ofdm物理层同步技术研究[0].pdf

东南大学 硕士学位论文 ofdm物理层同步技术研究 姓名 杜茂森 申请学位级别 硕士 专业 通信与信息系统 指导教师 郭强 20060301 东南人学硕十学位沦文 摘要 本文研究了包括频谱利用率 i f f t f f t 循环前缀等的0 f d m 基本原理 井进步分析 了o f d m 系统的同步技术 以及各种非理想同步因素对其性能的影响 本文分析了两类o f d m 同步算法 基于训练序列 t s b 的同步算法和基于循环保 护前缀 g i b 的同步算法 前者利用每一数据帧中的辅助信息 训练序列 估训系统定 时和频率的误差 由于辅助信息的预知1 性 使得这种算法的准确度比较高 但它f u j 时降低了 有用信息的传送率 后者是利用每一o f d m 符号都插入的保护前缀进行参数估计 尽管它 的精度没有前者的高 但它可以存每个符号都进行同步 以跟踪定时和频偏误差的变化 本文提出了一种基于前导符辅助的符号利频率同步方案 该算法人人降低 厂计算的复杂 度 本算法可以进行独立的符号定时 关键词 正交频分复用定时估计频偏估计循环保护前缀 东南人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d mi n c l u d i n gs p e c t r u me f f i c i e n c y l f f t f f t c y c l i cp r e f i x a n a l y s e st h o r o u g h l y t h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi no f d m s y s t e m a n dt h ei n f l u e n c eo f m a n y n o n i d e a lf a c t o r s u p o n i t sp e r f o r m a n c e i n t h i sp a p e r t w os y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s t r a i n i n gs e q u e n c eb a s e d t s b a l g o r i t h ma n d g u a r di n t e r v a lb a s e d g 1 b a l g o r i t h m a r ed i s c u s s e da n da n a l y s e d t h ef o r m e ro n eu s e st h e a s s i s t a n ti n f o r m a t i o no fe v e r yf r a m e 一t r a i n i n gs e q u e n c e s e s t i m a t i n gt h es y s t e mt i m i n ga n d f r e q u e n c yo f f s e t i ti s v e r yp r e c i s eo w i n gt oi t sp r e d i c t i n g b u tt h et r a n s m i s s i o nr a t i oo fu s e f u l i n f o r m a t i o ni sr e d u c e da tt h es a m et i m e t h el a t l e ro n ec a r r i e st h r o u g ht h ep a r a m e t e re s t i m a t i o n u s i n gt h ec y c l i cp r e f i xb u ti tc a nm a k es y n c h r o n i z a t i o ni ne v e r ys y m b o l t r a c k i n gt h ec h a n g eo f t i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e ti ns p i t eo f i t sp r e c i s i o ni sl o w e rt h a nt h ef o r m e ro n e a tl a s t t h ep a p e rg i v e sap r e a m b l e a i d e ds y m b o la n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e t h i ss c h e m en o to n l yr e d u c e sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yg r e a t l y b u ta l s oa l l o w s f o ra n i n d e p e n d e n ts y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n k e yw o r d s o f d m t i m i n ge s t i m a t i o n f r e q u e n c ye s t i m a t i o n c y c