（通信与信息系统专业论文）多载波移动通信系统中的同步技术研究.pdf

摘要 进a 十一世纪以来 人们不断追求更高的通信质量和更丰富的通信业务 无线通信技术正在 以前所未有的速度向前发展 尽管目前人们对于新一代无线通信系统的需求和应用目标尚未形成统 一的意见 但普遍的看法是新一代无线通信系统应该能够支持更高的信息传输速率 具有更灵活地 支持可变速率 支持更丰富的业务 适应更恶劣的环境的能力 信息传输速率的提高使得信号占用 的带宽越来越宽 进而均衡技术更加复杂 在此情况下 多载波调制技术应运而生 当前 第三代 移动通信系统已逐步投入商用 第四代 b 3 g 4 g 移动通信技术的研究和开发正在全球范围展开 广义多载波 g m c 和正交频分复用 o f d m 作为当前重点研究的两种多载波传输技术 在频谱 利用率 较强的抗衰落能力以及实现的复杂度等方面都表现出较好的技术前景 根据国家f u t u r e 计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标 东南大学移动通信实验室b 3 g 课题组提出了 支持多天线的广义多载波 m i m o g m c 无线传输技术 b 3 g 系统中 上行链路采用了g m c 方式 下行链路采用o f d m 方式 本文主要研究了两种多 载波传输技术中的定时同步技术 在数字通信中参数估计理论研究的基础上 开展对m 1 m o g m c 定时同步和o f m d 系统符号定时同步的相关工作 基于m i m o g m c 系统总体架构和定时同步理论基础 研究了该系统中的定时同步算法 并针 对上行定时同步中的捕获算法和跟踪算法作了性能仿真和分析 在搭建的仿真平台上 针对不同的 同步码 不同移动台速度 不同插值算法 不同的天线配置方案以及不同的定点化方案作了较为详 尽的仿真 验证了基于二维能量窗的定时捕获算法和基于导频能量合并的定时跟踪算法的可行性和 优越性 为硬件实现提供了有力的依据 o f d m 系统中 则在传统的最大似然定时和频偏联合估计分析研究的基础上 针对传统算法中 循环前缀前面的数据受多径影响较大从而影响同步性能的缺点 提出了改进的同步算法 并用正确 同步概率和归一化均方误差两个性能指标对改进算法进行了评估 仿真结果表明 改进算法有效的 提高了o f d m 符号定时同步的性能 关键字 多载波技术m i m o g m co f d m 定时同步符号同步 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt w e u t y f i r s tc e n t u r y p e o p l ea r ep u r s u i n gh i g h e rq u a l i t ya n db e t t e rs e r v i c ei nc o m m u n i c a t i o n s a n d w i r e l e s st e c h n o l o g i e sa r ed e v e l o p i n gs i g n i f i c a n t l yd u et ot h eg r e a ti m p o r t a n c ea t t a c h e d a l t h o u g hp e o p l e h a v ed i f f e r e n ti d e a so nh o wt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sg o i n gt oh e t h e ys h a r et h es a m ev i s i o nt h a t t h ef u t u r es y s t e ms h o u l ds u p p o r tv a r i a b l et r a n s m i tv e l o c i t ya n dc o m p l e xs e r v i c ew i t l lt h e 曲i l n yt os u s t a i n i nm u c hw o 嗍e n v i r o n m e n t s n 地i m p r o v i n gi n f o r m a t i o nr a t em a k e st h es i g n a lb a n d w i d t hm u c hw i d e r w h i c hn e e d sm o r ec o m p l e xe q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t h e nt h em u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y m e r g e s t h et i m e sr e q u i r e w i mt h ec o m m e r c i a ld e p l o y m e n t so ft h e3 r dg 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 ns y s t e m s t h er da c t i v i t i e so nt h e4 t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na