（通信与信息系统专业论文）ofdma通信系统中的同步、信道估计与最佳分配技术.pdf

摘要 正交频分多址( o f d m a ) 技术具有高的频谱利用率，大的用户容量，并能有 效地抵抗多径衰落，成为第四代移动通信系统中的关键技术之一。本文阐述了 o f d m a 系统的基本原理，给出了基站与用户端站上的收发信机的总体设计，并针 对该系统中的同步技术，指出了载波频偏、采样钟偏移和符号定时偏差对该系统 的影响，深入研究了基于多相滤波器组的载波频偏和定时偏差的估计算法，针对 该系统中的信道估计技术，深入研究了基于导频符号的信道估计方法，从而提出 了一系列的同步与信道估计的改进措施和新算法，本文还简要讨论了o f d m a 系 统中的予载波、比特与功率的最佳分配算法，最后结合m a t l a b 仿真对这些算法 的有效性和可行性进行了全面地分析与比较。 关键词：正交频分多址同步信道估计 最佳分配 a b s t r a c t w i t h h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y ，l a r g ec a p a c i t ya n di m m u n i t yf o rm u l t i p a t hf a d i n g ， 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 ga c c e s s ( o f d m a ) t e c h n i q u ei so n eo fk e y s k i l l si nt h ef o u r t hg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s st h e b a s i cp r i n c i p l eo fo f d m a s y s t e m ，a n dp r o p o s eaw h o l ed e s i g no ft r a n s c e i v e r sb o t hi n b sa n di nu s e rt e r m i n a le n d i nt h es y s t e ms y n c h r o n i z a t i o na s p e c t ，w ep o i n to u tt h e e f f e c t so ft h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ，s a m p l i n go f f s e t ，a n ds y m b o lt i m i n go f f s e tt ot h e s y s t e m ，a n di n v e s t i g a t et h ee s t i m a t i o na l g o r i t h m so f c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n d t i m i n g o f f s e tb a s e do n p o l y p h a s e f i l t e rb a n k s i nt h ec h a n n e le s t i m a t i o na s p e c t ，w ei n v e s t i g a t e t h ea l g o r i t h m sb a s e do np i l o ts y m b 0 1 a c c o r d i n g l y ，w ep r o p o s eas e r i e so fa m e n d m e n t s a n dn e wa l g o r i t h m sf o rs y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n ，w ea l s od i s c u s st h e o p t i m a ls u b c a r r i e r ，b i ta n dp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h mi nb r i e f f i n a l l y ，w ea n a l y s i sa n d c o m p a r e t h e e f f e c t i v i t y a n d f e a s i b i l i t y o ft h e s e a l g o r i t h m s w i t hm a t l a bs o f t w a r e s i m u l a t i o n k e y w a r d ：o f d m as y n c h r o i z a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o n o p t i m a l a l l o c a t i o n 创新- 性声明 y s 8 3 7 8 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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过或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研 究所作的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：囊) 彗望d 本人承担一切相关责任。 