（通信与信息系统专业论文）超宽带通信系统同步技术的研究.pdf

南京邮电大学硕f ：研究生学位论文摘要 摘要 超宽带( u l t r a - w i d eb a n d ，u w b ) 通信具有优异的时间分辨力和大容量特性，能有效对抗 多径干扰，同时超宽带系统发射功率低，非常适合短距离高速无线应用。因此超宽带技术 已逐渐成为无线通信领域研究与开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之 一。而正交频分复用( 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 ) 技术，由于具有频 谱利用率高、抗多径能力强、信道均衡需求相对简单等优点，特别适合于宽带无线通信。 本文在对u w b 系统协议i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准提案物理层进行仿真的基础上，着重研究基 于o f d m 的超宽带系统中的频率同步技术和同步方案。 本论文首先介绍了o f d m 技术包括其基本原理和核心技术，然后描述了u w b 系统协 议i e e e 8 0 2 1 5 3 a 标准提案，并利用m a t l a b 工具实现了对其物理层的s i m u l i n k 仿真， 讨论和研究了其在不同编码方式和信道下的系统性能。在上述工作的基础上，详细分析 o f d m 系统的同步技术，讨论了各种非理想同步因素对o f d m 系统性能的影响，给出了 几种典型的o f d m 频率同步算法，并进行了性能的比较和分析。针对o f d m u w b 系统， 依据u w b 系统的特点，分析研究了一种基于导频的估计算法，设计了一个估计方案。该 方案既能保证足够的估计范围，又有足够的估计精度。 南京邮i u 人学顾1 3 0 f 究生学位论文 a b s t r t a b s t r a c t u w bc o m m u n i c a t i o nh a sg o o dr e s o l u t i o ni nt i m e - d o m a i na n d h i g hc a p a c i t y ，i ti ss u i t a b l e f o rs h o r t r a n g e ，h i g hs p e e dw i r e l e s sa c c e s sa p p l i c a t i o n sd u et ot h ee x c e l l e n ta n t i m u l t i p a t h p e r f o r m a n c ea n dl o wt r a n s m i s s i o np o w e r ，t h u si th a sb e c o m ea ni n t e r e s tr e s e a r c ha r e ai nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，a n di ti sc o n s i d e r e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h en e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n o f d mt e c h n o l o g y ，w i t ht h em e r i t so fh i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y ， r o b u s t n e s st o m u l t i p a t ha n ds i m p l i c i t yo fe q u a l i z a t i o n ，i se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rw i d e b a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，f o c u si sp u to n f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d i t ss y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ef o ru w b s y s t e mb a s e do no f d mt e c h n o l o g y ，o nt h eb a s i so f s i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a ll a y e rd e f i n e di nt h ep r o p o s e di e e es t a n d a r d8 0 2 15 3 a t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eo f d m t e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h e c o r et e c h n o l o g yo fi t t h e nt h ep r o t o c o l so ft h ep r o p o s e di e e e 8 0 2 15 3 aa r ed e s c r i b e da n dt h e s i m u l i n ks i m u l a t i o no ft h ep h yl a y e ri sd o n ew i t ht h ea i do fm a t l a b f u r t h e r m o r e w e d i s c u s st h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mu s i n gd i f f e r e n tc o d i n gm e t h o d sa n dc h a n n e ls c h e m e a c c o r d i n gt o t h ei e e e 8 0 2 15 3 a p r o t o c 0 1 b a s e do n t h ew o r ka b o v e ，s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g i e si no f d ms y s t e ma r ea n a l y z e di nm o r ed e t a i l t h ee f f e c t so nt h ep e r f o r m a n c eo f o f d ms y s t e m sc a u s e db yn o n - i d e a ls y n c h r o n i z a t i o nf a c t o r sa r ed i s c u s s e d s o m e t y p i c a lo f d m f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sa r ep r e s e n t e da n dt h ep e r f o r m a n c e so ft h e ma r ec o m p a r e d a n da n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fu w b s y s t e m ，af r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mb a s e do np i l o t i s p r o v i d e da n dr e s e a r c h e d f o ro f d m u w bs y s t e m ，a n do n e e s t i m a t i o ns c h e m ei sd e s i g n e d ，w h i c hg u a r a n t e e sb o t he n o u g he s t i m a t i o nr a n g ea n de s t i m a t i o n p r e c i s i o n 1 1 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电大学或其它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做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盘豳 日期：也霉虹 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：是豆4 一导师签 研究生签名：盔笔心 导师签 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作者：2 0 0 4 级研究生赵朋 题目：超宽带通信系统同步技术的研究 英文题目：t h es t u d yo fs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi nu w bs y s t e m 主题词：8 0 2 1 5 3 a物理层s i m u l i n ko f d m 超宽带同步频率同步 k e y w o r d s ：8 0 2 15 3 a p h ys i m u l i n ko f d m u w b s y n c h r o n i z a t i o nf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n 南京邮电大学硕t 研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 超宽带无线通信技术简介 1 1 1u w b 技术背景和原理 随着移动通信的不断发展以及人们对个人通信要求的进一步提高，短距离无线通信正 在成为研究的热点之一。超宽带( u w b ) 技术以其低成本，低功耗，高速率等特性在短距 离无线通信领域得到了众多厂商和研究机构的关注。u w b 传输技术有可能成为无线局域 网( w l a n w i r e l e s sl a n ) 、无线个域n ( w p a n w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 、无线体域 网( w s a n w i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ) 等未来网络应用的主流技术。 