（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216e的ofdma通信系统的同步技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着通信技术的发展，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技 术发展的趋势。在宽带移动化方面，i e e e8 0 2 工作组先后指定了w l a n 和w i m a x 等技术规范，意图能沿着固定、游牧便携、移动这样的演进路 线逐步实现宽带移动化，其中，i e e e $ 0 2 1 6w i m a x 是宽带移动的重要里 程碑，促进了移动宽带的演进和发展。 w i m a x 存在i e e e s 0 2 1 6 d ( 固定版) 和i e e e s 0 2 1 6 e ( 移动版) 两个 版本，由于8 0 2 1 6 d 只支持固定宽带无线应用，商业模式主要是对固定接 入手段的有效补充，已经不是市场发展的重点；而8 0 2 1 6 e 全面支持固定、 便携、以及移动模式下的各种应用，代表w i m a x 技术发展的方向。加上 1 6 e 前向兼容1 6 版本，i n t e l 、西门子、摩托罗拉、诺基亚、三星、阿尔 卡特、北电等国际主流厂商都已确定8 0 2 1 6 e 为其主导产品标准：因此本 文主要对基于8 0 2 1 6 e 的w i m a x 系统进行分析。 本文主要研究了基于i e e e8 0 2 1 6 e 的o f d m a 系统的同步技术，分析 了载波同步、采样同步和符号定时同步对系统性能的影响，结果表明：载 波频率偏差和采样间隔偏差破坏子载波正交性引起i c i ，载波相位差、符 号定时偏差和采样定时偏差只引起信号的相位旋转；其次，对当前已有的 同步算法进行了概述：数据辅组型算法和非数据辅组型算法；之后详细介 绍了分组检测、符号定时、载波频率同步和载波相位跟踪的算法，针对 m l 同步算法进行了迭代改进，该算法大大提高了计算速度，另外，还通 过对各种同步方法进行比较，采用一种最优的方案对o f d m a 系统进行完 整的同步偏差估计，最后，用m a t l a b 工具实现同步方案的仿真和性能 分析，结果显示该同步方案符合了标准一定精度的要求，在实际的应用中 具有较高的参考价值。 关键词：o f d m a ，多载波调制，符号间干扰( i s i ) ，载波间干扰( i c i ) 重庆邮电大学硕士论文 摘要 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 n ，b r o a d b a n do fm o b i l e a n dm o b i l eo fb r o a d b a n db e g i na san e wt e c h n o l o g yt r e n d i nb r o a d b a n d m o b i l e ，i e e e8 0 2w o r k i n gg r o u ph a sd e s i g n a t e dt h ew l a nt e c h n o l o g ya n d t h ew i m a xs t a n d a r d s ，i n t e n d e dt of o l l o wt h ef i x e d 。n o m a d i c p o r t a b l ea n d m o b i l el i n eo ft h ee v o l u t i o no ft h ep r o g r e s s i v er e a l i z a t i o no fb r o a d b a n d m o b i l e ，w i t hi e e e 8 0 2 16w i m a xa sab r o a d b a n dm o b i l e i m p o r t a n t l a n d m a r k ，i tp r o m o t e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l eo fb r o a d b a n d w i m a xh a si e e e 8 0 2 1 6 d ( f i x e dv e r s i o n ) a n di e e e 8 0 2 1 6 e ( m o b i l e e d i t i o n ) t w ov e r s i o n s a s 8 0 2 16 do n l y s u p p o r t sf i x e dw i r e l e s sb r o a d b a n d a p p l i c a t i o n s ，b u s i n e s sm o d e li sm a i n l yo nt h ef i x e de f f e c t i v em e a n sa n dt h a t m a r k e ti sn o tt h ef o c u so ni t ；8 0 2 16 es u p p o r tf i x e d ，p o r t a b l ea n dm o b i l em o d e o fa p p l i c a t i o n ，i ta p p l y sf o rt h ed i r e c t i o no fw i m a x