基于OFDMA的WiMAX測距中的上行載波頻偏估計算法研究

周琳凱，李晴飛，周井泉

（1.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210003；2.南京郵電大學(xué)，南京 210003）

1 引言

寬帶無線接入（BWA）系統(tǒng)為無線高速通信提供了靈活易部署的解決方案，802.16e便是符合這些特性所開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也被稱作WiMAX[1]。OFDMA的物理層（PHY）是支持WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的物理層（PHY）之一。OFDMA像它的前身OFDM 一樣具有眾多優(yōu)點，也繼承了OFDM對符號定時頻偏（STO）和載波頻偏（CFO）敏感的弱點。符號定時頻偏（STO）是由于用戶站（SS）和基站（BS）之間的往返延遲所產(chǎn)生的，這直接導(dǎo)致了符號間干擾（ISI）的產(chǎn)生。載波頻偏（CFO）是由于多普勒效應(yīng)或者較差的晶振所引起的[2]。這種情況下，不同子載波的正交性將受到破壞，從而導(dǎo)致了載波間干擾（ICI）以及多用戶干擾（MUI）。本文基于偽噪聲（PN）序列在時域和頻域的相關(guān)性，提出兩種分別基于OFDMA WiMAX系統(tǒng)的初始測距和周期測距的CFO估計方法。

2 算法的提出及實現(xiàn)

2.1 算法的提出

信號模型主要基于IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)?？紤]具有N個子載波的OFDMA上行鏈路系統(tǒng)，在WiMAX 測距中，初始測距（IR）和切換測距（HO）使用相同的信號結(jié)構(gòu)，周期性測距（PR）和帶寬請求測距（BR）使用另一種信號結(jié)構(gòu)，本文只討論IR和PR。對于初始測距，在由兩個OFDMA符號組成的一個測距時隙期內(nèi)，在測距信道中調(diào)制和發(fā)送具有長度為R的相同測距碼。對于周期性測距，RSS在測距子信道上調(diào)制三個連續(xù)的測距碼，周期為三個OFDMA符號（每個符號一個碼），此外，選擇一組偽噪聲（PN）序列作為測距碼[3，4]。

頻率偏移將導(dǎo)致兩個相鄰的接收采樣之間的相位旋轉(zhuǎn)，并且將導(dǎo)致兩個連續(xù)的重復(fù)符號之間的相同子載波。在此采用PN碼的相關(guān)性來提取所需的測距用戶，同時抑制其他測距用戶和數(shù)據(jù)用戶的干擾信號[5，6]然后分別通過比較時域和頻域的相位來估計CFO。

假設(shè)NR小于初始測距碼Nc的數(shù)量，并且所有由RSS發(fā)射的測距碼不相同。

2.2 時域互相關(guān)法

在本節(jié)中，基于參考文獻(xiàn)[7]中的碼檢測結(jié)果和STO估計，提出了一種多用戶CFO估計算法。它使用接收信號和時域參考測距信號之間的互相關(guān)的相位旋轉(zhuǎn)。其互相關(guān)可表述為：

假設(shè)測距用戶在AWGN信道下，可以得到第i個測距用戶的接收信號為：

第i個測距用戶的載波頻偏為：

在使用參考文獻(xiàn)[7]中的方法進(jìn)行時偏糾正后，假設(shè)沒有其他顯著的相位失真。對于第i個測距用戶，之間的相位旋轉(zhuǎn)可以寫為：

相對于周期測距，因為所提出的時域互相關(guān)方法只需要一個OFDM符號，所以上述方法完全適用。

2.3 頻域互相關(guān)法

本節(jié)提出了一種新穎的CFO估計算法，如圖1所示，所有測距用戶的STO首先通過使用頻域互相關(guān)方法進(jìn)行估計的[8]。然后，將所有STO的估計值提供給CFO估計器，以估算所有測距用戶的CFO。最后，通過將第一FFT窗和的復(fù)共軛乘以第二FFT 窗的和來估計每個測距用戶的CFO。在初始測距中，通過重復(fù)第一個測距符號來創(chuàng)建第二個測距符號。假設(shè)在兩個OFDMA符號的傳輸期間信道是恒定的，這對應(yīng)于射頻信道中的 慢衰落 。在不考慮RSS的傳輸延遲的情況下，接收的測距信號具有以下特征：

