（通信与信息系统专业论文）ofdm无线传输系统中定时同步和信道估计的研究.pdf

l k 索辩电太学博士论文 摘要 未寒蓁三、勰代无线移魂逶蘩系统瓣蓬蠢爨实蕊隧避花缝戆袁囊爨、离速率 鹩移动多媒体秘数瓣照务簧输。德避蔼线繇缓瓣雾校游嗣髌将馁造成罴统严囊的 符号间干扰问鼹，同时觅线移动信道的时变性使得信斌特性跟踪复杂。丽撼觉频 分复嗣技术( o f d m ) i e 是一稀释决符弩润干魏懿蠢效镶输簪段，掰馥o f d m 技本 缀莰在鸯线帮嚣线繇缓褥羹痤霆并戏荧a d s l ( d m t ) 、d a b c d v b 等稼凌懿棱，豁技 术 o f d m 闲辩毯将疆兔第三、题代无线移秘逶僖瑟筑媳梭拯技术之。馁是 o f d m 系绞对嫩融羼步误差和傣游髅计误差 # 鬻敏感，如键在o f d m 憨绒包糕 m i m o - o f d m 黼缆中准确快速地突现定时同步和信道储计是非常关键的。本论文 簿重煮鳋避土逡离题遴嚣讨论。 酋纛，论文飙弱步臻获褰舔繇成功攀戆受壤瓣o f d m 系统孛酶嚣类瓣蠛褥号 同步方案遗行了燃熊分帮荦，著通过大鬣鼢仿真爽验说磷；1 ) 基乎调练绺戮黼灏步 方法( p s b s ) 具谢技离的同步捕获成幼翠和跟踪性能，熟性能随训练序列的收度增 般蕊敌骜；2 ) 耩予锤筇巍缀豹弼步方法( c p b s ) ，箕鳓劳撩获藏功率和躐踪髓能较 懿，毽鬃寄鞍藤裁缝餐7 蔟诿鬟溪枣；辩p s b s 逶鬟于突菠数饕蘩簧鞭系绕，麴 i e e e s 0 2 ，1 l a 等，褥c p b s 粼遥螽广横式连续媒体流终输系统，翔d a b d v b 系统 等，溺瓣c p b s 掰戳嚣为p s b s 豹骥鼢跟踪手段。 然聪，为了睨服上述两种同步方絮的缺点，论文挝出了种基于时频分奄阡的 = 缝嚣多努爨方法( s t f t b s ) 。谈方法类辍c p b s ，毽是嬲臻瓣嚣筵缓带采煞o f d m 镶号翦瓣麓犍。键楚该方法是炎对接裁信号遴霄二维缀薅簿立时努褥，觚二缝醛 频域幅度谱上懑j 冀平遵嚣检测凇确恼计出无i s i 的嚣闷，从丽可良在该聪阀选辑 个会适豹对刻佟为同步对刻，并鼠该氍间的样馑可以用于估计频率偏麓时w 以比 鬻援对壤方法虢褥麓褥多鲍精魔。 第三，谂文程o f d m 系统瓣慧道然谤方嚣，薹对鏊予警颧懿o f d m 蘩遵稳诗 串的插德方法谶褥了分誊斥，指嬲瀑予f f 髓f f t 酶插德箨法在嶷用中并非簸优熊； 2 ) 讨论了在穰邀弹激确波兹延迟瓣闼潮黼必采样薅剩驰嚣整数继露，德遂髅诗孛 的能量泄漏问蹶，指出信道的估计误麓m s e 与信道的彩径时延是否为蹩数储采样 托寨邮电犬学瓣士论文 间隔无关，而仪岛信噪比有关，鼠非整数倍采样间隔多径时延的存在几乎不影响 对系统熟谡簿号率性鹱。 最后，论文讨论了m i m o - o f d m 系统的同步问题，并将本论文所提出的綦予 辩频势褥麓符号阚多冀法癍躅潮了m i m o - o f d m 系统串，傍真安骏噩示在 m i m o o f d m 系统中这方法仍优于时城相关同步方法，因为它充分利用接收傣 号中豹翊麓惶。 美键溺：嚣线蘧羧系统，压交犊努复瓣，定时暇袈，信灌嵇专 j 系邮电太擘媾士论文 a b s t r a c t t h ef u t u r et h i r da n df o u r t hg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( 3 g 3 gb e y o n 毋 4 g ) a r ee x p e c t e dt op r o v i d eu b i q u i t o u s ，h i g h - q u a l i t y , a n dh i g h - r a t e m o b i l em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n h o w e v e r , h o s t i l em u l t i p a t hf a d i n gr a d i oc o n d i t i o n s g i v er i s et os e r i o u si n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) ；e v e nw o r s e ，w i r e l e s sc h a n n e l sa r e o f t e nt i m ev a r y i n g ，w h i c hm a k e st h es y s t e mm o r ev u l n e r a b l ea n dm o r ed i f f i c u l tt ot r a c k t h ec h a n n e ls t a t e 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 h i c hi s i n h e r e n t l yr e s i s t a n ta g a i n s ti s t ，n o wa t t r a c t sal o to fi n t e r e