（通信与信息系统专业论文）tddlte系统下行基带信号发生及接收技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 正交频分复用( 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 ) 作为l t e 系 统中关键技术之一，具有数据传输率高、频带利用率高及抗多径衰落能力强等优点。 但o f d m 对定时偏移和频率偏移较敏感，如果没有正确的定时同步，就不可能标示出 正确的帧起始位置，从而将会引入符号间干扰；如果没有正确的频率同步，则会引入 载波间干扰，因此正交性将会恶化并导致b e r 增加。因此通信界一直也在致力于如何 尽量消除或者减轻o f d m 系统中时间偏移和频率偏移带来的影响，从而使o f d m 系统 更好的发挥它的优点。 论文参考3 g p p 标准3 6 2 1 1 、3 6 2 1 2 ，采用c + + 与c 联合编程，开发完成了包括 加扰、调制、层映射、预编码和资源粒子映射、o f d m 调制等环节的t d d l t e 物理下 行共享信道p d s c h 、物理广播信道p b c h 、物理多播信道p m c h 、物理控制格式指示 信道p c f i c h 、物理下行控制信道p d c c h 的下行链路基带信号发生器，为研究 t d d l t e 系统关键技术，特别是下行o f d m 时间同步和频率同步提供良好的平台和基 础。 论文在分析和比较现有的o f d m 时间同步和频率同步算法的基础上，通过实际的 仿真验证比较了各种同步算法的优缺点。论文在分析l t e 下行链路主同步序列特性的 基础上，利用下行主同步信号具有中心对称的特点，提出一种基于修改主同步序列的 时间同步方案。仿真研究表明，基于修改主同步序列的时间同步方案可以在不改变 t d d l t e 帧结构的基础上，以较低的实现复杂度满足t d d l t e 的时间同步和频率同 步要求。 传统的o f d m 多载波通信系统的同步技术设计方案往往独立地考虑o f d m 时间同 步和频率同步技术，论文在分析和研究适用于l t e 系统的时间同步和频率同步算法的 基础上，分析了l t e 系统条件下o f d m 时间同步和频率同步联合利用情景下系统所能 获得同步性能。论文的分析结果表明：本文所提出的修改主同步序列相关联合同步算 法不仅满足t d d l t e 系统的同步性能要求，而且计算复杂度较低，同时保持了 t d d l t e 系统的帧结构完整性，因此本文所提出的修改主同步序列相关联合同步算法 适合t d d l t e 系统。 关键词：t d d l t e ；主同步信号；定时同步；频率同步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sc a p a b i l i t yi ns u p p o r t i n gh i g hr a t eo fd a t at r a n s m i s s i o n ，h i g hb a n d w i d t h e f f i c i e n c ya n dr e s i s t a n c et om u l t i p a t hf a d i n g ，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 ) p l a y sae r i t i c a lr o l ei nt h el t es y s t e m ，h o w e v e r , o f d mt e c h n i q u ei ss e n s i t i v et o t i m i n ga n df r e q u e n c yo 仃s e t i n c o r r e c tt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e n 仃a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r , w h i c hm e a n sa nw r o n gf r a m es t a r t i n gp o s i t i o n w i l l c a u s ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) ；w h i l ei n c o m p l e t ef r e q u e n c yo i t s e tc o m p e n s a t i o nw i l lg i v er i s et o i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c eo w i n gt ot h ed e s t r o yi nt h eo r t h o g o n a l i t ya m o n gs u b c a r r i e r s ，w h i c h w i l ld e g r a d et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y