（通信与信息系统专业论文）ofdma系统信道估计与时间同步的研究.pdf

型型堂婴盘笙奎l 一y 19 9 帆黜 摘要 随着现代社会对个人通信要求的不断提高，大容量高速率的宽度无线城域网技术 的不断发展，o f d m a 技术作为一种传输效率高，抗干扰性强，易实现的接入模式在 近几年有了很大的发展。除了具有o f d m 接入方式频谱利用率高的优点外，还因自 身的特点而有广阔的应用前景。 本文首先系统的介绍了o f d m a ，并对o f d m a 技术中不同的子载波分配机制进 行讨论，对所提出的子载波分配机制进行了比较。其次通过频率偏移及系统同步性对 o f d m a 系统的误码率等性能的影响进行了研究。我得出了消除频偏及确保系统同步 是保护子载波正交性的必要条件。是改善系统性能的重要研究课题。 在原理分析之后，我仿真了频率偏移和系统同步对o f d m a 系统性能的影响。并 提出了基于结构的o f d m a 频偏及同步估计算法，并对算法的优缺点进行了理论分 析，在实际的工程应用中有较高的价值。 关键词：正交频分多址接入信道估计频率偏移时间同步 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h em o d e ms o c i e t yt h ei n d i v i d u a lc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t sa n dc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t ，h i g h - c a p a c i t y ，h i g i l - s p e e db r o a d b a n dw i r e l e s st e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ， o f d m a t e c h n o l o g yt r a n s f e ra sa ne f f i c i e n ta n t i - j a m m i n gi ss t r o n ga n de a s yt or e a l i z et h e a c c e s sm o d ei nr e c e n ty e a r sh a sal o to fd e v e l o p m e n t i na d d i t i o nt oo f d ma c c e s st h e a d v a n t a g e so fh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y ，b u ta l s od u et ot h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh a s w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e so f d m as y s t e m a t i c a l l y ，t h em u l t i p l e c e s s t e c h n i q u ei no f d m a i sd i s c u s s e da l o n gw i t ht h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n ts u b c a m e r a s s i g n m e n ts c h e m e s s e c o n dw ed e a lw i t ht h ee f f e c t so f r e s i d u a lt i m i n ga n df r e q u e n c y o f f s e t so nt h es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) p e r f o r m a n c eo fa no r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( o f d m a ) s y s t e m p r o p e rf r e q u e n c ya n dt i l i l i n gs y n c h r o n i z a t i o ni s n e c e s s a r yt om a i n t a i no r t h o g o n a l i t ya m o n gt h ea c t i v eu s e r s s oh o wt oo v e r c o m et h e s e d i f f i c u l t i e sa n di m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c eh a sb e c a m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w es i m u l a t i o n sa n da n a l y s i sb yc o m p u t e rs h o wt h a tt h e f r e q u e n c ya n dt i m i n go f f s e t sa f f e c tt h eo f d m a s u b c a r e e r sd i f f e r e n t l y k e yw o r d s ：o f d m a ；f r e q u e n c yo f f s e t s ：c h a n n a le s t i m a t e ；t i m i n gs y n c h r o n i s m 武汉邮电科学研究院硕士论文 第1 章绪论 1 1o f d m a 及其关键技术 正交频分多址接入技术( o f d m a ) 是将o f d m 技术和f d m a 技术相结合的多 址接入技术。