（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中同步技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 由于其抗多径能力强和频谱利用率高而被视为下一 代无线通信的核心技术。多输入多输出( m i m o ) 技术和歪交频分复用( o f d m ) 技术已经或者即将应用于各种高速宽带无线通信系统中，对于m i m o o f d m 系 统关键技术的研究至关重要。 月步技术是m i m o o f d m 系统的关键技术之一。时闻同步和频偏估计是 o f d m 系统中最为重要的工作之一，也是本论文所研究的内容。本文主甍讨论 s i s o o f d m 系统和m i m o 0 f d m 系统审的同步方法及其在宽带无线接入 ( b w a ) 协议i e e e8 0 2 1 6 a e 中的应用。 论文首先阐述了s i s o o f d 黼m i m o o f d m 技术的原理，然后研究 s i s o o f d m 的同步技术，分析了定时偏差和载波频率偏移对o f d m 接收机性能 的影响，研究分析了一种适用于8 0 2 1 6 a 的o f d m 时间同步算法并进行了仿真， 仿真结果表甓该算法在较低信噪毙下仍有缀好的性能。接着论文对几种邑有的 s i s o o f d m 频率同步算法进行了仿真比较，重点研究了一种基于重复p n 序列 和c p ( 循环前缀) 联合估计的频率闻步算法，这种算法结合了基于重复p n 序 列方法估计范围大和基于循环前缀方法估计精度高的优点，同时具有较大的估计 范围和较高的估计精度的特点。本文接着阐述了m i m o o f d m 系统并分析了其 同步误差的影响，研究分析了m i m o o f d m 系统的几种已有的频偏估诗算法： m o d y 的同步算法、s c h e n k 的同步算法、m i m o o f d mw l a n 系统中的同步算 法，并对它们的小数频偏估计性能在i e e e 8 0 2 1 6 a e 环境下进行了仿真比较，结 果表明m i m o o f d mw l a n 系统的同步方法略优于m o d y 的方法，s c h e n k 的同 步方法略优予m i m o 。o f d mw l a n 系统的同步方法。最后研究了一种使用时域 正交序列徽帧头的多天线同步方法，通过在不同天线上发送具有良好正交性的训 练序列，可以实现时频同步，该算法在时间同步和频率同步上都有较好的性能。 关键词：o f d m ，m i m o ，m i m o o f d m ，8 0 2 1 6 a 8 0 2 1 6 e ，时间同步，频 率同步 燕京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o f d mi sv i e w e da sk e yt e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo fi t ss t r o n ga b i l i t yo fa n t i - m u l t i - p a t ha n dh i 荫f r e q u e n c yu t i l i t yr a t e 。t h en e e df o r w 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 fm a n y l l i g h 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 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 ( m r m o ) t e c h n i q u e sa n do 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 i v ot e c h n i q u e sh a v eb e e no r w i l lb eu s e di nv a r i o u sh i 曲s p e e dw i r e l e s ss y s t e m s d o i n gr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e si s v e r yi m p o r t a n t ： s y n c h r o n i z a t i o nf o rm i m o 一0 f d ms y s t e m si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s e s t i m a t i o no f t i m ea n df r e q u e n c yo f f s e t si so n eo ft h ec o r ei s s u e si na l lo f d ms y s t e m t h i sp a p e rm a i n l y r e s e a r c h e ss y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d