（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统时频域同步技术研究.pdf

摘要 本文主要研究高速移动信道下，m i m o o f d m 系统接收机载波频率与符号定 时同步关键技术。 论文首先简要介绍了m i m o o f d m 技术的发展概况，阐述了o f d m 传输技 术的基本思想和数学原理以及m i m o 系统模型、关键技术及优势；随后，结合相 关数学和通信理论，推导分析了符号定时偏移与载波频率偏移对m i m o o f d m 系 统性能的影响；重点以t d l t e 系统为例，在各类传统m i m o o f d m 系统时频同 步算法的基础上，根据t d l t e 系统特定的帧格式，提出了适用于该系统的高效 符号定时和载波同步算法，以有效克服多径传输与多普勒效应条件下定时偏差及 载波偏移对系统性能的影响；本文对上述算法均采用m a t l a b 对其性能进行了充分 的仿真及比较分析，仿真结果表明，所提算法在各类3 g p ps c m e 信道环境下具 有较好的抗时间与频率双选择性衰落性能；最后，论文结合实际接收机的物理层 实现需求，设计了一套完整的t d l t e 下行系统接收机时频同步系统解决方案及 相关的控制机制。 关键词：多输入多输出正交频分复用t d l t e 符号定时同步载波频率同 步 a bs t r a c t t h i sp a p e rm a k e sad e e pr e s e a r c ho nt h eo f d ms y m b o lt i m i n ga n dc a r d e r f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi nw i r e l e s sm i m o - o f d m r e c e i v e ru n d e r3 g p p s c m ec h a n n e l s f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to fm i m o - o f d mt e c h n o l o g yw o r l d w i d ei si n t r o d u c e d b r i e f l y , f o l l o w e db yt h es u m m a r i z a t i o no f t h eb a s i ci d e aa n dm a t h e m a t i c a lp r i n c i p l e so f w i r e l e s so f d ms y s t e m ，t h e nt h ek e yt e c h n i q u e sa n da d v a n t a g e so fm i m os y s t e ma r e d i s c u s s e d w i t ht h ea i do fm a t h e m a t i c a la n dc o m m u n i c a t i o nt h e o r y , t h ei n f l u e n c e so f s y m b o lt i m i n g ，c a r d e rf r e q u e n c yt om i m o - o f d ms y s t e m sa r ea n a l y z e di nd e t a i l i n t h e s t u d y o ft d - l t e s y s t e m a n dt r a d i t i o n a l s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s f o r m i m o o f d ms y s t e m s ，i m p r o v e ds l o t t 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 a l g o r i t h m s 诚t hh i g he f f i c i e n c ya r ep r o p o s e db a s e do ns p e c i f i cf r a m es t r u c t u r ei n t d l t es y s t e m ，w h i c hs h o wb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a la l g o r i t h m si nt h e s c m e a l lt h ea l g o r i t h m sp r o p o s e df o rt d - l t es y s t e mi nt h i sp a p e ra r es i m u l a t e da n d c o m p a r e ds u f f i c i e n t l yw i t hm a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m