u w b 的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。 现代意义上的超宽带u w b 无线技术出现于1 9 6 0 年代。u w b 技术在上世纪7 0 年代获得了 重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中。到8 0 年代后期，该技术开始被称为无载 波无线电或脉冲无线电。为了研究u w b 在民用领域使用的可行性，自1 9 9 8 年起，美国 联邦通信委员会( f c c ) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的 问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，f c c 仍开 放了u w b 技术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术所具有的广阔应 用前景和巨大的市场诱惑力。 根据f c c 对u w b 的最新定义，在3 1 1 0 6 g h z 频段内，超宽带信号为基带带宽对载 波频率的比值大于o 2 0 ，或者带宽大于5 0 0 m h z 的信掣。其中，超宽带带宽定义为：低 于最高发射功率1 0 d b 的截止频率间的带宽。在f c c 制定的规范中，超宽带技术在短距离 ( 小于1 0 米) 和低发射功率( 平均e i r p 为- 4 1 2 d b m m h z ) 时有高达几个g b p s 的巨大的容 量潜力。 显然，此定义没有界定u w b 的时域波形特征，因此，可以有多种方式产生超宽带信 号。其中传统方法是利用纳秒级的极窄脉冲来实现，无需j 下弦载波直接发射调制( 包括脉 幅调制和脉位调制等) 后的窄脉冲，这种方式称之为超宽带冲激无线电( i r u w b ) ；另 一类实现u w b 的方法是多频带方案，其特点是将f c c 规定的3 1 1 0 6 g h z 频带划分为多 个满足超宽带定义的子带，在每个子带上采用多载波调制，这种方案称之为多频带超宽带 塑塞坚皇大兰堡：兰堕堑生堂垡笙茎 墨二童堑堡 ( m b u w b ) 。特别的，如果各个子带上采用的是正交频分复用( o f d m ) 方案，我们则 称其为m b o f d m u w b 。 目前，提交给i e e e8 0 2 1 5 3 a 任务组的u w b 标准主要有两种，一种是m b o f d m 方 案，其主要支持者是m b o a ( m u l t i - b a n do f d ma l l i a n c e ) 联盟，包括i n t e l 、t i 、w i s a i r 、 h p 、s a m s u n g 、n o k i a 、p h i l i p s 等1 7 0 多个公司：另一提案是d s c d m a 方案，其主要支 持者有m o t o r o l a 、x t r e m e s p e c t r u m 、f r e e s c a l e 、o k i 、c a v a 等公司。本文主要讨论m b o f d m 方案。 1 1 2u w b 的主要优点和关键技术 随着无线通信的不断发展，无线通信已由原来提供远距离通信向短距离传输发展，而 u w b 技术可实现以单一技术同时满足不同类型的短距离通信，使其在8 0 2 1 5 x 系列标准 中的应用成为必然。与其他传统的无线通信技术相比，u w b 具备下列优点【2 捌： ( 1 ) 发送功率低。u w b 发射功率非常小，在短距离应用中，u w b 发射机的发射功率通 常可做到低于l m w ，低发射功率可使u w b 系统与同频段的现有窄带通信系统保持良好共 存性，也使得u w b 信号隐蔽性好，不易被捕获，保密性高。 ( 2 ) 处理增益高。超宽带无线电系统的处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个 比特所用的脉冲数，可以得到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益。 ( 3 ) 抗干扰性能强。u w b 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将 微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接 收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。与i e e e8 0 2 1l a b 和蓝牙相比， 在同等码速条件下，u w b 具有更强的抗干扰性。 ( 4 ) 传输速率高。u w b 系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，理论 上速率可达到1 g b s 。即使把发送信号功率谱密度控制得很低，也可以实现几百m b i t s 的 信息速率。 ( 5 ) 消耗电能小。通常情况下，无线通信系统在通信时要连续发射载波会消耗一定电 能。