論移動(dòng)通信無(wú)線資源管理

摘要：正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)由于其具有高速數(shù)據(jù)傳輸速率，高頻譜利用率，能有效地對(duì)抗多徑效應(yīng)，消除符號(hào)間干擾等特性，已成為寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的首選技術(shù)。為了滿足未來(lái)更高傳輸速率和突發(fā)通信的要求，3GPP在2004年底啟動(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）項(xiàng)目，LTE系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)作為其物理層下行傳輸技術(shù)。OFDM系統(tǒng)自身的正交多載波調(diào)制特點(diǎn)，決定了其對(duì)定時(shí)誤差和載波頻率偏差十分敏感，因此能否實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的時(shí)頻同步，對(duì)OFDM系統(tǒng)的整體性能有著決定性的影響。本文基于OFDM系統(tǒng)的基本原理以及同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了各種同步誤差對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響，并研究了基于訓(xùn)練序列的OFDM符號(hào)定時(shí)同步算法。同時(shí)根據(jù)SC算法及其演進(jìn)算法（Minn算法和Park算法）的訓(xùn)練符號(hào)特點(diǎn)及算法原理，提出了針對(duì)Park算法的改進(jìn)算法，以消去以往算法中定時(shí)測(cè)度存在的平臺(tái)現(xiàn)象和多尖峰現(xiàn)象，即改進(jìn)算法的定時(shí)測(cè)度曲線只存在一個(gè)尖銳的同步峰。通過(guò)仿真分析了各同步算法在AWGN信道下的同步性能，結(jié)果表明本文提出的改進(jìn)算法具有較為優(yōu)越的同步性能。針對(duì)LTE現(xiàn)有下行信道基于Zadoff-Chu序列（ZC序列）的同步方案在CoMP環(huán)境下存在的不足，提出了一種能夠有效應(yīng)用于CoMP環(huán)境下的改進(jìn)的下行同步方案，即基于零相關(guān)窗序列（ZCZ序列）的聯(lián)合檢測(cè)算法。仿真表明，與LTE現(xiàn)有同步方案相比，本文提出的改進(jìn)方案能夠有效地提高UE在多小區(qū)環(huán)境下小區(qū)邊緣的同步性能。關(guān)鍵詞：OFDM；同步；LTE；ZC序列；ZCZ序列正文：3G的出現(xiàn)給移動(dòng)通信帶來(lái)了巨大的影響，同時(shí)也給人們的生活帶來(lái)了前所未有的體驗(yàn)。但人們的需求卻從未停止。為了滿足用戶需求和應(yīng)對(duì)寬帶接入技術(shù)的挑戰(zhàn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在2004年底啟動(dòng)了UMTS技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)(LongTermEvolution,LTE)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，這種以正交頻分復(fù)用(OFDM)為核心的技術(shù)，被看作是“準(zhǔn)4G”技術(shù)。由于OFDM技術(shù)子載波間存在嚴(yán)格的正交性，對(duì)同步誤差非常敏感，因而同步性能的優(yōu)劣會(huì)對(duì)OFDM系統(tǒng)性能造成直接的影響。本文將首先介紹OFDM系統(tǒng)的基本原理及同步技術(shù)研究現(xiàn)狀，然后對(duì)LTE系統(tǒng)的技術(shù)背景及下行信道同步過(guò)程進(jìn)行分析說(shuō)明，并提出本課題的主要研究任務(wù)和研究意義，最后給出本文的主要工作及章節(jié)安排。OFDM系統(tǒng)同步問(wèn)題概述OFDM的全稱是OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，即正交頻分復(fù)用，它是一種特殊的多載波頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)。它具有良好的抗噪聲性能、抗多徑干擾能力，消除符號(hào)間干擾以及高頻譜利用率，適于在頻率選擇性衰落信道中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。隨著人們對(duì)通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的需求，OFDM技術(shù)在無(wú)線通信各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為3G時(shí)代移動(dòng)通信的主流技術(shù)。OFDM系統(tǒng)的基本原理。DM系統(tǒng)的基本原理是將串行的高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成N路速率較低的多個(gè)子數(shù)據(jù)流，在一組低速正交子載波上并行傳輸。這些相互正交子載波的頻譜可以重疊，大大提高了頻率效率。低速的并行數(shù)據(jù)流的速率是原來(lái)的1N，即符號(hào)周期擴(kuò)大了原來(lái)的N倍，遠(yuǎn)大于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，把一個(gè)寬帶頻率選擇性信道劃分成了N個(gè)窄帶平坦衰落信道。