（通信与信息系统专业论文）wimax系统中初始测距算法研究.pdfVIP

摘要 初始测距是无线接入过程中基站进行用户检测、获得用户正确的定时偏移和 功率并反馈给用户，使用户进行定时偏移和功率调整的过程。为了满足无线 o f d m a 通信系统的上行链路中同步、功率控制等需求，从而获得较高的无线 o f d m a 通信系统传输效率，提高初始测距的性能显得尤为重要。 本文研究的主要内容是w i m a x 中o f d m a 测距系统的初始测距算法。首先 介绍了单天线o f d m a 系统中的初始测距算法。接着研究了多天线o f d m a 系统 的初始测距算法，介绍了一种基于多天线分集的初始测距算法。仿真结果表明， 其检测性能较差。为了进一步提高初始测距性能，本文提出了一种改进的基于 e s p r i t 的初始测距方法。该方法克服了基于e s p r i t 的初始测距算法采用m d l 估计用户数不精确的缺点，提高了初始测距性能。 最后，本文研究了利用波束成形进行初始测距的方法，提出了一种改进的基 于波束成形进行初始测距的方案。计算机仿真结果表明，提出的测距方案的检测 性能优于基于多用户分集的多天线测距算法和基于波束成形的初始测距算法。 关键字： w im a x多天线正交频分多址接入初始测距算法时偏估计 波束成形 w i m a x 系统中初始测距算法研究 a b s t r a c t a b s t r a c t i n i t i a lr a n g i n gi sap r o c e s si nt h ew i r e l e s sa c c e s s ，i nw h i c ht h eb a s es t a t i o nd e t e c t s t h ei n i t i a lr a n g i n gu s e r , e s t i m a t e st h et i m i n go f f s e ta n dt h ep o w e ro ft h ed e t e c t e du s e r , a n df e e d sb a c kt h e s ep a r a m e t e r st ot h ed e t e c t e du s e r , a n dt h e nm a k e st h ed e t e c t e du s e r t o a d j u s ti t st i m i n go f f s e ta n dp o w e ra c c o r d i n gt o t h ef e e d b a c k t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t h es y n c h r o n i z a t i o na n dp o w e ra d j u s t m e n ti nt h eu p l i n ko ft h ew i r e l e s s o f d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n do b t a i nah i 曲t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , i ti sv e r y i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ei n i t i a lr a n g i n g i nt h i sw o r k ，t h ei n i t i a lr a n g i n ga l g o r i t h m si nt h ew i m a xo f d m as y s t e ma r e m a i n l yr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h eo f d m ar a n g i n gs y s t e ma n dt h e i n i t i a lr a n g i n g a l g o r i t h m si nt h es i s o o f d m as y s t e ma r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h ei n i t i a lr a n g i n g m e t h o d si nt h em i m o - o f d m as y s t e ma r es t u d i e d i nt h em i m o - o f d m as y s t e m ，a n i n i t i a lr a n g i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yi sd i s c u s s e d ，b u ti th a sab a d p e r f o r m a n c e t of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n