（通信与信息系统专业论文）无线自组网协作分集通信中的频率同步技术研究.pdf

摘要 下一代移动通信系统的研究工作将朝着“无论何时、何地、可与任何人通信” 的最高目标发展，无线自组网则被认为是未来移动通信的核心技术之一。无线环境 中的衰落使得自组网通信系统的性能受到严重影响，将协作分集通信应用于自组网 中，能够充分利用自组网多节点优势来获取空间分集度，提高通信的可靠性，增大 网络的覆盖范围，扩展网络容量，因此，将协作分集通信和自组网设计相结合具有 很大的研究意义和实用价值。 本文对o f d m 自组网通信系统中引入协作分集技术所碰到的多节点频偏问题 展开研究。文章在定量地分析了频偏对d o s t b c o f d m ( 基于分布式正交空时码 的o f d m ) 系统性能的影响的基础上，提出了一种适用于t d m a 自组网环境下的频 率互同步机制，解决了协作分集通信中遇到的多节点频偏问题。该方法有别于现有 文献的多节点频偏补偿方法，为协作分集技术在自组网中的实用化提供了一种新的 思路。论文的主要研究成果体现在以下几个方面： l 、研究了多节点频偏对d o s t b c o f d m 系统性能的影响，推导出分布式正交 空时编码在各中继信道增益不相等情况下的p e p 性能，以及b e r 性能，并给出闭 合表达式。在此基础上，分析了多节点频偏对d o s t b c o f d m 系统b e r 性能的影 响，推导了在各子载波不相关情况下系统的b e r 表达式。 2 、研究并改进了o f d m 载波频偏估计方法。在载波频偏( c f o ) 估计方面，提出 一种基于训练序列的最大似然频偏估计的快速算法，将算法搜索的计算量从原始 的o ( 胪) 降低到o ( 譬l 0 9 2 ) 。由于训练序列的长度限制，c f o 估计不尽准确，依 然存在残余频偏( r f o ) 。针对r f o 提出最大似然残余频偏估计方法，它能够充分利 用o f d m 数据符号对残余频偏进行盲估计，从而大大提高频偏估计的精度，仿真结 果表明估计精度在a w g n 信道、瑞利多径信道下的改善分别可达近4 个数量级、1 个 数量级。 3 、利用自组网节点的平等性和无中心性，提出频率互同步方法。同时给出算 法收敛的充要条件，推导出网络节点频率终值表达式，并证明了算法的收敛速度由 权值矩阵w 的特征值中模值次大的值l 入2 ( w ) l 决定。此外，考察了网络拓扑与算法 收敛性以及收敛速度的关系，证明了当网络有且只有一个独立强连通子图，并且在 该独立强连通子图中至少存在一个带环的节点，那么频率互同步算法收敛。 4 、考察了频率互同步算法在存在频偏估计误差和网络拓扑变化场景下的性 能。对于频偏估计有误差的情况，采用频率平均均方误差来衡量网络的同步性能， 估计出了它的上界和下界，而后进一步分析了节点的环权值对网络的同步性能以及 网络频率漂移速度的影响：增大节点环的权值，可以获得更高的全网频率同步精度 一i 一 和更小的网络频率漂移速度。 对于存在频偏估计误差并且网络拓扑变化的情况，从稳定性角度对频率互同 步算法进行分析，给出了算法稳定的一个充分条件：( 1 ) 在任意时刻，网络权值 矩阵是一个对角线全正的随机矩阵，并且其非零元素都大于一个给定的正常数。 ( 2 ) 存在着一个常整数q 0 ，从任意时刻开始的连续g 个时刻的网络拓扑的并集 是一个强连通带环有向图。 5 、设计了硬件验证平台对频率互同步算法进行实物验证，实测结果证明了频 率互同步算法的可行性与有效性。 关键词：自组网；协作分集通信；分布式空时码；频偏估计；频率互同步 一一 a b s t r a c t t h en e x tg 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 ns y s t e m sa r es u p p o s e dt od e v e l o pt o w a r d t h es u p r e m eg o a l o n ec a r lc o m m u n i c a t ew i t ha n yp e r s o na ta n y t i m e ，a n y w h e r e a n dt h e w i r e l e s sa d - h o cn e t w o r ki sc o n s i d e r e dt ob et h ec o r et e c h n o l o g yo ff u t u r em o b i l ec o m m u n i e a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss e r i o u s l yd a m a g e dd u et ot h e w i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l s ，t h e nt h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e di n t o t h ea d h o en e t w o r k , t ot a k ef u na d v a n t a g eo fm u l t i - n o d ei nt h ea d - h o en e t w o r kt oo b t a i n s p a t i a ld i v e r s i t y , t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t oi n c r e a s et h en e t - w o r kc o v e r a g ea n dc a p a c i t y t h e r e