（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211n的mimoofdm系统同步技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，宽带无线通信技术和应用得到了迅猛的发展，人们对无线数据以及多 媒体业务的需要，促进了用于高速宽带无线通信的新技术的研究和发展。由于 o f d m 技术能够有效抵抗频率选择性衰落和窄带干扰，且频谱效率高，在现代通信 中越来越受到重视。m i m o 技术能增大系统容量，提高数据速率和数据传输质量， 是无线通信中的一项关键技术。因此，o f d m 技术和m i m o 技术的结合可以提供更 大的覆盖范围，更好的传输质量，更大的数据速率和更高的频谱效率。但即将应用 于各种高速无线宽带通信系统中的一些关键技术仍然需要完善，如o f d m 同步算 法、m i m o o f d m 同步算法以及信道估计等等。 本论文主要对基于i e e e 8 0 2 1 l n 的无线通信中m i m o o f d m 系统同步算法特别 是采样时钟同步和相位抖动跟踪算法及同步系统设计问题进行研究。首先介绍分析 了无线移动信道的多径传播和时变特性，接着介绍了o f d m 系统的基本原理及其优 缺点，并在此基础上分析了同步偏差对单天线以及多天线o f d m 系统性能的影响， 包括载波频率偏差和定时同步偏差的影响，并介绍了几种常规o f d m 同步算法；并 将单天线的同步算法推广到多天线系统，然后详细分析了采样时钟偏差和相位抖动 对系统性能造成的影响，并研究了适合于m i m o o f d m 系统的采样时钟同步和相 位跟踪算法，该算法同时能对产生的相位抖动进行跟踪，最终实现较为精确的系统 同步，提高系统的性能。研究了采样时钟同步和相位抖动跟踪的最大似然同步算法， 该算法能够跟踪由于采样时钟偏差所引起的符号定时的抖动；研究了采样同步算法 在单天线以及多天线的实现和在m i m o 、白噪声、多径以及瑞利信道的环境下进行 了性能仿真，证明采样同步算法在多径和瑞利信道均有较好的性能。 关键词：i e e e 8 0 2 1 l n ，m i m o o f d m ，频偏估计，采样时钟偏差，采样同步 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n sh a s b e e nt h er a p i dd e v e l o p m e n t ，t h ep e o p l eo fw i r e l e s sd a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c e sn e e dt o p r o m o t eah i 曲- s p e e db r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sf o rt h en e wt e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o ri t sh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s st os e l e c t i v ef a d i n g a n dn a l t o wb a n di n t e r f e r e n c e a sm u l t i p l ei n p u t sm u l t i p l eo u t p u t s ( m i m o ) t e c h n o l o g y c a nb ea d o p t e dt oi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y , d a t ar a t e ，a n dm a k et h et r a n s m i s s i o nm o r e r e l i a b l e ，i t h a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn o w a m i m o o f d ms y s t e mi sas e a m l e s sm e r g e ro fm i m oa n do f d m ，w h i c hc a np o t e n t i a l l y p r o v i d el a r g e rc o v e r a g er a n g e ，m o r er e l i a b l et r a n s m i s s i o n ，h i g h e rd a t ar a t ea n ds p e c t r u m e f f i c i e n c y b u tw i l l b e a p p l i e d t oa l lk i n d so fh i g h s p e e dw i r e l e s sb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nan u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e ss t i l ln e e di m p r o v e m e n t ，s u c ha s t