（通信与信息系统专业论文）超宽带无线通信物理层关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的高速发展，人们对无线通信系统的要求日益提高，超宽带( u l t r aw i d e b a n d , u w b ) 技术凭借其高速率的数据传输、极低的功耗等性能，逐渐成为无线通信领域研究的一个热点。 本文主要针对多带正交频分复用( m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm o d u l a t i o n , m b o f d m ) u w b 系统的物理层的关键技术进行研究。以国际标准e c m a 3 6 8 3 6 9 为基础，重点研 究了m b - o f d mu w b 系统中的定时同步技术及信道估计技术，并搭建系统的仿真平台，在此平台 上对其进行仿真分析和评估；此外，以中国超宽带标准的制定为契机，结合国际标准的相关技术以 及中国的频谱规划要求，提出一套改进的具有信号检测避让技术的双载波正交频分复用 ( d u a l - c o r r i e r o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l 卸l e x i n g ，d c - o f d m ) u w b 系统，仿真了其性能并 与采用了类似技术的m b - o f d mu w b 系统做了比较。 本文主要分为6 章，分别对超宽带无线通信物理层的部分关键技术做了研究。 第一章是绪论。首先介绍了不同种类的无线网络，其次介绍超宽带无线通信技术的背景知识， 进而对超宽带无线通信系统的物理层关键技术做了初步介绍，最后简述了本文的研究内容和章二肖安 排。 第二章详细地讨论了本文的研究重点m b - o f d mu w b 系统。首先对系统所采用的o f d m 技术 做了详细的介绍，对其基本原理及其他技术细节做了阐述，给出了o f d m 系统的收发机结构，并指 出o f d m 技术的关键问题；其次对整个m b o f d mu w b 系统的结构做了详尽的描述，给出了一些 关键的技术参数；最后对超宽带系统的典型信道模型室内密集多径信道模型进行了介绍。 第三章主要研究了m b o f d mu w b 系统的同步问题。本章首先对o f d m 系统中的同步问题进 行了归类，其次分析了各种非理想因素对o f d m 系统的影响，再次详细描述了各种同步算法，在上 述分析的基础上，给出了m b o f d mu w b 系统中的定时同步方案，最后对此方案进行了仿真，并 做了详尽的分析。 第四章对m b - o f d mu w b 系统中的信道估计技术进行了研究。首先对已有的信道估计算法进 行综述，介绍了一些常见的信道估计算法；其次对所介绍的算法进行了仿真分析，并针对m b - o f d m u w b 系统选择了较为合适的算法；最后分析了所采用的信道估计算法对m b o f d mu w b 系统的影 响。 第五章进行了认知超宽带中信号检测避让技术的相关研究。首先介绍了认知超宽带的背景技术 以及超宽带系统引入信号检测避让技术的必要性；其次介绍了两种现有的技术，一种是 e c m a - 3 6 8 3 6 9 第二版中的t o n e - n u l l i n g 技术，另一种是东南大学提出的d c o f d mu w b 系统模型； 再次结合上述两种技术，并针对中国的频谱规划要求，配合中国超宽带标准的制定，提出一种改进 的具有信号检测避让技术的d c - o m mu w b 系统，最后进行仿真验证。 第六章对整篇论文的工作进行了总结，并展望了进一步的研究工作。 【关键词】：超宽带，同步，信道估计，正交频分复用，功率谱 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fw 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 , p e o p l er e q u i r em o r ef o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n du l t r a w i d e b a n d ( u w 8 ) t e c h n o l o g yw i t hh i g hd a t ar a t ea n d l o wp o w e r c o n s u m p t i o nb e c o m e sah o t s p o ti nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h i nt h et h e s i s ，k e yt e c h n o l o g i e so fp h y s i c sl a y e rf o ru w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r ei n v e s t i g a t e d b a s e do ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fe c m a - 3 6 8 3 6 9 ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dc h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n o l o g ya r cr e s e a r c h e d ，s i m u l a t e da n de v a l u a t e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h ew h o l e s y s t e mb u i l t a sa no p p o r t u n i t yt ot h ec o n s t i t u t i o no fc h i n au w bs t a n d a r d ，a n dt h ec o m b i n a t i o no fr e l a t e d t e c h n o l o g i e so f i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa n dt h er e q u i r e m e n to f c h i n as p e c t l l l mp l a n n i n g , a l li m p r o v e d d c o f d mu w bs y s t e mw i t hs i g n a ld e t e c t i o na n da v o i d a n c ei sp r o p o s e d s i m u l a t e da n dc o m p a r e d 谢t h m b - o f d mu w bs y s t e mw i t hr e l a t e dt e c h n o l o g y t h e r e r es i xc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n ，e a c ho f w h i c hi so np a r to f k e yt e c h n o l o g i e so f p h y s i c sl a y e rf o r u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i nc h a p t e ro n e ，d i f f e r e n tt y p e so f w i r e l e s sn e t w o r k sa l ei n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h eb a c k g r o u n do f u w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e c o n d l y ，t h e nt h eb a s i ck n o w l e d g eo f k e yt e c h n o l o g i e so f u w bw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a tl a s tt h er e s e a r c hc o n t e n ta n dc h a p t e ra r r a n g e m e n to ft h i sp a p e r i nc h a p t e rt w o ，m b o f d mu w b s y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l t h eo f d mt e c h n o l o g yi sr e f e r r e df i r s t l y , a n dt h e nt h ef r a m e w o r ko fm b o f d mu w b s y s t e m ，a tl a s tt h em u l t i - p a t hc h a n n e lm o d e l i nc h a p t e rt h r e e ，t h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo f m b - o f d mu w bs y s t e mi sd i s c u s s e d f i r s t l yt h e s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m sa r ec l a s s i f i e d ，a n dt h e nt h ei n f l u e n c eo f n o n - i d e a lf a c t o r st ot h es y s t e mi sa n a l y z e d , a n da l lk i n d so fs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa l ed e s c r i b e d , a tl a s t , t h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei sg i v e n , s i m u l a t e da n da n a l y z e d i nc h a p t e rf o u r , t h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d t h e e x i s t i n ga l g o r i t h m sa r er e v i e w e da n d c o m p a r e dt h r o u g hs i m u l a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，s u i t a b l ea l g o r i t h m sa r ec h o s ef o rm b o f d mu w b s y s t e m , a n dt h ei n f l u e n c et ot h es y s t e mi se v a l u a t e da tl a s t i nc h a p t e rf i v e 。t h et e c h n o l o g yo f s i g n a ld e t e c t i o na n da v o i d a n c eo f c o g n i f i v eu w bi sd i s c u s s e d 1 f 1 地 b a c k g r o u n do f c o g n i t i v eu w b i si n t r o d u c e d , a n dt w ot e c h n o l o g i e s ：t o n e - n u l l i n gt e c h n o l o g ya n d d c - o f d mu w b s y s t e ma r ep r e s e n t e d c o m b i n e dt h e s et w ot e c h n o l o g i e s ，a c c o r d i n gt oc h i n as p e c t r u m p l a n n i n g ，w i t ht h ec o n s t i t u t i o no fc h i n au w bs t a n d a r d , a l li m p r o v e dd c - o f d mu w bs y s t e m 、i ms i g n a l d e t e c t i o na n da v o i d a n c ei sp r o p o s e d , a n dv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n i nc h a p t e rs i x ，t h es u m m a r i z a t i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n do u t l i n e st h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa g i v e n k e y w o r d s u l t r a w i d e b a n d ( im 僵) ，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 ，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 ) ，p o w e rs p e c t r u m i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签缸爿幺铷师签名： 辑吣斗 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 通信是现代社会发展的一个必要条件，日新月异的通信技术给人类的生存和发展带来了极大的 便利。从有线到无线，通信技术实现了其发展中的一个重大飞跃。在计算机技术和半导体技术的推 动下，无线通信的理论和技术得到了飞速发展。无线网络作为移动通信技术和计算机互联网结合的 产物，已经越米越成为人们实现随时随地自由传递信息的主要手段和信息社会人们赖以生存的必要 条件之一。 本文将从无线通信网络的发展现状出发，介绍无线个域网及其应用的超宽带技术的相关背景， 并提出本文的研究内容和章节安排。 1 2 无线网络简介 现代无线网络【l l 【2 1 的发展经历了两条不同的道路：一条是移动通信系统在无线接入的基础上采 用互联网协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，i p ) 而发展成无线网络，如采用全口的第三代移动通信广域网；另 一条是互联网在口的基础上采用无线接入技术而发展为无线网络，如以无线局域网为基础发展起来 的公众无线网络和基于w i m a x 的无线城域网。在发展过程中，移动通信从提供单纯的语音业务逐 渐过度到数据业务和多媒体业务，互联网也从单纯的数据业务逐渐发展到提供语音和多媒体业务。 按范围无线通信技术可以分成四大类： ( 1 ) 无线广域网( w i r e l e s s w i d e a r e a n e t w o r k ，嗍n ) 一奎接某个国家或世界不同部分的 设备，主要指蜂窝移动通信系统。