8e软件无线电的OFDM通信系统同步技术研究

重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要随着人们对移动通信业务的需求与日俱增，对移动通信的服务质量和传输速率的要求也越来越高，这对移动通信系统的性能提出了更高的要求。未来的移动通信业务将从话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务，这就要求系统提供更高的传输速率。而带宽在移动通信中是非常稀缺的资源，因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求；同时克服高速数据传输在无线信道下的多径衰落和多径干扰，以达到改善系统性能的目的。OFDM技术和软件无线电均是未来移动通信发展中的极具吸引力的新技术。OFDM是一种多载波技术，基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子载波上进行传输，因此延长了传输符号的周期，从而增强了抵抗回波的能力。而且还可以在OFDM符号之间插入循环前缀，可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰。但是对频率偏移敏感是OFDM技术的主要缺点之一，因此，同步技术是OFDM技术研究的主要方向之一。软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制。它的核心思想是：将宽带A/D和D/A变换器尽可能地靠近天线，而将电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，具有通用性、灵活性、开放性的特点，使系统互联和升级变得非常方便，很可能成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破。同时，在移动通信领域，由于新标准的不断涌现、新老通信体制共存，不同体制的系统的互联变得复杂与困难，传统的以硬件为基础的无线通信系统已难以适应发展的需求，而软件无线电正是最好的解决方案。本文将软件无线电技术和OFDM多载波调制技术相结合，提出基于软件无线电平台的OFDM多载波传输系统方案，重点研究OFDM技术中的定时偏差和频率偏移问题即同步问题。在分析他人同步算法的基础上提出一种改进的OFDM符号结构，该符号在保存重复性的循环前缀的同时在OFDM符号的头部或尾部加上对称性数据段。因此可以结合重复性最大似然估计算法和对称性最大似然估计算法一起进行精确的定时。同时引入训练符号来进行频率同步。并仿真验证该算法的正确性和有效性。论文的最后对软件无线电平台上的OFDM-CDMA系统进行了初步的研究。关键词：OFDM，软件无线电，频偏估计，定时同步，MC-CDMA重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTTherequirementsofservicequalityandtransmissionrateinmobilecommunicationsaremoreandmoreurgentsinceallkindsofdemandsareincreasingdaybyday.Thatneedsbettersystemperformancesinmobilecommunications.Inthefuture,thecommunicationsservicewilltransformfromvoicetomultimediasuchasdata,imageandvedio.Sincethefrequencybandwidthislimitedinwide-bandmobilecommunication,advancedtechnologymustbeadoptedtomakeuseofthepreciousfrequencyresourcessoastoobtainhigherdatarateandhugechannelcapacity.Atthesametimemulti-pathfadingandmulti-pathinferenceoverwirelesschannelhavetobeovercomeinhighdatarate.OFDMandSoftwareRadioarebothcharmingtechnologiesofmobilecommunicationsinthefuture.OFDMisoneofmulticarriertechnologies,whichbasictheoryisthathighratedataflowareassignedtosubcarrierinrelativelowtransmissionratebyserial-parallelconversion.Soitsresistibilityagainstechoisstrengthenedbyextendingtheperiodoftransmissionsymbol.ThencyclicprefixisinsertedintodifferentOFDMsymbolstoeliminatetheintersymbolinferencebecauseofmulti-pathtransmission.However,oneofitsmaindisadvantagesisthatOFDMsystemsaresensitivetocarrierfrequencyoffset.SosynchronizationisoneofmainresearchissuesinOFDMtechniques.SoftwareRadioisanewconceptandsystemtorealizewirelesscommunicationswhichispresentedrecently.ItskeymethodisthatA/DandD/Aconvertorshouldapproachantennaaswellastransmitter-receiver’sfunctionshouldbedefinedbysoftwaretothebestofitsability.SoftwareRadiouseshardwareforthebasicplatformofwirelesscommunications.Itisuniversal,flexibleandexoteric.Soitisconvenientforinterconnectionandupdate.Itmaybebecomethethirdrevolutionaryfollowinganalogtodigitalcommunicationsandfixedcommunicationstomobilecommunications.Atthesametime,inmobilecommunicationsnewstandardsappearendlessly.Sothenewandoldcommunicationsystemswillcoexist.Itinducesthedifficultyininterconnectionbetweendifferentcommunicationsystems.Sothetraditionalcommunicationsbasedonhardwarewillunfititselfforthedevelopmentofcommunications.AtthesametimeSoftwareRadioisjustthebestsolution.ThispapermainlyfocusesonthecombinationofOFDMsystemwiththeSoftwareRadiotechnologyandpresentsOFDMtransceiverschemebasedonSoftwareRadio重庆大学硕士学位论文英文摘要IIIplatform.Symboltimingandcarrierfrequencyoffsetaremainlyresearchedinthispaper.AnimprovedOFDMsymbolispresentedafterdifferentsynchronizationalgorithmsareanalyzed.SymmetricaldatasegmentsareaddedtothefrontoftheOFDMsymboloratthetailoftheOFDMsymbol.Sorepeatedmaximumlikelihoodandsymmetricalmaximumlikelihoodalgorithmscanbecombinedtotimesymbolsynchronizationprecisely.Tentrainingsymbolsareusedtoestimatefrequencyoffset.Theeffectivenessandcorrectnessareverifiedintheend.AtlastOFDM-CDMAsystembasedonSoftwareRadioplatformisdiscussedprimarily.KeyWords:OFDM,SoftwareRadio,FrequencyOffsetEstimation,SymbolTiming,MC-CDMA重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1移动通信技术的发展现代社会已经步入信息时代，各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。移动通信是现代通信系统中不可缺少的重要组成部分，而且随着人们消费水平和需求的日益提高，在生活中发挥着越来越大的作用。在新技术、市场需求的共同作用下，移动通信系统数据传输速率不断提高。第一代模拟式移动通信仅提供语音服务；第二代数字式移动通信系统传输速率也只有9.6Kb/s～32Kb/s，与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信(2G)系统具有保密性强，频谱利用率高，话音质量好、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。但是，第二代数字蜂窝系统只能提供话音和低速数据业务的服务。在信息时代，图像、话音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量将大大增加；第一、第二代蜂窝移动通信系统不仅远远不能满足未来用户的业务需求，而且随着用户数的迅猛增加，还不能满足用户容量的发展需要。第三代移动通信(3G)系统数据传输速率最高可达到2Mb/s，虽然3G较之2G可以提供更大容量、更佳的通信质量并且支持多媒体应用，但是随着人们对3G技术及其应用研究的不断深入，3G技术在支持IP多媒体业务、提高频谱利用率以及资源综合优化等方面的局限性也渐露端倪。在此背景下第四代移动通信（4G）就被提了出来，尽管下一代无线通信系统规范目前尚未成形，但有一点是肯定的:下一代无线通信系统要支持比3G系统更高的数据传输速率，能有效支持无线多媒体通信和高速宽带Internet接入。目前3G系统支持的最高数据速率达到2Mb/s，因此，对4G系统的一个比较普遍的期望是支持20Mb/s以上的数据速率，比3G系统提高一个数量级[1,2,3]。要实现如此高速率的高质量多媒体无线数据传输，无线通信系统需要克服许多技术挑战[4]。其中衰落和多径现象是高速率无线数据传输需要克服的重点问题之一。无线通信中发送信号经多次反射、折射和散射等达到接收机，当多个这些信号几乎同时达到接收机时，它们随机叠加可能造成接收信号幅度的极大变化，表现为衰落现象。同时由于复杂的地形地物的影响，非视线传播的发送信号往往经过多次反射、折射后达到接收机，由于这些反射或折射的信号复本经过不同的路线达到接收机，不同的路线长度造成信号达到接收机的时间上的延迟，表现为时延扩展现象[5，6]。未来的移动通信业务将从话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务，因此，对服务质量和传输速率的要求越来越高，对移动通信系统的性能也提出了更高的要求。而带宽在移动通信中是非常稀缺的资源，因此，必须采用先进的技重庆大学硕士学位论文1绪论2术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求；同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干扰，达到改善系统性能的目的。第四代移动通信可能采用的技术包括宽带CDMA、软件无线电(SoftwareRadio)、智能天线(IntelligentAntennas)、OFDM(OFDM,OrthogonalFr