（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统时频同步和信道估计技术.pdf

m i m o - o f d m 系统时频m 步和衍道待汁拙术 摘整 摘要 正交频分复, l i i ( o f d m ) 技术具有高敛的频谱利用率、高速的毅据传输及抗多径干扰的能 力，被认为是未来移动通信中一项颇具竞争力的技术。多输入多输出( m i m o ) 技术通过在 发送雨i 接收端采j h = j 多根天线，利刖空时编码或空间复用技术，获得空问分集增益，人幅提高 系统容昔乖l 性能。将二者相结合的m 1 m o o f d m 技术，在卜- 一代移动通信中的应州备受关 注。 本文主要研究的是o f d m 系统中的参数估计问题，包括时、频偏估计和信道估计。研 究的主要内容包括单天线系统中的时频同步方法，以及多天线系统的时频同步方法和信道估 计方法。 论文首先介纠了移动通信的发展，o f d m 系统的基本原理，主要应用和同步、信道估 计等关键技术，井对m i m o - o f d m 系统做了简单的介绍。 然后论文着重讨论了o f d m 系统的时频同步问题，在分析比较了三种现有的时频同 步方法的基础上，提山了一种联合循环前缀( c p ) 和导频( p i l o t ) 的时频同步算法。该算法的根 本思想是减小同步所需的开销以提高系统效率。算法充分利用o f d m 系统为了克服符号间 干扰0 s i ) j n , x 的循环前缓和为了迸行信道衍计而加入的导频序列这两部分冗余信息完成对 频同步。 接着，论文进一步考虑m i m o ，o f d m 系统，在分析研究m i m o o f d m 系统原理和m i m o 信道特点的基础上，提出了一种特殊的系统没计手训练序列方案，训练序列与数据住时、频 域上完全复j 不。o i _ l 系统带宽。本文提出的时频同步算法能够庄不增加开销的条什f 跟 踪快变信道，精确地完成时颧同步。同时，提出的动态分段加窗相芙的时域白适应信道估汁 箨法，能够根据信道变化情况白适应的调整分段数午相天窗特性，准确的估计出信道状态信 包。 关键字：o f d m ，m i m o ，时频同步信道f 占计，联合c p 和lp i l o t ，白适应 p 旧科学控忙人学f 0 5 1i j 论乏 m i m o o f d m 系统时频i 一步平几信道估讨技术 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 ) h a sb e e nr e g a r d e da so n eo f t h em o s t p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rt h eh i g h e rb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n ds u p e d o rp e r f o r m a n c ei nh i g h d a t a - r a t ed i g i t a lt r a n s m i s s i o n so v e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s m u l t i p l ea n t e n n a sc a nb e u s e db o t ha tt h et m n s m i t l e ra n dr e c e i v e r ，a na r r a n g e m e n tc a l l e dam u l t ii n p u tm u l t io u t p u t ( m i m o ) s y s t e m s am i m os y s t e mt a k e st h ea d v a n t a g eo fs p a c e - t i m ec o d i n go rs p a t i a lm u l t i p l e x i n gt o o b t a i nas i g n i f i c a n tc a p a c i t yg a i n c o m b i n e do f d mw i t hm i m oi so n eo ft h em o s tp r o m i s e e m e r g i n gw i r e l e s st e c h n o l o g i e s t h i st h e s i sf o c u s e so ns y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o nf o ro f d ms y s t e m si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，b o t hs i s o o f d ma n dm i m o - o f d ms y s t e m sa l el a k e ni n t oa c c o u n t f i r s