（通信与信息系统专业论文）ofdm无线局域网时域同步算法的研究和实现.pdf

摘季 本文简要介绍了o f d m 无线局域网的发展概况和趋势，在阐述了其中两个主 要标准：i e e e8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 物理层主要参数的基础上，对o f d m 无线 局域网中的时域同步部分：帧同步、频偏估计和符号定时技术从原理上进行了深 入分析，并给出了i e e e8 0 2 1 l a 系统的电路实现方案。针对i e e e8 0 2 1 l a 中特殊 的短训练序列，提出了种利用每个短训练符号内前半部分数据和后半部分数据 实、虚部相互置换特性的帧同步算法；还给出了种利用滤波器原理来减小实现 复杂度的指数加权平均符号定时方法i 同时，对其它时域同步算法进行了分析和 比较。本文也对h i p e r l a n 2 系统中的时域同步技术进行了阐述，并给出了一种 双峰值检测帧同步方法，该方法能够在确定帧同步的同时提供较大的粗频偏估计 结果。在完成了s i m u l i n k 仿真之后，以i e e e8 0 2 1 1 a 系统为例，提出了一套基于 f p g a 实现的设计方案，最后完成了电路的q u a r t t m 仿真和f p g a 硬件电路设计。 关键词：正交频分复用，无线局域网，i e e e8 0 2 1 l a ，h i p e r l a n 2 ，帧同步，载 波频偏估计，符号同步 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h es i t u a t i o na n df u t u r ed e v e l o p m e n to fo f d m w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k t h ep h y p a r a m e t e r so ft w os i n a i l a rs t a i l d a r d s ，i e e e 8 0 2 1l aa n dh i p e r l a n 2a r ea n a l y z e d t h et i m ed o m a i ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s o fo f d mw l a ns y s t e m s ，i n c l u d i n gf r a n l es y n c h r o n i z a t i o n , c a l t i e rf r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o na n ds y m b o lt i m i n ga r ed i s c u s s e da n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fi e e e8 0 2 1 l a s y s t e mi sg i v e n a sf o ri e e e8 0 2 1l a , an o v e lf r a m es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eu s i n gt h e p e r m u t a t i o n a ln a t u r eo ft h er e a la n di m a g i n a r yp a r t so ft h es h o r tt r a i n i n gs y m b o l si s p r o p o s e d ，a n d a l le x p o n e n t i a lw e i g h t e da v e r a g em e t h o db a s e do nt h ef i l t e rp r i n c i p l e s i sp r o p o s e dt os i m p l i f yt h er e a l i z a t i o no fs y m b o lt i m i n g m e a n w h i l e ，p e r f o r m a n c e a n a l y s i so fo t h e rt i m ed o m a i ns y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sa r eg i v e na n dc o m p a r e d t h e s i m u l a t i o n so fh i p e r l a n 2s y s t e ma r ea l s os t a t e da n dad n a l - p e a kd e t e c t i o nf r a m e s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o di sg i v e nf o rb r o a d c a s t i n gb u r s tw h i c hc o u l dp r o v i d eaw i d e r r a n g eo fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n f i n a l l y , t h ed e s i g ns c h e m e sa p p l i e dt o f p g a a r e p r o p o s e d t a k e n i e e e8 0 2 1 l a a s a n e x a m p l e a t t h ee n d ，t h i s p a p e r m a k e sa s i m u l a t i o no f c i r c u i t sw i t l lq u a r t u sa n df p g a - h a r d w a r ei n t or e a l i t y k e yw o r d s ：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 ) ，w l a n ，i e e e 8 0 2 1l a , h i p e r l a n 2 ，f r a m es y n c h r o n i z a t i o n , c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ， s y m b o lt i m i n g 独创性( 或创新。i - 1 ) 声明 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：盏聋聋 日期堡堕! ! 乡 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( 与学位论文相关) 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。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 主堑堑型乏至! 罕 日期堡型：! ：! ! 日期型i ：! ：! ! 第一章绪论 第一章绪论 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 ) 技术是一 种高速传输技术。它的基本原理是将高速的数据流通过串并变换，分配到传输速 率相对较低的若干个子信道中进行传输，由于每个子信道中的符号周期会相对增 加，因此可以减轻由无线信道多径时延扩展对系统造成的影响。同时，由于它在 每个o f d m 符号之前插入了保护间隔，只要使得保护自j 隔大于信道的最大时延扩 展，这样就可以对抗由多径引起的符号闯干扰( 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 ) 。因 此o f d m 技术能够很好地满足高速和抗干扰两方面的要求。 凭借着对多径时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率这两大优势，o f d m 技 术随着数字信号处理技术的快速发展而得到了广泛的应用。目前，o f d m 技术作 为物理层规范，被多个国际标准采用。o f d m 不仅以离散多音调制( d m t ) 的形 式在数字宽带系统中得到应用，如高比特率数字用户环路( h d s l ) 和非对称数字 用户环路( a d s l ) ；同时o f d m 还被成熟地应用于数字音频广播( d a b ) 、数字 视频广播( d v b ) 和高速无线局域网( w l a n ) 系统，并且被列为4 g 移动通信领 域中的关键技术。 随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求增长以及计算机网络 的快速发展，o f d m 技术在宽带无线通信领域，尤其是无线网络上的应用将会非 常广泛。作为无线网络领域的一种重要分支：无线局域网，由于它具有无需布线、 安装周期短、后期维护容易、网络用户容易迁移和增加等特点使得它成为未来通 信网络技术的发展方向。、 1 1 无线局域网标准 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) 是在有线局域网的基础上 发展起来。采用无线传输媒体，包括无线电波、红外和激光的局域网络，其物理 层应用是种短距离无线通信技术，通过射频信号在空中传输数据、语音和多媒 体信号。虽然无线局域网的传输速度和现有的有线局域网相比仍然有差距，但是 也已经达到了百兆级数量，同时其传输距离远、具备可移动性、安装和维护成本 低、可扩充性较强等优点使它不仅仅是有线局域网的一个补充，而更成为今后通 信网络发展的主导方向。 随着w l a n 的迅猛发展，众多标准也纷纷出台，最为人熟知的是美国电子电 气工程师协会( i e e e ) 的8 0 2 1 l 系列，此外还有欧溯电信标准化组织( e t s i ) 的 h i p e r l a n 系列、h o m e r f - i - 作组的标准h o m e r f 系列、蓝牙技术和8 0 2 1 6 协议。 下面就这几个组织的各种标准进行简单的介绍【l 】。 2 o f d m 无线局域网时域同步算法的研究和实现 i e e e8 0 2 1 1 标准系列定义了w l a n 中单一的m a c 层和多样的物理层通信协 议，其中的8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 标准目前正在逐步走向实际应用领域。 