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OFDM系统定时与频率偏移估计

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北京邮电大学学报

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I J K L 系统定时与频率偏移估计

李伟华M 章蓓蕾M 吴伟陵

F 北京邮电大学信息工程学院M 北京%""N $H G

摘要B 在分析现有算法的基础上M 提出了一种新的算法M 并对其进行了仿真O 仿真结果表明M 无论是在多径信道还是在P QR A 信道M 该算法的定时估计和频率偏移估计的均方差都要优于最大似然算法和S 集相关T 算法O 关

词B 后三代移动通信系统U 定时恢复U 频率偏移估计

中图分类号B :A V

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收稿日期B!""!C "V C %!

作者简介B 李伟华F %V $#$G M 男M 博士生O r C <+0,B ,0|/0o (+%;~06?;’

吴伟陵F %V E N $G M 男M 教授M 博士生导师O

由于正交频分复用F w =x y G 能够克服信道的频率选择性衰落M 它已经成功地应用到无线局域网&数字广播以及固定本地无线接入系统中O 但是M w =x y 的一个显著的问题是对定时和频率偏移敏感O 有关定时和频偏估计的算法包括两类B 第一类是数据辅助估计F 9+6+C +09/9G M 即基于导频符号U 另一类是非数据辅助F *’*C 9+6+C +09/9G 估计M 即盲估计O 它是利用w =x y 信号

的结构M 如循环前缀’%(和虚子载波做估计’!(

O 本文中仅讨论非数据辅助估计算法M 在分析当前算法的基础上给出了一种新的算法M 并给出仿真比较结果O

)当前算法的分析和比较

w =x y 接收机收到的信号可由下式表示*

*********************************************************B

万方数据

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$"2$其中3&"#$为数据符号经过4556变换后的时域信号7-为相对频率偏移71"#$为高斯白噪声7/为556的阶数8

非数据辅助估计算法中最经典的算法是最大似然"9:

$算法3它是利用循环前缀的性质得到定时和频率偏移估计的代价函数;2<8最大似然算法定时的定时量度如下=

>"?$

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?0A B 2

#%?

!"#$!C

"#0/$"+$

9:算法中3当找到理想定时点D 时3计算>"?$的值正好是E 5F 9块中的A 个循环前缀

的采样点与E 5F 9块中相隔/点的采样点的共轭对应相乘后3

再把A 个点相加8这样做相关的缺点在于=在多径衰落信道下3循环前缀的一部分采样点被E 5F 9块间干扰"4G 4$干扰了3使用循环前缀的全部A 个采样点做相关就会影响>"?$的值8因此3基于循环前缀的9:算法在多径的情况下受到很大影响3对于频率偏移估计也因为一部分采样点被4G 4干扰而受到影响3这就是9:算法只适合H IJ K 和平坦衰落信道的原因8为了克服基于循环前缀9:算法的缺陷3文献;L <中提出M 集相关N 的概念8但M 集相关N 的算法依然存在缺点3它没有一个稳定的M 平顶N 3特别是在频偏较大时尤为严重3这就很难判断无4G 4干扰的间隔3M 集相关N 算法的另一缺陷是需要大样本的条件3这不利于定时的快速捕获8另外3文献;L <

没有考虑到频率偏移的估计3这也是需要完善的8M

集相关N 算法定义的定时估计的量度如下=>"#

$%@OB 2

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"

#0?"/0A $$!"#0?"/0A $0/$@OB 2

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+

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!"#0?"/0A $0/$Q

+

"L $

式"L $的分子表示采样点之间的相关值3分母的作用是归一化3O 表示使用O 个E 5F 9块做定时估计8

R 提出的新算法

观察到上述两种算法的缺陷3我们提出了一种新的算法=将一个E 5F 9块中的S 个采样

点的共轭与其相隔/点的采样点相乘3然后将O 个E 5F 9块中相同位置的采样点相加3可以使采样点的幅度变化很小3注意3这里S 的取值要适当3一般取T UV 8

这种方法是利用M 集相关N 的优点并剔除其缺点3既能获得无4G 4干扰的间隔3又能使定时度量有一个稳定的M 平顶N 8算法的另一个优点是捕获时间要比M 集相关N 算法的捕获时间短8

重新定义定时估计的量度如下=

>"#

$%@OB 2?%P @S B 2

W %P

!C

"

#0W 0?"/0A $$!"#0W 0?"/0A $0/$@OB 2?%P @S B 2

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@OB 2?%P @S B 2

W %P

X !

