（通信与信息系统专业论文）移动wimax系统tdd真放站同步及相关技术研究.pdf

l 眦y 1 m 9 1 1 1 1 1 5 州8 舢1 1 1 1 1 5 m 3 1 1 1 1 0 矾 本文主要研究移动i 矿i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术。 在粗同步时，传统的算法是利用前导的重复特性进行相关运算进行检测， 如s c 粗同步算法和b h a t t 粗同步算法，本文分析了它们的性能。针对算法得出 的相关峰存在平坦区和复杂度高的不足，本文从前导发送功率相对数据高9 d b 的特性出发，提出了通过检测功率的方法进行粗同步，并与传统方法的性能进 行了比较，提高了粗同步的精度。 根据不同的循环前缀长度，分别构造定时判决函数，并且在每一种情况下， 充分利用前导序列的已知性和接收伪随机序列的自相关性，构造出具有良好性 能和较低运算量的定时方法。与传统方法相比，该算法具有定时精度高和运算 负担小的优点。 在分析细同步时，分析了前导符号时域中心共轭对称特性以及相应的b h a t t 细同步算法，针对其在多径信道下应用时复杂度较高的不足，相关文献提出了 增加相关数据间隔运来减小相关峰的数目。本文在此基础上减少了相关窗的搜 索长度，使相关峰数目减少为1 ，使算法的复杂度大大降低了。 研究了i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 系统中o f d m 信号载波频偏估计的时频域同 步算法，以帧为单位，通过滤波处理，减小了噪声对小数倍频偏估计的影响。 在分析整数倍载波频率偏差估计及小区识别算法时，通过减小互相关长度，降 低了原有算法复杂度。 对于以上算法，本文都进行了理论分析和m a t l a b 仿真，给出了仿真结 果。 关键词：全球微波互联接入正交频分多址粗同步细同步载波同步 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h es y n c h r o n i z a t i o na n dr e l a t e dt e c h n o l o g yf o rt d d r e p e a t e ri nm o b i l ew i m a xs y s t e m i nc o a r s ef r a m e b o u n d a r yd e t e c t i o n ，w eh a v ea n a l y z e dt h et r a d i t i o n a lc o a r s e t i m i n gs c h e m e ，s u c ha ss ca l g o r i t h m ，b h a t ta l g o r i t h ma n di t si m p r o v e da l g o r i t h m ， t y p i c a l l ya c h i e v e du s i n gt h ed e l a yc o r r e l a t i o nt e c h n i q u e a st h ep r e a m b l ei ni e e e 8 0 2 16 ei st r a n s m i t t e dw i t l l9 d bp o w e rb o o s ti ne a c hs u b c a r r i e rc o m p a r e dt ou s e r d a t a , an e wl o w e rc o m p l e xc o a r s es y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e da n dc o m p a r e d 、析t l l t h eo r i g i n a la l g o r i t h m s a c c o r d i n g t od i f f e r e n tc i r c u l a t i o np r e f i xl e n g t h , w ec o n s t r u c tt h et i m i n g j u d g m e n tf u n c t i o n , m a k ef u l lu s eo fl e a d i n gs e q u e n c e sk n o w nc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e c e i v i n gp s e u d o r a n d o ms e q u e n c e sa u t o c o r r e l a t i o ni ne a c h o ft h e s ec a s e s ，a n d c o n s t r u c tt i m i n gm e t h o dw i t hg o o dp e r f o r m a n c ea n dl o w c o m p u t a t i o n c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h i sa l g o r i t h mh a sa d v a n t a g e so fh i g ht i m i n gp