（通信与信息系统专业论文）突发ofdm系统的同步技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术作为一种未来宽带高速率无线通信的物理层候选技术而在当 前引起了一股研究热潮。o f d m 的突发模式传输是适应i n t e r n e t 等数据通信的必然选择。同步 是任何接收机所要完成的首要任务，在此基础上一些先进的现代通信技术，包括多天线、空 时编码、自适应编码调制等，才有应用的可能。突发o f i ) m 系统对同步有更为严格的要求。载 波频偏的存在使得子载波问的正交性不能保持，定时偏差还会引起前后符号间干扰，所有同 步误差将严重恶化系统性能，使得o f d m 的优势不能得以体现。 论文应用最基本的数字信号处理知识，统计信号估计和检测理论，试图为突发o f d m 接收 机提出一套低复杂性的、有效的同步策略，因此估计性能和计算复杂性是本文贯串始终所关 心的内容。论文在2 、3 、4 分三章讨论了突发o f d b l 的同步问题，在第5 章集中阐述在信道估计 和信道译码方面的收获，以使得本文构成一个完整的接收机系统。 论文指出使用前导字在有限的时间内快速、准确捕获和建立同步，以及同步捕获后利用 导频信息的进一步跟踪是适合突发o f d m 同步的一种策略。给出了一种低复杂性的闽值比较的 自动增益控制( a g c ) 调整策略；提出了一种基于周期序列的低复杂性、恒虚警帧检测器，它 的性能优于常规的基于序列自相关检测器：提出了一种基于信道统计特性的最大似然整数频 偏估计方法，当信道统计特性未知时算法简化为基于导频能量和双相关两种估计器。分析了 利用导频同步跟踪的性能，以及提出了一个数值方法确定最优环路参数以最小化误码率。比 较分析了基于前导字的信道估计算法。提出了计算瑞利信道下存在信道估计误差时m q a m 的 误比特率的解析表达式。图形化解释了m q a m 的对数似然比( l l r ) 比特度量值的简化计算式， 并提出了8 8 p s k 和n 1 6 1 6 p s k 的l l r 简化表达式。最后结合信号捕获、跟踪、信道估计和 译码给出完整接收机的误帧性能。 关键词： 正交频分复用；突发模式；同步；低复杂接收机 塑里查兰竖主兰垡笙苎 a b s t r a c t a sa p r o m i s i n g c a n d i d a t e t e c h n o l o g y o ft h e p h y s i c a ll a y e r f o rf u t u r eb r o a d b a n d h i g h d a t a r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，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 ) h a si n v o k e da p o p u l a r r e s e a r c hi n t e r e s ti nr e c e n ty e a r a p p l i n go f d mi nb u r s tm o d e t r a n s m i s s i o n i si n e v i t a b l es e l e c t i o no fd a t ac o m m u n i c a t i o ni n c l u d i n gi n t e m e t s y n c h r o n i z a t i o ni s t h em o s t i m p o r t a n tt a s kt h a ta n yr e c e i v e rm u s tc o m p l e t e b a s e do nt h es y n c h r o n i z a t i o n ，t h eo t h e rm o d e m c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gm u l t i - a n t e r f f l a s ，s p a c e t i m ec o d e ，a d a p t i v ec o d e dm o d u l a t i o n ， e t c ，c a r l b e a p p l i e d t o b u r s to f d ms y s t e m ，s y n c h r o n i z a t i o ni s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h e e x i s t e n c eo fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) d i s a b l es u b - c a r r i e rt om a i n t a i n o r t h o g o n a l i t y , a n d s y m b o lt i m i n gd e v i a t i o nc a lf u r t h e ra r i s ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e