s oh o wt or e d u c eo re v e nc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h e t i m i n ga n dt h ef r e q u e n c yo f f s e tw i l lb ec r i t i c a lf o ru st oe x p l o i tt h ef u l la d v a n t a g e so ft h e o f d m t e c h n o l o g y b a s e do nt h e3 6 21 1a n d3 6 212t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s t d d l t ed o w n l i n kb a s e b a n d s i g n a lg e n e r a t o rw a sb u i l tu pb yu s i n gc + + a n dc 挣t or e a l i z et h es i g n a lg e n e r a t e db yt h e p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ( p d s c h ) ，p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e lf p b c h ) ， p h y s i c a lm u l t i c a s tc h a n n e l ( p m c h ) ，p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o rc h a n n e l ( p c f i c h ) p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r 0 1c h a n n e l ( p d c c h ) ，a sw e l l a st h ep h y s ic a lh y b r i da r o i n d i c a t o rc h a n n e l ( p h i c h ) f o re a c hp h y s i c a lc h a n n e l ，t h ec o m p l e t ep r o c e s s i n gs t e p s ，s u c h a st h es c r a m b l i n g ，m o d u l a t i o n ，l a y e rm a p p i n g ，p r e c o d i n g ，a n t e n n ap o r tm a p p i n g ，a n dt h e o f d mm o d u l a t i o na r ei n c l u d e dt op r o v i d et h ep l a t f o r r l la n db a s i sf o rt h et h ek e ye l l a b l i n g t e c h n o l o g i e si nt d d l t es y s t e m e s p e c i a l l yt h ed o w n l i n ko f d mt i m es y n c h r o n i z a t i o na n d f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，w h i c hi sa n o t h e rf o c h - so ft h i st h e s i s a t i e rab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ee x i s t i n gt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o r0 f d ms y s t e m ，s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt ov a l i d a t et h e a c h i e v e ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e t h u st oh i g h l i 2 l l tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a f t e rt h a t t h et h e s i sp r o p o s e dam o d i f i e dp r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ( p s s ) d e s i g nt o e x p l o i tt h ei n h e r e n ts y m m e t r i cp r o p e r