（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统同步技术的研究及其在iee+80216e中的应用.pdf

摘要 摘要 近年来宽带无线通信技术和应用得到了迅猛的发展，人们对无线数据和多媒体业务的需求 促进了用于商速宽带无线通信新技术的发展和应用。多输入多输出( m i m o ) 技术和正交频分复用 ( o f d m ) 技术是当今宽带无线通信领域研究的热点。而m i m o - o f d m 系统性能对载波额率偏移极 为敏感，因此同步技术是该系统的关键技术之一论文主要讨论s i s o m i m o - o f d m 系统中的同步 及其在i e e e8 0 2 1 6 e 中的应用重点研究时圊同步和须谊估计 首先，详细分析了各种同步误差对o f d m 系统性能的影响，并基于s g o o f d m 几种经典的同 步算法提出改进的联合时频同步实现方案，包括粗同步，小数倍频偏估计、整数倍频偏估计和精定 时。仿真表明该方案无论在a w g n 还是在频率选择性衰落信道都有很优异的性能。 其次，针对m 1 m o - o f d m 系统同步的集串式和分布式两种基本摸型分析和改进帧头，着重介绍 m i m o - o f d m 系统在轮询模式和正交模式下的同步实现与改进，并提出联合空间分集和时频估计的 同步方案和改进的相关差分同步方案。值得一提的是。改进的相关一差分方案考虑了实际情况的定时， 且性能和槐关差分方案桓当，是m l e 算法鹊食好逼近，琶茈在分布式m i n i ( 3 系绕的葡步率臭有 定的实用价值。 最后，基于前文的改进，将之具体应用于i e e e8 0 2 1 6 cs i s o m i m o - o f d m a 环境。仿真表明， 该碾步方案性能优异，软为逼近c m n _ l e r - g a o 界完全满足系绕的性能要求，并具有较好台q 鲁棒性。 关键字：o f d m ，m i m o ，时间同步，频偏估计。 e e e8 0 2 1 6 e ，联合时频，相关差分。o f d m a 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e e df o rw i r e l e s sd a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c e sp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so f m a n yh i 曲一s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s m i m o ( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ) a n d 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 i n g ) t e c h n i q u e sh a v eb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nt h e f i e l do fb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s b u tt h ep e r f o r m a n c eo fm i m o - o f d ms y s t e m si sv e r y s e n s i t i v ei oc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t , s os 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 nm i m o o f d m s y s t e m s t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so r lt h et i m i n ga n df i 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 m si ns i s o ( s i n g l ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u t ) m i m o - o f d ms y s t e n h ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o ni ni e e e8 0 2 1 6 es t a n d a r d f i r s t l y , b a s e do nt h e o r e t i c a l - a n a l y s i so fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r st ot h ep e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e m s ， a n ds e v e r a lc l a s s i