第38卷增刊 2004年10月
上海交通大学学报
JOU
RNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY
Vol.38Sup.
Oct.2004
文章编号:100622467(2004)20043203
OFDM移动通信系统中的最大多普勒频移估计
司 源, 宋文涛, 罗汉文, 蔡觉平
(上海交通大学电子工程系,上海)
摘 要:为了估计移动正交频分复用(OFDM),提出了利用
.OFDM上,结合OFDM,,得到最大多普勒频移.该算法可以准确地估计出最大多普勒频移.该方法只需利用O,,可以方便地应用于现有OFDM系统中.
关键词:;正交频分复用;多普勒频移;自相关中图分类号:TN929.5 文献标识码:A
DopplerEstimationinMobileOrthogonalFrequency
DivisionMultiplexing(OFDM)Systems
SIYuan, SONGWen2tao, LUOHan2wen, CAIJue2ping
(Dept.ofElectronicEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)
Abstract:ToestimatetheDopplerinmobileOFDMsystem,anoveltechniquebasedonthecyclepreamble
ofOFDMsymbolswasproposed.Bycalculatingtheauto2correlationfunctionofcyclepreambleofOFDMsymbol,themaximumvalueofDopplerfrequencyexcursionisobtained.ThesimulationresultsinfadingchannelshowthatthismethodcanestimatetheDopplerprecisely.ItissimplyimplementedwiththecyclicstructureofOFDMsymbols,andanyotheradditivedataandpilotsneednotbeinsertedintothecommonOFDMsymbols.TherebyitiseasytobeadaptedintheexistingOFDMsystem.
Keywords:mobilecommunication;orthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM);Dopplerfrequen2cy;auto2correlation
正交频分复用(OFDM)系统具有抗频率选择性衰落或窄带干扰能力较强、频谱利用率较高等众多优点,是实现后三代移动通信系统的可能的技术之一.然而在移动通信领域应用OFDM技术的一个难点是存在多普勒效应的干扰.接收机或者发送机的运动会引起多普勒频移,其中一个重要参数是多普勒频移的最大值fd.在衰落信道下,OFDM系统的
很多环节如编码、调制、信道估计等等都需要fd的信息,fd的估计将影响整个OFDM系统的性能.
目前已经提出了很多在单载波系统中基于自相关函数估计fd和运动速度v的方法[1～3].在OFDM系统中,为了对抗多径干扰,通常把OFDM符号的最后一部分复制后加到这个符号的前面,称为保护
间隔(GI).这样,一个含有GI的OFDM符号就有
收稿日期:2003211204
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)重大项目(2001AA123014)
作者简介:司 源(19802),男,安徽滁州市人,硕士生,主要研究方向为无线通信,E2mail:[email protected].宋文涛(联系人),男,教授,
博士生导师,电话(Tel.):[1**********]5.
44
上 海 交 通 大 学 学 报
L
第38卷
两个部分是相同的.利用这个特点,本文对文献[1]中的方法做修改,通过计算OFDM符号中这两个相同部分的自相关函数来获得fd.
Θ(NTs,fd)=
L
+(k+N)T∑r(i′
i
L
s
)ri(i′+kTs)
+
2
∑r
k=1
2
i(i′+(k+N)Ts)
1 算法推导
1.1 多普勒估计模型
[1～3]
∑r
q
(i′+(k+N)Ts)rq(ikTs)
L
(4)
2
q
经过均值N0,方差Ρ2
的高斯白噪信道的第k个接收信号为
r(k)=
z(k)+n(k)=ri(k)+jrq(k)=
[zi(k)+ni(k)]+j[zq(k)+nq(k)]
式中:z(k)为传送信号,zi(k)、zq(k)z(k)实部和虚部,
E[z(k)[q]2i
∑r
k=1
(i(ksi=(1)(N)s2
2
=
2
n(k)=ni(k),
22
E[ni(k)]=E[nq(k)]=
2
图2 相关器结构
接收信号的自相关函数
Criri(Σ)=E[ri(k)ri(k+Σ)]=
2
+
22
Crqrq(Σ)=Criri(Σ)
(2)(3)
Fig.2 Structureofthecorrelation
由于n(k)独立于z(k),在观察样本足够多的情况下,可以得到以下数学模型的统计关系:
Crr(NTs)Crr(NTs)
()ΘNTs,fd≈2+
Ρ+N0Ρ2+N0
由式(3)可得fd的测量公式:
Θ(NTs,fd)≈
1+
2
式中:J0(・)为第一类零阶Bessel函数;∆(・)为冲击响应函数,对于带限噪声信号,可以用sinc(x)=
.sinx x表示,x为噪声信号带宽
1.2 OFDM系统中fd的检测方法
在OFDM系统中,有效的OFDM符号长度Tb=NTs,GI的长度Tg=LTs,Ts为单个信号的持续
(5)
Ρ
2
J0(2ΠfdNTs)+
时间,N为一个OFDM符号中的信号数目,L为GI
中的信号数目,GI是有效的OFDM符号最后相同长度部分的复制.这样,完整的OFDM符号长度为Tu=(N+L)Ts.OFDM符号的循环结构如图1所示.
