OFDM通信系统中同步方案的设计

第1章 绪论
1.1引言
早在40年前，柯林斯Kineplex提出了一种多载波传输的原理：进入的传输数据流的序列号的数据被调制到不同的载波上，用于并行传输。 [1]由常于1966年提出的，因为模拟滤波器的分离[1]，可以仅使用副载波，高复杂性的最早的想法OFDM技术，还没有被开发。到1971年，温斯坦利用离散傅立叶变换（DFT ）来实现多载波调制解调，奠定了实际的OFDM的基础上进行。在1980年，皮莱德提出的OFDM符号被插入循环前缀的保护间隔之间的[3]，同时消除了符号间干扰（ISI） ，从而使多径条件下的系统仍然是正交的。因此，基于OFDM技术现代无线通信系统的基本架构的形成现在被广泛使用。到20世纪90年代，随着数字信号处理（ DSP）技术和超大规模逻辑集成电路（ VLSI ）技术，以及开发更高速率更高的质量和更多的灵活性，以不断追求通信手段的人在世界上的研究热潮掀起的OFDM 。
在21世纪，无线通信技术正在向前推进以前所未有的速度[ 3 ] 。随着用户需求的增加，适用于各种实时多媒体服务和互联网技术的飞速发展可以预见，移动通信技术的未来将有一个更高速率的信息传输，为用户提供更大的方便，网络结构将根本性的变化[ 4 ] 。普遍的看法是，下一代无线通信网络将基于一个统一的IPv6报文交互，为用户提供超过100Mbps的/ s的峰值速率[ 4 ] ，并且可以支持用户在各种无线通信网络的无缝漫游的新网络。为了支持更高的信息传输速率和较高的用户速率，下一代无线通信，必须使用一个更高的频谱效率，新的传输技术的更强的抗多径干扰[5]。在目前的传输速率高的可以用于正交频分复用（OFDM）作为多载波调制技术的代表提供了多种无线解决方案是最有前途的解决方案之一。在整个移动通信的发展历史，第一代模拟系统仅提供语音服务，数据不能被发送;第二代数字移动通信系统的数据传输速率仅为9.6bit /秒，最多32K比特/秒：第三代移动通信系统数据传输速率高达2Mbitts ，而我们目前正致力于研究最多的10Mbit / s到20Mbit / s的第四代移动通信系统[ 6 ] 。虽然第三代移动通信可以是几千倍，比目前的传输速率更快，但仍不能满足多媒体通信的未来需求，提出，我们希望能提供更大的带宽，以满足需求的第四代移动通信系统。
1.2 OFDM 及其同步技术的国内外发展现状介绍
1.2.1 OFDM 通信系统的国内外发展现状介绍
OFDM通信技术是一种多载波传输技术，多载波传输的思想可以追溯到 20世纪 60 年代，从那个时间开始，逐渐有人开始提出并行化传输信息的思想。早期提出的OFDM系统是利用正弦发生器组和相关解调器组实现，这种设计既复杂又昂贵，因此只被应用于军方高频通信中。为了解决这个问题，Weinstein等人在1971 年将离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transfer，DFT）引入到 OFDM 调制解调过程中，并且提出一个完整的OFDM通信系统包括基于 DFT的OFDM 信号产生、在多径信道环境下添加循环前缀等过程。而随着FFT 技术的发展，利用FFT的专用硬件设备即可实现全数字式OFDM 系统，这样就完全避免了OFDM调制时所需要的大量正弦波发生器组和相应的解调器组。 到 20 世纪 80 年代，OFDM技术已经被广泛用于高速调制解调器、精密测量以及数字移动通信等领域[5]。Hirosaki 等人探索了基于 DFT、多阶 QAM 的OFDM系统，在此阶段，利用 OFDM 技术研制用于电话网络的多速率调制解调器。