a l lo fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s s e r i o u s l yd e g r a d e t h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，w h i c hh a m p e ro f d mt om a n i f e s ti t sa d v a n t a g e s w ea p p l yt h eb a s i cd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gk n o w l e d g e ，s t a t i s t i c a ls i g n a le s t i m a t i o na n d d e t e c t i o nt h e o r y , a t t e m p tt op r o p o s eas e to f l o w - c o m p l e x l ya n de f f e c t i v es y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e g y f o rb u r s to f d mr e c e i v e r s op e r f o r m a n c ea n d c o m p l e x i t ya r ec a r e dt h r o t l 曲o u tt h i sd i s s e r t a t i o n s y n c h r o n i z a t i o ni s d i s c u s s e di n2 n d ，3 r d ，4 t hc h a p t e r s s o m ef r u i t si nc h a n n e le s t i m a t i o na n d c h a n n e ld e c o d i n ga r ep u tt o g e t h e ri n t ot h e5 t hc h a p t e r , w h i c he n a b l et h i sd i s s e r t a t i o nt oc o n s t i t u t e a c o m p l e t er e c e i v e rs y s t e m ， w e p o i n to u tt h es t r a t e g yo fu s i n gt h ep r e a m b l et of a s ta n da c c u r a t ea c q u i r es i g n a l i nt h e l i m i t e dt i m ea n du s i n gp i l o tt ot r a c kr e s i d u a ls y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra f t e ra c q u i s i t i o ni ss u i t a b l ef o r b u r s to f d mr e c e i v e r al o w - c o m p l e xa u t o m a t i cg a i nc o n t r o lf a o c ) a d j u s t m e n ts t r a t e g yb y t h r e s h o l dc o m p a r i s o ni sp r o p o s e d al o w - c o m p l e x i t yc f a r ( c o n s tf a l s e - a l a r mr a t e lf r a m ed e t e c t o r i s p r o p o s e d ，w h i c he x p l o i t sp e r i o d i c s t r u c t u r eo fp r e a m b l ea n d o u t p e r f o r m s c o n v e n t i o n a l a u t o c o r r e l a t i o nd e t e c t o r am li n t e g e r - c f oe s t i m a t o re x p l o i t i n gs t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f f r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e li sp r o p o s e d w h e nc h a n n e lc o v a r i a n c ei su n a v a i l a b l e 。