t i e si nt h eo r i 函n a lp s ss e q u e n c e s i m u l a t i o n sa r e p r e s e n t e dt oc o r r o b o r a t et h a t ，t h es l i d i n gw i n d o wc o r r e l a t i o nb a s e dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n b ye m p l o y i n gt h em o d i f i e dp s sp r o v i d e sa ne f f e c t i v et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c y c h o i c ef o rt d d l t es y s t e mw i t hm i n o rr e v i s i o na n d1 0 wi m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y m o r e o v e r , p r e v i o u ss y n c h r o n i z a t i o nr e s e a r c ho nt h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mf o r o f d ms y s t e ms e l d o mc o n s i d e rt h ej o i n tt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ni m p l e m e n t a t i o no fo f d ms y s t e mi nt d d l t es y s t e m t h i st h e s i sa n a l y z e d t h ea c h i e v e di o i n tt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e t h r o u g hs i m u l a t i o n s i ti ss h o w nt h a tt h ej o i n tt i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nb yu s i n g t h ep r o p o s e dm o d i f i e dp s sp r o v i d e sar e a s o n a b l ei o i n ts y n c h r o n i z a t i o ni m p l e m e n t a t i o nw i t h l o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , w h i l em a i n t a i n i n gt h ei n t e g r i t yo ft h ef r a m es t r u c t u r eo ft h e o r i g i n a lt d d l t es y s t e m k e yw o r d s ：t d d l t e ；p r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ；t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ； f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1l t e 现状及技术特点 第1 章绪论 现代移动通信技术的发展已经进入到了b 3 g 时代。2 0 0 4 年1 2 月初，3 g p p 工作小 组在多伦多会议正式确立了3 g p p 的b 3 g 长期演进计划l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) 项 目，经过多年不断的发展和完善，目前l t e 已经发展形成了包括r e l e a s e8 、r e l e a s e1 0 、 r e l e a s e l l 等版本。与3 g 技术相比，l t e 技术具有以下技术特征： 1 、更高的通信速率：下行和上行峰值速率分别达到1 0 0 m p s 和5 0 m p s ； 2 、更高的频谱利用率：由于采用了o f d m 技术，下行链路能达5 b i t s h z 上行采 用s c f d m a ，也能达到2 5b i t s h z ，都远远高于3 g p pr 6 版本的h s d p a 技术指标。 3 、系统整体架构基于分组交换。 4 、系统部署更加灵活：因为l t e 支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 间的多种系统带宽，同时 支持“p a i r e d ”和“u n p a i r e d ”的频谱分配，所以保证了系统部署的灵活性。 