（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统的自适应门限帧同步研究.pdf

等 独创声明 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，也不包含未获得 ( 洼；翅逡查基丝霞塞挂别虚贸的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做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：彪垒 签字日期：力加年主月艿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： l 、学校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。 2 、学校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。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 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：赦煎 签字e t 期：勿7 0 年乡月艿e l 导师签字： 签字日期：z d 舸年s 月修日 m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 摘要 多输入多输出正交频分复用( m i m o _ o f d m ) 技术结合了m i m o 技术和o f d m 技术的优点，由于它具有能够有效提高信道容量，使频谱利用效率成倍提升，同 时大大降低在多径环境下的接收机复杂度等优点，近年来，m i m o _ o f d m 技术已经 被视作第四代移动通信技术的重要组成部分而受到通信界的强烈关注。 本文研究了自适应门限帧同步算法在m i m o o f d m 系统中的应用，与固定门限 的帧同步算法进行了性能对比分析，并利用m a t l a b 仿真平台对自适应门限帧同 步算法的粗同步效果、细同步效果和正确检测概率进行了仿真实验，实验结果表 明，自适应门限帧同步算法在实现同步捕获的快速性和准确性方面具有更好的性 能。 本文主要进行了以下工作： 1 、从理论和实验的角度分析了自适应门限帧同步算法在实现m i m oo f d m 系 统帧同步方面的性能，该方法克服了固定门限帧同步算法在瑞利衰落信道下由不 相关衰落和多径干扰所导致的的同步虚警率与误警率成倍增加的问题。 2 、首先分析了无线通信系统中各类自适应门限同步检测算法的算法流程及 其特点，然后研究了m i m o o f d m 系统中自适应门限帧同步算法与基于正交帧头的 帧同步算法在瑞丽衰落信道下的同步捕获情况，并得出自适应门限帧同步算法更 能适应信号衰落、多径干扰等信道环境的动态变化。 3 、建立了较为完整的基于r a y l e i g h 多径衰落信道的m i m o o f d m 系统仿真平 台，分别对两种帧同步算法的粗同步效果和细同步效果进行仿真对比实验，同时， 在不固定信噪比的情况下，对这两种算法的帧同步正确检测概率进行仿真对比实 验。结果表明与固定门限帧同步算法相比，自适应门限帧同步算法具有捕获时间 短、虚警概率低、检测概率高的优势，具有广泛的实际应用前景。 关键词：m i m 0 - 0 f d m ；帧同步；自适应门限；改进的正交帧头 r e s e a r c ho fa u t o 。a d a p t e dt h r e s h oidf r a m e s y n c h r o n iz aio ninmii o o f d ms y s t e m a b s t r a c t m u l t i - i n p u ta n dm u l t i - o u t p u to 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 ( m i m i _ o f d m ) u n i f i e dt h em e r i t so fm i m ot e c h n o l o g ya n do f d mt e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t sm e r i t sw h i c hc a ne n h a n c et h ec h a n n e lc a p a c i t ye f f e c t i v e l y , c a u s e st h e u s i n ge f f i c i e n c yo ff r e q u e n c ys p e c t r u mt op r o m o t ed o u b l ya n dg r e a t l yr e d u c et h e r e c e i v e ro r d e ro f c o m p l e x i t y u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm u l t i d i a m e t e r m i m o o f d mi sc o n c e m e db yt h ef i l e do fc o m m u n i c a t i o n ，b e i n gr e g a r d e da sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e b ya n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o no fa u t o a d a p t e dt h r e s h o l df r a m es y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mi nm i m o o f d ms y s t e m ，c o