（通信与信息系统专业论文）wimax系统时频同步技术的研究.pdf

摘要 随着宽带无线通信的飞速发展，作为4 g 先锋的w i m a x 技术，其商用脚步 越走越近。本文以移动w i m a x ( i e e e8 0 2 1 6 e ) 为主体，研究影响其性能的关键 因素之一的时频同步算法。文中首先介绍了w i m a x 技术的发展和现状，o f d m 以及o f d m a 系统的基本原理，然后分别对i e e e8 0 2 1 6 e 协议以及o f d m 中使 用的时频同步技术做了介绍。w i m a x 系统的上行链路和下行链路使用的同步算 法不同。针对上行链路的r a n g i n gs l o t ，本文给出基于r a n g i n g 符号本身的时频同 步算法；而对于上行链路的数据s l o t ，给出了基于导频的时频同步算法。随后提 出一种充分利用r a n g i n g 码之间相互关系的r a n g i n g 时偏估计的改进算法，通过 m a t l a b 仿真，证明其对系统性能有较大提高。针对下行链路，分别详细研究了 单小区和多小区情况下的时频同步技术。单小区时主要利用p r e a m b l e 的三段重复 特性进行同步，多小区时可以利用循环前缀( c p ) ，也可以利用c o m m o ns y n c s y m b o l 符号进行同步。文中给出算法，并通过仿真分析，说明算法的有效性。 关键词：w i m a x i e e e 8 0 2 1 6 e 正交频分多址接, k ( o f d m a ) 时频同步 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fb 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 nt e c h n o l o g y , w i m a x ，t h ep i o n e e ro f4 g , w i l lb ea p p l i e df o rb u s i n e s s - u s es o o n t h es y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi nt h em o b i l ew i m a x ( i e e e8 0 2 16 e ) s y s t e mt h a t c a nd r a m a t i c a l l y i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e di n t h i st h e s i s f i r s t l y , t h ec u r r e n ts t a t ea n d d e v e l o p m e n to fw i m a x a sw e l la st h eo f d ma n do f d m as y s t e m sa r ei n t r o d u c e d t h e nt h ei e e e8 0 2 16 es t a n d a r da n dt h et i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi no f d ms y s t e ma r ei n t r o d u c e dt o o t h ed o w n l i n ka n dt h eu p l i n ko f m o b i l ew i m a xs y s t e ma r ed i f f e r e n t i nt h eu p l i n ks y s t e m ，as y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nr a n g i n gs y m b o li sg i v e nf o rr a n g i n gs l o t a n da na l g o r i t h mb a s e d o np i l o ts y m b o li sg i v e nf o rd a t as l o t t h e na l li m p r o v e da l g o r i t h mf o rt i m e s y n c h r o n i z a t i o ni nr a n g i n gw h i c hm a k e sf u l lu s eo ft h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nr a n g i n g c o d e si sp r o p o s e d t h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o n ，w ef i n dt h a ti ti m p r o v e st h e