h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo f d m ，m 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 ma n d c h a n n e le s t i m a t i o n ，a n ds oo n t h i sp a p e ri sb a s e do ni e e e 8 0 2 1inw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nm i m o - o f d m s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，e s p e c i a l l yt h ea l g o r i t h m sf o rs a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n a n dt r a c k i n go fc a r d e rp h a s ej i t t e r f i r s t ，w ei n t r o d u c e da n a l y s i so ft h ew i r e l e s sm o b i l e m u l t i p a t h c h a n n e lo f c o m m u n i c a t i o na n dt i m e - v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d ，w e i n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d ms y s t e ma n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ， a n do nt h eb a s i so ft h i sa n a l y s i so ft h es i m u l t a n e o u sd e v i a t i o no fs i n g l ea n t e n n ao f d m a n dm u l t i a n t e n n as y s t e mp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gt h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dt h e i m p a c to ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r , a n di n t r o d u c e ds e v e r a lc o n v e n t i o n a lo f d m s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，t h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo fs i n g l ea n t e n n a t op r o m o t e m u l t i - a n t e n n as y s t e m ，a n dt h e nad e t a i l e da n a l y s i so fs a m p l i n ge r r o ra n dp h a s ej i t t e rc l o c k o nt h ei m p a c to fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dt os t u d yt h e s u i t a b l e f o rm i m o o f d m s a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o ns y s t e ma n dp h a s et r a c k i n ga l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h mw i l l a l s op h a s ej i t t e ro nt h et r a c ka n de v e n t u a l l ya c h i e v eam o r ep r e c i s es y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m ，i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e o nt h es a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n dp h a s e j i t t e rt r a c k i n gt h eg r e a t e s tl i k e l i h o o ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mf o rt h ec l o c kt ot r a c kd u e t os a m p l i n ge r r o rc a u s e db yt h es y m b o lt i