（通信与信息系统专业论文）ltetdd系统中频偏估计算法研究.pdf

摘要 摘要 l t e 系统作为下一代的移动通信系统，能够提供多种服务和高速数据业务， 其系统的调制技术采用o f d m 多载波调制。o f d m 是一种很有潜力的多载波调制 技术，它因具有频谱效率高，抗多径干扰能力强，均衡简单等突出优点，而被作 为l t e 系统的下行调制方案。对测试仪而言，同步过程在整个系统中占有非常重 要的地位，同步误差的存在会引起符号间干扰( i s i ) _ j g l 子载波间干扰( i c i ) ，严重影响 系统接收机性能。本文着重研究l t e t d d 系统中载波频率同步过程。 本文首先介绍了l t e 的发展背景，分析了载波频率同步误差对l t e 接收系统 的性能影响，重点研究了几个经典的频偏估计算法。首先分析了m l 算法，对其 进行详细推导，接着在m l 算法的基础上，从减小计算复杂度的角度出发，研究 了最大相关( m c ) 估计算法；又从提高估计精度的角度出发，分析了多个连续符号 的m l 估计算法。然后提出了一种m l 算法的改进方案，并对所研究算法以及改 进算法进行了大量仿真分析以及比较。其次本文对目前l e e t d d 系统物理层关键 技术、特点以及系统的帧结构和系统中涉及的两种用于同步的信号进行了分析。 通过仿真分析了主同步信号和辅同步信号各自在时域和频域具有的自相关性和互 相关性，并利用此特点提出两种频偏估计算法。方法一是利用主同步信号在时域 构建小数倍频偏估计算法，在频域构建整数倍频偏估计算法；方法二是利用导频， 根据定时估计的度量值大小来进行频偏估计算法。最后本文提出一种适用于 l t e t d d 系统的残余频偏估计方法，此方法利用时域相邻的主、辅同步信号频域 信道估计值的共轭相关运算来估计载波频率的残留频偏。 为了验证算法的可行性，首先在l t e 信道模型下对经典算法以及对经典算法 的改进进行了仿真分析，从仿真结果可以看出，当加权系数取口= 0 5 时，改进的 算法的性能要优于传统的m l 算法。利用主同步信号在时域进行小数倍频偏估计， 经傅里叶转换在频域进行整数倍频偏估计，该算法运算量少，估计精度高。提出 的残余频偏估计方法仿真分析表明，该算法估计精度高，运算量少，实现复杂度 低，满足l t e 系统性能要求，在高斯加性信道( a w g n ) 和多径衰落信道下均有良 好的性能。 关键词：l t e ，o f d m ，同步信号，载波频率偏移 a b s r t a c t a b s t r a c t a st h el t es y s t e mi sb a s e do nt h eo f d mt e c h n o l o g y , t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss h o u l db ea b l et op r o v i d em a n yk i n d so fs e r v i c e sw i t hb e t t e r p e r f o r m a n c ea n dh i g h e rd a t ar a t e o f d mi sa l la t t r a c t i v em u l t i c a r r i e rs c h e m e d u et o i t sm g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y , i t sr o b u s t n e s st om u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c ea n di t se a s i n e s s t oe q u a l i z a t i o n , o f d mi sf i x e da sd o w n l i n km o d u l a t i o nm e t h o df o rl t es y s t e m b u t o n eo ft h eb i g g e s tp r o b l e m si st h es y n c h r o n i z a t i o n as m a l ld e v i a t i o no ff r e q u e n c yc a n l e a dt oas h a r pd r o pi no f d ms y s t e mp e r f o r m a n c e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o rw i l lc a u s e s 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 ) a n d 硫e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) ，a n da f f e c t s t h e s y s t e mp e r f o r m a n c eb a d l y s os y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti no f d ms y s t e m s t h i sa r t i c l ef o c u s e so nc a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o np r o c e s s e si nl t e t d d s y s t e m s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fl t ea n dc u r r e n ts i t u a t i o n , a n a l y s i st h