一种新的利用导引符号的MIMO-OFDM同步方法

天线上的加性噪声，设
Dp = max{d1, d2 ,..., dm}
这种新的时间同步算法适用于各路天线到达时延不同的情况。传统的MIMO-OFDM系统同 步算法并不能解决当各路天线到达时延不同时的同步问题。针对这种情况，这里提出了新的
导引符号配置方法：第一，频域各天线的训练序列分开放置，用来区分不同时延，可以进行
2. MIMO-OFDM概述
MIMO-OFDM 是 MIMO 和 OFDM 两种技术的结合，一方面 MIMO 技术可以提高信道的 容量和频谱利用率,MIMO 的空时复用可以将信道多径的不利因素转变为有利因素,即利用空 间分集增益来对抗多径衰落,提高信道的可靠性[3].另一方面,利用 OFDM 技术将频率选择性 衰落信道转换为平坦衰落信道来克服 MIMO 信道由于时间扩展引入的频率选择性的影响.同 时,OFDM 技术可以大大降低通信系统接收机的复杂度,也可以通过并行正交子载波的传输提 高频谱利用率,还有另由于 OFDM 每个子载波的码率低,并加入时间保护间隔,使它具有极强 的 抗 多 径 干 扰 能 力 . 由 于 多 径 时 延 小 于 保 护 间 隔 , 所 以 系 统 不 受 ISI 的 影 响 [2]. 因 此,MIMO-OFDM 系统充分利用了 MIMO 和 OFDM 的优势, 可以在不需要增加传输功率和扩
=
1 N
N −1
xm (n)e j2π nt / N , m
n=0
= 1, 2,...M
设频偏为 ε，则第p个接收天线接收到的信号为：
M ∆−1
∑ ∑ rp (t) =
hlmp (t)xm (t − dm − sl )e j2πt / N + N p
m=1 l =1
p=1,2…P
这里∆表示多径信道的径数，hlmp 表示第mp个MIMO子信道中第l径的衰落系数。dm表示 MIMO子信道中第l径的时延。这里定义第一路发射天线的相对时延是零。 sl 是第p路接收
j=0
上式中，m =1, 2,...,M 。
因为有m个发射天线，因此上式要进行m次运算，确定每个发射天线到第p个接收天线的时
间精同步点。所以，得到第m路发射天线信号到达第p路接收天线的时间同步点：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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^
^
^
θ m, p = θ 1, p + θ2,m, p
连续将L个长度为N的序列^送入后续的精同步部分处理，并且记录超过门限的时间点
为gi (t) 。设这段序列为 θ 1, p ， i = 0,1,..., L −1 ，t = 0,1,..., N −1。
4.2.2 精同步
得到了L个长度为N的序列，将他们分别进行FFT运算： 上式中， i = 0,1,..., L −1， k = 0,1,..., N −1。
在信噪比较低的情况下，两种情况下时间同步的错误率比较高，并且随着信噪比的升高而 逐渐降低，在10 dB的时候错误率降低幅度很大。在12，14 dB的时候错误率几乎为零。说明 新算法在各路发射天线时延不同情况下，仍然可以得到良好的时间同步性能。 在信噪比较低的情况下，两种情况下时间同步的错误率比较高，并且随着信噪比的升高而 逐渐降低，在10 dB的时候错误率降低幅度很大。在12，14 dB的时候错误率几乎为零。说明 新算法在各路发射天线时延不同情况下，仍然可以得到良好的时间同步性能。
4.2 时间同步
4.2.1 时间粗同步
首先在接收端建立一个长度为N的滑动窗，按照我们提出的训练序列插入方式，当处于正确 的时间点时，在滑动窗中的训练序列就是两个相同的前后部分。考虑到M路天线相对延迟不 同，所以前后两个半段有 长度部分不同。于是我们可以定义时间粗同步公式为：[6]
2 Φ(d) M (d ) = (R(d ))2
N −1
∑ Gi (k ) = gi (n)e−2π jnk / N n=0
然后将 Gi (k) 按照先前插训练序列的方式，将其中的
伪随机序列抽取出来，和本地序列进行相关相乘，就可以得到第m路发射天线信号的时间 精同步点了：
^
Q −1
∑ θ2,m, p = arg max{ Gi*(2m −1+ 2 jM )Cm ( j)}
3.2 MIMO-OFDM同步技术的研究现状
当前对MIMO-OFDM同步技术研究的文献中,既有研究集中式天线的,也有研究分布式天线 的,但是以研究集中式的居多.在研究分布式天线的文献中,大部分式是研究频率同步的,没有 研究时间同步,都设时间同步已经完成,各天线对之间的时延均相同.