t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a n d16 ei su pf o r16 - c o m p a t i b l ev e r s i o n ，i n t e l 、s i e m e n s 、m o t o r o l a 、n o k i a 、 s a m s u n g 、a l e a t e l 、n o r t e la n do t h e ri n t e r n a t i o n a lm a i n s t r e a mm a n u f a c t u r e r s h a v ee s t a b l i s h e d8 0 2 1 6 ea st h e i rl e a d i n gp r o d u c t ss t a n d a r d t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e do f d m as y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n t h ei e e e8 0 2 16 es t a n d a r d b a s e do nm a t h e m a t i c a la n a l y s i so fo f d m a s y n c h r o n i z a t i o n ，t h ee f f e c t so fo f d m as y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s ，s u c ha sc a r r i e r o f f s e t ，s a m p l ee r r o ra n ds y m b o lt i m i n ge r r o r ，a r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n ds a m p l ei n t e r v a le r r o ri n t r o d u c ei n t e r c a r r i e r - - i n t e r f e r e n e e ( i c i ) ，a n dc a r r i e rp h a s ee r r o r ，s y m b o lt i m i n ge r r o ra n ds a m p l et i m i n g e r r o ri n t r o d u c e s i g n a lp h a s e c i r c u m v o l u t i o n t h e n ，w es u m m a r i z e d s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m st h ep r e d e c e s s o rh a sa l r e a d yd o n e ：d a t a a i d e d e s t i m a t i o na n dn o n d a t a a i d e de s t i m a t i o n l a s t ，a g a i n s tm ls y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m ，a ni t e r a t i v em la l g o r i t h mi sp r o m o t e d ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v et h e s p e e d ，c o m p a r eo ft h ev a r i o u ss y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s ，w ec h o s ea no p t i m a l u s eo fap r o g r a mt oo f d m as y s t e mt o c o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o n e r r o r e s t i m a t e s ，a n dw i t ht h et o o lo fm a t l a b ，w ea n a l y s i so fb e ra g a i n s to fs n r ， i ta p p l i e sw i t hh i g h e rv a l u ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：o f d m a ，m u l t i s e r v i c e s ，i s i 。