s p r o p o s e da r er o b u s tu n d e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ea n dt i m es e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s f i n a l l y , t a k i n gt h ep r a c t i c a lp h y s i c a ll a y e rt r a n s m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s m si n t o a c c o u n t ，at o t a ls c h e m ei sp r o p o s e dt ot h ew h o l ea r c h i t e c t u r ef o rt h et i m i n ga n d f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ei nt d l t ed o w n l i n ks y s t e mr e c e i v e r k e y w o r d ：m i m o o f d mt d - l t e s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n c a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 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：日期2 翌! 芝：互：! 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撰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：牲 导师签名： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1m i m o o f d m 技术的发展概况 随着移动通信和无线因特网需求的不断增长，越来越需要更加先进的无线 传输技术。高速无线通信系统设计的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来 的严重频率选择性衰落。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 n m u l t i p l e x i n g ) 技术可以很好的克服无线信道的频率选择性衰落，由于其简单高 效，o f d m 已成为实现未来高速无线通信中最核心的技术之一。无线系统设计 的另外一个挑战是如何提高系统频谱效率和链路质量，在收发端分别用多个天 线来传输信号是一条有效的解决途径，即多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 系统。m i m o 系统可以很容易获得无线信道的空间分集增益 和实现无线信道的容量增益。o f d m 和m i m o 技术已成为先进无线传输技术的 两大基石，o f d m 和m i m o 技术的结合将打开一条实现未来无线数据高速可靠 传输的光明途径。 o f d m 技术的起源可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，当时由于受实现技术的限制 而未能引起广泛重视。随着d s p 芯片技术的发展，大规模集成电路让f f t 技术 的实现变得简单便宜，发射机和接收机的振荡器稳定性以及射频功率放大器的线 性要求等因素也等到了解决，从此，o f d m 技术在通信领域发挥着越来越重要的 作用，并被许多标准所采用，例如数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视 ( h d t v ) 、无线局域网( i e e e 2 0 8 1 1 ，h y p e r l a n 2 ) 、无线城域网( i e e e 2 0 8 1 6 ) 以及3 g p pl t e 等。o f d m 和m i m o 的结合已成为未来无线通信技术的趋势，也 必将是未来移动通信标准( i m t - a d v a n c e d ) 的最核心技术【l j 。 1 2 本文工作及内容安排 1 本文的研究成果和贡献 m i m o o f d m 系统的下行接收机同步中的一个关键问题就是：在高速移动的 频率选择性衰落信道下，如何快速、准确地获取符号定时、载波频率的同步。而 t d l t e 系统数据结构的低冗余度更加强了同步问题研究重要性。 本文总体研究了m i m o o f d m 时频域同步的各种算法，分析了非理想同步 因素对系统性能的影响，并在此基础上结合t d l t e 系统的特点，主要针对该系 统中2 0 m h z 模式的时、频同步技术进行了相应的研究。