文献综述
——LTE 接收机同步的Matlab 实现
班级： 学号： 姓名： 指导教师：
摘要：同步技术是任何一个通信系统能够有效工作的前提，同步性能直接影响着整个通信系统的性能。近年来，基于MIMO+OFDM的LTE 系统得到了广泛发展，针对该系统的同步技术研究也成为热点。
关键词：LTE 小区搜索 同步跟踪 同步性能仿真
引言
LTE(Long Term Evolution)作为3G 技术的演进具有很好的发展趋势，与3G 相比，LTE 具有一系列的技术优势，如：①通信速率更高；②频谱利用率更高；③无线网络时延降低；④兼容性更强。OFDM 技术通过将信道分解为多个正交子信道的方法实现了频率选择性多径衰落信道向平坦衰落信道的转化，有效地减小了多径衰落的影响。MIMO 技术能在空间中产生多个独立的并行信道同时传输数据，在不增加系统带宽的情况下提高了频谱利用率。然而，OFDM+MIMO系统对相位噪声和载波频偏十分敏感。因此，接收机良好的同步性能对于LTE 系统是至关重要的。本设计主要针对现有的各种时间同步及载波频率同步算法进行Matlab 仿真，并对各种同步方法进行评估比较。
正文
1、LTE 技术概述
LTE 技术始于2004年3GPP 的多伦多会议，它是3G 与4G 技术之间的一个过渡。与第三代移动通信相比，3GPP LTE 物理层传输技术、空中接口协议、网络结构等方面都发生了革命性的变化。LTE 系统具有高数据率，低时延，基于全分组等技术特点。LTE 物理层上行传输方案选择了单载波SC-FDMA ，下行链路传输方案定为OFDM 技术[2]。
目前，LTE 公布了两种EUTRA 帧结构[1]：一型帧结构，也称做通用帧结构；二型帧结构，也称做可选帧结构。一型帧结构应用在FDD 模式和TDD 模式下，二型帧只能应用在TDD 模式下。下面主要介绍一型帧结构。
一型帧结构如图1-1所示。
1 无线帧，T =10ms
其中，每个时隙传递的信号被描述为一个
源网格。 个子载波， OFDM 符号的资
2、MIMO-OFDM 技术
2.1 OFDM 技术基本原理[2]
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，它是多载波调制的一种。OFDM 基本原理就是把将信道分成若干个正交子信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，调制到子信道中以相对较低的速度进行传输。正交频分复用技术以其频谱利用率高、抗频率选择性衰落或窄带干扰等优点能够很好地适应上述移动通信的发展趋势[14]。
移动信道是一个时变多径信道，信号从发射到接收会产生时间选择性衰落及频率选择性衰落。OFDM 技术在提高频谱利用率的同时也对子载波间的正交性提出了严格的要求。接收机与发射机之间的载波频偏会破坏子载波之间的正交性从而导致子信道间的信号相互干扰（ICI ）。另外，无线信道的多径时延扩展可能会造成OFDM 符号间的干扰（ISI ）。因此，时频同步对于OFDM 这样的多载波系统是至关重要的。
2.2 MIMO技术简介
多输入多输出（MIMO ）技术是第三代和未来移动通信系统实现高数据速率、大系统容量，提高传输质量的重要技术。在当前第三代移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。但如果在发送端或接收端使用多天线系统，此时的信道容量将随着天线数量的增加而线性增大，同时在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率也成倍地提高。
2.3 MIMO同OFDM 结合的必要性
经研究表明MIMO 和OFDM 技术各有利弊。OFDM 技术是一种具有很多优势的特殊多载波传输方案，但OFDM 提高系统容量的能力毕竟有限。而MIMO 系统利用空间复用技术在理论上可无限提高系统容量，利用空间分集技术可以抗多径衰落，但MIMO
系统对于频率选择性衰落无能为力，因此有必要将两者有效地结合起来。OFDM 与MIMO 技术结合构成的MIMO-OFDM 系统既可以达到很高的传输效率，又有很强的可靠性，其必将成为未来移动通信领域的核心技术。
3、LTE 接收机同步算法概述
同步是传送数据进行可靠恢复的基础，MIMO-OFDM 系统对定时和频偏敏感，因此时域和频率同步特别重要。MIMO-OFDM 系统同步问题包括载波同步、符号（帧）定时同步。
载波频率不同步会破坏子载波间的正交性，不仅造成输出信号幅度衰减及信号相位旋转，更严重是带来ICI ，同时还会影响到符号定时和帧同步的性能。所以载波同步对MIMO-OFDM 系统尤为重要。
符号定时的目的是为了找到FFT 窗的起始位置，使子系统保持正交，且ISI 被完全消除或降至最小。可以采用特殊的训练序列或用循环前缀的相关特性进行符号定时。
帧同步是在OFDM 符号流中找出帧的开始位置，在帧头被检测到的基础上，接收机根据帧结构的定义，以不同方式处理一帧中具有不同作用的符号。
同步可以在时域进行，也可以在频域进行，一般情况下在时域进行同步的粗略估计，在频域进行同步的细估计。根据是否利用辅助数据，同步估计的算法分为：数据辅助型及非数据辅助型[15]。
数据辅助型，即基于导频符号，这类算法的优点是捕获快、精度高，适合分组数据通信，具体的实现是在分组数据包的包头加一个专门用来做定时、频偏估计的
OFDM 训练符号。基于训练符号的同步算法是在时域上将已知信息加入待发OFDM 符号。通常置于OFDM 符号或由多个OFDM 符号构成的帧的前部。训练符号的加入可以同时完成同步和信道估计。而对基于训练符号的同步算法的研究主要是两个方面：训练符号的结构组成和训练符号的码型。
非数据辅助型，它利用OFDM 信号的结构，例如，由于循环前缀使OFDM 的前端与后端有一定的相关性、利用虚子载波来做估计以及利用数据经过成形之后的循环平稳性等方法来做估计。这类同步可充分利用信号本身的特点展开，由于OFDM 符号之间存在循环前缀CP ，考查相隔为N 的两个接收样本点之间的相关性。如果这两个样本点中一个属于前缀，一个属于同一个OFDM 码元之间的复制信息，则两者的相关性较大；如果一个属于CP ，一个属于不相关信息，则两者的相关性较小。
数据辅助型同步算法的频偏估计是通过使用导频符号或训练序列得到的，系统传输速率因而受到了损失，但其估计精度要比非数据辅助型同步算法高很多。
LTE 系统的同步过程主要分为两个阶段[2]：初始同步阶段和同步跟踪阶段。初始同步又叫小区搜索，此阶段的任务是估计和补偿偏差，将其限制在一个很小的范围内。同步跟踪的主要任务是能够锁定并不断跟踪，即获得更高精度的同步。
4、典型时频算法
4.1 定时算法
OFDM 符号前端的循环前缀是末端数据的复制，故循环前缀内的数据与距离它们N （系统子载波数）点的数据相关，符号定时同步可以使用循环前缀与复制信号之间的相关性获得[16]。
常用的算法有最大似然估计，点对点相关估计，分段相关估计等算法。最大似然估计不仅具有较大的均方估计误差，同时其错误概率也比较大。现，点对点相关算法的性能取决于使用的OFDM 符号数M 越大，估计性能越好。最大似然估计和点对点相关估计是分段相关算法的特殊形式。
4.2 载波频率同步算法
载波频率同步是指接收机与发射机载波之间，子载波频率之间的同步。这种同步直接影响到各子载波之间的正交性，同步误差会破坏子载波之间的正交性从而导致无法正确解调。典型LTE OFDM频率偏移算法有：最大似然估计算法，载波频率偏移的时域算法等。
最大似然估计算法假定定时同步已完成，通过发送两个相同的OFDM 块，根据FFT 的性质得到最大似然函数。但这种算法只能估计出±1/2子载波间隔。时域算法主要利用的是信号的相关性。通过相隔不太远的信号在复数域中的相关运算，从而提取出载波频率偏移。
对通用OFDM 系统同步的基本思想是将载波频率偏移分为小数倍载波频偏（Fractional Frequency Offset, FFO ），整数倍载波频偏（Integer Frequency Offset, IFO ），和残留频偏（Residual Frequency Offset，RFO ），它们可以单独的被估计[3]。
结论
MIMO 和 OFDM 结合可以克服无线信道频率选择性衰落、增加系统容量、提高频
谱利用率，成为LTE 中关键技术之一，是当今移动通信领域研究的热点。然而
MIMO-OFDM 系统对定时和频偏敏感，因此时域和频率同步特别重要。目前科学家们提出了很多LTE 系统接收机同步算法，其基本思想都是围绕数据辅助型及非数据辅助型两种思路进行的。选出同步流程初始同步中性能较好的算法通过Matlab 对接收机同步进行仿真实现是极其具有现实意义的。
参考文献
[1] 张克平．LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术[M]．北京：电子工业出版社：
2008．30-34
[2] 郝金梅．LTE 下行OFDM 同步技术研究 [D] ．西安：西安电子科技大学，
2009．20-23
[3] QI WANG, CHRISTIAN MEHLFUHRER, MARKUS RUPP．Carrier Frequency
Synchronization in the Downlink of 3GPP LTE[J]．The 21st Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications．2010．29-32
[4] JUAN MAZARICO, VORNIQUE CAPDEVIEL, AFEF FEKI, VINOD
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[8] 张俊杰，葛万成．Zadoff-Chu 序列在LTE 下行链路频偏估计中的应用[J]．电子技