r eb e i n ge a r r i e d o u t 掣o b a l l y a st w om a i nm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g i e sb e i n gh o tr e s e a r c h e d g m ca n do f d mh a v eb o t h s h o w nt h e i rg r e a tp r o s p e c t si nf r e q u e n c ys p e c t r u mu s a g er a t e s t r o n ga n t i f a d i n ga b i l i t ya n dl o wr e a l i z a t i o n c o m p l e x i t y t om e e tt h er e s e a r c hg o a lo ft h ef u t u r e t h eb 3 gr e s e a r c ht e a ma tt h en a t i o n a lm o b i l e c o m m u n i c a t i o nl a b o r a t o r y 越s o u t h e a s tu n i v e r s i t yh a sp r o p o s e dt h ea d v a n c e dm i m o g m cr a d i o t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y i nb 3 gs y s t e m t h eu p l i n kl l s e st h eg m cm e t h o dw h i l et h ed o w n l i n ku s e st h e0 f d mm e t h o d 仳 t h e s i si so nt h es y n c h r o n i z a t i o na l g o f i t h m su s e di nt h et w od i f f e r e n tm u l t i c a r r i e rt r a n s m i t i o nt e c h n o l o g i e s b a s e do nt h et h ep a r a m e t e re s t i m a t i o nt h e o r y t h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni nm i m o g m cs y s t e ma n d s y m b o lt i m er e c o v e r yi no f d ms y s t e ma l ed i s c u s s e d b a s e do nt h es y s t e md e f i n i t i o na n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nt h e o r y t h ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g a l g o r i t h m sa r er e s e a r c h e d w ed i s c u s s e dt h em g o d t h mi nd i f f e r e n ts y n c h r o n i z a t i o nc o d e d i f f e r e n tv e l o c i t y d i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o nm e t h o na n dd i f f e r e n tf i x e dd o i ms c h e m a n da tl a s tt h e t w od i m e n t i u ne n e r g y w i n d o w a l g o r i t h mi sp r o v e dt oh eaf e a s i b l eo n e t h e l li no f d ms y s t e m t h ew a d i t i o n a lt i m i n ga n df r e q u e n c es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da r ef i r s t i n t r o d u c e d a n dt h ew e a k p o i n tt h a tt h ep e r f o r m a n c ei sb a d l ya f f e c t e db e c a u s eo ft h eb a di n f l u e n c eo f t h e m u t l i p a t hc h a n n e li se x g l a i n e db ya n a l y s i s a tl a s ts o m ei m p r o v e m e n ta rp r o p o s e db a s e do ut h e p e l f