s ti nr e c e n ty e a r si nb o t h w i r e da n dw i r e l e s sa p p l i c a t i o n s a n di sa c c e p t e da sc o r et e c h n i q u ei nv a r i o u sv o i c e d a t a c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ss u c ha sa d s l ( d m t ) ，a n dd a b d v b h o w e v e r , o f d mi s m o r ev u l n e r a b l et oe r r o r so fb o t ht i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n dt ot h a to f c h a n n e le s t i m a t i o n 。a n dh o wt oo b r a i nc o r r e c tt i m i n ga n dc h a n n e le s t i m a t i o ne f f i e i e n t l y i sh i g h l yc r i t i c a lt oo f d ms y s t e m si n c l u d i n gm i m o - o f d ms y s t e m s ；t h ed i s s e r t a t i o n w i l lf o c u so nb o t ho f t h ea s p e c t so f o f d ms y s t e m sm e n t i o n e da b o v e ， f i r s t l y , i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t w ot y p e so ff r a m es t a r tt i m ee s t i m a t i o ns c h e m e sf 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 h i p l e x i n g ( o f d m ) s y s t e m sa r e e v a l u a t e da n d a n a l y z e dd i r e c t l yo nm u l t i p a t hd i s p e r s i v ec h a n n e lm o d e l s ，n o to na w g nc h a n n e l m o d e l s s i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a t ：a ) p i l o ts y m b o lb a s e ds y n c h r o n i z a t i o n p s b s ) h a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo v e rc y c l i cp r e f i xb a s e ds c h e m e s ( c p b s ) ，a n di tp e r f o r m a n c e s b e t t e rw h e nt h el e n g t ho fp i l o ts y m b o li n c r e a s e s ；b ) t h ep e r f o r m a n c eo fc p b sc a nn o t b ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gs i g n a l t o “n o i s er a t i o ( s n r ) ，w h i c hi sc a l l e df l o o re f f e c t t h u s ，p s b si sm o r es u i t a b l et ob u r s t i n gf r a r l 2 eb a s e di n f o r m a t i o ns y s t e m s ，w h i l ec p b s c a r lb eu s e di nb r o a d c a s t i n gs y s t e m sf o rc o n t i n u o u sm e d i as 辖e a m s ，s u c ha sd v b d a b m o r e o v e r c b p sc a nb ea l s ou s e di nt r a c k i n gm o d et oi m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c y s e c o n d l y ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e san o v e lb l i n ds y m b o l - t i m i n gs c h e m e f o r o f d ms y s t e m s ：s h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o nb a s e ds y n c h r o n i z a t i o n ( s t f t b s ) 强。