r e c i s i o na n d s m a l lc o m p u t i n gb u r d e n i nf r e es y n c h r o n i z a t i o n , w eh a v ea n a l y z e dt h ec o n j u g a t es y m m e t r yo ft h e p r e a m b l ei nt i m ed o m a i na n db h a t t sf i n es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m i no r d e rt o o v e r c o m et h es h o r t c o m i n gt h a tt h ea l g o r i t h mh a sm u c hm o r ec o m p l e x i t yi nt h e m u l t i - p a t hc h a n n e l ，a ni m p r o v e dm e t h o db yi n c r e a s i n gt h ec o r r e l a t i o nd i s t a n c eo f d a t at or e d u c et h en u m b e ro fc o r r e l a t i o np e a k si sp r o p o s e db yo t h e rl i t e r a t u r e sw h i c h i sr e l a t i v e l ym o r e p r e c i s et ot h eo r i g i n a la l g o r i t h m s t h e nf o rl o w e ri m p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t y , w ea g a i ns i m p l i f i e dt h ea l g o r i t h m t h i sp a p e rs t u d i e st h ec a r d e rs y n c h r o n i z a t i o no fi e e e s 0 2 16 eo f d m as y s t e m i nt i m ea n df r e q u e n c yd o m i a n w h e nt h ed a t ap a s st h ef i l t e ri nf l a m e ，t h ei m p a c to f t h en o i s eo nt h ef i a c t i o nf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nc a r lb er e d u c e d b a s e do n a n a l y s i so ft h ei n t e g e rc a r t i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dc e l ls e a r c ha l g o r i t h m s ， a ni m p r o v e da l g o r i t h mw i t h9 0 0 dp e r f o r m a n c ei nl o wc o m p l e x i t yc o m p a r e dt ot h e o r i # n a la l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h ep a p e rg i v e st h ep r i n c i p l eo fa l lt h ea b o v ea l g o r i t h m sw h i l em a t l a b s i m u l a t i o n sa r eg i v e nt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：w i m a x o f d m ac o a r s e s y n c h r o n i z a t i o n f i n e s y n c h r o n i z a t i o n c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n 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【1 ( w i r 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 ，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 2 年将 达到3 6 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。