o f d m a 正是本课题的研究主题。o f d m a 以f d m a 调制为基础，通 过给每一个用户一定数量的子载波来实现多用户的接入，在频率选择性衰落信道中有 较强的抵抗衰落的能力。近年来，由于支持多用户的无线宽带网络技术的发展， o f d m a 技术迅速发展并应用其中。 o f d m a 与一般的多载波调制方案有所不同，o f d m a 给不同的用户分配不同的 子载波，因此在o f d m a 中只要频率和时间偏移保持在足够低的限度内，就可以完全 消除码间干扰和子载波间的干扰。在o f d m a 中，使用跳频技术可以进一步克服多经 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，降低了系统的复杂性。借助于动态信道 分配算法，它能自适应分配给不同用户的子载波数，实现可变速率的传输。从这一点 看，更有利于大数据率数据的传输。从而可适应未来无线传输业务的需要。因此， o f d m a 是非常灵活的多址方案。 o f d m a 主要有以下几个关键技术。1 时间频率同步：由于o f d m a 各子载波的 解调是由f f t 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o f d m 各子载波相互重叠，为了保证他 们的正交性，频率也必须同步j 时间和频率同步分为初始捕捉和精确跟踪两个阶段。 2 功率控制：上行链路的功率控制可以消除基站端接收信号的不稳定，降低总体平均 功率和小区干扰，并可提高传输性能，从而可提高系统容量。3 突发跳频：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，同一小区的各用户跳频图案是相互正 交的，因此在同步的情况下，不会出现小区内干扰基站根据不同的业务和传输的需要， 灵活分配跳频图案4 动态链路分配：由于o f d m a 是给不同用户分配不同的子载波实 现多址连接，所以可根据各子载波的信号质量灵活分配用户信道避开信号受损的信 道，提高传输质量 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 2 本论文体系结构 为构建一个全球无缝连接的无线网络，确保支持多址方式的m a n ( m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) 和w a n ( w i d ea r e an e t w o r k ) 间的高速无线联络，在本文中，我对支持多 用户多载波技术的o f d m a 技术进行了研究重点研究了o f d m a 的时间和频率同步 的问题。 本论文在第二章i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议进行了简介，较全面的介绍了无线城域 网的协议体系结构第三章o f d m 系统的发展和原理进行了详细的描述，分析了 o f d m a 在实际应用中的优点和巨大应用前景。第四章对基于o f d m a 的无线宽带城 域网系统性能影响很大的时间同步和频率偏移进行了研究发现在传输的数据块中存 在周期性的特征，并依据此结构采取了基于结构的快速准确的c f o 估计统计算法，并 分析其在实际应用中的优缺点第五章对上述问题进行了分析和仿真，并对改善系统性 能提出了合理建议在论文的最后进行了全面总结，对基于o f d m a 的无线城域网发展 作出了预测，并提出了未来的研究方向 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议 i e e e 8 0 2 1 6 l a n m a n 标准委员会是局域网和城域网标准最权威的标准制订者 和世界领导者。于1 9 9 9 年成立的8 0 2 1 6 工作组为1 6 6 6 g h z 频段的宽带无线接入系 统制定规范，其主要任务为开发宽带无线接入系统标准，包括接口及其有关功能标准。 在8 0 2 1 6 标准中，无线城域网利用建筑物室外天线和中心基站间的通信来提供 网络接入服务，相当于一种有线接入网络的替代方案。由于无线系统可以进行大范围 的覆盖，而无需为每用户敷设价值昂贵的基础线缆设备，因此更加经济，更有利于宽 带接入的普及。 8 0 2 1 6 标准包括多个空中接口，使用一个共同的m a c 层和使用一个取决于所使 用的频率及相关电信法规的不同物理层规范。以于2 0 0 1 年批准的8 0 2 1 6 协议涉及 1 0 6 6 g h z 频段。