f o r e ，t h ec o o p e r a t i v ed i v e r s 埘c o m m u n i c a t i o nb e i n g c o m b i n e dw i t ha d - h o cn e t w o r ki so fg r e a tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l i t y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h em u l t i n o d ef r e q u e n c yo f f s e t si nt h eo f d ma d - h o cc o r n o m u n i c a t i o ns y s t e mw i t ht h ei n 臼o d u c t i o no fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc o m m u n i c a t i o nt c c h n o l - o g y b a s e do nt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c e so ff r e q u e n c yo f f s e to nt h ep e r - f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns 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 nm e c h a n i s ma p p l i e df o r a d - h o cn e t w o r ki sp r o p o s e d ，w h i c hp u tf o r w a r dn e wi d e a sf o rp r a c t i c a lc o o p e r a t i v ed i v e r - s i t yt e c h n i q u ea p p l i c a t i o no na d - h o cn e t w o r k s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o n a r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i nt h ea d - h o en e t w o r k ，t h ei n f l u e n c e so fm u l t i - n o d ef r e q u e n c yo f f s e to nt h ep e r - f o r m a n c eo fd o s t b c - o f d ms y s t e ma r er e s e a r c h e d ，t h ep e pp e r f o r m a n c eo fd o s t b c i sd e r i v e do nt h ec o n d i t i o n so fu n e q u a lg a i ni ne a c hr e l a yc h a n n e l ，a n dt h ec l o s e de x p r e s s i o ni so b t a i n e d ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e s ec o n c l u s i o n s ，t h ei n f l u e n c e so fm u l t i n o d e f r e q u e n c y o f f s e to nd o s t b c o f d ms y s t e mb e rp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d 。a n dt h eb e r e x p r e s s i o ni sd e v e l o p e dw h e n e a c hs u b - c a r r i e ri sn o tr e l e v a n t 2 t h ec a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) e s t i m a t i o nm e t h o di no f d ms y s t e mi si m - p r o v e d i no r d e rt oo b t a i nt h ee s t i m a t i o no fc f o , af a s ta l g o r i t h mo fl l l a x i l l u ml i k e - l i h o o df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c ei sp r o p o s e d ，w h i c hr e - d u e et h es e a r c hc o m p u t a t i o no ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mf r o mt h eo r i g i n a lo ( 1 v 3 ) d o w n t oo ( - 胪tl 0 9 2 ) ，h o w e v e r , t h ee s t i m a t i o no fc f oi sn o tv e r ya c c u r a t ed u et ot h