（通信与信息系统专业论文）lte小区搜索及下行同步过程的研究.pdf

中文摘要 摘要：m 作为3 g p p 组织提出的在未来1 0 年内向4 g 通信系统迈进的通信制式， 采用了多种新技术，如0 f d m 、m i m o 及链路自适应等，旨在提高数据传输速率， 降低系统时延，增大系统容量和覆盖范围，降低运营成本。 小区搜索是移动通信系统中非常关键的步骤，是终端与基站建立通信链路的 前提。无论是终端在服务小区中初始上电，或在通信过程中进行小区切换，都需 要通过小区搜索过程和基站建立连接。小区搜索过程主要是为了使终端和所在小 区取得时间同步及频率同步，同时获得小区i d 号，系统带宽及其他小区广播信息。 本文首先简要介绍了m 物理层标准及关键技术，着重介绍了o f d m 技术及 无线信道特征。而后以此为基础，针对发射端同步信号的设计，分析同步信道结 构及同步序列选择，得出评估结论并给出相应仿真结果。由于l 1 吧系统以o f d m 技术为基础，因此存在和o f d m 系统相同的对频率偏差敏感的特点，终端需要检 测帧起始位置及对频偏值进行估计。对于此，在接收端设计定时算法及频偏估计 算法，并给出相应仿真结果。 近年来，我国高速铁路及轨道交通取得了举世瞩目的建设成就。对于高速铁 路无线通信来说，主要的难点是由于高速移动带来的快速多普勒变化。最后本文 针对高速铁路特殊场景，提出相应的小区搜索算法。 关键词：u e ；o f d m ；同步；小区搜索；频偏估计 分类号：t n 9 1 4 5 1 a bs t r a c t a b s t r a c t l 陋s y s t e mw l l i c hi sp r o p o s e db y3 g p po 珞a r l i z a t i o ni sd e 锄e dt ot h e c o n 删c a t i o n 靠m d a r dt 0 w a r d s 触呱e4 gs y s t e mi i l 也en e x tt e ny e a r s i ta p p l i e sm a n y n e wt e c l l i l o l o g i e ss u c h 锻o f d m ，m i m oa 1 1 dl i i l l ( a d 印t a t i o n ，n l e 劬d a m e n t a lt a l i g e t s o fl 1 色a r ei i l c r e 商n gd a t ar a c c s ，r c d u c i l l gl a t e n c y ，i i n p r 0 v i n gs y s t e mc 印a c 毋锄d c 0 v e r a g e 丛w e l l 部r e d u c i n go p e r a t o rc 0 s t s i i lm o b i l ec 0 舢n 嘶c a t i o ns y s t e m ，c e l ls e a r c hi so n eo fm ek e yp r o c e d u r e s 锄dm e p r e i i l i s eo fe s t a b l i s h m e n to fc o 删n u i l i c a t i o nl i n kb e 铆e e ne n ba n du e w h 劬e r 也e t e l m i i l a li si l l i t 谢p 0 、 ，e ro ni i lt l l ec e l lo r h 锄d so v e ri i lt 1 1 ec o m m 嘶c a t i o n p r o c e s s ，“i s n e c e s s a r yt 0a p p l yac e l ls e a r c hp r o c e d u r et 0e s t a b l i s ha1 i r l l 【t 0m e 扑m c e l ls e a r c h p r 0 c e d l 珊i sm 削y t 0o b t a i nt i m es y n c l l 】0 m z a t i o 玛f k q u e n c ys y n c l l 】r 0 i l i 刎i o nc e l li d ， s y 妣mb 锄d 谢d t l l 觚do t l l e rc e l lb a s i ci n f o 加a i i o n 1 1 l i sp a p c rb d e f l ym 仃o d u c e sl 1 飞p h y l a y e rs t 锄d a r d 锄dk e yt e c i l i l o l o g i e sa t 圮 b e g i m l i n g ，f o c 惦0 no f d mt e c l l l l o l o g ) ，锄d 晰r e l e s sc h 锄e lc h a r a c t e r i s t i c s n e nt a l ( e t h j s 嬲b 鹊i s ，f o rt l l ed e s i g no fs y n c l l i 0 i l i 硪i o ns i 印出a tt l l e 觚l s m i t t e rp a 吒t 1 1 e 蛐r l i c t u r eo fs y n c h r o m z a t i o nc h 锄e l 锄dt 1 1 es e l e c t i o no fs y n c l l i 。