i c i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 壑电太堂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 的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：弓长万彳甬签字日期： 娜夕年j 为锣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废鲣虫太堂有关保留、使用学位论 文的规定，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， 允许论文被查阅和借阅本人授权重庆鲣曳太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：农荔功匆 导师签名： 签字日期：沙p ) 年厂月谚日 签字日期： 吵年，月少日 1 1 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 随着i n t e r n e t 的迅速发展和用户对数据通信需求的快速增长，全球通信 产业技术的发展呈现出三大趋势：无线化、宽带化和i p 化。互联网业务的 发展推动了市场对宽带网络的需求，宽带用户数量在全球呈现出非常强劲 的增长态势。在众多的宽带技术中。无线技术尤其是移动宽带技术成为近 年来通信技术市场的最大亮点，是构成未来通信技术的重要组成部分。当 前支持宽带无线接入的w i m a x 技术受到了业界的普遍关注，w i m a x 技 术是基于无线城域网i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线技术，可以在固定和移 动的环境提供高速的数据、语音和视频等业务。具有广阔的应用前景作 为i e e e8 0 2 1 6 标准的主流技术，正交频分复用( o f d m ) 和正交频分多址 ( o f d m a ) 技术被广泛地应用到w i m a x 系统的物理层中，特别是后者，它 是支持移动性的i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的基础，因此对o f d m a 技术的研究有 很重要的现实意义。 1 1w i m a x 技术的发展与应用 w i m a x 全称为w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微 波接入互操作性，是一项基于i e e e8 0 2 1 6 标准的新的宽带无线接入城域 网技术。w i m a x 的基本目标是提供一种在城域网接入多厂商环境下，确 保不同厂商的无线设备互连互通；主要用于为家庭、企业，为移动通信网 络提供最后一公里的高速宽带接入目前i e e e 8 0 2 1 6 主要提及两个标准： 8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入标准和8 0 2 1 6 e 支持移动特性的宽带无线接入标 准。 8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 d 的进一步延伸，也是8 0 2 1 6 的增强版本，其目的是 在已有标准中增加对用户移动性的支持该标准规定了可同时支持固定和 移动宽带无线接入的系统，工作在2 6 g h z 适宜于移动性的许可频段，可 支持用户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能 力并不因此受到影响。8 0 2 1 6 e 标准面向更宽范围的无线点对点城域网系 统，可提供核心公共网接入制定8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出 一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方 案。该标准己于2 0 0 5 年1 2 月7 日获i e e e 批准。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 目前，w i m a x 已经在国外得到大量运用，特别是1 6 d w i m a x 芯片的 商用加速了设备市场的步伐，已有多家公司现可提供1 6 d 设备，全球有多 家固定和移动运营商进行了w i m a x 试验，全球3 0 多个国家有1 3 0 个部署 案例，其中3 0 多个商业网络，现阶段其工作的频段主要是3 5 g h z 。 1 2o f d m a 系统的优缺点 正交频分多址接入( o f d m a ) 技术是一种基于o f d m 调制的多用户复用 接入技术，是实现o f d m 系统中多用户复用和接入的最有效方式，近年来 也倍受人们的关注和研究，特别是在i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中，o f d m a 作为 最核心的物理层技术被应用到w i m a x 系统中 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，就可完全消除码间干扰及子载波间干扰o c i ) 。在o f d m a 中，使用跳 频技术可进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 须采用均衡器，降低了系统实现的复杂性借助于动态信道分配算法，它 能自适应调整分配给不同用户的予载波数，实现可变速率的数据传输，从 这一点看，更有利于大数据率的传输，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 由于o f d m a 可以向多个用户灵活分配子载波，并能根据信道状况调 整系统资源的分配，因此它更适合在频率选择性的移动衰落信道使用，与 传统的通信体统相比较，o f d m a 系统有如下优点： 通过可变f f t 点数的o f d m a ，可支持多种信道带宽。 