s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c eal o t i nt h ed o w n l i n ks y s t e m ，t h et i m ea n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e sa t ec a r e f u l l yr e s e a r c h e di nb o t ht h es i t u a t i o no fs i n g l e c e l la n dt h es i t u a t i o no fm u l t i p l ec e l l s i nt h es i t u a t i o no fs i n g l ec e l l ，t h et r i p l e r e p e a t c h a r a c t e ro ft h ep r e a m b l ei su s e dt od ot h es y n c h r o m z a t i o n i nt h es i t u a t i o no fm u l t i p l e c e l l s ，b o t ht h ec y c l i cp r e f i x ( c p ) a n dt h ec o m m o ns y n cs y m b o lc a nb eu s e dt od ot h e s y n c h r o n i z a t i o n t h et w oa l g o r i t h m sa r eg i v e nr e s p e c t i v e l yi nt h i st h e s i s t h e i rr e s u l t s o ft h em a t l a bs i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h a tt h e ya leb o t hu s e f u la n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：w i m a x i e e e 8 0 2 1 6 et i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n o f d m a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任 本人签名：芝璺b 堡 日期 2 即罗多矽 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即。研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学学校有权保 留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文i 学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书 本人签名：日期兰翌呈：至：丝 导师签名料日期么鎏严 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 通信业正在发生巨大的变化。在语音、数据业务由固定向移动迁移的发展趋 势中，无线宽带网络( w i r e l e s sb r o a d b a n dn e t w o r k ) 正在扮演越来越重要的角色。 一方面，传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内 使用宽带业务，希望使用宽带接入移动服务；另一方面，传统的移动用户也不满 足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户 需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽 带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势，并互为补充，相互促 进。 无线宽带网络的技术发展途径，业界有很多见解，但长期愿景是殊途同归的， 即无线宽带应用的融合。目前，宽带移动化的代表技术为w i m a x ，移动宽带化 的代表技术为l t e t ，且两者的应用场景已经交叉融合。w i m a x 和l t e 是眼下 最有潜力和商业应用价值的两种技术，两者又都是向4 g 演进的主流技术，其中， w i m a x 由于规范制定较早，商用化进程较l t e 快，理所当然的成为了4 g 的先 锋，有着广阔的应用前景和巨大的市场价值。g a r t n e r 预测，从2 0 0 8 年开始，未 来5 年互联网数据流量将增加1 0 倍以上；d e l l o r o 预测，2 0 0 8 年全球无线宽带 接入用户将超过3 0 0 万，此后每年增长率超过1 0 0 ，到2 0 1 0 年将达到2 7 亿用 户，其中9 0 以上的无线宽带用户将使用w i m a x 技术【2 1 。