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 x i p r ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 黜出) 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 e 8 0 2 16 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，所选课题就主要对移动w i m a x 系统t d d 直放站同步 技术进行探讨和研究。 2 移动w i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 1 2i e e e 8 0 2 1 6 e 移动无线宽带接入技术 1 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准简介 i e e e8 0 2 1 6 1 1 】标准的正式名称为i e e ew i r e l e s sm a n t 空中接口标准，是 适用于2 - - 一6 6 g h z 的空中接口规范。由于它所规定的无线接入系统覆盖范围可 达5 0 k m ，因此，i e e e8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网，被视为可与d s l 竞争的 “最后一公里”宽带接入解决方案。i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止，有如下标 准： ( 1 ) 8 0 2 1 仁固定宽带无线接入系统空中接口标准( 1 0 - - 6 6 g h z ) 定义工作在1 0 - - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准，采用 t d m i p d m a 多址方式，单载波调制，本质上是为l m d s 实现可互操作性而制定 的一个标准，业务应用与l m d s 相似。 ( 2 ) 8 0 2 1 6 卜固定宽带无线接入系统空中接口标准( 2 1 1 g h z ) 定义了工作在2 i i g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准，本质上是为 m m d s 实现可互操作性而制定的一个标准，其业务应用与m m d s 相似。8 0 2 1 6 a 对8 0 2 1 6 进行了扩展，m a c 层提供q o s 保证机制，可支持语音和视频等实 时性业务。 ( 3 ) 8 0 2 1 6 卜固定宽静无线接入系统的兼容性( 1 0 一6 6 g h z ) 8 0 2 1 6 e 是对8 0 2 1 6 的增补文件，是使用1 0 - - 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统的兼 容性标准。 ( 4 ) 8 0 2 1 6 d ( i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 ) 固定宽带无线接入空中接口标准( 2 6 6 g h z ) 8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的 一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对2 - - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详 细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对 应的多个物理层该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无 线接入规范 ( 5 ) 8 0 2 1 6 e ( i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 5 ) 固定和移动宽带无线接入空中接1 3 标 准2 - - 6 g h z ) 8 0 2 1 6 a 的增补版，是支持客户端移动性的规范，使用户可以在基站之间 自由切换和漫游，进而实现在不同的8 0 2 网络之间自由切换。该标准可同时支 持固定和移动宽带无线接入系统，工作在小于6 g h z 适宜于移动性的许可频段， 可支持用户终端以车辆速度移动( 一般低于1 2 0 k m h ) 。 第一章绪论 ( 6 ) 8 0 2 1 6 f ( f i x e dm i b 卜固定宽带无线接入系统管理信息库标准 ( 7 ) 8 0 2 1 6 r 固定和移动宽带无线接入系统管理平面流程和服务要求规 范 ( 8 ) 8 0 2 1 6 h ( l i c e n s e e x e m p t ) 非执照频段的无线宽带系统标准 ( 9 ) 8 0 2 1 6 i ( m o b i l em i b 卜一移动宽带无线接入系统管理信息库标准 ( 1 0 ) 8 0 2 1 6 j ( m o b i l em u l t i h o pr e l a y 卜移动宽带无线接入系统多跳中继 技术标准 ( 11 ) 8 0 2 1 6 k ( 8 0 2 1 db r i d g i n g 卜媒体接入控制( m a c ) 桥接规范 ( 12 ) 8 0 2 16 m ( a d v a n c e d a i ri n t e r f a c e 卜先进空中接口标准 1 2 2 移动w i m a x 系统关键技术 1 ) o f d m o f d m a 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 种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统和下一代蜂窝移动系统的关键技术 之一。