m i n gj i t t e r ；o nt h es y n c h r o n o u ss a m p l i n g a l g o r i t h mi nas i n g l ea n t e n n aa n dm u l t i a n t e n n aa n dt h er e a l i z a t i o no ft h em i m o ，w h i t e v 重鏖坚皇奎堂堡主笙奎 _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ 一一 n o i s e ，m u l t i p a t hc h a n n e la n dr a y l e i g he n v i r o n m e n t f o rt h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o nt h a t n l e s a m p l i n gm e t h o di n s i m u l t a n e o u sm u l t i - p a t hc h a n n e l a n dr a y l e i g ha r eb e t t e r p e r f o r m a n c e k e y w o r d ：i e e e 8 0 2 1l n ，m i m o o f d m ，f r e q u e n c y e s t i m a t e s ，s a m p l i n ge r r o rc l o c k ， s a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n v i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着以通信技术和计算机技术为标志的高科技的发展，人们的生活发生了日新 月异的巨大变化。人与人之间的信息传递越来越密切，方式也越来越多样化，人类 的社会已经进入了“信息社会”。在各种信息技术中，信息的传输起着支撑作用，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发 和建设中。现代移动通信技术在融汇了当代电子技术、计算机技术、无线通信、有 线通信和网络技术的基础上，更是得到了突飞猛进地发展。目前，移动通信己从模 拟通信发展到了数字通信阶段，并且朝着个人通信更高阶段发展。未来的移动通信 目标是能在任何时间、任何地点、向任何个人提供可靠的通信服务。同时，计算机 网络已经从有线网络向无线网络发展，并且要求能够随时随处自由接入i n t e m e t 、能 享受更多的业务、安全且有保障的网络。在通信技术和计算机技术的驱动环境下， 使得无线局域网( w e a n ) 得到了迅速的发展，并且成为新一代高速无线接入网络， 但无线局域网的性能与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化网络性 能显得十分重要。i n t e m e t 业务的高速增长，实时业务和多媒体应用不断的增加，对 网络的带宽、服务质量( q o s ) 、可扩展性提出了更高的要求。 目前，世界各国在推动3 g 商用化的同时，己经把研究重点转入基于i e e e 8 0 2 1 1 n 标准的下一代移动通信，在概念和技术上寻求创新和突破，使无线通信的容量和速 率有数十倍甚至上百倍的提高。下一代移动通信提供的数据传输速率将高达 1 0 0 m b i t s ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务， 可以根据这些业务所需的不同速率，动态调整数据传输速率。另一方面，下一代移 动通信要求成本低，要在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，这就需要频谱效 率极高的技术【1 1 。多进多出( m i m o ) 技术充分开发空间资源，利用多天线实现多发多 收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，成倍提高信道容量。而正交 频分复用( o f d m ) 技术是多载波传输的一种，多载波之间相互正交，能高效利用频 谱资源。另外，o f d m 将总带宽分割为若干窄带子载波，有效抵抗频率选择性衰落。 因此，应充分挖掘这两种技术的潜力，将两者结合起来，使其成为下一代移动通信 核心技术的解决方案。 重庆邮电大学硕士论文 1 2 无线局域网的发展概况 1 2 1i e e e 8 0 2 1 i 系列标准【2 】 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，缩写为“w l a n ”) 是计算机网络和无 线通信技术相结合的产物，是非常便利的数据传输系统。它利用射频技术取代旧式 的有线局域网络，使得各个局域网络的终端通过无线信道互相传输数据。随着通信 事业的高速发展，w l a n 技术进入了一个新的天地，由于w e a n 具有安装便捷、使用 灵活、经济节约、易于扩展、应用范围广泛的特点，因而使得无线局域网得到迅速 的发展p j 。 从七十年代，人们就开始了无线网的研究。到1 9 9 7 年6 月，i e e e 通过了8 0 2 1 1 标准。主要用于解决办公室局域网和校园网中设备的无线接入，速率最高只能达到 2 m b p s 。