si ns i s o - - o f d m m i m o o f d ms y s t e ma n dt h e i r a p p l i c a t i o ni ni e e e 8 0 2 16 aa n d8 0 2 1 6 es t a n d a r d t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h et h e o r yo fs i s o - o f d m m i m o o f d ms y s t e mf i r s t ，t h e nt h ei m p a c t o ft i m i n ge r r o ra n df r e q u e n c yo f f s e ti no f d ms y s t e mi sa n l a l y s e d f o l l o w e dt h ep a p e rd o e s r e s e a r c ho ns y m b o lt i m i n gm e t h o di no f d m s y s t e mw h i c hh a sg o o dp e r f o r m a n c ei nl o ws n r n e x ts o m ec l a s s i cf r e q u e n c ys 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 ma r er e s e a r c h e da n d s i m u l a t e df o rc o m p a r e ag o o df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dw h i c hu s e sp ns e q u e n c ea n d c y c l i c p r e f i xi sa l s o b e e nr e s e a r c h e d , t h i sm e t h o dh a sb o t hl a r g ee s t i m a t er a n g ea n dh i 曲 v e r a c i t y t h i sp a p e ra l s od o e sr e s e a r c ho nt h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rm i m o _ o f d m s y s t e mp r o m o t e db ym o d y ，s c h e n ka n dm e t h o du s e di nm i m o o f d m w l a n s y s t e m sa n dt h e n s i m u l a t e si ne n v i r o n m e n tp r o p o s e db yi e e e 8 0 2 16 a es t a n d a r d 。t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s c h e n k sm e t h o di sb e t t e rt h a nt h eo t h e rt w o f i n a l l y , at i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n m e t h o df o rm i m o o f d ms y s t e mu s i n go r t h o g o n a ls e q u e n c ei nt i m ed o m a i ni sa n a l y z e d ，t h i s m e t h o dc a nr e a l i z eb o t ht 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 n dh a sg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：o f d m ，m i m o ，m i m o o f d m ，8 0 2 1 6 a 8 0 2 。16 e ，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 s y n c h r o n i z a t i o n i l 南京邮电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 含为获得南京邮电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： 留杰 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：、霄瘘， 导师签名： 研究生签名：n 篮， 导师签名：日期：硼7 ，4 1i 鬻裳邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1o f d m 技术概论 第一章绪论 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 p l e x i n g ) 技术是一种特殊 的多载波调制( m c m m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 技术。 