蜂窝移动通信经历了模拟阶段，窄带数字阶段，正进入宽带数字 阶段第三代移动通信时代。3 g 的标准主要有四个：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 和w i m a x 。 ( 2 ) 无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k , w m a n ) 是一种无线i 占i 定宽带接入 网络，工作在直径超过5 0 千米的区域，为企业、家庭和个人用户提供“最后一英里”的宽带无线连接 方案，主要用于整个建筑楼或家庭与骨干通信网的无线接入，相应的标准规范由i e e e 8 0 2 1 6 工作组 指定。 ( 3 ) 无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k 。a n ) 州a n 作为高速无线互联网接入 技术，应用于机场、工厂、大厦、图书馆、学校等人口密集的热点地方。至少能够支持大于1 0 0 米 的距离，利用网络内部的物理层连接，还能支持至少2 k m 距离的通信。主要的标准包括由 i e e e 8 0 2 1 l 工作组制定的i e e e 8 0 2 1 l a b g 等。 ( 4 ) 无线个域网( w t r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k , w p a n ) 是一种用于连接家庭各种家电、 娱乐设备的无线网络，作用距离在1 0 米范围内。w p a n 分低速和高速两种，i e e e 8 0 2 1 5 4 和蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 是低速w p a n 标准，而i e e e 8 0 2 1 5 3 则是高速w p a n 标准。高速w p a n 的数据传输 速率不低于1 0 0 m b p s ，主要用于摄像机和娱乐设备的多媒体传输。实现高速w p a n 的主要技术是超 宽带。 l 东南大学硕士学位论文 无线个域网是无线通信领域的热点研究课题之一下表为w p a n 所采用的主流技术。 表1 1 主流w p a n 技术一览 速率i e e e 工作组商业名称 低速f 氐功耗 e e e8 0 2 1 5 4 i e e e8 0 2 1 5 4 a z i g b e 圮 低速i e e e8 0 2 1 5 1 i e e e8 0 2 1 5 1 a b l u e t o o t h 高速i e e e8 0 2 15 3 i e e e8 0 2 15 3 aw i m e d i a m b o a u w bf o r u m w p a n 是能在便携式电器和通信设备之间进行短距离特别连接的网络。“特别连接”包含两层 意思，一是指设备既能承担主控功能、又能承担被控功能的能力；二是指设备具有加入或离开现有 网的方便性。高速率w p a n ( h i g hr a t ew p a n ，h r - w p a n ) 的主要特点是：能为多媒体业务提供具 有服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 支持的特别连接；加入和离开网络非常方便；具有先进的功 率管理功能，可节省电池功率；m a c 和p h y 设计对短距离( 小于l o 米) 通信最优，并且成本低、 复杂性低：可传送高质量视像和声音。超宽带技术目前即主要是应用y - h r w p a n 。 1 3 超宽带无线通信技术简介 随着无线通信技术的飞速发展，各种无线通信系统相继出现，由此带来无线通信用户的大量增 加，从而使可利用的频谱资源日趋紧张。人们开始逐渐重视如何充分合理地利用有限的频谱资源为 人类服务。另一方面，随着人民群众生活水平的提高，人们对无线通信的要求越来越高，现有的一 些无线通信技术已经无法满足一些如家庭影院、视频点播、超高速因特网接入等新兴应用的需求。 近距离无线通信技术通常辐射小，对邻近的通信设备干扰小，可以重复利用频谱资源，传输速度高， 因此，近年来，近距离无线通信技术受到广泛重视并得到快速发展。在这样的背景下，超宽带f 3 】【4 l 技术引起了人们的重视，逐渐成为无线通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信 的关键技术之一。 2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ，f c c ) 发布了民用 u w b 设备使用频谱和功率的初步规定嘲。按照f c c 的定义，u w b 设备是相对带宽大于o 。2 或在传 输的任何时刻带宽大于5 0 0 m h z 的设备。这里相关带宽定义为： 厂：厶二五 “( 厶+ f l ) 2 ( 1 1 ) 其中厶和五分别为系统的高端频点和低端频点( 按一1 0 d b 计算) 。