（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统同步技术研究(1).pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 未来通信的高质量需求对无线通信系统的设计提出了更高的要求，反映在物 理层技术上主要为通信系统应具有很高的频谱效率和功率效率，并能适应环境和 业务的变化。o f d m 系统的频谱利用率远远高于单载波系统，并且具有良好的多 径衰落对抗能力，因此一直是宽带通信的研究热点。而当前单天线系统( s l s o ) 的 容量由于各种高阶编码技术如t u r b c 码、l d p c 码的引入以及使用已经被推近至 香农极限，因而多天线系统( m i m o ) 的引入为进一步提高通信系统的容量提供了 一个新的途径。具体来说，m i m o 的优势主要体现在两个方面：一是复用带来的 增益，如v - b l a s t 和d b l a s t 用于提高频谱效率；二是分集增益，如空时码， 空频码，用于提高功率效率。因此m i m o 的发展是与未来通信的需求一致的。 而m i m o - o f d m 系统结合了两者的优势，更是被认作b 3 g 4 g 应用的首选。 本文主要针对m i m o o f d m 系统对于同步的高要求研究突发系统模式下基 于训练序列的同步方法。首先提出o f d m 系统的同步问题，给出各种同步偏差 的详细分析及对系统产生的影响。在此基础上，把同步问题从单天线的o f d m 系统扩展到m i m o o f d m 系统当中，给出无线信道的一般描述，并在此基础上 分析多径效应和多普勒的产生，以及其对传播信号带来的影响。在对无线信道分 析的基础上对m i m o o f d m 系统同步问题做出分析并给出同步模型。随后本文 总结了m i m o - o f d m 系统同步问题的研究现状，按照是否使用数据辅助同步进 行了分类归纳，分别总结了使用训练序列，利用循环前缀，插入导频三种采用数 据辅助方式的同步以及不使用数据辅助的盲同步的他研究现状和优缺点。由于本 文考虑突发系统模式，故采用在突发系统中最广泛采用的训练序列。在分析同步 问题的基础上本文提出了m i m o o f d m 系统的同步方法，包括帧检测，定时估 计与多载波频偏估计和补偿，利用本文设计的训练序列的正交性和循环结构完成 各个同步步骤，并进行仿真验证和性能分析，最后得出结论与总结。 关键字：m i m o o f d m 系统同步，正交训练序列，帧检测，符号定时，载波频 率偏差估计 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c i a b s t r a c t t h eh i g hq u a l i t yr e q u i r e m e n ti nf u t u r ec o m m u n i c a t i o nb r i n g sh i g hr e q u i r e m e n ti n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n ，w h i c hr e q u i r e sh i g hf r e q u e n c ys p e c t r u ma n d p o w e re f f i c i e n c yo fp h yt e c h n i q u e s ，a n da d a p t a b i l i t yo fe n v i r o n m e n ta n da p p l i c a t i o n c h a n g e t h eo f d mh a sh i g h e rf r e q u e n c ys p e c t r u mu t i l i z er a t i ot h a ns i n g l ec a t l t i e r s y s t e m ，a n dh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo v e rm u l t i p a t ha t t e n u a t i o n ，t h u si st h e h o t t e c h n i q u ei nb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hf i e l d t h ec u r r e n ts i s o s y s t e mc o u l d n ts a t i s f yt h ec a p a c i t yr e q u i r e m e n td u et oa p p l i c a t i o no fv a r i o u sc o d i n g t e c h n i q u e ss u c ha st u r b c ，l d p c , t h u st h em i m ot e c h n i q u ei si n t r o d u c e dt oi m p r o v e s y s t e mc a p a c i t y t h e r ea r et w oa d v a n t a g e so fm i m ot e c h n i q u e ：t h ef i r s to n ei st h e m u l t i p l e x i n gp l u ss u c ha sv - b l a s ta n dd b l a s tw h i c hc a l li m p r o v ef r e q u e n c y e f f i c i e n c y ；t h es e c o n do n ei st h ed i v e r s i t yp l u ss u c ha ss t c ，s f rw h i c h c a l li m p r o v e p o w e re f f i c i e n c y t h u sd e v e l o p m e n to fm i m ot e c h n i q u ei se q u a lt or e q u i r e m e n to f f u t u r ec o m m u n i c a t i o n a n dm i m o o f d mc o m b i n e sb o t ha d v a n t a g e so fo f d ma n d m i m o ，w h i c h i sc o n s i d e r e dt ob et h em a i nt e c h n i q u ei nb 3 g 4 g i nt h i sd i s s e r t a t i o nw er e s e a r c ht h em i m o - o f d m s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mu n d e r b u r s tt r a n s m i t t i n gm o d e f i r s tw es h o wt h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m sf u ro f d m s y s t e m ，a n a l y z et h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r 5a n dt h e i re f f e c t s t h e nw ee x t e n dt h e s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m st om i m o - o f d ms y s t e mb a s e du p o nt h e s ea n a l y s e s , g i v e t h ew i r e l e s sc h a n n e ld e s c r i p t i o na n da n a l y z et h em u l t i p a t ha n dd o p p l e re f f e c t st o t r a n s m i t t i n gs i g n a l s t h e nw ea n a l y z et h em i m o - o f d ms y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m s a n dg i v et h eg e n e r a ls y n c h r o n i z a t i o nm o d e lb a s e du p o nt h ew i r e l e s sc h a n n e lm o d e l s a f t e rt h e s ew o r k s , w es u m m a r i z et h ec u r r e n tr e s e a r c ho fm i m o - o f d m s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s ，a c c o r d i n gt ot h ed a t aa i d e da n dn o n - d a t aa i d e dm e t h o d s , w e c l a s s i f y t h ec u r r e n ts y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s ，i n c l u d i n gi m p l e m e n to ft r a i n i n g s e q u e n c e s ，c y c l ep r e f i x ，a n dp i l o t si n s e r ta n dn o n - d a t aa i d e dm e t h o d s i n t h i s d i s s e r t a t i o nw eu s et r a i n i n gs e q u e n c ef u rs y n c h r o n i z a t i o nu n d e rb u n tt r a n s m i t t i n g m o d e ，i n c l u d i n gf r a m ed e t e c t i o n ，s y m b o lt i m i n ga n dc a r r i e rt r e q n e n c yo f f s e t e s t i m a t i o n w i t