（通信与信息系统专业论文）基于ofdm系统的同步和无线定位技术研究.pdf

摘要 摘要 正交频分复用o f d m ( 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 i n g ) 技术是一种多载波数字调制 技术。近年来o f d m 技术以其频谱利用率高、成本低、易实现等优点而备受关注，预计将成为3 g 以后移动通信的主流技术。随着移动通信业务的发展，人们对无线定位技术的要求与日俱增。无线 定位技术具有重大的理论意义、突出的使用价值和广阔的市场前景。本论文首先对o f d m 系统中的 符号定时同步技术进行讨论，并将获取的时间信息用于移动台的定位技术的研究。 论文首先对o f d m 系统的基本原理和优缺点进行阐述，介绍了循环前缀部分对提高系统性能的 影响，无线衰落信道的统计模型和计算机仿真模型。 然后对o f d m 系统中几种同步技术作了简要的概述，主要讨论了其中的符号定时同步技术。接 着研究了基于循环前缀的符号定时同步技术以及其若干改进算法，并对其性能进行分析比较。仿真 结果表明，只要合理选择同步方法，即可获得较好的定时同步性能。 最后，论文对移动通信系统中的无线定位技术进行研究，讨论了基于信号到达时间的各种定位 方法以及非视距n l o s ( n o n l i n e o f - s i g h t ) 误差的抑制和消除技术，通过仿真比较验证各种方法的 性能差异。仿真结果表明，c h a n 算法是一种集运算量小和定位精度高等优点于一体的高效定位算法 但在n l o s 环境下c h a r t 算法的定位精度显著下降。 关键词：正交频分复用；符号定时同步；无线定位；信号到达时间差；非视距 a b s t r a c t a bs 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 e x i n g ( o f d m ) i sak i n do fm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y , w h i c h a t t r a c t sm o r ea t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r sd u et oi t sh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n dl o wc o m p l e x i t y i tc a l lb e f o r e s e e nt h a to f d mw i l lb e c o m et h ek e yt e c h n o l o g yf o rt h en e x tg 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 n s s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o b i l es e r v i c ei nr e c e n ty e a r s ，r e q u i r e m e n t sf o rw i r e l e s sl o c a t i o ni n c r e a s e t o o 。t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d sa n dt i m e - d e l a yb a s e dw i r e l e s sl o c a t i o n f i r s t l y , t h eo f d mp r i n c i p l e sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ei l l u s t r a t e d ，a n dt h e nt h ei n f l u e n c e so fc y c l i c p r e f i x ( c p ) o nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e sa r ed i s c u s s e d m e a n w h i l e ，t h ew i r e l e s sc h a n n e lf a d i n gm o d e la n d i t ss i m u l a t i o nm o d e li sg i v e n s e c o n d l y s e v e r a lo f d ms y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h es y m b o l s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d t h ec pb a s e ds y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da n di t si m p r o v e dc o u n t e r p a r t sa s w e l la st h e i rp e r f o r m a n c e sa n a l y s i sa r ea d d r e s s e di nd e t a i l s i m u l a t i o n ss h o wt h a tap r o p e r l yc h o s e n s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dc a no b t a i ng o o dp e r f o r m a n c e s f i n a l l y , w i r e l e