LTE第五次课材料

1一、同步技术同步对于任何数字通信系统来说都是重要的任务，没有精确地同步就不能对传送的数据进行可靠的恢复[1]。可以说，同步时任何通信接收机实现的基础。OFDM既可以用于广播类型的通信系统，又可以用于突发数据传输的通信系统，在同步的问题上二者可以采取的途径不尽相同。广播类型的系统传输的是连续的数据，因此最初需要经过较长的一段时间获得信息（同步捕获），之后转换成跟踪模式。突发传输系统通常采用分组的方式，需要在分组开始发送之后的很短时间获得同步[6]。由于OFDM信号特殊结构[5]，使得很多为单载波系统设计的同步算法不能被采用，因此，必须从OFDM本身的角度出发来设计同步算法。在这里，利用了OFDM的循环前缀这一特殊结构来进行同步。在通信系统中，当采用相干检测或同步解调时，接收机需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为频率同步。在数字通信中，除了有载波同步的问题外，还有码元同步的问题。因为消息是一串一串连续的信号码元组成的序列，解调时必须知道每个码元的起止时刻。因此，接收机必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应该对齐。我们把接收机产生与发送码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为定时同步。数字通信中的消息流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成一个“句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句”的起止时刻。在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，这些统称为群同步。在载波同步，码元同步和群同步之后，接收机就能以较低的误比特率恢复出数字信息了。当然，在现代的网络通信中，往往还需要整个网络的各个用户同步，这个被称为网同步。频率同步的方法一般分为两类:一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置插入一个或多个称为导频的正弦波，接收机就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法；另一类是不用专门发送导频，接收机直接从发送信号中提取载波频率，这类方法叫直接法。实现定时同步的方法也和载波同步类似，可分为插入导频法和直接法两种，有时候这两种方法也称为外同步和内同步[23]。2二、同步偏差对OFDM系统的影响OFDM符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区分，因此确保这种正交性对于OFDM系统来说至关重要，使得它对载波同步的要求也就相对较严格。在OFDM系统中存在如下几个方面的同步要求[24]：1、载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相[25]；载波同步，也就是频率偏移估计。OFDM符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间是利用正交性来区分。系统对由多普勒频移或收发端载波频偏产生的频率偏差非常敏感，频偏会破坏子载波之间的正交性，引入ICI，而且还会引起传输信号的相位旋转，造成系统性能大幅度降低。一般来说，MIMO-OFDM系统的子载波之间频率间隔很小，因而所能容忍的频偏非常有限。即使很小的频偏也会造成系统性能的急剧下降，所以，载波同步对MIMO-OFDM系统尤为重要。2、样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致；采样频率的同步是指发射端的D/A变换器和接收端的A/D变换器的工作频率保持一致。一般地，连接各个变换器之间的偏差较小，相对于载波频移的影响来说也较小，而一帧的数据如果不太长的话，只要保证了帧同步的情况下，可以忽略采样时钟不同步时造成的漏采样或多采样，而只需要在一帧数据中补偿由于采样偏移造成的相位噪声。3、符号同步：IFFT和FFT起止时刻一致[26]。符号定时同步的任务是在接受数据流中寻找OFDM符号的分界。MIMO-OFDM系统的符号定时和单载波系统有很大的区别，单载波系统传送的符号有一个最佳抽样点，也就是其眼图张开的最大点处；而OFDM的符号不存在眼图，也就没有所谓的最佳抽样点。它的特点是一个符号由N个抽样点（N为系统子载波个数）组成，符号定时也就是要确定一个符号开始的时间。符号同步的结果用来判定各个OFDM符号中用来解调符号中的各子载波。当符号同步算法定时在OFDM符号的第一个样值时，MIMO-OFDM接收机的抗多径效应的性能达到最佳。理想的符号同步就是选择最佳的FFT窗[9]，使子载波保持正交，且ISI被完全消除或者降至最小。由于使用了循环前缀技术，MIMO-OFDM系统能够容忍一定的符号定时误差而不受到性能上损失。所以MIMO-OFDM系统对定时偏差不像对频率偏差那么敏感。34.帧同步：帧同步是在OFDM符号流中找出帧的开始位置，也就是常说的数据、帧头检测。在帧头被检测到的基础上，接收机根据帧结构的定义，以不同的方式处理一帧中具有不同作用的符号。当帧结构固定已知时，帧同步和符号定时同步可以认为是一样的。三、频率偏差对OFDM系统的影响发射机与接收机之间的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果频率偏差是子载波间隔的n倍（n为整数），虽然子载波之间仍然能够保持正交，但是频率采样值已经偏移了n个子载波的位置，造成映射在OFDM频谱内的数据符号误码率高达0.5。