（通信与信息系统专业论文）ofdma系统同步技术研究.pdf

。 ， 0、ldu、 ，上 删删 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： 翁孟 日期：五l i ：主。z 4 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：! 丛三! 丝 日期：冱! ：三： 墨 。 k 一 ， o f d m a 系统同步技术研究 摘要 随着移动通信系统的发展，人们对高速率业务的要求越来越高，o f d m 技 术得到广泛的应用。l t e ，l i m b ，w 妇a x 系统以及未来的4 ( 3 均采用了o f d m 技术作为其关键技术。 相对于传统单用户的o f d m 系统，o f d m a 系统的同步技术遇到更大的困 难。首先，由于接收到的是多个用户信号的叠加，各用户经历的信道和衰落都不 同，所以每个用户的定时和频偏都是不同的，传统o f d m 的单参数的同步问题 变成多参数的问题。其次，由于对一个用户数据的补偿会影响到其它用户的数据， 所以对时间误差和频率偏移的补偿也变得更加复杂。 本文首先回顾了移动通信以及o f d m 、o f d m a 的发展历程。在第二章介绍 了传统o f d m 的基本原理，并建立了o f d m a 系统的下行链路模型，在此基础 上研究o f d m a 系统的同步技术。第三章简单介绍了时间和频率误差对系统性 能的影响。本文将上行同步技术与下行同步技术分开进行介绍，这里有上行同步 技术特殊性的原因，同时也是按照o f d m a 系统进行同步的顺序来阐述的。第 四章介绍下行同步技术，并分为捕获和追踪两个阶段分别介绍。第五章按照不同 的子载波分配方案分析了o f d m a 上行链路中不同的同步估计算法，并提出一 定的改进。第六章介绍上行链路的同步补偿算法，这也是整个系统同步过程中的 最后一步。 本文对介绍的各个算法以及改进算法都进行了大量的仿真。 关键词0 f d m a 时间同步频率同步同步估计同步补偿 、 ， 一 r e s e a r c ho ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s f o ro f d i as y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ed e m a n d i n gf o r l l i g h s p e e ds e r v i c ei sh i g h e ra n dh i l g h e r , w h i c hc a u s et h eo f d m t e c h n o l o g yi sw i d e l y u s e d 。l t e ，u w b ，w i m a xa n d4 gs y s t e m sa n da l ea l lt a k i n go f d mt e c h n o l o g ya s t h e i rk e yt e c h n o l o g y c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a l s i n g l e - u s e r o f d ms y s t e m s ，s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yf o ro f d m as y s t e ma r em o r ed i f f i c u l t f i r s t ，t h er e c e i v e ds i g n a li st h e s u p e r p o s i t i o no fm u l t i p l eu s e r s ，e a c hu s e r se x p e r i e n c et h r o u g ht h ec h a n n e la n dt h e f a d i n gi sd i f f e r e n t ，s ot h et i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e ti sd i f f e r e n t , t h e r e f o r et h e t r a d i t i o n a lo f d ms y n c h r o n i z a t i o no fs i n g l e - p a r a m e t e rp r o b l e mb e c o m e si n t oa m u l t i - p a r a m e t e rp r o b l e m s e c o n d l y , t h ec o r r e c t i o no fo n eu s e r st i m ea n df r e q u e n c y o f f s e tw o d dm i s a l i g no t h e ri n i t i a l l