吳浩森，林 云

(重慶郵電大學(xué)個(gè)人通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

近年來，數(shù)字信號(hào)處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)飛速發(fā)展，OFDM 由于其高速數(shù)據(jù)傳輸能力、高寬帶利用率和良好的抗噪聲性能等，受到人們的廣泛關(guān)注。MIMO 技術(shù)利用多對(duì)收發(fā)天線對(duì)無線信道加以利用，在不增加額外功率和頻譜資源的情況下，使系統(tǒng)的容量成倍增加性能極大提高。因此，將能有效對(duì)抗頻率選擇性衰落的OFDM 技術(shù)與能利用空間分集、有效提高系統(tǒng)容量的MIMO 技術(shù)結(jié)合就成為必然的趨勢(shì)。兩者的結(jié)合在提高無線通信系統(tǒng)的傳輸速率和可靠性方面具有巨大的潛力。

MIMO-OFDM 技術(shù)雖然繼承了OFDM和MIMO的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但在無線通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用還面臨著許多技術(shù)難題，其中同步就是關(guān)鍵技術(shù)之一。同步性能的優(yōu)劣直接影響到OFDM 技術(shù)能否真正被用于無線通信領(lǐng)域。

1 OFDM 系統(tǒng)基本原理概述

下面將分別對(duì)傳統(tǒng)的SISO-OFDM 系統(tǒng)和MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行闡述。

1.1 SISO-OFDM 系統(tǒng)模型［1］

圖1 SISO-OFDM 系統(tǒng)原理圖

由圖1 可以看到OFDM 系統(tǒng)的整個(gè)流程。

1.2 MIMO-OFDM 系統(tǒng)模型

圖2和圖3 分別為MIMO-OFDM 系統(tǒng)發(fā)射和接收原理圖。

圖2 MIMO-OFDM 系統(tǒng)發(fā)射機(jī)原理圖

圖3 MIMO-OFDM 系統(tǒng)接收機(jī)原理圖

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過QPSK 映射調(diào)制，映射后的數(shù)據(jù)符號(hào)通過空時(shí)編碼器，將輸入數(shù)據(jù)流變成Nt路并行的數(shù)據(jù)流，它們分別對(duì)應(yīng)Nt根發(fā)射天線。分配到每根天線上的數(shù)據(jù)流被分為N個(gè)一組，對(duì)應(yīng)N個(gè)子載波，進(jìn)行IFFT 變換到時(shí)域，然后加入CP，經(jīng)過上變頻后經(jīng)DAC 進(jìn)入模擬通道，最后用射頻天線發(fā)射。

在接收端，首先要確保獲得的載波頻率和采樣時(shí)鐘都是正確的，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，再通過FFT 進(jìn)行解調(diào)。FFT變換后在頻域?qū)崿F(xiàn)信道估計(jì)，OFDM 解調(diào)后的信號(hào)還要進(jìn)行空時(shí)解碼，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行QAM 或MPSK 解調(diào)，得到最終的接收信號(hào)。

2 OFDM 系統(tǒng)同步算法

目前已有很多文獻(xiàn)對(duì)OFDM和MIMO-OFDM 系統(tǒng)的同步進(jìn)行研究，下面將分別進(jìn)行介紹。

2.1 SISO-OFDM 系統(tǒng)同步算法

SISO-OFDM 系統(tǒng)的同步算法主要可以分為兩類:基于數(shù)據(jù)輔助的同步算法和盲同步算法?；跀?shù)據(jù)輔助的OFDM 同步算法又可以分為兩種:利用循環(huán)前綴的算法和利用訓(xùn)練序列的算法，前者一般用于連續(xù)傳輸系統(tǒng)，后者比較適用于突發(fā)式傳輸?shù)南到y(tǒng)。

基于訓(xùn)練序列的同步算法:P.Moose［2］使用重復(fù)的訓(xùn)練序列實(shí)現(xiàn)了載波最大似然估計(jì)，在發(fā)送端發(fā)送重復(fù)的序列，經(jīng)過FFT 后在頻域中計(jì)算頻偏。Schmidl［3］提出一種利用兩個(gè)訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行時(shí)間頻率同步的方法。由于CP的影響，這種算法在相關(guān)峰的頂峰處會(huì)出現(xiàn)一段平臺(tái)，定時(shí)不準(zhǔn)確，符號(hào)同步估計(jì)出現(xiàn)誤差。H.Minn［4］引進(jìn)了兩段PN 序列的相反數(shù)來降低定時(shí)算法的誤差，出現(xiàn)了明顯的峰值，避免了平坡的出現(xiàn)，但是在距離正確定時(shí)點(diǎn)兩側(cè)有較明顯的旁瓣出現(xiàn)。Park［5］引進(jìn)了PN 序列的對(duì)稱序列得到了峰值尖銳的沖激脈沖形式的曲線，但是有時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)主峰值，帶來很大的定時(shí)誤差，而且在頻偏方面也遇到瓶頸。

