（通信与信息系统专业论文）适合多基站分布式结构的同步技术研究.pdf

中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 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也遵守此规定。 作者签名： 年月日 适合多基站分布式结构的同步技术研究 摘要 无线移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，即无线传输技术。多输入多输出 ( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t , m i m 0 ) 天线技术以其有效的抗衰落特性和高的频谱效率 受到了人们广泛的关注与此同时，多载波调制技术( o f d m ) 的每个子信道上的频率选择性 衰落是平坦的，可以较好的对抗频率选择性衰落将m i m o 和o f d m 技术结合起来，可以 提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性另外，o f d m 由于码率低 且加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径时延小于保护问隔时系统不受码 间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带o f d m 系统依靠m i m o 技术消除阴影效应 同步始终是通信技术( 尤其是数字通信技术弼i 域一个重要的技术问题随着现代通信与 网络技术的飞速发展，同步的重要性更加突出许多先进的通信技术与系统，如o f d m 、 w c d m a 和t d s - c d m a 等，都要求精确地实现载波同步、时钟同步与码序列同步，否则系 统的优越性能将得不到保证，先进性也无从发挥 m i m o o f d m 系统中的时频同步技术需要更多的系统资源开销，并且在分布式m i m o 系统中，还需要同时维护若干跟天线之间的同步，有着更大的挑战性现有的s i s o - o f d m 中的同步技术不能直接应用到m i m o - o f d m 中总结了现有的包括集中式m i m o o f d m 和 分布式m i m o - o f d m 系统中的同步方法，并在一种新的分布式三角形小区结构的基础上， 设计了适用于分布式系统的前导符号结构，进而提出一种新的m i m o - o f d m 同步方法 该同步方法不需要在接收信号与本地序列之间做o f d m 符号长度的相关其相关长度 可以缩短到经典时域相关方法所需长度的1 4 ，在相关后再对相关值做简单处理即可仿真 结果表明，本文提出的算法在保持同步性能不变的情况下，可以大幅度减少运算量，缩短码 字同步所需时间。 关键字： 多入多出系统( m d 订o ) ，m i m o - o f d m ，分布式，同步，周期性，时域相关 3 适合多摹站分布式结构的同步技术研究 a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e r n s ，t h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mi st h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sap o p u l a ra c c e s ss c h e m ef o r i t si u s e n s i t i v i t yo ff a d i n ga n dh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y m e a n w h i l e ，o r t h o g o n m 疗e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) se v e r ys u b - c h a n n e li sf i a tf r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ，w h i c hi sr o b u s t a g a i n s t 丘e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n ge n v i r o n m e n t c o m b i n e dm i m ow i t ho f d m m i m o - o f d m n o to n l ye n h a n c e st h ed a t ar a t e s ，b u ta l s ob e c o m e sm o r er o b u s tu s i n gd i v e r s i t y b e s i d e s d u et oi t s l o wd a t ar a t e so ns u b c h a n n e la n dc y c l i cp r e f i x ( c p ) ，o f d mh o l d sa na d v a n t a g ew i t h s t a n d i n g m u l t i - p a t hf a d i n g t h ec pc