而u w b 不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波直接按0 和l 发送，并且只在需要时发 送脉冲电波，因此消耗电能小。 u w b 的关键技术有信号设计、传输技术、同步、抗多径、抗衰落和多用户检测等方 面。 2 南京邮电大学硕 二研究生学位论文 第一章绪论 1 1 3u w b 技术的发展和前景 目前，业界正为开发标准u w b 无线平台而进行努力【2 6 1 。标准u w b 无线平台包括两 个核心“层”：u w b 射频层和融合层，该平台可作为不同应用的基本传输机制，这些应 用包括了无线u s b 、无线i e e e1 3 9 4 、新一代蓝牙以及通用即插即用( u p n p ) 等。 u w b 技术可广泛地应用于无线个域网中，例如：用于取代目前数码摄像机、数码相 机和m p 3 播放机等移动数码产品与电脑或家电设备进行文件传输的线缆，让这些设备实现 无线连接；在电脑和电脑外设( 如打印机、扫描仪和外置存储设备等) 之间实现高速无线 u s b 连接；应用于新一代蓝牙设备，以及应用于电脑和家电之间的无线连接。 u w b 还可应用于电脑音屏视频家电设备间的无线节目传输。u w b 可以将挂在墙上 的等离子电视和卫星电视接收盒或d v d 播放机连接起来，u w b 同样将被应用于家电与电 脑及电脑设备的连接，如将数码摄像机上的节目无线传输到电脑进行视频编辑，或将数码 摄像机上的节目无线传输到l c d 显示器进行播放等。 1 2 本论文的主要内容和意义 本文首先介绍了u w b 无线通信技术的基本概念，以及超宽带技术的优点和应用。然 后在第二章详细介绍o f d m 技术，包括其基本原理和结构、o f d m 系统中的核心技术以 及优缺点。第三章介绍了u w b 系统协议i e e e 8 0 2 1 5 3 a 标准提案，并利用m a t l a b 工具 实现了对其物理层的s i m u l i n k 仿真，讨论了目前两种主要的u w b 系统方案：无载波 u w b 系统和载波调制u w b 系统。无载波u w b 系统利用基带窄脉冲进行通信，因此又称 为基带、无载波或直接脉冲u w b 系统。调制载波的u w b 系统又有多种实现方案，包括： 单载波直接序列码分多址( d s c d m a ) 方案和多带频分复用( m b o f d m ) 方案等。第四章首 先讨论各种非理想同步因素对o f d m 系统性能的影响，然后介绍了几个己存在的频率同步 算法，接着研究了o f d m 同步中的频偏估计方案，最后将该方案应用到基于o f d m 的 u w b 通信系统中来估计频率偏差，并给出了性能曲线图。最后一章对本文做出总结，并 展望进一步研究的方向。 3 南京邮电大学硕：t 研究生学位论文第二章o f d m 系统简介 2 1o f d m 基本原理 2 1 1 背景介绍 第二章o f d m 系统简介 任何实际的通信信道均存在各种非理想特性的干扰，这些非理想特性限制了信道上的 最大信息传输速率。在宽带无线数字通信系统中，影响信息高速传输的最主要的一类干扰 是由信道的多径效应所引起的频率选择性衰落。频率选择性衰落表现为对某些频率成分的 信号衰减严重，而对另外频率成分的信号则有较高增益，频率选择性衰落引起接收信号出 现符号间干扰，造成通信性能的下降。克服频率选择性衰落的传统方法是在接收端采用均 衡器或者采用直接序列扩频加r a k e 接收的方法，这两种方法在2 g 和3 g 蜂窝系统中都发 挥了重要作用。随着信息传输速率的进一步提高，以上方法在实现复杂度和性能方面都面 临许多障碍，当前备受关注的是以正交频分复用( o f d m ) 技术为代表的多载波传输技术。 正交频分复用( 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 ) 是频率正交的一 种频分复用方式。作为一种特殊的多载波调制技术，其核心思想是将信道分成若干个正交 子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个 子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦 的，大大消除了符号间干扰。另外，由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于 是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利 用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 方法来实现。 正因为o f d m 技术具有高速数据传输能力、高效的频谱利用率和抗多径干扰等诸多优 点，并可方便地与自适应调制、自适应功率分配等自适应技术相结合。因而引起了广泛的 兴趣，并被应用到无线通信系统中，例如e t s ih i p e r l a n 2 和i e e e 8 0 2 1 1 a 等。同时，o f d m 被普遍认为是下一代无线通信的有效技术之一。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统简介 2 1 2 正交频分复用原理 正交频分复用( o f d m ，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 ) 是一种特殊的多载 波传输方案，o f d m 是在f d m 的原理的基础上，子载波集采用两两正交的正弦或余弦函 数集。