本文取得的研究成果与 2 m i m o o f d m 系统时频域同步技术研究 主要贡献包括： 提出了一种适合t d l t e 系统的时隙定时同步算法； 提出了一种适用于t d l t e 系统的联合虚拟子载波及主同步信号的整数 倍频偏估计算法； 设计了t d l t e 时频同步环路物理层的基本构架及其控制机制； 2 本文章节内容安排 第二章介绍o f d m 系统的基本原理、系统基本构架以及技术特点；对m i m o 技术的发展历程，主要思想、主要特点以及系统模型做了概要介绍；对当前 m i m o o f d m 系统常见的帧格式设计做了详细的研究以及分类；简要介绍了 t d l t e 项目，并对t d l t e 系统中与同步模块相关的标准内容做了详细介绍。 第三章研究m i m o o f d m 系统定时同步算法以及适用于t d l t e 系统的时隙 定时与符号定时算法。首先分析了符号定时同步对m i m o o f d m 系统性能的影 响；随后，对现有m i m o o f d m 系统的各种符号定时算法做了分类研究；结合 t d l t e 系统的帧结构特点选择了适用于该系统的算法，并在原有算法的基础上 针对l t e 系统做出了相应的改进，在s c m e 信道条件下，对改进算法进行了仿真 与性能分析。 第四章研究m i m o o f d m 系统载波频率同步算法及t d l t e 系统载波频率同 步实现。首先分析了载波频率偏移对整体系统性能的影响；之后，对现有的 m i m o o f d m 载波频率同步算法做了归类研究；结合t d l t e 帧结构特点，分别 提出了适用的粗小数倍频偏、整数倍频偏以及细小数倍频偏算法，并针对无线信 道多径传输与多普勒效应对算法做出改进；最后在动态信道下对算法进行了仿真 以及性能分析。 第五章设计了一套完整的t d l t e 系统时频同步模块构架方案，并结合实际 需求设计了相应的同步控制机制。 第六章对全文内容进行相应的回顾和总结，并结合该技术领域目前的研究进 展，指出了进一步研究工作的方向。 第2 章m i m o o f d m 系统基本原理 第2 章m i m o o f d m 系统基本原理 m i m o o f d m 系统依赖于o f d m 及m i m o 技术各自的技术基础。本章首先 分别介绍o f d m 和m i m o 技术的基本原理以及关键技术，在此基础分析 m i m o o f d m 系统模型以及当前较为经典的m i m o o f d m 系统的数据结构设计。 2 1o f d m 技术概述 1 o f d m 技术基本原理 在早期的单载波调制系统中，数据只在一个载波上传输。当系统带宽较大时， 信号极易受到频率选择性衰落的干扰。当系统带宽增加，信号时域符号长度变短， 符号间干扰( 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 ) 区域变长，从而需要较长的时域均 衡器，增加系统复杂度。此外，为了在接收端用带通滤波器分离出信号，信号频 带两端需要留有一定的保护间隔，降低了系统频率使用效率。 多载波调制系统中，数据在多个载波上同时传输。与f d m 技术相似，系统 总带宽b 被划分成了个子信道，每个子信道带宽为尻= b n 。其中的第f 路使 用频率为f 的载波进行调制，其简化的调制方式如式( 2 1 ) 所示： s ( f ) = = g ( t ) c o s ( 2 z c f t + d & ) ( 2 - 1 ) 对应的频谱如图2 1 所示： 与f lf n - l 图2 1 多载波调制频谱示意图 由于子信道带宽相对于系统总带宽缩小为原来的j ，时域符号长度增加为 原来的倍，在同样的信道环境下，符号间干扰区域相对缩小，所需时域均衡器 长度缩短为原来的j 。由此，多载波系统将频率选择性信道划分为一系列频率 平坦衰落的子信道。然而，多载波调制信道的各个子信道间仍需要保护频带。考 虑到成型滤波器具有滚降因子卢以及保护边带占，实际所需的频谱宽度为 ( 1 + p + s ) e 。这种做法虽然可以避免不同信道之间的干扰但频谱效率仍然不高。 图2 2 给出了多载波调制系统的接收机结构框图。在发端，系统总的传输速率尺 b i f f s 通过串并变换分成路，每路的传输速率为r b i 讹。每路子信道的带宽是 原来的1 n 。各路较低速率的数据经过带通滤波器进行各子信道调制后叠加在一 4 m i m o - o f d m 系统时频域同步技术研究 起，最后通过射频单元发送出去。在接收端，信号经下变频后，用一组带通滤波 器分离出各子信道上的信号后，进行相应的解调工作，将解调出的各路较低速率 的数据通过并串转换恢复为系统传送的高速率数据流。 发射机 h 恒 加 靠 n ：1 p s ；厂。 _ 叵h b 接收机 图2 2 多载波调制收发机 o f d m 技术可以看成是由传统的频分复用技术( f m d ) 发展而来的。其最核 心的思想是采用正交子载波并行传输技术。并行传输降低子路上传输的信号速率， 使得o f d m 符号长度比系统采样间隔长很多，从而极大地降低了时间弥散信道引 入的i s i 对信号的影响，同时将宽带信道转化为许多并行的正交子信道，从而将 频率选择性信道转化为一系列频率平坦衰落信道，在频域内仅需简单的一阶均衡 器。