（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中载波分集同步技术研究.pdf

i y i l l i 1 l l l l 燃幽 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗歹t l f l j 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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 边：函 日期：垫坦：2 ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：么丝通 导师签名： 日期： 盈! ：f ， 1 氐 ，一 一。o，。 ，一 广 北京邮电大学硕士学位论文摘要 本论文由下列项目资助 广州市科技计划项目 基于m i m o - o f d m 的新一代蜂窝移动通信系统分集同步方法的研究 ( 编号：2 0 0 6 j i - c 0 3 3 1 )( 时间：2 0 0 6 9 - 2 0 0 9 9 ) $ l l i ，铲 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 ；掷 每t一 r 北京邮电大学硕士学位论文m i m o - o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 m i m o o f d m 系统中载波分集同步技术研究 摘要 随着通信技术的迅猛发展，用户对数据速率和服务质量提出越来 越高的要求，这就对通信系统容量提出了更高的要求。基于o f d m 和m i m o 技术的通信系统能够利用有限的频谱资源提供可靠的宽带 数据业务，成为当前无线通信研究的重点。对于m i m o o f d m 系统 而言，准确、高效的同步，特别是载波同步，是提高系统性能的关键 和难点。本论文的主要工作是针对o f d m 和m i m o o f d m 系统中的 载波同步理论和分集同步方法的研究。 论文首先论述了移动信道的传播特性，回顾了o f d m 、m i m o 技术的基本原理。总结归纳了无线通信中使用的各种分集技术，分析 了分集和同步相结合的优势。在此基础上总结了m i m o o f d m 的同 步体系和结构，重点分析了在载波频率偏差( c f o ) 条件下o f d m 无线传输系统的数学模型以及对系统性能的影响。 基于已有的对s i s 0 o f d m 和m i m o o f d m 的研究，载波同步 方面的参考文献主要集中于如何在发送端设计前导序列和结构来区 分不同天线。然而本文的研究目的是利用空间分集使载波频率同步获 得比单天线下更好的性能，即获得分集增益，从而更准确地估计载波 同步，我们称之为分集同步。论文第五章重点研究了多天线o f d m 条件下估计c f o 的分集同步方法，首先介绍了m i m o o f d m 的系统 模型，设计了可行的粗同步和细同步仅使用一个o f d m 符号的前导 结构。从s i s o 系统的同步性能分析开始，逐步分析和给出s i m o ， m i s o ，m i m o 系统的载波频率同步方案。载波频率同步方案仿真结 果表明，与单天线系统的载波同步性能相比，分集同步获得了多重分 集效果，并增强了载波同步算法的鲁棒性。接收分集可以明显提高系 统的载波同步性能，接收天线数量越多，分集增益越明显；发送分集 可以进一步提高系统的载波同步性能，但是当发送天线数量超过两根 时，分集增益几乎消失。高信噪比时，出现严重的地板效应。 关键词：正交频分复用多输入多输出分集同步载波频率偏差 北京邮电大学硕士学位论文 m i m o 。o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 f i ，枷 t，一 l 北京邮电大学硕士学位论文m 蹦o o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 r e s e a r c h e so nc a i u u e r s y n c h r o n i z a t i o nw i t hd i v e r s i t y i nm i m o o f d ms y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t h er a p i d l y i n c r e a s i n go fp e o p l ed e m a n d i n g ，c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yd e m a n dm o r e r e q u i r e m e n t s o r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o ri t sh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s st o s e l e c t i v ef a d i n g a sm u l t i p l ei n p u t sm u l t i p l eo u t p u t s ( m i m o ) t e c h n o l o g y c a nb ea d o p t e dt oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y , d a t ar a t ea n dt r a n s m i s s i o n q u a l i t y t h u s ，b 3 gb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do n o f d ma n dm i m ot e c h n o l o g i e sb e c o m er