（通信与信息系统专业论文）mcdscdma系统频率同步技术的研究.pdf

摘要 m c d s c d m a 系统载波频率同步技术的研究 专业：通信与信息系统 博士生：刘立程 指导教师：戴宪华教授 摘要 m c d s c d m a 系统作为o f d m 多载波技术与c d m a 多址技术相结合的一 种技术，兼具c d m a 系统很高的频谱效率和o f d m 系统抗符号问干扰的特性， 具有较好的应用前景。载波频率同步是m c d s - c d m a 系统的一项亟需解决的关 键问题。本文针对m c d s - c d m a 上行链路系统载波频率同步的几个重要方面进 行了理论研究和仿真实验，研究工作主要覆盖了m c d s c d m a 上行链路系统的 频偏估计和频偏补偿，并将取得的研究成果运用到o f d m a 系统的频偏估计当 中。 本文研究的主要内容可以分成以下三个部分： 1 、m c d s c d m a 上行链路系统的频偏估计 m c d s - c d m a 上行链路系统存在多载波频偏问题，它会破坏o f d m 系统子 载波的正交性，造成子载波间干扰和用户间干扰，导致系统性能的恶化。借鉴导 频辅助的参数估计思想，本文提出了三种基于导频的m c d s c d m a 上行链路系 统频偏估计算法，即时域导频算法，频域梳状导频和频域正交导频算法。仿真和 分析结果显示，这些导频算法的计算复杂度不高，在频率选择性衰落或平坦衰落 信道条件下，能够获得达到系统频偏估计要求的频偏估计效果。为了能够弥补普 通导频辅助参数估计通常会占用系统的额外带宽和降低系统信息传输效率的弱 点，本文进一步提出了两种基于隐导频的m c d s c d m a 上行链路系统频偏估计 算法，即频域子带状隐导频和频域正交隐导频算法。理论分析和仿真结果表明， 两种算法的性能均能达到系统对频偏估计的要求，并且不会对系统信息符号解调 性能造成不良影响。 摘要 2 、m c d s c d m a 上行链路系统的频偏补偿 为了消除由于频偏造成的子载波间干扰和用户间干扰，弥补现有的频偏补偿 方式占用系统额外带宽和可能造成大的时延的弱点，基于最佳线性估计的思想， 本文提出一种在m c d s c d m a 上行链路系统的基站端进行频偏补偿的频域频 偏补偿算法。该算法无需将频偏估计值反馈给各用户端，而是在基站端设法对接 收到的频域信号的频偏累积因子矩阵和频偏矩阵去除，从而消除系统由于频偏造 成的干扰。仿真结果显示，经过该频偏补偿算法处理后，系统的信息符号解调性 能接近于无频偏时的性能。 3 、o f d m a 上行链路系统的频偏估计 鉴于隐导频频偏估计算法在m c d s - c d m a 系统的频偏估计方面取得了良好 的效果，本文将基于隐导频的频偏估计思想推广到另外一种多用户o f d m 系统， 即o f d m a 系统，同样取得了满足系统频偏估计要求的性能。仿真结果分析表明， 由于o f d m a 上行链路系统的各用户使用互不重叠的子载波来发送各自的信号， 该系统接收端的用户间信号干扰要比m c d s - c d m a 系统相对较弱，隐导频频偏 估计算法更能发挥其作用。 关键词im c d s c d m a ，o f d m a ，频偏估计，频偏补偿，同步 r e s e a r c ho nt h ec a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n m a j o r ： n a m e ： i nm c - d s c d m as y s t e m s c o m m u n i c a t i o n & i n f o r m a t i o ns y s t e m s l i ul i e h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rd a ix i a n h u a a b s t r a c t a so n eo ft h et e c h n o l o g i e so fc o m b i n gt h e0 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 n m u l t i p l e x i n g ) a n dc d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。