i t i a lr a n g i n g ，am o d i f i e d i n i t i a lr a n g i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ee s p r i ti s p r o p o s e d t h ep r o p o s e dm e t h o d o v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g eo ft h em d l a l g o r i t h m ，a n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h ei n i t i a lr a n g i n g f i n a l l y , t h ei n i t i a lr a n g i n gm e t h o d su s i n gt h eb e a m f o r m i n ga r ea l s or e s e a r c h e di n t h ep a p e r , a n da ni m p r o v e di n i t i a lr a n g i n gm e t h o db a s e do nt h eb e a m - f o r m i n gi s p r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dm e t h o di s b e t t e rt h a nt h a to ft h em e t h o db a s e do nt h em u l t i u s e rd i v e r s i t ya n dt h em e t h o db a s e d o nb e a m f o r m i n gi nt h em i m o - o f d m ar a n g i n gs y s t e m k e y w o r d s ：w i m a x t i m i n go f f s e te s t i m a t i o n m i m o - o f d m a i n i t i a l r a n g i n ga l g o r i t h m b e a m - f o r m i n g w i m a x 系统中初始测距算法研究 第l 章绪论 第1 章绪论 一 1 1 引言 现代无线移动通信技术的快速发展正深深地影响着人类的生活。无线移动通 信技术正向着多媒体化、个性化、智能化、宽带化、低功耗、低成本的方向发展， 新的技术与系统不断涌现。近年来随着高速公路和高速铁路的建成和投入运营， 新一代无线通信系统面临的移动环境从低速几十公里小时发展到高速几百公里 小时，其承载的通信业务也从单一的低速业务发展到现在的高速多媒体业务。实 时高质量的多媒体业务要求无线通信系统具有高达上百m b p s 或g b p s 的信息传输 速率，这对于具有空时选择性衰落的无线通信而言是一个极其严峻的挑战。为了 满足通信业务发展的需求，在未来新一代移动无线通信系统中对频带利用率高、 功率利用率高、传输性能可靠的新技术进行了大量的研究i l h 2 。在这些技术中， m i m o o f d m a 技术具有m i m o 和o f d m 两种技术的优点，被认为是未来无线 高速数据传输链路的优选技术，并己用于一些无线通信系统如w i m a x t m 和l t e 等作为物理层传输标准。 用户无线接入是新一代正交频分多址接入( o f d m a ) 无线通信系统中的重 要研究内容，它涉及到基站物理层对多个接入用户进行多用户检测、同步参数估 计和m a c 层的调度问题等。o f d m a 物理层按照测距在接入过程中的功能划分 为初始测距过程、切换测距过程、带宽请求过程和周期测距过程。通过初始测距， 用户在上行链路中与基站建立同步，并进行功率控制，使各个激活用户发送的信 号在基站保持同步；通过周期测距，系统维持上行链路的同步和功率控制，确保 上行链路的信息可靠传输；通过切换测距系统给需要切换的用户提供与目标基站 之间的同步和传输质量等信息。因此测距已经成为新一代无线通信技术中多用户 接入、切换和可靠信息传输的关键技术【5 】【7 1 。而初始测距的性能决定了用户是否 可以快速接入系统和基站同步通信，从而影响着基站的覆盖范围及传输效率，所 以对初始测距的研究具有很重要的实际意义。 1 2 初始测距的研究与发展现状 初始测距是基站进行用户检测、获得用户正确的定时偏移和功率并反馈给用 户，使用户进行定时偏移和功率调整的过程。初始测距过程主要是对用户进行检 测、时偏估计和功率估计的过程。国内外已经有大量的针对o f d m a 系统中初始 2 w i m a x 系统中初始测距算法研究 测距算法的研究【8 】【2 9 1 。现有的文献中的物理层测距算法可以分为两大类：单天线 的初始测距算法【8 】- 【2 7 1 和多天线的初始测距算法【2 8 】- 【2 9 1 。