o m z a t i o ns i 朗a lw 嬲 锄m y z e d ，g e t t i l l gn l e 签s e s s m e n ta 1 1 ds i m u l a t i o nr e s u l tr e s p e c t i v e l y b e c a u s eo fa p p l y m g o f d mt e c h n o l o 科i i ll 1 卫s y s t e m ，i th 硒ad i s a d v 锄姆o ft h es e n s i t i v i t ) ro ft h e 矗e q u e n c ye 盯o r s ot l l a tt l l et e r m i l l a ll l 嬲t 0d e t e c tf a m es t a r t i n gp o s i t i o n 孤de s t i m a 钯 舶q u e n c ye r r o r f o rn l i s ，at i m i n ga l g o r i m m 觚d 舶q u e n c ye 1 1 r o re s t i m a t i o na l g o r i t l l m w 够d e s i 印e d 锄dg e t t i n gm es i i l l u l a t i o nr e s u l t 觞w e l l i i lr e c e n ty e a r s ，m ed e v e l o p m e n to fc l i n ar a i l w a yh i 曲s p e e da n m c t st l l ew o r l d s a t t e n t i o n f o rw i 】r e l e s sc o m m m 】i c a t i o nf o r1 1 i g h - s p e e dr a i l w a y 廿l em a i l ld i 伍c u l t ) ，i sm e r a p i dd o p p l e rc h 锄g e sb e c a u s eo fl l i g hs p e e d 1 1 1t l l ef i n a lp a r to ft l l i sp a p e r as p e c i a l c e ns e a r c h 甜g o r i t h i i lf o rs p e c i a 】s c e n a r i oo fl l i g l ls p e e d 商1 w a y w 鹊p r o p o s e d 1 ( e y w o r d s ： l t e ；o f d m ； s y n c b r o 血z a t i o n ； c e us e a r c h ； f r e q u 锄c y o 凰e t e s t i m a t i o n c i 。a s s n o ：t 1 q 9 】4 51 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成教授的悉心指导下完成的，陶成教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来陶 成老师对我的关心和指导。 感谢张令文老师，张秀宁，董超，孙溶辰在项目工作中对我的帮助。 刘留博士后悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向刘留博士后表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，张华晶、邱佳慧、周志艳、王钢等同学对我 论文中的同步及小区搜索研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 序 l 1 e 作为现行3 g 技术的长期演进，将成为未来5 到1 0 年的主流通信技术之 一。小区搜索及同步过程作为通信的第一个步骤，其性能的好坏将直接影响到通 信的质量。因此，需要对该项技术做较深入的探究。 本文主要从发射端和接收端两个部分对小区搜索及同步技术进行探讨。首先 分析了u 匝物理层关键技术及无线电波信道特征，然后从发射端的角度论证了m 同步信道及同步序列的设计，而后从接收端的角度评估了定时同步算法及频偏估 计算法，最后针对高速铁路特殊场景提出相应的小区搜索算法。 