一種改進(jìn)的B3G MIMO-OFDM系統的幀同步方法

　　0 引言

　　正交頻分復用(OFDM)是一種多載波傳輸方案，它的特點(diǎn)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(xiàn)技術(shù)。MIMO系統的特點(diǎn)是將多徑傳播變?yōu)橛欣蛩?。它有效地使用隨機衰落及多徑時(shí)延擴展，在不增加頻譜資源和天線(xiàn)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(shí)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(shù)和OFDM技術(shù)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(wú)線(xiàn)通信系統的實(shí)現成為可能。因此MIMO-OFDM技術(shù)被廣泛應用于Beyond 3G等先進(jìn)移動(dòng)通信系統中。

　　同步是當前MIMO-OFDM系統研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著(zhù)天線(xiàn)數目與用戶(hù)數目的逐漸增加，發(fā)射天線(xiàn)增多導致發(fā)射信號不但受到ISI與ICI干擾，還有天線(xiàn)間干擾，無(wú)線(xiàn)信道不確定性增加，導致MIMO-OFDM系統的同步在實(shí)現中比起SISO-OFDM系統要困難得多。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(xiàn)系統的同步是十分必要的。到目前為止，已有大量文獻對OFDM系統的同步技術(shù)進(jìn)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(wú)線(xiàn)通信系統中。但他們都沒(méi)有給出同步中關(guān)鍵參數——同步判決門(mén)限的設置方法，是不完備的，因此本文在他們的基礎上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種有效的門(mén)限設置方法。

　　1 MIMO-OFDM系統模型

　　若系統發(fā)送天線(xiàn)數為Q，接收天線(xiàn)數為L(cháng)，考慮不同發(fā)送天線(xiàn)到不同接收天線(xiàn)傳輸時(shí)延不同帶來(lái)的影響時(shí)，MIMO-OFDM系統模型如圖1所示。

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

　　設Si(k)，i=1，…Q為第i根天線(xiàn)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(xiàn)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(guān)。Hij(k)為第i根發(fā)送天線(xiàn)到第j根接收天線(xiàn)第k個(gè)子載波上的信道沖激相應。dij是第i根發(fā)送天線(xiàn)到第j根接收天線(xiàn)的傳輸時(shí)延。

　　2 各種同步算法介紹

　　同步技術(shù)包括幀同步和載波頻率同步，在OFDM系統中，接收機需首先確定接收OFDM符號的起始時(shí)刻，然后估計接收機與發(fā)射機之間的載波頻率偏移，進(jìn)行載波頻率偏移補償，最后進(jìn)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(wú)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(lèi)方法有估計精度高的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行頻率粗同步和精同步，其粗同步是在一定范圍內進(jìn)行盲搜索，計算量很大。后來(lái)Schmidl對此方法進(jìn)行了改進(jìn)，Schmidl利用的是2個(gè)OFDM符號作訓練序列進(jìn)行時(shí)間和頻率同步，第1個(gè)符號的前一半和后一半相同，可用于時(shí)間同步和頻率精同步，利用前后2個(gè)符號間關(guān)系進(jìn)行頻率粗同步。Schmidl提出的時(shí)間同步方法中，時(shí)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(shí)間同步算法，利用本地預存的PN序列與接收數據做相關(guān)尋找最大值的方法獲得時(shí)間同步信息。此方法的優(yōu)點(diǎn)是精確度比較高，可同時(shí)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(guān)鍵參數上進(jìn)行改進(jìn)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(shí)間和頻率同步方法，后人大部分也是在此基礎上進(jìn)行改進(jìn)。由于循環(huán)前綴是用于抗多徑時(shí)域擴展的，利用它作同步不需增加新的開(kāi)銷(xiāo)，這提高了系統帶寬效率。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(diǎn)，但盲同步方法一般有計算復雜度高的缺點(diǎn)，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(jìn)行相關(guān)獲得時(shí)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(gè)一定長(cháng)度的訓練序列，一般為PN序列，MIMO-OFDM系統中這個(gè)訓練序列可選取為互相關(guān)性好的GOLD序列。接收端在每幀數據到來(lái)時(shí)截取一個(gè)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(gè)采樣相位點(diǎn)作為數據的起始點(diǎn)，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(guān)運算即累加求和，然后滑動(dòng)至下一個(gè)相位點(diǎn)求相關(guān)值，依此類(lèi)推，在搜索窗內總共可以得到F個(gè)相關(guān)結果。設接收序列為{R(n)}，則第d個(gè)相關(guān)值可通過(guò)公式

　　計算產(chǎn)生。將F個(gè)相關(guān)結果求平方后，找出最大值，與門(mén)限相比較，比門(mén)限大的相關(guān)值對應的碼元位置即為幀起始位置。