函数集 c o s ( n w t ) ) ， s i n ( m w t ) ) ( ，l ，m = o ，1 ，2 ) 的正交性是指在区间( 岛，t o + 丁) 内， 有 f 丁( 刀= m = o ) ! , 。+ r c o s ( n w t ) c o s ( m 州) 班= m ( 以= 扰) 其中t ：等 ( 2 _ 1 ) 1 0 聊) 正弦函数同理。 为了使子载波可以重叠，则要求他们在频率上有良好的正交性。设o f d m 信号发射周 期为 o , t 】，子载波数为n ，令五= 厶+ 七v ( k = o ，i ，一i ) ，工为最低子载波频率， 为子载波之间的频率间隔，子载波间满足正交性的条件为 r 一2 耳艮c 一2 确，出= 吾：三冬 c 2 2 ， 可以证明，只要适当选择载波之间的频率间隔v ，使矽= ，即可使各载波在整个 o f d m 信号的符号周期内满足正交性。当o f d m 符号由矩形时间脉冲组成时，每个调制 载波的频谱为s i nx x 函数形状，其峰值对应于所有其他载波频谱中的零点。 o f d m 等效低通信号可以表示为一组并行传输的载波调制信号【4 】： s ( f ) = x 。j g t ( t - n t w ) = e f n ( t ) ( 2 3 ) 但是其特殊之处在于它的各个子载波的选择， 渺嚣引 4 ， 正是因为子载波的这种特殊性，使得o f d m 子载波之间是正交的。 在式2 - 3 中，五j 是在第n 个o f d m 符号的第k 个子载波上传输的样值，n 是o f d m 系统的子载波数，e ( f ) 表示第n 个o f d m 符号，l 为o f d m 符号间隔，也就是每个子载 波上传输的单个符号的持续时间，厶是第k 个子载波的频率， = + 7 k ，k = o n 1 ，丘 是最低的子载波频率。这种子载波频率的设定保证了各个子载波在长度为瓦的时域区间上 雨京邮电大学硕j 二研究生学位论文 第二二荦o f d m 系统简介 = 【7 9 ，( ，) g ；( t ) d t h ( 2 5 ) ：rp 2 斫p 2 卯d t ：e j 2 百西：t s q 一七) 山 刊 o f d m 系统的正交性还可以从频域角度理解。根据式2 - 3 ，每个o f d m 符号在周期t 内包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于各 个子载波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f f ) 函数，这种函数的零点 出现在频率为1 t 整数倍的位置上。在每个子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频 率值恰好为零。这样就保证了子载波之间的正交性。 正是由于o f d m 的这种正交性，解调器能很方便地从接收信号中解出传输符号，解调 过程可以用式2 6 表示 = i 1 械( f ) 府= 以j 青= o _ l( 2 6 ) 同一般的频分复用( f d m ) 相比，o f d m 由于正交性使得两者信号的频谱有一定的区 别。 o f d m 频谱图 f d m 频谱图 图2 1o f d m 与f d m 频谱图的比较 图2 1 为o f d m 信号的频谱与f d m 信号的频谱比较。假定系统传送速率为rb i f f s 的 b p s k 信号，o f d m 符号波形为矩形，只考虑频谱主瓣。从图中可以看出在o f d m 信号的 频谱中，一个子载波出现最大值的地方，其他所有子载波的幅值为零。这就说明每个子载 波之间是正交的，但是f d m 信号频谱不具有这样的特性。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统简介 2 。l 。3o f d m 系统结构 基本的o f d m 系统结构如图2 2 所示。图中上半部分是系统的发送机框图，下半部分 是接收机框图。 图2 - 2o f d m 系统结构图 从图2 2 中可以看到，o f d m 系统对信息的处理过程为：首先对输入的信息比特流进 行基带调制，如p s k 、q a m 调制，调制后的符号流进入串并转换模块，形成k 路并行符 号流，对这k 路符号进行多载波调制，即n ( k 0 ( 3 - 1 ) p ( 吒- ，h 唰) = a e x p - 2 ( q j - i v ) ，b0 (3-2) 其中第，簇中第k 条路径的幅度为尾，服从r a y l e i g h 分布，且 魔= 2 ( o ，0 ) e x p ( 一乃f ) e x p ( - r 材允)( 3 3 ) 2 ( o ，0 ) 是第一簇中第一条路径的平均功率。 图3 - 2 ( a ) 和图3 - 2 ( b ) 分别描述了信道冲激响应和双指数模型。s v 模型符合i n t e l 模型 测量的信道参数，然而测量数据表明多径幅度服从对数正态( 1 0 9 n o r m a l ) 分布。a - k 模型 与s v 模型的不同之处在于k 模型是单指数衰减，而s v 模型是双指数衰减。虽然k 模型能够很好地拟合测量数据，但是因其单指数衰减，不能同时拟合l o s 和n l o s 信道 的平均延迟及均方根( r m s ) 延迟扩展。