o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代【1 】就己经提出，由于使用模拟滤波器实现起来的系 统复杂度较高，所以一直没有发展起来。在2 0 世纪7 0 年代，w e i n s t e i n 提出用离散簿立时 变换f o r t ) 实现多载波调制，为o f d m 的实用化奠定了理论基础 2 】，在8 0 年代，c i m i m 首先分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问题和解决方法 3 】，从此以后o f d m 在移动 通信中的应用得到了迅猛的发展，已成为通信领域科研人员关注的焦点。目前，o f d m 已 成功应用于固定和移动通信系统中，如d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ) ，d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t ) ，h i p e r l a n 2 4 5 6 ，成为新一代无线传输的候选方案。 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，在时域上，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，使保护间隔大于无线倍道的最大时延扩展，这样就可以最 大限度地消除多径带来的符号闻子扰( i s i ) ，而且，一般都采用循环前缀作为僳护间隔，从 而可以避免由多径而带来的载波间干扰( i c i ) 。 o f d m 之所以被广泛应用并成为4 g 中的核心技术，是由予其具有如下的主要优点 6 】： 1 ) 频谱资源利用率高 传统的频分多路系统对频谱的利用率低，子信道间要留有足够的保护频带，而且多个 滤波器的实现毙较困难。o f d m 系统中由于各个子载波之闯存在正交性，因此允许予信道 的频谱互相重叠，所以与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱 资源。 2 ) 调制和解调实现更加容易 各个子信道中的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f f 方法来实现。对于子载波数很 大的系统，还可以采用快速傅立叶变换( f 踊和逆交换( i f f i ) 来实现。随着大规模集成电路 技术与d s p 技术的不断发展，i f f t 和f f t 的实现也越来越容易。 3 ) 抗多径时延扩展 1 南京邮电大学硕士研究曼芝学位论文第一章绪论 由予o f d m 技术是将高速率的比特流划分为低速率的比特流，也就等价于将每个 o f d m 符号的时闻长度扩展为原来的n 倍( n 为子载波数| ) ，这样就能相应地提高其抵抗由 于多径时延扩展引起的i s i ( 符号间干扰) ，减少接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采 用均衡器。如果褥加上合适鸵设计和循环保护前缀，理想情况下可以完全消除i s i 4 。 4 ) 支持非对称无线数据业务 数据业务一般都存在菲对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大予上行链路的数 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1 w ，在大蜂窝环境下传输速率低于1 0 k b i t s 1 0 0 k b i t s ，而基站发送功率可以较大，有可 麓提供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子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。： 5 ) 容易与其它技术结合使用 o f d m 系统可以容易与其它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 o f d m 、黟频o f d m 以及o f d m 。t d m a 等等，使褥多个用户可以同 时利用o f d m 技术进行信息的传输。 当然，o f d m 技术也不是完美的，也存在一些缺点： 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。由于无线 信道的时变性，在传输过程中毒现的无线信号频谱偏移或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，导致载波间干扰( 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。 