在w i m a x 系统中，o f d m 技术为物理层技术，主要应用的方式有两种： o f d m 物理层和o f d m a 物理层。o f d m 物理层采用o f d m 调制方式，o f d m 正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。支持t d d 和f d d 双工方式，上行链路采用t d m a 多址方式，下行链路采用t d m 复用方式，可 以采用s t c 发射分集以及a a s 自适应天线系统。o f d m a 物理层采用o f d m a 多址接入方式，支持t d d 和f d d 双工方式，可以采用s t c 发射分集以及a a s 。 o f d m a 系统可以支持长度为2 0 4 8 、1 0 2 4 、5 1 2 和1 2 8 的f f t 点数，通常向下 数据流被分为逻辑数据流。这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以 不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接 入，通过下行发送的媒质接入协议( m a p ) 分配子信道传输上行数据流。虽然 o f d m 技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了s c a l a b l ef f t ，可以根据不同 的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。 2 ) m i m o m i m o 是未来移动通信的关键技术，它解决了s i s o 系统需要较多的频谱资 源和复杂的编码调制技术才能解决的在非视距和恶劣信道下保证高q o s 的问 题，能显著地提高系统的容量和频谱利用率，从而大大提高系统的性能。m i m o 技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码，这两种形式在w i m a x 中 都得到了应用。目前m i m o 技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中， 但是目前很少有成熟的产品出现，估计在m i m o 技术的研发和实现上，还需要 一段时间才能够取得突破。 4 移动w i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 3 ) q o s 机制 在w i m a x 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 机制，规定了4 种上 行业务调度类型。m a c 层针对每个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括 速率、延时等指标。 4 ) h a r q h a r q 技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因 为重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。1 6 e 中支持c c ( 卷 积码) 和c t c ( 卷积t u r b o 码) 的h a r q 方式。h a r q 功能和相关参数是在网 络接入过程或重新接入过程中用消息s b c 被确定和协商的。h a r q 是基于每个 连接的，它可以通过消息d s a d s c 确定每个服务流是否有h a r q 的功能。 5 ) a a s ( 自适应天线) a a s 采用多根天线收发信号，利用数字信号处理技术跟踪和提取各移动用 户的空间信息，产生空间定向波束，达到充分利用移动用户信号并抑制干扰信 号的目的。另外，可以利用用户空间位置的不同，在同一信道中发送和接收各 用户的信号，而不会引入较大的相互干扰，从而提高系统的频谱利用率。 1 2 3w i m a x 技术优势及主要应用 1w i 技术的优势 1 ) 它能实现更远的传输距离，w i m a x 能实现5 0 公里的无线信号传输， 在距离上的优势是无线局域网( 例如w i f i ) 所不能比拟的，它的基站覆盖范围 是3 g 基站的1 0 倍，因此只需少数基站建设就能实现全城覆盖，这样更加有利 于无线城市的建设。 2 ) 超高速的宽带接入，w i m a x 所能提供的最高接入速度可达7 0 m b p s ， 这个速度是t d h s d p a2 2 m b p s 速率的3 5 倍、c d m a e v d o ( r e v b ) 9 3 m b p s 速率的7 倍、w c d m a h s d p a1 4 m b p s 速率的5 倍。所以单从速度上来说， w i m a x 的速度优势非常明显，远高于3 g 的速度。 