Ρ+N
∆(NTs)
2
(6)
由于Bessel函数的反函数计算复杂,在实现过程中可以采用查表的方法获得fd.
N
是接收信号的
平均信噪比(SNR).本文提出的算法和其他的多普
勒估计算法一样,都需要得到较为准确的SNR.相应的OFDM系统中的SNR检测方法参见文献[4].
2 仿真与性能分析
利用Candence公司的SPW软件系统对算法进行了仿真,N=2048,L=256,载波频率fc=3.2
.多径信号模型GHz,采样频率fs=1 Ts=10MHz采用的衰落信道中6路多径的参数见表1,表中D
为多径延时,G为衰落系数.仿真假定OFDM已经达到符号同步,OFDM系统中符号同步的算法参见文献[5].
图1 OFDM符号的循环结构
Fig.1 OFDMsymbolstructurewithcyclicpreamble
由图1及式(2)计算接收到的OFDM符号中间隔为NTs的相关部分的归一化自相关函数:
增刊
司 源,等:OFDM移动通信系统中的最大多普勒频移估计
表1 衰落信道中6路多径的参数
45
.1 ParametersofthesixpathsinfadingchannelTab
路径
123456
D Λs
G dB
0.000.310.711.091.732.51
0.0
-1.0-9.0-10.0-15.0-20.0
4heperformanceoftheestimationaboutf
d
可以利用多个OFDM为fd120km h(fd=356,M进行了计算机仿真,,MSE为均方误差.图3可见,随着SNR提高,fd的估计值fd也越准确.在信噪比一定时,随着M的增大,性能提高.
在M
^
100时fd的精度随M变化较大,在M>100情况下.由于M增大M的增加所带来的fd精度的提高较小
^
^
3 结 语
移动OFDM抗多普勒效应干扰需要估计出最
大多普勒频移fd,本文提出了利用OFDM符号已有的循环前缀来估计最大多普勒频移的算法,不需要增加额外的导频或其他资源.在衰落信道下的仿真结果表明,该算法具有较好的性能.通过计算机仿真,给出了较为合适的OFDM符号的观察数目.参考文献:
[1] ClarkeRH.Principleofmobilecommunications[M].
Boston,MA:LluwerAcademicPublishers,1996.[2] Young2ChaiK,GibongJeong.Dopplerspreadestima2
tioninmobilecommunicationsystems[A].VehicularTechnologyConference[C].Vancouver,BC,Canada:IEEE,2002.1941-1945.
[3] HoltzmanJM,SampathA.Adaptiveaveraging
methodologyforhandoffsincellularsystems[J].IEEETransVehicularTechnology,1995,44(1):59-66.
[4] ShoushengHe,TorkelsonM.EffectiveSNRestima2
tioninOFDMsystemsimulation[A].GLOBECOM98[C].Sydney,Australia:IEEE,1998.945-950.[5] 崔小准,胡光锐,陈 豪.一种新的导音辅助OFDM符
号定时算法[J].上海交通大学学报,2003,37(6):805-808.
CUIXiao2zhun,HUGuang2rui,CHENHao.Anovel
pilot2basedsymboltimingalgorithmfororthogonalfrequencydivisionmultiplexing(
OFDM)system[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2003,37(6):805-808.
时,计算复杂度也增大,计算时间较长.所以M=100是比较合适的取值.
图3 M对算法精度的影响曲线图
Fig.3 ImpactoftheM’svalueonthe
performanceofthearithmetic
在M=
100的情况下,对不同的最大多普勒频
^
移进行了检测,以均值作为最后的fd,仿真结果如图4所示.由图4可见,f增大,f
^d
^d
略高于fd,随着信噪比的
接近fd.
