（通信与信息系统专业论文）ofdma系统上行链路同步误差估计算法研究.pdf

摘要 黜6 8 0 4 m 3 龋y 2 0 正交频分复用多址接入( o f d m a ) 是o f d m 与f d m a 技术相结合形成的多址 接入技术，它继承了o f d m 技术的诸多优点，具有广泛的应用前景，是支撑第四 代移动通信网络的关键技术之一。目前，o f d m a 系统上行链路同步技术是 o f d m a 系统研究的热点。 本文详细地介绍了o f d m 和o f d m a 技术的基本原理及系统结构，讨论了同 步误差对o f d m a 系统造成的各种影响，并建立了用于分析o f d m a 系统上行链 路信号传输过程的具体数学模型。在此基础上，论文研究了几种基于训练序列的 频偏估计算法，包括最大似然频偏估计算法和在其基础上发展得到的 a p f e ( a l t e m a t i n g p r o j e c t i o nf r e q u e n c ye s t i m a t o r ) 算法及渐近有效算法。经过理论研 究及仿真分析表明渐近有效算法在保证良好估计性能的同时具有更小的算法复杂 度，但因存在一些不足使其在较少子载波及低信噪比情况下估计性能欠佳。论文 针对渐近有效算法的这些不足，利用m p s o ( m u t a t i o np a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 算法、结合频偏范围估计理论提出了一种改进算法，解决了渐近有效算法对初值 过于敏感、对代价函数形式要求苛刻的问题，避免了算法迭代过程中复杂的海塞 矩阵计算，提高了算法性能。经过仿真验证，与渐近有效算法相比，改进算法在 较少子载波及低信噪比情况下的估计性能得到改善。 关键词：o f d m a同步载波频率偏移估计 a b s t r a c t 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 ) i sam u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g yb a s e do nt h ec o m b i n a t i o n o fo f d mw i t hf d m a ，i ti n h e r i t s m a n y a d v a n t a g e sf r o mo f d mt e c h n o l o g ya n dh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s o f d m a t e c h n o l o g yh a sb e e no n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ( 4 gs y s t e m ) c u r r e n t l y , o f d m au p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n t h c h n o l o g yi sar e s e a r c hf o c u si no f d m as y s t e m f i r s t l y , w ed e s c r i b et h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n ds y s t e ma r c h i t e c t u r e sf o ro f d m s y s t e ma n do f d m as y s t e mi nd e t a i l t h e n , t h ei m p a c to fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s t o o f d m as y s t e mi sd i s c u s s e d a n dam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ea n a l y s i so fo f d m a u p l i n ks i g n a lt r a n s m i s s i o ni se s t a b l i s h e d o nt h i sb a s i s ，w ed e l v ei n t os e v e r a lt r a i n i n g s e q u e n c e b a s e d c a r t i e r f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n a l g o r i t h m s ，i n c l u d i n g m a x i m u m l i k e l i h o o da l g o r i t h m ，a p f e ( a l t e m a t i n g p r o j e c t i o nf r e q u e n c ye s t i m a t o r ) a l g o r