如果载波偏差不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存在能量的“泄露”，导致子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化[27]。当没有频率偏差时，各个子载波之间不会存在干扰，而当存在频率偏差时，子载波之间就会存在相互的干扰。四、符号定时偏差对OFDM系统的影响由于在OFDM符号之间插入了循环前缀保护间隔，因此OFDM符号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成信道间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）。只有当FFT运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会造成ISI和ICI。因此，OFDM系统对符号定时同步的要求会相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时。尽管符号定时的起点可以在保护间隔内任意选择，但是容易得知，任何符号定时的变化，都会增加OFDM系统对时延扩展的敏感程度，因此系统所能容忍的时延扩展就会低于其设计值。为了尽量减小这种负面的影响，需要尽量减小符号定时同步的误差。在实现符号定时同步的过程中，符号起始点的估计值有可能比实际值提前或者滞后。由于滞后的符号定时同步会使得FFT运算窗口覆盖到随后的OFDM符号，因此会引入较大的干扰，导致系统的BER（误比特率）性能下降。相反，由于提前的符号定时同步会使得FFT运算窗口中包含当前OFDM符号的循环前缀保护间隔，因此不会对系统BER性能造成太大的影响。为了克服上述弱点，有的系统方案在OFDM符号之后也插入适当的保护间隔，即短循环后缀，这样无论符号定时同步提前还是滞后，都不会对系统造成太大的影响。五、采样定时偏差对OFDM系统的影响在上述分析中，没有考虑到采样值频率的偏差。如果在采样定时中存在偏差，则会有两方面的影响：第一，产生时变的定时偏差，导致接收机必须要跟踪时变的相位变化；第二，采样值频率的偏差就意味着FFT周期的偏差，因此经过采样的子载波之间不再保持正交性，从而产生ICI。4六、频率同步算法1、在Hsieh和Wei[4]经开发出的关于OFDM系统中估算载波频率偏移的各种算法分成三种类型：类型1数据辅助算法，这些方法基于嵌入传输信号的特定训练信息；类型2非数据辅助算法，通过分析频域内的接收信号进行估计；类型3基于OFDM的循环前缀进行估计。对于WLAN的应用，第一种算法最为适合，因为利用帧头信息，接收机可以在有效信息的分组到来之前，使用最大似然算法对载频偏差进行估计和校正；而在广播类型的OFDM系统中，第二第三中算法会更好些。2、载波同步算法对于载波同步，由于OFDM各子信道带宽较小，对载波频率偏差的敏感程度非常高，因此需要非常精确的载波同步。另外，当精确的估计出频率偏差后，由于多普勒效应以及振荡器不稳定等因素的影响，频率又会发生偏移，因此还要对频率进行跟踪。频率偏差实际上可分解为两部分：整数部分和小数部分。整数部分是等于子载波间隔的整数倍的那部分频率偏差；小数部分是指小于子载波间隔的那部分频率偏差。整数部分仅使信号在子信道上平移，并不破坏各子载波间的正交性，但是它却导致整个解调结果完全错误，系统的误码率几乎为0.5；而小数部分则会造成子信道干扰，破坏各子载波间的正交性，导致系统的误码率增加。关于载波频率粗同步和细同步进行的顺序，一般是先粗同步再细同步。但是如果以子载波之间的间隔为单位，将载波频率偏差分成整数部分和小数部分，其中只有小数部分影响子载波之间的正交性。而为整数倍的频率偏差只是将接收机中FFT的输出进行循环移位，那么，可在时域先进行载波的细同步，估计载波频率偏差的小数部分，再在频域进行频率的粗同步，估计出整数部分。这种先细同步再粗同步的顺序安排，可先消除载波频率由小数部分引进的ICI，使随后的载波粗同步不受ICI的影响，否则，ICI将严重破坏载波粗同步的性能。算法1：基于训练符号的时域相关算法算法2：基于训练符号的频域相关算法算法3：基于循环前缀的最大似然同步算法算法4：利用重复序列和循环前缀的OFDM频率同步算法。当前,已经有许多学者提出关于频偏估计的盲同步以及非盲同步算法,盲估计因为不需要任何5辅助信息,数据传输效率比较高,但精度不高,远不能适应要求快速可靠同步的突发通信系统的需要。非盲同步算法由于利用训练序列,降低了数据传输效率,但这类算法同步估计精度高、计算复杂度较低。利用循环前缀的频率同步方法,此方法不会降低系统的传输效率,循环前缀长度较大时频率偏移估计有较高的精度,但频率偏移估计最大值不大于半个子载波间隔。利用重复PN(pseudonoise)序列的时间频率同步方法,其频率同步方法的优点是频偏估计范围大,能实现频率粗同步和精同步,但由于相关的数据间隔较小,其频率偏移估计精度不太高。将重复PN序列和循环前缀相结合的频率同步方法,利用循环前缀作频率精同步,捕获范围不大于半个子载波间隔,因为求相位偏移的数据间隔较远,其估计精度较高。最佳线性无偏估计算法,但其精度不是很高,远不能满足现实应用。为了提高其估计精度,提出利用循环前缀作频率精同步.该算法利用重复序列和循环前缀，对OFDM系统的频率做粗同步和细同步频率估计，该算法频偏估计范围大，估计精度高，而且其算法在大信噪比情况下，具有较好的方差性能。七、时间同步方法与性能