o r m u n c ea n a l y s i s a n da l s op r o v e dt oh ef e a s i b l ei nm u l t i p a t hc h a n n e l k e yw o r d s m u l t i c a r r i a rt e c h n o l o g y m i m o g m c o f d m t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 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书而使用 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 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 容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 导师签名 第1 章绪论 1 1 论文背景 第1 章绪论 进入2 l 世纪以来 伴随着人们对更高的通信质量和更丰富的通信业务的孜孜追求 无线通信正 在以前所未有的速度向前发展 实现任何人在任何地方 任何时候通过任何的网络与任何人进行无 缝通信成为人们对个人通信发展方向的美好愿望 个人移动通信因其极大的改变了人们的生活方式而越来越受到人们的青睐 1 8 9 7 年 当m g 马可尼完成了固定站与一艘拖船之间进行的无线通信试验 标志着移动通信的正式诞生i i j 一个多 世纪以来 移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统 第二代数字移动通信系统发展到了目前即 将商用的第三代宽带数字移动通信系统 正向着大系统容量 高服务质量 多业务发展 尽管3 g 技术正逐步投入商用 但也存在着一些问题 比如难以满足不断增长的多媒体业务的高数据速率需 求 难以在不同频段的服务区间漫游等1 3 1 因此 能更好地支持非对称业务 可变速率 宽带多媒 体 i n t c m e t 及其综合业务的新型无线传输技术 提供可变传输速率 更高的频谱效率 更大的系统 容量以及更低的建设和运营成本的无线多媒体通信日益成为全球范围内的广泛研究的热点 b 3 g b e y o n d3 g 4 3 技术的研究正是在此背景下 为适应移动通信发展趋势而开展的全球范 围内的研究 b 3 g 系统将支持多种无线接入技术 能实现目前多种无线网络的任意组合 包括w l a n w p a n g p r s 3 g 等 b 3 g 系统将具有更宽的频带 更高的数据传输速率 更平滑的小区切换 更多样的服务和更低的成本等 将具有信令和路由功能 b 3 g 移动通信系统在网络结构 空中接 口 传输体制 编码与调制 检测与估计等各个方面必将具有全新的面貌 在网络结构方面 将采 用全p 分布式 自组织和多层的无线广带个人通信新体制和新模式 在空中接口方面 将采用分 布式的接入方式 多天线技术具有至关重要的作用 在传输调制方面 多载波并行是必须的 广义 多载波技术 正交频分复用技术 g m c o f d m 具有潜在的技术优势 在编码与调制方面 t u r b o 码 l d p c 码 高阶调制 以及自适应编码调制 a m c 等将得到发展和应用 在检测与估计方面 迭 代式检测与估计是获得最优性能的有效方法9 j 欧洲b 3 g 4 g 移动通信系统的研究始于9 0 年代早期 其目标速率是2 0 1 0 0 m b p s 预期在2 0 1 0 年左右商用 国际电信联盟i t u r 在1 9 9 9 年成立了w p 8 f 工作组 主要任务是负责3 g 未来发展和 b 3 g 的研究 在2 0 0 1 年l o 月举行的第六次会议上讨论提出了 i m l 2 0 0 0 未来发展及超i m t 2 0 0 0 的远景框架及总目标 i m t v i s 欧洲 北美和亚洲一些国家的公司和研究机构建立了研究4 3 技术的w w r f 组织 欧盟的w i n n e rb 3 g 研究项目作为欧盟的第六个框架项目 于2 0 0 3 年4 月 启动 日本和韩国也已经各自启动了名为m l t f 和k 4 g 的b 3 g 项目 而在中国 第四代移动通信 f u t u r e f u t u r e t e c h n o l o g i e s f o r u n i v e r s a l r a d i o e n v i r o n m e n t 计划已被正式列入了国家 十五 8 6 3 研究计划 探索和研究适应未来移动通信发展需求的新理论 新技术 并建立试验平台测试 f u t u r e 计划的实施旨在为中国的移动通信提供更多的技术保证 争取更多的核心知识产权 以有力地推动 中国移动通信事业的发展 其中f u t u r e 已经完成 并将启动f u t u r e i i 研究 根据国家f u t u r e 计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标 东南大学移动通信实 验室b 3 g 课题组提出了支持多天线的广义多载波 m i m o g m c 无线传输技术 j 该技术与当前备 受关注的正交频分复用 o f d m 技术一起 