5 、改善的小区边界覆盖性能：多媒体广播和组播业务( m b m s ) 在小区边界也可 提供l b i t s h z 的频谱利用率。 6 、更低的网络时延：由于采用单层结构，简化了网络环境，从而降低了时延，同 时也降低了成本。 因为l t e 具有众多的优势，同时能使3 g 平滑过渡到4 g ，所以l t e 受到了大多数 设备制造商和运营商的力挺，并已经成为事实上的b 3 g 技术的行业国际标准。按照双 工方式的不同，l t e 系统可以分为时分双工l t e ( t d d l t e ) 和频分双工l t e ( f d d l t e ) 。由于f d d l t e 不利于高效地支持非对称业务，所以t d d l t e 系统得到 了更多的重视。 多输入多输出( m i m o ) 技术和正交频分复用( 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 ) 技术是l t e 系统重要技术基础，是增加系统容量、提高数据传输 速率的关键支撑技术。o f d m 的基本思想是将高速数据流分散到正交的子载波上，从 而使子载波上的符号速率大大降低，符号持续时间加长，因而很好地抵抗了时延扩展 带来的影响，减小了符号间带来的干扰。l t e 系统中根据带宽的不同，o f d m 的长度 也不同，支持1 2 8 2 0 4 8 间的多种长度，同时l t e 系统采用两套循环前缀( c y c l i cp r e f i x ， c p ) 方案，分别是短c p 方案和长c p 方案，其中短c p 方案作为基本选项，当需要支 持大范围小区覆盖和小区广播业务时则选用长c p ，但此时的系统开销也相应的增加。 m i m o 是提高系统传输速率的重要手段，受到了广泛的关注，而且o f d m 子载波衰落 情况相对平坦，很适合与m i m o 相结合提高系统性能，因此l t e 也将m i m o 作为其 关键技术之一。m i m o 系统通过在发射端和接收端采用多根天线和多个通道，多天线 接收机利用空时编码将数据流分开，如果多个通道之间的响应相互独立，则m i m o 系 统可以构建多个并行空间信道，从而提高数据速率 1 。l t e 已经确定的m i m o 天线数 配置有下行2 2 ，上行1 2 ，同时也在考虑高阶的天线配置，如4 4 。 1 2o f d m 技术 正交频分复用o f d m 首先由c h a n g 2 提出，它是一种频带利用率很高的信号调制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 方式。因为其卓越的性能表现，o f d m 技术已经在数字音频广播( d a b ) ，数字视频广 播( d v b t ) ，和i e e e8 0 2 1 1 等系统中得到广泛应用 3 4 【5 ，同时o f d m 技术已经成 为l t e 的关键技术之一。 o f d m 与f d m 最大的不同在于载波之间会相互重叠，但在一个符号周期内彼此互 相正交，如图1 1 所示，从而达到最佳的频带利用率。o f d m 先将高速的数据流串并 转换，然后通过离散傅利叶变换，将信号调制到正好是以周期倒数为间隔的频域上， 这样的好处在于，提高了传输速率。同时因为加入了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ， 从而可以完全消除符号间干扰和载波间干扰，但是保护间隔的长度要大于或者等于信 道的时间扩散。 图1 - 1o f d m 系统载波同正交不恿图 图l 一2 给出了一个完整的o f d m 系统通信系统示意图。信号在发送端先经过串并 转换，接着映射到对应子载波上，再经过i f f t 6 转换到时域 7 ，接着经过并串转换变 成串行信号，同时在每个o f d m 符号前加上对应的循环前缀，接着经过低通滤波和上 变频后发射到信道中。接收端经过与发送端相对应的逆变换，提取出相应的发送信号， 为了克服信道特性和收发频差等对o f d m 信号传输的不利影响，接收端需要对接收到 的信号做同步和均衡，同步的作用是为了消除采样误差 8 ，9 】、定时偏移和频率偏移 1 0 】 带来的影响，均衡是为了消除信道中的噪声所带来的影响。 图1 - 2 完整的o f d m 系统流程框图 图1 3 给出了o f d m 调制解调系统框图，其中o f d m 调制输出符号为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 s ( 厅) ：专兰s p j , 矿2 x ，z ：一c p ，_ 1 ，0 ，n 一1 ( 1 - 1 ) 其中品表示循环前缀的长度，表示子载波数，s ( 咒) 表示包含循环前缀的o f d m 符 号。经过信道后，接收端接收到的信号，( ，z ) 为： ，( 船) = ( s ( ，z ) o 乃( 力) ) p 7 万朋+ w ( 咒) ( 1 - 2 ) 其中。表示线性卷积相乘，占为归一化频率偏移，w ( ，z ) 表示高斯白噪声 1 1 】，而( 咒) 表 示信道冲激响应： ( 咒) = h , a ( n 一引(1-3) 其中岛和易表示各径增益及延迟，为多径数目。