本论文来源于以下基金资助： 国家科技重大专项：“i m a d v 锄c e d 关键技术仿真平台”( 2 0 0 9 z x 0 3 0 0 3 一0 0 8 ) 1 绪论 1 1m 的产生和发展 为了能和w i m a x 技术相竞争，使u m t s 技术在未来十年，甚至是更长的时 间内保持竞争优势，3 g p p 组织提出了长期演进( l 1 r e ) 的概念。m 将系统的最大 带宽从3 g 的5 m h z 提高到了2 0 m h z ，放弃了3 g 使用的c d m a 技术，选用o f d m 技术，提高系统带宽利用率；还采用了m 蹦o 技术，可以在不增加系统带宽的前 提下，提高信息传输速率。l 1 e 虽然可以部署于2 g 3 g 的现有频谱，但无论从网 络还是终端来说，都要做大规模的更新，从而不可避免的丧失了和2 g 3 g 技术的 兼容性，从这些方面来看，这简直就是一场彻底的变革。它和w 等技术已 经具备某些4 g 的特征。 目前，全球通信系统正向着宽带化、移动化、i p 化的方向发展。在蜂窝移动 通信快速发展的同时，一些面向固定无线接入的技术也提供部分移动的功能，如 i e e e 8 0 2 1 6 e 技术。而其演进版本正e e 8 0 2 1 6 m ，将成为l 1 飞强劲的竞争对手。 2 0 0 9 年1 0 月2 2 日，国际电信联盟( i t u ) 收到了6 个4 g 候选技术提案，关 于全球4 g 移动无线宽带技术通常称为m t a d v 锄c e d 。这将是一个8 0 2 1 6 m 决战 l 1 e 的时刻【1 1 。 1 2无线通信系统的发展方向 3 g p p 启动m 项目，表面上是应对w i m a x 标准的市场竞争，但究其深层原 因，是移动通信与宽带无线接入技术的融合1 2 l 。 以往2 g 的g s m ，i s 9 5 ，3 g 的w c d m a ，t d s c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，都是 基于传统的蜂窝结构，支持用户在各小区间移动，而不会产生掉话。但是，这些 系统不能给用户足够的带宽，使用户不能充分体验多媒体业务的魅力。 传统的有线宽带接入，如d s l 技术等，可以为用户提供较大的带宽，但由于 需要电缆的连接，使其布网较繁琐，因此诞生了i e e e 8 0 2 1 1 系列宽带无线接入技 术，这些技术可给用户提供无线的宽带接入，但只支持静止或很低速度的移动。 现在以i e e e 8 0 2 1 6 技术为代表的宽带无线接入技术，将固定的无线演进到移动的 无线，这和传统蜂窝技术殊途同归。总结为一句话，传统移动通信是要实现移动 通信的宽带化，而宽带无线接入是要实现宽带的移动化。 传统 移动通信 以话音为丰 可高速移动 窄带 无处不在的 移动因特网 宽带 无线接入 图1 1 移动通信和宽带无线接入的融合 f i g u r e l 1i n t e 刚i o no fm o b i l ec o 蚴u n i c a t i o 璐锄db r o a d b a n d w i 他l e s sa c c e s s 1 3l 1 卫系统的技术特点及性能指标 由于3 g 在全球的商用结果并不尽如人意，因此各大运营商把希望寄托于l 1 甩 及4 g 系统，希望它将是一个具有强大竞争力的宽带无线接入技术。l 1 m 系统的设 计主要考虑了如下几个方面【3 】： 降低每比特传输成本： 可提供扩展业务，以更低的成本、更高q o s 保障的业务； 可以灵活使用各种频段； 使用简单的架构，开放的接口； 较低的终端功耗。 m 系统的目标是通过对现有的3 g p p 无线技术进行演进，以支持更高的数据 速率、更低的延迟等。具体演进的目标包括【3 】： 显著提高峰值速率，可达到下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s ； 在真实负载的网络中，下行频谱效率为r 6h s d p a 的3 - 4 倍，上行频谱效 率为r 6h s u p a 的2 3 倍； 改善小区边缘用户的业务体验； 零负载、小i p 分组条件下，用户面的延迟小于5 m s ，从驻留状态转换到激 活状态的控制面延迟小于1 0 0 m s ； 支持增强型的多播组播业务； 为o 1 5 1 ( 玎胁低速移动条件进行优化，1 5 1 2 0 l 【i 】讹高速移动下可实现高性能 传输，在1 2 0 3 5 0 l ( 1 i 汕( 在某些频段甚至应支持5 0 0 l ( 1 1 1 1 1 ) 下能够保持蜂窝网 络的接通； 为降低终端的复杂度，应和单播( u i l i c 剐操作采用相同的调制、编码和多址 方法；可向用户同时提供m b m s 业务和话音业务；可用于成对和非成对频 2 谱。 1 4 课题研究的意义 对于移动蜂窝通信系统来说，小区搜索及下行同步过程是一个十分重要的步 骤。