成为能提供高速率数据传输的两种颇具竞争力的多载 波无线传输技术 f u t u r e 计划中 上行链路采用m i m o g m c 下行链路采用m i m o o f d m 本 论文根据课题组承接的f u t u r e 计划二期课题的研究目标 在m i m o g m c 无线传输技术总体方案 东南大学硕士学位论文 基础上 研究定时同步算法 在o f d m 系统中 则针对符号同步算法作了研究 在传统算法的基础 上 提出了 些改进 1 2 多天线技术简介 未来移动通信系统对数据传输速率 频谱利用率 系统容量等多个方面都提出了较为苛刻的要 求 从信息论的角度已经证明 多天线发送多天线接收 m i m o 技术可以大大增加无线通信系 统的容量 并改善无线通信系统的性能 因而非常适合b 3 g 4 g 移动通信系统中高速业务的要求 已经成为当前无线通信领域研究的热点 m i m o 技术在不增加带宽的情况下 能成倍地提高通信系 统得容量和频谱利用率 是b 3 g 4 g 移动通信系统必须采用的关键技术 m i m o 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 t 技术 j 是指利用空间中增加的传输信道 在发送端 和接收端采用多天线 或天线阵列 同时发送信号的技术 由于地形 天气等因素造成电磁波多路径传 播 产生多径衰落 引起码间干扰 这样会大大降低系统性能 也就是说 无线信道中信息的传输 环境比有线信道环境更为恶劣 这是无线信道相对于有线信道的一个先天的缺陷 然而对于m i m o 系统而言 多径可以作为一个有利因素加以利用 m i m o 系统在发射端和接收端采用多天线和多通 道 m i m o 的多输入多输出是针对多径无线信道来说的 此时的信道容量随着天线数量的增大而线 性增大 换言之 可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量 在不增加带宽和天线发送功率的 情况下 频谱利用率可以成倍的提高 根据天线间距离远近的不同 多天线可分为分立式多天线和集中式多天线 在分立式多天线情 况下 各个天线间相互距离足够远 各个发射天线到各个接收天线间的信号传输可视为互相独立 比如空间分集的多天线就属于分立式多天线 而在集中式多天线情况下 各个发射天线到各个接收 天线间的信号传输是相关的 系统能够利用多天线合成波束的方向性改善系统性能 此所采用的多 天线属于天线阵列范畴 比如智能天线中的自适应天线阵 波束切换天线阵列等等 本文中所涉及 到的m i m o 信道都是特指基于分立式多天线的 移动通信中分立式多天线的用途主要有 空间分集 数据传输 干扰抵消等等 3 g p p 标准中 采用了空时发射分集方案 而3 g p p 2 标准中采用了分层 空时结构 l a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r 来实现高速速率数据传输 同时也采用空时发射分集来 提高传输质量 智能天线技术在3 g p p 标准的t d d 模式中得到了应用 无线通信环境下的多径衰落 多普勒频移和信道快速时变等不利影响下 如何保证无线信道的 可靠传输始终是移动通信所研究的课题 分集技术就是主要用于补偿信道衰落损耗的有效方法 分 集技术 是指通信的过程中 系统要能够提供发送信号的复本 使得接收机能获得更加准确的判断 根据获得独立路径信号的方法不同可以分为时间分集 频率分集和空间分集等 而空间分集技术没 有时延和环境的限制 能够获得更好的系统性能 空间分集的原理是利用多天线实现空间多个重复 信息的信号的独立传输 使得多路接收信号同时处于衰落的概率相对于单路信号的概率大大降低 进而克服信道衰落 达到提高传输质量的目的 空间分集技术分为发射分集和接收分集 传统的空间分集主要是接收分集 在这种方式下 接 收机对它收到的多个衰落特性相互独立但携带同一信息的信号进行特定的处理 以降低信号电平的 起伏 根据对信号特定处理方式的不同 可分为选择分集 反馈分集 最大比合并分集 等增益合 并分集和切换分集等 显然 接收分集将明显导致接收机复杂度的提高 当由于移动终端体积和功 耗限制而不适合接收分集方式时 常采用发射分集来提高系统性能 发射分集由于只需在基站端增 加天线 实现起来比较简单 因而得到了人们的关注和研究 发射分集最初由w i t m e b e n 于1 9 9 1 年 提出1 9 1 可以分为三类1 1o 接收端反馈信息 发射端前馈信息 全盲的方法 发射分集作为抗衰落 的重要方法 己成为第三代移动通信技术的关键技术之一 也是未来移动通信的备选方案之一 2 第1 章绪论 在广义多载波和正交频分复用睡种多载波技术中应用多天线技术 可以为g m c 系统和o f d m 系统提供明显的分集增益或者系统容量的增加 理论研究表明 多载波技术和多天线技术的结合 可以带来极大的系统性能增益 必将成为未来移动通信系统中的关键技术 1 3 多载波技术简介 单载波系统是传统的通信系统所采用的方案 在数据传输速率较低时 由于无线传输信道多径 效应等对信号符号之间引入的干扰不是特别严重 此时可以通过使用各种均衡算法来保证通信系统 的正常工作 但随着人们对未来移动通信系统更高传输速率 更丰富业务的追求 信号所占用的带 宽越来越宽 时延扩展造成数据符号之间的相互交叠 从而引入了符号之间的串扰 因而就需要更 加复杂的均衡算法来对抗符号间干扰 i s i 