日期：递笙：! ! 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交的论文的复印件，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、缩印或其他的复制手段保存论文。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：叁造! 堑日期：翌监! ! 导师签名堇些日期：垃生! f 虹 第一章绪论 第一章绪论 我们已经进入了数字多媒体时代，多媒体服务为我们创造了个巨大地宽带 通信市场。勿庸置疑，多媒体服务应支持移动通信，将来的客户将不再区分移动 接入网络和固定接入网络。宽带移动通信以及各种多媒体服务使得我们要求一种 新的空中接口。然而基于单载波t d m a 的空中接口在恶劣的无线信道下对于高数 据率并不能进行有效的均衡，而基于d s c d m a 的空中接口因其频谱受限，在高 数据率下只能提供很小的编码增益。因此我们考虑基于多载波的技术，目口通常所 说的o f d m 技术。o f d m 已广泛地应用于宽带系统，将o f d m 应用于多用户系统， 从而产生具有高灵活、有效的通信系统一多用户o f d m 系统，亦即o f d m 接入 ( o f d m a ) 系统，该系统将成为第四代移动通信系统的主流。 本章将简要回顾o f d m 技术的发展及应用，展望o f d m a 技术的发展趋势， 透过这一发展过程，分析揭示未来移动通信中o f d m a 面临的挑战，提出本课题 的主要研究任务和意义，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1 1 o f d m 技术的发展 o f d m 可以看成是一种特殊的频分复用( f 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 ， f d m ) 形式。对于f d m 技术的使用可以追溯到一个世纪前，那时，许多低速率信 号，例如电报，都使用该技术，即使用不同的载波频率，在同个宽带信道中进 行并行传输。但是，为了在接收端能够使用较容易实现的滤波器来分离这些信号4 ， 传统多载波系统中各载波频率要分隔得足够远，并且要采用保护频带来使各载波 信号频谱互不重叠，所以它的系统频谱效率很低。在均衡器没有被使用前，这种 多载波方式就被用来在时间色散信道( t i m ed i s p e r s i v ec h a n n e l ) 中实现高速率通信。 最早实现高频谱效率的多载波通信系统的是五十年代韵k i n e p l e x 系统。该系 统设计目标是在有严重多径衰落效应的高频无线信道中实现无线传输，与现代的 o f d m 系统一样，其相邻两个子载波之间的间隔近似等于各子载波上的符号率， 这样就可保证各予载波的频谱虽然是重叠的，但它们是正交的，在接收端可互不 干扰地进行各予载波解调。由于频谱允许重叠，其频谱效率可大幅度提高，但该 系统仍使用传统的多载波系统的实现方式。 1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 2 1 首次提出用离散傅立叶变换( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ，d f t ) 来完成多载波基带o f d m 调制和解调，这样就可用快速傅 立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o 册，f f t ) 来实现，大大减小了系统的复杂度。为对 o f d m a 通信系统中的同步、信道估计与最佳分配技术 抗符号间干扰( i s i ) 和载波矧干扰( 1 c i ) ，他们提出在符号问插入一段空白时隙 作为保护阳j 隔并在时域加升余弦窗。他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很 好的子载波正交性，但对o f d m 仍是一个很大贡献。针对上述问题，a p e l e d 和 a r u i z 3 1 提出采用循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 而不是空白时隙作为保护间隔，来 保证各载波信号在经过色散信道后仍保持正交。这样，现在我们使用的o f d m 系 统概念便形成了。o f d m 信号通常设计成矩形脉冲，近年来也有人对脉冲成型信 号进行了研究。脉冲成型使0 f d m 信号频谱更加理想，从而能够更有效地消除对 相邻信道的干扰。另外值得一提的是，c i m i n i 4 1 将这种o f d m 概念用到蜂窝移动 通信中来，为当代无线o f d m 通信系统的发展奠定了基础。 1 2 o f i ) m 技术的应用 正交频分复用技术( o f d m ) 的应用已有近4 0 年的历史，第一个o f d m 技术 的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据 方面的应用却是近十年来的新趋势。