標簽：MIMO-OFDM系統(tǒng) 幀同步

0 引言

正交頻分復用(OFDM)是一種多載波傳輸方案，它的特點是各子載波相互正交，擴頻調制后頻譜可以相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)能夠很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾。MIMO(多人多出)是一種革命性的天線技術。MIMO系統(tǒng)的特點是將多徑傳播變?yōu)橛欣蛩亍Ｋ行У厥褂秒S機衰落及多徑時延擴展，在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，不僅可以利用MIMO信道提供的空間復用增益提高信道的容量，同時還可以利用。MIMO信道提供的空間分集增益提高信道的可靠性，降低誤碼率。而MIMO技術和OFDM技術的結合可以在不需要增加帶寬和傳輸功率的前提下提高數據傳輸速率，使高速無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。因此MIMO-OFDM技術被廣泛應用于Beyond 3G等先進移動通信系統(tǒng)中。

同步是當前MIMO-OFDM系統(tǒng)研究的關鍵技術之一。隨著天線數目與用戶數目的逐漸增加，發(fā)射天線增多導致發(fā)射信號不但受到ISI與ICI干擾，還有天線間干擾，無線信道不確定性增加，導致MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步在實現(xiàn)中比起SISO-OFDM系統(tǒng)要困難得多。目前研究MIMO-OFDM同步的文獻還很少，因此研究適用于高速多天線系統(tǒng)的同步是十分必要的。到目前為止，已有大量文獻對OFDM系統(tǒng)的同步技術進行研究，大致分為基于循環(huán)前綴和基于訓練序列2種，其中用得比較多的是Schmidl和Tufvesson等人提出的基于訓練序列的同步算法，被廣泛應用于各種高速無線通信系統(tǒng)中。但他們都沒有給出同步中關鍵參數——同步判決門限的設置方法，是不完備的，因此本文在他們的基礎上進行改進，提出了一種有效的門限設置方法。

1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

若系統(tǒng)發(fā)送天線數為Q，接收天線數為L，考慮不同發(fā)送天線到不同接收天線傳輸時延不同帶來的影響時，MIMO-OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示。

設IFFT長度為N，經N點IFFT變換后輸出的信號進行加循環(huán)擴展操作，循環(huán)擴展長度G應大于最大時延擴展以避免符號間干擾，然后將信號通過AD變換轉化為模擬信號，再通過上變頻轉化為射頻信號發(fā)送至空中;經信道傳輸后，將接收采樣信號經過下變頻及DA變換轉換為數字基帶信號，在數字域對每個發(fā)送接收天線對進行定時同步，再將已同步信號經去循環(huán)擴展后進行N點的FFT變換。

設Si(k)，i=1，…Q為第i根天線的發(fā)送信號，在不考慮頻率偏移的條件下，第i根接收天線接收到的信號可以表示為：

其中wj(k)表示均值為0的加性高斯白噪聲(AWGN)，對于不同的i、k、j不相關。Hij(k)為第i根發(fā)送天線到第j根接收天線第k個子載波上的信道沖激相應。dij是第i根發(fā)送天線到第j根接收天線的傳輸時延。

2 各種同步算法介紹

同步技術包括幀同步和載波頻率同步，在OFDM系統(tǒng)中，接收機需首先確定接收OFDM符號的起始時刻，然后估計接收機與發(fā)射機之間的載波頻率偏移，進行載波頻率偏移補償，最后進行FFT解調。如果不達到準確的幀同步，引起的符號誤差將造成FFT窗口錯位，導致符號間干擾，使接收端無法正確接收數據。

OFDM同步方法可分為數據輔助的同步方法和盲同步方法。數據輔助同步方法需訓練序列，這降低了數據傳輸效率，但這類方法有估計精度高的優(yōu)點，一般其計算復雜度較低。在數據輔助的同步方法中，較早的一篇是Classen提出的，文中利用散布在OFDM符號中導頻進行頻率粗同步和精同步，其粗同步是在一定范圍內進行盲搜索，計算量很大。后來Schmidl對此方法進行了改進，Schmidl利用的是2個OFDM符號作訓練序列進行時間和頻率同步，第1個符號的前一半和后一半相同，可用于時間同步和頻率精同步，利用前后2個符號間關系進行頻率粗同步。Schmidl提出的時間同步方法中，時間同步的目標函數頂部比較平坦，同步不很精確。Tufvesson提出了基于PN序列的時間同步算法，利用本地預存的PN序列與接收數據做相關尋找最大值的方法獲得時間同步信息。此方法的優(yōu)點是精確度比較高，可同時獲得粗同步和細同步。本文將在不改變發(fā)送端發(fā)送的訓練序列的基礎上，在接收端的關鍵參數上進行改進以獲得更好的性能。

盲同步方法主要有Van de Beek等人提出的利用循環(huán)前綴的時間和頻率同步方法，后人大部分也是在此基礎上進行改進。由于循環(huán)前綴是用于抗多徑時域擴展的，利用它作同步不需增加新的開銷，這提高了系統(tǒng)帶寬效率。盲同步方法不需額外數據作訓練序列，它有帶寬效率高的優(yōu)點，但盲同步方法一般有計算復雜度高的缺點，且在多徑衰落信道中，CP極易受到多徑干擾，破壞OFDM符號的周期特性。本文討論基于同步訓練序列的幀同步算法，其利用本地訓練序列和接收碼字序列進行相關獲得時間同步的信息，在多徑衰落信道中具有更為精確的同步估計性能。

3 基于訓練序列的幀同步

幀同步即是要尋找OFDM幀起始位置。傳統(tǒng)基于訓練序列的幀同步算法流程如圖2所示。發(fā)送端先發(fā)送一個一定長度的訓練序列，一般為PN序列，MIMO-OFDM系統(tǒng)中這個訓練序列可選取為互相關性好的GOLD序列。接收端在每幀數據到來時截取一個搜索窗(在一定范圍內搜索)，搜索窗的大小可根據芯片的處理能力以及接收數據的采樣速率選取，設搜索窗大小為F。首先，以搜索窗內的第1個采樣相位點作為數據的起始點，將接收數據與預先存儲的本地同步訓練序列IFFT變換結果{C(k)}的共軛序列做相關運算即累加求和，然后滑動至下一個相位點求相關值，依此類推，在搜索窗內總共可以得到F個相關結果。設接收序列為{R(n)}，則第d個相關值可通過公式

計算產生。將F個相關結果求平方后，找出最大值，與門限相比較，比門限大的相關值對應的碼元位置即為幀起始位置。