a nm i t i g a t et h ee f f e c t so fi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c eo s l ) w h e nt h e m a x i m u md e l a yi ss m a l l e rt h a nt h ec p sl e n g t h t h e r e f o r e t h eb r o a d b a n d0 f d m s y s t e m sa r e s u i t a b l ef o rt h es i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r kw h i c hu s e 5m i m ot om i t i g a t es h a d o we f f e c t s y n c h r o n i z a t i o ni sa l w a y sac r u c i a lp r o b l e mi nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nt h e d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k ， s y n c h r o n i z a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ee s s e n t i a l l o t so fm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a n ds y s t e m s ，s u c h 淞0 f d m 、w c d m a t d s - c d m a a l lr e q u i r e p r e c i s es y n c h r o m z a t i o n i n s u b e a r r i e r , c l o c ka n dc h i pl e v e l o t h e r w i s e ，t h es y s t e m s a d v a n t a g ec a l ln o tb eg u a r a n t e e da n dt h e s u p e r i o r i t yc a nn o tb ee m b o d i e d t h es y n c h r o n i z a t i o ni nm i m o o 肋mr e q u i r e sm o r er e s o u r c e s b e s i d e s , i nd i s t r i b u t e d m i m o - 0 f d m ，m u l t i p l ea n t e n n a s s y n c h r o n i z a t i o nh a st ob em a i n l i n e da tt h es a m et i m e a l l t h e s em e a nm o r ec h a l l e n g i n gt os y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s t h e r e f o r c e x i s t e ds y n c h r o n i z a t i o n m e t h o d si ns i s o - o f d mc a nn o tb ed i r e c t l yi m p l i e di nm 蹦o - o f d m t h es y n c h r o n i z a t i o n m e t h o 出a r es u m m a r i z e di nb o mc e n t r a l i z e dm i m o o f d ma n dd i s t r i b u t e dm i m o o f d m s y s t e m s f u r t h e r m o r e ，b a s e do nan e wd i s t r i b u t e dt r i a n g l ec e l ls t r u c t u r e d ，ap r e a m b l es t r u c t u r e s u i t a b l ef o ri ti sd e s i g n e da n dan o v e lm i m o o f d ms y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e da l s o w i mt h ep r o p o s e ds 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 c e i v e ds i g n a l sd on o tn e e dt oc o r r e l a t e w i t ht h el o c a ls e q u e n c ew h o s el e n g t hi ss a m ea st h eo f d ms y m b o l s i n s t e a d , t h ec o r r e l a t o r s l