（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统载波同步算法研究.pdf

乞 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nt h ea l g o r i t h mf o rc a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n i nm i m o - - o f d m s y s t e m s c a n d i d a t e ：l im e n g s u p e r v i s o r ：w a n gg e s i s e n i o re n g i n e e r a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 010 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 10 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：g 瑚 日期：2 夕i o 年岁月心日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 翻在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：玺葫导师( 签字) ：孑凑g 、 日期：如fo 年3 月f 日2 舶年3 月歹 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着通信技术的迅猛发展，人们对无线通信系统的带宽和容量的要求越 来越高，因此在第四代移动通信技术的研究过程中，具有大容量和高频谱利 用率的多入多出正交频分复用技术( m i m o o f d m ) 成为了研究热点。其中 多入多出技术( m i m o ) 在不增加带宽的情况下大幅提高了系统容量；o f d m 技术则利用多个正交且相互重叠的子载波来发送数据的方法获得了较高的频 谱利用率。而m i m o o f d m 技术正结合了这两种技术的优点。 o f d m 技术要求子载波之间严格正交，因此对载波频偏十分敏感，这种 缺点也被m i m o o f d m 技术所继承，并且由于m i m o o f d m 技术在收发两 端都具有多根天线的结构，使得载波同步的问题变得更加复杂。 本文对m i m o o f d m 系统下的载波同步问题进行了系统的阐述，首先对 o f d m 、m i m o 以及m i m o o f d m 等技术进行了简要介绍，分析了载波同步 误差对系统性能的影响，并分别给出了基于o f d m 系统和m i m o o f d m 系 统的一些经典算法，最后提出了本文的两种新的载波同步算法。 目前m i m o o f d m 系统下的载波同步算法一般都是基于训练序列的思 想进行设计的，此类方法主要关注两个问题：一是如何对来自不同发射天线 的信号进行区分；二是如何扩大频偏估计范围。针对第一个问题，本文提出 的两种算法都是用基于正交码字设计训练序列的方法来解决的。对于第二个 问题，第一种算法采用在发送端发送具有多个重复部分的训练符号来获得更 大的估计范围，重复的部分越多，估计范围越大；第二种算法用传统的前后 两半相同的结构的训练序列来估计小数频偏，而对于整数频偏则是利用序列 内部的差分关系完成其估计，从而扩大了估计范围。文中对两种新算法都进 行了仿真，并根据仿真结果对整个同步算法的估计性能及优缺点给出了分析。 关键词：多入多出正交频分复用；训练序列；载波同步；频偏估计 j ： 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e p e o p l e s d e m o n df o rt h ec a p a c i t ya n db a n d w i d t ho ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si s g r o w i n g s od u r i n gt h er e s e a r c hp r o c e s so ft h e4 t hm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h em i m o - o f d mt e c h n o l o g yw h i c hh a sal a r g ec a c 埘a n dh i g h s p e c t r u me f f i c i e n c yh a sb e c o m e dan e wr e s e a r c hf o c u s b ys e t t i n gan u m b e ro f a n t e n n a sb o t hi nt h er e c e i v e ra n dt h es e n d e r , t h em i m o t e c h n o l o g y c a l lo b t a i na h i g hc a p a c i t yw i t h o u tt h ee x p a n d i n go ft h eb a n d w i d t h t h eo f d mt e c l m o l o g y c a no b t a i nh ig hs p e c t r u me f f i c i e n c yb yu s i n gan u m b e ro f o r t h o g o n a ls u b - c a r r i e r s t os e n dd a t a a n dt h em i m o - o f d m t e c h n o l o g yc o m b i n e st h e i rv i r t u e s b e c a u s et h es u b - c a r r i e r sn e e dt ob e s t r i c t l yo r t h o g o n a l ，t h eo f d m t e c h l o g yi sv e r ys e n s i t i v et ot h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t a n dt h i sd i s a d v a n t a g e i si n h e r i t e db yt h em i m o - o f d mt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，b e c a m eo ft h e m u l t i i n p u ta n dm u l t i - o u t p u ts t r u c t u r e ，t h ei s s u eo fc a r t i e rs y n c h r o n i z a t i o nh a s b e c o m em o l ec o m p l i c a t e d i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oc l e a r l ye l a b o r a t et h ei s s u eo fc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n i i lm e o o f d ms y s t e m s ，w ei n t r o d u c et h eo f d mt e c h n o l o g y , m i m o t e c h n o l o g ya n dm i m o - o f d mt e c h n o l o g ya tf i r s t t h e nw ea n a l y z et h ei n f l u e n c e o ft h et t 舳 i e rs y n c h r o n i z a t i o ne r r o rt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c 宅a n dw ea l s o i n t r o d u c es e v e r a lc l a s s i c a la l g o r i t h m sb o t hf o rt h eo f d ms y s t e m sa n dt h e m i m o - o f d ms y s t e m s a tl a s t , b a s e do nt h er e a d i n go ft h el i t e r a t u r e sa n dt h e r e s e a r c h , w ep r o p o s et w on e wa l g o r i t h m sf o rc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n n o w a d a y s ，t h ea l g o r i t h m sf o rc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o ni nt h em i m o - o f d m s y s t e m sa r eg e n e r a l l yb a s e do nt h ed e s i g ni d e ao ft r a i n i n gs e q u e n c e t h e r ea r et w o m a i np r o b l e m si nt h ed e s i g no ft h i sk i n do fa l g o r i t h m s ：f i r s t , h o wt od i s t i n g u i s h t h es i g n a l sf r o md i f f e r e n tt r a n s m i t t i n ga n t e n n a s s e c o n d ，h o wt oe x p a n dt h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e s t i m a t i o nr a n g eo ft h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t f o rt h es o l u t i o no ft h ef i r s t p r o b l e m ，t h et w oa l g o r i t h m st h a tw ep r o p o s e di n t h i sp a p e rb o t hu s et h e o r t h o g o n a lc o d et od e s i g nt h et r a i n i n gs e q u e n c e f o rt h es o l u t i o no ft h es e c o n d p r o b l e m ，t h ef i r s ta l g o r i t h