当用户终端在以o f d m 技术为基础的的l 1 限小区中开机上电后，需要尽可能 准确快速的获得定时同步及频率同步，和e n o d e b 取得连接，以便后续的数据及 语音通信过程。 由于l 1 e 支持可变的系统带宽，为了降低终端在不同系统带宽时小区搜索的 复杂度，l 1 e 规定用于小区同步的信号，固定于系统带宽的中心1 2 5 m h z 范围内。 这样就可以在不知道系统带宽的情况下获得小区同步信息。但由于无线信号在空 间中传输的复杂性，到达接收端的信号是经过信道的作用产生畸变的。终端是否 能获取准确的定时同步、频率同步、频偏估计等结果，将直接影响到整个通信过 程。因此，需要研究发射端同步信号的特点，并设计出有针对性，性能优良的接 收端算法。 1 5 工作内容以及本文内容安排 本文旨在依托国家科技重大专项“i m t - a d v 衄c e d 关键技术仿真平台”，学 习未来3 9 g ，甚至是4 g 通信标准的关键技术，特别关注于小区搜索及同步算法、 频偏估计算法的研究，学习通信系统软件仿真方法，为推进通信标准向性能更好 的方向迈进奠定基础。 在课题研究中，作者主要完成的工作如下： 1 查阅有关o f d m 技术相关资料，理解0 f d m 技术基本原理及其关键技术， 了解0 f d m 技术的优缺点。 2 阅读3 g p pr 8 、r 9 相关标准，学习l 1 限整体架构及物理层设计。 3 着重学习u e 物理层标准，了解l t e 物理层关键技术，理解l t e 物理层 信号流程。 4 查阅关于l 1 e 同步序列选择、同步信道时频域配置、同步信道结构等相关 提案，并通过计算机仿真评估不同方案的性能差别。 5 学习o f d m 技术同步算法，结合u e 技术，设计定时同步算法，并通过 计算机仿真，得出其性能仿真结果。 6 针对o f d m 技术对频率偏差敏感的特点，设计频偏估计算法，将频偏分为 小数倍频偏和整数倍频偏分别估计之，并仿真其性能。 3 7 设计在高速移动条件下的l 1 陋小区搜索算法，针对高铁所处的特殊环境， 设计特殊的同步算法。 4 2l t e 物理层技术及传播环境 2 1物理层概述 2 1 1 物理层概述 l 1 限物理层的上下行，分别采用了不同的多址方案。由于u e 端功耗及体积的 限制，上行必须克服0 f d m 峰均功率比( p a p r ) 高的缺点，因此采用具有低p a p r 的s c f d m a 技术。而在e n o d e b 端，因其对体积及功耗不敏感，可采用较复杂 的线性范围较大的盯模块，下行链路可采用o f d m a 技术。 l 1 m 是可变带宽系统，这是通过在物理层灵活分配资源块( r e s o u r o eb l o c k ) 的 方法实现的。这里的资源块是指频域上占用1 8 0 k h z 的带宽，在时域上持续时间为 o 5 m s 的“物理资源单元 。l t e 所有的控制信令及数据信息，都是以资源块为基 本单元的。后续章节中将会详细介绍。 l 1 陋支持两种双工方式：时分双工及频分双工，分别有相应的无线帧结构： 帧结构l 及帧结构2 。两种帧结构时间长度均为l o m s ，均包含2 0 个时隙( s l o t ) ，每 个时隙长度为0 5 m s 。对于用于t d d 的帧结构2 ，具有两个时长为5 m s 的半帧 ( h a l f - 鼬n e ) ，每一个半帧内均有三个特殊区域：下行导频时隙( d o 、) l ，1 1 l i i l l ( p i l o t1 r i m e s 1 0 t ，d w p t s ) 、保护时隙( g u a r dp e r i o d ，g p ) 和上行导频时隙舢p l i l l l ( p i l o tn m es l o t ， u p p t s ) ，这三个特殊区域的总时长为1 m s ，并且长度可分配【3 1 。 近年来，m i m o 技术由于可以在不增加系统带宽的前提下提高系统传输速率， 而受到广泛关注。根据目前的陇标准，在下行方向上可以配置2 根或者4 根天 线，从而支持最大4 2 的下行m i m o 。同时，在上行和下行都支持多用户 m i m o ( m u l t i p l eu s e r - m i m o ，m u m i m o ) ，即分配不同的流给不同的用户。 2 1 2 物理层协议组成及结构 l 1 陋物理层协议主要由如下4 个规范构成： t s3 6 2 1 1 物理信道与调制【4 】： t s3 6 2 1 2 复用与信道编码【5 】： t s3 6 2 1 3 物理层过程【6 】： t s3 6 2 1 4 物理层测量【7 1 。 物理层作为通信系统的最底层，是整个通信系统的基础。它为数据传输提供 可靠的链接，透明地传送比特流。它与上层的关系如图2 1 所示。 卿 晕 秦 辊 层2 层1 图2 1 物理层和上层关系图 f i g u r e 2 1r e l a l i o n s h i pb e t w e e np h yl a y e ra n du p p e rl a y e 璐 物理层的功能主要包括嘲： 传输信道查错控制； 。 