此外，o f d m 系统所选择的子载波间隔使得不同子载波上的波形在时域上相 互正交且在频域上相互重叠，不同子载波间不需要保护间隔，最大化了系统频谱 效率。 基于正交子载波并行传输技术，o f d m 系统发射机不再需要很多带通滤波器 来实现，而是直接在基带进行处理，这也是o f d m 系统有别于其他系统的显著优 点之一；相应的，o f d m 系统的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移 至零频，然后在一个码元周期内积分。由于其它信号与所积分的信号正交，即使 接收数据在频域上是重叠的( 如图2 3 所示) ，也不会对积分结果产生影响，接收 端依旧能够对不同子载波上的数据进行相应的解调。这也正是当前被广泛使用的 o f d m 技术的基本出发点。 矗f o + l i tf l + 2 t氟l 讣j t 图2 3o f d m 频谱示意图 o f d m 系统收发机的典型框图如图2 4 所示。需传送的比特信息数据首先进 行信道编码、串并变换、基带信号调制。在加入虚拟子载波后，用i f f t 变换进 第2 章m i m o o f d m 系统基本原理 行o f d m 调制、并串变换并插入保护间隔。产生的时域信号经成型滤波器、数 模( d a ) 转换、并由射频单元发送出去。信号经过无线信道传播后，在接收端 首先进行下变频、模数( d ) 转化和低通滤波操作。在完成时间和频率同步操 作后，用f f t 变换分解出频域信号。信道估计器和信道均衡器分别对信道衰落经 行估计和补偿，均衡后的信号接着进行相应的信号解调和信道解码操作，恢复出 发送的比特信息。 刨登哩曰二曰雏h 兰嘲 强晖剥霎悱醺 图2 4o f d m 系统收发机框图 考虑具有个正交子载波的o f d m 系统，五为第k 个子载波的频率。调制 个并行数据后的o f d m 符号( 无循环前缀) 可表示为： m ) 2 丽1 荟j v - - 1 & 2 哳( 2 - 2 ) 设丁为系统采样间隔，b 为系统带宽，在无过采样的情况下有丁= i 1 。子载 波频率五为子载波间隔( 昙= 击) 的整数倍，则有： 五= 二n t ( 2 - 3 ) 结合式( 2 3 ) ，对式( 2 2 ) 得到的模拟信号进行离散采样，可得【2 】： 叫忉= 击萎n - ! “万n k = 嘉 w f r 蜊 ( 2 q 由式( 2 4 ) 可以看出，o f d m 数字基带调制可以使用i d f t ( i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ，离散傅立叶逆变换) 来完成，相应的解调操作也可由d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，离散傅立叶变换) 来实现【3 】【4 】，从而大大降低了 o f d m 信号产生和恢复的复杂度。随着算法和集成电路技术的发展，o f d m 系统 的调制解调开始利用成熟、高效的i f f t f f t ( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，快速傅立叶逆变换快速傅立叶变换) 来实现【5 】，这彻底扫清了 6 m i m o o f d m 系统时频域同步技术研究 o f d m 技术大规模应用的障碍。8 0 年代，l j c i m i n i t 6 首先分析了o f d m 技术在 移动信道中的性能，显示出在突发性瑞利衰落环境下o f d m 系统比单载波系统具 有更好的性能，从而为o f d m 在移动通信中的应用奠定了基础。 2 o f d m 系统保护间隔的演进 o f d m 系统的一个重要特点是可以有效地对抗时间弥散信道带来的符号间 干扰。为了最大限度地消除符号间干扰，o f d m 系统的符号之间插入了时域上的 g i ( g u a r d i a ni n t e r v a l ，保护间隔) ，保护间隔长度易一般大于信道最大时延扩展， 这样上一符号的多径分量就不会对下一符号造成干扰。 最初的保护间隔形式由w e i n s t e i n 等人在文献 3 】中同时提出，该方法是通过 插入一段空白区作为保护间隔的方法消除符号间干扰，称为零填充( z e r op a d d i n g ， z p ) o f d m ，结构如图2 5 所示。由于零信号的存在，这种插入方式有利于符号 定时同步的捕获，并且由于各个符号间不存在干扰，信号中包含更多的信道信息， 对于信道估计和均衡而言，在同步理想的情况下通过最佳估计可以获得比c p 方 式更好的性能1 7 儿引。然而，这种处理方式不能保证信号经过多径信道后各子载波 仍然保持正交，接收机较难获得载波频率偏移的信息，并且接收处理复杂，故实 际中该结构用得较少。 保护间隔完整的o f d m 符号 图2 5 插入零作为保护间隔的o f d m 符号 1 9 8 0 年，p e l e d 等【9 j 提出了采用c p ( c y c l i cp r e f i x ，循环前缀) 作为保护间隔 的形式，进一步完善了o f d m 技术。