较高的频谱效率，可在子载波级进行分配，具有最大灵活性 o f d m a 中子载波在子信道中的分配无需邻接，有利于实现频率分集。 支持对每帧子载波级传输进行优化的功率控制。由于子载波具有正交 性，无需严格控制功率。 o f d m a 系统存在如下缺点： 易受频偏的影响，由于子信道的频率相互覆盖，这对其正交性提出了 严格的要求。然而由于无线环境存在时变性，在传输过程中会出现无 线信号的频率偏移，如移动导致的多普勒频移，或由于发射机载波频 率与接受机本振之间存在频率偏差，都会使o f d m a 系统子载波之间 的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的相互干扰( i c i ) 。 重庆邮电入学硕士论文 第一章绪论 存在较高的峰值平均功率比，与单载波相比，由于多载波调制系统的 输出是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位致时，得到的 叠加信号的瞬时功率会远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值 平均功率比( p a r ) 这对发射机放大器的线性提出了很高的要求，如果 放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会引起信号畸变，使叠加 信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破 坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 1 3o f d m a 系统的关键技术 o f d m a 作为最核心的物理层技术被应用到w i m a x 系统中，其关键技 术有以下几个方面： 时域和频域同步 由于o f d m 各子载波的解调是通过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，由于o f d m 中各子载波相互重叠，为了保证它们之间的正交性， 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。 信道估计 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的 选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导 频信息也必须不断的传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估 计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又 是相互关联的，因为估计器的性能和导频信息的传输方式有关。 降低峰值平均功率比( p a p r ) 由于o f d m 信号时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当这n 个 信号恰好均以峰值相加时，o f d m 信号将产生最大峰值，该峰值功率是平 均功率的n 信。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了小失真地传输这些 高p a p r 的o f d m 信号，发送端对高功率放大器( h p a ) 的线性要求很高， 从而导致发送效率极低，接收端对前端放大器及a d 变换器的线性度要求 也很高因此，高的p a p r 使得o f d m 系统的性能大大下降甚至直接影响 实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码 技术和基于信号空间扩展等降低o f d m 系统p a p r 的方法。 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联接， 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 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。 o f d m a 系统的同步是整个接收处理的关键，后续的接收处理能否正常 工作直接取决与同步过程的性能。因此本文的主要工作就是对其同步技术 的研究，通过各种影响同步的因素的分析，以及各种同步算法的比较，设 计一个可行的o f d m a 同步方案。 1 4 论文结构 本论文以o f d m a 在i e e e8 0 2 1 6 e 中的参数为基准，对o f d m a 系统 的同步问题进行了研究，本文共分六章，具体内容如下： 第二章：介绍了o f d m a 系统模型及基于i e e e8 0 2 1 6 e 标准的o f d m a 帧结构，对其中的重点技术如子信道的划分、调制、i f f t 、加循环前缀等 部分进行了详细的讨论； 第三章：介绍了o f d m a 系统中的同步技术，分析了影响系统同步的 各种因素，分析结果表明，载波频率偏差和采样间隔偏差破坏子载波正交 性，引起i c i ，符号定时偏差和采样定时偏差只引起信号的相位旋转；以 及当前已有的同步思想和算法。 