t l y t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e s ，a p p l i c a t i o n sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fo f d m t h ec o n c e p to fm i m o - o f d mi sa l s o d i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h e n ，t h et h e s i se m p h a s i z e so nt h es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d sf o rs i s o - o f d ms y s t e m s a f t e r a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h et h r e ec a t e g o r i e so fs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，w ep r o p o s e da c o m b i n e dc p ( c y c l i cp r e f i x ) a n dp i l o ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c ha i m sa td e c r e a s i n gt h e o v e r h e a do fs y n c h r o n i z a t i o n b ye x p l o i t i n gt h ec p ( u s e dt od e a lw i t hi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) a n dp i l o t ( u s e dt oe s t i m a t et h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a np e r f o r m s b e t t e ri nm u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l sf o ri ta v o i d sm i s - c a p t u r i n gt h ef i r s tp a t hb yt h em o s td o m i n a n t p a t h ， f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i st u r n st os y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d s f o r m i m o - o f d ms y s t e m s a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e so fm i m o o f d ma n dc h a r a c t e r i s t i c so f m i m oc h a n n e l s ，w ep r o p o s e das p e c i a ls y s t e md e s i g n i no u rm i m o o f d ms y s t e m t h et r a i n i n g s e q u e n c ei sm u l t i p l e x i n gw i t ht h ed a t at o t a l l yb o t hi nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n b a s e do nt h e d e s i g n ，w ep r o p o s e dam i n i m u mo v e r h e a ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m a n dad y n a m i c - s e c t i o n f i l t e r i n g c o r r e l a t i o nt i m ed o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mp e r f o r m sb e u e ri nf a s tf a d i n gc h a n n e l s k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，s 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 a d a p t i v es i g n a lp r o c e s s i n g 中田f 掌技术上学mi j 论文 4 m m o - o f d m 系统时频h 步和俯道待汁扯术第一章绪论 第一章绪论 物凄。