（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统同步与信道估计技术研究.pdf

摘要 m 订o o f d m 技术将m 蹦o 与o f d m 有机结合在一起，能够大幅度提高无线通 信系统的信道容量和传输速率，并能有效抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声。同步 和信道估计是m i m o o f d m 系统中的关键技术。本文主要研究m m i 0 o f d m 系统 中基于训练序列的同步与信道估计技术。在同步方面，论文对m d 订o o f d m 系统 中基于序列正交和时间正交的经典训练符号设计及其同步算法进行了深入的研 究，在此基础上给出一种新的训练符号设计及其同步算法。该算法设计了采用多 段c a z a c 序列加权的训练符号，并给出了相应的时间和频率同步算法，整个同步 过程依次包括粗定时、频偏估计和精定时。在信道估计方面，论文对l s 时域、l s 频域和基于s t b c 训练模式的信道估计算法进行了分析和仿真，在此基础上提出一 种基于时域相关的信道估计算法。该算法设计了一种基于c 嘘a c 序列的训练符号， 不同天线上训练序列循环移位，从而利用c 墟a c 序列的移位正交性，通过接收数 据与本地序列时域相关的方法获取信道状态信息。 关键字：m i m o - 0 兀 m 训练序列同步信道估计 a b s t i a c t a sa m 麟n a 缘mo f 幽g 圃畦蠹鞠h 锺c yd i v i s i o 懿m 试t 畦舷穗g o f d m ) w 池 越n 撼珏ei 婶珏tm 珏l 蛀p ea 玲畦f 狱黝0 毫e e 蠹e 遗辩，醚瓤0 0 鳓me 强珏艇。髓y e 】最删v d y 吼h a n 也e 脚锄i s s i o ni 馥协铂1 dc a p a c i 婶o ft h ew i r e l e s so d m 街1 m i c 撕o n s y s t 锄b n ta l s oc o m b a tm u l d - p a m 觚i n g 锄di n t a 橛c e h 删o o f d ms y 鼬衄1 s t h et c c h n i q u 鼯l b 薹s ”n i z a 蛀o n 越诚曲锄e l 锚畦m 撕o n 缸ev 鼎yi m p o l t a n t ，t h i s 氇嚣i s 岔瞄王s e so 矗氇e 溉i 啦gs y l l l b a 主硅。区蜀m e 轴黔纛i z 8 童主。珏a 矗建巍a 越畦黩i 翦la _ 蛀。鑫 t e 酗q u e si nm i m o o f d ms 笋糖m s i n 也et b 嚣i san e w 台a 主n i n 窝s e q u e n c e 嚣主d e d s y n c m _ o n i z a t i o na l g o r i t h mi sp | o p o s o dm m u g ht h cs 叫yo ft h ea _ v a i l a b l ec l 鹪s i c a l g 耐t 1 1 ：m 8b a s c d s c q u e n c eo n h o g o n a l0 ft i m e0 n h o g 衄a 1 蛐gs e q u c n c e ht h e 蛰i 印l o s 舒砖静雕i 国m ，氆e 敦a 耋出gs e q 醢e 藏c 鼯w i 氇蠡e 掇毯删o fw e 主g h t o dc i 漩吲越 a m 赫i l u d e 嚣。室。勰l a 颤f c a z a c ) 葶毒q h 舶c e s 囊f # d e s 主翻畦粼砖t h e 瑾髓h o 幽耄d 髓_ t i m a t em et i m i n ga n df o q u e n c yo 触d sa 托a l s og i v t h e 、地o l es y n d m m i z a d o n p r o c e s si n c l u d 鼯t h ec o a r s e 劬es y n d m 僦o n ，f 镧蝴c yo 丘e te s t i m a 廿o n 龇l d 矗n e 妇es y n d 辩d 越蕊f t l r 魄e 锄o r e ，也e 她e d o m a 妞a n d 嘲u 魏l c y d o m a i nc h 糊e l 碰越采至。眭瓢i 妇嚣b a s 摊。珏l 髓或鞠雠疆一s ) a 蠹e 蛙鑫秘d 强d ：氛畦毪s 主珏塞s p 鑫。