该频段目前在全世界范围内都可以使用，但由于频率过高，波长太 短，实际实施中将面临很大的挑战。8 0 2 1 6 a 是对8 0 2 1 6 的一个修订。为了确保无线 宽带信号在非视距情况下正常传输，有较小的雨衰和较大的传输覆盖面积，低造价， 故在2 1 l g h z 频段上，对m a c 层和物理层做了补充规定，2 0 0 3 年1 月底一个新的 规范8 0 2 1 6 a 协议已经完成并获得批准。它对空中接口的支持扩展到2 1 l g h z ，其中 包括许可证频段和免许可证频段。与1 0 6 6 频段相比虽然速度有所降低，但可以以更 低廉的价格覆盖更多的用户，从而实现真正意义上的面向家庭和中小企业的接入服 务。预计基于8 0 2 1 6 标准的网络可以覆盖4 8 k m 的距离，并能以最高达7 0 m b s 的传 输速率传输速据，语音，视频图像。此外i e e e s 0 2 1 6 出色的非线性站点性能可以显 著的提高运营商目标服务区的覆盖范围。 2 1i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议标准总体框架结构 i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议标准是按照两层结构体系组织的，定义了无线宽带接入 系统的空中接口部分，包括物理层和层，毫米波频率范围点到多点拓扑结构，用 户站和基站部分。 由于具有相似的点到多点结构体系8 0 2 1 6 m a c 层标准延续了d o c s i s 标准的内 容。该标准是一个基于连接的标准，其a t m 和基于分组的汇聚层可用接受来自各种 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 上层的协议数据，空中接1 3 提供全q o s 支持，8 0 2 1 6 接入系统要高效的满足终端多 个连接和多种q o s 需求，他利用各种请求机制平衡无需竞争接入的稳定性和竞争接 入的效率。m a c 一个重要的特性是可用选择基于每个用户端分配带宽还是基于每个 连接分配带宽。提高了带宽效率。 m a c 层可支持多个物理层，这些物理层进行了优化以支持多个应用频带，该标 准还包括一个特殊的可广泛应用于1 0 6 6 g h z 之间各种系统物理层实现方案。为了确 保非可视环境下的无线服务，8 0 2 1 6 a 在2 1 l g h z 进行了定义，对8 0 2 1 6 协议进行了 补充。 p h y 始控翻洱面管理平面 图2 18 0 2 1 6 协议参考模型 最底层是物理层，该层主要是关于频带带宽，调制模式，纠错技术，发射机和接 收机间同步以及数据传输时分复用方面的。在物理层之上是介质访问控制层，它主要 负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。 i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 的m a c 层包括3 个子层：( 1 ) 汇聚子层( c s ) 。该层根据所需提 供的服务的不同提供不同的服务功能。8 0 2 1 6 定义了2 种类型的会聚子层a t m 会聚 子层和p a c k e t 会聚子层，它的主要作用是对上层的业务数据单元进行分类，把它们 和适当的m a c 连接对应起来，以确保不同业务的q o s 。( 2 ) 共同部分子层( c p s ) 。 它提供了m a c 层的核心功能，( 3 ) j j l 密层。提供基站和用户站之间的保密性，它包括 两部分，一部分加密封装协议，负责空中传输分组数据加密，另一部分是密匙管理协 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 议，负责基站到用户基站之间的密匙的安全发放。 2 2i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议物理层简介 2 2 1i e e e 8 0 2 1 6 协议物理层简介 1 0 6 6 g h z 频段是视距传输频段，单载波调制是其自然的选择，这种空中接1 ：3 被 定名为“w i r e l e s s m a n s c ”。由于使用点对多点的结构，在下行链路上基站通过发射 t d m 信号，为单s s 进行串行时隙分配。上行链路采用t d m a 方式。这样的突发结 构设计使t d d 和f d d 可以采取相似的方式。 i e e e 8 0 2 1 6 协议支持多种调制技术，可根据信道质量和用户要求选择q p s k 1 6 q a m6 4 q a m 调制，来满足信道质量和传输速率要求。定义了两种工作方式t d d 和f d d ，两种工作方式都可以支持自适应的突发数据传输格式，这种传输机制支持 自适应的突发业务数据，不同的突发可以采取不同的调制方式和编码方式。传输参数 可以动态调整。物理层的上行链路采取t d m a ( 时分复用) 和d a m a ( 按需分配) 的混合接入方式。上行信道分为多个微时隙，由m a c 层控制着些微时隙的分配，根 据用户的不同需求分配时隙，更好的利用上行信道资源。下行链路一般采用t d m 方 式，下行数据采用时分复用的方式发出，数据按照稳健性降序排列，各个用户基站根 据报头的目的地址接受发给自己的数据，在增加少许复杂性的基础上，i e e e 8 0 2 1 6 同样也提供了对半双工f d d 方式的支持。 