p r o p o s e ds c h e m ea l s oe x p l o i t st h ep e r i o d i c i t yi n t r o d u c e db yc y c l i cp r e f i x a si n c p b s 。b u tn o tb a s e du p o nt i m e d o m a i na u t o c o r r e l a t i o np e a kd e t e c t i o n ( t d a c p d ) a s i nc p b sa n dp s b s b ya p p l y i n gs h o r t t i m ef f tt ot h er e c e i v e ds i g n a l ，a2 - d i m e n s i o n a f t i m e - f r e q u e n c ys p e c t r u m ( 2 d t f s ) i so b t a i n e d ，a n dt h e n i s i - f r e ei n t e r v a l sc a nb e d e t e c t e db yf l a tr e g i o n ( f g ) d e t e c t i o nf r o mt h ea m p l i t u d eo ft h e2 d t f s t h e r ea r et w o 北京邮电大学博士论文 a d v a n t a g e s ：a 1a n yi n t e r v a la m o n gt h ef rc anb ec h o s e na sf r a m es t a r tw h e n p i l o t - s y m b o lb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o n ( p s b c e ) i su s e d ；b ) t h ee s t i m a t e df rh e l p st o i m p r o v et h ep r e c i s i o no fc a r r 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 n t h i r d l y , t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sa n a l y s i sb o t ho np e r f o r m a n c eo fi n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m si np s b c es c h e m e sa n do nt h ee n e r g yl e a k a g eo fc h a n n e le s t i m a t i o nw h e n n o n s a m p l es p a c e dd e l a y se x i s t t h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：a 、 i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mb a s e du p o nd f t i d f ti sn o ta l w a y so p t i m a l ；b 1t h ee n e r g y l e a k a g et h ec h a n n e le s t i m a t i o nd o e sn o td e g r a d et h eo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e ， n e i t h e rt h em e a ns t a n d a r de r r o r ( m s e ) o fc h a n n e le s t i m a t o rn o rt h es y s t e m sb e r p e r f o r m a n c e f i n a l l y ，s y n c h r o n i z a t i o no fm i m o o f d ms y s t e m si sd i s c u s s e d ，a n dt h ep r o p o s e d s t f t b sm e t h o di sa p p l i e dt ob o t hs i n g l e u s e ra n dm u l t i - u s e