第四章：设计一个完整的o f d m a 系统同步方案，并对各同步过程的 算法进行了仿真、比较，得出了基于训练序列的仿真方案较优；针对m l 同步算法进行了迭代改进，该算法大大提高了计算速度，通过对各种同步 方法进行比较，采用一种较优的方案对o f d m a 系统进行完整的同步偏差 估计，并通过m a t l a b 仿真实现；最后给出了整个同步方案的总体仿真 性能； 第五章：在多径环境下进行了同步方案的实现及性能分析，经测试， 用该同步方案可以达到标准一定的精度要求。 第六章：总结全文，提出系统改进的方向及需要进一步研究的o f d m a 技术 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m a 的系统模型 第二章o f d m a 的系统模型 o f d m a 以其灵活的资源分配和良好的移动性支持成为i e e e 8 0 2 1 6 e 的 主流物理层技术，获得了广泛的应用。以下是对基于i e e e8 0 2 1 6 e 的 o f d m a 系统模型的简单介绍。 2 1o f d m a 系统模型 用户f 用户2 j i 户k 用户1 用户2 用户k 图2 1o f d m a 系统的原理框图 o f d m a 系统工作原理图表明，基站通过导频信道收集到k 个用户传 输的数据信息后( 包括数据传输率、各个子信道传输误码率等q o s ，( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 。由资源分配模块根据各个用户所需信息传输比特率大小不同， 进行子信道分配及控制、采用不同的调制方式。经过自适应调制编码，插 入导频后，形成信号码元x ( k ) ，m 个码元为一个数据块。经过i d f t 变换 后，将各支路信号被调制到各个不同的载波上在插入保护间隔后形成 x g ( n ) ，以消除时延扩展，然后进行并串变换发射出去。经过信道传输后， 有部分路径损耗和噪声干扰存在然后经过串并变换分离出各子载波信号 y l ( n ) ，去除保护前缀后为y ( n ) ，经过d f t 变换后将子载波和码元信息分离。 不同用户k 自己的信号提取出来，经过解调后还原出原始信息。 同o f d m 系统一样，o f d m a 系统也可以可以有效地对抗多径时延扩 展。o f d m a 系统把输入数据流串并交换到n 个并行的子信道中，使得每 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m a 的系统模型 个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据的n 倍，因此时延扩展与符 号周期的数值也同样降低n 倍。另外，为了最大限度的消除符号间干扰， 我们在每个o f d m a 符号之间插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) ，而且 该保护间隔长度t g 一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号 的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。这种保护间隔是将每个 o f d m a 符号的后t 。中的样值点数复制到o f d m a 符号的前面，形成前缀， 在交接点没有任何的间断 i od a 幢 图2 2 块状导频下的o f d m a 块图2 3 梳状导频下的o f d m a 块 导频是o f d m a 的一个重要组成部分，它插在o f d m a 的符号中间， 用来做相关检测、载波频偏估计以及信道估计1 1 1 。在o f d m a 系统中有两 种导频插入方式：块状导频和梳状导频。块状导频是在某一特定的时间段 内占用o f d m a 符号的所有子载波，如图2 2 所示。这种导频的插入方式 适合慢衰落信道，即认为一个o f d m a 块中信道视为静止梳状导频是均 匀地固定占用所有o f d m a 符号的某几个子载波，如图2 3 所示。由于这 种导频插入方法不占用所有子载波，所以在接收端非导频子载波上的信道 特征只有根据导频子载波上的信道特征插值得到实际的o f d m a 系统一 般是把这两种插入导频的方法相结合。 2 2 基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议的o f d m a 因本文以i e e e8 0 2 。1 6 e 为仿真平台，所以这里有必要对i e e e8 0 2 1 6 e 做一个简要概述 8 0 2 1 6 e 的物理层既可以支持多载波又可以支持多载波：s e a 单载波模 式，o f d m 和o f d m a 多载波模式。在宽带传输中，对于单载波的传输方 式，其码间干扰会严重影响系统的传输性能，同时大大的增加了均衡器的 设计难度。对于o f d m 模式，由于其自身细分带宽的特点，自动消除了一 6 o o o o o o o o o o o o o o o o o o 。o o o o o o 一i 墨 o o o o o o o o o o o o o o o o o o 甜ko；矿口 o o o o o o o o o + o o o o o o o o o o o o o o o o o o 淋o o o o o o o o o o o o o o o o o o xpcenfeji 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m a 的系统模型 部分的码间干扰，因此在宽带传输系统中表现优异。