t w os i m p l i f i e d a l g o r i t h m s ，o n eu t i l i z i n gp i l o te n e r g ya n dt h eo t h e rn a m e dd o u b l e - c o r r e l a t i o n ，a r ed e r i v e d ，t h e p e r f o r m a n c eo fs y n c h r o n i z a t i o nt r a c k i n gu s i n gp i l o ti sa n a l y z e d ，f o l l o w e db y an u m e r i c a lm e t h o d t od e t e r m i n et h eo p t i m a ll o c kl o o pp a r a m e t e r st om i n i m i z ea v e r a g eb i t e r r o rr a t e ( b e r ) c o m p a r a t i v ea n a l y s i so f c h a n n e le s t i m a t ea l g o r i t h m su t i l i z i n gp r e a m b l ea r ec o n d u c t e d f o l l o w i n g i sa na n a l y t i c a le x p r e s s i o nt oc a l c u l a t et h eb e ro f m - q a m u n d e rr a y l e i g hc h a n n e lw h e nc h a n n e l e s t i m a t i o ne r r o re x i s t s e x p l a n a t i o no fs i m p l i f i e ds o f tb i tm e t r i c l o g a r i t h ml i k e l i h o o dr a t i o ( l l r ) o fm q a mi sd o n et h r o u g hg r a p ha n dt h e ns i m p l i f i e d l l re x p r e s s i o nf o r p 8 8 p s k a n d d ，】6 - 1 6 p s ki sp r o p o s e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo f c o m p l e t er e c e i v e r , i n c l u d i n gs y n c h r o n i z a t i o n ， t r a c k i n g ，c h a n n e le s t i m a t i o na n dc h a n n e ld e c o d i n g ，i sg i v e nb yc o m p u t e r s i m u l a t i o n k e y w o r d s ： o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ；b u r s tm o d e ；s y n c h r o n i z a t i o n ；l o w c o m p l e x i t yr e c e i v e r 1 i 一 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 需求推动发展。当今社会快捷方便信息交流的需求推动了无线通信系统的高速发展。目 前移动通信系统正在从第2 代( 2 g ) 向第3 代( 3 g ) 转化的进程中，作为移动通信补充的无线接入 技术也呈现勃勃生机。新一代( b 3 g 或4 g ) 无线通信系统和技术的研究也已开始【】4 j 。尽管其规 范目前尚未成形，但有一点是肯定的：更高的频谱利用率，更高的数据传输速率，达到2 0 m b p s 以上甚至百兆b p s ，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。要实现如此高速 率、高质量的多媒体无线数据传输，无线通信系统需要克服许多技术挑战1 2 , 7 , 8 1 。其中衰落和 多径现象是高速率无线数据传输需要克服的重点问题之一。无线通信中发送信号经多次反 射、折射和散射等达到接收机，当这些信号几乎同时达到接收机时，它们随机叠加可能造成 接收信号幅度的极大变化，表现为衰落现象。同时由于复杂的地形地物的影响，非视距传播 时信号往往经过多次反射、折射后达到接收机，由于这些反射或折射的信号复本经过不同的 路线达到接收机，不同的路线长度造成信号达到接收机的时间上的延迟，表现为时延扩展现 蒙【9 0 ”。不同的传播环境典型的时延扩展从几个纳秒到几十微秒不等。对数字传输系统，当 这种信道的时延扩展跟数据符号的持续时间可以比拟时会造成符号间干扰( i s i ) ，严重影 响数字通信系统的性能，尤其是对高速率的数据传输系统。为克服这个问题，单载波系统使 用一个具有较长抽头的时域均衡器。而多载波正交频分复用技术( o f d m ) 由于使用并行传输加 大符号传输时间并使用循环前缀，就可以实现完全无i s i 接收，而且只需要简单的单抽头频 域均衡器，无疑大大降低了实现复杂性【1 。”j 。正是o f d m 技术的这种抗信道时延扩展的特性格 外受到青睐，并在实际的高速率数据传输系统中得到广泛应用【l “圳。