1985年，L.J.Cimini 模拟与分析了OFDM技术在数字移动通信中的性能，显示出在突发性瑞利衰落信道环境下OFDM系统比单载波系统具有更好的抗衰落性能。1988 年，D.Decker 将网络编码技术引入到OFDM系统中，并以此获得美国国家发明专利。从 20 世纪 90 年代开始，随着 DSP 和专用集成电路的高速发展，以及对OFDM相关技术研究更加深入，妨碍 OFDM实现的技术瓶颈已经不复存在。特别是随着无线多媒体通信的快速发展，OFDM 技术被认为是实现高速无线数据通信的最优选方案，得到了非常广泛的应用。 进入 21 世纪，全球无线移动通信界研究最为热门的无非是长期演进技术（LTE）。目前，LTE 已经在欧洲部分地区实现商用，而在中国部分城市也在试点商用，LTE 的下行链路使用 OFDM调制，通信带宽可以达到 20MHz，支持城市、山区等多种信道环境，支持通信终端在高速交通工具上使用，完全实现移动多媒体通信技术，为民众生活带来方便。 而在未来的宽带通信系统研究中，OFDM 技术必然是一种关键技术，而OFDM基于与其它技术所结合的系统也会成为研究热点，比如 MIMO-OFDM、Multi- Band OFDM 等技术，以及OFDM技术与 CDMA 技术在优势互补后产生的一些新技术也将会是研究的热点。
1.2.2 同步技术的国内外发展现状介绍
一直以来，该研究是基于同步的关键问题OFDM技术的通信系统。有大量的文献已经提出了一些用于定时同步和频率同步的算法，它分为基于根据辅助数据的算法的算法主要和非数据辅助算法分为时域训练序列基于算法的基础上的导频数据的辅助数据和算术算法，并根据基于循环前缀非辅助数据插入算法和盲同步算法。早在1994 年，Meyr和Classen就提出了利用导频处理OFDM同步问题，将导频数据利用一定的排列规则插入到OFDM符号的时频分布中，在接收端的频域中提取导频进行同步，这类算法因为是在频域操作，因此主要是用于频率同步，而且利用导频进行估计的算法一般都较为复杂，后来相继出现了一系列对基于导频的同步算法方面的复杂度优化，比如 Kilbom Lee 和 Sungh n Moon等人在 2012年提出的将判决反馈法结合于导频数据进行的同步算法。到 1997 年，T.M.Schrnidl 和 D.C.Cox、Minn 以及 Park 等人开始设计特殊的时域序列（训练序列），用于定时和频率同步，这些序列一般都具有比较好的相关性能，会损失一定的通信速率[12,13,14]。后续的基于训练序列的同步算法一方面优化了对系统传输速率的影响，另一方面使得同步性能更为准确，比如在发送端插入训练序列时只是在部分子载波上插入，其余子载波上可以插入数据，在接收端同步时，将同步序列以外的数据进行滤除，从而得到同步序列，用于进行同步。因此，在研究使用训练序列进行同步的同时，Beek 在 1997 年提出了使用 OFDM中循环前缀（CP）进行符号和频率同步，这样不会损失通信速率，但同步性能没有使用训练序列的算法性能好。基于以上算法，近年来，大量的文章研究盲估计算法，使得同步算法能够一方面不损失通信系统的数据速率，另一方面又具有良好的同步性能，如 Tureli 提出的利用虚子载波的频率同步算法，此算法利用了基于子空间的概念，并利用到了阵列信号处理中的 ESPRIT 算法，此算法虽然不会影响通信系统的数据速率，但算法非常复杂，硬件的可实现性很低。未来在同步算法的研究方面需要重点考虑在不降低或较少的降低通信数据速率的条件下，同步算法尽可能的简单且易于硬件实现。
1.3 OFDM 通信技术的特点
1.3.1 OFDM 技术的优点