c 她e b l o c kc o d i n g ( s t b c ) 投嫡n i n gp a t 把m 掰_ ei n t d u c e 瞳t h ea n a l l 瞎i s 姐dc o m p 8 矗s o no f t h c s ea l g a i n t h m sa r cm a d et h r o u 血c o m p u t 盯s i m m a l i o 玑a c c o r d m 鼗t ot h er 黜e a r c ho f t h e s ea l g o r 量i h m s ，an 删vd h 锄e lc s t i m a 矗o nm e i h o di sp l 口p o s c d 融t h i sm e t h o 也m e 智囊建i 珏gs o q 毯e n e e s 辩氟噬辍e dw i 逸c a z a es e q 珏e 鑫s 蛾氇镬赛黩t 矬娃c y c 圭i o 蛾鼗萋b r d i 珏b 瑚慨鼬n 羽曲粥n a s a s如ec a z a cs e q u e 舡c eh a $姬c e 翻沁p 0 缱yo f s h i 赶- o f t h o 岱o n a l ，t h ec h a n e ls t a t ei n 惋恤a _ d o n ( c s i ) i sd e r i v c dt b 柏u 曲t h et i m e - d o m a i n a 删a t i o nb e c w e e nt h e 槲= c c i v e d 廿a i n i n gs e q u e n c e sa n dl o c a l 仃a i n i n 繇s e q u e n c 嚣 x e y 礴8 皤：嫩啦6 p k 主珏p 糠舶证印| eo 挂重p 珏圣硪h 锷雠鑫l l 嗨鼙踞碍搬v 耋s i 能 抛l i l 6 p l e x j n g仃a i n i n g 窖e q u 柚s y n c h r o i z a 6 蛐 t h a 衄e l 髓娃m a 6 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 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 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安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已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期缝翻 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：盔逝 导师签名：傩 日期兰墅：塑 日期趁进：主0 第一章绪论 光线逶莹发矮舞7 今天，越采越多羧务痣容舞数据搀竣速率提出了受蹇夔要 求，面频谱资源严重不足日益成为制约无线通信事业发展的瓶颈。因此，如何充 分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，成为当今无线通信技术研究的热 点之。在提离频谱利用率的湖对，保证传辍豹可靠性瞧楚一个重要的融题。未 来豹凭线透藩爵旋糟环凌存更鬻戆要求，这赣要求薪懿纛线逶信技术簸够适应更 加恶劣的信道，能够克服各种不利影响，如多径衰落。 m n d o 和o f d m 技术正魑在这样的大前提下被提出来，成为当今觅线通信研 究豹熬点。零牵凌簿要赍缓。粉m 窝硼隧o 援魏技拳豹发震历史基鼹l l 上，势辑 了二者的结合所带来的通信技术的大跨步，接着给出论文的研究背景和囊要内容， 最后对论文的整体结构安排进行了介绍。 l 。lm l 瀚国m 技术概述 l 。1 1o f d m 技术概述 饼m 属予多载波调制( m c m ，m l l l t i m e rm o d u l a t i o n ) 技术的种，其基 本原理是把串行的数据流分为雾个并行发送的数据流，分别对多个相飘芷交的子 载波进行调裁。嬲予各子载波潮褪互正交，魏此又称为蠢交频分复雳。 虽然多载波通信早在6 0 年代初已被褥溅并用于军搴遴信中，然而赢戮1 9 6 5 年才由r w c h a n g 在正式出版物中首次提出o f d m 的概念【1 1 。1 9 7 1 年，w e i s t e i n 和糯耐提出了用离散傅立时变换( d f t ) 求等效实现多个调制解调器的功能， 缀大篱证7 濠建貘蛰m 系统势键逶了强m 瓣鼓本应瘸，成为蹬蛩m 笈蓑变上 的废里程碑【2 】。另一个比较大的突破是1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 提出了采用循环前 缀( c p ) 来解决子载波间的藏交性问题【3 】，有效的降低了符号间干扰( i s i ， b 黔s 强i 酗lk 融钕掘c e ) _ 帮予载波闻于挠( 1 a ，b 謦c 巍黼矗蘸翻嚣融锚) 。鲐 年代韧，大规模集成电路和数警信号处理技术的成熬，健o f d m 商用成为可髓， o f d m 作为新一代通信技术引起人们广泛和深入的研究。 o f d m 的概念虽然已经存在了很长时阅，但是直到最近韪着多媒体业务的发 震，宅方蔹入稍认谖蓟是一释麓速双囱无线羧疆逶信懿懿瓣方法。营毙应焉该技 术的是军方h f 溅线通信，其盾该技术被欧洲的数字音频广播( d a b ) 桥准和数字 电视标准d v b - t 所采纳，此外，o f d m 技术已经作为，ia n ( e t s il 蜘e d a 以 21 1 塑q 翌盟坚墨竺旦生墨笪望笪盐垫杰缝墨 霸毯嚣e 8 。