m c d s 4 2 d m a ( m u l t i p l e - c a r r i e r sd i r e c ts e q u e n c ec d m a ) s y s t e m sh a v et h ep r o p e r t i e so fv e r yh i 曲 s p e c t r u me f f i c i e n c yo fc d m as y s t e m sa n de x c e l l e n ts u p p r e s s i o no ft h ei n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c eo f0 f d ms y s t e m s a n d 锄治p r o m i s i n gi n 出ef u t u r ee o m m t m i c a t i o n s y s t e m s h o w e v e r , c a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni so n eo ft h ee s s e n t i a lp r o b l e m s i nm c d s 4 2 d m as y s t e m s i nt h i s t h e s i s t h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n ds i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa l ed o n eo naf e wk e yp r o b l e m so fc a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni n t h eu p l i n ko fm c d s c d m as y s t e m s t h ee s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o no fc a r r i e r f r e q u e n c yo t i s e t ( c f o ) i nt h eu p l i n ko fm c d s d m as y s t e m s 啪s t u d i e d , a n d 也e r e s e a r c hr e s u l t sa r ea p p l i e dt ot h ec f 0e s t i m a t i o nf o rt h eo f d m a ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) s y s t e m s m a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i si n v o l v ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： 1 t h ec f oe s t i m a t i o ni n 也eu p l i n ko fm c d s c d m as y s t e m s d u et o 也ee x i s t e n c eo fm u l t i p l ec f 0i nt h eu p l i n ko fm c d s c d m as y s t e m s 。 t h eo r t h o g o n a l i t yo ft h es u b - c a r r i e r si no f d ms y s t e m si sd e s 仃o y e d , w h i c hw i l lc a u s e t h ei n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p l eu s e ri n t e r f e r e n c er e s u l t i n gi nt h es e r i o u s p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n r e s o r t i n gt ot h ei d e a lo fp i l o t a i d e dp a r a m e t e r se s t i m a t i o n , t h r e ep i l o t - b a s e dc f 0e s t i m a t o r sa r ep r o p o s e df o rt h eu p l i n ko fm c d s c d m a s y s t e m s ，i e ，t i m e - d o m a i np i l o ta l g o r i t h m , f r e q u e n c y - d o m a i nc o m b - p i l o ta l g o r i t h m a n df r e q u e n c y - d o m a i no r t h o g o n a l - p i l o ta l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e c o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yo ft h e s ea l g o r i t h m si sl o wa n dt h eg o o dp e r f o r m a n c e sw h i c h m e e tt h e s y s t e mc f oe s t i m a