i e e e8 0 2 1 l b 是对i e e e8 0 2 1 1 协议的修改和补充，它的调制方式采用直接序 列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m , d s s s ) 技术，并融入了补充编码调制 ( c c k ) 技术。规定使用2 4 g h z 频段，物理层的最高传输速率达到11 m b p s 。由 于技术和成本的原因，i e e e8 0 2 1 l b 目前在市场上占主导地位，但是由于传输速率 的限制和2 4 g h z 频段蓝牙和微波的干扰，使得后继标准系列的研究成为必然趋势。 i e e e8 0 2 1 l a 是采用o f d m 技术的无线局域网协议，这也是第一个基于数据 包的o f d m 标准。它工作在5 g h z 频段，支持的数据传输速率从6 m b p s 到5 4 m b p s ， 可提供2 5m b p s 的无线a t m 接口和1 0m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及 t d d ，i d m a 的空中接口，并支持语音、数据和图像业务。 i e e e 8 0 2 1 l g 解决了i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 l b 的兼容性问题，它支持c c k 和o f d m ，还支持分组二进制卷积码( p a c k e tb i n a r yc o n v o l u t i o n a lc o d i n g p b c c ) 技术。作为对i e e e8 0 2 1 l b 的一个延续，它仍旧使用2 。4 g h z 频段，因此虽然传输 速率的上限达到了5 4 m b p s ，但是由于2 4 g h z 频段的干扰，使得它的实际传输能 力要低于i e e e8 0 2 1 l a 。 以上3 个标准是i e e e 家族中比较完善的，其他的一些标准是作为现有协议的 扩展，对其中存在的某个缺陷，比如安全方面等进行改进。 i e e e8 0 2 1 l c 负责在原有标准的基础上增强m a c 层，以实现i e e e8 0 2 1 1 标 准的网桥操作。 i e e e8 0 2 1 l d 致力于使得i e e e8 0 2 1 l b 能工作在其他工作频段，以适应一些不 能使用2 4 g h z 频段的国家。 i e e e8 0 2 1 1 e 协议在8 0 2 1 1 网络上增加了q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 功能，用 t d m a 方式取代了类似以太网的m a c 层，为重要的数据增加了额外的纠错功能。 i e e e8 0 2 1 l f 即接入点内部协议( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) ，是为了改善 8 0 2 1 1 中的切换机制而制定的，使得用户能够在两个不同的交换分区之间，或在 连接到两个不同网络的a p 之间漫游的同时保持连接。 i e e e8 0 2 1 1 h 是对i e e e8 0 2 1 l a 的传输功率和无线信道选择增加更好的控制， 它与i e e e8 0 2 1 l e 相结合。 i e e e8 0 2 1 l i 负责处理i e e e8 0 2 1 1 网络中的安全性问题。 i e e e8 0 2 1 ”的目的是解决i e e e8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 的互通问题，是i e e e 和e t s i 的联合标准。 i e e e8 0 2 1 1 n 是下一个无线通信标准，该标准通过采用m i m o 技术，将w l a n 的传输速率增加到1 0 8m b p s 。 。 在8 0 2 1 1 系列标准之后，i e e e 还出台了为降低复杂度和减小功率损耗的无线 第一章绪论 3 连接的i e e e8 0 2 1 5 ，以及可用于无线城域网和无线移动业务的i e e e8 0 2 1 6 。 i e e e8 0 2 1 6 是当前无线通信领域的前沿技术，到目前为止，有以下一些标准； p 8 0 2 1 6 定义了支持1 0 6 6 g h z 频率的物理层访问机制，定义了一个广泛应用于运 行在l o “6 g h z 的无线城域网系统的m a c 层标准；p 8 0 2 1 6 a 是对i e e e8 0 2 1 6 的 修订，在2 1 1 0 1 - z 免许可带宽频率上，对m a c 层进行修改扩展和对物理层的补 充规范，结合了一些增强性能技术，如a r q ；p 8 0 2 1 6 b 也是一个修订版本，被称 为无线高速非授权城域网标准；p 8 0 2 1 6 e 是对i e e e8 0 2 1 6 中的错误和矛盾进行了 修正，频率适用范围为1 0 - - 6 6 g h z ；p 8 0 2 1 6 d 和p 8 0 2 1 6 e 一样，但频率适用范围 是2 - 1 1 g h z ；p 8 0 2 1 6 e 是增强版本。