ya l i g n e du s e r s ，s ot h et i m ee r r o ra n df r e q u e n c y o f f s e tc o m p e n s a t i o nh a sb e c o m em o r ec o m p l e x t h i sp a p e rf i r s tr e v i e w sd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，a sw e l la s o f d m ，o f d m a t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e s t h eb a s i c p r i n c i p l e o ft h e c o n v e n t i o n a lo f d ma n de s t a b l i s h e sad o w n l i n ko f d m as y s t e mm o d e l ，w h i c hi st h e b a s i sf o rr e s e a r c h i n gs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yf o ro f d m as y s t e m c h a p t e rt h r e e t a k e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ei n f l u e n c eo ns y s t e mp e r f o r m a n c eb e c a u s eo ft h et i m e a n df r e q u e n c ye r r o l s t h i sa r t i c l eg i v e sd e s c r i p t i o no fs y n c h r o n i z a t i o nf o ru p l i n ka n d d o w n l i n ks e p a r a t e l y t h e r ea l er e a s o n sf o rt h ep a r t i c u l a r i t yo fu p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n , a n da l s oi na c c o r d a l i c ew i t ht h et i m i n go r d e r t h ef o u r t hc h a p t e rd e s c r i b e st h e d o w n l i n ks y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi sd i v i d e di n t oa c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g c h a p t e rf i v ea n a l y z e so f d m au p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na c c o r d i n g t od i f f e r e n t s u b - c a r r i e r a l l o c a t i o ns c h e m e , a n dg i v e sac e r t a i ni m p r o v e m e n t s c h a p t e rs i x d e s c r i b e st h et i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e tc o m p e n s a t i o ni nu p l i n k , w h i c hi st h el a s t s t e po ft h ew h o l ep r o c e s s a l a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o ma r ep o d d e df o rt h ea l g o r i t h m sd e s c r i b e di nt h e a r t i c l e k e yw o r d so f d m a 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 ys y n c h r o n i z a t i o n s y n c h r o n i z a t i o ne s t i m a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nc o m p e n s a t i o n 目录 第一章绪论。