传输信道的前向纠错( f o 刑缸de r r o rc o 玎e c t i o n f e c ) 编码解码； 混合自动重传请求( h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t ，h a r q ) ； 调制与解调； 频率同步及时间同步； 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u l p 此m i m 0 ) 天线处理； 传输分集； 波束成形。 2 2 帧结构设计 帧结构( f 咖es 呲t u r e ，f s ) 定义了系统最基本的传输时序，是整个空中接口系 统设计的基础，几乎所有的传输技术参数设计、资源分配设计及物理过程设计， 都要以合理的帧结构为基础。 在物理层规范中，时域中各种元素的大小都表示为时间单位 z = 1 ( 15 0 0 0 2 0 4 8 ) s 的倍数，一个无线子帧的长度可以表示为 正= 3 0 7 2 0 0 z = 1 0 鹏 2 2 1f s l ：f d d 帧结构 6 一 一 l 一个时隙乃m 21 5 3 6 0 死= o 5 m s 稃。撑l 撑2撑3群1 8撑1 9 一个子帧 图2 2f d d 帧结构 f i g u 鹏2 2f d df 姗e 鼬m 曲l 他 如图2 2 所示，适用于f d d 模式的帧结构l ，一个无线帧长度为1 0 m s ，分为 1 0 个子帧，每个子帧1 m s ，每个子帧又可分为两个时隙，每个时隙 毛d = 1 5 3 6 0 t = o 5m s ，这些时隙分别编号为0 1 9 。 在这种帧结构中，并没有明确同步信道( s ) r 1 1 c h r 0 i l i z a t i o nc h 锄e l ，s c h ) 的位置， 理论上可以放在2 0 个时隙中的任何一个位置，关于其具体位置的讨论，将在下文 中详细说明。 2 2 2f s 2 ：) d 帧结构 图2 3t d d 帧结构 f i g 啪2 3t d df 姗es t n j 咖陀 如图2 3 所示，适用于t d d 模式的帧结构2 ，每个无线帧由2 个半帧组成， 每个半帧长度为5 m s 。每个半帧又由8 个常规时隙和下行导频时隙( d o w i l l i l l l ( p i l o t t i m es l o t ，d w p t s ) 、保护间隔( g 啪r dp e r i o d ，g p ) 和上行导频时隙叫p l i n kp i l o tn m e s l o t ，u p p t s ) 三个特殊时隙构成。一个常规时隙的长度为0 5 m s ，d 、v p t s 、g p 和 u p p t s 的长度是可配置的，并要求d w p t s 、g p 和u p p t s 的总长度等于1 m s 。具 体配置如表2 1 所示【4 】。 7 表2 1d w p t s 、g p 和u p p 髑的长度 t 曲l e2 1l e n 舳o f d w p t sg p 鲫du p p t s 配置常规c p扩展c p d w p t s u p p t s d w p t s u p p t s o 6 5 9 2 正7 6 8 0 互 1 1 9 7 6 0 互 2 0 4 8 0 l 2 5 6 0 互 2 2 1 9 5 2 互2 1 9 2 互2 3 0 4 0 l 3 2 4 1 4 4 瓦2 5 6 0 0 瓦 4 2 6 3 3 6 瓦7 6 8 0 瓦 5 6 5 9 2 瓦2 0 4 8 0 瓦5 1 2 0 l 6 1 9 7 6 0 五2 3 0 4 0 互 4 3 8 4 瓦 7 2 1 9 5 2 瓦 8 2 4 l “- 瓦 l 1 飞f s 2 帧结构是根据，i d s c d m a 帧结构修改而来，它保留了原帧结构中的 三个特殊时隙：d w p t s 、g p 和u p p t s ，它们的总长度为1 m s 。根据这个特殊子 帧的出现频率，可以将f s 2 分为5 m s 周期帧结构和l o m s 周期帧结构两种类型。 g p 和d w p t s 的长度可以灵活配置，这主要是实现可变的g p 长度和g p 位置，防 止) dm 系统和t d s c d m a 系统共址建设时，发生交叉干扰。 这里是为了说明u e 物理层标准，l 限系统的绝大多数设计原理对于f s l 和 f s 2 是完全相同的，因此以下部分均以f s l 为例。 2 3下行物理信道 2 3 1下行物理信道概述 一个时隙中传输的信号可用资源栅格( r e s o 眦e 例d ) 的形式来描述，如图2 4 所示其大小为罐蜉个子载波和盎个o f d m 符号，罐是下行链路一个时 隙中资源块的数量，硭是每个资源块中子载波数量。盛的大小取决于小区系统 带宽的配置，并且满足础d l 砖舻，其中舻= 6 ，伊= 11 0 是下 行传输的最小和最大资源块数量【3 1 。 