s sl o c a t i o nf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n si sr e s e a r c h e d ，w h e r ev a r i o u st i m e d e l a yb a s e d l o c a t i o nm e t h o da n dn l o se l i m i n a t i o n sl o c a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e d s i m u l a t i o n sv e r i f yt h a tc h a n s a l g o r i t h mi sm o r ep r o m i s i n gi nl o se n v i r o n m e n t sf o ri t sl o wc o m p l e x i t ya n dh i 曲l o c a t i o na c c u r a c y b u t i t sl o c a t i o np e r f o r m a n c ei sp o o ri nn l o sc a s e s k e yw o r d s ：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 i n g ( o f d m ) ；s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ；w i r e l e s s l o c a t i o n ；t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ( t d o a ) ；n o n l i n e o f - s i g h t ( n l o s ) 1 1 1 插图目录 插图目录 图2 1 o f d m 系统的调制解调框图6 图2 2 插入保护间隔的o f d m 符号7 图2 3o f d m 基带系统框图8 图2 - 4改进的j a k e s 仿真器1 4 图2 5频率选择性衰落信道仿真模型1 5 图3 1o f d m 系统同步示意图1 7 图3 2o f d m 接收端的同步过程1 8 图3 3o f d m 符号定时偏移1 9 图3 _ 4m l 载波和符号同步方法中使用的o f d m 框图2 0 图3 5o f d m 符号结构图2 1 图3 - 6m l 算法实现框图2 2 图3 7 o p t i m a lm l 算法中o f d m 符号结构图2 3 图3 8接收信号星座图2 4 图3 - 9 查表方式的l o w - c o m p l e xs y n c h r o n i z a t i o n 算法实现框图2 5 图3 1 0 l o w c o m p l e xs y n c h r o n i z a t i o n 算法实现框图2 6 图3 1 l 多径信道下的o f d m 符号2 6 图3 1 2 归一化集相关函数2 7 图3 1 3 不同s n r ，m l 估计均方误差与c p 长度之间的关系2 9 图3 1 4 不同c p 长度，m l 估计均方误差与s n r 之间的关系3 0 图3 1 5 不同算法( o p t i m a lm l 和m l ) 下，时延估计均方误差与时延之间的关系3 0 图3 1 6 o p t i m a lm l 与m l 算法比较3 1 图3 1 7m l 与l o w - c o m p l e xs y n c h r o n i z a t i o n 算法比较3 1 图3 一1 8a w g n 与多径信道下时延估计算法的性能比较3 2 一 图4 1无线定位技术定位方法的划分3 3 图4 2基于网络的定位系统的丁作流程3 4 图4 3基于网络的无线定位技术定位方法的划分3 5 图4 4圆周定位方法3 5 图4 5双曲线定位方法3 7 图4 石方位测量定位方法3 7 图4 7圆误差概率c e p 3 8 图4 8f a n g 算法中基站与移动台位置分布4 8 图4 9f a n g 二维定位算法仿真性能5 0 图4 1 0 移动台g d o p 性能比较5 1 图4 1 1c h a n 算法中基站与移动台位置分布5 卜 图4 1 2c h a n 二维定位算法仿真性能- 5 4 图4 1 3c h a n 算法对基站个数的敏感性比较一5 6 - 图4 1 4f a n g 算法与c h a n 算法性能比较5 6 - 图5 1n l o s 对t d o a 定位精度的影响- 6 2 图5 2n l o s 误差抑制算法中移动台与基站的位置分布6 7 图5 3n l o s 误差抑制算法性能- 6 7 - l x 表格目录 表格目录 表2 1 m t 2 2 5 信道a 模型1 6 表3 l l o w c o m p l e xs y n c h r o n i z a t i o n 算法查寻表一2 5 - 表4 - 1f a n g 算法中移动台和基站位置的坐标( 单位：m ) 4 9 表4 2f a n g 算法仿真参数( 单位：m ) 4 9 一 表4 3c h a n 算法中基站和移动台位置的坐标 ( 单位：m ) 5 2 x 1 缩略语表 缩略语表 a o a a n g l eo f a r r i v a l 到达角 c e pc i r c u l a re r r o rp r o b a b i l i t y 圆周误差概率 c p c y c l i cp r e f i x 循环前缀 c r l bc r a m & - r a ol o w e rb o u n d 克拉美罗下界 d nd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅立叶变换 