l 1 1 移动通信发展概述1 1 2o f d m 发展和应用3 1 3o f d m a 及其关键技术：5 1 4o f d m a 同步技术概述6 第二章o f d m a 系统下行链路概述8 2 1o f d m 基础8 2 1 1o f d m 基本原理8 2 1 2o f d m 关键技术1 0 2 2 载波分配方案( c a r d e r a l l o c a t i o ns t r a t e g i e s ，c a s ) 1 3 2 3o f d m a 下行链路模型1 4 2 3 1o f d m a 发射机1 4 2 3 2 信道模型1 5 2 3 3o f d m a 接收机1 5 第三章o f d m a 系统同步误差的影响1 7 3 1时间偏移的影响1 7 3 2 频率偏移的影响1 8 第四章o f d m a 下行同步算法2 l 4 1 时间捕获2 l 4 1 1s c 算法描述2 l 4 1 2 对s c 算法的改进2 3 4 2 时间跟踪2 5 4 3 频率捕获2 5 4 4 频率跟踪2 8 第五章o f d m a 系统上行链路同步估计算法。2 9 5 1o f d m a 系统上行链路概述2 9 5 1 1o f d m a 上行发射机2 9 5 1 2o f d m a 上行接收机3 l 5 2 基于子载波块状分配的o f d m a 系统同步估计算法3 2 5 2 1基于接收信号相关性检测的最大似然时频估计算法3 3 5 2 2 基于前导序列的的时频估计算法3 4 5 3 基于子载波交织分配的o f d m a 系统同步估计算法3 8 5 3 1 基本算法描述3 8 5 3 2 利用分集技术对算法的改进4 l 5 4 基于子载波伪随机分配的o f d m a 系统同步估计算法4 2 第六章o f d m a 系统上行链路同步补偿算法一4 5 6 1基于子载波块状分配的接收端同步补偿算法4 5 6 2 基于干扰消除的频域补偿算法4 9 6 3 基于线性多用户检测的频域补偿算法。5 0 第七章 总结与展望。5 3 参考文献5 5 蜀c谢5 8 攻读硕士学位期间发表的论文5 9 n 一 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 移动通信发展概述 第一章绪论 无线通信的发展历史可以追溯到1 9 世纪8 0 年代赫兹所做的基础性试验，以 及马可尼所做的研究工作。移动通信的始祖马可尼首先证明了在海上轮船之间进 行通信的可行性。自从1 8 9 7 年马可尼实验室证明了运动中的无线通信的可应用 性以来，人类就开始了对移动通信的兴趣和追求。2 0 世纪2 0 年代末，奈奎斯特 提出了著名的采样定理，成为我们迈向数字化时代的金钥匙。 移动通信是指通信双方中至少有一方处于运动中，在运动中进行信息交换的 通信方式。移动通信的主要应用系统有无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、 卫星移动通信、海事卫星移动通信等。陆地蜂窝移动通信是当今移动通信发展的 主流和热点。 2 0 世纪7 0 年代出现了第一个蜂窝移动通信，它采用频分多址的接入方式。 其传输的无线信号为模拟量，因此人们称它为模拟通信系统，也称为第一代移动 通信系统( 1 g ) 。这种系统的典型代表有美国的a m p s 系统、欧洲的t a c s 系统 世 守o ，移动通信市场的迅速发展，对移动通信技术提出了更高的要求。由于模拟系 统本身的缺陷，如频谱效率低、网络容量有限、保密性差、体质混杂、不能国际 漫游等，使得模拟系统无法满足人们的需求。为此广大移动通信领域的有识之士 在2 0 世纪9 0 年代初开发出了基于数字通信的移动通信系统，即数字蜂窝移动通 信系统，也称为第二代移动通信系统( 2 g ) 第二代数字蜂窝移动通信系统一经推出就倍受关注，得到了迅猛的发展，短 短十几年就成为世界范围的、最大的移动通信网。其中最有代表性的是g s m 系 统和c d m a 系统。g s m 系统的空中接口采用时分多址接入方式，到目前为止， g s m 还是世界最大的移动网。c d m a 采用的是码分多址接入方式，是由美国高 通公司提出的。c d m a 技术采用相互准正交的地址码来完成对用户的识别，这 种技术带来的好处有：多种形式的分集( 时间，空间和频率) ，低的发射功率， 保密性，软切换，大容量，话音激活技术，频率复用及扇区化，低的信噪比需求， 软容量。这些特性在满足用户需求方面具有独特的优势，因而得到迅速发展。当 今的3 g 技术大多采用了c d m a 的无线接入方式。 随着人们对数据通信业务的需求日益提高，几千比特每秒的数据传输能力已 北京邮电大学硕士学位论文 经不能满足用户对于高速率数据传输的需要，一些新的技术如口等不能有效实 现，这些需要是高速率移动通信系统发展的市场动力。在此情况下，具有 9 - 1 5 0 k b p s 传输能力的g p r s 系统和其他系统开始出现，并成为向第三代移动通 信系统过渡的2 5 g 系统。 第三代移动通信系统中，c d m a 是主流的多址接入技术，c d m a 系统使用 扩频通信技术，用于对抗外来强干扰和保密。