t i o nr e q u i r e m e n t 锄冶o b t a i n e dt h r o u g hf r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l so r f l a t f a d i n gc h a n n e l s t oc o m p e n s a t et h e c o m i i l o n d i s a d v a n t a g e so fo c c u p y i n ge x t r as y s t e mb a n d w i d t ha n dd e g r a d i n gt h es y s t e m t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fp i l o t a i d e de s t i m a t o r s a n o t h e rt w os u p e r i m p o s e d p i l o t b a s e dc f 0e s t i m a t i o na l g o r i t h m s l e oa d d r e s s e di nt h i s 也e s i s t h e ya r es u b b a n d s u p e r i m p o s e dp i l o t e s t i m a t o ra n do r t h o g o n a l s u p e r i m p o s e dp i l o te s t i m a t o r , r e s p e c t i v e l y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e 也a tt h e s et w o a l g o r i t h m sc a na c h i e v et h ec f 0e s t i m a t i o ng o a lr e q u i r e db ys y s t e m sa n dw i l ln o t b r i n gb a de f f e c t st ot h ei n f o r m a t i o ns y m b o l sd e m o d u l a t i o n 2 t h ec f 0c o m p e n s a t i o ni n 也eu p l i n ko fm c d s - c d m as y s t e m s i ne f f o r tt oe l i m i n a t et 1 1 ei n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea n dm u l t i p l eu s e ri n t e r f e r e n c e b r o u g h tb yt h ec f 0a n dt oi m p r o v et h ee x i s t i n gc f 0c o m p e n s a t i o nm e t h o d sw i t ht h e d i s a d v a n t a g e so fo c c u p y i n gt h ee x t r as y s t e mb a n d w i d t ha n d o rl o n gd e l a y , an e w b e s t l i n e a re s t i m g i o nb a s e df f e q u e n c y - d o m a i nc f oc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sp r o v i d e d f o rb a s es t a t i o ne n d w i t h o u tt h ef e e d b a c ko fe s t i m a t e dc f ov a l u e st ou s e r s e n d s i t r e s o l v e st h es y s t e mi n t e r f e r e n c ed u et ot h ec f ob yr e m o v i n gt h ec f oa c c u m u l a t i o n f a c t o rm a t r i xa n dc f 0m a t r i xf r o mt h er e c e i v e ds i g n a l si nb a s es t a t i o ne n d i ti s s h o w ni ns i m u l a t i o nr e s u l mt h a ta r e ra p p l y i n gt h ec f oc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m , t h e p e r f o r m a n c eo f 也es y s t e mi sc l o s