基于互模糊函数的LTE-A时频同步技术研究

With the increasing demand of a wide variety of high-mobility service，LTE-A is faced with a new challenge of time-frequency synchronization to guarantee the netwok coverage and quality of communication. An in-depth investigation of dowlink/uplink time-frequency synchronization methods is implemented in this proposal. With the introduction of cross ambiguity function(CAF) and the analyses of the CAF charactersics of synchronization signals in LTE R8/R9, a novel CAF energy detection based metric is proposed for time and frequency offset estimation, which can be applied to the estimation of large Doppler shift, the residual timing offset, the residual fractional frequency offset and so on. The primary contributions included in this proposal are summarized below: 1) A novel time-frequency synchronization scheme for high-mobility LTE-A is propose; 2) The training design and a synchrozation algorithm for uplink LTE-A are proposed; 3) A low-complexity CAF-based fractional frequency offset estimation algorithm using the local interpolation methods is proposed. The results are the key prerequisite of the stable service of LTE-A in high-speed environments, and provide theoretical support for high-capacity and large-coverage next-generation wirless communicatons.

随着人们对高速移动状态下多种移动通信业务需求的迅猛增长，如何在高速移动环境下保持时频同步以保证网络覆盖和通信质量已成为新的技术挑战。本课题面向典型LTE-A 下/上行场景，对高速移动环境下LTE-A 下/上行时频同步方法开展研究。通过将互模糊函数引入时频同步，并分别依据LTE R8/R9 协议中规定的同步信号格式及其自/互模糊函数特性，构建适用于LTE-A 同步信号的时频偏估计度量函数，为多用户下大多普勒频偏估计、残余时偏估计、残余小数倍频偏估计等关键问题提供切实、高效的方案，主要创新点包括：1)提出高速移动环境下LTE-A 下/上行时频同步方案；2)提出多用户上行同步训练序列设计和同步算法；3)提出一种低复杂度的基于局部互模糊函数插值的小数倍频偏估计算法。研究结果是保障LTE-A 在高速移动环境下的系统稳定与业务提供的前提和关键，为构建下一代大容量、广覆盖的无线通信网提供必要的理论支撑。

摘要.本项目针对高速移动状态下迅猛增长的移动通信业务需求下信道环境复杂、频偏范围大、稳定性要求高等挑战，开展基于互模糊函数的LTE-A时频同步技术研究。所取得的主要研究成果有：1.针对互模糊函数与自模糊函数之间的关系进行了数学推导，利用二者之间的内在联系对理想“图钉型”互模糊函数进行研究与分析，并在此基础上提出了一种基于互模糊函数能量检测的整数倍频偏估计的度量函数；2.考虑互模糊函数在时域构造与频域构造的等价性，利用FFT操作以及采用时域信号构造互模糊函数，可以降低上述度量函数的计算复杂度；3.对理想自模糊函数下的整数倍频偏估计性能进行了理论推导，同时给出了各种典型信道下的理论值与仿真值，通过对整数倍频偏估计误判概率的仿真实验并与现有经典算法进行比较，验证了该度量函数的有效性；4.针对系统残余时偏对整数倍频偏估计的影响，利用互模糊函数构造出一种新的时延-频偏二维平面上搜索的度量函数，一方面保证了算法对残余时偏的鲁棒性，另一方面也延续了模糊函数框架的低复杂度特性。由此发展的基于互模糊函数二维搜索的整数倍频偏和残余时偏估计算法，可有效地推广至同时存在残余小数倍频偏和残余时偏的系统中；5.提出了一种基于Chu序列互模糊函数零切片的整数倍频偏与信道参数联合估计算法。该算法利用了Chu序列所内蕴的独特的自模糊函数特性，并结合Chu序列互模糊函数Doppler切片的特殊性质，仅使用零切片即可完成整数倍频偏估计与信道估计，具有较低的复杂度以及对多径信道的鲁棒性；6.本项目提出一种基于局部插值互模糊函数的残余小数倍频偏估计算法对残余小数倍频偏进行二次估计，进一步减少残余频偏估计对系统的影响。本项目的研究成果将为高速移动环境下稳定的通信业务提供的前提和保障，为构建下一代大容量、广覆盖的无线通信网提供理论与技术支撑。