随着d s p 芯片技术的发展、格栅编码 ( t r e l l i s c o d e ) 技术、软判决技术( s o t t d e c i s i o n ) 和信道自适应技术等的应用， o f d m 技术开始从理论向实际应用转化。经过多年的发展，该技术在广播式的音 频和视频领域已得到广泛的应用，主要的应用包括：非对称数字用户线 ( a s y m m t r i c a ld i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 【5j 和甚高速数字用户线 ( v e r y h i g h s p e e dd i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e , v d s l ) 6 1 系统、e t s i 标准的音频广播 ( d a b ) 7 1 、数字视频广播( d v b ) g l 等。最新的无线局域网( w i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k 。w l a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 1 a 【9 j 、无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ，w m a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 6 3 t l o i 、高性能局域网类型2 】( h i g h p e r f o r m a n c e l a n t y p e2 ，h i p e r - l a n 2 ) 及多媒体移动接入通信( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s s c o m m u n i c a t i o n ，m m a c ) 也把它作为物理层的传输手段。 国内对o f d m 技术的研究也有近1 0 年的时间，而且8 6 3 计划中已将o f d m 技术列入作为第四代移动通信系统的核心技术，并获得国家自然科学基金的重点 支持。去年，科技部又对第四代移动通信系统的研究进行了立项，国内知名大学 ( 如清华大学、北京邮电大学以及东南大学等) 已经就编码o f d m ( c 0 f d m ) 技 术在第四代移动通信中的应用展开工作，而以c o f d m 为传输技术的高清晰数字 电视( h d t v ) 也进行的如火如荼，其中西安电子科技大学的数字电视传输样机系 统在实验室和室外( 固定移动) 接收试验均取得了较好的测试结果。 o f d m 由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。o f d m 不仅仅可以作为一种传输手段，在多用户环境中它还可以作为接入方式l l 2 ，”j ，也 引起了人们的重视。2 0 0 1 年8 月，中国网通建立了o f d m a 实验站- - c e l e r f l e x 系 第一章绪论 统并进行初步移动性测试，与目前比较成熟的固定无线接入和移动无线接入等技 术相比o f d m a 充分显示了其巨大地优势。随着人们对通信数据化、宽带化、个 人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。 1 3 课题的主要任务与意义 作为第四代移动通信系统的关键技术之一，o f d m a 技术正是本课题的研究主 题。 由于o f d m a 系统具有自适应调整子载波【1 4 】等性能，使该系统与目前比较成 熟的各种无线接入技术相比具有很大优势。首先，频谱利用率较高，而且o f d m a 技术是将带宽资源分成若干个子载波，用户选择使用无线性能良好的予载波，当 多用户接入时，不同终端所在位置无线传送特性差别很大，各个终端可以互补使 用子载波，使所有予载波都得到有效应用，从而提高了系统容量：其次，与c d m a 技术相比，基于o f d m a 技术，用户可以在通信质量好的子信道上发送信号，避 免了r a k e 接收机等复杂的信号处理技术，从而降低了成本；最后，由于o f d m a 技术对多径信号有比较强的处理能力，因此对中心基站和用户端站之间不要求完 全视通，用户端站选择无线性能好的子信道集发送信息，而不再像其它接入方式 在整个频带内发送，从而扩大了系统的覆盖范围。然而，o f d m a 系统的上述优点 是建立在完善地系统同步与精确地信道估计基础之上的，这也是o f d m a 系统的 两个关键的技术，也是未来无线通信系统所面临的挑战。然而，人们对o f d m a 的同步与均衡技术的研究还处在初始间断，迄今为止，并没有非常行之有效的同 步与均衡算法。本文将针对o f d m a 系统中的同步估计与信道估计问题进行深入 地研究，并简要分析其最佳分配问题。