滕孝杰，顏 彪，李 薇，阿孜古麗·艾合拜爾

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

基于訓(xùn)練序列的MIMO-OFDM同步技術(shù)改進(jìn)

滕孝杰，顏 彪，李 薇，阿孜古麗·艾合拜爾

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

從MIMO-OFDM系統(tǒng)的定時同步及頻率偏移的問題出發(fā)，以Park特殊訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出了一種改進(jìn)的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)。該訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)被分為三部分，一、二部分訓(xùn)練符號相同，第三部分重復(fù)復(fù)制第二部分的后半部分，再分別利用它們的相關(guān)性來進(jìn)行定時同步位置和頻率偏移的估值計算。仿真結(jié)果表明，該方法使MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步性能得到了顯著提高。

MIMO-OFDM；訓(xùn)練序列；定時同步；頻率偏移

在相同的發(fā)射功率和傳輸帶寬下，多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)的信道容量提高40多倍，同時MIMO系統(tǒng)可以利用多副天線所帶來的多條傳輸路徑來獲得空間分集增益，從而提高系統(tǒng)的傳輸性能[1]。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是一種高效的多載波調(diào)制傳輸技術(shù)，它既可以有效地對抗多徑傳播，也可以使系統(tǒng)帶寬的利用率提高。MIMO-OFDM技術(shù)是將MIMO與OFDM技術(shù)有效結(jié)合形成的一種新技術(shù)，該技術(shù)是在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線來實現(xiàn)空間分集，提高信號的傳輸質(zhì)量。MIMO-OFDM技術(shù)具有頻譜利用率高，傳輸效率高以及傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點。但是，MIMO-OFDM系統(tǒng)在高速移動的環(huán)境下，容易產(chǎn)生定時偏移和頻率偏移，這就使MIMO-OFDM系統(tǒng)對定時同步和頻率同步的要求提高，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效、準(zhǔn)確的傳輸。目前已有大量學(xué)者對該同步技術(shù)進(jìn)行了研究分析，有循環(huán)前綴同步，導(dǎo)頻同步，訓(xùn)練序列同步等[2-6]。本文以Park特殊結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練序列為基礎(chǔ)，以Zadoff-Chu序列構(gòu)成訓(xùn)練序列，將訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)分為三部分，第一部分與第二部分的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)完全相同，第三部分被平均分為兩部分，這兩部分的訓(xùn)練序列都復(fù)制第二部分的后半部分的訓(xùn)練序列，即第三部分的前后兩段的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)完全相同。在算法上，以傳統(tǒng)定時同步算法Schmidl&Coc算法(簡稱SC算法)為基礎(chǔ)，將第一、二部分和二、三部分分別進(jìn)行相關(guān)計算，然后再進(jìn)行求和，最后結(jié)合定時判決函數(shù)以及頻偏公式來獲得定時同步和頻率偏移的值，并對其進(jìn)行性能仿真驗證及分析。

1 MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步算法

1.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

假設(shè)MIMO-OFDM系統(tǒng)有Nt根發(fā)送天線，Nr根接收天線，則其系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框圖

在MIMO-OFDM系統(tǒng)等效模型中，各個發(fā)送端的發(fā)送天線所發(fā)送的OFDM符號可以表示為：

(1)

式中，P表示發(fā)送天線的序號；N表示子載波的個數(shù)；Sp(k)則表示MIMO-OFDM系統(tǒng)傳輸?shù)恼{(diào)制符號，可以為BPSK，QPSK或者QAM調(diào)制。

在高斯信道下，各個接收端的接收天線所接收的信號可以表示為：

(2)

其中，q表示發(fā)送天線的序號；hp,q(l)表示信道的沖激響應(yīng)；θ表示定時偏移；ω(n)表示頻率偏移。

1.2 Zadoff-Chu序列

恒包絡(luò)零自相關(guān)序列(CAZAC序列)具有幅值恒定、理想的相關(guān)特性、低峰均比特性等優(yōu)點，Zadoff-Chu序列在CAZAC序列基礎(chǔ)之上提出，同樣具有CAZAC序列的優(yōu)點。由文獻(xiàn)[7]知Zadoff-Chu序列{ak}定義為：