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理 f f r rf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 g d o pg e o m e t r i cd i l u t i o no fp r e c i s i o n 几何精度因子 g lg u a r di n t e r v a l 保护间隔 i c ii n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e 载波间干扰 i d f ti n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o i t i i 离散傅立叶反变换 i f f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶反变换 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 码间干扰 l o s l i n e - o f - s i g h t 视距 l sl e a s ts q u a r e最小二乘 m c mm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n 多载波调制 m lm a x i m u ml i k e l i h o o d 最大似然 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 n l o s n o n - l i n e o f - s i g h t 非视距 o f d m 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 i n g 正交频分复用 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 峰值平均功率比 r s sr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h接收信号强度 s n r s i g n a l t o - n o i s er a t i o 信噪比 t o at i m eo fa r r i v a l到达时间 t d o at i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l到达时间差 xj l j 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： 塞垒垒 日 期：! 堂：! ：! a 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：塞鱼垒导师签名：盅查壅 日期：盘瑚亏一 第一章绪论 第1 章绪论 在人类社会发展的近几十年间，信息科学技术迅猛发展，在社会生活各个领域得到越来越广泛 的应用，成为2 l 世纪国际社会和世界经济发展的新的强大的推动力。而在各种信息技术中，信息的 传输即通信起着支撑的作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代 通信技术的研究与开发以及现代通信网的建设。通信技术已从模拟通信发展到了数字通信阶段，并 且正朝着个人通信这一更高级的阶段发展，未来通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何 人提供快速可靠的通信服务。不难设想，没有移动通信是无法实现这一目标的。 在过去二十年间，移动通信技术经历了各种革新和变化，得到了长足的发展，正以巨大的力量 推动着全球经济的发展。移动通信已成为当代通信领域内的发展潜力最大、市场前景最广的热点技 术。 1 1 移动通信系统的发展1 】 人类采用无线方式进行通信的历史可以追溯到遥远的古代。但是直到1 9 世纪末，人们都是采用 十分直观的方式实现简单的信息传输。1 8 9 7 年，意大利科学家gm a r c o n i 首次使用无线电波进行信 息传输并获得成功。1 9 0 1 年，gm a r c o n i 实现了从英国到纽芬兰的跨大西洋无线电信号接收，这是 一次超过2 7 0 0 公里的远距离通信，充分显示了无线通信的巨大发展潜力。再随后一个多世纪的时间 里，伴随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，无线通信理论和技术不断取得进步，今天移 动通信技术已成为人们日常生活中不可或缺的重要通信方式。 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到2 0 世纪7 0 年代中期才迎来其蓬勃 发展时期。1 9 7 8 年美国首先建成了全球第一个蜂窝状模拟移动网，即先进移动电话系统( a m p s ， a d v a n c em o b i l ep h o n es y s t e m s ) ，标志着第一代移动通信系统( i g ) 的诞生。第一代移动通信技术 主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术，由于受到传 输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只是一种区域性的移动通信系统。 第一代移动通信系统只能提供模拟话音业务，采用效率较低的频分多址接入方式，随着数字移 动通信系统的发展和成熟。主要支持话音和低速率数据业务的第二代移动通信系统( 2 g ) 出现了。 2 0 世纪8 0 年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ，g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 。