单天线的初始测距算法又 可分为两大类：基于标准中测距子载波分配方法的初始测距算法 8 - 1 8 1 和基于交织 式的测距子载波分配方法的初始测距算法【1 9 】1 2 7 1 。 对于单天线的初始测距算法，在基于标准中测距子载波的分配方法中，原始 的测距方法是通过在时域【8 j 或频域【9 】对所有码字和时偏进行搜索，并设置一个门 限，来进行码字检测和时偏估计的。这两种方法的复杂度很高，且相关值随用户 数的增加而增加，这样若采用固定门限的设置会导致检测性能较差，同时也没有 考虑相关特性受多径信道的影响。接着文献 1 0 】和 1 1 】提出了一些降复杂度的相关 检测的方法，而这些算法在时域和频域搜索的基础上降低了一些复杂度，但是同 样没有考虑多径信道对相关检测的影响。后来文献 1 2 】和【1 3 】分别提出了修正的 g c l 和b c h 码的新码字设计，这些码字具有较低的峰均比( p a p r ) 和较好的相 关性，也是采用相关检测的算法。以上这些基于标准测距子载波分配方式的初始 测距算法都没有考虑多径信道和频偏对相关特性的影响，且用户间干扰很大，随 着用户数的增加，检测性能急剧下降。为了降低用户间的干扰，文献【1 6 】- 【1 8 】提 出了连续干扰抵消的多用户检测方法，该方法对每个用户的每径信道进行信道估 计并在检测下一个用户时抵消已检测的每一径信号，但是由于信道估计的不准确 导致抵消不干净，用户数超过1 0 个以上时性能会严重恶化，且该算法的复杂度很 高。 在基于交织式的测距子载波分配方法中，文献【1 9 】最先提出的是一种f l m 的 初始测距算法，它设计了一种新的码字设计，一个测距信道只占用8 个子载波和 2 个o f d m a 符号，但是它既没有考虑频偏对测距性能的影响，而且时偏估计算 法复杂度过高，性能较差。针对f l m 算法存在的问题，文献【2 1 】对该算法进行了 改进。在较大频偏存在的情况下，这个改进算法有更好的抗频偏性能。缺点即为 子信道分配过于理想，一旦不同r s s 选择同一个测距子信道，则必然碰撞，且没 有进行频偏估计。文献【2 2 】 2 4 分别提出了基于m u s i c 的不同的子载波分配方式 的初始测距算法，文献 2 5 1 提出了基于e s p r i t 的初始测距算法，这两种算法克服 了基于f l m 的初始测距算法受剩余频偏的影响，可以用于存在较大频偏的环境 中，且性能较好。但是这两种算法占用的资源较多基于m u s i c 的初始测距算法 占用了8 个子载波和4 个o f d m a 符号，而基于e s p r i t 的初始测距算法占用了 1 6 个子载波和4 个o f d m a 符号，且性能受m d l 算法估计用户数的影响很大。 后来文献【2 6 】提出了一种多用户分集的初始测距算法，该算法利用了多用户分集 思想，每个初始测距用户选择信道功率增益最大的子信道进行测距，因此降低了 发射功率。测距子信道的子载波是连续的，解决了信道对码字正交性的影响。但 是在定时偏移和频率偏移存在的情况下，接收码字受到不同的相位偏移的影响， 第i 章绪论 3 且因为多用户干扰仍旧会失去码字的正交性，性能只是略好于基于f l m 的初始 测距算法的改进。 对于多天线的初始测距算法国内外的文献较少，文献 2 8 】和 2 9 】利用了多用户 分集和多天线分集的思想，提出了一种新的子载波分配方式进行测距的方法，该 方法减小了用户发射功率。随着多天线在新一代移动通信系统中的应用，大部分 基站采用了多天线，多天线的引入为初始测距性能的提升提供了基础。因此，需 要进一步研究m i m o o f d m a 系统中的初始测距。 针对m a c 层初始测距信道的调度及分配，文献【3 2 卜 3 5 1 提出了一些提高测距 性能、降低碰撞概率等方法。本文只研究物理层的算法，m a c 层的调度是下一 步的工作内容。 综上所述，由于现有初始测距方法的检测性能不高，这样导致用户不能快速 接入系统中并与基站同步通信，从而影响着基站的覆盖范围及传输效率。随着基 站多天线的应用，利用多天线进行初始测距己成为一种趋势。而多天线的初始测 距研究尚处于起步阶段，因此，需要开展大量工作来进一步研究多天线的初始测 距算法来提高检测性能。 1 3 论文的主要研究内容 论文的研究主要面向w i m a x 系统中的初始测距算法的研究。论文深入研究 了传统的单天线o f d m a 系统中的初始测距算法基础上，对多天线o f d m a 系统 中的初始测距方案进行了研究，提出了多天线系统中新的初始测距方案。论文的 具体章节安排如下： 第一章主要介绍了w i m a x 系统中初始测距过程的重要性，以及初始测距过 程的研究背景和研究现状。 第二章首先介绍了w i m a x 的物理层帧结构、初始测距过程以及测距中的关 键技术，然后介绍了o f d m a 测距系统的信号模型，并在此基础上介绍了已有的 文献中基于w i m a x 标准中子载波分配方式的初始测距算法和基于交织式的子载 波分配方式的初始测距算法，通过计算机仿真，详细分析了这两类算法的优缺点。 