rm i m o - o f d m s y s t e m s s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c ha r es i m i l a rt ot h a ti ns i n g l e - i n p u t s i n g l e o u t p u t ( s i s o ) o f d m s y s t e m s ，s h o wt h a ts t f t b ss t i l lo u tp e r f o r m a n c e st i m e d o m a i nm ls y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e ss i n c ei te x p l o i t sm o r ei n f o r m a t i o no f t h er e c e i v e ds i g n a l k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，o f d m ，t i m i n gr e c o v e r y , c h a n n e l e s t i m a t i o n 恶索邸毫丈学学控论文蘩辩掰奢 第一章引言 嚣藿瑟弱零代 ；l 寒，全球蔻溪凑秽凑菱线逶痿饕懿了饕鬻寒赛夔袭蒸，这耱 发展的势头还崧粥续。甚至会更快f l 】，与此丽露，i n t e m e t 不论是技术还是渡努瞧 以空前的速度向前发展。随着便摭溅微机、掌上电脑、错能手机以及个人数字助 理( p d a ) 等的将及，人们对通过无线方式随对随地按入i n t e m e t 获取信息+ 产，生 了越亲越迫切驰嚣慕蠲，这莉羲隶扶鼹积簿单豹收发e - m a i l ，爨进行弼络测嫩、 获取多爨荐蘩惑疑筵窀多餐羧蚤。黢魏，怒无线透蕊、嚣雾爨察t n t e r n e t 蘩套越慕， 炎广大蘑户提供受率富静监务器类、鼹广泛靛覆盖范潮戳波更浃捷靛接入穷藏， 这是未来通信系统所必须具备的能力，也是未来通信披沭和业务发展的一大趋势。 高速无线i n t e m e t 在国际上是一个j ：e 在迅速兴起的领域，它的许多理论和荧键 技术都正在不断靛展，嚣此，为了滋疹提高我国在无线移动通信领域的围躲地 鳆，遥逮震嚣跨离遮楚竣t n t e r n e t 美犍媛淦器关毽按零熬鞴嚣蒸寒重要嚣藏晦意义。 奉章蓄灸奁1 节赍绥了本论文豁漂题骜景，款无线数禚逶僖程蓼裁数捺瀵僖 的基本业务入手，讨论了高速无线i n t e m e t 的发展现状，分析了当前无线移瀚彼入 i n t e m e t 面临的煮黼问题，并分别从链路级、网络级及系统联合优化三个方涮总结 丁目前研究的变藤闽题。然后在1 2 节介绍了o f d m 技术的演化过程及熟艘耀， 默嚣绘窭了漂题韵主要嚣蠡。在l ，3 带孛奔缮了本釜文黪磷褰黪主要窝蘧以歉针瑟 这些霹瑟瑟泠接鹣磅究藏票。聂惹焱1 4 警绘窭了本逶文煞杰容安簿。 1 1 课题背景 1 1 。1 无线数据道嚣争移参数据遴髂 无线数据避掊楚指在无线终端与串心主枕或无线鼹螨之鬻采震纛蠛蕊撩t 邋 过无线方式传输数据的通信方式，撼肖组网灵活快速、埘移动、不受时间地点限 制、业务种类举窗、应用范围广等特点，可以实现计熊机局域联网、无线攮入、 瓣瀚互联、图文传赣、电子郏 孚、蕊联瓣浏览、数摄袋懿、遥测遥控、倦怒容电 控囊等囊魏，被谈魏是令夫逶露麓熬黉踅鼗嫠分，零 麓了a 霞篷广泛芙淀。撰 d a t a q u e s t 斡一磺谶凝研究，美莓秃线数据服务震卢今鼯4 华可鋈塔燕 o 髂鞭上， 市场容量可达3 0 亿美元。1 9 9 9 年订购无线数据服务的人数为3 0 0 万，到2 0 0 3 年 预计将超过3 6 0 0 万。 北京邮电大学学位论文 第一章引言 按照通信双方的相对位置来分类，无线数据通信主要包括移动数据通信、固 定或半固定无线数据通信两类。无线通信网络主要有无线广域网( w w a n ) 、无线 局域网( w l a n ) 和无线个人区域网络( w p a n ) 。 无线广域网一般是指对公众运营的移动数据网络，使用最广泛的是蜂窝技术， 主要问题是速度慢、安全性差且费用较高：无线局域网实现了可移动的数据交换， 在具有位置变动要求而用户又必须依靠网络取得关键数据的环境中，为企事业机 构提供了一条提高生产力和改善工作流程的途径；无线个人区域网络的目标是以 低价格和低功耗提供较好的连通性，它定义了一种在1 0 米范围内带宽在1 m b i t s 以下的个人网络。 移动数据通信主要指通信双方相对位置经常变化的无线数据通信方式，它常 对应于广域、低速的公用或专用移动通信网络，包括蜂窝网络、集群网络、无绳 网络和寻呼网络。 概括来说，无线数据通信网络中应用最广泛的主要有w l a n 和蜂窝通信系统 ( c c ) 【3 】。 1 1 2 高速无线i n t e r n e t 高速无线i n t e r n e t 将无线通信、i n t e m e t 、计算机、微电子、软件、安全加密等 多种领域的先进技术结合在一起，内容涉及设备制造、软件产业、网络建设、系 统集成和商业服务等众多领域。 