随后美 国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ， c o d e d i v i s i o nm u l t i d l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统发展中的里程碑。第二代移 动通信系统替代第一代移动通信系统，完成了模拟技术向数字技术的转变。但由于第二代采用不同 的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游。因而无法进行全球漫 游，并且由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业 务( 如移动的多媒体业务) 。 随着人们对无线数据业务需求的不断增加，第三代移动通信系统( 3 g ) 已在部分国家和地区推 东南大学硕士学位论文 出，其主流标准包括欧洲和日本提出的w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的 t d s c d m a 。3 g 的三大标准都采用码分多址( c d m a ) 的接入方式，在传统业务的基础上还可以 提供高速数据业务和多媒体业务，通信终端的多媒体支持能力也大大增强。第三代移动通信网络能 将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率，提供包括卫星在内的 全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接，满足多媒体业务的要求，从而 为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。但是3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移 动通信系统的核心网结构，3 g 能提供m b p s 量级的传输速率与宽带业务的发展需求相比还相差甚远， 所以普遍认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段，人们已经把目光越来越 多地投向第四代移动通信系统( 4 g ) ，该系统可以容纳庞大的用户数、改善现有通信质量，达到高 速数据传输的要求。 第四代移动通信系统( 4 g ) 是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功能上、频带上都与 第三代系统不同，将在不同的固定和无线平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，比第三 代移动通信更接近于个人通信。4 g 移动通信技术的信息传输级数要比3 g 移动通信技术的信息传输 级数高一个等级。对无线频率的使用效率比第二代和第三代系统都高得多，且抗信号衰落性能更好。 除了高速信息传输技术外，它还包括高速移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术以 及终端间通信技术等，具有极高的安全性，4 g 终端还可蒯作诸如定位、告警等。第四代移动通信系 统主要是以正交频分复用( o f d m ) 为技术核心。 1 2o f d m 技术简介【2 】 o f d m 是由多载波调制( m c m ，m u l t i c a r t i e rm o d u l a t i o n ) 发展而来的。美国军方早在2 0 世纪 五六十年代就创建了世界上第一个m c m 系统，在1 9 7 0 年衍生出了采用大规模子载波和频率重叠技 术的o f d m 系统。但在之后相当长的一段时间，o f d m 技术一直没有形成大规模的应用。由于o f d m 的各个子载波之间相互正交，可以采用快速傅立叶变换( f 凡f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 技术实现这种 调制，但实际上，如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法完成的。此外，发射机和接收 机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也都是o f d m 技术实现的制约条件。 2 0 世纪8 0 年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了f f t 的实现问题，随着d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片技术的发展，网格编码( t r e l l i s c o d e ) 技术、软判决技术( s o f t d e c i s i o n ) 、 信道自适应技术等的应用，o f d m 技术开始从理论向实际应用转化。o f d m 技术凭借其固有的对时 延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大优势迅速成为研究的焦点并被多个国际规范采用，如欧 洲的数字音频广播、数字视频广播和i e e e 的无线局域网标准8 0 2 1 1 a 。 1 o f d m 技术存在以下优点： ( 1 ) 频谱利用率高，频谱效率比串行系统高近一倍。由于系统中各子载波之间存在正交性， 允许子信道的频谱相互重叠，其频谱利用率可以接近n y q u i s t 极限。 ( 2 ) 简单的信道均衡技术。由于信道的可利用频带被划分成许多窄带子信道，而每一个窄带 子信道可看成平坦衰减信道，因此，采用单载波系统使用的简单信道均衡技术就可以满足系统性能 要求。 ， ( 3 ) 抗衰落能力强。