第三章首先介绍了多天线o f d m a 测距系统的信号模型，并在此基础上介绍 了一种多天线o f d m a 系统中利用多天线分集的初始测距算法，通过计算机仿真 对其性能进行了分析。为了进一步提高检测性能，提出了一种改进的基于e s p 砌t 的多天线初始测距算法，最后通过计算机仿真验证了所提算法的性能，并与前者 算法进行了对比分析。 第四章首先介绍了波束成形的基本原理。接着介绍了一种基于波束成形的初 始测距算法。为了进一步降低测距过程中的多用户间的干扰，从而进一步提高初 4 w i m a x 系统中初始测距算法研究 始测距检测的性能，提出了一种改进的基于波束成形的初始测距方案，最后通过 计算机仿真验证了所提方案的性能，并与参考算法进行了对比分析。 第五章是对本文研究工作的总结和后续工作的展望。 第2 章w i m a x 测距系统与初始测距算法研究 5 第2 章w i m a x 测距系统与初始测距算法研究 2 1w i m a x 概述 全球微波接入互操作性( w i m a x ) 是一种城域网的无线通信标准3 1 。最近它 已经变成对第三代和第四代蜂窝系统构成竞争的标准。w i m a x 制定了一些完全 不同的物理层标准。本文只介绍o f d m a 物理层标准，该标准用于2 1 1 g h z 频带 的移动通信中。 2 1 1w i m a x 物理层帧结构 w i m a x 的o f d m a 物理层有两种复用方式：f d d 和t d d 。在许可频段里， 复用方式是t d d 和f d d ；在非许可频段里，复用方式必须是t d d 。本文只讨论 t d d 模式。帧间隔包括b s 和s s 发送数据的时间间隔和保护间隔。在w i m a x 中规定了5 m s ，1 0 m s ，2 0 m s 等多种不同的帧结构。但在o f d m a 物理层中，只 定义了5 m s 长度的t d d 方式的帧结构。t d d 模式下的帧结构如图2 1 所示。 o f d m as y m b o ln u m b e r t s k “1k + 3m k + 7 “9 。k + 1 1 + 1 3 “5k + l7 。k + 2 0 _ j 【+ 2 3 足+ 26j 心9“3 0露： 浸i f c k r a n g i n gs u b c h a n n e l f c h 凸- u lb u r s t 社1 d lb u r s l 脊3 乏 f _ 。一 薹主 u lb u r s t 嚣2 3c o md 星： d l b u r 吱稃4 矗 一 旦 d ：五e屯 o e乱 - 喇 u lb u r s t 彝3 珂 - 兰 乏 md lb u r s t 舾 山 jj 凸o d lb u r 8 t 嚣2d lb u r 或髑u lb u r s t 嚣4 广一 u lb u r s t 嚣5 s + l _ 图2 1 一个o f d m a 帧的结构4 i 从图2 1 中可以看出，每个帧可以划分为一个下行子帧和一个上行子帧，两 者之间用适当的保护间隔来分隔。下行子帧和上行子帧之间的保护间隔叫做传输 接收转换间隔( t t g ) ，上行子帧与下行子帧间的保护间隔叫做接q k 传输转换间 隔( r t g ) 。这两个参数是根据基站天线接口上的信号确定的，在实际使用中，还 6 w i m a x 系统中初始测距算法研究 需要考虑无线信号的传播时延。 每个帧都由前导序列( p r e a m b l e ) 开始，前导是该帧的第一个符号，占用所 有的子信道，用于用户的下行同步功能。紧接着在前导之后是帧控制头( f c h ) ， 包括当前帧的控制信息，如下行映射( d l m a p ) 和上行映射( u l m a p ) 消息 的长度、编码方案和使用的子信道等。帧控制头携带的信息量不大，但它提供了 移动台继续解调其它消息所必须的基础信息，因此非常重要。映射( m a p ) 消息 分别提供下行链路和上行链路子信道分配信息和其它控制信息。其中，下行映射 消息规定了下行链路的信息，包括以下内容：帧长度，w i m a x 支持多种帧长度， 但o f m d a 物理层只支持5 m s 帧长度；下行帧可以划分为不同的数据突发( b u r s t ) ， 不同的突发可以分配给不同的用户，从而实现多用户接入；确定可选的子载波和 符号的分配方式。上行映射u l m a p 消息规定了上行链路的信息，一个上行子帧 由基于竞争的测距信道和一个或多个上行链路数据单元组成。包括的内容有上行 链路数据突发的分配方式和上行测距信道的工作方式。 o f d m a 物理层上行子帧中定义了一个测距信道，它由一组或多组连续的6 个逻辑子信道组成。根据上行子信道结构，每个子信道由2 4 个子载波构成，所以 在一个子信道一个符号内测距可用子载波数为1 4 4 个。因此可以将一个测距码的 1 4 4 比特全部映射到一组连续的逻辑测距子信道的子载波上来实现测距过程。 2 1 2w i m a x 中的初始测距过程 测距过程是用户获得正确的定时偏移和功率调整的过程。测距主要测量定时 偏移、功率和频偏等参数。测距过程一般分为：初始测距、周期测距、切换测距 和带宽请求。