"#0W 0?"/0A $0/$X Q +

"Y $

图2给出L 种算法对于相关值计算的比较8

在获得定时信息之后对频偏进行估计3使用无4G 4干扰的间隔内的采样点3这就消除了基于循环前缀9:算法中使用受4G 4

干扰采样点的缺陷8Z

L 第2期李伟华等=E 5F 9系统定时与频率偏移估计

万方数据

定义相对频偏均方差为

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12".

*$"3$

其中42".

*$%5

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6%.*)7.)/

8"6$89

"6

:;$<对于最大似然估计47.%=4最大似然利用循环前缀的所有采样点>对于集相关算法47.的取值是定时量度中?平顶@的长度>对于新算法47.的取值是定时量度中?

平顶@的长度加上A <图/B 种定时方法相关值的计算

C 数值仿真

以均方误差"DE F $为准则比较B 种算法的性能<定义定时均方误差为!".$%&’(.

).*(+

,4频率偏移的均方误差见式"-$<仿真参数为G 子载波数/H +I 4循环前缀+-3个采样点4

子载波的调制方式为J K E L <信道模型G I 径M N O P Q R S T 衰落U 多径之间指数衰落U 每径延迟V H 个采样点<从图+可以看出4新算法无论是在哪种情况下4性能都要比相同条件的集相关算法好<在

-H 个W X Y D 块U E Z M 大于I [\的情况下4新算法优于集相关算法在/-H 个W X Y D 块的情

况<使用集相关算法的条件是大样本4小样本时性能很差<新算法相对集相关算法可以使用更少的W X Y D 块而性能不会损失很大4

因此定时捕获更快<图B 为]^_Z 信道下定时算法的均方差比较4新算法用+H 个W X Y D 块就能达到很好的性能4而集相关算法即使在]^_Z 信道下也要/H H 个W X Y D 块以上才能获得优良性能4否则还不如D‘算法<这又一次说明集相关算法需要大样本才能获得优良的性能<图中给出了不同W X Y D 块的定时均方差比较<

图I 为多径信道下4-H 个W X Y D 块4

不同算法对频率偏移的估计<集相关和新算法在多径信道下对频偏的估计都比最大似然算法好4这是因为最大似然算法使用循环前缀的所有采样4而循环前缀的一部分采样因为多径效应受到了干扰4影响估计的精度<新算法比集相关算法优越的原因是它能更最准确的确定无a \a 干扰的循环前缀采样部分4即对?平顶@部分估计的更准<

b

B 北京邮电大学学报

第+V

万方数据

系统定时与频率偏移估计

万方数据

各种多址方式

第六章各种多址方式 多址接入和广播 使用公共的媒质连接多个通信设备,不象交换是在各媒质之间交换转发。 通过公共的媒质实现一对多广播、多对一的多址接入。节点只有一个公共收、发设备和 相应的缓存器。 多址方式:时分多址、频分多址、码分多址 信号工作总是要占一定时间、频带和功率的。多址信道的划分从时间、频率、功率三个轴上进行。 时分多址:组成一定的时间结构,形成帧帧是由时隙组成的,每个用户分配一个时隙。 1 2 一般一个用户时隙由以下几部分组成: 导引:针对非连续信号,用于建立接收同步,尽可能缩短同步时间。 突发字:巴克码,标志信息的开始,自相关性极好。 帧头:维持通信,传输勤务、信令。 信息:用户信息。 校验:如CRC校验,用于碰撞检测。 保护: 频分:构成一定的频谱结构。 划分频带,每用户一个频道,频道之间要有保护间隔。 由于存在带外辐射:产生邻道干扰 对带外辐射有一定要求,在一倍频程处,信号能量应衰减10?20dB。 经过非线性设备会增加带外辐射,出现交调干扰,产生串话现象 FDMA t