按照f c c 的规定，室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，并在这一范围内，有效各向同性发射功率( e f f e c t i v e i s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r , e i r p ) 不超过- 4 1 3 d b m m h z ，如图1 1 所示： 2 第l 章绪论 i l l 斗一一 l j 一+ 一 一_ - ； 图1 - 1f c c 规定的室内u w b 发射功率限制 与现有的短距离无线通信技术相比较，u w b 具有如下特点f 6 】【7 】： ( 1 ) 传输速率很高。u w b 脉冲宽度一般为纳秒级，所以u w b 的数据传输速率轻易可达到 1 0 0 m b p s 以上，第二代产品可望达到5 0 0 m b p s 以上。 ( 2 ) 低能耗。i 照忸设备定位于1 0 米以内的w p a n ，在短距离应用中，u w b 发射机的发射功 率通常低于l m w ，因此产品能耗将较低。 ( 3 ) 多径分辨率高。超宽带无线通信发射的是持续时间极短、占空比极低的脉冲，在接收端， 多径信号在时间上能做到有效的分离。假如到达接收点的多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传 输距离应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。因为脉冲很窄，这种多径距离是很小的。可见，发射窄 脉冲的超宽带无线信号在多径环境中的衰落不像连续波信号那样严重。u w b 对多路径干扰具有固 有的抑制能力，因此特别适合用于室内环境。 ( 4 ) 保密性好。u w b 的保密性体现在两个方面：一方面是采用跳时扩频技术，接收机只有在 一直发送端时频码时才能解出发射数据；另一方面，由于u w b 的发射功率低，信号隐蔽在环境噪 声和其他信号中，用传统的接收机无法接收和识别。 ( 5 ) 电磁兼容性好。由于u w b 脉冲极窄，频带极宽，其带宽相当于1 0 0 0 个电视频道或3 万 个f m 广播频道，因此单位带宽内的功率谱密度相当低。f c c 规定，u w b 的发射功率谱密度必须 低于美国发射噪音规定值- 4 1 3 d b m m h z ，因此从理论上讲，相对于其他通信系统，u w b 信号所产 生的干扰仅相当于一个宽带白噪声，u w b 对其他设备的影响是非常小的。 目前u w b 技术主要有三种解决方案，分别为无载波脉冲方案【引，摩托罗拉公司提出的单载波 直扩码分多址( d i r e c ts e q u e n c e - c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，d s - c d m a ) u w b 方案【9 1 ，以及由多 频带联盟( m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e , q u c n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga l l i a n c e m b o a ) 组织所支持的 m b o f d mu w b 方案i l o l 。 无载波脉冲方案为u w b 通信的传统方式，也是目前文献中介绍得最多的方式之一。这种方案 中，直接利用了基带简单脉冲波形进行通信，所以与传统的通信系统相比，收发信机结构简单，实 现成本低，但在f c c 关于u w b 通信功率谱的规定下，频谱利用率不高。 u w b 技术实现的另一条途径就是采用载波调制的方式，即将u w b 信号搬移到合适的频段进行 传输，从而可以更加灵活、高效地利用频谱资源。d s - c d m a u w b 方案以及m b o f d mu w b 方案 均为载波调制方案。 3 东南大学硕上学位论文 在d s - c d m a 方案中，使用的c d m a 技术与在传统通信系统中使用的c d m a 技术没有本质的 区别，只是使用了很高的码片速率，以获得符合u w b 技术标准的超宽带宽。由于目前f c c 规定 u w b 通信的实际频谱使用范围为3 i g h z 1 0 6 g h z ，为了避免与u n i i 频段系统的干扰，在两个频 段之间的部分频谱没有利用。因此产生了两个可用频段：低频段和高频段。经过d s - c d m a 扩频之 后的信号再通过载波进行调制，在这两个频段之传输，或在这两个频段同时传输，从而可以在合 适的频带范围内传输。传统的无载波脉冲方案中，存在较多低频分量，因此很难适应f c c 的限制； 而单载波d s d m a i 兀b 方案，通过频谱搬移就较好地解决了这一问题。 在m b o f d mu w b 方案中，将f c c 分配的3 1 g h z - 1 0 6 g h z 的频带分为1 4 个子带，每个子带 为5 2 8 m i - i z ，用来发送1 2 8 个点的o f d m 信号，每个子载波占用4 1 2 5 m h z 的带宽。这1 4 个子带又 分为5 组，前4 组每组包含三个子带，第5 组则包含两个子带，最初使用的将是低频段组，即第一 组。经过o f d m 调制的u w b 信号可以在这三个子带之间跳转，以取得频率分集。另外，同一个符 号还可以在不同的频段重复发送，从而可以利用时间分集以避免受到窄带干扰的影响。u w b 系统 在多子带之间的跳转方法可由时频码( t i m e - f r e q u e n c yc o d e 。