s v 模型引起双指数衰减，能够符合l o s 和n l o s 情况下的信道参数。 1 8 南京邮电大学顶t ：i i 旰究生学位论文第三章i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及m b o f d m 方案仿克分析 i ； 第。壤 。f 1 3 爱 图3 - 2 ( a ) s - v 信道冲激响应图3 - 2 ( b ) 双指数模型 根据超宽带多径信号成簇到达的特点，i n t e l 提出了一个与s v 模型很相近的改进信道 模型【l o l 。对于该信道的多径增益幅度，使用对数正态分布代替r a y l e i g h 分布，能够更好地 拟合测量数据。此外，假定每一簇以及簇中的每一条路径都是独立衰落的。多径模型的冲 激响应为： = x ，万( f 一巧一o ，) ( 3 - 4 ) 式中，败，一多径的增益系数；乃、气，、人、旯定义同前； x 一对数正态阴影( 1 0 9 n o r m a ls h a d o w i n g ) ： 一多径信道的簇数； k 一每簇中的路径数； 8 ( 0 - - d i r a cd e l t a 函数。 上述模型有如下定义：气，= o 。 信道系数有如下定义： q k ，l = 考l 为k 3 p ” 上式中，a - ，为以等概率取+ l 和一1 的离散随机变量，当反映了第，簇的衰落，展- ，则 为第，簇中第k 条路径的衰落，服从对数正态分布： 2 0 l o g l 。( 石展，) ：( 以，砰+ 西) ，或旧屈，i = l o 尥脚执心( 3 - 6 ) 式中，惕：n ( 0 ，仃? ) 和伤：n ( 0 ，盯；) 是独立的，分别对应于每一簇和每一条射线( 路径) 的衰落。其中： 2 i 易展，1 2 = q 。p 一乃，r e f ， ( 3 7 ) 式中，q 。是第一簇中第一条路径的平均能量。 南京邮电大学硕| ：研究生学位论文 第三章i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及m b o f d m 方案仿真分析 式( 3 6 ) 的均值从，如下定义为： ，一1 竺1 1 ( 鱼) 一1 0 巧f l o t k ，y ( 盯? + a 2 2 ) l n ( 1 0 ) 以广、丽厂一一1 矿一( 3 8 ) 注意到，这里没有采用复数抽头模型。复数基带模型是窄带系统记录不依赖于载频的 信道特性的不二之选。但是对超宽带系统而言，实数值的仿真更合适一些。x 表示多径总 能量的对数正态阴影，该阴影有如下特征：2 0 l o g 。o ( x ) ：n ( 0 ，吒2 ) 。 3 2 3 信道实现 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 的u w b 等效信道模型【1 2 1 描述的是一种在普通办公室或家庭环境下的短 距离可视或非可视信道。有四种不同的射频环境：c m l 、c m 2 、c m 3 和c m 4 。具体参数 如表3 2 和表3 3 所示。 c m l 、c m 2 、c m 3 和c m 4 各种信道的离散时间冲激响应分别如图3 3 ，3 4 ，3 5 ，3 - 6 所示，信道条件最恶劣的是c m 4 信道模型，从图3 - 6 中我们可以看出，其多径时延扩展不 超过2 5 n s 。 信道模型参数 c m lc m 2c m 3c m 4 a ( 1 n s e c ) 0 0 2 3 3 0 4 0 0 6 6 7 0 0 6 6 7 名( 1 n s e e ) 2 50 52 12 1 r 7 15 51 4 0 02 4 o o 7 4 36 77 9 1 2 1 7 l ( d b ) 3 3 9 4 l3 3 9 4 l3 3 9 4 l 3 3 9 4 l 仃2 ( d b ) 3 3 9 4 l3 3 9 4 l3 3 9 4 l3 3 9 4 1 吒( d b ) 3333 表3 - 2 不同信道模型的参数 信道模型 c m lc m 2c m 3 c m 4 代表环境l o s ( 0 - 4 m )n l o s ( 0 - 4 m ) n l o s ( 4 10 m )极端n l o s 情况 额外时延n s 5 0 5 1 0 3 81 4 1 8 ( 无定义) 均方根时延i l s5 2 8 8 0 31 4 2 82 5 表3 - 3i e e e 8 0 2 1 5 3 a 典型信道模型 2 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章1 e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及m b o f d m 方案仿真分析 o 5 一， 0 鹅： o 【 n 3 5 o 3 d 吖卵_ 图3 3c m l 信道冲激响应 篡f ：f 晰们时 图3 - 4 c m 2 信道冲激响应 c h - 州胁* m 1 敝地址支出- 。一一j o 5 5加 篇 d 1 - ，p 哪 图3 - 5c m 3 信道冲激响应 临 咐 哺 o t | 南京邮电火学硕j ：研究生学位论文 第三章i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及m b o f d m 方案仿真分析 l 噶 。 