解决方法:采用恒定包络信号。 码分:所有信号都在共同的频带和时隙上发射,按不同的码型调制接收信号的格式: K a j t - j b i t -,i cos w o t i 二 a j t - .i :码型信号 b j t —切:信息cos W ot:* :载波 希望格式之间的相互干扰越少越好,即 a j t - .j a j t - .j dt =0就可保证相互间干扰为0 要找到这样的码型,即对任意的,任意的旋转方向即正交的多对码是不太容易的,这 是一种理想的状况。 解决方法1使尸j,即整个系统是同步的,在广播型的网络中可以实现,但是对于不同源的多址接入则不能做到。 解决方法2:使上述的互相关值尽可能地小,不一定非为0。 假设信息带宽为r b,公用信道带宽为 5。 定一个量,n二上,如果互相关值接近丄就可以使相互干扰降到丄,这样的系统称为 r b n n “准正交系统”。 码分系统中近远干扰韭常严重,即距离接收站远近不同的发射站之间的干扰。 前面曾经提到:地面电磁波与r4成反比。 如果二者的发射功率是相同的,那么距离接收端0.5米和10米的两个手机的接收 功率相差52dB。 当n=1000时,要求丄=10-3,与52dB相比很小,因此近远干扰极为严重。 n 因此,在码分系统中功率控制是必须的。要求近的站功率小些,远的功率大些,发射功率要随距离发生变化,一般要能控制到90dB。 三种体制争论的焦点: ①频带利用率的高、低 频带资源有限,是宝贵资源。 ②系统容量的大小 系统容量要大。 TDMA系统的容量取决于: (1)时隙的个数 (2)受到的干扰(邻区干扰、外来干扰) FDMA系统的容量取决于: (1)频道的个数 (2)受到的干扰(邻区干扰、外来干扰、邻道干扰) CDMA系统的容量取决于

三种多址方式特性比较

一、研究问题:FDMA、TDMA、CDMA三种多址技术特点比较分析 二、概念: 多址技术:是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质,实现各用户之间通信的技术。多址技术多用于无线通信。多址技术又称为“多址连接”技术。 FDMA:把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带(称为子频带),把每个子频带分给一个用户专用(称为地址)。这种技术被称为“频分多址”技术。 FDMA示意图 TDMA:把时间分割成互不重叠的时段(帧),再将帧分割成互不重叠的时隙(信道)与用户具有一一对应关系,依据时隙区分来自不同地址的用户信号,从而完成的多址连接。 TDMA示意图 CDMA:当以传输信号的码行不同来区分信道建立多址接入时,称为码分多址。 CDMA示意图 三、特性比较概括 FDMA TDMA CDMA 实现的技术频分复用时分复用码分复用 干扰问题需克服的干扰较 抗干扰能力强自身多址干扰 多 系统容量大容量带宽利用率低容量灵活性 大 越区切换较为复杂和困难切换简单软切换实现 四、详细比较分析 1.实现技术: FDMA是利用频分多址接入技术,以频谱作为信号的分割参量,将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道),每一个子信道传输1路信号,即一个用户占用一个信道;TDMA则是利用时分多址接入技术,以时间作为信号分割的参量,把时间分成周期性的帧,每一帧再分割成若干时隙,每个时隙即是一个信道,达到各路信道在时间轴上不重叠,信号不互相干扰;CDMA它作用的对象是地址码,使用码分多址接入技术,CDMA一种多路方式,多路信号只占用一条信道,故其能极大的提高带宽的利用率。 2.干扰问题: FDMA系统内的来自自身的干扰比较多,主要有互调干扰、邻道干扰、同频道干扰。由于FDMA系统内的非线性器件产生的各种组合频率成分落入本频带接收机通带内造成对有用信号的干扰,形成互调干扰,但干扰足够大时,会对有用信号形成危害。邻道干扰时指相邻波道信号存在的寄生辐射落入本频带接收机带内造成有用的干扰。移动通信系统中蜂窝小区的设计,使得相邻区群中同信道小区的信号造成干扰,这是同频带干扰。

