基于导频信号的MIMO-OFDM 同步技术

     摘  要：MIMO-OFDM 技术将成为第4 代移动通信系统的关键技术，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。提出了一种新的MIMO-OFDM 定时同步和频偏同步技术。以GCL 序列为基础设计了一个新的符合MIMO-OFDM 同步技术的导频序列，通过对该导频序列进行2 次相关得到频率估计，并将所得频率运用到定时同步中，得到更为准确的时间估计。仿真结果表明，在相同的信噪比情况下，该方法可以使得系统的误码率和帧传送误码率相对传统方法得到进一步减小。

　　0   引言

　　移动通信的目标是实现高质量、高速率的移动多媒体传输。正交频分复用( orthogonal frequencypision multiplexing，OFDM) 技术被认为是实现高速数据传输的一种非常有效的手段。它利用许多并行的、低速率数据传输的子载波来实现一个高速率的数据通信。多输入多输出( multiple input multipleoutput,MIMO) 系统是在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，能够有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播成倍地提高业务传输速率。

　　MIMO 和OFDM 的结合是未来宽带通信系统中一种很有前景的技术。但是，MIMO 和OFDM 技术对同步要求较高，目前已经提出了许多解决定时同步和频率同步的方法。设计了一种基于GCL 序列的新的导频信号应用于同步。GCL 序列不仅满足很好的周期自相关性，也具有一定的互相关性，而且应用广泛，符合导频设计的要求。对新设计的导频序列进行2 次相关运算得到频率估计，并将所得频率运用到定时同步中，从而获得更为准确的时间估计。首先建立MIMO-OFDM 模型，然后计算它的定时同步和频率同步，进行性能仿真和分析。

　　1   MIMO-OFDM 的模型

　　MIMO-OFDM 系统如图1 所示，这里设置发送天线个数为Nt ，接收天线个数为Nr 。

图1   Nt * Nr MIMO-OFDM 模型

　　从第p 个传送天线中传送出来的OFDM 信号可以表示为：

　　式中，N 为OFDM 符号的子载波数。假设系统运行于一个多径环境，且信道延迟为d ，那么，发送天线p 和接收天线q 之间的信道可以表示为：

　　式中，h(p ，q ) ( l ) 为p 和q 之间子信道的增益。

　　在接收端，由多普勒效应或接收端和发送端的振荡器内部的不稳定性引起的频率偏移设为ε，则q 接收端的信号可以表示为：

　　式中，q= 1，2，3，Nr ,w q ( n) 代表噪声。

　　2   同步算法

　　2 1   导频信号的设计

　　设计的导频信号如图2 所示，它含有3 个训练序列。前2 个由2 个相同的GCL 序列构成，对于不同的天线，序列左移不同的长度，可根据仿真时同步估计的优劣来确定该长度。第3 个是1 个短的GCL序列，该序列是前1 个序列后K 位的重复。

图2  导频信号

　　2. 2   GCL

　　GCL 序列被定义为：

　　式中，( k ) mod ( m ) 意味着k 除以m 取模。ak =，M 与N 互质，k= 0，，N - 1 是一个长为N = sm² 的Chu 序列 ，这里m 和s 是任意的正整数。{ bk } ，k= 0，，m- 1 是满足为1 的任意复数。

　　当存在频率偏移 时，GCL 的周期相关性可以表示为：

　　令k= ism+ d ，i= 0，1，，m= 1 ; d= 0，1，sm-1。可以证明，当p = 时，相关函数不为零，则时间同步估计值为：

　　2. 3   定时同步和频率同步

　　由文献[ 2] 可以得到粗定时同步的计算公式：

　　式中：

　　利用式( 9) 求得的定时偏移d ，下面采取2 次相关计算对频率偏移进行估计。首先，利用前2 个长训练序列进行大范围的相关计算，大概估计出频率偏移：

　　在进行频率补偿之后，利用后一个长序列和第3 个短序列再进行相关运算，求出更为的频偏,表示如下：

　　从式( 7) 可以看到，当存在频率偏移时，定时同步的估计会出现偏差。因此，的定时同步可表示为:

　　3   仿真结果和分析

　　为了对提出的同步算法进行性能仿真，设定仿真参数如表1 所示。图3 是高斯信道下定时同步帧接收正确率的仿真结果。从图3 可以看出，新提出的同步方法相对于传统的同步方法可以获得更高的准确率，例如要求正确率为1，前者的信噪比只需要为5 dB，而后者需要10 dB。图4 是瑞利信道下定时同步帧接收正确率的仿真结果。从图4 可以看到,新提出的同步方法总体上要比传统的同步方法准确率高，只是在个别点上性能受到影响。

表1  仿真参数

图3   高斯信道下定时同步的正确率

图4   瑞利信道下定时同步的正确率

　　图5 和图6 分别为频率偏移估计误码率和均方误差的仿真结果。

　　从图5 和图6 可以看出，新提出的同步方法在频率偏移估计误码率和均方误差性能上均比传统的同步方法性能好，且随着收发天线数的增加，2 种同步方法的误码率和均方误差性能均随之提高。此外,在信噪比大于20 dB之后，新提出的同步方法对系统性能的改善尤为明显。

图5  频率偏移估计的误码率

图6  率偏移估计的均方误差

　　4   结束语

　　对MIMO-OFDM 同步问题进行了研究，主要针对传统算法误码率和帧接收率性能的不足，在GCL序列的基础上引进了一种新的数据辅助算法。仿真结果表明，相对于传统的同步算法，新提出的算法能够有效地提高频率偏移估计的误码率和帧传送性能。