ht h eo r t h o g o n a l i t yo ft h et r a i n i n gs e q u e n c ew ep r o p o s e dw ec o m p l e t e t h e s es y n c h r o n i z a t i o n a p p r o a c h e s a n do b t a i ns i m u l a t i o n r e s u l t s ，a n a l y z e t 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 s ，a n do b t a i nf i n a lr e s u l t s i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：m i m o o f d ms y n c h r o n i z a t i o n , o r t h o g o n a li r a i n i n gs e q u e n c e ，f r a m e d e t e c t i o n ，s y m b o lt i m i n g ，c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n i 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。掘我所知，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，也不包含为获得重废整盘太堂或 其他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谢意。 学位论文作者签名：研签字只期：扩刁年勿夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞邮电盔堂有关保留、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。本人授权重鏖整壹太堂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适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 傍辱 签字r 期：协唧年月r 签字同期：h h 7 年6 月j ，日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 无线移动通信经过几十年的发展，形成了以技术拉动需求，以需求推动技术 的发展格局，逐步成为最具发展活力的产业之一【1 1 。随着高速无线业务的快速增 长，无线移动通信从1 g 模拟，2 g 数字很快地发展到现在的3 g 高速以及未来的 1 3 3g 4 g 宽带网络1 2 1 。 7 1 ，在技术体制上逐步形成了从单载波( s i n g l e c a r r i e r ) 发展 到多载波( m u l t i - c a r r i e r ) ，从单天线( s i n g l e a n t e n n a ) 结构、智能天线 ( s m a r t a n t e n n a ) 结构发展到多入多出的多天线( m u l t i a n t e n n a ) 结构，从频分 复用( f d m a ) 、时分复用( t d m a ) 、码分复用( c d m a ) 单独制式发展到混 合制式。在下一代b 3 g 4 g 的宽带技术中，形成了以m i m o ( m u l t i i n p u t m u l t i - o u t p u t ) 嘲 1 9 1 ，o f d m ( 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 nm u l t i p l e x i n g ) 2 0 l - 【2 5 】 以及m i m o o f d m 为技术平台的多天线多载波技术脚1 - 3 2 1 ，本论文就是深入研究 m i m o 。o f d m 的理论和其关键技术。 本章首先简要了解m i m o o f d m 的技术特点，然后介绍本论文的课题背景 和主要研究内容。 1 1 m i m o o f d m 简介 1 2 o f d m 技术简介 o f d m ( 正交频分复用) 是一种特殊的多载波传输方案，可以被看作一种调 制技术，也可以被看作一种复用技术。o f d m 理论及其应用的研究可以追溯到上 个世纪中叶，即在上世纪五十年代g a d o e l z 提出了c i n e p l e x 系统，该系统使用 了2 0 个子载波，每个子信道的调制方式是q p s k 调制，各子载波的频谱互相重 叠又是正交的，大大地提高了频谱利用率。其相邻子载波的间隔近似等于符号速 率。可以看出，其基本思想类似于现代的o f d m ，可以说是o f d m 系统的雏形。 二十世纪六十年代，r w c h a n g 等通过滤波和限带等方法使子载波保持正交。 1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 利用d f r 进行多载波的基带调制和解调， 大大地降低了系统实现的复杂度，o f d m 在实用化的进程中前进了一大步。 