c s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，a ni m p r o v e ds c h e m e n a m e dj o i n t t u n e f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e df o rs i s o - o f d ms y s t e m i ti n c l u d e sc o a r s et i m i n g ，f r a c t i o n a lf r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o n ，i n t e g r a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n df i n et n i a n g s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i ss c h e m eh a s g a i n e dg o o dp e r f o r m a n c ei nb o t ha w g n a n df 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 s e c o n d l y , p r e a m b l es l r u c t u r ei sa n a l y z e da n di m p r o v e do i lt h eb a s i so fc e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d m o d e l sf o rm i m o - o f d ms y s t e m s f u r t h e r , s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m si nb o t ho r t h o g o n a la n da l t e r n a t e m o d ea r ep r e s e n t e d , a n d 帆s c h e m e s - j o i n t - d i v e r s i t y - t i m e f r e q u e n c ya n dm o d i f i e d - c o r r e l a t i o n - d i f f e r e n c e s y n c h r o n i z a t i o na r ep r o p o s e d t ob em e n t i o n e d ，t h i sm o d i f i e d - c o r r e l a t i o n - d i f f e r e n c es c h e m es h o w sag o o d t r a d e o f f b e t w e e nr e a l i s t i ct i m i n ga n dp c ：一o i t n 如c e w i t hi t sp e r f o m m c ea p p r o x i m a t e dt om l e a l g o r i t h m i td e s e r v e sp r a c t i c a lv a l u ei nd i s t r i b u t e dm i m o s y s t e m s f i n a l l y , i m p r o v e da l g o r i t h m sf o rs y n c h r o n i z a t i o na r ea p p l i e dt oi e e e8 0 2 1 6 es i s o m i m o - o f d m a s y s t e m sp r a c t i c a l l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei sr o b u s t ，a n d a p p r o a c h e sc r a m e r - r a ob o u n d ，w h i c ht o t a l l ys a t i s f i e ss y s t e mr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：o f d m ，m i m o ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，i e e e8 0 2 1 6 ：， j o i n t - t i m e f r e q u e n c y , m o d i f i e d - c o r r e l a t i o n d i f f e r e n c e ，o f d m a l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名：l 翌瓠霪日期：巡 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：! 