mw ep r o p o s e du s eas p e c i a lt r a i n i n gs e q u e n c ew h i c hi s c o m p o s e db ym a n yr e p e a t e dp a r t s a n dt h em o r ep a r t sw es e n d ，t h el a r g e rr a n g e w eo b t a i n t h es e c o n da l g o r i t h mw ep r o p o s e ds t i l lu s eat r a d i t i o n a lk i n do f t r a i n i n gs e q u e n c et oo b t a i nal a r g ee s t i m a t i o nr a n g e t h i sl 【i n do ft r a i n i n g s e q u e n c ei sc o m p o s e db yt w oi d e n t i c a lh a l v e s u s i n gt h i ss t r u c t u r e , w ec a l l 1 e s t i m a t et h ef r a c t i o n a lf r e q u e n c yo f f s e t m e a n w h i l e ，f o rt h ee s t i m a t i o no ft h e 爷 i n t e g r a lf r e q u e n c yo f f s e t ，w ed e s i g nan e we s t i m a t i o na l g o r i t h mt h a tw ec a nu s e t h ed i f f e r e n t i a lc o d i n gi nt h ei n t e r n a lo ft h es e q u e n c et oe s t i m a t et h ei n t e g r a l f r e q u e n c yo f f s e t i nt h i sp a p e r , t h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tf o rb o mo ft h et w oa l g o r i t h m s a n d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ea n a l y z et h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c e ， a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h et w os y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s k e yw o r d s ：m i m o o f d m ；t r a i n i n gs e q u e n c e ；c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ； f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ， 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1引言1 1 2m i m o o f d m 技术概要2 1 2 1o f d m 发展历程2 1 2 2o f d m 技术与m i m o 技术的结合4 1 2 3m i m o o f d m 关键技术5 1 3m i m o o f d m 载波同步算法国内外研究现状6 1 4本文研究目的及主要内容7 1 4 1研究目的7 1 4 2 主要内容8 第2 章m i m o o f d m 载波同步问题分析1 0 2 1o f d m 技术的基本原理1 0 2 2m i m o 技术的基本原理1 2 2 3m i m o o f d m 技术的基本原理1 4 2 4m i m o o f d m 系统下的载波同步问题1 5 2 4 1同步问题的形式1 6 2 4 2 载波频偏对系统性能的影响1 7 2 5 本章小结19 第3 章经典载波同步算法研究2 1 3 1 经典o f d m 载波同步算法2 l 3 1 1s c 算法2 2 3 1 2m m 算法。2 6 3 2 经典m i m o o f d m 载波同步算法2 9 3 2 1 m o b y 算法3 0 3 2 2z s 算法3 4 - 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 2 3y a o y a o 算法3 7 3 3 本章小结4 0 第4 章基于正交训练序列的载波同步算法研究4 2 4 1基于多个重复训练符号的载波同步算法4 2 4 1 1训练序列的设计4 2 4 1 2 频偏估计算法4 3 4 1 3 仿真结果及分析4 6 4 2 基于单个训练符号的载波同步算法。4 8 4 2 1 训练序列的结构4 8 4 2 2 小数频偏估计算法4 9 4 2 3 整数频偏估计算法5 0 4 2 4 仿真结果及分析5 2 4 3 本章小结5 5 结论一5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果6 3 致谢。