w e i n s t e i n 等提出通过插入保护间隔来消除符号间干扰，但信号经过多径信道后会 使子载波间不再正交，从而产生干扰。1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 采用循环前 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 缀( c y c l i cp r e f l x ，简写为c p ) i 鬟j 方法使信号经过多径信道后仍然保持子载波的正 交性。1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 应用于数字蜂窝系统，从此，o f d m 开始应用 于无线移动系统的研究。 o f d m 系统较一般的单载波通信系统能更充分地利用频带，得到更高的数据 传输速率，已经在许多通信领域得到了应用。例如，欧洲数字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t ，简写为d a b ) 标准采用了带差分相位调制的o f d m ，数字视频广 播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ，简写为d v b ) 标准包含t 多幅度调制的o f d m ，有 线电话网上基于现有铜双绞线的非对称数字用户环路( a s y m m e t r i c a ld i g i t a l s u b s c r i b e r l o o p ，简写为a d s l ) ，基于5 g i - i z 频段的高速无线接入局域网标准8 0 2 1 l a 和h i p e r l a ni i 也都采用了o f d m 调制，等等。 除了高带宽利用率外，o f d m 系统还有以下优点： 1 各个子信道中的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 来实现。对于子信 道数很多的系统，可以用f f t 来实现，大大减小了运算量和实现复杂度。 2 ，无线网络中的许多数据业务( 如上网浏览) 都存在非对称性传输，即下行链 路中传输的数据量要远远小于上行链路的数据传输量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的不同传输速率。 3 实际的无线信道多是频率选择性信道，不可能所有的子载波都同时处于比 较深的衰落中，因此可以通过动态比特分配和动态子信道分配的方法，充分利用 信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 4 o f d m 技术可以和空时编码、智能天线、自适应调制、自适应编码以及动 态分组分配、动态比特分配等技术相结合，极大地提高了物理层信息传输的可靠 性和有效性；o f d m 技术还可以与多种多址接入技术结合使用，构成o f d m a 系 统，如o f d m c d m a 、调频o f d m 以及o f d m 1 1 ) m 九。 5 因为窄带干扰只能影响- d , 部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程 度上抵抗窄带干扰。 但是由于o f d m 系统内存在有多个正交子载波，而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，存在以下两个主要缺点： 1 易受载波频率偏差和d o p p l e r 频谱扩展的影响。 2 存在较高的峰值平均功率比。 1 2 1 m i m o 技术简介 无线通信业务的需求推动了天线技术的发展，天线技术的进步则为提高通信 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 系统的容量提供了另一维设计空间。最早的天线设计上作源于m a r c o n i 的跨越大 西洋电报系统的定向天线的设计。而天线阵列的使用则是从第二次世界大战开 始，当时主要用于雷达。随着无线通信的蓬勃发展，频谱效率的进一步提高被认 为是无线通信研究的紧迫问题。空域或者空时联合处理被认为是提高现代无线通 信系统性能“最后的疆域”【3 3 1 。通过在接收端、发射端或两端均使用多天线，可 以获得显著的通信系统和链路性能的改善。传统的多天线技术如智能天线技术主 要集中于在接收端空域处理( 如波束形成算法p 卅) 或者空时联合处理( 如适用于 c d m a 系统的空时二维r a k e 接收系统) ，以获取接收分集增益、提高信噪比、 对抗其他用户干扰进而提高小区覆盖范围，提高系统容量。 智能天线技术能有效提高频谱效率，但在特定环境下( 如基于c d m a 体制 的城市小区) 智能天线的性能会受到影响。因为在这样的环境中，存在大量的散 射体，基于多径效应导致每一个用户的信号均有较大的角度扩展，同一用户的信 号可能从较大的角度范围内到达，传统的智能天线需要提供更大的自相关度以接 收这些多径信号【3 3 】。因而基于接收信号问相关性的减弱，会导致智能天线接收合 并性能的下降。 m i m o 技术被认为是一种新型的。智能天线”技术。它与智能天线的区别在 于提供了阵列天线应用的新思路并更着重于空时联合处理。通过在接收端和发射 端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编码、调制，m i m o 系统能极大 改善通信链路的容量和通信可靠性。