支持用于站点以车载速度移动，规定一个系 统来支持固定和移动宽带无线接入，规定了在基站之间或扇区之间支持高层切换 的功能，适用于2 - 6 g h z 之间许可带宽的移动业务。 h i p e r l a n 系列协议中的h i p e r l a n l 标准也定义了m a c 层和p h y 层。但是 该类型的兼容产品并没有在市场上出现。h i p e r l a n 2 是它的后继版本，h i p e r l a n 2 建立在g s m 基础上，使用频段是5 g h z ，采用的是t d m a 结构，形成的是一个面 向连接的网络，这使得它能够满足q o s 要求，可以为每个连接分配一个指定的q o s ， 从而确定这个连接在带宽、延迟、拥塞、误比特率方面的要求，这种q o s 支持与 高的传输速率一起保证了不同的数据序列可以同时进行高速传输。另外两种 h i p e r l a n 的扩展标准分别是：无线室内骨干网h i p e r l i n k ，和提供接入到有线基 本网络的室外固定网h i p e r a c c e s s 。 h o m e r f 是由h r f w g ( h o m er fw o r k i n gg r o u p ) 开发的，作为家庭中传输 电话和数据信息的各种设备的基础平台。该工作组于1 9 9 8 年制定的共享无线访问 协议s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c a l ) 主要针对家庭无线局域网，支持语 音和数据。h o m e r f 是i e e e8 0 2 1 1 和d e c t ( d i g r a le n h a n c ec o r d l e s s t e l e p h o n e ) 的结合，使用开放的2 4 g h z 频段。采用跳频扩频( f r e q u e n c y - h o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ，f h s s ) 技术，调制方式为恒定包络的f s k 调制，数据峰值速率达到 1 0 m b p s 。但是由于和蓝牙设备的频率冲突以及功耗较大，因此，h o m e r f 工作组 已于2 0 0 3 年解散。 蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线连接技术，目的是取代现有的p c 、打印 机、传真机和移动电话等设备上的有线接口。蓝牙设备工作在全球通用的2 a g h z 频段，数据速率为1 m b p s ，采用t d d 时分双工工作方式，最多可以实现5 个设备 之间的互联。 此外，日本的多媒体移动接入通信系统( m m a c ) 也是无线局域网标准。它定 义的是类似于i e e e8 0 2 11 和h i p e r l a n 2 的新无线标准。 目前，i e e e 、e t s i 和日本正在多方面的努力，以便最终实现一个世界范围内 通用的5 g h z 频段的o f d m 物理层标准。 o f d m 无线局域网时域同步算法的研究和实现 1 2 无线局域网技术发展趋势 无线局域网目前迅猛发展，但是其性能，速度与传统以太网相比还有一定距离， 因此提高无线网络的性能和容量是未来无线局域网研究的方向和趋势。 对于目前在一些主要的无线局域网标准中被广泛采用的物理层核心技术 o f d m ，只要根据由信道多径时延扩展确定的相关带宽来适当选择各载波的带宽并 采用高性能的纠错编码技术，比如卷积码、t u r b o 码和l d p c 码，多径衰落对系统 的影响就可以完全被消除。因此，如果没有功率和带宽的限制，o f d m 技术可以 实现任何速率的传输。但是实际上，为了增加系统容量，提高系统传输速率，使 用o f d m 调制技术的无线局域网需要增加载波的数量，而这种方法会造成系统复 杂度的增加，并增大系统的带宽，这对带宽和功率受限的无线局域网来说是不合 适的。 作为无线通信中智能天线技术的重大突破：m i m o ( m u l t ii n p u tm u l t io u t p u t ) 技术能够在不增加带宽的情况下成倍的提高系统信道容量和频谱利用率。因此他 正好对应了o f d m 无线局域网技术上的瓶颈，能够在现有系统标准的基础上实现 高速无线传输 2 】。 m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道，需要传输的信息流经过 空时编码形成了n 个信息子流，这n 个子流由n 个天线发射出去，经无线信道后 由m 个接收天线接收。多天线接收及利用先进的空时编码处理，能够分开并解码 这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别值得一提的是n 个子流同时发送到信 道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各个发射接收天线间的通 道相对独立，则m i m o 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道 独立地传输信息，数据传输速率必然可以提高。