e s e a r c hh o tp o i n tn o w t h e e f f i c i e n ta n da c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec a r t i e rf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n a r ec r i t i c a lf o rm i m o o f d m s y s t e m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，r e s e a r c hw o r km a i n l yf o c u so nt h e o r ya n dt e c h n i q u eo f c 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 n i nm i m o - o f d ms y s t e m sw i t h d i v e r s i t i e s a tf i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m o b i l e w i r e l e s sc h a n n e l r e v i e w e dt h eb a s i ct h e o r yo fo f d ma n dm i m o t e c h n i q u e s a n dt h e a d v a n t a g eo fm i m o o f d mc o m b i n e d t h e n s u m m a r i z e dav a r i e t yo fd i v e r s i t yt e c h n i q u e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， a n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fd i v e r s i t yt e c h n i q u e s ，i n t r o d u c t e dt h e d i v e r s i t ys y n c h r o n i z a t i o ni d e a o nt h i sb a s i s ，s u m m e du pf r a m e s y n c h r o n i z a t i o n ，s i g n a ls y n c h r o n i z a t i o n ，c a r d e rs y n c h r o n i z a t i o n a n d s a m p l es y n c h r o n i z a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e m s ，e m p h a s i z e dt h em o d e l o fo f d mt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa n ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c eu n d e r c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) c o n d i t i o n b a s e do nt h ee x i s t e dr e s e a r c h u p o ns i s o o f d ma n d m i m o o f d m c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o nm a i n l yf o c u so nh o wt od e s i g n p r e a m b l et r a n i n gs y m b o l sa n ds t r u c t u r et od i s t i n g u i s hv a r i o u sa n t e n n a s 乜tf毒 北京邮电大学硕士学位论文m i m o o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 h o w e v e r , am i m os y s t e mo f f e r ss p a t i a ld i v e r s i t y , w h i c hr e s u l t sf r o mt h e f a c tt h a tm u l t i p l ei n d e p e n d e n t l yf a d e dc o p i e so fe a c ht r a n s m i t t e ds i g n a l a r ep r e s e n ta tam u l t i - a n t e n n ar e c e i v e r t h i ss p a t i a ld i v e r s i t yc a nb e e x p l o i t e dt oi m p r o v et h eo v e r a l ls i g n a lq u a l i t ya tr e c e i v e r , r e s u l t i n gi na b e r e rp e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o n s y s t e m s t h eb e n e f i t s o fs p a t i a l d i v e r s i t yf o rt h eq u a l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni sw e l l k