物理层的数据是以帧为单位传输，可选帧长为o 5 ，1 或2 m s 。每一帧的下行数 据经过扰码，f e c 编码，映射等过程发送，如图2 2 所示， 咂卜吨卜川蛩刮羹矍协 屯卜堰哥吨哥囡静糌 图2 2 8 0 2 16 协议物理层传输过程 2 2 2i e e e 8 0 2 1 6 a 协议物理层简介 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 i e e e 8 0 2 1 6 a 协议涵盖2 11 g h z 范围内的许可证频段和免许可证频段。符合 i e e e 8 0 2 1 6 a 协议标准的系统可以选择3 个空中接口中的一个。设计2 1 1 g h z 频段 的物理层要考虑非视距的情况，在2 1 1 g h z 频段，i e e e 8 0 2 1 6 a 定义了3 种空中接 口，w i e r l e s s m a n s c 2 采用单载波调制，支持t d d 和f d d 双工方式，上行链路 采用t d m a 多址方式，下行链路采用t d m 复用方式，可以采用s t c 发射分级以及 a a s ( 自适应天线系统) 。w i r e l e s s m a n o f d m 采用2 5 6 点o f d m ，上行接入采用 t d m a 作为多址方式，下行链路采用t d m 复用方式，可以采用a a s 和s t c ，这个空 中进口对于免许可证频段是必选项。w i r e l e s s m a n o f d m a 采用2 0 4 8 点o f d m a 多址接入方式，对每一个用户提供的载波集进行多路传输，支持t d d 和f d d ，支持 s t c 和a a s 。 2 3i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议m a c 层简介 2 3 1i e e e 8 0 2 1 6 协议m a c 层简介 媒体接入控制是m a c 层的主要功能，m a c 控制着相互竞争的用户之间如何分 配信道资源。i e e e 8 0 2 1 6 标准使用的是按需分配多路寻址一时分多址 ( d a m a t d m a ) 技术，按需分配多路寻址技术是一种根据多个站点之间的容量需 求不同而动态的分配信道的技术。i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 的m a c 层都是面向连接的， 并且能够灵活的支持多个物理层。 8 0 2 1 6 m a c 层是基于物理层的子层，面向连接并支持多个物理层，负责将数据 组成适当的帧格式以便物理层传输及对用户数据传输进行控制，由3 个子层组成。1 会聚子层( c s ) 。该层根据不同的业务提供不同的功能，对于8 0 2 1 6 来说，能提供的 服务包括数字视频音频广播，数字电话，a t m ，因特网接入，电话网络中无线中继和 帧中继。8 0 2 1 6 定义了两种类型的会聚子层：a t m 会聚子层和数据包会聚子层，它 主要作用就是对上层s d u 进行分类，把它们和适当的m a c 连接对应起来，确保不 同业务的q o s 。公共部分子层是m a c 层的核心，控制系统接入，连接建立和维护， 分配带宽等。3 加密子层。 下面分别对m a c 层的结构和机制进行说明： 1m a cp d u ：m a c p d u ( 协议数据单元) 可以传输普通用户的数据，也可以传输管 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 理信息。由一个长4 8 b i t 的m a c 报头，可变长度的有效载荷和c r c 校验码组成。 如图所示： m a c 报头有2 种形式，通用m a c 报头和带宽请求m a c 报头。分别构成了通 用m a cp d u 和带宽请求m a cp d u ，带宽请求p d u 只包含带宽请求报头，不包含 载荷，其他p d u 都包含载荷。负载种也可以有子头，为拆分子头和打包子头。8 0 2 1 6 a 种又增加了网格子头，用来标识网络中的节点。如果这种子头存在，它应该在其他子 头的前面。 2m a c 层连接：i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 有一个灵活的m a c 层，是面向连接的， 所有业务包括一些无连接的业务也要映射到一个连接上进行传输。每个连接具有一个 1 6 b i t 的连接标识符，s s 在进入网络以后，每个方向都会分配3 个管理连接分别是： 基本连接，用来传输较短的对时间要求严格的m a c 控制消息和r l c ( 无线链路控制) 消息。主要管理连接，用来传输鉴权和建立连接等消息。辅助管理连接，用来动态主 机配置和辅助网关设置等消息。 3m a c 层管理消息，8 0 2 1 6 协议定义了一系列m a c 管理消息，其中包括：( 1 ) u l m a p 消息，它是一个长度可变的m a c 管理消息，定义了上行链路的发射时机， 包括一个固定长度的消息头和一个消息实体，其中每个消息实体都定义了一定的时间 范围内微时隙的使用情况。( 2 ) d l m a p ( 下移动部分) 消息，b s 发给s s 消息，定义 了下行链路的相关信息。