而o f d m a 则是在 o f d m 的调制模式下，对单个o f d m 频域信道进一步划分，提高了信道的 利用率，因此o f d m a 成为目前业界普遍看好的在移动环境下最为合适的 一种物理层实现模式。 i e e e8 0 2 1 6 e 协议中规定了在o f d m a 模式下，其核心f f t 模块的变 换点数有四种选择：2 0 4 8 点，1 0 2 4 点，5 1 2 点和1 2 8 点。他们彼此的帧结构 都有一些细微的差别，主要体现在p r e a m b l e 的编码以及子信道的分配上 2 2 1o f d m a 帧结构 图2 4t d d 模式下的o f d m a 帧结构 由于o f d m a 物理层的特征，o f d m a 帧分布在时间和频率组成二维区 域。一个t d do f d m a 帧在时频二维区域上的分布如上图2 4 所示。 在o f d m a 帧结构中，每一个帧被分为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 e e e i v e rt r a n s i t i o ng a p s ) 时隙所分 隔。每一个d l 予帧开始部分为前导同步码，紧跟其后的是帧控制头 f c h ( f r a m ec o n t r o lh e a d e r ) ，d l - m a p ，和一个u l - m a p f c h 保存d l 帧前缀d l f p ( d lf r a m ep r e f i x ) 的信息，它定义了突发结 构及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 保留当前帧的信息，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，如果要在当前帧中进行传输， 必须是紧随f c h 之后的第一个m a cp d u 。u l p a m 信息将紧随d l - m a p 或d l f p 之后。如果要在帧中传输u c d ( u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r ) 和d c d 7 -jl_薯j_lbi 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m a 的系统模型 ( d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r ) 信息，他们将紧随d l m a p 和u l m a p 之后 传送。 时域描述 通过傅立叶反变换可产生o f d m a 波形t b 是有用符号时间，c p 是前 一有用符号时间t g 的复制，用于保持子载波的芷交性。如图2 5 所示。 频域描述 图2 5o f d m a 符号时域结构 予信遘l 予信遘2 加予藏敞 ：f - g ；i 堇a 图2 6 0 f d m a 频域描述 o f d m a 符号( 如图2 6 所示) 由子载波组成，子载波的数目决定了f f t 的点数。共有三类子载波： ( 1 ) 数据子载波：用于数据传输： ( 2 ) 导频子载波：用于各种估算目的； ( 3 ) 空子载波：不进行发送，用于保护带d c 载波。 在o f d m a 模式下，激活的子载波被划分为子载波组，每个子载波组 称为一个子信道。在下行，一个子信道可能会传送数据给不同的接收杌； 在上行，一个发送机可能被分配一个或多个子信道，多个发送机可能同时 发送。组成子信道的子载波可以相邻，也可以是不相邻的 2 2 2o f d m a 的两种基本载波分配机制 o f d m a 的传输机制是建立在o f d m 基础上的，而o f d m a 与o f d m 的最大区别体现在对子载波分配的处理上子载波的分配在o f d m a 中很 复杂，有很多必选和可选的模式。 s 一 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m a 的系统模型 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其物理层技术进行宽带无线通信。 (a)pusc方式(b)fusc方式 图2 7o f d m a 两种子载波分配方式 如图2 7 所示，o f d m a 系统中主要有以下两种子载波分配方式：1 ) 子信道部分使用( p u s c ) 方式和子信道全部使用( f u s c ) 方式p u s c 方式是将整个带宽分配成多个连续的予载波组，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来传输数据。这种分配凡事 近似于o f d m 系统，因此在频率资源使用效率及子载波多样性上存在一定 的局限性。f u s c 方式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几个子载波组进行数据传输。因此相比较 第二种分配分配方式具有更高的载波传输效率和更好的多样特性。 由于对下行和上行的o f d m a 系统，p u s c 方式是必须支持的，因此这 里主要介绍p u s c 的子载波分配方式 下行予载波分配 下行结构可以被划分成3 个分段( s e g m e n t ) ，包括一个可以启动传输 的前导。前导中的子载波可以划分为3 个子载波组，其中每个载波集合都 可以被任何下行链路段使用下行链路传输的基本结构如图2 8 所示。 