OFDM技术之所以应用广泛，是因为其具有很多方面的优点。首先，OFDM系统的带宽利用率很高，传统的多载波传输系统中的载波频带都是严格分离，互不交叠，在接收端利用带通滤波器针对某个载波滤除带外信号，从而接收数据；而OFDM技术的子载波间频谱可以交叠，利用子载波间的正交性实现，满足正交性的子载波间互不干扰，这样有效的提高了带宽利用率。而且，OFDM系统可以采用 FFT 技术快速实现调制和解调，首先，在发射端将经过调制的频域数据进行 IFFT 变换到时域进行发送，在接收端相应的利用 FFT 变换将接收到的时域信号变换到频域信号进行判决解调。OFDM系统中也可以使用符号在符号被插入的保护间隔之间，以避免符号间发生，因为多径衰落和干扰。同时，OFDM系统中支持动态位分配方法，由于频率选择性信道的条件下，每个子信道的不同情况的下降，使用动态位分配的方法和子载波的动态分配， OFDM通信系统的花费小的充分利用信道衰落子信道，使得通信系统的整体性能有所提高。OFDM系统还支持自适应调制，即对每个OFDM子载波的系统，可以使用每种类型的调制。最后， OFDM系统还支持业务的不对称性，无线数据通信服务，通常存在不对称的，即上行链路和下行链路业务数据的服务可以是不同的，OFDM通信系统可以使用不同数量的载波来实现上下行业务不对称。
 
1.3.2 OFDM 技术的缺点
OFDM技术因为诸多优点而被广泛应用，但OFDM也不是没有缺点的。OFDM系统中的子载波是完全相互正交，而且系统输出是将多个子载波上的并行数据进行并串转换，这样就导致OFDM系统存在一些缺点，主要表现为对同步偏差的敏感和峰均功率比较高。OFDM技术在发送端将数据利用IFFT 变换调制到各个子载波上，而在接收端需要使用相对应的 FFT 变换从子载波上解调数据，要进行 FFT 变换就必须知道每个OFDM符号的起始点，否则将引入符号间干扰，而要知道每个 OFDM符号的起始点，就需要准确的定时同步。又因为 OFDM系统的子载波间频谱交叠，要求子载波间需要保持严格的正交性，一旦存在频率偏差，正交性就会受到破坏，这样即会出现载波间干扰。另一方面，OFDM系统在发送端信号输出时是将多个子载波上的信号叠加（并/串转换），此时如果多个信号的相位相同时，则叠加后的信号会瞬时出现功率远远大于平均功率，导致出现较大的峰均功率比。这就会导致在射频端发射时功放需要更宽的线性范围，如果功放的线性范围不够宽，则会使得放大后的信号频谱发生畸变，这样导致子载波之间的正交性会受到破坏，最终影响系统通信性能。
结论
第四代OFDM移动通信技术，以提供增值的核心技术，其在宽带领域的应用潜力巨大。 OFDM具有较高的频谱利用率，对多径干扰的良好性能，并实现了简单的均衡器硬件和简单，它只能增加系统容量，更重要的，以更好地满足脚的要求，而且多媒体通信，可以多媒体服务，包括语音，数据，视频和通过宽带通道的高品质传输等大量信息。同时， OFDM同步比的单载波系统的灵敏度高得多，所以OFDM同步技术一直是一个重要的研究课题。本文主要集中于两种类型的同步模式（连续模式，爆破模式）进行了研究，具体体现在以下几个方面：
1通过了解OFDM的发展，深入分析了OFDM的基本原理，着重于实现利用FFT和IFFT ，并在此基础上，由于产生的详细介绍，影响同步错误循环前缀的作用调制解调器的分析符号该系统和方法用于OFDM同步的同步误差和频率同步误差的影响被分为两大类（基于同步和非同步数据辅助数据辅助）的背面施加于两个模型的详细描述铺路方法。
2个连续的OFDM等效低通模型中，非数据辅助的方法是比较高的复杂性，适合于一系列的跟踪，现有两种经典的非数据辅助的同步算法的仿真分析：差值，并设置相关的法律及这两种算法的基础上，提出了一种同步方法被测多径衰落信道表现出比差方法更好的性能，并设置相关的法律，以消除偏移的同步码元的影响。