由于c d m a 有上述许多技术上的 优点，第三代移动通信系统主要采用宽带c d m a 技术。第三代移动通信系统的 主流技术有：欧洲和日本提出的w c d m a 技术，北美提出的基于i s - 9 5c d m a 的c d m a 2 0 0 0 技术以及我国提出的具有自主知识产权的t d s c d m a 系统，它们 的性能参数如表1 - 1 所示。 表1 - 1 三种主流3 g 技术比较 方案内容 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 信道带宽 5 1 0 2 0 m h z 1 2 5 5 1 0 2 0 m h z1 6 m h z 码片速率 3 8 4 m c s3 6 8 6 4 m c s 1 2 8 m c s 基站间同步异步( 不需同步) 同步同步( 需g p s )异步同步 帧长 1 0 m s 2 0 m s 1 0 m s ( 子帧长5 m s ) 双工技术 f d d 厂r d df d d t d d 多址方式 d s s c d m ad s c d ma 俸嗄c c d m at d s c d m a 语音编码固定速率可变速率 固定速率 多速率 可变扩频因子和多码l u可变扩频因子和多码i u可变扩频因子和多码i u 检测；高速率业务盲检 检测；低速率业务，事 检测 测；低速率业务先预定好 f e c 编码 卷积码r = l 2 ，1 3 ，约束卷积码r = l 2 ，1 3 ，约束 卷积码r = l 4 - - 1 ，约束长 长度k = 9 ；r s 码长度k = - 9 ；t u r b o 码度k = - 9 ；r s 码 功率控制 f d d ：开环+ 快速闭环开环十隧速闭环( 8 0 0 b s )开环申幔速闭环( 2 0 0 b s ) ( 1 5 0 0 b s ) t d d ：开环申陉速闭环 交织卷积码：帧内交织 块交织卷积码：帧内交织 r s 码：帧间交织r s 码：帧间交织 扩频方式反向：o v s v ( 信道反向：w a l s h ( 信道 反向：o v s f ( 信道 化) + g o l d 序列2 1 8 ( 区分化卜p n 序列2 1 8 ( 区分4 艺) + g o l d 序列2 1 8 ( 区分 小区)小区)小区) 前向：o v s f ( 信道前向：w a l s h ( 信道前向：o v s f ( 信道 4 艺) + g o l d 序列2 4 1 ( 区分化卜p n 序列2 4 1 1 ( 区分4 _ j 6 ) + g o l d 序列2 4 1 ( 区分 小区) 小区) 小区) 调制方式数据调制：q p s k b p s k数据调制：q p s k b p s k数据调制：q p s k 1 6 q a m 扩频调制：q p s k扩频调制：o q p s k扩频调制：d q p s k 相干解调反向：专用导频信道反向：公共导频信道 反向：专用导频信道 前向：专用导频信道前向：专用导频信道 前向：专用导频信道 第三代移动通信技术具有更宽的带宽，其传输速率最低可以达到3 8 4 k b p s ， 最高达到2 m b p s ，带宽可达5 m 以上。它不仅能传输语言，还能传输数据，从而 可以提供快捷、方便的无线应用。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第 三代移动通信的另一主要特点，它能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结 2 北京邮电大学硕士学位论文 合起来，提高无线频谱利用率，提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线 以及不同无线网络之间业务的无缝连接，满足多媒体业务的要求，从而为用户提 供更经济、内容更丰富的无线通信服务。 3 g 的局限性主要有以下几个方面： 第一，难以达到较高的通信速率。由于3 g 采用的是c d m a 技术，c d m a 本身是一个自干扰系统，所有的移动用户都占用相同的时隙和频率，因此在系统 容量有限的情况下，用户数越多，越难达到较高的通信速率，不能满足用户对高 速多媒体业务的需求。 第二，难以提供动态范围多速率业务。由于3 g 的接入网空中接口对核心网 速率有限制，很难提供多种q o s 的各种速率的业务。 第三，难以实现不同频段不同业务环境间的无缝切换。由于采用不同频段具 有不同业务的环境，需要用户终端配置相应不同的软件、硬件模块，3 g 终端目 前不能实现多业务环境的不同配置。 3 g 所有的这些局限性，希望在第四代移动通信系统( 4 g ) 中得到较好的解 决，来满足高速数据和高分辨率的多媒体服务的需求。目前业界对4 g 的定义从 不同的角度给出了多种提法。简而言之，4 g 是一种超高速无线网络，一种不需 要电缆的信息超级高速公路。这种新网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚 拟连接。4 g 最突出的特点之一，就是网路传输速率达到了前所未有的1 g b p s ， 完全能够满足用户的上网需求。