三种多址技术的特点比较解读

三种多址技术的特点比较 ◆FDMA系统的特点 FDMA信道每次只能传送一个电话。 每信道占用一个载频,每个信道对应的每一载波仅支持一个电路连接。所以FDMA 通常在窄带系统中实现。 每信道只传送一路数字信号,信号速率低,一般在25kb/s以下,远低于多径时延扩展所限定的100 kb/s,所以在窄带FDMA系统中无需自适应均衡。 基站系统庞大复杂,因为BS有多少信道,就需要多少部收发信机。 FDMA系统每载波单个信道的设计,使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过。 越区切换较为复杂和困难。 ◆TDMA系统的特点 突发传输的速率高,远大于语音编码速率。TDMA系统中需要较高的同步开销。 发射信号速率随N的增大而提高,如果达到100kb/s以上,码间串扰就将加大,必须采用自适应均衡。 基站复杂性减小。N个时分信道共用一个载波,占据相同带宽,只需一部收发信机。 互调干扰小。 抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大。 越区切换简单。越区切换时不必中断信息的传输,即使传输数据也不会因越区切换而丢失。 ◆CDMA系统的特点 CDMA系统的许多用户共享同一频率。不管使用的是TDD还是FDD技术。 通信容量大。 容量的软特性。 平滑的软切换和有效的宏分集。 低信号功率谱密度。使其有两方面的好处:具有较强的抗窄带干扰能力;对窄带系统的干扰很小,有可能与其它系统共用频段,使有限的频谱资源得到更充分的使用。 5.4 网络结构 ◆模拟蜂窝移动通信系统: 数字蜂窝移动通信系统: ◆两层数据库:HLR和VLR ◆原籍位置登记器HLR(Home Location Register):是一种用来存储本地用户位置信息的 数据库。在蜂窝通信网中,通常设置若干个HLR,每个用户都必须在某个HLR中登记。 ?登记的内容分为两类: ①一种是永久性的参数,如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务 类型以及保密参数等; ②另一种是暂时性的需要随时更新的参数,即用户当前所处位置的有关参数,即使用 户漫游到HLR所服务的区域外,HLR也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时,均可由该移动用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪一个地区,进而建立起通信链路。 ◆访问位置登记器VLR(Visit Location Register):是一种用于存储来访用户位置信息的 动态数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务,也可为几个相邻MSC控制区服务。

三种多址方式特性比较

三种多址方式特性比较 WTD standardization office【WTD 5AB- WTDK 08- WTD 2C】

一、研究问题:FDMA、TDMA、CDMA三种多址技术特点比较分析 二、概念: 多址技术:是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质,实现各用户之间通信的技术。多址技术多用于无线通信。多址技术又称为“多址连接”技术。 FDMA:把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带(称为子频带),把每个子频带分给一个用户专用(称为地址)。这种技术被称为“频分多址”技术。 FDMA示意图 TDMA:把时间分割成互不重叠的时段(帧),再将帧分割成互不重叠的时隙(信道)与用户具有一一对应关系,依据时隙区分来自不同地址的用户信号,从而完成的多址连接。 TDMA示意图 CDMA:当以传输信号的码行不同来区分信道建立多址接入时,称为码分多址。 CDMA示意图 三、特性比较概括 四、详细比较分析 1.实现技术: FDMA是利用频分多址接入技术,以频谱作为信号的分割参量,将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道),每一个子信道传输1路信号,即一个用户占用一个信道;TDMA则是利用时分多址接入技术,以时间作为信号分割的参量,把时间分成周期性的帧,每一帧再分割成若干时隙,每个时隙即是一个信道,达到各路信道在时间轴上不重叠,信号不互相干扰;CDMA它作用的对象是地址码,使用码分多址接入技术,CDMA一种多路方式,多路信号只占用一条信道,故其能极大的提高带宽的利用率。