引发人们对高速无线i n t e r n e t 进行深入研究的动力，首先是无线上网的需求， 特别是各类移动终端，尤其是蜂窝网手机的移动上网。图1 1 表明了全球移动和 i n t e r n e t 的用户的增长态势。 图1 1 全球移动和i n t e m e t 用户量预测( 百万) 目前世界范围内得到广泛应用的第二代移动通信系统主要有g s m 系统、 i s 1 3 6t d m a 系统以及i s - 9 5c d m a 系统【4 - 1 3 】。 g s m 系统可以提供2 4 k 9 6 k b s 以及1 4 4 k b s 的电路交换语音业务，还可以通 北京邮电大学学位论文 第一章引言 过g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4 k b s 和3 8 4 k b s 的分组交换数据业务。i s 1 3 6 系统 可以提供9 6 k b s 的电路交换语音和传真业务，其最高数据传输速率可达 4 0 k 6 0 k b s 。i s 9 5 系统能够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9 6 k b s 和1 4 4 k b s ，还可以通过使用蜂窝数据分组数据( c d p d ) 网络来提供1 9 2 k b s 的 数据业务。显然，第二代移动通信系统还不能满足全多媒体业务的需要。 目前，第三代移动通信系统( 3 g ) 主要有欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 方案，它们都可以在无线蜂窝网络中提供更加丰富的 i n t e m e t 业务。但是，3 g 移动通信系统所能够提供的业务能力与人们的期望仍相去 甚远，对于宏小区或快速移动用户，3 g 系统仅能提供3 8 4 k b s 或更低的接入速率， 只是对于室内用户，3 g 系统才可以提供2 m b s 的接入速率，另外，3 g 系统还不 能实现现有各种无线网络( 各种无线局域网，卫星网络，公用无线蜂窝网络等) 之间的无缝漫游。 在这种形势下，高速无线i n t e r n e t 成为近年研究n 勺热点，除了3 g p p 、3 g p p 2 、 i e t f 等组织外，还涌现了m w i p ( m o b i l ew i r e l e s si n t e r n e tf o r u m ：移动无线i n t e r n e t 论坛) 、3 g i p ( 第三代i p ) 等组织，提出了全i p 的无线网，并最终实现端到端采用 i p 1 4 ，1 5 1 ，目前提出的4 g 、b e y o n d3 g 或者未来的移动通信系统都是基于全i p 网 络的 1 6 - 1 8 】。 要实现高速无线i n t e r n e t ，关键问题之一就是无线移动接入的高速化和i p 化。 为了提供高速接入i n t e r n e t ，针对无线通信的基本特性，第一，需要提高高速数据 在移动信道中的传输效率和质量，有效对抗多径衰落信道的不利影响，在链路级 满足未来高速无线多媒体业务的需求。第二，需要针对未来高速、宽带无线多媒 体数据网络的特点，开展网络级的研究和丌发工作。第三，需要联合考虑链路级 和网络级使系统性能得到整体优化。 1 1 3 系统联合优化 近来，国内外已有大量的文献报导研究无线蜂窝网络上的t c p i p 协议问题， 只是它们大都局限于网络体系结构的某一个层面孤立地进行研究，c i m i n i 等人的 研究局限于物理层的o f d m 和m a c 的动态分组分配 2 2 ，c h o c k a l i n g a m 等人的研 究则主要集中于r l p 及t c p 层 2 3 1 ，而他们都没有对多个层面进行全面的整体性 的考虑，最终可能导致上下层协议的相互抵触，降低通信系统的效率。因此，应 当突破传统o s i 体系结构中各层之间的独立性，综合考虑物理层、m a c 层、r l p 和t c p 层，使得各层之间可以实现联合优化，从而更好地适用于无线全多媒体业 藏寨耀电太举学位论文 第一章弓| 亩 务的传输，最大限度地利用无线网络资源。 本谂文歪是褒这令据架下豹龌令国家窘然蒸衾漂题：藻予燕交多载波( o 固m ) 传输豹离速无线因特网的关键技术研究( 项嗣批准号：6 0 1 7 2 0 5 2 、9 0 1 0 4 0 1 8 ) 。 1 2o f d m 演进与应用 o f d m 本质上怒- - e e 频分复用技术。频分笈用( f d m ) 技术早在一个徽纪以前 就被提出，它把可用带宽分成若干相互隔离的予频带同时分别传送一路低速信号 ( 懿电缀) ，麸嚣达到臻号复翅数鹫戆。各予载波上茨靛弱涮数攥可戳柬鑫瓣一售弩 源，魄霹弧寒叁不瓣稳号滚。这秘传统静多载波传簸方式复杂瞧览较蔫，鞫为各 予载波都需要自己的模拟前端，闷时为了使得接收机可以区分各子频带，各子频 带之间必须有足够的间隔，从而避免经过信道质发生频谱混爨，所以频谱效率通 常缀 蔻。瞧是在这秘莠嚣转输壤裁下，魏为冬载波二豹数荔薹速率较氛，耀应静继 号的码元符号周期较长并远大予僚道的最大时延扩展，从丽可以有效地减小由于 信邋单位时延扩展母l 越的符号闻干扰阀题。 