4 g 系统总的技术目标和特点可以概括为：系统 应具有更高的数据率、更好的业务质量( q o s ) 、更高的频谱利用率、更高的安全 性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；4 g 系统应能支持非对称 性业务，并能支持多种业务；4 g 系统应体现移动与无线接入网和口网络不断融 合的发展趋势【l j 【2 1 。 1 2o f d m 发展和应用 正交频分复用( 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 ) 是l t e ， w i m a x ，u m b 以及第四代移动通信系统的核心技术。o f d m 是一种多载波调制 技术，它是将高速的数据流分成并行的低速数据流，用这样的低比特率形成的低 速率多状态符号去调制相互正交的子载波，从而形成多个低速率符号并行发送的 传输系统。 o f d m 的理论及其应用的研究可以追溯到上个世纪中叶，即在上世纪五十 年代g a d o e l z 提出了k i n e p l e x 系统，该系统采用的q p s k 调制，使用了2 0 个 子载波，且各子载波的频谱互相重叠又是正交的，大大提高了频谱利用率。其子 载波的间隔近似等于符号速率。可以看出，其基本思想类似于现代的o f d m ， 3 北京邮电大学硕士学位论文 可以说是o f d m 系统的雏形。 二十世纪六十年代，r w c h a n g 等通过滤波和限带等方法使子载波保持正 交。1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 利用d f t 进行多载波的基带调制和解调， 大大降低了系统实现的复杂度，o f d m 在实用化的进程中前进了一大步。 w e i n s t e i n 等提出了通过插入保护间隔来消除符号间干扰，但信号经过多径信道 后会使子载波间不再正交而产生干扰。1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 采用循环前缀 c p 的方法使信号经过多径信道后仍保持子载波问正交。1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 应用于数字蜂窝系统，从此o f d m 开始了应用于无线移动系统的研究。 o f d m 系统较一般的单载波通信系统更能充分利用频带，得到更高的数据 传输速率，已经在许多通信领域得到了应用。例如，欧洲数字音频广播d a b ， 数字视频广播d v b ，有线电话网上基于双绞线的非对称数字用户环路a d s l ， 高清数字电视h d t v 等【3 j 。 o f d m 技术的主要优点有以下几个方面【3 j ： 1带宽利用率很高。在传统的并行传输系统中，整个带宽经过分割后被送 到子信道中，各子信道频带之间严格分离，接收端通过带通滤波器滤除带外的信 号来接收每个子信道上的数据，这种方法最大的缺点是频谱利用率很低，造成频 谱浪费。在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重叠， 这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。可以证明，当 子载波个数足够多时，系统的频带利用率可达2 b a u d h z 。 2 可以采用快速离散傅里叶变换技术实现调制和解调。在发送端采用快速 傅里叶反变换( i f f t ) ，把频域的调制数据转化为时域的信号发送出去。在接收 端，通过快速傅里叶变换( f f t ) 把接收到的时域信号转化为频域信号，然后进 行判决解调，恢复频域的调制信息。采用f f t 技术大大降低了o f d m 的实现复 杂度，原来o f d m 的实现需要多个调制解调器，电路十分复杂，采用f f t 技术， 可以快速的实现调制与解调，而且电路也变得十分简单。 3 可以有效的对抗符号间干扰和突发噪声。o f d m 系统采用多个正交的子 载波并行传输数据，原先速率很高的数据流经过串并变换后，调制到各个子载波 上进行并行传输，这样在每一路的数据速率大大降低了，那么在衰落信道中所受 到的i s i 就相对小多了。此外，o f d m 采用了添加保护间隔的方法，即复制o f d m 符号中最后面的样值到最前面，这样可以有效的抵抗多径衰落的影响，适用于多 径环境和衰落信道中的高速数据传输，当信道中因为多径传输而出现频率选择性 衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波 未受损害，因此系统总的误码性能要好很多。o f d m 技术抗窄带干扰性很强， 因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。 4 北京邮电大学硕士学位论文 4 可采用联合编码技术，使系统具有很强的抗衰落能力。通过对各个子载 波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了信道的频 率分集，如果衰落不是特别严重，就没必要再加时域均衡器。