n o w n ，t h ea i m so f t h er e s e a r c ha r et oe x a m i n es i m i l a re f f e c t so nc a r r i e r f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n ，w h i c hm e a n sd i v e r s i t ys y n c h r o n i z a t i o n i nc h a p t e r5 ，w e f i r s ta n a l y z et h em o d e lo fm i m os y s t e m s ，t h e nd e s i g n e daf e a s i b l e p r e a m b l es t r u c t u r ew h i c hc o n t a i n so n l yo n eo f d ms y m b 0 1 b o t hc o a r s e a n df i n es y n c h r o n i z a t i o na r ea l lf i n i s h e di nt h eo n eo f d ms y m b 0 1 s t a r t i n gf r o map e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs i s os y n c h r o n i z a t i o n ，s i m o ， m i s oa n dm i m os y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e da n da n a l y z e d s t e pb ys t e p s i m u l a t i o n sf o r t h ep r e a m b l e b a s e ds y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e e x p l o i t i n gs p a t i a l d i v e r s i t i e ss h o wt h a t s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e b e c o m e ss i g n i f i c a n t l ym o r er e l i a b l ec o m p a r e dt oas y s t e mw h e r eo n l y s i n g l ea n t e n n ai su s e dw i t h i ns y n c h r o n i z a t i o np r o c e s s t h el a r g e s ts h a r e o ft h e d i v e r s i t yg a i n i sa c h i e v e d b ye x p l o i t i n gr e c e i v ed i v e r s i t y ； e x p l o i t a t i o no ft r a n s m i td i v e r s i t yl e a d st om o d e r a t ef u r t h e ri m p r o v e m e n t s i nh i g hs i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) c o n d i t i o n ，s e v e r ef l o o r i n ge f f e c tw i l l a p p e a r k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，d i v e r s i t ys y n c h r o n i z a t i o n ，c a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) 一f； r 气 北京邮电大学硕士学位论文m i m o - o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 第一章引言 第二章 第三章 第四章 目录 l 1 1 无线通信系统发展历程1 1 2o f d m 和m i m o 技术概述3 1 2 1o f d m 技术概述3 1 2 2m i m o 技术概述。3 1 2 3m i m o o f d m 技术4 1 3 分集同步技术4 1 4 本论文的研究内容5 移动信道和m i m o o f d m 技术基本原理7 2 1 移动信道的特点7 2 2 无线信道的衰落和主要干扰效应8 2 2 1 传播损耗_ 一8 2 2 2 干扰效应1 0 2 3o f d m 技术13 2 3 1o f d m 系统的基本原理1 4 2 3 2o f d m 系统的d f t 实现1 6 2 3 3 保护间隔和循环前缀1 7 2 3 4o f d m 系统收发机结构18 2 4m i m o 技术18 2 5m i m o 和o f d m 结合2 0 2 6 本章小结2 l 无线通信中的分集技术。2 2 3 1 分集技术的基本概念2 2 3 2 分集技术的分类与比较。