c p 的存在使得发送信号即使经过了多径信 道，其各子载波之间的正交性仍能够得到保持。c p 的实现非常简单，就是将o f d m 符号的最后一部分数据复制到该符号的最前端，如图2 6 所示。c p 对消除i s i 和 保持载波间正交性起着关键的作用，即只要选取的c p 长度大于信道最大时延扩 展的长度，就可以保证在时域上完全消除i s i 。由于加入了c p ，o f d m 符号内所 有载波分量均具有整数个周期，将o f d m 符号后部信号拷贝插入到o f d m 符号 前端，拓展后的o f d m 信号仍具有平滑的载波信号分量，从而将i f f 聊f t 的现 行卷积转化为循环卷积。在无i s i 干扰的c p 内的任何位置开始，一个o f d m 符 号时间内均包含完整的各子载波信息，维持了各子载波间的正交性，同时消除了 子载波间干扰( i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。t d l t e 系统下行数据的o f d m 符号就是采用添加c p 作为保护间隔的形式。 第2 章m i m o o f d m 系统基本原理 完整的o f d m 符号 图2 6 插入c p 作为保护间隔的o f d m 符号 考虑到z p 方式的缺点，并且提高o f d m 的频谱利用率，文献【1 0 】提出了保 护间隔内填充p n 的o f d m 系统，称为p n p o f d m ( p np a d d i n go f d m ) ，帧结 构如图2 7 所示。由于p n 序列在接收端已知，可用于系统同步和信道估计，所 以也称为时域同步正交频分复用( t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u s - o f d m ， t d s o f d m ) 。和c p o f d m 相比，t d s o f d m 无需在频域插入导频信号【2 】【11 】【1 2 】， 提高了频谱利用率，克服了多载波系统传输效率低的缺点。但代价是无法提取频 域的有效信息用于系统的同步和信道估计。我国的数字电视地面广播传输标准中 多载波部分采用的就是t d s o f d m 。 保护间隔完整的o f d m 符号 图2 7 插入保护间隔p n 的o f d m 符号 另外，为了进一步满足突发式o f d m 系统传输的要求( 如w l a n 系统i l j j ) ， 一般会在需要突发传输的o f d m 符号之前插入一定长度的时、频冗余信息，用这 些冗余信息来进行相应的同步或者信道信息的提取。 3 o f d m 系统的优缺点 总体上来说，o f d m 系统具有如下的优点： 1 低复杂度实现频率复用，具有较高的频谱利用率； 2 可以有效地对抗多径传播所造成的i s i ； 3 可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅影响系统的- 4 , 部分子载波； 4 在频率选择性衰落信道下，可根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子 载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量； 同时，o f d m 也系统存在一些技术难点： 1 对于载波频率偏移的敏感程度高于单载波系统； 2 信号存在较高的峰值平均功率比( p e a l ( t o a v e r a g er a t i o ，p a r ) ，使得系统对 放大器的线性要求很高。 虽然存在一些技术难点，但o f d m 技术的优势使得其已经在当代各类主流的 无线传输系统中发挥了举足轻重的作用。未来，在基于蜂窝网的移动通信领域的 m i m o o f d m 系统时频域同步技术研究 4 g ( f o u r t hg e n e r a t i o n ，第四代) 1 4 】【1 5 1 【1 6 】【1 7 1 标准中，o f d m 技术也将作为其物理 层的核心传输技术发挥巨大作用。随着o f d m 技术与空时编码、多普勒分集、智 能天线、自适应调制等新技术的有机结合，它将具有更强大的生命力和更为广阔 的应用前景。 2 2m i m o 技术概述 利用多根发射天线和多根接收电线的无线通信系统，即m i m o ( m u l t i p l e - h p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 技术，近年来成为现代通信领域最有意义的技 术突破之一【l 引。可以简单地将m i m o 系统定义如下，即任意一个无线通信系统中 的链路的发送端和接收端都配备多个天线。m i m o 技术的思想就是将发送电线端 以及接收天线端的信号以某种形式进行“合并 ，以达到提高系统传输质量( 误比 特率或b e r ) 或者传输速率的目的。 