（通信与信息系统专业论文）lte下行ofdm同步技术研究.pdf

摘要 j 下交频分复用( o f d m ) 系统对同步误差非常敏感。当存在同步误差时，子载 波之间的正交性遭到破坏，从而引起严重的子载波间干扰，使系统性能大大下降。 因而性能良好的同步方法对于o f d m 系统是至关重要的。 论文介绍了l t e 的背景及其演进目标、o f d m 的基本原理及其同步技术特征， 讨论了定时偏差和载波频率偏差对o f d m 系统的影响，分析了几种典型的o f d m 同步算法，重点研究了初始同步和同步跟踪的算法及其实现。 初始同步包括时间同步和载波频率同步，由于载波频率同步的算法与同步跟 踪中的频偏跟踪算法一致，因此，第三章重点研究了时间同步。为了克服频偏的 影响，采用m p a r t 滑动相关的方法得到定时点，由从同步序列的检测确定主同步 接入的子帧号，从而获得时间的同步。 同步跟踪包括定时跟踪和频偏跟踪，定时跟踪利用导频符号的信道估计结果， 进行首径判断获得定时点。频偏跟踪利用主同步序列和从同步序列的信道估计结 果共轭相乘计算得到。 关键词：正交频分复用l t e初始同步同步跟踪 a bs 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 ) s y s t e m sa r em u c hs e n s i t i v e t os y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s t h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r sd e s t r o yt h eo r t h o g o n a lb e t w e e n s u b - c a r d e r s ，w h i c hl e a d i n gt oi n t e r f e r eb e t w e e ns u b - c a r d e r sa n dd e g r a d et h es y s t e m s p e r f o r m a n c e s oi ti si m p o r t a n tt oh a v eag o o ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mf o ro f d m s y s t e m s t h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n to fl t e ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d ma n d c h a r a c t e r i s t i e so fs y n c h r o n i z a t i o na lei n t r o d u c e di nt h et h e s i s a n dt h e nt h ee f f e c t so f t i m i n ge r r o ra n df r e q u e n c yo f f s e to fs y n c h r o n i z a t i o ni no f d ms y s t e m sa r ed i s c u s s e d f o l l o w i n gs o m et y p i c a lo 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 sa r ea n a l y z e d m u c h a t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oi n i t i a ls y n c h r o n i z a t i o na n d t r a c k i n gs y n c h r o n i z a t i o n i n i t i a l s y n c h r o n i z a t i o n i n c l u d e s t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n a n d f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n b e c a u s eo ft h ef 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 mi st h es a m ea s t r a c k i n gf r e q u e n c y , t h i st h e s i sp a y sm u c ha t t e n t i o nt os t u d yt h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n i nc h a p t e r3 i no r d e rt oo v e r c o m et h ee f f e c to ff r e q u e n c yo f f s e t ，m p a r tc o r r e l a t i o ni s u s e dt o g e tt h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o