同时还要考虑算法的收敛速度和可实现性以及系统实 现的复杂度 根据数字通信理论 当信号带宽超过或者接近信道的相关带宽时 信道的时间弥散性 将造成频率选择性衰落 从而使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性 由均衡带来的系统复杂度的日益提高是单载波系统所无法避免的 在此情况下 多载波调制技 术应运而生 它可以有效地克服单载波方案的缺点 多载波通信方案下 把数据流分解成若干个并 行的子比特流 使得每个子数据流具有较低的传输比特率 然后利用这些数据去调制若干个载波 系统中所用的子载波数越多 子流传输比特率就越低 系统抗i s i 性能就越好 由于多载波的引入 使得子流上的码元周期大大变长 移动通信理论告诉我们 只要时延扩展与码元周期相比小于一定 比值就不会造成码间干扰 因此 多载波方案与单载波方案相比 具有很好的抗无线信道时间弥散 的特性 此外 多载波系统对频率选择性衰落有较强的抵抗能力 由于无线信道的频率选择性衰落 在某一时刻会影响到一定数目的子载波的正常传输 其他的载波仍能够获得很好的性能 因此 可 以通过在系统设计时采用交织 纠错编码以及白适应的子载波分配等技术来弥补在衰落较大的子载 波系统性能的损失 传统的多载波系统即频分复用 f d m a 该方案将频带划分为若干个互不重叠的子频带来传 输并行的数据流 子频带之间有一定的保护间隔来避免子载波间的干扰 在接收端用滤波器组来分 离各个子信道 该方法简单直接 但是频谱利用率低 而且在路数较多的频分系统中的滤波器的实 现大大增加了系统复杂度 广义多载波 g m c 和正交频分复用 o f d m 作为两种新的对载波调 制技术 在频谱利用率高 简单易行的d f t 实现及易于结合m i m o 技术等方面都表现出了共同的 技术优势 因而得到了广泛的重视和研究 1 3 im i m o g m c 无线传输技术 f u t u r e 计划一课题研究期间 东南大学移动通信国家重点实验室f u t u r e 课题研究组着重开展 了新一代蜂窝移动通信无线传输链路技术的研究 系统而深入地研究了广义多载波时分双工混合多 址 g m c t d d x d m a 无线传输技术总体方案 并解决了若干基础性的关键技术i l 而在f u t u r e 计划二期课题期间 研究组对传输速率和系统容量提出了更为苛刻的要求 并重点深入系统地研究 分散式无线网络 r o f 构架下m i m o g m c 无线传输技术 并融入广义多载波传输技术框架 经过 研究组多年的理论研究和仿真实现 东南大学移动通信国家重点实验室把g m c 传输方案向m i m o 信道环境进行有力地拓展 形成独特的m i m o g m c 传输方案 在m i m o 信道模型 信道容量 信 道估计以及逼近信道容量的迭代式接收技术研究方面取得了一系列重要的进展 链路仿真结果表明 在4 发8 收高速移动信道环境下 在低于2 0 m i i z 的带宽内 m i m o g m c 系统可以支持峰值传输速 率不低于1 0 0 m b p s 的高速数据传输 其正常工作的信噪比可低于0 d b 完全达到了f u t u r e 计划二 期课题预定的目标 3 东南大学硕士学位论文 m i m o g m c 无线传输技术方案可描述为 1 系统可在基本模式和扩展模式下工作 在基本模式下 可把总带宽为的2 0 m h z 信道分解 成一组并行的3 d b 带宽为1 2 8 m h z 的子信道 通过多载波滤波器组进行多载波合路和分路 多载波 滤波器组可通过d f t 快速实现 在扩展模式下 可把相邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4 m h z 扩展 子载波 可根据未来不同国家的频谱分配情况 灵活地分配不同的扩展子载波 并可实现与3 g 系 统的共存与后向兼容 2 在每个子载波 采用双循环自适应时隙结构 高效编码与调制 空时分集与空分复用 迭 代式空时联合检测译码等技术 支持高效的分组数据传输 满足b 3 g 系统对传输速率 系统容量 频谱效率以及功率效率等方面的要求 3 采用f d d 或t d d 双工方式 适用于广域覆盖和热点覆盖蜂窝通信环境 4 采用f d m a t d m a 和c d m a 混合多址方式共享无线资源 其中c d m a 为辅选 每个 移动用户可动态地占用一个或多个基本子载波或扩展子载波 或占用一个子载波的一个或多个时隙 码道等 从而达到大动态范围传输的要求 m i m o g m c 无线传输链路具有如图1 一l 所示的模块构成 在发送端 不同用户或同一用户的 m 个并行比特流 分别经过子载波发送处理 得到子载波多天线数字基带发送信号 对应于每个发 送天线的子载波发送信号 经过多载波合成滤波器组进行多载波合成 生成多载波数字基带发送信 号 再经过数模转换和载波调制 分别产生各发射天线上多载波发送射频信号 在接收端 各接收 天线接收的多载波信号经过载波解调和模数转换 产生多载波数字基带接收信号 经过多载波滤波 器组进行多载波分解 并进行定时 频率同步 生成同步后各子载波多天线数字基带接收信号 各子 载波的多天线接收信号再经过相应子载波接收处理 得到m 个并行的接收信息比特流 叫羔 卜 缸 嗡 母 埘 槛 i i j 二 糍 甜 寸焉卜 链 嚣 鲨i 卜 瞎 貔 蝌 蜒 坤 骨 乳 娃 埔 j 吖种 