i t h m a n da s y m p t o t i c a l l ye f f i c i e n ta l g o r i t h mw h i c ha r ed e v e l o p e df r o mm l a l g o r i t h m t h r o u g ht 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 ns t u d yo fa s y m p t o t i c a l l ye f f i c i e n t f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m ，w ek n o w t h a tt h i sa l g o r i t h mh a sl e s sc o m p l e x i t y w h i l ei th a sag o o dp e r f o r m a n c e ，b u tt h e r ea r es e v e r a ld r a w b a c k sw h i c hl e a d si th a sa p o o rp e r f o r m a n c ew h e nt h en u m b e ro f s u b c a r r i e r sa r es m a l lo rs n ri sl o w i no r d e rt o g e tr i do ft h e s ed r a w b a c k s ，w eg i v eap r o p o s e da l g o r i t h mu s i n gm p s oa l g o r i t h ma n d c o m b i n i n gc a r d e rf r e q u e n c yo f f s e tr a n g ee s t i m a t i o na l g o r i t h m t h ep r o p o s e da l g o r i t h m s o l v e st h ep r o b l e m st h a ta s y m p t o t i c a l l ye f f i c i e n ta l g o r i t h mi st o os e n s i t i v et oi n i t i a l v a l u e sa n di t sc o s tf u n c t i o nm u s th a v eap e r f e c tf o r m i na d d i t i o n , t h i sp r o p o s e d a l g o r i t h ma v o i d sac o m p l e xc o m p u t a t i o nf o rh e s s i a nm a t r i xi nt h ei t e r a t i o np r o c e s sa n d i m p r o v e st h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c e t h r o u g hs o f ts i m u l a t i o n ，w ef i n dt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mh a s ab e t t e rp e r f o r m a n c ew h e nt h es u b - c a r d e r sa r el i m i t e do rs n ri sl o w k e y w o r d s ： o f d m a s y n c h r o n i z a t i o n c f oe s t i m a t i o n 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 在移动通信快速发展的今天，人们对通信方式和通信质量的要求越来越高， 但移动通信网的资源是有限的，即总的可用频率资源是一定的，所以利用高效的 新型调制解调技术来共享有限的频率资源成为实现宽带移动通信的基本途径。目 前，已经全面商用化的3 g 技术为用户带来前所未有的便捷体验的同时，4 g 技术的 研究也正在紧锣密鼓地进行，l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 作为3 g i 句4 g 演进的主流标 准备受关注。l t e 是3 g p p ( t h e3 州g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pi r o j e c t ) 的长期演进计划标 准【l 】，它采用了大量的创新型技术，其中面向空域和频域扩展的l t e 物理层主要采 用了o f d m 和m i m o 等技术。o f d m 作为一种高效的新型多载波调制( m c m ， m u l t i c a r r i e r - m o d u l a t i o n ) 技术，由于它对多径衰落和多普勒频移不敏感，所以可以 消除或减小信号波形间的干扰，非常适合现代移动通信所要求的高速数据传输环 境。