m i m o 将多径无线信道与发射、 接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近 于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。其最大信道容量随发射、接收天 线数目中最小天线数的增加而线性增加，因此，m i m o 技术对于提高无线局域网 的容量具有极大的潜力。 o f d m 技术是高速无线局域网的核心，而m i m o 技术在不增加带宽的情况下 成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，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，通过利用时间、频率和空间三种分集技术， 使无线局域网对抗噪声、干扰、多径的能力大大增加。因此将m i m o 技术和o f d m 技术相结合势必会使得无线局域网向着更高速率、更大容量、更好性能的方向发 展。 此外，o f d m 技术如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动 态比特分配算法等技术，其性能将得到进一步的优化。 第一章绪论 5 1 3i e e e8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 2 系统比较 在本章第一节介绍的众多无线局域网标准中，i e e e8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 标 准的物理层是最为相近的，两者都是规定使用5 g h z 频段，采用o f d m 技术，数 据最高传输速率可以达到5 4m b s 。两个标准之间的主要差别在m a c 层。而物理 层帧结构的差别则是导致时域同步存在差异的主要原因，因此本文主要结合这两 个系统对o f d m 无线局域网系统中的时域同步技术进行论述。表1 1 给出了这两 个系统的比较【3 】。 系统 i e e e8 0 2 il a h i p e r l a n ，2 频段5 g h z5 g h z 最大传输速率5 4 m b s5 4 m b s 最大数据速率( 第3 层)3 2 m b s3 2 m b s 媒体接入控制媒体共享c s m a c ac e n t r a lr e s o u r c ec o n t r o l 厂r d m a 门d d 连接无连接面向连接 多点传送( m u l t i c a s t )是是 支持q o s p c f a t m 8 0 2 1 p r s v p d i f f s e r v ( f u l lc o n t r 0 1 ) 频率选择单载波 单载波，动态频率分配 鉴权 无 n a l ，i e e ea d d r e s s x 5 0 9 加密4 0 一b i tr c 4 d e s ，3 d e s 移交支持n on o 固定网络支持以太网e t h e m e t 以太网，i p , a t m ，u m t s ，f i r e w i r e ，p p p 管理8 0 2 1 1 m i b h i d e r l a n 2m i b 无线链路质量控制 无 链路适配 虽然i e e e8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 在物理层上非常相似，但是在一些具体的处 理过程上也存在着如下的异同【4 】： ( 1 ) 加扰过程：两个标准都是使用长度为1 2 7 的伪随机序列进行加扰。但是 加扰器的初始状态不同i e e e 8 0 2 1 l a 中，加扰器的初始状态是一个非零伪随机序 列，s e r v i c e 域的7 个最小有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 在接收端预先设置为 全0 状态进行信道估计h i p e r l a n 2 中，m a c 层帧开始的帧计数域的值作为加扰 器的后四位，而加扰器的前三位为固定的二迸制数l l l 。 ( 2 ) 凿孔过程：h i p e r l a n 2 采用两个凿孔单元，p 1 和p 2 。p 1 应用于协议数 据单元( p r o t o c o ld a t au n i t , p d u ) 的前1 5 6 个比特，应用凿孔模式 ( 1 1 1 1 1 1 l l l l l l 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 ) 六次，共凿孔1 2 个比特。p 2 提供的编码速率为 6 o f d m 无线局域网时域同步算法的研究莆i 实现 1 2 ，3 4 ，9 1 6 ，应用于所有的训练类型。通过设置模式和凿孔比特的数目，可以 获得想要的编码速率。编码速率1 2 对应于凿孔模式( 11 ) ，编码速率3 4 对应凿 孔模式( 1 1 1 0 0 1 ) ，编码速率9 1 6 对应的凿孔模式是( 1 1 1 1 1 l l l l 0 1 1 1 1 1 1 0 1 ) 。i e e e 8 0 2 1 1 a 只使用了p 2 单元，提供的编码速率为1 2 ，2 3 ，3 4 。