( 3 ) u c d 消息，b s 周期性的发送一个消息，定义了上行链 路的物理信道的相关特征。( 4 ) d c d 消息。用来定义下行物理信道的特征。 4m a c 层调度业务：总共有4 种类型的调度业务：( 1 ) 主动授权业务( u g s ) 用来支持周期性，定长分组的c b r 业务流j ( 2 ) 实时查询业务，用来支持周期性， 变长分组的v b r 业务。( 3 ) 非实时查询业务。( 4 ) 尽力而为业务。 5 带宽请求和分配，带宽请求和分配是m a c 层的一个重要机制，在标准中规 定各s s 采用t d m a 共享上行信道。首先s s 提出带宽请求，向b s 上报业务量信息。 b s 根据整个系统的业务量分配空中带宽资源。s s 向b s 请求带宽有两种方式：一种 是单独请求方式，另一种是捎带请求方式。当s s 提出带宽请求后，b s 会有两种带宽 分配方式：( 1 ) g p s ，b s 单独为某个连接分配带宽，适合于s s 对应的用户很少的情 况。( 2 ) g p s s ，b s 为整个s s 分配带宽，s s 再负责带宽的具体分配。 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 3 2i e e e 8 0 2 1 6 a 协议m a c 层简介 8 0 2 1 6 am a c 层在8 0 2 1 6m a c 层的基础上又增加了一些功能，相对于8 0 2 1 6 m a c 层而言，它主要具有以下特点。 l 、支持网状拓扑结构：8 0 2 1 6 a 标准支持网状( m e s h ) 拓扑结构，s s 之间也 可以直接通信，并且b s 和s s 之间也可以通过其它的s s 间接通信。在p m p 网络 中资源的管理和分配由b s 负责，而在m e s h 网络中，可以采用集中式调度方式，或 者采用分布式调度方式。如果受用集中式调度方式，由m e s hb s 节点收集所有m e s h s s 结点的资源请求，为它们分配一定的带宽资源；如果采用分布式调度方式，包括 m e s hb s 和m e s hs s 在内的所有节点之间相互协调，充分利用资源。 2 、支持o f d m 和o f d m a 。 3 、新增a r q 机制：a r q 作为一种纠错方式，适用于存在较多突发噪声及干 扰的无线链路中。每个连接建立时，确定是否采用a r q 机制。在发送端为每个数据 包添加一个包含序列号的a r q 报头，然后放入重发队列中，发送端根据窗算法确定 发送新的数据包还是重新发送旧的数据包。接收端在接收到每个数据包以后进行检 验，然后通过a r qf e e d b a c ki e 发送确认信息，如果在规定的时间内数据包没有等 到确认，就需要重新发送这个数据包。 4 、支持自适应天线系统( a a s ) ( 可选) ：采用a a s 可以提高系统的性能， 在8 0 2 1 6 a 标准中规定，a a s 可以在s s 分配的专用时隙内通知b s ，b s 就可以调 整天线阵列的位置以便更好地接收信号。 5 、新增d f s 机制：对于免授权频段即5 - 6 g i - i z 内的系统，新增了d f s ( 动态 频率选择) 机制来减少外界的干扰，在这个频段存在较多的外界干扰，8 0 2 1 l a 无线 局域网也使用了这个频段。采用d f s 机制，b s 可以定期地对信道进行检测，选择 合适的信道。b s 也可以发送包含r e p o r tm e a s u r e m e n ti e 的d i e sm a p 消息请求s s 进行信道测量，如果检测到这个信道存在其它的用户，及时向b s 报告，更换新的信 道。b s 可以根据各种信息，包括在s s 初始化阶段得到的信息以及b s 和s s 测量得。 到的信息，再使用某种算法来选择新的信道。 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 4 本章小结 本章对i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议进行了简介，首先对i e e e 8 0 2 1 6 工作组及其所 从事的工作进行了简介，对i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议的总体框架结构做了说明。其 次，分别对i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议的物理层和m a c 层的结构，功能机制做了详细 的说明。阐述了协议提出的多种物理层和m a c 层的可选择的结构。 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 第3 章i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议中的o f d m a 随着大容量，高速率的宽度无线城域网技术的不断发展，o f d m a 技术作为一种 传输效率高，抗干扰性强，易实现的接入模式在近几年有了很大的发展。除了具有 o f d m 接入方式频谱利用率高的优点外，还因自身的特点而有广阔的应用前景。