故盡管整個(gè)信道是非平坦的頻率選擇性，但每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，大大減小了符號(hào)間干擾。OFDM最基本的原理框圖如圖1.1所示。圖1.1OFDM系統(tǒng)基本原理框圖為了消除由于多徑效應(yīng)引起的符號(hào)間干擾(ISI)，需要在OFDM符號(hào)間引入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔的長(zhǎng)度應(yīng)大于信道的最大多徑時(shí)延，這樣一個(gè)OFDM符號(hào)的多徑分量不會(huì)對(duì)下一個(gè)OFDM符號(hào)造成干擾。在這段保護(hù)間隔內(nèi)可以不插任何信號(hào)，即一段空白的傳輸時(shí)段。然而在這種情況下，OFDM符號(hào)之間引入保護(hù)間隔會(huì)破壞了子載波之間的正交性，加上多徑傳播的影響，造成子載波間干擾(ICI)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將OFDM符號(hào)的尾部數(shù)據(jù)復(fù)制到保護(hù)間隔內(nèi)，構(gòu)造循環(huán)前綴(CP,CyclicPrefix)。只要無(wú)線信道中的最大時(shí)延不超過(guò)循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，就可以同時(shí)解決子載波間干擾和符號(hào)間干擾問(wèn)題。圖1.2顯示了循環(huán)前綴的插入。

一個(gè)完整的OFDM基帶系統(tǒng)框圖如圖1.3所示。OFDM基帶系統(tǒng)對(duì)信息的處理過(guò)程如下：對(duì)輸入的信息比特流進(jìn)行基帶調(diào)制，如MPSK、MQAM調(diào)制，調(diào)制后的符號(hào)流進(jìn)入串并變換模塊，形成K路并行符號(hào)流，對(duì)這K路符號(hào)進(jìn)行多載波調(diào)制，即N(KNW)點(diǎn)IFFT變換。這里設(shè)定KNW的原因是，在某些應(yīng)用環(huán)境中，會(huì)有一部分子載波用來(lái)傳送導(dǎo)頻信號(hào)，或者考慮到濾波器的性能，兩端都要留出P個(gè)虛擬子載波，作為保護(hù)頻帶，這樣，實(shí)際用來(lái)傳送有用信息的子載波K就小于總的子載波數(shù)，即IFFT變換的點(diǎn)數(shù)N。所以IFFT處理器除實(shí)現(xiàn)IFFT變換外，還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)選定導(dǎo)頻信號(hào)、虛擬子載波及形成符號(hào)波形等功能。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換，成為長(zhǎng)度為N的串行數(shù)據(jù)流，對(duì)這N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)擴(kuò)展，即加L個(gè)抽樣值的循環(huán)前綴CP，構(gòu)成一個(gè)基本的OFDM符號(hào)，OFDM符號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，送進(jìn)信道，在接收端濾波后進(jìn)入A/D變換器，對(duì)輸出的數(shù)據(jù)流進(jìn)行定時(shí)同步，估計(jì)頻偏，同步后的數(shù)據(jù)流刪除循環(huán)前綴CP，按OFDM符號(hào)轉(zhuǎn)換成N路并行數(shù)據(jù)，進(jìn)行多載波解調(diào)，即FFT變換，F(xiàn)FT處理器后還要跟蹤數(shù)據(jù)的頻偏，并實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，從而對(duì)解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道均衡。從處理后的N個(gè)數(shù)據(jù)中取出K點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)并串變換、基帶解調(diào)后，得到接收的信息比特流。OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻同步。任何數(shù)字通信系統(tǒng)中同步技術(shù)都是需要解決的實(shí)際問(wèn)題。同步性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，同步是信息可靠傳輸?shù)那疤?。?duì)于OFDM系統(tǒng)，其對(duì)同步的精準(zhǔn)度要求相對(duì)更高。載波頻率的不同步或者符號(hào)定時(shí)的不準(zhǔn)確，將會(huì)引入ICI、ISI，并且還會(huì)破壞OFDM系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子載波的正交性，使得接收端無(wú)法正確接收數(shù)據(jù)。尤其是在移動(dòng)無(wú)線信道中，多徑衰落、多普勒頻移等因素導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的同步問(wèn)題變得更加困難。因此OFDM系統(tǒng)中同步技術(shù)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一，關(guān)系到整個(gè)OFDM系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。