但是，m i m o 信道容量是最优m i m o 系统 性能的上限，知道这一上限并不意味着能实现它。另外最优系统的空时联合处理 由于高复杂度而难以实用化。因此，对无线通信工程师而言，发挥m i m o 潜力 的关键在于为发端设计优化的信号传输形式，并在收端设计合理的接收处理算 法。按照系统获得的增益类型，而当前的m i m o 传输方案设计的目标主要可以 分为两大类：获取空间复用增益和空间分集增益。当前的m i m o 系统设计主要 着眼于最大化其中一种增益。针对这一问题，f o s c h i n i 和t a r o k h 等人做了大量 开拓性工作，推动了无线通信向其极限性能的逼近。 1 2 2 m i m o o f d m 的结合 m i m o - o f d m 是由i o s p a nw i r e l e s s 提出的使用多天线来发送和接收射频信号 的技术，该技术结合m i m o 与o f d m 以得到高效的频谱利用率并扩大系统的容 量。一个m i m o o f d m 系统在多天线上同时传输独立的o f d m 调制信号，在接 收端将数据解调后再进行m i m o 解码。它与m i m o 的不同就在于调制采用了 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 o f d m 方式，因而能有效的对抗多径。 目前m i m o o f d m 研究方向大致可以分为几个部分：首先是空间分集，可 用于改进传输功率的效率。这一方向主要涉及编码的问题。在m i m o 系统用的 比较多的是空时码，例如s t b c ( s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ) ，s t t c ( s p a c e t i m et r e l l i s c o d i n g ) 以及最近提得比较多的s f c ( s p a c e f r e q u e n c yc o d e ) 。其次是系统容量的 扩展问题，通过不同的分层结构达到不同的期望，例如v - b l a s t 结构，d b l a s t 结构，以及天线的配置。再者就是对于信道的研究，以及数据的发送与接收。在 这个部分当中，研究的比较多的是信道的估计与同步问题，还有对信号检测、均 衡、接收机的设计等方面的探讨。 1 3 课题背景 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。而在m i m o o f d m 系统当中，由于o f d m 对同 步偏差的敏感性使得m i m o o f d m 对同步的要求更高，并使同步问题成为了 m i m o o f d m 系统中的一个研究热点。而现有的m i m o o f d m 同步研究对于同 步问题的假设都比较理想化。对于m i m o o f d m 系统较少考虑到系统存在多个 载波频偏的问题，而从实际的需求来看，由于多天线间的干扰以及信道的影响， 发送端和接收端天线对问的载波频率偏差不可能完全一致。对于从不同天线发射 的信号经历不同的路径到达接收端也可能会存在到达时间不一致从而带来干扰 的问题。这些都是现有研究很少考虑到的实际问题。因此本文会从这些角度出发 对同步问题进行分析并提出针对多个载波频率偏差的估计方法以及针对信号到 达时间不一致的定时方法，以求更符合实际需求。 1 4 本文工作 本文第一章为绪论，首先介绍了无线通信的发展趋势，对o f d m 和m i m o 技术做出了各自的介绍，并介绍了二者结合的优势；然后介绍了本文的课题背景， 最后介绍了本文的主要工作。 本文第二章首先提出o f d m 系统的同步问题，给出各种同步偏差的详细分析 及对系统产生的影响。在此基础上，把同步问题从单天线的o f d m 系统扩展到 m i m o o f d m 系统当中，首先给出无线信道的一般描述，并在此基础上分析多 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 径效应和多酱勒的产生，以及其对传播信号带来的影响。最后对m i m o o f d m 系统同步问题做出分析。 本文第三章对m i m o o f d m 系统同步问题的研究现状做出归纳和分析。根 据同步方式来进行分类，首先归纳采用数据辅助方式( d a t a - a i d e d ) 的几种同步 方法：分别为训练序列的使用，循环前缀( c y c l e p r e f i x 。c p ) 的使用，导频( p i l o t s ) 的使用；然后归纳盲同步( n o n d a t aa i d e d ) 方式，并分析各自的优缺点以及现 有研究的不足，最后给出结论。 本文第四章在突发系统下进行具体的同步。首先给出系统模型与同步问题分 析，然后针对同步设想介绍训练序列的设计。在此基础上对m i m o o f d m 系统 的同步方法，包括帧检测，多载波频偏估计与补偿，定时估计进行分析与仿真， 最后给出结论与总结。 本文第五章总结了论文内容并指出本文的不足以及可以继续开展的工作。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o - o f d m 系统同步介绍 2 1 同步简介 第二章m i m o o f d m 系统同步介绍 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。