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摘要 摘要 近年来，宽带无线通信技术和应用得到了迅猛的发展。人们对无线数据和多 媒体业务的需求，促进了用于高速宽带无线通信的诸多新技术的发展和应用。其 中，多入多出( m i m o ) 技术利用信道多径效应，能够极大改善无线通信的频谱效率 和通信可靠性。而6 0 年代提出的正交频分复用( o f d m ) 技术，由于能够显著简化 系统接收机的设计并具有优越的频谱效率，近十多年来也获得了极大的关注。二 者的结合即m i m o o f d m 技术被认为是未来移动通信系统( b 3 g 4 g ) 最有可能选用 的技术方案，并且已经被引入无线局域网( w l a n ) 的标准。但是一些关键技术仍待 解决和完善。m i m o o f d m 对时间和频率偏移非常敏感，因此m 1 m o o f d m 同步 显得尤为重要。本文主要研究新一代移动通信系统m i m o o f d m 的同步技术。 针对电子科技大学b 3 g 项目，本文第三章中提出了一种m i m o o f d m 同步 的设计方案。时间同步方面采取了一些改进措慈，降低了同步过程中的虚警漏报 概率。另外根据硬件实现的需要，在不影响同步性能的前提下不断降低算法复杂 度。频率同步方面主要提出了两种精频偏估计算法，并对两种算法进行比较，采 用了基于循环前缀的精频偏估计算法作为系统精频偏算法。 但是第三章中提出的同步设计方案，前提是假设m i m o o f d m 系统只有同一 个时间偏移和频率偏移，不能应用于分布式m i m o 系统。因此本文第四章提出了 一种新的m i m o o f d m 同步算法，该算法适用于各发射天线信号到达时延不同的 情况，具有更广泛意义，可用于分布式m i m o 系统。 第五章提出了一种新的w l a n 系统中m i m o o f d m 同步算法。时间同步方 面，通过p n 码控制训练序列极性，达到更好时间同步效果。频率同步方面，使用 信道和频偏估计迭代算法。该算法通过结合时域信道估计，对信道估计部分和频 偏估计部分进行迭代处理，能一定程度上提高频偏估计的精度。 最后，第六章对全文进行了概括性的总结，明确了下一步有待进行的工作和 未来的一些研究方向。 摘要 关键词：正交频分复用，多入多出系统，时间同步，频率同步，信道估计 a b s w a c t a b s t r a c t t h en e e df o rw i r e l e s sd a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c e sp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n so fm a n yh i g h - s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e ，o f f e r sa ne f f e c t i v ew a y t oc o m b a ta n de v e ne x p l o i t f a d i n g a n o t h e rt e c h n i q u e ，o r t h o g o n a if 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 ) ， p r o p o s e di n1 9 6 0 s ，n o wh a sg a i n e dm u c ha t t e n t i o nw i t hi t sa b i l i t yt o r e d u c es y s t e m c o m p l e x i t y t h ec o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d mh a sb e e nr e g a r d e da sap o t e n t i a l c a n d i d a t ef o rf o r t hg e n e r a t i o n ( b 3 g 4 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，a n da l s oh a sb e e n a d o p t e di n t ot h ew l a ns t a n d a r d b u tt h e r ea r es t i l ls o m ek e yp r o b l e m st ob es o l v e d s y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rm i m o o f d ms y s t e mb e c a u s ei ti sv e r ys e n s i t i v e t ot i m ea n df r e q u e n c yo f f s e t i ti st h er e s e a r c ht a r g e ti nt h i sp a p e r f o rt h eb 3 gp r o j e c to fu e s t c ，i nc h a p t e r3w ep r o p o s e das c h e m eo f s y n c h r o n i z a t i o nf o rm i m o o f d ms y s t e m i nt i m es y n c h r o n i z a t i o n ，w ea d o p t e ds o m e m e t h o d st or e d u c et h ep r o b a b i l i t yo ff a l s ea n do m i t b a s e do nt h en e e d so ft