t f c ) 加以控制。高频的频段组既可以 单独使用，也可以和低频的频段组联合使用，比如第l 组和第3 组可以联合使用，获得6 个频段的 频率分集。 u w b 的规范化t 作目前还在进行中。国际上u w b 通信的标准化r 下作开始是由i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组进行的。但是由于d s c d m a 和m b - o f d m 的支持者不能达成一致，工作组宣布放弃对i ，w b 标准的制定。2 0 0 5 年，m b - o f d m 的支持者w i m e d i a 联盟与国际欧洲计算机制造商协会( e u r o p e a n c o m p u t e rm a n u f a c t u r e r sa s s o e i a t i o n ，e c m a ) 合作制定并通过了高速u w b 的国际标准 e c m a 3 6 8 3 6 9 【n j ，目前已被接纳为国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a lo l 倒z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ， i s o ) 国际标准。 1 4 超宽带无线通信物理层的关键技术 ( 1 ) 定时同步算法【1 2 j 【1 3 】【1 4 】。定时同步是超宽带通信系统中极为重要的问题，定时偏差和抖动 将严重影响接收机的性能。超宽带信道是室内密集多径信道，信道条件十分恶劣，对u w b 信号的 接收要求很高，此外u w b 信号是持续时间非常短暂的冲击信号，要求在很短的时间内实现对信号 的准确捕获，从而对u w b 通信系统的同步算法提出了更高的要求。定时同步一般分为捕获和跟踪 两个阶段。在捕获阶段，要求接收机快速搜索信号到达时间，并根据搜索结果调整接收机定时。在 跟踪阶段，接收机对微小的定时偏差进行修正以保持同步。目前u w b 系统的定时同步算法主要分 为两大类：数据辅助( d a t a a i d e d ，d a ) 的定时同步，盲定时同步。数据辅助的同步方法借助于事先 设计好的训练序列米进行捕获和跟踪。盲定时同步则使川超宽带信号的循环平稳特性米实现捕获和 跟踪。数据辅助定时同步捕获速度较快，跟踪精度高，但是需要付出系统带宽效率和功率效率上的 代价。而盲同步不需付出此类代价，但是捕获和跟踪的性能不如数据辅助定时同步算法。这两类方 法的基本思路均是利用滑动相关寻找峰值以确定同步地址。在高速无线个域网中，一般采用突发包 的方式来发送数据，因此采用数据辅助的定时同步算法是较为合理的选择。 ( 2 ) 频偏估计算法剐n 引u 引。通信系统的载频偏差主要是由收发端的载频振荡器的差别、多普 4 第1 章绪论 勒频移和非线性信道引入的相位噪声等因素引起的，m b - o f d mu w b 系统所采用的o f d m 技术是 一种正交多载波技术，o f d m 技术依靠利用各个子载波间严格保持正交性来分辨子信道的，o f d m 符号对载波频偏十分敏感，如果载波频偏超过系统所能容忍的限度，将会破坏子载波间的正交性， 从而引起信道间干扰，或造成o f d m 系统有用信号的幅度衰减和相位旋转，使得系统性能严重下降。 因此频偏估计技术在m b o f d mu w b 系统中的作用尤为重要。目前已有的频偏估计算法主要有基 于循环前缀的频偏估计算法，基于特殊训练序列的频偏估计算法以及基于导频的频偏估计算法等。 与定时同步算法类似，基于训练序列和基于导频的频偏估计算法会导致系统频率和功率资源的浪费。 频偏估计通常以子载波间隔作为归一化标准划分成小数频偏估计和整数频偏估计。子载波间隔的整 数倍的频偏成为整数频偏，小于一个子载波间隔的频偏称为小数频偏估计。频偏估计算法的原理在 本质上没有太人的区别，主要都是利用前后两个符号的相位差来进行估计。 ( 3 ) 信道估计算法引引脚1 。u w b 信道是典型的频率选择性衰落信道，在时域表现为多径弥散 且呈现多径成簇到达的现象。信道估计是m b o f d mu w b 系统中的关键问题之一。m b - o f d mu w b 系统中的信道估计，根据是否使片i 训练序列，可以分为以下三种方法：盲估计( b l i n de s t i m a t i o n ) 、 半盲估计( s e m i - b l i n de s t i m a t i o n ) 以及非盲估计( p i l o t - b a s e de s t i m a t i o n ) 。非盲估计具有估计速度迅速， 精确度高等特点，可以适应u w b 无线通信系统高速数据传输的需要。非盲估计首先利用已知的训 练序列获取信道的粗略估计，然后经过一定的处理可以得到信道的精确估计。非盲估计可以分为最 小二乘法( l e a s ts q u a r e l s ) ，最小线性均方误差法( l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , l m m s e ) 等方法，最小二乘法算法复杂度低，信道估计速度快但不够精确，而最小线性均方误筹法与之相反。 ( 4 ) 认知超宽带技术【2 1 1 1 2 2 1 。