m b i n e dt h ep e r f o r m a n c ew i t h t h ef i x e d t h r e s h o l df r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dc a r r yo nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt o t h ec o a r s es y n c h r o n i z a t i o ne f f e c t ，f i n es y n c h r o n i z a t i o ne f f e c ta n dc o r r e c te x a m i n a t i o n r a t eo ft h ea u t o - a d a p t e dt h r e s h o l df r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mu s i n gt h em a t l a b s i m u l a t i o np l a t f o r m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ea u t o - a d a p t e dt h r e s h o l df r a m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mh a st h eb e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h ea s p e c to fr e a l i z i n gt h e s y n c h r o n i z e dc a p t u r er a p i d i t ya n d a c c u r a t e t h i sa r t i c l eh a sm a i n l yc a r r i e do nt h ef o l l o w i n gw o r k s ： f i r s t l y , i ta n a l y s e t h ep e r f o r m a n c et h a tr e a l i z et h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o n a u t o - a d a p t e dt h r e s h o l df r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mf r o mt h ea n g l eo ft h e o r ya n d e x p e r i m e n ti nm i m o o f d ms y s t e m t h i sa l g o r i t h mh a so v e r c o m et h eq u e s t i o n so f s y n c h r o n o u sf a l s ea l a r mr a t ea n dp o l i c er a t ei n c r e a s e sd o u b l e da n dr e - d o u b l e dw h i c h c a u s e db yt h ef i x e dt h r e s h o l df r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mu n d e rt h er a y l e i g h f a d i n gc h a n n e l s e c o n d l y , i ta n a l y s e st h ea l g o r i t h mf l o wa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe v e r yk i n do f a u t o a d a p t e d t h r e s h o l d s y n c h r o n o u s d e t e c t i o n a l g o r i t h m i n t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h e ns t u d i e st h es y n c h r o n i z a t i o nc a p t u r es i t u a t i o no ft h e a u t o a d a p t e d t h r e s h o l df r a m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m a n dt h ef r a m e i i s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h eo r t h o g o n a lf r a m eh e a dt h eu n d e rt h er a y l e i g h f a d i n gc h a n n e li nm i m o o f d ms y s t e m ，a n do b t a i n st h ed y n a m i cc h a n g e s t h i r d l y , i te s t a b l i s h e sc o m p l e t e l ys i m u l a t i o np l a t f o r mw h i c hb a s e so nr a y l e i g h t h em u l t i d i a m e t e rf a d i n gc h a n n e lo fm i m o o f d ms y s t e m ，c a r r i e so nt h e s i m u l a t i o no p p