一个下行时隙 ，= o ，= 盎b l 图2 4 下行资源栅格 f i g 叭2 4 d 0 w n l i n l r e s o u r c eg 脚 资源栅格中的最小单位叫做资源粒子( r e s o u r c ee l e m 胁t ，l 迎) ，也就是一个 o f d m 符号中的一个子载波。它可以通过索引对( 七，) 来进行唯一表示，其中 七= o ，罐皑一1 ，为频域序号，= o ，峨。一1 ，为时域序号。 定义资源块，是用于描述物理信道和资源粒子向对应的关系。一个资源块即 9 为时域上礞。个连续的o f d m 符号，以及频域上硭个连续的子载波，这样一个 物理资源块将包括：盘磺个资源粒子，即时域上长度为个时隙，频域上宽度 为1 8 0l ( h z 【3 】，如图2 4 所示。 2 3 2 基带信号处理 下行物理信道的基带处理流程，如图2 5 所示： 图2 5 基带信号产生流程 f i g u r e2 5 o v e n ，i e wo fp h y s i c a lc h 踟e lp r 0 c e s s i n g 具体步骤如下： 对信息比特进行加扰； 调制，产生复值调制符号； 映射到不同的层； 预编码，映射到不同的天线端口； 将每个天线端口上的复值信号映射到物理资源块上： 产生最终需要发射的o f d m 符号。 2 4o f d m 系统及参数的选择 2 4 1o f d m 系统基本原理 o f d m 系统的基本思想是将串行数据流变为n 路低速并行数据流，然后用它 们分别调制n 路正交的子载波。o f d m 技术利用了子载波之间的正交性，从而使 子载波的频谱可以是重叠的，在接收端，利用同样数量的子载波进行相干解调， 即可获得每个子载波上所承载的低速数据【8 】。 传统的f d m 多载波调制系统，将频带划分为若干毫不相干的“段”，这些“段” 之间需要足够的保护间隔，以保证彼此之间不产生相互的干扰。这种方法频率利 用率低，并且在接收端需要多个滤波器来分离各个信道，这增加了终端复杂度【l o 】。 图2 4 给出了o f d m 系统和传统f d m 系统频谱比较图。 l o f f 图2 6f d m 与o f d m 频谱比较示意图 f i g u r e2 6s p e 咖mc o m p 撕s o no ff d m 锄do f d m 将高速的串行数据流通过串并变换，分散到各个独立的子载波上传输，从而 使每个子载波上的符号周期延长n 倍，这样就可以减轻无线传播多径信道所造成 的时延扩展对系统性能造成的影响；另外，由于o f d m 系统将较宽的系统带宽分 成各个正交的子载波，实际上可以说，如果子载波间的正交性可以严格保证的话， 每个子载波之间是相互独立的。这样就把宽带传输转换成为n 个并行的窄带传输， 而每个子载波由于占用的带宽很窄，因此衰落可以认为是平坦的，这对于减轻甚 至消除频率选择性衰落是非常有利的1 8 j 。 o f d m 系统将经过i f f t 调制后的n 个复值数据中的后心个样本复制于前， 作为循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，与这n 个复值数据构成一个完整的o f d m 符 号，如图2 7 所示。由于多径时延的存在，如果o f d m 符号之间不做任何保护， 那么前一个o f d m 符号的多径分量势必会污染后一个o f d m 符号，产生符号间干 扰( h l t e rs y m b o li n t e 彘r 胁c e ，i s i ) 从而影响判决准确率。c p 就起到在时域上隔离 多径延迟污染的作用，前一个o f d m 符号的时间延迟部分只会进入c p 范围内， 只要c p 长度大于最大多径时延扩展，就可以减轻甚至完全消除i s i 。 i i f f t 输出c pi f f t 输出：c pi f f t ， li ；：骗； 符号n 1符号n符号n + 1 。- - - - - - t 图2 7o f d m 符号加入循环前缀 f i g u 他2 7 o f d ms y m b o lw i t hc p 2 4 2o f d m 系统的调制与解调 o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代就已经提出【13 1 ，但由于器件因素的限制， 并没有得到广泛的应用。2 0 世纪7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散傅里叶变换 ( d i s c r e t ef o u r i e rt r 龃s f o m a t i o n ，d f t ) 实现多载波调制，才使得o f d m 技术得以 真正应用到实际中【1 4 】。 一个o f d m 符号内包含多个经过调制的子载波。