初始测距和切换测距可划分为一类，是为了用户接入新的网络，与 基站建立同步；周期测距是为了保证用户和基站间的通信质量，与基站更好的保 持同步。 l 、初始测距过程 o f d m a 中，有效子载波被分成很多子集，每个子集都作为一个子信道分配 给不同的用户同时传输数据。每个子信道的子载波不一定是连续的。为了保证上 行o f d m a 系统的子载波之间的正交性，不同用户的信号需要同时到达基站，这 就需要利用一个叫做测距的过程来保证。通过初始测距过程，每个测距用户调整 其传输时延和发送功率，这样，基站端接收的测距信号可以与基站的时隙同步， 并且各用户在基站处具有相同的功率。测距过程之后，系统可以补偿较大小区的 远近效应( 导致不同的传输延时和接收功率) 的影响。基本的初始测距过程如下： 首先，测距用户( r s s ) 通过下行控制帧获取下行同步和上行传输参数；然 后，在测距信道上随机选择测距时隙( 一个或多个符号) 并发送一个从测距码组 第2 章w i m a x 测距系统与初始测距算法研究7 中随机选择的频域测距码字。由于大于一个r s s 会选择相同的时隙，接收信号应 当包含多个r s s 的测距信息。检测到测距码字并从中获取定时和功率信息之后， 基站b s 会广播测距响应消息，包括检测到的测距码和相关的测距时隙，同时也 包括对应于每个检测到的测距码字的调整信息( 定时和功率调整) 和状态标识( 成 功或重传) 。如果一个r s s 收到成功标识，其测距过程即完成；否则，每个r s s 根据对应的测距码字调整传输功率和定时信息，并重复测距过程直到收到成功标 识。基于以上测距过程，基站( b s ) 的主要任务就是多用户测距码字检测、多用 户定时估计和功率估计。 2 、测距信号结构 测距码发生器如图2 2 所示。可用的测距码组是由2 5 6 个长度为1 4 4 b i t 的码 字组成，编号为0 2 5 5 。每个基站使用这些码字的一个子组，一个子组用s 来定 义，其中0 s 2 5 5 。该子组由编号从s 到( ( s + o + n + m + l ) m o d 2 5 6 ) 之间的码 组成。 前n 个码字用来初始测距，即测距码发生器从产生第1 4 4 ( sm o d 2 5 6 ) 个到 t 4 4 ( ( s + n ) m o d2 5 6 ) 1 个；接下来m 个码字用来周期测距，即测距码发生器 从产生第1 4 4 ( ( s + n ) m o d2 5 6 ) 个到1 4 4 ( ( s + n + m ) m o d2 5 6 ) 1 个；接下 来l 个码字是用来带宽请求( b r ) 的，即测距码发生器从产生第1 4 4 ( ( s + n + m ) m o d2 5 6 ) 个到1 4 4 ( ( s + n + m + l ) m o d2 5 6 ) 1 个；接下来o 个码字是用来切 换测距的，即测距码发生器从产生第1 4 4 ( ( s + n + m + l ) m o d2 5 6 ) 个到1 4 4 ( ( s + n + m + l + o ) m o d2 5 6 ) 1 个。 i s b s 6 s 7s 4 s 3s 2 s ， s o 1l01o100 k s b 图2 2 测距码发生器 初始测距码用来初始网络接入与连接的，切换测距码用来在切换过程中与目 标基站建立连接的。初始测距与切换测距可以归为一类。周期测距码进行周期测 距，为了保持基站和用户更好地通信，与带宽请求归为一类。一个初始测距传输 应包括两个或四个连续的o f d m a 符号。在测距信道的各符号上传输相同的测距 码。初始测距的时域说明图如图2 3 所示。 测距信道在频域上占用，( 取6 或8 ) 个测距子信道，每个测距子信道由6 个片组成，每个片由4 个子载波组成，则每个测距子信道由2 4 个子载波组成。 8 w i m a x 系统中初始测距算法研究 c p 厂 时f h j 轴 6 r d 厂 彳复制采样点 复制采样点 彳 ! 竺竺竺兰竺竺 ! ! 竺竺兰竺竺 图2 3 基于o f d m a 的初始测距信号结构 2 1 3 测距系统中的关键技术 无线接入中基于多载波的测距系统的关键技术研究主要包括测距系统的波形 设计和用户端测距信号的多天线预编码技术与多天线映射方案；克服信道衰落、 用户剩余载波偏移和多用户干扰的收端信号处理技术，测距信号多用户检测与多 用户参数估计技术；单机站多天线用户定位技术；测距信道的资源分配方案，用 户测距信号接入协议改进与参数优化等。具体如下： l 、测距信号的波形设计和发端测距信号的多天线预编码与多天线映射方案研究 波形设计是o f d m a 测距系统首先要解决的问题。在波形设计中，针对子载 波连续和非连续两种不同的o f d m a 测距子载波分配方式，研究具有极低峰均比 或恒包络特性、模糊函数和互模糊函数良好的多载波测距信号的波形设计方法， 然后搜索并优选出满足测距多用户要求、峰均比不同的大量频域测距序列。根据 新一代移动通信系统蜂窝小区尺寸的大小，研究测距信号中o f d m a 符号的结构 格式。