由于i e e e8 0 2 1 1 标准在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，1 9 9 9 年i e e e 小组又相继推出了i e e e8 0 2 1 i b 和i e e e8 0 2 1 1 a 两个新标准和其他各种标 准。 ( 1 ) 最初的经典：i e e e 8 0 2 1 1 i e e e 8 0 2 1 1 标准于1 9 9 7 年6 月公布，是第一代无线局域网标准。i e e e 8 0 2 1 1 工作在2 4 g h z 开放频段，支持1m b p s 和2 m b p s 的数据传输速率。它定义了物理层 ( p h y ) 和媒体访问控n ( m a c ) 层规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操 作网络设备。标准中物理层定义了数据传输的信号特征和调制。 ( 2 ) 目前的主流：i e e e 8 0 2 1 1b 。1 9 9 9 年9 月通过的i e e e 8 0 2 1 1b 工作在2 4 g h z 2 4 8 3 g h z 频段。8 0 2 1 l b 数据 速率可以为11 m b p s ，5 5 m b p s ，2 m b p s ，1 m b p s 或更低，根据噪音状况自动调整。当工 作站之间距离过长或干扰太大、信噪比低于某个门限时，传输速率能够从l l m b p s 自动降到5 5 m b p s ，或者根据直接序列扩频技术调整到2 m b p s 和l l v l b p s 。8 0 2 1l b 使 用带有防数据丢失特性的载波检测多址连接( c s m a c a ) 作为路径共享协议，物理层 调制方式为c c k ( j i 码键控) 的d s s s ( 直接序列扩频) 。 ( 3 ) 更高的速率：i e e e 8 0 2 1l a 和8 0 2 1 i b 相比，i e e e 8 0 2 儿a 在整个覆盖范围内提供了更高的速度，其速率高 达5 4 m b p s 。它工作在5 g h z 频段，与8 0 2 1 lb 一样采用c s m a c a 协议。物理层 采用正交频分复用o f d m ( 正交频分多路复用技术) 代替8 0 2 1 lb 的d s s s 来传输数 据。 ( 4 ) 沟通的桥梁：i e e e s 0 2 1 1g 为了解决i e e e 8 0 2 1 1a 与8 0 2 11 b 的产品因为频段与物理层调制方式不同而无 2 第一章绪论 法互通的问题，i e e e 又在2 0 0 1 年1 1 月批准了新的8 0 2 1 1 9 标准。8 0 2 1 1 9 既适应 传统的8 0 2 1l b 标准，在2 4 g h z 频率下提供每秒1lm b p s 的传输速率；也符合8 0 2 1 1 a 标准，在5 g h z 频率下提供5 4 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 l g 中规定的调制方式包括 8 0 2 1 la 中采用的o f d m 与8 0 2 1l b 中采用的c c k 。通过规定两种调制方式，既 达到了用2 4 g h z 频段实现8 0 2 1 l a5 4 m b p s 的数据传送速度，也确保了与8 0 2 1 lb 产品的兼容。 ( 5 ) 酝酿中的新标准：i e e e 8 0 2 1 1 n 2 0 0 2 年底，i e e e 成立了8 0 2 1 11 1 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网 标准一i e e e 8 0 2 1 1 n ，并计划于2 0 0 5 年9 月成为正式标准。8 0 2 1 l n 计划将w l a n 的 传输速率从8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达 3 2 0 l b p s ，成为8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 之后的另一场重头戏。 1 2 2 中国无线局域网发展现状 1 、总体市场状况：国内市场供应充足，竞争日渐激烈 纵览w l a n 设备市场，海外的供应商在网络系统解决方案的提供方面起步 较早，可以为运营商提供无线访问接入点、无线路由器和无线网桥等系统设备。台 湾m a c r o m a t e 主推的m a p 8 1 1 无线产品、3 c a m 的a i r c o n n e c t 无线局域网解决方案、 思科的a i r o n e t3 4 0 和a i r o n e t3 5 0 产品系列以及i n t e lp r o 无线2 0 1 1 l a n 系列和i n t e l p r o 无线5 0 0 0l a n 系列等，这些产品有面向中小型企业的，面向家庭办公室的， 、 也有面向大型企业机构的，并在国内外市场己有应用。无线及宽带解决方案供应商 a n a d i g i c s ，i n e 日前宣布，该公司目前正在增加其无线局域网( w l a n ) 功率放大器 产品的发货量，以支持即将推行的8 0 2 1 l n 多输入多输出( m i m o ) 标准。诺基亚、i n t e l ， i b m 也相继推出各具特色的无线局域网解决方案和产品服务，与国内电信运营商携 手推进w l a n 在国内市场的应用。 