旦蔓瞳导师签名：丝日期：型 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是当今最为活跃和发展最为迅速的通信领域之一，也是二十一世纪对人类生活和社会 发展产生重大影响的领域之一。随着移动通信市场的发展，人们对移动通信业务的要求也在不断提 高，从单纯的语音业务，到低速率数据业务，再到能提供移动i n t e m e t 接入的高速多媒体业务。用户 数的快速增长和业务的高质量要求给移动通信提出了巨大的挑战，也是促使新技术和新业务不断涌 现的原因， 本章简要介绍了移动通信系统的发展、m i m o - o f d m 技术，i e e e8 0 2 ，1 6 e 的标准和论文的章节 安排。 1 1 移动通信系统酶发展 自从1 9 6 8 年贝尔实验室提出蜂窝移动通信系统的概念以来，移动通信己经历了两代系统的演 变正在向第三代移动通信系统( 3 g ) 全面实用化迈进( i 第代移动通信系统【i g ) 起源于2 0 世纪8 0 年代，提供频分多址( i ：d m a ) 的模拟语音通信 典型代表为美国的a m p s 和欧洲的t a c s 系统。第一代系统实现了蜂窝网的商业化，是移动通信发 展历史上重要的里程碑。f d m a 模拟系统的缺点是容餐有限、频率利用率不高、制式不统一、保密 性差、不耗提供自动浸薅等。 第二代移动通信系统( z g ) 起源于2 0 世纪9 0 年代初，实现了从模拟系统到数字系统的转变， 主要提供语音业务和低速数据业务。数字系统采用先进的传输和信号处理技术，使得频率利用率、 语音质量，保密性得到很大提商。典型代表有欧洲基于时分多址( t d m a ) 的g s m 系统和美国高通 公司基于码分多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统2 g 系统透一步演递，以g p r s 、e d g e 为代裹的2 5 代( 2 5 g ) 可以满足用户对数据业务的需求提供基于电路交换或分组交换的中等速率数据业务。 目前2 g 和2 5 g 系统是许多国家正在投入商用的主要移动通信系统。 第三代移动通馐系统( 3 g ) 起源2 j 3 世纪9 0 年托束，强鲢主要耳椐是提供更大韵系统容量。更高 的通信质量，并提供高速率数据业务，以满足人们对多媒体通信的要求，并适应通信个人化的发展 方向。1 9 9 9 底，国际电信联盟( u ) 确定7 第三代移动通信的五种无线传输技术标准，晟终确定的 3 g 标准：欧i l i i 和日本的w c d m a 北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 。c d m a 经被广泛接 受为第三代移动通信中的主流空中接口，目前3 g 正处于六规模商用化的前期阶段。几代蜂窝移动通 信的比较参见表1 1 1 9 1 。 全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务的快速转交，预示着手持移动终端将逐步取代p c 戌为人机接口的主要设备蕊为高速业务和多撵体业务设计的3 g 系统在运信的容量与质量等方面 仍不麓满足要求，世界各国在推动3 g 系统产业化的同时，目前己把研究重点转入“三代后4 ( b 3 g 1 4 g ) 移动通信系统的先期研究，目的是在概念和技术上寻求创新和突破，使移动通信系统的容量和速率 i 素南大学硕士学位论文 有数十倍甚至数百倍的提高。 b 3 g 系统面临的挑战之一便是需要支持高速分组数据传输的要求，为了达到数据速率为数十兆 b p s 甚至数百兆b p s 的全口高速分组数据传输的目的。b 3 g 需要相当宽的频带宽度因此移动通信 和宽带接入网络的融合将是b 3 g 系统的发展趋势。相对于传统的单载波t d m a 和c d m a 技术，以 正交频分复用( 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 r i l e x i n g ) 为代表的多载波并行传输技术具 有抗衰落能力强、对窄带干扰和窄带噪声不敏感、频谱利用率高和支持可变用户速率等优点，这使 其成为宽带无线接入领域的首选技术。而多输a 多输出( m i m o ，m u ! 卸k 抽p u tm u l t i p l e o c t p u t ) 技 术能够在不增加频带的情况下，进一步提高信道容量，更是近年来研究的热点。因此。m i m o 技术 与o f d m 技术的结合可以提供有效的抗频率选择性衰落的能力和更高的频谱利用率，o f d m 技术与 m i m o 技术的结合将是高速宽带无线通信发展的趋势和潮流，将成为b 3 g 4 g 系统的关键，接下来 将对这两种技术做一下简单的介绍。 