同时o f d m 技术可以方便 地和各种其他技术，例如m i m o 2 2 , 2 3 、自适应编码调制2 4 - 2 5 1 等相结合，可以提供时间、空间和 频率等多个维度的分集，以提高频谱利用率。因此有观点认为o f d m 将是4 g 的核心技术。由于 下一代的无线数据通信是面向i n t e r n e t 的，而i p 数据以分组形式进行交换。分组的特点是具 有突发性，因此将o f d m 作为支撑技术应用于突发数据传输时的帧信号的捕获和同步建立是接 收机中重要的一环，快速准确而且具有低复杂性的捕获和跟踪将是论文讨论的重点。 本章将就当前无线接入系统的发展状况，o f d m 技术的发展状况及优缺点作简要阐述，并 扼要介绍本文的主要工作和贡献。 1 1 当前无线接入系统的发展现状 移动通信的发展至今已经历了三个历史性的阶段。上个世纪8 0 年代的第一代移动通信系 统采用模拟频分多址接入( f d m a ) 方式，如n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ) 1 a m p s ( a d v a n c e d m o b i l ep h o n es e r v i c e s ) 等，只支持单一的话音业务i ”】。9 0 年代，移动数字通信系统取代 了模拟系统，出现了一系列的数字移动通信系统，如基于时分复用多址接入( t d m a ) 的g s m 、d a m p s ( d i g i t a la m p s ) 和i s 一5 4p d c ( p a c i f i cd i g i t a lc e l u l a r ) 和基于码分多址接入( c d m a ) 的i s9 5 等，系统在主要提供话音业务的同时，也支持低速率电路交换的数据业务 ( 9 6 k b s ) 2 6 1 。这个时期互联网的迅猛发展大大推动了数据业务的兴起。9 0 年代末，第二代 移动通信的标准制定者们纷纷推出了面向分组数据传输优化的25 g 系统标准，如 g p r s f g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和c d m a 2 0 0 01 x 作为- ：4 e 系统向新兴的第三代移动通 信系统的演进和过渡，能够提供速率1 4 4 k b s 的数据传输【2 6 】，已经投入运营。在8 0 年代后期， 第一章绪论 t u 就开始了具有世界致的频谱和无线接口标准的第三代移动通信系统标准的研究工作。 作为第蔓代移动通信系统的i m t2 0 0 0 标准在静止和步行环境f 最大可以提供2 m b s 的数据传 输，在低速和高速移动环境下分别能够提供3 8 4 k b s n 1 4 4 k b s 的数据传输 2 6 - 2 8 】，今天，第： 代移动通信系统即将在全世界范用内投入试运行或商用。 与此同时，具有高速率( 儿m b p s 直至a m b p s ) 无线接入能力的无线局域网( w l a n ) 和宽带 无线接a m “”( b w a ) 标准和相应的设备也纷纷问世，它们支持灵活的高速率数据业务传输， 可以在有限的地域范围内构成对3 g 系统无线数据接入能力的补充。 从上述每十年一次更新换代的无线传输系统的发展历史中人们预计，l u 2 0 l o 年将提出第 4 代移动通信系统标准。第三代移动通信系统具有支持多种业务和多媒体业务的能力，但对 更高速率的多媒体通信接入的要求是没有止尽的。新的移动通信系统将支持各种业务，包括 高质量话音和高质量视频业务，高质量的多媒体业务需要宽带高速率传输系统来支持，4 g 系统的数据传输速率期望达到2 0 m b s 以上，移动情况下至少达0 2 m b s 。除了在数据传输速 率上的要求外，一种关于4 g 系统的理解为不仅包括蜂窝电话，还包括很多新类型的通信系统， 如宽带无线接入系统等；新的4 g 系统的显著特征是：多媒体通信、无线接入宽带固定网和不 同系统之间的无缝漫游。新的无线通信接入系统为满足新的要求必将使用一系列先进的技 术，物理层上0 f d m 作为一种具有良好应用前景的技术需要我们投入相当的科研力量进行研 究，为掌握新一代的通信系统技术打下基础。因此，下节我们围绕0 f d m 技术进行介绍。 1 2o f d m 技术的发展与特点 1 2 1o f d m 技术的演进 o f d m 本质上是一种频分复用技术。频分复用( f d m ) 技术早在一个世纪以前就被提出， 它把可用带宽分成若干相互隔离的子频带同时分别传送一路低速信号( 如电报) ，从而达到信 号复用的目的。各子载波上的被调制数据可以来自同一信号源，也可以来自不同信号源。这 种传统的多载波传输方式复杂性比较高，因为各子载波都需要自己的模拟前端同时为了使 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，从而避免经过信道后发生频 谱混叠，所以频谱效率通常很低。但是在这种并行传输机制下，因为各载波上的数据速率较 低，相应的信号的码元符号周期较长并远大于信道的最大时延扩展，从而可上有效地减小由 于信道时延扩展引起的符号间干扰问题。 为了提高f d m 技术的频谱利用率，c o l l i s 无线公司的d o e l z 等在1 9 5 7 年开发 k i n e p l e x 系 统【2 “。