4. 新的MIMO-OFDM的同步技术
这里，定义τ 且其中：
N / 2−1
∑ Φ(d ) =
(rd*+ird +N / 2+i )
i =τ
N / 2−1
2
N −1
2
∑ ∑ R(d) =
rd +i +
rd +i
i =τ
i=τ + N / 2
上面的计算，因为除掉了上面提到的小部分的不同，所以在训练序列正好对齐的时候就可
以得到一个归一化的峰值。 然后设置一个硬判门限和搜索长度L，将从 M(d) 超过门限的滑动窗中的那段序列开始，
设MIMO系统为四发四收和两发两收结构，子载波数为N=2048，带宽是20 MHz，信道是 COST207六径rayleigh信道，各径时延以40个采样点递增，功率以6 dB递减，速率为70 km/h。
四个发射天线到达接收天线的时延分别为0，5，10，15个采样点，因此我们令τ 为20个采
样点，来进行时间和频率同步。频偏设为0.4，时间精同步搜索长度L=250。由于进行时间粗 同步时，得到的峰值会受到噪声的影响，因此硬判值在不同信噪比条件下并不相同，一般来 说，是随信噪比的升高呈递增趋势。仿真数据长度是10万帧.

一种新的利用导引符号的MIMO-OFDM同步方法
刘昆明
北京邮电大学电信工程学院，北京（100876）
E-mail：lkm2005@
摘 要：MIMO-OFDM是将MIMO和OFDM结合起来的一种新技术，该技术在OFDM无线传 输系统中利用天线阵列实现空间分集，可以充分利用MIMO和OFDM的优势，既能提高分集 增益和系统容量，又能增加频谱利用率，有效对抗频率选择性衰落。MIMO-OFDM技术将成 为第四代移动通信系统(4G)的关键技术.因MIMO-OFDM对时间和频率偏移非常敏感，因此 MIMO-OFDM同步显得尤为重要。同步技术是MIMO-OFDM的关键技术。本文提出了一种 新的MIMO-OFDM同步算法，通过设置新的导引符号配置方法，可以在接收端时域得到相同 的两个半段序列，进行时间粗同步和频率同步，频域再根据导引插入规则进行时间精同步。 Matlab仿真结果表明，该算法能实现对多个发射天线时间延迟估计， 适用于各发射天线信 号到达时延不同的情况，具有更广泛的意义，可用于分布式MIMO系统。 关键词：MIMO-OFDM，时间同步，频率同步
1．引言
MIMO技术在无线通信系统中链路的发端和收端都使用多个天线，信道的容量随着天线数 的增加线性增大.MIMO系统在不增加带宽和发送信号的功率的情况下,频谱利用率可以成倍 地提高.但是对于频率选择性信道,MIMO技术无能为力. OFDM技术将信道分成若干个正交 子信道，然后将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，并调制到每个子信道上进行传输, 正交信号在接收端可以通过相关技术来分开,这样可以减少子信道间的相互干扰(ICI),这样就 在频域将频率选择性信道转换为多个平坦衰落信道,有效地减少了多径衰落的影响. 因此,将 MIMO和OFDM技术结合,能起到优势互补的良好效果,能提供高速率,大容量的高质量传输, 提高系统的整体性能[1]. 但MIMO-OFDM系统对同步误差很敏感：在多径环境下， MIMO-OFDM系统对时间同步的要求很高；频率同步方面，由于MIMO-OFDM系统可以视 为N个并行的MIMO子系统，因此频偏所引入的ICI会恶化每个子载波的信噪比，从而恶化整 个MIMO-OFDM通信系统的传输性能。对MIMO-OFDM系统来说，时间同步方面，接收端 需要对各个天线上的信号分别进行延时估计和调整。频率同步方面，接收端需要对各个天线 上的信号分别进行频率偏移估计和补偿。传统的MIMO-OFDM同步算法，未能完全解决这种 情况下的同步问题。这种新的适用于MIMO-OFDM系统的时间频率同步算法考虑了各发射天 线到达时延各不相同的情况，因此具有更广泛意义，可适用于分布式MIMO系统。
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大带宽的前提下提高数据的传输速率，同时还可以消除时延扩展带来的负面效应,其利用时 间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加.通过 OFDM 调制将频率选择性 MIMO 信道转换为一组并行的平坦衰落信道,再利用 MIMO 技术来提高信 道的容量,系统不仅具有很高的传输速率(100M 以上),还具有很高的可靠性[4].
∑ tm (t)
=
1 N
N −1
Tm (n)e j2π nt / N , m
n=0
= 1, 2...M
设ai ，bi ，ci 分别是t1(i) ，t2 (i) ，t3 (i) 的序列。 d，2 d分3 别是 t2 (i，) t3 (i序) 列相对于 的t1延(i迟) 。当 为最d大3 延迟时，按照图中的方式叠加后，两个半段序列1和2是完全相同的。
4.1 系统设计
算法框图如图3所示。
图 1 MIMO-OFDM 系统发送端结构图
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图 2 MIMO-OFDM 系统接收端结构图
设一个MIMO-OFDM系统有N个子载波，M个发射天线，P个接收天线，定义第m个发射
天线上的OFDM调制信号为：[5]
∑ xm (t)
定义每个天线发射的训练序列为 Tm (t ) ，其中插入的伪随机序列为 Cm (k ) ，长度为Q ， 这里总的子载波数N和发射天线数M之间必须满足： N = 2MQ ，第m个发射天线插入训练 序列的方式为: