一種改進(jìn)的B3G MIMO-OFDM系統(tǒng)的幀同步方法

　　0 引言

　　正交頻分復(fù)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(kuò)頻調(diào)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(duì)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(shù)。MIMO系統(tǒng)的特點(diǎn)是將多徑傳播變?yōu)橛欣蛩?。它有效地使用隨機(jī)衰落及多徑時(shí)延擴(kuò)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(fù)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(jié)合可以在不需要增加帶寬和傳輸功率的前提下提高數(shù)據(jù)傳輸速率，使高速無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。因此MIMO-OFDM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于Beyond 3G等先進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)中。

　　同步是當(dāng)前MIMO-OFDM系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著天線數(shù)目與用戶數(shù)目的逐漸增加，發(fā)射天線增多導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)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(dǎo)致MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步在實(shí)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(xiàn)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(xiàn)對(duì)OFDM系統(tǒng)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(xùn)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(xùn)練序列的同步算法，被廣泛應(yīng)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(guān)鍵參數(shù)——同步判決門限的設(shè)置方法，是不完備的，因此本文在他們的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種有效的門限設(shè)置方法。

　　1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

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

　　設(shè)IFFT長(zhǎng)度為N，經(jīng)N點(diǎn)IFFT變換后輸出的信號(hào)進(jìn)行加循環(huán)擴(kuò)展操作，循環(huán)擴(kuò)展長(zhǎng)度G應(yīng)大于最大時(shí)延擴(kuò)展以避免符號(hào)間干擾，然后將信號(hào)通過AD變換轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，再通過上變頻轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)發(fā)送至空中;經(jīng)信道傳輸后，將接收采樣信號(hào)經(jīng)過下變頻及DA變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)，在數(shù)字域?qū)γ總€(gè)發(fā)送接收天線對(duì)進(jìn)行定時(shí)同步，再將已同步信號(hào)經(jīng)去循環(huán)擴(kuò)展后進(jìn)行N點(diǎn)的FFT變換。

　　設(shè)Si(k)，i=1，…Q為第i根天線的發(fā)送信號(hào)，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(hào)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(duì)于不同的i、k、j不相關(guān)。Hij(k)為第i根發(fā)送天線到第j根接收天線第k個(gè)子載波上的信道沖激相應(yīng)。dij是第i根發(fā)送天線到第j根接收天線的傳輸時(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(tǒng)中，接收機(jī)需首先確定接收OFDM符號(hào)的起始時(shí)刻，然后估計(jì)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的載波頻率偏移，進(jìn)行載波頻率偏移補(bǔ)償，最后進(jìn)行FFT解調(diào)。如果不達(dá)到準(zhǔn)確的幀同步，引起的符號(hào)誤差將造成FFT窗口錯(cuò)位，導(dǎo)致符號(hào)間干擾，使接收端無法正確接收數(shù)據(jù)。

　　OFDM同步方法可分為數(shù)據(jù)輔助的同步方法和盲同步方法。數(shù)據(jù)輔助同步方法需訓(xùn)練序列，這降低了數(shù)據(jù)傳輸效率，但這類方法有估計(jì)精度高的優(yōu)點(diǎn)，一般其計(jì)算復(fù)雜度較低。在數(shù)據(jù)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(hào)中導(dǎo)頻進(jìn)行頻率粗同步和精同步，其粗同步是在一定范圍內(nèi)進(jìn)行盲搜索，計(jì)算量很大。后來Schmidl對(duì)此方法進(jìn)行了改進(jìn)，Schmidl利用的是2個(gè)OFDM符號(hào)作訓(xùn)練序列進(jìn)行時(shí)間和頻率同步，第1個(gè)符號(hào)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(hào)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(biāo)函數(shù)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(yù)存的PN序列與接收數(shù)據(jù)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(xì)同步。本文將在不改變發(fā)送端發(fā)送的訓(xùn)練序列的基礎(chǔ)上，在接收端的關(guān)鍵參數(shù)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(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。由于循環(huán)前綴是用于抗多徑時(shí)域擴(kuò)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(shù)據(jù)作訓(xùn)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(jì)算復(fù)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(hào)的周期特性。本文討論基于同步訓(xùn)練序列的幀同步算法，其利用本地訓(xùn)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(jì)性能。