通过将各个信道联 合编码，则可以使系统性能得到提高。 5 支持动态比特分配方法。由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的 予载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子 信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 6 可与多种接入方式结合使用。o f d m 系统可以容易与其他多种接入方式 结合使用，构成多址系统，包括多载波码分多址m c c d m a ，跳频o f d m 以及 o f d m - t d m a 等，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传递。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信 道的叠加，因此与单载波相比，也存在如下缺点： l易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互重叠，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，在传输过程中出现的无线信 号频率偏移或者发射机与接收机振荡器之间存在的偏差，都会使o f d m 系统子 载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰，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 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠 加，因此如果多个信号相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于 信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比，这就对发射机内的放大器的线性 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 致各个子信道之间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 1 3o f d m a 及其关键技术 在无线通信系统中，无论前向链路还是反向链路都需要使用一种技术来区分 不同的用户，即多址技术。将o f d m 和f d m a 技术结合形成的正交频分多址接 入( o f d m a ) 技术是最常见的o f d m 多址技术，又分为子信道o f d m a 和跳频 o f d m a 。o f d m a 是以o f d m 调制为基础，通过给每个用户分配一定数量的子 载波来实现多用户接入，在频率选择性衰落信道中有较强的抵抗信道选择性衰落 的能力。近年来，随着支持多用户的宽带无线网络技术的发展，o f d m a 技术迅 速发展并被广泛应用。 o f d m a 与一般的多载波调制方案不同，o f d m a 给不同用户分配不同的子 载波，因此在o f d m a 中，只要时间频率偏移保持在足够低的限度内，就可以完 全消除码间干扰i s i 和子载波间干扰i c i 。在o f d m a 中，使用跳频技术可以进 5 北京邮电大学硕士学位论文 一步克服多径干扰和窄带干扰，同时能消除远近效应问题。由于不受小区内多址 干扰的影响，o f d m a 可以达到更大的容量，同时它无需采用均衡器，降低了系 统实现的复杂度。借助于动态信道分配算法，它能自适应地调整分配给不同用户 的子载波数，实现可变速率的数据传输，从这一点看，更有利于高数据率的传输， 从而可适应未来无线传输业务的需要。因此，o f d m a 是一种非常灵活的多址方 案。o f d m a 主要有以下关键技术【4 】： l 时间频率同步 由于o f d m 各子载波的解调是通过f f r 变换来实现，为避免解调时间落入 保护间隔内，f f t 的时间窗必须对准信号部分，所以系统时间必须同步。此外， 由于o f d m 中各子载波相互重叠，为了保证他们之间的正交性，频率也必须同 步。时间和频率同步都分为初始捕获和精确跟踪两个阶段。 2 功率控制 上行链路的功率控制可消除基站端接收信号强度的不稳定，降低总体平均功 率和小区内干扰，并可提高传输性能，从而提高系统容量。 3 随机跳频 跳频是抗突发干扰和频率分集的有效手段。在o f d m a 中，同- d , 区内各用 户的跳频图案是相互正交的，因而在同步的情况下不存在小区内干扰。基站根据 不同的业务和传输需求，灵活分配跳频图案。 4 动态链路分配 由于o f d m a 是通过给不同的用户分配不同的子载波来实现多址接入，所以 可根据各子载波的信号质量灵活分配用户信道，避开严重受损的信道，提高信号 传输质量。 