3 ) 提供优良的最后一公里网络接入服务，w i m a x 作为一种无线城域网技 术，它可以将w i f i 热点连接到互联网，也能作为d s l 等有线接入方式的无线 扩展，实现最后一公里的宽带接入，可以说是现有宽带技术的一个很好的补充。 4 ) 提供多媒体通信服务，由于w i m a x 较之w i f i 具有更好的可扩展性和 安全性，从而更加适合电信级的多媒体通信服务。 5 ) 更适合移动中使用，w i m a x 可以再1 0 0 k m h 的速度下使用，而w i f i 则不行，3 g 则会严重影响连接速度，所以w i m a x 在移动中的优势更加明显。 第一章绪论 5 2i e e e 8 0 2 1 6 e 技术的主要应用 与其它有线接入手段( 如x d s l 、c a b l e 、光纤接入等) 相比，8 0 2 1 6 e 宽 带无线接入具有部署速度更快，扩展能力更强，灵活性更高的优点。对于尚未 铺设x d s l 的地区，可以用8 0 2 1 6 e 提供“无线d s l ”服务，面向家庭和小企业 范围应用。在中等规模企业楼宇内，8 0 2 1 6 e 可以支持高速率连接，代替光纤 接入。 通过8 0 2 1 6 e 宽带无线接入终端和基站，室内、室外的固定w i f i 用户可 以接入到i n t e m e t i n t r a n e t 。同时，8 0 2 1 6 e 宽带无线基站可以提供移动终端、 移动l a p t o p 的无线接入，8 0 2 1 6 e 宽带无线基站还可以实现企业w i - f i 热点区 域的后端传输功能。基于i e e e 8 0 2 1 6 e 宽带无线网络的良好覆盖特性，可以通 过i e e e 8 0 2 1 6 e 宽带无线网络的宽带接入能力和后端传输能力，快速构建城市 通讯网络，满足宽带接入、紧急通讯、偏远地区覆盖等应用的需要。 运营商利用8 0 2 1 6 系统开展业务，其目标用户可以是： 普通终端用户，为他们提供网页浏览、视频电话等业务。 商务人士等高端用户，为他们提供具有较高q o s 保障的个性化业务。 大型企业用户，为他们提供会议电视等业务。 集团用户，为他们提供类似专线的业务。 1 3 本文的主要工作和全文结构安排 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的移动宽带无线接入系统( w i m a x ) 作为一种无线城 域网技术在国际上已经得到认可，并将得到广泛应用。信号覆盖是任何无线系 统需要解决的基本问题，直放站中继是实现信号覆盖的一种有效手段。本文在 了解i e e e 8 0 2 1 6 e 标准，熟练掌握o f d m 系统传输基本原理和o f d m 同步技术 基础上，研究适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准o f d m a 系统、满足w i m a xt d d 直放 站定时控制器要求的同步算法，运用m a t l a b 仿真工具完成算法的计算机性能仿 真，给出了仿真结果。在分析整数倍载波频偏估计与小区识别算法的时候，考 虑到原有整数倍频偏估计算法局限性，给出了针对移动w i m a x 系统的小区搜 索联合整数倍频偏估计的改进方案。 文章的具体安排如下： 第一章，简要介绍了无线通信的发展和i e e e 8 0 2 1 6 e 移动无线宽带接入技 术。 第二章，介绍直放站的系统架构和各组成部分的功能。 第三章，介绍了移动w i m a x 系统物理层，简述了o f d m 和o f d m a 的基 本原理，接下来分析了信道模型。 6 移动w i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 第四章，首先分析移动w i m a x 系统的前导结构，对移动w i 心系统的 帧同步，细同步技术进行了分析与研究。 在分析帧同步时，首先介绍传统的帧同步方案。接着根据移动w i m a x 系 统中前导序列的特性，对s c h m i d l 和c o x 的延迟相关方法以及其改进算法进行 分析，通过仿真来验证方案的可行性，并给出了改进措施：( 1 ) 在进行相关运算 时，利用前导的发送功率比数据的发送功率高9 d b 的特性，采用功率检测算法， 可以使帧的起始位置得到很好的估计，这种方法相对原有算法更为精确。( 2 ) 根 据不同的循环前缀长度，分别构造定时判决函数，并且在每一种情况下，充分 利用前导序列的已知性和接收伪随机序列的自相关性，构造出具有良好性能和 较低运算量的定时方法。与传统方法相比，该算法具有定时精度高和运算负担 小的优点。 在分析细同步时候，分析了移动w i m a x 系统前导符号时域中心共轭对称 特性以及相应的b h a t t 算法，针对其在复杂信道下复杂度较高的不足，在分析其 原因的基础上，给出了减小相邻相关峰的改进方法，这种方法相对原有算法性 能相近而复杂度较低。 第五章，详细介绍了i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 系统载波同步结构，论述并研究 了i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 系统中o f d m 信号载波频偏估计的时频域同步算法， 考虑到i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 系统前导符号相对数据符号高9 d b 以及本系统分 为上行、下行子帧的特点，以帧为单位，先将前导进行的粗小数频偏估计值设 为滤波器初值，再进行滤波处理，减小了噪声对小数倍频偏估计的影响。在分 析基于前导导频的整数倍载波频率偏差估计及小区识别算法时，对原有算法进 行改进，降低了复杂度。仿真证明，该方法在较低的复杂度条件下，能有效识 别i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 小区以及准确进行整数倍频偏估计。 第六章，对全文进行了总结，并且展望了今后的工作。 第二章t d d 直放站 7 第二章t d d 直放站 2 1t d d 直放站简介 作为一种有效的网络优化产品，直放站伴随着移动通信网络发展了近十年。 直放站可简单理解为基站信号的转发，由于建筑物、山丘等阻挡，基站信号无法 覆盖或郊区容量较低的区域可以适当选用不同类型的直放站进行深度覆盖。由 于直放站实际为双向增益可控放大器，作为转发直放站只起到延伸覆盖的作用， 而无法增加覆盖区容量。 为适应复杂环境和网络建设需求，直放站品种繁多：按传输方式分为无线型 和光纤型直放站；按信道方式分为选频型和宽带型直放站；按用途分为室内型 和室外型直放站。其中无线型安装灵活，快捷，但容易同频自激；光纤型可实 现全向覆盖，但需要光传输；选频型可选择信道，有利于网络优化，但承载容 量有限；宽带型承载容量较大，但输出频谱不可控；室外型环境适应性强，但 体积较大；室内型小巧易安装，但环境适应性较差。 2 2t d d 直放站原理 f d d 通信系统直放站通常采用双工器将上行和下行放大链路隔离并合路， t d d 通信系统直放站必须采用环型器和开关方式来隔离并合路上行和下行放大 链路。 t d d 直放站与传统2 g 直放站主要区别在于时分方式下的收发同步切换控 制，t d 直放站类产品的同步目前主要分三种方式：g p s 同步；终端同步；检波 同步。 1 、g p s 同步 直放站采用与基站相同的同步方式电p s 同步，网络内所有基站和直放 站收发切换统一向g p s 时钟同步。优点：一级同步，稳定可靠；缺点：成本高， 安装地点受g p s 天线限制；适用于室外直放站。 2 、终端同步 8 移动w i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 从终端提取同步信号供直放站收发切换。优点：同步与网管共用终端，成本 较低，安装不受g p s 天线制约；缺点：终端不一定入网施主扇区带来的系列问 题，信号较弱的地点难同步等；适用于室内型直放站作室内分布信源。 3 、检波同步 通过对输入信号检波、处理实现收发切换控制。优点：成本较低；缺点：抗 干扰能力较弱；适用于室内室内分布系统中干线放大器同步。 直放站的引入改变了源基站的覆盖区域，达到了预想的覆盖效果，但直放站 在放大信号的同时也放大了噪声，直放站覆盖区引入额外时延，直放站覆盖区 内用户无法准确赋型等。极端情况下或使用不当，由于噪声的叠加，对扇区容 量可能带来较大影响。 2 3t d d 直放站系统架构 t d d 直放站各个组成部分的功能描述如下： 射频处理单元( r f p u ) ：直放站的主要单元。在下行方向，将从施主天线 接收到的基站信号下变频到中频信号，滤波并放大，然后再上变频到相 同的频率( 同频直放站) ，通过服务天线发射出去。在上行方向，进行相 似的处理，但是由服务天线到施主天线。 基带控制单元( b b c u ) ：传统的直放站并不需要这个部分，但是对于t d d 直放站，由于直放站需要由空中信号提取t d d 的定时控制信息( 即直放 站在何时处于下行工作状态，何时处于上行工作状态) ，所以需要进行 基带处理。b b c u 还能提供其他的控制功能来增强直放站的性能，如提 供a f c 给射频的频率综合电路能降低对晶体振荡器的要求，提供性能 更好的a l c 控制给射频电路。 电源部分：提供从交流到直流的转换，需要提供所有电路板所需的直流 电压。 机箱：需要提供屏蔽和散热功能，前面板要有一个简单的拨码开关，用 来控制增益。 直放站各个组成部分的接口如下： 数据接口： - 射频处理单元：其下行链路的输入信号来自施主天线，输出信号去 到服务天线。上行链路的输入信号来自服务天线，输出信号去到施 主天线。 第二章t d d 直放站 9 _ 射频处理单元到基带控制单元：下行链路还需要提供信号给基带控 制单元，在射频单元的施主天线接1 2 1 的后面通过定向耦合器输出下 行信号给基带控制单元提取t d d 定时信号。 控制接口： 基带控制单元到射频处理单元：基带控制单元输出一组t d d 控制信号到 射频处理单元，这些控制信号分别用来控制射频收发处理，功放，和低噪放。 施主天线 服务天线 t d d 定时控制 图2 1t d d 直放站系统架构图 2 4t d d 直放站部分模块介绍 i n a i _ o n l n a , 2o n j 与传统的f d d 直放站相比，t d d 直放站增加了一系列的收发开关分别控 制射频信号处理，功率放大器和低噪声放大器。下面着重描述这些收发开关的 l o 移动w i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 功能和控制。