o s i t ee x p e r i m e n tt oc o a r s es y n c h r o n i z a t i o ne f f e c t ，f i n es y n c h r o n i z a t i o n e 丘e c t o f t w ok i n d so ff r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m a tt h es a m et i m e ，i nt h es i t u a t i o no fn o f i x e ds i g n a l - t o - n o i s e ，c a r r i e so nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt o f r a m es y n c h r o n i z a t i o n c o r r e c td e t e c t i o np r o b a b i l i t yo ft w oa l g o r i t h m s ，t h er e s u l ts h o wt h a ta u t o - a d a p t e d t h r e s h o l df r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mh a st h es u p e r i o r i t yo fs h o r t e rc a p t u r et i m e l o w e rf a l s ea l a r mp r o b a b i l i t y , a n d h i 曲l yd e t e c t i o np r o b a b i l i t y i th a st h ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：m i m o _ o f d m ；f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ；a d a p t i v et h r e s h o l d ； i m p r o v e m e do r t h o g o n a lf r a m eh e a d e r ； i i i 目录 1 引言1 1 1 研究背景1 1 2 m im o - o f d m 技术发展3 1 3 课题研究的意义和应用价值4 1 4 本论文主要研究工作5 2m i m oo f d m 系统研究6 2 一m i m o o f d m 的基本原理6 2 1 1o f d m 的系统结构6 2 1 2m i m o o f d m 的基本原理8 2 2 保护间隔和循环前缀1 0 2 3 川m o o f d m 系统同步技术研究1 l 2 3 1m fm o o f d m 系统同步技术研究1 1 2 3 2 m o o f d m 系统同步算法的应用领域1 2 2 4m im o _ o f d m 系统信道估计技术研究1 4 2 一m i m o o f d m 技术的优点1 5 2 6 本章小结1 6 3 白适应门限的同步检测算法一1 7 3 1 基于噪声功率的自适应门限检测算法1 7 3 2 基于信号能量的自适应门限检测算法1 8 3 3 基于门限状态的自适应调整算法1 9 3 4 本章小结2 0 4 自适应门限帧同步算法在m i m oo f d m 系统中的应用2 1 4 一m t m o o f d m 系统的帧同步技术2 1 4 1 一m i m o o f d m 系统帧同步研究现状2 l 4 1 一m i m o o f d m 系统帧同步算法分类2 2 4 一m i m o o f d m 系统基于正交帧头的帧同步算法2 5 i v 4 2 1 帧头的构造2 5 4 2 2 粗帧同步2 6 4 2 3 细帧同步2 7 4 一m i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步算法2 7 4 4 本章小结3 0 5 仿真实验与数据分析3 1 5 1 仿真综述3 1 5 2 莱斯k 因子对多径衰落信道的影响3 l 5 2 1 理论原理3 l 5 2 2 仿真参数设定3 2 5 2 3 仿真结果分析3 2 5 3 瑞利衰落信道的建模仿真3 3 5 3 1 仿真理论原理3 3 5 3 2 仿真参数设定3 4 5 3 3 仿真结果及数据分析3 5 5 4 基于正交帧头的自适应门限和固定门限帧同步算法对比实验3 7 5 4 1 仿真参数设定3 7 5 4 2 两种帧同步算法的粗同步效果仿真对比实验3 8 5 4 3 两种帧同步算法的细同步效果仿真对比实验4 1 5 4 4 两种帧同步算法的正确检测概率仿真对比实验4 3 5 5 本章小结：4 5 6 总结与展望4 6 6 1 全文总结与创新之处4 6 6 2 研究展望4 7 参考文献4 8 v m i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 1 引言 1 1 研究背景 移动通信技术是当今世界最活跃的科研领域之一，它给人们带来的影响是 无可争议的。该技术突破了有线通信的物理限制，可以使用户在任何无线电波能 够到达的地方进行自由通信【l 】。它是- f 复杂的高新技术，在飞速发展的计算机 和半导体技术的推动下，移动通信的理论和技术不断取得进步 2 1 。 今天，移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活中不可缺少 的重要通信方式之一。在过去的近二十年里，全球发展了多种移动无线系统，这 包括各种不同的寻呼、无绳、蜂窝无线电、移动卫星系统，给人们的生活和工作 带来了极大的方便。进入2 1 世纪之后，无线通信技术，尤其是移动通信技术， 呈现出了前所未有的发展势态。下一代移动通信系统的目标是实现无所不在的、 高质量的、高速率的移动多媒体传输。为实现这一目标，各种新的技术正不断地 被应用到移动通信系统中来。