1 4 o f d m a 同步技术概述 o f d m a 系统的优越性只有在子载波的正交性保持良好的情况下才能体现 出来，不精确的频率和定时同步会削弱这种正交性。因为同步出现偏差不仅会导 致因定时误差引起的符号间干扰i s i ，而且会导致因频偏引起的子载波间干扰 i c i 。定时误差的产生是因为o f d m 符号在发送与接收过程中的时间延迟，如果 系统不进行同步，d f t 数据变换窗口就会出现对不准的现象，即一个d f t 窗口 中包含了多个o f d m 符号。频偏是由于不同用户移动所带来的多普勒频移，以 及收发两端振荡器的偏移造成的。 在o f d m a 系统中，时间频率同步一般通过三步来完成f l l 】。 第一步在下行传输时进行，移动终端通过基站传输的导频信号进行时间频率 估计，将同步误差减小到一个可以忍受的范围，并且因为到达终端的各用户信号 6 北京邮电大学硕士学位论文 有相同的时间频率误差，所以这个估计可以使用与传统o f d m 系统中相同的方 法。估计出的参数用来进行下行数据流的检测，并且可以作为上行传输的同步参 考，但是由于多普勒频移和传播时延的存在，到达基站的上行信号仍然会受到残 留的同步误差的影响。 第二步是上行链路的时间频率估计。与下行的情况相比较，这步具有很大的 挑战性，因为上行接收到的波形是不同的用户信号合成的，每个用户的同步误差 参数不同，所以上行的时间频率恢复可以看作一个多参数的估计问题。在开始同 步过程之前，必须将各用户信号与其他用户信号分离，这个分离过程又是与载波 分配方式紧密相关的。在o f d m a 中主要有三种载波分配方式。第一种是块分配 方式，就是将整个带宽分成多个连续的子载波组，每个组里有连续相邻的子载波， 给每个用户分配一个或者多个子载波组，这种方式近似于o f d m ，实现简单而 且相邻子信道干扰较小，但频率分集的效果较差。第二种是规则的交织方式，即 不同子信道的载波以子信道数目为间隔均匀的分布在频带上，这种方式可以充分 利用频率分集，但是系统对子信道之间的干扰比较敏感。第三种是对第二种的改 进，即不同子信道的载波以伪随机的方式交织，每个用户选择性能最好的子载波， 这种系统具有更好的灵活性，但是实现复杂。 第三步基站利用第二步估计出来的时间和频率偏移恢复子载波之间的正交 性，此操作通常被称为时间和频率校正。一个易于想到的解决方案是基站将这些 估计的参数传输给对应的用户，由用户根据这些参数调整其传输信号。但是在时 变信道情况下，用户必须周期性的获得更新的同步参数，这会导致过多的开销， 并且由于反馈时延的存在，收到的参数失去了时效性。由于这些缺点，现行的 o f d m a 系统通常在b s 端使用先进的数字信号处理技术来补偿同步误差。 7 北京邮电大学硕士学位论文 第二章o f d m a 系统下行链路概述 2 1 o f d m 基础 2 1 1o f d m 基本原理 o f d m 主要思想就是将一个串行高速数据流变为多个并行的低速数据流， 然后将不同的数据流映射到不同的子载波上。速率降低带来的好处就是减弱了多 径扩展引起的符号间干扰( i s i ) 。这是因为子载波上数据的低速传输意味着符号 传输时间的延长，当符号周期远远大于多径信道的时延扩展时，由于多径导致的 i s i 问题就可以忽略。从频域上看，多载波传输将宽带信号传输变为了多个并行 的窄带信号同时传输。窄带信号经历的是平坦衰落，这样在接收端，每个子载波 只需采用单抽头均衡器即可消除信道的影响，大大降低了均衡器的复杂度1 3 j 。 图2 - lo f d m 收发结构图 o f d m 的收发结构如图2 1 所示，o f d m 首先将经过编码、交织、调制的高 速串行数据流转换成若干并行的低速数据流，再映射到o f d m 各子载波上进行 传输。在接收端执行相反的过程即可获得原始的串行数据。 o f d m 调制的时域信号形式如图2 - 2 。在这个o f d m 符号中包含4 个子载波， 并且所有的子载波的幅度与相位相同，然而当子载波承载了不同的数据信息后， 其幅度与相位是会发生变化的。由图还可以看出，每个子载波在一个o f d m 符 号时间t 内都包含整数倍个周期，并且各相邻子载波频率之间相差a f = 1 t ，这 保证了各子载波之间的正交性。 从频域来看，o f d m 符号由多个子载波叠加而成，其频谱自然也是多个子 8 北京邮电大学硕士学位论文 载波频谱的叠加。各子载波的频谱形状相同，均是时间长度为t 的矩形波的频谱 即s i n c 函数，但由于子载波频率不同，相当于将矩形波频谱搬移至与子载波频率 对应的位置上，这就构成了图2 3 所示的频谱形状。可以看出，当我们通过对某 一子载波频谱峰值抽样来提取信息数据时，其余子载波频谱在该位置上的幅度为 0 ，即在此频点上各子载波间没有干扰。 图2 - 2o f d m 时域波形 r i i 八 ，、a a a 氏! ： 缸j 莎j 汐一 v _ v 飞哪梳畅 u 均桥胛州执vl 9 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 2o f d m 关键技术 l 信道估计 在无线通信系统中，信号到达接收机前要经过无线信道。