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本文围绕o f d m a 系统中的同步及信道估计技术展开分析研究，研究过程中， 采取了理论分析和计算机仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究的正确 性和可行性，主要进行了以下四个方面工作： 深入分析了o f d m a 技术在国内外的最新研究成果，总结出该领域的三大研究 方向，即o f d m a 系统的同步、均衡，以及最佳分配技术，然后分析了o f d m a 系统的基本原理，同时指出精确地同步与信道估计是保证系统传输质量，发挥其 优越性的关键所在。 针对o f d m a 系统的同步要求，提出了基于开环控制的采样钟偏差的估计算法 和调整方案以及闭环控制的定时与载波偏移的估计算法和调整方案，包括用户初 一4 o f d m a 通信系统中的同步、信道估计与最佳分配披术 始接入的同步方案，同时提出了一种基于p n 序列不需要通过多相滤波器组进行用 户分割的定时以及载波频偏估计算法和基于突发数据的定时及载波频偏估计算 法，研究并提出了一种抗多普勒频偏的多项式消除编码( p c c ) 技术，结合计算机 仿真比较和分析这些算法的有效性和可行性。 针对o f d m a 系统的信道估计技术，分别描述了现有的上下行链路的信道估计 算法，并提出了新的信道估计技术，包括改进的线性最小均方误差( l m m s e ) 信 道估计算法，下行链路的自适应信道估计方法和减少噪声的最小二乘( l s ) 估计 算法，以及提出了对于时频块结构的基于二次多项式的信道估计方法，同时，研 究并提出了一种抗多普勒频偏使用重叠相加( o l a ) 均衡技术的帧结构。结合计 算机仿真分别验证了这些算法的有效性和可行性。 针对0 f d m a 系统的最佳子信道分配方案，根据注水算法，提出了o f d m a 系统中的自适应子载波、比特和功率分配算法，同时提出了一种基于正交扩频码 用以解决多用户竞争的方案，并证明是行之有效的。 论文总共分为六章，结构安排如下： 第二章分析了当前的多址技术，指出了o f d m a 技术的优越性，并提出了使 用o f d m 调制的基本原理，最后给出了o f d m a 系统中的符号块结构以及系统实 现方案，包括基站端与用户端站收发信机的设计，以及一个o f d m a 系统中信道 的分类及相应的功能。 第三章针对o f d m a 系统的非同步因素，对上下行链路的同步问题进行了研 究，并提出了改进的算法以及相应的调整方案，从而提高了系统的性能，并通过 计算机仿真显示了算法的有效性。 第四章讨论了o f d m a 系统的信道估计方法，首先给出了无线信道的衰落特 性，并给出了多径衰落信道的计算机仿真模型，然后讨论了各种信道估计技术， 包括l s 估计算法、m m s e 估计算法等，并在此基础上给出它们的改进算法以及其 它的自适应估计算法，来进一步提高估计的性能，最后结合计算机仿真对这些算 法进行了详尽的分析与比较。 第五章分析了o f d m a 系统中的自适应子载波、比特及功率分配的问题，进 而提高了系统的性能，同时提出了一种基于正交扩频码解决多用户竞争的方案。 第六章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望 该领域的研究发展趋势。 第二章o f d m a 系统概述 第二章o f d m a 系统概述 从无线移动通信技术上看，现有的无线传输技术所提供的传输速率与宽带业 务的发展需求相比还相差甚远，远远不能满足未来个人通信的要求，具有高数据 率、高频谱利用率、低发射功率和灵活业务支撑能力的未来无线移动通信系统( b 3 g 或4 g ，后三代或四代) 可将无线通信的传输容量和速率提高十倍甚至数百倍，同 时根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合系统，形成“通用无 线电环境”，并实现各系统之间的互通，将是通往未来无线移动通信系统的必然 途径。而作为4 g 的关键技术之一，o f d m a 在综合无线接入领域将得到越来越广 泛的应用。 本章主要讨论o f d m a 系统的基本原理。首先，我们介绍多址接入技术并指 出了o f d m a 的优越性；然后，我们分析o f d m 调制的基本原理和信号模型；接 着，我们将给出o f d m a 系统的帧结构及发射机与接收机的原理框图，并指出各 种非理想传输条件对o f d m a 系统的影响，从中我们可以看到该系统应完成的主 要功能，最后给出o f d m a 系统中的信道分类及其相应的功能。 2 1 多址接入技术 多址接入是指在远端共享固定的通信资源( c r ) ，比如一群用户共享一条无线 信道，对无线通信来说，通信资源可视为频率和时间组成的超平面，多址接入的 目的是允许多个用户在彼此不产生失控干扰的情况下共享资源。在这一节，我们 将简要介绍无线通信中的几种多址接入技术：频分多址( f d m a ) 、时分多址 ( t d m a ) 、码分多, j ：j i ：( c d m a ) 及最新的正交频分多1 2 k ( o f d m a ) 技术。 2 1 i 频分多址( r d m a ) 频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道( 或称信道) 分 配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息， 而在相邻频道之间无明显的串扰，如图2 1 0 ) 所示。