能苗表 信基鼍人类社会赖娃生存秘发襞j 二天基础信基技术镌笈襞盏接推动 着人类鹃进步与发醚，信息技术的t 速发疑集中表现在穆动逶信多媒体信息蝗务拳| 互联 网络二个力面，现代移动通馈的麓襞始于一- - 世纪2 0 年代，扶以模瓠传输力式实现话音业 务的第一代穆动通信系统，到上世纪8 0 年代未以数字传输奇式实现语音和低速率数字业务 的第_ 二代移动通信系统再铷g 前鄂将天规模弱业纯盛国的第三代移动通信系统我们可以 否锄，移动通话的蔹襞要求未来移动通信系统员有更高传输速率高更高的业务磺釜和更高 的凝谱效率， 1 1从单载波到多载波 数字信号的载波调制是信道编码的一部份。一般传输通道的频率特性总是有限的，可以 看作一个带通滤波器。有上、f 限频率频率落在通带之外的信号就不能有效地进行传输。 冈此，在传输前要对数字信号进行某种处理。减少数字信号中的低频分鲑和高频分量，使能 簟向中频集中，或者通过某种凋制过样进行频谱的搬移。数字通信的发展是以单载波调制为 起点的，常址的单载波调制方法有二进制相移键控( b p s k ) ，四相相移键控( q p s k ) ，多 进制相移键控( m p s k ) 及止交幅度调制( q a m ) 等。 随着人类社会的不断进步，人仃j 对无线通信的要求也越来越高。日趋膨胀的需求数姑与 有限的频谱资源之间的矛盾、日茄增加的通信性能要求和复杂的无线传输信道之间的矛盾是 制约无线通信发展的两人主要矛盾，同时也是推进通信技术不断发展的两个主要动力。多载 波调制技术在这样的环境h 帝运而生。 多载波凋制的概念丁2 0 世纪5 0 年代末被提出，弗逐渐引起人“j 的关注。多载波技术主 要的特点是将高速的数据流分成多个低速的子流，将这些低速的子流放经不同的子载波匕进 行传输，然后接收端对每个不同的f 流进行单独解调和处理。 多载波技术是一种频分复川( f 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 ，f d m ) 技术，它利川在 各个载波之间插入一定宽度的频率保护间隔来减小或消除载波间干扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ) 。保护间隔可以有效地保证荐个子载波之间的止交性，却造成了频带资源的浪 费。止交频分复州( 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 ) 技术止是为了获得高 频谱利用率而提出的种特殊的多载波技术，它将信号调制到相互重巷但止交的子载波上。 一方面，止交的子载波保证了信号的无干扰的高速传输；另一方面，相互重霍的子载波可以 有效的1 7 省了频带资源，提高系统的频谱效率。 正交频分复川技术具有以f 优点： 1 ) 有效的对抗频率选择性衰落。o f d m 技术将宽带频率选择信道分割为窄带平坦衰落 子信道，闲而比单载波系统更能够对抗频率选择性衰落。 2 ) 克服符号问干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的影响。由于o f d m 系统引入了 循环前缀( c y c l i cp r e f i x c p ) ，当取循环前缀的k 度a 人丁信道冲激响应的艮度 时，就可以消除i s i 的影响。 3 ) 高设的频谱利州率。由丁再个子载波之问不需要频率保护问隔，冈此可以有激的提 高系统的频谱效率。 t p 同科学 主术九学慷l 论殳 m i m o - o f d m 系统对频阳步和衍遥估汁技术 第一摹绪沧 1 2 从s l s o 到m o 随着通信技术的发展，特别是多媒体业务的兴起，朱来移动通信对系统的容量，数据传 输速率平q o s 等指标均提山了更高的要求。这使得s i s o 系统难以满足未来移动通信的需求， 多输入多输出( m i m o ) 技术应运而生。通过在发射和接收端部采坩分集技术，将原来认为 是制约无线通信发展的瓶颈问题多径衰落转换成川户增益，有效地利用信道随机衰落， 多 季延时扩展等来提高信息传输速率。 m i m o 系统通过在发送年接收端都采用多天线，或者利用空间分集，或者利用空间复 川，提高系统性能及增加系统容量。空时编码( s p a c e t i m e c o d i n g ) 即可以利圳多大线的空间 特性获得空间分集增益，又能够利用时域冗余获得时间分集增益已经证明，对一个采_ l j 了 魁根发送天线，r 跟接收天线的m i m o 系统，空时编码可以获得越坼的分集增益。空间 复川方法是对不同发射天线发送的数据流进行复用，利用信道间的独立性获得高频谱效率。 将o f d m 技术与m i m o 技术相结合，是提升通信系统性能的有效手段之一，因此 m i m o o f d m 系统的研究和讨论引起了广泛的关注。虽然m i m o 技术可以显著地提高 o f d m 系统的性能，但是同时也提高了接收端信号处理的复杂度。m i m o 技术能够提高系 统容鼍的前提是准确地对信道传输矩阵进行估计。