h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n ，w er e d u c e dt h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o d t h mw i t h o u tr e d u c i n gt h e s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e i nf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，w em a i n l yd i s c u s s e dt w o a l g o r i t h m so ff i n ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n s ，a n dc o m p a r e dt h e mw i t he a c ho t h e r w e a d o p t e dt h ea l g o r i t h mb a s e do nc y c l i cp r e f i xa st h ef i n ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nf o r t h es y s t e m b u tt h ea p p l i c a t i o no ft h es c h e m ei nc h a p t e r3i sn o ts u i t a b l ef o rt h ed i s t r i b u t e d m i m os y s t e m s s oi n c h a p t e r4w ep r o p o s e dan o v e ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mf o r m i m o o f d ms y s t e m i ti sa p p l i c a b l et ot h ec o n d i t i o n sw h e r ea l lt h et r a n s m i ta n t e n n a s h a v ed i f f e r e n td e l a y s ，i sm o r eg e n e r a l i z e di nb r o a ds e u s e t h e r e f o r ei tc a l lb eu s e di nt h e d i s t r i b u t e dm i m os y s t e m s i n c h a p t e r5 ，w ep r o p o s e d an o v e ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi nt h ew l a n s y s t e m s i nt i m es y n c h r o n i z a t i o n ，w eg o tb e t t e rp e r f o r m a n c eb yt h ec o n t r o l l i n go ft h e p o l a r i t yo ft r a i n i n gs e q u e n c e su s i n gp nc o d e i nf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，w eu s e dt h e a b s t r a c t i t e r a t i v ea l g o r i t h mo fc h a n n e la n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n i tc o u l de n h a n c et h e p r e c i s i o no ff r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o nb yc o m b i n i n gt h et i m ed o m a i nc h a n n e l e s t i m a t i o nt oi t e r a t i v e l ye s t i m a t ec h a n n e la n df r e q u e n c yo f f s e t f i n a l l y ，i nc h a p t e r6 ，w es u m m a r i z e da n dc o n c l u d e d t h ew h o l ed i s s e r t a t i o n f u r t h e r r e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o n sw e r ep o i n t e do u t 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 n m u l t i o u t p u t ( m i m o ) ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ， e s t i m a t i o n 1 v m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，m u l t i i n p u t f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ，c h a n n e l 图形列表 图形列表 图2 一lo f d m 调制原理7 图2 2加入保护间隔的o f d m 符号8 图23o f d m 系统框图 8 图2 - 4m i m o 系统的基本模型1 1 图25 m o d y 的m i m o o f d m 系统的帧结构 一1 9 图2 - 6时域正交的2 天线的同步前缀设计一2 0 图27m i m o o f d m 系统的等效基带框图2 2 图3 1b 3 g 基带系统结构图2 6 图3 2 1 0 0 m b p s 帧结构2 7 图33同步帧结构2 8 图3 4时间同步流程图3 0 图3 - 5粗同步算法与结合基于循环前缀精同步算法估计相偏值比较3 6 图3 - 6粗同步算法与结合两种精同步算法的系统硬判性能比较3 7 图4 一lm i m o o f d m 系统结构图3 9 图4 2训练序列插入方式4 0 图4 3时域上各路有延迟的序列叠加4 1 图4 - 4归一化峰值4 2 图4 5新算法时间同步性能4 4 图4 - 6新算法频率同步性能 4 4 图5 - l系统模型4 7 图5 - 2系统帧结构图4 8 图5 3训练序列的构成4 8 图5 - 4相关运算示意图5 0 图55相关目标函数输出值比较5 l 图5 - 6w l a n 信道设置5 4 图5 7两发两收情况下频偏估计m s e 值比较5 5 图58四发四收情况下频偏估计m s e 值比较5 6 v 表格列表 表格列表 表3 - 1系统性能指标要求 表3 - 2b 3 g t d d 下行链路设计目标 表3 - 3b 3 g t d d 系统的基本参数， 表3 4时间同步情况 表5 - 1w l a n 仿真条件 i x 笛巧卯孔舛 缩略字表 3 g a g c a t t a w g n b 3 g b e r c d m a c o s t d f t 肿 g s m i c i ) f r f r i m 2 - 2 0 0 0 口 i s i u m 【m o o f d m p n p a p r s i s o 缩略字表 3 “g e n e r a t i o n a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l a m e r i c at e l e p h o n e t e l e g r a p h a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 g b i te r r o rr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s e u r o p e a nc o o p e r a t i o ni nt h ef i e l do fs c i e n t i f i c a n dt e c h n i c a lr e s e a r c h d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e i a v e r s ed i s c r e t ef o u f i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ( t h e3 g us t a n d a r d ) i n t e m e tp r o t o c o l i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t 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 p s e u d on o i s e p e a k 4 0 - a v e r a g ep o w e rr a t i o s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t x 第三代( 移动通信系统) 自适应增益控制 美国电话电报公司 白高斯噪声 超三代( 移动通信系统) 比特误码率 码分多址 欧共体科技研究组织 离散傅立叶变换 快速傅立叶变换 全球移动通信系统 载波间干扰 离散傅立叶逆变换 快速傅立叶逆变换 国际移动通信2 0 0 0 ( u 的3 0 标准) 网络协议 符号问干扰 国际电信联合会 多入多出 正交频分复用 伪噪声 峰平功率比 单入单出 缩略字表 s n r w c d m a w l a n s i g n a lt on o i s er a t i o 信号噪声比 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 宽带码分多址 w i r e l e s sl o c a la l e an e t w o r k 无线局域网 a r g ( _ ) a r gm a x ( ) 符号表 符号表 求时间偏移估计 求频率偏移估计 求和 求以自然对数为基底的幂 求幅角 求最大值 求复数的模 求复数，复向量，复矩阵的共轭 求向量或矩阵的转置 求向量或矩阵的共轭转置 求向量或矩阵的广义逆 求数学期望或均值 求方差 x j ，? 扫o b 唧 h盯盯旷讣w 独创性声明 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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：孳c l 雾一 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢轴卜铈繇凌捧 日期：年月日 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展概况 第一章引言 移动通信是当前发展最迅猛的技术之一，在飞速发展的技术革命中，各种全 新的无线通信概念层出不穷、各种新的体制及其关键技术日新月异。移动通信已 成为当代通信领域内发展潜力最大，市场前景最广的热点技术。目前，在网运营 的移动通信系统仍然是第二代移动通信系统，其缺点是全球无线技术各自为营， 没有统一的标准，而且只支持话音和低速率的数据业务。当初国际电信联盟( r r u ) 制定第三代移动通信( 3 g ) 标准- - i m t 2 0 0 0 标准的时候，希望得到的是一个能够提 供高速数据接入的全球统一的移动通信标准。