o f d m 调制解调中相关信号变化示 意如图1 4 所示。 子载波 图1 - 3o f d m 调制解调示意图 d f t + 图1 - 4o f d mo f d m 调制解调信号变化示意 o f d m 的最根本优势是，在未均衡的信道和多径信道中，其性能接近最优。此外， o f d m 可以通过在符号间有意插入一个保护间隔，从而可以完全消除符号间干扰，但 是保护间隔的长度要大于或者等于信道的信道特性的时间扩散 1 2 。 同时，o f d m 也存在一些缺点 1 3 】，例如o f d m 系统的峰均比过高，另一方面， 固0叵0 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 o f d m 对时间同步和频率同步误差非常敏感。在实际的通信系统中，接收端和发送端 的采样时钟并不完全同步，从而带来了采样的偏差；由于信号传输时延，以及多径传 输，从而又引入了时间偏差，如果不能有效纠正时间偏差，将会产生符号间干扰；接 收端和发送端的振荡器频率不匹配，或者多谱勒效应都会带来频率偏移 1 4 ，收发端频 偏将会引起在载波间干扰。因此为了保障正常可靠的通信系统，就必须研究适用于 o f d m 系统的有效可靠的同步技术方案。 1 3o f d m 系统中同步误差及其影响 第i 1 个符号 循环前缀第i 个符号 第i + 1 个符号 图1 - 5 0 f d m 符号结构 o f d m 系统中主要存在的同步偏差包括：定时偏差、载波频率偏差。在接收端， 由于不知道一个完整o f d m 符号的起始点，不能确定f f t 窗口位置，因此无法正确的 解调，而如果存在定时偏差，则会导致不正确的位置解调了；由于接收端和发送端振 荡器的频率不匹配，以及接收端和发送端存在相对运动，而带来的多普勒频移 1 5 ，造 成了接收端和发送端的载波间频率偏差。 1 3 1o f d m 系统中定时偏差 通过图1 5 可知，每个o f d m 符号前面都有长为c p 的循环前缀，它的作用主要 是为了一定程度上保护前面o f d m 符号不干扰到后面的符号，也就是符号间干扰 ( i s i ) ，同时，它也有保护o f d m 正交性的作用，因为它是每个o f d m 符号尾部c 尸 个数据的副本。 因为信号传输会经过一定距离，所以会产生传输延迟。同时，信号在无线信道下 传输，会引发多径效应，如散射、衍射等原因，所以会使信号产生符号间干扰，如图 i - 6 所示，其中a 表示前面o f d m 符号干扰到后面o f d m 符号的部分，b 表示没有受 到干扰的循环前缀部分，c 表示除去循环前缀的o f d m 符号。 最佳起始点 图1 - 6 0 f d m 符号间干扰 假设发送端的信号为( 1 - 1 ) 式所示，接收端信号为( 1 2 ) 式所示，则根据f f t 窗口的 起始点落到不同的位置，可以分为以下三种情况 1 6 ： 1 ) 在最佳时间同步的情况下，即f f t 窗口落在图1 - 6 中最佳起始点，o f d m 数据解 调结果为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 r = e f t ( 厂( ，z ) ) = 丽1 刍n - i ，- ( 咒户一j 2 j 1 r a k = s 以+ 哌 ( 1 4 ) 其中 = 丽1 缶n - 1 w ( ，z ) p 一- ，等 ( 1 5 ) 2 ) 当定时点落到图1 - 6 中b 区时，提前最佳起始点岛个数据间隔，从图上可以看出， 此区域为没有受到干扰的循环前缀，o f d m 数据解调结果为： r = 胛“吼) = 丽 争n - i 吼e 夸 妊三如击苫谚帛“i = 专护静峨卜 ( 1 - 6 ) ：p 一，簪。毒艺巧p j 争：p 一，等船& 巩+ 哌 qn 甍。 “ 3 ) 当定时点落到图1 - 6 中a 区或者c 区时，提前最佳起始点包个数据间隔，也即是 落到受到干扰的循环前缀内时，o f d m 数据解调结果为： r = 肿( m ) = 面1 纨n - 1 旷夸 括竺免占尹巧e 一鲁，一以p 氲 ，1 7 、 = 击驴静也弘+ 专苫谚帮毛卜 uu 秘等最风哪击誉耖舡卜 通过上面对三种情况的分析，可以看出：当情况1 时，这是最佳的同步结果，不 会给o f d m 系统带来任何影响；当情况2 时，因为f f t 窗口落在未受干扰的循环前缀 内，所以没有引入符号间干扰，也没有破坏o f d m 符号的正交性，但是此时引入了一 个相移因子，使得信号在星座图上产生了相位旋转；当情况3 时，从公式中可以看出， 这种情况已经引入了符号间干扰，进而使接收端接收到的信号相位和幅值受到一定程 度的影响，所以这种情况对o f d m 系统的影响是最大的，在时间同步的时候应该避免 出现这种情况。 通过上面的分析，可以看出，当时间同步能落在未受相邻符号干扰的循环前缀和 最佳起始点时，对o f d m 系统基本没有影响，因此为了使o f d m 系统不受定时偏差的 影响，则应该找到未受相邻符号干扰的循环前缀或者最佳起始点。 