多输入多输出( 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 i m o ) 用于通信系统的 概念早在2 0 世纪7 0 年代就有人提出，但是对无线通信系统m i m o 技术产生巨大 推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年代由a t & t ( a m e r i c a nt e l e p h o n e & t e l e g r a p h c o m p a n y , 美国电话电报公司) b e l l 实验室的学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了 在衰落信道情况下的m i m o 容量，1 9 9 6 年f o s h i n i 给出了一种m i m o 处理算法 d - b l a s t ( d i a g o n a l b l a s t , 对角b l a s t ) 算法，1 9 9 8 年t a r o k h 等人讨论了用于 m i m o 的空时码，1 9 9 8 年w o l i n a n s k y 等人采用v - b l a s t ( v e r t i c a l b l a s t ，垂直 b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0 b p s h z 以上的 频谱利用率，这在普通系统中是极难实现的，这些工作引起了各国学者的极大注 意，并使得m i m o 的研究得到了迅速发展。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。 对于发射天线数为，接收天线数为m 的m i m o 系统，假定信道为独立的瑞利 衰落信道，并设，m 很大，则信道容量c 近似为： c = m i n ( m ，) 】b l 0 9 2 ( p 2 )( 2 5 ) 其中曰为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，) 为m 中的较小 者。上式表明，功率和带宽固定时，m i m o 系统的最大容量或容量上限随最小天 线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线 阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言， m i m o 对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利 用率可以成倍地提高。利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信 第2 章m i m o o f d m 系统基本原理 9 道的可靠性，降低误码率。m i m o 系统的一个关键特性就是可以将以往认为是无 线传输缺陷的多径传播加以利用，提高系统性能。m i m o 技术可以有效利用随机 衰落【1 9 】【2 0 1 1 2 1 】，条件允许情况下还可以利用多径迟延【2 2 1 1 2 3 】来扩充信道容量。 其次，由于多天线阵发送和接收本质上是空间分集与时间分集技术的结合， 因此具有很好的抗干扰能力；进一步将多天线发送和接收技术结合信道编码技术， 可以极大地提高通信系统的性能，这就导致了空时编码技术的产生。 m i m o 系统的核心思想是空时信号处理。总体而言，m i m o 技术主要有两个 大类。一类通过最大化空间分集提高功率效率，包括延时分集、空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ，s t b c ) 和空时格型编码( s p a c et i m et r e l l i sc o d i n g ，s t t c ) 技术。另一类通过线性处理在一定的误码率下致力于提高信道中传输的数据速率， 包括贝尔实验室分层时空( b e l ll a b sl a y e r e ds p a c et i m e ) 系统等技术。 针对m i m o 系统的第一种发射分集方法就是延时分集。即在不同天线上传输 同一个信号的不同延时版本，从而人为地增加了信号所经历的信道的时延扩展值。 在接收端可以采用最大似然序列估计( m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ， m l s e ) 方法估计发射序列。此类系统还可以应用判决反馈均衡器。延时分集方 法简单易行，且可以看成是一种特殊的空时码。 s t b c 和s t t c 可以充分利用空间分集特性。s t t c 是a t & t 公司研究院的 t a r o k h l 2 4 】在空时延迟分集和格状码的基础上提出的，其利用充足的格型编码保证 完全分集，但是其译码复杂度随着发射天线数的增长而成指数倍增长。为了解决 译码复杂度的问题，a l 锄o u t i 【2 5 】提出了s t b c 编码方法。经过后期改进，s t b c 利用码字的正交特性达到分集的目的，但是当发射天线数大于2 时，无法达到全 速率( f u l l r a t e ) 传输。 2 3m i m o o f d m 系统模型 未来通信系统在实现数据可靠传输的基础上还要满足高速率的传输，m i m o 技术能够大幅度提高系统的吞吐量。