el i m i t o ft r a i n i n gs e q u e n c el e n g t h , t h er e s i d u a lf r e q u e n c yo f t s e t ( r f o ) s t i l le x i s t s t h e r e f o r e ， t 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 no fr f oi sp r o p o s e d ，w h i c hc a nt a k ef u l la d v a n t a g e o fo f d md a t as y m b o l sf o rb l i n de s t i m a t i o no fr e s i d u a lf r e q u e n c yo f f s e t , t h ea c c u r a c yo f f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni st h u sg r e a t l yi m p r o v e d ，t h es i m d a f i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e e s t i m a t i o na c c u r a c yc a nb ei m p r o v e dn e a r l y4a n d1o r d e ro fm a g n i t u d ei na w g nc h a n n e l a n dm u l t i - p a t hc h a n n e l ，r e s p e c t i v e l y 3 w i t ht h eu s eo ft h ee q u a l i t ya n dn o n - c e n t r a lo fa d - h o cn e t w o r kn o d e ，t h ef r e q u e n - c ym u t u a ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gf l a m ef o r m a t i sd e s i g n e d a tt h es a m et i m et h en e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o ra l g o r i t h mc o n - v e r g e n c ei sp r e s e n t e d , a sw e l la st h et e r m i n a lf r e q u e n c yv a l u ee x p r e s s i o n i tc a nb e $ e c n t h a tt h ec o n v e r g e n c er a t ei sd e c i d e db yl a 2 ( w ) 1w h i c hi st h es e c o n dl a r g e s tv a l u ea m o n g m 一 a l lm o d u l u so ft h ee i g e n v a l u e si nt h ew e i g h tm a t r i xw b e s i d e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n n e t w o r kt o p o l o g ya n da l g o f i t h mc o n v e r g e n c e ，c o n v e r g e n c er a t ei si n v e s t i g a t e d ，a n di tc a l l b ed e m o n s t r a t e dt h a t , t h ep r o p o s e da l g o r i t h mm a yc o n v e r g ew h e r et h e r ei so n l yo n ei n d e p e n d e n ts t r o n g l yc o n n e c t e ds u b g r a p hi nt h en e t w o r ka n d t h e r ei sa tl e a s to n en o d ew i t ha r i n gi nt h ep r o p o s e ds u b g r a p h 4 t h i sp a p e rf u r t h e ro b s e r v et h ep e r f o r m a n c eo fp r o p o s e da l g o r i t h mi nt h ep r e s e n c e o ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ne r r o ra n dn e t w o r kt o p o l o g yc h a n g es c e n a r i o s i nt h ec a s e o fa l le s t i m a t e de r r o r , u s i n gt h ea v e r a g em e a ns q u a r ee r r o rf r e q u e n c yt om e a s u r et h ep e r - f o r m a n c eo ft h en e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o