表1 - 1 蜂窝移动通信系统比较 i g 2 g 3 g b 3 g ，4 g 业务模拟语音数字语音，低速 高速数据多绦体更高速致据，多攥 数据体，全口 多址方式f d m a c d m a ，t d m ac d m a 结合t d m ac d m a ，o f d m a 主要频段8 0 0 瑚zg o o + 1 9 0 0 m h 22 g 1 - 1 z 2 + 5 g h z 典型代表a n i p s ，t a c s g s m ，1 s 9 5 ，p h s w c d m a c d m a 2 0 0 0 ，单的融合标准 t d - s c d m a 数据率 1 9 k b p s1 4 ，4 k b p s 2 m b d s 1 0 0 m b p s 核心罔p s i np s t n 分组两分组两 1 2m i m o o f d m 技术简介 1 2 1o f d m 技术 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 种复用筏术。o f d m 技术最早提出是在2 0 世纪6 0 年代中期，之后很长一段时问内部没有实质性进 展。在o f d m 技术的发展过程中有两个重要的里程碑：一是w e i n s t e m 和e b e 一”l 于1 9 7 1 年提出通 过离散傅立叶变换( i d f t ：d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 来实现o f d m 的调制和解调，这样系统不再 需用一组振荡器来产生多个子载波。从而大大降低了o f d m 调制的计算复杂度。另个里程碑则是 p e l e d 和r u 甜”】于1 9 8 1 年提出在每个o f d m 符号前面插入循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) ，这样就可 以防止符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 和载波间干扰( i c i ：i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 。 c p 的插入消除了i s i 和1 c i ，但也带来了功率和信息速率的损失。 2 0 避纪s o 年代以泉，大规模集成电路( v l s i ) 技术的发震解决了快速傅立种变换( f f t ：f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ) 的实现问题，随着d s p 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自 适应技术等的应用，o f d m 技术开始从理论向实际应用转化。此外，还由于其具有很高的频谱利用 2 第一章绪论 率和良好的抗多径干扰能力，o f d m 被视为第四代移动通信技术的关键技术之一。 o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用，如欧洲的数字音频广播( d a b ： d i 每吼a u t ob f c , a d c a s t ) 和数字视额广播地面传输系统i 、琊t d v i - t ：d i 舀v i d e o b r o a d c a s t - t m - m s t r i a ls y s m m ) ；在有线通信系统中，分别应用于v h d s l 和a d s l 系统中，并被冠名 为离散多音调制( d i v i t ) ；为支持非视距( n l o s ) 传输，i e e e8 0 2 1 6 a 提出采用新的宽带传输技术一一 基于o f d m 调制技术的多载波系统w 抵l e s s m n 旬f d m 来作为2 1 1 g h z 宽帮无线接入的物理层传 输方案。e e9 0 2 1 6 e 1 1 哪】在沿用了i e e e8 0 2 1 6 , 1 中的o f d m 技术，不同的是增加了对用户移动性 的支持。概括起来，o f d m 技术之所以得到人们的广泛关注，其原因在于以下几个主要优点”q ： 把高速率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。从而有效 翕q 减少由于无线信道的对闻弥靛带来的符号阃干扰( 1 s j ) ，减个了接收轨内均衡的复杂度，而通过 加入长于信道多径时延的循环前缀( c p ) 可以消除i s i 的不利影响。 由于o f d m 系统各个子载波之间保持正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规f d m a 系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅里叶反变换【l d f t ) 和离散傅里叶变换 ( d f f ) 来实现。对于子载波数较多的系统，可以采用快速傅里叶反变换( 珊f r r ) 和傅里叶变换( f f t ) 来实现，这在d s p 中是非常方便的。 无线数据业务一般存在菲对称往，鄂下行链躇中弱羲据佳输量要大于上行链玮中的毅据传输 量，o f d m 系统支持非对称高速速率数据传输，可以通过使用不同的数据子信道来实现上行和下行 链路中不同的传输速率。 o f d m 系统可以和其它接入方式相结合。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，使多用户可以同时利用o f d m 技术进行信息传输。 但是由于o f d m 系统采用多个正交子载波传输，而且其输出信号是多个信道信号的叠加，因此 与单载波系统相比，o h ) m 系统也存在如下几个主要缺陷： 易受频睾经差的影响。