鮑晶晶，趙興華

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞523808;2.中國(guó)移動(dòng)大慶分公司，黑龍江 大慶163000)

責(zé)任編輯:薛 京

協(xié)作OFDM系統(tǒng)通過在協(xié)作通信中引入OFDM技術(shù)，既能利用OFDM技術(shù)提高系統(tǒng)的頻譜利用率及信道的抗頻率選擇性衰落能力，又能結(jié)合協(xié)作技術(shù)提高系統(tǒng)的抗多徑衰落能力。兼顧二者的優(yōu)點(diǎn)，也互補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，是未來通信發(fā)展的趨勢(shì)。

OFDM技術(shù)由于其本身特點(diǎn)，對(duì)頻偏異常敏感，因此載波頻率同步就成了其應(yīng)用時(shí)必須要考慮的一個(gè)問題，而且協(xié)作OFDM系統(tǒng)中的載波頻率同步相對(duì)于OFDM系統(tǒng)更加復(fù)雜。許多文獻(xiàn)做了協(xié)作OFDM系統(tǒng)中載波頻率同步方面的研究。文獻(xiàn)[1]提出利用反饋信號(hào)，自適應(yīng)地調(diào)整頻率，實(shí)現(xiàn)頻率同步。文獻(xiàn)[2]對(duì)非再生協(xié)作中繼系統(tǒng)的載波頻偏問題進(jìn)行了研究，給出了最大似然和最小均方兩種聯(lián)合信道與載波頻偏估計(jì)算法。文獻(xiàn)[3]根據(jù)OFDM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出利用特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空頻碼及相應(yīng)的載波間干擾消除算法，來解決協(xié)作OFDM系統(tǒng)中的多載波頻偏敏感問題。文獻(xiàn)[4]針對(duì)協(xié)作OFDM系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新的Alamouti碼，應(yīng)用該碼的協(xié)作OFDM系統(tǒng)對(duì)載波頻偏具有魯棒性。文獻(xiàn)[5]提出利用長(zhǎng)循環(huán)前綴的方法，來實(shí)現(xiàn)時(shí)頻同步，該方法中循環(huán)前綴的長(zhǎng)度甚至長(zhǎng)于數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度，帶寬利用率不高。文獻(xiàn)[6-7]提出通過壓縮循環(huán)前綴，減少FFT的運(yùn)算量來提高頻帶利用率及減少均峰比，提高了系統(tǒng)對(duì)載波頻偏的魯棒性。文獻(xiàn)[8]通過設(shè)計(jì)具有良好特性的訓(xùn)練序列，對(duì)多載波頻偏進(jìn)行估計(jì)，并利用估計(jì)得到的頻偏值，消除載波偏移造成的載波間干擾。文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)地給出一個(gè)基于協(xié)作OFDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過定義幀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，利用自相關(guān)和互相關(guān)性能良好的序列作為幀前導(dǎo)符號(hào)，對(duì)載波和時(shí)間偏移進(jìn)行估計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)同步。

本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)前導(dǎo)符號(hào)的形式，提出了協(xié)作OFDM系統(tǒng)中一種主從式載波頻偏估計(jì)算法。

1 系統(tǒng)模型

為簡(jiǎn)化分析，考慮只有一個(gè)源結(jié)點(diǎn)S，一個(gè)中繼結(jié)點(diǎn)R(即S的協(xié)作伙伴)，以及一個(gè)目的結(jié)點(diǎn)D的協(xié)作OFDM系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖1所示[9]。本文仍沿用文獻(xiàn)[9]提出的數(shù)據(jù)傳輸方案，該方案的優(yōu)點(diǎn)在于無須回路就可實(shí)現(xiàn)頻率的初始同步。首先是監(jiān)聽階段，S向D和R發(fā)送前導(dǎo)符號(hào)，使得D、R與S初始同步，同時(shí)利用S發(fā)送給R的前導(dǎo)符號(hào)估計(jì)出S與R之間的載波頻偏，用估計(jì)出的結(jié)果對(duì)R的載波頻偏進(jìn)行補(bǔ)償;然后是協(xié)作階段，用類似方法對(duì)D收到的S與R疊加信號(hào)的殘留頻偏進(jìn)行估計(jì)，并適當(dāng)補(bǔ)償。

