OFDM與OFDMA系統(tǒng)中的同步技術(shù)研究課件

1、OFDM與OFDMA系統(tǒng)中的同步技術(shù)研究學(xué)生姓名： 趙林靖指導(dǎo)教師： 李建東 教授學(xué) 科： 通信與信息系統(tǒng)OFDM與OFDMA系統(tǒng)中的同步技術(shù)研究學(xué)生姓名： 趙林研究背景和現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信得到了迅猛發(fā)展和應(yīng)用。1978年，美國芝加哥開通第一臺(tái)模擬移動(dòng)電話，標(biāo)志著第一代移動(dòng)通信（1G）的誕生。1987年，我國第一個(gè)模擬移動(dòng)電話系統(tǒng)建成并投入使用。1993年，我國第一個(gè)全數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）建成開通，使我國進(jìn)入了第二代移動(dòng)通信（2G）時(shí)代。2001年，數(shù)個(gè)國家相繼開通了3G商用網(wǎng)，標(biāo)志著第三代寬帶數(shù)據(jù)移動(dòng)通信時(shí)代的到來。從移動(dòng)通信的

2、發(fā)展歷史來看，從1978年到2001年的23年時(shí)間里，每11年進(jìn)行一次更新?lián)Q代ITU(國際電信聯(lián)盟)已將3G之后的移動(dòng)通信技術(shù)定義為B3G(Systems Beyond IMT-2000)，目前有些國家稱之為4G 研究背景和現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)和研究背景和現(xiàn)狀新一代（B3G/4G）的移動(dòng)通信系統(tǒng)可能采用演進(jìn)或革新的方式來實(shí)現(xiàn)。所謂演進(jìn)指的是對3G系統(tǒng)IMT2000加以改善，而革新則指的是完全新開發(fā)的系統(tǒng)。新的4G無線系統(tǒng)設(shè)想能支持高速移動(dòng)性高達(dá)100Mb/s的峰值數(shù)據(jù)率，而對低速移動(dòng)性則可達(dá)1Gb/s的數(shù)據(jù)率。近年來，人們對實(shí)現(xiàn)B3G/4G的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究

3、，并取得了初步的成果。正在研究的熱點(diǎn)技術(shù)包括自適應(yīng)調(diào)制與編碼（AMC）、自適應(yīng)復(fù)合ARQ、正交頻分復(fù)用（OFDM）、軟件無線電、多輸入多輸出（MIMO）天線系統(tǒng)等研究背景和現(xiàn)狀新一代（B3G/4G）的移動(dòng)通信系統(tǒng)可能采用演研究背景和現(xiàn)狀未來的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)將從話音擴(kuò)展到數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)，對服務(wù)質(zhì)量和傳輸速率的要求越來越高，這對移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。必須采用先進(jìn)的技術(shù)有效地利用寶貴的頻率資源，以滿足高速率、大容量的業(yè)務(wù)需求；同時(shí)克服高速數(shù)據(jù)在無線信道下的多徑衰落，降低噪聲和多徑干擾，達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的研究背景和現(xiàn)狀未來的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)將從話音擴(kuò)展到數(shù)據(jù)、圖像、視研究背景

4、和現(xiàn)狀正交頻分復(fù)用（OFDM）在眾多技術(shù)中顯示出優(yōu)越的性能OFDM應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代，主要用于軍事通信中，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜限制了進(jìn)一步推廣。70年代，人們提出了采用離散傅氏變換實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，由于FFT和IFFT易用DSP實(shí)現(xiàn)，使OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱没?較早采用OFDM技術(shù)包括DAB(數(shù)字廣播)和DVB(數(shù)字電視)。隨后，寬帶無線接入系統(tǒng)IEEE802.11g/a、802.16d/e、802.20研究背景和現(xiàn)狀正交頻分復(fù)用（OFDM）在眾多技術(shù)中顯示出優(yōu)越OFDM原理OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)實(shí)際上是MCM（多載波調(diào)制）的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