n ，t h u si t su p p e ra n dl o w e rb o u n d sa r ee s t i m a t e d f i r s t l y , t h e nt h ef u r t h e ra n a l y s i si sd e v e l o p e d ，w h i c hi so ft h ei n f l u e n c e so fr i n gw e i g h t v a l n eo fn o d e so nt h ep e r f o r m a n c eo fm s ea n df r e q u e n c yd r i f tv e l o c i t yi nt h en e t w o r k t h e r e s u l t ss h o wt h a th i g h e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n dl o w e rf r e q u e n c yd r i f tr a t ei nt h e e n t i r en e t w o r kc a l lb eo b t a i n e db yi n c r e a s i n gt h er i n gv a l u eo ft h en e t w o r kn o d e s i nt h e c a s eo fo f f s e te s t i m a t i o ne r r o ra n dt h en e t w o r kt o p o l o g yc h a n g es c e n a r i o s ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sd e s c r i b e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fs t a b i l i t y , a n das u f f i c i e n t c o n d i t i o nf o rs t a b i f i t yo ft h ea l g o r i t h mi sg i v e n ：( 1 ) a ta n yt i m e ，t h en e t w o r kw e i g h tm a t r i x i sar a n d o mm a t r i xo fw h i c hd i a g o n a le l e m e n t sa r et o t a l l yp o s i t i v ea n dn o n z e r oe l e m e n t s a r eg r e a t e rt h a nag i v e np o s i t i v ec o n s t a n t ( 2 ) t h e r ei sac o n s t a n ti n t e g e rq 0 ，t h eu n i o n s e to ft h en e t w o r kt o p o l o g yw h i c hs t a r t sf r o ma n yp o i n to fqc o n s e c u t i v et i m e ，i sas t r o n g l y c o n n e c t e dd i r e c t e dg r a p hw i t hr i n g s 5 t h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dp h y s i c a lv e r i f i c a t i o na r ed e s i g n e df o r t h ef r e q u e n c ym u t u a ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，t h er e s l f l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ep r o p o s e d a l g o r i t h m k e yw o r d s ：a d - h o cn e t w o r k ；c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc o m m u n i c a t i o n ；d i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d e ；f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ；f r e q u e n c ym u t u a ls y n c h r o n i z a t i o n 一一 6 3 测试方法与结果分析 6 2 3 4 频偏调整模块 频偏调整模块用来对节点信号发射的频率，以及接收频率进行调整，它由一个 频率可编程的上下变频器构成，如图6 1 2 所示。 图6 1 2频偏调整模块 输入的频率调整量经过积分器输入给d d s ( d i r c c td i g i t a ls y n t h e s i z e r , 直接数字 式频率综合器) ，以产生特定频率的两路复正弦信号。该d d s 使用x i l i n x 公司提供 的i p c o r e 搭建，图6 1 3 ( a ) 是i p c o r e 的实例图；当w e 使能时，频率控制字d a t a 在时 钟的控制下送入d d s 内部寄存器，c o s i n e 和s i n e 分别是d d s 输出的复正弦信号的 实部和虚部，其他控制信号，请参照x i l i n xi p c o m 的d a t a s h c e t 1 5 0 。