第38卷增刊 2004年10月
上海交通大学学报
JOU
RNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY
Vol.38Sup.
Oct.2004
文章编号:100622467(2004)20043203
OFDM移动通信系统中的最大多普勒频移估计
司 源, 宋文涛, 罗汉文, 蔡觉平
(上海交通大学电子工程系,上海)
摘 要:为了估计移动正交频分复用(OFDM),提出了利用
.OFDM上,结合OFDM,,得到最大多普勒频移.该算法可以准确地估计出最大多普勒频移.该方法只需利用O,,可以方便地应用于现有OFDM系统中.
关键词:;正交频分复用;多普勒频移;自相关中图分类号:TN929.5 文献标识码:A
DopplerEstimationinMobileOrthogonalFrequency
DivisionMultiplexing(OFDM)Systems
SIYuan, SONGWen2tao, LUOHan2wen, CAIJue2ping
(Dept.ofElectronicEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)
Abstract:ToestimatetheDopplerinmobileOFDMsystem,anoveltechniquebasedonthecyclepreamble
ofOFDMsymbolswasproposed.Bycalculatingtheauto2correlationfunctionofcyclepreambleofOFDMsymbol,themaximumvalueofDopplerfrequencyexcursionisobtained.ThesimulationresultsinfadingchannelshowthatthismethodcanestimatetheDopplerprecisely.ItissimplyimplementedwiththecyclicstructureofOFDMsymbols,andanyotheradditivedataandpilotsneednotbeinsertedintothecommonOFDMsymbols.TherebyitiseasytobeadaptedintheexistingOFDMsystem.
Keywords:mobilecommunication;orthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM);Dopplerfrequen2cy;auto2correlation
正交频分复用(OFDM)系统具有抗频率选择性衰落或窄带干扰能力较强、频谱利用率较高等众多优点,是实现后三代移动通信系统的可能的技术之一.然而在移动通信领域应用OFDM技术的一个难点是存在多普勒效应的干扰.接收机或者发送机的运动会引起多普勒频移,其中一个重要参数是多普勒频移的最大值fd.在衰落信道下,OFDM系统的
很多环节如编码、调制、信道估计等等都需要fd的信息,fd的估计将影响整个OFDM系统的性能.
目前已经提出了很多在单载波系统中基于自相关函数估计fd和运动速度v的方法[1～3].在OFDM系统中,为了对抗多径干扰,通常把OFDM符号的最后一部分复制后加到这个符号的前面,称为保护
间隔(GI).这样,一个含有GI的OFDM符号就有
收稿日期:2003211204
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)重大项目(2001AA123014)
作者简介:司 源(19802),男,安徽滁州市人,硕士生,主要研究方向为无线通信,E2mail:[email protected].宋文涛(联系人),男,教授,
博士生导师,电话(Tel.):[1**********]5.
44
上 海 交 通 大 学 学 报
L
第38卷
两个部分是相同的.利用这个特点,本文对文献[1]中的方法做修改,通过计算OFDM符号中这两个相同部分的自相关函数来获得fd.
Θ(NTs,fd)=
L
+(k+N)T∑r(i′
i
L
s
)ri(i′+kTs)
+
2
∑r
k=1
2
i(i′+(k+N)Ts)
1 算法推导
1.1 多普勒估计模型
[1～3]
∑r
q
(i′+(k+N)Ts)rq(ikTs)
L
(4)
2
q
经过均值N0,方差Ρ2
的高斯白噪信道的第k个接收信号为
r(k)=
z(k)+n(k)=ri(k)+jrq(k)=
[zi(k)+ni(k)]+j[zq(k)+nq(k)]
式中:z(k)为传送信号,zi(k)、zq(k)z(k)实部和虚部,
E[z(k)[q]2i
∑r
k=1
(i(ksi=(1)(N)s2
2
=
2
n(k)=ni(k),
22
E[ni(k)]=E[nq(k)]=
2
图2 相关器结构
接收信号的自相关函数
Criri(Σ)=E[ri(k)ri(k+Σ)]=
2
+
22
Crqrq(Σ)=Criri(Σ)
(2)(3)
Fig.2 Structureofthecorrelation
由于n(k)独立于z(k),在观察样本足够多的情况下,可以得到以下数学模型的统计关系:
Crr(NTs)Crr(NTs)
()ΘNTs,fd≈2+
Ρ+N0Ρ2+N0
由式(3)可得fd的测量公式:
Θ(NTs,fd)≈
1+
2
式中:J0(・)为第一类零阶Bessel函数;∆(・)为冲击响应函数,对于带限噪声信号,可以用sinc(x)=
.sinx x表示,x为噪声信号带宽
1.2 OFDM系统中fd的检测方法
在OFDM系统中,有效的OFDM符号长度Tb=NTs,GI的长度Tg=LTs,Ts为单个信号的持续
(5)
Ρ
2
J0(2ΠfdNTs)+
时间,N为一个OFDM符号中的信号数目,L为GI
中的信号数目,GI是有效的OFDM符号最后相同长度部分的复制.这样,完整的OFDM符号长度为Tu=(N+L)Ts.OFDM符号的循环结构如图1所示.