et ot h eo n eo ft h es y s t e mw i t h o u tc f o 3 t h ec f oe s t i m a t i o ni n 也eu p l i n ko f0 f d m as y s t e m s o w i n gt ot h ee x c e l l e n tc f 0e s t i m a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eo r t h o g o n a ls u p e r i m p o s e d p i l o te s t i m a t o ri nt h eu p l i n ko fm c d s c d m as y s t e m s t h ei d e a lo ft h es u p e r i m p o s e d p i l o ti sp r o m o t e da n de x p l o i t e df o rt h ec f 0e s t i m a t i o no fo f d m as y s t e m sa n dt h e g o o dc f 0e s t i m a t i o np e r f o r m a n c ei so b t a i n e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n a l y s i s 血es u p e r i m p o s e dp i l o ta l g o r i t h mc a nm a k eb e t t e ri no f d m a s y s t e m st h a ni nm c d s c d m as y s t e m sa st h em u l t i p l eu s e ri n t e r f e r e n c ei sw e a k e ri n o f d m as y s t e mt h a n k st ot h en o n o v e r l a p p e ds u b c a r r i e r so c c u p i e db yd i f f e r e n tu s e r s i no f d m a s y s t e m s k e yw o r d s ：m c d s - c d m a , o f d m a , c a r r i e rf r e q u e n c ye s t i m a t i o n ，c a r r i e r f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o n i v 原创性及学位论文使用授权声明 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刭乏铉 日期：9 0 * g 年r2 月f 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构 送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：乏j 7 乏名 - 4 日期：。2 年yz 月j 日 导师签名：戴宪华 e l 期：加汐牌f 二月日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。目前，移动通信已从模拟 通信发展到数字通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段的目标发展。在 这个发展过程中，作为一种高效传输技术的正交频分复用( 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 ，o f d m ) 技术，正受到人们的广泛关注和重视。o f d m 技术 已经成功地应用在数字视频广播高清晰电视，非对称数字用户线和无线局域网 等系统中 1 3 】。作为一种多载波调制技术，o f d m 在多个载波上分别调制数据， 并行发送。为了节省带宽，各个载波之间是相互正交的。o f d m 是下一代( 的) 移动通信系统的关键技术之一【4 一1 0 】，它存在以下的主要优点 1 l 】： l 、把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 对增加从而可以有效地减少无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰 ( i n m r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，减少了接收机内均衡的复杂度。 2 、各个子信道的正交调制和解调可以采用离散反傅立叶变换( i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m , i d f t ) 和离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 。