1 3 2o f d m 系统中频率偏移 o f d m 系统中，接收端和发送端各存在一个本地振荡器，而相互之间不一定完全 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 匹配，因此接收信号和发送信号存在一个频率偏移 1 7 】。同时，接收端和发送端会有相 对移动，因此会带来多普勒频移，同样会使信号发生频率偏移。 频率偏移可以分为整数频偏和小数频偏 1 8 ： 占= 岛+ 唧( 1 8 ) 其中岛表示整数频偏，表示小数频偏。假设发送端的信号为( 1 1 ) 式所示，已知频偏 为s ，则接收端接收到的信号为： ，( ，z ) = ( s ( 刀) oj j z ( 刀i ) e 7 万棚+ w ( n ) ( 1 - 9 ) 通过( 1 9 ) 式得到接收的信号，然后对接收到的信号进行解调： 兄= 而1 刍n - i 悱一，鲁_ b l = 辨j z t ：n - 1 型高小 o 。1 n s i n 二f n 表达式中的第二项厶表示由于频率偏移导致的载波间干扰( i c i ) ，其具体关系可以写 成以下表达示： = ，互k瓦风e 弦可n - 1 e 吖j r 等， 丁n - 1 k ( 1 - 1 1 ) ”m = “kn s i n 3 三二l 。 、7 当印= 0 时，即占只存在整数频偏，很容易可以得出= 0 ，因此解调信号可以写成： r = s ( k - 。i ) ，q h ) + 哌 ( 1 1 2 ) ( 尼一句) 表示尼一岛对取模。从( 1 - 1 2 ) 式中可以看出，在这种情况下频偏只是使信号发 生了循环移位，并没有使信号发生畸变。 当卸0 时，即存在小数频偏时，( 1 1 1 ) 式将引起子载波间干扰 1 9 ，同时取中的第一 项使信号发生畸变。 1 4o f d m 系统同步技术研究现状 在通信系统中，接收端和发射端需要一个同频同相的载波，才能完成相应的检测 和解调任务，因此需要频率同步。在数字通信系统中，除了需要同频同相的载波外， 还必须要使数字码元信号同步，因为数字通信系统中，传输的信号是一串连续的数字 码元，要保证正确的解调，那么就必须知道码元的开始和终止位置，因此需要定时同 步。 o f d m 系统也不例外，从国内外的研究来看，围绕o f d m 多载波通信系统的采样 时钟同步、符号同步和频率同步技术的理论和应用研究已经发展和形成了大量可供比 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 较和选择的研究成果。o f d m 系统中同步方法如果按是否有数据辅助可以分为：盲同 步算法和基于训练序列的同步算法。盲同步算法主要利用循环前缀实现时间同步。j j v a nd eb e e l i 等人 2 0 讨论了o f d m 系统中的定时偏移和频率偏移的最大似然估计问 题，并给出了基于循环前缀的定时偏移和频率偏移估计方法，同时还给出了性能分析， 通过分析得出，该算法在a w g n 信道下同步性能很好，但是在频率选择性衰落信道下 的性能则较差，因为这种估计算法对信道信息的依赖性很高，同时由于符号间干扰， 使得时间函数内增加了一些不必要的信号，对时间函数产生了干扰，同时考虑到 t d d l t e 系统的约束，因为上、下行是时分，所以当上行占用信道是，下行会存在一 段时间没有信号，因此这种方法的比较容易误判。最近，c a s t i l l o s a n c h e z 等 2 1 在v a n d eb e e k 基于循环前缀的最然似然时延和频偏估计的基础上，对其进行拓展，给出了适 用于o f d m 系统的低复杂度符号、频偏和采样时钟的联合盲同步技术方案，对于面向 应用满足o f d m 多载波通信系统同步需求有重要的借鉴和参考价值。y a n gb a o g u o 等 2 2 一般性地给出了适用于o f d m 多载波通信系统的同步接收系统方案：首先接收端 根据循环前缀估计出o f d m 符号粗同步，接着估计传输路径时延，最后采用延迟锁定 回路( d e l a yl o c k e dl o o p ，d l l ) 跟踪完成精确同步估计，此方法同样存在受t d d l t e 系 统特性的约束，当上行占用信道时，延迟锁定回路将失效。a p a l i n 和j r i n n e 2 3 提出 了一种两次相关的方法，这种方法在一定程序上解决了频率选择性衰落信道下的同步 问题，但是这种方法要求多径中的第一径信号必须要很强，而实际的t d d l t e 给出的 三种仿真信道e p a 、e v a 和e t u 只有e p a 信道满足，因此这种方法不适用于t d d l t e 系统。b y u n g j o o np a r k 等人 2 4 利用发送端成型滤波器的循环特性，给出了盲同步方法 的另一种思路，而且此方法也不需要提前知道信道信息，同时此方法也适用于衰落信 道，但是为了消除不完全的循环相关，需要大量计算然后取平均，所以算法复杂度会 比较高，r w h e a t h 2 5 ，h b o l c s k e i 2 6 也同样利用此特性提出了相应的同步算法， 同样计算复杂度较高。s h a o d a nm a 等人【2 7 利用循环前缀的特性，给出了新的时间估 计函数，这种方法不需要知道信道信息，而且在频率选择性衰落信道条件下，性能依 然较好，但是此算法因为用到了二维搜索，主要是为了消除时延对同步造成的干扰， 因此算法复杂度较高，不能在实时性要求较高的场景下应用。最近，m i c h a e lm a ow a n g 等人 2 8 提出了一类以最大化子载波平均信号功率与子载波间平均干扰功率之比的优 化o f d m 符号平衡同步方案。 基于训练序列的同步算法是利用人为的插入已知符号或者利用已有的导频符号来 做同步。p m o o s e 1 8 提出通过重复的序列，假定时间不存在偏差，然后在频域实现频 率同步，这种方法只是估计了频率偏移，而且估计范围较窄。在此基础上t m s c h m i d l 和d c c o x 2 9 提出了基于导频辅助的同步算法，他们的方法采用包含前后半个序列 相同的前导序列，然后同时估计时间偏差和频率偏移，这种方法实现起来相对简单， 但是存在一个问题，时间同步函数中会出现一个明显的平台，从而引起时间同步的不 确定性增大。在s c h m i d l 和c o x 的基础上，h m i n n 等人p o 提出了一种新的训练序列 设计方法，即将训练序列分为四部分，第一部分和第二部分相同，第三部分和第四部 都是第一部分的相反数，这样设计后的训练序列的时间同步函数将会得到一个峰值， 从而使得时间同步方差变小，但是这种同步方案会出现比较明显的旁瓣，而且在多径 衰落的信道条件下性能不是很理想。因此b p a r k 31 等人又提出了另外一种训练序列 设计方案，同样也是将训练序列分为四部分，第一部分与第三分部互为共轭，第二部 分和第四部分互为共轭，同时整个序列中心对称，这种方案的时间同步函数在正确的 同步点会出现一个明显的最大值，而且在多径衰落的信道下性能同样很好，但是当时 延较大时，会破坏训练序列的结构，因此会大大降低同步的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 一l l m 传统的o f d m 多载波通信系统的同步技术方案设计往往都是相对独立地考虑同步 技术本身，而较少与其他技术手段和技术方案结合起来进行分析，如何结合l t e 标准 自身的可用资源和系统条件，考察适用于l t e 系统条件下下行时间同步和频率同步的 技术方案，并重点筛选和确定适用于l t e 标准的高性能时间同步和频率同步技术方案， 这是论文拟重点解决的关键问题。 1 5 论文的主要内容及组织结构 论文参考3 g p p 标准3 6 2 1 1 、3 6 2 1 2 ，采用c + + 与c 联合编程，开发完成了包括 加扰、调制、层映射、预编码和资源粒子映射、o f d m 调制等环节的t d d l t e 物理下 行共享信道p d s c h 、物理广播信道p b c h 、物理多播信道p m c h 、物理控制格式指示 信道p c f i c h 、物理下行控制信道p d c c h 和物理混合自动重传指示信道p h i c h 的下 行链路基带信号发生器，为研究t d d l t e 系统关键技术，特别是下行o f d m 时间同 步和频率同步提供良好的平台和基础。 论文在分析和比较现有的o f d m 时间同步和频率同步算法的基础上，通过实际的 仿真验证比较了各种同步算法的优缺点。论文在分析l t e 下行链路主同步序列特性的 基础上，利用下行主同步信号具有中心对称的特点，提出一种基于修改主同步序列的 时间同步方案。仿真研究表明，基于修改主同步序列的时间同步方案可以在不改变 t d d l t e 帧结构的基础上，以较低的实现复杂度满足t d d l t e 的时间同步和频率同 步要求。 传统的o f d m 多载波通信系统的同步技术设计方案往往独立地考虑o f d m 时间同 步和频率同步技术，论文在分析和研究适用于l t e 系统的时间同步和频率同步算法的 基础上，分析了l t e 系统条件下o f d m 时间同步和频率同步联合利用情景下系统所能 获得同步性能。论文的分析结果表明：本文所提出的修改主同步序列相关联合同步算 法不仅满足t d d - l t e 系统的同步性能要求，而且计算复杂度较低，同时保持了 t d d - l t e 系统的帧结构完整性，因此本文所提出的修改主同步序列相关联合同步算法 适合t d d l t e 系统。 论文内容的安排如下： 第一章主要介绍l t e 现状及其技术特点，然后详细介绍了o f d m 系统的基本原理 和o f d m 系统同步技术的现状，并详细的分析了定时偏移和频率偏移给o f d m 系统带 来的影响。 第二章主要介绍了t d d l t e 系统下行信号发生器。同时对t d d l t e 系统中的一 些重要概念进行了说明，包括：l t e 帧结构、资源栅格和主同步信号。在本章最后详 细介绍了信号发生器的实现，包括开发环境与开发语言、类划分和工作的流程。 第三章主要介绍了适合于t d d l t e 系统下行时间同步的算法，主要分为盲同步算 法与基于训练序列的同步算法。且给出了本文提出的一种新的改进主同步信号的时间 同步算法。最后给出了这些算法的仿真结果及性能的对比，同时分析了这些算法的计 算复杂度。 