l l a ) 翻w 妇叛( 聪黔基s 0 2 1 6 e ) 鹣核心技术。髓若d s p 芯冀技术豹 发袋，傅立跨交换缀交换、高速m o d 黜采嗣翡6 彰1 2 s 忿5 瓯 a m 技术、编码技术、 软判决技术、信道自适应技术等成熟技术逐步引入到移动通信领域中来，人们开 始把越来越多的精力投入到开发o f d m 技术农移动通信领域的应用上来。 1 1 2m 蹦o 技术概述 最早的多天线概念是由m a o 斑予1 9 0 8 每提出，其最勰的设想是利用多天线 来捧蒂信道衰落，褥现在的m 】m o ( m t l l 却l 静k 印tm 睡i p l 蜘a 印哦) 技术是通遥 增加发射天线和接收天线的个数，在收发两端形成多个并行传输信道，利用这些 信道的并行传输来提高通信速零。同传统的s i s o ( s i n 9 1 e 酗眦s i n 酉eo u t p 呲) 系 统稷院m 强涯o 系绞霹班搀撰鼙犬豹售遭鸯量露曼裹戆黄簸速率。 m n 垤。技术真正意义上的研究是从上世缀八十年代开始的，随后许多文献对 其进行了理论分析，m d “o 技术逐渐成为无线通信技术研究中的热点。现在m d 订o 技本憋经被第三投移动逶痞振凝( w c d m a ) 掰采露，弱时簸凝豹w i n _ 秘w 妇越 中 甄采用了m d d 0 技术，在未来的宽带无线邋信系统串，醐附。技术曼被认为是 核心技术。 m d “0 系统的核心思想【4 】怒：对闻上的僚号处理与空闯上的分集缝合起来， 一般燕遥过在发送端采露空拜雩璐( s 秘治嚣撼ec 丽e ) 来突臻。空辩羁懿差要器蕙 是利用空间和时阅上的两维编码来实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信 道误码率。m “o 技术的一个鲜明特色在于落利用多径效殿而不是试图对抗它。 最蔑黧要豹是m 巍黪援术在多令方嚣提势燹线通信系统瞧戆豹目对势零嚣要占 用更多的无线蒂宽，所需的仅燕遴信设备和系统复杂度的增加，这使褥m l m o 技 术在频谱资源紧缺的现状下变得照加具有吸引力。 l 。l 。3 馘l 麓0 翻镄固鹾技术懿结合 邀论上来说，作为高速无线传输技术核心的o f d m 技术，只要适当选择各载 波豹黪宠襄采翅纲镶续羁按拳，多径衰落怼系统戆影响可以完全被瀵狳。因忿如 果没脊功率和带窳的限制，我们阿以用o f d m 技术实现任何传输速率。黼英饱技 术就不具备这种特性，因为采用其他技术时，当数据速率最终增加到菜数值时 信道黥频率选择饿襄落会占据生导遗位，此对无论怎样增加发射功率也笼济于事， 这轰蹩镄d m 搜零适用于赢速笼线传输的藤黼。餐获实辩t 来说，惫了逑一步增 加系统的客量，掇高系统传输遴率，o f d m 技术需要增加载波的数量，黼这样会 造成系统复杂度的增加，并增火系统的带宽，这对今日带宽受限和功率受限的无 第一章绪论 3 线技竣系统藏不太逶会了。 黼晰。系统熙然在一定程魔上可戬羁用传播中多径分羹，但是对予频率选择 性深衰落，枷叫o 系统依然是涎能为力。而m d 讧o 和o f d m 两者的结合可以很 好地解决以上的闽题：利用秭m 技术把频率选择性深袭落信道转变成平坦衰落 信瀵；翻用m 丑畦0 技术在不垮鸯霹带宽匏条僚下成倍建提糍遴信系统豹容藿耪频谱 利用率。m 订o 伽淞m 技术悬通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间 分集，提高通信质量，是联合o f d m 和m m i o 而得到的一种新技术。它同时利 援了辩阕、菝率翻空麓三势分袋技拳，使元线系统对噪声、干扰、多经戆容限大 大增加。 1 2 论文麴研究背景和研究内容 为实现任何人能在任何时阍、任何地点进行高速的无线多媒体通佰，要求未 来无线移动通信系统提供l o o m b i t s ( 移动用户) 一l g b i “s ( 固定无线接入) 的数据 售埝速率。实现这霉蠡懿关键在于兹理瑟麓速无线传竣技本熬疆究。 当前的2 g ，3 g 系统的频谱效率仍然不巅，要提高通信速率就必须加犬发射功 率溅者增大带宽，但是频带资源是非再生资源，且电池和辐射的限制使通信速率 的提商蘑妪挑战。因此，必须罨找提高频谱效率豹解决方察。在这一领域，较引 入滚嚣的是黼醚帮o f d 酝技术。m d 哇0 技术通过空阁笈籍，使额港效率褥鞋 成依提高，而o i 珊m 技术则通过正交调制，实现了高效率的多载波通倍，并大大 简化了宽带系统中接收机的复杂度。m n “o 和o f d m 两种技术的结合，弓l 起了广 泛关注，著被议楚是嚣3 疆g 瓣营选技零。 基于l e e e 8 0 2 1 6 标准的w i n l 缸技术i 琏几年得到人们广泛关注和研究，并子 2 0 0 7 年1 0 月1 9 豳，被国际电信联盟( r r u ) 批准成为n u 移动无线标猴。为对抗 移动w 洫a x ，w c d 各谯雄出冀演进舨本h s 登a + ，l t e ，褥c d 疆a 2 0 0 0 剿推出其 演避敝本越e ，m 国。虽然德靛之闯吾有菱掰，但却有一个共同之签，帮三静系 统都采用o f d m 和m i m 0 技术。 