（通信与信息系统专业论文）叠加训练序列ofdm的频率同步及信道估计技术研究.pdf

摘要 摘要 随着移动通信业务从传统话音业务向以互联网接入为代表的多媒体业务的不 断发展，如何在有限的无线频谱资源上提供满足人类物质文化需求的宽带移动多 媒体业务，对未来移动通信技术的发展提出了巨大的挑战。叠加训练序列o f d m 将用于时间和频率同步的训练序列与o f d m 数据符号同时发送，相对于传统的先 发送训练序列再发送数据符号的方法，提高了频谱利用率，在未来移动通信系统 中有着广阔的应用前景。 对于一个实际的无线通信系统而言，收发端的时间与频率同步以及对时变的 无线信道的估计是两项关键技术。同步是信号正确解调和恢复的前提，而信道估 计性能的好坏直接影响到整个系统性能的优劣。在叠加训练序列o f d m 中，由于 训练序列算术叠加在o f d m 数据符号上，接收端还需要解决训练序列与数据符号 的分离问题，并考虑如果在同步和信道估计中利用已知的训练序列，从而进一步 提高系统效率。此外，由于无线信道中存在的各类干扰，有必要研究系统的抗干 扰性能。本文拟在上述几个方面针对叠加训练序列o f d m 展开研究工作： 本文针对叠加训练序列o f d m 对频率偏移十分敏感的问题，提出了一种利用 特殊设计的用于信道估计的导引子载波对应的时域周期性，联合o f d m 循环前缀 实现接收端频率同步的同步算法，同时提出了一种迭代的频率同步算法，在提高 o f d m 的系统效率的基础上实现了高性能的数据检测。本文详细描述了两种同步 算法的系统模型及具体的同步算法，给出了仿真结果及其分析，仿真结果表明， 两种同步算法的性能能够满足下一代移动通信频率同步的需求。 本文在瑞利多径衰落信道中针对不插入导引子载波的叠加训练序列o f d m 提 出了一种基于迭代思想的最小均方误差信道估计算法，实现了接收端高性能的信 号检测，进一步提高了系统频谱效率。计算机仿真结果表明，随着迭代次数的增 加，系统的误比特率性能越来越好，逐渐逼近理想信道时的系统性能，在误比特 率为1 5 x 1 0 - 3 时，系统性能比理想信道时的性能相差约1 5 d b 。 本文分析了时频二维扩频系统的抗多音干扰性能，指出了其对下一步的叠加 训练序列o f d m 抗干扰性能研究的意义，给出了时频二维扩频系统的系统模型， 摘要 并对该系统在多音干扰环境中的误码率性能进行了理论分析，得到了一种特殊的 抗多音干扰参数，最后通过了计算机仿真验证。 本文在叠加训练序列o f d m 的同步技术、信道估计技术和抗干扰性能方面的 研究成果，可应用于如无线本地接入网、下一代移动通信系统、下一代高清晰度 数字电视等的空中接口中，给无线通信空中接口的设计带来灵活性，具有重要的 理论及经济价值。 关键词：正交频分复用，叠加训练序列，同步，信道估计，抗干扰 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb u s i n e s se v o l v i n gf r o mt h e t r a d i t i o n a lv o i c es e r v i c et ot h o s cm a i n l yb a s e do ni n t e r n e ta c c e s sa n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g i o s ，h o wt ou s et h el i m i t e da v a i l a b l ew i r e l e s ss p e c t r u mr e s o u r c e st op r o v i d e m o b i l eb r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e sa n dt h u sm e e tt h em a t e r i a la n dc u l t u r a ln e e d so f h u m a nb e i n g s ，h a sb e c o m eah l l i r cc h a l l e n g et ot h ed e v e l o p m e n to ff u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o 西e s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw a y s ，w h i c ht r a n s m i t t r a i n i n gs e q u e n c ef i r s ta n dt h e ns e n dt h ed a t as y m b o l s ，0 f d ms y s t e mu s i n g s u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c et r a n s m i t st h et r a i n i n gs e q u e n c e ，w h i c hi su s e df o rt i m e a n df r e q u e n c ys y n c b r o n i z a t i o n , a n do f d md a t as y m b o ls i m u l t a n e o u s l y t l l i sn e w s c h e m ei m p r o v e st h ee 伍c i e n c yo ft h ef r e q u e n c ys p e c t r u m a n dh a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s f o r p r a c t i c a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s ，t i m e a n d f r e q u e n c y s y n c b r o n i z a t i o nb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , a n dt h ee s t i m a t i o no ft h e t i m e - v a r y i n gc h a n n e la r ct w ok e yt e c h n o l o g i e s s y n c h r o n i z a t i o ni st h ep r e m