基于i n t e r n e t 的语音、视频、数据通信业务的蓬 勃发展使得人们对无线通信提出了更高的要求。现有的以语音通信为主的移动通 信网络已经无法满足人们日益提升的消费需求。移动通信网络需要为每个用户提 供高达2 m b p s 的传输速率；数字电视广播需要提供高达2 0 m b p s 的传输带宽， 无线局域网广域网系统更将提供高达1 0 0m b p s 的接入速率。因此，大数据量 无线传输业务要求在较宽的无线频带内提供稳定可靠的无线传输质量，并尽可能 地提高带宽的利用效率。目前，第3 代移动通信系统已正式商用，系统设计者们 正在进行新一代无线通信系统和技术的研究，即4 g 和b e y o n d3 g 。可以肯定的 是：下一代无线通信要支持比3 g 系统更高的数据传输速率，能有效支持无线多 媒体通信和高速宽带i n t e r n e t 接入【3 】。 移动通信的发展经历了三个历史性的阶段。第一代移动通信系统采用模拟信 号传输方式，以北美的a m p s 和欧洲的t a c s 为代表，所支持的业务仅限于话音 业务。它有很多不足之处，如频带利用率不高、容量有限、制式太多且互不兼容、 保密性差、不能提供自动漫游等。这促使人们开发出第二代移动通信系统数 m i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 字蜂窝移动通信系统。第二代移动通信系统实现了从模拟系统到数字系统的转 变，主要提供语音业务和低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的一些弱点， 频谱利用率、语音质量、保密性能得到很大的提高，并能提供比第一代系统更先 进的漫游服务。2 g 系统进一步演进，是以g p r s 、e d g e 为代表的2 5 代( 2 5 g ) ， 这些2 5 g 系统可以满足用户对数据业务的需求，提供基于电路交换或分组交换 的中等速率数据业务。第二代移动通信系统虽然比第一代移动通信系统有很多改 进，但是还存在业务单一、很难支持高速率的业务传输、无法进行全球漫游等缺 点。于是第三代移动通信应运而生，其目的是希望移动通信系统能具有更高的频 谱利用率、更好的传输质量，实现全球普及和全球无缝漫游，并能和固定网一 样提供将话音、图像、数据等业务综合在一起的交互式宽带多媒体业务，支持分 组交换业务和非对称传输模式。国际电信联盟( i t u ) 于1 9 9 6 年底确定了 i m t 一2 0 0 0 的基本框架，这是3 g 系统标准化的标志【3 】。最终确定的3 g 标准有 欧洲提出的基于g s m 的w c d m a 、北美提出的在i s 一9 5 基础上进一步演进的 c d m a 一2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。目前尽管第三代移动通信( 3 g ) 标准比现 有无线技术更强大，但也将面积竞争和标准不兼容等问题。人们开始呼吁移动通 信标准的统一，以期通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。国际电信 联盟( i t u ) 目前正在研究制订第四代移动通信标准，并已达成共识：把移动通 信系统同其他系统( 例如无限局域网，w l a n ，等) 结合起来，产生4 g 技术，2 0 1 0 年之前使数据传输数率达到l o o m b p s ，以提供更有效的多种业务。目前相互兼容 移动通信技术的第四代移动通信标准( 4 g ) 正在业界萌动。第四代移动通信与第 三代移动通信相比，将在技术和应用上有质的飞跃。4 g 将适合所有的移动通信 用户，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接 并相互兼容i 4 j 。 总的来说，第四代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：( 1 ) 用户速率 在准静止( 低速移动和固定) 情况下达到2 0 m b i t s ，在高速移动情况下达到 2 m b i t s ；( 2 ) 容量要达到第三代系统的5 - 1 0 倍，传输质量优于第三代系统；( 3 ) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；( 4 ) 网络每比特成本要比第三 代系统低。( 5 ) 具有不同速率问的自动切换能力，以保证通信质量。在功能方面 主要有以下要求：( 1 ) 实现与固定网或专用网的无缝化连接；( 2 ) 支持下一代因特 2 i v l l m oo f d m 系统的自适应门限帧同步研究 网和所有的信息设备、家用电器等；( 3 ) 能提供用户定义的个性化服务；( 4 ) 按服 务级别收费；( 5 ) 能通过中间件支持和开通多种多样的i p 业务【5 】o 1 2mlm o - o f d m 技术发展 m i m o _ o f d m 技术是o f d m 技术与m i m o 技术的结合，它继承了o f d m 和m i m o 技术优点。o f d m ( 正交频分复用) 是一种特殊的多载波传输方案，它既是一种调 制技术，也是一种复用技术。近年来，随着数字信号处理( d p s ) 技术的飞速发展， o f d m 作为一种能有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术引起了更为广泛的关 注，有着广泛的应用前景。o f d m 技术的主要思想是：在频域内将给定信道分成许 多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各个子载波并行传输。 这样尽管信道是非平坦的，也就是有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的， 并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此可 以大大消除信号波形间的干扰【5 j 。 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点：( 1 ) 频谱利 用率高，比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中是很重要的。 o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可接近n y q u i s t 极 限。( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散到多个 子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响。( 3 ) 采 用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号 的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。( 4 ) 通过各子载波的联合 编码，可具有很强的抗衰落能力。( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速 算法，o f d m 采用f i f t 和f f t 来实现调制和解调，易用d s p 实现 6 1 。 m i m o ( 多输入多输出) 系统，该技术最早是由马可尼于1 9 0 8 年提出的，它利 用多天线技术来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( 单 输入单输出) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( 单输入多输出) 系统和m i s o ( 多输入单 输出) 系统。可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就 是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，同时在不增加带宽和天线发 送功率的情况下，成倍地提高频谱利用率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复 用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。目前，m i m o 技术领域另一 m i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要 思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道 误码型8 1 。 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗 多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前解决 m i m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用 o f d m 。大多数研究人员认为o f d m 技术是4 g 的核心技术，4 g 需要极高频谱利用 率的技术，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理 开发空间资源，也就是将m i m o 和o f d m 结合，可以提供更高的数据传输速率。另 外o f d m 由于误码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力【9 j 。 且由于多径时延小于保护间隔，系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络 ( s f n ) 可以用于宽带o f d m 系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机 组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。由此可见，m i m o 技术与o f d m 技术结合可以在不需要增加带宽和传输功率的前提下提高数据传输速率。使高速 无线通信系统的实现成为可能，是下一代宽带移动通信系统的发展趋势，有望成 为过渡到4 g 的潜在技术。因此m i m o o f d m 己经成为世界各国和各大电信厂商目 前4 g 研究的热剧7 1 。 1 3 课题研究的意义和应用价值 m i m o o f d m 系统继承了m i m o 和o f d m 技术的优点，同时也引入了一些需要解 决的关键问题，其中系统同步问题最重要方面之一。通信双方的同步对于数字通 信来说是至关重要的问题，它直接关系到双方是否能够正常通信【l0 1 。在m i m o 系 统中，一个特定的接收天线在某一时刻收到的是所有发送天线的信号叠加，加上 多径的干扰，使得不同发送天线的主径信号并不一定同时到达同一接收天线，因 此帧同步和频偏估计较难实现，而o f d m 系统中，帧同步偏差不仅会导致码间干 扰，而且还会造成快速傅里叶( f f t ) 变换输出数据的相位线性旋转，从而降低 系统性能。由此可见，m i m o _ o f d m 系统对于同步的要求相比其它通信系统更加的 高，因此研究m i m o o f d m 系统的同步算法具有非常重要的意义。 m i m o 与o f d m 技术的结合不仅为m i m o 技术在频率选择性衰落信道的应用创 4 m i m oo f d m 系统的自适应门限帧同步研究 造了条件，而且极大简化了信道均衡，是近年来的研究热点。目前，国内外已有 大量文献对o f d m 系统中的同步进行了研究，提出了许多行之有效的定时与载波 同步算法，然而这些算法的用途主要集中在s i s o o f d m 系统中，尽管有少数算法 可应用到m i m o o f d m 系统中，但同步捕获的快速性和稳定性方面都存在着不足， 若不进行改进，很难实现精确的数据同步，从而影响通信双方的正常通信，因此 在本论文中，针对m i m o 系统的帧同步问题作了进一步的探讨和研究【l卜13】。