d f t ) 来实 现，而得益于大规模集成电路和d s p 的快速发展，实现d f t d f t 的硬件模块 已经成熟，因此o f d m 技术的硬件实现变得比较简单。 3 、相比于传统的频分多路传输方式，o f d m 系统利用各子载波间的正交性， 允许各个子信道的频谱相互重叠，以最大限度利用频谱资源。而且o f d m 系统 还可以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。 4 、o f d m 可以容易与其它多种接入方式相结合使用，构成多用户o f d m 系 统其中包括正交频分多址接入( 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 ea c c e s s o f d m a ) 系统 1 2 - 1 5 】，多载波码分多址( m u l t i - c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， m c c d m a ) 系统【l 6 一l9 】、多载波直扩码分多址( m u l t i c a r r i e rd i r e c ts e q u e n c ec o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 。m c d s - c d m a ) 系统 2 0 2 2 】以及多输入多输出正交频分 ( 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 to 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 p l e x i n g ， m i m o - o f d m ) 系统 2 3 2 8 1 等，使得多个移动用户可以同时共享有限的频谱资源。 中山大学博士学位论文tm c d s - c d m a 系统频率同步技术的研究 但由于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，o f d m 系统存在如下主要缺点 【1 1 ，2 9 3 0 】： 1 、易受载波频率偏差( c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t 。c f o ) 的影响。由于发射机载 波频率与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，或者由于移动终端的相对运动产 生的多普勒频移，使得接收端在信号接收过程中会出现信号的频率偏移，这会破 坏子载波间的正交性，导致子信道间的信号相互干扰，从而造成系统的解调性能 的下降和误码率的提高。 2 、存在较高的峰值平均功率比( p o w e ra v e r a g er a t i o 。p a r ) 。由于多载波调制 系统的输出是多个子信道信号的叠加，当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大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率 比。如果发射机内放大器的动态范围不能满足信号的这种变化，则会为信号带来 畸变，从而可能导致系统的性能恶化。 目前，o f d m 系统的关键技术包括以下几个方面：时间和频率同步技术，信 道估计技术，信道编码技术，降低峰值平均功率比技术等。其中，由于o f d m 对频率偏移十分敏感，频偏估计和补偿技术显得尤为重要。在o f d m 频率同步 方面，人们做了大量的研究工作，有关o f d m 系统的频率同步技术问题己有许多 研究成果发表。以单用户o f d m 系统为例，已经提出的o f d m 系统的频率同步 方法主要可以分为以下两大类： 第一类是盲估计的方法 3 1 3 7 ，该方法利用o f d m 符号结构中的冗余部分， 比如循环前缀( c i r c u l a rp r e f i x ，c p ) 3 3 1 、虚载波( x r t r t u a ls u b c a r r i e r s ，v s ) 3 6 、空载 波( n u l ls u b c a r r i e r s 。n s ) 3 4 或对接收信号进行过采样【3 5 】来估计频偏。盲估计频 偏算法的优点是不需要在发射端加入额外的信息，不影响信息的传输效率；缺点 是该类方法计算复杂度普遍较高，一般需要经过对多个o f d m 接收符号进行处 理才能取得较好的频偏估计效果。 第二类是通过插导频符号来辅助频偏估计的方法 3 8 - 4 3 】，该方法通过在 o f d m 符号的某些位置插入已知导频符号或训练序列来帮助进行频偏估计。导 频辅助频偏估计方法的优点是可以快速地得出精确的估计值，而且利用导频可以 更好地实现信道和频率偏差的联合估计；缺点是导频占用了信号的发射带宽，降 2 第l 章绪论 低了频带的利用率；而且。当插太多相同的导频时可能带来信号峰值平均功率比 过高的问题。 