i s ef o rt h e c o i t e c ts i g n a ld e m o d u l a t i o na n dr e s t o r a t i o n , w h i l et h ep e r f o r m a n c eo fc h a n n e l e s t i m a t i o nh a sad i r e c ti m p a c to nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m b e c a u s et h e t r a i n i n gs e q u e n c ei sa r i t h m e t i c a l l ya d d e do nt h e0 f d md a t as y m b o l s t h es e p a r a t i o n i s s u eo ft h et r a i n i n gs e q u e n c ea n dd a t as y m b o l ss h o u l db er e s o l v e di n0 f d ms y s t e m u s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e ：b e s i d e s t of u r t h e re l l h a n c es y s t e me 伍c i e n c y , t h e m e t h o do fu t i l i z i n gt h ek n o w nt r a i n i n gs e q u e n c et od os y n c h r o n i z a t i o na n dc h a r m e l e s t i m a t i o nm u s tb ec o n s i d e r e d i na d d i t i o n ，s i n c et h e r ea r ev a r i o u st y p e so fi n t e r f e r e n c e o rj a m m i n gi nw i r e l e s sc h a n n e l s ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ea n t i - j a m i m n gp e r f o r m a n c e o ft h es y s t e m t 1 1 i sa r t i c l ed i ds o m er e s e a r c h e so nt h ea b o v e m e n t i o n e da s p e c t so f o f d ms y s t e mu s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q n e n o b ： a i m i n ga tc o p i n gw i t l lt h es e n s i t i v i t yo fo f d ms y s t e mu s i n gs u p e r i m p o s e d t r a i n i n gs e q u e n c et of r e q u e n c yo 侬吐af r e q u e n c ys y n c b r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do n p i l o ts u b c a r r i e r sa n dc y c l i cp r e f i xi sp r o p o s e di nt h i sp a p - 既t h et i m e - d o m a i np e r i o d i c p r o p e r t yo ft h ep i l o ts u b e a r r i e r s ，w h i c ha r eu s e df o rc h a n n e le s t i m a t i o n ，i se x p l o i t e df o r c o a r s ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n , a n dt h er e d u n d a n ti n f o r m a t i o no ft h ec y c l i cp r e f i xi s u s e df o rf i n ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n t h e l l ，a ni t e r a t i v ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mi sg i v e nt or e a l i z eh i 功p e r f o r m a n c ed a t ad e t e c t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f s y s t e me 街c i e n c y 1 1 1 i sp a p 盯d e s c r i b e si nd e t a i lt h es y s t e mm o d e l s s p e c i f i ca l g o r i t h m s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e i ra n a l y s i so ft h c s ct w ot y p e so fs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w oa l g o r i t h m sc a nm e e tt h e f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t so f n 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 t h i sp a p e l p r o p o s e sam e t h o do fi t e r a t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n b a s e do nm i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o