e n g t hc a nb es h o r t e n e dt o o u e f o u r t ho fo r i g i n a lf o l l o w e db ys o m es i m p l eo p e r a t i o n s t h e s i m u l a t i o nl e s u l t ss h o wt h a t ，w h i l em a i n t a i n i n gt h es y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ea sg o o da s t r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h ep r o p o s e dm e t h o dg r e a t l yr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo fs y n c h r o n i z a t i o n , a n d s h o r t e n st h ep e r i o df o rc o d es y n c h r o n i z a t i o n k e y w o r d s ： m i m o ，m i m o o f d m ，d i s t r i b u t e d ，s y n c h r o n i z a t i o n , c y e l i c i t y , t i m ed o m a i nc o r r e l a t i o n 4 适合多基站分布式结构的同步技术研究 第1 章绪论 本章将简要回顾无线通信领域研究的发展历程及现状，展望未来技术的发展趋势。透过 这一发展过程，分析揭示未来移动通信中无线传输技术所面l 临的挑战，提出本课题的主要研 究任务和意义，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1 1 历史与背景 移动通信是目前通信技术中发展最快的领域之一，对人类的生活和社会的发展产生了重 大的影响。所谓移动通信就是移动对象借助于电磁波辐射实现的无线信息传输。包括移动对 象之间的通信，或移动对象与固定对象之问的通信，移动对象可以是人，也可以是汽车、火 车、轮船、飞机等在移动状态中的物体移动通信属于无线通信范畴，是一种特殊的无线通 信其特别之处在于：第一，传输链路中存在以电磁波为载体的空中接口这一重要环节，即 所谓的无线连接：第二，允许用户终端在某一电磁波覆盖范围之内不间断通信并到处移动， 也就是动中通。以上两个特点决定了它特有的应用价值和特殊的技术难度。这里首先简要回 顾一下移动通信的发展历史，由此窥视现代移动通信飞跃发展的历程。 1 1 1 移动通信的发展历史 移动通信可以说是从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年5 月1 8 日，意大利人马可 尼( g u g l i e l m o m a r c h e s e m a r c o n i ) 所完成的那次历史性的无线通信实验就是横跨布里斯托尔 ( b r i s t 0 1 ) 海峡在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为1 4 公里 现i 弋移动通信技术的发展大致可以分为六个阶段第一阶段为移动通信的早期发展， 1 9 2 0 年代至1 9 4 0 年代在这一阶段，马可尼开创的无线通信技术开始从电报通信向语音通 信发展，首先开发出使用短波频段的专用无线通信系统，例如美国底特律市警察使用的车载 无线电系统。 随后，移动通信开始向公用无线网过渡，进入第二个阶段：人工交换的公用无线通信系 统阶段美国贝尔实验室研制成功人工交换接续的无线通信系统，并于1 9 4 6 年根据美国联 邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 的计划在圣路易斯城建立了世界上 第一个公用汽车电话网，取名“城市系统” 第三阶段是1 9 6 0 年代中期至1 9 7 0 年代中期的自动交换的大区制无线通信系统。这一阶 段是移动通信改进和完善的阶段其特点为采用大区制的无线通信系统、中小容量、能够自 动选择无线频道和自动接续到公用电话网。 之后，于1 9 7 0 年代初。美国贝尔实验室提出“小区”理论。小区制即蜂窝移动通信技 术，相对于“大区”概念，蜂窝移动通信网络把通信服务区划分为多个邻接的小区，好像蜂 窝一样覆盖整个服务区，每个小区设立一个通信基站，负责有限范围内( 小区) 的移动终端 的无线通信。如果该部手机进入另一个小区，就自动切换到新小区内的基站信道实现不问断 5 适合多幕站分布式结构的同步技术研究 通信。蜂窝网所有的基站通过线缆联结到一个移动交换机控制机，再和市话交换机相联。加 上大规模集成电路器件和微处理器的出现为实现无线通信复杂通信系统提供了强有力的支 持，移动通信终端逐步实现了便携化、袖珍化。移动通信技术的发了进入了第四个阶段，小 区制模拟移动通信阶段。