d d s 产生的信号 通过图6 1 3 ( b ) 的逻辑电路，产生两路频率正负相反的复正弦信号，分别乘以基带输 入和中频输入的基带信号，实现对基带信号的频率修正。 c l k c e s c l r w e 绷7 麓 d d s r f d r d y s i n e c o s i n e - jj s i n e ：o s l n e i 、r、 ( a ) x i l i n xd d si p c o m ( b ) 正负颡翠产生逻辑 图6 1 3两个中继情况下的信号叠加 6 3 测试方法与结果分析 6 3 1 组网环境搭建 应用于自组网中的频率互同步算法需要各个节点不断地对邻节点进行频偏估 一1 3 0 第六章频率互同步算法的实物验证 计，并且根据这些估计值来调整本节点的频率。根据前文理论分析，可知算法性能 和网络拓扑紧密相关。无线环境是一个多变的衰落环境，自组网节点位置的变化， 甚至周围物体的移动，都会极大地影响接收大线上的信号强度。因此，多个节点通 过无线环境组网形成的拓扑结构是不可预知、不断变化的。为了考察算法在特定拓 扑下的收敛性以及性能，我们采用有线组网的方式设计了组网方式l 、组网方式2 。 有线组网方式指的是节点问采用射频电缆、衰减器以及功分器进行连接。功分 器是一种将输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过 来将多路信号能量合成一路输出，因此也称为合路器。功分器的多路输出端口之 间存在着一定的隔离度，利用这种特性可以搭建出符合需求的网络拓扑。组网方 式1 、组网方式2 的网络拓扑以及它们的连接方法如图6 1 4 所示。 。心o 功分嚣 i 呲i 肇l i t 2 柏 晰i a ) 组网方式l 的网络拓扑( b ) 组网方式l 的连接方法 9 。 静- o - j 、。i ，。1r_ - 心j 。 功分矗 出i 岫 凡 输出 警出 ( c ) 组网方式2 的网络拓扑( d ) 组网方式2 的连接方法 图6 1 4组网方式1 、2 的网络拓扑以及射频连接方法 这里采用的是一个四功分器，输入端口与任意一个输出端口间的功率衰减 为6 d b ，输出端口间的隔离度为2 0 d b 。自组网节点的发射功率为2 5 d b m ，接收灵 敏度为9 4 d b m ，也就是说当两个节点间的链路衰减小于2 5 d b + 9 4 d b = 1 1 9 d b 时， 两个节点可以相互通信，否则认为它们无法进行直接通信。因此分别采用 图6 1 4 ( b ) 、图6 1 4 ( d ) 的连接方法，并选择合适的衰减器衰减值就可以构造出 图6 1 4 ( a ) 、6 1 4 ( c ) 所示的网络拓扑。 同时我们采用无线组网的方式设计了组网方式3 。所谓无线组网，就是每个节 点采用天线将射频信号发射到空中，这是一种最接近真实的组网方式，如图6 1 5 所 示。在此场景中我们无法预知网络的拓扑结构，因而只关心算法在实际使用中的有 效性。 一13 】一 6 3 测试方法与结果分析 vv 置一u 圣 vv g 笔一当o 6 3 2 测试参数的选择 图6 1 5无线组网方式 在实测中，我们主要考察频率互同步算法的有效性，以及估计误差大小、权值 选择对同步性能的影响，表6 3 列出了几种测试场景。 表6 3 测试场景 衰减器取值( d a ) 测试场景组网方式环权值 衰减器1衰减器2衰减器3衰减飘 1l1 08 08 00 7 5 2107 07 00 7 5 3107 07 00 9 3 7 5 423 08 34 55 0o 7 5 523 08 04 54 5o 7 5 623 08 04 5 4 5 0 9 3 7 5 734 04 04 04 00 9 3 7 5 表6 3 给出了每个节点的环权值雌，令其他边的权值毗七为 1 一蚴 2 玎 ( 6 4 ) 这里，i m l 表示节点t 的邻节点数目。 6 3 3 测试方法 为了考察频率互同步算法的性能，我们需要得到迭代过程中每个节点的载波频 率值。但是o f d m 系统是一个宽带系统，它的频谱分布在一个宽的频带内，我们很 难直接测出它的载波频率。并且每个节点信号的发射是一个突发性的过程，信号持 续时间较短( 4 0 8 # s ) ，这更加给载波频率的测量增加了难度。自组网节点的载波 频率是由f p g a 中频率调整模块的频率值、上下变频模块的频率值以及射频模块的 变频值共同决定，将三者相加就可得到其实际的载波频率。 我们设置频率调整模块的频率值为o ，让自组网基带送出一个直流信号，那 么经过上下变频、射频模块的处理，最终会输出一个单音的载波信号。按照如 一】3 2 第六章频率互同步算法的实物验证 图6 1 6 所示的连接方法，将输出的载波信号送至频谱仪，就可以测得节点的原始载 波频率( 即上下变频模块的频率值与射频模块的变频值之和) 。 图6 1 6原始载波频率的测试方法 表6 4 给出了节点, - v 节点4 原始载波频率的测量值。 表6 a原始载波频率的测量值 节点射频载波频率 l4 5 7 9 9 8 9 6 5 3 m h z 24 5 7 9 9 9 8 8 4 2 m h z 34 5 7 9 9 8 6 3 2 4 m h z 44 5 7 9 9 9 9 7 8 3 m h z 频率调整模块的频率值由模块中的频率控制字所决定。在m a c 帧的尾部，每 个节点根据邻节点的频偏值来计算自身的频率调整量，并更新频率调整模块的频率 控制字寄存器。这时，我们可以用c p u 将该寄存器的值读出并送给p c 机，从而获 得每个迭代时刻的频率调整量。 各个自组网节点的开机时间、入网时间不尽相同，为了确定各个节点迭代时刻 的对应关系，我们让全网维护统一的帧计数值。