同时，o f d m 的高频谱利用率及低成本使其备受关注，除了作为一种可靠的传 输手段外，在多用户环境中它还可以作为一种十分有效的无线多用户接入方式， 1 1 口o f d m a ( 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 ) 技术，这点同样引起了人 们的重视。如今，4 g 发展势不可挡，o f d m a 现也己成为3 g p pl t e 的主流多址方 案，在骨干网都已光纤化的今天，作为通信网“最后一公里”的接入网日益成为 整个通信网的瓶颈，这一点在移动和无线情况下更为严重，因此对o f d m a 多址接 入技术的研究有着更加重大的意义【引。 1 1 论文研究背景 移动通信作为一项改变世界的技术得到了全球的瞩目。其在给人类的生活、 工作带来极大便利的同时，也因人们日益增长的高要求而面临着巨大的挑战。为 了满足用户的需求，各国都在投入大量的资源促进移动技术的发展。2 0 0 9 年，国 家正式向三家运营商颁发3 g 牌照，我国3 g 全面投入商用，当代移动通信已经全面 进入3 g 时代。目前，随着全球多种多样的互联网应用的蓬勃发展，第三代移动通 信所提供的移动数据通信速率已经在一些应用中显得捉襟见肘。在高速发展的信 息时代，4 g 将会掀起移动通信的新篇章并成为现代移动通信技术研究的热点。就 我国而言，自2 0 0 1 年底起，在国产3 g 标准等方面取得巨大进展之后，国家“8 6 3 ” 计划启动了面i 句b 3 g 4 g 的移动通信发展研究计划f u t u r e 计划【3 卅，国内十余 家大学、企业和研究所均参与其中，为了向未来的移动通信系统进军，华为、大 唐移动联合中兴通讯、科研院所及相关高校完成了4 g 相关白皮书，我国对4 g 的发 2o f d m a 系统上行链路同步误差估计算法研究 展步伐明显加快。作为新一代移动通信系统，4 g 系统的研究仍处于起步阶段，相 关标准尚未出台，也没有构建出成型的网络结构，同时，第三代移动通信和第四 代移动通信之间存在着巨大的技术差距( 如表1 1 1 5 1 所示) ，所以3 g t ! 1 4 g 的迈进并非 一蹴而就，而是需要一个漫长的过渡过程。3 g 标准化组织3 g p p 着手研究下一代移 动通信技术，同时确定o f d m a 技术和m i m o 技术作为向下一代移动通信技术演进 的重要方向，最终经过多年的研究和讨论在2 0 0 4 年底提出3 g t ! 1 4 g 的过渡标准l t e 通信协议。l t e 的提出是为了满足用户需求和应对宽带接入技术的挑战，同时也为 了避开高通公司在c d m a 方面的专利授权问题，可以说l t e 是3 g 的演进版，它无 限接近4 g ，甚至被称为3 9 g 或准4 g f “7 1 。在市场方面，l t e 已经逐步在竞争对手中 脱颖而出，成为3 g t ! 1 4 g 演进时代的主流标准，并拥有了主流运营商的支持。 表1 13 g 系统与4 g 系统参数比较 特性 3 g 系统4 g 系统 传输速度下限 1 4 4 k b s1 0 m b s 最高传输上限 2 m b s2 0 m b s 带宽 5 2 0 m h z1 0 0 m h z 频带 18 0 0 - 2 4 0 0 m h z2 8 g h v z l t e 改进并增加了3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演 进的唯一标准，带来了更大的数据带宽，更小的数据误码率。其在2 0 m h z 频谱带 宽下能够提供下行1 0 0 m b i t s 与上行5 0 m b i t s 的峰值速率，保证了小区边缘用户的性 能，提高小区容量和降低系统延迟。l t e 网络架构【8 】采用单层结构，对3 g p p 的整 个体系架构作了革命性的改进，逐步趋近于典型的i p 宽带网络结构，有利于简化网 络和减小延迟，满足低时延、低复杂度和低成本的要求。 为了严格达t ! 1 3 g p p 对l t e 所规定的各项指标，l t e 无线接口采用了多载波调 f l l i ( o f d m ) 、多天线( m i m o ) 及无线接1 3 中分组交换这三项基本技术。o f d m a 及 s c f d m a 都是对多载波技术o f d m 的应用。要使l t e 标准相对其他无线标准保持 长期的优势，顺利地成为下一代移动通信的真正标准，我们就必须不遗余力地对 l t e 中o f d m a 等这些关键技术进行深入的研究。 1 2o f d m 及o f d m a 概述 o f d m 技术是l t e 标准物理层采用的一项新型多载波调制技术，o f d m a 技术 是o f d m 的一种多址接入应用，用于l t e 空中接口的多址接入，其目的是代替长期 使用的码分多址技术。o f d m 与o f d m a 之间既存在着千丝力j 缕的联系，也有着各 自独立的特点。 第一章绪论 1 2 1o f d m 技术的发展 数字调制解调方式可以分为串行体制和并行体制两大类。