在这一阶段，频分多址技术( f 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 ， f d m a ) 、时分多址( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s t d m a ) 、码分多址( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 等无线接入技术也使移动通信不断走向完善，并为用户引入了无缝的国际漫 游功能。模拟制蜂窝移动通信网成为使用系统，把我们社会真正带入了个人移动通信时代 第代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 是基于模拟通信技术的，模拟调频( 胁f ) 加上频分多址接入 ( f d m a ) 是它的技术要点。第一代蜂窝移动通信系统存在频带利用率低、保密性差、终端体 积大等缺点。 随着数字信号处理与大规模集成电路技术的长足发展，移动通信技术很快的进入数字 化，它在关键的空中接口环节上采用了一系列的数字信号处理技术，其中包括信源压缩编码、 数字加密、信道编码、数字调制等；此外，在多址方式上，采用了更加灵活，高效的时分多 址( t d m a ) 和码分多址接入( c d m a ) 技术；在业务上，除了移动电话外，还支持最大速率不 超过9 6 k b p 的窄带数据传输。目前，世界上市场份额占主导地位的就是具有上述特点的数 字蜂窝移动通信系统，即通常所说的第二代移动通信系统( 2 g ) 随着计算机的大量应用和网络技术的不断进步，数据传输业务在现代通信业务中的比例 逐年上升。移动电话的便利使人们对无线数据传输产生自然而然的期盼，以至于人们早己勾 勒出个人通信( p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n ) 的美好前景。作为一个近期目标，第三代移动通信( 3 0 ) 及其所提供的多媒体业务即将走人人们的生活。 国际电联( 删) 对第三代移动通信系统的总体要求都体现在i m t2 0 0 0 上，概括地讲有 以下特点： 占用更高的频段( 2 0 h z ) 和更大的带宽( s m h z ) ； 支持更高速率的多媒体业务：话音、数据传输、无线互联网接入、运动图像传输等： 支持更高速率的数据传输；室内2 m b p s 、室外步行3 8 4 k b p s 、室外高速移动1 4 4 k b p s ； 与第二代移动通信网兼容； 具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。 毋庸置疑，无线传输技术( 姗是第三代移动通信系统中最重要的组成部分，也是世界 各国、各地区为形成未来通信体制而展开争论的焦点。无线传输技术主要包括多址技术，调 制技术、信道编码及交织、双工技术、物理信道结构与复用、帧结构、无线资源分配与链路 控制、r f 信道参数设置等等。根据u 的一般要求和目标，世界各国、各地区组织对第三 代移动通信系统无线传输技术进行了广泛而持久的研究，并提出了多种技术方案，逐步形成 了被国际社会认可的三个主要标准：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 移动通信无线传输系统的特殊性，使得实现宽带多媒体通信要比固定网难得多。尽管如 此，人们对移动通信仍寄予厚望。人们总希望现有固定网能支持多媒体业务，甚至那些只存 6 适合多基站分布式结构的同步技术研究 在于想象中的通信业务在未来的移动通信中都能予以实现。所以人们认为，最高速率只有 2 m b p 的第三代移动通信系统称不上真正的宽带多媒体通信，于是。在提出3 g 技术方案的 同时，便有人提出超3 g ( b p 后3 g ) 的无线传输技术研究，甚至纷纷提出4 q5 g 的概念。 第四代移动通信系统( 4 g ) 在业务上、功能上、频带上都将不同于第三代系统，它可称为 宽带接入( b r o a d b a n da c c e s s ) 和分布网络具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力，其主 要的指标有： 为用户终端提供商达几十到上百m b v s 的峰值无线数据传输速率，支持包括高速互联网 数据下载、高质量视频点播在内的各种媒体传输业务，使之成为真正意义上的宽带多媒体无 线移动通信系统： 与i n t e r n e t 技术高度结合，相互补充、相得益彰，使之成为一个具有强大生命力和 广阔市场前景的无线移动通信系统： 开发新频段并大幅度提高无线传输技术的频谱效率，满足大容量无线移动通信的需求 要达到上述要求，必须开发与之配套的一系列新技术，其中包括最为关键的高速无线传 输技术 1 1 2 技术现状及背景 众所周知，无线移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，即无线传输技术随着通 信技术的发展，特别是多媒体业务的兴起，未来移动通信对系统的容量，数据传输速率和 q o s 等指标均提出了更高的要求这使得s i s o 系统难以满足未来移动通信的需求， 多输入多输( m u l t i p l eh l p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t , m i m o ) 天线技术以其有效的抗衰落特 性和高的频谱效率受到了人们广泛的关注，m i m o 技术不但可以成倍地提高衰落信道下的 系统容量，而且如果进一步将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。