np o i n t a n dt h es u b f la m en u m b e rh a sb e e n d e t e r m i n e db yd e t e c t i n gt h es e c o n d a r ys y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c et og a i nt h ea c c e s s i n g t i m ep o i n t t r a c k i n gs y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e st r a c k i n gt i m ea n dt r a c k i n gf r e q u e n c y u s i n gt h e p i l o tc h a n n e le s t i m a t i o nt oa c c o m p l i s ht r a c k i n gt i m ea n ds e a r c ht h ef i r s tp a t ht og e tt h e t i m i n gp o i n t t r a c k i n gf r e q u e n c yi sc a l c u l a t e db yt h ep r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e a n ds e c o n d a r ys y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c ec h a n n e le s t i m a t i o n k e yw o r d s ：o f d ml t ei n i t i a ls y n c h r o n i z a t i o nt r a c k i n gs y n c h r o n i z a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 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 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安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做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：塑垒盛同期翌堡墨：! 垄 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盥垒垫同期盟主：! 三 导师签名： 主! l 哮k日期绰：z ：互 w 7 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀i 匕 3 g 技术的出现给移动通信带来了巨大的影响，给人们的生活带来了前所未有 的体验，它使上网冲浪、联网游戏、远程办公等摆脱了场地和环境的束缚，实现 了真正的无所不在。但人们的需求并没有就此停滞，大量的市场调研和专家研究 表明，2m b i t s 的w c d m ar 9 9 的传输速率、1 4 4m b i t sr 5h s d p a 的峰值速率已远 远不能满足人们未来的需求。国际标准化组织3 g p p 在经过认真的讨论后提出了新 的挑战，那就是计划在2 0 0 7 年实现峰值速率1 0 0m b i t s 的数据传输。这一新的系统 被称作e 3 g 或l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 。与第3 代移动通信相比，3 g p pl t e 物理 层传输技术、空中接口协议、网络结构等方面都发生了革命性的变化。 1 1l t e 背景及演进目标 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成木、高带宽的无线技术 的快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的 商业运营模式。例如，g o o g l e 与互联网业务提供商( i s p ) e a r t h l i n k 合作，已在美国 旧金山全市提供免费的无线接入服务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其 主要盈利途径，g o o g l e 更将这种新的运营模式申请了专利。另外，大量的酒店、 度假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务激烈竞争的原因，提供免费w i f i 无线接 入方式，通过因特网可以轻易地查询到这类信息。最近，网络服务提供商“s k y p e ” 更在这些免费的无线宽带接入基础上，新增了几乎免费的语音及视频通信业务。 这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满 足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。 与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 m i r i s 的无线接入 速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高速移动环境下的全网无缝覆盖，而最重 要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。 这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络 结构看来是势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比，w c d m a h s d p a 空中接e l 和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和q o s 方面有较大优势，但在 每比特成木、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3 g p p 标准组 织原先的时间表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用，在这期间传统电信设备商 和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和i p r 的制肘共同推 动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 加拿大多伦多“u t r a n 演进”会议收集了无线接入网r 6 版本之后 l t e 下行o f d m 同步技术研究 的演进意见，在随后的全体会议上，“u t r a 和u t r a n 演进”研究项目得到了2 6 个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3 g p p 组织运营商和设备商成员共同 研究3 g 技术演进版木的强烈愿望。 3 g p p 长期演进( l t e ) 项目是关于u t r a 和u t r a n 改进的项目，是对包 括核心网在内的全网的技术演进。其话音业务部分将由v o i p 来实现。l t e 主要 有两个部分组成，无线接口和无线网络结构部分，是近两年来3 g p p 启动的最大的 新技术研发项目。 3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体目标 主要包括： 1 、频谱带宽配置 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 2 5 m h z ，1 6 m h z ，2 5 m h z ，5 m h z ，1 0 m h z ， 1 5 m h z 和2 0 m h z 的带宽设置，从技术上保证3 g p pl t e 系统可以使用第3 代移动 通信系统的频谱。 2 、吞吐量和频谱利用率 吞吐量方面，在2 0 m h z 带宽，u e 下行采用2 根天线、上行采用一根发射天 线的情况下峰值速率应达到下行1 0 0 m b i t s ，上行5 0 m b i t s ，用户平均吞吐量为 h s d p a 的2 - - 4 倍。频谱利用率为h s d p a 的2 , - 4 倍，为保证3 g p pl t e 系统在频 谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自适应调制，编码和基于信道 质量的频率选择性调度实现。 3 、小区边缘传输速率 提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3 g p pl t e 系统的 覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。 4 、复杂性 在复杂性方面，最小化协议可选项的数量和减小不必要的必选功能。我们知 道目前的3 g p p 协议中有许多可选项和太多的必选项，这些都增大了协议的复杂 性。所以需要简化协议，使网络构架趋于扁平化。 5 、多媒体广播和多播业务 进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单 播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、m a c 的信道结构和高层的无线资源 管理实现。 6 、稳定性 l t e 能在3 5 0 k m h 高速移动的情况下达到良好的接收效果。w i m a x 所能支持 的最高移动速率只能达到1 2 0 k m h t l l ，w i f i 则仅限于局域网的低速率移动。与 w i m a x 和w i f i 相比，在高速移动的环境下，l t e 的信号更稳定。 7 、时延 第一章绪论 3 g p p 系统在无线网络内传输时延都很大，这对一些相应速度要求很高的业务 很难满足，所以l t e 提出eu t r a n 用户平面内部单向传输时间低于5 m s ，从睡 眠状态到激活状态的状态迁移时问小于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间 小于l o o m s ，描述如图1 1 所示。 图1 1 控制平面状态转移例图 8 、向后兼容性【2 】 通过在物理层上采用一些增强型技术来达到更高的系统要求，需要考虑该系 统与原有系统的兼容性问题。