因此将与m i m o 与o f d m 相结合正成为未 来移动通信的发展趋势。 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。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率，即由m i 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 d m 和m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统具备很高的传输速率， 而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 1 0 m i m o o f d m 系统时频域同步技术研究 适的数字信号处理算法能更好地增强系统的稳定性。 m i m o o f d m 技术通过在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。它同时利用了时间、频率和空间三个分集技术，使无线系统对 噪声、干扰、多径的容限大大增加。由于m i m o o f d m 在提高无线链路的传输 速率和可靠性的巨大潜力，使得这两种技术的结合成为目前4 g 研究的热点。 2 3 1m i m o o f d m 系统模型 1 m i m o o f d m 系统模型 一类简单的m i m o - o f d m 系统结构可以由图2 8 表示，其中，、，分别为 系统发端和收端天线数。 n tn ， 图2 8m i m o o f d m 系统框图 假设m i m o - o f d m 子载波数为n ，循环前缀长度为g ，则第f 个发射天线 发送的o f d m 符号的复基带采样数据可以表示为 薯( ，z ) = 丽1 刍n - i 置，伽| b ，一g 聆一1 ( 2 6 ) 式中置。为第f 个发射天线、第七个子载波上的调制数据，进一步假设系统收发两 端采样钟完全同步仅存在定时和频率偏移，则天线接收到的复基带信号为： l - - 一l o ( 玎) = 艺e 驴2 嘲琴- h e ( 1 ) 薯( n s # - - i ：) + _ ( n ) ( 2 - 7 ) 式中岛为发射天线f 和接收天线间信道相应的路径总数，( ，) 为第，条路径的复 增益，r ；为用采样周期归一化的路径时延，乃为用子载波间隔归一化的载波频偏， 勺为用采样周期归一化的符号定时偏移，一) 为第个接收天线上均值为0 ，方 差为仃2 的加性高题白噪声。 2 3 2m i m o o f d m 系统的经典数据结构设计 1 同步技术概述 同步对于任何数字通信系统来说都是根本任务。没有精确的同步算法，系统 第2 章m i m o o f d m 系统基本原理 的性能就没有保障。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 的幅度衰减和相位旋转，这可以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载波信道之间产生干扰。 o f d m 系统对时域和频域上的同步均有要求，其同步问题主要分为采样钟同 步、符号定时同步和频率同步。采样钟同步主要是保持系统接收机和发射机采样 时钟频率的一致；符号定时同步主要是指对o f d m 符号或者o f d m 帧最佳起始 位置的定位；频率同步则是对收发两端晶振的频率偏差的估计及补偿。 一个o f d m 符号包含许多采样信号点，由于o f d m 符号的持续时间远大于 采样间隔，时延扩展或定时偏差所产生的i s i 相对较小，对系统性能影响不大。 加之o f d m 系统通过引入c p 来容纳i s i ，一般c p 的长度都设计的大于最大信道 时延，只要o f d m 符号的f f t 窗口开始位置处于无i s i 干扰的c p 部分就不会带 来i s i 的干扰。因此，存在c p 的o f d m 系统对时间同步的要求相对较低。对于 无线通信来说，无线信道存在时变性，无线信号在传输过程中会出现频率偏移， 例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本振之间存在的频率偏差， 这些都会引入i c i 破坏子载波间的正交性进而影响到系统的性能。o f d m 子载波 间的相互正交性给o f d m 系统带来了诸多的优良性能，同时也使得o f d m 系统 对频率同步的要求甚高。因此同步问题，尤其是载波同步问题，显得尤为重要。 m i m o o f d m 系统时频域同步的主要任务就是估计各个收发天线对之间的 定时偏移s 。和频率偏移磊。近年来，针对s i s o o f d m 系统定时与载波同步的算 法相对已经比较成熟，也提出了许多可以应用到m i m o o f d m 系统中的同步方 案，但大部分方案都是基于特定的帧结构提出的。因此下文将对一些比较经典的 几种m i m o o f d m 系统帧结构设计做出简要的介绍。 