空 时编码技术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术与 阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速率，为解决无线信道的 带宽问题提供了一条新的途径。 o f d m 是一种多载波调制技术。其核心是将信道分成若干个正交子信道，在每个子信 道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小 于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号问干扰。 另外，由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的， 这样不但减小了子载波问的相互干扰，同时又提高了频谱利用率o f d m 已经广泛应用于 广播信道方式的宽带数据通信系统中，如数字音频电视( d h a 3 ) 、高清晰度数字电视( h d t 以及i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e s 0 2 1 6 无线局域网标准q 3 ( w l a t , 0 。勿庸置疑，o f d m 将是下一代 移动无线系统中空中接口技术研究的热点之一。 我们可以看出m i m o 和o f d m 在各自的应用领域有各自的优点，m i m o 系统可以抗多 径衰落，但对于频率选择性衰落，m i m o 仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决m i m o 系统中的频率选择性衰落还有一种就是o f d m 技术，o f d m 被认为是下一代移动通信中 7 适合多基站分布式结构的同步技术研究 的核心技术。4 g 需要高的频谱利用率的技术，但o f d m 提高频谱利用率的能力毕竟有限。 如果结合m i m o 技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。m 1 m o + o f d m 技术 可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号 处理技术应用到m i m o + o f d m 系统中能更好的增强系统的稳定性。另外，o f d m 由于码率 低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径时延小于保护间隔使系统不受 码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带o f d m 系统依靠m i m o 技术消除阴影效 应。 1 2 m l m 0 无线信道模型 1 2 1 无线信道特点 由于电磁波传播时的反射、散射和绕射等原因，空间传播环境f 如地形地貌，树木房屋、 空间悬浮物和其它阻挡物等) 的复杂性将对电磁波的传播将产生复杂的影响。从大尺度( 收发 信机之间的一般距离) 意义上，电磁波主要经历自由空间路径损耗、阴影衰落等变化比较缓 慢的衰落因素的影响。由于大尺度传播模型与本文研究问题无关，在此就不作介绍，本节重 点讨论小尺度衰落的特点及模型【5 】 1 2 1 1 小尺度衰落的基本概念 所谓小尺度衰落，是指无线信号在很短的传播时间或距离内有很大的幅度衰落，而且这 种衰落的程度和影响远远大于由于传播损耗和阴影衰落等原因引起的大尺度衰落。小尺度衰 落主要由以下几个方面引起：d o p p l e r 效应造成的频率偏移，符号周期大于信道的相干时间 时呈现的快衰落、多径传播引起的时延扩展，信号带宽大于无线信道的相干带宽时出现的频 率选择性衰落等。 d o p p l e r 效应： 于移动台的不断运动，当达到一定速度时，固定点接收到的载波频率将随运动速度的不 同，产生不同的频移，也就是说频率发生了变化和偏移，通常把这种现象称为d o p p l e r 效应。 在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时。频率变低，这就好象对信号 又进行了一次频谱的搬移，因此，d o p p l e r 频移实质上是一种非人为的频率调制。 而且处于无线信道中物体的运动也会引起时变的d o p p l e r 频移，如信号反射面发生移动时。 也相当于收发端之间有相对移动当环境物体的速度足够大时，该运动物体将对小尺度衰落 起重要作用。 移动台和基站之间d o p p l e r 频移计算公式如下 ，j 正= - ；c o s ( 0 ) ( 1 1 ) 其中，v 表示移动台的移动速度，五表示载波波长，口为速度方向与收发端径向之间的夹 8 适合多基站分布式结构的同步技术研究 角由公式( 1 1 ) ，可以容易地得到最大d o p p l e r 频移： 以2 盖 ( 1 2 ) 若假设信号从各个方向入射角服从( 一石，7 r ) 的均匀分布，则接收信号的功率谱密度为 = 老 1 _ ( 譬 2 卜胚胤+ 厶 m s ， 其中，z 是载波频率，已是各向同性天线接收到的平均功率，可见信号的功率谱被扩 展到一厶。