ef r e q u e n c ys y n c h r o n a z a t i o n e r r o r so nt h ep e r f o r m a n c eo fl t er e c e i v e r , a n d i m p r o v e dt h ec l a s s i c a lf r e q u e n c ye s t i m a t i o na l g o r i t h m f i r s ta n a l y z e dt h em la l g o r i t h m , i no r d e rt or e d u c i n gt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt h i sp a p e ra n a l y s i st h em a x i m u m c o r r e l a t i o n ( m c ) e s t i m a t i o na l g o r i t h m , a n df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fi m p r o v i n gt h e e s t i m a t i o na c c u r a c y ，a n a l y s i san u m b e ro fc o n s e c u t i v es y m b o lm le s t i m a t i o na l g o r i t h m t h e np r o p o s ean e wm e t h o dt oi m p r o v et h em l a l g o r i t h m , a n dm a d e al a r g en u m b e ro f s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no nt h i sn e wm e t h o d t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h e p h y s i c a ll a y e rk e yt e c h n o l o g yo fl t e t d ds y s t e ma sw e l la st h ea d v a n t a g e s ，a n dt h e p h y s i c a ll a y e rf l a m es t r u c t u r e ，t h e nw ei n t r o d u c et h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nb a s e d o nt h es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ，i nw h i c hf r e q u e n c yo f f s e ti sd i v i d e di n t od e c i m a l f r e q u e n c yo f f s e ta n di n t e g e rf r e x t u e n c yo f f s e t t h r o u g ht h eu s eo ft i m e - d o m a i n p s st o b u i l dd e c i m a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e s t a n d a r d , a n d 嘟p s st od oi n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n t h i sp a p e ra l s o p r o p o s e dan o v e lr e s i d u a l c 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 nm e t h o db yc o n j u g a t e c o r r e l a t i n gt h ef r e q u e n c y - d o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o no fp - s c ha n ds - s c hw h i c h w e r e a d j a c e n ts y m b o l si nt i m e d o m a i ni nl t ed o w n l i n k i no r d e rt ov e r i f yt h ea l g o r i t h m ，t h i sp a p e rc a l t yo u tt h es i m u l a t i o na n a l y s i su n d e r l t ec h a n n e lm o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a r lb es c c nt om e e tt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so fl t e t h e o r e t i c a la n a l y s i st h en o v e lr e s i d u a lc 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 nm e t h o ds h o w st h ep r o p o s a la l g o r i t h mi sv e r yl o wc o m p u t a t i o n a lc o s ta n d r e d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y , b u tw i t hl i m i t e dr a n g ee s t i m a t i o n s i m u l a t i o n r e s u i t sv 啦t h ep r o p o s a la l g o r i t h mw i t hg o o dp e r f o r m a n c e sb o t hi na w g n a n d m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l k e yw o r d s ：l t e 。