l i cg u a r d i n t e r v a l 东南大学硕士学位论文 第6 章结束语 5 0 61 论文工作总结 62 下一步工作方向 5 致谢 5 2 参考文献 5 3 图表目录 图11 速率一距离直方图 图2li e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 十j j 议结构 图2 2w i r e l e s s m a n o f d m 发信机框图 圈2 3 w r e l g s s m a n o f i n 接收机框图 图3 一lf d m 和o f d m 频谱利用比较 图3 2o f d i 符号的循环前缀示意图 图3 3o f d m 系统框图 图3 4 o f d m 系统中的同步 图3 5载波频率偏差 图3 6 抽样间隔偏差 图3 7最佳定时时刻以及定时偏差示意图 图4 1实现同步的先后次序 圈42 同步在系统中所处的位置 图4 3 多径衰落信道下的m d 输出波形 图44 高斯白噪卢r 的m d 输出波形 图4 5m o o s e 算法频偏估计误差 图4 6 不同信噪比f 的i f o 获取性能 图47 i f o 估计在a w g n 中的性能曲线 图4 8高斯白躁声下的m d 输出波形 幽49 多径衰落信道f 的m d 输卅波形 一 邝 邝 一 加 地 m 惦 坩 坩 毖 毖 踮 勰 n 鲥 叫 尔南大学颤工学位论文 h41 0s c h h i i d l c o x 算法频偏估计误差 图4 o f d m 信号结构图 图4 1 2 最大似然估计方框图 图4 一1 3 利用最大似然估计确定符号定时与载波频偏的示意图 图4 一1 4 符号定时最人似然估计误差 图41 5 频率偏差晟大似然估计误差 图41 6m 个符号联台最大似然定时估计误差 图4 一1 7 连续三个o f d m 符号频偏最大似然估计误差 图4 1 8 连续m 个o f d m 符号在多径信道f 的联合估计误差 图51 8 0 2 1 6 a 中指定的前导符结构 图5 2 前导符检测方块图 图5 3 信噪比为i o d b 时前导符检测器输出结果 图5 4精确定时的相关结果 表卜18 0 2 1 1 与8 0 2 1 6 a 服务质量与安全性比较 表2 18 0 2 1 6 a 所定义的四种空中接口技术 表22w i r e l e s s i k n o f d m 中所使用的参数 表4l应用p n 序列做训练序列的示意表 3 7 8 3 2 踮 盯 们 诅 舶 钉 盯 勰 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所早交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究r 作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谲 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 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证 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了谢意 研究生签名 垫苤矗 日期 幽 6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内寮和纸 质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包 括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 挺楚盎导师签名 玺 弓 闩期 兰 堑三一丛 第1 章绪论 1 1 无线网络的发展现状 第1 章绪论 现代社会离不开通信 自电报电话出现以来 人类的生存和发展就与通信密不可分 近 些年来 通信更是以爆炸式的速度发展 从有线到无线是通信发展中的一个飞跃 从完成单 一的话音业务到完成音频 视频 图像和数据相结合的综合业务是一个更大的飞跃 目前 有线网络已基本建成 如高速的光纤骨干网 分布广泛的p s t n 电话网 a d s l 接入网 各 种有线局域网等等 而无线网络也正在飞速发展 如已经比较成熟的g s m 网络 正在进行 的c d m a 网络等等 根据无线网络的应用范围 可以分成以下几类 l 1 无线广域网 w i r e l e s s w i d e a r e a n e t w o r k w w a n 连接某个国家或世界不同 部分的设备 主要指蜂窝移动通信系统 蜂窝移动通信经历了模拟阶段 窄带数字阶段 正 进入宽带数字阶段 第三代移动通信时代 第三代移动通信主要包括三个国际移动通信标 准 w c d m a c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 第四代移动通信的研究在i e e e 8 0 2 2 0 移动广带 无线接入 m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s m b w a 工作组的领导下渐渐拉开序幕 在我 国 第四代移动通信也已经被正式列入国家 8 6 3 研究计划 已启动名为f ut u r e f u t u r e t