由于l t e 普遍接受下行采用o f d m 技术为核心的物 理层技术，相对于原有基于c d m a 的系统来说，空中接口的物理层部分需要重新 设计，而为了尽量使用原有系统协议栈和系统的结构，应在调整物理层方案的同 时，使得资源调度单元与原系统保持一致。 1 2l t e 物理层关键技术 空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志，3 g p p 组织就l t e 系统物 理层下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的o f d m 技术。但上行传输方案 却争论不断，经过多次会议的艰苦协商，最后上行方案还是选择了单载波 s c f d m a 。这样l t e 系统传输方案最终确定为下行o f d m 和上行s c f d m a 。同 时在是否采用宏分集问题上，3 g p p 组织在2 0 0 5 年1 2 月经过“示意性”的投票，决 定l t e 系统暂不考虑宏分集技术。 o f d m 技术是l t e 系统的技术基础与主要特点，o f d m 系统参数设定对整个 系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是o f d m 系统的最基木参数， 经过理论分析与仿真比较最终确定为1 5 k h z 。 4 l t e 下行o f d m 同步技术研究 m i m o 作为提高系统传输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。 北电的专利技术虚拟m i m o 也被l t e 采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能 的主要手段。另外，l t e 也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数 据速率和系统容量。下行方向m i m o 方案相对较多，根据2 0 0 6 年3 月雅典会议报 告，l t em i m o 下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用。5 月的上海会议将 对m i m o 技术做进一步的讨论。最终会为下行数据信道确定惟一的分集传送方案。 高峰值传送速率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行 1 0 0 m b i t s 峰值速率的目标，在3 g 原有的q p s k ，1 6 q a m 的基础上，l t e 系统增 加了6 4 q a m 高阶调制。l t e 上行方面关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成 本及功耗，目前主要考虑采用位移b p s k 和频域滤波两种方案进一步降低上行 s c f d m a 的峰均比。l t e 除了继续采用成熟的t u r b o 信道编码外，还在考虑使用 先进的低密度奇偶校验( l d p c ) 码。 3 g p pl t e 接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时，还需要满足低 时延、低复杂度、低成木的要求。原有的网络结构显然已经无法满足要求，需要 进行调整与演进。在2 0 0 6 年3 月的会议上，3 g p p 确定了eu t r a n 的结构，接 入网主要由演进型e n o d e b ( e n b ) 和接入网关( a g w ) 构成，这种结构类似于典型 的i p 宽带网络结构，采用这种结构将对3 g p p 系统的体系架构产生深远的影响。 1 30 f d m 基本原理 在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线， 会产生时间选择性衰落和频率选择性衰落。信道的时变特性引起信号频率的展宽， 导致d o p p l e r ( 多普勒) 效应。信道的多径传播会引起信号在时间上展宽并导致频 率选择性衰落。人们用相干时间或d o p p l e r 带宽来描述信道的时变特性，采用多径 时延扩展或相干带宽描述信道的多径特性。当信道带宽小于相干带宽时，则该信 道是非频率选择性信道，其所经历的衰落是平坦衰落，即所有的频率成分所经历 的衰落情况是相同的。当信道带宽大于相干带宽时，则该信道是频率选择性信道， 各个频率成分在该信道下衰落是不一样的。 o f d m 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。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，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的消除由于多径带来的符号间干扰( i s i ) 。而且，一般都 采用循环前缀( c p ) 作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c l ) 。 o f d m 系统的基带框图如图1 2 所示。 