6 4 ，i - j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 近几年来，随着人们对高质量和多样化的无线应用的需求越来越大，无 线通信技术在世界范围内得到了迅猛的发展，不断有新的通信技术出现。在 全世界6 4 亿人口中，有约2 5 亿移动通信的用户，全球的移动通信服务市场 约占全球g d p 的1 6 左右。在这些数字的背后，经历了移动通信系统从第 一代到第三代的发展过程，目前也已逐步开始了第四代的研究和应用【1 】： 移动通信系统，也就是蜂窝移动通信系统，其第一代起源于8 0 年代的美 国，提供模拟语音通信服务，主要采用频分多址( f d m a ) 技术。虽然其使 个人移动电话通信成为了现实，但是由于传输带宽的限制等因素，第一代移 动通信存在很多不足之处，如通话质量不高、容量有限、保密性差、不能提 供数据业务等。第一代移动通信存在很多制式，典型代表是美国的a m p s 系 统，我国采用的是英国的t a c s 系统。 第二代移动通信系统( 2 g ) 在2 0 世纪9 0 年代初投入使用，为克服一代 的诸多不足而全面采用数字技术。这种数字蜂窝移动通信系统主要提供数字 语音通信业务以及低速数据业务，并且由于采用了时分多址( ) m a ) 和码 分多址( c d m a ) 等技术，其系统容量、语音质量、保密性等相较于一代系 统都有了较大提高。同一代一样，第二代移动通信也存在很多制式，如欧洲 的基于时分多址的g s m 系统和美国的基于码分多址的i s 9 5 系统，我国采用 的是前者。 第三代移动通信系统( 3 g ) 诞生于世纪之交的9 0 年代末期，其动因是 人们不再满足于简单的语音通信，而期望能够享受高速的数据业务以及多媒 体业务。目前为止3 g 主要有三种制式，分别是t d s c d m a 、w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 ，均采用码分多址技术，并且t d s c d m a 是我国自主研发的第 三代标准，目前已经由中国移动通信集团公司运营，正式实现了商用。 纵观移动通信从第一代到第三代的发展过程，其系统更新换代的速度越 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 来越快，提供的业务类型越来越多，数据传输速率越来越快。近几年，针对 第四代移动通信( 4 g ) 技术的研究也如火如荼的展开【2 j ：欧盟的4 g 研究项 目w i n n e r 项目组的第阶段已经在2 0 0 5 年完成，其目标是实现“随时随 地最优化接入 ；日本更是于2 0 0 1 年成立了移动i t 论坛，致力于4 g 技术的 基础研究工作；与日本同年，我国的国家“8 6 3 计划正式启动了4 g 的移动 通信发展研究计划，即未来通用无线环境研究计划( f u t u r e 计划) ，并且 在2 0 0 6 年底该计划已经进入外场实验和预商用阶段；2 0 0 7 年国际电信联盟 ( i t u ) 将4 g 技术命名为i m t - a d v a n c e d 技术，并开始该技术提案的征集工 作，最终的4 g 标准评选结果将在2 0 1 0 年1 0 月由i t u 正式公布。从目前i t u 收到的6 份技术提案来看，其技术基础都是以m i m o o f d m 技术为主，而 o f d m 技术和m i m o 技术天然的优势正是各提案不谋而合选择它的主要原 因。 1 2m i m o o f d m 技术概要 1 2 1o f d m 发展历程 o f d m 技术的全称是o r t h 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 ，即正交 频分复用，它可以被看做是一种调制技术，也可以被看做是一种复用技术。 它是由多载波调制技术( m c m ) 发展而来的。美国军方早在上世纪五六十年 代就创建了第一个m c m 系统，但在以后相当长的时间内由于受到硬件条件 的限制，o f d m 技术的发展处于停滞状态。直到8 0 年代大规模集成电路的 出现及其它相关技术的突破，o f d m 技术才逐渐迈上了数字移动通讯的舞台。 其发展大致经历了以下四个阶段唧： 第l 阶段：初期的高频谱效率的多载波通信系统阶段。该系统是在上个 世纪5 0 年代出现的c o l l i n sk i n e p l e x 系统，该系统能在严重多径衰落效应的 高频无线信道中实现传输。其原理是将串行传输的数据分成若干数据流，再 调制到不同载波上进行传输。为了提高频谱利用率，使用了相互交错的正交 幅度调制技术，在3 d b 处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过交错同相或正交子带的数据得到( 即将数据偏移半个周期) ，此时频谱利 用率可以提高，但子载波总数有限。其缺点是该系统仍使用传统的多载波实 现方式，各子信道两边的保护频带仍浪费了宝贵的带宽，降低了系统频谱利 用率。 第2 阶段：多载波理论发展阶段。2 0 世纪6 0 年代中期，r w c h a n g 写 了一篇关于将带限信号综合用于多信道传输的文章，提出了一种在线性带限 信道上同时传输多路信号的方法，能同时避免信道间干扰( i c i ) 和符号间干扰 ( i s i ) 。1 9 6 7 年，b r s a l t z b e r g 经过性能分析认为，相邻信道间的串扰是引起 信道畸变的主要原因，设计一个有效的系统主要应该集中考虑如何降低相邻 信道间干扰，而不是仅考虑每个独立子信道的情况，这是因为引起信号失真 的主要原因是信道间串扰。这是一个很重要的理论。 第3 阶段：o f d m 无线移动通信系统理论形成阶段。o f d m 技术要求各 子载波之间有1 2 重叠，但保持相互正交。