　　最后引入鎖幀處理，當某一定時(shí)位置在連續出現一定次數時(shí)，則設此定時(shí)位置為鎖定的幀起始位置，并設此時(shí)的鎖幀狀態(tài)為鎖定;在鎖幀狀態(tài)為鎖定時(shí)，若出現與鎖定的定時(shí)位置不同的定時(shí)值時(shí)，更改鎖幀狀態(tài)為未鎖定，并記錄出現不同定時(shí)值的次數，當其達到一定次數時(shí)，清除鎖定的定時(shí)值，重新開(kāi)始搜索幀頭。

　　4 幀頭判決門(mén)限方案及仿真結果

　　由于OFDM有循環(huán)前綴保護，故尋找的幀起始位置只要在循環(huán)前綴范圍內即可。故MIMO-OFDM系統對于幀同步精確性的要求不是很高，但是對穩定性和快速性要求很高，如果達不到穩定的時(shí)間同步，后面的FFT等一系列數據處理過(guò)程就會(huì )受到影響，從而極大地影響整個(gè)系統的性能。故穩定的時(shí)間同步對整個(gè)MIMO-OFDM系統顯得更加重要。由于信道的時(shí)變特性和多徑衰落的影響，給幀同步的穩定性帶來(lái)很大的困難，因此需要在前人的基礎上加入一種新的機制，來(lái)保證同步的穩定性。而這個(gè)幀頭判決門(mén)限是影響穩定性的主要因素。

　　傳統的同步算法常采用固定的相關(guān)門(mén)限作為幀頭的判決門(mén)限，但在多天線(xiàn)系統中，多根發(fā)送天線(xiàn)的發(fā)送信號均到達同一接收天線(xiàn)，加之無(wú)線(xiàn)信道對多根天線(xiàn)進(jìn)行不相關(guān)衰落，將造成接收信號的更為嚴重、更加快速的衰落，因此采用傳統的固定門(mén)限將導致同步虛警與誤警率的成倍增加。引入自適應的判決門(mén)限可以對接收信號的衰落進(jìn)行自適應的調節，將使同步性能得以提高。Tufvesson的同步方法中僅僅提到這個(gè)判決門(mén)限應該是變化的，沒(méi)有給出具體方法。此處，給出一種利用相關(guān)能量確定判決門(mén)限的方法，即搜索窗內，比所有相關(guān)能量均值的Pthreshold倍要大的最大值判為幀起始位置，此方案得到的是主徑的位置。

　　式中，F為搜索窗大小，Λ(d)為接收序列與本地序列的相關(guān)結果，Pthreshold為門(mén)限系數。計算時(shí)可把分母與門(mén)限系數相乘作為門(mén)限與最大相關(guān)值比較。由于相關(guān)值的均值是隨信道變化而變化的，接收信號幅度大時(shí)這個(gè)均值也會(huì )大，接收信號幅度小時(shí)這個(gè)均值也會(huì )小，因此這個(gè)門(mén)限是隨接收信號幅度變化而自適應變化的，因此可以有效地對抗無(wú)線(xiàn)信道的碼間干擾和多徑。實(shí)際實(shí)現中，由于相關(guān)結果Λ(d)已經(jīng)計算出來(lái)，F也可以乘到不等式右邊，因此只需要計算每個(gè)搜索窗內F個(gè)相關(guān)能量值的和即可，故此方案不會(huì )增加實(shí)現復雜度。

　　LTE信道下，車(chē)速3 km/h和120 km/h，幀同步范圍Range為5(幀頭±5點(diǎn)范圍內算同步上)，門(mén)限取30、40、50時(shí)的性能如圖3所示。由此可知，無(wú)論是低速或高速，門(mén)限系數取30比40和50正確檢測概率要高，且信噪比在2 dB以上時(shí)，門(mén)限系數30可使正確檢測概率達到1。圖4是門(mén)限取30時(shí)不同的同步范圍的誤檢概率，可見(jiàn)當同步范圍取5時(shí)，可使誤檢概率為0。由此可見(jiàn)此方案更適用于未來(lái)高速移動(dòng)通信的高車(chē)速環(huán)境。實(shí)際中，門(mén)限取30、Range取5的方案已經(jīng)在載頻為3.41 GHz、最高速率達100 Mbps的B3G-TDD MIMO-OFDM硬件平臺中得到實(shí)現。

　　5 結束語(yǔ)

　　MIMO-OFDM系統作為當前高速通信的備選方案已越來(lái)越多地受到關(guān)注，隨著(zhù)天線(xiàn)數和用戶(hù)數的增加，幀同步在實(shí)現中也越來(lái)越困難。本文在前人算法基礎上，提出一種自適應門(mén)限的幀頭判決方案，使算法更加完善，且在不增加系統復雜度的前提下獲得很好的性能，適用于Beyond 3G等未來(lái)高速移動(dòng)通信系統。