_ofdm 1 4 本论文主要研究工作 在本论文中，首先介绍了o f d m 技术和m i m o 技术的优缺点以及m i m o o f d m 基 本原理和系统框架，然后分析和研究了同步对m i m o _ o f d m 系统性能的影响，并对 基于自适应门限的同步算法进行了探讨，最后针对m i m o _ o f d m 系统的帧同步检测 提出一种改进算法，利用m a t l a b 创建系统帧同步技术的理论模型，对此模型进 行计算机仿真，并根据得到的数据加以分析研究其性能，获得有效结论。 本论文具体结构如下： 第一章：绪论。简要介绍了本文的研究意义和应用价值。回顾了移动通信技 术的发展史和发展前景，并叙述了m i m o o f d m 技术的现状及发展中面临的一些问 题，从而引出了同步技术研究的必要性。 第二章：m i m o o f d m 系统研究。概述了m i m o _ o f d m 技术，介绍其基本原理及 系统结构框架，分析了保护间隔和循环前缀对抗码间干扰和载波间干扰的重要作 用，总结了m i m o _ o f d m 技术优点。 第三章：自适应门限的帧同步检测算法。介绍了此算法的基本原理，理论分 析了此算法的三种主要分类及各自的优缺点、应用等。 第四章：自适应门限的帧同步算法在m i m oo f d m 系统中的应用。分析了同步 技术的重要性及同步算法的分类。概述了一种m i m oo f d m 系统较常用的帧同步算 法，并提出了改进，将自适应门限的帧同步算法引入其中，且分析了此改进算法 的原理及性能优势。 第五章：仿真实验与数据分析。根据第二章至第四章中建立的m i m oo f d m 系 统关键技术理论模型及相关算法，利用软件m a t l a b 建立仿真平台，分别对两种 同步算法的粗同步效果、细同步效果以及同步的正确检测率进行了计算机仿真， m i m o 一0 f d m 系统的自适应门限帧同步研究 仿真结果进行了分析比较，从而得出有效结论。 第六章：总结与展望。对全文所做的工作进行了概括性的总结，并明确了今 研究方向。 6 m i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 2mim o o f d m 系统研究 2 1 m i m 吐o f d m 的基本原理 2 1 1o f d m 的系统结构 o f d m 是一种特殊的多载波传输技术，是m i m o o f d m 技术的基础，所以分析 m i i o _ o f d m 系统基本原理前有必要先介绍一下o f d m 的系统结构。一个基本的o f d m 系统结构如下：发送端，首先对输入二进制比特流进行数字基带调制通常采用 m p s k 或m q a m 调制，得到相应的符号流。之后对调制好的符号流进行串并变换， 变为n 路并行符号流，然后再对这n 路并行符号流做i f f t 变换，之后加入l 点 循环前缀，再经d a 变换后送入信道。接收端，在进行a d 变换之后，首先要去 除循环前缀，按o f d m 符号转换成n 路并行数据，之后进行多载波解调，即f f t 变换，同时实现信道估计，对解调数据进行信道均衡，经并串转换、基带解调后， 得到接收的信息比特流【1 4 】。 根据上述系统流程仿真分析在接收端收到的o f d m 的频谱波形。在载波安排 上，设置1 2 8 个载波，保护间隔为1 6 ，采用q p s k ( 4 q a m ) 调制，为了便于分析，将 其中前后各三十二个载波设为n u l l 载波。仿真过程中，首先产生全部1 0 2 4 个 数据符号，循环前缀为1 6 ，采用4 q a m 调制，调制后的信号时域图如图2 1 所示。 对信号进行4 q a m 调制后，依次通过o f d m 调制以及加入循环前缀之后，将信号发 送出去。由于发送端的载波安排是前后各3 2 个载波为n u l l ，可假设这3 2 个载 波是带外频段，那么从理论上来讲它们都应该是零。这样进行排步就会产生两边 低中间高的频谱形式，如图2 - 2 所示。同时，从图2 - 3 中我们可以看出在接收端 所收到的o f d m 信号频谱也符合这个轮廓【1 5 】。 7 2 1 5 0 5 0 旬5 1 5 -402002 04 06 08 0 图2 - 1o f d m 信号时域图 t r a n s m i t t e do f d ms i g n a ls p e c t r u m 。- _ 与04 0- 2 002 04 06 0 图2 - 2o f d m 信号发送端信号谱 8 m i m o _ o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 r e c e i v e do f d ms i g n a ls p e c t r u m j i 气 k 1。 懈4嗍 4。弧 删 i _ m 树 _ j， 6 剐 i 懈一 1 ! “ 4 _i|! 。郴 l i ，_ - 4 。l _ - 6 确i 删一 捕 |l!| i 。【r 6 0 m i m o o f d m 技术是未来宽带无线传输领域的核心技术之一。m i m o 技术通过 将收发两端多根天线组成的信道分解成多个并行的子信道，结合相应的空时编码 就可以成倍的提高系统的容量，同时结合复用技术可提高通信链路的可靠性【1 7 】。 o f d m 技术通过将宽带信号拆分成多个窄带信号进行传输，将频率选择性衰落信 道转化为近似等效的平坦衰落信道，可有效的对抗多径造成的干扰。m i m o 和o f d m 技术的互补特性促使了两者在宽带传输领域的结合。m i m o _ o f d m 技术通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线的方法引入空间资源，同时利用时间、频率和空间处理 方式，使无线通信系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加，有效的提高无线链 路的传输速率和系统可靠性。 