该系统的设计目标是在严重多径衰落高频无线信道中实现多音传输系统使用t 2 0 个子载波，使用差分q p s k 调制。实现方式几乎和现代的o f d m - - 样；其相邻子载波间的间 隔近似等于子载波的符号速率。从而保证各子载波的频谱互相重叠，但又是正交的，于是可 以大大地高频谱利用率但系统仍采用了传统的多载波调制系统实现方式。随后的多载波系 统 3 0 , 3 1 1 也是利用类似的技术提高谱利用率。 以上系统中提供了各子信道的正交性，但它们没有对各子信道上的信号的频谱进行处 理，各子载波频谱形状均为s i n ( y ) f 函数形式，所以它们的频谱旁瓣衰减很慢。为了限制 系统频谱，c h a n g 等分析了多载波通信系统中如何使经过滤波、带限的子载波保持正交”“， 但他俐仍使用模拟方式进行调制。随后，麻省理工学院的w e i n s t e i n 和e b e n 提出了基于离散 傅立叶变换( d f t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 的数字实现方法来完成多载波的基带调制和解 调口5 1 ，这样不再对每个子载波都使用模拟前端，在多载波调制技术的发展史上，这是具有 里程碑意义的发明。而且，就在同一时期，d f t 技术的快速算法也获得了蓬勃发展。所以， 这种数字实现方式以其简单、方便、成本低而得到普遍认同。目前所使用的多载波系统中， 浙江大学博上学位论文 绝大部分都基于这一实现方式。本论文的第二二章将详细阐述它的原理。同时w e i n s t e i n 他们提 出通过插入一段空白区作为保护间隔来消除符号间于扰o s i ) ，但这种办法不能保证信号经过 色散信道后各子载波仍然保持正交。为此，p e l e d 1 r u i z 提出了采用循环前缀( c p ，c 3 ，c l i c p r e f i 小 的方法保证了信号经过色散信道后仍然保持各子载波间的正交性i 圳至此，现 o f d m 的概 念便形成了。 目前o f d m 作为核心技术已被多种有线和无线接八标准采纳。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协 会( e t s i ) 肯i j 定了数字音频广播( d a b ) 标准“，这是第一个使用o f d m 的标准。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 技术的数字视频地面广播( d v b t ) 标准”9 j 也出台。在有线宽带接入方面， o f d m 以另一种名称一离散多音调制( d m t ) 出现，它成为a d s l ( 非对称高比特率数字用户 线技术) 标准的物理层技术”“，可以在1 m h z 带宽内提供高达8 m b s 的数据传输速率。 作为全球公认的局域网权威，电气与电子工程师协会( i e e e ) 8 0 2 工作组建立的标准在过 去二十年内在局域网领域内独领风骚。这些协议包括了8 0 2 3e t h e r n e t 协议、8 0 2 5t o k e nr i n g 协议、8 0 2 3 z1 0 0 b a s e - - t 快速以太网协议。在1 9 9 7 年，经过了7 年的工作以后，i e e e 发布 了8 0 2 协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。1 9 9 9 年9 月又批 准8 0 2 1 l b f l s 0 2 1 1 a 两个新标准，其中8 0 2 1 l a 是o f d m 技术第次真正的应用于分组数据通 信中，其目标是提供6 m b p s 到5 4 m b p s 数据速率l i “，此后，e t s i b r a n 以及m m a c 也纷纷采 用0 f d 4 作为其物理层的标准。 2 0 0 2 年4 月，i e e e 耗时2 年之久出版了8 0 2 1 6 标准。最初版本发布后又陆续成立了几 个工作绢，负责对标准进行修订和补充。与8 0 2 1 1w l a n 解决用户“最后1 0 0 m ”的通信需求 不同，8 0 2 1 6 在移动性和覆盖范围上都t ：1 5 8 0 2 1 1 有所增强，可以提供更广范围的高速数据接 入，主要解决“最后1 k m ”的通信需求。8 0 2 1 6 根据使用频段的不同，定义了三种不同的物 理层技术：单载波( q p s k 、】6 q a m 、6 4 q a m 、2 5 6 q a m 调制，频域均衡) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、 正交频分复用多址接入- - o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。其中，1 0 - - 6 6 g h z 固定无线接入系统主要采用 单载波调制技术，而对于2 1 i o h z , j 疯段的系统，主要采用o f d m 和o f d m a 技术j 。数据速 率2 0 m h z 带宽内可达1 0 0 m b p s 。更低的工作频率，以及o f d m 能有效对抗多径，使得非视距 通信成为可能。由此我们可以看出o f d m 技术在现代通信中的重要地位。 