国内厂商也纷纷开始看好w l a n 市场，华为、中兴、大唐等设备厂商都开发 了自己的网络产品供用户选择，从网络系统的解决方案到无线客户机适配器、内置 的无线网卡等。据了解，华为提供的解决方案特别考虑了与g p r s 移动网络匹配使 用的问题，比较贴近于中国移动的实际情况。此外，国内的笔记本电脑厂商也积极 涉足w l a n 市场，纷纷与国内的运营商结成w l a n 服务的战略合作关系。 总之，供应厂商数目的增多、多个8 0 2 1 1 协议的出现以及芯片设计领域不断出 现的创新，将促成一个非常活跃的无线局域网产品市场的出现。 2 、国内无线局域网的局限 无线局域网有这么多的优点，但是还是无法完全取代有线的局域网。原因有很 3 重庆邮电大学硕士论文 多，首先无线局域网的传输距离有限，受干扰的可能性比较大，因此没有有线网稳 定可靠。因此，无线局域网e l 前的市场定位仍然是有线网络的延伸和补充。在这个 意义上，用户来部署无线局域网，将得到全新的自由体验。目前国内的无线局域网 市场刚刚启动，可以说经过了概念推广期，慢慢步入了实质应用的阶段。 芯片供应商、系统集成商与设备供应商及代理商构成了w l a n 市场的供应链， 而上、下游厂商必须自成阵营，才能确保竞争力。系统厂商必须与芯片供应商及代 理客户维持密切关系，确保芯片供货，提高价格的应变能力。如果无法形成固定而 完整的供应链，将很难在竞争日益激烈的w l a n 市场上存活。 1 3i e e e 8 0 2 1 1n 协议概述 2 0 0 2 年底，i e e e 成立了8 0 2 1i n 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标 准i e e e 8 0 2 1 1 n ，并计划于2 0 0 5 年9 月成为正式标准。8 0 2 1 l n 工作小组的目 标有3 个：1 ) m a c 层数据速率至少要达到1 0 0m b p s 以上，是现在8 0 2 1 1 系统的4 倍：2 ) 频谱效率要进一步提高：3 ) 向后兼容8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 。为了达到上述目的，8 0 2 1 l n 主要采用的是下一代移动通信中的技术，其系统实现结构框图如图1 1 所示。 图1 1i e e e 8 0 2 1 l n 系统实现结构框图 i e e e 8 0 2 111 1 引入了很多3 g 和4 g 的无线通信技术，如采用了m i m o o f d m 技术、l d p c ( 低密度奇偶校验码) 技术，智能天线、自适应技术和软件无线电等新技 术。 1 4o f d m 技术概述 o f d m 是一种具有相当潜力的技术，目前是移动通信领域的关键技术之一。它 具有很多其它无线传输技术所未有的优点，适合于高速的无线传输系统，具有广阔 的应用前景，现已被广泛地应用于无线局域网、宽带无线接入以及d a b 、d v b 、 4 第一章绪论 h d t v 等系统，并很有可能成为下一代移动通信系统的核心技术之一。 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： ( 1 ) 频谱利用率很高，频谱效率比单载波系统高近一倍。这一点在频谱资 源有限的无线环境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频 谱利用率可以接近n y q u i s t 极限； ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散到许 多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响若再通 过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰； ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道， 每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信 息分配应遵循信息论中的“注水定理 ，亦即优质信道多传送，较差信道少传送， 劣质信道不传送的原则； ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身己 经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。 但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高；。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采用i f f t 和 f f t 来实现调制和解调，易用d s p 实现。 1 5m i m o 技术的发展以及现状 无线通信业务的需求推动了天线技术的发展，天线技术的进步则为提高通信系 统的容量提供了另一维设计空间。最早的天线设计工作源于m a r c o n i 的跨越大西洋 电报系统的定向天线的设计。而天线阵列的使用则是从第二次世界大战开始，当时 主要用于雷达。随着无线通信的蓬勃发展，频谱效率的进一步提高被认为是无线通 信研究的紧迫问题。空域或者空时联合处理被认为是提高现代无线通信系统性能 “最后的疆域 。通过在接收端、发射端或两端均使用多天线，可以获得显著的通 信系统和链路性能的改善。