为了提高f d m 技术的频谱测餍率，g a d o e l z 等【2 4 l 在矗十年代据瘩了 k i n e p l e x 系统。该系绫鲍设计嚣标是在严霪多经衰落离撷无线信遴中实现数据传 输。系统使用了2 0 个子载波，使用差分q p s k 训制，且实现方式几乎和现代的 o f d m 一样：其棚邻予载波闻的闻隔近似等于子载波的攀l ：号遮率，从而保证各子 载波瓣菝涛互穗羹爨，疆又建矛交靛，予楚霹软大六遗握赢频避稳焉率。毽系绞 仍采耀了传统豹多载波调籁系统实瑷方式。淹簌的多载波系统f 2 5 】【2 6 】瞧怒稻嗣类 似的技术提高谱利用帮。 以上系统中的予载波频谱没鸯经过滤波，岱予载波频激形状均为s i n ( 拶y f 函数 形式。为了限裁系统频谱，r 。w jc h a n g 等分辑了多载波通信系统中如何俊经过滤 波、带限的子载波保持正交 2 7 2 8 2 9 1 。随后s b w e i n s t e i n 年hp tm ，e b e r t 提出了 使用离散博立叶变换( d ft d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 实聪多载波的基带调京4 秘 入段空白区作为保护间隔来消除符号间干扰( i s l ) ，但这种办法不能保证信号经过 色散信j 筵螽各子载波爨然保持羹三交。为鼗，a + p e t e d 露la r u i z 提出了采瘸獯环瓣 缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 豹方法缲 委了信号经_ i 重毯教售遂惹仍然保持售予载波藏躲爱 交性【3l 】。至此，现代o f d m 的概念便形成了。同时，c i m i n i 3 2 把o f d m 的概念 引入蜂窝移动通信系统，为当代光线o f d m 系统的发展奠定了基础。 o f 黼畦技术其凝蕤好鳃撬多缝旋力，驮蠢嚣受裂大量荚注。箨蘸o f d m 终楚梭 蕺索鄄宅丈攀学整论文第一黎譬；富 心技术已被多种谢线和无线接入标凇淤纳：1 ) a d s l ，被广泛用于提高铜双缎嘏缆 用户的接入能力；2 ) 在无线接入领蛾的i e e e 8 0 2 1 l aw l a n 、h i 曲p e r f o r m a n c e l a nt y p e2 ( h 糟群a n ，2 ) 及欧洲数警酱频r - 播( d a b ，d i g i t a lb r o a d c a s t ) 以殿欧洲 数字蓑菝广撵( d v b ，d ：g k a lv ：d e ob r o a d c a s t ) 等等 3 0 4 4 。谶踺，o d m 豫了终羹 一耱抟稔蓑零羚，逐可孩透行多矮产羧入。 正因为o f d m 潜在的多径对抗瀚力，且可暖灵活地耥冀他接入方式结禽戚衍 坐系统，所以o f d m 已被列入3 g 以麟无线通信系统的w 能解决方案，而髓剿众 多研究者的广泛凝注。 1 3 论文磺囊王律溉邃 空前发展的i n t e m e t 和移动通信，融经作为迈向信息糙尝的两个重要标惠。分 别支持对大量信息资源的有效访问和w 以随处漫游的个人通信，将深刻地澎响朱 寒落蠢基穗结兹鼹发矮。麴彝缝台务懿酌技零魏势，雨避蕊愚源蕊艰割彝鲻户谤 涎雾拿蕴萋爨袋耧，激统一蕊嚣漆淀鼹产挺爨无楚蚕夸蕊蘩惑瓣缮蘼务，戴为太豢 舞丽关注数一个拣熙阏题。 本课题主嚣研究基于o f d m 的商遴光线i n t e r n e t 中物蠼层、数据链路腻、传 输层的若干关键技术。论文的重点怒对o f d m 无线传输黼缆治的符号同步愀艇和 溶遒接诗翔题，以殿m i m o o f d m 蓉筑中裁定 1 寸嗣步秘谂邋嵇诗联合设谤弼越。 零谂文翡主要王露黧下； 1 对各静撼德簿法在基于导颥盼漕邋岱讦申捶煎精艨、运算量、嗓拳拣麓簿 进行分桥，指出基于f f t i f f t 的插值算法并非辙优。 2 对各种蒸予时域相关峰值检测的o f d m 符号同步辣法的噪声性能、湖步糈 度、弱步撼获、弱步跟踪和逡髑豢件性等进行了浮纲讨论，指出备方法的 霆努整或聚撵糕盎蘸系鬟嚣求嚣定。 3 。赞对秃缝媾鬻数据系统携犍务羧壤，鼹商瓣鞭漆利髓攀，快速霹爹稳获等 要求出发，掇出了一种全新的撩予循环前缀的o f d m 盲同步算法；泼算法 通过对接收到的o f d m 信号j 魏行短时傅里叶分析，在二维时频幅度谶( 2 一d t i m e - f r e q u e n c ys p e c t r m n ) 上检测出无i s i 区洲，从丽确定同步时刻。从艨 遵主谤，本冀法霞霹逶嚣予鏊予矮嚣誊缓熬攀载波系统。 奎霹挺毒鹣2 。撩营嚣多冀法酶佼簸遴行了努褥，避蘧霹基于露蠛糯美蠓穰检 测和循环黼缀的传统算法谶行对比，证明新算：法的性能远优予常规辫法。 5 研究了m i m o o f d m 系统中的符号同步问题，并把前面的各盲同步群溅：i 生 北索邮电太学学位论文第一章i l 亩 m i m 0 环境下的应用进行了讨论。 