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[9] MANOLAKIS K., GUTIERREZ ESTEVEZ, DA VID MANUEL, JUNGNICKEL V .,
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[12] A LEXANDRU ANDREESCU, ALEXANDRU GHITA, ANDREI ALEXANDRU
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[13] M . BARTIS, V . MOCANU, A.A. ENESCU, C. Anghel ．Achieving Secondary
Synchronization for downlink in the Long Term Evolution Standard[J]．Electronics and Telecommunications (ISETC), 2010 9th International Symposium on ．Nov. 2010: 129-132．
[14] 陈长兴， 郑洪涛， 巩林玉．基于Matlab 的OFDM 系统仿真与性能分析[J]．通
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[15] 邵佳 董辰辉．MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲．北京：电子工
业出版社：2009．
[16] H ARRI HOLMA, ANTTI TOSKALA ．LTE for UMTS –OFDMA and SC-FDMA
Based Radio Access. Both of Nokia Siemens Networks, Finland．
[17] 陆震．宽带无线MIMO OFDM移动通信系统中的同步和信道估计技术研究．上海：
上海交通大学．2008
[18] 周恩．张兴．下一代宽带无线通信OFDM 与MIMO 技术．北京：人民邮电出版
社．2008
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——LTE 接收机同步的Matlab 实现
班级： 学号： 姓名： 指导教师：
摘要：同步技术是任何一个通信系统能够有效工作的前提，同步性能直接影响着整个通信系统的性能。近年来，基于MIMO+OFDM的LTE 系统得到了广泛发展，针对该系统的同步技术研究也成为热点。
关键词：LTE 小区搜索 同步跟踪 同步性能仿真
引言
LTE(Long Term Evolution)作为3G 技术的演进具有很好的发展趋势，与3G 相比，LTE 具有一系列的技术优势，如：①通信速率更高；②频谱利用率更高；③无线网络时延降低；④兼容性更强。OFDM 技术通过将信道分解为多个正交子信道的方法实现了频率选择性多径衰落信道向平坦衰落信道的转化，有效地减小了多径衰落的影响。MIMO 技术能在空间中产生多个独立的并行信道同时传输数据，在不增加系统带宽的情况下提高了频谱利用率。然而，OFDM+MIMO系统对相位噪声和载波频偏十分敏感。因此，接收机良好的同步性能对于LTE 系统是至关重要的。本设计主要针对现有的各种时间同步及载波频率同步算法进行Matlab 仿真，并对各种同步方法进行评估比较。
正文
1、LTE 技术概述
LTE 技术始于2004年3GPP 的多伦多会议，它是3G 与4G 技术之间的一个过渡。与第三代移动通信相比，3GPP LTE 物理层传输技术、空中接口协议、网络结构等方面都发生了革命性的变化。LTE 系统具有高数据率，低时延，基于全分组等技术特点。LTE 物理层上行传输方案选择了单载波SC-FDMA ，下行链路传输方案定为OFDM 技术[2]。
目前，LTE 公布了两种EUTRA 帧结构[1]：一型帧结构，也称做通用帧结构；二型帧结构，也称做可选帧结构。一型帧结构应用在FDD 模式和TDD 模式下，二型帧只能应用在TDD 模式下。下面主要介绍一型帧结构。
一型帧结构如图1-1所示。
1 无线帧，T =10ms
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2、MIMO-OFDM 技术
2.1 OFDM 技术基本原理[2]
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，它是多载波调制的一种。OFDM 基本原理就是把将信道分成若干个正交子信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，调制到子信道中以相对较低的速度进行传输。正交频分复用技术以其频谱利用率高、抗频率选择性衰落或窄带干扰等优点能够很好地适应上述移动通信的发展趋势[14]。