但是标准的制定在各方利益的驱动 下互不相让，最后折中，形成了以w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系列为首的5 个大的 标准。从而使r r u 制定i m t 2 0 0 0 标准的初衷没有实现。此外，随着互联网技术的 飞速发展、数字设备的广泛使用，人们希望未来的无线接入网能够很好地支持p 协议，无线终端能够轻松地接入网络。 国际电信联n ( i t u ) 目前已经开始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无线系统结合起来，产生超3 代( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 技术。 b 3 g 将最终实现商业无线网络，局域网，蓝牙，广播电视网，卫星通信网的无缝 衔接并相互兼容。 为了适应未来的通信发展需求，世界各国都已经把研究重点转入第四代移动 通信的先期研究【l 】。美国a t & t 公司已经开始研究第四代移动通信技术，目标是 提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特网的速率。瑞典的爱立信公司宣布已 经开始着手研制第四代移动通信系统，其研究机构负责人表示，第四代移动通信 技术不仅可以将上网速度提高到第三代移动通信技术上网速度的5 0 倍，而且届时 人类将首次实现三维图象的高质量传输。日本的d o c o m o 移动通信公司也在日 本进行第四代移动通信的研究，日本企图象主导3 g 一样来主导b 3 g 的研发工作， 成为第四代移动通信的领头羊。 电子科技大学硕士学位论文 我国在“十五”8 6 3 计划中也投入了大量资金着手研究新一代移动通信系统。 研究内容包括蜂窝系统，局域性短程接入系统和蓝牙技术等。其目的是在b 3 g 移 动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上的研究同步发展，获取 具有自主知识产权的核心技术专利，对形成新一代无线与移动通信知识产权和体 制标准做出较大贡献，为国家培养一支有一定规模的具有国际竞争力的超前研究 队伍，为实现我国未来无线通信产业的跨越式发展创造条件。 1 2 新一代移动通信的定义及其关键技术 b 3 g 的概念可称为广带移动和无缝业务。所谓广带即传输速率在2 1 0 0 m b i t s s 甚至更高，无缝业务则要求各种网络之间很好的互联，融合，保证终端 漫游中业务的不间断性，跨多个网络时业务提供的透明性。 b 3 g 的关键技术主要有”： 1 定位技术 有三种定位技术，基于移动终端的定位，基于移动网络定位和混合定位。在 b 3 g 移动通信系统中，移动终端可以在不同系统间进行移动通信，对其定位和跟 踪是实现高速率和高质量移动通信的前提和保障。 2 切换技术 b 3 g 系统中切换技术的适用范围更广泛，有同一网络内的切换，也有不同网 络之间的切换，并朝着硬切换和软切换相结合的方向发展。 3 软件无线电技术 软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件，旨在建立一个无线电通信平台， 通过平台实现多通路，多层次和多模式的无线通信。 4 智能天线技术 智能天线具有抑制：f 扰，自动跟踪信号，智能化时空处理算法形成数字波束 等功能。 5 光纤无线电技术 2 第一章引言 利用光纤传送广带无线电信号，其损耗比其他传输媒介小。还可以用光纤传 送包含多种业务的微波( 6 0 g h z ) 无线电信号。 6 传输技术 主要研究高速率( 2 0 m b i t s s ) 条件下，高速移动通信微波传输的性能以及在 6 0 g h z 时室内传输的多径传输性能，改善高速数字传输性能。 7 ，调制与信号传输技术 在高频段上进行高速移动通信，会产生严重的频率选择性衰落。研究和发展 智能调制和解调技术，能有效抑制这种衰落。另外，采用高速发射功率控制t p c ， r a k e 扩频接收，跳频，高性能低密度l d p c 校验码等技术，能增加信号能量噪 声比和增加容量。 8 网络结构和协议 b 3 g 移动通信网络包含许多类型的通信网络，研究无线接口协议成了关键技 术之。 1 3 本文的主要内容及创新 1 3 1 课题来源 国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g yf o r u n i v e r s a ir a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划于2 0 0 2 年制定并启动，其目的是在超三代移动通 信发展初期即着于开展相关的研究与开发，与国际上同步发展，获取具有自主知 识产权的核心技术专利，为我国未来提h 超三代或第四代移动通信标准奠定基础。 电子科技大学通信抗干扰国家级重点实验室从项目启动之日即参与承担该项 目。在国家“8 6 3 ”f u t u r e 讨划第一阶段中，电子科技大学负责s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l eo u t p u t ，单入单出) 系统的浮点和定点仿真，并提出m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，多入多出) 系统的设计方案；第二阶段中，电子科技大学负责t d d 方式下行链路m i m o 系统的设计。第三阶段主要负责t d d 方式下行链路m i m o 系统的实现工作。 系统的实现下作。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 3 2 主要内容及创新 本文主要研究了m i m o o f d m 的同步技术。为未来移动通信系统提供几种在 恶劣的信道环境中具有一定抗干扰，抗衰落性能的数据同步解决方案，加速第四 代移动通信的实用化进程。 本文的主要研究内容如下： 本文的第二章详细的介绍了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 n m u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 和m i m o 技术的基本原理，优缺点以及对同步的要求。 根据已有o f d m 同步算法，阐述了m i m o o f d m 同步技术研究现状，列举了几 种经典的m i m o o f d m 同步算法。 本文的第三章介绍了一种b 3 g 系统的同步方案设计。先是介绍了系统各种技 术指标及参数，针对这些指标和参数指出了系统对同步的要求。接下来介绍了同 步部分帧结构设计，时间同步设计和频率同步设计。重点介绍了时间频率同步设 计方面的一些改进和创新。这些改进和创新不仅可以优化同步性能，而且还有利 于系统的硬件实现。 本文在第四章中介绍了我们提出了一种新的m i m o o f d m 同步算法，该算法 设置了新的导引符号配置方案，可以在接收端时域得到相同的两个半段序列，进 行时间粗同步和频率同步，频域再根据导引插入规则进行时间精同步。该算法考 虑了各发射天线到达时延各不相同的情况，因此具有更广泛意义，可适用于分布 式m i m o 系统。仿真显示该算法在多径环境下可以得到良好的同步性能。 本文第五章提出了一种w l a n 系统中m i m o o f d m 同步算法，时间同步方 面，通过p n 码控制训练序列极性，达到更好时间同步效果。频率同步方面，使用 信道和频偏估计迭代算法。该算法通过结合时域信道估计，对信道估计部分和频 偏估计部分进行迭代处理，能一定程度上提高频偏估计的精度。仿真结果表明， 该方法在低信噪比和多径衰落信道条件下都可以得到良好的同步性能。 本文的主要创新： 第三章提出了一种b 3 g 系统同步设计方案，在时间同步方面，提出了一比特 量化的处理办法，设置了双重门限，降低了虚警漏报概率。并在保证系统时间同 步性能的前提下，进行了一系列简化算法的处理工作。 4 第一章引言 粗频率同步方面，提出了在训练序列前后分别插入循环前缀与循环后缀的处 理办法，并考虑到硬件实现的问题，对训练序列长度进行了调整。 精频率同步方面，提出了基于循环前缀的精频率同步算法，和基于导频的精 频率同步算法。并对这两种精频率同步算法进行了仿真研究，得出了基于循环前 缀的精频率同步算法纠正残余频偏的效果更好的结论。 第四章提出了一种新的m i m o o f d m 系统时间频率同步算法，该算法提出了 新的导引符号配置方案，巧妙结合o f d m 技术本身的属性，与传统算法相比，该 同步算法考虑了各发射天线到达时延各不相同的情况，因此具有更广泛意义，可 适用于分布式m i m o 系统。 第五章提出了一种新的w l a n 系统m i m o o f d m 同步算法。时间同步方面， 通过p n 码控制训练序列极性，达到更好时间同步效果。频率同步方面，使用信道 和频偏估计迭代算法。该算法通过结合时域信道估计，对信道估计部分和频偏估 计部分进行迭代处理，能一定程度上提高频偏估计的精度。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章m i m o o f d m 同步问题分析 2 1m i m o o f d m 技术概述 对m i m o o f d m 技术来说，其核心部分是o f d m 技术和m i m o 技术。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落 的影响。而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流， 这样就有效地增加了系统的传输速率。这样，o f d m 和m i m o 两种技术的结合， 就能达到两种效果：一种是系统具备很高的传输速率，另一种是通过分集达到很 强的可靠性。下面将简单讲述这两个技术。 2 1 1o f i ) m 技术 2 1 1 1o f d m 技术概述 o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代【3 】就已经提出，由于使用模拟滤波器实现起 来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来。在2 0 世纪7 0 年代，w e i n s t e i n 提 出用离散傅立叶变换( d f r ) 实现多载波调制，为o f d m 的实用化奠定了理论基础 4 1 ；在8 0 年代，c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问题和解决方 法 5 ，从此以后o f d m 在移动通信中的应用得到了迅猛的发展，已成为通信界科 研人员关注的焦点。目前，o f d m 已成功应用于固定和移动通信系统中，如 d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ) ，d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) ，h i p e r l m 2 问吲嘲，成为 新一代无线传输的候选方案。 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对 较低的若干个子信道中进行传输，见图2 1 ，在时域上，由于每个子信道中的符号 周期会相应增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性 对系统造成的影响，并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大 于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除多径带来的符号问干扰 ( 1 s i ) ，而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径而带来的载 波间干扰( i c l ) 。 6 第二章m i m o o f d m 同步问题分析 e j 2 4 印 叫加 e j 2 。，2 j 如 + 串并 e j 2 砺一l 生扣 图2 1o f d m 调制原理 在频域上，o f d m 技术将所给信道分成n 个正交的子信道，在每个子信道上 使用一个子载波进行调制，并且这n 个正交的子载波是并行传输的。尽管总的信 道是频率选择性的，但是每个子信道是相对平坦的，而且在每个子信道上进行的 是窄带传输，因此，o f d m 技术便可以克服信道的频率选择性衰落。 o f d m 调制可用离散傅立叶逆变换( i d f t ) 来实现，同样在接收端，o f d m 解 调可以使用离散傅立叶变换( d f r ) 来实现，所以当子载波个数为2 的整数次幂 时，就可以采用成熟的快速傅立叶变换对( f f r i f f r ) 来实现o f d m 的解调、调制 过程。这样就大大提高了运算速率，也降低了实现难度。 经过o f d m 调制后的各个子载波，是相互正交的。这是因为每个子载波在一 个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周 期。即： 1 f e x p ( j w t ) , e x p ( j 叫西= 托三 ( 2 - 1 ) 例如对第，个子载波进行解调，然后在时间t 内进行积分，即： 。，2 j 1f e x p ( - 2 万事f ，茎n - ；1 d re x p c ，2 石事f ，d 。一。， = 静h 专一， 7 电子科技大学硕士学位论文 根据上式可以看到，对第j 个子载波进行解调可以恢复出原始符号d i 。但是 对其他子载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( f j ) l t 可以产生整数倍个周期， 所以其积分结果为零。 o f d m 的循环前缀结构如图2 2 ，从图中可以看出，循环前缀中的数据是对应 o f d m 符号后端数据的复制9 1 。 图2 2 加入保护间隔的o f d m 符号 一个完整的o f d m 系统框图如图2 - 3 所示： 图2 3o f d m 系统框图 8 第二章m i m o o f d m 同步问题分析 2 1 1 2o f d m 技术的优点【1 1 【1 2 】【1 3 1 频谱资源利用率高 传统的频分多路系统对频谱的利用率低，子信道间要留有足够的保护频带， 而且多个滤波器的实现比较困难。o f d m 系统中由于各个子载波之间存在正交性， 因此允许子信道的频谱互相重叠，所以与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统 可以最大限度的利用频谱资源。 2 调制和解调实现更加容易 各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法来实现。对 于子载波数很大的系统，还可以采用快速傅立叶变换( f v r ) 和逆变换( 硐盯) 来实现。 随着大规模集成电路技术与d s p 技术的不断发展，i f f t 和f f r 的实现也越来越容 易。 3 抗多径时延扩展 由于o f d m 技术是将高速率的比特流划分为低速率的比特流，也就等价于将 每个o f d m 符号的时间长度扩展为原来的n 倍( n 为子载波数) ，这样相应的就能 提高其抵抗由于多径时延扩展引起的i s i ( 符号问干扰) ，减少了接收机内均衡的复 杂度，有时甚至可以不采用均衡器。如果再加上合适的设计和循环保护前缀，理 想情况下可以完全消除i s i 4 】。 4 支持非对称无线数据业务 数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行 链路的数据传输量，如i n t e r n e t 业务中的网页浏览、f r p 下载等。另一方面，移动 终端功率一般小于1 w ，在大蜂窝环境下传输速率低于1 0 k b i t s 1 0 0 k b i t s ；而基站 发送功率可以较大，有可能提供1 m b i t s 以上的传输速率。因此无论从用户数据业 务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称 高速数据传输，而o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上 行和下行链路中不同的传输速率。 5 容易与其他技术结合使用 9 电子科技大学硕士学位论文 o f d m 系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统， 其中包括多载波码分多址m c o f d m 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等等，使 得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 2 1 1 3o f d m 技术的缺点 1 易受频率偏差的影响 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。 由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收 机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到 破坏，导致载波间干扰( i c i ) ，这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点 之一。 