o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o ns i 酬，c a l t i e r 台e q u e n c yo f f s e t h i 缩略表 3 g 3 g p p 4 g 1 6 q a m 6 4 q a i v l a c k n a c k k n g r b 3 g b c h b p s k c c e c d m a c f o c i c c p d f t d s p d w p t s e n o d e b e p i a e p c e t u e - u t r a e u t r a n e v a f d d f f r f f o g p h s d p a i c i 缩略表 乃e 刃面啊g e n e r a t i o n 硼1 ：时g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 乃ef o r t hg e n e r a t i o n 16 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 6 4 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t a d d i t i v ew 址eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 g b r o a d c a s tc h a n n e l b i n a r yp h a s es l l i f tk e y i n g c o n t r o lc h a n n e le l e m e n t c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b c y c l i cp r e f i x d i s c r e t ef o r u r i e rt r a n s f o r m d i 酉t a ls i v ap r o c e s s i n g d o w n l i n kp i l o ts l o t e v o l v e dn o d e b e x t e n d e dp e d e s t r i a na e v o l v e dp a c k e tc o r e n e t w o r k e x t e n d e dt y p i c a lu r b a nm o d e l e v o l v e df 但冗f 4 e x t e n d e dt y p i c a lu r b a nm o d e l e x t e n d e d c u l a ram o d e l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f m c t i o nf r e q u e n c yo f f s e t g u a r dp e r i o d h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e rc a r t i e ri n t e r f e r e n c e v i 第三代移动通信 第三代合作伙伴 第四代移动通信 1 6 正交调幅 6 4 正交调幅 肯定否定确认 加性高斯白噪声 超3 g 广播信道 二相相位键控 控制信道粒子 码分多址 载波频率偏移 积分梳状滤波器 循环前缀 离散傅里叶变换 数字信号处理 下行导频时隙 基站 步行模型 演进型分组核心网 典型城市模型 演进型u 认 演进型u t r a n 车载模型 频分双工 快速傅里叶变换 小数倍频率偏移 保护间隔 高速下行分组接入 载波间干扰 缩略表 ) f t i f f t i f o l c i i s i m m b m s m 咀s f n m i m o m i b m 儿 m s e o f d m p a p r p c f i c h p b c h p d c c h p d s c h p h i c h 唧 p i m p s p s s q p s k q o s r a n r b r e r e g r n c r n t i r s r s s i i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r i l l i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r l l i n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e t i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l o n gt e r me v o l u t i o n m u l t i m e d i ab r o a d c a s ta n dm u l t i c a s ts e r v i c e m u