令n 表示子载波个数，t 表 示o f d m 符号周期，吐( 扛o ，2 ，3 一1 ) 为每个子载波所承载的数据符号， 旭c f ( r ) = 1 ，i f l 叫2 ，为符号开始的时间，则o f d m 符号的等效低通形式可以 表示为： s ( f ) 2 丢棚( f - f i 一叫2 ) e x p p 抄) j 蜩“ ( 2 1 ) s ( f ) = of r + 图2 8 给出了o f d m 系统的调制与解调框图。 啦 一“亟，k 匝b s ，p啦+翌d- 毒二：圃耋p ，s 端- 苦二：葛亟i 图2 8o f d m 的调制与解调 f i g u 陀2 8o f d mm 0 d u l a t i o n 锄dd e m o d u l a t i o n 每个o f d m 符号在其周期t 内都包含n 个非零子载波。因此其频谱可以看作 是周期为t 的矩形脉冲的频谱，与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。 矩形脉冲的频谱可表示为s i n c ( 1 ，这种函数的零点出现在频率为l 何整数倍的位 置上。图2 9 给出了5 个子载波的o f d m 符号频谱示意图。在每个子载波频率的 最大值处，所有其它的子载波的频谱都恰好为过零点，保证了频谱之间的正交性。 由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，只计算每个子载波上最大值点所对应的 信号值，因此可以从多个相互重叠的子载波符号频谱中提取出每个子载波的符号， 而不会受到其它子载波的干扰。由此可见，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎 斯特准则，即多个子载波频谱之间不存在相互干扰，对应于频域中，只要子载波 频谱的最大值对应于其他子载波频谱的零点，就可以避免子载波间干扰( i i l t e r c a 而e ri n t e f f e r e n c e i c i ) 的出现l 川。 1 2 o f d m 子载波频谱 7 i0 f r 。_ i l 弧a肉a a 7 少 e 、 _- j _ 涉瑚 ，、今锎粥 门 、 v _ 研矽汛踟 江澎泡蜘 频率 图2 9o f d m 子载波频谱 f i g u 他2 9s p e c 佃蚰0 fo f d ms u b 而e 幅 2 4 3o f d m 系统优缺点 o f d m 系统具有如下优点【1 5 】： 在发送端各个子载波的调制以及接收端的解调，可分别利用离散傅里叶反 变换和离散傅里叶变换来实现，并且都有其快速算法：快速傅里叶反变换 和快速傅里叶变换，可以大大降低终端复杂度； 通过串并变换，将高速串行数据打散到多个并行子载波上传输，使得每个 子载波上的符号持续时间显著延长，这样就可以有效的减轻无线信道的多 径传输引起的时间弥散特性带来的影响；并且在时域上加入循环前缀，进 一步消除i s i ，这甚至可以使终端不采用均衡器，就可以获得满意的接收性 能； o f d m 系统不同于传统的f d m 系统，采用多个正交的子载波进行传输，从 而可以极大的提高频谱利用率； o f d m 技术可以方便的实现非对称传输。无线数据业务通常都具有非对称 性，也就是下行数据量往往远大于上行数据量，o f d m 技术可以通过灵活 分配子载波的形式实现非对称传输。 但是，由于o f d m 系统采用多个正交的子载波，最终输出信号频谱为多个子 载波频谱之和，因此相比于单载波系统，存在如下缺点【1 5 】： 易受频率偏移的影响。由于子载波频谱相互覆盖，这就要求各子载波频谱 1 3 严格正交。而频偏就会破坏这种正交性，产生i c i ，影响系统性能； 存在较高的峰均功率比( p e a l 【t 0 a v e r a g ep o w e r 胁i o ，p a p r ) 。o f d m 技术 这种多载波传输方式最终发射的信号，是由多个子载波上信号合成的结果， 因此如果多个信号的相位一致，所得到的合成信号的瞬时功率会远远高于 信号的平均功率，导致较大的p a p r 。这对发射机放大器提出了较高的要求， 需要有较大的线性范围，才能不使信号产生畸变。 2 4 4m 系统中对o f d m 参数的选取 子载波间隔的选取 o f d m 系统中子载波间隔的选取取决于频谱利用率和抗频偏能力的折中【8 l 。当 其他条件不变时，子载波间隔越大，子载波越稀疏，抗频偏性能越好，但频谱利 用率越低。相反的，子载波间隔越小，子载波越密集，频谱利用率越高，但抗频 偏性能越差。 收发信机之间的相对移动引起的多普勒效应，会破坏子载波之间的正交性。 频率偏移尤其会对高阶调制系统产生较严重的影响。因此，适当的选取o f d m 子 载波间隔，是必须要考虑的问题【l6 】。 研究表明，为了将多普勒效应的影响降到可以接受的水平，子载波间隔应保 持在1 1 l ( h z 以上，在高速移动条件下，不会对系统性能造成非常严重的影响。