6 + 霹纛线移动绩遂弱廷薅弦头模型逡行讨论，特爨裁季蠡头惩逡为菲采样潮瓣 情况下的能量泄漏问题进行了讨论，并指出，抽头延迟为q e 采样间隔情况 下豹戆量淫潺囊题瓣o f d m 系绞豹洼笈凡乎没毫影臻。 1 4 论文农容安排 第二章概述了无线信邋的特性，讨论了它对无线通信影响。 第三耄主要讨论了o f d m 系统接收税的设计问题，介绍了o f d m 基本原理， 讨论了各种非理想传输条件和非理想设计参数给o f d m 系统整体性能带来的影 确。本章按照经典豹方法把o f d m 接收机分成辩渡收辘和内接收视两部分分翁阐 述，其中总结了目前o f d m 内接收机的主要算法。 第霞耄讨论了擎输入肇输密( s i s o ) o f d m 系统静符号定薅同步恢复算法；撬 出t 一种纂于短时傅里叶分析的二维o f d m 系统符号同步方法。本章首先给出了 一个数字遴僖系绞蕊一簸溺步摸蘩释一般静同步方法。然焉奔缓to f d m 系统的 各种同步方法，对它们的同步性能直接在多径衰落信道模型下进行了理论分析和 仿粪分叛，并逶遵建立基予l 硅序裂稳关潦篷检测豹壤率瞧憩分援模型，分辏了鏊 于训练序列和循环前缀的同步方法的检测概率性能。最尉介绍了沦文提出的2 - d 时频o f d m 楚号溺步算法，并绘出了孩算法的憋麓分振。浚方法已串谤了一项中 国图家专利。 第五章讨论ts i s o o f d m 系统兹售邂传计阕题。这章首先绘出了一般数字 系统的信邋估计模型和o f d m 的信道估计模型，并就o f d m 系统信道估计中的捕 值阀题进行了讨论。对各耪插篮算法的性自进行了对比分瓠，摆如基于f f t t l f f t 的捅值算法并不总是最优的。最后就信道估计中的非采样删隔多径时延带来的能 量泄漏问题进行了分板。 第六帮讨论m i m o o f d m 系统的符号同步问题，并把第姻章提出的时频 o f d m 符母同步方法推广到了m i m o o f d m 系统中。 就赢簿毫大学学健稔文箨二二章琵缝避蘸抟蘩蘧特性 第二章无线通信的信遭特牲 无绞信遒环浚等懿蘩塞莛戆黉冁诲爹撬藏。零掌将麓翠逶套绥一下笼线僖遥 翡传输将整鞍论文串鬟裂馥售道禳整。羼续章繁孛关予o f d m 系统懿祷号麓步巍 信道估计的讨论将建立这些模黧蕊黼上进行。关于无线通信信道的详细讨论，可 参考文献【4 1 3 1 ，奄关无线信道的测凝方法和数据等可激步参考 3 5 1 2 6 】。 与京线信惑髂输稠魄，无线信邋中翡信号臻输掰缝历躺环凌要复杂褥参，荬 穆徐过程受裂发送懿秘接菠凝黧魏复杂逑影、移臻魏侮荦嚣空气瀑凄瀑壤潋及宅 f 懿交健特性熬影蹶，莹璇许多不稳定蕊传羧谈揍。巷潆程无线笈嚣惑鞍羧蔽虢淹 的信道环境下的传播过程可能经历的传播机制戗括直绀( l o s ：l i n e o f s i g h t ) 、反 辩( r e f l e c t i o n ) 、错鸯圣( d i f f r a c t i o n ) 稍澈蹙雩( s c a t t e r i n g ) ，丽鑫国予傣l 耋本身瓣麓躐性， 番机制程传输中昀地位也是1 碴机的，这就是无线信道谶比肖线信道的传输环蟪恶 劣翁主蘩豢霞。肖线茕徐 辱蓑逶鬻建羚态f 孚爨魏、司预测涎，无线霞邋翊建l 予藤 述藜各释因素黪焖，呈蕊童谣强麓醚瓿辩变蔑。嚣线篷遵蕊运释随视程稻涮变经 大致可激划分为兰类： 1 ) 自由窝6 u 传播损耗与弥敝，主鼹是距离和频率的黼数： 2 葫影褒撩，这主要是基予健攘环境这憨遗形熬献、建筑等障碍物对电波的 遮蔽僚鲻引起熟。 秘多经衰落，它是遣予无线够动舔麓孛懿爨畜多程凝象遮藏蕊。 实溅表嚼；这三静靛应表爨在不丽躲距离范围。鼠蠢线系统工程静羯戚，魏 疆穆效痰属于大尺发效应( l a r g e ”s c a l ee f f e c t s ) ，主要彩 哟恶线通信的距离戏辫笼线 区的覆靛范围，通过合理的天线布髑等设计可以消除蕊不和影响；丽籍种散应 臻子枣只凄效瓣( s m a l l - s c a l ee f f e c t s ) ，在数十令波长范嘲袋极短对间内璺现快速剖 熬翡随鬟萑蔻扶，拭嚣严重影蛹蕊号梅褥蒺量，蒡虽累髓逶遭嚣述翡篱荦手葭薅 豫。另终，稷鼠秃浚信遵将洼懿瓣变饿迸可以穗笼线镶道翻分为妖衰落( f a s tf a d i n g ) 信道和馒衰落( s l o wf a d i n g ) 信道。 2 1 炎尺度效应 透露壤嚣下，誊袋竣程鬻袭懿瓿之瓣戆慈霹霞萋巍l 1 0 皋嚣蕊鬻疼变倦港， 搂收信号功率的平均值基本保姆不变，但当如柴它们瀚糯对位置静酸嶷逡越避上 述范赘瓣，撩缎髂号豹平均功举魏公巍几个数藿缀抟变怯。大尺度效应茉怒鹅寒 描述接收机和缎射机之间的距离肖大咫度的变化时揆收信号白勺平均功率假的变化 筑窳揶电丈攀学往论文 第二章无线通嫠麴蒋道特髓 规律。如图2 - 1 所示。 鬻2 - i 丈双度衰落秘小足度衰落添意 2 1 + l 叁辔空阕的传播 薏线蘸凌在螽斑窑鬻戆黄撬是邀波僚攘辚突中囊麓攀、簸鏊零夔一餮。瓒谬 鑫 蟊空阕，严格瓣说蹙指真空，健通常糖满足一定条律豹理憋赛啕视为鑫出空澜。 擞然在现实环境中势不能找至这齄理想鹩叁崮空间，倦在碳究嚣线逶傣的电波传 播问题时，自由斑问的概念提离了一个比较各种传播环境的标准，并可简化场强 秘传输损耗豹计算。 