本 章在介绍o f d m a 码元符号的基础上，详细阐述了其子载波分配及子信道的划分，并 对子载波交织的o f d m a 信号传输进行了理论的推导，依据其数据块结构特点对信号 进行详细的分析和推导。 3 1o f d m a 符号描述 3 1 1o f d m a 帧结构基础 l 【+ l l c + 3k + 5 l ( + 1 5 f c h v l 玎l 广b 1 口一t d 啊 3 # l m p d i _ b 1 1 1 f f t a # l p d l b u r ，t d l - b t t r 墨t水 槿d l r b m 譬t 幅 参数信号 u l - b u r s t # l v l r b u r 互t 槿 伢b x x r z t 柏 伢b 屯x x - s t 槲 u l - b w r _ t 幅 扫描子信道 x 十3 口 i 汁3 l f c h 帧 v 前 l 舟 啊 同 步 r 码 d lt t gr t g - _ 争 图3 1o f d m a 帧结构示意图 图3 1 描述了时分双工模式的o f d m a 帧结构。每一帧分为d l 和u l 子帧，分 别被t t g ( t r a n s m i tt r a n s i t i o ng a p s ) 和r t g ( r i e i e v et r a n s i t i o ng a p s ) 隔离。每一个 d l 子帧开始部分为前同步码，紧跟其后的是帧控制头f c h ，d l m a p , u l m a p 。 f c h 保存d l 帧前缀d l f p 的信息，它定义了突发信息及d l m a p 的长度，d l f p 是一个数据结构，在每一帧开始时刻传输并保持当前帧的信息，是f c h 的映射。 依据o f d m a 规范，一个d l m a p 信息，如果要在当前帧中传输，必须是紧随 f c h 之后的第一个m a c p d u 。u l m a p 信息将紧随d l m a p 或d l f p 之后。如果要 1 0 子载波逻幔值 武汉邮电科学研究院硕士论文 在帧中传输u c d 和d o w n l i n k 信息，它们将在u l m a p 和d l m a p 之后传输。 3 1 2 时域描述。 在发射端经过反傅里叶变换产生了o f d m a 码元。如图3 2 所示： 、 缓珍 啼t , e t - - - t b 嗉 图3 2o f d m a 码元时域描述 其有效持续时间为有用符号周期t b ，将t b 的最后t g 微秒复制后放到码元的 最前端，从而构成了完整的符号时间t s ，前端的t s 称为循环前缀，用于采集多径， 以保证载波间的正交性。 3 1 3 频域描述 图3 3o f d m a 频频谱示意图 、， ，- 名 石 4 2 0 k 刚瞄 眈 。 舵 武汉邮电科学研究院硕士论文 o f d m a 系统包含许多子载波组，每个子载波组包含固定数目的子载波，子载波 的数目决定了f f t 变换的点数。共有3 种类型的子载波：数据载波、导频载波和空 载波，其中前者用于数据码元的传输；中者用于系统同步、控制等信号的传输；后者 不作任何传输，只用于保护带和直流( d c ) 载波。 在o f d m a 中，将可用子载波分成组，每一组称为一个子信道。在下行方向上， 一个子信道可以指定给不同的接收机，基站( b s ) 产生若干个数据流，每个数据流 发送给不同的用户组，因此不同用户站在时间上是并行发送数据。在上行方向上，每 个逻辑流由一个用户站产生，一个发射机可以分配一个或多个子信道，几个发射机可 以并行发送。组成一个子信道的子载波可以相邻也可以不相邻。 3 2o f d m a 子信道划分 o f d m a 是在o f d m ( 正交频分复用) 技术的基础上发展起来的。在数字视频 音频广播( d v b t d a b ) 、无线局域网( i e e e 8 0 2 1 1 s 耐a l 、h i p e rl a n 2 ) 、 数字用户线( xd s l ) 等领域中，o f d m 都得到了广泛的应用。 由于o f d m 技术一般是应用于单向广播通信之中的，而大多数的实际通信系统 都是支持多用户并发通信的，所以我们可以对o f d m 做进一步扩展，形成支持多用 户接入的o f d m a 。由于o f d m 调制中子载波之间的正交性及相对独立性，每一个 子载波都可以以一个特定的调制方式和发射功率电平为特定用户传输数据。通过为每 个用户分配这些子载波组中的一组或者几组子载波组，就得到了一种新的多址方式 o f d m a 。o f d m a 类似于常规的频分复用( a f d m ) ，f d m a 是通过带通滤波器来 分离用户信道的，但o f d m a 不需要f d m a 中必不可少的保护频带，从而避免了频 带的浪费。同时还允许子载波间有一定重叠，提高了子载波利用率。此外，o f d m a 的 分配机制非常灵活，可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量，可以用一组 或者几组子载波为某一用户服务，并且可以在不同的子载波上采用不同的调制机制及 发射功率来减少干扰，增加传输效率，因而可以达到很高的频谱利用率。 