在接收端通过相关解调技术分离 出来，避免了使用滤波器组，同时频谱效率提高了近1 倍。为了减少多载波 系统的复杂度，1 9 7 1 年s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了几个理论【4 】：每个 子载波的频谱在没有经过滤波时，其频谱形状为s i n e 函数且为非带限的；利 用离散傅立叶变换( d f d 可以完成多载波基带的调制和解调；各符号间可以采 用空白时隙作为保护间隔以消除i s i 。其中d f t 的引入对o f d m 技术的发展 是具有里程碑的意义的，它简化了系统的处理过程，使系统无需用一组振荡 器来产生多个子载波。1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 将空白时隙改成了循环前 缀( c p ) 以满足色散信道时各载波的正交性。这种方法有效地将信道与传送 符号之间的线性卷积近似成循环卷积，当c p 比信道的脉冲响应时间长时， 能很好地保证子信道间的正交性。尽管这会造成一定程度的能量损失，但与 其消除的i c i 比较起来，这种损失是可以承受的。1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 思想运用到无线蜂窝移动通信系统中【5 j ，从此奠定了o f d m 无线移动通信系 统的理论基础。 第4 阶段：从理论到实用及更深入的研究阶段：近十年来，随着大规模集 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成电路技术的高速发展，高速大点数f f t 芯片的实现己经不难，从而促进了 o f d m 理论的广泛应用。2 0 世纪9 0 年代，在欧洲和澳大利亚o f d m 技术广 泛应用于广播信道的宽带数字、通讯数字音频广播d a b 6 1 、数字视频( d v b ) 7 1 i s 】，1 9 9 9 年i e e e 将o f d m 作为其无线局域网标准i e e e s 0 2 1 1 及其后的 i e e e 8 0 2 1 6 x d s l 的物理层调制标准。与此同时，针对o f d m 的研究也更加 深入并向两个方向发展，一是继续研究如何解决o f d m 的同步、峰值平均功 率比高等传统难题；二是将o f d m 与c d m a 、m i m o 、联合发送、联合检测、 动态分组分配等技术相结合的研究。而o f d m 与m i m o 的结合即是本文所 关注的m i m o o f d m 技术。 1 2 2o f d m 技术与m i m o 技术的结合 o f d m 系统若要进一步增加系统的容量，提高系统的传输速率，就需要 增加子载波的数量，增大系统带宽和系统的复杂度，这显然是不能忍受的。 因此人们把目光转向了m i m o 技术，这是因为m i m o 技术能够在不增加带 宽的情况下成倍的提高系统的容量和频谱利用率。m i m o 技术即多输入多输 出技术( m u l t i p l ei n p u tm u t i p l eo u t p u t ，m i m o ) ，简单来说就是在发射端和 接受端分别设置多副发射和接收天线。早在1 9 0 1 年马可尼就提出用m i m o 来抗衰落的想法，但之后近一个世纪无人关注，后来在上个世纪9 0 年代，贝 尔实验室的f o s e h i n i 和t e l a t a r 等人在研究中得出结论【9 】【1 0 】：在独立平坦衰落 信道条件下，信道容量随天线数线性增加，而b e l l 的试验系统b l a s t 也证 实了这点【1 1 】【1 2 1 ，从此m i m o 技术开始受到广泛研究。m i m o 系统在一定程 度上可以利用传播中的多径分量，也就是说m i m o 可以抗多径衰落，但是对 于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前解决m i m o 系统中 的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有就是利用o f d m ，这也 是促成o f d m 与m i m o 结合的原因之一，所以m i m o o f d m 技术的产生可 以说是一个双赢的结果。 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 3m i m o o f d m 关键技术 就m i m o o f d m 技术而言，可从发送分集、空间复用、接收分集和干扰 消除、软译码、信道估计和同步等方面进行深入研究【1 3 】。 1 发送分集 目前提出的分级方案都需要在实施复杂度和性能之间进行折中。一般在 m i m o o f d m 系统中，下行信道普遍采用时延分集方案，其实现方法是让第 二副天线发出的信号比第一副天线发出的信号延迟一段时间。在发送端引用 了该延迟，使得所接收到的信道响应具有频率选择性。如果采用适当的编码 和穿插，接收端可以获得分集增益，无需预知信道的情况。 2 空间复用 空间复用技术可以提高数据传输速率。其主要思想是把一个传输速率相 对较高的数据流分割为一组速率相对较低的数据流，分别在不同的天线对不 同的数据流独立编码、调制和发送，并使用相同的频率和时隙；每副天线可 以通过不同的独立信道滤波发送信号，接收机用空间均衡器分离信号，然后 解调、译码和解复用，恢复原始信号。 3 接收分集和干扰消除 一般研究认为，如果基站和用户终端一侧用三副接收天线，可取得分集 接受的效果。而干扰消除方面，利用最大比值合并将多个接收机的信号合并， 可得到最大的信噪比，可抑制自然干扰，但是其实现需要严格知道瞬时信道 增益，复杂度高。