通过输出该帧计数值，就可以确定 任意迭代时刻对应的各个节点频率值。同时设置节点1 开机跳过等待侦听状态，直 接跳转至入网通信状态，按照节点2 、节点3 、节点4 、节点l 的顺序依次开机，使得 各节点在较短时间内全部入网，方便我们对算法实际收敛特性的考察。 6 3 4 测试结果与分析 表6 5 给出了测试场景1 、测试场景2 、测试场景3 网络的平均均方误差的实测结 果( 充分迭代后) ，e 1 6 1 7 给出了各个节点的频率变化情况。 可以看出实测中各个节点的频率随着迭代的进行趋近一致。对比测试场景1 与 场景2 的实测结果，可以发现降低信号衰减值，也就是提高各节点接收信号的信噪 比水平，可以提高网络同步精度；对比测试场景2 与测试场景3 的实测结果，较大的 表6 5测试场景1 一测试场景3 网络的平均均方误差 广 场景l 测试场景ll 测试场景2l 测试场景3i 1 3 3 6 3 测试方法与结果分析 4 0 0 3 0 0 2 0 0 i 1 0 0 0 一1 0 0 节点1 的频率 一一一节点2 的频率 一 一一节点3 的频率 - 2 0 0 - 筛 一， 一3 0 0 + ， 1 j - 4 0 0o ，- - 。- 。- - - - 。一。- 。- 。- - - - - - - - - 。“。1 。1 1 。+ o 05 0l 1 5 0 迭代次数 o 一1 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 l o o 0 1 0 0 2 0 0 - 3 0 0 4 0 0 ( a ) 测试场景1 0 迭代次数 ( b ) 测试场景2 j 0 0 l 加 0 迭代次数 ( c ) 测试场景3 l o o1 5 0 图6 1 7测试场景1 一测试场景3 各节点的频率变化情况 1 3 4 一 一nh00n66乏mf潍!i麓罩一路嚣净 q 叫 巧 咱 。 唱 一nh00n66f；皇_霉掌智罩一静嚣墨 一zhooi：660等泣星安i鼯嚣至 一4 02 0 4 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 1 8 0 迭代次数 ( a ) 测试场景4 迭代次数 ( b ) 测试场景5 02 04 0 6 08 0 1 0 0 1 2 01 4 01 6 01 8 0 迭代次敷 ( c ) 测试场景6 图6 1 8测试场景4 一测试场景6 各节点的频率变化情况 1 3 5 o m 渤 瑚 蓍 狮 啪 。 埘 伽 伽 一n00器66上兮_潍蓬莨霹一爵爨净 一兰8nm66譬f饕晷安晕一苷爨# 枷 枷 枷 啪 。 硼 伽 伽 一墨8譬66离_潍摩莨霉一簪臻净 6 4 本章小结 图6 1 9无线环境下的网络各节点的频率变化 环权值有着较高的同步精度，但是增大各节点环权值，降低了收敛速度。另外，由 于估计误差的存在，网络的平均频率呈现出随机漂移，增大网络的环权值降低了网 络随机漂移速度。这些实测结果与前面章节的理论分析一致。 表6 6 给出了测试场景4 、测试场景5 、测试场景6 网络的平均均方误差值( 充分 迭代后) ，图6 1 8 贝u 给出了各个节点的频率变化情况。可以发现它们有着和测试场 景1 n 试场景3 一致的结论，进一步验证了理论分析的正确性。 图6 1 9 给出了场景7 ，即无线环境下的网络各节点的频率变化情况，从图中可 以看出频率互同步算法可以使得网络节点频率趋近一致，从而说明了算法在实际环 境中的有效性。 6 4 本章小结 本章设计并建立了一个无线自组网测试验证平台，并设计了7 种场景来测试频 率互同步算法的性能。实测结果表明，频率互同步算法在实际环境中能够有效地使 全网频率趋于致，并且实测结果与本文的理论分析一致。 一1 3 6 7 1 总结 第七章总结与展望 自组网以其无中心、自组织、分布式、多跳转发等特点，使它无需网络基础设 施、可快速临时组网，具有相当广阔的应用前景。 为了提高自组网的系统性能，人们将协作分集引入自组网中。它通过应用分布 式空时编码使得自组网节点能够充分利用多个中继节点发送信号的冗余性和空间分 集度，在不增加额外通信带宽的基础上，带来系统容量和可靠性能的提升。但在自 组网环境下中使用分布式空时编码，会遇到信号到达时刻的不同步、各发送节点的 发射频率的不一致等问题。通过应用d o s t b c - o f d m 机制，可以有效解决信号到 达时刻不一致的问题，但多节点频偏问题依然存在，并且成为制约协作分集技术在 自组网应用的关键问题之一。 本文对d o s t b c - o f d m 系统中存在的多节点频率不一致问题展开研究。文章 在定量分析了多频偏对系统性能的影响的基础上，对频偏估计算法进行了研究，提 出了一种适合自组网环境下应用的频率互同步方法，并证明了该方法的有效性。该 方法有别于现有文献的多节点频偏补偿方法，为协作分集技术在自组网中的实用化 提供了一种新的思路。论文的主要创新性成果有： ( 1 ) 多节点频偏对d o s t b c o f d m 系统性能的影响。 论文推导了分布式正交空时编码在各中继信道增益不相等情况下的p e p l l t 能，以及b e r 性能，并给出了闭合表达式。在此基础上，论文详细分析了多节 点频偏对d o s t b c o f d mb e r 性能的影响，推导了在各子载波不相关情况下系统 的b e r 表达式。 ( 2 ) o f d m 载波频偏估计方法 在载波频偏( c f o ) 估计方面，本文提出了一种基于训练序列的最大似然频偏 估计的快速算法，将算法搜索的计算量从原始的o ( 3 ) 降低到o ( 等l 0 9 2 ) 。由 于训练序列的长度限制，c f o 估计不尽准确，依然存在残余频偏( i 圃) 。本文针 对r f o 提出了最大似然残余频偏估计方法，它能够充分利用o f d m 数据符号对残 余频偏进行盲估计，从而大大提高对频偏的估计精度，仿真结果表明估计精度 在a w g n 信道、多径信道下的改善分别可达近4 个数量级、1 个数量级。 ( 3 ) 频率互同步算法与其性能分析 针对自组网的特殊性，本文提出一种适用于自组网的频率互同步方法，弥补了 传统的频偏补偿方法大开销，高复杂度的缺陷。同时本文给出算法收敛的充要条 一1 3 7 7 2 研究工作展望 件，推导出频率终值表达式，并证明出收敛速度由权值矩阵w 的特征值中模值次 大的值i a 2 ( w ) i 决定。此外，本文还考察了网络拓扑与算法收敛性以及收敛速度的 关系，证明了当网络拓扑满足有且只有一个独立强连通子图，并且在该独立强连通 子图中至少有一个带环的节点时，算法能够收敛。 ( 4 ) 频率互同步算法在实际场景中的性能分析 在实际应用中，频偏估计不可避免地会引入估计误差，而且网络拓扑图也可能 是动态变化的。对于频偏估计有误差的情况，频率互同步算法无法收敛于无估计误 差下的“理想收敛值”，而且存在着频率“漂移 ，本文采用频率平均均方误差来 衡量网络的同步性能，估计出了它的上界和下界，而后进一步分析了节点的环权值 对频率平均均方误差以及网络频率漂移速度的影响：增大节点环的权值，可以获得 更高的全网频率同步精度，更小的网络频率的漂移速度。 对于存在频偏估计误差并且网络拓扑变化的情况，本文从稳定性角度对频率互 同步算法进行分析，给出了算法稳定的一个充分条件：( 1 ) 网络权值矩阵在任意 时刻是一个对角线全正的随机矩阵，并且其非零元泰都大于一个给定的正常数。 ( 2 ) 存在着一个常整数q 0 ，从任意时刻开始的连续g 个时刻的网络拓扑的并集 是一个强连通带环有向图。 ( 5 ) 实测验证 本文建立了硬件测试验证平台，对频率互同步算法的性能进行测试。实测结果 表明，频率互同步算法在实际环境中能够有效地使全网频率趋于一致，并且实测结 果与本文的理论分析一致，从而证明了频率互同步算法的可行性与有效性。 7 ；2 研究工作展望 论文对d o s t b c o f d m 系统多节点频偏问题做了部分创新性的工作，但研究 尚不够全面和深入，后续的研究工作可以从以下几个方面展开： ( 1 ) 本文在各子载波不相关的假设下，分析了多节点频偏对d o s t b c o f d m b e r 性能的影响。对于o f d m 各个子载波存在一定相关性的情况，我们也做了初步 的分析，仿真表明子载波的相关性会带来系统的差错性能的改善，但系统的b e r 性 能与子载波间相关性的关系及其闭合表达式还不尚清楚，这是一个值得进一步研究 的问题。 ( 2 ) 在研究估计误差对频率互同步算法的影响时，本文采用节点频率平均均 方误差来描述网络的同步性能，并通过离散时间l y a p u n o v 方程，估计得到频率平均 均方误差的上下界，但这个估计不够精确，如何根据矩阵的特殊性质来寻找一个更 好的估计还需要进一步研究。 1 3 8 第七章总结与展望 ( 3 ) 频率互同步算法中的权值矩阵的选择问题，即如何选择权值矩阵，使得 网络的收敛速度更快，或者使得网络的频率平均均方误差更小；此外，频率的更新 值的计算是否可以应用更一般的非线性函数来获得更快的全网收敛速度以及更好的 同步效果，这些都是今后可以研究的课题。 1 3 9 参考文献 【l 】赵志峰，郑少仁a dh o c 网络体系结构研究阴电信科学，2 0 0 1 ，1 7 ( 0 0 1 ) ：1 4 - 1 7 【2 】盛敏，田野，李建东无线传感器网络与自组织网络能研究现状叨中兴通讯技术，2 0 0 5 ， l1 ( 0 0 4 ) ：2 4 _ 之7 【3 】e g l a r s s o l l ，es t o i c & s p a c e - t i m eb b c kc o d i n gf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m c a m b r i d g e u n i vp r , 2 0 0 3 【4 】j g p r o a k i s ，m s a l e h i d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s m ，v o l4 m c g r a w - h i l ln e wy o r k , 2 0 0 1 【5 】d t s e ，ev i s w a n a t h f u n d a m e n t a l so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m c a m b r i d g eu n i vp r , 2 0 0 5 【6 】邓凯无线通信m 卫m 0 中的频率同步技术研究口d 】电子科技大学，2 0 0 9 【刀丸h o t f i n e n , o t n k k o 姚& w i c h m a n m u l t i - a n t e n n at r a n s c e i v e rt e c h n i q u e sf o r3 ga n db e - y o n d m w i l e y , 2 0 0 3 【8 】刘陈无线通信系统中的空时编码技术p 】东南大学，2 0 0 5 【9 】s m a l a m o u t i as i m p l et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s j i e e e j o u r n a lo i ls e l e c t e da r c 冶l si nc o m m u n i c a t i o n s ，1 9 9 8 ，1 6 ( 8