圖1 協(xié)作OFDM系統(tǒng)模型

2 問題描述

假設(shè)發(fā)送信號(hào)為s(n)，發(fā)送載波頻率為ftx，采樣周期為T，則信號(hào)的復(fù)基帶模型[10]為

若接收機(jī)載波頻率為frx，忽略噪聲影響，則接收的復(fù)基帶信號(hào)為

式中:ε=NΔfT為歸一化載波頻率偏差。定義中間變量

式中:D為兩個(gè)連續(xù)重復(fù)符號(hào)相同樣值之間的延遲;L為選擇的符號(hào)長(zhǎng)度;*表示共軛。

從而得到歸一化載波頻率偏差估計(jì)值為

文獻(xiàn)[9]提出的基于前導(dǎo)符號(hào)的頻偏估計(jì)方法至少需要兩個(gè)連續(xù)重復(fù)的前導(dǎo)符號(hào)才能實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì)，該文獻(xiàn)中選擇了用兩個(gè)相同PN序列組成前導(dǎo)符號(hào)。本文對(duì)該前導(dǎo)符號(hào)的形式作了改進(jìn)。PN序列具有類隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，但又和真正的隨機(jī)信號(hào)不同，它可以重復(fù)產(chǎn)生和被處理，所以采用PN序列作為前導(dǎo)符號(hào)具有更高的安全性。但PN序列是一組隨機(jī)數(shù)列，其功率隨機(jī)非恒定，從上面公式可看出，功率的非恒定必將影響系統(tǒng)對(duì)載波頻偏的估計(jì)，并且這種非恒定易導(dǎo)致尖峰值的出現(xiàn)，這些尖峰不利于結(jié)點(diǎn)電源的壽命。因此，本文選用PN序列調(diào)制的指數(shù)序列作為前導(dǎo)符號(hào)，這樣既保留了PN序列的類噪聲性，又使調(diào)制后序列的功率恒定。

3 提出的載波頻偏估計(jì)算法

假設(shè)P(1)，P(2)，…，P(N)為一組PN序列，利用其調(diào)制得到的指數(shù)隨機(jī)序列A=[e2πjP(1)，e2πjP(2)，…，e2πjP(N)]，將[A，A]作為前導(dǎo)符號(hào)，其余步驟同文獻(xiàn)[9]中的頻偏估計(jì)算法。由于協(xié)作OFDM系統(tǒng)在監(jiān)聽階段是一個(gè)一發(fā)兩收系統(tǒng)，即S分別與R及D構(gòu)成OFDM系統(tǒng)。這也表明，任何OFDM系統(tǒng)的載波頻偏估計(jì)算法都可被用于監(jiān)聽階段。本文在沿用文獻(xiàn)[9]提出的載波同步方法的前提下，將該新的前導(dǎo)符號(hào)引入?yún)f(xié)作OFDM系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的主從式載波頻偏估計(jì)算法。

假設(shè)S與D之間的初始載波頻偏為εSD=(fSfD)NtS，S與R之間的初始載波頻偏為εSR=(fSfR)NtS，fD、fR和fS分別為D、R和S的載波頻率，N為前導(dǎo)符號(hào)的長(zhǎng)度，tS為采樣時(shí)間，監(jiān)聽階段得到的εSD和εSR的估計(jì)值分別為和，則殘留載波頻偏為

監(jiān)聽階段結(jié)束后，D和R的載波頻率分別為

系統(tǒng)進(jìn)入?yún)f(xié)作階段后，D接收到S和R發(fā)送的疊加信號(hào)，按照文獻(xiàn)[9]的方法，直接對(duì)這個(gè)疊加信號(hào)進(jìn)行頻偏估計(jì)，得到這個(gè)疊加信號(hào)與D的載波頻偏為SR，D，用SR，D對(duì)D的載波頻率進(jìn)行再次調(diào)整，則有

此時(shí)

4 仿真結(jié)果與分析

圖2對(duì)文獻(xiàn)[9]提出的協(xié)作OFDM系統(tǒng)頻偏估計(jì)方法與本文提出的改進(jìn)方法的性能進(jìn)行仿真比較，圖中的殘留頻偏是。設(shè)初始頻偏εSD和εSR為隨機(jī)產(chǎn)生的載波頻偏，0≤εSD≤0.4，0≤εSR≤0.4，OFDM系統(tǒng)載頻為2.4 GHz，帶寬為20 MHz，F(xiàn)FT/IFFT點(diǎn)數(shù)為256，前導(dǎo)符號(hào)的長(zhǎng)度為512，循環(huán)前綴長(zhǎng)度為32，Rayleigh多徑衰落信道采用COST207 TU信道模型，由Jakes方法產(chǎn)生，分別仿真了低速10 km/h和高速150 km/h兩種信道下的情況。

圖2 協(xié)作OFDM系統(tǒng)COST207 TU信道下兩種方法的比較

仿真結(jié)果表明，協(xié)作OFDM系統(tǒng)中，隨著移動(dòng)速度的增加，兩種頻偏估計(jì)方法的殘留載波頻偏估計(jì)值都出現(xiàn)了明顯的地板效應(yīng)，但本文提出的改進(jìn)頻偏估計(jì)算法對(duì)載波頻偏的估計(jì)性能明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[9]的方法。

5 結(jié)論

該文提出了協(xié)作OFDM系統(tǒng)中基于前導(dǎo)符號(hào)改進(jìn)的載波頻偏估計(jì)算法，設(shè)計(jì)了一種用PN序列調(diào)制指數(shù)序列得到的前導(dǎo)符號(hào)。仿真結(jié)果表明，該算法對(duì)協(xié)作OFDM系統(tǒng)的載波頻偏估計(jì)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的算法。

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