这时，利用最小均方误差使每个有用信号与其估计值的均 方误差最小，可使信噪比最大。 4 软译码 最大比值和最小均方误差算法都能生成软判决信号，供软译码器使用。 软判决译码与信号干扰噪声比加权组合使用，可以在频率选择性信道中获得 3 4 d b 的性能增益。 5 信道估计 信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲激响 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 应。从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，能够唯一地识别每副发 送天线到接收天线的信道。训练子载波的频率间隔小于相干带宽，给移动用 户带来极大的方便，目前这是m i m o o f d m 技术的一个研究热点。 6 降低峰均功率比 m i m o o f d m 技术不可避免的继承了o f d m 技术的一些缺点，高峰均 功率比( p a r ) 就是其中之一，一个o f d m 符号是由多个独立的经过调制的 子载波信号相加而成，在某个时刻，若多个子载波以同一个方向进行累加时， 就会产生比较大的峰均功率。目前降低峰均功率比的方法主要有两种，即信 号扰码技术和信号畸变技术。信号扰码技术的主要思想就是优化子信道的载 波相位以寻找能得到最低峰均功率比的相位组合；信号畸变的主要思想是降 低m i m o o f d m 系统中信号功率大于一定门限值的采样信号幅度，同时最大 限度地抑制信号噪声干扰。 7 自适应调制和编码 该技术为每个用户配置链路参数，可以最大限度的提高系统容量。其研 究方向就是要根据用户在特定时间和地点内的信道特征，用户的约束特征， 动态的改变系统所使用的调制和编码方式。 8 载波同步 对频偏和相位噪声的敏感是m i m o o f d m 继承自o f d m 技术的另一个 缺点。尤其是载波频偏，会破坏子载波之间的正交性，使得接收端不能在一 个精确的频率上还原子载波。载波同步技术正是研究如何解决这一缺点的， 这也是本文讨论和研究的重点，将在下面的部分重点介绍。 1 3m i m o o f d m 载波同步算法国内外研究现状 目前关于o f d m 技术的载波同步的研究已经十分成熟，相关算法有很 多，大致分为两大类，即数据辅助型方法和非数据辅助型方法。 数据辅助型方法就是在发送信号中嵌入一些特殊的训练信息，在接收端 利用这些信息进行频偏的估计。主要分两种方法，一是最早由m o o s e 【1 4 】在 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 9 9 4 年提出的基于训练序列的方法，其思想是发送具有前后两半相同结构的 训练序列，在接收端利用这两半间的相关性估计频偏；是基于子载波导频 的方法，如m i c h a e ls p e t h ”j 提出的算法，此类算法将一部分子载波作为导频 子载波，因为导频信号对于接收端是确定性信号，所以可利用其对频偏进行 修正，同时它也可用于信道估计。其缺点就是要占用子载波资源。 非数据辅助型方法是从发送信号本身的结构入手，分为基于循环前缀的 方法和盲同步的方法。基于循环前缀的方法由v a nd eb e e k 】提出，是利用循 环前缀的冗余信息通过最大似然的方法来估计频偏。其优点是估计精度高， 但是缺点是估计范围小。盲同步的方法就是对接收信号进行频域的处理然后 利用处理结果进行频偏估计，这是目前o f d m 同步方面研究的热点，但是目 前的论文还比较少。且盲同步的算法，比如z e n g 提出的算法【1 7 l ，其计算复 杂度高，实现起来非常困难。 目前国内基于m i m o o f d m 系统的载波同步算法研究处于起步阶段，很 多相关文献，如罗丹的算法和缪晖的算法【1 9 】等多是在国外已发表的经典算 法的基础上改进得到的。而目前研究此类载波同步算法的困难主要是因为 m i m o o f d m 技术的载波同步不同于o f d m 技术的载波同步，在接收端需 要对各个发射天线上的信号分别进行估计和补偿，因此其难点就在于多个发 射天线上的信号的区分。目前的研究m i m o o f d m 载波同步的算法，都是基 于训练序列方法的，并且主要有两种惯常的方法：一种方法是各发射天线在 相同位置插入正交的训练序列，通过这种正交性来区分不同天线。另一种方 法是采用时间正交的训练序列，其在不同发射天线上插入训练序列的时间相 互错开。 1 4 本文研究目的及主要内容 1 4 1 研究目的 o f d m 系统由于要求子载波之间严格正交，因此对载波频偏十分敏感是 其天然的缺点，载波频偏的存在会破坏子载波间的正交性，从而引入载波间 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 干扰( i c i ) 。而m i m o 技术与o f d m 技术结合后，由于对于单独一对收发天 线来说依然可视为一个o f d m 系统，所以m i m o o f d m 在继承了两种技术 的各自优点的基础上，仍具有对载波频偏敏感的缺点。 本文主要研究基于训练序列的载波同步算法，此类算法在m i m o o f d m 系统下具有估计精度高，易于实现的特点，但是算法的估计范围一般较小， 另外虽然基于o f d m 系统的载波同步算法的研究目前已经十分成熟，但将其 应用于m i m o 环境下还需考虑如何解决区分不同的发射天线这一问题。所以 本文的研究目的就是要在保证一定的估计精度的情况下，研究如何获得更大 的估计范围和如何区分不同的发射天线。 