3 2 1o f d m a 的两种基本载波分配机制 1 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 在o f d m a 中，整个频带资源被有效灵活地分割成许多相互正交的子载波，通 过载波分配可以有效地解决载波深度衰落问题。因此，o f d m a 有效地利用了频率资 源及较好的物理层技术进行宽带无线通信。 用户l 用户2 用户k j j- jjljjjl 、 j - - 0 f n a a 子载波心序分配 l 约x 1 2 m 2k 一j，、lj! k i -i- - c b ) 0 f 硼 交织子载波分配 图3 4o f d m a 两种子载波分配方式 如图3 4 所示o f d m a 有两种主要的子载波分配机制，子载波的连续分配及交 织分配机制，n = 1 ，2 k 代表用户。第一种是将整个带宽分配成多个连续的子载 波组，每个组里有连续相临的子载波，给每个用户分配一个或者多个子载波组来传输 数据这种分配方式近似于o f d m ，因此在频率资源使用效率及子载波多样性上存 在一定局限性。第二种是将子载波交织分配，子载波交织分配给每个子载波组，每个 子载波组的子载波分布存在于整个带宽上，并且有相同的子载波带宽。然后分配给用 户一个或者几个子载波组进行数据传输。因此相比较第一种分配方式，第二种有更高 的载波传输效率，有更好的多样特性。 子载波交织的o f d m a 由于子载波间距相等，且均匀分布于整个带宽上，所以 用户可以由己知的一个或者两个子载波推算出其子信道其余子载波在频率带宽上的 位置，而不需要对整个信道进行随机分配。因此，子载波交织的o f d m a 更能有效 地管理整个子信道域，可以通过频带中较小的连续子载波信息而进行管理。 3 2 2o f d m a 子信道划分 o f d m a 子信道是所有有效载波的一个子集合，数据流经过串并变换到各个正 交子载波上后，并行信息码元信号周期远大于串行信息码元周期，再加上保护间隔， 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 基本上消除了码间干扰。为了减轻频率选择性衰落，子信道载波分散存在于整个频谱 的频率范围之中。图3 5 表示o f d m a 子信道的分配原理。 背个子载波 r 1 寻! 、 、jl 、 j- a t k ，、 、一一 一 、 载波组l 载波组2 载波姐l q tt 图3 5o f d m a 载波信道示意图 8 0 2 1 6 a 规定o f d m a 使用2 0 4 8 个子载波，上行链路有1 6 0 个可用载波，下 行链路有1 7 0 2 个可用载波，其余用于保护频带。 有效载波空间被分为个数为n 的连续子载波组。将开始分配的导频信道除外， 每个子载波组包含数量为n e 的连续子载波在下行信道，先分配导频信道形成导频组 以广播形式向s s 发送信息。1 7 0 2 个可用载波被划分为固定位置导频、可变位置导频 和数据子信道。固定位置导频的序号固定不变，可变位置导频的序号中每个符号改变 一次，每4 个符号之后循环。映射完导频之后，剩下的载波可用于数据子信道传送 数据。为了划分数据子信道，首先把余下的载波分成一系列连续的载波组，然后从每 一组中按照基于排列置换的伪随机序列随机分配1 个子载波构成一个子信道集( 也就 是子载波组) 因此，分组的个数就等于每个子信道中的载波数，所以每一分组中的 载波数就等于子信道的数目，故每信道包含n g 个子载波，且随机分布于整个频谱上。 实际上，o f d m a 原理是由不同的用户分享上行数据流f f t 空间，传输时占用 一个或多个子信道。在子信道的分配上采用的是o f d m 原理，每一个子信道数为可 用信道数的1 n = 1 3 2 ，也就是说2 0 4 8 个载波共分为3 2 组信道，向下传输每组信道包 含4 8 个相互正交、随机非连续交织分布子载波，向上为5 3 个。 向上数据流是由多个不对称的低速多点对点子信道组成，向下传输数据流时，所 有的子信道并行传输数据。在上行信道，每一个信道有自己的导频组，为自身s s 服 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 务。首先将1 6 9 6 个可用载波划分为子信道，然后从每个子信道中指定导频。因此， 在下行中有一个公共导频组，而在上行中每个子信道都有自己的导频组，这一点是必 要的。因为在o f d m a 中基站( b s ) 下行链路是以广播形式向所有用户( s s ) 发送 信息，而在上行链路每个子信道可能是由不同5 5 占用的。因此上行链路中每个子信 道中有5 3 个载波，而不是下行的4 8 个。在5 3 个载波中有4 8 个数据载波，1 个固 定位置导频和4 个可变位置导频。可变位置导频的序号中每个符号改变1 次，每1 3 个符号之后循环。 表3 1 为o f d m a 上下行链路子载波分配表 表3 1o f d m a 上下行链路子载波分配表 o f d m a 下行链路载波分配o f d m a 上行链路载波分配 载波名称数值量载波名称数值量 d c ( 直流) 载波数 ld c ( 直流) 载波数1 左边保护带载波数 1 7 3 可用载波数 1 6 9 6 右边保护带载波数 1 7 2 左边保护带载波数 1 7 6 可用载波数 1 7 0 2 右边保护带载波数 1 7 5 总载波数 2 0 4 8 子信道数3 2 可变位置导频数 1 4 2 每个子信道包含载波数5 3 固定位置导频数 3 2 每个子信道包含数据载波数 4 8 可变和固定位置导频重合数 8 总导频数 1 6 6 数据载波数 1 5 3 6 子信道数 3 2 每个子信道包含的载波数 4 8 每个子信道的数据载波数 4 8 3 3 子信道交织的o f d m a 3 3 1o f d m a 系统数学描述 o f d m a 系统为多载波多址接入系统，为了清楚说明o f d m a 系统性能，我们 以每个用户的一个子载波为研究对象。