e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t 的未来移动通信研究计划 2 无线城域网 w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k w m a n 是一种无线固定宽 带接入网络 工作在直径超过5 0 k m 的区域 主要用于整个建筑楼或家庭与骨干通信网的无 线接入 相应的标准规范由i e e e 0 2 1 6 工作组指定 3 无线局域网 w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k w l a n 最初定义为有线局域网的 无线延伸 现在则作为高速无线互联网接入技术 应用于机场 工厂 大厦 图书馆 学校 等人口密集的热点地方 至少能够支持大于1 0 0 m 的距离 利用网络内部的物理层连接 还 能支持至少2 k m 距离的通信 主要的标准包括由i e e e 8 0 2 1 1 工作组制定的i e e e 8 0 2 1 i a b i g 等 4 无线个域网 w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k w p a n 是一种用于连接家庭各 种家电 娱乐设备的无线网络 作用距离在1 0 m 范围内 w p a n 分低速和高速两种 i e e e s 0 2 1 5 4 是 种低速w p a n 标准 而i e e e 8 0 2 1 5 3 a 则采用超宽带 u l t r aw i d e b a n d u w b 技术实现高速w p a n 标准 数据速率在1 0 0 兆比特每秒 m b p s 以上 主要用于摄 像机和娱乐设备的多媒体传输 l 东南大学硕士学位论文 图1 1 是满足不同距离和速率的无线网络的速率一距离直方图 i f 价 f m 故辫蟪8 i o o o r r k b n 1 0 0 0 i i x i t l o 啮p e t l o r m d l l c e l o l 图卜1 速率一距离直方图 从图中可以看出人们对无线产品的需求将会增加 而上面的各种无线网络系统 任何单 独一种都不能满足所有的需求 因此最终期望的无线网络是由上述各种无线网络无缝连接 的 与各种有线通信网络互通的 可以在任何时间 任何地点 与任何人进行通信的全球统 一的信息传输网络 1 2 无线城域网 僵a n 技术简介 以i e e e 8 0 2 1 1 系列为代表的无线局域网 其覆盖范围最大为1 0 0 米 可实现用户群内 部的信息交流和无线接入 而以i e e e 8 0 2 1 6 系列标准为代表的无线城域网 w m a n 技术 则可以实现更大范围内的无线连接 信号覆盖范围可以达到数千米至几十千米 可用于实现 城市范围内信息汇聚点之间信息交流和网际接入 被形象的描述为 最后l 公里 的宽带接 入手段 与8 0 2 1 1 比较 i e e e 8 0 2 1 6 a 在服务质量 安全等方面的优势也十分明显 见表1 i e e e 8 0 2 1 6 系列无线城域网通常称为固定式宽带无线接入技术 f b w a 即发射机和接收 机的位置是固定的 较少移动 因为在f b w a 系统中收发信机的位置相对固定 信号在传 输过程中由信道的时变性所引起的多普勒频移较小 因此可实现较高的信息传输速率 与传 统的有线宽带接入技术相比 f b w a 技术具有传输容量大 业务开通迅速 初期投资少 网 络扩展性强等优势 受到了国内外电信业务经营者的普遍欢迎 第1 代f b w a 技术可分为两 大阵营 一种是工作在毫米波段 大于2 0 g h z 的f b w a 系统 如 本地多点分配业务 l m d s 系统 另一种是工作在微波波段 小于l l g h z 的f b w a 系统 如多通道多点业务 m m i s 系统 第1 代f b w a 系统已在欧美等先进国家实现商用化 在我国还处于现场试验阶段 尚 未大规模推广应用 影响第1 代f b w a 系统大规模推广应用的主要问题是缺乏统一的国际标 准 设备大量使用制造商的专有技术 设备成本高 不同厂商的设备难于互联互通 为了推 2 第l 章绪论 动f b w a 技术的标准化 i e e e 于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组 下设3 个工作组 分别对1 0 6 6 g h z 频段 2 l l g h z 频段的宽带无线接入技术及不同无线接入技术的共存问题进行研究 经过两年多的工作 2 0 0 1 年1 2 月 i e e e 通过了工作于1 0 6 6 g h z 频段的f b w a 技术标准 8 0 2 1 6 随后 2 0 0 3 年1 月 i e e e 完成了2 l l g h z 频段f b w a 技术的标准8 0 2 1 6 a 8 0 2 1 18 0 2 1 6 a 基干内客的m a c c s m a c a 授予一请求模武的m a c 没有o o s 保证 设计之初兢考虑了话音及视频 无法保证话音和视频的廷迟 支持 不允许给不同用户提供不同 支持不同等级的服务 面向商用 服务质量 服务的t 1 给住宅用户提供尽力而 只能呆甩t o o 异步方式为服务 8 0 2 1 1 e 提议 q o s 仅提 t d d f o d h f o d 同步或募步 供优先权 以o o