第一章绪论 + 输 图1 2 0 f d m 基带框图 1 4o f d m 同步技术特征 要实现精确的同步，o f d m 接收端的本地载波频率需要与发送端载波频率保持 一致，抽样时钟也要与发送端的抽样时钟保持一致，并且需要确定o f d m 帧头位置 以及o f d m 符号的起始位置，以便准确的除去c p ，实现正确的解调。 由于振荡器的不稳定，以及多普勒效应等因素的影响，本地端产生的载波与 接收到信号的载波不一致，存在频率与相位的偏差，对于相位偏差，可以采用信 道估计的方法来补偿。对于频率偏差，必须进行频偏补偿，因为当存在频偏时， o f d m 信号的载波之间不再保持正交，引起严重的i c i ，与单载波系统相比，在解 调端下降相同的信噪比下，o f d m 系统的频偏误差需要降到单载波系统的频偏误差 的几十分之一甚至几百分之一，因此频偏估计必须十分精确【3 】。 接收端需要进行定时估计，来确定o f d m 符号的起始位置，由于在o f d m 符号 之间插入了c p 降低了对定时估计的要求，当定时估计点处于未遭受i s i 破坏的c p 区 间时，o f d m 符号就可以避免受至l j i s i ，解调结果只是偏转了一个线性相位，通过 信道估计，可以补偿这个线性相位。但当定时估计点处于其它区间时，o f d m 符号 就遭受了i s i 破坏，但如果定时偏差较小，遭受的i s i 破坏较小，可以通过定时跟踪 进一步降低定时偏差。 接收端的抽样时钟周期与发送信号的抽样间隔也不一致，存在着频率与相位 的偏差，频率偏差将破坏子载波之间的正交性，引起i c i ，相位偏差将使o f o m 的 解调结果产生线性相移，序号越大的子载波相位偏转的越大，因此需要进行定时 估计，减小接收端的抽样时钟与发送端的抽样时钟之间的频偏与相偏。 根据以上的分析可知，o f d m 的同步误差主要包括频率偏差、定时偏差、抽 样时钟频偏。o f d m 的同步需要进行定时估计和频偏估计。o f d m 的同步可以分 成两个阶段，同步初始阶段和跟踪阶段。初始同步是指建立同步，因为在建立同 步之前，接收端与发送端存在着较大的频偏，因此频偏的估计般分两步进行， 频偏细估计和频偏粗估计，分别对应于对小数频偏( 子载波频率间隔的小数倍) 和整 数频偏( 子载波频率间隔的整数倍) 的估计。定时估计一般是一步完成，也可以采用 6 l t e 下行o f d m 同步技术研究 两步完成【4 l ，来进一步降低定时估计的误差。初始同步比较困难，一般是通过发送 导频序列来实现【5 1 。同步的跟踪是指维持同步，由于振荡器的不德定，以及多普勒 效应的影响，o f d m 的本地载波与接收到的信号的载波又会不一致，存在频率的 漂移，使接收机性能下降，甚至不能接收。同步跟踪也包括定时跟踪和频偏跟踪， 分别跟踪定时偏差的变化和频偏的变化，使定时误差和频偏误差始终保持在较小 的范围内。 1 5 论文主要工作 论文的结构安排如下： 第一章介绍了3 g p pl t e 的背景知识、演进目标、关键技术及o f d m 基本原 理及其同步技术的特征。l t e 下行采用的是o f d m 技术，在o f d m 技术中，时频 同步占有重要的地位。 第二章首先介绍了时频同步在o f d m 系统中的重要性及时间偏差和频率偏差 对o f d m 系统的影响，然后对当前o f d m 同步技术的研究现状及其算法做了简单 的分析。 第三章重点介绍了3 g p pl t e 下行时频同步中的初始同步过程，阐述了初始同 步中时间同步及频率同步的算法，然后对其进行了功能性的仿真，证明了该算法 的可实现性。 第四章描述了3 g p pl t e 下行时频同步中的同步跟踪过程，介绍了同步跟踪过 程中时间跟踪和频率跟踪的算法及其实现过程。 第五章对全文工作进行了总结，并指出本文需要继续完成的工作。 第二章o f d m 系统同步技术 第二章o f d m 系统同步技术分析 3 g p pl t e 下行采用o f d m 技术，由于o f d m 系统子信道的频谱相互覆盖， 这提高了频谱的利用率，同时这也对子载波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，在传输过程中肯定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，从而导致子信道间的信 号相互干扰( i c i ) 。而如果定时误差较大的话会使得f f t 窗内的符号不是一个完 整的o f d m 符号，可能有前面一个o f d m 符号或后面一个o f d m 符号的一部分 信息，从而造成了符号间的干扰( i s i ) 。因此，时频同步在o f d m 系统中具有重 要的地位。 2 1o f d m 时频同步的地位 实际系统中，由于各种偏差都是随机变化的变量，给同步工作带来很大的困 难，因此，在o f d m 系统中为了能够有效地利用有限的数据获得更加准确的同步， 一般可以把同步过程分为两个阶段：初始同步阶段和同步跟踪阶段。第一阶段的 任务就是要尽快地进行偏差变量的估计和补偿，完成捕获帧的任务，缩小同步的 范围：第二阶段的任务就是能够锁定并且不断地进行跟踪。这样做的好处就在于在 每一阶段的算法工作的自由度就比较大。初始同步阶段就只要在比较宽的范围内 捕捉到参数，并且使补偿后的各种偏差都限定在一个非常小的范围内，而不需要 去考虑后面跟踪的性能如何：跟踪阶段就只要针对某个偏差变量随机变化引起的 抖动，如多普勒频移、相位抖动和定时抖动等，需要对他们随时进行调整，以获 得更高精度的同步。 