随着w i m a x 加入i t u ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟) i m t 2 0 0 0 标准，包括芯 片、设备、系统在内的产业链越来越完善。目前，w i m a x 论坛成员超过5 0 0 家， 终端厂商超过3 0 家，芯片厂商超过1 0 家。w i m a xi p r ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t ) 的相对分散及大量i t 企业的参与，保证了终端的低成本和多样化。从标准和产业 成熟度看，w i m a x 是当前无线宽带的最佳选择之一，也将成为未来移动宽带的 主流制式之一。因此，在市场的需求和技术的推进下，对于w i m a x 技术的研究 有着重要的实际意义。 移动w i m a x ( i e e e8 0 2 1 6 e ) 采用了o f d m 、m i m o 、a m c 、h a r q 等先 进技术，而作为一项备受瞩目的宽带移动通信技术，良好的同步性能对系统的整 体性能有着重要的影响，本文就主要对移动w i m a x 的时频同步技术进行探讨和 研究。 w i m a x 系统时频同步技术的研究 1 2o f d m 技术的发展 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) 是一种 无线环境下的多载波调制技术。该技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，并且在 6 0 年代形成了使用并行数据传输和频分复用的概念，1 9 7 0 年1 月首次公开发表了 有关o f d m 的专利，其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影 响的频分复用方法来并行传送数据。o f d m 技术第一个实际应用是军用的无线高 频通信链路。 在早期的o f d m 系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由j 下弦信 号发生器产生的，系统复杂且昂贵。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了使用离散傅 立叶变换实现o f d m 系统中的全部调制和解调功能的建议，简化了振荡器阵列以 及相关接收机中本地载波之间严格同步的问题，为实现o f d m 的全数字化方案作 了理论上的准备【3 1 。 8 0 年代以后，o f d m 的调制技术再一次成为研究热点。例如在有线信道的研 究中，h i r o s a k i 于1 9 8 1 年用d f t 完成的o f d m 调制技术，试验成功了1 6 q a m 多路并行传送1 9 2 k b i v s 的电话线m o d e m 。 1 9 8 4 年，c i m i n i 提出了一种适于无线信道传送数据的o f d m 方案。其特点 是调制波的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙，该方案可以避免多径传播 引起的码间干扰。 进入9 0 年代以后，o f d m 的应用研究又涉及到了利用移动调频( f m ) 和单边 带( s s b ) 信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路( h d s l ) ，非 对称数字用户环路( a d s l ) 、超高速数字用户环路( v h d s l ) 、数字音频广播( d a b ) 及高清晰度数字电视( h d t v ) 和陆地广播等各种通信系统。 当前，o f d m 已经广泛应用于广播式的音频和视频领域，以及8 0 2 1 1 a 等无 线局域网中。同时，作为一种高速传输技术，o f d m 也是未来宽带无线接入系统 和下一代蜂窝移动通信系统的关键技术之一，3 g p p 已将其作为l t e 的主要技术， w i m a x 中也将其作为关键技术。o f d m 对于定时和频率偏移敏感，时间和频率 同步对于o f d m 技术尤为重要，本文后续章节会对o f d m 的时频同步做详细讨 论。 1 34 g 与w i 的发展 什么是4 g ? w i m a x 与4 g 是什么关系? 要回答这些问题先要第3 代移动通信 说起。尽管中国的大多数用户还没有享受至l j 3 g 移动通信的种种好处( 当然， 第一章绪论 t d s c d m a 的大力推广已经让部分用户跨入3 g 行列) ，3 g 却已经在世界范围普及。 与1 g 和2 g 不同，3 g 是由国际电信联盟( i ，r u ) ，特别是i t u 旗下的无线电通讯部门 ( i t u r ) 组织的。3 g p p 、3 g p p 2 和i t u r 合作促进了3 g 技术在全球得到认可。i t u r 在协调频谱和技术方面作出了极大的贡献。