传统的多天线技术如智能天线技术【3 j ，主要集中于在接 收端空域处理( 如波束形成算法) 或者空时联合处理( 如适用于c d m a 系统的空 时二维r r k c 接收系统) ，以获取接收分集增益、提高信噪比、对抗其他用户干扰并 进而提高小区覆盖范围，提高系统容量。 早期，智能天线配置于基站。从天线配置角度来说，大多数智能天线系统可以 视为s i m o 系统( 单发多收，如上行链路的接收波束形成) 或m i s o 系统( 多发 单收，如下行链路的发射波束形成) 。智能天线的基本原理在于不同用户信号通常 以不同角度到达基站，从而可以通过波束形成自适应最优合并，实现干扰抑制、提 5 重庆邮电大学硕士论文 高s n r 、实现空分多址等。 智能天线技术能有效提高频谱效率。传统的智能天线技术重视空域一维处理， 通过对用户信号的相干合并，一般能实现阵列增益以提高接收信噪比。但是在特定 环境下，如基于c d m a 体制的城市小区中，智能天线的性能受到挑战。因为在这 样的环境中，存在大量的散射体，由于多径效应导致每一个用户的信号均有较大的 角度扩展，同一用户的信号可能从较大的角度范围内到达，传统的智能天线需要提 供更大的自由度以接收这些多径信号 4 1 。从某种意义上说，由于接收信号间相关性 的减弱，会导致智能天线接收合并性能的下降。 m i m o 技术可认为是一种新型的“智能天线技术。但是它提供了阵列天线 应用的新思路并更着重于空时联合处理。通过在接收端和发射端空时二维甚至空时 频三维的联合设计和优化的编码、调制，m i m o 系统能极大改善通信链路的容量和 通信可靠性。传统智能天线系统中信号在向量信道中传输，而基于空时二维编码的 m i m o 系统中发射信号等效于在矩阵信道中传输。 m i m o 技术的一个鲜明特色在于它利用多径效应而不是试图对抗它。这里的多 径效应在窄带系统中体现为具有不同空间角度的时间不可分辨的信号分量，而在宽 带系统中则包括所有时间可分辨和不可分辨的信号分量。但是，m i m o 信道容量是 最优m i m o 系统性能的上限，知道这一上限并不意味着能实现它。另外最优系统 的空时联合处理由于高复杂度而难以实用化。因此，对无线通信工程师而言，发挥 m i m o 潜力的关键在于为发端设计优化的信号传输形式，并在收端设计合理的接收 处理算法。按照系统获得的增益类型，当前的m i m o 传输方案设计的目标主要可 以分为两大类：获取空间复用增益和空间分集增益。当前的m i m o 系统设计主要 着眼于最大化其中一种增益。针对这一问题，f o s c h i n i 和t a r o k h 等人做了大量开 拓性工作，推动了无线通信向其极限性能的逼近。为提高链路容量，f o s c h i n i 等人提出了以分层结构为特征的b l a s t 系统( 根据数据在并行信道上的映射的 不同，可分为v - b l a s t ，d b l a s t 等) 。b l a s t 是一种分层空时结构，它将数 据源分为多个数据子流，每个子流分别独立的编码调制，各发射天线同时发射不同 的数据子流，接收端使用干扰对消等技术恢复各发送信号。b l a s t 系统可以在不 增加带宽和发射功率的情况下，获得高频谱效率。 1 6m i m o 与o f d m 的结合 m i m 0 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以 抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前解决 m i m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用 6 第一章绪论 o f d m 。大多数研究人员认为o f d m 技术是4 g 的核心技术，4 g 需要具有极高频 谱利用率的技术，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基 础上合理开发空间资源，也就是m i m o 十o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。 另外o f d m 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由 于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络( s f n ) 可以用于宽带o f d m 系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成 的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。 目前m i m o 技术的应用领域还主要是在固定无线接入，这方面领先的是美国的 r a z e 和i o s p a n 公司。美国a g e r e 系统公司日前开发成功了最高传输速度为1 6 2 m b i t s 的无线l a n 技术，这种技术是在收发两端使用阵列天线的多路输入多路输出 ( m i m o ) 和正交频分复用( o f d m ) ，该系统使用3 对收发天线，每对收发天线可 以实现5 4 m b i t s 。这是目前m i m o + o f d m 技术所表现的强大的应用潜力。i e e e 8 0 2 1 1a ，1 1 g 都是以o f d m 作为核心技术，而i e e e8 0 2 1 6 系列则是以 m i m o + o f d m 技术为核心。世界各国和各大电信厂商目前都己经开展了新一代移 动通信系统的研究，而且由于m i m o 和o f d m 在提高无线链路的传输速率和可靠 性的巨大潜力，使得这两种技术特别是二者的结合有望成为过渡到4 g 的潜在技术。 因此这两种技术已经成为目前4 g 研究的热点。 1 7 论文的主要工作和结构 本论文主要研究m i m o o f d m 系统的同步算法问题，重点研究了采样同步算 法的实现以及在多天线系统下的推广等。 本论文后续各章节内容安排如下： 第二章：无线信道和o f d m 技术基本原理。本章首先分析了无线信道的时间 和频率选择特性，介绍了单天线和多天线信道模型。然后介绍了o f d m 系统的基 本原理，并给出实际的o f d m 收发机结构。 第三章：讨论了m i m o o f d m 系统的基本原理、系统结构以及系统同步。这一 章首先总结分析了各种同步偏差对s i s o o f d m 以及m i m o o f d m 系统性能的影 响；然后描述了m i m o o f d m 系统同步过程并介绍了几种常规同步算法。 第四章：采样时钟同步和相位抖动跟踪。这一章首先介绍了采样时钟偏差和相 位抖动对o f d m 系统性能的影响；最后详细介绍分析了两种用于采样时钟同步和 相位抖动跟踪的同步算法。并详细介绍了通过最大似然实现采样同步的算法。 第五章：将第四章的最大似然采样同步算法从单天线系统推广到多天线系统， 进行了仿真。 7 重庆邮电大学硕士论文 8 第二章无线信道和o f d m 基础 第二章无线信道和o f d m 基础 无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约，因而了解无线信道是进行信道 分析、提高无线传输的可靠性和有效性的前提。 无线电波在信道中传输时主要经历两类衰落，一类是大尺度衰落，它描述的是 无线电波在长距离传播过程中经历的路径损耗，通常与传播距离的指数成反比关 系。另一类是小尺度衰落，它是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快 速衰落。 o f d m ( 正交频分复用) 技术是未来无线宽带接入系统的基本技术之一，并且 被普遍认为是第四代移动通信系统的核心技术。o f d m 的优越性在于它可以抗无线 信道中的多径衰落，同时提高频谱利用率。 本章首先介绍了无线移动信道的传播特性：大尺度效应和小尺度效应，特别就 本论文涉及的单天线以及多天线信道模型进行了介绍。然后介绍了o f d m 系统的基 本原理和收发机结构，并讨论了o f d m 技术的优缺点。 2 1 无线信道衰落特性 在无线通信中，由于传播环境的复杂性，发射出去的信号会经历若干次的反射、 绕射和散射，以及受到阴影效应、多径效应和多普勒效应的影响，从而产生各种衰 落和信道扩展。通常，无线信道的传播可以分为大尺度( l a r g e s c a l e ) 传播模型和 小尺度( s m a l l s c a l e ) 衰落两种。大尺度传播描述的是长距离( 几百米甚至更长) 内接收信号强度的缓慢变化。一般说来，大尺度衰落与发射天线和接收天线之间的 距离、发射天线和接收天线的高度、载波频率以及环境特性等参数有关，在给定了 上述参数时，可以预测出电波传播的路径损耗，建立传播预测模型。对于传播预测 模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测，和特定位置附近场强 的变化。这些研究结果可用于估计无线覆盖范围、指导无线通信系统的规划。另一 方面，无线信号在经过短时间或短距离传播后会经历小尺度衰落，此时其幅度快速 衰落，以致大尺度衰落的影响可以忽略不计。小尺度衰落是由于同一传输信号沿两 个或多个路径传播，以微小的时间差达到接收机而相互干涉引起的。这些波称为多 径波。接收机天线将它们合成为一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取 决于多径波的强度、相对传播时间和传输信号的带宽。对小尺度衰落的研究有助于 我们选择相应的抗干扰、抗衰落技术。本节将详细描述和讨论无线信道的各种衰落 特性，包括大尺度的路径损耗与阴影效应，小尺度的时间、频率、空间选择性衰落 以及信道的一阶、二阶统计特性。这些信道参数和衰落特性中的大多数( 除去空间 9 重庆邮电大学硕士论文 参数) 是基于对传统的s i s o 无线信道的描述，然而，由于m i m o 无线信道可以看 成是由多个s i s o 信道所组成，因而同样适合于描述m i m o 信道的衰落特性。另外， 上述的这些参数和衰落特性对于m i m o 信道特征的描述和m i m o 信道建模也是紧 密联系在一起而分不开的，因此，了解这些参数和衰落特性是很有必要的【5 1 。 2 1 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自有空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这对 数据速率以及系统的性能带来不利影响，最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示 为【s 】【6 】： ：生：k 土( 2 1 ) d 其中，只表示本地平均发射信号功率，表示接收功率，d 是发射机与接收机之间 的距离，对于典型环境来说，路经损耗指数y 一般在2 到4 中选择。