并行体制的调制技 术就是多载波调制，它将高速率的信息数据流进行串并变换后分割成若干路低速 率并行数据流，随后各路数据分别进行相互独立的载波调制并叠加在一起构成发 送信号，完成这些过程的整个系统就是多载波调制系绀9 1 ，如图1 1 所示。 叫嚣曰鬻 鎏目荔h 墨h 萎目蓁h 鬻p 图1 1 多载波传输系统原理图 早在2 0 世纪5 0 年代就有人提出了多载波调制技术，但是当时该技术要求各个 子信道要有单独的调制解调器，这对大多数系统来说过于复杂，硬件上成本过于 高昂，因此，在当时该技术的实用性并不强，根本无法得到推广。2 0 世纪7 0 年代， 经过研究发现，可以采用简单、低成本的离散傅里叶变换( d f t ) 及逆离散傅里叶变 换( i d f t ) 代替之前各个子信道上的调制解调器来实现多载波调制，这种采用i d f t 完成各载波调制的调制方式就是o f d m 调制，这一改进使得多载波调制技术更加容 易实现并迅速得到推广。随后，o f d m 作为一种特殊的频分复用方式主要经历了五 个发展阶段【l0 1 。第一阶段是极低频谱效率的频分复用技术阶段，它主要通过子信 道间的保护频带抵抗各个载波信号间的干扰，频谱利用率极低；第二阶段是最早 的高频谱效率多载波通信系统阶段，它使用了相互交错的正交幅度调制技术来提 高频谱利用率，但效果不佳：第三阶段是多载波理论发展阶段，1 9 6 6 年，由c h a n g 研究得到了一个十分重要的理论结果，即引起信号失真的主要原因是信道间的串 扰】，这为以后的研究有着重要的指导意义；第四阶段是o f d m 无线移动通信系 统理论形成阶段，1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 思想运用到无线蜂窝移动通信系统中【1 2 】， 从此奠定了o f d m 无线移动通信系统的理论基础，这是一次质的飞跃，从此o f d m 在移动通信中备受青睐；第五阶段是理论到实用阶段。目前，o f d m 的研究经历了 一百多年曲折的发展，现在已经相当成熟，并在数字音频广播系统( d i g i m la u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、地面数字视频广播系统( d v b t ) 及宽带固定无线接入系统 ( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，l m d s ) 等不同领域中得到广泛应用。 1 2 2o f d m a 技术的发展 在无线通信系统中，多址方式可以允许多个移动用户同时共享有限的频谱资 4 o f d m a 系统上行链路同步误差估计算法研究 源，所以多址技术在多用户通信系统中有着非常重要的作用。目前主要的多址技 术有频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。而新型的正交频分 多址接a 。( o f d m a ) 技术是以正交频分复用( o f d m ) 为基础的多用户接入技术，事实 上它是o f d m 技术和f d m a 技术的结合。作为下一代蜂窝移动通信网络的有力支 撑，o f d m a 技术已被写入了i e e e8 0 2 1 6 j 和3 g p pl t e a d v a n c e d 等标准化协议中。 在3 g p pl t e 的标准化过程中，诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案，如 多载波( m c ) w c d m a 、m c t d s c d m a 、正交频分多址接入( o f d m a ) 、交织频分 复用( i f d m a ) 和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用( d f t so f d m ) 。目前， o f d m a 已成为下行链路的主流多址方案。然而，在上行链路的研究中，尽管 s c f d m a 成为主流的多址方式，但o f d m 和s c f d m a 之间的比较大多从峰均功率 l l ( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 的角度进行，却没有考虑两者的链路性能， 更没有充分地考虑p a p r s g l 性能的折衷。而o f d m a 多址技术不但保证了各个子载 波都被对应信道条件较优的用户使用、获得了频率上的多用户分集增益，而且还 可以和其他技术结合，形成更加高效、更加实用的多址方式。例如，o f d m a 可以 与跳频( f h ) 技术相结合，形成f h o f d m a ；与动态信道分配技术( d c a ) 相结合， 形成0 f d m a d c a ；与自适应调制技术相结合，形成自适应调制o f d m a 等。所以， 目前o f d m a 技术仍是上行链路中炙手可热的多址候选方案。 1 3 本文的内容安排 本文主要研究了o f d m a 系统上行链路同步实现的关键技术，即同步误差估 计技术。在o f d m a 上行链路的同步误差估计算法中，本文分析了基于训练序列 的m l 同步误差估计算法及在此基础上发展得到的a p f e 算法和渐近有效算法。 