5、換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，并調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道都可以看作是一個(gè)平坦衰落信道。OFDM原理OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)實(shí)際上是MCM（多載OFDM的優(yōu)點(diǎn)抗時(shí)延擴(kuò)展能力強(qiáng)：OFDM系統(tǒng)把高速數(shù)據(jù)分散到許多個(gè)子載波上，這大大降低了各子載波的符號速率，從而可以減輕無線信道時(shí)間彌散所帶來的ISI影響。通過插入循環(huán)前綴的方法，可以非常有效的減輕或完全消除ISI影響。這樣接收機(jī)就可以采用簡單甚至不采用時(shí)域均衡器，降低了接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。頻譜利用率高：OFDM各子載波間相互正交，相鄰子載波頻譜有1/2重疊，因此可以大大提高頻譜利用率，這對于頻譜

6、資源有限的無線通信非常有意義OFDM的優(yōu)點(diǎn)抗時(shí)延擴(kuò)展能力強(qiáng)：OFDM的優(yōu)點(diǎn)具有很強(qiáng)的抗衰落能力：OFDM技術(shù)本身就可以自動(dòng)提供頻率分集的好處，再通過各子載波的聯(lián)合編碼，可以進(jìn)一步增強(qiáng)處于深衰落的子載波所攜帶的信息能夠被正確恢復(fù)的能力。調(diào)制解調(diào)容易實(shí)現(xiàn)：正交調(diào)制和解調(diào)可以采用快速算法（FFT）實(shí)現(xiàn)，而FFT非常容易用DSP實(shí)現(xiàn)。具有抗窄帶干擾能力：因?yàn)檎瓗Ц蓴_只會(huì)影響到一小部分子信道，所以O(shè)FDM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。OFDM的優(yōu)點(diǎn)具有很強(qiáng)的抗衰落能力：OFDM的缺點(diǎn)對載波頻率偏差非常敏感：這是由于OFDM正交子信道的頻譜互相重疊的緣故。載波頻偏是由于發(fā)射/接收機(jī)振蕩器頻率不匹配

7、或多普勒頻移引起的。峰值平均功率比高：OFDM輸出信號有多個(gè)子信道信號的疊加而成，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)疊加信號的瞬時(shí)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的平均功率的情況。大的峰值平均功率比（PAR）要求發(fā)射機(jī)線性放大器必須具有大的的動(dòng)態(tài)范圍，這增加了發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)難度和成本。OFDM的缺點(diǎn)對載波頻率偏差非常敏感：OFDMA正交頻分多址接入（OFDMA, OFDM Access）被廣泛應(yīng)用于寬帶通信系統(tǒng)的上行鏈路，例如：有線電視（CATV），IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)。在多用戶移動(dòng)環(huán)境中，OFDMA方案具有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：合理使用循環(huán)前綴，就可以避免使用自適應(yīng)均衡器；通過FFT/IFFT運(yùn)算每個(gè)用戶可以很方便的訪問每個(gè)子載波，

8、這使得動(dòng)態(tài)信道分配變得簡單 OFDMA正交頻分多址接入（OFDMA, OFDM AcceOFDMA缺點(diǎn)對載波頻率偏差非常敏感峰值平均功率比高多用戶系統(tǒng)中，多參數(shù)估計(jì)OFDMA缺點(diǎn)對載波頻率偏差非常敏感認(rèn)知無線電認(rèn)知無線電（Cognitive Radio）是由MITRE公司的顧問、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院博士生約瑟夫米托拉(Joseph. Mitola)和GERALD Q. MAGUIRE, JR.教授于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上明確提出的。認(rèn)知無線電認(rèn)知無線電（Cognitive Radio）是由MIEEE終身會(huì)士Haykin, S.認(rèn)知無線電是一個(gè)

9、智能無線通信系統(tǒng)，它能夠意識(shí)到它周圍的環(huán)境（即外部世界），并且通過Understanding-by-building的方法從環(huán)境中學(xué)習(xí)，并實(shí)時(shí)的通過工作參數(shù)的相應(yīng)變化使其內(nèi)部狀態(tài)能適應(yīng)在輸入RF激勵(lì)（stimuli）方面的統(tǒng)計(jì)變化，這些工作參數(shù)包括發(fā)送功率、載波頻率和調(diào)制策略等；其兩個(gè)主要目標(biāo)是任何時(shí)間任何需要地點(diǎn)的高可靠通信以及有效的無線頻譜利用率。該文還進(jìn)一步闡明了干擾溫度（Interference Temperature）的概念和單位、以及頻譜空隙（SPECTRUM HOLES）的概念。并對認(rèn)知無線電的主要技術(shù)進(jìn)行了討論。IEEE終身會(huì)士Haykin, S.認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線IEE