图2 8 下行链路传输基本解构 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m a 的系统模型 1 ) 前导 下行传输的第个符号就是前导。有3 种前导载波组，这些子载波都 是用特定p n 编码的加强的b p s k 调制前导载波组用公式( 2 6 ) 定义： p r e a m b l e c a r r i e r s e t 。= n + 3 k ( 2 6 ) 其中p r e a m b l e c a r r i e r s e t n 表示所有分配给某个前导的子载波；n = ( o ，l ，2 ) 表示前导子载波组的编号，k = ( 0 5 7 6 ) 表示子载波的编号 每个分段使用一个3 个有效子载波组中的一个子载波组构建前导，具 体使用方式为：分段0 使用子载波组o 前导；分段l 使用子载波组1 前导； 分段2 使用子载波组2 前导。这样每个分段实际上调制在以3 个子载波为 间隔的多个子载波上，如图2 9 所示 图2 9 下行基本结构 2 ) 下行链路的p u s c 方式 在下行o f d m a 的p u s c 方式中，每个扇区都会分配到一组子信道， 其中子信道划分是按照簇( c l u s t e r ) 结构来实现的，对于下行p u s c ，一 个簇的结构包含1 4 个子载波宽度以及2 个符号长度，其导频和数据子载 波的位置如图2 1 0 所示。 ，二! = 1 囊参9 每母0 謦嚣豫棼喜m 卵曲幽 e ：。1 j 。：。 薰薰霹豫薰* 睾e i t 一以。，- i k h 豢她赫 台脚一 图2 1 0 下行p u s c 的簇结构 对于f f t 点数为2 0 4 8 的o f d m a 系统，其p u s c 方式的子载波分配算 法为： 分簇：将所有的有用子载波分为1 2 0 个物理簇，每个簇包含相邻的1 4 个子载波。 簇位置映射：将所有的物理簇映射为逻辑簇，映射关系式为： l o g i c a l c l u s t e r = r e n u m b e r s e q u e n c e ( ( p h y s i c a l e l u s t e r + 1 3 d l p e r m b a s e ) m o d 1 2 0 ) 。 分组：将所有的逻辑簇分为6 个组，偶数号的组包含2 4 个逻辑簇，奇 1 0 ，fwt vl曲ie ll斡 ll 9 l 6 -i 3 li 0 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m a 的系统模型 数号的组包含1 6 个逻辑簇，然后以组为单位分成3 个s e g m e n t ，每个 s e g m e n t 中的子载波分配给一个扇区使用。 子载波分配：首先在每个组的每个逻辑簇中分配导频子载波，然后将 组中的剩余子载波划分为子信道，对于偶数号的组，可划分为1 2 个子 信道，对于奇数号的组，可划分为8 个子信道。由于每个组占用了2 个符号长度，因此在组中划分子信道时，每个子载波的位置式按照符 号为单位来计算的，其对应关系式： s u b c a r r i e r ( k ，s ) = n i u b c h n n c i s n k + p i n k m o d n s u b c h a n n e i i + d l p e r m b a s e ) m o d n 。u b c h 。”其中s u b c a r r i e r ( k ，s ) 表示在子信道s 中第k 个子信道载波的逻辑 序号位置，n s u b 。r r i 。为每个组的子信道数，n i u b 。h l n 。i 。为每个组的子信 道数据子载波数( 以符号为单位) ，n k = ( k + 1 3 s ) m o d n m 。i p s d 】为 基本排列序列循环左移s 位获得的序列。对于其他f f t 点数的p u s c 方式，也是按照上述方式来分配子载波的，只是参数有所不同。 对于不同的f f t 点数，具体的参数如表2 1 所示 表2 1 不同f f t 点数的下行p u s c 分配方式 参数 取值 f f t s i z e1 2 85 1 2 1 0 2 42 0 4 8 空子载波( 左右)4 3 ( 2 2 2 1 ) 9 1 ( 4 6 4 5 ) 1 8 3 ( 9 2 9 1 )3 6 7 ( 18 4 1 8 3 ) c l u s t e r ，s u b c h a n n e i 6 33 0 1 56 0 3 01 2 0 6 0 有用子载波 8 54 2 18 4 l 1 6 8 1 数据子载波 7 23 6 07 2 01 4 4 0 导频子载波 1 26 0 1 2 02 4 0 上行链路的p u s c 方式 在上行o f d m a 的p u s c 方式中，子信道的划分是基于堆( t i l e ) 结构 的，其中每个堆结构包含4 个子载波宽度和3 个符号长度，其导频和数据 子载波的位置如图2 1 1 所示。 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m a 的系统模型 黪饕e 铷蜊。 蘩蚤礤镑铷删1 9 辫鬻s y m b o l 2 e p a o tc a r n e r 移a a t a c - a n h n r 图2 1 1 上行p u s c 的堆结构 对于f f t 点数为2 0 4 8 的o f d m a 系统，其p u s c 方式的子载波分配算法 为： 分堆：首先将有用子载波分为4 2 0 个堆，每个堆包含相邻的4 个子载 波。 