Ρ+N
∆(NTs)
2
(6)
由于Bessel函数的反函数计算复杂,在实现过程中可以采用查表的方法获得fd.
N
是接收信号的
平均信噪比(SNR).本文提出的算法和其他的多普
勒估计算法一样,都需要得到较为准确的SNR.相应的OFDM系统中的SNR检测方法参见文献[4].
2 仿真与性能分析
利用Candence公司的SPW软件系统对算法进行了仿真,N=2048,L=256,载波频率fc=3.2
.多径信号模型GHz,采样频率fs=1 Ts=10MHz采用的衰落信道中6路多径的参数见表1,表中D
为多径延时,G为衰落系数.仿真假定OFDM已经达到符号同步,OFDM系统中符号同步的算法参见文献[5].
图1 OFDM符号的循环结构
Fig.1 OFDMsymbolstructurewithcyclicpreamble
由图1及式(2)计算接收到的OFDM符号中间隔为NTs的相关部分的归一化自相关函数:
增刊
司 源,等:OFDM移动通信系统中的最大多普勒频移估计
表1 衰落信道中6路多径的参数
45
.1 ParametersofthesixpathsinfadingchannelTab
路径
123456
D Λs
G dB
0.000.310.711.091.732.51
0.0
-1.0-9.0-10.0-15.0-20.0
4heperformanceoftheestimationaboutf
d
可以利用多个OFDM为fd120km h(fd=356,M进行了计算机仿真,,MSE为均方误差.图3可见,随着SNR提高,fd的估计值fd也越准确.在信噪比一定时,随着M的增大,性能提高.
在M
^
100时fd的精度随M变化较大,在M>100情况下.由于M增大M的增加所带来的fd精度的提高较小
^
^
3 结 语
移动OFDM抗多普勒效应干扰需要估计出最
大多普勒频移fd,本文提出了利用OFDM符号已有的循环前缀来估计最大多普勒频移的算法,不需要增加额外的导频或其他资源.在衰落信道下的仿真结果表明,该算法具有较好的性能.通过计算机仿真,给出了较为合适的OFDM符号的观察数目.参考文献:
[1] ClarkeRH.Principleofmobilecommunications[M].
Boston,MA:LluwerAcademicPublishers,1996.[2] Young2ChaiK,GibongJeong.Dopplerspreadestima2
tioninmobilecommunicationsystems[A].VehicularTechnologyConference[C].Vancouver,BC,Canada:IEEE,2002.1941-1945.
[3] HoltzmanJM,SampathA.Adaptiveaveraging
methodologyforhandoffsincellularsystems[J].IEEETransVehicularTechnology,1995,44(1):59-66.
[4] ShoushengHe,TorkelsonM.EffectiveSNRestima2
tioninOFDMsystemsimulation[A].GLOBECOM98[C].Sydney,Australia:IEEE,1998.945-950.[5] 崔小准,胡光锐,陈 豪.一种新的导音辅助OFDM符
号定时算法[J].上海交通大学学报,2003,37(6):805-808.
CUIXiao2zhun,HUGuang2rui,CHENHao.Anovel
pilot2basedsymboltimingalgorithmfororthogonalfrequencydivisionmultiplexing(
OFDM)system[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2003,37(6):805-808.
时,计算复杂度也增大,计算时间较长.所以M=100是比较合适的取值.
图3 M对算法精度的影响曲线图
Fig.3 ImpactoftheM’svalueonthe
performanceofthearithmetic
在M=
100的情况下,对不同的最大多普勒频
^
移进行了检测,以均值作为最后的fd,仿真结果如图4所示.由图4可见,f增大,f
^d
^d
略高于fd,随着信噪比的
接近fd.