论文的工作擞要包括以下几个方面： ( 1 ) 深入臻突了麓翌畦o i o 擎转m 系统孛纂擎键练痔刭熬辩凌与频率瓣步技术。 按照训练序列的不同形溅，重点讨论丁基于序列厩交和基于时间正交训练 序列的同步方法，对相裳的算法进彳子了详细分析。在此基础上给出一种新 的训练绔譬设 与同步方法。 2 ) 详细讨论了m 跏。- o f d m 系统中萋于诫练_ 亭捌静信道信计技术。研究了 l s 时域、l s 频域和蓦予s t b c 训练模式的信道估计方法，分别从估计精 度和算法黛杂度等方面对上述几种方法进行了分柝和对比。最飚给出一种 基于酵域棚笑豹训练旖譬设计与话访舞法。 1 3 论文的结构安排 露= 章分绥 溯雠蝴d 醚系统器理，势给壅系统摸熬，在戴基磷上分辑了 m d 订o o f i ) m 系统中的关键技术，包括同步、信道估计、掇时码和均衡等，重点 分析了其中的同步与信道估计技朱。 第三章和第题雅失论文豹核，拯部分，分别鹾究了萋于训练序列的同步与信遵嵇 诗技术。论文采溺瑾论分析窝计算杌仿真的方法，在对瑷露盼经典算法进行深入 分析基础上给出新的训练符号设计及其相应算法。 第五章作为整篇论文的总结，在简要对论文研究内容和成果总结的熬础上，指 赉了需要透一多磷瓷释薅决熬溜遂。 第二章m 卫m o o f d m 系统原理与关键技术 o f i ) 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 订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，而且可以获取分集增益。o f d m 和m n “0 两种技术的结合，一方面使系统获取更高的传输速率，另一方面通过分 集获取更高的可靠性。本章在简要介绍m d “0 o f d m 系统原理和模型的基础上， 对同步、信道估计、空时码和均衡等关键技术进行了简要分析。 2 1m 订0 0 f d m 系统原理 2 1 1o f d m 基本原理 正交频分复用o f d m 是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信源信 息流变换成低速率的n 路并行数据流，然后用n 个相互正交的载波进行调制，进而 将调制后的信号相加即得发射信号。在接收端，接收机利用各个子载波的正交性 来解调0 f d m 信号。o f d m 调制基本原理如下所示： _ _ _ 叫弘 基 带 由 j 芦生 相 串行数据序列数 c o ，c l ，c 一l并 加 字变 !；器 调 换 制 j 芦骂 图2 1o f d m 调制基本原理 令传送的符号序列为( c o ，q ，c 。) ，串行符号序列的间隔为“= 1 z ，其中z 为串行符号速率。串并变换后，他们分别调制n 个子载波( 工，石，舭) ，这n 个 子载波频分复用整个信道带宽，相邻子载波之间的频率间隔为l r ，丁= “。这 样合成后的输出信号为： 一l “”】= c 【明唧( _ ，2 石缸) ( 2 - 1 ) - 0 其中n 为子载波的个数， 五 = 五+ 吖丁，七= o ，l ，2 ，一1 ，五为第。个子载波上 的频率。 在实际系统中，0 f d m 调制可以用逆离散傅立叶变换( d f t ) 来实现，同样在接 收端，0 f d m 解调可以使用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现。 各路数据以并行的方式在多个子载波上传输，子载波间彼此保持相互正交的 关系以消除子载波间干扰，并且每个子载波可以看成一个独立的子信道，由于每 个子信道上数据的传输速率较低，当信号通过频率选择性衰落信道时，虽然在整 个信号频带内信道是选择性衰落的，但是在每个子信道上可以近似看成是平坦的， 只要通过简单的频域均衡就可以消除频率选择性衰落信道的影响，减少码间干扰 影响；为了能够进一步消除码间干扰，通常在o f d m 符号中引入保护间隔，同时 考虑到载波间干扰( i c i ，h t c rc a r r i e ri n t c l l h 姐c e ) 的影响，最常用的方法是利用 f 肿f t 的周期循环特性，在每个o f d m 符号前加一段循环前缀( c p ，c y c b c p r c 6 曲，即把每个o f d m 符号结尾的一段数据复制到符号的起始端。通常选取的 c p 长度要大于信道的最大时延扩展，这样能够更好地消除i s i 和i c i 的影响。 o f d m 技术具有如下突出优点 ( 1 ) 具有强的抗多径性能 在正交频分复用传输系统中，高速串行的数据流通过串并变换转换为多路并 行低速的数据流，再对子载波进行调制，同单载波系统相比，各个子载波上 的数据符号的持续时闻大大增加，从而可有效减小无线信道的时延扩展所带 来码间干扰( i s i ) 的影响。在0 f d m 符号间，通过引入循环保护前缀，可进一 步消除i s i 的不利影响，因而o f d m 具有较强的抗多径性能。从频域上看， o f d m 各个子信道带宽较窄，远小于信道相关带宽，因而在传输中很多情况 下只受到平坦衰落。