除了这些开关外，功率放大器内部的驱动放大器，最后一级功放 管的偏置和电源也受到t d d 控制信号的控制。低噪声放大器里的前端开关和放 大器也受到t d d 控制信号的控制。 在图2 2 中，第一行的方块表示基站的信号，作为我们下面分析的参考。 第二行的方块表示直放站施主天线口的信号，在下行方向施主天线口的信号有 传输引起的延迟，在上行方向施主天线口的信号比基站信号提前了一些( 由于传 输距离短一些) 。最后一行的方块表示直放站服务天线口的信号，由于上下行信 号处理的延迟，相似的情况出现。这些控制信号的波形和控制顺序如下图和描 述： 两条粗的虚线表示了在直放站上的一帧信号，第一条粗线的左边表示 了控制信号的初始值，基本上处于下行的接收状态。 在第一条粗线的时n ( f l p 时刻a ) ，下行同步被第一次捕获到： 收发开关2 有初始在上行位置打到下行位置； _ 控制信号p a 2 p w ro n 同时打开； - 控制信号l n a 2o n 同时关闭： 在时刻b ： 一收发开关3 和2 同时打到上行处理的位置； 然后再延迟一段时间d e l t a t ，关闭p a 2 p w ro n ，同时打开 l n a 2 _ o n ： 在时刻c ： 同时关闭l n a lo n 和打开p a i p w ro n ； 一然后再延迟一段时间d e l t a t ，收发开关1 打到上行位置； 在时刻d ： 收发开关l 打到下行位置： - 然后再延迟一段时间d e l t a t ，关闭p a i p w ro n ，同时打开 l n a i _ o n ； 在时刻e ： 同时关闭l n a 2 和打开p a 2 p w ro n ； 一 然后再延迟一段时间d e l t a t ，开关3 和开关2 打到下行位置( 此时 正好是时刻f ，即下一帧的开始) 这个过程会以帧为单位周而复始。上面提到的时刻b ，c ，d ，e 分别如下确定g 时刻b = 时刻a + 下行子帧长度+ 最坏情况下的传播延迟： 时刻c = 时刻a + 下行子帧长度+ ( t t g 2 宰最坏情况下的传播延迟) 3 宰d e l t a t ： 第二章t d d 直放站 时刻d = 时刻a + 下行子帧长度+ ( t t g 。2 奉最坏情况下的传播延迟) + 上行子帧长度； 时刻e = 时刻f 2 * d e l t a t ； 上下行子帧长度和t t g 的值在实际系统中不会变化，可以预先获得或由 网管系统获得，他们也可以由基带控制单元解调广播的控制信息得到。d e l t a t 是预先设定的，暂定为1 0 u s 。 图2 2t d d 定时控制示意图 基带控制单元实际上是一个简化的手机接收模块，他只包含手机的下行接收 的物理层部分。目前的基带控制单元只提供t d d 的定时同步信号，所以更具体 的说他只包含物理层的同步捕获部分。 基带控制部分有两种实现途径，一种是自己设计下行同步捕获的射频和基带 处理器；另一种是利用现成的手机芯片和模块，这种方法的难点是需要控制手 机在连续的同步搜索状态( 既不能休眠也不能处于正常工作状态) ，并且要能够输 出t d d 控制信号。前一种方法需要自己开发射频和基带处理部分，初始的工作 量较大，但是灵活性高，以后容易加入更多的基带算法来提高性能。 1 2 移动w i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 图2 3基带控制单元方框图 本文所做的工作之一就是完成直放站的同步捕获部分，即确定帧和符号的 起始位置，用于射频处理单元的定时控制。先进行粗同步，找出帧的起始位置， 在此基础上进行细同步，找出前导符号的精确起点。基带控制单元的处理可以 简化成图2 4 。 图2 4基带信号处理 第三章移动w i m a x 物理层 第三章移动w im a x 物理层 在m 脚系统中，o f d m 技术为物理层技术，主要应用的方式有2 种：o f d m 物理层和o f d m a ( 正交频分复用多址) 物理层。o f d m 物理层采用 o f d m 调制方式，o f d m 正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数 据流。它支持t d d 和f d d 双工方式，上行链路采用t d m a 多址方式，下行链 路采用t d m 复用方式，可以采用s t c 发射分集以及a a s 自适应天线系统。 o f d m a 物理层采用o f d m a 多址接入方式，支持t d d 和f d d 双工方式，可 以采用s t c 发射分集以及a a s 。本章先介绍o f d m 和o f d m a 技术，然后介 绍了信道模型。 3 1o f d m 的基本原理 3 1 1o f d m 系统基本模型 o f d m 技术的应用已有近4 0 年的历史，最初主要用于军用无线通信系统。 2 0 世纪5 0 、6 0 年代，美国军方创建了世界上第一个多载波调制系统。2 0 世纪 7 0 年代，采用大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统出现i s 。2 0 世纪9 0 年代，随着数字信号处理技术的发展，o f d m 系统在发射端和接收端分别采用 i f f t 和f f t 来实现，从而导致系统实现复杂度大大降低，使得该技术开始广泛 应用。 