经过专家和学者的不断研究，到目前为止，单用户o f d m 系统的频偏同步 技术和方案已经日趋成熟，但对多用户o f d m 系统的频偏同步技术的研究则还 在进行之中。一般地，单用户o f d m 系统存在的仅是单频偏估计问题，而在多 用户o f d m 系统，尤其是在系统的上行链路中( 即从多个发射终端到1 个接收 基站的信号链路) ，由于每个发射终端与基站之间可能存在不同的载波频偏，于 是在多用户o f d m 的上行链路系统中普遍存在的是多频偏估计问题。相对于单 用户o f d m 系统而言，多用户o f d m 上行链路系统的接收端接收到的是多个用 户同时到达的混叠信号，多个频偏的存在不但影响每个用户自身的所有子载波信 道上的信号，而且还会使得各用户间产生子载波间的信号干扰。用户间干扰 ( m u l t i p l eu s e r si n t e r f o r e n c o ，m u i ) 的存在，增加了对多频偏估计的难度和复杂度， 使得单用户o f d m 系统的频率同步技术不能直接应用于存在多频偏的多用户 o f d m 系统。在现有的针对各种多用户o f d m 上行链路系统的多频偏估计的算 法中，基本上也可以类似地分成导频辅助估计和盲估计两大类型。 对于正交频分多址接x ( o f r ) m a ) 上行链路系统的频率同步问题，目前已经出 现有较多的算法 4 4 - 4 9 1 。由于在o f d m a 系统中，不管采用哪种子载波分配方式， 每个用户所占用的子载波是不相同的。这就使得在接收端可以采用适当的滤波器 组来分离出各用户的信号，从而可能将多频偏估计问题转化成单频偏估计问题。 在已有的这些频率同步算法中，有针对子载波子带分配式的o f d m a 系统的 4 8 - 4 9 1 ，有针对子载波交织分配式的o f d m a 系统的 4 4 1 ，还有针对子载波动态 分配式的o f d m a 系统的 4 5 4 7 】。所采用的频偏估计方式有属于导频辅助估计类 型的 4 5 4 6 】，或盲估计类型的 4 4 ，4 8 4 9 】。在对频偏进行估计的算法中，基于最 大似然( m l ) 法并对其计算复杂度进行简化的方法 4 6 1 ，基于子空间分解的盲估计 算法( 如m u s c 4 4 1 ) 等使用得比较多虽然能取得较好的估计效果，但同时需 要较大的计算量。 在多输入多输出技术与o f d m 技术结合形成的m i m o o f d m 系统中，由于 发射天线的增加导致在接收天线端存在多个用户间的信号干扰 5 0 1 。由于所有用 户占用相同的子载波来发送各自的信号，在接收端无法象o f d m a 系统那样利用 中山大学博士学位论文tm c d s - c d m a 系统频率同步技术的研究 滤波器组来分离频域信号。在m i m o o f d m 系统的频偏估计算法中 5 1 5 9 ，属 于导频类估计算法 5 1 5 4 】的代表算法有采用重复序列构成训练序列，通过接收信 号作延迟相关后取相位得到频偏估计的算法，以及利用重复的相互正交的序列组 成训练序列，通过利用接收信号域本地序列作相关来获得频偏信息的算法等：而 属于盲估计类型的代表算法 5 5 5 9 有不虚要训练序列，仅利用虚载波进行频偏估 计的算法，以及基于k u r t o s i s 的盲频偏估计算法等。 作为o f d m 调制技术与c d m a 多址接入技术相结合而产生的其中一种多用 户o f d m 系统，m c - c d m a 上行链路系统的多载波频偏估计 6 0 6 3 也得到了学 者的关注。在m c c d m a 上行链路系统中，由于各用户占用相同的子载波来传 输各自的经过频域扩频的信号，多频偏造成的用户间干扰使得单用户频偏估计方 法无法直接运用到该系统。利用导频来进行m c - c d m a 系统频偏估计的算法见 文献 6 4 6 5 ；在已有的m c - c d m a 系统盲估计算法 6 6 7 0 1 ，比较重要的有基 于子空间分解的频偏估计算法 6 8 1 和基于e m 的算法及其改进算法 6 9 7 0 l 。 而另一种由o f d m 调制技术与c d m a 多址接入技术相结合而得到的多用户 o f d m 系统是m c d s c d m a 系统它的上行链路系统同样也存在多载波频偏 对系统性能的影响问题 7 1 7 3 1 。与m c c d m a 系统在信号发射结构上采用频域 扩频的方式不同，m c d s - c d m a 系统采用的是时域扩频码来对各子载波上的信 号进行扩频，因此m c c d m a 系统的频偏估计算法无法直接运用到 m c d s c d m a 系统。与m c c d m a 系统类似，频偏造成的用户间干扰使得单 用户频偏估计方法也无法直接运用到该系统。到目前为止，针对m c d s c d m a 上行链路系统的频偏估计算法还未见公开发表。 在c d m a 多址接入宽带传输的无线通信技术中，单载波直扩c d m a 系统 ( s c d s c d m a ) 2 2 和多载波的m c c d m a 系统及m c d s - c d m a 系统都是备选 的宽带无线通信系统。