2 存在较高的峰值平均功率比 多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致 时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰 值平均功率l g ( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线 性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而 导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 2 1 1 4o f d m 对同步的要求 1 载波同步 发射机与接收机之问的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果频率 偏差是子载波间隔的n 倍( n 为整数) ，虽然子载波之间仍然能够保持正交，但是频 率采样值已经偏移了n 个子载波的位置，造成映射在o f d m 频谱内的数据符号的 误码率高达0 5 。如果载波偏差不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存 在能量的“泄露”，导致予载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入 干扰，使得系统的误码率性能恶化。 2 样值同步 在数字o f d m 接收机中，首先要对接收机收到的连续信号采样，变为数字信 号，而采样时刻要取决于接收机时钟，然后再对数字信号进行f f t 解调。如果在 样值定时中存在偏差，则会有两方面的影响：第一，产生时变的定时偏差，导致 1 n 第二章m i m o o f d m 同步问题分析 接收机必须要跟踪时变的相位变化；第二，样值频率的偏差就意味着f f t 周期的 偏差，因此经过抽样的子载波之间不再保持正交性，从而产生i c i 。 3 符号同步 由于在o f d m 符号之间插入了循环前缀保护间隔，因此o f d m 符号定时同步 的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成i s i 和i c i 。只有当f f t 运算窗口 超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会造成i s i 和i c i 。因此，o f d m 系统对符号定时同步的要求相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳的系 统性能，需要确定最佳的符号定时。 2 1 2m i m o 技术 2 1 2 1m i m o 技术概述 为了满足宽带多媒体业务的传输要求，新一代移动通信系统要求更高的传输 速率；另一方面有限的频谱资源又要求未来系统具有更高的频谱利用率。在功率 受限与频谱受限且信道恶劣的无线移动传输环境下，空间维的利用对于提高系统 性能有着非常重要的意义与作用。m i m o 技术以其高速率，高频谱效率的优点而 倍受青睐。配备多天线发射和接收的无线通信系统将是大势所趋。 上个世纪9 0 年代，贝尔实验室f o s c h i n i 和t e l a t a r 等人从研究中得出结论【1 5 ： 在独立平坦衰落信道条件下，信道容量随天线数线性增加，而b e l l 的试验系统 b l a s t 也证实了这点( 频谱利用率高达2 0 4 2 b p s h z ) 1 6 m7 1 ，多天线系统的巨大潜力 引起了人们极大的研究热情，从此m i m o 技术开始受到广泛的关注。 发射接收 空 时 编 码 空 时 解 码 图2 4m i m o 系统的基本模型 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成n 个 信息子流五( 七) ，k = 1 ，2 ， ，n 。这n 个子流由n 个天线发射出去，经空间信道后由m 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数 据子流，从而实现最佳的处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。 对于发射天线数为n ，接收天线数为m 的m i m o 系统，假定信道为独立的瑞利衰 落信道，并设n ，m 很大，则信道容量c 近似为：c = m i n ( m ，) b 1 0 9 ，( p 2 ) 。 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，) 为m ，n 中的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线 数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵 列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入 多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 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，在不增加带宽和天线发送功率的情况 下，频谱利用率可以成倍地提高。利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也 可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前m i m o 技术领域另一个研究热点就是 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，从而降低信道误码率。 2 1 2 2m i m o 与o f d m 的结合 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带 宽效率。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而 减小了多径衰落的影响