2 1 1 同步在o f d m 系统中的重要性 同步问题是所有通信系统的关键问题，对于o d f m 这样的多载波系统，同步问 题更加关键。在单载波系统中，载波频率的偏差只会对接收信号造成一定的衰减 和相位旋转，这可以通过均衡器来加以克服。而对于多载波系统来说，载波频率 的偏差会导致子信道之间产生干扰。而o f d m 要求子载波保持严格的正交，因此频 率偏差对o f d m 系统的影响会更加严重。如果不采取措施对这种信道间干扰加以克 服，会对系统性能带来非常严重的地板效应。另一方面，尽管o f d m 符号之间插入 了循环前缀保护间隔，但是任何符号定时的变化，都会增j j i i o f d m 系统对时延扩展 的敏感程度。为了减小这种负面的影响，我们应该尽量减小定时偏差。 8 l t e f 行o f d m 同步技术研究 因此时间与载波频率的同步是影响o f d m 系统性能的两个重要因素。由于发 射机和接收机的晶振不同以及移动台移动引起的多普勒效应，造成发射端和接收 端之间的频率偏移，该频偏的存在会破坏o f d m 子载波之间的正交性，从而引起 解调信号的性能降低。同时定时误差的存在也使接收子载波的正交性遭到破坏， 还可能引入符号间的干扰，所以o f d m 系统中时间同步和频率同步是o f d m 系统 设计的关键。 2 1 2o f d m 系统对同步的要求 在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的衰减和相位旋 转，一般通过均衡等方法来加以克服。而对于多载波系统来说，载波频率的偏移 会导致子信道之间产生干扰，而对于要求子载波保持严格同步的正交频分复用系 统来说，载波频率偏移所带来的影响更加严重，因此对频率偏差敏感是o f d m 系 统的主要缺点之一，而且如果不采取措施对这种信道间干扰加以克服，会对系统 性能带来严重的地板效应，即无论如何增加信号的发射功率也不能显著的改善系 统性能。对于移动通信来说，无限信道的时变性会或多或少的影响载波频率，使 其发生偏移，从而破坏o f d m 系统内子载波之间的正交性。所以载波同步在o f d m 系统中占据重要地位。 o f d m 符号由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 系统来说至关重要，所以它对载波同步的要求也 就相对较严格。 图2 1 说明了o f d m 系统中的同步要求，并给出了各种同步在系统中的位置。 图2 1o f d m 系统内的同步示意图 在o f d m 系统中存在三个方面的同步要求【6 】： l 、载波同步：接收机的振荡频率要与发送载波同频率同相位【7 】； 2 、符号同步：i f f t 和f f t 起止时刻均相刚8 】； 第二章o f d m 系统同步技术 3 、样值同步：接收机和发射机抽样频率一致。 但是在第三、四章我们研究的同步算法中，只考虑了前两种同步问题，假设 最后一个样值同步己经是理想同步了。 2 1 3 定时偏差对o f d m 系统的影响 首先详细讨论符号定时误差d ，对接收机解调符号的影响，如图2 2 所示，分别 对ff t 窗口起始定时点在a 区、b 区和c 区进行讨论。为了讨论方便，图2 2 中， 设o f d m 符号的有效信息长度为n ，循环前缀为，c i r 为信道冲击响应。 n c p n n c p n 队k叭 i 确位置 a 区ib 区c 区 f f t 窗u jl 定时点 图2 2 定时偏差不恿图 首先在理想情况( 忽略噪声和多径干扰情况) 下分析f f t 窗口偏离准确位置对 f 丌解调信号的影响【9 1 。 设第i 个o f d m 的有效信息为： w = ，；o ，；1 ，：v 】 ( 2 - 1 ) 循环前缀为： c p i = ，；一n o , ，：一i 】 ( 2 - 2 ) 在准确位置做f f t 解调之后的信号为： 局 = 剧狐w ) ( 2 - 3 ) 1 、f f t 窗口起点在b 区域的时候，f f t 窗口包括两部分： 町= “fv】(2-4) 其中： 町= 【，；卅矾，- 西+ l ，；加l 】 ( 2 5 ) 1 0 l t e 下行o f d m 同步技术研究 v = 【，；o ，；1 r i n - d , 】 ( 2 - 6 ) 解调后可得( 其中k 表示子载波序号) ： ( 一j - z - m d 砭= 阡丁( w , - ) = r ， g k = o ，1 ，n 一1 ( 2 - 7 ) 分析表明o f d m 符号定时同步的起始时刻在保护间隔内变换不会造成符号间 干扰和子载波间干扰，由此o f d m 系统对符号定时同步的要求会相对较宽松。符 号定时偏差与解调子载波相位之间存在固定的关系，随着定时的变化，子载波经 过解调之后的相位也会发生相应变化，子载波k 的相位偏移仇与定时偏差d ，之间 的关系为： 红= 等m ( 2 - 8 ) 对于一个o f d m 系统来说，定时偏差d ；造成第一个子载波和最后一个子载波 之间产生的相位差为： 妒。砌等d i ( 2 - 9 ) 这些相位旋转会累加到已经存在的相位噪声中，在相干o f d m 接收机内必须 利用信道估计来计算所有子载波之间的相位偏差，而在差分检测系统中对接收机 性能的影响可以忽略。 