当奔质空蕊满足：1 ) 均匀瑟损耗，奎溜笼袋丈：2 ) 务翔圈瞧；3 ) 遣爵率为零， 稳瓣分毫鬻鼗器裙对磁警率恒为l 等条箨嚣孪，簸可醵豢髂盘凌空闻。在这耱臻憋 窝湖中，不存在电磁波的反射、折射、绕射、德散和吸收等现象，且传播速率为 光遮。尽管电波传播在现实环境中总受到传播介质和障碍物的影响，当这些影峨 豹程度小到可以忽略时，我钔就可苏认为是自由空闽传播。 在自由空闰终援象件下接收规接牧刿的信号功率嚣可幽下式给出， ，：、2 嚣= 引l 垂骚 ( 2 1 ) 斗刀a 熬中嚣为发射税馈送爨天线静境率，晷；l ：耩船分剩为发射天线灏接收天线增益，冀两 波长，d 为接收涎线和发射天线间的距离。于是电波传播所缀历的损耗液示为 p厂：、2 珏号2 【意j 函垂 嵇2 ) 谶多，骧努樊为擎使表示刚灸 急i 墨3 24 5 0 2 0 1 0 9 f + 2 0 1 0 9 d 仁3 ) k = + + 、 熊巾娃和g 分别为发射和接收天线增箍( d b ) ，氛定义为囱国空间路径损耗( 两个 熊京郯电大学学往论文第二露毛线通掊抟掊邀特裢 瑕想点源天线( 增靛系数g = i 的天线) 间的传输损耗，它只和电波频率和传输距离 鸯关，和投发天线特往髭关) 。密式( 2 2 ) 胃隧看溉自荏 空黼中接收信号的穗率与距 离的平方成反比，即 只。c 击 刚) 2 1 2l o g - n o r m a l 阴影效应 前瑟提到了计冀移动环境下传输损糕的理想传播模燮：自国空间传播。然蕊， 实际移秘繇凌中豁健羧援耗要毙塞囊空阕孛静大诲多，逡鬻雳下嚣麓援墼委乏袋经。 1 嚣啦( 2 ，5 ) 口” 葵孛薛2 。大爨瓣实舔测量衰弱，黧d 小予 5 k i n 怼，撑可敬3 - 4 ，否则敬5 - 6 。 但鼹以上的近似仍然比较粗略，因为它们只能计算出距离d 处的平均路径损 耗，霖安器魏攒糕跫一个涟魏交爨甄，箕摄霉密褒醋数澎 p ( 尹蚺= 去e x p | 鼍笋l 蕻中j p 厶，m d 和( 撒型值为1 0 d b ) 的单位均为d b 。 2 。2 小尺度效应 在交际静无线移动_ 环境下，电波将经历不霹的路径戮达接收天线，这麟蕊掰 增多径效应。夺多经信道中，当接收机和发射机的相对位簧发生了即使l 2 载波波 长的位移时，或张短时间内接收信譬瓣幅度也会发生槲烈变化，我 f 】称之为小尺 度效虚。 2 2 1 小尺度藏藏抟表现和影响因索 小尺度效成熟体表现为： 在小鼷蒜或短嬲弼莲圈瞧撰蚊接号强度熬测烈髓化； 由于不丽信号路径上豹不网多营疑效赢引起鼬隧枫频率调到： 建多较嚣窖延扩震遥或蕊号酌蹲润弥毅簸瘦。 影响小尺淀效应的主要因豢霄： 多径传撩：无线移动僚遒巾，幽予反射、散射铸数影响，实际簧q 迭接收机 的信母为发射信号经过多个传播路径之后各分墩晌叠加。不同路径分登的 北京邮电大学学位论文销二章无线通信的信道特性 幅度、相位、到达时间和入射角各不相同，使接收到的复合信号在幅度和 相位上都产生了严重的失真。多径传播会引起信号在时间上的展宽，从而 带来符号问的干扰( i s i ) 。 移动台的运动速度：在无线移动系统中，需要使用很高的载波频率进行信 号传送。如果移动台相对于基站运动，由于各入射信号的入射角不相同， 各路径分量受到不同的d o p p l e r 频率调制，使接收到的复合信号产生非线 性失真。若所使用的载波频率一定，移动台的移动速度越高，d o p p l e r 频 移对接收信号的影响就越严重。 传播环境中物体的运动：如果无线信道环境中存在运动的物体，会使到达 接收天线的某些多径分量随时间变化。如果移动物体处于发射或接收天线 附近且具有较高的速度，这时，移动环境中运动物体引起的d o p p l e r 频移 对信号的影响就必须加以考虑。 信号的物理带宽：宽带信号和窄带信号在多径信道中的表现出不同的衰落 特性。如果传送信号的物理带宽比”信道带宽”( 相下带宽) 更宽，接收信 号将产生失真。但如果信号带宽比d o p p l e r 带宽大很多，信号对d o p p l e r 频移引起的失真将不敏感。如果传送信号的物理带宽比信道带宽窄，则接 收信号波形在时间上不会引起明显的失真。但如目! 信号带宽窄到可以与 d o p p l e r 带宽相比拟时，信号对d o p p l e r 频移引起的失真将较为敏感。 2 2 2 多径时变信道的冲激响应模型 基于多径信道模型，并考虑到信道响应的时变性，无线移动信道的冲激响应 可以表示为 f ( l ( ，r ) = 舀，( t ) f i ( r r ，( r ) ) ( 2 7 ) p 。l 其中彩( ，) = l 舀，( ，) ie # p ( 叽r ，( f ) 、谚，( ，) 均是时变的随机变挝，分别为第p 条径的 复衰减因子、时延和相移，p ( t ) 为时刻t 时的总路径数。改发射信号为x ( t ) ，于 是接收到的信号y ( t 1 可以表示为 y ( t ) = ( f ，r ) + x ( f ) + n ( f ) = x ( 卜f ) ( ，f ) 出+ ”( ，) ( 2 8 ) = 舀，( t ) x ( t 一邱( f ) ) v + n ( f ) p = l 式( 2 7 ) 充分反映了无线移动信道的多径效应和时变效应。进一步，多径信道冲激响 应的频域表示为 鼗