2 ) 存在较高的峰值乎均功率比 多载波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高予信号的平均功率，导致较大的峰僮平均功率比 伊a p p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要 求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个予信道阔的正交性遭 到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 o f d m 对同步的要求较高，需要的同步技术有： 1 ) 载波同步 发射机与接收机之间的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果频率偏差是子 载波间隔的1 1 倍m 为整数) ，虽然子载波之闯仍然能够保持正交，但是频率采样值已经偏移 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 了n 个子载波的位置，造成映射在o f d m 频谱内的数据符号的误码率高达o 5 。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“泄露 ，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，使得系统的误码率性能恶化。 2 ) 样值同步 在数字o f d m 接收机中，首先要对接收机收到的连续信号采样，变为数字信号，而采 样时刻要取决于接收机时钟，然后再对数字信号进行f f t 解调。如果在样值定时中存在偏 差，则会有两方面的影响：第一，产生时变的定时偏差，导致接收机必须要跟踪时变的相位 变化；第二，样值频率的偏差就意味着f f t 周期的偏差，因此经过抽样的子载波之间不再 保持正交性，从而产生i c i 。 3 ) 符号同步 由于在o f d m 符号之间插入了循环前缀保护间隔，因此o f d m 符号定时同步的起始 时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成i s i 和i c i 。只有当f f t 运算窗口超出了符号边 界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会造成i s i 和i c i 。因此，o f d m 系统对符号定时同 步的要求相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符 号定时。 1 2m i m o 技术概述 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，而现在的m i m o ( m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e o u t p u t ) 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 t s i n g l e o u t p u t ) 信道相比，m i m o 信道可 以提供更大的通信容量和更高的传输速率。一个m i m o 系统可以这样来简单定义：一个在 收发两端同时采用多天线技术的无线通信系统【7 】。m i m o 技术真正意义上的研究是从上世 纪八十年代开始的 1 0 】。随后有更多的文章对它进行了理论上的分析 9 】 1 0 】，从那以后， m i m o 技术成为无线通信技术研究的热点，被认为是未来的宽带无线通信系统中的核心技 术之一。 根据收发两端天线数量，m i m o 系统还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。图1 1 给出了m i m o 系统的基本理论框 图。 南寂邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 输入数 ， 、 衰落倍道 、k 数据流 f 个发送天线辑个接收天线 圈1 - 1m i m o 系统框图 m i m o 系统的核心思想就是：时间上的空时( s p a c e t i m e ) 信号处理同空间上的分集结 合起来【7 】。时间上的空时信号处理一般是通过在发送端采用空时码( s p a c e t i m ec o d e s ) 来实 现的，目前常见的空时码有空时分组码( s p a c e t i m eb l o c k sc o d e s ) 、空时格码( s p a c e t i m e t r e l l i sc o d e s ) 、分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e s ) 等。空时码的主要思想是利用空间 和时间上的两维编码来实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率；面空间上 的分集是通过增加空间上的天线分布来实现的。这样做的好处是能把原来对用户来说是有 害的无线电波的多径传播转变成对用户有利。最隽重要的一点是m i m o 技术在多个方菰提 升无线通信系统性能的同时并不需要占用更多的无线带宽，所需要的仅仅是通信硬件设备 和系统复杂度的增加。