认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 是指一种包含智能收发器的 无线通信技术，该收发器能智能检测出哪些频段未被占用以及哪些频段正在被使用。当检测出某些 频段未被占用时，c r 系统就可以暂时使用该波段进行通信。当检测出某些频段正好在c r 系统当前 的发射频段内，c r 系统可以改变本系统发射的频段以避开授权用户，或者降低在相应频段上的发 射功率，以减小对授权用户的干扰。认知无线电在不对其他用户造成干扰的情况下，提高了射频频 谱的利用率。u w b 技术和c r 技术相结合产生的认知超宽带技术，是未来移动通信的发展方向之一。 在u w b 系统中引入c r 技术，既发挥了u w - b 系统的传输速率高、抗多径衰落能力强，功耗小等优 点，又解决了u w b 系统与其他窄带系统共存的问题。y a m a g u c h i 在文献 2 3 】中论证了m b o f d m 技 术是实现c r 技术的首选方案。o f d m 符号将其整个频段分成多个子信道，子信道上相应的子载波 正交，这也使得o f d m 信号与其它信号相比，更容易改变其频谱形状。当检测到某些频带上存在用 户，u w b 系统可直接关闭相应频带上的子载波产生频谱凹陷以达到降低对授权用户相应频带的干 扰。关闭更多的子载波可以加深功率谱的凹陷深度，但这样会导致频带利用率的下降。 1 5 本文的研究内容及章节安排 本文主要针对m b - o f d mu w b 系统的物理层的关键技术进行研究。以国际标准e c m a 3 6 8 3 6 9 为基础，重点研究了m b - o f d mu w 系统中的定时同步技术及信道估计技术，并搭建系统的仿真 平台，在此平台上对其进行仿真分析和评估；此外，以中国超宽带标准的制定为契机，结合国际标 准的相关技术以及中国的频谱规划要求，提出一套改进的具有信号检测避让技术的d c - o f d mu w b 5 东南大学硕十学位论文 系统，仿真了其性能并与采用了类似技术的m b - o f d mu w b 系统做了比较。 本文对上述研究内容所做的章节安排如下： 第一章是绪论。首先介绍了各种各样的无线网络，其次介绍超宽带无线通信技术的一些背景知 识，进而对超宽带无线通信系统的物理层关键技术做了初步介绍，最后简述了本文的研究内容和章 节安排。 第二章详细地讨论了本文的研究重点m b o f d mu w b 系统。首先对系统所采用的o f d m 技术 做了详细的介绍，对其基本原理及其他技术细节做了阐述，给出了o f d m 系统的收发机结构，并指 出o f d m 技术的关键问题；其次对整个m b o f d mu w b 系统的结构做了详尽的描述，给出了一些 关键的技术参数；最后对超宽带系统的典型信道模型室内密集多径信道模型进行了介绍。 第三章主要研究了m b o f d mu w b 系统的同步问题。本章首先对o f d m 系统中的同步问题进 行了归类，其次分析了各种非理想因素对o f d m 系统的影响，再次详细描述了各种同步算法，其中 包括经典的s c 同步方案及对此方案的一些改进算法，在上述分析的基础上，给出了m b - o f d mu w b 系统中的定时同步方案，最后对此方案进行了仿真，并做了详尽的分析，以考量粗同步及精同步在 不同信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o s n r ) 不同信道条件下的表现。 第四章对m b o f d mu w b 系统中的信道估计技术进行了研究。首先对已有的信道估计算法进 行综述，介绍了一些常见的信道估计算法；其次对所介绍的算法进行了仿真分析，并针对m b o f d m u w b 系统选择了较为合适的算法；最后分析了所采用的信道估计算法对m b o f d mu w b 系统的影 响。 第五章进行了认知超宽带中信号检测避让技术的相关研究。首先介绍了认知超宽带的背景技术 以及超宽带系统引入信号检测避让技术的必要性；其次介绍了两种现有的技术，一种是 e c m a - 3 6 8 3 6 9 第二版中的t o n e - n u l l i n g 技术，另一种是尔南大学提出的d c o f d mu w b 系统模型； 再次结合上述两种技术，并针对中国的频谱规划要求，配合中国超宽带标准的制定，提出一种改进 的具有信号检测避让技术的d c - o f d mu w b 系统，最后进行仿真验证。 第六章对整篇论文的工作进行了总结，并展望了进一步的研究工作。 6 第2 章m b - o f d m u w b 系统综述 2 1 引言 第2 章m b o f d mu w b 系统综述 在上一章中介绍到u w b 通信系统主要有三种解决方案：无载波脉冲方案，d s c d m a u w b 方 案，以及本论文主要研究的m b - o f d mu w b 方案。在本章中，将重点论述m b o f d mu w b 方案 的一些关键技术，如o f d m 技术，以及介绍m b o f d mu w b 的系统结构，最后讨论超宽带通信系 统的信道建模问题，为后继章节打下基础。 2 2o f d m 技术 2 2 1o f d m 的基本原理i 冽1 2 5 1 1 2 6 l 任何实际的通信信道均存在各种非理想特性的干扰，这些非理想特性限制了信道上的最人信息 传输速率，其中最主要的一类干扰是由信道的多径效应所引起的频率选择性衰落。