2 3 3 3 发送和接收分集2 4 3 4 分集同步的思想2 7 3 5 本章小结2 8 m i m o o f i ) m 系统载频率同步算法及同步体系结构2 9 4 1m i m o o f d m 系统的同步体系和结构2 9 4 2o f d m 系统的载波同步分析3 2 4 3o f d m 的载波频率同步算法3 6 l 北京邮电大学硕士学位论文m i m o o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 4 4m i m o o f d m 载波频率同步中的若干假设3 9 4 5 本章小结4 0 第五章空间分集对m i m o o f d m 载波频率同步性能影响4 1 5 1 系统模型4 l 5 2m i m o o f d m 系统的同步前导结构设计4 1 5 3s i s o 条件下的载波频率同步算法4 2 5 4s i m o 条件下的载波频率同步性能研究4 3 5 5m i s o 条件下的载波频率同步性能研究4 4 5 6m i m o 条件下的载波频率同步性能研究一4 6 5 7 本章小结4 7 第六章总结和展望4 9 6 1 本论文的主要工作总结4 9 6 2 今后的研究方向4 9 参考文献5 1 致谢5 q i 攻读硕士期间发表的学术论文5 5 2 一一 x ， 黟 i 一 北京邮电大学硕士学位论文 m i m o - o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 第一章引言 我们的世界正经历着一场重要的电信革命。未来的移动通信系统将能使任何 人在任何时间、任何地点以任何方式进行通信。为了达到这一目标，各种各样的 通信新技术层出不穷，如何在保证可靠性的前提下提高信息传输的有效性，为当 前学术界和产业界所关注。研究表明，o f d m 技术通过在频域内将频率选择性 信道转变为平坦信道，减小多径衰落影响【1 1 。而m i m o 技术能在空间产生独立 的并行信道，同时传输多路数据流，这样就能有效提高系统传输速率【2 】。o f d m 技术和m i m o 技术结合可以同时应对多径衰落和宽带效率两方面严重的挑战。 而o f d m 系统对频率同步误差非常敏感，本论文主要针对多天线下的o f d m 频 率同步技术展开研究，应用空间分集方法研究适合m i m o o f d m 数字信息传输 的载波频率同步，分析不同同步方法对系统性能的影响。 本章简要回顾了无线移动通信的发展历史和现状，重点对b 3 g 4 g 的关键技 术o f d m 和m i m o 进行了阐述，并介绍本论文的主要内容和体系结构。 1 1 无线通信系统发展历程 1 8 9 7 年，马可尼第一次向世人展示了无线电通信的威力，实现了在英格兰 海峡行驶的船只之间保持持续的通信。此后，移动物体之间的通信就得到了举世 瞩目的发展，全世界的人们不断地经历着新的无线通信方法的产生。 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到2 0 世纪7 0 年代 中期，移动通信才的蓬勃发展。第一代移动通信系统( 1 g ) 只能提供模拟话音 业务，采用效率较低的频分多址( f d m a ) 接入方式和模拟技术，包括模拟蜂窝 和无绳电话。典型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 4 5 0 等。 第一代移动通信系统的主要缺点是频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差， 通信终端也比较笨重。但由于模拟技术十分成熟，因而在发展初期也得到了较为 广泛的应用。 。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入到发展和成熟时期。8 0 年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ) 。以g s m 为代表的第二代 移动通信系统( 2 g ) 在商业上取得了巨大的成功，能够提供数字化的语音业务 和低速率的数据业务，并采用效率更高的时分多址( t d m a ) 接入方式，通信终 端更为便携轻巧。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。2 0 北京邮电大学硕士学位论文m i m o - o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动 通信系统。从此，c d m a 这种新的无线接入技术在移动通信领域占据了越来越 重要的地位。除此之外，还有欧洲的d c s 1 0 0 ，美国的i s 5 4 ( 随后发展为i s 一1 3 6 系统) ，日本的j d c 系统等，这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第 二代代移动通信系统。 随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通 信系统很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，国际电联( i t u ) 提出 了第三代移动通信系统( 3 g ) 的概念，目标在于建立一个全球统一的通信标准， 并逐步融合和取代现有的第二代移动通信系统、p c s 系统和移动数据业务。1 9 9 9 年1 1 月，i t u 确定了以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主流技术作 为i m t 2 0 0 0 的标准，其中w c d m a 由欧洲和日本提出，c d m a 2 0 0 0 由美国提 出，而t d s c d m a 则由中国提出。第三代移动通信系统( 3 g ) 的三大标准都采 用码分多址( c d m a ) 的接入方式，在传统业务的基础上还可以提供高速数据业 务和多媒体业务，通信终端的多媒体支持能力也大大增强。2 0 0 9 年1 月，国务 院工业与信息化部为中国移动、中国电信、中国联通分布发放了t d s c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 的三张第三代移动通信( 3 g ) 牌照，标志着中国移动通 信的3 g 时代正式到来。 但是随着i n t c r n e t 的迅猛发展，用户对宽带数据业务的需求也不断增长，尽 管3 g 能提供m b p s 量级的传输速率，但与宽带业务的发展需求相比还相差甚远， 远远不能满足未来用户的需求，未来的移动通信系统将支持更高的峰值信息传输 速率，更灵活地支持可变速率、支持更丰富的业务、适应更恶劣的环境的能力， 是移动通信与宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 技术的融合。