，正+ 厶一) 中去了 由于d o p p l e r 频率造成的信道的时变特性，导致在无线数字通信中，接收端每过一段时 间就要对信道进行估计，以捕获信道的时变信息，从而即时调整接收端的信道模型参数提 高接收机性能，一般采用相干时间的概念来表征信道参数基本维持不变的时间间隔的，相干 时间定义为： i 乏= 了二 ( 1 4 ) 多径效应： 一般情况下，移动通信系统多建于大中城市的市区，在这种移动信道环境中，由于城市 中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异，使得移动通信传播路径较直视的无线通信 更复杂，信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径而来的众多反射波的合成，如图图 1 1 所示由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相 位也就不同，不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而互相加强( 方向相同) ，有时迭 加而相互减弱( 方向相反) 。因此，接收端信号的幅度将会随机地急剧变化多径特性是移动信 道的最主要特点。 9 丫 适合多基站分布式结构的同步技术研究 围1 1 信号在无线信道下的多径衰落 如图1 1 所示，在一个无线系统中，电波信号从发送端经过多条不同的衰落传输路径到 达接收端。这些多径信号的重叠可以显著地放大、也可以缩小信号的大小，即改变信号的能 量，导致衰落的产生。假设基站发射一个极短的脉冲信号s ( f ) = a o s ( t ) ，经过多经信道后， 以动态接收信号呈现为一连串脉冲，结果使脉冲信号宽度被展宽了。这种因为多径传播造成 信号时间扩散的现象，称为多径时间弥散。必须指出，多径性质是随时闻变化的。如果进行 多次发送脉冲试验，则接收到的脉冲序列也是变化的。如图1 2 所示它包括脉冲数目n 的变化。脉冲大小的变化以及脉冲时延的变化。 i 一ln 几 t = t o t l t l + t ( ( c ) 图 2 时变多径信道响应实例 ( a ) n = 3 ；( b ) n ；4 ；( c ) n = 5 ； 一般情况下，一个衰落信道的脉冲响应的复数基带表示可以写为 h ( t ，f ) = q ( f ) 占( f 一，) ( 1 5 ) 其中a t ( t ) 是信道幅度响应，看过窄带复高斯随机过程，认为各径之间的( f ) 是相互独立 的。工是多径数目，8 ( 0 是d e l t a 函数，j 是相对时延。另外，我们假设各径之间具有相同 的归一化时域相关函数，即 ( 蟓m = 舻f2 蛾；- - m m ( 1 6 ) 不失一般性，假设各径信道冲激响应的总平均功率为1 ，即 砰= 1 ( 1 7 ) 实际上，情况比图1 2 要复杂得多，各个脉冲幅度是随机变化的，它们在时间上可以互 不交叠，也可以相互交叠，甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接收到的一串离散脉冲 将会变成有一定宽度的连续信号脉冲。根据统计测试结果，移动通信中接收机接收到多径的 1 0 b h 几” 仉 n i 盯 n 町 n几 时延信号包络大致如图2 3 所示。图中，t 是相对时延值；置e ( f ) 为归一化的包络特性曲线 它是以不同时延信号所构成的时延谱，也有人称之为多径散布谱。图中，t = o 表示e ( f ) 的 前沿。e ( f ) 的一阶矩为平均多径时延f ，e ( f ) 的均方根为多径时延散布，常称作时延扩展， 记作可按以下公式计算f 和： f 2j t e ( t ) a t ( 1 8 ) = f f 2 e q ) d t 彳 ( 1 9 ) 式中表示多径时散散布的程度越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻 最大时延r i 。是以强度下降3 0d b 时测定的时延值，如图1 3 所示 相对孵度d b ( 相对时延时网) 图1 3 多径时延信号强度 从频域观点而言，多径时问弥散现象将导致频率选择性衰落。即信道对不同频率成分有 不同的响应若信号带宽过大，就会引起严重的失真。工程上，将信道的相干带宽定义为 只= 去 ( 1 1 0 ) 其中，为信道时延扩展。 频率选择性频率非选择性 图1 4 频率选择性衰落示意图 由图1 4 可以看出，当信号的带宽比相干带宽小时，信道对信号的所有频谱分量有大体 相同的衰落影响，即信号的所有频率分量在信道内的衰落是一致的，信号波形不会产生失真， 信道表现为频率非选择性( 平坦) 衰落( 信号的时域宽度远大于多径时延扩展，时延扩展区间内 l l 适合多基站分布式结构的h 步技术研究 散落着若干个无法分辨的多径，多径信号之间的相位差很小，只要信号的自相关特性比较理 想，信号的形状不会有明显的变化，从而基本保持其原始的谱特性) ；反之，当信号的带宽 比相干带宽大时，倍道对频率间隔大于相干带宽的信号频谱处的衰落是不相干的，有的频率 分量衰减大，有的频率分量衰减小，信号波形将产生严重失真，信道表现为频率选择性的( 信 号的时域宽度小于多径时延扩展，时延扩展区间内散落着若干个多径，而且其中必定有一部 分多径表现为可以分离的情形，多径信号到达的相位差可以取到1 0 ，2 石l 的任意值，相位差 为1 8 0 的多径信号对的对消将引严重的衰落，从而信道使信号严重失真) 。在实用中，在同 步之后，可以用均衡和多载波技术来补偿或克服频率选择性衰落。 