第四章主要介绍了适用于t d d l t e 系统下行频率同步的算法，主要是基于训练序 列的频率同步。并在本章给出了本文改进的主同步序列所对应的频率同步算法。最后 通过仿真性能分析，比较了不同频率同步算法的优劣性。 第五章是本论文的总结，并提出了对未来工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章t d d l t e 下行信号发生器 为了方便研究t d d l t e 系统条件下的接收同步问题，论文首先考虑按照l t e 标 准，构造一个完整的包括加扰、调制、层映射、预编码、资源粒子映射和o f d m 符号 生成的t d d l t e 下行信号发生器，该平台的构建也可以为后续研究t d d l t e 系统条 件下的其他关键技术提供一个很好的平台。 2 1t d d l t e 系统下行链路信号处理流程 t d d l t e 在 3 2 中详尽规定了下行链路信号处理过程中的时序、载波映射关系， 以及对应的信号结构。 2 1 1t d d l 1 飞无线帧结构 图2 1 给出了t d d l t e 帧结构。在t d d l t e 中，每个无线帧长为1 0 m s ，包括两 个长为5 m s 的半帧，分别称为前半帧和后半帧；每个半帧又包括5 个长为l m s 的子帧， 因此整个无线帧共有l o 个子帧，分别称为子帧0 、子帧1 、子帧9 ；每一个子帧又 包含两个时隙，每个时隙长为0 5 m s ，所以整个无线帧共有2 0 个时隙，分别称为时隙 0 、时隙1 、时隙1 9 。同时系统规定了最小可分辨时间单位为i = 1 1 5 0 0 0 x 2 0 4 8 。 i ) g r $ 口 u p r r s i ) r i s口u p r r s 图2 - 1t d d - l t e 系统无线帧结构( s r n s 周期切换) 根据配置的不同，1 0 个子帧具体的功能也不尽相同，可能用于上行传输，也可能 用于下行传输，还有可能是特殊的子帧，具体配置情况如表2 1 所示。 表2 1t d d l t e 上下行配置 上下行配 下行切换到子帧号 置序号 上行的周期 o123 4 56789 05m sdsu u udsuu u l，m sdsuud dsuu d 25m sdsu d ddsu d d 31 0m sdsu uud d ddd 41 0m sdsu u d ddd d d 51 0m sdsudd d d d d d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 i 65m s dsu uud su u d 备注 d 表示下行，u 表示上行，s 表示特殊子帧 从表2 1 中可以看出，所有的配置情况中，子帧o 和子帧5 总是用于下行传输： 当下行切换到上行的周期为5 m s 时，前半帧和后半帧的第二个子帧都为特殊子帧，当 下行切换到上行的周期为1 0 m s 时，只有子帧1 为特殊子帧。其中特殊子帧是包含三个 域的子帧，分别为d w p t s 、g p 和u p p t s ，d w p t s 总是保留用着下行传输，u p p t s 总是保留用着上行传输。这三个域的长度也是可配置的，如表2 2 。 表2 2t d d l t e 特殊子帧配置表 下行信道正常c p下行信道扩展c p 特殊子帧d w p t s u p p t s d w p t s u p p t s 配置序号上行信道上行信道 上行信道上行信道 正常c p 扩展c p正常c p扩展c p 0 6 5 9 2 正7 6 8 0 正 l 1 9 7 6 0 疋 2 1 9 2 疋2 5 6 0 正 2 0 4 8 0 正 2 1 9 2 正2 5 6 0 正 2 2 1 9 5 2 正2 3 0 4 0 疋 3 2 4 1 4 4 正2 5 6 0 0 t 4 2 6 3 3 6 正7 6 8 0 正 5 6 5 9 2 正2 0 4 8 0 正4 3 8 4 正5 1 2 0 五 6 1 9 7 6 0 。正 4 3 8 4 正 5 1 2 0 正 2 3 0 4 0 正 7 2 1 9 5 2 i 8 2 4 1 4 4 正 除特殊子帧外，其余的子帧内包含的o f d m 符号个数都由循环前缀( c p ) 的类型 来决定；正常c p 时，每个时隙包含7 个o f d m 符号；扩展c p 时，每个时隙包含6 个o f d m 符号，在未特殊说明情况下，本文均采用正常c p ，也即是每个时隙包含7 个o f d m 符号。 。 一个时隙内的7 个o f d m 符号前面插入的循环前缀长度也不完全相同，第1 个 o f d m 符号前的循环前缀较长，后面6 个o f d m 符号前的循环前缀长度相同，分别用 n o , 。、c 尸2 表示。例如2 0 m h z 带宽时，第1 个o f d m 符号前的循环前缀长度c ，l = 1 6 0 ， 后面6 个o f d m 符号的循环前缀长度2 = 1 4 4 。 2 1 2t d d l t e 下行时隙结构和资源粒子 一个时隙内传输的信号用罐硭个子载波和艨。个o f d m 符号的资源栅格 3 2 表示，资源栅格如图2 - 2 所示。每个资源栅格在不同的带