它们在不同方面有各自的优缺点，但在复杂多变的通信环 境中。尤其是当信号带宽达到几十甚至上百兆赫兹并且信息的传输速率要求达到 上兆比特每秒时，s c d s c d m a 系统和m c c d m a 系统的性能都有所下降主 要表现在频率分集技术不能充分发挥其优点，需要高复杂度的多用户检测技术等 等 2 0 1 。而m c d s c d m a 系统在一定程度上可以看作是s c d s - c d m a 系统和 m c - c d m a 系统在结构和性能上的一个折衷。通过灵活地调整m c d s - c d m a 4 第l 章绪论 的系统参数，尤其是配合使用发射分集技术之后，它能够较好地适应复杂多变的 宽带无线通信环境，缓解上述影响s c d s - c d m a 系统和m c c d m a 系统性能的 问题 2 0 1 。由此可见，m c d s c d m a 系统是一种很有应用前景的多用户宽带无 线通信接入系统。 综上所述可知，多频偏的存在会破坏o f d m a ，m i m o - o f d m ，m c c d m a 以 及m c d s c d m a 等多用户o f d m 系统子载波间的正交性，导致子载波信道的 信号相互干扰从而严重降低了系统的解调性能，因此必须设法将其去除。而正 如前面的有关介绍可知，多用户o f d m 上行链路系统的频率同步技术目前正处 于初步研究阶段，已提出的成熟算法不多，还有许多地方需要进一步地改进。尤 其是m c d s c d m a 上行链路系统，目前尚缺乏有效的频偏估计和补偿的算法。 如何使m c d s - c d m a 系统以最小的代价取得满意的频率同步性能以满足未来 无线通信系统的要求，是一项具有挑战性，而且非常有意义的工作。 因此，本文把选题定在重点研究m c d s c d m a 上行链路系统的载波频率同 步目的之一是提出一种适用于m c d s - c d m a 上行链路系统的性能良好的多频 偏估计算法，该算法应该具有较小的计算复杂度和达到系统频偏估计要求的较低 的频偏估计误差，并且频偏估计的范围要足够大( 能覆盖归一化频偏的取值范 围) ，所得的频偏估计值是无偏的；目的之二是针对m c d s - c d m a 上行链路系 统提出一种能在基站端进行的有效的频偏补偿方案，以消除由于多用户频偏造成 的子载波间干扰和用户间干扰，顺利实现对信息符号的解调。在研究的过程中， 本文还尝试把在m c d s - c d m a 系统所提出的基于隐导频的频偏估计算法推广 应用到了o f d m a 等多用户o f d m 系统的频偏估计当中。 需要明确指出的是，本文各章所提出的m c d s - c d m a 上行链路系统多频偏 估计算法的前提条件是以下的几个假设条件： 1 ) 假设系统已经经过频偏的粗同步，系统的整数倍频偏已得到补偿，仅存在 分数倍频偏，即算法所针对的是系统的细频偏估计阶段。在该阶段中，归一化频 偏的取值范围在( 旬5 ，0 5 ) 之间。系统的粗同步一般可以通过相关法来进行捕获而 实现。 2 ) 假设上行信道是慢变或时不变的平坦衰落或频率选择性衰落信道，各用户 信号所经历的信道是相互独立的，信道噪声是均值为零的加性高斯白噪声。这里 s 中山大学博士学位论文tm c d s - c d m a 系统频率同步技术的研究 的“慢变时不变”是指至少在一个完整的扩频周期内信道的频率响应是缓慢变 化或是不变的。由于在m c d s c d m a 系统里，扩频码的周期相当于一个信息码 元的周期，在这么短的时间周期内，信道的变化一般是很缓慢的，所以这样的假 设通常是成立的。 3 ) 假设各用户的频偏在信号处理期间也是慢变或不变的。由于收发两端本振 信号的频率不匹配造成的频偏是相对固定的，由多普勒频移造成的频偏在终端移 动时相对速度不发生突变时也是变化十分缓慢的，所以该假设在绝大多数情形下 也是成立的。 4 ) 假设各用户通过上行链路到达基站的信号是同步的，或者即使不同步，但 信号的最大相对延迟比较小( 小于循环前缀长度) ，而且是扩频码片持续时间的 整数倍。系统的定时偏差可以通过有关的时偏同步算法来获得并进行时偏补偿， 因此用户间的定时同步可以在进行频率同步之前完成，已确保各用户达到接收端 的信号的正确同步。 1 2 本文的主要工作和创新点 本文主要围绕m c d s c d m a 上行链路系统的载波频率同步问题开展研究工 作。首先研究了m c d s c d m a 上行链路系统的多载波频偏估计问题，提出了基 于导频和隐导频的两大类频偏估计算法；其次研究了m c d s - c d m a 系统多载波 频偏补偿问题，提出了一种简易的频域频偏补偿方案；最后，探讨了如何将基于 隐导频的频偏估计算法运用到o f d m a 等多用户o f d m 系统中。 在对m c d s - c d m a 上行链路系统信号收发过程的研究和分析的基础上，本 文对该系统的时域和频域接收信号作了进一步的推导，得出了它们的矩阵表示形 式，为本文提出的各种m c d s c d m a 上行链路系统的频偏估计算法提供了研究 对象和思路。