在2 0 0 0 年，i t u r 完成了第一版的 i m t - 2 0 0 0 标准【4 】，即标准i t u rm 1 4 5 7 。2 0 0 7 年1 0 月，i m t - 2 0 0 0 标准的第七个版 本在i t u 标准大会上通过；该版本目前是i m t 0 2 0 0 0 历史上最重要的版本。在版本当 中，引入了一个全新的无线接口协议。这个名为“i m t - 2 0 0 0o f d m a t d dw m a n 的无线接口协议将正交频分多址( o f d m a ) 技术引入i m t - 2 0 0 0 。同时，版本7 包 含了3 g p p 2 中基于o f d m a 的u m b 技术，并初拟了3 g p p 中基于o f d m a 的l t e 技术 框架。因此，在版本7 中，m 1 4 5 7 定义了六个无线接口，其中四个包括o f d m a 技 术。这四个接口有一些共同的技术特性，包括支持分组( i p ) 网络。在众多标准组 织的共同支持下，技术的深刻变革令4 g 移动通信技术在全球开始起步。i m t - 2 0 0 0 顺利突破了其3 g 框架。 i m t - 2 0 0 0o f d m a t d dw m a n 是i e e e8 0 2 1 6 标准( 即w i m a x ) 的一个版本。 i e e e8 0 2 1 6 标准由i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入小组负责开发、维护和升级。i e e e 8 0 2 1 6 d 组目前正在开发一个基础标准的修订版并负责后续的改善优化。该版本的 初稿有望在2 0 0 8 年底完成，目前非正式命名为8 0 2 1 6r e v 2 。当完成这个修订版后， 工作组将继续开发下面三个项目：( 1 ) 8 0 2 1 6 h ：为免授权操作开发更完善的共存机 制。( 2 ) 8 0 2 1 6 j ：制定多跳中继标准，并指定可以与终端通信的中继站。( 3 ) 8 0 2 1 6 m ： 发展先进的空口。其中，i e e e8 0 2 1 6 m 一个重要的要求是支持原有无线城域网的 o f d m a 移动台和基站。无线城域网o f d m a 能灵活地满足这些需求，这是o f d m a 技术带来的好处之一，也是业界把o f d m a 引入4 g 的主要原因。4 g 移动通讯系统 立足于多个不同的基础技术，例如o f d m a 和分组传输技术，i e e e 8 0 2 1 6 是4 g 的先 锋。2 0 0 7 年1 0 月，国际组织通过了i t u rm 1 4 5 7 7 ，标志着向4 g 技术的过渡已经 得到认可。目前，一些领先的运营商已经在部署4 g 网络。 1 4 论文的主题和工作安排 本论文介绍了o f d m 和o f d m a 技术的基本原理，对w i m a x 技术进行了 探讨，分析了o f d m 以及o f d m a 系统的同步原理。针对i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的特 点，研究了其上下行链路的时频同步算法：在上行链路中，针对r a n g i n gs l o t 和 数据s l o t 的不同特点，分别提出了基于训练序列和基于导频的时频同步算法，并 对r a n g i n g 的时偏估计算法进行改进；之后，研究了在下行链路中，针对p r e a m b l e 和c o m m o ns y n e s y m b o l 的有效的时频同步算法，并以仿真对性能进行了分析， 同时验证了算法的有效性。论文的具体内容安排如下： w i m a x 系统时频同步技术的研究 第二章：对o f d m 和o f d m a 系统进行了基本原理，系统结构等的简单介绍。 第三章：对移动w i m a x ，即i e e e 8 0 2 1 6 e 标准进行简单介绍，先简单介绍 m a c 层，然后主要对其物理层协议进行了解读，说明其基本术语、帧结构、 o f d m a 子载波分配的方法以及信道编码的内容。 第四章：分析了时偏、频偏对o f d m 系统的影响，对几种已提出的时频同步 算法进行了综述。 第五章：对w i m a x 上行链路的同步技术进行详细研究，概要介绍r a n g i n g 用途和帧同步，分别对r a n g i n g 和数据的时间同步，频偏同步进行分析，给出同 步算法，并对r a n g i n g 时间同步进行改进，然后仿真，仿真结果证明，改进算法 在性能上要远好于之前的方法。 第六章：对w i m a x 下行链路的同步技术进行详细研究，首先仿真分析b s 时钟精度对w i m a x 系统性能的影响，然后介绍p r e a m b l e 和c o m m o ns y n c s y m b o l ，接下来分单小区和多小区的情况研究了时间粗同步，时间精同步，分数 频偏估计，整数频偏估计，残留频偏估计等算法，并进行仿真，验证性能。 第七章：结论。总结全文。 