针对用户多个发射天线，开展多用户天线选择、测距序列在多天线和多载 波上分布、功率控制等预编码与测距序列到多天线映射方案的研究。 2 、收端多天线信号的预处理和稳健的多用户检测算法研究 在测距系统中，基站将多个接收天线收到的测距信号，通过多用户检测算法 检测出各个用户的测距信号；但信道的频率选择性衰落、各个用户残存的频偏、 采样间隔内的定时偏移、各个用户之间的干扰和强用户测距信号对弱用户测距信 号的遮掩，严重地影响多用户检测的性能，因而在基站首先需要开展多天线信号 预处理算法的研究，以克服信道的选择性衰落、多用户时频误差补偿算法和多用 户干扰抑制方法等对多用户检测的影响。 3 、多用户参数估计与单基站定位技术研究 在多用户检测的基础上，需要对检测到的各个用户进行多个重要参数的估计。 所需要估计的主要参数有：用户到基站的传输时延、用户存在的剩余载波偏移、 用户的功率、用户的到达角等，这些参数对于上行链路同步、资源分配、功率控 第2 章w i m a x 测距系统与初始测距算法研究 9 制和用户定位具有非常重要的意义。 4 、测距信道资源分配和用户随机接入协议研究 测距系统不仅与物理层的信号传输、检测与参数估计有关，而且与测距信道 的资源分配、m a c 层中用户测距信号的接入与重传策略、检测丢失后的后退策 略，以及检测错误的处罚时间等协议有关。因而拟根据无线通信系统区域大小和 用户测距信道的资源，为测距过程分配测距信道资源的方案研究；在测距信道资 源分配方案和物理层多用户检测性能的基础上，开展m a c 层中随机接入协议改 进和协议参数优化研究，提高系统的接入容量，降低用户的平均接入时延。 本文主要研究初始测距过程中的多用户检测算法和定时偏移参数估计算法。 2 2w i m a x 测距系统模型 测距过程是无线接入过程中的重要部分。物理层单天线o f d m a 测距系统的 模型如图2 4 所示。测距系统主要包括用户发送端和基站接收端两部分。发射系 统结构包括信息比特调制、子载波映射、o f d m 调制器即i f f t 变换器、加循环 前缀( c p ) ，最后再经过变频处理将信号通过天线进行发射。基站接收器的结构 包括进行下变频、去循环前缀( c p ) 、o f d m 解调器即f f t 变换、多用户检测和 参数估计。测距过程之后，系统可以补偿较大小区的远近效应，从而使基站端接 收的测距信号可以与基站的时隙同步并且各用户到达基站时具有相同的功率。 l 、发送端 假设一个上行o f d m a 测距系统共有n 个子载波，个测距用户r s s 。第 f 个测距用户选择的发送码字为c ，经过上行子载波映射后，发送信号变为 砟= 【以i ( o ) ，一( 1 ) ，蜀( 一1 ) 】7 冰) - ( c i ，巍卸o q 。1 其中，p ( v ) 表示第1 ，个测距子载波的索引。定义。表示循环前缀c p 的长度。经 过i f f t 变换、加循环前缀和循环后缀后，得到第f 个测距用户r s s 的时域信号 为 其中，m = + g ，表示一个o f d m a 符号长度。 ( 2 2 ) 、 一 m ，、i 1 ：、 一 三、 m “ 一 m 1 b ， 叫 m i l = 疗 玎 m 心 m 俨 俨 础 柑 弦 炒 后 后 碍 磁 州脚川脚 一一 r，【 = 力 1 0 w i m a x 系统中初始测距算法研究 用 用 用 用户1 数据 用户2 数据 用户k 数据 图2 4 0 f d m a 测距系统模型 2 、信道 设多径衰落信道是具有l 个采样抽头的信道。第f 个测距用户r s s 的信道脉 冲响应为蝶( ，) ，= o ，l ，三一l ，且假设信道在一个测距时隙上保持不变。因此，第 f 个测距用户经过信道后到达基站处的信号可以表示为 l - l 以( ，z ) = 缮( ，磁( n - l - d r ，) ( 2 3 ) 其中，d r ，表示第i 个测距用户r s s 的传输时延。 3 、接收端 基站同时接收到k 。个测距用户的信号，那么到达基站的总信号可以表示为 k 口一l 少( ，z ) = 以( 挖) p 2 磷+ w ( ，z ) ( 2 4 ) i = 0 其中，表示第f 个测距用户r s s 的归一化频率偏移。z ( 聆) 表示均值为o ，方差 为尤的复高斯白噪声。 第2 章w i m a x 测距系统与初始测距算法研究 经过n 点的f f t 变换可以得到接收到的频域第脚个符号间隔( 朋o ，m - 1 ) 上第七个子载波( 后o ，n 一1 ) 上的信号，表示为 】i 所( 后) 2 主三荟n - ij ，( ，咒( + g ) 二芒+ ，) p 一口袱，_ 。2 5 ， = 砩( 忌) e ，片( 七) + 形”( 七 其中，只只( 后) 表示信道的频域脉冲响应。w ( 七) 表示均值为0 ，方差为仃：的复 高斯白噪声，即为 一2 口( 埘 一( m 虬+ 以) ) l - 1 e ，r ( k ) = p z h , ，月( 0 e i = 0 ( 2 5 ) 叫尼) = 面l 刍n - 1 w ( 聊( + g ) + g + 咖半 ( 2 - 7 ) 2 3 基于标准子载波分配方式的初始测距算法 基于标准子载波分配方式是指在w i m a x 标准中定义的测距子载波的分配方 式。