对于传统相干接收 机来说，只要能准确估计出信道如何使信号发生变化，接收机就可以恢复出原有 信号。虽然利用差分调制检测技术可以避免信道估计，但是其性能会损失3 d b 。 因此在实际应用中人们更偏向于相干接收，而信道估计自然成为了o f d m 必须 要考虑的问题。 在o f d m 中，数据被调制到频率正交的一组载波上。对于相干检测，需要 估计出子载波上的频率响应并且将其从数据频域采样中补偿掉。与单载波系统一 样，我们可以将时域信道建模为有限冲激响应滤波器，由时域接收样点估计出 f i r 抽头的延迟和系数，然后将其变换至频域得到信道频域响应。此外，还可以 利用频域子载波上的已知信息估计出无线信道，这样不需要估计f i r 系数，只需 估计单抽头信道频域响应。 o f d m 中的信道估计可以分为两类：盲和非盲。盲信道估计方法主要利用 了接收信号的统计特性，并且需要大量的数据信息。很明显这种估计方法不适用 于快衰落信道。在非盲信道估计方法中，先前的信道估计信息或者本次传输的部 分信号都可以用于信道估计。 非盲信道估计又可以分为两类：数据辅助( d a ) 和面向判决的信道估计 ( d d c e ) 。在数据辅助信道估计中，发送一个完整的o f d m 符号或o f d m 符号 的一部分( 接收端已知该信息) ，将其与接收信号比较可以很容易地估计出信道 信息。在频域插入导频是较为常用的方法，其估计精度可以通过增加导频密度加 以改善，但同时也会降低频谱效率。如将导频分派到一个特定o f d m 符号的所 有子载波上，即得到一个o f d m 训练符号。这类导频排列适合慢变的信道环境 以及突发传输业务，在整个突发时段内系统认为信道状况是不变的。训练符号被 插入到突发最前端来估计信道频域响应。若经过连续几个o f d m 符号周期信道 会发生变化，则可以根据信道的时变特性将训练符号周期性地插入o f d m 数据 符号中，或者以面向判决的方式跟踪信道以增强接收机性能。 在d d c e 方法中，为了判决当前o f d m 符号，需要用到前一个o f d m 符号 的信道估计，而当前符号所处的信道情况则可以利用新判决出的数据信息估计出 来。不同符号内的信道是变化的，而判决过程中用到的都是过时的信道信息，所 以判决并不可靠。因此在d d c e 中往往会插入一些额外信息，比如周期性地发 送训练符号，或者还可以使用信道编码、交织以及迭代方法来提高面向判决的信 道估计的性能。 1 0 。然而 用中， 常常先对子载波进行过采样，然后基于过采样数据估计信道频域响应，因此估计 出的频域信道系数是相关的。另一方面，子载波中的噪声也是互相独立的，利用 子载波信道频域响应的相关性可以有效消除噪声从而改善估计精度。虽然我们经 常假定在一个o f d m 符号内信道不变，但在快衰信道中基于该假设得到的信道 估计会受到i c i 的影响而造成解调性能恶化。因而d a 及d d c e 中的方法需要修 改，通过考虑o f d m 符号中信道的变化从而得到更佳的估计。 2同步 o f d m 系统中的同步问题主要分为三类：符号定时同步、载波频率同步和 采样时钟同步。 符号定时误差不仅会影响接收信号的幅度和相位，严重的话还会引入i s i 。 为了能够正确实现d f t 解调，需要做符号定时同步以确定o f d m 符号( d f t 窗 口) 的起始点。准确、稳定的符号定时同步一般是按照先在时域做粗同步，然后 在频域做细同步的方式实现的。j j v a nd eb e e k 提出的利用o f d m 循环前缀的 最大似然( m l ) 估计是一种比较经典的时域粗同步算法。该算法仅在a w g n 下 有良好性能，却不适合多径信道，因为多径信道环境中c p 必然受到i s i 的干扰， 这使得同步估计出现较大误差。随后d l a n d s t r o m 改良了m l 估计，提出了利用 c p 和导频联合同步估计，使其在多径信道下也能有良好性能。 由多普勒频移或收发两端振荡器不匹配造成的载波频偏会破坏子载波的正 交性，从而引起子载波间干扰( i c i ) ，使系统性能恶化。在o f d m 信号引入c p 后，一定范围内的符号定时误差是不会引起i s i 和i c i 的。因此与定时同步相比， o f d m 对载波频偏和采样时钟偏移更为敏感。载波频偏估计可以分为三部分： 整数估计、粗小数估计和细小数估计。首先做粗定时同步确定符号的起始点；然 后在时域粗略估计并纠正小数频偏，减小i c i 对频域估计算法的影响；随后在频 域估计出整数频偏以确定子载波序号；最后精确估计残余的小数频偏。载波频率 恢复算法同样分为三类：基于训练符号和导频的数据辅助算法，利用c p 的非数 据辅助算法，还有依据信号统计特性的盲算法，不过盲算法往往复杂度较高甚至 对信道的统计特性有额外要求。 采样时钟偏移主要是因为收发两端晶振不匹配，然而多径衰落、噪声干扰、 符号定时误差等同样会带来采样时钟偏移，这种偏移会对符号定时同步造成负面 影响。采样时钟偏移往往被分成采样时钟相位偏移和采样时钟频率偏移。采样时 钟相位偏移与符号定时偏移类似，会引起信号相位的失真，而采样时钟频率偏移 则会导致i c i 的