第二章o f d m 与o f d m a 系统概述 第二章o f d m 与o f d m a 系统概述 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波数字调制技术。它的一个重要优点就 是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而可以大大简化系统实现的复杂 度。由于它具有良好的抗频率选择性衰落性能和较高的频带利用率，近几年来受 到了人们的广泛关注。正交频分多址( o f d m a ) 是以o f d m 调制为基础的新一 代无线接入技术，是宽带无线接入中的一种新的多址方法，它将接入和调制有效 地结合在了一起。 本章主要讨论o f d m 系统以及o f d m a 系统的基本原理。 2 1o f d m 系统基本原理 2 1 1 多载波传输系统和o f d m 基本原理 传统的单载波传输系统对于宽带业务来说，由于数据传输的速率较高，时延 扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰( i s i ) ，这对均 衡提出了非常高的要求，需要引入复杂的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性 和收敛速度。而多载波传输通过把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数 据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去 调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。这样的多载 波系统就能够适应宽带业务对数据速率的要求，但是传统的多载波技术，如图2 1 所示，由于将频带分成若干不相干的子频带，且收端需要一组滤波器来分离各个 子信道，具有频谱利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，多个滤波器的 实现也比较困难等缺点。 f of 1f 2 图2 1 传统多载波信号的频谱结构图 o f d m 系统也是一种多载波传输系统，其基本原理是将一个较宽频带分成一 些子信道( s u bc h a n n e l ) 。如果各个信道所占带宽足够窄，它们将分别经历平坦 衰落。这样，多径衰落的时间弥散相对减少，大大减少了符号间干扰( i s i ) ，使得 6 w i m a x 系统时频同步技术的研究 接收机的均衡器较容易实现。但不同于传统多载波系统的是，它把高速数据流分 散到多个正交的子载波上传输，在使得子载波上的符号速率大幅度降低的同时， 允许子载波频谱部分重叠，从而充分有效的利用了频谱资源，如图2 2 所示。 盛泌沁，一， 2 1 2o f d m 的基本模型 f 图2 2o f d m 信号的频谱结构图 o f d m 调制就是将数据比特通过星座映射后得到的数据符号调制到若干个相 互正交的子载波上，数据符号集为相移键控( p s k ) 符号或正交幅度调制( q a m ) 符号组成的集合，表示为置“= o ，l ，2 ，一1 ) 。n 个正交的子载波频率为 z + i t ( i = o ，1 ，2 ，n - 1 ) ，相邻的频率间隔为1 厂r ，其中t 为一个o f d m 符号的 宽度。令r e c t ( t ) = 1 ，t l t 2 。这样，起始时间为的o f d m 符号复等效基带信号 可表示为【5 】： x ( f ) = x i r e c t ( t 一一妻) e x p j 2 r t 睾( t 一乞) 】，f + r i = o 1 缸f ) = 0 ，t ? + f ， ( 2 1 ) 图2 3 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中彳= z + i t 。 札心 矽_ +妊三 鲫 ； i一 p 幅 1 e - j 岫 叫吨习互 图2 3o f d m 系统基本模型框图 o f d m 系统中子载波间的正交性体现在： 第二章o f d m 与o f d m a 系统概述 1 。f e x p ( j 2 n 删e x p ( - j 2 n 以= 托：三： ( 2 _ 2 ) 因此对第j 个子载波进行解调，可在时间长度t 内进行积分，即 盒，= 专r e x p 卜，2 万事。一) 】荟n - ! 置e x p ( 2 万事。一) ) = ；篓墨卜x p 胁字”伽班= _ 协3 ， 可以看到，对第j 个子载波进行解调，可以正确的恢复出期望信号t 。而对 于其他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( f j ) r 可以产生整数倍个周期， 所以其积分结果为零。 o f d m 系统的一个优点是，可以用离散傅立叶逆变换【6 】( i d f t ) 和离散傅立 叶变换( d f t ) 来实现系统的调制和解调，这样就避免使用大量的正弦波发生器、 滤波器、调制器和相干解调器，从而简化和节约大量复杂设备。