宽带无线OFDM系统同步算法的研究

论文摘要

下一代移动通信的目标是利用有限的频谱资源提供可靠、高速的宽带数据业务。正交频分复用（OFDM）系统能够有效的对抗多径衰落并具有较高的频谱利用率;多输入多输出（MIMO）系统能够大幅度提高系统的吞吐量,因此OFDM技术和MIMO技术成为下一代移动通信的关键技术。但OFDM系统和MIMO-OFDM系统对时间和频率同步误差很敏感,特别是频率同步误差。准确的时间同步和精确的频率同步是OFDM系统和MIMO-OFDM系统正常工作的前提。本文主要针对OFDM系统及MIMO-OFDM系统中的同步问题进行了较全面而深入的研究,并将所提出的算法和当前国际上的一些经典算法进行了比较。本文的主要研究成果如下:一、同步误差对OFDM系统性能的联合影响。论文系统地研究了AWGN信道和多径衰落信道下定时偏差和载波频偏对OFDM系统解调信号及均值信干比的联合影响,并通过仿真对分析结果进行了验证。较之以往的同步误差影响分析,本文的分析结果具有更一般的意义。此分析结果为后续章节的同步算法设计提供了理论基础。二、OFDM系统数据辅助类同步算法的研究。论文针对传统同步算法存在的“峰值平台”效应带来的定时模糊问题,提出了一套完整的同步解决方案。新算法利用新定义的前导结构和相关特性优异的训练序列,采用接收信号与本地训练序列直接相关的方法捕获定时位置,定时同步只需一步完成,同时利用整数频偏对训练序列相关特性的影响,可以结合定时位置在时域直接估计整数频偏,从而省去了FFT运算,降低了系统同步的运算量,并且算法能够准确检测到信号到达的第一径。仿真结果表明,新算法在较低的信噪比条件下和多径衰落信道下都具有很好的性能。三、OFDM系统CP类同步算法的研究。论文针对基于CP的同步算法在多径衰落信道下性能较差的情况,提出了改进算法,改进算法联合利用接收信号的集相关特性和离散导频构造新的定时度量函数,并在分析接收信号集相关特性的基础上给出了离散导频的设计要求。新算法与传统算法相比,能够抗多径干扰,同时可以加快定时捕获的速度。四、MIMO-OFDM系统同步算法研究。论文针对集中式MIMO信道环境下的MIMO-OFDM系统,利用各个发射天线同时发送的移位正交训练序列,设计了新的同步解决方案,包括符号同步、整数频偏估计和小数频偏估计。该算法利用两个OFDM符号构成的前导结构,对已有的定时和频偏估计算法加以改进,相比传统的集中式MIMO-OFDM同步算法,所提算法具有更高的定时估计精度和频偏估计精度,更适用于多径衰落信道。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线移动通信的发展现状
• 1.2 OFDM与MIMO的技术特征
• 1.2.1 OFDM的技术特征
• 1.2.2 MIMO的技术特征
• 1.3 OFDM同步算法研究现状
• 1.3.1 基于数据辅助的同步算法
• 1.3.2 基于CP的同步算法
• 1.3.3 盲估计同步算法
• 1.3.4 MIMO-OFDM同步算法
• 1.4 论文的主要创新点
• 1.5 论文结构
• 1.6 参考文献
• 第二章 OFDM系统概述
• 2.1 OFDM系统基本原理
• 2.2 无线移动信道的衰落特性
• 2.2.1 大尺度衰落
• 2.2.2 小尺度衰落
• 2.3 信道模型
• 2.3.1 OFDM时域信道模型
• 2.3.2 OFDM频域信道模型
• 2.3.3 MIMO信道基本模型
• 2.4 本章小结
• 2.5 参考文献
• 第三章 同步误差对OFDM系统性能的联合影响
• 3.1 时间同步和载波同步的概念
• 3.1.1 时间同步
• 3.1.2 载波同步
• 3.2 AWGN信道同步误差对系统性能的联合影响
• 3.2.1 定时在FFT窗的右边
• 3.2.2 定时在FFT窗的左边
• 3.3 多径信道同步误差对系统性能的联合影响
• 3.3.1 定时在无ISI的CP区
• 3.3.2 定时在有ISI的CP区
• 3.3.3 定时在FFT窗的右边
• 3.4 同步性能考察指标
• 3.4.1 定时同步
• 3.4.2 载波频偏同步
• 3.5 本章小结
• 3.6 参考文献
• 第四章 基于数据辅助同步算法的改进
• 4.1 OFDM系统模型
• 4.2 S&C算法“峰值平台”现象分析
• 4.2.1 S&C算法“峰值平台”现象
• 4.2.2 抑制“峰值平台”的方法
• 4.3 提出的改进算法
• 4.3.1 频偏对chu序列相关特性的影响
• 4.3.2 帧头结构设计
• 4.3.3 同步解决方案
• 4.4 仿真性能分析
• 4.5 本章小结
• 4.6 参考文献
• 第五章 基于CP同步算法的改进
• 5.1 系统分析模型
• 5.2 CP类同步算法研究
• 5.2.1 J.J ML联合离散导频算法
• 5.2.2 联合利用CP能量差分特性和集相关特性的同步算法
• 5.3 提出的改进算法
• 5.3.1 接收信号集相关定时函数分析
• 5.3.2 离散导频定时函数
• 5.3.3 同步解决方案
• 5.4 仿真性能分析
• 5.5 本章小结
• 5.6 参考文献
• 第六章 MIMO-OFDM同步算法研究
• 6.1 MIMO-OFDM系统同步算法介绍
• 6.1.1 MIMO-OFDM系统最优前导同步序列
• 6.1.2 Medy的同步算法
• 6.1.3 Zelst&Schenk同步算法
• 6.2 提出的改进算法
• 6.2.1 系统模型
• 6.2.2 采用的帧结构
• 6.2.3 改进的同步算法
• 6.3 仿真性能分析
• 6.4 本章小结
• 6.5 参考文献
• 第七章 结束语
• 7.1 论文的研究工作和成果总结
• 7.2 进一步的工作
• 博士期间发表论文情况
• 致谢
• 附录I 缩略语
• 附录II 符号说明