由于o f d m 信号是通过许多相互正交的子载波信道传输的，频率选择性 干扰般只影响其中的几个子载波信道，若这几个子载波信道传输的数据无法接收，则利用相邻子 载波信道正确接收的数据，通过纠错技术恢复丢失的数据。因此，o f d m 系统比传统的单载波系统 有更好的抗频率选择性衰落能力。 ( 4 ) 抗码间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰 之外最主要的干扰，o f d m 系统由于采用了循环前缀，故对抗码间干扰的能力很强。 ( 5 ) 适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背 景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，应采用效率高的调制方式；而当信道条件差 的时候，则应采用抗干扰能力强的调制方式。再有，o f d m 加载算法的采用，使得系统可以把更多 的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输。 ( 6 ) o f d m 信号调制解调实现简单。利用i f f r r ( i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 和f f t 技术 可以有效地实现o f d m 信号的调制和解调。而随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f r 和f f t 都是非常容易实现的。 ( 7 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用。o f d m 易于与空时编码、分集、干扰抑制、 智能天线等技术相结合，最大限度地提高物理层传输性能的可靠性。 2 o f d m 技术的缺点： ( 1 ) 存在着较高的峰值平均功率比( 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 ) 。与单载波系统相比， 由于o f d m 系统的输出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大于信号的平均功率，导致出现较大的峰均比。过高的峰均比会产生信号 限幅失真，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各子信道信号之间的正交性遭到破坏，相互之间 产生干扰，使系统性能恶化。 ( 2 ) 对频偏和相位噪声很敏感。由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频 率偏移( 如多普勒频移) ，或者由于发端和收端的上、下行转换器和调谐振荡器所带来的频偏和相 位噪声，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰( i c i ， i n t e r o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。 1 3 无线定位技术简介 国际上对无线定位技术的研究与应用始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位( a v l ) 系统，随后 该技术在公共交通管理、货物运输、出租车管理、犯罪跟踪和紧急医疗服务等有限的范围内得到了 应用。8 0 年代以来，随着人们对智能交通运输系统( i t s ) 的需要及蜂窝移动通信系统的出现，对 无线定位技术有了新的要求，吸引了更多研究者的兴趣。美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年公 布了e 一9 1 1 ( e m e r g e n c y c a l l 9 1 1 ) 定位需求i 引，要求自2 0 0 1 年l o 月1 日起，移动运营商必须能够 提供对发出紧急呼叫的移动台的定位达到在6 7 的概率下精度在1 2 5 米以内的服务。1 9 9 9 年9 月1 日，f c c 又对定位精度的要求作了进一步的修改和加刮4 l ：基于移动台的定位方案( 可以改动移动 终端) ，要求在6 7 的概率下定位精度不低于5 0 米，9 5 的概率下定位精度不低于1 5 0 米：基于蜂 窝网络的定位方案( 不改动移动终端) 。要求在6 7 的概率下定位精度不低于1 5 0 米，9 5 的概率下 3 东南大学硕士学位论文 定位精度不低于3 0 0 米。 由于政府的强制性要求和市场本身的驱动，各国主要大公司就g s m 、i s 9 5 和第三代移动通信 系统等网络开始制定各自的定位实施方案。特别是3 g p p 和3 g p p 2 上对定位要求更具体化，促使国 际上出现了基于蜂窝网络的无线定位技术的研究热潮。 实现对移动台定位的基本定位方法有三类【5 】：基于电波场强的定位法；基于电波到达入射角 ( a o a 。a n g l eo f a r r i v a l ) ；基于电波到达时间( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 或到达时间差( t d o a ，t i m e d i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 的定位方法。然而，对移动台精确定位的前提是射频信号能在收发端视距( l o s ， l i n eo f s i g h t ) 传播。在蜂窝移动通信环境中，移动台和参与定位的多个基站之间均有视距传播路径 的可能性很小。电波的非视距( n l o s ，n o nl i n eo f s i g h t ) 传播，多径效应和多址干扰，基站之间及 基站与移动台之间的时间同步误差、测量误差等，都将影响定位精度【7 1 。其中电波的n l o s 传播是 引起各种基本定位技术产生定位误差的主要原因，也是蜂窝网络定位精度难以与g p s 定位相比的根 源。 在蜂窝网络中对移动台的定位方案有两类5 】【6 】：基于移动台的定位方案和基于网络的定位方案。 前者是由移动台根据接收到的多个发射台的信号特征信息( 如场强、入射角、传播时间或时间差等) 确定其与各发射台之间的几何位置关系，再对其自身位置进行定位估计：后者则由多个基站接收机 同时检测移动台发射的信号，根据信号的特征信息由蜂窝网络对移动台进行定位估计。显然，基于 移动台的定位方案必须在移动台集成g p s 接收机或其他定位设备，还需在移动台和蜂窝网络之间进 行定位数据的传送；基于网络的定位方案则不需要对移动台增加额外开销，因而可以保护用户已有 投资。 1 4 论文研究内容及结构安排 论文的研究内容及结构安排如下： 第一章简要叙述了移动通信系统和o f d m 技术的发展历史，以及移动定位技术的几种方法。 第二章介绍了o f d m 系统的基本原理和结构，并对移动通信系统中无线信道的特性及模型进行 了简要的描述。 第三章研究o f d m 系统中符号定时同步的各种方法，尤其对基于c p 的各种同步方法进行分析， 并进行了相应的性能仿真和分析。 第四章研究基于网络的无线定位技术，对基于t d o a 的经典算法进行仿真和性能分析。 第五章研究了n l o s 误差的鉴别、抑制及消除。 第六章对全文进行了总结。 d 第二章o f d m 系统及移动无线信道 第2 章o f d m 系统及移动无线信道 在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会产生时间选择性 衰落和频率选择性衰落。信道时变特性引起信号频谱的展宽，导致d o p p l e r 效应；信道的多径传播 会引起信号在时间上展宽，导致频率选择性衰落。人们采用相干时间或d o p p l e r 带宽来描述信道的 时变特性，采用多径时延扩展或相干带宽来描述信道的多径特性。 正交频分复用( 0 f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对 较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会增加，因此减轻了由无线信道的 多径时延扩展所产生的时间弥散对系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔， 令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就消除了由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。而 且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 本章首先给出了o f d m 系统的基本模型及其基本原理，然后介绍了无线信道的特性及其模型。 2 1o f d m 系统 2 】【8 1 1 4 3 】 在频域，多径信道呈现频率选择性衰落特性。为了克服这种衰落，个十分自然的想法就是将 信道在频域上划分为多个子信道，使每一个子信道的频谱特性都近似平坦，将多个互相独立的子信 道传输信号在接收机中予于合并，以实现信号的频率分集，这就是多载波调制的基本思想。实现多 载波调制的方法有多种：矢量编码方式、小波变换方式、滤波多音方式，以及o f d m 方式等。o f d m 作为一种特殊的多载波传输方案，其子载波保持相互混叠且相互正交，因此它除了具有m c m 的优 势外，还具有更高的频谱利用率。 2 1 1o f d m 系统的基本原理 一个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波都可以进行相移键控 ( p s k ) 调制或者正交幅度调制( q a m ) 。设o f d m 子载波个数为，数据符号周期为n 串行数 据流的符号周期为瓦，将数据分解到个子载波上分别进行调制，第0 个子载波的载波频率为五， 分配给每个子信道的数据为西一= d ，j ，n - 1 ) ，得到并行数据流的符号周期为t = n t s 。尽管总的信 道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子载波对应的子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽， 因此每个子信道是相对平坦的，从而可以大大降低符号间干扰( i s i ) 。 各子载波之间的正交性是通过适当选取子载波间隔实现的。取子载波f 司隔x f = l n r , ，则第k 个 子载波的频率五嚷+ k a y , 各子载波间在一个o f d m 符号周期内可保持正交。图2 1 给出了o f d m 系统调制和解调的框图。 一5 - 东南大学硕士学位论文 图2 1o f d m 系统的调制解调框图 图中第七个子载波的频率五为： = 五+ 三 ( k = o ，1 ，n 一1 )( 2 1 ) 则第k 个子载波的波形表达式可以为： 删= 口弧o ：，盖= 2 q 2 ， 子载波之间是相互正交的，即有如下表达式： ；胁f ) g ：击= 土t 胁b 印f 伽印坊= 上tr e j 2 x ( m - n ) t l t d t = ：) ：三括e ( 2 3 ) 每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，从户开始的o f d m 符号可以表示为： ) - 1 r e i 忙艺。d , r e c t ( t - t s - 三) e x p j 2 7 r ( f 。