1 2 2o f d m 技术的优势 o f d m 技术的主要思想是在频域内将给定信道分成若干正交子信道，在每个子信道上 使用一个子载波进行调制，子载波的正交性保证各子信道并行无干扰地进行传输。而传统的 并行传输系统，子信道频带问需要保护间隔，使频谱利用率很低，造成频谱浪费。因此频谱 利用率高是o f d m 的一个优点。除此之外，0 f d m 技术还具有如下几个优点： 首先，抗码间干扰( i s ) 能力强。由于多径传播的存在导致信道时延扩展长度超过符 号时间，从而造成一定的码问干扰，对于宽带数据传输的单载波系统这种情况尤其严重，为 此需要一个具有较跃抽头的时域均衡器加以克服这种频率选择性信道。o f d m 把用户信息通 过多个子载波传输，在每个子载波上的符号时间就相应地比同速率的单载波系统上的符号时 间长很多倍，使每个子信道可以看作平坦衰落的，因此只需要单个抽头的频域均衡器来恢复 数据，使得系统复杂性降低。另外，引入循环前缀来对抗前后o f d m 符号的干扰。 其次，适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和 噪音背景的不同选择不同的调制、编码方式以及传输功率。当信道条件好的时候，采用效率 高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。或者系统可以把更多 的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。总之，o f d 技术可以应用“灌水”原 理来最大化数据传输速率。 3 墨二垩堕堡 再有，抗干扰能力强。如果存在窄带干扰，那么和“灌水”相同，系统可以“屏蔽” 受到干扰的子带。如果存在脉冲噪声，和单载波系统一样，可以采取时间交织和纠错码，利 用时间分集抵抗宽带干扰。 最后，可以方便地和各种其他技术相结合，提高系统性能。例如和各种编码技术结合 提高系统抗衰落能力。和m j m o 技术结合提高频谱利用率。总之在0 f d m 提供频率分集的基础 上，可以很容易引入时间分集、空间分集( 空时编码) 等分集技术，使系统性能得到提高。 1 2 3o f d m 技术的缺点及解决 与单载波系统相比，o f d m 存在如下主要缺点： 首先，o f d m 对载波频偏很敏感p ”。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正 交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变一陛，在传输过程中会出现无线信号的频 率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏 差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致信子道问的信号相互干 扰( i c i ) 。因此对于o f d m 接收机，载波频偏的估计与恢复是至关重要的，从而也引起广泛 的研究。目前载波频偏的估计主要有基于确知数据的估计，例如训练序列1 3 9 4 0 和o f d m 信 号中嵌入的导频信息1 4 i ，“，和利用冗余信息的盲捕获，女n 1 4 3 ，4 4 使用循环前缀，【4 5 ，4 6 利用 虚载波。 其次，存在较高的峰值平均功率比( p e a k a v e r a g e p o w e rr a t i o - - p a p r ) 【4 “。正交频分复 用( o f d m ) 是由多路相互独立的信号在时域叠加后发送，根据中心极限定理，叠加后的信 号波形的服从复数高斯分布。这种类似于白噪声的信号的一个主要特征是峰值功率与平均功 率之比较高。高的p a p r 要求发射机放大器必须有大的线性动态范围，如果放大器的动态范 围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，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。几种技术被采纳用于 降低p a p r ，大致可以分为3 类。一是直接对信号波形进行非线性畸变去除峰值幅度，例如 峰值剪切h ”、峰值取消”w 等。二是特殊设计的纠错码使得不出现大p a p r 的o f d m 符号， 例如采用格雷补码【4 ”。三是用一组扰码序列对o f d m 符号进行加扰，选择具有晟小p a p r 的那个序列，例如选择映射p 、部分发送序列”“。 1 3突发传输与突发接收 多接入( m u l t i p l ea c c e s s ) 已成为移动通信、数据通信的热点问题之一。其研究的目标 主要是在共享网络传输环境f 使多个通信用户能够即时、并发、有效地利用信道实现信息 交流。在多j j 户环境f ，单个用户对共享传输信道资源的即时并发访问以请求对共享信道的 使用，首先这种请求是突发的。新一代的无线接入系统能有效承载i n t e r n e t 接入，i n t e r n e t 的特点就是互联和分组( 包) 交换，而分组交换的特点就是突发性，对物理层而言数据是在毫 无前兆的情况下，间歇或者说突然发生，而且持续的时间也比较短，单个用户的数据可以模 型化为一定参数的随机到达、随机长度的突发源。