l 1 r e 最终决定在单播i l i c 嬲t ) 系统中采用1 5 l ( h z 的子载波间隔，相应的，不包括c p 的 符号长度为6 6 6 7 s 【。 独立载波m b m s ( d e d i c a t l 甜c a r r i e rm b m s ，d c m b m s ) 业务通常应用在热点 等环境，在这种场景下通常移动速度较低，因此可以考虑使用更小的子载波间隔， 来提高频谱效率。经过研究，最终在d c m b m s 系统中采用7 5 l 【h z 的子载波间隔， 相应的，不包括c p 的符号长度为1 3 3 3 3 脚 c p 长度 c p 为o f d m 符号尾部数据的循环重复，主要用于消除由于多径造成的i s i 。 当最大多径延迟小于c p 长度时，o f d m 符号的信息部分不会受到前一个o f d m 符号多径延迟分量的污染，然而当多径延迟大于c p 长度时，o f d m 符号中信息部 分将受到前一个o f d m 符号的拖尾影响，将不能解调出正确的信息。显然，在理 想情况下，c p 中并不包含任何信息，c p 长度越长，将使频谱利用率越低，因此 也需要在系统性能和频谱利用率之间取一个平衡点。经过研究，l 1 r e 最终确定采 用两种c p 长度，即常规c p ( n o 肿a lc p ) 和扩展c p ( e x t e n dc p ) ，长度分别为4 6 8 7 脚 和1 6 6 7 s ，如图2 1 0 所示。 1 4 4 6 8 7 ， 6 6 6 7 j 培酌6 7 ，岱 常规c p扩展c p 图2 1 0 常规c p 及扩展c p f i g u 佗2 1 0n o n i l a 】c p 锄de x t e n dc p 由于采用了不同的c p 长度，这就使得每个时隙中可容纳的o f d m 符号数不同。 采用常规c p 时，每个时隙中包含7 个o f d m 符号，采用扩展c p 时，每个时隙包 含6 个o f d m 符号。以2 0 m h z 带宽为例，o f d m 参数如表2 2 所示。 表2 2o f d m 参数 t a b l e2 2p a 船m e t e r so fo f d m 配置 c p 长度- ， 1 6 0f 研，= 0 常规c p y = 1 5 l 【h z 1 4 4f o r ，= l ，2 ，6 = 1 5 k h z 5 1 2f i 叮，= 0 ，l ，5 扩展c p v = 7 5 l 【h z1 0 2 4 矗汀，= o ，l ，2 2 5无线信道特征 2 5 1 衰落和多径 无线移动通信信号所经历传播环境的主要特征是多径。电波在空间传输的过 程中，会遇到建筑物、树木等障碍物，这些会引起电波的反射、绕射、散射等， 在接收端所“看到 的接收信号就是许多反射波叠加的结果。由于电波所经历的 各个反射路径距离不同，到达接收端的时间就会不同，相位也会不同。因此不同 相位的多个信号在接收端叠加，导致幅度有时增强，有时减弱，也就引起了接收 信号幅度急剧的变化，产生衰落【1 7 】。 多径包括视距路径和非视距路径两种： 视距路径( l i n eo f s i 曲t ，l o s ) ：接收机和发射机之间的直射路径。 非视距路径( n o nl i n eo f s i g h t ) ：接收机和发射机之间经过反射到达的路径。 1 5 f i 昏玳2 1 1d i a g 髓mo f l o s 锄dn l o s 发送的带通信号复包络可写为 j ( f ) = r e s ( f ) p 力哟) ( 2 2 ) 其中，工是发射信号的中心频率，墨( f ) 是发射信号的包络。在经过多径信号 后，假设第i 条路径长度为而，衰减系数为q ，则接收到的带通信号为 歹( f ) = 莩q ；( ，一詈) = 莩q r e s ( r 一詈) e x p ，2 万正( f 一詈) ) ：r e 军q s ( ，一詈) e x p - ，2 石( z ，一号) ) 2 3 其中，c 为光速，波长旯= c z 。经过整理后，接收信号的复包络可写为 j ，( f ) = r e y ( f ) e x p ( _ ，2 ，r 肛) ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中 夕( f ) = 莩q c x p ( 川石考 ( ，一詈) = 军郴p ( - ，2 m 训 ( 2 5 ) 其中，= 墨c 为时延。式( 2 5 ) 就是接收信号复包络模型。 2 5 2 时间色散及频率选择性 时间色散和频率选择性都是由于不同时延的多径信号在接收端叠加所产生的 效果，决定于发射机、接收机以及周围的环境。这两种效应描述的是同一事物， 只是角度不同，时间色散体现在时域，频率选择性体现在频域。所谓时间色散， 就是把发射端的一个信号沿时间轴展开，使得接收信号的持续时间比发射信号的 持续时间要长。而频率选择性是指多径信道起到多发射信号滤波的作用，对信号 中不同频率分量的衰落不同【l7 1 。 在多径传播环境下，接收信号会产生时延扩展。