+ 弦u 】 t s _ t t s + t 亿4 ， 【0t t l + 丁 式中，r e c t ( o = l ，l t l t 2 ，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，j z 式( 2 5 ) 所示： 婶) - j 善h - i 棚( f - 卜三) e x p j 2 x u 】t s t _ t s + t ( 2 5 ) 【0f + 7 如图2 - 1 所示接收端对第k 个子载波进行解调时，首先将接收信号与第七个子载波的解调信号相乘， 然后在时间长度t 内进行积分，可以恢复出第k 个子载波上的发送信号，即： 6 第二章o f d m 系统及移动无线信道 五= 玎r m ) g ( t ) d t = 专e + r e x p c 一一，2 万多。一。，荟n - i 西e x p c - ，2 万事。一，瑚。2 6 ， = 亍1 缶n - i 啊j l 唧( 膨字( ，- ，础 = d k 在数字通信系统中，式( 2 5 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换( r a f t , i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来实现。为简洁起见，可以令式( 2 5 ) 中的乓= d ，并且忽略矩形函 数，对发送信号s 以f , = r m 的速率进行采样，即f = 研= k t n ( k = o ，1 ，n - o ，得到信号的离散表达 式为： 驴s ( k t n = 艺抽吣百d r i k ) ( k r n ) 2 7 r i c ( 。七一1 ) ( 2 7 ) 吼= s = 吐e x p ( 歹百) ( o 七一1 ) ( 2 7 ) i - - 0 。 可以看到乳等效为对面进行i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号应，可以对政进行 逆变换，即d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 得到： 儡= 擎n - 1 唧c 一，争邮刚棚 仁8 ， 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 和d f t 来代替，从而省略了大 量的振荡器和积分器。在实际应用中，由于超大规模集成电路( v l s i ) 技术的迅猛发展，高速、高 效的快速傅立叶f f r 芯片应运而生，利用f f t 技术可以显著降低运算复杂度。对于常用的基2i h 呵 算法来说，其复数乘法的次数从d f t 的妒降低为州仞，0 9 2 。 2 1 2 保护间隔和循环前缀 循环前缀 厂_ 二 保护 保护 1 f f t 输出 i f f t 输出!i f f 碡6 i 出 间隔间隔 二! ；- 二 互 ，i 堕塑 符号n o f d m 符号n ：符号n + i ： 2 ： 图2 2插入保护间隔的o f d m 符号 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。通过把输入数据流串并变 换到个并行的子信道上，使每个用于去调制子载波的数据符号周期扩大为原始数据符号周期的 倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在 7 东南大学硕士学位论文 每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) ，如图2 2 所示。该保护间隔长度正般 要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。保护 间隔内可以不插入任何信号，即一段空闲的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响， 会使子载波问的正交性受到破坏，产生信道间干扰( i c d 。 为消除多径传播造成的i c i ，一种有效的方法是在保护间隔内填入循环前缀( c p , c y c l i cp r e f i x ) 。 循环前缀是o f d m 符号尾部最时间内样本的复制，如图2 2 。加入循环前缀后，使得一个o f d m 符号成为一个循环的信号，在符号交接点没有任何的间断，保证每个子载波内有整数倍的循环，从 而使得同一个o f d m 符号经过不同多径信道后的不同子载波仍能够保持正交，避免了i c i 。 在实际系统中，i f f t 变换的输出信号首先加入循环前缀，然后送入信道。因此在接收端首先要 去除循环前缀，再对得到的抽样序列作f f t 进行解调。由于循环前缀被删除不用，对系统造成了一 定的能量损失。假设循环前缀包含的抽样序列长度为l 。则发送信号能量的z 朋副被浪费。但是相 比于插入循环前缀在消除i s i 和i c i 方面产生的贡献，能量的损失还是值得的。插入循环前缀之后 基于i f f r 的o f d m 系统框图可以表示为图2 3 。 图2 3o f d m 基带系统框图 连续时间系统中，发送端的模拟信号s 何和接收端模拟信号，似之间的关系可以表示为 ，( r ) = s ( f ) 丰h ( t ，f ) + 以( f ) = r “s ( ，一f ) 办( r ，f ) d f + 订( ，) 2 - 9 其中九例为加性高斯白噪声，j i z 化矽表示t 时刻信道的冲激响应。假设采样周期为疋，最大信道冲激 响应长度m 盟，m 兀r 眦。，则矗以砂在【d m t s 范围内有值。模数变换后，离散时间等效模型表示为： 飞= ，( 七i ) = h ( k r , ，肌i ) 5 【( 七一m ) i 】+ ，l ( 足五) ( 2 1 0 ) 矩阵形式表示为： + 1 ) h ( o ) h ( 1 )h ( m ) 00 0 h ( o ) h o )h ( m ) 0 !； ； 00 h ( o ) h o )h ( m ) 8 s ( 足) s ( k l 、 s ( k 一+ 1 、 + 九( 七)