物理层必须为每次数据到达重新占有信道， 建立连接，因此说对共享信道的使用是突发的。无论从多接入系统的信道资源复用机制还是 从单个用户源信息特征本身来看，多接入系统实际上面临着一个突发模式传输的问题。而传 统连续传输通信系统中，系统一旦建立，信号就连续发生，系统对接收端捕获信号的响应时 间没有严格的要求。 目前突发模式的多接入系统已经广泛的存在于各种多接入通信系统中。例如，t d m a 卫星通信通常只有几百至几k 字节的突发分组长度，要求在数百个传输符号内犀上接收机 - 4 浙江大学博士学位论文 能够完成同步。在地面蜂窝移动通信中，如g s m 系统，用户的语音编码包、短消息和其它 非实时数据构成长度不等的突发包，在信道允许的条件下完成传送。无线局域网系统也采闩j c s m a c a 多路访问技术，实现i p 分组( i e e e 8 0 2 1 1 ，包括a 和b ) 、a t m 信元( h i p e r ，a n 2 ) 的突发传输。宽带无线接入系统i e e e 8 0 21 6 除采用t d m a 多接入外，还以o f d m 为基础 采用了o f d m a 多接入技术，可以为每个用户分配一组或多组子信道以满足不同的数据流 量，因此具有灵活的资源分配能力。另外，对下未来的后3 g 以及4 g 蜂窝移动通信系统， 很有可能采用时分烈工( t d d ) 这种适合非对称信道的双工模式，其物理层必然支持突发模 式传输。 人们早已意识到突发模式传输的接收与对连续系统传输的接收有着更为严格的同步要 求。具体表现为：由于每个不同的突发包通常来自不同的用户终端，在不同的时间里产生， 这些数据包无论是信号电平还是噪声统计特性都各不相同，因此对每个接收的数据包，接收 机都需要重新估计同步参数解调前一个数据包所得到的同步信息不能为解凋下一个数据包 所利用。突发接收存在着信号捕获，同步建立的过程，而且捕获过程必须在尽可能短的时间 里建立，因此每个突发包通常有前导字( p r e a m b l e ) 或者训练符号以加速捕获和同步过程，即 突发包的捕获与同步通常是基于数据辅助的。而传统的锁相环技术由于存在着环路稳定建立 时间需要以及“h a n g u p ”现象将难于直接用于突发系统。 将o f d m 技术应用于突发传输，因为o f d m 自身具有对载波频偏敏感的特点，因此对 同步精度的要求更为严格。 1 4 本文的主要工作及贡献 正如前文所述。o f d m 技术由于具有诸多优点而越来越得到人们的关注，随着人们对于通 信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术在固定无线接入领域和移动接入领域 将越来越得到广泛的应用。而突发模式传输在通信系统中将占越来越重要的地位，随着通信 系统向基于i p v 6 核心网的全i p 分组传输方向发展，越来越多的通信系统将具有“突发模式” 的特征。因此将两者结合一突发o f d m 作为研究对象是一项非常有意义的工作。 突发传输信号的快速同步是突发传输解调的关键技术，高的同步精度是保持o f d m 子载 波问正交性以进行正常传输的前提。如何在有限的时间内快速捕获o f d m 信号，快速、准确 的建立同步，以及同步捕获后的进一步跟踪是本文想要重点讨论的问题，为保持完整性，作 为接收机必不可少的信道估计和一种特殊信道编码一比特交织编码调制( b i c m ) 的译码也在 文中有所涉及，因而整篇文章就是一个完整的突发o f d m 系统接收机。估计精度和计算复杂 性是本文贯串始终所关心的内容。 论文按照如f 章节进行安排，为节省篇幅，其中的独创性工作以下划线方式指出。 第二章阐述t o f d m 技术的原理、信道模型及误差分析。建立了o f d m 多载波传输系统的 数学模型，在此基础上讨论了基于d f t 的o f d m 技术的物理实现方法：对研究过程中所使用 的信道模型以及它1 的建模方法进行了详细的介绍；重堑推昱工煎墨定盟塑錾遮麴垣笠回生 退薹盟q 趔鲍髭喧：给出工鲣遢篮昱笪确切垂鲨式! 盈出工二些直重竖的结逾。这一章是屙 面各章的理论基础。 第三章研究了基于特殊前导字的突发o f d m 系统的捕获算法。首先讨论了突发传输的同步 策略以及前导字设计和实例。给出工二煎低复垄性鳆阎值出筮盥自动擅童整剑i 盟翅整筮 喳；握出工二叠基王旦期庄到盐低复盘性! 垣虞鳌噬熊捌墨! 宣的蛙熊值王蓝趣趁基崖到 堡里堕堡 第四章研究了突发o f d m 接收机基于导频信号的同步跟踪问题。分析和仿真指出利用导频 直接估计残存同步误差是不可靠和不必要的，只需对信号中残存载波频偏和时钟频偏累积量 进行跟踪。对跟踪算法的性能以及跟踪环路参数的选择进行了详细的分析和仿真验证。在盆 圭丘垂越捆监塑玺虹目i m 直式退出挂奎曲毖喧殴基亘 i | 土! 堡到工噬凼垩塑退出挂趣壅董叠堕 盟蕉苤基数麴堂盔达式：羞逼过熬焦盐簋夔盘量焦巫整登童，避免了通过大量仿真米确定环 路参数。 第五章研究了突发o f d m 系统的信道估计和信道译码问题。从计算复杂性和性能两方面分 析了几种基于前导字的信道估计算法的优劣。研究了瑞利衰落信道下信道估计误差对m q a i 系统的误码性能影响。握壅塑煎签墨啦攒壅蜜廑酉麴：超出工在在信道毡进退薹盟韭缠班 m = q 丛曲退出缱壅的鲤堑蠢述鸯。通过和已有文献比较表明，表达式是准确的而且需要少罱 的计算。