一般情况下在两个相邻的频 道之间留有一段保护频带，其作用是防止同一部电台的发射机对接收机产生干扰。 在数字蜂窝通信系统中，采用f d m a 制式的优点是技术比较成熟和易于与现有的 模拟系统兼容；缺点是系统中同时存在多个频率的信号，容易形成互调干扰，尤 其是基站因为要集中发送多个频率的信号，这种互调干扰就更容易产生。 o f d m a 通信系统中的同步、信道估计与最佳分配技术 2 1 2 时分多址( t d m a ) 时分多址是把时间分割成周期性的时帧，每一时帧再分割成若干个时隙( 无 论时帧或时隙都是互不重叠的) ，然后根据一定的分配原则，使各个移动用户在 每帧内只能在指定的时隙向基站发送信息，如图2 1 ( b ) 所示。在满足定时和同步的 条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动用户的信号而互不混扰。同时， 基站发向多个用户的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指 定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。通常为了防止 不同信号因为时延差不同而在相邻时隙中发生交叠，通常在时隙末尾( 或开头) 要设置一定的保护时间，在保护时间内不发送任何信息。采用t d m a 制式的优点 是对时隙的管理和分配比较简单，基站只需一部发射机，可以避免像f d m a 系统 那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生互调干扰：缺点是t d m a 系统受定 时与同步的影响非常大，为了保证各移动用户发送的信号不会在基站发生重叠或 混淆并能准确地在指定的时隙中接收基站发送给它的信号，就必须有精确的定时 和同步。 2 1 3 码分多址( c d m a ) 码分多址是指不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区 分的，而是用各不相同的编码序列来区分的，或者说，是靠信号的不同波形来区 分的。如果从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是互相重叠的，如图2 1 ( c ) 所 示，接收机用相关器可以在多个c d m a 信号中选出其中使用的预定码型的信号， 而其它使用不同码型的信号不能被解调。采用c d m a 制式的优点是通信容量大， 在系统满负荷时，只增加少数用户，只会引起话音质量的轻微下降( 信干比稍微 降低) ，而不会出现阻塞现象，另外，c d m a 系统具有软切换功能及扩频通信系统 所具有的优点( 抗干扰、抗多径衰落等) ；缺点是存在严重的多址干扰，占用信号 频带宽，系统实现复杂，在时变信道中实现同步较为困难，目前受地址码数量限 制，实现大容量通信仍有困难等。 ( a ) f d m a( b ) t d m a( c ) c d m a 幽2 if d m a 、t d m a 及c d m a 不同的多址方式示意图 第二章o f d m a 系统概述 2 1 4 正交频分多址( o f d m a ) 正交频分多址是指应用o f d m 技术，结合t d m a 、f d m a 或c d m a 多址投 术的一种多用户通信系统的接入制式。对于t d m a o f d m ，一个o f d m 符号中的 所有载波被一个用户占用，而在下一个符号则被另一个用户占用，该制式在突发 数据的情况下将产生严重的用户间干扰；对于f d m a o f d m ，每个移动用户占用 整个o f d m 符号n 个子载波中的部分子载波，可以是连续的，也可以是非连续的， 该制式能很好的处理突发数据但要求有较大的功率消耗，该制式中存在一种最佳 的方式，即先估计移动信道，然后各用户根据信道信息选择适合用户本身的最佳 的子载波集进行数据传输，从而使得该制式具有良好的抗频率选择性衰落的性能； 对于c d m a o f d m ，每个用户通过不同的码字来共享同一个o f d m 符号，该制式 在多径环境下存在严重的自干扰( 多用户干扰) 。下面将给出三种o f d m a 制式 在多径瑞利衰落信道条件下的性能比较( 由于f d m a o f d m 与t d m a o f d m 性能 相似，故只考虑了f d m a o f d m ) ，如图2 2 所示。 图2 2 几种o f d m a 制式在多径条件下的性能比较 出上图可以看出，基于最佳子载波分配的f d m a o f d m 制式具有最佳的i 生能， 所以我们一般指o f d m a 系统就是f d m a o f d m 多址系统，当然也包括基于时频 块的t d m a f d m a o f d m 多址系统，该系统在个o f d m 符号内采用f d m a 制 式，而在一个子带内采用t d m a 机制，欧洲的u m t s 系统就建议采用此种制式的 空中接口03 】，如图2 3 所示，每个用户占用2 2 个子载波，并且在时间方向上占用 3 个o f d m 符号，时频块内通过插入导频以支持信道估计。 !o f d m a 通信系统中的同步、信道估计与擐佳分配技术 o f d m a 与多载波c d m a ( m c c d m a ) 的主要区别就在于：在o f d m a 中， 一个用户使用了整个o f d m 符号内的部分子载波，而在m c c d m a 中，一个用户 占用了整个o f d m 符号内的全部子载波。因此，m c c d m a 易受多径衰落的影响， 需要较复杂的信道估计器和r a k e 接收机，而o f d m a 用户可以通过跳频技术来 克服多径频率选择性衰落，增加频率分集，而且还可以根据接收信号的质量对每 一次跳频后的数据进行加权译码，以获得更好的性能，故其复杂度大大降低。另 一方面，对于o f d m 来说一个较坏的信道，对于o f d m a 来说可能是一个较好的 信道，如图2 4 所示，从而极大地提高了系统的容量。又由于高的信道增益使得采 用高的q a m 调制技术成为可能，因此o f d m a 系统可以提高数据的传输速率。 眦k 豳翌豳二 倩道霉率响摩一 “8 匝! 锄二! 二： t o f d m a 5 “隧鳓二 图2 4 多用户o f d m 系统的分集技术( 两个用户的信道干扰特性) 第二章o f d m a 系统概述 2 2 1o f d m 基本原理 2 2o f d m 理想信号模型 o f d m 的基本原理就是将一个较宽频带分成一些子信道( s u b c h a n n e lo r s u b - c a r r i e r ) 。如果各子信道所占带宽足够窄，它们将分别经历平坦衰落。这样，多 径衰落的时间弥散相对减少，大大减少了符号间干扰( i s i ) ，使得接收机的均衡器 较容易实现。而且，为了提高系统频谱效率，o f d m 系统中各子信道的频谱是重 叠的，但它们之间又是正交的，如图2 5 所示，这就是其正交频分复用( o f d m ) 名称的由来。此外，在o f d m 系统中，通过引入循环前缀使信号即便通过多径信 道，其各子信道间的正交性仍能够得到保持，循环前缀( c p ) 就是将o f d m 码元 最后一部分复制到各码元前面，如图2 6 所示。c p 对消除码间干扰和保持载波间 正交性起着关键作用。由于码元符号是周期的，保持了子载波间的正交性，减小 了载波间干扰( i c i ) 的影响。只要选取的保护间隔大于信道的最大迟延扩展，就 会完全消除i s i 和i c i 的影响。 沁纪、 ( a ) 单个子载波频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 5 单个子载波和o f d m 信号的频谱 图2 6 插入保护间隔的o f d m 符号 o f d m a 通信系统中的同步、信道估计与最佳分配技术 2 2 2o f d m 信号模型 ( a ) 调制( b ) 解调 图2 7o f d m 基带调制解调原理框图 图2 7 给出了o f d m 基带系统的调制解调原理框图。下面就从数学推导来看 一下o f d m 的数学实现。假定o f d m 系统包含n 个子载波，子载波间隔为厂， 则复基带模拟o f d m 信号可表示为如下形式： s ( f ) = d ( 叽e m ，0 f l i a i ( 2 1 ) 其中 = k a f 为第k 个子载波频率，d k ( t ) 为第k 个子载波上的复数信号，实际系 统d 。( f ) 在一个符号周期内通常为定值( 即非滚降q a m ) ，此时有：d i ( r ) = d 。 o f d m 基带信号的最高频率为n a f l 2 ，若按n y q u i s t 速率对其进行采样，则 采样间隔为1 i ( n a f ) ，一个符号周期内采样点数为n 。数字基带o f d m 信号可表示 n|2-i|lrk 缸n 二一 瓤咖7 a f ) 。磊，t 叩一埘，0 n n - 1 , 即 驴笠1 巩和，o 蔓n - l ( 2 - 2 ) 她= 囊。2 k n 女 2 _ - 1 ，亦即将f f t 的输入循环移位2 ，则有 铲勤。和( 2 - 3 ) 不考虑系数1 n ，上式与i d f t 形式相同，故o f d m 信号的基带调制可以用 d f t 来实现。根据d f t 的循环移位定理，频域信号循环移位n 2 相当于时域信号 与周期为的复指数信号相乘，所以在硬件实现时可以不对输入信号移位，而只要 第二章o f d m a 系统概述 对i d f t 的输出信号乘以序列 ( 一1 ) ”) 即可。 由以上可见，o f d m 数字基带调制可以通过i d f t 来实现，而不需要产生 个载波和n y q u i s t 带通滤波器，从而大大降低了o f d m 信号产生的复杂度。 与调制类似，o f d m 基带信号的解调可通过d f t 实现。为保持信号在调制解 调前后功率不变，d f t 和i d f t 可按下式定义： d f t ： 以：去艺”1 等“ ( o s 五 ) 叫“ ( 2 4 ) i d f t 轳去芝即和 ( o t l ) 吖vk = o 由于o f d m 的基带调制是通过i d f t 实现的，因此我们可以认为对数据的信 道编码是在频域进行的，i d f t 将信号变换到时域发送出去，接收端通过d f t 恢复 出原始的频域信号。 2 3o f d m a 系统的符号块结构与实现方案 2 3 1o f d m a 系统的符号块结构 1 非时频块的结构 对于基本的o f d m a 系统，其上行链路和下行链路的用户的子载波分配方式 是不同的，对于上行链路，由于各个用户可能异步，所以我们要求用户间的频率 分割最大化，而对于下行链路，我们则要求用户间的频率分集最大化。