1 2 1 2 信道衰落的分类 由以上分析，小尺度衰落主要受多普勒频偏和多径时延扩展的因素影响，按照这两者以 及信号带宽等因素的关系，衰落信道可以分为以下几类： 快衰落 在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可能 达到数十次，而且衰落深度可能达到3 0 d b 以上。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量， 影响通信的可靠性，称为快衰落慢衰落。 慢衰落 接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值( 平均值) 也会出现缓慢变化。主要是由地 区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播 到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为 慢衰落。 频率平坦衰落 平坦衰落是指信号的带宽比信道带宽窄，各种频谱分量能以相同的衰落增益通过信道， 经历一种平坦的衰落过程，这种衰落在窄带通信中最为常见。在这种衰落情况下，信道的多 径结构并未使信号的频谱特性发生变化，但由于衰落使信道的增益呈现时变特性，接收信号 会随时间的变化而变化。这种衰落实际上就是单径信道模型 1 2 适合多基站分布式结构的同步技术研究 频率选择性衰落 当信号的带宽大于信道带宽时。则必定有部分信号频谱信道的恒定衰落段之外，其经历 的衰落与其它部分不一样。信号频谱中的某些频率成分比其它的成分获得了不同的增益，信 道就会使信号经历频率选择性衰落。 r a p p a p o r t 将小尺度衰落总结为树状图，如图1 5 所示 多普勒扩展 ( 时间选择性衰落) 快衰落 1 寿多瞢勒扩展 2 扣干时间 礤元匍踽 3 信遁变化比基带信号变化慢 多径( 时延) 扩展 ( 频率选择性衰落) 平坦衰落频率选择性衰落 1 黉号带竞 信递的带宽 2 时延扩聪码店间隔2 辟珏扩麓 码无蛹蕊 图1 5 小尺度衰落分类 1 2 2 m i m 0 信道 因为可以大幅度的提升系统容量，利用了多根发射及接收天线的m i m o 技术拥有得天 独厚的优势。m i m o 系统中的发送实际上是利用了在散射环境中，如果发射天线之间的距 离足够远，发送信号经过不同天线发送出去会经历独立的信道衰落这一特点。对于一个有m 个发射天线和，个接收天线，经历平坦衰落的m i m o 系统来说，在第，根接收天线上的接 收信号可以表示为 m = 嘞s j + w j ( 1 1 1 ) l - i 其中置是第i 根发射天线的发送信号，是从第f 根发射天线到第_ ，根接收天线之间的信道 冲击响应，w j n ，k 】是加性复高斯噪声，服从均值为0 ，方差为p 的独立同分布( i i d ) 图1 6 是一个4 发4 收的m i m o 系统的系统框图。注意发送端的4 根发送天线发送的信号在时间、 空间甚至频率上都是混叠在一起的。因此在接收端，接收到的信号是所有发送信号经过无线 适合多肇站分布式结构的嗣步技术研究 信道之后的叠加。 图1 6 m i m o 系统示惹圈 在文献【4 】中，e t e l a t a r 给出了发送端在不知道信道瞬时状态信息的情况下，瞬时开环 信道容量可以被表示为 c - l o g d e t ( i r + 古船韧 ( 1 1 2 ) 其中( h ) # = 当各个接收天之问是统计独立的时候。遍历性信道容量可以表示为 蝴 l o g 【d e t ( i ，+ 亩叩 ( 1 1 3 ) h 。是一个m x r 的随机矩阵，服从c ( o ，1 ) 的独立同分布。另外，通过容量分析可以知 道遍历性容量随着天线数目的增多呈线性增长【4 】。 1 3 本文的工作和内容安排 本文主要研究了在分布式m i m o o f d m 系统中，高斯、时变频率选择性衰落信道下的 时频同步算法，并基于相关理论提出了新的m i m o o f d m 系统同步方法，本文的组织结构 如下 第一章：绪论，简要分析了移动通信的发展，详细介绍了无线通信技术研究中非常重要 的无线信道模型。 第二章：介绍了o f d m 和m i m o o f d m 系统的相关概念和基本原理，并对 m i m o - o f d m 中的同步问题做了初步讨论。 1 4 适合多基站分布式结构的同步技术研究 第三章：结合现有两类典型的m i m o - o f d m 系统，具体分析已有的适用于m i m o - o f d m 的前导符号结构及同步算法，并进行了仿真性能比较。 第四章：介绍了一种新型分布式小区结构，提出一种新的前导符号结构和相应的同步方 法，并通过仿真结果进一步分析其性能。 第五章：结束语。 1 5 适合多基站分布式结构的同步技术研究 第2 章m i m o o f d m 系统介绍 在高速的无线数据传输中，无线环境下的信道衰落是一个非常大的挑战一种有效的对 抗衰落的方法便是在发送或者接收段应用多根天线来实现空问分集。随着空时码【3 】及研究 衰落信道下的m i m o 系统的容量的文章【4 被相继推出，m 1 m o 已经成为一种非常有竞争力 的技术，可以显著增加信道容量，提高频谱利用率 2 1o f d m 技术的基本原理 2 1 1o f d m 调制原理 o f d m 调制原理就是应用离散富利叶反变换( i d f t ) 将串行复信号调制到正交子载波上 并行传输，如所示。 