图1 1m i m o g m c 无线传输链路构成 1 3 2m i m o o f d m 无线传输技术 无线传输信道 尤其是移动环境中的无线传输信道是一个非常复杂的物理现象 未来移动通信 要在有限的频谱资源上支持更高速率数据和多媒体业务的传输 必须才与频谱效率较高的抗衰落技 术 o f d m 和m 1 m o 正是其中的两种有效措施 而将两者相结合构成m i m o o f d m 系统 技术上 互相补充 使之成为高速无线通信中极具竞争力的无线传输方案 正交频分复用 o f d m 技术是一种新的多载波调制技术 它的提出已经有4 0 多年的历史 j 第一个实际应用是军用的无线高频通信链路 而这种多载波传输技术在双向无线数据通信方面的应 用却是近十几年来的新趋势 o f d m 技术具有以下优点 1 把高速率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 从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的i s i 减小了接收机内均衡的 复杂度 有时甚至可以不采用均衡其 而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响i i 2 与传统的f d m a 不同 o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性 允许子信道的频谱相互 4 第1 章绪论 重叠 因此能最大限度的利用频谱资源 3 各个子信道的正交调制和解调可以通过i d f t 和d f t 实现 并可以借助f f t 来快速实现 4 o f d m 系统中可以通过分配不同数量的子信道来支持非 对称业务 5 o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用 构成o f d m a 系统 m i m o o f d m 技术将空间分集 时间分集以及频率分集有机的结合起来 从而能够大大的提高 无线通信系统的信道容量和传输速率 图1 2 为m i m o o f d m 系统框图 1 4 论文工作安排 图1 2m i m o o f d m 系统框图 本文研究了g m c 和o f d m 两种多载波系统中的定时同步技术 重点研究了m i m o g m c 系统 中的定时同步算法和o f d m 系统中的符号定时同步算法 论文的结构安排如下 第一章简要介绍了多天线技术和多载波技术 m i m o g m c 系统和m i m o o f d m 系统的基本框 架以及论文的工作安排 第二章主要介绍了移动无线信道的衰落特性和移动无线信道的建模 针对仿真中信道数据生成 以及数据过信道的处理耗费时间较长的缺点 介绍了一种有效节省仿真时间的方法 第三章主要研究了移动通信中同步的基础概念 理论和方法 介绍了符号定时同步和载波同步 的算法模型 并基于参数估计理论进行了相关的推导 第四章介绍了m i m o g m c 系统的同步技术和同步过程 描述了定时同步中捕获和跟踪算法的 原理 搭建了同步仿真平台 在各种条件下对同步方案进行性能仿真 给出了相应仿真结果 并对 仿真结果进行比较和分析 第五章介绍了o f d m 系统的基本模型以及符号定时同步误差对系统的影响 在分析了传统的基 于循环前缀的o f d m 联合同步算法的基础上对符号定时同步算法作了一些改进 提高了定时同步性 能 第六章对论文工作做了总结 第2 章移动无线信道 第2 章移动无线信道 2 1 移动无线信道的衰落特性 信道是通信系统中必不可少的组成部分 通信系统中的大多数功能模块都是为了克服信道对传 输信号的影响而专门设计的 实际的通信系统中许多的参数的设计也和信道条件密切相关 所以 对于信道的深刻理解 是成功设计通信系统的必备条件 也是成为优秀通信工程师的关键因素之一 与有线恒参信道相比 移动无线信道的传输特性要更为复杂得多 不仅存在与地形特征 空间 距离 太阳活动等相关联的大尺度路径损耗 慢衰落 还有与多径传播 相对运动等相关联的小 尺度衰落 快衰落 2 1 1 无线信道的特点 时变特性和衰落特性是无线信道的两大特点 无线电波通过移动信道时会遭受来自不同途径的 衰减损害 这些来自不同途径的衰减损害对通信系统的性能带来极大的影响 这些损害可以归纳为 三类i i 接收信号的功率可用公式 2 1 表示为 p d l d i s d r d 2 1 一 式中 i d i 表示移动台到基站的距离 当移动台运动时 距离是时间的函数 所以接收信号功率也是 时间的函数 式 2 1 表明了信道对传输信号的三类影响 1 路径传播损耗与弥散 用p l 表示 这是由于电波在空间传播时所产生的损耗 它反映 了传播在宏观大范围 即公里量级 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势 2 阴影衰落 又称为慢衰落 用s d 表示 这是由于传播环境中的地形起伏 建筑物及其 障碍物对电波遮蔽所引起的损耗 它反映中等范围 数百波长量级 的区间内信号电平中值的慢变 化特性 其衰落特性一般遵从对数正态分布 3 多径衰落 又称快衰落 用r d 表示 这是由于移动传播环境的多径传输引起的损耗 它反映微观小范围内 数个或数个波长 接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征 