于是，我 们给出了用户基本的子载波分配方案，即非基于时频块的用户符号结构，如图2 8 所示，图中省去了上行链路中用户间的频率保护带。 篷：出盥当筮 下行链路用户的子载波分配 山i 盥崔：! ： 上行链路用户的子载波分配 用户1 子载波 用户2 子载波 用户3 予载波 用户4 予载波 图2 8 用户基本的子载波分配方案 2 基于时频块的结构 在第二章介绍多址接入技术时，我们提到欧洲u n i t s 建议的o f d m a 方案就 是采用基于时频块的符号结构，一般的基于时频块的符号结构如图2 9 所示。 o f d m a 通信系统中的同步、信道估计与最佳分配技术 图2 9 基于时频块结构的用户分配方案 图中，每个用户时频块在时间方向为n 。符号长( ”。决定了每个用户根据时分 复用方式随机接入信道某频段而占据的时间) ，在频率方向上使用了m 个子载波 ( ”，决定了同时传输时的用户容量) ，当然一，疗，参数的选取受信道响应的控制。 首先，块的大小决定了信道估计的性能与分集程度，从这方面意义考虑，分集占 了决定性的因素【1 5 】。从另一方面考虑，时频块的选择与信道的相关时间及相关带 宽有关，而相关时间与相关带宽分别由信道在时间及频率方向的相关函数的3 d b ”a 衰落点决定。假定信道的相关时间为a 。，相关带宽为ar ，则我们要求二土= 上【j 5 。 。 n jj 当然由于每个移动用户的信道是不能预测的，但是我们可以通过信道的统计特性 进行定性分析，从丽决定每个用户的时频块的大小。当然，根据该比值，块越大 其估计器的性能越佳，但是这样就使得分集效果大大降低，所以要权衡两者的利 弊，进行时频块的选取。当然，另一方面，时频块的选取还与该链路的最大允许 时延以及所选用的跳频序列有关。如果在最大允许时延范围内，跳频序列重复出 现，这将引入很大的同频段干扰。 2 3 2o f d m a 系统实现方案 1 o f d m a 系统的原理框图 对于o f d m a 系统，其上行链路与下行链路的工作原理是有很大的区别的， 而且下行链路是一个广播信道，其实现方案如同广播信道中的o f d m 发射机与接 收机的原理机n t l 6 1 ，而对于上行链路系统，其工作过程要比下行复杂的多。对于 上行链路，由于各用户与基站的通信是随机的，为了使在基站端能正确解调接收 到的o f d m 信号，我们要求各用户到达基站时的数据处于完全同步状态，然而由 于采样钟频偏，定时及载波偏移的存在，将对系统造成严重的影响( 我们将在第 一一兰三童竺婴坚垒墨笙塑堕 旦 三章详细讨论这些非同步参数对系统的影响) ，因此我们需要采取相应的措施进行 同步参数的调整，在实际系统中，我们将采用开环链路调整采样钟偏移，用闭环 链路调整定时及载波偏移。另一方面，由于多径信道的频率选择性衰落和由多普 勒频移引起的时间选择性衰落，同样对系统造成严重的影响。因此，一个完整的 o f d m a 系统收发信机需要包括完善的同步模块和优越的信道估计与均衡模块，如 图2 1 0 ，图2 1 l ，图2 1 2 ，图2 1 3 所示。 1 ) 上行链路基站与移动终端的原理框图 图2 1 0 移动终端发射机原理框图 季- - + a 。h 差| | h | | 卜f 落蕃h 主 鬈孙馏管 用户k v c x o 时间同步 频率i 司步 采样钟同步 图2 1 2 移动终端接收机原理框图 p 据肪数 码解射解与映 雠腑钩衡 一 群黼雠偿 imf 户；： 用一 o f d m a 通信系统中的同步、信道估计与最佳分配技术 特 j 1 j 图2 1 3 基站发射机的原理框图 由以上框图可看出，同步与均衡是o f d m a 系统的两个关键的技术。对于上 行链路，其实现框图与下行链路有很大的不同，特别是需要经过预校正，即同步 参数调整，而对于下行链路，其结构框图类似广播信道下的o f d m 系统实现框图。 2 o f d m a 系统中信道的分类 对于o f d m a 系统，其前向链路信道( 下行信道) 包括：前向数据信道、前 向同步信道、前向导频信道、前向控制信道。前向同步信道主要用于小区搜索、 帧同步和切换测量，前向导频信道主要功能是实现接收端的信道均衡，前向控制 信道承载前向控制信息和反向接入应答信息，前向数据信道承载公共控制信息、 传输帧控制单元信息和分组数据信息。而反向链路信道( 上行信道) 包括反向数 据信道、反向导频信道和反向接入信道。反向数据信道承载反向控制信息和分组 数据信息，反向导频信道主要功能是实现基站接收端的信道均衡，反向接入信道 主要用于初始接入。由于本文主要讨论o f d m a 系统中的同步与均衡等技术，则 前反向链路的导频信道和控制信道以及反向链路的初始接入信道就显得尤为重 要。 2 4 本章小结 本章主要讨论o f d m a 系统的基本原理。首先，我们介绍多址接入技术并指 出了o f d m a 的优越性；然后，我们分析了o f d m 调制的基本原理和信号模型： 接着，我们给出了o f d m a 系统的帧结构及发射机与接收机的原理框图，并分析 了o f d m a 系统中的信道分类及其相应的功能。 