这项优点使得m i m o 技术在频谱资源繁缺的现状下变得更加吸弓1 人。 l 。3m i m o 。o f d m 技术概述 未来的无线邋信面临两个严峻挑战：带宽效率和多径衰落。从上文可知，新兴m i m o 和o f d m 技术能够给这两个问题提供可能的解决方案。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遁信道，减小了多径衰落的影响。丽m i m o 技术能够在空阆中产 生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增 加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能达 到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是邋过分集实现很强的可靠性。 m i m o 。o f d m 技术是通过在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 焉得到的种新技术，它利用了时间、频率帮空阗三 种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。而且，当信道情况好的时 候，可以使用空间复用的编码方式，来成倍的提高传输速率。 m i 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露具有巨大潜力。世晃 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 各国和各大电信厂商目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究，而且由于 m i m o o f d m 在提高无线链路的传输速率和可靠性上的巨大潜力，使得这两种技术的结合 有望成为过渡到4 g 的潜在技术。因此m i m o o f d m 已经成为目前4 g 技术研究的热点。 1 4 本论文的内容安排 本文主要研究m i m o o f d m 系统中的同步技术及其在宽带无线接入协议8 0 2 1 6 a 和 8 0 2 1 6 e 中的应用。 第一章对o f d m 技术、m i m o 技术，m i m o o f d m 技术予以概述。 第二章介绍o f d m 系统的一般结构及i e e e 8 0 2 1 6 a e 协议，同时简单介绍本文中仿真 所用的2 种多径信道。 第三章首先分析了符号同步和频率同步误差对于o f d m 系统的影响，接着分别对时间 同步和频率同步技术做了研究分析，分析了一种适用于i e e e 8 0 2 1 6 a 的时间同步方法并进 行了仿真实现，然后对已有的几种频率同步算法进行仿真比较，还研究了一种性能较好的 基于重复p n 序列和训练前缀( c p ) 的频率估计方法，给出了仿真分析。 第四章研究m i m o 技术，m i m o 的优缺点，m i m o 和o f d m 技术的结合并分析了 m i m o o f d m 中同步误差的影响和m i m o o f d m 时频同步的特点。 第五章研究了3 种已有的m i m o o f d m 同步算法，并对其小数频偏估计性能进行了 仿真比较，然后对一种使用时域正交序列做帧头的同步算法做了研究分析，该方法可以实 现定时同步和频率同步，最后仿真分析了该方法的频偏估计性能和误码率性能。 第六章总结全文工作，提出本文的后续工作和展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 技术及i e e e 8 0 2 1 6 a e 系统 第二章o f d m 技术及i e e e 8 0 2 1 6 a e 系统 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。它利用频分复用( f d m f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的原理从而允许多个信息在一条无线信道上传输。传统的频分多路传输方法 是将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留足够的保护频 带。而o f d m 系统由于各个子载波之间相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常 规的f d m 系统相比较，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 2 1o f d m 系统的一般结构 一个基本的o f d m 系统构成如图2 1 所示，它对信息的处理过程如下：对输入的信息 比特流进行基带调制，调制方法有q p s k ，q a m 等，然后对调制后的符号进行串并转换， 形成k 路并行符号流，对这k 路符号进行( k 色，即整个信道经历的是频率选择性衰落：而 瓦l i s ，即予载波间隔远小于信 道的相干带宽，因此各子信道上经历的是平坦衰落。这里就充分体现了o f d m 技术的优势： 通过串并转换，把整个信道的频率选择性变为每个子信道的平坦衰落。 