“宽 带接入移动化”趋势表现为：由大宽带向可变宽带( 有效支持) 演变；由固定接 入向支持中低速移动演变；由孤立热点覆盖向支持切换的多小区组网演变；由数 据业务向同时支持话音业务演变；由支持以笔记本电脑为代表的便携终端，向同 时支持以手机为代表的移动终端演变。“移动通信宽带化”表现为：由5 m h z 以下 带宽向2 0 m h z 带宽演变；由注重高速移动向为低速移动优化演变；由电路交换 分组交换并重向全分组域演变；由蜂窝网络向兼顾热点覆盖演变；终端形态以移 动终端为主向便携、移动终端并重演变。正是基于通信产业对“移动通信宽带化” 的认识和应对“宽带接入移动化”挑战的需要，国际标准组织( 3 g p p ，3 g p p 2 ) 、 运营商以及设备商投入大量资金、人力、物力，积极参与l t e ( l o n gt i m e e v o l u t i o n ) 系统的研发。若以采用的技术来区分，第三代移动通信系统( 3 g ) 主要是以c d m a 为核心技术，三代以后的移动通信系统( b 3 g 4 g ) 中采用o f d m 技术和m i m o 技术是一种趋势。 一 l 厂 北京邮电大学硕士学位论文m i m o - o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 1 2o f d m 和川帅技术概述 1 2 10 f 明技术概述 o f d m 的概念是在2 0 世纪6 0 年代提出州3 】【4 】【卯，但早期的o f d m 系统因其 结构复杂、运算量大限制了其进一步推广。7 0 年代，人们提出了采用离散傅氏 变换实现多载波调制【6 】，由于f f t 和i f f t 易用d s p 实现，所以此时o f d m 技 术开始走向实用化，逐步迈入了高速m o d e m 和数字移动通信的领域，从此正式 走上了通信的舞台。o f d m 的诸多优点，使它受到广泛关注，o f d m 技术已被 欧洲的数字电视标准( d v b t ) 和数字音频广播( d a b ) 标准所采纳7 】【8 】，目前 已经作为w l a n ( 工作在5 g h z 和2 4 g h z 波段) 和宽带无线接入的关键技术， 其目标是提供5 4 m b p s 的数据速率。这是o f d m 第一次用于分组业务当中。其 后，e t s i ，b r a n ，m m a c 以及i e e e 8 0 2 1 l g 也纷纷采用o f d m 作为其物理层 的标准。一切显示o f d m 将成为下一代移动通信主流导向是大势所趋。 与传统的单载波系统和c d m a 系统相比，o f d m 系统的主要优势在于【l 】： 可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，与其他实现方法相比，多载 波系统实现复杂度较低； 在变化相对缓慢的信道上，多载波系统可以根据每个子载波的信噪比来优化 分配每个子载波上传输的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量； 多载波系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响系统的一小部分 子载波； 在广播应用中，利用多载波系统可以实现非常具有吸引力的单频网络。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 系统的主要缺点在于【i 】： 和单载波相比，o f d m 对载波频率偏移( c f o ) 和定时误差很敏感。 对多载波系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 使得它对放大器 的线性要求很高。 这些问题必须彻底解决才能使o f d m 成为一种实用的、经济的、能解决多 径干扰的数据传输技术。 1 2 2 啊i 帅技术概述 m i m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 技术可简单定义为在发射端和接收 端分别使用多根天线的无线通信技术，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发 两端的天线数量，相对于普通的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 ) 系统，m i m o 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，m i s 0 ( m u l t i p l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统和m i m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系统。 利用m i m o 技术可以成倍地提高数据传输速率、有效提高链路性能以及覆 3 北京邮电大学硕士学位论文m i m o o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 盖面积，给网络运营商带来巨大的收益。m i m o 技术的核心是空时信号处理，也 就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。 m i m o 技术可有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播，将传统通信系统中存 在的多径影响因素转变成对用户通信性能有利的增强因素，因而可以在不增加信 号额外带宽的前提下为无线通信的性能带来成倍的改善。 1 2 3 啊im 0 _ 0 f 阴技术 在未来移动无线通信系统中，存在多径衰落和宽带效率两方面严重的挑战。 