葛馘 3 3m b 。o f d m 方案仿真 3 3 1m b o f d m 系统描述 i f ：l 蝴越h 尉l i 啦 一j ；一一孝一面莓 图3 - 6 c m 4 信道冲激响应 m b o f d m 方案将整个可用频段划分为1 4 个子带，每个子带带宽为5 2 8 m h z ，并将这 1 4 个子带分为5 个带组，其中前4 个带组每组包含3 个子带，第5 带组只含2 个子带。每 个子带都分别使用o f d m 技术传送信息。目前第一带组的3 个子带用于强制性的标准操作 模式( 称为模式1 ) ，所有m b o f d m 必须支持模式l ，其他子带作为今后扩展使用。模式1 使用的频带为3 1 6 8 - 4 7 5 2 m h z l l 3 1 。如图3 。7 。 b a n db a n db a n d 牟1# 2矗3 3 4 3 ：3 9 6 04 4 8 8， m h z h zm h z o 图3 - 7m b o f d m 模式1 下子带频率分配 m b o f d m 系统中典型的运用了时频交织( t f i ) 码。它的含义是o f d m 符号在不同的 时间调制在不同中心频率的载波上，从而在不同子频带传输，不同的时频序列可以用来区 分不同的p i c o n e t ( 微微网) ，它的优点有3 个：首先，采用o f d m 技术，能够简单、有 效地收集多径能量；其次，采用o f d m 技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活；最后，技 术较成熟，便于c m o s 实现。图3 8 表示的是3 子带时频交织的过程。从图中可看到，在 2 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三市i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及m b o f d m 方案仿真分析 通道l 上传输第一个o f d m 符号，在通道3 上传输第二个o f d m 符号，在通道2 上传输 第三个o f d m 符号，而第四个o f d m 符号则在通道l 上进行传输，然后以此类推。 c h a n n c il c h a m , c l2 c h a n n e i3 二j 一1 x 7 r xs w i l c h m gli m e 1 ，| 4 m 6 | 1 5 ( j 蝌i c 陌 3 1 2 5 惜- 3 6 j 2 5 ， r t i 图3 - 9 表示的是o f d m u w b 的p l c p 帧格式，它的物理帧结构分为前缀( p r e a m b l e ) 、 卜一p l 5 3 3 c ph 删e a d 。e r 叫卜一5 3 工5 5 8 0 摇搿也m d 唧$ 呶3 2 0 一 5 3 3 m b s 耳w 4 6 u p r e a m b l e 主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其 它移动台以免冲突，同时传送同步信号和帧间隔信息。待p r e a m b l e 完成后，接收方才开始 p l c p 报头用于为后续p s d u 的解调提供p h y 和m a c 信息，包含p h y 报头，m a c 报头，报头校验序列h c s ，尾比特和填充比特。p l c p 报头中，p h y 报头后紧跟着尾比特， 尾比特的作用是使卷积编码器的初始状态归回“0 状态，接着加上m a c 报头，随后计算 h c s ，并添加到m a c 报头的后面，同样此处也需要补充尾比特使卷积编码器复位。在p l c p 报头的最后加上填充比特，使p l c p 报头与一个o f d m 符号对齐。 p h y 报头指定p s d u 部分的物理层传输特征。p h y 报头共2 8 个比特，图3 1 0 为p h y 报头的详细说明，比特2 - 6 指定传输速率；比特9 - 2 0 指定有效载荷长度：比特2 3 2 4 为数据扰 码器的初始值，该值用于同步接收机的解扰器。其他比特均保留为将来扩展使用。 2 3 南京邮电大学硕：i ：研究生学位论文第三章i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及m b o f d m 方案仿真分析 ( 5bits)(12 b i t s )( 2b i t s ) 吐陛谜艘出池山判! 划山篚睦随畦i 刿眺e 幽! ! u ! 叫：u2 幽山业幽! 业幽曲! 叫：! 幽坐巫幽! ：l 艮肌刚印 t r a n s m i to r d e r ( f r o ml e f tt or i g h t ) 图3 1 0 p h y 报头 在满足f c c 规定的传输功率要求下，m b o f d m 系统的各项技术指标可以在c m o s 中实现，因此发端不需要外部功率放大器。另外，系统采用时频编码使得所有子带的数据 传输只需单个r f 发送和接收链路，这也使系统结构得到简化。图3 1 1 和图3 1 2 分别给出 了m b o f d m 系统的发送和接收结构。 