频域占用1 4 4 个子载波，时域占用2 个o f d m a 符号。测距码组是由2 5 6 个 长度为1 4 4 比特的伪随机序列组成。下面介绍几种基于标准子载波分配方式的初 始测距算法。 2 2 1 基于时域相关的初始测距算法 基于时域相关搜索的初始测距算法【8 1 是通过利用测距码的相关性，在时域对 所有可能的时偏和码字进行相关搜索，并设置一个自适应的门限，时延相关峰大 于该门限的码字及其对应的时延即为检测到的码字和该码字相应的定时偏移估 计。算法原理如下： 在接收方设置一个长度为m + 虬+ “的观察窗口，这样可以保证该窗口包 含一个完整的o f d m a 测距符号。假设在接收方基站同时接收个测距的用户 的信号，且相应的测距码组为 c ，那么在观察窗口中的接收信号用向量可以表 示为 y = j i l t + o ) ( 2 - 8 ) 其中， 1 2 w i m a x 系统中初始测距算法研究 y 三【y ( o ) ，y ( 1 ) ，y ( 虬+ 名+ 矗。一1 ) 】丁 日三【巧，碍，砭】7 玩善【( o ) ，玩( 1 ) ，( 一1 ) 】7 ( 2 - 9 ) x 三 五，k ，以。】 气三 x 女( 矾) ，x t ( 4 + 1 ) ，x ( 矾+ l - 1 ) x t 三【o 以，坼( o ) ，k ( 虬+ g + “舣一反一1 ) 】。 a 、时偏估计 根据测距码具有较低的互相关特性，总测距码数为c 个。那么可以使用c 个 相关器分别对相应的c 个测距码进行做相关，将接收信号分别延迟经过这c 个 相关器来检测接收信号中是否存在这些测距码。每个相关器输出的峰值位置是可 能的用户时延( 即定时偏移) 。定义& ( d ) 如下 s m ( d ) - 【o d ，( o ) ，( 虬+ g 1 ) ，o 一d 】r ( 2 - 1 0 ) 第m 个相关器在延迟d 个采样点的输出为 东( d ) = i s r ：( d ) 】，= 掣( d ) 朋+ 掣( d ) 国 【m 、 i 似) 瓦+ 委群q ) k 吃+ 碟q 徊朋c f ) ( 2 - 1 1 ) 2 1k 如” i ( d ) 鼍反+ 碟( d ) c o ，其他 兵中，符号h 表不共轭转置操作。那z , 从第m 个相关器估计出的定时偏移值为 吒= a r g m a x d il ( d ) l ：d = 0 ，) ( 2 1 2 ) b 、码字检测 当定时偏移完全估计出时，匕( 以) 幅度为 呶讪般乏t 姑胝忙3 f 掣压丽雕 c 。3 【i 厶+ 虬l ，其他 舯朋小1 2 ( 谢) 一= 蝌删艏鼬阿煅骱ll & l l i 一。 卵：丛止盟必( 2 - 1 4 ) 且 厶+ 虬i 的估计值如下 第2 章w i m a x 测距系统与初始测距算法研究 d m i 霉( d ) i ii + n i 2 箭1 ( 2 - 1 5 ) d n m + 其中，i = a r g m i n 。( i 匕( 九) 1 ) ：m 1 ，m ) 。 一 一一 如果不存在初始功率调整，则 l f y 顷h n 砜= 乒丽丽晤面 + ( 2 1 6 ) 其中，g ：喜丝尊表示信道功率增益，由于g 是未知的，因此要设计一个参数口 n d + n i 。j 可以用来代替虿。 如果存在初始功率调整，那么 i 最i 以r ( o ) ( n d + g ) ( 2 - 1 7 其中，只表示用户信号达到基站的目标接收功率。 对于基于时域相关的初始测距算法，由于该算法要在时域对多有可能的测距 码和所有可能的定时偏移进行二维搜索来进行用户检测和定时偏移估计，因此复 杂度很高。在时域搜索时相关峰受多径信道和数据用户的影响很大，且在测距用 户数多时多用户间干扰m a i 也很大，这样会导致检测性能大大下降。 2 2 2 基于频域相关的初始测距算法 基于频域相关搜索的初始测距算法【9 】是通过将所有可能的传输时延引起的相 位旋转对接收到的频域信号进行补偿，然后用所有可能的码字对所有补偿后的信 号做相关进行二维搜索，并设置一个门限，相关峰大于该门限所对应的码字及其 相应的时延即为检测到的码字及其对相应的定时偏移估计值。 假设接收方基站同时接收k 。个测距用户发送的测距信号，则接收信号厂o ) 可 以表示为 r 一l n - i r ( f ) = o ) 幸x ：( ，) + 刀( f ) 。，”2 0 ”2 0 ( 2 1 8 ) k 8 一i 跚一ll - ! 一 = c 。i v m m g lj 2 x ( f , + 玩) p 一哟一易) + 弼) l + ，z ( f ) 其中，易表示第m 个测距用户的传输时延n d ，刀( f ) 表示均值为0 ，方差为等 的复高斯白噪声。群( f ) 表示第m 个测距用户的第玎个测距子载波的信道响应。 接收信号经过f f t 变换处理，然后在相应的测距子载波上乘以所有可能的码字和 所有可能的定时偏移引起的相偏。那么，所有子载波上数据求和后的信号变成 1 4 w i m a x 系统中初始测距算法研究 r 2 荟i = 0 i = 0 彳+ ，7 ( 2 - 1 9 ) 卅= 0二。