与s i s o 系统的信道不同m i m o 系统的 信道不能再用一个列矢量表示，信道传输矩阵变成了一个m m 的矩阵。矩阵中的每个元 素部楚一个列尖量。如何高效准确地估计出信道传输矩阵是m i m o 系统的难题之一。 1 3 论文的主要工作 本论文作者的t 作主要围绕着o f d m 系统接收端的参数估计展开。 首先，论文介绑了o f d m 系统的基本原理，并分析了o f d m 系统在实现过程中需要重 点解决的技术难题时频同步和信道估计。绥下米作者对现有的时频同步方法做了一个 简单的 类计分别对二类时频同步方法做了分析平i i 比较，在此基础上，作者提出了一种高 效的时频同步方法联合循环前缀年导频序列的同步算法。该同步算法联台利h o f d m 系统本身为了对抗载波问干扰所加的循环前缀午为了进行信道f 占计所加晌导频序列这两部 分信号完成时频同步。分析指出，该算法能够在不增加系统开销的前提r ，提高时频同步的 性能。 接f 来，作者针对目前移动通信研究的热点问题m i m o - o f d m 系统，提出了一种 新的系统结构，并在此基础上提出了一种新的时颁同步和信道估计算法。该算法的特点是蹦 来进行时频同步看l 信道估计的训练序列与o f d m 调制后的数据同时、同频发送冈此不会 - i h j 系统带宽。为了提高功率效率，训练序列的发送功率可以根据信道状况白适应调整。另 外为了提高信道估计的性能，我”j 对接收剑的信号进行分段加窗相关处理，根据信道的变 化臼适应的调整分段数和相关窗的形状。性能分析和仿真结果证明我们提出的时频同步羽i 信 道估计算法可以高效准确地估计m i m o o f d m 系统的时、频偏平信道信息。 1 4 全文结构安排 本论文的士要内容安排如l - ： 第一二章卜要介耋f 了o f d m 的基本原理，士耍麻川及关键技术： 第三章讨论s i s o o f d m 的同步技术。，r 提山- r 一种新的时间同步尊法 中闷科学 土术凡学f ! ；! l 。论支 m i m o o f d m 系统时频川步霸l 竹道估汁技术第一辛绪论 第四章主要针对m i m o - o f d m 系统，提出一种新的时频同步算法： 第芤章讨论了m i m o o f d m 的信道估计技术，并基丁- 第四章提出的m t m o o f d m 系 统结构提出一种新的m i m o - o f d m 的信道估计算法： 第六章是结求语。 c p 瑚科学 点术人学坝i j 论定7 m i m o - o f d m 系统肘颖川步和信道估计技术 第一肯o f d m 的原螋、应用投关键技术 第二章o f d m 的原理、应用及关键技术 证交频分复尚( 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 ) 技术其舂高教韵频 避翻确章高速豹数据传输及抗拳径干扰的能力被认为是来来移动通信中项鲠具竞争力 煎技本。目前o f d m 技术a 经龟数字音频 i 橘幕统( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g , d a b ) 、 数字视频j 。摇系统( d i g i t a ll q d e ob r o a d c a s t i n g , d v b ) 及无线碣域网( 1 e e e8 0 2 1 l a 、 h i p e r l a n i i ) 中褥自7 i “泛的瘦鞠，本文的i 妥研究7o f d m 系统的时顿同步秘倍道估计 蛔毯，为此，我铂奄必要觅对o f d m 的基本疆理，主婆应魄和关键技术徽一个全面的奔绻， 2 1 o f d m 的基本原理 o f d m 的核心思想是将原始数据分成若干路子数据，再利用这些子数据去分别调制相 互正交的子载波，从而使高速串行数据流在多个相互正交的子载波上无干扰的并行传输。 o f d m 系统基带发送艘收原理如幽2 - 1 所示。 。& l 幽2 1 ( a ) o f d m 系统基带发送机原理框幽 冷_ 胆 叫卜皿墼 并串 转换 i 叫铲卸俨玛 1 幽2 j ( b ) o f d m 系统基带接收机原理框图 o f d m 系统的发送信号可咀表示为： 中脚科学投术人学嘶! j 论文8 m i m o - o f d m 系统时频川步和信道估计技术第一章o f d m 的扳理、癌用发关键技术 x ( ，) = 羔j ( ) ，e x p o 2 f 竽) = 芝( h ) e x p ( j 2 口孑睾x ( o c i + 0 5 。口c ( c 、 e l s e w h e r e 其中，是预先设定的判决j 限。 上述基7 - p i l o t 的频率同步方法主要是为解决由k 。l z0 5 引起的相位模糊问题而提出 的，经过这种修止处理后，残留的载波频偏范同由原来的- 1 3 5 0 5 变为一o 2 5 0 2 5 ，需要 进一步的精同步才能满足系统要求。行且，在低信噪比f ，该算法存在一定的误判概率，会 导致系统性能的恶化。 中固科学 土术人学删i 论_ ：c ： 8 q 冲 亟。