ra l g o r i t h m ，f o r0 f d ms y s t e mu s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e w i t hi t e r a t i v er e c e i v e r h i 2 hp e r f o r m a n c ed a t ad e t e c t i o ni sr e a l i z e da tt h er e c e i v e r , w i t h f b l t h e ri m p r o v e m e n to fs y s t e me 伍c i e n c y c o m p u t e rs i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h eb i ta l o r m a b s t r a c t r a t ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb e c o m e sb e t t e rw h e nt h en u m b e ro fi t e r a t i o ni n c r e a s e s ， w h i c ha p p r o a c h e st h ep e r f o r m a n c eu n d e ri d e a lc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n t h e r ei sa b o u t 1 5 d bg a pt ot h ei d e a lp e r f o r m a n c ew h e nt h eb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi s a b o u t1 5 x 1 0 。 n l i sp a d e ri n v e s t i g a t e st h ep e r f o r m a n c eo ft h et i m e f r e q u e n c yt w o d i m e n s i o n a l s p r e a ds p e e t n n ns y s t e mi nm u l t i - t o n ej a m m i n ge n v i r o n m e n ta n dp o i n t s o u tt h e s i g n i f i c a n c e o ft h i s i n v e s t i g a t i o n t ot h ef u r t h e rr c s e a r c ho nt h ea n t i - j a m m i n g p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e mu s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e t h es y s t e m m o d e lo ft h et i m e - f r e q u e n c yt w o d i m e n s i o n a ls p r e a ds p e e t i b ms y s t e mi sg i y e n , t h e 恤e o r e t i c a lb i te r r o rr a t eo ft h es y s t e mu n d e rm u l t i t o n ej a m m i n ge n v i r o n m e n ti s a n a l y z e d 。a n dak i n do fs p e c i a la n t i - j a m m i n gp a r a m e t e r i s d e r i v e d c o m p u t e r s i m u l a t i o n ss h o wa g r e e m e n tb e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n a l ) , s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h es y n c h r o n i z a t i o n , c h a n n e le s t i m a t i o na n da n t i - j a m m i n g p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e mu s i n gs u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c ei nt h i sp a p e rc a l l b ea p p l i e di nt h ea i ri n t e r r a c eo fw i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k ，n e x tg 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 n ss y s t e m s n e x tg e n e r a t i o nh i g hr e s o l u t i o nd i 西t a lt e l e v i s i o n , a n de t c ，a n d b r i n gf l e x i b i l i t yt ot h ed e s i g no fa i ri n t e r f a c ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c ha l eo f g r e a tt h e o r e t i c a li m p o r t a n c ea n de c o n o m i cv a l u e k e y w o r d s ：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 n m u l t i p l e x i n g , s u p e r i m p o s e dt r a i n i n g s e q u e n c e ，s y n c h r o n i z a t i o n , c h a n n e le s t i m a t i o n ，a n t i - j a m m i n g 图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图年1 图4 2 图4 3 图“ 图4 5 图4 6 图舢7 图目录 训练序列放置于循环前缀后面的方法3 训练序列放置于循环前缀前面的方法3 叠加p n 序列的时间频率同步方法的基本原理图4 o f d m 基本原理图1 4 训练序列叠加o f d m 信号的模型1 5 叠加训练序列o f d m 的发射机模型1 6 o f d m 导引辅助相干检测的导引图案1 6 叠加训练序列o f d m 的接收机模型1 9 训练序列与o f d m 数据分离效果的数值计算与仿真结果对比2 3 训练序列与o f d m 数据分离前后的系统性能对比2 3 未抑制承载数据对训练序列干扰的一种o f d m 时间同步模型2 6 抑制承载数据对训练序列干扰的一种o f d m 时间同步模型2 7 基于训练序列的一种o f d m 频率粗同步及精同步模型2 8 抑制了承载数据对训练序列干扰的一种o f d m 频率同步模型3 0 改进的叠加训练序列o f d m 的发射系统模型3 l o f d m 符号频域导引图案3 1 频域导引符号对应的时域训练序列的示意图3 2 基于导引子载波和循环前缀的同步方法的发射信号示意图3 2 在a w g n 信道中，两种频偏估计方法的均方误差性能对比3 7 频偏估计方法一在不同信噪比和导引子载波平均功率下的性能3 7 在多径衰落信道中，两种频偏估计方法的均方误差性能对比3 8 改进的叠加训练序列的编码o f d m 的发射系统模型4 0 叠加训练序列o f d m 迭代接收机频率同步的系统模型4 2 不同迭代次数时的频偏估计值的m s e 性能4 5 不同频率偏移条件下的频偏估计m s e 性能4 5 频偏估计前抵消数据符号干扰和未抵消干扰时的系统性能对比4 6 频偏估计前抵消数据符号干扰和未抵消干扰时的系统性能对比4 7 不同频偏和不同导引子载波平均功率条件下的系统误比特率性能4 8 不同信噪比和不同导引子载波平均功率条件下的系统误比特率性能4 8 经过信道编码的叠加训练序列o f d m 的发射系统模型5 l 经过信道编码的叠加训练序列o f d m 的发射信号示意图5 2 基于迭代信道估计的迭代接收机模型5 3 不同迭代次数时的信道估计值的m s e 性能5 8 不同信噪比和训练序列平均功率时，经6 次迭代后的信道估计性能5 8 系统利用迭代信道估计和理想信道时的误比特率性能对比5 9 不同信噪比和训练序列平均功率下，经过6 次迭代后的系统性能6 0 v 图目录 图5 1二维扩频在多音干扰环境中的系统模型6 2 图5 2单音干扰频率分别为9 3 6 5 h z ，2 9 5 8 0 h z 和5 2 3 6 0 h z 时的系统性能6 8 图5 - 3 多音干扰( 1 6 k h z 、3 2 k h z 和4 0 k h z ) 被抵消时的系统性能6 9 表目录 表目录 表2 - 1m 1 2 2 5 室内信道c h a n n e l a 参数2 2 表3 - 1m 1 2 2 5 室外到室内步行信道c h a n n e lb 参数3 8 缩略词表 缩略词表 非对称数字用户线环 a d s l a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 败 a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性白高斯噪声 b e rb i te r r o rr a t e误比特率 b p s k b i n a r yp h a s es h i t tk e y i n g 二进制相移键控 b 3 g b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n 后三代 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l 邱l ea c c e s s码分多址 c p c y c l i cp r e f i x 循环前缀 d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g数字音频广播 d f td i s e r e c 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 d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 数字视频广播 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 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 s i i n t e r - s y m b o li n t e r f g r e n c e符号间干扰 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 r m逆离散傅立叶变换 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逆快速傅立叶变换 l l r l o gl i k e l i h o o dr a t i o 对数似然比 l s l e a s ts q u a r e 最t b - - 乘 m a pm a x i m u map o s t e r i o r i最大后验概率 m c c d m am u l t i c a r d e rc d m a多载波码分多址 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m lm a x i m u ml i k e l i h o o d最大似然 m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差 m s em e a ns q u a r ee r r o r均方误差 o f d m o m l o g o n a lf r e q u e n c y d i “8 i 。n 正交频分复用o f d m正交频分复用 m u l t i p l e x i n g p a p rp e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o峰值平均功率比 p d f p r o b a b i l i t y d e n s i t y f u n c t i o n 概率密度函数 x 缩略词表 q p s k r f s n r t d m a v l s i w l a n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r a d i of r e q u e n c y s i g n a l - - t o n o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n w i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k 正交相移键控 射频 信噪比 时分多址 大规模集成电路 无线本地接入网 主要数学符号表 符号类别 变量 矢量 矩阵 变量共轭 矢量、矩阵转置 矢量、矩阵转置共轭 单位矩阵 主要数学符号表 示例 口 a a 4 a 。a 7 a “，a “ i 。 i 字体和说明 小写斜体 小写粗体 大写粗体 ( ) ( ) t ( ) h m m 阶单位阵 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 嫜 日期：如口1 年s 月3 q 日 i 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 痒 导师签 日期： 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 通信作为人们在信息获取和交流中不可或缺的重要手段，已经在当今信息化 时代扮演着越来越重要的角色，因此，世界各国都致力于现代通信技术的研究。 通信产业在世界各国国内生产总值中所占的比重不断提高，己成为各国经济发展 的主要支柱产业【l 】。 在已知的各种通信技术中，无线移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信 方式，成为当今通信技术中最为活跃、发展最为迅速的领域之一。无线移动通信 技术发展的目标是实现人类在任何时间、任何地点以任何方式进行信息交澍”。在 过去的二十多年中，无线移动通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，先后经 历了从第一代模拟通信、第二代数字通信到第三代宽带多媒体通信的三个标志性 发展历程，极大地推动了社会的发展。 当前，尽管传统的移动话音业务在世界范围内仍占有主要地位，但移动通信 业务从传统话音业务向以互联网接入为代表的多媒体业务的发展趋势清晰可见。 随着新型移动多媒体业务的不断涌现，如何在有限的无线频谱资源上提供满足人 类物质文化需求的宽带移动多媒体业务，对未来移动通信技术的发展提出了巨大 的挑战。 虽然为高速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n , 3 g ) 在通信的容量与质量上较第二代移动通信有了明显提高，但由于其核心技术未能 发生革命性的变革，因此无法解决在有限的无线频谱资源上提供广泛覆盖且速率 达到1 0 0 m b p s 以上的宽带乃至广带移动多媒体业务的突出矛盾。因此，世界各国 在推动第三代移动通信系统产业化的同时，已把研究重点转入后三代移动通信 ( b e y o n d3 r d g e n e r a t i o n , b 3 g ) 技术的研究上，力争在概念和技术上寻求创新和突破， 从而使无线通信的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高。 可以预见，在传输体制方面，传统的单载波时分多址( t i m ed i v i s i o nm u t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 和码分多址( c o d ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术己难以满足 b 3 g 移动通信系统的技术要求，采用高度灵活的多载波并行传输体制成为b 3 g 移 电子科技大学硕士学位论文 动通信系统设计的关键之一。以正交频分复用f o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 为基础的多载波调制技术将高速串行数据流变换为低速数据 并行传输，在宽带无线通信领域的应用中具备很多技术优势，并已成功应用于许 多商用化的通信系统中，因而受到了人们越来越广泛的重视和研究，被公认为下 一代移动无线通信系统的核心技术之一。 1 2 论文背景 在采用o f d m 技术的基础上，如何精心设计并充分利用有限的无线频谱资源 是下一代无线通信系统必须解决的问题。叠加训练序列o f d m 在传统的o f d m 模 型基础上进行了改进，提高了无线频谱利用率，已引起了学术界的广泛关注和研 究。本节将介绍叠加训练序列o f d m 的研究依据和研究现状。 1 2 1叠加训练序列o f d m 的研究依据 在移动多径环境中具备更高的频谱效率是下一代通用移动通信系统的一个典 型特型2 】。要实现这个目标，o f d m 具有很大的技术优判3 】：在o f d m 中，高速 的数据流通过串并转换，使每个子载波上数据符号的持续时间相对增加，并结合 循环前缀( c y c l i cp r e f i x c p ) ，有效地减少了无线信道时间弥散带来的符号间干扰 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s o 。从频域上看，信道被分为若干窄带并行平坦衰落的 子信道，有效地对抗了信道的频率选择性衰落【4 1 ，提高了单位频带内的误码率性能， 从而提高了频谱效率，为支持未来高速率的无线数据业务提供了可能。如今，o f d m 已成功应用于部分无线数字传输系统中，如数字音频广播( d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g , d a b ) t 5 1 、数字视频广播( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 6 | 、 h i p e r l a n 2 i ”、i e e e8 0 2 1 l a i s 等a 由于o f d m 对发射机和接收机间的频率偏移十分敏感，载波的频偏会引起每 个子载波匹配滤波器输出信号幅度的降低，同时也会引起载波间干扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，使得子载波间不再正交。