总的说来，本文所做研究工作的创新之处主要有如下几点： 1 提出三种基于导频的m c d s - c d m a 系统多频偏估计算法 m c d s c d m a 上行链路系统存在多载波频偏问题，它会破坏系统子载波间 的正交性，造成子载波间干扰和用户间干扰，导致系统性能的恶化。为了得到系 统的多个载波频偏估计值，基于导频辅助的参数估计思想，本文提出了三种基于 导频的m c d s c d m a 上行链路系统频偏估计算法，包括时域导频算法，频域梳 状导频算法和频域正交导频算法。利用特殊设计的导频方案，这些导频算法的计 6 第l 章绪论 算复杂度不高，在频率选择性衰落或平坦衰落信道条件下，能够获得满足系统频 偏估计要求的频偏估计效果。其中的时域导频算法能对信道进行联合估计。在梳 状导频算法中，我们首次将傅立叶变换运用到频偏估计算法当中，即利用傅立叶 变换对随机信号序列的平滑作用来抑制用户间的信号干扰，在确保算法频偏估计 的可靠性和有效性方面发挥了重要的作用。 2 提出两种基于隐导频的m c d s - c d m a 系统多频偏估计算法 导频辅助的参数估计算法由于要在发送端的信息符号间插入导频符号，会占 用系统的发射信号带宽，严重时将降低系统的信息传输效率。因此，为了不占用 系统的额外信号带宽和不影响系统的信息传输效率，基于隐导频的参数估计思想 7 4 7 6 ，本文提出了两种基于隐导频的m c d s c d m a 上行链路系统频偏估计算 法，包括频域子带状隐导频和频域正交隐导频算法，两种算法的性能都达到了系 统对频偏估计的要求。其中子带状隐导频频偏估计算法适用于平坦衰落信道，正 交隐导频频偏估计算法则适用于频率选择性衰落信道。在频域正交隐导频算法 中，傅立叶变换法再次发挥了抑制用户间信号干扰的作用，确保了算法频偏估计 的稳定可靠和有较高的精度。在这两种算法中，由于叠加到信息符号的隐导频符 号的平均功率可以降低到信息符号平均功率的1 0 以内，隐导频对信息符号的解 调没有大的影响。基于隐导频的频偏估计算法适合于系统需要对频偏进行跟踪的 场合。 3 提出一种m c d s - c d m a 系统频域频偏补偿算法 为了消除由于频偏造成的m c d s - c d m a 上行链路系统子载波间干扰和用户 间干扰，当获得了系统的频偏估计之后，还需要对频偏进行补偿。现有的频偏补 偿方法主要是通过一条下行链路将频偏估计值发送回各用户端，在各用户端进行 频偏补偿。为了克服上述频偏补偿方式占用系统额外带宽和可能造成较大时延的 缺点，基于最佳线性估计的思想 7 7 7 8 1 ，本文提出一种在m c d s - c d m a 上行链 路系统的基站端进行频偏补偿的频域频偏补偿算法。该算法无需将频偏估计值反 馈给各用户端，而是在基站端对接收到的频域信号分两步地通过将各用户的频偏 累积因子矩阵和频偏矩阵去除，从而消除系统由于频偏造成的干扰。 4 提出一种基于隐导频的o f d m a 系统多频偏估计算法 现有的o f d m a 上行链路系统的频偏估计算法中，还没有见到基于隐导频的 7 中山大学博士学位论文tm c d s - c d m a 系统频率同步技术的研究 频偏估计算法。鉴于本文提出的m c d s - c d m a 上行链路系统的隐导频频偏估计 算法取得了良好的效果，我们将该隐导频算法的主要思想推广应用到o f d m a 上 行链路系统，提出了一种基于隐导频的o f d m a 上行链路系统的频偏估计算法， 取得了满足系统频偏估计要求的性能。相对于m c d s c d m a 上行链路系统而 言，由于o f d m a 上行链路系统的各用户使用互不重叠的子载波来发送各自的信 号，该系统接收端的用户间信号干扰要比m c d s c d m a 系统相对较弱，更有利 于隐导频频偏估计算法性能的发挥。 1 3 本文的基本结构和内容 本文的内容一共分成七章，以下是各章的主要内容： 第1 章是本文的绪论部分，对论文的选题背景和意义，论文的创新点和论文 的内容安排等方面进行了介绍，目的是让读者清楚本文的主要研究工作内容和目 标： 第2 章介绍了单用户o f d m 系统和多用户o f d m 上行链路系统的频偏问题。 其中，除了对单用户o f d m 系统频偏估计的现有算法做了研究和总结之外，重 点给出了o f d m a ，m i m o o f d m ，m c c d m a 和m c d s c d m a 上行链路系统 的带频偏影响的信号模型，并研究和分析了多频偏对各系统性能的影响； 第3 章首先推导了带频偏的m c d s c d m a 上行链路系统的时域和频域信号 模型的矩阵表示形式，提出了基于这两种信号模型的用来进行频偏估计的导频设 计思想：然后详细地介绍了本文提出的针对m c d s c d m a 上行链路系统频偏估 计的时域导频算法和频域导频算法( 其中的频域导频算法包括了梳状导频和正交 导频两种算法) ，并对各种算法的仿真结果进行了分析和总结； 第4 章针对m c d s - c d m a 上行链路系统频偏估计，详细介绍了本文提出的 子带状隐导频频偏估计算法和正交隐导频频偏估计算法，并分别对两种算法的仿 真结果进行了分析和总结； 第5 章首先对o f d m a 和m i m o - o f d m 等多用户o f d m 上