l t i c a s tb r o a d c a s t s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a s t e ri n f o r m a t i o nb l o c k m a x i m u ml i k e l i h o o d m e a ns q u a r ee r r o r 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 卸l e x i n g p e a ka v e r a g ep o w e rr a t e v h y s i 翻c o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o rc h a n n e l p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e l p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l p h y s i c a lh y b r i da r q i n d i c a t o rc h a n n e l p h y s i c a ll a y e r p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k p a c k e t s w i t c h p r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o ns i g r l a l q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g q u a j i t yo fs e r v i c e r a d i oa c c e s sn e t w o r k r e s o u r c eb 1 0 c k r e s o u r c ee l e m e n t r e s o u r c ee l e m e n tg r o u p r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i on e t w o r kt e m p o r a r yi d e n t i f i e r r e f e r e n c es i g n a l r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n v 离散反傅里叶变 反快速傅里叶变换 整数倍频率偏移 信道间干扰 符号间干扰 长期演进计划 多媒体广播和多播 多播广播单频网 多输入多输出 主信息块 最大似然 均方误差 正交频分复用 峰均功率比 物理控制格式指示 物理广播信道 物理下行控制信道 物理下行共享信道 物理混合a r q 指示 物理层 物理资源块 分组交换 主同步信号 正交相移键控 服务质量 无线接入网 资源块 资源元素 资源元素组 无线网络控制器 无线网络临时标识 参考信号 接收信号场强指示 缩略表 一一一 s a e s c f d 【a s i s i b 嫩 s s s t d d 田d s c d m u e u p p t s m r 蹦a x s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s i n g l e c a r d e rf r e qd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s t u d yi t e m s y s t e mi n f o r m a t i o nb l o c k s i g n a lt on o i s er a t i o s e c o n ds y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l t m a ed i v i s i o nd u p l e x t u n ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a u s e re q u i p m e n t u p l i n kp i l o ts l o t w o r ki t e m w o r l d w i d ei 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 v i 系统架构演进 单载波频分多址 研究阶段 系统信息块 信噪比 辅同步信号 时分双工 时分同步码分多址 终端 上行导频时隙 工作阶段 全球微波互联接入 第一章绪论 第一章绪论 时代的发展日新月异，在这个信息化的社会，人们越来越离不开信息的传递 与交流，如果没有这些，我们就难以适应现代化快节奏的工作与生活。近几年随 着计算机通信、互联网、多媒体技术的发展，人们对数据、语音、音频、图像等 高速率的宽带信息的接入要求也越来越高，现有的无线接入系统已越来越不能满 足人们对通信的需求，迫切需要采用一种新技术来改进现有的无线系统，以提高 通信速率。这种需求使得对高速率通信技术的研究变得越来越迫切。而移动化， 宽带化，p 化，数字内容成为技术演进的方向。 1 1l t e 简介 为了保持3 g p p 在移动通信领域的优势，2 0 0 4 年底，第3 代合作伙伴计划3 g p p 开始了通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e e o m m t m i c a t i o 璐s y s t e m , u m t s ) 技 术的长期演进( l t e ) ，以加快网络演进，满足用户需求，l t e 系统应用而生，它是 在继承现有技术的基础上，综合4 g 的部分核心技术提出来的l l j 。 