（通信与信息系统专业论文）高铁环境下td及其演进的同步技术研究.pdf

摘要 摘要 铁路环境下移动通信质量的保持一直以来是国际通信行业头痛的问题，快速 发展的高速铁路已成为移动话音和数据业务的新热点。高速数据传输的t d 系统在 此环境下应用也越发普遍。如何在高速运动的高铁车厢内为用户提供优质的通信 服务，成为运营商越来越关注的焦点。目前大量厂家投入研发精力于此，以进一 步提升t d 及其相关演进技术在高铁环境中的表现性能。 同步在通信系统中占有非常重要的地位，同步误差的存在会引起码间干扰和 星座图旋转，严重影响系统接收机性能。在高铁环境下，由于列车运动速度快， 在很短的时间内将会给接收机的接收信号带来很大的定时偏差与多普勒偏移。本 文基于此，着重研究高铁环境下t d 及其演进的定时同步技术与频率同步算法。 本文首先简要介绍了在高铁环境下t d 及其演进技术同步算法研究背景及现 状。然后简要介绍t d 系统物理层帧结构，并对后续同步算法中需要使用的训练序 列的产生以及性能进行了详细的分析，接着对高铁环境下的信道特点进行分析。 在选取合适高铁信道模型基础上，分析了高铁环境下多普勒效应的特点、以及对 t d 系统性能的整体影响。 本文基于分析高铁环境对t d 系统定时同步性能影响的基础上，研究和仿真现 有常规定时同步算法，明确了高铁环境下t d 定时同步算法相比常规环境下定时同 步算法的差别。针对高铁环境下的定时同步算法应具有实时性高、估计精度高、 算法复杂度低等特点，本文提出了多激活窗叠加定时同步估计算法方案与基于低 代价实现的多激活窗叠加定时同步改进算法方案。为了验证改进算法的可行性， 将改进算法在高铁信道模型下进行仿真，并分析仿真结果。从仿真结果可以证明 本文提出的改进方案在性能上和复杂度上都优于现有的算法。 本文也提出了适用于高铁环境下的t d 系统的载波频率同步算法。本文提出的 载波同步改进算法利用最大似然估计算法、相角差分估计算法、适应高铁环境的 特定控制调整算法，通过t d 系统的训练序列来完成的。为了验证算法的可行性， 将基于训练序列分段反馈频偏估计算法在高铁信道模型下进行仿真，并分析仿真 结果。从仿真结果可以看出本文提出的改进算法方案在频偏估计范围、频偏估计 精度、估计调整实时性上很好的满足高铁环境需求。 关键词：t d ，高铁，定时同步，载波频率同步 a b s t r a c t a b s t r a c t m a i n t a i n i n gt h eq u a l i t yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，i nr a i l w a ye n v i r o n m e n t , h a s a l w a y sb e e nah e a d a c h ef o rt h ei n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y t h er a p i d d e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a yh a sb e c o m ean e wh o ts p o tf o rm o b i l ev o i c ea n d d a t as e r v i c e s t ds y s t e mi su s e da n db e c o m i n gm o t ec o m m o ni nt h i se n v i r o n m e n t i t b e c o m e st h eg r o w i n gi m p o r t a n ts u b j e c tf o ro p e r a t o r s ，t h a th o wt od op r o v i d eu s e r s 、) l ，i t l l 1 1 i g h - q u a l i t yc o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e s ，i nt h eh i g hs p e e dt r a i n t of u r t h e re n h a n c et h e t d sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i n t h eh i g hs p e e dr a i l w a ye n v i r o n m e n t s ，a l a r g e n u m b e ro fm a n u f a c t u r e r si n v e s t e dh e a v i l yi np r o d u c tr & d s y n c h r o n i z a t i o n i s v e r yi m p o r t a n t i nt e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，t h 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 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 ) a n dp h a s er o t a t i o n , a n d a f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c eb a d l y i nh i g hs p e e dt r a i ne n v i r o n m e n t ，t h eh i g h - s p e e d m o v e m e n tw i l lm a k et h er e c e i v e ds i g n a lw i t hg r e a tt i m i n gd e v i a t i o na n dd o p p l e rs h i f t i nav e r ys h o r tp e r i o do ft i m e b a s e do ni l t h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft da n di t s e v o l u t i o ni sf o c u s e do nr e s e a r c hb yt h i st h e s i s i nt h i st h e s i s ，f i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo f t h er e s e a r c ho ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft da n di t se v o l u t i o ni nh i g hs p e e dt r a i n e n v i r o n m e n t s e c o n d l yi n t r o d u c e sp h y s i c a ll a y e rf r a m es t r u c t u r eo ft da n dt r a i n i n g s e q u e n c eg e n e r a t i o na n dt r a i n i n gs e q u e n c ep e r f o r m a n c e t h e na n a l y s e st h eh i g hs p e e d r a i le n v i r o n m e n t b a s e do ns u i t a b l ec h a n n e lm o d e lf o r h i g h - s p e e dr a i l ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o p p l e re f f e c ta n dt h ei m p a c tt ot ds y s t e ma r ea n a l y s e di nt h e l l i g hs p e e dr a i le n v i r o n m e n t b a s e do na n a l y s i s i n gt h ei m p a c tf o rt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nb yh i g hs p e e d ，t h e e x i s t i n gc o n v e n t i o n a lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dw a ss t u d i e da n ds i m u l a t i o n sw a s d o n e ，t h ed i f f e r e n c eo ft h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb e t w e e nh i g hs p e e dr a i l e n v i r o n m e n t a la n dg e n e r a le n v i r o n m e n tw a sf o u n d i no r d e rt oa c h i e v eh i g ha c c u r a c y , l o wc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y , a n dr e a l - t i m e ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n e s t i m a t i o n a l g o r i t h m w i t l lm u l t i p l ea c t i v ew i n d o w sa n dl o wc o s tm u l t i p l ea c t i v ew i n d o w sa r e p r o p o s e d i n o r d e rt ov a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo fi m p r o v e dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m s ，as e r i e so fs i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e di nh i g hs p e e dr a i lc h a n n e lm o d e l sa n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e dc a r e f u l l y t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c ea n d t h ec o m p l e x i t yo fp r o p o s e ds c h e m ea r em u c hb e t t e rt h a nt h ee x i s t i n gs c h e m e a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，c a r t i e rf r e q u e n c yo f f s e ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m so ft ds y s t e mi n l l i g hs p e e dr a i le n v i r o n m e n t a la r ea l s op r o p o s e d ，t h a tt h em a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n a l g o r i t h m , t h ep h a s ea n g l ed i f f e r e n c ee s t i m a t i o na l g o r i t h ma n ds p e c i f i cs t r a t e g i e sf o r m g hs p e e dr a i la l eu s e dw i t ht r a i n i n gs e q u e n c e i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f i m p r o v e ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，as e r i e so fs i m u l a t i o n sa l ep e r f o r m e da n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e dc a r e f u l l y , t h a tt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ec o m p l e x i t yo f p r o p o s e ds c h e m ea l em u c hb e t t e rt h a nt h ee x i s t i n gs c h e m e k e yw o r d s ：t d ，h i g hs p e e dr a i l ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n , c a r r i e rf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n i i i 图目录 图目录 图2 1t d 系统物理信道信号格式7 图2 2t d 系统帧结构8 图2 3 常规突发结构9 图2 4d 、v p c h 的突发结构9 图2 5u p p c h 的突发结构9 图2 6 基带编码与复用流程11 图2 7 数据符号扩频和加扰流程：1 2 图2 8 码片序列调制过程。1 2 图2 9 下行不同物理信道的合并过程。1 2 图2 1 0 主流高铁布网场景1 5 图2 1 l 隧道模型下行终端侧多普勒频移轨迹1 7 图2 1 2 移动速度对一个时隙内信道相位的影响。1 8 图3 1 平原模型下移动终端在小区不同位置时对应的定时同步偏移2 1 图3 2 隧道模型下移动终端在小区不同位置时对应的定时同步偏移2 l 图3 3 常规定时同步算法方案原理图2 3 图3 4 常规定时同步估计算法方案仿真平台2 4 图3 5 信噪比对常规定时同步算法性能影响2 5 图3 6 频偏对常规定时同步算法性能影响。2 6 图3 7 时偏大小对常规定时同步算法性能影响。2 7 图3 8 单激活窗时训练序列对应的信道冲激响应。2 8 图3 9 两激活窗时训练序列对应的信道冲激响应2 8 图3 1 0 多激活窗叠加定时同步估计算法实现流程3 l 图3 1 l 基于预设时偏环境多激活窗叠加定时同步估计算法仿真平台3 2 图3 1 2 估算精度为1 1 6 c h i p 时传统算法与改进算法性能对比3 3 图3 1 3 估算精度为1 3 2 c h i p 时传统算法与改进算法性能对比3 3 图3 1 4 估算精度为1 6 4 c h i p 时传统算法与改进算法性能对比3 4 图3 1 5 基于高铁环境下多激活窗叠加定时同步估计算法仿真平台3 5 图3 1 6s n r = 0 d b 时改进算法估计定时偏移3 6 图3 1 7s n r = 5 d b 时改进算法估计定时偏移。3 6 图3 1 8s n r = 1 0 d b 时改进算法估计定时偏移“3 7 v i 图目录 图3 1 9s n r = 1 0 0 d b 时改进算法估计定时偏移3 7 图3 2 0s n r - - - 6 d b 时传统算法方案定时同步估计与实际值之间差值3 9 图3 2 1s n i p 6 d b 时改进算法定时同步估计与实际值之间差值3 9 图3 2 2s n r = 0 d b 时传统算法方案定时同步估计与实际值之间差值4 0 图3 2 3s n r - - 0 d b 时改进算法定时同步估计与实际值之间差值4 0 图3 2 4s n r = 5 d b 时传统算法方案定时同步估计与实际值之间差值4 1 图3 2 5s n r = 5 d b 时改进算法定时同步估计与实际值之间差值4 l 图3 2 6s n r - - - 1 0 d b 时传统算法方案定时同步估计与实际值之间差值4 2 图3 2 7s n r = 1 0 d b 时改进算法定时同步估计与实际值之间差值4 2 图3 2 8s n r = 2 0 d b 时传统算法方案定时同步估计与实际值之间差值4 3 图3 2 9s n r = 2 0 d b 时改进算法定时同步估计与实际值之间差值4 3 图3 3 0 基于低代价实现的改进方案设计流程图4 6 图3 3l 低代价插值实现过程4 7 图3 3 2s n r = 0 d b 时非低代价方案估计定时偏移一4 8 图3 3 3s n r 产o d b 时低代价方案估计定时偏移4 8 图3 3 4s n r 寻5 d b 时非低代价方案估计定时偏移一4 9 图3 3 5s n r 予5 d b 时低代价方案估计定时偏移。4 9 图3 3 6s n r - o d b 时非低代价方案定时同步估计与实际值之间差值5 1 图3 3 7s n r = 0 d b 时低代价方案定时同步估计与实际值之间差值5 l 图3 3 8s n r _ 5 d b 时非低代价方案定时同步估计与实际值之间差值一5 2 图3 3 9s n l k 5 d b 时低代价方案定时同步估计与实际值之间差值一5 2 图3 4 0s n r = 1 0 d b 时非低代价方案定时同步估计与实际值之间差值5 3 图3 4 1s n r = 1 0 d b 时低代价方案定时同步估计与实际值之间差值5 3 图3 4 2s n r = 2 0 d b 时非低代价方案定时同步估计与实际值之间差值5 4 图3 4 3s n r = 2 0 d b 时低代价方案定时同步估计与实际值之间差值5 4 图4 18 0 h z 频率偏移时接收数据星座图6 l 图4 21 5 0 h z 频率偏移时接收数据星座图6 1 图4 3q p s k 调制时相位偏差容忍分析6 2 图4 41 6 q a m 调制时相位偏差容忍分析6 2 图4 5 相角差分算法频偏估计范围与时隙间隔关系6 6 图4 6 改进算法设计方案主要框架6 9 图4 7 基于训练序列分段反馈频偏估计算法设计方案流程7 2 图4 8 改进算法频率同步估计性能对比仿真平台7 3 图4 9 不同频率同步估计算法性能对比7 4 v 图目录 图4 1 0s n r 寻6 d b 基于训练序列分段反馈算法频偏估计性能仿真7 6 图4 1ls 净6 d bm l 算法频偏估计性能仿真7 6 图4 1 2s n r = 0 d b 基于训练序列分段反馈算法频偏估计性能仿真7 7 图4 1 3s n r = 0 d bm l 算法频偏估计性能仿真7 7 图4 1 4s n r = 6 d b 基于训练序列分段反馈算法频偏估计性能仿真7 8 图4 15s n r = 6 d bm l 算法频偏估计性能仿真7 8 v i 第一章绪论 第一章绪论 论文研究背景及意义 随着社会经济发展和科技水平的提高，高速铁路慢慢渗透到人们的日常生活。 考察表明，欧洲高速铁路网2 0 2 0 年将建设约l 万千米，亚洲高速铁路建设速度也 正出现异乎寻常的高速增长。到2 0 1 0 年，我国铁路营业里程达到8 5 万公里，其 中复线里程3 5 万公里，电气化里程3 5 万公里。1 9 9 7 年到2 0 0 7 年的1 0 年期间， 中国铁路经过了六次大提速，第六次提速后，时速超过2 0 0 k m 的铁路里程有 6 0 0 3 k m ，其中时速超过2 5 0 k m 的有8 4 6 k m ，京沪高速铁路时速将达到3 5 0 k m ，上 海磁悬浮列车时速更是高达4 3 0 k i n 。 如何在这种高速环境中提供良好的通信服务，这给移动通信系统在技术上提 出了更高的要求，特别是在无线传输信道方面，给移动通信系统的传输可靠性的 研究带来了新的课题，也是现今全球移动运营商和移动设备商需要共同面对的难 题。1 9 9 3 年国际铁路联盟( u i c ) 与欧洲电信标准组织( e t s i ) 协商，提出了欧洲各国 铁路下一代无线通信系统以g s mp h a s e2 + 为标准的g s m r 技术【i 】，这一提议在 1 9 9 5 年经u i c 评估最终确认，1 9 9 7 年2 4 个国家的3 2 个组织共同签署了谅解备 忘录，决定采用和计划采用g s m r 作为铁路专用通信技术。从1 9 9 9 年开始，欧 洲一些国家开始g s m r 网络的试运行和商用建设。截至2 0 0 6 年底，德国全国铁 路线路总长4 6 1 4 2 公里，g s m r 覆盖网络近3 6 0 0 0 公里；意大利全国铁路线路总 长2 万余公g s m r 网络覆盖7 5 0 0 公里；法国全国铁路线路总长3 1 7 2 4 公里， g s m r 网络覆盖1 4 0 0 0 公里。据国际铁路联盟对各种数字化移动通信系统研究的 结果表明，g s m r 作为铁路下一代数字化移动通信系统能够满足铁路未来高速重 载发展战略的需求。对于g s m r 系统而言，它可以借助目前已经相当成熟的g s m 网络技术进行顺利推进，这一点经过欧洲电信标准化协会数年的开发研究已得到 证实。g s m r 是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统g s m 平 台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，g s m r 完全汲取 了g s m 十多年来的发展成果，又专门针对铁路各种不同的需求开发了许多功能。 全球移动通信发展虽然只有短短几十年的时间，但它已经创造了人类历史上 伟大的奇迹。目前世界电信业的技术发展进入了新的发展阶段，出现融合、调整、 变革的新趋势。尤其是3 g 、n g n 和宽带技术的发展和应用，已经成为今后一段时 重庆邮电大学硕士论文 期的全球发展热点。现在以及未来几年，第三代移动通信系统将成为移动通信领 域的主导，3 g 的三大主流标准，包括w c d m a 、e d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 都将在 我国移动通信市场占据一席之地。与此同时，在市场需求的不断推动下，3 g 增强 型技术，包括h s d p a h s u p a 的日趋成熟，将极大提高3 g 系统的上下行数据承载 能力以及系统的数据承载效率。而2 0 0 4 年年底，正当人们惊讶于w i m a x 技术的 迅猛崛起之时，3 g p p 推出了作为b 3 g 技术标准的l t e ，目前也已经试点运行。 在将来的很长时间内，提高传输速率是移动通信不变的话题之一。在我国，t d 作 为自主知识产权的标准，受到国家的大力支持，相关牌照发给了实力最强的中国 移动在t d 产业联盟的共同努力下，t d 技术越来越成熟，t d s c d m a 产业的发 展已势如破竹。 由于高铁主要的目标客户是商务出行或者旅游出行，这些人在列车上使用语 音或高速数据业务的需求较为明确，因此，快速发展的高速铁路已成为移动话音 和数据业务的新热点，高数据传输速度的t d 系统在此环境下应用也越发普遍。 虽然过去的短短几年左右时间里，t d 及其相关演进技术与高铁建设各自独立 迅猛发展，但两者相关研究甚少，即t d 技术及其相关演进技术在高铁环境下的应 用研究很少，随着t d 及其相关演进技术在高铁环境中的广泛使用，目前吸引大量 厂家投入研发精力于此，以进一步提升t d 及其相关演进技术在高铁环境中的表现 性能。 高铁环境下影响t d - - - s c d m a 链路性能和系统性能的主要因素有：多普勒频 率偏移、快速切换问题、智能天线赋形问题和定时同步问题。相对于9 0 0m h z 频 段的g s m 或g s m r 来说，t d s c d m a 工作于2 g h z 频段，其多普勒效应更加 严重，且路径损耗和穿透损耗也更大，因而使得现有同步算法很难达到同步性能 需求。 1 2 论文研究现状 随着高铁发展，提高在高速运动下情况下用户的通信服务质量，越来越引起 各运营商的注意。高铁覆盖为什么这么难? 高铁环境相对常规环境给移动通信系 统带来哪些不同? 首先，高铁车速很快，最高时速可达4 5 0 k m h ，甚至更高。高速运动引起的多 普勒频移更加明显，由此将导致基站和终端的相干解调性能降低，直接影响网络 性能，用户感知变差； 第二，频繁的小区重选和切换会导致成功率下降，甚至因切换不及时而导致 掉话，频繁的小区重选也将影响p s 业务速率等指标； 2 第一章绪论 第三，现有网络往往采用专网小区分裂的方式覆盖高铁，高铁小区和其他小 区间的移动性管理，参数设置非常复杂，难以达成最优质量； 第四，高铁采用新车型，车体密封性强，穿透损耗大，会导致车厢内部无线 接收信号降低。 高速列车控制对传输误码率很敏感，特别是在高速情况下由检错重传造成的 传输延迟将对列车控制造成明显的负面影响，国外在8 0 年代初就开始对利用无线 控制列车运行的研究。较为突出的有北美的a t c s ，日本的c a r a t 和欧洲的e t c s ， 利用无线作为车地双向信息通道首先要考虑的是无线传输的可靠性。国际铁路联 盟( u i c ) 与欧洲电信标准组织( e t s i ) 协商的g s m r 技术作为铁路专用通信技术已 经较为成熟。t d s c d m a 技术作为我国具有自主知识产权的3 g 标准技术虽然其 商用进展日益为国内外所关注，但是业界公认的t d s c d m a 系统适用高速场景的 速度最高可达到1 2 0k m h ，在更高速的场景下的t d s c d m a 系统组网、运营、优 化仍存在一定的研究空白，高铁环境下的各项技术研究也仅仅局限于几家主流t d 厂家及运营商，截至目前为止研究成果依旧屈指可数。 上海移动目前已开始了高速场景领域的专题研究，通过分析高速场景对 t d s c d m a 物理层、通信过程的影响，对于其中的几个关键技术难题，提出解决 思路，并提出高速场景下t d s c d m a 系统组网建议，得到该场景下系统关键问题 和研究方向。鼎桥公司对高铁场景下的移动通信进行了一系列的研究，也提出了 一些解决方案 2 1 。摩托罗拉设计出的c t u 载频板可以克服3 5 0k m h 的高速移动产 生的多普勒频移：c t u 2 、c t u 2 d 中的基带信号处理模块中使用了更为先进的自 动频率校正算法，该算法改进了传统的信道估计方法，以达到对抗更大的多普勒 频移的目的，可克服4 8 0k m h 以上的高速移动带来的多普勒频移的影响，但是其 针对的系统却为g s m 系统。 综合研究现状，目前各家系统厂家针对高铁环境下的同步技术研究分为两大 模块：一是定时同步估计研究，二是频率同步估计研究。高铁环境带来的定时同 步偏移影响主要可以通过增大估计周期，优化解调算法等方式进行解决，对定时 同步算法的优化并没有太多的投入。而由于因终端移动而产生的多普勒频移对 t d s c d m a 同步性能影响巨大，t d s c d m a 系统中，基站采用固定的频点进行 信号的收发，而终端通过自动频率控制( a f c ) 方案使本振频率自动跟踪接收信号的 频率变化。在高速移动环境下( 如车速为4 0 0 k i n h ) ，终端切换时相对于新旧两个基 站的运动方向相反，导致终端的多普勒频移发生跳变，使得终端产生一个很大的 频偏，分析得出这个频偏值最大可以达到两倍的最大多普勒频偏值。此时采用现 有的a f c 控制方案则需要很长的时间才能进入稳定状态，使终端的性能恶化。如 果不对现有系统进行改进，则理论支持的最高速率为1 2 0 k m h ，针对这一状况，目 3 重庆邮电大学硕士论文 前各家系统厂家均提出了相应的频偏校正算法p j 。 目前较为主流的频偏校正算法有：每隔一定的子帧数据通过一定操作，利用 已有的估计算法实时检测出当前子帧频率偏移的相关信息，然后对频偏造成的基 带信号相位偏移予以校正；高速优化频偏估计方案，该方案采用了基站侧高速频 偏估计的思想，对终端进行频偏预纠正的思想。频偏预校正基本思想就是基站根 据目标用户上行信道频偏估计，对下行发送信号频率进行预校正，使得发送信号 到达u e 之后的等效接收频率为小区原始发送频率。实现中在基站侧增加d p c h 的频偏预矫正【3 1 ，即通过对比收发信号的频偏，针对不同用户在物理层数据上进行 频偏补偿。对于终端用户而言，在基站频偏预矫正正常工作的情况下，基本稳定 在指定频点上，几乎感受不到多普勒频偏存在，小区切换时刻不会产生大的多普 勒频偏正负跳变，但是此算法需要多系统之间进行协作。 1 3论文安排 论文的研究方向是高铁环境下t d 及其演进的同步技术研究。论文深入分析了 t d 系统物理层帧结构、技术特性、高铁环境对t d 系统同步问题带来的影响，整 理、分析、比较了几种定时同步算法和频偏估计算法，并对其中的一些算法进行 了改进，通过性能分析找到适合高铁环境下t d 系统的较稳定、准确性较高的定时 同步算法和频偏估计算法。 论文结构的安排如下： 第2 章首先详细介绍了t d 系统的物理层帧结构，简要对物理层帧结构、时隙 结构、后续算法优化中所使用的m i d a m b l e 训练序列产生的原理进行概述。接着对 t d 系统基带信号产生流程进行描述。最后文章在高铁信道环境的分析中，首先给 出高铁信道环境的特点以及多普勒效应产生的原理，具体讲述了使用高铁信道环 境的模型以及高铁信道环境下多普勒效应分析。 第3 章首先介绍高铁环境对t d 系统定时同步性能影响，然后对常规定时同步 估计算法进行m a t l a b 仿真并分析仿真结论。结合常规定时同步算法仿真结论，以 及多激活窗叠加算法原理分析，提出多激活窗叠加算法方案，并分别基于预设时 偏环境和高铁环境与常规定时同步算法进行对比仿真。最后文章基于实现的角度， 对低代价实现的改进方案设计原理进行分析，并进行性能分析与算法复杂度统计 比较。 第4 章首先从星座图解调与信道估计准确度两个方面分析频率偏移对t d 系统 性能影响。然后对最大似然算法，相角差分算法，基于数据域的频偏估计算法进 行原理分析，对3 种算法的频偏估计范围，频偏估计精度，实现复杂度进行对比 4 第一章绪论 分析。针对高铁环境下通信时具有频率偏移大，实时性要求高，高速数据业务时 频率估计精度要求高等特点，综合先前算法分析结合高铁信道环境特点提出基于 训练序列分段反馈频偏估计算法。为了验证算法的可行性，将频率同步算法在高 铁信道模型下进行仿真，并分析仿真结果。 第5 章总结全文，并指出今后需要进一步研究和考虑的问题。 5 蠡 重庆邮电大学硕士论文 6 第二章理论基础 第二章理论基础 2 1t d 系统物理层帧结构 3 g p p 中定义t d 系统所有的物理信道都采用四层结构1 4 ：时隙屑、子帧、无 线帧和系统帧号。依据资源分配的不同方案，时隙码或子帧的配置结构有所差别。 所有物理信道在每个时隙中需要有保护符号。时隙具有时分特性，其与扩频码在 时域和码域上区分不同用户信号。图2 1 给出了t d s c d m a 的物理信道的层次结 构图。 在t d d 模式下，t d 系统物理信道是由突发构成，这些突发分配到无线帧中 的特定时隙发射，其中无线帧的分配既可以是连续的也可以是不连续的分配。除 下行导频突发与上行接入突发外，其他所有用于信息传输的突发都由数据部分、 训练序列( 即m i d a m b l e 码) 部分和一个保护时间片组成。3 g p p 中定义一个突发 的持续时间就是一个时隙。一个发射机可以同时发射几个突发，在这种情况下几 个突发的数据部分必须使用不同正交扩频码来实现物理信道的码分，但应使用相 同的扰码。同一个小区中训练序列部分必须使用同一个基本训练序列，同一时隙 的不同用户将使用不同的训练序列，这些训练序列是由同一基本训练序列移位产 生的。对于支持多载频的小区，不同载频需要使用相同的基本训练序列。 r a d i of r a m e ( 1 0 m s ) - _ 图2 1t d 系统物理信道信号格式 7 重庆邮电大学硕士论文 2 1 1 帧结构 t d 系统中一个帧长度为1 0 r n s ，其由两个结构完全相同的5 m s 子帧构成( 此 结构主要为提高定时提前校准与功率控制的效率) 。如图2 2 所示，一个子帧共有 1 0 个时隙组成：3 个特殊时隙和用于进行上下行业务的7 个常规时隙，其中每个 常规业务时隙的长度是8 6 4 c h i p 。在7 个常规业务时隙中，3 g p p 规定时隙0 总是 分配给下行链路，用作发送系统广播信息，时隙1 总是分配给上行链路，而其它 常规时隙均可以用于上下行业务的开展，但是上行链路的时隙和下行链路的时隙 之间由一个转换点分开。通过调配上下行时隙的数目可以来实现工作于对称或者 不对称对称业务开展。在3 个特殊时隙中，d w p t s 作为下行导频时隙，9 6 码片持 续时间，u p p t s 作为上行导频时隙，1 6 0 码片持续时间，g p 作为t d d 的主要保 护间隔，9 6 码片持续时间。 1 2 8 m e p s d 【、】i ，p t s ( 9 6 c h i p s ) 2 1 2 时隙结构 切换点 1 个 十 千士 士 图2 2 t d 系统帧结构 正如前文所述，3 g p p 在t d 系统中规定了四种时隙类型【4 1l 习：3 种特殊时隙 ( d w p t s 、u p p t s 、g p ) 与7 个常规时隙( t s 0 t s 6 ) 。 常规时隙用于传输控制信息与用户数据，7 个常规时隙结构完全相同：两个数 据块、一个长为1 4 4 码片的训练序列域和一个保护间隔( 长为1 6 码片) 。突发的 数据域长为3 5 2 码片，但是由于时隙的数据部分由信道码和扰码共同扩频，因此 对应的符号数与扩频因子有关。信道码是一个正交扩频码，扩频因子可以取l ，2 ， 4 ，8 ，1 6 。o v s f 码所采用的扩频因子决定了物理信道的数据速率。因此，一个常 规物理信道是由频率、时隙、信道码、无线帧分配来定义的。建立一个物理信道 的同时，也就给出了它的初始结构。