由此可以得到 平均的信号噪声比( s n r ) 为： s n r ：生：k 至上( 2 2 ) 只d ，n o b 其中0 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的常 数。如果为保证可靠接收，要求s n r s n r 。，其中s n r 。表示信噪l 匕f - j 限，则路径 损耗会为比特速率带来限制： b 垡 ( 2 3 ) d 7 n o s n r o 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： d f ，堡r ( 2 4 ) l n o b s n r o 可见，如果不采用其他特殊的技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都 会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这 种大尺度衰落对移动通信系统的影响不需要单独加以考虑。 2 1 2 阴影衰落 阴影衰落是指由于地形的起伏，建筑物高度的随机变化对信号的阻挡造成的接 收信号均值的随机变化。由于对某一固定点来说，其自由空间路径损耗可以认为是 确定的，因此阴影衰落就是在空域上给路径损耗加了一个随机的变化。其结果就是 使大尺度衰落呈现一定程度的随机性。对实测数据的研究表明，用分贝表示的阴影 1 0 第二章无线信道和0 f d m 基础 衰落的影响，即平均接收功率服从正态分布。进一步的分析显示，这是由于大量独 立的衰落信号的叠加，根据中心极限定律这些大量的叠加使得接收信号呈现正态分 布。 阴影衰落使的路径损耗出现了随机的起伏，对路径损耗的预测产生了相当大的 影响。对于实际的移动通信系统，阴影衰落会造成小区边缘的覆盖差、在小区内的 某些地方会存在覆盖盲区，小区边界会出现不规则的切换，小区边界的同频干扰会 降低系统的容量。由此可见，阴影衰落的存在对我们建立全覆盖的高质量移动通信 系统是一大挑战。因此精确了解环境的阴影衰落特性就显得尤为重要。 2 1 3 无线信道的小尺度衰落 1 小尺度衰落的表现和影响小尺度效应的因素 移动无线信道的小尺度衰落主要是由多径传播的延时扩展和多普勒扩展造成。 经由不同的路径传播的无线电波，到达接收机的时间和相位有所不同，从而导致它 们叠加后的幅度会发生剧烈的变化，这就是无线信道的小尺度衰落。无线信道小尺 度衰落的三个主要效应表现为： 1 ) 经过短距离或短时传播后信号强度的急速变化； 2 ) 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制； 3 ) 多径传播时引起的时延扩展。 影响小尺度效应的主要因素有： 夺多径传播：无线移动信道中，由于反射、散射等的影响，实际到达接收机 的信号为发射信号经过多个传播路径之后各分量的迭加。不同路径分量的 幅度、相位、到达时间和入射角各不相同，使接收到的复合信号在幅度和 相位上都产生了严重的失真。多径传播会引起信号在时间上的展宽，从而 带来符号间的干扰( i s i ) 。 移动台的运动速度：如果移动台相对于基站运动，由于各入射信号的入射 角不相同，各路径分量受到不同的d o p p l e r 频率调制，使接收到的复合信号 产生非线性失真。 信号的物理带宽：如果传送信号的物理带宽比信道相干带宽更宽，接收信 号将产生失真。但如果信号带宽匕g d o p p l e r 带宽大很多，信号对d o p p l e r 频移 引起的失真将不敏感。如果传送信号的物理带宽比信道带宽窄，则接收信 号波形在时间上不会引起明显的失真。但如果信号带宽窄到可以与d o p p l e r 带宽相比拟时，信号对d o p p l e r 频移引起的失真将较为敏感。 重庆邮电大学硕士论文 2 信道小尺度衰落的冲激响应模型 移动无线信道的小尺度变化和其冲激响应直接相关。冲激响应是宽带信道的特 性，它包含了所有用于模拟和分析信道无线传播的信息，这是因为移动无线信号可 以建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器，其中的时变是由于接收机的空 间运动所引起的。信道的滤波特性以任一时刻到达的多径波为基础。冲激响应是信 道的一个有用特性，可用于预测和比较不同移动通信系统的性能，以及某一特定移 动信道条件下的传播带宽。 假设无线多径信道的冲激响应办( r ，f ) 具有有限带宽，则厅( 幻? ) 可以等效于一个 复数基带冲激响应办( 印? ) ，表示为 7 1 ： 乃p ，f ) = 口。 ，r ) e x p k ( 2 n f 。r f ( ) + 仍( r ，f ) ) p ( f 一乃( ，) ) ( 2 5 ) 其中，口，( f ，彳) 、- - u z 。( f ) 分别为时刻f 第f 个多径分量的实际幅度和附加时延。上式中 2 矾0 ( f ) + 够( f ，f ) 表示第，个多径分量在自由空间传播造成的相移，再加上信道中的 附加相移。通常，相位仅用一个变量0 ，( ，f ) 来表示，该变量包含了第i 个附加时延 内一个多径分量所有的相移。由于口，f ) 可以为o ，所以在某些时刻f 和时延f ， 附加时延段可能出现没有多径的情况。在式( 2 5 ) 中，是多径分量可能取值的 总数；艿( ) 是单位冲激响应函数。 如果假设信道冲激响应具有时不变性，或者至少在一小段时间间隔具有不变 性，则信道冲激响应模型可以简化为： 局( ，f )