　　3 基于訓(xùn)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(xùn)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(zhǎng)度的訓(xùn)練序列，一般為PN序列，MIMO-OFDM系統(tǒng)中這個(gè)訓(xùn)練序列可選取為互相關(guān)性好的GOLD序列。接收端在每幀數(shù)據(jù)到來時(shí)截取一個(gè)搜索窗(在一定范圍內(nèi)搜索)，搜索窗的大小可根據(jù)芯片的處理能力以及接收數(shù)據(jù)的采樣速率選取，設(shè)搜索窗大小為F。首先，以搜索窗內(nèi)的第1個(gè)采樣相位點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)，將接收數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的本地同步訓(xùn)練序列IFFT變換結(jié)果{C(k)}的共軛序列做相關(guān)運(yùn)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，依此類推，在搜索窗內(nèi)總共可以得到F個(gè)相關(guān)結(jié)果。設(shè)接收序列為{R(n)}，則第d個(gè)相關(guān)值可通過公式

　　計(jì)算產(chǎn)生。將F個(gè)相關(guān)結(jié)果求平方后，找出最大值，與門限相比較，比門限大的相關(guān)值對(duì)應(yīng)的碼元位置即為幀起始位置。

　　最后引入鎖幀處理，當(dāng)某一定時(shí)位置在連續(xù)出現(xiàn)一定次數(shù)時(shí)，則設(shè)此定時(shí)位置為鎖定的幀起始位置，并設(shè)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(xiàn)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(xiàn)不同定時(shí)值的次數(shù)，當(dāng)其達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，清除鎖定的定時(shí)值，重新開始搜索幀頭。

　　4 幀頭判決門限方案及仿真結(jié)果

　　由于OFDM有循環(huán)前綴保護(hù)，故尋找的幀起始位置只要在循環(huán)前綴范圍內(nèi)即可。故MIMO-OFDM系統(tǒng)對(duì)于幀同步精確性的要求不是很高，但是對(duì)穩(wěn)定性和快速性要求很高，如果達(dá)不到穩(wěn)定的時(shí)間同步，后面的FFT等一系列數(shù)據(jù)處理過程就會(huì)受到影響，從而極大地影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。故穩(wěn)定的時(shí)間同步對(duì)整個(gè)MIMO-OFDM系統(tǒng)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(wěn)定性帶來很大的困難，因此需要在前人的基礎(chǔ)上加入一種新的機(jī)制，來保證同步的穩(wěn)定性。而這個(gè)幀頭判決門限是影響穩(wěn)定性的主要因素。

　　傳統(tǒng)的同步算法常采用固定的相關(guān)門限作為幀頭的判決門限，但在多天線系統(tǒng)中，多根發(fā)送天線的發(fā)送信號(hào)均到達(dá)同一接收天線，加之無線信道對(duì)多根天線進(jìn)行不相關(guān)衰落，將造成接收信號(hào)的更為嚴(yán)重、更加快速的衰落，因此采用傳統(tǒng)的固定門限將導(dǎo)致同步虛警與誤警率的成倍增加。引入自適應(yīng)的判決門限可以對(duì)接收信號(hào)的衰落進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)，將使同步性能得以提高。Tufvesson的同步方法中僅僅提到這個(gè)判決門限應(yīng)該是變化的，沒有給出具體方法。此處，給出一種利用相關(guān)能量確定判決門限的方法，即搜索窗內(nèi)，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(xiàn)為搜索窗大小，Λ(d)為接收序列與本地序列的相關(guān)結(jié)果，Pthreshold為門限系數(shù)。計(jì)算時(shí)可把分母與門限系數(shù)相乘作為門限與最大相關(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(hào)幅度大時(shí)這個(gè)均值也會(huì)大，接收信號(hào)幅度小時(shí)這個(gè)均值也會(huì)小，因此這個(gè)門限是隨接收信號(hào)幅度變化而自適應(yīng)變化的，因此可以有效地對(duì)抗無線信道的碼間干擾和多徑。實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，由于相關(guān)結(jié)果Λ(d)已經(jīng)計(jì)算出來，F(xiàn)也可以乘到不等式右邊，因此只需要計(jì)算每個(gè)搜索窗內(nèi)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(xiàn)復(fù)雜度。

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

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　MIMO-OFDM系統(tǒng)作為當(dāng)前高速通信的備選方案已越來越多地受到關(guān)注，隨著天線數(shù)和用戶數(shù)的增加，幀同步在實(shí)現(xiàn)中也越來越困難。本文在前人算法基礎(chǔ)上，提出一種自適應(yīng)門限的幀頭判決方案，使算法更加完善，且在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下獲得很好的性能，適用于Beyond 3G等未來高速移動(dòng)通信系統(tǒng)。