s 为中心 现采用的安全标准是w e p 3 d e s 12 8b i t 安全性 制订中的8 0 2 1 1 标准有 r s a 10 2 4b i t 望提高安全性 表卜1 8 0 2 1 1 与8 0 2 1 6 a 服务质量与安全性比较 1 3 无线通信中的o f i m 技术 相对有线网络 无线网络最大的优点是可移动性 而付出的代价是需要面对恶劣的无线 环境 如多径干扰 信道衰落和有限的频谱资源 因此 也面l 临更多更大的挑战 为了支持 大量的数据传输 并对无线信道干扰有很好的抵抗力 调制技术非常关键 正交频分复用 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 e x o f d m 技术频谱利用率高 抗多径能力强 信 道均衡需求相对简单 特别适合于无线宽带通信 o f d m 的基本思想是将高速的串行码流分成若干并行低速码流 分别调制到正交的子 载波上进行传输 调制解调使用i f f t f f t 实现 由于o f d m 符号间隔相对变长 对多径干 扰 脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗能力 同时 循环前缀的引入 几乎可以完全消除符 号间干扰和载波间干扰 另外 由于子载波之间的正交性 其频谱允许重叠 使得它的频谱 利用率比单载波系统提高很多 自2 0 世纪9 0 年代以来 o f d m 技术被广泛应用在广播信 道的宽带数据通信 数据音频广播 d a b 高清晰度电视 h d t v 和无线局域网 h r t a n 当中 如今 它也被用于u w b 方案的实现 3 东南大学硕士学位论文 但是o f d m 技术的实现中还存在一些问题 首先 系统对频率偏移和符号定时偏差敏 感 频偏会破坏子载波之间的正交性 引入1 c i 而且还会引起传输信号的相位旋转 造成 系统性能大幅度降低 若符号定时产生偏差 落在循环前缀范围之外 将严重影响系统解调 的正确性 其次 o f d m 调制的信号峰均功率比 p c a l t o a v e r a g e p o w e r r a t i o p a p r 非常 高 要求功率放大器具有极大的动态范围 否则会产生严重的频谱扩散和非线性失真 造成 相邻信道之间的干扰和误码率的提高 在实际中 同步问题和峰均功率比问题成为o f d m 系统讨论的主题 1 4 论文章节安捧 本论文的主要任务是研究基于o f d m 的无线传输技术 侧重于研究系统中的同步技术 提出了一套基于o f d m 调制技术的无线通信系统的同步方案 第二章概述了无线城域网的基本概念 首先介绍了i e e e 8 0 2 1 6 i e e e s 0 2 1 6 a 的协议结 构 对i e e e 8 0 2 1 6 a 在m a c 层的改进进行了分析 i e e e8 0 2 1 6 a 定义的4 种空中接口技术 分别是单载波方式 w i r e l e s s m a n s c a o f d m 方式 w i r e l e s s m a n o f d m o f d m a 方式 w i r e l e s s m a n o f d m a 和w i r e l e s s h u m a n 第三章主要讨论了o f d m 系统 首先 介绍了o f d m 的基本原理 包括其频谱利用率 i f f 狮f t 调制和循环前缀 c p 其次 分析了o f d m 系统的同步技术 讨论各种非理想 同步因素对o f d m 系统性能的影响 第四章主要分析了o f d m 的两种同步方法 基于训练序列 t s b 的同步算法 基于 循环前缀 g i b 的同步算法 其中基于训练序列 t s b 的同步算法又分为两种 两个连 续相同符号训练序列的频域同步算法 周期符号训练序列的时域同步算法 比较两种算法的 性能可知 前者使用了两个训练序列 在参数估计时 获得的有用信息量大 因此定时估计 和频偏估计性能都优于后者 但是它使用的训练符号数量多 因此有用信息的传输率要小 基于循环前缀 g i b 的o f d m 同步算法只使用每个o f m d 符号的循环保护前缀进行定时 和频偏的估计 不需任何辅助数据 因此相对于基于训练序列的同步算法 它的有用信息传 输率更大 第五章主要讨论o f d m 系统的实现方案 实际上是对第四章中分析算法的总结和实际 应用 由于8 0 2 1 6 a 利用前导符序列进行同步 方案中应用了第四章中的一些算法 第六章总结全文 4 第2 章i e e e s 0 2 1 6 a 无线城域网 第2 章i e e e 8 0 2 1 6 a 无线城域网 宽带无线接入技术能提供灵活 机动的接入网络和业务综合利用的功能 引起了人们的 广泛关注 l m d s 本地多点分布式系统 就是一个典型的例子 它具有投资少 建设快 传输速率高等一系列优点 l m d s 是一种固定宽带无线接入系统 它采用了点对多点 p m p 的网络结构形式 支持话音 数据以及视频业务 i e e e s 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组来专门制定宽带无线接入标准 1 e e e 8 0 2 1 6 负责为1 0 6 6 g h z 频段的宽带无线接口 及其相关功能制定标准 i e e e 8 0 2 1 6 0 3 1 标准在8 0 2 1 6 标准的基础上扩展了2 1 1 g h z 频段的空中接口技术 由 i e e e 8 0 2 1 6 a 小组提出 于2 0 0 3 年1 月正式公布 它能大大提升网络的互操作性 并提供 较高的灵活性 i e e e 8 0 2 1 6 a 基于正交频分复用 o f d m 技术 既支持点对多点系统 又 支持网格 m e s h 拓扑结构系统 它降低了设备间可视性的要求 2 1i e e e 8 0 2 1 6 i e e e s 0 2 1 6 a 的协议结构 i e e e s 0 2 1 6 a 的协议结构与i e e e 8 0 2 1 6 相同 可分为 p h y 层和媒体接入控制 m a c 层两层 如图2 1 所示 物理层定义了系统所使用的频率带宽 调制方式 纠错技术 发射 机与接收机之间的同步 数据传输速率和时分复用结构等 i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 的m a c 层 包括3 个子层 分别是 1 面向业务的汇聚子层 c s i e e e 8 0 2 1 6 标准中定义了两种类 型的汇聚子层 a t m 汇聚子层和p a c k e t 汇聚子层 汇聚子层的主要作用是对上层的业务数 据单元 s d u 进行分类 然后将s d u 与适当的m a c 层连接对应起来 确保满足不同业 务的质量要求 2 共用部分子层 c p s 该子层是m a c 层的核心 主要提供系统接入 带宽分配 连接建立和维护等功能 3 加密子层 p s 提供基站 b s 和用户站 s s 之间的数据安全性 包括加密封状协议和密匙管理协议两个部分 分别负责空中传输数据的 加密和b s 到s s 之间密匙的安全发放 5 东南大学硕士学位论文 眦层 图2 1i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议结构 与i e e e 8 0 2 1 6 标准相比 i e e e 8 0 2 1 6 a 的m a c 层在以下几个方面进行了改进 1 支持网络 m e s h 拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 6 标准仅支持点对多点 p m p 形式的 网络结构 在这种网络中 一个b s 可连接多个s s 但只有s s 和b s 之间可以进行通信 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准除了能够支持p m p 形式的网络结构之外 还新增加了一种称为网格形式 的网络结构 在这种网络中 s s 之间也可以进行通信 而且b s 还可以通过s s 进行中转与 其他的s s 进行通信 所有b s 和s s 都称为网络的节点 在p m p 网络中 所有资源的管理 和分配都由b s 来完成 即采用集中式的资源调度方式 在m e s h 网络中 既可以采用集中 式 也可以采用分布式的调度方式 当采用分布式调度方式时 包括b s 和s s 在内的所有 节点之间相互协调 共同进行资源的分配和调度 增加了系统带宽分配的灵活性 2 支持o f d m 和o f d m a 由于i e e e s 0 2 1 6 a 在物理层上新增了两种传输方式 o f d m 和o f d m a 而8 0 2 1 6 在物理层上仅支持单载波的调度方式 i e e e s 0 2 1 6 a 在m a c 层上对带宽分配和请求机制进行了更新 以更加有效的支持这两种传输技术 3 新增自动请求重传 a r q 机制 在存在较多突发差错和干扰的无线链路中 a r q 显著的提高了数据分组传输的可靠性 4 支持自适应天线系统 a s s i e e e 8 0 2 1 6 a 标准中引入了在3 g 蜂窝系统中使用 的自适应天线技术 这项技术可显著提高系统的容量和性能 5 新增动态频率选择 d f s 机制 由于i e e e 8 0 2 1 6 a 系统的免许可证频段 5 6 g h z 存在较多的外界干扰 i e e e 8 0 2 1 l a 无线局域网也使用了这个频段 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准为该频段定义了一种d f s 技术 采用了该技术的b s 可以定期的对信道进行检测 利 用各种信息 如s s 初始化阶段得到的信息以及b s 和s s 测量得到的信息 对所使用的信 道进行选择 如果检测到工作信道存在其他的用户 系统可以根据某种算法来选择新的信道 2 2m e e8 0 2 1 6 a 的物理层技术 i e e e8 0 2 1 6 a 的工作频段为2 l i g h z 这些频段可以是需要许可证的频段 也可以是免 6 第2 章i e e e 8 0 2 1 6 a 无线城域网 许可证的频段 主要是5 6 g h z 频段 表2 1 列出了i e e e8 0 2 1 6 a 定义的4 种空中接口技 术的名称及它们的工作频段 双工方式以及一些提高性能的附加可选项 其中 工作在许可 证频段的空中接口技术有3 种 分别是单载波方式 w i r e l e s s m a n s c a o f d m 方式 w i r e l e s s m a n o f d m 和o f d m a 方式 w i r e l e s s m a n o f d m a 工作在免许可证频段 