研究表明渐近有效算法具有较小的算法复杂度，更适合在实际中应用。但该算法 的一些不足限制了它的广泛应用。针对这些不足，论文利用m p s o 等相关算法提 出了一种改进算法，并对改进算法进行了仿真分析。论文主要内容安排如下： 第一章：介绍了论文研究的主要背景及o f d m 和o f d m a 技术的发展情况。 第二章：阐述了o f d m 及o f d m a 系统的基本原理，为后续章节打下基础。 第三章：分析了同步误差对o f d m a 系统的影响，并对o f d m a 系统上行链 路进行数学建模。在此基础上，研究了m l 、a p f e 及渐进有效性算法，并通过 m a t l a b 仿真对各个算法进行了分析。 第四章：研究了某些条件下渐近有效算法估计性能欠佳的原因，并从理论上 证明了利用m p s o 及频偏范围估计算法对该算法进行改进的可行性，从而得到相 应的改进算法。最后通过m a l a b 仿真对改进算法性能的改善进行了验证。 第五章：对论文的工作进行总结并做出展望。 第二章o f d m 及o f d m a 系统模型 第二章o f d m 及o f d m a 系统模型 o f d m 是一种特殊的多载波调制方式，o f d m a 是基于o f d m 技术的一项多 址接入技术。二者都具有抗多径干扰、频谱利用率高等优点，但同时也都存在对 同步误差敏感的缺点。由于o f d m a 技术是由o f d m 技术发展而来，故两种技术 的工作原理既有相似，也有不同，所以两者同步实现也存在着相应的区别。下面 分别介绍o f d m 和o f d m a 系统模型及其工作原理，为后续章节进行o f d m a 系 统上行链路同步研究做铺垫。 2 1o f d m 系统模型 o f d m 作为一种高效的多载波调制方式，其主要思想是将原始的高速率数据 流进行串并变换转换成多路低速率数据流，然后将它们分别调制在不同的正交子 载波上，从而实现高速率到低速率的转换。 2 1 1o f d m 基本原理 o f d m 技术是将一个较宽的频带分成一些子信道，各个子信道分别经历平坦衰 落。具体讲，o f d m 调制就是将高速率的数据流调制到若干个相互正交的子载波上， 然后再叠加起来将数据流发送出去，并在接收端进行正确接收和用户分离。第一 章讲到o f d m 技术的发展经历了五个阶段，在最初阶段，o f d m 基带系统的调制解 调原理框图如图2 1 所示。 e j m g 参一 由 地 并 变 ： 换； i p j 一r 鱼- 杏_ 删互 舟 并 由 变 ： 换 蛴 图2 1o f d m 基带调制解调原理图 在图2 1 中，假设o f d m 系统包含个子载波，相邻子载波间的间隔矽是 o f d m 符号周期丁的倒数，即：, a f = l r 。魄为第k 个子载波的角频率。则复基带 模拟o f d m 信号可以表示为式( 2 1 ) ： 6o f d m a 系统上行链路同步误差估计算法研究 n - 1 s o f o m ( t ) = ( ，) p 俐 k = o ( 2 一1 ) 式中，魄= c o 。+ m a c o ，g k ( t ) 为第k 个子载波上的复数信号，一般g k ( t ) 在一个符号 周期t 内为常数，即( f ) = g 。，则有： n - 1 ( f ) = g t p j o i k l ，0 ， 丁 ( 2 - 2 ) k = o 现在对信号( f ) 进行采样间隔为t o 的采样，因为前面假设o f d m 系统包含 个子载波，所以一个符号周期t 内含有个采样值，即t = n t o ，则有： ，一ln - i s 删( m 瓦) = g 女p 朋= p 胍化咖 ( 2 3 ) k = ok = 0 这里只在基带对o f d m 信号进行研究，于是就有c o 。= 0 ，此时式( 2 3 ) 可以化为 式( 2 - 4 ) ： n 1n i j 2 n n n s 彻w ( 聊瓦) = g 女p 7 地“= g 。o 弦 ( 2 - 4 ) k = ok = 0 将式( 2 4 ) 与离散傅里叶变换形式进行比较可以看出，如果将g k ( t ) 看作频域采 样信号，则( m t o ) 为其对应的时域信号。由以上分析可知，当选择相邻子载 波间频率间隔a f = l t ( 或者为1 r 的整数倍) 时，o f d m 信号不但保持各个子载波 相互正交，而且可以用i d f t 实现其基带调制，这里i d f t 及d f t 可以用效率更高的 快速傅里叶逆变换( i f f t ) 及快速傅里叶变换( f f t ) 替代。o f d m 系统用i f f t f f t 实x 现的原理框图及收发机原理【1 3 1 如图2 2 所示。 由 i 并f 变 f 换 t ( a ) 并 f f ： 由 变 t 换 编 _ 上 s p 码 - 加 输入 映 i f f t p s d al p f 变 +c p 频 射 刮i | | h ”rh 枷h 讣_ 1 泖目阿目薯囊目郸离 第二章o f d m 及o f d m a 系统模型 7 ( c ) 图2 2o f d m 系统实现原理框图 ( a ) o f d m 系统收发示意图：( b ) o f d m 系统发送端原理：( c ) o f d m 系统接收端原理 图2 2 ( a ) 是利用i f f 僻f t 实现o f d m 调制解调的o f d m 通信系统整体原理框 图：图2 2 ( b ) 为o f d m 系统发送机原理图； 于o f d m 的基带调制可以通过i f f t 实现， 图2 2 ( c ) 为o f d m 系统接收机原理图。