移动信道是一个时变多径信道，信号从发射到接收会产生时间选择性衰落及频率选择性衰落。OFDM 技术在提高频谱利用率的同时也对子载波间的正交性提出了严格的要求。接收机与发射机之间的载波频偏会破坏子载波之间的正交性从而导致子信道间的信号相互干扰（ICI ）。另外，无线信道的多径时延扩展可能会造成OFDM 符号间的干扰（ISI ）。因此，时频同步对于OFDM 这样的多载波系统是至关重要的。
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3、LTE 接收机同步算法概述
同步是传送数据进行可靠恢复的基础，MIMO-OFDM 系统对定时和频偏敏感，因此时域和频率同步特别重要。MIMO-OFDM 系统同步问题包括载波同步、符号（帧）定时同步。
载波频率不同步会破坏子载波间的正交性，不仅造成输出信号幅度衰减及信号相位旋转，更严重是带来ICI ，同时还会影响到符号定时和帧同步的性能。所以载波同步对MIMO-OFDM 系统尤为重要。
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同步可以在时域进行，也可以在频域进行，一般情况下在时域进行同步的粗略估计，在频域进行同步的细估计。根据是否利用辅助数据，同步估计的算法分为：数据辅助型及非数据辅助型[15]。
数据辅助型，即基于导频符号，这类算法的优点是捕获快、精度高，适合分组数据通信，具体的实现是在分组数据包的包头加一个专门用来做定时、频偏估计的
OFDM 训练符号。基于训练符号的同步算法是在时域上将已知信息加入待发OFDM 符号。通常置于OFDM 符号或由多个OFDM 符号构成的帧的前部。训练符号的加入可以同时完成同步和信道估计。而对基于训练符号的同步算法的研究主要是两个方面：训练符号的结构组成和训练符号的码型。
非数据辅助型，它利用OFDM 信号的结构，例如，由于循环前缀使OFDM 的前端与后端有一定的相关性、利用虚子载波来做估计以及利用数据经过成形之后的循环平稳性等方法来做估计。这类同步可充分利用信号本身的特点展开，由于OFDM 符号之间存在循环前缀CP ，考查相隔为N 的两个接收样本点之间的相关性。如果这两个样本点中一个属于前缀，一个属于同一个OFDM 码元之间的复制信息，则两者的相关性较大；如果一个属于CP ，一个属于不相关信息，则两者的相关性较小。
数据辅助型同步算法的频偏估计是通过使用导频符号或训练序列得到的，系统传输速率因而受到了损失，但其估计精度要比非数据辅助型同步算法高很多。
LTE 系统的同步过程主要分为两个阶段[2]：初始同步阶段和同步跟踪阶段。初始同步又叫小区搜索，此阶段的任务是估计和补偿偏差，将其限制在一个很小的范围内。同步跟踪的主要任务是能够锁定并不断跟踪，即获得更高精度的同步。
4、典型时频算法
4.1 定时算法
OFDM 符号前端的循环前缀是末端数据的复制，故循环前缀内的数据与距离它们N （系统子载波数）点的数据相关，符号定时同步可以使用循环前缀与复制信号之间的相关性获得[16]。
常用的算法有最大似然估计，点对点相关估计，分段相关估计等算法。最大似然估计不仅具有较大的均方估计误差，同时其错误概率也比较大。现，点对点相关算法的性能取决于使用的OFDM 符号数M 越大，估计性能越好。最大似然估计和点对点相关估计是分段相关算法的特殊形式。
4.2 载波频率同步算法
载波频率同步是指接收机与发射机载波之间，子载波频率之间的同步。这种同步直接影响到各子载波之间的正交性，同步误差会破坏子载波之间的正交性从而导致无法正确解调。典型LTE OFDM频率偏移算法有：最大似然估计算法，载波频率偏移的时域算法等。
最大似然估计算法假定定时同步已完成，通过发送两个相同的OFDM 块，根据FFT 的性质得到最大似然函数。但这种算法只能估计出±1/2子载波间隔。时域算法主要利用的是信号的相关性。通过相隔不太远的信号在复数域中的相关运算，从而提取出载波频率偏移。
对通用OFDM 系统同步的基本思想是将载波频率偏移分为小数倍载波频偏（Fractional Frequency Offset, FFO ），整数倍载波频偏（Integer Frequency Offset, IFO ），和残留频偏（Residual Frequency Offset，RFO ），它们可以单独的被估计[3]。
结论
MIMO 和 OFDM 结合可以克服无线信道频率选择性衰落、增加系统容量、提高频
谱利用率，成为LTE 中关键技术之一，是当今移动通信领域研究的热点。然而
MIMO-OFDM 系统对定时和频偏敏感，因此时域和频率同步特别重要。目前科学家们提出了很多LTE 系统接收机同步算法，其基本思想都是围绕数据辅助型及非数据辅助型两种思路进行的。选出同步流程初始同步中性能较好的算法通过Matlab 对接收机同步进行仿真实现是极其具有现实意义的。
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