具有不同衰落的子信道通过采用交织、编码等处理，使 o f d m 系统具有较强的抗频率选择性衰落能力。 ( 2 ) 具有高的频带利用率 在o f d m 系统中，各个子载波在时域和频域相互正交，相邻子载波间5 0 的频谱相互重叠。若一个满负荷o f d m 系统具有n 个子载波，o f d m 符号 的持续时间为t ，则同单载波系统相比，n 个子信道的符号传输速率为- 波特，系统的带宽为( n 斗1 ) t ，故系统的频带利用率为n 州+ 1 ) ，随着n 的 增大，系统频带利用率趋于极限l b 佣z ，因而0 f d m 系统具有高的频带利 用率。 同时由于o f d m 系统内存在有多个正交子载波，且其输出信号是多个子信道 信号的叠加，因此，与单载波系统相比，存在如下主要缺点： ( 1 ) 峰均比问题 o f d m 信号的时域波形是由多个正交子载波的波形叠加合成，当子载波个数 多到一定程度时，o f d m 符号波形将是一个高斯随机过程，其包络的起伏 变化使o f d m 信号具有大的峰值平均功率比( p a p r ) ，这要求系统内的a ，d 、 第二章洲m o o f d m 系统原理与关键投术， 猃纨窝功率救犬器等部转爨有大熬线蝗礁态范围，焱粼这些聱释瓣肄线牲撂 会使o f d m 倍号产生比较犬的非线性失冀。 ( 2 ) 易受频率偏麓影响 融于子信道频谱相互覆盖，这就对它们之阅的正交饿提出了严格要求，然两 稻子无线绩遂存在跨交毪，在簧输遥稷串会出瑷无线僖号静频率穰移，疑焉 使得o f d m 系统子载波阆的正交性遭到破坏。 2 。l 。2 酝髓o 基本缀理 m n “o 系统可以简单地定义如下，即只翦在发射端和接收端分别采用多个天线 的通信系统就称为m 狞迭。逶信恭统。m d 证o 技术的原理是傣号通过发射端和接收端 豹多今天线传送和接l l 殳，簌丽敬篾每个瘸户褥翻戆簸务葳纛。m d 涯。静多毒鑫入多输 出是针对多径无线信道而言的。图2 2 所示为m m o 系统的原理图。 网2 2 多输入多输出系统 糖羧售惠滚经过多天线数掇处理磊形成藏个售患子浚，这嬲个予溅透过越 今天线发射出去，经空闻信道蕊由置个接收天线接收。多天线接收辊秘爝先迸静 多天线数据检测处理能够分开并解码这些数据子流。特别是这坼个子流同时发送 到傣邋，各发射信号占用同一频带，因而并来增加带宽。装备发射接收哭线之间 懿傣遴冁痤技魏猿忘，刘溯隧o 系统虿班餐逸多令并孬空阗信遒。逶j 妻遂些并行空 间信道独立地传输，数据的传输效率得到极大提高。m n “o 将多径无线信道与发 射、接收视为一个整体进行优化，充分利用了空间和时间的分集优势，从而可以 实溅较毫豹通售褰豢郛频谱裁蠲率。 2 1 3m i m o o f d m 系统模型 具有坼个发射天线和。个接收天线的m n 订o 0 f d m 系统模型如图2 3 所示。 信源输出的比特经过差错控制编码后进行调制映射，映射后的复数据经过串并变 换后送入m 讧0 编码器进行编码，编码后的数据分成，个长度为n 的矢量，各个 矢量在o f d m 调制器中分别进行n 点m f t ，并添加循环前缀，上变频后经过各个发 射天线辐射到无线信道中。接收端的。个接收天线首先进行同步估计和补偿，然 后去循环前缀，将收到的n 个采样分别进行f f t ，再将变换后的数据送到m 订0 译 码器进行信道估计与译码，译码后的数据经过并串变换、解调和差错译码，恢复 出发送的比特，最后送至信宿。 订眄聂卜 慢矬1 l 姓 m i m o慢矬2 i 编码 陌币i 硼 天线t i 1 型l 信道 估计 与 m i m 0 译码 沁 图2 3 坼的m d “o o f d m 系统模型 下面我们通过m “o 0 f i ) m 系统的数学模型迸一步介绍其原理。若第p 个发 射天线上第“个o f d m 符号的第_ j 个子载波上的复数据为s ( | | ) ，其中 1 s p s 坼，o j i s 一1 。经过f t 变换后，其对应的离散时域信号可以表示为 够( 以) 2 古荟秽( j | ) c x p ( ，2 砌z 忉 ( 2 之) 式中表示0 f d m 符号中子载波的个数，也即是傅立叶变换和逆变换的长度。 若第p 个发射天线和第g 个接收天线之间的信道是记忆长度为l 的多径信道，其 孛毒嚷应可以表忝为 厶一 o ) = 口2 ( 露) 占。一：( 雄) ) 神 ( 2 - 3 ) 其中掰嚣( 磅和嘤卿) 分别是第尹个发射天线秘第晕个接收天线之间第，镣的增盏 窝雾于廷。 假定收发两端完全同步，则第g 个接收天线收到的第个符号的信号为： ，坼- l 上一l、 护 辩) = | 芝嚷国矿转一嘤 编码技术。采用专门的蓊向纠错码( f e c ) 使会产生非常大的魏谨r 的 o f d m 符号去除。 ( 3 ) 扰码技术。采用扰码技术，使生成的烈m 信号的驻相关性逼避零，从而 使。f d 酝戆羧p r 减少。这里懿撬璃技零霹 三乏怼整成静d 醚僖号静捂 位进行重新设置，典型的有p t s ( p a n i a lt r a n 鞘1 i ts e q u ) 和s u ( s e l e c t i v em a p p i n g ) 。 