o f d m 技术通过在频域内将频率选择性信道转变为平坦信道，减小多径衰落的 影响。而m i m o 技术能在空间产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，这 样就能有效提高系统传输速率，即由m i m o 提供的空间复用技术能在不增加系 统带宽的情况下，提高频谱效率。因此，o f d m 与m i m o 结合，就能提高系统 的传输效率。 1 3 分集同步技术 分集技术是无线通信系统对抗衰落的一种有效技术，其基本思想是接收来自 多个信道( 时间、频率或者空间) 的承载同一信息的多个独立的信号副本( 其强 度也具有可比性) ，由于各个信号不可能同时处于深度衰落情况中，因此在任一 给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而 提高了接收信号信噪比。 同步技术是任何一个通信系统都应解决的实际问题，其性能优劣直接影响到 整个通信系统的性能。对于o f d m 相关系统而言，同步具有更为重要的意义。 时间同步错误会给o f d m 系统带来符号间干扰( 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 ) ； o f d m 系统对频率偏移非常敏感，频率同步错误会导致很大的同信道干扰 ( i n t e r - c a r d e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。加入m i m o 后，由于发射天线和接收天线增 多，若存在同步误差，m i m o o f d m 系统会受到更大的i s i 和i c i 干扰。所以， 对于单天线和多天线下o f d m 系统而言，同步都是非常重要的一项关键技术。 分集同步，简单地说就是利用分集技术来提高系统同步的性能，获得分集增 益。m i m o o f d m 技术成为下一代移动通信的发展趋势，然而在无线多径信道 中，m i m o o f d m 系统因同步误差导致的i s i 和i c i 严重影响系统的性能【9 】，其 中，载波频率偏差严重影响m i m o o f d m 系统性能，导致子载波间失去正交性， 产生严重的载波间干扰( i c i ) ，因此，研究m m o o f d m 系统的载波同步具有重 要的意义。而目前的文献还不是很多，主要有 1 0 】 1 1 【1 2 】 1 3 1 4 【1 5 】。包括m o d y 的同步方法【l l 】【1 2 】，z & s 的同步方法【14 1 ，y a o y a o 的同步方法【1 5 】，都是通过使用特 4 e 妒 北京邮电大学硕士学位论文m i m o - o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 殊训练序列和设计前导结构来区分不同天线的信号来完成同步，没有充分利用发 送分集合接收分集来提高载波同步的精度。本论文的关注点是将空间分集应用于 m i m o o f d m 系统的同步技术中，如何利用发送分集和接收分集最大地提高系 统同步性能，使分集不仅能够提高系统传输容量，而且可以有效改善系统同步性 能，并提出相应的同步方案。 1 4 本论文的研究内容 本论文的研究工作是以实验室承担的广州市科技项目“基于 m i m o o f d m 的新一代蜂窝移动通信系统分集同步方法研究 项目为依托展开 的。随着未来宽带无线网络中的业务容量需求增加，m i m o o f d m 技术将成为下 一代移动通信系统的发展趋势。然而在高速无线蜂窝系统中，m i m o o f d m 系统 因同步偏差导致的符号间干扰( i s i ) 和子信道间干扰( i c i ) 严重影响 m i m o o f d m 系统的误比特率性能，特别是多载波技术对载波频率同步更为敏 感。本论文针对m l m o o f d m 数字信息传输的关键问题同步技术展开研究， 应用空间分集方法研究适合m i m o o f d m 数字信息传输的载波频率同步方法，分 析分集方法对系统性能的影响，并对研究结果进行了仿真。论文的后续章节组织 结构如下。 第二章首先介绍了无线移动信道的基本特点，衰落和主要干扰效应，并较详 细地讨论了o f d m 技术和m i m o 技术的基本原理，最后给出了m 1 m o o f d m 相结合的系统框图。 第三章讨论和分析了抗衰落的传统方法分集技术。介绍了无线通信中的 分集概念，分析了无线通信技术中使用的各种分集技术，重点研究了空间分集， 包括发送分集和接收分集，引入了分集同步的思想。 第四章首先给出m i m o o f d m 系统的同步体系和结构，分析研究了o f d m 系统中各种同步偏差对系统性能的影响，重点分析研究载波频率偏差的影响，介 绍单天线下o f d m 经典的载波频率同步算法，并结合多天线，给出本论文研究 多天线下o f d m 载波频率同步时的前提条件和研究模型。 第五章空间分集对m i m o o f d m 系统载波频率同步的影响。本章将m i m o 的分集技术加入到载波同步中来，研究o f d m 系统载波频率同步的准确度。首 先给出系统模型，提出一种适用于m i m o o f d m 载波频率同步的前导帧结构， 仅使用一个o f d m 符号完成粗细同步，将经典载波频率同步算法应用于此前导 结构。对接收分集和发送分集分别进行研究，比较了s i s o 、s i m o 、m i s o 和 m i m o 四种情况下载波频率同步估计的性能，研究表明接收端通过做合并，可以 显著提高系统同步系能，发送端通过使用正交码字，可以进一步提高系统性能。 s 北京邮电大学硕士学位论文m i m o o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 最后通过计算机仿真验证研究结论，并给出结论总结。 第六章：总结与展望。对全文进行了总结，并对下一步研究内容进行预测， 指出今后的研究方向。 