与其它宽带无线通信接入技术如w i f i ，w i m a x 相比，虽然w c d m a h s d p a 在支持移动性和q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 方面占有较大优势，但是它们的空中接口 和网络架构过于复杂，实施成本较大，无线频谱使用效率和传输时延等方面明显 落后于l t e 系统。所以说，3 g p p 启动的l t e 项目，其一方面的原因是应对w i f i ， w i m a x 标准的市场竞争，另一方面的原因是为了移动通信与宽带无线接入技术更 好的融合i z j 。 1 1 1l t e 工作计划 在2 0 0 4 年年底，关于l t e 系统的需求研究研讨会就开始了，这可以看成是 l t e 项目的开始时间。之后频繁召开会议，全力推进l t e 的研究工作，花了仅仅 半年的时间就完成了需求的制定。3 g p p 对于l t e 项目大体分为两个工作时间段： s i ( s t u d yi t e m ) 阶段和w i ( w o r ki t e m ) 阶段：在2 0 0 6 年9 月完成了s i 阶段的可行性 研究工作，2 0 0 8 年底基本完成了w i 阶段的标准制定以及核心技术规范工作，乐 观估计到2 0 0 9 2 0 1 0 年即可商用【3 】。就目前来看，3 g p p 虽然稍微滞后于原来的计 划，但也已经取得了一系列令人欣慰的成绩，l t e 系统框架已经完成，并在部分 城市也进行了商用。 重庆邮电大学硕士论文 1 1 2l t e 的主要技术特征 l t e 系统支持可配置带宽，带宽范围从1 4 m h z 到2 0 m h z ，且系统采用 o f d m a f d m a 技术来取代c d m a 技术，在2 0 m h z 带宽内的上下行链路峰值数 据速率为1 0 0 m b p s 和5 0 m b p s ，对应的频谱效率为5 b i t s h z 和2 5 b i t s h z l 4 1 。这里 的前提条件是用户终端具有两根接收天线和一根发射天线。在网络架构方面，取 消了r n c ，采用了全i p 化的扁平网络结构，以降低用户平面延时。e u t r a n 仅 由e n o d e b 构成，e n o d e b 之间通过x 2 接口互连，每个e n o d e b 又通过s 1 接口和 演进型分组核心网相连。在整体系统加构方面，使用s a e 和e p c 结构，以满足用 户更高要求的需求。l t e t d d 的目标是能提供高速率，低时延和支持分组的无线 接入技术，并能支持可变带宽部署。同时，其网络结构的目标是支持拥有准确移 动性、服务质量保证和最小时延的分组交换业务。 l t e t d d 系统中与空口协议有关的特性如表1 1 中所示。由于采用了 s c f d m a 和0 f d m a 接入方案，使得该系统支持可变带宽。其中上行链路为了降 低p a p r ( 峰均功率l t ) 而采用了s c f d m a 。 表l - il t e t d d 系统参数 带宽 1 4 m h z 2 0 m h z 双工技术 t d d 多址接入技术下行o f d m ，上行s c f d m a m l m o 下行2 x 2 、4 4 ，上行1 x 2 峰值速率下行1 0 0 m b s ，上行5 0 m b s 调制方式q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 信道编码咬尾卷积码和t u r b o 码 移动性 3 5 0 k m s 其余技术 h a r q 、链路自适应、功率控制 该系统在2 0 m h z 带宽、4 x 4 m i m o 配置下峰值速率为3 2 6 m b s 。l t e 的第一 个版本中，上行不支持m i m o ，带宽不超过2 0 m h z 时峰值速率限制在8 6 m b s 。 除了峰值速率的提高，l t e t d d 提供了比h s p a 高2 4 倍的频谱效率，并且 l t e t d d 无线接口和网络提供了网络端和u e 端的时延小于1 0 m s 。 1 2 频偏估计研究的主要内容 同步是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能优劣直接关系到整 个通信系统的性能，如果没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输。 2 第一章绪论 由于o f d m 系统采用频谱混叠的正交多载波，对同步误差比单载波系统更加敏感， 因而o f d m 系统中的同步技术显得尤为重要。 i 2 i 课题来源 本文进行的研究分析是在国家科技重大专项“新一代宽带移动无线通信 的 子项目“t d l t e 无线综合测试仪表开发 的支撑下进行的，课题最终目的需要研 发出t d l t e 无线终端综合测试仪和t d l t e 无线网络综合测试仪。希望本文进行 的针对于频率偏移算法的研究可以给项目的开发提供一些具有价值的参考。 u e 终端要想接入小区网络，首先要做的就是小区搜索过程，小区搜索过程则 包括了同步过程，主要是让l i e 终端确定时间和频率参数，这些参数对正确解调出 下行信号，以及上行信号同步是很重要的，u e 必须知道精确的同步时间。 在l t e 系统小区初搜阶段，有两个重要的同步过程是必须的：第一是符号定 时同步，主要确定正确的符号开始位置， 解调是很重要的。第二是载波频率同步， 例如确定f f t 窗位置，这对于接收端的 主要用来减少或者消除由频率偏差带来 的性能影响，其中频率偏差包括了发送端和接收端的本地晶振体频率偏差，在信 号传输过程中的多普勒频移，以及采样时钟偏差。本文选择终端与e n o d e b 之间的 同步作为研究对象，对终端同步的频率偏差展开研究。 