的空中接口方式称为w i r e l e s s h u m a n 但实际上w i r e l e s s h u m a n 并非是一种接口方式 而是可以使用工作在许可证频段的所有3 种接口方式中的任意一种 但由于 w i r e l e s s h u m a n 的工作频段是免许可证频段 可能会存在多种干扰 所以在m a c 层定义 了动态频率选择 d f s 机制来改善系统性能 空中接口名称使用频带m a c 层的额外需要可选项双工方式 w i 陀l e s s m a n s c a2 1 1 g h za a st d d 许可证频段a r q f d d s t c w i r e l e s s m a n o f d m2 1 l g h za a st d d 许可证频段a r q f d d m e s h s t c w i r e l e s s m a n o f d m a2 1 1 c i h za a st d d 许可证频段a r q f d d s t c w i r e l e s s h u m a n2 1 l g h zd f sa a st d d 免许可证频段a r q m e s h s r c 表2 一l8 0 2 1 6 a 所定义的四种空中接口技术 以下介绍工作在许可证频段的w i r e l e s s m a n o f d m w i r e l e s s m a n o f d m 系统中所使用的o f d m 调制的参数如表2 2 所示 与8 0 2 1 1 相比 8 0 2 1 6 a 系统所使用了更多的子载波数 2 5 6 个 其中有效的子载波数为2 0 0 个 根据每个 国家的不同情况 8 0 2 1 6 a 可选择2 1 1 g h z 中的免许可证频段或者需要使用许可证的频段 其带宽可在1 2 5 2 0 m h z 之间自由选择 最大传输速率可达7 5 m b i t s 每个子载波上的调制方 式可选择q p s k 1 6 0 删 6 4 q a m 纠错编码方式可选择r s 码与卷积码的级连码 也可选择 分组或卷积形式的t u r b o 码 为了进一步提高传输性能 在下行链路还可以使用a l a m o u t i 提出的空时分组码 两发一收 包含了空时编码的w i 谢e s s m a n o f d m 系统下行链路发送 端框图如下图所示 发送数据流经过扰码 纠错编码 然后经过交织 q a m 映射 空时编码 7 东南丈学硕士学位论文 最后信号分为两路经过i f f t 通过两路天线发送出去 上行链路发送端 图2 2 与下行链 路的主要区别是不采用空时编码 仅使用一副发送天线 w i r e l e s s m a n o f d m 下行链路接 收机的框图如图2 3 所示 接收机中的信号处理是发射机中信号处理的逆过程 参数 值 f f t 的长度 n f f t 2 5 6 使用的子载波数量 n c d 2 0 0 抽样频率与标称信道带宽的比许可证频段信道带宽为1 7 5 m h z 的整数倍 免许可证频段 值 f j b w 比值为8 7 任意其他带宽比值为7 6 保护间隔 t g 与有效o f d ml 4 1 8 1 1 6 1 3 2 符号 t b 的比值 频率低端保护载波数 2 8 频率高端的保护载波数 2 7 保护子载波的编号 1 2 8 1 2 7 一1 0 1 1 0 1 1 0 2 1 2 7 导频位置子载波编号 8 4 一6 0 一3 6 一1 2 1 2 3 6 6 0 8 4 子载波调制方式 q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 纠错编码方式r s 码 卷积码 分组t u r b o 码 卷积t u r b o 码 空时码 表2 2 i r e l e s s m a n o f d m 中所使用的参数 一圃一 囤j 一圃歧亘 3 v 图2 2 w i r e l e s s m a n 一0 f d m 发信机框图 图2 3w i r e l e s s m a n 0 f d m 接收机框图 8 y 东南大学硕士学位论文 第3 章o f d m 系统简介 正交频分复用 o f d m 作为一种高效的调制技术 以其高速数据传输能力和对多径衰 落的鲁棒性 以及频谱利用率高等优点 得到越来越多国内外学者的关注 本章主要研究 o f d m 技术的基本原理和关键技术 侧重于研究o f d m 的同步技术 3 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理就是将一个较宽频带分成一些子载波 s u b c a r r i e r 让高速的数据流 在子载波上分流 如果各子载波所占带宽足够窄 它们将分别经历平坦衰落 在这种情况下 接收机的均衡器便较容易实现 而且 为了提高系统频谱效率 通过设定子载波的频率间隔 使o f d m 系统中各子载波的频谱重叠 同时它们之间又正交 这就是正交频分复用 o f d m 名称的由来 此外 在o f d m 系统中 通过引入循环前缀 c y c l i cp r e f i x c p 使信号即使 通过多径信道 其各子载波间的正交性仍能够得到保持 c p 传递的实际上是冗余信息 将 占用额外的频谱和功率资源 但我们可以通过o f d m 系统设计 使c p 占用系统资源足够 小 