而在实际应用中， 可以采用更加快捷方便的快速傅立叶变换( f f t i f f t ) 来实现。为了叙述的简介， 令式( 2 - 1 ) 中的乞= 0 ，并且忽略矩形函数，对信号x ( f ) 以t n 的速率进行抽样， 即令t = k t n ( k = o ，1 ，n - 1 ) ，可以得到： 毛：x ( k t n ) ：芝墨e x p ( 歹譬) o 七一1 ( 2 - 4 ) 可以看到等效为对五进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的 数据符号置，可以对进行逆变换，即d f t ： 五= 专墓碑p ( _ 警) 1 ( 2 5 ) 根据上述分析，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， 通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制 后，发送无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号都是由所有子载波信号 经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到 的。 o f d m 中，由多径信道产生的符号间干扰( i s l ) 可以通过加循环前缀( c p ) 来避免。c p 是通过将每个o f d m 符号的后时间中的样点复制到o f d m 符号的 前面而形成的，见图2 4 ，此时一个o f d m 符号的总长度就变为z = + ，其 中正为o f d m 符号的总长度，z 为抽样的保护间隔长度，互为进行f f r 运算的 符号长度。在接收端，抽样开始的时刻正应该满足： _ ，i f ( n m o d j = o ) kb l o c k so f js l o t s e l s e ( 1 c 1 ) b l o c k so f js l o t s 1b l o c k o f 厶ls l o t s 1b l o c k o f 厶2s l o t s w h e r e 厶i = c e i l ( ( m + j ) 2 ) 厶2 = f l o o r ( ( m + j ) 2 ) i f ( 厶l = 7 ) o r ( 厶2 = 7 ) 厶。= 厶。+ 1 ；厶：= 厶2 一l 3 2 3 2 扰码 采用扰码的原因是由于任一数据流可能包含任意的比特模式。假如某一模式 包含很长一段同值数据比特，则不能为接收机提供足够的数据比特用于传输同步。 因此扰码过程就类似于传统的m o d e m ，其中扰码器表示一种反馈寄存器，以确保 数据比特流被修改，可产生足够的“0 ”到“1 的变化( 或相反的变化) ，由此保 证接收机可根据数据流来自同步。接收端有相同的解扰码器用以恢复出原始数据 流。 扰码的实现结构见下图所示，该扰码器的生成多项式为s ( z ) = l + x + x 1 5 。 l s b m s b 图3 8 扰码伪随机序列生成器 初始化用的种子( s e e d ) 序列由低位( l s b ) 到高位( m s b ) 为： w i m a x 系统时频同步技术的研究 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 。每个码块初始化一次。 3 2 3 3 前向纠错编码 i e e e8 0 2 16r e v 2 中规定采用循环卷积码( c o n v o l u t i o n a lc o d i n g ，c c ) ，t u r b o 卷积码( c o n v o l u t i o n a lt u r b oc o d e s ，c t c ) 。另外还可以选用b t c 码( b l o c kt u r b o c o d i n g ) 和l d p c 码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e e kc o d e ) 。本节介绍c c 和c t c 码。 卷积码是目前系统中最为广泛应用的一个信道编码，目前所有主要的蜂窝系 统都使用了卷积信道编码。卷积码( n ，k ，n ) 的信息码元个数k 和码长n 通常较 小，故时延小，特别适合于以串行形式传输信息的场合。定义n 为约束长度，随 着n 的增加，卷积码的纠错能力随之增强，误码率则呈指数下降。正因为卷积码 在编码过程中充分应用了各码组之间的相关性，无论是从理论上还是实际上均已 证明其性能优于分组码，因此在通信领域应用得越来越多。 卷积编码器本身的码率是1 2 ，可以通过打孔( p u n c t u r e ) 来获得2 3 和3 4 的码率。编码器结构如图3 9 所示： 图3 9 c c 编码器结构 其打孔方式如表3 5 所示，值得一提的是，i rh a r q 情况下打孔图案每个子包都 不同，具体方式这里不再给出，可以参见文献 7 】： 表3 5c c 编码的打孔图案 c o d er a t e p , a ：e l ，2二3 3 ，1 钿 1 065 xi1 01 0 1 ril i1 1 0 疆 五矗五1 y 2巧乃5 5 第三章i e e e 8 0 2 1 6 e 协议介绍 译码时只需在打孔位置补0 就可仍用1 2 的译码方法。