由于子信遭鲍频灌辊互覆盖，这欲对它帮砖正交性提出了严格钓要求。 由于无线信道的时变性，在传输中出现的无线信号频谱偏移和发射机与接收机本地振荡器之间存在 的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子载波问干扰( i c i ) 。这种对 频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比( p a y r ) 。多载波输出是多个子信道的叠加，因此如果多个信号 的相位致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰均比 这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号的畸变，使信号的频谱发生 变化从而导致各个子载波阚的正交性逮虱礁坏，产生干扰往性能恶化， 因此，o f d m 技术在无线通信系统中的实现还面l 临着许多实际的技术问题。同步和信道估计是 实现o f d m 系统的关键技术，需要折衷考虑系统性能和实现复杂度。 1 2 2m i m o 技术 最早的多天线概念是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的。他最初的设想是利用多天线来抑制信道衰落 3 豪南大学硕士学位论文 而现在的m i m o 技术是通过增加发射天线和接收天线的数目。在收发两端之间形成多个并行传输信 道，利用这些信道进行数据的并行传输来提高通信速率。同传统的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 信道相比，m m o 信道在不增加带宽的条 掌下能成倍的提高通信系统的容量和频谱利用辜， 广义的m i m o 技术主要包括空间发射分集和空问复用技术【l q 。而其中的发射分集技术指的是在 不同天线上发射包含同样信息的信号( 信号可能并不相同) ，从而达到空间分集的效果，发射分集主 要是空时码技术；空间复用与发射分集不同，它在不同的天线上发射的是不同的信息空间复用技 术真正体现了m i m o 的系统容量提高的本质。 基于发射分集的空时编码主要分为两类：空时网格码( s l r r c ) 和空时分组码( s t b c ) 。 s t r c 是t a r o k h 等人【1 7 1 于1 9 9 8 年提出的，它把编码、调制、发射分集结合起来，能达到编译码 复杂度、性能和频带利用率的最佳平街，是一种非常好的编码。采用s t t c 能同时得到编码增益和 分集增益，提供比现有系统高3 4 倍的频带利用率，但其译码复杂度随着状态数的增加而呈指数增 长。 s t b c 是a l a m o u t i t ”l 于1 9 9 8 年提出的一种非常简单的发射分集技术。空时分组码利用正交设计 的原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空河域与对闯域相结合的正交分纽编码方 式。s t b c 可以使接收机解码后获得满分集增益，且保证译码算法仅仅是简单的线性合并，使译码 复杂度大大降低。空间分集方案为m l m o 系统提供空间分集增益，即在一定的数据传输速率下，可 以获得更好的误码率性能，在m i m o 系统的发端和收端均可以利用空同分集。 空间复用主要技术：分层空时码( l s t ) ，包括水平分层空时码( h - b l a s t ) 、垂直分层空时 码( v - b l a s t ) 和对角分层空时码( d - b l a s t ) 。空间复用方案提供了随发射天线数线性增长的数 据传输速率，而不需要增加额外的带宽和发射功率。在空间复用中，要发送的数据比特流被分为若 干较低速率的子比特流。在各发射天线土阿对发送。接投机通过信道信息可以区分并分别键取来自 各个发射天线的信号，然后恢复出各个原始的子比特流，合并后就可以得到原始比特流。 1 2 3m i m o 和o f d m 技术的结合 众所周知。在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率 【l “。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。 而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 传输速聿，即由m 1 m o 提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样， 如果我们将o f i ) m 和m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统具备很高的传输速 率，另一种是通过分集达到很强的可靠性，同时，在m i m o - o f d m 系统中加入合适的数字信号处理 算法能更好魄增强系统的稳定性。 理论上说，作为高速无线局域网核心的o f d m 技术，只要适当选择各载波的带宽和采用适当的 纠错码技术，多径衰落对系统的影响可以完全被消除。因此如果没有功率和带宽的限制，我们就可 以用o f d m 技术实现任何传输速率。