2 3i e e e 8 0 2 1 6 e 系统及信道环境模型 8 0 2 1 6 e 作为8 0 2 1 6 1 6 a 的增补方案，在2 - 6 g h z 频段支持终端以机动车辆速度移动， 从而实现了一个支持固定宽带无线接入与移动宽带无线接入的混合式系统。8 0 2 1 6 e 同时支 持移动和蠢定无线接入方式，其系统要求如下： _ 工作频段：2 - - 6 g h z 的需授权频段； 一信道间隔：1 2 5 m 磁的整数倍，最高力1 0 m h z ； 上行用户速率：3 2 k b s - 1 。5 m b s ； 一下行用户速率：5 1 2 k b s - - 6 m b s ： _ 支持室内微徽蜂窝( 半径：1 0 0 米 ，微蜂窝( 半径：1 0 0 - 1 0 0 0 米) ，宏蜂窝( 半 径： 1 0 0 0 米) 及微蜂窝和宏蜂窝的混和； 一为微微蜂窝提供低成本的孛继器和基靖； 一支持快速切换、快速a r q 、快速带宽请求； 一支持f d d t d d 双工模式； l 提供省电的休眠模式； 一提供移动i pq o s 保证。 8 0 2 1 6 e 的信道采用了e t s i 的u t t l a ( u m t s 陆地无线接入) 信道模型 1 4 1 ，u t r a 的 测试环境如表2 。2 所示： 表2 2u t r a 测试环境的定性描述 1 1 测试环境定性描述 室志( i n a o o r )基站和移动台位予建筑物内；小尺寸蜂窝； d o p p l e r 频率由步行速度决定。 步行基站的天线高度较低，位予室努；小尺寸蜂窝； ( p e d e s t r i a n )较低的发射功率；d o p p l e r 频率由步行速度决定， 偶尔更高的频率是由于受到车速的影响。 车速( v e h i c u l a r )基站使用屋项天线；用户处于车速、步行或静止 状态；更大尺寸的蜂窝；更高的发射功率：最大 d o p p l e r 频率由车速决定，更低豹频率用于步行稳 静止的用户。 每一种测试环境( t e ：t e s te n v i r o n m e n t ) 都分为c h a n n e la 和c h a n n e lb 两种信道类 型。c h a n n e l a 代表较低的延迟扩展，c h a n n e lb 代表较高的延迟扩展。 对于具体的陆地测试环境，可以采用基于抽头延时线的信道脉冲响应模型。8 0 2 1 6 e 建 议采用l 砭歹壤m 1 2 2 5 1 5 中提出豹v e h i c u l a rt e s ta 模型。此模型由接头数、各径相对于第 一径的时延和平均功率及各径的多普勒谱来表征，每一径的衰落系数由改进的j a k e s 模型 产生 1 6 】，具体参数如表2 - 3 所示。后面的仿真中我们采用了m 1 2 2 5 的c h a n n e la 模型作 为多径信道环境。 表2 - 3i t u 。rm 1 2 2 5v e h i c u l a rt e s ta 信道模型 c h a n n e la d o p p l e r t a p r e l a t i v ed e l a ya v e r a g ep o w e r s p e c t r u m 幽) lo0 oc l a s s l c 23 l o1 。oc l a s s i e 37 1 09 0c l a s s i e 41 0 9 0- 1 0 。oc l a s s i e 51 7 3 01 5 oc l a s s i e 62 5 l o2 0 oc l a s s i e 2 。4 本章小结 本章主要介绍了o f d m 系统，包括其符号撼述及技术亮点，之后介绍了疆e e 8 0 2 1 6 a e 标准，并对相应的信道模型简单介绍，本文中仿真平台的建立均是以此为基础的。 1 2 南京邮电大学硕士研究_ 坐学位论文第三章s i s o - o f d m 系统同步技术研究 第三章s i s o 。o f d m 系统同步技术研究 3 。羔同步误差对o f d m 系统的影响 前面绪论中已经讲到过，o f d m 对同步错误特别是频率偏移和相位噪声很敏感 1 7 】， 存在偏移时各个子载波间的正交性被破坏引发网信道干扰，性能急剧恶化。o f d m 同步技 术分为定时同步和频率同步。定时同步又分为粗同步和精同步，粗同步般是找出数据符 号起始的大致位置，精同步又瑟霉符号同步，是要在接收端接收的时域数据流中馈计出豫t 运算的起点位置。频率同步也分为粗同步和精同步。若将频率偏移以子载波间隔为单位分 为整数和小数( 小数部分绝对值小手0 5 个子载波间隔) 部分，则整数个子载波的频率偏 移不会导致子载波间干扰，仅使输出子载波循环移位；小数部分频率偏移导致子载波间干 扰。o f d m 系统至少需要完成两种同步：符号同步和频率同步。下面具体分析一下定时误 差和频偏误差对系统性能的影响。 3 。 。 符号定时误差对系统的影晌 假定一个o f d m 符号由个采样值( n 为系统的子载波数) 组成，符号定时也就是 要确定一个符号开始的时间。符号同步的结果用来判定各个o f d m 符号中用来进行f f t 的样值范圈，而f f t 的结果将用来解调符号中的各个子载波。 