的影响。 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 差都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致信子道问的 信号相互干扰( i c i ) ，这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 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是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 北京邮电大学硕士学位论文第一章引言 号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a 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 会为信号带来畸变，使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。 1 4 本论文的主要工作 在众多无线局域网协议中，i e e e 8 0 2 1 1 a 协议非常具有特色：1 协议主要是 定义物理层及m a c 层的内容。协议采用不同的编码方式以支持多种数据速率， 分别为6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 或5 4 m b p s 。其中6 、1 2 、2 4 m b p s 是必须支 持的速率：2 采用的频段5 g h z ，在欧洲与美国略有不同，但都避开了非常拥挤 的i s m ( 即i 业、科学、医学1 频段；3 采用的是o f d m 的调制方式，非常有利于 克服室内无线多径环境的影响和由于高速率所产生的i s i 干扰。同时由于v l s i 的发展，目前实现o f d m 的调制比较方便，成本较低。但是由于i e e e 8 0 2 1 1 a 所支持的数据速率最高可达5 4 m b p s , 因此同步性能的好坏直接影响到整个系统 的性能，为了解决这个问题，m e e 8 0 2 1 1 a 在其协议中采用了诸如长、短两种同 步训练码等方式来使收发双方建立同步的时间尽量缩短，并尽量减少其差错率。 无线局域网的目标是实现高质量、高速率的移动多媒体传输，但是为了实 现这一目标，面临许多技术挑战。例如，必须要克服多径时延扩展引起的符号间 干扰问题。而e e s 0 2 1 1 a 协议采用的正交频分复用技术( 0 f d m ) 正是一种可 有效解决符号间干扰问题的传输手段。但是，o f d m 系统对于同步误差非常敏 感。如何有效地在0 f d m 接收机中实现同步是o f d m 系统的关键问题之一。 目前关于o f d m 系统的同步算法的文献有很多，但这些算法中可以应用于 i e e e 8 0 2 1 1 a 系统的却很少。原因是i e e e s 0 2 1 l a 协议有自己特殊的帧结构，采 用自己特殊的训练帧进行定时恢复和载频同步，而大多数文献在提出同步算法的 同时也提出了自己的帧结构，而且这些同步算法大多基于循环前缀和导频，因此 不适用于i e e e 8 0 2 1 1 a 系统。 针对上述问题，本论文主要集中在以下几个方面，对 e e e 8 0 2 1 l a 系统的定 时同步算法进行了讨论与研究，其中包括： 1 o f d m 系统的基本原理( 第二章) i e e e 8 0 2 1 l a 系统的优势是物理层采用了o f d m 技术。这一章主要介绍了 o f d m 系统的基本原理，包括正交频分复用( o f d m ) 系统的基本模型，o f d m 系 统的d f t 实现方法，傅立叶变换的过采样，保护间隔和循环前缀，带外功率辐 6 北京邮电大学硕士学位论文第一章引言 射以及加窗技术。 2 o f d m 系统的定时同步研究( 第三章) o f d m 系统同步包括载波同步和定时恢复。其中定时恢复又分为码元同步 和样值同步。针对这些同步的方法有很多，从实现的区域分可以分为时域和频域， 从实现的手段分可以分为三类：基于循环前缀、基于导频、基于训练序列。论文 在阅读大量文献的基础上对这些方法进行了总结，并且分析了它们各自的优缺 点。 ， 另外对于载频同步，由于子信道带宽较小，o f d m 系统对载波频偏的敏感 程度非常高，因此需要非常精确的载波同步。为了能有效地利用有限的数据，在 比较宽的范围内捕捉到参数，并对其实现高精度的同步，我们可以把同步过程一 般分为两种模式，即粗同步和细同步。在粗同步模式中，同步器将参数的较大初 始偏差减小到一个较小范围内，但并不要求实现完全精确的同步。在细同步模式 中，同步器将参数的剩余误差迸一步减小，提高估计的精度。另外，当精确的估 计出频偏后，由于多普勒效应以及振荡器不稳定等因素的影响，频率又会产生漂 移，因此还需要对频率进行跟踪。 3 i e e e 8 0 2 1 l a 协议信道特征和系统模型( 第四章) 由于无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变性和多径传播所引 起的，了解无线衰落信道中信号的传播特性是实现未来高速无线通信的必要条 件。因此在这一章里先详细分析了i e e e 8 0 2 1 l a 系统中无线信道的传播特征，主 要是小尺度衰落对传输信号的影响。 另外，i e e e 8 0 2 1 1 a 系统定时同步必须建立在自己特定的系统模型之上，因 此本章第二节详细介绍了i e e e 8 0 2 1 l a 协议的基本技术和实现原理模型，包括 i e e e 8 0 2 1 1 a 的0 f d m 参数、o f d m 的基带i f f t 实现、i e e e 8 0 2 1 1 a 的分组结 构。 本章的第三节在阅读参考文献的基础上定性的分析了改变i e e e 8 0 2 1 1 a 物 理层的参数对系统同步性能的影响，从中可以看出i e e e 8 0 2 1 l a 具有很好的抗多 径衰落的性能。 4 i e e e 8 0 2 1 l a 系统定时同步的方法( 第五章) i e e e 8 0 2 1l a 系统利用特殊的训练序列进行同步，训练序列包括1 0 个短训 练符号和2 个长训练符号。短训练符号用于码元同步和粗频率同步，长训练符号 用于细频率同步。本章中针对e e 8 0 2 1 l a 系统提出了码元同步、载频同步以及 频率跟踪的算法，并用m a t l a b 分别在a w g n 和多径瑞利衰落信道中做了仿真， 根据仿真结果进行了性能的分析。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章o f d m 系统的基本原理 第二章o f d m 系统的基本原理 在实际的陆地无线电波传播中，最大的问题是多径衰落，特别是在高层建 筑密集的城市，多径衰落的影响尤为突出。当信号频带较宽时，则存在着频率选 择性衰落，衰落的影响可产生码问串扰，使误码增加。如果采用传统的串行单载 波调制方式，就需要采用自适应均衡措施来克服码问串扰，但比较复杂，若将高 速串行数据分解为多个并行的低速数据后采用多载波f d m 方式传输，这样每路 数据码元宽度加长，从而可减少码间串扰的影响。采用正交函数序列作为副载波 进行f d m ，这就是o f d m ，它使得载波间隔达到最小，充分提高了系统的频带 利用律。 i e e e 8 0 2 1 l a 协议的优势在于它的物理层采用了正交频分复用技术( o f d m ) 的调制方式，这种调制方式有效的解决了多径时延扩展引起的符号间干扰问题。 本章将介绍了正交频分复用( o f d m ) 系统的基本模型以及与该系统相关的若干 基本原理。 2 1o f d m 系统的基本模型 o f d m 方式本质上是多载波f d m 方式，不同的是o f d m 的载波集是一组 正交函数集。o f d m 的输出信号采用复等效基带信号可表示为式2 1 。 s ( ，) =e 吱t - t ，- 三 d 伽争) ) 一0二 1 f s - - t t , + 丁 2 1 j ( r ) = 0r r + f ； 其中表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，珥( f = o