盈 删 删 m i m o o f d m 系统时频i n j 步和竹道估计投术笫二带s i s o - o f d m 系统的i 训步技术 3 1 4 小结 以上详细介纠了三人类同步算法的基本原理。其中，利川c p 进行同步人多在时域进行， 算法比较简单直观且不需要额外的开销，但肖多径时延比较严重时，l s i 将影响同步的精 度；利用p r e a m b l e 进行同步，能比较准确的估计出时偏和频偏，但是需要的开销较人，且 同步等待时间较k ：而p i l o t 是在o f d m 系统进行信道估计时插入的已知信号，现有的算法 大多不能充分台理的利h ；i 这部分冗余信息。 为了充分并合理的利t l i jp i l o t 的信息，我们提山了一种联台循环前缀和导频序列的时频 同步方法，能够改进时频估计在多径信道下的精度，提高系统在多径衰落信道f 性能 3 ，2 联合c p 和p i1 0 1 ：的时频同步算法 o f d m 系统对同步误若非常敏感，为保证系统的性能，需要准确的时间和频率同步。如 何使f j 尽量少的开销实现快速准确的频率同步，是o f d m 系统设计过程中需要重点解决的 问题之一。我们研究的出发点是在充分利用o f d m 系统已知信息的基础上进行同步设计， 以减小系统开销提高系统的数据传输效率，适应高速传输的需要。同时，我们希望减小同 步等待时间希掘步处理时延。为此，本文提出了一种联合c p 利p i l o t 的时频同步算法。该 算法的独特设计可以充分利心p i l o t 同时完成时偏平频偏估计，快速可靠的达到时频同步。 3 2 1 系统描述 由丁信道是时变的，同时信道的衰落快慢也是随机的，例如下辆的移动速度是变化的， 从而造成了最人多普勒频偏也是变化的。为了适麻不同的信道变化情况，考虑o f d m 系统 的导频殴计采t l j 幽3 - 3 所示的梳状插入方案，即在每个o f d m 符号内，p i l o t 均匀地插在f 载波上。这样在高速移动情况f 仍能可靠的进行信道估计，使系统具有较强的鲁棒性。 | 垂| 引 导频子载波 。数据子载波 oo0 0oo ooo o 0o o o oo o o o oo o 0 o o o0 o 00 o0 o o0 o o 0 o0 o oo o o0 o ooo o ooo oooooo o oo 0o o oooo o oo 0 oo o0 oo ooo ooooo oo o 0 ooo o 时间( o f d m 帧) 幽3 - 3梳状导频插入方式 故o f d mf 载波数为其中p i l o tl f ih m 个子载波，以相等的间隔r = n m 插入到 个子载波中0 数据信号d 内复川一个完整的o f d m 符号。经过i f f t 后得到发送的时域 o f d m 信号可以表示为： 中国f ： 学技术人学坝i 论史 9 坚! 塑坌翌! 望坚墨茎翌塑堕生塑篮望笪生垫查 笙三曼立堡塑! 业墨堑盟型生! 查 s ( ”) = 丽iz 缶, - i 驴“，一州_ l ( 3 。1 5 其中，i 表示子载波数。 0 是保护间隔的k 度。s k 表示第k 个子载波上的信号： s ：j 只，“ ( 3 1 6 ) 驴1 砬，r 设导频序列从第如( 。【o ，r ) ) 个子载波开始等间隔插入，r = = m r + l 。+ ) 为导频 所，i 载波序号的集合。 假设多径衰落信道数学模型表达如r ： ( ) = 向t d ( 月一t ) + h 月) ( 3 1 7 ) 其中， 啊k 。0 为多径信道各径的增茄， b ，- - 0 为各径的时延，是信道冲激响应 的氏度。，倒是零均为值、方差为的复高斯噪声。 假设接收端有精确的频偏估计则接收的信号可以表示为 ，( 。) 划一窆岛q 。一。) + w ( ”) ( 3 - 1 8 ) 1 = 0 其中，是任意载波相位冈子。接收端在进行f f t 将数据由时域变回频域之前，需要 确定【口，o + n l 】的f f t 窗口。0 是h 采样间隔门一化的时问偏移。 3 2 2 定时误差的衡量参数等效信千比 o f d m 系统为了对抗多径信道中1 s ! 的影响，在每帧信号的开头添加& 度为n 。的保护 间隔。当f f t 窗的起点落在【一m ，o 】范围内，接收信号去掉保护间隔后不会受i s i 的影响； 相反，当f f t 窗的起始何置落在此范同之外，接收信号就会受到符号间干扰的影响，造成 系统性能的恶化。 当f f t 窗起点落住【一n ，0 l 外时，接收的信号可以表示为： ，：p m “”h ( i ) 。以+ ，+ ( 3 - 1 9 ) 式中，百是时问偏移的估计值，a ( 是符号问串扰引入的幅度衰减冈千： a ( a ) ；帆) l ! n - 广a o ( 3 - 2 0 ) 其中，a o , 的定义如幽3 - 4 所示。 中国科学技术人学坝i j 论立 m i m o - o f d m 系统时顿 f i ： 步椰箭道估汁技术 笙三垦；i s o - o f d m 系统的h 步技术 当占一目 o 时 当0 0 0 时， 臼 0 0 0 ， 。一一( a 一0 ) 0 0 0 f 0 0 ( 一n 。+ f 其他 ( 3 - 2 i ) 当0 - p 3 d b ，信道b 条件v 6 d b ) 时 文献