符号同步的性能直接影响到o f d m 系统抗多径的能力。当符号同步算法定时在o f d m 符号的第一个样值时，即为理想定时，系统抗i s i 性能达到最佳。图3 1 画出了两个连续 的o f d m 符号，从中可以看出c p 的抗干扰性以及符号定时对f f t 窗躁的影响，其中c i r 是信道脉冲响应。 假设信息数据长为，循环前缀长为，第纷个长为+ 三的o f d m 符号为： 焉( 搬) ：专n - 1 嚣冀乎7 4 虿m k 掰：一三，。，1 一l( 3 1 ) vk = o 为方便起见，先不考虑信道的影响。假设接收端对该帧的起始位置定时在d 处，则f f t 变换窗口的起始位置在彤槲= d + l 处，相应的解调信号为： 驴陧m - - w r - - 万垓2 掣) 2 ， 夕 鬻京邮电火学硕士研究生学位论文 第量章s i s o o f d m 愁统同步技术研究 厶v l 、， 队。i i ”一一”。4 l 5， 姆 ，绷 一，、。绸 术群洋：蜊d 一l 瓦 l hlv i w r r r 区阉 f j d f f t 窑搿 图3 - 1o f d m 系统符号定时示意图 当定时在一2 l d 一l 时，解调的数据属于同一个o f d m 数据符号，解调后所得信 号为： ， 竺乞j v - 1 粕窖j 2 露争嚣赫= 如窖j 啤 ，3 ) 该符号熬最佳定时链萋在p = - ，戳嚣= o 处，此时f f t 窗中不包含c p 孛豹内容，出 乎c p 的长度大于信道响应的长度，所以多径效应不会带来i s i ，就能得到正确的解调信号 心j = 墨。j 。若不能如此准确地定时，但弼w 仍落予c p 的范围之内，此时解调所得信号躲 ( 3 ，3 ) 式n n ，是一个经耀位旋转后薛发送僖号，该褶位睫子载波下标的增大丽增大。辩解 调信号筒言，这种因定时偏差引起的相位旋转和信道引入的附加相位是无法区分的，所以 可以通过信道估计加戬纠正，从而得到较为准确的解调信号。尽管僚道嘀应将对e 擎孛麴 翁凡位产生影响，但蠹予信道响应的最蓐凡缀频响一般都比较小，所以由此引起的i s i 可 以忽略不计。 当定游璧置在d 时，磐。2 式孛豹解谖痿号属于不溺熬o f d m 符弩，零l 入了i s i ，破坏了子载波之间的芷交性，造成i c i ，解调得到的数据符号将存在无法消除的 错误。 进步，如果考虑时延扩教信道的影响，那么缓环翦缀的翦毛点 毛是信道脉冲相 应c i r 的长度) 会受到前一个o f d m 符号的数据的干扰，称为干扰区间；而后一如点 未受影响，称为无干扰区间；若形啊落于无干扰区间内时，解调信号为： ：咒冀玩曰瑚争 啦式只是在2 ) 式的基礁上乘上了蕊道参数。僵当磁辩落予干扰嚣闻蠹时，解调信号为： 1 4 嘲京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章s i s o o f d m 系统同步技术研究 r n , k = x * n - a b , 蛹 g p y r ) h k 声“t ( 3 5 ) 可见，i s i 不仅使接收信号产生相位旋转和幅度衰减，还破坏了子载波的正交性，引入了 i c i ( 即上式中的j ) 。 从以上分析可知，由于c p 的引入，在一定程度上降低了o f d m 对定时的要求。只要 定时点落于c p 的一定范围之内，系统就可以控制定时引起的偏差，而不是要求绝对精确 地将定时定位予溉张= o 处，实际上这也是很难傲到的。 3 1 2 载波频偏的影晌 o f d m 系统的主要缺点之一是它对载波频偏非常敏感，通信系统的载波频率偏差主要 是由收发端载频振荡器的差别、d o p p l e r 频移和信道的鼍# 线性引入的相位噪声等因素引起 的。 假设收发端的绝对频率偏差为鲈，系统采样率为工，相对于子载波i u - i n n n 编系数 定义为譬= 旦l n ，信道响应为磊，若定时没有偏差，那么接收到的第嚣个时域符号的第携 个采样毽为： f f t 变换后得到频域信号： 民广窆以( 朋) p 叫弗等民，。= 以( 朋) p “ ：芦弩x n t h k 笔艘“。讽。 n s 嫩= n ( 3 。7 ) 舻p 胁挚8 篓l 嵩p 扣”等 ( 3 8 ) ；i 2 l 茹半 式( 3 7 ) 中的第一项为有用信息，由于一般嚣，所以s i n 焉可近似为昭，所以 丢 oi! 拗 f ， 口， j e 渖 、l ， f 囊皿 ，啦 氓 疋 )二，_砂州艺脚 域一 雌 ) 晴 、矧l ，g 登塞些皇奎鲎堡主婴塞生堂篁堡兰 蔓三里! ! ! q ：q ! 里望蚕丝旦垄垫垄婴壅 n + l。 群一l 第一项可表示为秽弦石可凇以，七h s i n c ( 雕弦加百，第二项l j 是由于频率偏差而造成的i c i ， 第三项势加性高嵩斯嗓声( 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 ) 。 观察式( 3 7 ) 和( 3 8 ) 可以发现，占为整数时，r 啦= 秽。h 可脯苁毒唁吼一言，l j = 0 ，因此 这种情况下，没有引入i c i ，而只是将解调结果移动了譬位；8 不为整数时，则对有用信号 产生幅度衰减和相位旋转，并量萼l 入i c i 。下文讨论i c i 影响时，只考虑笤为小数且吲o 。5 的情况。 