由 所以可以认为原始的待发送数据流是频 域信号，经过i f f t 变换后经过变换到了时域，并按图2 2 ( b ) 所示操作发送出去，接 收端按图2 2 ( c ) 进行接收时，通过f f t 解调出原始的频域信号。这种通过基带处理 及i f f t f f t 完成o f d m 调制解调的方式大大降低了o f d m 系统实现的复杂性。 2 1 2o f d m 技术关键点 o f d m 信号在具体实现上需要注意一些技术上的关键点，这些技术关键点关系 到o f d m 系统的性能优劣，对o f d m 系统实现非常重要。这些技术关键点主要有两 个，一是o f d m 信号要求各个子载波间必须是严格相互正交的；二是o f d m 信号为 了避免符号问干扰( i s i ) ，在各个符号前加入了循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 。 一、o f d m 系统各个子载波间的严格相互正交性 o f d m 信号在频域是相互重叠的，正是这一点保证了o f d m 系统高的频谱利用 效率，但是信号在频域毫无章法的重叠会让各个子载波之间产生严重的干扰，从 而使整个系统无法进行正常通信。为了避免这种现象的产生，o f d m 系统要求各个 子载波是严格相互正交的，这种情况下o f d m 信号的频谱如图2 3 所示，在每个抽 样时刻，只有有用子载波上的信息达到峰值，其它子载波信息均为零。本章上一 节已经讲到，o f d m 作为基于频域的调制技术，在基带采用l f f t f f t 实现，这要 求相邻子载波间的间隔为抽样频率的分之一，即子载波频率间隔为o f d m 符号 周期的倒数( a f = l r ) ，并且每个子载波的带宽是2 r ，这样子载波才能实现严格 意义上的正交，从而使o f d m 系统在提高频带利用率的同时也保证各个子载波间不 产生相互干扰。 8 o f d m a 系统上行链路同步误差估计算法研究 图2 3o f d m 信号频谱图 由图2 3 可以看出，o f d m 信号虽然在频域是相互重叠的，但是在某个单个子 载波的采样点上，其他子载波均为零值，也就是各个子载波间是相互严格正交的。 在这种情况下，不同子载波之间并不会产生相互干扰。 二、0 f d m 符号利用循环前缀减小符号间干扰 为了最大限度地消除o f d m 符号间的干扰( i s i ) ，需要对o f d m 符号做进一步的 处理，目前比较成熟的做法就是在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r d i n t e r v a l g i ) ，这如同给各个符号间加入一定的安全距离从而避免它们之间产生相互 干扰。理论上讲这个保护间隔可以是一段空闲的传输时段，也就是一段连续的虚 载波段；也可以用一段扩展信号来填充保护间隔。相较之下，如果用空传输时段 作为保护间隔，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰，同时也不利于相邻符 号的识别。但如果用扩展信息填充保护间隔的话就不存在这样的问题。所以o f d m 符号的保护间隔采用的就是扩展信息填充方式，这段扩展信息根据其产生原理被 称为循环前缀( c y c l i cp r e f i x c p ) 。c p 的具体添加过程是将o f d m 符号最后一段信息 复制到o f d m 符号的最前端以充当相邻符号问的保护间隔，如图2 4 所示。 复制 复制 厂 。( 图2 4o f d m 符号c p 产生原理 若一个o f d m 符号周期内有个子载波，复制o f d m 符号最后面窖长的信息 段到o f d m 符号最前端就形成t c p 。o f d m 符号添i j n c p 的离散模型如图2 5 所示。 第二章o f d m 及o f d m a 系统模型 9 循环前缡 九一3 。 d n 弓专 d d ： 赳一- d ： 吨 磊。 ， 正 并串 d 。 吐 鱼剑住；首lk 并 正。 审 11 竺l 7 变 -7 i 变 f f 换换 1 f ： ； t f ： t d 蟊t d 。， d ： r d j 。 _ 图2 5o f d m 符号添加c p 离散模型 一般来讲，o f d m 符号的c p 长度要大于无线信道的最大时延扩展，因为这样 才能保证一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰。在接收端，接收机会 将接收信号中的c p 去掉，然后进行f f t 、均衡等处理。 2 1 3o f d m 系统优缺点 经过前面的详细介绍，我们可以看到o f d m 系统既有着它不可比拟的优点，也 因为自身技术的特点存在着一定的缺陷。