6 ， 沣 北京邮电大学硕士学位论文m 玎订d o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 第二章移动信道和川m o - o f d m 技术基本原理 2 1 移动信道的特点 移动信道属于无线信道，它既不同于传统的固定式有线信道，也与一般具有 可移动功能的无线接入的无线信道有所区别。它是移动的动态信道。移动通信中 的各类新技术都是针对移动信道的动态时变性，为解决移动通信中的有效性、可 靠性和安全性的基本指标而设计的。因此，分析移动信道的特点是解决移动通信 关键技术的前提，是产生移动通信中各类新技术的源泉，研究移动信道有着重要 的意义。 无线移动通信信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地点环境条 件的客观存在的信道，其信道参数一般是时变的，具有三个主要的特剧1 6 】： ( 1 ) 传播的开放性 一切无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的，它不 同于固定的有线通信是基于全封闭式的传输线来实现信息传输。 ( 2 ) 接收地点地理环境的复杂性与多样性，一般可将接收点地理环境划分 为下列三类典型区域：高楼林立的城市繁华区、以一般性建筑物为主体的近郊区、 以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。 ( 3 ) 通信用户的随机移动性 移动通信主要包含下列三种类型：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通 信、高速车载用户通信。 总之，传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性这三个主 要特点共同构成了移动通信信道的主要特点。 无线通信最基本的特点就是在自由空间中通过无线电波来传输信息，若从移 动信道中的电磁波传播上看可分为【1 6 】： ( 1 ) 直射波：它是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，它是超短波、微波的 主要传输方式，经直射波传播的信号最强； ( 2 ) 反射波：它是指从不同建筑物或其它反射体反射后到达接收点的传播 信号，其信号强度较直射波弱； ( 3 ) 绕射波：从较大的建筑物与山丘绕射后到达接收点的传播信号，但是， 它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱； 另外，还有穿透建筑物的传播以及空气中离子受激后二次发射的漫反射产生 的散射波等等，但是它们相对于直射波、反射波、绕射波都比较弱，所以从电磁 波传播上看：直射、反射、绕射是主要的，但是有时，穿透的直射波与散射波的 7 北京邮电大学硕士学位论文m i m o o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 影响是需要进一步考虑的。 2 2 无线信道的衰落和主要干扰效应 无线移动通信信道具有传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机 移动性的三个主要特点以及传播的直射路径、反射路径、绕射路径的三种主要类 型作用下，接收点的信号将产生传播损耗和干扰效应。 2 2 1 传播损耗 路径传播损耗：一般称为衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗。它是 反映传播在宏观大范围( 公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化 趋势。 慢衰落损耗：它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生阴 影效应而产生的损耗，它反映了在中等范围内( 数百波长量级) 的接收信号电平 平均值起伏变化趋势。这类损耗一般为无线传播所特有，且一般从统计规律上看 服从对数正态分布，其变化率比传送信息速率慢，故称为慢衰落，也称为无线信 道的大尺度衰落。 快衰落：它是反映微观小范围( 数十波长以下量级) 接收电平平均值的起伏 变化趋势。其电平幅度分布一般服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布、莱斯( r i c e ) 分布 和纳卡伽米( n a k a g a m i ) 分布，其变化速率比慢衰落快，故又称为快衰落。仔 细划分这一快衰落又可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择 性快衰落，这里的选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落特 性是不一样的，也称为无线信道的小尺度衰落。移动通信中最难克服的就是快衰 落引起的时变特性。下面对快衰落的现象、原理和成因加以分析。 ( 1 ) 空间选择性衰落 空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。空间选择性 衰落的现象和机理可以用图2 1 所示的直观图形来表示。 信道输入射频为单频等幅载波，角度域为在编角上送入一个万脉冲式的 点波束。 信道输出时空域在不同接收点墨，最，s ，时域上衰落特性是不一样 的，即同一时间、不同地点( 空间) 衰落起伏是不一样的，这样，从空域看， 其信号包络的起伏周期为互。角度域在原来编角度上的万点波束产生了扩 散，其扩散宽度为a ( p 。 由于开放型的时变信道使天然的点波束产生了扩散而引起了空间选择 8 f 北京邮电大学硕士学位论文 m i m o - o f d m 系统载波频率分集同步方法研究 性衰落，其衰落周期石，其中五为波长。1 舻 空间选择性衰落通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时 域、频域中不存在选择性衰落。 图2 1 空间选择性衰落