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供 一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这种获取相干载波的过程就称为载 波同步。对于数字通信，接收端的最佳采样时刻应对应于每个码元间隔内接受滤 波器的最大输出时刻，因此，数字通信中除了载波同步的问题外，还有符号同步 的问题。符号同步的目的是使接收端得到与发送端周期相同的符号序列，并确定 每个符号的起始时刻，进而实现块同步或帧同步。 2 2 o f d m 系统同步问题分析 2 2 1 o f d m 系统中的同步要求 o f d m 符号由多个子载波信号叠加构成，各子载波之间利用正交性来区分， 因此确保这种正交性对于o f d m 系统来说是非常重要的；另外为了在接收端对 接收信号进行准确的解调，也需要准确地得到信号的接收时间，因此o f d m 系 统对于载波以及定时同步的要求相对来说比较严格。 一般说来，o f d m 系统中存在一下几个方面的同步要求： 1 载波同步：接收端的振荡频率与发送载波同频同相( 要求在p p m 数量级) ； 2 样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致； 3 符号同步：i f f t 和f f t 起止时刻一致。 图2 1 对o f d m 系统的同步要求做出了展示。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章m 1 m o - o f d m 系统同步介绍 图2 1o f d m 系统同步示意图 2 2 2 各种同步偏差分析及其对o f d m 系统的影响 对一个典型的o f d m 系统，其同步示意如图2 1 所示。令发送端各点的信号 表示为 。万1n 磊- i s e 驯n , k - 0 , l 2 , - , n - 1 ( 2 1 ) 其中 - 5 矗n - 。g + n 厅n e g ，0 , g + - g 1 一 。】 ( 2 2 ) 而 x ( f ) 。荟p ( 一疗t ( 2 3 ) 其中，g 为所加循环前缀的样值符号数，一般不应少于信道多径时延扩散的 符号数；p ( t ) 为发送端的脉冲成形波束；l 为发送符号的抽样间隔( 样值频率正 的倒数，即i 一1 正) 。建设满足理想抽样定理，且不考虑循环前缀的影响，则 有近似表达式 工( r ) 。专荟墨e m ” ( 2 4 ) 2 2 2 1 载波同步 在接收端，相干解调需要有与发送载波频率和相位都相同的载波，所以首先 7 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o - o f d m 系统同步介绍 要进行载波同步。在不考虑样值定时频率偏差以及符号定时偏差的情况下，假 设载波频率正，载波相位妒的估值分别为，。- 正+ 蜒，妒一妒+ a 妒，其中域为 载波频率偏差，妒为载波相位偏差。考虑均值为零，每维方差为o 2 的独立高 斯白噪声a w g n 信道，假设已经准确获得样值定时和符号定时，由图2 - 1 可知， 接收端的各点信号可以表示为 y ( r ) 一【x ( r ) e ，2 | r 口+ ，+ 叩( r ) e 。【“”j ( 2 5 ) z ( r ) 。，( 碱忡) + ，7 ( r ) 。p 叫 采样后得到的数据流为 ，：i 。) ，( f ) 【一 “：。f 。，+ 。1 栉0 ，1 ，2 ，一1( 2 6 ) 一x ( t ) l 。e - “2 “o + 却) + ，7 p 7 对采样后的数据流进行f f t 变换，并将 ) 带入上式，可以得到 耻笺弘m 纠 。笙l i 万1 磊n - i s m e ，2 m 州p 。( 2 毗嘎“引+ 叩) 一孚黔黔叫叫蚺h 。 1 一e ，2 一【( ) ，蜕引 ( 2 7 ) - 专黔掣篙端 x e ，。( 1 17 ) ( 埘一一a o t , ) 一， 矿+ 叩。 埘，n ，七一0 ，1 ，2 ，一1 其中，叩叼( ，ej ( “f + ；) 【吐和叩。，7 。一，一x t 7 e - j “( i 俐”) + 1 这两项式噪 声带来的干扰。从表达式可以看出，噪声仅仅使接收信号的相位产生了旋转而并 8 轰等 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o - o f d m 系统同步介绍 首先考虑存在载波相位偏差妒时对系统性能的影响。当蜕一0 时，式( 2 8 ) 可 r 女= e 一，si + r ” ( 2 8 ) 从上式可见，相位偏差a q o 的存在只会引起接收信号的相位旋转，而不会改 其次考虑存在载波频率偏差a c 时对系统性能的影响。当妒一0 时，式( 2 1 0 ) 乓一专s 酱辫砂慨 + 专鬟二羚 从上式可以看出，载波频率偏差4 c 破坏了各子载波间的正交性， 幅度产生了变化，从而带来了信躁比的下降。 