o f d m 是一种多载波数字调制技术，它具有较高的频谱利用率，且在抵抗 多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上具有明显的优势。 o f d m 符号复等效基带信号可以表示为6 - 脚： n - 1 十 s ( f ) = d ( n ) r e c t ( t 一一- 争) e x p j 2 万詈。一) 】 5 fs t + l n = 0 。 1 0 s ( f ) = 0t t + t ， r 3 1 、 其中，n 表示子载波的个数，t s 表示o f d m 符号的宽度，d ( n ) ( n = 0 ，1 ，n - 1 ) 是分配给每个子载波的数据符号，是第0 个子载波的载波频率，n 个正交的 子载波频率为f ( n ) = f c + n t s ( n = 0 ，1 ，n 1 ) ，子载波间隔为1 t s ，r e c t ( t ) = l ，i t l _ t s 2 1 4 移动w i m a x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 图3 1o f d m 系统基本模型框图 图3 1 给出了o f d m 系统基本模型的框图。每个子载放在一个o f d m 符号 周期内部包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差1 个周期。这一特 性可以用来解释子载波之间的正交性。即： ；b 旭，唧c 一砘触= 器：i j ： c 3 q 根据o f d m 子载波之间相互正交，如对第m 个子载波进行解调，然后在时 间长度t s 内进行积分，即： 。c 所，2 寺了e x p ( - j 2 7 r 三c r 一，。荟n - id ( n ) e x p ( j 2 r c 乏c ，一u 渺。3 锄 = 专篓m ) l f t + t s c x p 石寻( 肛撕) 根据上式可以看到，对第m 个子载波进行解调可以恢复出期望符号d ( m ) ， 而对于其他载波来说存积分周期内结果为零。 图3 2o f d m 信号频谱 这种正交性还可以从频域角度来理解。每个子载波信号的频谱为s i n ( x ) x 函 数，并且与相邻子载波信号的频谱有1 2 的交叠，每一子载波频率的最大值处， 其他子载波的频率值为零，如图3 2 所示。因此可以在解调时从多个相互重叠的 子载波符号频谱中提取出每个子载波的符号，而不会受到其他子载波的干扰。 第三章移动w i m a x 物理层 1 5 3 1 2 快速傅里叶变换在o f d m 中的应用 令( 3 1 ) 式中的t s = 0 ，忽略矩形函数，对信号s ( t ) 以采样频率f s = n t s 进行抽 样，即令仁k t s m ( k = 0 ，1 ，n 一1 ) ，并使信号功率不变，得到： 舭同吲咖丽1 去n - i m ) e x p ( 警) ( o 蚪1 ) ( 3 川 可以看到s ( k ) 等效为对d ( n ) 进行i d f t 运算。同样在接收端， 始的数据符号d ( n ) ，可以对s ( k ) 进行逆变换，即d f t 得到： 荆= 面1 刍n - im ) e x p ( 一警) ( 。洲- 1 ) 为了恢复出原 ( 3 - 5 ) 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。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号d ( n ) 变换为时域数据符号s ， 经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号 s ( 1 ( ) 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。在o f d m 系统的实际应用中，可以采用快速 傅里叶变换( f f t i f f t ) 来降低运算复杂度。 3 1 3 保护间隔与循环前缀 为了最大限度的消除一个符号的多径分量对下一个符号造成的干扰，可以 在每个o f d m 符号之间插入保护间隔，其长度t g 一般要大于信道的最大时延扩 展。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，然而由于多径传播的影响，则 会产生信道间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性遭到破坏。为了消除i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀( c p ) ，即通过在时域内把o f d m 符号的 后面部分插入到该符号的开始部分，如图3 3 。c p 的存在使得发送信号即使经过 了多径信道，其各子载波之间的正交性仍能够得到保持，时延小于保护间隔t g 的时延信号就不会在解调过程中产i c i 。 i c p 有效符号周期 图3 3 插入了c p 的o f d m 符号 1 6 移动w i e x 系统t d d 直放站同步及相关技术研究 3 2 o f d m a 基本理论 o f d m 技术除了作为一种多载波数字调制技术，还具有支持多用户接入的