o f d m 系统的优点主要有以下几个方面： 频谱利用率高。o f d m 各子载波的频谱是相互正交重叠的，所以o f d m 调制 技术具有较高的频谱利用效率。可以证明，当子载波个数足够大时，o f d m 系统的 频谱利用率几乎可以达到奈奎斯特极限2 b a u d h z 。 抗多径衰落能力强。o f d m 把串行的用户数据流通过并行的多个子载波进行 传输，可以有效得选择那些落入平坦衰落的子载波进行传输。 f f t 技术使o f d m 系统实现更加容易。在o f d m 系统中，发送端通过i f f t 将 原始的频域信号转化到时域并发送出去。相应的，接收端只需要对接收信号做一 个f f t 处理就可以把接收到的时域信号重新解调成频域信号，实现非常简单。 可以有效地对抗i s i 。产生i s i 的原因很多，比如当数据速率提高时，数据间 的间隔就会减小，到定程度时符号重叠无法区分，同样会产生i s i 。o f d m 系统 将原高速率数据流经过串并变换及调制变成低速率的数据流，这样数据间间隔变 大，故在衰落信道中所受到的i s i 就相应小很多。同时，o f d m 采用了c p 作保护间 隔，它在一定程度上也抑制了符号间干扰。 除了以上这些优点外，o f d m 还具有支持动态比特分配方法、可与多种接入方 式结合使用、适合高速率传输等优点。但是这些优点的发挥都是以o f d m 符号中各 个子载波间的严格正交为前提的，因此与串行调制机制相比，o f d m 也存在一些不 1 0 o f d m a 系统上行链路同步误差估计算法研究 可避免的缺点。主要有以下几个方面： o f d m 系统对同步误差非常敏感，尤其对频率偏差c f o ( c a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e t ) 极为敏感。o f d m 系统各个子信道的频谱是相互重叠的，所以o f d m 系统要 求各个子载波间要严格正交。频率偏差的存在会使o f d m 系统子载波之间的严格正 交性遭到破坏，从而引起严重的子载波间干扰，使系统性能大大降低。 存在较高的p a p r 。o f d m 系统的输出信号是多个子信道信号的叠加，因此 如果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高于信号的 平均功率，导致较高的p a p r 值。 正因为这些缺点对o f d m 系统优点的限制，o f d m 同步技术和p a p r 技术成为 o f d m 系统研究的热点。 2 2o f d m a 原理 o f d m a 技术由o f d m 技术发展而来，是一种基于o f d m 技术的多址接入技 术。它的主要思想是将多个用户的高速率数据流进行串并变换后调制到不同的子 载波上进行并行传输，从而达到支持多用户并发通信的目的，即o f d m a 将可用 子载波总数的一部分分配给用户来实现各个用户的接入。 2 2 1o f d m a 基本原理 o f d m a 以o f d m 调制为基础，通过给每个用户分配一定数量的子载波实现多 用户接入，也就是说o f d m a 与一般的多载波调制方案不同，o f d m a 将全部子载 波分配给不同的用户使用。因此，基于上一节对o f d m 系统正交性的分析可知，当 o f d m a 系统各个子载波间保证严格相互正交时就可以完全消除子载波间干扰( i c i ) 及多址干扰( m a i ) 。与o f d m 系统不同，o f d m a 系统上行链路与下行链路的工作 原理有很大的区别。这里上行链路指的是各个用户到基站( b s ) 的通信，图2 6 绘出 了o f d m a 系统上行链路通信的原理图。 i 叫菱h 茎hlh 兰h 童h 量h ：h 耋h 重h 垂卜i ；赝 ( a ) 第二章o f d m 及o f d m a 系统模型 采 信 解 样 道 相 估 码 位 计 与 钟 与 解 补 均 映 射 偿 衡 采 信 解 样 道 码 相 估 位 计 - -与 钟 与 解 补 均 映 射 偿 衡 户l 数据 户k 数据 【b ) 图2 6o f d m a 系统上行链路收发原理框图 ( a ) o f d m a 系统上行发送原理；( b ) o f d m a 系统上行接收原理 图2 6 ( a ) 是o f d m a 系统各个用户发送端原理框图，图2 6 ( b ) 表示基站接收端原 理框图。图2 6 ( a ) 中，o f d m a 系统各个用户在进行i f f t 之前，需要进行子载波分 配，这里要求各个用户分配的子载波不能重合。除此之外，每个用户发送信号的 产生过程就是一个o f d m 信号的产生过程。但各个用户信号经过发射天线发射出去 后，经历不同的无线信道在接收天线处进行了叠加，形成各用户重合一起的 o f d m a 信号，这为o f d m a 系统的其它后续处理增加了困难。由于各个用户与基 站间通信存在很大的随机性，只有用户信号到达基站时的数据处于完全同步状态 时，基站才能对o f d m a 信号进行正确的解调接收，所以，o f d m a 系统上行链路 的接收更为困难复杂。 对于o f d m a 系统的下行链路通信过程就简单的多，因为o f d m a 系统的下行 链路就是一个o f d m 广播信道。