编码速率为1 2 ，3 4 的凿孔模式和h i p e r l a n 2 相同，编码速率为2 3 对应的凿孔模式是( 1 1 1 0 ) 。 ( 3 ) 交织过程：两个协议的交织过程是相同的。都是由两步构成：第一次排 列使相连的比特被放在不相邻的子载波上；第二次使相邻的比特在星座图上的距 离尽可能的大。 ( 4 ) 映射过程：两者的映射过程是相同的，都可以用b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ， 6 4 q a m 调制，根据不同的速率采用相应的调制方式。 ( 5 ) o f d m 调制过程：两者的o f d m 调制过程相同。4 8 路子载波用来传输 数据信息，4 路子载波用来发送导频，采用“点的i f f t f f t 来进行调n 解调。 ( 6 ) 帧结构：i e e e8 0 2 1 l a 中每个o f d m 帧的s i g n a l 域包含了传输数据的长 度和速率信息，而h i p c r l a n 2 的帧长度和速率是由媒体控制层( m a c ) 决定的。 1 e e e8 0 2 1 l a 的帧前导序列只有一种结构，而h i p e r l a n 2 对于不同的突发模式有 着不同的帧前导序列。在之后的章节里，将会结合时域同步问题，对这两个系统 的物理层参数进行详细的分析和介绍。 1 4 无线局域网同步技术简介 对于任何通信系统而言，同步都是一个根本的任务，没有精确的同步算法就不 能对传输数据进行可靠的接收。o f d m 无线局域网中的同步技术可以按照功能划 分为帧同步、载波同步、符号定时同步和采样钟同步；也可以按照数据域划分为 时域同步和频域同步。 厂 一彘竺兰广1芝望!r 叫f f tr i _ j 嚣 时域同步 图1 1o f d m 无线局域网同步框图 结合i e e e 8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 系统，图1 1 给出了o f d m 无线局域网的大 体同步框图。由于f f t 完成的是数据从时域到频域的转换，因此以f f t 模块为界， 第一章绪论 7 可以将系统的同步划分为时域同步和频域同步两部分。从图中可以看到，时域同 步包括3 个主要的同步定时模块：帧同步、租载波频偏估计和符号定时，还有频 偏校正模块和移除保护间隔模块。 对于突发传输系统丽言，接收端首先要解决的问题就是帧检测的问题，即判断 o f d m 数据帧何对到来；同时，帧头的定位信息也要在这个部分中给出。它的目 标就是要确保接收端能够检测到每个突发数据帧并确定数据的起始位置。这是 整个接收端的首要问题，也是后继工作的基础。 o f d m 信号对于载波频偏的影响非常敏感，通常较小的频率偏移都会影响子载 波间的正交性，进而导致整个系统性能的下降。载波同步是为了准确估计出载波 频偏，并在f f t 解调之前对数据中存在的频偏进行校正，从而保证子载波之间的 正交性，避免子载波间的干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c d 。 接收端在对子载波进行解调之前，需要通过符号定时算法在接收到的数据流中 找到每个o f d m 符号的起点以正确进行f f t 解调。在多径信道中，超过保护间隔 的符号定时误差会引起i s i ，破坏子载波正交性以及降低系统性能。 采样钟同步就是要使得收发两端采样时钟的频率和相位楣同。采样钟定时误差 会随着采样点的增加而线性增加，导致码元的定时漂移，同时也引起i c i 。 o f d m 无线局域网中正交子载波的引入以及突发传输对该类系统的同步提出 了很高的要求。目前，有大量的针对该类系统同步问题的研究和文献资料。但是， 无线局域网要想大范围接替目前的有线网络，除了技术上具有的明显优势外，最 需要考虑的就是终端和接入点设备的价格，这也是研究现有系统同步技术的实际 意义所在。研究o f d m 无线局域网同步技术，旨在提出一种更为简单的实现方法， 或是在现有复杂度的基础上提高系统的性能，这样能够减小成本，提高性价比， 最终使得o f d m 无线局域网能够在大范围内使用，建立成熟的市场环境。 1 5 本文的主要工作 本文以i e e e8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 2 系统为例，对o f d m 无线局域网中的时域 同步问题进行了研究。本文研究工作的主要成果如下： 1 针对i e e e 8 0 2 1 1 a 标准，利用每个短训练符号内部前半部分数据和后半 部分数据的实、虚部是相互置换的关系以及1 0 个短训练符号之间的重复 特性，提出了一种新的帧同步算法。 2 给出了一种利用滤波器原理来减小实现复杂度的指数加权平均符号定时 方法。 3 针对h i p e r l a n 2 中广播突发的前导序列结构，提出了一种在确定帧同 步的同时能够提供较大频偏估计范围的双峰值检测帧同步方法。 8 o f d m 无线局域网时域同步算法的研究和实现 论文的具体安排如下： 第一章简要介绍了无线局域网的发展概况，对本文涉及到的两个o f d m 无线 局域网系统i s e e8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 2 进行了简要介绍，最后指出了本文的主要 工作。 