m i m 0 0 f d m 技术结合了m i m 0 技术和o f d m 技术的优点。考虑一个m 木，的 m i m 0o f d m 系统，f 为发送天线数；m 为接收天线数。其系统模型如下： 9 | | | | ； | | | | | | | | | | m i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 图2 4m i m o o f d m 系统结构 信号处理流程： 发送端：输入数据首先流经过信道编码、交织、映射调制( m p s k 或m q a m ) ， 然后进入空时编码器将数据流变成f 路并行的时域信号流对应，根发送天线， 分配到每根天线上的数据流被分为n 个子载波，进行i f f t 变换到时域，然后添 加循环前缀，最后经，个发送天线发送出去。但实际上，为了在接收端实现同 步和信道估计，每个o f d m 符号中还会有导频( p i l o t ) 插入，导频是在i f f t 变换 之前插入的。如果系统是突发的，则若干个o f d m 符号会组成一个突发包，在突 发包中还会增加前导符号等辅助信息以迅速实现同步和信道信息获取。 接收端：接收端任意根接收天线上的接收信号都是m 发送天线信号的叠 加。将接收到的时域信号先通过帧同步和载波频率同步，得到正确的帧起始位置 息去除循环前缀，然后将数据进行f f t 变换到频域，同时进行频偏、定时 l o m i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 跟踪和空时解码，最后对空时解码后的数据进行解映射，回复原始数据【1 8 】。 2 2 保护间隔和循环前缀 有效的对抗多经时延扩展是o f d m 技术最主要的优点之一，当传输信道中出 现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传 输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。这种效应如图2 - 5 所示。每个o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也可以同时出现该o f d m 符号的时延 信号，图2 - 2 给出了第1 子载波和第2 子载波的时延信号。从中可以看出，在 f f l 运算时间长度内，第1 子载波与带有时延的第2 子载波之间的周期个数之差 不再是整数，所以当接收机对第l 子载波进行解调时，第2 子载波会对解调造成 干扰，同样，当接收机对第2 子载波进行解调时，也会存在来自第l 子载波的干 扰。 第一- = 予蛾故对第。 予载波带来的i c i 干扰 ：保护| l i l 龋： f f t 积分时阿 ： 峙- 二- - - - i 一- - - - 一- - 一- 一一- - 一一一- 一一一一一一。- 一 图2 - 5 空闲保护间隔在多径情况下的影响 由于多径信道的影响，第n 个o f d m 符号接收端收到的信号是发送信号 s ( n ，j ) 和信道冲激响应的线性卷积： 工一l y ( n ，) = h ( n ，z ) s ( 刀，一j ) + w ( n ，) ( 2 1 ) 其中，w ( n ，z ) 代表高斯白噪声，h ( n ，) 是多径信道的信道冲激响应【1 6 1 。 同时，可以通过加入循环前缀来消除i c i 和i s i ，如图2 - 6 所示，阴影部分为循 i v f l m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 环前缀，它是将o f d m 符号尾部的一部分复制后放到前部，循环前缀的长度要大 于信道最大延迟扩展，这样做的目的是为使前一个符号的多径副本都落在后 一个符号的循环扩展范围内，以此来消除前后2 个符号之间的干扰。扩展范围内， 从而消除前后2 个符号间的干扰。而且由于循环前缀的加入，使得一个o f d m 符号 看上去像是周期的，从而使同一个o f d m 符号的不同主径间的不同子载波仍能够 保持正交，这样也防止了i c i 2 0 l 。 图2 - 6 循环前缀 2 3 m o o f d m 系统同步技术研究 2 3 1m i m o o f d m 系统同步技术简介 同步是无线通信系统实现中的一个重要问题。准确的同步是保证可靠数 据接收的重要条件。当接收端对接收到的信号进行同步解调或相干检测时，接收 端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波1 1 9 1 。m i m o o f d m 的传输技 术基础依然是o f d m ，而o f d m 系统做为一个多载波系统，其输出信号是多个正交 子载波信号的叠加信号，子载波之间的正交性是在接收端做o f d m 解调的关键，载 波频率的偏移会破坏子载波之间的正交性，带来严重的信道间干扰( i c i ) ，如果 不采取措施对这种i c i 加以克服，会对系统性能带来非常严重的影响，即无论如 何增加信号的发射功率，也不能显著地改善系统的性能。 m i m oo f d m 系统的同步包括帧同步、载波频偏估计和采样频偏同步三大部 分。其中，帧同步需要完成对o f d m 符号起始位置的定位，在突发系统中检测信 号的到达。m i m o o f d m 系统中各发送天线信号在接收端的叠加使帧同步的复杂度 增加，通常使用基于循环前缀的延时自相关或基于训练序列的自相关及互相关来 实现；m i m o o f d m 系统对载波频偏和采样频率偏差非常的敏感，当收发两端存在 载波频偏或采样时钟存在偏差时，就会引起i c l ，且采样频偏的累积还会导致符 号边界的偏移，进而引起i s i 。载波频偏可以利用连续两段时域信号中所包含的 相位差来进行初始捕获，时域信号段可以是循环前缀也可以是训练序列，通常i i i 练序列的长度要大于循环前缀的长度，因此准确性更高；采样偏差跟踪同样受多 1 2 i v l i m o o f d m 系统的自适应门限帧同步研究 天线叠加的影响，多在频域利用导频或者信号