简单介绍t b i c m # 接收机的各个模块，然后对b i c m 软判决译码比特度量值的计算进 行了阐述，监强直童筮立生g 趔盟堑似然丝( ! l 塑筮匿挂廑量笾丝盐簋式虫的睦选运簋夔蓬 盏噩鎏丛女叠筮室：接羞丝国巫友式鲤登工m = g 趔的! 塑篮丝至上簋基：握出工扫僮旌楚的 8 二! ! 坠塑! = ! 望的l 些笾丝蠢达式，并通过仿真验证其性能。最后通过仿真给出了 b i c m 的译码性能，并结合信号捕获、跟踪和信道估计给出一个完整的接收机误帧性能。 参考文献 【1 l mc o r r e i a ，rp r a s a d ，“a no v e r v i e wo fw i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n s ”i e e e c o m m u n m a g ，v 0 1 3 5 ，n o 1 ，p p 2 8 - 3 3 ，j a n 1 9 9 7 【2 】sv e r d u ，”w i r e l e s sb a n d w i d t hi nt h em a k i n g ”，i e e ec o m m u n m a g , ，v o l3 8 ，l s s u e 7 ，p p 5 3 5 8 ， j u l y2 0 0 0 f 3 s o h m o r i ；y y a m a o ；n n a k a j i m a ，”t h ef u t u r eg e n e r a t i o n so f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb a s e do n b r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g i e s ”，i e e ec o m m u nm a g ，v 0 1 3 8 ，i s s u e ：1 2 ，p p 1 3 4 - 1 4 2 ，d e c 2 0 0 0 【4 h r o h l i n g ，rg r l t r t h e i d ，a n dd g a l d a ，“o f d ma i ri n t e r f a c ef o rt h e4 t hg e n e r a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，”i np r o c6 t hi n t e r n a t i o n a lo f d m w o r k s h o p ( i n o w o 0 1 ) ，h a m b u r g ， s e p t 2 0 0 1 5 】l u c ab e c c h e t i ，e ta l ，e n h a n c i n gi ps e r v i c ep r o v i s i o no v e rh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s ：a p a t ht o w a r d4 g1 e e e c o m m m a g ，n o 8 ，p p 7 4 8 1 ，a u g 2 0 0 1 【6 】m a n u e ld i n i s ，e ta 1 ，p r o v i s i o n o fs u f f i c i e n tt r a n s m i s s i o n c a p a c i t y f o rb r o a d b a n dm o b i l e m u l t i m e d i a ：as t e pt o w a r d4 gi e e e c o m m m a g ，1 1 0 8 ，p p 4 6 6 3 ，a u g 2 0 0 1 【7 】r b e r e z d i v i n ，rb r e i n i g ，r t o p p ，”n e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sc o n c e p t sa n d t e c h n o l o g i e s ”，1 e e ec o m m u nm a g ，v 0 1 4 0 ，i s s u e3 ，p p 1 0 8 11 6 ，m a r c h 2 0 0 2 f 8 s u k y uh u i ；k a ih a uy e u n g ，c h a l l e n g e si nt h em i g r a t i o nt o4 gm o b i l es y s t e m s ，i e e ec o m m u n m a g ，v o l u m e ：4 1 ，i s s u e ：1 2 ，p p 5 4 5 9 ，d e c 2 0 0 3 【9 】jg p r o a k i s ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，3 r de d e n g l e w o o dc l i f f s ，n j ：p r e n t i c e h a l l ，1 9 9 5 【1 0 】t sr a p p a p o r t ，无线通信原理与应用，电子工业出