2 、起始点在c 区域时，f f t 窗e l 包括两部分： 订- 【酊】 ( 2 1 0 ) 其中： 酊= ，：西+ i _ r ：舻l 】 ( 2 - i i ) = 【，；+ i , n - r i + l , n - + 4 一l 】 ( 2 1 2 ) 解调后司得： 戢：f f t ( w + ) ： 足t + i s i i ( k ) e ( ：等m 七：o ，l ，n l ( 2 - 1 3 ) 此时符号间干扰为： i s i ，( 尼) ：d e 一1r r , + 。埘+ 一，。一r l p ，；_ i b h ( 2 1 4 ) 肚) = + 1 埘卅心一m p ( 2 - 1 4 ) 由以上的分析可知当定时点在c 区域时，所有子载波不仅有相位的旋转 望n 梳，而且有符号间干扰和子载波间干扰，导致系统的b e r 性能下降。为了克 服上述缺点，可以在o f d m 符号之后也插入适当的保护间隔，这种方法的缺点是 第二章o f d m 系统同步技术 牺牲了部分带宽和发射功率。 当考虑信道的多径衰落和高斯白噪声情况下，解调信号r 从为： z ，t = e i 2 r ( k n ) d l a ( d f ) 口，。h ，+ 以，t + ，l 而， ( 2 - 1 5 ) 其中： 口( d ，) = 帅) 1 21 n - 广a e ( 2 1 6 ) 口( d ，) 是解调后信号的幅值衰减，一般可以忽略不计，疗“为符号间干扰和子 载波间干扰的合成，它是信号衰减的主要原因，一般被作为高斯白噪声处理，它 的能量为f l o 】： 咿2 孙1 2 ( 2 等一( 等) 2 ) ( 2 - 其中： 毛= 一争 pt 号一以吨。 咿 一( 以c 训 ( 2 1 8 ) 0 其它 但是在多径衰落环境下，为了获得最佳系统性能，需要确定符号的最佳定时。 尽管定时点可以在保护间隔内任意选择，但是容易知道，任何符号定时的变化都 会增加o f d m 系统对时延扩展的敏感程度，因此系统所能容忍的时延扩展就会低 于其设计值。对于最大多径时延为f 。的多径环境，定时误差d ，的范围为( c 为 采样时间间隔1 ： 二笋卜 名d ，0 ( 2 - 1 9 ) 2 1 4 载波频率偏移对o f d m 系统的影响 多普勒频移或发射机与接收机之间的频率偏差导致接收信号在频率上发生偏 移。如果载波频率偏差是子载波间隔的整数倍，虽然子载波之间仍然能够保持正 交，但是频率采样值已经偏移，造成映射在o f d m 频谱内的数据符号的误码率很 高。 如果载波偏差不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存在能量的“泄 漏”，导致子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统 l t e 下行o f d m 同步技术研究 的误码率性能恶化。 当o f d m 系统中存在频率偏移时，所有子载波在一个f f t 周期里的周期数目 不再是整数，所以在进行f f t 运算后将产生子载波之间的干扰。f f t 输出的每一 个子载波里将包含其他子载波的干扰分量，并且干扰功率是和子载波的阳j 距成反 比。位于o f d m 频谱中间的子载波受到的干扰大约是边上子载波的两倍，这是由 于中间子载波会受到来自两边子载波的干扰，而边上子载波仅受到单边子载波的 干扰所致。p o l l e t 1 在文献中给出当频率偏移相对子载波间隔比较小时所引起的 s n r 损失为： 册b 昭兰盖( 妒) 2 急 ( 2 2 。) 其中厂是频率偏差。t 是抽样周期。 2 2 典型的o f d m 时频同步算法 正交频分多路复用( o f d m ) 是一种多载波调制技术。由于具有很高的频谱利用 率，很强的抗多径延迟能力，它已经广泛的应用在数字音频广播、数字电视以及 无线局域网等无线高速数据传输系统中，并将会成为第四代移动通信的关键技术 之一。 但是o f d m 系统对同步误差非常敏耐1 2 】，特别是对频率偏差。当存在同步误 差时，子载波之间的正交性遭到破坏，从而引起严重的子载波间干扰，使系统性 能大大下降。因而性能良好的同步方法对于o f d m 系统是至关重要的。 由于o f d m 技术具有的各种优点，而时频同步是o f d m 的关键技术之一，因 此，越来越多的科研人员投入到o f d m 同步算法的研究中。下面我们介绍几种比 较典型的时频同步算法。 2 2 1o f d m 定时算法 在大多数的多载波系统中，定时是下行同步过程的第一步。所以，下面来讨 论o f d m 符号定时问题，o f d m 的符号定时是指求得单个o f d m 符号开始和结束 的精确时刻。在不同的o f d m 的应用系统中，符号定时的时问开销是不同的，比 如在w l a n 中，我们只能通过导频信号来进行符号定时，而在d a b d v b 的广播 系统中，由于实时性要求的降低，我们甚至可以花费几个符号周期的时间来进行 符号定时。 l 、s c h m i d l 定时算法 在文献 1 3 q b ，s c h m i d l 设计的是频域训练序列，其等效的时域训练序列由相 第二章o f d m 系统同步技术 同的两个部分组成： 五= a 肭a u ，2 】 ( 2 - 2 1 ) a m 是n 2 点时域序列，n 是系统的子载波数目。s c h m i d l 通过在频域上的偶 数频率点上传输一个q p s k 的符号，而在奇数频率点上不传输信号，经过i f f t 变 换就可以得到具有石特性的训练序列。如表2 1 所示，g 。就是s c h m i d l 所设计的 用于系统定时同步的频域训练序列。 