i 2 2 研究现状 终端同步过程主要包括频率同步和定时同步，其算法可分为两种：第一种是 基于数据辅助( d a t a - a i d e d ) 的同步估计算法，又称为基于导频符号的同步估计算法， 导频符号估计算法具有很多优点：例如精度高、捕获快等，此类算法适用于分组 数据通信系统，此类算法的缺点是降低了数据传输效率；另一种是基于非数据辅 助( n o n d a t a - a i d e d ) 的n 步估计算法，即盲估计，它的原理是分析o f d m 信号的结 构，然后进行同步估计；例如，在o f d m 符号中加入循环前缀，使得其符号前一 部分和后一部分具有一定的相关性，并利用虚子载波来进行估计，或者利用数据 经过成型滤波之后的循环平稳特性等方法来做估计。盲估计的最大优点是：可以 避免资源浪费；盲估计也具有一定的缺点：由于需要几十个甚至上百个o f d m 符 号来获得高精度，所以捕获时间长，这类算法尤其适合于广播系统或者移动蜂窝 系统。 由于循环前缀是利用o f d m 本身的信息进行重复而得到的，所以利用它做同 步不需要使用专门的符号。v a nd eb e e k 提出了基于最大似然准则的时间和频率同 步方法f 5 1 ，此方法是利用循环前缀的特性，其缺点是频偏估计范围小于半个子载波 3 重庆邮电大学硕士论文 间隔，且在信道条件稍微恶劣的情况下，其时间同步不是很精确，容易受到信道 衰落的影响。m o o s e 6 】提出算法是在频域上实现的，通过比较相邻子载波间的相位 差来进行频偏估计，估计范围是载波间隔的一半，实现比较简单。n o g a m i 和 n a g a s h i m a 7 】给出另外一种新的频偏估计方法，通过零符号实现帧同步。c l a s s e n 8 提出联合频偏和时间同步，其方法是利用自相关函数，其缺点是频偏估计采用的 步长搜索方法，导致计算量很大。s c h m i d l 对c l a s s e n 的方法进行改进【9 】：其算法 提高了算法的速度，时间和频率同步精度并没有改变，但是这种方法只适用于 a w g n 信道。 1 3 论文安排 本文的研究方向是l t e t d d 系统中频率偏移估计算法研究。根据3 g p p 协议 t s 3 6 系列，论文首先介绍了l t e 主要技术特点，研究了l t e t d d 系统采用的物 理层关键技术o f d m 技术及m i m o 技术的基本原理及其特点，然后研究了l t e 系统中频偏的产生以及对o f d m 系统的影响，并对频偏估计算法进行仿真与分析， 其中频偏估计通常被分为两个部分：小数部分和整数部分。通过利用时域主同步 信号构建小数倍频偏估计算法，以使估计结果达到标准的要求，并利用频域主同 步信号做整数倍频偏估计。为了验证算法的可行性，本文搭建了符合l t e 标准的 信道模型并进行仿真，最后通过仿真结果提出并比较了几种适用于l t e t d d 系统 的频偏估计方案。 本文结构的安排如下： 第一章主要介绍论文的选题背景和论文安排。l t e t d d 作为t d s c d m a 的 演进技术，借助其特有的优势与l t e f d d 融合，为t d s c d m a 的长期可持续发 展奠定了基础。基于此种原因，以项目为依托，展开了对l t e t d d 同步过程的研 究。 第二章首先对l t e t d d 系统中使用的关键技术正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u t i p l e x i n g ，o f d m ) 和多输入多输出( m u l t i p l e - i n p u tm u l 卸l e o u t p u t , m i m o ) 原理进行介绍。接着讲述了l t e 系统物理层帧结构，并研究 l t e - t d d 的同步信号，仿真分析了两种同步信号的特性。根据帧结构，得知一个 完整无线帧中包含两个相同的主同步信号和两个不同的辅同步信号。主同步信号 采用的是z c 序列，z c 序列具有良好的自相关特性，不同根指数对应的主同步信 号之间的互相关性较差。辅同步信号是经过加扰的m 序列，在频域具有良好的自 相关特性，不同半帧中的辅同步信号之间的互相关性较差。 4 第一章绪论 第三章主要研究o f d m 系统中经典的频偏估计算法。首先分析频率偏移对于 o f d m 系统性能的影响，在此基础上验证了几种经典的频率偏移估计算法，讨论 其利弊，并将m l 算法进行改进，并考虑其是否可用于l t e 系统中。 第四章提出了几种适用于l t e 系统的载波频偏估计方案。载波频偏估计主要 分为小数倍频偏估计和整数倍频偏估计。其中小数倍频偏估计主要利用时域主同 步信号完成，再利用频域主同步信号做整数倍频偏估计，然后对参与频偏进行了 估计，最后验证算法的可行性，搭建l t e 信道模型，并对算法进行仿真，分析仿 真结果。 第五章总结全文，对本文所做的主要工作进行了总结，并指出今后需要进一 步研究和考虑的方向。 1 4 本章小结 蠡一t ： 本章介绍了本文的选题背景和主要研究内容。对l t e 的工作计划和主要技术 特征进行了介绍，并研究了同步技术的发展现状，最后对课题来源和本文的结构 作了简单描述。 j 重庆邮电大学硕士论文 6 第二章l t e t d d 系统概述 第二章l t et d d 系统概述 3 g 系统的标准化核心技术一直是c d m a 技术，而学术和理论研究界已经为 新一代无线通信技术积累了十几年。2 1 世纪初，在o f d m 、多天线等技术领域的 研究成熟度已基本可以支撑标准化和产品开发的需要，研发基于o f d m 和m i m o 技术的新一代无线通信系统的时机也成熟了【。 o f d m 是一种特殊的多载波调制技术，它把有效的信号传输带宽细分为多个 窄带子载波，并使其相互正交，在每一个子载波上都可以单独或者成组的传输独 立的信息流，具有良好抗多径干扰能力和很高的频率利用率，可以在移动环境下 提供高速的数据流和视频等多种应用。 