图3 - 1lm b - o f d m 系统的发射机结构 丑 l ：= j 去 叫频- x - 域- 导均n 衡卜 阿 c r 1 , r t lt l 载波相位跟i 陈时间同步i 图3 1 2m b o f d m 系统的接收机结构 m b o f d m 方案支持的速率包含5 3 3 ，5 5 ，8 0 ，1 0 6 6 7 ，1 1 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 和4 8 0 m b s 。 要求所有的设备必须强制支持的速率是5 3 3 ，1 0 6 6 7 ，11 0 和2 0 0m b s 。每个o f d m 符号 周期为3 1 2 5 m h z ，占用带宽5 2 8 m h z ，每个子带使用1 2 8 个子载波，这1 2 8 个子载波分为 1 0 0 个数据子载波、1 2 个导频子载波和l o 个保护子载波。m b o f d m 每个子带分别使用 q f s k 调制方式，使用卷积编码进行前向纠错，支持速率1 3 ，1 1 3 2 ，1 2 ，5 8 和3 4 。 m b o f d m 系统的一般性参数设置见表3 - 4 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议及m b o f d m 方案仿真分析 参数数值 n ：子载波总数 1 2 8 b ：子频带带宽 5 2 8 m h z a f ：子载波间隔4 1 2 5 m h z ( = b n ) t f l f t ：i f f r f f t 周期2 4 2 4 n s ( = l a f ) t c p ：循环前缀长度 6 0 61n s ( = 3 2 b ) t o i ：保护间隔长度 9 4 7 n s ( - - 5 b ) t s y m ：符号间隔 312 5 n s ( = t f v r + t c p + t o o 3 3 2 仿真框图 表3 4m b o f d m 系统参数 图3 1 3m b o f d m 系统物理层下行链路仿真图 本系统最高的默认速率是2 0 0 m b s ，采用速率为5 8 的卷积码，q p s k 调制，o f d m 传 输使用1 2 2 个子载波，1 2 个导频，1 2 8 点f f t s ，值为零的循环前缀和保护间隔。采用模式 1 跳频( 3 个频带) ，中心频率分别为：3 4 3 、3 9 6 和4 4 9 g h z 。固定点的o f d m 发送接 收模型，其中加入p l c p 前缀用于同步和信道估计，最后用维特比解码。 2 5 m 京邮电 # mj w 究学位论z帮= i e e e8 0 2 15 3 a 协h m b 4 ) f d m 方案仿真 析 3 33 仿真结果及分析 在c m l 和c m 2 信道下的未编码系统与卷积码( 2 ，l ，7 ) ，卷积码( 8 5 ，7 ) 编码 的误码性能比较，如图3 1 4 所示。 u n c o d e d c o n 、( s 57 】 c 0 n “r57 1 c o n 啦17 j 南京邮电大学硕：1 ：研究生学位论文 第三章i e e e8 0 2 15 3 a 协议及m b o f d m 方案仿真分析 3 4 本章小结 本章主要概述了超宽带标准的发展和i e e e8 0 2 1 5 3 a 的协议提案，对两大标准提案 d s u w b 和m b o f d m 进行了详细比较。最后分别对m b o f d m 系统物理层下行链路进 行m a t l a b 仿真，并对采用不同编码方式时的误比特率性能分别进行了分析和比较。 2 7 南京邮电人学硕j ：研究生学位论文 第四章基于o f d m 的u w b 系统中的问步算法的研究 第四章基于o f d m 的u w b 系统中的同步算法的研究 4 1 通信系统中同步的几个概念 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系到整个通信系 统的性能。可以说，没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，它是信息可靠 传输的前提。通信系统中的同步又可分为载波同步、位同步、帧同步、网同步几大类【1 4 l ： l 载波同步： 当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与接收端调制载波相同的相干载 波。获得这个相干载波的过程称为载波提取，或称为载波同步。 2 位同步： 数字通信中，除了有载波同步的问题外，还有位同步的问题。因为消息是一串连续的 信号码元序列，解调时常须知道每个码元的起止时刻。因此接收端必须产生一个用作定时 的脉冲序列，它和接收的每个码元的起止时刻一一对齐。我们把在接收端产生与接收码元 重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步，而该定时脉冲序列称 为码元同步脉冲或位同步脉冲。 3 帧同步： 数字通信中的消息数字流总是用若干个码元组成一个“字 ，又用若干“字 组成一 “句 。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字 、“句 的起止时刻， 在接收端产生与“字 、“句 起止时刻相一致的定时脉冲序列，统称为群同步或帧同步。 4 网同步： 当在通信网内实现数字信息的交换与复接时，建立一个网同步系统是非常必要的。实 现网同步的方法主要有两大类：一类是建立同步网，也就是使网内各站