图2 7 是o f d m a 下行链路收发原理框图。 ( a ) 无线信道 同步误差 1 2 o f d m a 系统上行链路同步误差估计算法研究 据 ( b ) 图2 7o f d m a 系统下行链路原理框图 ( a ) o f d m a 系统下行发送原理：( b ) o f d m a 系统下行接收原理 基站正确接收到各用户的叠加信号后，进行用户分离处理，随后会按图2 7 ( a ) 所示那样，将各个用户的信息进行一系列处理后调制成o f d m 信号广播给下行的各 个用户，下行用户按图2 7 ( b ) 所示的处理过程对广播信息进行接收处理，最终各个 用户分离出属于自己的信息，完成o f d m a 系统下行链路通信。 2 2 2o f d m a 子载波分配机制 与o f d m 系统一样，o f d m a 系统同样要求各个子载波之间严格相互正交，所 以它对c f o 及相位噪声也非常敏感。另外，o f d m a 符号同样采用了c p 充当符号间 的保护间隔，以减小符号间干扰。这里不再赘述。 与o f d m 系统不同，o f d m a 系统是一个多用户的o f d m 系统，所以，需要考 虑如何将这些子载波分配给各个用户的问题，即子载波分配机f 1 u ( c a s ，c a r r i e r a s s i g n m e n ts c h e m e ) 。目前，o f d m a 系统主要有三种c a s 方案，第一种是块儿状 子载波分配机$ 1 j ( b c a s ，t h es u b b a n dc a s ) ；第二种是交织子载波分配机s u ( i c a s ，t h e i n t e r l e a v e dc a s ) ；第三种是跳频子载波分配机$ 1 j ( g c a s ，t h eg e n e r a l i z e dc a s ) 。具 体形式如图2 8 所示。 第二章o f d m 及o f d m a 系统模型 ( a ) ( c ) b c a s ji jij ij t ttt 。l ji jiji + iill ilii iifi i c a s j t 。i + 一 t 。l + 一 t 。i + j t 。i + i ! i ! i ! i ! ! !1 01234567891 0“1 21 31 41 5 ljij - + 一i j t ， tt 。i jiji + t i l ：i l ：i ! ! ! ol23456789l ol l1 21 31 41 5 - _ _ - _ _ _ 卜 一- - ， 一 用户1用户2用户3用户4 图2 8o f d m a 系统各子载波分配方案举例 图2 8 为o f d m a 系统三种子载波分配方案的具体举例，假设o f d m a 系统有4 个用户，共有1 6 个子载波，每个用户平均分配4 个子载波，各个用户之间的子载波 不能存在任何重合。由图2 8 ( a ) 可以看到，b c a s 分配方案是将一段连续子载波分 配给一个用户，这种方式下系统实现简单，且可以降低同步误差估计及信道估计 难度。但这种方式下没有充分发挥子载波多样性，抗干扰能力相对较差。图2 8 ( b ) 所示的i c a s 分配方案是将分配给一个用户的子载波按一定规律，规则地分散到整 个带宽，各用户的子载波交织排列，从而获得频率分集增益。在这种子载波分配 方式下同步误差及信道估计较为复杂，抗频偏能力也较差。图2 8 ( c ) 所示为g c a s 方案，该方案在给各个用户分配子载波时没有明显的规律可循，如同跳频通信中 用伪随机码生成无规律的跳频图案一样，这无疑大大增加了o f d m a 系统同步误差 估计及信道估计的难度。但g c a s 这种子载波分配方案最大程度地利用了频率的多 样性，增加了系统分配给各个用户分配子载波的灵活性，也是目前o f d m a 系统最 受欢迎的一种子载波分配方案。 2 2 3o f d m a 系统关键技术 o f d m a 系统除继承了o f d m 系统频带利用率高、抗多径干扰能力强、可利用 f f t i f f t 技术简化设备复杂度等优点外，还能灵活地将宽带资源中的子载波灵活 地分配给各个用户，使每个用户的传输性能达到最佳。但是，作为以o f d m 技术为 1 4 o f d m a 系统上行链路同步误差估计算法研究 基础的o f d m a 技术，它也继承了o f d m 技术对同步误差敏感及p a p r 高的缺点。为 了限制这些不足，保证o f d m a 技术的优点能够充分地发挥出来，实际中需要研究 同步实现等这些关键技术。 o f d m a 上行链路同步技术 同步对于任何一个通信系统都有着举足轻重的作用，系统收发双方完全同步 是一个系统进行正常通信的首要条件。同样，同步是o f d m a 系统通信实现的重要 前提。前面已经介绍到，o f d m a 系统的上下行链路不同，对于o f d m a 系统的下 行链路而言，同步可以用o f d m 同步技术进行实现，相对来说比较容易。而对于 o f d m a 上行链路，各个用户随机接入基站并与基站进行通信，基站端接收到的是 各个用户的叠加信号，