频率选择性衰落 表现为对某些频率成分的信号衰减特别严重，而对另外频率成分的信号则有较高增益，频率选择性 衰落将引起接收信号的符号间干扰，造成通信性能的下降。 u w b 信道是典型的频率选择性衰落信道，在频域上，多径信道呈现出频率选择性衰落特性。 为了克服这种衰落，将信道在频域上划分成多个子信道，使每一个子信道的频谱特性都近似平坦， 使用多个互相独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实现信号的频率分集，这就是多载 波调制的基本思想。与常规的单载波调制不同，在多载波调制中，多数的信号处理是在频域中完成 的，当子信道的数目很多时，每个子信道都可以看作是一个无符号间干扰的子信道，接收端不需要 采用复杂的信号处理技术即可实现各子信道的无符号间干扰信息传输，而且还可以根据每个子信道 的衰落情况来动态调整每个子信道上所传送的信息比特数。 o f d m 是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的高速的信息流通过串并变换成为多个低速率 码流进行传输，每个码流都用一个载波发送。o f d m 放弃传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的 方式，选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，如图2 1 所示。在单载波系统中，单个衰落 或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。纠错码的应 用可以帮助其恢复一些易错载波上的信息。在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为n 个 互不混叠的子信道，每个子信道被一个独立的信源符号调制，即n 个子信道被频分复用。这种做法， 虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价。 o f d m 不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的快速傅里 叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量， 所以能够实现各个载波的正交。尽管还是频分复用，但已经与过去的f d m 技术有了很大的不同： 不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是o f d m 有别于其他系统的优点之 一。o f d m 的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分， 7 东南大学硕上学位论文 其他载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。o f d m 的高数据速率与子 载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。 曼 f 嘲多载波调制技术 0 f 嘣多载波调制技术 图2 一lf d m 和o f d m 频谱利用比较 2 2 2o f d m 信号的调制与解调 每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和。如果朋n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，吐o = 0 , 1 ，一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，z 是载波频率，则从，= 开始 的o f d m 符号可以表示为： s ( f ) 地t 互n 2 - 1 ：e x p 2 万( z 一了i + 0 5 ) ( ) 】) 姚乞+ 丁( 2 1 ) 也经常采用如下等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： n 2 - 1 s ( f ) = 呸+ 2e x p j 2 # - 嘉( t 一) 】 s f + r ( 2 2 ) 1 = - n 2 其中，上式的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相分量和正交分量，在实际中可以分别与 相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 下图给出o f d m 系统调制和解调的框图，图中假定= 0 。 f j 8 帐 1 串并 图2 - 2o f d m 系统的调制与解调 8 第2 章m b o f d mu w b 系统综述 接收端第k 路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第k 路的解调载波 e x p ( 一j 2 万一k - i n 一2f ) 相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行积分，即可 获得相应的发送信号d k ，即 乏= 打r e x p m