10、E 802.22IEEE于2004年10月正式成立IEEE802.22工作組無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WRAN），計(jì)劃2007年下半年完成標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。其目的是研究基于認(rèn)知無線電的物理層、MAC層和空中接口，以無干擾的方式使用已分配給電視廣播的頻段。將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶（北美為54MHz862MHz）的頻率用作寬帶接入頻段。IEEE802.22的數(shù)據(jù)通信速率為數(shù)Mbit/s數(shù)十Mbit/s，基站設(shè)備可覆蓋的范圍很大，如半徑可超過40km。這是繼2002年實(shí)現(xiàn)民用的“ UWB”之后又一新的無線頻率應(yīng)用技術(shù)IEEE 802.22IEEE于2004年10月正式成立I美國XG針對認(rèn)知無線電，美國國防

11、部提出下一代無線通信（NeXt Generation）的項(xiàng)目，2004年該項(xiàng)目進(jìn)入第三個(gè)研究階段，投資1700萬美元，預(yù)計(jì)在2006年底完成第三階段的研究。該項(xiàng)目將研制和開發(fā)頻譜捷變無線電（spectrum agile radios），這些無線電臺(tái)在使用法規(guī)的范圍內(nèi)，可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)變化的無線環(huán)境，在不干擾其他非合作無線電臺(tái)的前提下，使得可接入的頻譜范圍擴(kuò)大10倍。美國XG針對認(rèn)知無線電，美國國防部提出下一代無線通信（NeX認(rèn)知周期無線信道環(huán)境發(fā)射功率控制頻譜資源管理無線信道分析信道狀態(tài)估計(jì)預(yù)測建模空閑信道信道容量RF檢測干擾溫度發(fā)射發(fā)射機(jī)接收機(jī)認(rèn)知周期無線信道環(huán)境發(fā)射功率控制無線信道分析信道空閑

12、信道信道OFDM、OFDMA在認(rèn)知無線電中的應(yīng)用根據(jù)反饋回來的信道信息，OFDM可根據(jù)不同子載波的衰減程度調(diào)整相應(yīng)的子載波上的負(fù)荷。隨著空閑頻譜的改變，OFDM可動(dòng)態(tài)的修改所使用的子載波位置和子載波個(gè)數(shù)。將動(dòng)態(tài)頻譜分配和功率控制聯(lián)合使用，以滿足多址接入控制要求。OFDM、OFDMA在認(rèn)知無線電中的應(yīng)用根據(jù)反饋回來的信道信OFDM、OFDMA在認(rèn)知無線電中的應(yīng)用OFDM、OFDMA在認(rèn)知無線電中的應(yīng)用研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題 OFDM信號對頻偏十分敏感 ，必須對頻偏進(jìn)行估計(jì)。頻偏(Carrier Frequency Offset)對OFDM系統(tǒng)的影響：小數(shù)倍頻偏(Fractional par

13、t of Frequency Offset)破壞子載波之間的正交性 整數(shù)倍頻偏(Integral part Frequency Offset )雖然不會(huì)破壞子載波之間的正交性，但是會(huì)引起接收機(jī)恢復(fù)的數(shù)據(jù)碼元序列的循環(huán)移位和相位旋轉(zhuǎn)研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題 OFDM信號對頻偏十分敏感 ，研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題由于頻率同步對OFDM、OFDMA系統(tǒng)的重要性，因此引起了廣泛的關(guān)注和研究。論文主要研究成果將體現(xiàn)在對OFDM、OFDMA頻偏問題的解決上研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題由于頻率同步對OFDM、OFDM研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題(一)同步問題是通信信號處理中首先需要解決的重要問題，其