2 3 本章夺维 零章简要介绍了o f d m 釉m 黝o 技术的基本原理，在此基础上给出 m 强娃0 - 镄d m 系缓结稳帮数学凑塑，莠霹箕琢瑾透行了分褥。 在介绍了m n v i o - o f d m 系统原理基础上，本章对其关键技术同步、信道估计、 均衡、空时码以及峰均比抑制等进行了简要分析。在上述技术中，同步羊信道估 计是其孛最是关键豹技术，因为只有在准确戆嚣步条终下，方戆霹接收数据逶行 正确处理，丽裙予解调和空时译妈均建立在准确的信道状态信息基础上。论文在 第三章和第四章将对这两个关键技术进行深入的研究。 第三章m 刀m o o f d m 系统中的同步技术 在m d 订o o f d m 系统中，由于接收信号是多个发射信号经历不同衰落后的 叠加，因此0 f d m 系统中用到的同步方法不能直接应用到m 订o o f d m 系统中。 在m v i o o f i ) m 系统中，为了对每一个收发天线对进行同步处理，要求在不同 发射天线上的训练序列必须是唯一可识别的，因此训练符号的设计就变得比较困 难。本章首先简要概述m n “o o f d m 系统同步技术，对基于序列正交和时间正 交的典型训练符号设计及其同步算法进行了深入分析，在此基础上给出一种新的 训练符号设计和同步算法。 3 1m i m o o f d m 同步技术概述 m 订o 0 f d m 系统中的信道估计有两种，一种是盲同步算法，另一种是数据 辅助的同步算法。盲估计不需要辅助数据，利用传输数据的内在数据信息获取同 步信息，该类算法运算量大，灵活性差，不适于实时通信系统，其优点是相对于 数据辅助的估计算法提高了系统的传输效率。数据辅助的估计算法是指通过在发 送数据中引入训练符号或导频数据，接收端利用已知的信息来进行同步，算法复 杂度较盲估计较小，应用范围比较广，缺点是由于辅助数据的添加降低了数据的 传输效率。 m n 讧0 一o f d m 系统的同步包括定时、载波频率同步和抽样时钟同步。其同步 算法原理与0 f d m 系统基本一致，但由于结合了m n 订o 技术，所以又有其自身 的特点。因为对于m i m o o f d m 系统来说接收端需要分别估计各个收发天线对 上信号的同步信息，并进行矫正。因此m i m o 0 f d m 同步技术研究的主要难点 是多个天线上信号的正确识别。 论文主要研究基于训练序列的时间与频率同步。考虑到m d 订0 一o f d m 信道 的特性，为了对每一个收发天线进行同步处理，要求在不同发射天线上的训练序 列必须是唯一可识别的。目前有两种常用的方法： 一种方法是各发射天线在相同位置插入正交序列作为训练符号，从而满足各 发射天线上发送序列的正交性，如文献 1 6 1 8 】，同时可通过多段重复等手段加强 训练序列抗多径衰落能力。这些序列在满足自身移位正交的前提下，同时还满足 各天线发送序列的正交性，因此选择性能良好的正交序列是关键。 另一种方法是采用时间正交的训练序列，即分别在不同发射天线上插入训练 序列的时间相互错开，从而实现不同发射天线训练序列时分复用，如文献 1 9 】 ! ! ! 型q 翌! ! 翌墨竺旦塑笾焦堂笪盐垫娄缝塞 【2 0 】。这群每个天线上戆训练廖梦| j 只要满足强戆皂翔关性藏可以了，设诗起来比 较方便，但随着天线数静增加，调练序残舂用的带宽褶瘟灞细，频带秘瘸率较低。 下面将对基予上述两种训练符号设计的经典同步算法谶行深入分析，在此基 础上提出新的训练符号设计及箕同步算法。 3 2 基于序列正交的训练符号设计及其隧步方法 为保证各发射必线上调练黪罗l l 豹歪交性，最麓单的方法就是设甘基予正交序 剐酌谶绦符号。本帮将对文献【l 翻【1 7 】中给密的两种基于序捌芷交的诫绦符号设计 及其同步算法进行深入分析。 3 2 。1 麓醛y & s 缁融的露步箨法 该方法来源于2 0 0 1 年m o 时s 自曲盯禚g l o b c c o m 会议上发表的一篇关于 m d 畦o o f d m 同步方法豹文欺【1 6 】| 这是关予m d 迸0 0 f d m 同步最旱文献之一。 ( 1 ) 训练符号设计 该算法采用s u e h 的等人掇出的可调制蔗交序列聊1 作为训练符号，该序列簇 是由p 1 个周期为正交序列构成是一个索数) 。在对域，时刻t 从天线q 上发 射熬调练彦确霹敬袭示秀： = 去6 f 1 。x p 拦笔丝) ( 3 1 ) 岛月= 荠。) 【p ( = _ 尹j 扣j j 、v 箕孛9 蔓奄s 尹一l ，o 墨s 尹一l ，撵= 奄$ 尹+ 。箕巾豹趣是辐发为l 豹复系数，这些系 数构成个对角缀阵，袄而可戳糟来对这些侉列进行调制。该序列其裔良好的岛 相关与互相关特性，下图为其周期自相关和互相关曲线，从图中可以看出，该序 列具有良好的周期自梗关特性，褥且不同序列之闻具有较好的正交性。 ( a ) 周期自相关 嗣期互相关 图3 1 可调制正交序列的自相关和互相关特性曲线( 序列长度取2 8 9 ) 第三章m n y l o 旬f d m 系统中的同步技术 1 5 ( 2 ) 嚣步算法 基于上述可调制正交序列的黼步算法，w 以按照粗定时一频偏估计一精定时 的顺序来完成，依次说明如下： 1 ) 租定对 该步震手确定每个筏国鹾桉的近餐羿簸霞萋。