因此，打孔使得卷积 码的编码要灵活得多，使用也就方便得多。 c t c 编码的原始码率为1 3 ，它是使用了双比特循环递归体系的卷积码，其 编码器结构如图3 1 1 ，待编码比特交替输入a 和b 端，最开始的最高位第一个字 ( b y t e ) 从a 端开始输入。c t c 编码器内部附带了交织器，因此不像c c 编码那 样需要后续的交织器来进行交织。 a b a b ：c o n s t i t u e n te a c o d e r： 图3 1 0 c t c 编码器结构 c t c 码的打孔不依赖打孔图案，而是利用公式，如下所示： 最f = ( e + i ) m o d ( 3 ) ( 3 4 ) 其中：i = o ，厶- 1 ，厶= 4 8 ，只= ( s p i d k l k ) m o d ( 3 ) 。 k 是子包索引，只有在i r h a r q 情况下才利用，其他情况均为0 ，是编 码块在编码前的比特数，札伽是编码块大小( 分块时分的s l o t 个数) ，他为调制 阶数( q p s k 时为2 ，1 6 q a m 时为4 ，6 4 q a m 时为6 ) ，s p i d k 为第k 个子包的子 包i d 。i 为打孔前的比特索引，最。为打孔后的比特索引，瓯，以外的数据被打孔 打掉，在收端恢复成0 。 3 2 3 4 交织 对于c c 编码来说，在打孔完成后需要进行交织。交织是i e e e 8 0 2 1 6 e 标准 中一个非常重要的组件。发射端编码后的数据经交织器重新排序后再进行调制， 在接收端解调后由去交织器恢复原始顺序再进行解码。由于采用了交织去交织， 突发错误在时域扩散开来，这样就使得每个码字内的错误看起来是独立的，使差 2 6 w i m a x 系统时频同步技术的研究 错控制机制可以纠正。 交织由两个阶段的变换组成。第一个变换保证了相邻的编码比特被映射到不 相邻的子载波。第二个变换保证了相邻的编码比特被分别映射到重要的和非重要 的星座图中，因此长时间的最低位比特( l s b ) 将被避免。 第一次置换通过公式( 3 3 ) 完成： m k = ( a ) d ) + f l o o r ( k d ) ，k = o ，1 ，一1 ，d = 1 6 ( 3 - 5 ) 第二次置换通过公式( 3 4 ) 完成： 以= s f l o o r ( j s ) + ( j + f l o o r ( d ，) ) n i o d ( j = o ，1 ，一1 ，d = 1 6 ( 3 6 ) 其中，k 为交织前的比特索引，m 。为第一次置换后的比特索引，五为第二次 置换后的比特索引，j = 2 ，为调制阶数，c 牺为编码块的大小。当交 织完成后，交织前索引为k 的比特就被置换到索引为以的位置。 3 2 3 5 调制 无论上行还是下行符号，都分为导频和数据。导频子载波的功能是用作参考 信号。这些参考信号允许接收机忽略频率和相位的漂移，因为接收机根据导频就 能确定漂移值。加入导频信号可以增强相干检测对于频率偏移和相位噪声的鲁棒 性。 1 ) 导频调制 导频的插入位置如3 2 2 节所示。导频的值由式( 3 - 7 ) 、( 3 - 8 ) 决定。对于 上行p u s c 和下行t u s c l t u s c 2 ，导频子载波值如式( 3 - 7 ) ： 1 r e q ) = 2 ( 寺- w k ) ，i x n c k ) = 0 ( 3 7 ) 对于其他情况： r e 奴) ：罢( 丢一) ，h i l 奴) ：0 ( 3 8 ) 其中由图3 1 l 的伪随机序列产生器产生。 i s bm s b 图3 1 l 导频调制的p r b s 产生器 第三章i e e e 8 0 2 16 e 协议介绍 其初始值上行链路和下行链路不同的区域不同，详见文献 7 】。 2 ) 数据调制 数据的调制是一个映射的过程。交织后的数据被映射为放到频域中的数据符 号，该映射过程可以使用q p s k ，1 6 q a m 或6 4 一q a m 。o f d m a 导致数据流被划 分为一个个分组，根据所用的调制方法，分组有2b i t ，4b i t 或6b i t 几种。每个分 组代表某个子载波的星座图中的一点。转换的过程需要依据格雷编码星座映射 ( g r a y - c o d e dc o n s t e l l a t i o nm a p p i n g ) ，如下图所示： 3 - 一 1 一 一，：1f一 1 -一 3 - 7 l v pc - l 二 1 7 - 0 5 - 一 o p l l - 一， 5! lf 5 r 1 1 -一 0 3 -一 0 5 - l - 7 -一 li m lnn n 1 1 l ll o o o 0 1 b 3 b 2 图3 1 2q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 星座图 3 3 本章小结 6 5 h 6 3 本章对i e e e8 0 2 1 6 e 协议进行了介绍，先简述了m a c 层，然后对物理层进 行介绍。