一个物理信道的持续时间可以是分配所定义 的持续时间，也可以无限长。常规突发的结构如图2 3 所示。 8 第二章理论基础 数据符号训练序列数据符号数 3 5 2 c h i p s 14 4c h i p s3 5 2c h i p s g p 1 6 c p 8 6 4 c h i 图2 3 常规突发结构 t d 系统中有两个专用物理同步信道：d w p c h 和u p p c h 。 d w p t s 用于发送下行同步码，实现下行同步。一个d w p t s 的突发结构如图 2 4 所示。d w p t s 在每个子帧中以提供全小区覆盖的天线赋形发送，系统使用 d w p t s 所发送的下行同步码来标识不同的小区。其发送功率电平由高层信令给出， 但必须保证全小区覆盖。在支持多频点的小区中，d w p t s 将只在主频上发送。 7 5 u s g p ( 3 2 c h i p s ) s v n c _ d l ( 6 4 c l l i p s ) 图2 4d w p c h 的突发结构 u p p t s 用于发送上行同步码，实现与基站之间的上行同步。一个u p p t s 的突 发结构如图2 5 所示。常规情况下，u p p t s 在主载频上进行发送，但是也可以在 辅载频上有条件使用，条件之一为u e 在切换时可以在辅载频上使用u p p c h 信道。 由于一个基站可以在同一子帧u p p t s 时隙识别多个不同的上行同步码，多个终端 可以在同一时刻发起上行同步建立请求。 d w p c h 中的s y n c d l 码和u p p c h 中的s y n c u l 没有扩频。 s y n c u l ( 1 2 8 c h i p s ) g p ( 3 2 c h i p s ) 图2 5u p p c h 的突发结构 2 1 3 训练序列m i d a m b l e t d 系统中，训练序列不携带用户信息，传输时直接与经基带处理的数据一起 发送，不进行基带信号处理与扩频，其主要用来在接收端通过计算信道冲击响应 进行信道估计。3 g p p 中虽然给一个t d 小区配置了四个基本训练序列，但是一般 仅使用一个，其余的被不同的运营商使用。而同一小区同一时隙上的不同信道所 采用的m i d a m b l e 码均由同一个基本训练序列码经循环移位而产生【6 j 。可用的基本 训练序列在3 g p p 中给出。3 g p p 中以十六进制形式列出了基本训练序列，十六进 制和二进制之间的对应有一定的映射关系。 9 重庆邮电大学硕士论文 设m i d a m b l e 码片长度为l m ，第k 个用户采用的m i d a m b l e 码d 由l m 个元 主m 伸j 组成，由附录知，这些元素均从复数集合2 1 ，j ，- l ，- j 中选取。 v m = 1 ，j ，- l ，j 式( 2 1 ) 在3 g p p 规范中，基本m i d a m b l e 是直接以实数值形式给出的，要在无线信道 传输必须进行复数化处理，复m i d a m b l e 码婴中的元素丝：”满足下面的取值关 系：复m i d a m b l e 码型”中的元素丝，满足下面的取值关系： 丝= ( j ) 。耐 耐。 l ，一1 ；f - 1 ，厶；k = 1 ，k 式( 2 2 ) 其中k = l ，k ，k 为一个时隙中可用的m i d a m b l e 码的最大数目。因此，复 m i d a m b l e 码堕婶中的元素丝可交替地取实数和复数。 定义w 为描述终端无线信道冲激响应的窗口长度( 其等于1 2 8 k ) ，则式( 2 2 ) 中的l m 个二进制元素m ，可以从一个单周期性基本码m 用s t e i n e r 方法来产生。 m - ( m 1 ，m 2 ，m i 。) 2m l ，m 2 ，m k 郴- 1 ) 矽) 1 m ， 1 ，一1 ) 式( 2 3 ) m 中的前p ( 基本训练序列长度，等于1 2 8 ) 个元素与矢量聊，完全相同，后面 的n - ( p + 1 ) ( l i n + ( k - 1 ) w ) 个元素则重复耐七) 中的前n 个元素，即 对于i = ( p + 1 ) ，( l m + 张1 ) w ) 子集，应有 m i = m i - p 式( 2 4 ) 根据式( 2 3 ) ，一个周期为m 的p 个元素朋。；汪1 ，p 应包含在下列矢量中： m p = ( ，m 2 ，m 户) 1 式( 2 5 ) 时隙中第k 个用户的m i d a m b l e 码序列中的元素可由下式得到 k = h 矽 活k ，厶，；j | = k ，k式( 2 6 ) 由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 得到的m i d a m b l e 序列是复数值，不进行扩频和加扰的过程， 也就是说，聊；”复数元素用作调制的脉冲成形过程。 通常所说的“一个m i d a m b l e