为了进一步分析i c i 的统计特性，假设各子载波上的信道功率相同e l 吼1 2 j = i i 2 ，调 制符号均值为露k ，七 ：0 ，互不相关且均方值相同e k z 】= l x l 2 如，可以推导出厶活的均 方值为： 星l | 2 】= l x | 2 蒸互l 鹄| 2 k 万磊i 。9 ， 卅1 日1 2 s i n 嚣即, 刍v 2 丽而1 研 懑g 0 5 时霹进一步推慰其上限： e i i , 1 2j 虬5 9 4 7 1 s 1 2 研 s m 嬲 2 ，i s l _ o 5 ( 3 1 0 ) 假设信道中高斯白噪声的功率谱密度为n o 2 ，经接收端f f t 后成为吸，则它 ( 3 。1 1 ) 设l x l 2l 1 2 e i 致1 2 忙量ol n o ，则o f d m 信号在存在癫率偏差时通过a w 酬信道，接收端 输出信号的信嗓比下限为： 槲p 、啪腮、j 2 一蕊币面 l + o 5 9 4 7 二 s m 刀笞 3 1 2 ) 还有很多学者在o f d m 载波频率同步的问题上做了深入的研究，指出各子载波的幅度 衰减帮穗邻子载波闻的串扰造成了信噪比的衰减。幅度衰减主要是由予各子载波上的信号 不是在f f t 的s i n e 函数的峰值处采样而造成的。相邻子载波间产生串扰，是因为它们不是 在s i n e 函数的零点处采样而造成的。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论义 第三犟s i s 0 一o f d m 系统同步技术研究 由以上的分析可见，频率偏差鲈一是造成了o f d m 系统有用信号的幅度衰减和相位 旋转，二是破坏了子载波闯的正交性，弓| 入了i c i ，所以必须进行精确的载波同步，使鲈 接近于0 。 值得说明的是，o f d m 系统的符号同步和载波频率同步之间是相互制约的。由于载波 同步的精度是以相对频率编差s 来衡量的，在相网条件下若增加o f d m 系统总的子载波数， 则子载波间隔变小，相同的占所对应的就越小，频率同步精度的要求就越高。但是在符 号同步中，其精度是以相对定时误差来表示的，此时o f d m 符号持续时间变大，相同的相 对定时误差对应的绝对定时误差缸也越大，这又降低了对符号同步精度的要求。反之，减 少子载波数会降低对频率同步精度的要求，同时又会提高对符号同步精度的要求。 3 2o f d m 定时同步技术研究 3 2 。1 已有的定时同步方法 连续传送系统的符号定时可以大致分为盲n d a ( n o n d a t a - a i d c d ) 和非盲d a ( d a m - a i d e d ) 两种。n d a 方法则是利用o f d m 符号中的循环前缀或者其它信息来实现符号定时。许多 人提出了基于循环前缀的符号定时算法，其中比较典型的是j 。j v a nd cb e c k 等人提出的最 大似然算法 1 8 1 ，此算法仅使用循环前缀携带的信息，不但得到了符号同步位置，同时还 能估计频率偏移，是一种联合算法。o k a d a 等在【1 9 】也提出过利用循环前缀同时实现符号 定时和频偏估计的联合估计算法，这些算法的思想都是利用循环前缀和符号中部分样值之 间的相关性来对符号定时进行估计。 磊采用d a 方法，系统在传送的序列中按照定周期插入恐知的训练符号，这就是我。 们常说的导频。传统的定时同步算法是先在帧头部分传送训练序列，再将接收到的信号与 理想接收信号进行相关，得到相关函数。算法定义了两个变量，一个是发送信号与接收信 号的楣关飚数只( d ) ，一个是它们的能量邈数蜀( d ) ： 一l 忍( 印= r ( n + k ) s ( 露) - i n - l 墨( 回= 陋+ 钟l s ( t ) 1 2 k = ok = o ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 其中，r ( k ) 是接收序列，s ( k ) 是理想接收序列，是子载波数。时闻同步函数定义为： 1 7 南柬邮电大学硕士研究生学位论文第三章s i s o - o f d m 系统同步技术研究 m 一豁 b 均 当有数据到来时，时间同步函数会出现一个峰值，根据峰值得到精同步位置： 2 鹕【峄瞄( j ) 冀 0 l 回 这种传统算法在低信噪比时相关峰值不明显，无法正确得到同步位置。 3 2 2 一种适用于le e e 8 0 2 16 a 的改进定时算法 利用帧头结构可以勰决o f d m 系统的同步阀题，i e e e 8 0 2 。1 6 a 协议中建议的帧头结构 有两种前导序列，如图3 2 所示，帧头部分传送了长训练序列和短训练序列，短训练序列 包括4 个重复的周期，两长训练序列包括2 个重复周期，这种重复周期性通过在i f f t 变 换之前插0 生成。 长序列的频域具体值为： j 五( - 1 0 0 k 1 0 0 ) = 【l ，0 ，- 1 ，0 ，一1 ，0 ，一1 ，0 ，l ，0 ，1 ，0 ，l ，0 ，1 , 0 ，- l ，0 ，l ，0 ，l ，0 ，一1 ，0 ，一1 ，0 ，l ，0 ，- l ，0 ，1 ，0 ，l ，0 ，1 ，0 ，1 ，0 ，一1 ，0 ，1 ，0 ，1 ，0 ，1 ，0 ，- 1 ，0 ，1 ，0 ，-