令 ”捌箦苫篙翳“蜘一蚓 表示其他子信道符号对期望符号的干扰，有 封2 - 鬟l 捌篙铡2 一嚣薹砂卅1 2 - 1 n 鹭，| 1 酬l i i 篙矧，故有 9 并使信号 ( 2 1 0 ) 佗1 1 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o - o f d m 系统同步介绍 争| 2 叫叫2 小陋s i n ( j r ( n 碱a 刮t ) 2 ( 2 1 2 ) 假设发送符号等能量，且巨- e ( i s 1 2 1 ，则f f r 输出端的信噪比为 跚。坐丝! | ： ：( 2 ) e 附t 廿，) | 2 】哗( 磊阱) + o 定义信噪比损失( d b ) 掰h 3 8 1 - 1 0 l o g 错 ( 2 1 4 ) 在载波频率偏差a c 不随时间发生变化时，由前面几式有信噪比损失 1 1 0 l o g 错 心。 l + 扑) 1 2 】 一1 0 l o g 陋( k ) 1 2 ( 2 1 5 ) - 。k ，g - + 惫【一 圳l o g 由此可知，该情况下损失的信噪比与各子载波无关，而仅与载波总数有关。 对于o f d m 系统，为使信噪比损失尽量减小，需要使蜕, i l n t , 。 2 2 2 2 样值同步 在接收端进行模数转换时，需要有与发送端相同的起始时刻和采样时钟，即 样值定时同步和样值频率同步。不考虑载波频率偏差、载波相位偏差以及符号定 时偏差，假设抽样间隔i 的估值为- r , + a 互，而样值定时偏差为a t y 依旧考虑 a w g n 信道。由图2 - 1 可以将接收端的信号表示为 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o - o f d m 系统同步介绍 y ( f ) 。【x ( f ) p “印”r 二? ( f ? 】p 。“口” ( 2 。6 ) - 工( f ) + 叩o ) e 。( “口” 采样后得到的数据流为 。) ，( ) 【。i 屿。x o ) i 。i q + ，7 ( 2 1 7 ) 进行f f t 变换并化简可以得到 r 一芝，= - e 。” i 薹( 专薹晶e ，叫矗呜。+ 叩 。， 础1h - i & 鞘端 仁1 8 ) 醒扣( 圳州( 埘i ，- ) 一，“呜“喝) + 町- 。一专s。：；i兰；姜端e自“1-1，pai， 蛰一 9 ) 即舭，”咖一。) + 叮- 1 1 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o o f d m 系统同步介绍 小偏差。当t 累积到一定程度就会多出一个样值( a t , t 0 ) 或者遗漏一个 样值( a t , ，0 ) 。这种样值偏差效应可以通过数字锁相环来进行校准。 当t - o 时，r 可以改写为 r s k e - j “q “喝) + 叩。 ( 2 2 0 ) 此时出。仅仅是使输出发生了相位旋转，并没有破坏子载波问的正交性，也 没有改变接收信号的幅度。若缸。为一恒定值，那么所有的样值都有相同的相位 偏差，则可以简单等效为系统有一个固定的时延。 样值同步所引起的信噪比损失的计算与载波同步类似，可以参考相关文献 3 6 1 和嗍。 2 2 2 3 o f d m 符号同步 由于接收端的采样数据是连续到达的，因此必须确定o f d m 的开始时间和结 束时间，即符号定时。假设f ，为符号定时偏差，当蜕- 0 , a p - 0 , a t , 一0 且 a t ，一0 时，采样后的接收信号r 可以表示为 足一芝，( n - 厶f ，正) e - j ” - 薹，舻。叫”叫咖 一f m i l | ”i j r _ e l i 。“埔 耥 s t e 2 x k 6 t + 矗 可见此时缸，只是令接收信号产生了相位旋转，并没有带来子载波间的干扰， 也没有引起接收信号的幅度变化，也就不会带来信噪比的下降。 另外，由于在o f d m 符号之间插入了保护间隔，因而只要保护间隔的长度大 于最大时延扩展长度，就基本上可以消除由于多径干扰引起的符号间干扰( i s i ) 。 所以只要符号的起始时刻落在保护间隔内且在最大多径时延之后( 即满足 0 t 血，c g 一z ，其中g 为保护间隔的长度，为最大多径时延) 就不会 引起i s i 。另一方面，在保护间隔内对o f d m 符号进行周期性扩展就可避免引起 子载波间干扰。在f i t 的运算窗口( o f d m 符号持续时间) 内，子载波频率的正 弦波函数只要同时满足两个条件：一是包含整数个周期；二是振幅恒定，可以保 证各子载波间的正交性，从而完全消除i c i 和i s i 。只有当f i 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，才会引起i s i 和i c i 。因此与单载波系 统相比，采用循环前缀的o f d m 系统对符号定时同步的要求相对较宽松，符号 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o o f d m 系统同步介绍 的起始时刻只要落在循环前缀内就不会破坏各子载波间的正交性，也就不会引起 i c i ，只要进行相位补偿即可。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，尽管符号定时的起点可以在保护间隔内任意选择，但 显然任何符号定时的变化都会增加o f d m 系统对试验扩展的敏感程度，因此系 统所能容忍的试验扩展就会低于其设计值。为了尽量减小这种负面的影响，需要 尽量减小符号定时同步的误差。 