因此，高精度、低复杂度的时间与频 率同步技术对于o f d m 是十分关键的。 利用训练序列的相关特性找到接收信号的时间起点进而实现时间与频率同步 是目前常用的的o f d m 同步方法。训练序列在发射信号中可以有不同放置方式： ( 1 ) 以文献 9 】- 1 3 等为代表的，采用第一和第二个o f d m 符号全为训练序列 2 第一章绪论 的同步方法。 ( 2 ) 以文献【14 - 【1 7 】等为代表的，只采用第一个o f d m 符号全为训练序列的同 步方法。 ( 3 ) 以文献 1 8 】等为代表的，采用比一个o f d m 符号时间长度短的训练序列的 同步方法，其特征是训练序列在循环前缀的后面。如图1 1 所示。 图1 - 1 训练序列放置于循环前缀后面的方法 ( 4 ) 以文献【1 9 f 2 0 】为代表的，采用比一个o f d m 符号时间长度短的训练序列 的同步方法，其特征是训练序列在循环前缀的前面。如图1 2 所示。 训练序列循环前缀 图1 - 2 训练序列放置于循环前缀前面的方法 通常，训练序列在发射信号中的不同放置方式对应着不同的同步性能和不同 的频谱利用方式，从而适用于不同的环境和业务需要。 据i s t ( i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g i e s ) 预计，到2 0 1 0 ，无线通信系统中的分 组数据业务将占总业务的9 2 以上【2 ”。因此，随着信息时代的不断发展，分组数 据业务量将逐渐占据通信总业务量的绝大多数，从而对下一代通用移动通信系统 的接入机制产生支配性影响。 在分组数据业务环境下，对于o f d m 体制的通用移动通信系统，在分组传输 时，空中接口中的分组数据有时只有几个o f d m 符号，甚至只有一个o f d m 符号 【1 8 】。例如，当分组数据只有一个o f d m 符号时，为了完成时间与频率同步，若按 上述第( 1 ) 种训练序列放置方式，即附加两个训练o f d m 符号，则此时空中接口承 载有效数据( 用户数据) 的时间与总时间之比不大于三分之一。若按上述第( 2 ) 种训练 3 电子科技大学硕士学位论文 序列放置方式，即附加一个训练o f d m 符号，则这时此时空中接口承载有效数据 ( 用户数据) 的时间与总时间之比不大于二分之一。 显然，上述第( 1 ) 、第( 2 ) 两种训练序列安排方法的空中接口效率很低。而若 o f d m 分组传输时采用上述的4 种训练序列放置方式，将导致一个共同的缺点： 在一定时间内，训练序列独占所有发射功率。这种在一定时间内独占总发射功率 的方法，除了承载有效数据的效率较低之外，还缺乏时间、功率上的灵活性。 1 9 9 9 年，t u f v e s s o n 等提出了一种叠加伪噪声( p s e u d o n o i s e , p n ) 序列的时间频 率同步方法【2 2 1 ，基本原理如图1 3 所示。根据扩频通信原理，在对p n 序列进行相 关处理时，可部分抑制数据对p n 序列的干扰，再利用相关的结果进行时间与频率 同步。 l 一户户c 纠 图1 - 3 叠加p n 序列的时间频率同步方法的基本原理图 从图1 - 3 可以看出，这种基于叠加p n 序列的o f d m 时间频率同步方法，p n 序列没有在任一段时间内独占发射机的所有发射平均功率，提高了频谱效率。更 为重要的是，这种方法提供了灵活设计空中接口的途径：在一定的误码率及相同 的总发射平均功率前提下，通过调整p n 序列平均功率的大小，可以改变一个 o f d m 符号所承载的数据量。p n 序列的平均功率越大，一个o f d m 符号能承载 的用户数据就越少；p n 序列的平均功率越小，一个o f d m 符号能承载的用户数据 就越多。 容易看到，假设第一个o f d m 符号时间内p n 序列的平均功率最大( p = 1 ) ， 第二个及其以后的o f d m 对应时间上的p n 序列的平均功率最小( p = 0 ) ，则这种 情形就是上述的第( 2 ) 种o f d m 同步方法( 只采用第个o f d m 符号全为训练序列 的同步方法) 。相似地，在不同o f d m 符号时间内，通过调整p n 序列的平均功率， 可以推广到上述的其它同步方法。 不失一般性，称上述的p n 序列为o f d m 的训练序列。所谓训练序列，即能 4 第一章绪论 测量o f d m 的一些具体参数( 如到达时间、频率偏移等) 的序列。o f d m 的训练序 列可用于o f d m 的时间同步、频率同步、信道估计【2 3 】【冽等。本文中的训练序列不 局限于p n 序列，将视具体情况而选择具有相应性质的随机序列。另外，称这种利 用叠加在o f d m 承载数据上的训练序列进行时间频率同步或实现其它测量估计任 务的无线接入方式为叠加训练序列o f d m 。 然而，必须注意到，在t u f v e s s o n 的扩频导引o f d m 时间频率同步方法中， 当进行用户数据检测时，用户数据会受到训练序列的干扰影响： ( 1 ) 若固定训练序列的平均功率以满足同步精度的要求时，用户数据的检测会 受到训练序列的干扰，可以证明，此时误码率随着信号总平均功率的增大 将趋于平稳，形成误码率错误平层( e r r o rf l o o r ) 。 ( 2 ) 当数据承载业务要求有较低的平均误码率时，此时要求只能使用较小的训 练序列平均功率，这就可能会与满足同步精度所需要的训练序列平均功率 相矛盾。 针对上述问题，需要解决训练序列与o f d m 数据的分离技术，即解决数据检 测时训练序列对o f d m 承载数据的干扰问题。本文在概述训练序列与o f d m 数据 的分离技术的基础上，克服了文献 2 2 】【2 4 】等的不足，研究了叠加的训练序列在 o f d m 的时间与频率参数估计中的典型应用。 由于无线信道的时变特性，对于分组传输的o f d m ，如果接收机不能准确地 估计信道状况，就无法检测和恢复发射信号。因此，稳定、可靠、高精度的信道 估计技术对于o f d m 也是十分重要的。本文将对基于叠加训练序列的o f d m 信道 估计技术展开研究。 广义上看，由于训练序列测量的信号到达时间，频率偏移及信道等参数在现 实中有许多应用，如到达时间、频移分别对应距离、移动速度 2 5 1 等，如果能有效 地利用训练序列实现同步以及信道估计，并分离训练序列与o f d m 承载的数据， 则意味着能在某一突发时间内( 如一个o f d m 符号内) ，同时完成通信与测量两种 任务。这在同时要求实现高业务速率通信、高精度参数测量的领域中具有广阔的