OFDM系統(tǒng)的同步問(wèn)題主要有三種：定時(shí)同步，即在接收端確定每個(gè)OFDM符號(hào)的起始時(shí)刻，即每個(gè)FFT窗的位置，保持IFFT和FFT起始時(shí)刻一致；頻率同步，保證接收端振蕩器的頻率與發(fā)送載波同頻同相；采樣同步，保持接收端和發(fā)送端的抽樣頻率一致。圖1.4給出了三種同步在系統(tǒng)中所處的大致位置。本文只考慮前面兩種同步問(wèn)題，假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的采樣同步是理想的。定時(shí)同步包括幀同步和符號(hào)同步。由于OFDM系統(tǒng)的信號(hào)是分塊傳輸?shù)模虼诵枰獛?由多個(gè)符號(hào)組成)同步用于確定一個(gè)數(shù)據(jù)幀的正確起始位置，也就是從噪聲和干擾中識(shí)別傳輸數(shù)據(jù)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)刻。為了正確進(jìn)行解調(diào)，接收端必須進(jìn)行符號(hào)定時(shí)，來(lái)確定OFDM符號(hào)的起始位置。在符號(hào)定時(shí)同步中分為粗估計(jì)和細(xì)估計(jì)。粗估計(jì)是粗略估計(jì)出一個(gè)OFDM符號(hào)的開(kāi)始位置，要求就是估計(jì)到OFDM循環(huán)前綴開(kāi)始到OFDM數(shù)據(jù)之間的部分。而細(xì)估計(jì)則要求精確估計(jì)出OFDM符號(hào)的開(kāi)始地方。OFDM同步技術(shù)研究現(xiàn)狀。同步作為OFDM的關(guān)鍵技術(shù)是目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。下面簡(jiǎn)要介紹一下OFDM系統(tǒng)同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀。OFDM同步方法可分為兩類：數(shù)據(jù)輔助型(Data-Aided)和非數(shù)據(jù)輔助型(Nondata-Aided)。數(shù)據(jù)輔助同步方法需要訓(xùn)練序列，是廣泛研究的一類算法。此類方法適合突發(fā)性傳輸環(huán)境，一般其計(jì)算復(fù)雜度較低，估計(jì)精度較高，對(duì)信道的變化也不是很敏感。所以在相同條件下，比采用導(dǎo)頻、保護(hù)間隔進(jìn)行同步的性能更優(yōu)。但由于算法是采用輔助數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)降低。目前這類算法的主要研究方向是如何更好的改善估計(jì)性能和提高系統(tǒng)的頻譜效率。采用訓(xùn)練序列進(jìn)行同步的思想最早由Classen&Meyr在1994年提出，文中利用自相關(guān)函數(shù)對(duì)頻偏和時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合同步，但頻偏估計(jì)采用步長(zhǎng)搜索方法，計(jì)算量很大。同年P(guān).H.Moose提出在分組或幀的頭部構(gòu)造出完全相同的兩個(gè)OFDM訓(xùn)練塊，利用相同結(jié)構(gòu)之間的時(shí)域相關(guān)性來(lái)進(jìn)行頻偏估計(jì)。但此算法只能估計(jì)出小數(shù)頻偏值，并且使用的訓(xùn)練符號(hào)越短，利用最大似然法進(jìn)行頻偏的估計(jì)范圍越大。鑒于此，M.Moreli&U.Mengali采用單個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)進(jìn)行2k重復(fù)的方法來(lái)增大頻偏估計(jì)的范圍，但這種方法存在一些缺陷：估計(jì)的精度會(huì)隨重復(fù)的增加而降低；訓(xùn)練符號(hào)可用的子載波數(shù)減少，導(dǎo)致后繼信道估計(jì)的準(zhǔn)確度下降；對(duì)信道的衰落更加敏感。為了克服這個(gè)問(wèn)題，T.Schmidl和D.Cox于1997年對(duì)此方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用兩個(gè)訓(xùn)練符號(hào)完成了時(shí)頻同步，這種方法可適用于連續(xù)和分組傳輸系統(tǒng)。它采用的結(jié)構(gòu)是第一個(gè)訓(xùn)練符號(hào)由前后完全相同的兩部分組成，利用這兩部分的相關(guān)性，通過(guò)尋找其最大相關(guān)值及其相位信息來(lái)完成符號(hào)同步和小數(shù)頻偏估計(jì)，進(jìn)行了小數(shù)頻偏修正后，對(duì)第二個(gè)訓(xùn)練符號(hào)與第一個(gè)訓(xùn)練符號(hào)之間進(jìn)行差分編碼，構(gòu)成估計(jì)代價(jià)函數(shù)，進(jìn)行整數(shù)部分的估計(jì)。訓(xùn)練序列中導(dǎo)頻序列設(shè)計(jì)還是采用Classen的方法，即偽隨機(jī)(PN,Pseudo-noise)序列差分編碼。該方法有很強(qiáng)的時(shí)頻估計(jì)能力，并且計(jì)算復(fù)雜度也不高。系統(tǒng)下行信道同步技術(shù)概述，LTE系統(tǒng)概述。隨著移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展，全球無(wú)線通信呈現(xiàn)出移動(dòng)化、寬帶化和IP化的趨勢(shì)，移動(dòng)通信行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，一方面為了滿足用戶對(duì)寬帶接入技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求，另一方面為了和Wimax，WiFi等新興的無(wú)線寬帶技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，3GPP開(kāi)始了UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)(LongTermEvolution,LTE)項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過(guò)渡。