主要介绍了物理层的一些基本术语，如s l o t 、s e g m e n t 、p e r m u t a t i o nz o n e 等。接下来分别介绍o f d m a 上行链路和下行链路子载波分配的方法。最后对信 道编码的内容进行介绍，包括数据分块，扰码，f e c 编码，交织和调制。 第四章o f d m 时频同步技术 第四章o f d m 时频同步技术 4 1o f d m 系统同步简介 在一个数字通信系统中，同步的性能直接影响到系统的性能。其同步分为【1 1 】： 载波同步：由于接收端和发送端振荡器的振荡频率和初始相角存在偏差， 且频率差和相差为一随机过程，导致接收端通过解调获得信号的子载波的正交性 遭到破坏，恶化系统的性能。 符号同步：在接收端能够正确去除循环前缀( c p ) ，保证f f t 的运算窗口 在o f d m 符号持续时间内，否则会引入符号间干扰，降低系统性能。 采样同步：如果接收机和发射机的采样频率有偏差，采样数据经过f f t 后得到的频率点发生变化，将会使经过f f t 变换后获得的数据相位旋转，使系统 误码率增大。 在一个o f d m 系统中三种同步的位置如图4 1 所示： 图4 1o f d m 系统中的同步 采样间隔偏差以及符号定时偏差对系统的影响如图4 2 、4 3 所示： 发送端样值 接收端样值 发送端样值 接收端样值 a t s 斗 广上上上 ，r 1r1， 上1 l1 l土 ，r 图4 2 采样间隔偏差示意图 w i m a x 系统时频同步技术的研究 第 符 1 循环前缀 “ 时 1r 1r1r 1r1r x n g x n - 2 x n - i x ox l x n g x n - 3x n 2x n - i i f ， 一 n 点最佳定时f f t - 一一一。 o f d m n 占f f t ! 时 图4 3 符号定时偏差示意图 4 2 同步偏差对o f d m 系统的影响 在任何的通信系统中收发方的同步都是很重要的，如果不能很好的建立同步 就不能进行信息的恢复。对于o f d m 系统来说，理想同步时相邻子载波间保持正 交，不存在i c i 干扰，也不存在i s i 干扰。同步误差的存在破坏了正交性，引入 了i s i 和i c i ，导致有用信号的幅度衰减和相位旋转，降低了s n r ，增加了误码率。 o f d m 系统中，时间抽样率偏移是由于接收端抽样时钟的不稳定度引起的； 符号定时偏移是由于接收端抽样时刻与发射端数据起始时刻没有对齐引起的；而 载波频率偏移主要由两个方面造成，一个是晶体振荡器的不稳定度，一个是发射 机与接收机之间的相对运动引起的多普勒频移。 由于采样时钟偏移对系统性能的影响很小【i3 1 ，因此我们研究的重点将放在符 号定时偏移和载波频率偏移上。由于o f d m 符号由多个子载波信号叠加而成，各 个子载波之间利用正交性来区分，确保这种正交性对于o f d m 系统来说是至关重 要的，因此频率同步对o f d m 系统来说也是至关重要的。而在对o f d m 信号进 行解调时必须知道o f d m 符号起点，因此符号定时同步( 即时间同步) 也是很重 要的。 这里还有一点需要说明的是，单径多普勒频移的影响可以等效为由于晶体振 荡器不稳定度造成的影响，它们都造成接收信号频谱的整体搬移。但是多径条件 下的多普勒频移会造成接收信号频谱展宽，这种影响是不能通过频率同步来消除 的，它将破坏子载波间的正交性，导致载波间干扰( i c i ) ，降低o f d m 系统性能。 1 ) 载波频率偏移 当发端与收端之间存在频率偏移时，假设时间同步己经建立，则接收信号经 过降频变换、低通滤波以及基带采样后可以表示为： 第四章o f d m 时频同步技术 y ( n ) = “，z ) p 7 2 蝴7 + 似刀) ( 4 1 ) 其中，x ( n ) 为发送的时域数据，为频率偏移，乃= 1 z 为o f d m 符号周 期，z 为子载波间隔，n 为子载波数，w ( n ) 为高斯白噪声。将频率偏移鲈归一 化后，得： y ( n ) = x ( n ) e s 2 捌+ w ( n ) ( 4 - 2 ) 其中占i - - - a f z = a f f = 为归一化后的频率偏移。 文献 1 4 】分析了载波频率偏移对o f d m 系统性能的影响。在o f d m 系统中归 一化频偏可以分为整数部分q 和小数部分，占= q + 。整数部分会使有用信号 的功率下降从而导致有效信干比( s i r ) 降低，但不会产生载波间干扰( i c l ) ，而 小数部分会引起i c i ，使系统性能急剧下降。 2 ) 符号定时同步 同载波频率偏移分析类似，当收发之间存在大小为& 的符号定时偏移时，接 收端的基带抽样数据信号可表示为： y ( n ) = x ( n 一，k ) + w ( n 一，k ) ( 4 -