14、直接關(guān)系到后續(xù)的基帶信號處理算法的性能。配合十五期間軍事預(yù)研軟件無線電項(xiàng)目的研究工作，主要研究了OFDM系統(tǒng)中的載波頻偏估計(jì)問題研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題(一)同步問題是通信信號處理中首研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題（二）由于OFDMA適合于多用戶通信系統(tǒng)，因此在OFDMA上行鏈路中（例如：802.16），同步是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)頻偏估計(jì)是一個(gè)多參數(shù)估計(jì)問題研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題（二）由于OFDMA適合于多用戶研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題（三）認(rèn)知無線電系統(tǒng)各用戶所使用的子載波位置隨頻譜的使用情況和信道質(zhì)量變化研究內(nèi)容、所要解決的關(guān)鍵問題（三）認(rèn)知無線電系統(tǒng) 擬采取的研究方法及其可行性研究 擬

15、采取的研究方法及其可行性研究 OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)已有的算法SC算法使用一個(gè)OFDM符號進(jìn)行符號同步和小數(shù)倍頻偏利用連續(xù)的兩個(gè)OFDM符號之間的差分關(guān)系進(jìn)行整數(shù)倍頻偏Kim算法提出使用一個(gè)OFDM碼元進(jìn)行頻偏估計(jì),將連續(xù)的兩個(gè)OFDM碼元數(shù)據(jù)序列之間的差分關(guān)系應(yīng)用于一個(gè)OFDM碼元的數(shù)據(jù)序列之間 不僅減少了訓(xùn)練序列的個(gè)數(shù)，而且提高了頻偏估計(jì)的性能OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)已有的算法OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)核心思想：把已知差分序列依次進(jìn)行循環(huán)移位，把移位結(jié)果和接收機(jī)恢復(fù)得到的差分序列進(jìn)行相關(guān)，根據(jù)相關(guān)模值最大的循環(huán)移位序列的移位值就可估計(jì)出整數(shù)倍頻偏。差分序列的定義OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)核心思想：O

16、FDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)x0,0 x0,N-2x0,2kx1,0 x1,N-2x1,2kx0,2x1,2x0,0 x0,N-2x0,2kx0,2x0,0 x0,4x0,2k2x0,2差分序列的定義OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)x0,0 x0,N-2x0,2kx1OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)軟件電臺(tái)的傳輸效率使用一個(gè)OFDM符號進(jìn)行同步改進(jìn)KIM算法OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)軟件電臺(tái)的傳輸效率OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)使用最大似然估計(jì)方法改進(jìn)Kim算法，小數(shù)倍頻偏和SC算法相同OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)使用最大似然估計(jì)方法改進(jìn)Kim算法，小OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)頻偏估計(jì)算法的性能：頻偏估計(jì)的錯(cuò)誤概率，方差頻偏估計(jì)范圍OFDM

17、整數(shù)倍頻偏估計(jì)頻偏估計(jì)算法的性能：OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì) 系統(tǒng)參數(shù)對兩種對估計(jì)器的性能影響 OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì) 系統(tǒng)參數(shù)對兩種對估計(jì)器的性能影響 OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)頻偏大小對估計(jì)器性能的影響 OFDM整數(shù)倍頻偏估計(jì)頻偏大小對估計(jì)器性能的影響 使用一個(gè)OFDM符號完成同步符號同步：BP算法 第偶數(shù)個(gè)子載波上對應(yīng)調(diào)制數(shù)據(jù)為一個(gè)隨機(jī)實(shí)數(shù)，第奇數(shù)個(gè)子載波上對應(yīng)的調(diào)制數(shù)據(jù)為0 AN/4 BN/4 AN/4 BN/4 小數(shù)倍頻偏：SC算法整數(shù)倍頻偏：ML方法使用一個(gè)OFDM符號完成同步符號同步：BP算法OFDMA頻偏估計(jì)OFDMA發(fā)射機(jī)原理圖S/PFreq.mappingIFFTP/SAddpre

18、fixchannelOFDMA頻偏估計(jì)OFDMA發(fā)射機(jī)原理圖S/PFreq.IFOFDMA頻偏估計(jì)user1user2user1user2user1user201N-1user1user2user1user20N-1user2OFDMA頻偏估計(jì)user1user2user1user2uOFDMA頻偏估計(jì)已有的算法：基于高階累計(jì)量：基于四階統(tǒng)計(jì)量的頻域載波頻偏估計(jì)方法 重復(fù)發(fā)送基于循環(huán)平穩(wěn)特性：過采樣接收信號的二階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)特性轉(zhuǎn)化為DOA估計(jì)方法OFDMA頻偏估計(jì)已有的算法：OFDMA頻偏估計(jì)802.16上行鏈路考慮一個(gè)OFDMA上行鏈路的基帶模型，系統(tǒng)共有N個(gè)子載波， K個(gè)用戶. 如何估計(jì)