3GPPLTE是關(guān)于UTRA(UniversalTelecommunicationRadioAccess)和UTRAN(UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)的改進(jìn)項(xiàng)目，是近兩年來(lái)3GPP啟動(dòng)的最大的新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，它的目標(biāo)是更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時(shí)延、改進(jìn)的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍，以及較低的成本。自2004年11月啟動(dòng)LTE項(xiàng)目以來(lái)，3GPP全力推進(jìn)LTE的研究工作。項(xiàng)目以制訂3G演進(jìn)型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)，在時(shí)間上按照3GPP的工作流程分為兩個(gè)階段：從2004年12月到2006年6月份為“StudyItem”，即技術(shù)可行性研究階段；從2006年6月到2007年6月為“WorkItem”，即具體技術(shù)規(guī)范的撰寫(xiě)階段。按計(jì)劃，2007年6月3GPP將完成項(xiàng)目，發(fā)布3G演進(jìn)型系統(tǒng)第一個(gè)版本的技術(shù)規(guī)范?；仡橪TE項(xiàng)目的進(jìn)展，雖然工作進(jìn)度略滯后于原計(jì)劃，但經(jīng)過(guò)艱苦的討論和融合，目前已完成了R8LTE系統(tǒng)。根據(jù)樂(lè)觀估計(jì)，第一批LTE商用設(shè)備會(huì)在2009~2010年上市。根據(jù)3GPP，LTE項(xiàng)目的主要需求指標(biāo)包括：1支持1.25MHz-20MHz帶寬，并且支持對(duì)稱和不對(duì)稱的頻譜分配。LTE系統(tǒng)支持1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz的帶寬設(shè)置，從而在技術(shù)上保證LTE系統(tǒng)可繼續(xù)使用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜；2系統(tǒng)性能方面：峰值數(shù)據(jù)率：上行50Mbps，下行100Mbps。上行頻譜效率為R6HSUPA的2-3倍，下行頻譜效率為R6HSDPA的3-4倍。用戶吞吐量方面，下行鏈路每兆赫茲平均用戶吞吐量為HSDPA的3-4倍，上行鏈路每兆赫茲平均用戶吞吐量為HSUPA的2-3倍。3提高小區(qū)邊緣的比特率，增強(qiáng)LTE系統(tǒng)的覆蓋性能。4低時(shí)延要求：用戶面延遲(單向)小于5ms，控制面延遲小于100ms；5支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作且追求后向兼容；6支持增強(qiáng)型的廣播多播業(yè)務(wù)(MultimediaBroadcastMulticastService)；7取消電路交換，采用基于全分組的包交換。電路交換域的業(yè)務(wù)在包交換域?qū)崿F(xiàn)，如采用VoIP技術(shù)；8對(duì)低速移動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)，同時(shí)支持高速移動(dòng)；9以盡可能相似的技術(shù)同時(shí)支持成對(duì)(paired)和非成對(duì)(unpaired)頻段；10可能支持簡(jiǎn)單的鄰頻共存。從LTE制定的目標(biāo)需求可以看出，下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的傳輸能力對(duì)物理層傳輸技術(shù)提出了較高要求。在方案的征集過(guò)程中有6項(xiàng)提議被通過(guò)，經(jīng)過(guò)多次會(huì)議的艱苦協(xié)商，在2005年12月召開(kāi)的TSGRAN第30次全會(huì)上最終確定3GPPLTE系統(tǒng)物理層傳輸方案為上行采用單載波SC-FDMA，下行采用OFDMA。LTE下行傳輸方案采用傳統(tǒng)的帶循環(huán)前綴(CP)的OFDM，圖1.5給出了LTEFDD模型下的通用幀結(jié)構(gòu)。由圖中可知，一個(gè)幀長(zhǎng)為10ms，被等分為10個(gè)子幀，每個(gè)子幀的長(zhǎng)度為1ms，其中每個(gè)子幀又被分為兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為0.5ms，時(shí)隙包含6或7個(gè)OFDM符號(hào)，由循環(huán)前綴的長(zhǎng)短決定。圖1.5LTE通用幀結(jié)構(gòu)子載波間隔是OFDMA系統(tǒng)中最基本的參數(shù)。在OFDMA系統(tǒng)中，要求子載波間隔須比相關(guān)帶寬小，這樣每一個(gè)子載波上的衰落才能近似看作為平坦的。在LTE系統(tǒng)中系統(tǒng)的帶寬是可變的，從1.25MHz到20MHz；具體是將子載波間隔固定，通過(guò)選擇不同的子載波數(shù)來(lái)達(dá)到支持不同的帶寬。LTE下行OFDMA系統(tǒng)選擇