垂手懿簿符号孛循邵蓠缀静存 在，稳定时可以通过对接收序列前后相距p 的接收序列的自相关来完成，相关窗 的大小为g ( c p 长度) ，这样糨定时估计函数定义为： 啥簪 其中 珐2 善艘矿) 只：薹f 。，柑叩：1 2 。 只= h 帅：i t 柚。 囊式( 3 - 2 ) 取缮豢太篷霹，黠应戆辩刻群夔| j 舞繇要确定戆褪定嚣对刻，帮每 顿数撼的初始到达辩刻。 2 ) 频偏估计 利用租定时储计中所确定的粗定时点的定避估计量蛾的相位可以完成小数 颓璃谑诗。根摇徭臻嚣缀翡派瑾，宅与谢缘符号孛怼藏羧器阕鹣鞠经差为： 毋= 2 彬p ，其中，是实际的载波频率偏移相对于子载波间隔的归一化德，这样估 计到的归一化频率偏移为： 尹= 亡么 ( 3 固 由于么的范阐为( 一万，万) ，因此，该步频偏估计的范围是：( 一三，三) 。 程估计出小数频率偏移后，可以对谢练符号和用户数据进行频偏补偿。通过 小数载波频偏补偿可以消除相邻子载波之间的干扰，而整数倍频率偏移则会造成 不浏予载波痿号的交叠，扶丽造戏误码率熬下降，因此也必须绘以消除。为了扩 大频德估计范围，文中提出可以发送两个鹜纛鹜静穗间摩捌，觚焉扩大频偏信诗 范围。 3 ) 精定时 在上覆戆菝搴臻移售诗完簸嚣，透j 童对羧骏鼗撂遂簿簇德秘嫠，藏霹潋采溺 下面的方法进行精定时同步，精定时同步用予确定h 叮变换密的位置。由于不同 天线发射的训练符号之间相互成交，精定时同步可以通过接收到的序列与本地序 列之间的互相关运算来实现，其中本地序列为不同天线发射的正交序列。定时估 计函数为： 个姜祭 。固 ，。= ( 。，。) 其中：j “ ( 3 6 ) 只= 艺h + 。1 2 当式( 3 5 ) 取得最大值时，其对应时刻即为用户数据的精确到达时刻，这样可以 对接收数据进行f f t 等相关操作。 3 2 2s c h e l l k 的同步算法 在2 0 0 3 年的v r cf a l l 上，s c h k 在其文章 1 7 】中提出了一种基于前后重复 结构训练序列的频率同步方法，以下为其训练符号设计及同步算法描述。 ( 1 )训练符号设计 该训练符号设计基于s c h m i d l 【5 】的思想，各天线上的训练符号采用前后重复或 移位重复的结构，各天线上相应的移位长度随发射天线个数不同而不同，典型的 移位长度为l 。fi ( 两者分别表示训练符号长度和发射天线个数) 。通常移位的 长度要大于信道脉冲响应( c 取) ，从而保证经信道延时后仍能保持序列的正交性。 下图为一两发射天线条件下相应的前导符号结构。 图3 2 具有两个发射天线的前导符号结构 上述重复部分训练符号采用具有恒包络和优良自相关特性的f 瑚k z a d o 疗序 列阎，该序列具有良好移位正交性。 ( 2 )同步算法 文献【5 】中s c h j m i d l 通过对接收到的训练符号的前后重复部分的相关运算来 获取小数载波频率偏移，这种思想可以进一步扩展到加m o 系统中。 m n 订o o f d m 系统一般的方法是在每个接收天线上分别进行载波频偏估计，然后 对各天线上的值进行平均。s c h 饥k 提出在不知道信道条件的情况下，应充分利用 接收端多天线的分集特性，因此，定义下面的复相关函数： a ( m ) = ，( | ) ，( 七+ 以) ( 3 7 ) 其中的，是，个接收天线接收到的数据的矢量表示。该变量是利用，个天线上前 后，个数据的相关运算得到，从而根据前面的分析，根据相位偏移得到相应的频 率偏移： 虬= 轰= 掣 p s ， 其中的。是定时同步点，也就是| a | 取得最大值时的埘值。 在多径环境条件下，该估计器能够获取最大比合并的性能，因为不同接收天 线对相关值a 的贡献与其接收到的信号的功率成正比。这样，具有最大瞬时信噪 比的接收天线，对吮的贡献最大。 3 2 3 算法分析 m o d v & s t 曲豇给出算法采用可调制正交序列作为训练符号进行同步，由于该 序列具有良好的自相关和互相关特性，能够取得良好的同步性能。然而由于c p 易受到i s i 等因素的影响，这样基于c p 的粗定时和小数频率偏移估计性能就会造 成一定程度下降，进而影响整个同步性能。文献 2 3 】针对这个问题，提出通过信 道估计获取信道的延时特性，从而选取c p 中受i s i 影响较小的数据部分进行相关， 即减小相关窗的大小，从而获取同步信息。这从一定程度上克服了利用c p 进行 同步的弱点，但复杂度大大增加，且用于同步的数据量减少对同步性能也会带来 一定的影响。因此与单天线系统中一样，利用c p 进行同步可以减少训练符号的 长度，增大传输效率，但同时也会带来性能的下降。 该算法的另一个缺点是：由于帧头是时域直接产生，其对应数据在频域占满 o 2 石，而从通带到阻带，理想的低通滤波器是不存在的；同时，过渡带越陡， 需要的滤波器阶数就越高，系统开销就越大，从而给后期的时域插零、低通滤波 和数字上变频带来压力。针对这个问题文献 2 4 提出了改进方法，具体的处理步 骤为： ( 1 )序列作f f t 变换，变到频域； ( 2 ) 在数字频域的高频部分插入与原序列相同长度的0 ； 1 8m m f o f d m 系统同步均信道估计技术研究 ( 3 ) 频域插o 爱豹序列律攥f t ，交回到辩域，薪射域痒穰静长度为缀辩域摩 列的两倍。 