2.干扰问题: FDMA系统内的来自自身的干扰比较多,主要有互调干扰、邻道干扰、同频道干扰。由于FDMA系统内的非线性器件产生的各种组合频率成分落入本频带接收机通带内造成对有用信号的干扰,形成互调干扰,但干扰足够大时,会对有用信号形成危害。邻道干扰时指相邻波道信号存在的寄生辐射落入本频带接收机带内造成有用的干扰。移动通信系统中蜂窝小区的设计,使得相邻区群中同信道小区的信号造成干扰,这是同频带干扰。 TDMA系统中,N个时分信道公用一个载波,占据相同带宽,只需一部发信机,互调干扰比FDMA小,抗干扰能力弱于CDMA。 由于FDMA和TDMA具有合理的频带保护带或保护时间,所以接收信号近似保持正交。但在CDMA系统中,非同步CDMA网中不同的用户的扩频序列不完全正交,从而引起多址干扰,并且,在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更为严重,由于移动台是随机分布的,非常容易出现“远近效应”。 3.容量 FDMA系统是将用户分配在时隙相同而频率不同的信道上,把在频分多路传输系统中集中控制的频率段根据要求分配给用户,使其信道容量可根据要求动态地进行交换。 TDMA可以通过采用灵活的时隙分配策略支持综合业务的接入,对媒体和多速率业务具有较大的灵活性。 CDMA系统本身所固有的码分扩频技术加上先进的功率控制、话音激活技术,所以CDMA系统频谱利用率高,容量大。大大节省频谱资源。在用户容量方面有软特性,在DS—CDMA系统中,多加一个用户只是使通信质量略有下降,不会出现硬阻

多址方式

多址方式 多址方式在移动通信中,许多用户同时通话,以不同的移动信道分隔,防止相互干扰的技术方式称为多址方式。根据特征,有三种多址方式,即:频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)等方式。频分多址--以频率来区分信道。 目录 定义 技术 发展历史 种类划分 容量比较 相关问题 定义 技术 发展历史 种类划分 容量比较 相关问题 展开 定义 在无线通信中,许多用户同时通话,以不同的无线信道分隔,防止相互干扰的技术方式称为多址方式。 技术 公共陆基移动网(PLMN Public Land Mobile Network)主要使用使用的频分多址(FDMA Frequency Division Multiple Access),时分多址(TDMA Time Division Multiple 拓扑结构

Access),码分多址(CDMA Code Division Multiple Access),空分多址(SDMA Space Division Multiple Access)和包分多址(PDMA Packet Division Multiple Access)等技术 另有仅仅停留在理论层面的极分多址(PDMA Polarization division multiple access) 卫星通信中主要使用的按需分配多址接入(DAMA) 或脉冲寻址多址接入(PAMA Pulse Address Multiple Access) 频分多址--以频率来区分信道。 特点:使用简单,信号连续传输,满足模拟话音通信,技术成熟。 缺点:多频道信号互调干扰严重,频率利用率低,容量小。 时分多址--在一个无线频道上,按时间分割为若干个时隙,每个信道占用一个时隙,在规定的时隙内收发信号。 时分多址只传数字信息,信息需经压缩和缓冲存储的过程,在实际使用时常FDMA/TDMA复分使用。 码分多址--采用扩频通信技术,每个用户具有特定的地址码(相当于扩频中的PN码),利用地址码相互之间的正交性(或准正交性)完成信道分离的任务。 CDMA在频率、时间、空间上重叠。 优点:系统容量大,抗干扰、抗多径能力高。 发展历史 为了解决通信运营商“最后一公里”接入的瓶颈问题,促进接入网技术及 多址方式链接方法 市场的全面发展,无线电频率管制部门于2000年3月开放了3.5GHz频段2×31.5MHz频率资源,并于2001年7月对南京、厦门、青岛、武汉、重庆5个试点城市3.5GHz频率使用权采用招标方式进行了分配。随着中标城市运营商进行大规模的建设,3.5GHz频段无线接入系统已在众多宽带固定无线接入系统中脱颖而出,率先进入大规模商用阶段。随着固定无线接入尤其是 3.5GHz宽带固定无线接入网建设的持续升温以及各种新的技术不断被引入,固定无线接入系统已经从最初基于电话接入方式的窄带系统演变成为面向高速数据业务为主的宽带综合业务接入系统。经过近几年市场的促进以及技术的不断进步,3.5GHz宽带固定无线接入技术的发展主要体现在多址方式演变、调制方式、双工方式选择、对OFDM 技术的支持、对电路交换与分组交换支持、动态带宽分配以及业务接入能力几方面。 种类划分

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