m i m o 技术是一种多天线技术，可以把空间域看成另一个新资源，是无线移 动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能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，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。 下面分别对这两项技术进行简要阐述。 2 1o f d m 系统基本原理及其优缺点 频分复用技术是一种传统的技术，它是将较宽的频带分成若干较窄的子带， 进行并行传输的方法【1 1 1 。但是为了避免子载波之间的正交性，就在相邻的子载波 间保留较大的保护间隔，这样大大降低了频谱效率，具体如下图所示。然而随着 数字信号技术的发展，f f t ( 快速傅里叶变换) 的发展，使得f d m 频分多址技术有 了更大的发展。f f t 允许将f d m 的各个子载波重叠排列，同时也保持了子载波间 的正交性。o f d m 技术不同于传统的多载波调制系统，它利用子载波的相互正交 性，大大提高系统的频带利用率和抗多径干扰能力。 单载波 信道信道信道信道信道信道信道信道 12345678 7 系统 。 f r 一保护频带 il 频聋可 系枞州r7 ； 图2 1 传统的f d m 技术与o f d m 技术的频谱对比图 7 频暂 重庆邮电大学硕士论文 o f d m 系统基本框图如下： a w g n 图2 2o f d m 系统基本框图 下面对o f d m 系统框图进行简单说明：。 数据流首先进行调制模块，o f d m 系统中常用的数字调制方式有b p s k 、 q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等，调制是目的是为了提高信息的传输速率；将调制好 的符号进行串并变换；紧接着是i f f t 变换以及插入循环前缀，插入循环前缀的目 的是为了消除i c i 和由于多径传播带来的i s i ，然后经过发送器将数据发射出去。 以上是o f d m 系统简单的发射过程，在进入信道以后会受到多径衰落以及高斯白 噪声等的影响，接收端在接收到信号之后进行与发送端相反的操作，此处不再赘 述。下面对o f d m 系统的核心部分作具体的介绍。 2 1 1o f d m 系统基本结构 o f d m 系统的优点之一是可利用快速傅里叶变换和反变换实现调制和解调， 使得系统的复杂度得到简化。下图给出了o f d m 系统的基本结构【1 2 1 。 ia p 一，习一j 电多_ - h 豇吖那 顽f ) lc x p ( - j 2 顽，)3 串并 三舢 相加 叫虱叫茹岖丑二 并串 转换 转换 l e x p ( j 2“- i f ) i 甑p ( 0 2 刁0 一i f ) 丑如 夺医弭互 图2 3o f d m 系统的结构框图 从上图中可以看出，发送端发送的二进制信息比特流，分别进行相移键控( p s k ) 8 第二章l t e t d d 系统概述 或正交幅度( q a m ) 符号等调制方式的星座映射，再将得到的符号进行串并转换， 然后把连续的数据随机分配到各个子载波上，经过信道以后，在接收端，将接收 到的正交矢量映射至数据信息，就完成了子载波的解调。一般的，o f d m 信号可 以表示为一组并行传输的调制载波信号如式2 1 所描述： r3 1 1 s ： r c 荟4 r p 甜( ，一一川2 ) e x p l ，2 l r a ( 卜o ” g + 丁 【0 r r + 式叫) 式中令彳= z + 埘( i = o ，1 ，n 一1 ) ，z 为高频载波，缈为子载波间频率间隔。 子载波的个数用表示，o f d m 符号长度用，表示，4 ( 江0 ，1 ，一1 ) 是分配给每 个子载波上传输的符号，矩阵函数旭c f ( f ) = 1 ，t i t 2 。 各子载波间满足正交性就要使下式2 2 成立： 。 1t e + t j 哆= 亭je x p ( 一j 2 r c - 乒( f 。) p o ) a t = 嘭 式( 2 2 ) 上 r i 一 7 只要选择适当的鲈，使矽= 1 t ，即可使各子载波在整个o f d m 信号的符号 周期内满足正交性。所以用等效的基带信号式2 3 来描述o f d m 的输出信号为： f n - i m ) ： 丢谚删( 卜一他) e x p j 2 蒯聊训】 碑s 打 ：一 【0 ， 丁+ 式( 2 3 ) 在接收端对每个子载波分别进行解调操作，然后在有效符号时间内进行积分笛k 就可以恢复出原来的数据符号如式2 4 所示： 之= r 了e 誓。2 万手( t - t s ) ) s ( t ) d t 电 式。2 q o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来代替，通过点的i d f t 运算，把频域数据符号变为时域数据符号，经过射频载波调制之后，发送到无线 信道中，其中每个i d f t 输出的时域数据符号都是由所有子载波信号叠加而成的。 即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。 j p ，o ) = 。- i 口跚矾啪) + l 笔心l 料蚺训式( 2 5 ) k * - 器j p 1 2 j k = l 其中，t = 帽为不包含循环前缀的o f d m 符号的有效长度。 2 1 2o f d m 技术优缺点 9 重庆邮电大学硕士论文 o f d m 技术越来越受到人们的关注，是因为其具有以下优点1 1 3 】： 抗衰落、抗多径干扰能力强。o f d m 把用户信息分散于多个子载波进行传 输，使得各个子载波上的数据符号持续的长度相对增加，降低了各子载波符号速 率的同时，也减弱了多径传播对信号的影响，使o f d m 对脉冲噪声和信道快衰落 的抵抗力更强。