其衰落特 性一般遵从瑞利分布或莱斯分布 路径损耗和阴影衰落又称为大尺度衰落 多径衰落又称为小尺度衰落 图2 1 给出了某一衰落 信号的路径损失 大尺度衰落和小尺度衰落与传送端和发送端之间的距离关系的衰落示意图 从移 动通信系统工程的角度看 传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖 而多径衰落则严重影响 信号的传输质量 必须采用抗衰落技术来减少其影响 要研究这些技术 首要工作便是深入了解移 动信道本身的特性 并在此基础上研究信道的统计特性 建立合适的随机信道模型 7 东南大学硕士学位论文 图2 1 衰落信道随发送 接收距离的衰落示意图 2 1 2 多径传播对数字信号的影响 移动信道是一种多径衰落信道 各条传播路径上的信号幅度 时延及相位随时随地发生变化 所以接收到的信号的电平是起伏不定的 这些多径信号相互就形成了衰落 多径传播对于数字信号 传输有特殊的影响 包括角度扩展 时延扩展和频率扩展 2 1 2 1 角度扩展 角度扩展是空间选择性衰落的体现 它包括发射端的角度扩展和接收端的角度扩展 发射端的 角度扩展是指由多径的反射和散射引起的发射角展宽 接收端的角度扩展是指多径信号到达天线阵 列的到达角度的展宽 由于角度扩展的存在 接收信号幅值与天线的空间位置有关 通常用相干距 离来描述空间选择性衰落 其定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大空间距离 相干距离 越短 角度扩展越大 反之 相干距离越长 则角度扩展越小 2 1 2 2 时延扩展 时延扩展是频率选择性衰落的体现 它是信号在多径传播条件下 接收信号所反映出的 当发 射端发送一个极窄的脉冲信号艿 f 时 由于不同路径的传播距离不一样 信号沿各个路径到移动台 的时间也就不同 接收信号 f 由不同时延的脉冲组成 可表示为 r o f j 卜l f 2 2 其中 吒 r 是第竹条路径的反射系数 0 f 是第玎条路径的时延 最后一个可分辨的延时信号与 第一个延时信号到达时间之差为最大时延扩散 记做l 如果在时变多径信道上传输一系列相同的 极短脉冲 理想情况下为一个冲激 则每个脉冲的接收信号都会不同 并且表现为一串脉冲 如 图2 2 所示 与时延扩散有关的一个重要概念是相干带宽 通常用最大时延的倒数来定义相干带宽l i 对移 8 第2 章移动无线信道 动信号来说 当信号带宽小于相干带宽时 发生非频率选择性衰落 即传输后信号中各频率分量所 遭受的衰落是一致的 因而衰落信号的波形不失真 而当信号带宽大于相干带宽时 发生频率选择 性衰落 即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应 所以衰落信号波形将产生失真 一 般来说 窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落 而宽带扩频信号将引起频率选择性衰落 1 6 l 图2 2 时变多径信道接收脉冲示意图 2 1 2 3 频率扩展 频率扩展是时间选择性衰落的体现 移动台在运动中通信时 接收信号频率会发生变化 称为 多普勒效应 所导致的附加频移称为多普勒频域 表示为 v c o s z 厶 2 3 其中 口是入射电波与移动台运动方向的夹角 v 是运动速度 a 是波长 厶2 是厶的最大 值 称为最大多普勒频移 在多径环境中 衰落信号的频率随机变换称为随机调频 假设移动台天线为全向天线 路径 数较大 且不存在直达径 则可认为多径电波均匀来自各个方向 并且入射角口服从0 2 万的均匀 分布 来自口与 仃之间的电波有相同的多普勒频移 此时接收信号的频率为 f f c 七l m c 0 5 gq q 由上式可见 虽然发射频率为z 但接收信号的频率却扩展到从z 一厶到z 厶范围 这就是多 普勒频展 时间选择性衰落信号的幅度变化一般遵从瑞利分布 故通常称为瑞利衰落 瑞利衰落随 时间急剧变化 又称为 快衰落 衰落最快时每秒2 次 但瑞利衰落的中值场强只产生比较平 缓的变化 故称为 慢衰落 最大多普勒频展宽度五的倒数定义为相干时闻疋 相干时间表征的 是时变信道对信号的衰落节拍 而这种衰落是由于多普勒效应引起的 时间间隔c 之内 信道可认 为不变 2 2 移动无线信道建模 2 2 1 两种统计模型的简介 要建立合理的移动通信信道仿真模型 就必须考虑信道的随机时变和时延扩展两方面的特性 随机时变特性可用多个独立信号源的叠加来表征 当信号源数目很大时 由中心极限定理可知 接 收信号在基带上可以表示为独立的零均值复高斯随机过程 其幅度变化服从瑞利分布 称为瑞利衰 落信道 当信号源中有一直达的强路径时 则幅度变化服从莱斯分布 称为莱斯衰落信道 因为瑞 利信道更具普遍性和代表性 本文中的仿真将重点针对瑞利衰落信道来进行 1 瑞利分布衰落 r a y l e i g hf a d i n g 9 东南大学硕士学位论文 当信道中传送到接收机的信号散射分量数目很大时 应用中心极限定理可得到信道脉冲响应的 高斯过程模型 如果该过程是零均值的 那么任何时刻信道响应的包络都具有瑞利概率分布 而相 位在 o 2 万 区间内均匀分布 即 p r 嚣 盯 o 其中 盯是包络检波之前所接收到的信号均方根值 盯2 是包络检波之前的信号包络的时间平均功率 2 莱斯分布衰落限i c ef a d i n g 当存在一个主要的静态信号分量时 