1 4 2 主要内容 本文首先对m i m o o f d m 系统结构进行了简要的介绍，并针对载波频偏 对系统的影响进行了论述，之后着重介绍了基于训练序列的经典的载波同步 算法，并针对不同的子载波数分别对这些算法进行了仿真以及比较。最后对 基于正交训练序列的载波同步算法进行了研究和改进，提出了新的同步方案， 并在不同的子载波数的情况下进行了仿真，对算法的估计性能进行了验证。 论文共分为四章，其主要内容及结构安排如下： 第1 章绪论。介绍了o f d m 系统以及m i m o o f d m 系统载波同步算法 研究的历史背景和意义，其次介绍了载波同步算法的国内外研究现状。最后 总体介绍了本文研究的目的及主要研究内容。这些理论在载波同步算法的研 究中占有重要的地位，是指导课题研究工作进行的理论依据。 第2 章m i m o o f d m 载波同步问题分析。首先简要介绍了o f d m 技术 和m i m o 技术的基本原理以及m i m o o f d m 系统的基本框架：然后主要论 述了载波频偏对o f d m 系统以及m i m o o f d m 系统的影响； 第3 章o f d m 和m i m o o f d m 下经典载波同步算法。在本章的前半部 分介绍了o f d m 环境下几类经典的基于训练序列的载波同步算法，阐明了其 基本原理并给出了具体的算法步骤。本章的后半部分对现有的基于 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 m i m o o f d m 环境的载波同步算法进行了介绍，对不同算法的具体实现方法 进行了论述，并对所存在的优缺点进行了分析比较。 第4 章针对m i m o o f d m 载波同步算法设计中需要注意的主要问题，给 出了两种经改进的新算法，两种算法均采用正交码字来设计训练序列，从而 利用其正交性在接收端消除不同信号间的影响：并且两种算法分别用发送更 多的重复部分以及利用训练序列内部差分结构这两种方法，获得了更大的估 计范围。并且从对两种算法的仿真结果可以看出，它们都有不错的估计性能。 结论，针对本论文所做的研究工作给出了总结性的论述，并最后就论文 撰写和研究过程中所发现的不足，指出下一阶段的研究方向。 9 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 嗣皇i 暑宣i 暑置j 宣嗣暑暑暑宣i 葺暑i 皇置暑i i i ；薯i i 置宣暑昌暑暑i i i i i 篁i i i i i 暑；宣置皇| | 皇皇宣暑；暑宣宣薯 第2 章m i m o o f d m 载波同步问题分析 2 1o f d m 技术的基本原理 随着人们对移动通信业务所能提供的功能的要求越来越多，高带宽便成 为了下一代移动通信技术需要着力解决的主要问题。而o f d m 技术由于其高 效的频谱利用率自然引起了人们的重视，并且o f d m 技术将高速数据流分成 若干子数据流，然后用这些低速子数据流调制到相应子载波上的方法使其天 然具有抗频率选择性衰落的能力。 o f d m 技术是多载波调制技术【2 0 】的一种，其基本思想是将高速串行数据 分成多路低速的子数据流，然后用这些数据流去调制不同的子载波后再进行 传输，其子载波选择的是时域相互正交的子载波，频域上相互混叠，因此 o f d m 是一种子载波相互混叠的多载波调制技术1 2 1 1 。 图2 1o f d m 系统原理图 如图2 1 ，在发送端，o f d m 系统中信源输入的串行数据先经过串并转换， 得到多路并行的比特流，每一路对应一个子载波。然后每一路的数据需经信 息映射模块，根据某种调制模式进行星座点的映射，将一个符号的多比特信 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 i i 息映射为某种调制方式的星座图上的某一个星点，一般该星点的信息即是该 符号对应子载波上的调制符号，而这里的调制模式主要指的是相移键控 ( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 经过信息映射后，生成的个调制符 号( 复数) ，其中第k 个调制符号的数值是频域中个子载波的第k 个谱线值 ( 复数) ，将个调制符号进行i f f t 变换就可生成o f d m 时域波形；加入循环 前缀后，经过并串转换和数模转换最后发送出去。 接收端正好是上述过程的相反过程，即首先通过模数转换将从信道中获 得的模拟信号转换成数字信号；在假设各种同步都已完成的情况下，经过串 并转换后，去除循环前缀，并将得到的数据通过f f t 模块，获得各个子载波 上的接收信号，然后通过星座点逆映射，得到每个子载波上的接收比特；最 后再经过并行到串行的转换得到所需要的数据。 图2 2 各子载波信号频谱图 上述过程中将信号经星座映射并送入i f f t 的部分即是该系统的核心模 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 块，就是所谓的o f d m 调制，早期o f d m 系统的这一部分是用一组振荡频率 相互正交的振荡器来实现的，其实际设备非常复杂且不稳定，后来才引入图 中这种基于d f t 或f f t 来得到正交的载波的方法。而o f d m ，即正交频分复用 指的就是经调制后得到的信号是分布在个子载波上的，狮子载波相互正 交：对于同样的o f d m 符号周期，每一个子载波在该周期长度上包含的载波 周期数是整数，且相邻子载波间该数值相差1 。图2 2 即是各子载波上的信号 的频谱图。 图2 1 中插入循环前缀的模块的作用实际上就是插入一种特殊的保护间 隔：在o f d m 符号间插入保护间隔，其目的是抗符号间干扰( i s i ) ，其