i 了， a = 吼司【司筋哪p 【- ， 2 万( z + 玩) ( 锄一易一弼) + 粥 j 测距检测就是基于所有可能的测距码和所有定时偏移的峰值二维搜索检测， 即 ( g ，) 础吲= a r g m a x r ( 2 2 0 ) c t a 如果某个测距码对应的最大iri 大于预置的门限口，则该测距码字及其相应的时 延即为检测到的码字及其对应的定时偏移估计值。 对于基于频域相关的初始测距算法，由于该算法要在频域对多有可能的测距 码和所有可能的定时偏移引起的频域相位旋转进行二维搜索来进行用户检测和定 时偏移估计，因此复杂度也很高。在频域搜索时相关峰会受多径信道的影响很大， 且测距用户数多时多用户间干扰也会很大，这样就会导致检测性能大大下降。因 此需要复杂度低且降低用户间干扰的初始测距算法来提高系统性能。 2 2 3 基于消除多用户m a i 的初始测距算法 由于基于时域相关和基于频域相关的初始测距检测算法多用户的干扰很大， 测距用户多时检测的性能很差，且性能受多径信道影响也很大。基于消除多用户 m a i 的初始测距算法【1 8 】是一种利用消除多用户干扰m a i 来提高测距检测性能的 算法。该算法首先进行连续多用户测距码检测和定时偏移估计，对检测出的测距 码进行信道估计，并在对下一个测距码检测时消除己检测到的测距码信号；最后 利用信道估计和定时偏移的信息再次对检测出的测距用户进行迭代修正来降低虚 警概率。算法原理如下： 假设接收方基站同时接收k 。个测距用户和k n 数据用户的数据，那么到达基 站的总接收信号表示为 膏月一lr n l y ( ，z ) = 以( 甩) + 瑞( 聆) + z ( 甩) ( 2 - 2 1 ) i = 0u = o 其中，z ( ，2 ) 表示复高斯噪声。经过f f t 变换，测距子载波上的数据与第f 个码字 的相关值为 r ( z 尺) = 口+ + 形 ( 2 2 2 ) a 、连续多用户测距码检测 图2 5 中给出了连续多用户测距码检测的流程图。由于信道是多径的，我们 使用一个长度为。的滑动窗口来汇集多径的功率找到最可能的时偏。然后从 相关值中找到最大的相关值。这里，足( 谚。) 是个相关值的功率和，即 第2 章w i m a x 测距系统与初始测距算法研究 1 5 r ( 乏。) ：艺i 足，只( 乏，+ j ) 图2 5 连续多用户测距码检测 z 。表示估计的滑动窗口的时偏，且 z 。= a r g m a x ir ( 力l ：d = 0 ，1 ，d 二+ 三一l 一匕) 在这个窗口内，我们可以找到测距用户的定时偏移，即 z ，月= a r g m a x ir ( d ) l ：d = 珥。，z ，。+ l 1 ) 由于存在或不存在一个测距码字f ，可以通过下式来表示 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 净 叫：搿l + 翟慧脚 协2 毋 因此，可以设置一个门限来检测该用户是否存在。 当检测出一个测距用户时，可以对该测距信号通过信道估计来获得信道脉冲 响应( c i r ) 。该测距用户的信道脉冲响应c i r 确定后，它的信号便可从剩余信号 中减去。因此第f 次剩余信号为p n ，它是通过从第( f 1 ) 次的剩余测距用户信号 中减掉得到的，即 p d = f 卜一6 d j 毫尺盒一。 ( 2 2 7 ) j - i r 一。1 b 、信道估计 假设z r = 4 那么经过信道后的频域信号为 s i = h 慷x i r c i ：( 匆二础e j 2 j r k ( $ , 月- 删+ 一+ h ( l 。- 删硝) ) g s y 加仑 q 乏8 由于在估计各径的研岩时，会受到其它径的影响。为了降低其它径的干扰，我们 采用连续干扰消除的方法。第q 径的信道脉冲响应c i r 为 1 6 w i m a x 系统中初始测距算法研究 h 2 ，r v ( m ) 粥 鲫= ( 善忡一( v ( 砒( 咖) 7 y r ( 2 - 2 9 ) = e ( q - ”( 础) i y r 其中，锹= a r g m a x ig 。( q - ( d ) i ：d = 乏，匆，+ l 一1 ) 。如果础大于某个门限， 那么，将这一径信号减掉，并计算下一径的信道脉冲响应c i r ，即 p 啪= f 卜1 x q - 1 ) 6 扣，疗按e l ( 2 3 0 ) 因此，总的估计的信道脉冲响应c i r 为 囊，尺= 础+ 廖：e j 2 口k ( 镏哪) h v + + 船1 ) g 伽珊一秽心 ( 2 31 ) 其中，q 表示对于一个检测到的测距码估计到的信道总径数。 c 、迭代的r s s 修正 我们从多用户检测获得候选列表。但是仍然存在残留干扰和虚警测距用户 r s s 会影响检测性能。前者会变成噪声影响功率估计，后者会产生虚拟的测距用 户。考虑这两方面，我们利用迭代r s s 修正方法来弥补测距成功率。对于一个检 测到的测距用户，首先减去其他检测到的用户的信号；然后再进行相关处理，获 得的最大相关值与一个门限相比较，若大于该门限则