这样做的好处是改进后的序列颡域的高频部分为o ，便于在调制时对序列进行时 域攒零、滤波和升采样处理。 s 穗e 珏l 【掰绘蠢法采震蔻轰黧复熬谢练簿弩透露蒺攘镰谤，戆够获褥较鲑熬售 计饿能。然而频偏估计需要建溉在准确的定时估计的基础上，而所给序列用于时 间周步时由于存在平坦区，从而造成定时性能不理想，而且该频偏估计的范围有 限，必裁嫠诗小数子载波阅疆熬频率镶移，鞠憩霉要增翻颟熬训练痔列送行定爵 同步籁整数频率编移估计，这样就降低了系统的传输效率。 3 3 基于时间正交的前导符号设计及其同步方法 在基于序列戚交的同步算法中正交训练的设计难度比较大，对此文献【1 9 】提 出一种采用时间藏交的训练序列设计和同步方法。该算法中每个天线上训练符号 分别农不同辩蘑发送，麸两傻接收端对不同必线土饔练籀譬戆够难一识剃。 3 3 1z e l s t 的同步算法 该算法采焉蘩乎舞阕歪交瓣绸练旁囊，阉辩各发袈天线上豹瓣练彦翔采焉蘩 后羲复的形式，利用两段重复序列的相关计算，可以进行糨同步，同时利用此相 关德也可进行频偏估计，下面介绍如下： 1 ) 葑号设诗 为了使麸不蔺发射天线封不阉接收天线静子信道髓够唯一识别，义中采用时 间正交的方式设计不同天线上的训练符号。为了载波频偏估计的需要，在前导符 号中设置了前后爨复豹结构，同时为了保证髓导符号不受i s i 的影响，前导符号 孛禳裕蘸缀静长痰为2 弦，箕结构絮下圈。 尉3 3 基于时间聪交的两发射天线m d o 旬f d m 帧结构 ( 2 ) 翔步算法： 1 ) 桢检测( 粗同步) 粗同步采用类似于s c h m i d l 的思想，通过检测序列前后重复部分的相关运算 的最大值来获墩定时同步信息。 这样，定义“a ”为n f 个接收天线上前后连续心个采样点的相关为： a ( f ) 2 磊，嗨慢班嬲6 碘 “q ，l v l = 艺( n - ) ( 蝣 和一c d ) q ；l 同时定义n r 个接收天线上连续n 个接收样点的能量为p ，定义为 p 国= ，妇) r ( # ) ”辑由 黪。l 搦 = 弓( n ) ( 一) l 卜( 札1 ) 口一i 进而采用m n c ( 最大标准相关) 准则来进行帧检测，其相应的检测估计擞为： f 2 躯g 戮糕 f 一1 1 ) 其中：巳= r _ 婶一p 1 k 是出于不同天线上前导符号时间正交而考虑。 2 ) 符号同步( 精定时) 符号煎步瘸子确定疆耳窗醵德鬟，扶箍正确解调。为了进一步减，j 、l s l 釉l c i 熬影响，文书浆瘸文献【2 5 】孛豹方法，势扩震骛碉醚0 系统孛。该冀法充分裁焉 信道脉冲响殿的知识，由接收序列鸟对应的本地序列的互相关可得： 嘞= 幞_ ( f 一。专警c e x 卅，z 莉“) 以哲 ( 3 _ 1 2 ) 然螽将踅髓令予馕遂戆辣狰楣痰熬麓璧熬起来，这撵遇过捡测其最大燕德掰以褥 戮m 醚0 。蕊d m 系统接枝辊的耱邂辩时刻： = a r gm a x 艺( 毛一，一，以) ( 3 - 1 3 ) 精定时的搜索范围可以定在以粗定时为中心的范围内，一方面可以减小运算登， 另一方垂不会逶成糖定辩大稷凄臻壤芰确同步点。 3 ) 频率同步 假设各收发天线对之间的频率偏移相同，从而利用帧定时检测中的糨东时时 刻，便可以得到频率偏移的估计德为： 珊) = 筹m2 哆 ( 3 - 1 4 ) 该 砉诗夔蓬露必f 2 子载波闻疆。辫子整数子载波凌爨鹫数采溪类囊鬟予s 穗撵i 蠢 的方法，通过发送两个连续训练符芍进行估计。 实际系统中该步位于精定时同步的前面，在获取频偏信息并对接收数据进行 补偿后，才能够利用上述方法获取准确的精定时信息。这是因为精定时采用接收 序列与本地序列糊关的方法来完成，姻果接收数据中存在频率偏移那么在鞠荚运 算孛霞会存在豢芎：频续雩| 超豹摇穰狻豢，影羲薅定薅熬精度。 3 3 2 算法分析 该算法采用前后重复的训练结构，这样其粗定时估计曲线存在平坦斟5 1 ，估计 到的粗定时辩刻就存在一定豹摸期性，从两造成租定时和频偏估计性能不瑷想。 嚣显该雾法仗戆健诗参数子载波瓣鞴戆频率穰移，霹于熬数载波阕隔频率德移鬻 需要增加新羽训练符号来完成。 由于对序列自身的正交性要求降低，这样o f d m 系统中训练符号设计及其同步 算法便可以很方便地用于m 讧o o f d m 系统中，只需婺使不同发射天线上训练符 号的发射时间棚嚣错开即可，这样接收端就能够识别不嗣发射天线发射的数据。 逶过采惩瓣分复廷方式设诗戆锾练舞号能够褒各个浚发天线鼹整一谈嬲，缒 当发射天线数瓣较多时占用了太爨系统资源，钛丽导致系统的数据传输效率下降。 因此，该方法不道用于发射天线数目较多且系统对传输效率有较高要求的系统。 3 4 新的训练符号设计及其同步算法 蕊鬣重点讨论了基于序列歪交秘藿于爵闻正交静谢缘符号设诗及箕瓣步算 法，由于基于时间正交的堋练序列构造方式增大了系统歼销，降低了传输效率， 因此论文重点研究基于序列正交的训练序列设计及其同步算法。通过对已有算法 的分析研究，阍时结合o f d m 系统中的训练符号设计和同步算法，论文设计种 薪兹基于多令c