第二章介绍了无线信道，特别是室内无线信道的特征，以及同步误差对o f d m 传输信号的影响，并建立了本文仿真中用到的主要信道模型。 第三章是本文的重心，对i e e e8 0 2 1 l a 系统的时域同步技术进行了研究，在分 析现有算法的基础上，提出了一种利用短训练符号内部前半部分数据和后半部分 数据实、虚部相互置换特性的帧同步算法：还给出了一种利用滤波器原理来减小 实现复杂度的指数加权平均符号定时方法。 第四章对h i p e t l a n 2 系统的时域同步算法进行仿真，给出了不同突发的时域 同步算法，并给出了一种双峰值检测帧同步算法。 第五章以i e e e8 0 2 1 l a 系统为例，实现了时域同步及f f t 运算的f p g a 设计 最后一章对本文的工作进行了总结和展望。 第二章无线信道与同步误若分析 9 第二章无线信道与同步误差分析 由于o f d m 无线局域网是无线突发传输系统，因此研究无线信道特性是必要 的。针对本文论题来源项目的需求和应用范围，本章在主要讨论室内无线信道特 性的基础上，提出本文仿真中用到的两类信道模型，之后讨论同步误差对o f d m 信号带来的影响。 2 1 无线信道特征 与有线传输系统相比，无线信号传输的环境要复杂和恶劣的多。无线信号在传 输中会受到收发之间复杂地形，移动物体，大气变化特性的影响。从而产生反射、 折射、衍射和散射等。与有线传输的静态特性相比，无线信道更多地呈现出一种 随机特性和时变特性。这种时变性和随机性引起的信号衰落可以分为三类【5 】； 1 ) 自由空间传播损耗和弥散，指的是在理想的、均匀的、各向同性的介质中 传播，不发生反射、折射和吸收现象，只存在由电波能量扩散而引起的传播损耗。 2 ) 阴影衰落，这是一种馒衰落，当无线电波在传播路径上遇到起伏地形、建 筑物、植被等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影；接收信号通过不同的障碍 物阴影时，场强中值发生变化，从而引起服从对数正态分布的阴影衰落。如果阻 挡物的尺寸达到几个到几十个波长，则阴影衰落的影q 句往往在几个到几十个波长 内基本保持不变。 3 ) 无线移动环境中特有的多径衰落。由于无线电波在传输的过程中会遇到各 种建筑物，树木、植被以及起伏地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、 散射和绕射等，这样到达接收天线的信号就不是经过单一路径到达，而是由许多 不同路径的反射、折射波合成的。又由于不同方向的电波通过每条路径的距离不 同，因而各条路径的反射波的到达时间是不相同的，相位也不同。不同相位的多 个接收信号在接收端叠加，有肘同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样， 接收信号的幅度就急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象引起的， 称为多径衰落。 其次，在无线移动信道环境中，由于移动台和基站的相对运动，会造成接收信 号的多普勒频移，而多个多径分量经由不同的方向到达接收机，就会造成接收信 号的多普勒扩展。 2 1 1 室内无线信号传播环境 自由空间损耗、阴影衰落和多径衰落的表现范围是不相同的。前两种衰落都属 予大尺度衰落，距离长，影响无线通信的距离和覆盖范围，可以通过天线的合理 1 0 o f d m 无线局域网时域同步算法的研究和实现 布局来消除其不利影响。后一种属于小尺度衰落，它在几十个波长范围内或是短 时间内呈现出快速的随机起伏。但这两种衰落并不是相互独立的，在同一个无线 信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。大尺度衰落是表示接收信号在 一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现出缓慢变化，主要是由信号的 特征和收发距离以及阴影效应引起的衰减；小尺度衰落表征接收信号短时间内的 快速波动，主要是由电波反射、绕射和散射等导致的多径传播以及以动态的运动 速度导致的多普勒扩展小尺度衰落会严重影响传输信号的质量，也是室内无线 传输信道中的主要影响因素【6 】。 小尺度衰落反映在短时间( 较短距离) 内的幅度和相位多径延时的快速变化， 此时的大尺度衰落可以忽略。引起小尺度衰落的因素有以下几个： ( 1 ) 多径传播：它会造成信号在时间上的扩展，对于多载波系统，会导致i s i 。 ( 2 ) 移动台以及周围事物的速度：前者会造成多普勒频移，后者会造成时变 的多普勒频移。如果后者移动速度快，则在小尺度衰落中占主导地位，否则可以 忽略。 ( 3 ) 信号带宽：如果信号带宽大于相关带宽，不同的频率分量会受到不同的 衰减，造成频率选择性衰落；如果信号带宽远小于相关带宽，则信号不会受到频 率选择性衰落。 根据不同的产生原因，可以将小尺度衰落产生的信道分为不同的类型。表2 1 给出了分类的结果。 表2 i 小尺度衰落产生的信道类型 小尺度衰落 多径时延扩展多普勒频移扩展 平坦衰落信道频率选择性衰落信道快衰落信道慢衰落信道 b s b s b db s d e l a ys p r e a d t c s y m b o lp e r i o d s y m b o lp e r i o ds y m b o lp e r i o d 其中：昂相关带宽，b 信号带宽，多普勒频移扩展 d e l a ys p r e a d 延时扩展，s y m b o lp e r i o d 信号周期，砭相关时间 小尺度衰落在信号上产生的影响可以归纳为以下三个方面： ( 1 ) 信号强度的快变。 ( 2 ) 由多普勒频移引起的随机调频。 ( 3 ) 多径传播延时引起的时间弥散。 第二章无线信道与同步误差分析 2 1 2 本文中用到的信道模型 在本文的仿真中，主要用到了两类信道模型：一类是高斯自噪声信道，另一类 是多径衰落信道。 ( 1 ) 高斯白噪声信道 高斯白噪声信道是一种非常简单的，但是也是非常常用的一种信道模型高斯 自噪声由于自身的宽频带、始终存在等特点，使其成为影响通信系统性能的一个 主要因素当噪声的功率谱密度均匀地分布在整个频段，那么这种噪声将具有白 噪声的性质。通过高斯自噪声信道的信号可以用下面的公式来表示： r ( f ) = j ( f ) ( ，) + 以( f )( 2 1 ) 其中，s ( f ) 是发射信号，( ，) 是接收到的信号， ( ，) 表示的是信道的冲击响应， 表示卷积，厅( ，) 表示的是叠加在信号上的高斯白噪声，n ( t ) 服从正态分布，均值和 方差分别是和盯2 ，其概率密度函数如下。 p ( 加志e x p 卜蜘盯 。 ( 2 2 ) ( 2 ) 多径衰落信道 一 设需要传输的复信号为u ( t ) ，经过调制的s t 射信号为 s ( t ) = r e u ( t ) e x p ( j 2 n f c t ) 】，经过n 条传输路径，接收到的信号r ( f ) 为各条路径传输 来的信号之和【7 】： 。 ，( f ) = a ：( t - t o q ) i = a kr e u ( t - t o - r j ) e x p j 2 ，r f , ( t - - t o 一气) 】) k a l ；r c 窆a _ u ( t t o f i ) e x p 【- ，2 万z ( f t o - r d ( 2 3 ) k - i n = r c ( t ) e x p j ( 2 7 t f , t - 口，k ) k - ! 。 = ”，( f ) c o s ( 2 石刀一纯) + ( f ) s ；n ( 2 万力一吼) 其中，q 是第k 条路径的传输衰减系数，o 为传输参考时问，这里将它认为是主 传输路径需要的传输时间，吒为第k 条路径传输时闻与参考时间差，称之为相对 1 2 o f d m 无线局域网时域同步算法的研究和实现 多径时延差u k ( t ) e x p ( 2 a f , t - p , ) 为其中一条路径对应的信号， o ) = a 女u ( t t o 一气) 为其幅度值依为其相位u t ( f ) 和“。( f ) 分别为该信号的同相 分量和正交分量。 1 。瑞利衰落信道： 当信道中存在的多径数目较多时，假定各路径长度差不多，那么u a t ) 相差不 大，且纯随机均匀分布，因此各个路径分量是幅度基本相等，相位随机的正弦信 号，当多径数目较大的时候，“；和“。( f ) 的累加和可以看成服从高斯分布，两者 组合成的幅度”= 砰( f ) + 畦o ) 服从瑞利分布，相位伊服从均匀分布。 0 t p ( ”) = 当g 斧，0 u o o ( 2 4 ) 口+ p 0 ) = 亡，0 s 妒s 2 r r ( 2 5 ) 厶矿 2 莱斯分布 当多径传输中存在一条主路径，并为视距传输时，那么通过主路径传输来的接 收信号会有一个稳定的幅度和相位，其余的多径传输过来的信号仍是服从瑞利分 布的。这种情况下接收信号的幅度服从莱斯分布。 m ) ；古e x p ( - - 鼍笋胤等) 0 “ 。o ( 2 6 ) 其中i o ( x ) 第一类修正贝塞尔函数，u s 是稳定的幅度值。 3 对数正态分布 通常短期内观测多径信道，发现是满足瑞利和莱斯分布的，但是从长期的统许 来看，则不符合上述情况，也就是说信号包络的均值短期内是稳定不变，而长期 看来则是变动的。这是因为无线信道传输介质的缓慢变化会使得信道情况发生改 变，是不平稳的长期统计得到：多径信道下接收信号场强的对数函数服从正态 分布，也就是说接收信号场强服从正态对数分布。 2 2 同步误差分析 采用o f d m 技术的无线局域网系统，接收端的同步问题是一个关键，同步性 能的好坏会直接影响到整个系统的性能。在o f d m 无线局域网中，接收端主要存 在4 个方面的同步要求： 第二章无线信道与同步误差分析 ( 1 ) 帧同步；确定一个突发o f d m 帧的起始位置。 ( 2 ) 载波同步：使得接收端的载波和发送端的载波同频。 ( 3 ) 符号同步：确定正确的f f t 窗位置。 ( 4 ) 采样钟同步：保证接收端和发射端的采样时钟同频同相。 下面就分别对这些同步误差给o f d m 系统性能带来的影响进行介绍。 2 2 1 帧同步误差 由于帧同步的作用是为了确定个突发来帧数据的起始位嚣，着没有检测到突 发数据帧，就会导致数据的漏检；而在没有信号到来的时候，判断为有突发数据 帧，则会导致虚警事件。如果用帧同步的结果去驱动符号定时同步计数器，那么 帧同步对接收到信号产生的影响则和符号同步误差产生的影响相同，这一点将在 下面的章节中介绍。 2 2 2 载波频偏误差 由于收发双方晶振的不匹配，以及移动信道中存在的多普勒频移都会导致载波 的频率偏差