下面主要从频谱利用率 i f f t f f t 调制解调和循环前缀三个方面描述 3 1 1o f d m 频谱利用率 相比普通的f d m 系统 o f d m 系统最大的优势在于它的高频谱利用率 h a f d m 频带 h m 一 b o f d m 频带 图3 1f d m 和o f d m 频谱利用比较 1 0 第3 章o f d m 系统简介 假定系统传输速率为r b i f f s 的b p s k 信号 o f d m 符号波形为矩形 只考虑频谱主 瓣 如图3 1 所示 当载波数n 8 时 f d m 和o f d m 信号的每一路子载波都传送 r 8 b i t s 信号 占用带宽为g 4 普通的频分复用 f d m 系统同样可以将高速数据流分成多个子 带传输 但是为了保证正确传输 各路子载波之间必须隔开 即使不考虑旁瓣的影响 f d m 至少也要占用w 2 r 的总带宽 如图3 l a 而o f d m 采用正交子载波 子载波间允许交 叠且保持正交性 如图3 1 b 所示 o f d m 占用的带宽为w 9 r 8 当子载波数 趋向于 无穷大时 f d m 系统的带宽仍为2 r 而o f d m 的带宽趋于r 即 熙形2 熙 n i n r z r 比f d m 系统节约了一半带宽 两者的信号速率相同 所 以o f d m 系统的频谱利用率是普通f d m 的两倍 假定o f d m 系统中包含 个子载波 其中 只用频谱中间的 1 个子载波来传输数据 在频谱两侧的其它子载波将用作保护频带0 1 其上不传输任何数据 每个用来传输数据的子 载波都被一个数据符号五 调制 其中 表示第 个o f d m 符号 k 表示一个o f d m 符号 中的第k 个子载波 一j 是经过基带调制 p s k 或q a m 的复数符号 则等效基带信号可 表示为 一l 牛一1 s f i 如e 口 b h 丁 西 f 3 1 o l i 一阜l k q 其中 g f 仁 f o t 其它 3 2 r 为 f d m 符号长度 五是第t 个子载波的频率 五 事 后 o 1 一l 这种子载波频率的设定保证了各个子载波之间的正交性 p 聊 e 蛳 d t r d t m 岛一如 3 3 由于这种正交性 解调器能很方便地从接收信号中解出传输符号 o r s 一2 嘶 由 五 七 o 一1 对于n 比较大的系统来说 式 3 1 中的o f d m 复等效基带信号的采样 可以采用离散傅 立叶逆变换 i d f t 方法来实现 对信号 t 以吖n 的速率进行采样 即令 f n t n 疗 o 1 n 1 可以得到 东南大学硕士学位论文 铲勤e m 筹 莲 等卜咧 s 可以看到耳 等效为对蜀 进行i d f t 运算 同样地 在接收端 为了恢复出原始的数据符 号 可以对而 进行逆变换 即d f t 得到 铲专吼j 3 亩1 萎n l f 墨争 j 彬一 百p 一 j k m 蜀 根据上述分析可以看到 o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替 在 o f d m 系统的实际应用中 可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 i f f t f f t 这可以 显著降低运算的复杂度 3 1 3 循环前缀 c p 应用o f d m 的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展 为了最大限度地 消除符号间干扰 还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔 而且该保护间隔长度i 一 般要大于无线信道的最大时延扩展 这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干 扰 在这段保护间隔内 可以不插入任何信号 即一段空闲的传输时段 然而这种情况下 由于多径传播的影响 子载波之间的正交性遭到破坏 会产生载波问干扰 i c t p e l e d 和 r u i z 于1 9 8 0 年提出了循环前缀c p c y c l i cp r e f i x 的概念p j 他们在符号间插入符号的周 期扩展 从而有效地抑制了i c i 信道间干扰 和i s i 符号间干扰 l 循环前缀 l 一 图3 20 f d m 符号的循环前缀示意图 循环前缀 c p 就是将o f d m 符号最后川g 个采样点复制到符号前端 如图3 2 所示 这种方式可使要传输的o f d m 信号呈现出周期性 在随后的分析中 我们将看到c p 对消 除码问干扰和保持载波间正交性起着关键作用 另外需要注意的是 c p 作为一种保护间隔 g u a r di n t e r v a l g i 传递的实际上是冗余信息 将占用额外的频谱和功率资源 但这可 以通过o f d m 系统设计 使c p 占用的系统资源足够小 o f d m 系统正是通过牺牲一小部 1 2 第3 章o f d m 系统简介 分系统资源 来实现接收机的低复杂度 加上循环前缀后的o f d m 符号表示为 一i 妇 彤 芝墨 口一 n n g 0 l 1 一 n 1 3 7 i 一牛 去除c p 后接收信号为 h o l n 1 不考虑噪声 经n 可解调后为 3 8 r i k 乞n 1 j 2 a 等 蔓墨 v i 一 n k 0 u 2 a 詈 i