2 3 无线信道描述 前面一节分析了o f d m 系统的同步要求以及各种同步偏差对系统性能的影 响，而下面的小节将在此基础上将同步问题扩展到m i m o o f d m 系统中。由于 无线信道的多径传播以及多普勒效应会对传输信号产生一定的影响，从而为系统 同步带来一系列的问题，所以下面将首先给出无线信道的特征，针对信道多径传 播以及多普勒效应进行分析。 2 3 1 多径信道与多普勒频移效应 2 3 1 1 多径信遁传播 在无线通信环境中，发送端发送的信号会通过多条不同的路径到达接收端。 在时不变多径环境下，令s ( f ) 表示发送信号，则接收信号可以表示为通过多条径 到达的接收信号的总和 y ( f ) 一q 5 ( f t ) ，毛s ts 吒 ( 2 2 2 ) 这里l 表示总的多径到达数，q 和弓分别表示第i 条径的冲激响应和波束到 达时间。考虑发送信号s ( f ) 为一个时域谐波信号( 只有单一频率或固定周期) ， 可令s ( f ) 一p 扣，则接收信号可以改写为 y ( f ) - 艺口e 州1 - 日( ) e 肛 ( 2 2 3 ) 此处( ) 定义为多径环境下的传输函数。由上式可以看出，接收信号y ( f ) 依 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o _ o f d m 系统同步介绍 然为一个时域谐波信号，并与发送信号拥有相同的频率。可见在非时变多径环境 下多径效应不会给传输信号带来波形失真。同时可以看出，发送信号的幅度因为 日( ) 产生了变化。 当s ( f ) 包含多个频率成分时，令s ( f ) | 一 - - 。k s ( ) e m d 珊，接收信号的频谱可 以表示为 y ( ) 一何( ) s ( ) 一芝s ( ) e 。觚 ( 2 2 4 ) 由上式可以看出，不同时刻到达的多径分量带来了信号的失真，多径延迟越 大失真就越严重。对于m i m o o f d m 系统而言，在接收端每副接收天线接收到 的是所有发送天线发射的信号的叠加，当多径延迟比较大时，信号失真严重，势 必会对接收端信号同步带来更大的困难。 2 3 1 2 多普勒与多径效应 l 单径信道的多普勒频移 考虑发射源发射一个球形波，其传播速度为c ，频率为，传播波形可以表 示为e “，( ，r ，其相位为h ，( r ，c t ) 。首先考虑单径环境下发射源以速度 ， 向接收端移动。令t 的初始值为零，即发射源从零时刻开始发送第一束波，发射 频率为，。在发射源以速度v 移动的情况下，对于接收端来说，相应的接收波长 为凡一a - v f - c f - v f = ( c v ) ，对应的频率为 - c 九。i 南。，( 1 + 詈) ， 则多普勒频移为正一，= ，( 詈) 。对于单径环境下接收端移动的情况，与第一 种类似，得到的多普勒频移依然为，f 兰1 。而当发射源与接收端都在移动时，对 c ， 于接收端来说，球面波就变成了平面波。令岛表示平面波的传播方向与接收端间 的夹角，见表示传播方向与发射源间的夹角，发射源的移动速度为，接收端的 移动速度为屹。则对应的接收波长为凡一a - v , c o s a , l - ( c c o s 见) ，。如果发 射源和接收端的移动速度都远远小于光速，则多普勒效应带来的频率可以表示为 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o o f d m 系统同步介绍 小半。高cc薪os i 回f l + v o c o s o o c i y ，j ， 一 i j 1 - 叱c o s 0 , c 可小，_ ，( 业掣越) 对移动速度为y ，则最大多普勒频移为，d iv 。不考虑多普勒效应时，接收信 号表示为) ，( f ) - ( ) e 埘，其中日( 脚) - e 1 觚仍然表示信道传输函数，参 数表示和前面的讨论一致。再加入多普勒效应的影响时，令q 。豺正，i i 厶， y ( f ) 一日( ，t ) e 扣 ( 2 2 8 ) ( 叫) 一e 慨懈 ( 2 2 9 ) 在时变多径环境下，接收信号的表达式与( 2 2 8 ) 相同。而对于包含多个频率 y ( ) 。去s ( ) 日( 鸭) 朋 i 薹刖叫 亿，。， - 薹a ( 去2 sc 珊，e 州_ k ) e 脚 一( 卜l ) e 御 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o - o f d m 系统同步介绍 从多径信道与多普勒效应的分析可以看出，时变信道的多径效应会对传输信 号带来波形失真从而改变信号的幅度，而多普勒效应会令信号产生多普勒频移从 而改变信号的载频。对m i m o o f d m 系统的接收端而言，信号的幅度和载频产 生变化会对系统同步带来一定的影响。具体来说会造成相干解调时载波频率出现 偏差，并带来载波间干扰破坏o f d m 子载波的正交性，降低系统同步的精度。 为了便于在后面具体描述m i m o o f d m 系统的同步问题，下面再给出存在多径 与多普勒效应时的信道模型。 2 3 1 3 多径与多普勒信道模型 i 非时变的多径信道模型( 不考虑多普勒效应) 在多径环境中，信道冲激响应可以表示为多束波的集合 工 h ( r ) - q 6 一一) ，q 屯弓j s 吒 ( 2 3 1 ) 面 表示总的波束数，啦和q 表示第i 束波的幅度和到达时间。这里q 和t 定 义为随机变