2 斫 对经过串并转换后的n 个复信号做i d f t ，得到n 个时域输出复信号，m = o ，1 ，n - 1 ， 称为一个o f d ms y m b 0 1 = 篓也唧c ，2 石百n m ，。萎n - i 以e x p u 2 矾u ， z 2 袁驴肌z z 是原始信号时域s y m b o l 长度，n 是子载波个数，t = z 是时域o f d m 符号的时问跨 度。由式( 2 1 ) 可以利，删调镥j 将原始数据调制到电蝴率为工2 袁胪o - ，- 1 的 1 7 适合多基站分布式结构的同步技术研究 n 个子载波上叠加发送，予载波间隔为；。图2 2 y o f d m 调制中各子载波之间 的频域正交性，每个子载波的峰值点正是其他子载波的零值点。 o 8 0 2 - 6420246 n o r m a l i z e df r e q u e n c yf i r ) 。 圈2 20 f d m 各子载波频谱图 2 1 2 0 f d m 通信系统原理 o f i ) m 是一种可以有效对抗i s i 的赢速传输技术，通过将串行信号进行串并转换到n 个 并行子载波上调制。对单个子载波来说，相当于信号速率降低了n 倍，码元周期扩大了n 倍，相对时延扩展减少n 倍，这就使得系统在不降低传输速率的情况下抗i s i 能力增强了n 倍。为了完全消除i s i ，可以选择在每个o f d m 符号前加保护问隔( g u a r dt i m e ) l ， 同时为了抵抗i c i ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，在保护间隔内加循环前缀( c p ) 。可 以保证子载波闻的正交性 o f d m 通信系统基本框图见图2 3 。一个o f 嗍系统的设计，重点在于对以下系统参数的 设计。 1 8 6 4 2 o 0 o o ovnlide口on焉ebz 适合多基站分布式结构的同步技术研究 t r a n s s i t t e r r e c e i v e r 图2 3o f d m 通信系统基本框图 九 保护间隔( g u a r dt i j e ) 在o f d m 帧中添加保护问隔的目的是为了彻底消除多径时延带来的i c i 和i s i ，在保护 间隔内并不传递任何附加信息，而只是将一个s y m b o l 内后面的信息复制到前面来使得发送 信号周期化，即加循环前缀( c p ) 来保证正交性所以保护间隔的存在导致了信噪比( s n r ) 的损失，但相对于消除了i c i 和i s i 。保护间隔的开销还是值得的 图2 a 是关于保护间隔乏选择的原理如图所示，当多径的最大时延小于，由多径 时延造成的信元延迟叠加，相邻信元之间不会交叠；而当某径的时延大于正时，相邻符号 之间会交叠，从而产生i s i 所以必须选择乙 a 在实际系统中，通常取乙为2 - 4 倍的 最大时延扩展。 m u l t i p a l hc o m p o n e n tt h a td o e sn o t c a u s ei s i m u l t i p a t hc o m p o n e n tt h a tc a u s e 6i s i 图2 4 保护间隔消除i s l 的原理图 b 信元周期( s y m b o ld u r a t i o n ) 为了减小由保护间隔带来的s n r 损耗，一个o f 嘲信元周期必须比保护间隔长，并且越 1 9 适合多基站分布式结构的同步技术研究 长越好。但是信元周期的增加就意味着子载波数目的增加，同时带来系统复杂度的增加。实 际系统中通常信元周期至少是保护间隔的5 倍。 c 子载波数( n u m b o ro fs u b - c a r ti o r s ) l 当信元周期t 确定后，则子载波t , 3 n 0 i 确定了，为去。子载波数目n = w o i n ，w 是可用信道带宽。 d - 调制和编码方式的选择( h o d u l a t i o na n dc o d i n gc h o i c o s ) 调制和编码方式的选择，首先依赖于一个0 f 叫s y m b o l 要携带多少比特信息，其次，还 要依赖于标称误码率的要求。 2 2m l m 0 - 0 f d m 系统简介 2 2 1m i m 0 、0 f d t 系统组合的必要性 在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中 必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素然而m i m o 系统是针对多径无线信道而产生的，在一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量。多 径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但m i m o 对于频率选择性 衰落仍无法避免，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是o f d m 的一个长处。 o f d m 技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带 子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性衰 落可以看作