第三章o f d m a 系统中的同步技术 第三章o f d m a 系统中的同步技术 在单载波系统中，载波频偏只会对接收信号造成一定的衰减和相位旋转，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，载波频偏会导致子信 道之间产生干扰( i c i ) ，特别是对频率偏差非常敏感的o f d m 多址系统，如果不 采取措施有效的克服i c i ，会对系统性能带来严重的地板效应，即无论如何增加信 号的发射功率，也不能显著的改善系统的性能。而且对于上行链路，由于各用户 与基站之间的通信是随机的，为了使基站能正确的解调接收的信号，我们必须采 取相应措施使得各用户到达基站时能处于最佳定时同步状态。 本章主要讨论o f d m a 系统的同步技术。首先，我们分析影响o f d m a 系统 中的的同步因素，然而在o f d m a 系统中，其下行链路的同步技术类似于采用 o f d m 调制的广播系统，因此我们重点分析o f d m a 系统中上行链路的同步技术， 包括初始接入同步与各个用户的同步参数估计及其调整方案，并给出相应的仿真 曲线，最后给出了一种抗多普勒频偏的多项式消除编码技术，通过仿真说明该方 法是行之有效的。 3 1o f d m a 系统中的同步因素及其影响 由于o f d m a 系统对频偏及相位噪声非常敏感，收发信机之间任何的同步偏 差都会造成系统性能的下降，所以该系统的实现需要建立在一个强健的同步机制 之上。影响o f d m a 系统的同步因素有很多，如载波频偏、采样钟频偏、符号定 时偏移、采样钟相位抖动及射频相位噪声等，因此一套完善的同步机制需要包括 符号同步( s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ) 、载波同步( c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ) 和采样 钟同步( s a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n ) 。由上一章的系统框图，我们可以看到对于下行 链路，其同步机制类似于o f d m 广播系统，已有大量文献 1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 l 对o f d m 广播系统的同步作了研究，因此我们重点讨论o f d m a 系统上行链路的同步机制。 由上行链路的系统框图( 见图2 1 0 ，图2 1 1 ) 我们可以看出，同步模块应该包括 用户间的同步( 即初始接入同步，主要指定时调整) 以及在解调端各用户本身的 同步( 主要指载波偏移和采样钟调整) ，当然为了使系统能有效工作，我们要求 初始接入同步有足够的精度，即在各用户端通过同步参数调整，能够使得各用户 的载波与接收机的载波频率一致，符号定时位置满足一定的要求，而各用户的采 样钟与基站的采样钟基本一致，使得在接收端不存在用户间的干扰。下面我们主 要分析在o f d m a 上行链路系统中载波、采样钟和符号定时偏差对系统的影响。 兰 竺! 里坠垒塑堡墨丝童塑旦生：焦堕笪堡皇堡堡坌墼垫查 3 1 1 上行载波频偏的影响 假定：远程终端最佳定时同步，并且具有同样的采样钟频率；在最坏的情况 下r 每个用户占用一个子载波：在整个传输带内都没有保护频带；每个用户的 上行信道的频率响应是独立的。于是在接收端，我们将得到的接收信号为 j ( f ) = n - 1 砌z 石秒i t a t e x i tx p ( j 2 n j ；g ) h i = o ，( 3 一1 )j ( f ) = 砌z 石习e，( 3 一1 ) 其中，口。为第，个用户发送的复q a m 符号：工为第z 个用户设备产生的载波 频率；啊为对应于第，个用户的信道频率响应，并且假定其在一个o f d m 符号内 是恒定不变的。而z 可以表示为= f o + 屯，兀为基站设备产生的载波频率，屯 为对应于第，个用户的载波频偏。于是，我们可以得到 s ( f ) ：e x p ( f ) n - i疗；i t x p ( j 2 n f o a ，, e x p ( j 2 i t ) ，e x p ( j 2 x 6 奶t ) h ，( 3 - 2 ) s ( f ) = e f ) 疗；) ，e7 h o j 在接收端，接收数据首先经过下变频到基带，再通过采样及f f t 解调，当子 载波数足够大时，f f t 块就近似等效成n 个相关器组，第n 个相关器的输出即为 第n 个f f t 的输出，而第n 个相关器的输出为 弘州e 州z 厅争鼢唧啦石i t 州例舭 = 篓半f ( e 则：石坠声e 则z 刚卜 ：掣! 。 岔丁 辫嘲幻孥等等 将z 。分成两部分，一部分为以i 。，另一部分为彳。k 。毋。， 以i d , , * 。d = a h x e x p ( j 2 邺等 ( 3 3 ) 于是得到 ( 3 4 ) 引。= 。a ，h t x e x p ( ( j n 铷一等等s ， 第三章o f d m a 系统中的同步技术 3 1 2 上行采样钟频偏的影响 假定：远程终端最佳定时同步并且具有同样的载波频率：在最坏的情犹f ，每 4 r a p 占用一个子载波；在传输信道上没有保护频带；每个用户的上行信道是独 立的。于是，在接收端我们将得到的接收信号为 j o ) = a e x p ( j 2 x 睾- ) e x