19、出K個(gè)頻偏OFDMA頻偏估計(jì)802.16上行鏈路OFDMA頻偏估計(jì)將OFDMA接收信號經(jīng)過變換，可寫成等距線陣的模型，從而將頻偏估計(jì)等效為DOA估計(jì)。問題：在接收端如何實(shí)現(xiàn)頻偏到用戶的映射OFDMA頻偏估計(jì)將OFDMA接收信號經(jīng)過變換，可寫成等距線OFDMA頻偏估計(jì)將N個(gè)子載波分成Q個(gè)子信道，每個(gè)子信道有P=N/Q個(gè)子載波。由于交織，所以子信道q由該集合構(gòu)成: q, Q+q, ,(P-1)Q+q, q=0, 1, ,Q-1user1user2user1user2user1user2user1user2user1user2user1user201N-1(P-1)QQ+1(P-1)Q+1Quser

20、KK-1the data of the kth userthe pth dataOFDMA頻偏估計(jì)將N個(gè)子載波分成Q個(gè)子信道，每個(gè)子信道有POFDMA頻偏估計(jì)子載波分配方式：交織在沒有噪聲的情況下，每個(gè)用戶的等效頻偏不重疊根據(jù)每個(gè)用戶的頻偏（對應(yīng)一個(gè)到達(dá)方向）分布區(qū)間進(jìn)行頻偏和用戶的匹配匹配錯(cuò)誤OFDMA頻偏估計(jì)子載波分配方式：交織根據(jù)每個(gè)用戶的頻偏（對OFDMA頻偏估計(jì)假設(shè)第k個(gè)用戶使用第q個(gè)子信道， 表示 P個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)。則第k個(gè)用戶在加循環(huán)前綴前的信號可以表示為：OFDMA頻偏估計(jì)假設(shè)第k個(gè)用戶使用第q個(gè)子信道， 表由于絕對頻偏 小于OFDMA的子載波間隔的一半，因此 OFDMA頻偏估計(jì)第

21、 k個(gè)用戶的接收信號可以表示為：這里， 是第k個(gè)用戶的歸一化頻偏，定義為：由于絕對頻偏 小于OFDMA的子載波間隔的一半OFDMA頻偏估計(jì)第k個(gè)用戶的接收信號可以寫成 QxP 的矩陣：當(dāng) v 是一個(gè)整數(shù) 一個(gè)OFDMA符號上的每P個(gè)數(shù)據(jù)有一個(gè)特殊的周期結(jié)構(gòu)OFDMA頻偏估計(jì)第k個(gè)用戶的接收信號可以寫成 QxP 的矩OFDMA頻偏估計(jì)OFDMA頻偏估計(jì)OFDMA頻偏估計(jì)定義 為第k個(gè)用戶等效頻偏。如果用戶使用子信道q，由于 ，那么他的等效CFO 為（q-0.5）/Q,（q+0.5）/Q）。因?yàn)椴煌挠脩粽加貌煌淖有诺?，所以他們的等效頻偏不重疊OFDMA頻偏估計(jì)定義 為第k個(gè)用戶等效頻偏OFDMA頻偏估計(jì)K 個(gè)用戶的接收信號是一個(gè) 范得蒙矩陣OFDMA頻偏估計(jì)K 個(gè)用戶的接收信號是一個(gè) 范得蒙矩陣OFDMA頻偏估計(jì)必要條件：由于使用了陣列信號子空間的方法，陣列信號的信源數(shù)小于陣源數(shù)，在該模型中等效為 KQOFDMA頻偏估計(jì)必要條件：OFDMA頻偏估計(jì)根據(jù)ML方法，最優(yōu)的估計(jì)值為：這里去掉循環(huán)前綴的K 個(gè)用戶的接收信號為：OFDMA頻偏估計(jì)根據(jù)ML方法，