o 1 一争 曲 量o 3 9 争一1 x l a k i h l h t l x l k 一 粤 当然 系统加入循环前缀也带来了一定的性能损失 首先 系统损失了信号能量 因为 能量的 暑 也j 被用来传送循环前缀 而循环前缀在接收端解调时是被删除不用的 其次 循环前缀降低了系统的有效带宽利用率 理论上 使用j j l 进制数字调制的o f d m 系 统可达到 1 0 m b i t s s h z 假定输入系统的比特率为r l t b 则m 进制调制后的符号 速率为1 五 l 0 9 2 肘 而每个子载波上的符号速率更低 为1 五 l 0 9 2 m 等于子载 波间隔廿 o f d m 的带宽为 b 厶一1 f o 2 x 廿 n 一1 胛 2 胛 n i i n t b l 0 9 2 m 3 1 0 带宽利用率为 1 l o g m 但在加入长为虬的循环前缀后 为保持信息速率r 不变 o f d m 总的抽样速率上升为 瓦l 0 9 2m 等效于子载波间隔上升了 以 倍 故o f d m 的带宽增大到b 譬 n 而系统的有效比特率仍为r 所以带宽利用率就降低为n g 虽然循环前缀对系统造成了一定的性能损失 但与它带来的优点相比较 这点损失是可 以允许的 3 1 4o f d m 系统框图 通过上面的介绍 我们可以得到用i f f l 忭f t 实现的o f d m 系统框图如图3 3 所示 1 3 竹 删 m加 k m c l 晰 w最k l 巧 东南大学硕士学位论文 图3 30 f d m 系统框图 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 每个码元间隔内接收滤波器的最大输出时刻 因此 对于数字通信 除了载波同步外 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系列 并确定每 个符号的起止时刻 进而实现块同步或帧同步 3 2o f d m 系统中的同步原理 在o f d m 系统中 由于每个o f d m 符号是由经串 并转换的n 个样值符号组成的 所以在o f d m 系统中 除了上述数字通信系统中的载波同步和符号同步外 还包括样值同步 o f d m 系统 中的样值同步与一般数字通信系统中的符号同步类似 包括样值样值定时同步和样值频率同 步 在o f d m 系统中 符号同步的目的是使接收端确定每个o f d m 符号的起止时刻 即确定准 确的f f t 窗位置 并进一步实现块同步或帧同步 样值定时同步是为了使接收端确定每个样 值符号的起止时刻 样值频率同步则是为保证使接收端有与发送端相同的采样频率而设计 的 1 4 第3 章o f d m 系统简介 s 1 时同步 样值2 时同步 样值额 月步 假 目 菌二囹 田 一庙 图3 40 f d m 系统中的同步 一 y 4 0 一 叫 2 l 因 载被同步 图3 4 给出了o f d m 的系统模型以及几袖同步技术在系统中所处的位置 在发送端 串行发送的数据流 s k 首先经过串 并转换变成并行的数据流 进行逆傅立叶变换 再经并 串转换后得到数据流 s d 插入循环前缀得到 砧 再进行数模转换后得到模拟信号x t 调制 到载波e 上后送到信道中进行传输 接收端的处理过程与发送端的处理过程刚好相反 图 3 4 中发送端点的信号可表示为 1 一1 吉 s k e 口 n k 0 川1 2 n 1 3 1 1 报 0 g 一1 胛 g n g 一1 3 1 2 瑚 x o p t 一螺 仔1 3 脚 其中g 为所加循环前缀的样值符号数 一般应不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形 t s 为发送符号的抽样间隔 样值频率l 的倒数 即1 1 f t n t s 为o f d m 符号的持续时间 为了便于研究 可假设满足理想抽样定理 且若不考虑循环前缀 影响 则有近似表达式 川 告篁1 s 砌 v 0 3 1 4 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 所以首先要进行载波 同步 其次 在进行模数转换 a d 时 又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 晟后 由于样值是连续到达的 所以还必须确定o f d m 符 号是从什么地方开始的 又是从什么地方结束的 即符号定时同步问题 所以 接收端需对 载波频率f 载波相位毋 抽样间隔t s 抽样频率的倒数 样值定时偏差 t 以及符号定时 1 5 曰 圈圈 圜 圉 椰 s s j l x 东南大学硕十学位论文 偏差a t r 分别进行估值 假设载波频率f c 载波相位 抽样间隔t s 的估值分别为 厂 t 蜕 矿 妒和t 疋 瓦 其中蜕为载波频率偏差 矿为载波相位 偏差 r 为抽样间隔偏筹 为了研究方便 这里仅考虑a w g n 信道 进一步假设r l t 为均 值为零 每维方差为 2 的独立高斯白噪声 1 首先 假设样值定时和符号定时都己对准 即a t o 考虑存在载波频率 偏差4 疋和抽样间隔偏差 i 抽样频率偏差匀 l t 一1 t 十 i 时的情况 如图3 5 所示 图3 5载波频率偏差 叫b 卜 t h 1r 1r1r 1r 1r r 1r 1r t i0o 叫t 一 r1 r 1r 1r y 1r 1 图3 6 抽样间隔偏差 图3 5