圖1 提出的初始測距中頻偏估計算法圖示

去除CP以及進(jìn)行FFT處理之后，測距時隙中的接收信號y（n）已經(jīng)轉(zhuǎn)換成頻域信號ym（k），m=0，1。通過推導(dǎo)可以得到在初始測距中第i個測距用戶的CFO為：

通過類似的分析及推導(dǎo)可以得到周期測距中第i個測距用戶的CFO為：

比較式（9）中的初始測距方法和式（10）中周期性測距的方法，在處理方面將只有微小的差異。

對于周期性測距信道，應(yīng)刪除第一個和第二個OFDM符號之間的CP；在周期性測距的CFO估計中，當(dāng)頻域相關(guān)時，兩個連續(xù)符號將使用的不同測距碼；在周期性測距的CFO估計中，為了計算歸一化CFOξ（i），應(yīng)使用因子1/2π（1+g）而不是1/2π。因此，提出的頻域互相關(guān)的CFO估計方法可用于初始測距和周期測距場景。

本節(jié)提出了兩種CFO估計方法?？傊l域中的互相關(guān)過程相對于時域互相關(guān)過程具有兩個優(yōu)勢：一是測距信道不會再有來自同步DSS的信道的干擾，因為它們在頻域上是正交的；二是該方法更好地利用了頻域最初發(fā)送的PN碼的自相關(guān)/互相關(guān)屬性[9]。

3 性能仿真

在仿真中，OFDMA系統(tǒng)參數(shù)選自參考文獻(xiàn)[9]。上行鏈路帶寬為3MHz，子載波頻率間隔f為3.28kHz，N=1024。對于DSS選擇QPSK。對于時間彌散的信道，使用IEEE 802.16工作組定義的SUI信道模型來評估寬帶固定無線應(yīng)用。在我們的模擬中考慮具有三條路徑的SUI-3信道模型。采樣間隔信道抽頭的數(shù)量L設(shè)置為4。不同用戶的頻道是獨立生成的[10]。考慮一個5千米的單元半徑，其最大傳輸延遲（往返）dR，max≈34μs=144采樣樣本。為滿足條件dR，max

圖2 AWGN信道下

圖2中，在AWGN信道下，SNR=20db時，RSS數(shù)量變化時，歸一化CFO估計RMSE性能。

圖3 SUI-3時間彌散信道下

圖3中，在SUI-3時間彌散信道下，SNR=20db 時，RSS數(shù)量變化時，歸一化CFO估計RMSE性能。

從圖2可以看出，對于DSS的干擾，頻域互相關(guān)方法比時域互相關(guān)法魯棒性更好。當(dāng)存在由STO 估計誤差引起的殘余定時偏移時，時域互相關(guān)方法的NRMSE性能將下降，不能滿足系統(tǒng)要求。然而，本文所提出的頻域互相關(guān)方法仍然具有更好的性能，并且對于剩余定時偏移具有更好的魯棒性。

圖3中的誤差清楚地表明了與AWGN信道中的相應(yīng)曲線相比，時間彌散信道的性能將下降。此外，時域互相關(guān)法不能滿足系統(tǒng)要求。對于頻域互相關(guān)法，為了滿足歸一化CFO必須小于2%的系統(tǒng)要求，在沒有殘余STO的情況下，一個測距時隙中的RSS數(shù)不能大于8，而在存在殘余STO的情況下為不大于2。由于3個或更多個RSS選擇相同測距時隙的概率較小[9]，所以我們提出的頻域互相關(guān)方法也適用于時間彌散信道。

4 結(jié)束語

本文提出了兩種用于基于OFDMA的WiMAX 初始測距和周期測距的多用戶CFO估計算法，算法分別基于時域和頻域中PN碼的相關(guān)性，對AWGN 信道和時間彌散信道進(jìn)行NRMSE性能評估。仿真結(jié)果表明，同時頻域互相關(guān)方法對于其他測距用戶和數(shù)據(jù)用戶的干擾具有更好的魯棒性，并且在多徑衰落信道上以及存在剩余定時頻偏的情況下，表現(xiàn)優(yōu)于時域互相關(guān)方法。因此，所提出的算法可以用于實際的WiMAX BS接收機(jī)和其他基于OFDMA 的無線系統(tǒng)中。

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