表2 1s c h m i d l 算法的训练序列 f r e q n u m k c 1 七c 2 驴慝 4 7 + 7 j5 - 5 j- j 3o - 5 - 5 j - 2 - 7 + 7 j5 5 j j 1 0 一5 + 5 j - 0 7 + 7 j- 5 - 5 j 1 1o 5 + 5 j - 2 7 - 7 j- 5 + 5 j 1 3o 5 5 j 4 7 + 7 j5 + 5 j 1 还有一种方法可以用来产生这样的训练序列，即用长度为训练序列一半的p n 序列进行n 2 点i f f t 变换，再把变换后的字符重复一遍，即可以得到所需的训练 序列。 定时同步提取算法采用延时相关算法【1 4 】，利用它找出前后两个部分的最大相 关点，把其作为o f d m 信号的起始点。算法的关键是在时域内找到一个前后两样 本值相同的序列，这个序列经过信道后，前后两个相同部分除了由于频偏引起的 相位差别外依然相同，所以最大相关点就是所要估计的起始点。 在接收端，接收到的时域训练序列，除了由频偏引起的相位差别外也相同。 如果在接收字符的前半段样本中任取一个样本值，取它的共扼与后半段中相应的 样本值相乘，则可以消除信道的影响，相乘结果的相位为矽= 删。在帧的起始 位置，对应的每对样本相乘，所得结果的相位都相等，因此总和的幅度值将最大。 n 2 - 1 见( d ) = ：，( j + 七) 厂( d + k + n 2 ) ( 2 - 2 2 ) 在式( 2 2 2 ) q b ，( f ) 表示在f 时刻接收到的信号，n 是系统的子载波数目，( d ) 是n 2 个乘积的累加和，这个累加和就是我们定时同步的判决量，式( 2 2 2 ) 可以 1 4 l t e 下行o f d m 同步技术研究 通过式( 2 - 2 3 ) 进行迭代计算： 见( d + 1 ) = 见( d ) 一，( d ) r ( d + n 2 ) + ，( d + n 2 ) ，( d + ) ( 2 2 3 ) 我们可以定义一个归一化的定时度量m ，( d ) ： m = 豁 协2 4 ， q ( d ) = i r ( d + k + n 2 ) 2 ( 2 2 5 ) 其中n 是系统子载波数目，d 是所要估计的定时偏移，q ( d ) 是接收机在n 2 点内接收到的能量，可以用做自动增益控制回路( a g c ) 的一部分。 由于循环前缀c p 的存在，s c h m i d l 算法在循环前缀整个区i f i j _ j 2 m ，( d ) 都取到 最大值，如图2 3 所示。 已 = f - - 厶- 。 一 l 。_ 。_ | |。 j | 一一一 | | | - _ 。 7 、 一。 图2 3s c h m i d l 算法定时曲线 所以在实际系统中这个区间内所有的m 。( d ) 都非常接近，定时估计在屯点附 近存在一个模糊区，这样就给定时估计带来了不确定性，导致了定时估计的方差 过大，影响了定时的性能。为此，s c h m i d l 提出了一种减小定时估计方差的算法， 即用m ，( d ) 内最大值的9 0 点作为判决门限，这样在m 。( d ) 内最大值的左右各取 到一点，取其平均值作为k 的估计值。 2 、m i n n 的定时算法 在文献 1 5 】中，m i n n 为了减小定时估计在k 点附近存在一个“高原 区的影 第二章o f d m 系统同步技术 响，提出了一种改进算法，其时域训练序列为： t 2 = 【b u ，4 氐，4 风，4 一风，4 】 ( 2 2 6 ) 吼，。是n 4 点时域p n 序列，一巩，。是风，。的相反数，n 是子载波数目。 该算法的定时度量为： 删= 豁 协2 7 ， ：!n4-1，(d+了nmpm(d) k ) 厂( d + k + n 4 + 竿j v m ) ( 2 2 8 ) = ，( d + + 了) 厂( d + + 了) ( 2 一 m - - 0k - - - 0 厶 州) = 圭孙+ n 4 + 斟协29)ra=0k - - 0 ( d ) = 岫+ 七+ 竿) l ( 2 一 l m i n n 算法解决了s c h m i d l 算法的模糊区问题，其算法在o f d m 信号的起始点 肘m ( d ) 达到最大值，这是由于后一半训练序列的负号减d , tm 肘( d ) 在不正确定时 点的值。 在文献【1 6 中，m i n n 进一步改进定时算法，将其训练序列设计成4 段，8 段或 1 6 段相同部分，改变相同部分的符号可以得到不同的定时性能，并通过仿真找到 最佳的符号组合，如表2 2 所示。 表2 2 最佳的符号组合 lp a t t e r n ( + 一) 4 ( 卅) ( + + + 一) 8 ( h 一+ ) ( + 卅+ - + + + 一) 1 6 ( 斗抖斗+ + ) 2 2 。2o f d m 载波频率同步算法 载波频率同步指的是接收机与发射机载波之间、子载波频率之间的同步。这 种同步直接影响各子载波之间的正交性，一旦出现同步误差破坏子载波的正交性， 往往会导致无法正确解调。 载波频率同步误差主要由两方面造成：其一是发射机和接收机的本地振荡器 频率存在误差，这种误差可能是振荡器晶振本身频率存在差异，也有可能是由于 温度等环境因素的变化造成的频率漂移。这种误差会在f f t 解调时，破坏子载波 1 6 l t e 下行o f d m 同步技术研究 的正交性。如果是前一个原因，则可以通过调整晶振频率克服，如果是后一个， 则只能通过载波跟踪算法克服。其二是由于d o