划分子信道：将所有的堆划分为7 0 个子信道，每个子信道占用6 个堆， 其计算式为t i l e ( s ，n ) = 7 0 n + ( p t 【( s + n ) m o d 7 0 】+ u l p e r m b a s e ) m o d 7 0 ，其 中t i l e ( s ，n ) 表示第s 个子信道的第n 个堆的索引，p t 为堆排列序列。 子载波分配：首先在子信道中分配导频子载波，然后再分配数据子载波， 其中数据子载波位置的计算式为s u b e a r r i e r ( n ，s ) = ( n + 1 3 s ) m o d n s b u e a r r i e r ， 其中s u b c a r r i e r ( n ，s ) 表示第n 个子信道的第s 个子载波的位置。 对于不同的f f t 点数，具体参数如表2 2 所示： 表2 2 不同f f t 点数的上行p u s c 分配方式 参数取值 系统带宽( m h z ) 1 2 5 5l o 2 0 f f t s i z e1 2 85 1 21 0 2 42 0 4 8 空子载波 3 11 0 31 8 33 6 7 n l l i # 2 4 1 0 2 2 1 04 2 0 每个t i l e 中的子载波个数 4444 有用子载波 9 7 4 0 9 8 4 l1 6 8 1 子信道数 4 1 73 5 7 0 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m a 的系统模型 2 2 3 调制 数据调制 o f d m a 数据比特支持格雷映射的q p s k 和1 6 q a m 调制方式，也可支 持6 4 一q a m 调制方式数据比特经过星座映射之后，将被调制到所分配的 子载波上在把数据映射到物理层子载波之前，每个载波将乘以因子 2 0 一峨) ，其中w i t 为一个伪随机二进制序列，其生成多项式【3 伽为x 1 1 + x 9 + 1 ； z 如图2 1 2 所示。 图2 1 2 导频调制的p r b s 生成器 举例说明：如果p r s b 初始化向量为b 1 0 ，。b 0 = 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 ，则上行初 始化输出结果吼= 1 0 1 0 l o l 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 。 导频调制 对于上行，导频的调制会根据其对应子载波在o f d m a 符号中的位置 来进行。导频子载波可采用以下公式进行调制： 1 r e c k = 2 ( 一毗) i m c k ) = 0 而在下行，导频子载波会采用比数据子载波平均功率高2 5 d b 的功率 来发送，其根据以下公式进行调制： r e c k = ；( 丢一嵋) i m c k = o 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m a 的系统模型 2 2 4i f f t 和添加循环前缀 调制的频域数据经过串并变换后送到i f f t 模块，将获得时域的 o f d m a 符号。为了克服多径时延引起的符号间干扰( i s l ) ，需要为每个 o f d m a 符号引入保护时间间隔，但是如果在保护时间间隔内不发送信号， 仍会引起子载波间干扰( i c i ) 。为了消除这种影响，o f d m a 符号需要在保 护时间间隔中添加循环前缀( c p ) ，具体而言，就是把o f d m a 符号时域 波形的后面一段复制到最前面形成保护时间间隔，这样就保证了在f f t 周 期内，延迟的o f d m a 符号总是包含整数个子载波周期，因此通过f f t 后 不会引起i c i 。 2 3 帧的生成 p r e a m b l e 段的生成 在8 0 2 1 6 e 中由于使用p r e a m b l e 帧头，接收机就可以利用这些数据， 对载波频偏进行估计和校正。 前导结构由一个o f d m 或者两个o f d m 符号构成，对于一个下行帧的 p d u ，包含了两个连续的o f d m 符号，其结构如图2 1 3 所示： 图2 1 3 下行帧中的前导结构 由图2 1 3 可以看出，下行帧的前导包括4 个短训练序列和2 个长训练 序列其中短训练序列包含4 个重复的6 4 部分，长训练序列包含2 个重 复的1 2 8 部分，根据帧结构可以看出，前导后面是f c h 段和数据段。总的 训练序列的长度是1 6 u s 。用间断线的分界线表示反傅立叶交换的周期。 在该前导解构中，其4 次重复的6 4 采样的频域序列p 4 。6 4 定义为： w ) = 2 删拦紫。0 2 次重复的1 2 8 采样的频率序列p e v e n 定义为： 尼删c 妒 扛急兰等2 。0 其中， 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m a 的系统模型 p a i l ( - 1 0 0 ：1 0 0 ) = l - j 1 - j 一l - j 1 一t - j 1 - j 一l - i 1 - j 1 - j 1 壬1 - j 一1 - j 】十j 1 勺- 1 - j 1 巧1 d 1 - j 1 4 ， j 一，! ，! j ，! j 一! - j 一1 1 。l i j 。i q ，l - j ，1 j