2 几种经典的m i m o o f d m 系统帧结构 ( 1 ) m o d y 提出的帧结构 m o d y 和s t u b e r l 2 6 】【2 7 】【2 8 1 共同提出的同步方案利用了m 个连续发送的训练符号 作为先导序列，其结构如图2 9 所示 天线l 固一习口一匝三 天线a r t ： g n l g r l i 符号 1 6 h 扭 1 5 _ 】l 瑚 图2 9m i v , m i m o - o f d m 系统帧结构( m o d y ) 图中m 和，分别代表发送和接收天线的个数，g 为保护间隔的采样点数。 1 2 m i m o o f d m 系统时频域同步技术研究 此帧结构的先导序列采用了r 个连续的训练符号。训练符号由在频域的己知序列 经过i d f t 以及截断处理后获得。 ( 2 ) b l a s tm i m o 系统中的帧结构 针对不同的天线配置和信道估计的需要，b l a s tm i m o 系统使用了与天线配 置相对应的帧结构，如图2 1 0 所示。 d a t a 0 d a t a d a t a 一个完整的训练序列+ - a a ，lo 、ov ， 图2 1 0b l a s tm i m o 系统的帧结构 ( 3 ) m i m o o f i ) mw l a n 系统中的帧结构 2 0 0 3 年，s c h e n k 与z e l s t l 2 9 1 共同提出了应用于m i m o o f d m 无线l a n 系统 的帧结构，此种结构在不同的发射天线上发送经过不同循环移位的参考序列，保 证了各天线参考序列的正交性。以两根发射天线为例，其帧结构如图2 1 l 所示。 图2 1 lm i m o - o f d mw l a n 系统的帧结构 ( 4 ) 先导序列时间正交的帧结构 此种帧结构p 0 1 将不同天线的先导序列在时间上错开发送，避免了天线之间的 干扰，保证了接收端对信道参数估计的性能，但同时增加了系统的冗余量，占用 了大量系统资源，导致系统数据传输效率下降。其结构如图2 1 2 所示。 联图三三3 叟 二蔓至二： 僦 每：图三三 三三3 二巫二： 图2 1 2 先导序列时间正交的帧结构 第2 章m i m o o f d m 系统基本原理 2 4 1l t e 项目概述 2 4t d l t e 标准介绍 第三代移动通信( 3 g ) 技术是当前主流的主线通信技术之一。在诸多3 g 技 术标准中，又以3 g p p ( 3 坩g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，第3 代合作伙伴计划) 制定的标准最具影响力，近几年来，w c d m a ( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，宽带码分多址) 、t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ，时分 同步码分多址) 、h s a p ( h i g hs p e e dp a c k e ta c c e s s ，高速分组接入) 等各种系统 已经逐步在全球大规模部署。同时，3 g p p 又启动了l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ， 长期演进) 、h s p a + 、l t e a d v a n c e d 等长期标准演进项目。 经过3 年多的工作，l t e 标准已经接近完成。这个标准采用o f d m 、m i m o 等先进的无线传输技术、扁平网络结构和全i p 系统架构，支持最大2 0 m h z 的系 统带宽、超过2 0 0 m b i t s 的峰值速率和更短的传输延时，频谱效率达到3 g p pr 6 版本的3 5 倍，是一项重大的革新。l t e 一方面可以在几年内保持3 g p p 标准相 对其它移动通信标准的持续竞争优势，另一方面也为3 g p p 标准向i m t - a d v a n c e d ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d ，先进国际移动通信) 阶段演 进打下了坚实的基础。预计在未来1 0 年内，l t e 作为最具影响力的宽带移动通信 技术标准之一，将受到业界越来越广泛的关注。 中国的l t e 技术研究始于2 0 0 4 年，大唐移动自主研发的t d s c d m a 核心技 术被3 g p p 组织确立为t d l t e ( t i m ed i v i s i o n l t e ) 技术的关键技术。以中国移 动为主导的运营商与华为、普天等通信设备制造商以及信产部电信研究院等研究 单位为主要力量的中国团队在t d l t e 技术研发过程中起到了决定性的作用，各 方都在努力推进t d l t e 的应用进程，并力求做到t d l t e 在t d s c d m a 技术 上的平滑演进。 2 4 2t d l t e 的技术特点 移动运营商要求l t e 必须成为一个有竞争力的b 3 g 宽带无线业务提供手段。 因此，l t e 系统的设计主要考虑降低每比特成本、提供扩展业务的能力、灵活使 用现有的和新的频段、简化架构开放接口、实现合理的终端功耗等目标。t d - l t