基于循環(huán)前綴的同步算法:Van de Beek［6］等人提出了利用OFDM 系統(tǒng)循環(huán)前綴所攜帶的信息進(jìn)行同步估計(jì)的方法，不會(huì)降低系統(tǒng)傳輸效率，避免了頻譜和功率資源的浪費(fèi)。Tufvesson［7］提出了利用重復(fù)的PN 序列來進(jìn)行時(shí)頻同步的方法，將接收信號(hào)與本地序列相關(guān)，在多徑信道下也有尖銳的峰值，定時(shí)精確，頻偏估計(jì)范圍大，但頻偏估計(jì)精度不太高。

盲估計(jì)方法有Liu［8］的MUSIC方法和Tureli［9］的ESPRIT方法，它們都是基于信號(hào)子空間的方法，不需要導(dǎo)頻，不浪費(fèi)帶寬，但要求比較準(zhǔn)確的定時(shí)同步，而且運(yùn)算量大，影響在工程中的應(yīng)用。

2.2 MIMO-OFDM 系統(tǒng)同步算法

和傳統(tǒng)OFDM 系統(tǒng)一樣，MIMO-OFDM 系統(tǒng)同步算法也可以分為數(shù)據(jù)輔助類同步算法和盲同步算法。

基于訓(xùn)練序列的MIMO-OFDM 同步算法:Mody［10］算法假設(shè)所有發(fā)射天線到達(dá)所有接收天線的時(shí)延和頻偏都相同，在發(fā)射端頻域的數(shù)據(jù)符號(hào)前面插入重復(fù)的單元，然后在接收端完成時(shí)間和頻率同步。該算法克服了多天線間的干擾，但前導(dǎo)產(chǎn)生比較麻煩而且占用系統(tǒng)資源比較多。Yao yao［11］在收發(fā)天線之間的時(shí)延相同但頻偏不同的前提下，提出一種適用于分布式MIMO-OFDM 系統(tǒng)的同步算法。該算法頻率性能良好，但頻偏估計(jì)范圍較小，而且在多徑衰落信道下同步性能不太好。

基于導(dǎo)頻的MIMO-OFDM 同步算法:Mi-Kyung OH［12］針對(duì)MIMO的多天線設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)用于頻偏和信道估計(jì)的hopping 導(dǎo)頻，在符號(hào)塊中插入hopping 導(dǎo)頻可以擴(kuò)大頻偏估計(jì)范圍。

盲估計(jì)的側(cè)重點(diǎn)在載波頻偏估計(jì)上，不需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)，頻帶利用率高，但是計(jì)算復(fù)雜，運(yùn)算量大，不適合分組突發(fā)式傳輸系統(tǒng)。一般的做法是計(jì)算出接收數(shù)據(jù)的均值并求平均和加權(quán)，推導(dǎo)出帶有頻偏值的項(xiàng)，然后對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)束語

在未來無線寬帶通信系統(tǒng)中，多徑衰落和帶寬效率將是兩個(gè)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。OFDM 通過子載波將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)變成平坦信道，減少了多徑衰落的影響;MIMO 技術(shù)能夠在空間產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，復(fù)用了空間，使系統(tǒng)容量成倍增加。MIMO 與OFDM的結(jié)合，能夠充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，更加滿足未來移動(dòng)通信的要求，而對(duì)同步和信道估計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)的研究則需更加深入。

［1］王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM 技術(shù)［M］.第2版.北京:人民郵電出版社，2007.

［2］Moose PH.A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Corrention［J］.IEEE Trans.on Commun，1994，42(10):2908－2914.

［3］Schmidl T M，Cox D C.Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM［J］.IEEE Transactions.Communication，1997，45(12):1613－1621.

［4］Minn H，Zeng M，Bhargava V K.On Timing Offset Estimation for OFDM Systems［J］.IEEE Communcations Letters，2000，4(7).

［5］Byunjoon Park，Hyunsoo Cheon，Changwn Kang，et al.A Novel Timing Estimation Method for OFDM Systems［G］.IEEE.2002.

［6］Jan-Jaap van de Beek，Ove Edfors，Magnus Sandell，et al.On Channel Estimation in OFDM Systems［G］.IEEE，1995.

［7］Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner，Ove Edfors.Time and Frequency Synchronization for OFDM Using PN-sequence Preambles［G］.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference，Amsterdam，The Netherlands，1999:2203－2207.

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［11］Yao Yao，Tung-Sang Ng.Correlated-Based Frequency Offset Estimation in MIMO System.Proc［G］.IEEE Vehicular Technology Conference Fall 2003(VTC Fall 2003)，Orlando (FL)，2003(10):6－9.

［12］Xiaoli Ma，Mi-Kyung Oh，Georgios B.Giannakis，et al.Hopping Pilots for Estimation of Frequency-Offset and Multiantenna Channels in MIMO-OFDM［J］.IEEE Transactions on Communications，2005，(53)1.