从实际上说，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率 适用多载渡调制技术的系统需要增加载渡的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系 统的带宽，这对近日的带宽受限和功率受限的系统就不太适合了，而m i m o 技术能在不增加带宽的 4 第一章绪论 情况下成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率。 m i m o 技术的假设应用环境是平坦衰落无线信道，这一假设在宽带系统中一般不成立。而o f d m 是一种多袭渡谒锐技术，发射端把数据谒韵到多个楣互正交的子载波上同时发送，每个子载渡郡是 窄带，具有很强的抗多径衰落能力，因而可以认为对每个子载波而言，信道是平坦衰落的。 因此将m i m o 和o f d m 技术相结合可以很好的解决问题：利用o f d m 技术把频率选择性深衰 藩信道转变成多个子载波的平坦衰落信道；利用m i m o 技术在不增加带宽的条件下成倍的提高通信 系统的容量和频谱利用率尤箕在衰落环境下o f d m 系统非常适合使用m i m o 技术来提高容量。 m i m o - o f d m 技术是透过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量， 是联合o f d m 和m i m o 面得到的一种新技术它利用了时间、频率和空问三种分集技术。使无线 系统对噪声、干扰、多径韵容限大大增加，而且，当错遵请况好的时候，可以使用空阊复硒的编码 方式，来成倍的提高传输速率。 m l m o 和o f d m 的结合在提高无线链路的传输速率和可靠性方面具有巨大潜力。目前世界各国 都在积极对m 1 1 v l o - o f d m 技术展开研究，相信m i m o - o f d m 技术会成为未来宽带领域的关键技术。 1 3i e e e8 0 2 1 6 e 标准简介 t e e e8 0 2 1 6 工作组成立于t 9 9 9 年。专门受责研究宽带器定无线接入技术规范，譬标在于建立 全球统的宽带无线接入标准，它的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行规 范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里( 1 ( m ) 量级，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网1 1 9 l 。 根据使用频带高低的不同8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距 l o s ) 和非视距( n l 0 s ) 两种。其 中使用2 l l g h z 频带的系统可应用于非视距范围，而使用1 0 6 6 g h z 频带的系统应用于视距范围。 根据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入 空中接口标准。 e e e 8 0 2 1 6 标准系列主要包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、9 0 2 、l 鼹、8 0 2 1 6 e 标准，其中9 0 2 1 6 、 1 6 a 、1 6 t 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 t 6 e 是工作在2 0 g h z 颡段支持移动住的宽带无 线接入空中接1 3 标准，其制订目的是为了实现既能提供高速数据业务又能使用户具有移动性的宽带 无线接入解决方案。因此被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术i e e e8 0 2 1 6 e 向下兼容i e e e9 0 2 1 6 d ，并在 e e e8 0 2 1 b d 固定无线接 标准研制的基础上，提出了具有移动特性 的系统框架结构。移动w i m a x 标准目前得到i e e e 批准，正式名称定为8 0 2 1 6 2 0 0 5 。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准在i e e e8 0 2 1 6 d 标准的基础上对移动业务、小区间切换和多小区组同等方面 进行了规范协议主要加强了对移动性的支持对切抉蛉支挎包括了对切按( 包括软识抉) 过程和 切换的m a c 层信令的定义，以及对切换过程中测距( r a n g i n g ) 操作的完善，同时增加了基于多天 线的软切换功能等。对移动终端的支持包括：确定了省电模式，增加了低复杂度、低延时的l d p c 信道编码为了适应多变的移动信道环境，增加的功能包括：支持灵活的带宽使用，增强了h a r q 、 砧蟠c 、智能天毪和空时码的功能增加了t d d 系统的l i j 环发送功能。 与i e e e8 0 2 1 0 d 标准不同，i e e e8 0 2 1 0 e 的典型物理层技术是o f d m a ，i e e e8 0 2 1 6 e 对o f d m a 物理层进行了修改，使之可直持1 2 8 ，5 1 2 t 0 2 4 和2 0 4 8 共4 种不同的子载波数目，由于子载波问 s 车南大学硕士学位论文 隔不变，信号带宽与子载波数量成正比，这种技术称为可扩展的o f d m a ( s e a l a b l eo f d m a ) 。因此， 系统在移动环境中可灵活的适应信道带宽的变化。在调制技术方面，m e e8 0 2 1 6 e 支持高阶调制方 式如6 4 - q a m ，为了适应离质量数据通信的要求，i e e e8 0 2 1 6 e 选用了b t c 、c t c 等纠错能力强但 译码延时较大的信道编码同时也提供了低复杂度、低延时的l d p c 码支持。在双工方式方面，i e e e 8 0 2 1 6 e 支持f d d 和t d d 两种方式，这两种方式的物理层技术基本相同，而3 g 技术中f d d 和t d d 模式采用的物理层有较大的差别。i e e e8 0 2 1 6 c 在5 m h z 频带上可以实现约1 5 m b i t s 的速率，频谱 效率为3 b i t s h z ，与h s d p a 相似。但i e e e8 0 2 1 6 e 在固定或低速环境下可使用更丈的带宽( 2 0 m i t z ) 实现高达7 5 m b i t s 的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统很难达到的，这充分体现了o f d m 和 o f d m a 技术在宽带通信中的优势。 i e e e 8 0 2 ，1 6 e 标准支持全口网络层协议，8 0 2 1 6 e 设备可作为一个路由器接入到现有的口网络。 i e e e8 0 21 6 e 协议也可通过一个a t m 汇聚子层将a t m 信元映射到8 0 2 1 6 e 的m a c 层印具备支持 3 g 核心网的潜力，因此i e e e8 0 2 1 6 c 系统可支持与3 g 系统的互通和融合。 i e e e8 0 2 1 6 e 的m a c 层支持多种q o s 等级以适应不同的业务类型，包括主动分配带宽( u g s ) 、 实时轮诲( g t p s ) 、菲实时轮询( n r t p s ) 和尽力而为( b e ) ，其中最后一种为竞争接入豹调度杌制 i e e e8 0 2 t 6 e 增加了节电模式的内容，以支持移动终端，除正常工作状态外，还支持空闲状态( 即 用户处于激活状态且暂时无数据交换) 和睡眠状态。 1 4 论文的章节安排 本论文主要讨论m i m o - o f d m 系统的同步技术以及其在i e e e8 0 2 1 6 e 中的应用。时间和频率同 步是o v d m 系统的关键技术之。也是本论文研究鹊内容。沦文从第二章开始，具体结掏安排如下： 第二章，同步技术对o f d m 系统性能的影响。本章首先介绍o f d m 系统的基带模型和信道模 型：然后对s i s o - o f d m 系统在多径衰落信道下的同步干扰进行综合分析，包括载波频偏、定时偏 差和采样频偏的共同作用；然后分别阐述各个因素的单独影响；最后一节考虑m i m o - o f d m 系统同 步干扰的影响。 第三章，s i s o - o f d m 系统同步技术。本章首先介绍s i s o o f d m 同步算法的基本分类，分析了 几种经典的同步算法：在此基础上提出改进的联合时频的同步实现方寰，包括帧检测( 粗同步) 、小 鼓倍频缓估计，整数倍颏偏估计积赣定时；最后给出联合对频屑步算法的性能仿真 第四章，m i m o - o f d m 系统同步技术。本章首先介绍m i m o - o f d m 系统同步的集中式和分布 式两种基本模型，然后介绍了几种经典的m 1 m o - o f d m 系统的同步算法。在此基础上，着重介绍 m i m o - o f i ) m 系统在轮询模式和正交模式下的同步算法实现与改进。晟后给出m i m o - o f d m 同步 算法的性能仿真与分析 第五章，o f d m 同步技术在正既8 0 2 1 6 e 中的应用。本章首先介绍w i m a x - o f d m a 的基带传 输模型：然后基于前文的改进，将之应用于1 e e er 0 2 1 6 e 环境，分别介绍了s i g o - o f d m a 和 m i i d o - o f d m a 奇周步实现方案：最后绘出i e e e8 0 2 1 6 e 系统同步算法约蛙能仿真。 第六章，全文总结，总结了本论文的研究成果，明确进一步的研究方向。 6 第二章同步技术对o f d m 系统性能的影响 第二章同步技术对o f d m 系统性能的影响 同步对于任何数字通信系统来说都是重要的任务，没有精确的同步就不能对传送的数据进行可 靠的恢复尤其对于o f d m 系统，由于信号的解调是通过f f t 实现的，这就要求各个子载波之间保 持良好的正交性。当存在同步误差时，各个子载波闻的正交性就有可能遭到破坏，引莛严重的i c l ， 即每一个子载波上的数据都会受到其余多个子载波上数据的干扰，从而引起解调性能的迅速恶化口q 。 因此。同单载波系统相比，o f d m 对同步误差要敏感得多，接收端需要与发送端保持精确的同步 本章首先介绍o f d m 系统的基带模型和信道模型；其次对s i s o - o f d m 系统在多径衰落信道下 的同步干扰进行综合分析，包括载波频偏、定时偏差和采样频偏的共同作用；然后分别阐述各个因 素的单独影响：最后一节考虑m i m o - o f d m 系统同步干扰的影响。 2 1o f d m 系统模型 o f d m 既是种调制技术，也是一种复用技术。作为多载波调制方式的一种。o f d m 允许各子 载波频谱相互重叠且保持正交性，这样大大提高了频谱利用率并能有效的减少和克服码同串扰带来 的影响，从而克服无线信道由于多径带来的频率选择性衰落。o f d m 技术的基本思想是将高速串行 的数据码流转变成多路并行的低速码流，然后再线性调制到等频率问隔的一组相互重叠但又正交的 子载波上，虹果各子载波信道所占带宽足够窄。它们将分掰经历平坦衰落，此外，在o f d m 系统中， 通过引入c p 使信号即使通过多径衰落信道，使其各子信道问的正交性仍能得到保持。 2 1 1o f i ) m 系统的基带模型 图2 一l 为基于f f t 变换的o f d m 系统基带框图1 2 ”数据流经调制编码、串并转换、插入导频变 换成 ，个并行数据流( 为子载波个数) ，再经i f f t ，将_ 个并行数据调制到个并行的正交子载 波上，并在每个o f d m 符号前插入循环前缀c p 。接收端避 亍相应的逆处理首先进行符号定时和 频偏估计取出每个o f d m 符号，再经串并变换，去除c p ，f f t 变换到频域进行信道估计。并串转 换，解调译码得到串行的数据流。 图2 - l 基于f f t 变换的o f d m 系统基带框图 7 东南大学硕士学位论文 假定o f d m 系统包含个子载波，其中只用频谱中间的k 个子载波传输数据，零子载波和频 谱两侧被用作保护频带的其他子载波不传任何数据。j 靠表示第，个o f d m 符号内第k 个子载波上调 制的数据符号，可以是各种p s k 或者q a m 调制方式。r 为抽样间隔，l 却盯，l 是o f d m 码元中 有用信号的长度。为了克服符号问干扰( i s i ) ，一般循环前缀c p 的长度瓦总是要大干或等于信道 的最大时延f 。 插入循环保护前缀的o f d m 符号总长度为弘露 t v m ，其中r 为o f d m 符号的总长度，为抽 样的保护问隔长度t v r r 为f f t 变换产生的无保护间隔的o f d m 符号长度，那么在接收端抽样开始 的时刻应该满足下式： l r t 。 瓦 乏 ( 2 一1 ) 式2 - l 中f 是信道的最大多径时延扩疑。当抽样时刻满足该式时，前一个符号的干扰就只会存在 于【o ，f 1 由于子载波个数较多，o f d m 的符号周期丁相对于信道的脉冲响应长度来说很大，那么 i s l 的影响很小。甚至会没有i s i 。同时，由于o f d m 时延副本内所包含的子载波的周期个数也为整 数，时延信号也不会在解调过程中产生i c i ， 综上所述，可以得出加入循环保护前缀之后基于i f f t ，f f t 的o f d m 系统框图如图2 1 所示。 其中包含保护间隔、功率归一化的o f d m 的抽样序列 为： = 而1n 毛- i 以一2 m ，v = 一心，。 1 ，n 一1 ( 2 - 2 ) 经过信道和加性高斯白噪声作用的接收信号为： 贝f ) = j ( f f ) 咿，r ) d r + n ( o ( 2 3 ) 接收信号h f ) 经过a d 变换后得到接收序列 只 ，v = 一m ，0 ，l ，n - 1 ，去掉循环保护前缀后进行 d f t 变换，得到多载波解调序列 虼 ： = 等y , e 1 2 ”，n = 0 一，n l ( 2 - 4 ) 、f “，卸 m i m o - o f d m 系统将m i m o 空时码技术和o f d m 技术结合，系统发射端和接收端框图如图 2 - 2 ( a ) 、( b ) 所示，其中o f d m 调制_ 和解调框雷如图2 - 2 ( c ) 、 时延扩展矗和相干带宽( v ) ， 这两个参数用来反映信道对信号的扩展，它可以看成一个极短脉冲经过信道后被展宽的范围。 我们将时延扩展矗的倒数记为相干带宽( 。： ( 钔。= 争( 2 - 6 ) 相干带宽( 可) 。的含义是：两个频率间隔小于( a f ) ，的频率分量经过信道，它们经受的衰落是相 关的；当它们的频率间隔大于( a f ) 。时，其经历的衰落是不相关的当信号带宽w ( a f ) 。时，称 之为频率非选择性信道：反之称之为频率选择性信道。 多普勒扩展毋和相干时间( ，k 这两个参数用来反映信道的时变特性。每一径衰落的时变性可阻认为是由移动台和基站问的相 对运动引起，或是由周围物体的运动引起。它也可以通过多普勒扩展现来描述： 第二章伺步技术对o l q ) m 系统性髓的影响 吼2 丢c 哪( 2 - 7 ) 其中口是入射电波与移动台运动方匈的夹角。v 是运动速度， 是波长，我们近似认为多彗勒扩 展勘是相干时间( 出) 。的倒数： 只2 击 ， 当信道上的符号长度r ( ( a t ) , i t f t ，信道衰落至少在一个符号的持续时间内近似保持不变，这 样的信道称为慢衰落信道；反之称之为快衰落信道。 在o f d m 系统，发射端将数据调制到多个相互正交的子载波上同时发送，使得每一子载波都是 窄带；并且子载波的符号长度远小于信道相干时间，这样对