设o f d m a 系统共有n 个用户，且系统为每 1 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 个用户分配一个子载流所以系统共有n 个载波载波频率间距等于零，其中t 为符号 持续时间。用户k ( k = 0 ，1 ，n 1 ) 发送的信号 s 七( 垆r 。 a ie 2 靠( 3 - 1 ) 其中f k = f 0 + k t 为载波频率和信号时钟频率l t ，俞为第一个子载波的 频率，所有的用户有相同的信号时钟频率。 用于保证n 个用户调制信号正交性的时钟和载波同步信号，由下行发送的导频 信息来获得，每一个解调器都从这些公共导频信号中得到自己的载波频率和符号定时 信息。 为了不失一般性，我们假设向上数据流信道采用q p s k 调制方式，且频率& 一 直分配给第k 个用户( k = 0 ，1 ，n 1 ) 。( 虽然在实际应用中载波频率可以 根据需要动态分配。) 如果信道为a w g n ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信道，上行传输到b s 的 接收信号r ( t ) 可表示为 一l r ( t ) = s 量( f ) + ，l ( ，) k 皇o ( 3 2 ) 其中n ( t ) 为加性噪声( 包含窄带干扰) 。经过载波频率f o 解调以后，得到 一l x ( t ) = 口足( f ) + w ( r ) 所以当载波为& 时，式( 3 3 ) 可以表示为 ( 3 3 ) x t ( t ) ：n - i 口茁( ，) p j 2 x ( a - f o ) t + 川) ( 3 4 ) 其中w ( t ) 为基带等效加性噪声，a k ( t ) 为第k 个用户的信号，其表达式为 a k ( t ) = ，肘( m ) r e c t ( t - m t ) ( 3 - 5 ) 1 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 她m ( m ) 为用户k 在第m 个码元间隔内发送的码元，r e c t ( t ) 为时间间隔 0 ， t 内的矩形脉冲。 经过解调以后的信号再以采样速率n t 采样，这样就在每个符号时间t 内得到 了n 个等间距的信号采样点。在第m 个符号时间，采样器产生了一个n 点的序列： x 。( m ) ：芝吼( 研) 2 砌h + ( 聊) ( 3 6 ) 除去一个标度因子1 n 之外，序列x n ( m ) ，1 1 = 0 ，l ，n l ，是a k ( m ) ，k = 0 ， l ，n 1 的反离散傅立叶变换( i d f t ) ，是在第m 个码元间隔传输的码元序 列。所以用户的信号可以用n 点的离散傅立叶变换( d f t ) 来恢复，因此接收机是 一个o f d m 接收机。 在上行链路中，由于系统的多点到点的属性相当于加法器，使得在上行接收到 的信号是一个o f d m 信号，可采用离散傅立叶变换来解调，这就要比用n 个传统的 f d m a 解调器简单得多。 3 3 2o f d m a 周期结构系统数学描述 假设一个子载波交织的o f d m a 系统有k 个用户及n 个子载波，包括所有的 数据子载波、导频子载波，共有子载波数为n ，分别标示为( o ，l ，n 1 ) 。 n 个子载波可以子载波交织方式分为q 个子信道( 子信道分别标示为q = 0 ， l n 1 ) 。 所以每个子信道共有p = n q 个子载波，当子信道标示数为q 里时，子 载波分别为( q ，q + q ，( p - 1 ) q + q ) 。 假设每个用户仅占据一个子信道，则用户k 占据的子信道为 q ，p 个己调制 并在其p 个子载波上传输的码元可表达为 x 乎，x r ，x 。】r 。第k 个用户其载波子 信道 q 皈) 的信道频率响应可表示为 h 铲，h ：n ，h 。】r 。信号经过信道传输，并且 去除循环前缀后，得到的n 个o f d m a 数据块信号抽样为 r ( o ) “1 ) r ( n - d ) 。 1 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 r ( t ( 刀) ：p - 1 日箩夥2 z ( 力+ a ”川：2 f ( g ”川芝日箩x 2 棚h ， p = 0 p = o ( 3 7 ) ( 其中q 2 ) = ( g + 孝1 ) q 为定义的有效频偏值) 可以用q x p 阶矩阵表示为 解r 怒 l i ” i b ( 一尸) 也可表示为a = v ( u 固( b w ) ，其中v 和u 分别为 1 p ，2 x o ( 1 ) 1 2 2 x o ( 七) p j 2 x ( q 一1 ) 臼( 1 ) 2 j 2 7 r ( q 一1 ) p ( 克 ( 3 9 ) 式