小尺度衰落的包络分布服从莱斯分布 这种情况下 从不 同角度随机到达的多径分量叠加在静态的主要信号上 包络检波的输出端就会在随机多径分量上叠 加一个直流分量 其概率密度函数分布为 p r 参数爿指主信号幅度的峰值 i o 时第一类0 阶贝赛尔函数 2 6 2 2 2 仿真中应用的信道模型 l a k e s 算法是无线通信仿真中常用的信道模型 原始的j a k e s 算法 将多个独立同分布的复 指数随机过程叠加生成复高斯随机过程 这种方法产生的各径的波形之间存在相关性 而改进的 j a k e s 算法 能消除各径波形相互间的相关性 m l m o g m c 系统中 发送数据一般以数据帧为单位通过信道 用改进的j a k e s 算法生成信道 1 a k e s 算法将在后面章节介绍 每径都由多个复高斯噪声相加而成 需要耗费较长的时间来产生信 道数据 并且在仿真过程中 我们发现 信道模型的数据生成和发送数据过信道占据了总体仿真时 间的绝大部分时间 因此 我们考虑寻求一种方法 使得信道数据以更快的速度生成而又不导致模 型大的误差 这样的近似必将对提供系统仿真效率有极大的意义 我们知道 发送数据过信道时 一般需要在每个数据时刻产生信道数据 每个数据的产生都需较多的三角函数运算 这些计算大大 降低了产生信道数据的速度 但是如果使用插值信道的方法 每隔一段时间用改进的j a k e s 算法产 生一次各径信道数据 然后中间的数据用插值的方法得出 并且根据信道的多普勒频偏 移动台速 度越来设置分段的长度 即多普勒频偏越大 信道衰落波形变化越快 插值分段的长度越短 反之 移动台速度越慢 多普勒频偏越小 信道衰落波形变化越慢 插值分段的长度可以越长 通常 很 多的仿真模型中分段的长度上由下式决定 l l1 8 乃 正 l 2 7 其中 符号l l 表示向下取整 e 是最大多普勒频偏 t o 是符号间隔 容易看出 插值分段的长取 决于信道变化的快慢 实际应用中 需要根据算法实现复杂度和算法性能来具体确定采用何种插值算法 仿真研究表 明 用二次函数插值算法产生的信道与插值前的信道非常接近 并且实现复杂度不高 在该二次插 值算法中 由三个点来确定一条二次曲线 因此每段插值首先需要产生3 个时刻的信道数据矢量 1 0 口 j r o 一 o r l 嘞 吣 晒 b 加一矿 矗 堑 二矿 第2 章移动无线信道 每个矢量就是当前时刻所有 个径的信道数据 把玎c 时刻第k 径的信道数据表示为式 2 8 分为 实部和虚部 瓦 玎 瓦o i 黾 n r o j 强 2 8 假设间隔为上c 的待插值的3 个矢量为 t o t o o 五 o 乙一i o t l 写 工 五 0 0 9 一 上 2 9 t 2 l 写 2 五 2 一 2 上 3 个时刻的各径信道数据由改进的 l a k e s 算法生成 每个径3 个时刻的信道数据确定一条二次 曲线 中间时刻的信道数据用曲线上的值表示 举例来说 即将瓦 o t r l 7 t 2 l 带入所要计算 的第k 径的二次曲线j a k x 2 壤x q 求得系数吼 巩和气 那么就可以方便的用二次曲线上 的点来表示其他任何中间时刻的数据五 疗 疗 o 1 2 l 1 从而省略了很多三角函数运算 大 大降低了产生信道模型的时间 图2 3 所示的是插值前和插值后的某段单径信道波形的变化示意图 其中黑色实线表示每个时 刻都用改进的 1 a k e s 算法生成信道数据的单径信道波形 带星号的曲线表示使用二次插值生成的单 径信道波形 产生信道的主要参数设置如下 m l o 2 5 正 3 5 g h z t c 1 1 2 8 e 6 v 5 k m h 2 1 吮 九 1 8 从图2 3 中可以看到两者基本没有差别 说明用二次插值方法产生的信道对信道模型没有什么 影响 用了插值信道后 数据过信道的速度提高了很多倍 本论文中关于m i m o g m c 的仿真信道 都是用二次插值方法生成的改进的 1 a k e s 模型 在不影响性能的条件下节约了大量的仿真时间 插值前后信道数据比较 j l i 一原信道数据 f i 插值信道数据r 瓮 气 薏 冬 l l 1 0 3 04 0 5 06 07 0 图2 3 信道数据插值前后的比较 东南大学硕士学位论文 2 2 3j a k e s 模型简介 j a k e s 算法是无线通信系统仿真中常用的信道仿真模型 它是一种确定性仿真算法 该算法将多 个独立同分布的复指数随机序列叠加成复高斯随机过程 假设有 个等强度的反射波到达移动接收 端 个反射波的入射角 是均匀分布的 每个反射波的多普勒频偏就相应为 n kc o s 口n 其中n k 2 万 肛是最大多普勒频偏 v 是接收端的移动速度 厂是载波速度 c 是光速 如果 足够大 那么根据中心极限定理我们可以认为 由多个反射波叠加得到的入射波满足复高斯分布 原始的j a k e s 算法对 个入射角分布的有要求 即0 t n 2 万彬 每个入射角对应的多普勒频 偏在四个象限是对称的 0 7 时除外 设对称的入射角个数为n o 则4 o 2 n 即 o 2 1 2 j a k e s 模型限制 2 为奇数 仿真模型由一个频率为n k 的复频率振荡器和 o 个较低频率的复振荡器的和构成 这 o 个复振荡器的频率为n kc o s 每个振荡器有一个初始相 位 初始相位的选择是仿真初始化的一部分 衰落信号的复包络可表示为 r1 r o k i 苦 c o s 口 s