(3)

(4)

M與N是互為質(zhì)數(shù)的整數(shù)，q為任意的整數(shù)，本文中為了便于計算，q取值為0。

1.3 符號定時同步算法

目前常用的基本符號定時同步算法有三種，SC算法，Minn算法和Park算法，其他的改進(jìn)結(jié)構(gòu)和算法也幾乎都是在這三種基礎(chǔ)之上進(jìn)行的。三種算法訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)圖分別如圖2。

圖2 訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)圖

其中，字母符號相同，則訓(xùn)練符號相同，負(fù)號表示取反，“*”表示共軛，A與B則是呈中心對稱。

以SC算法為例，其定時判決函數(shù)為[8]：

(5)

上式中

(6)

(7)

而Minn算法和Park算法也都是在此算法基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)的，這里不再贅述。

2 改進(jìn)的同步方法

改進(jìn)的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)由三段訓(xùn)練符號組成，第二段重復(fù)第一段，第三段的前后兩部分分別重復(fù)第二段的后半部分，不同天線上的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)由此循環(huán)移位得到。本文設(shè)計的序列結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)圖

算法上，傳統(tǒng)SC算法由于循環(huán)前綴的原因，極易產(chǎn)生定時平臺，影響定時同步的準(zhǔn)確率；Minn算法和Park算法雖對其進(jìn)行了改進(jìn)，使定時點變的相對尖銳，但是計算量也隨之增加。本文在算法上仍采用SC算法的定時判決函數(shù)，再結(jié)合Minn算法和Park算法對其作一定的改進(jìn)。先對一二部分進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，再對二三部分進(jìn)行相關(guān)計算，最后結(jié)合兩次相關(guān)計算，進(jìn)行定時同步及頻率偏移的計算。由于第三部分并未完全復(fù)制第二部分，其與第二部分的相關(guān)性則受到了一定的抑制，使定時點趨于尖銳，從而提高了定時同步準(zhǔn)確率。本文定時判決函數(shù)如下：

(8)

式中

(9)

(10)

P1(d)=P11(d)+P12(d) .

(11)

(12)

(13)

R1(d)=R11(d)+R12(d) .

(14)

當(dāng)式(8)的判決函數(shù)取得最大值時，即可獲得定時符號的起始點d1，再將d1代入頻偏公式得出頻偏估算ε1。

d1=argmax(M1(d)) .

(15)

(16)

3 仿真分析

在本文仿真中，MIMO-OFDM系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置為：子載波數(shù)目N為256；調(diào)制方式為BPSK；循環(huán)移位長度為10；系統(tǒng)帶寬為20 MHz；載波頻率為5 GHz。

誤碼率及定時同步準(zhǔn)確率都可以用來衡量定時同步的性能。圖4顯示了在收發(fā)天線數(shù)目為1×1和2×2的情況下誤碼率隨著信噪比變化的曲線走勢圖。從圖中可以看出，無論收發(fā)天線數(shù)目是在1×1還是2×2的情況下，本文提出的算法在信噪比相同的情況下誤碼率都要比傳統(tǒng)算法低，尤其是在信噪比小于15 dB的情況下。單看本文提出的算法，收發(fā)天線數(shù)為2×2的誤碼率要比1×1的誤碼率低，可見隨著天線數(shù)目的增加，系統(tǒng)的誤碼率在降低，同步性能在提高。

圖4 誤碼率曲線圖

圖5顯示了在收發(fā)天線數(shù)為2×2的情況下，MIMO-OFDM系統(tǒng)的定時同步準(zhǔn)確率隨著信噪比變換的曲線走勢圖。由圖可以明顯看出本文提出的算法的定時準(zhǔn)確率比傳統(tǒng)算法的要高，在改善系統(tǒng)的同步性能方面也就更為優(yōu)越。

4 結(jié)束語

本文對MIMO-OFDM系統(tǒng)的定時同步及頻率偏移的問題進(jìn)行了研究分析。對訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的同時在算法上也進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，本文提出的結(jié)構(gòu)方法與同類方法進(jìn)行比較，不光降低了訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，還減小了計算量，同時在信噪比相同的情況下，誤碼率降低，定時準(zhǔn)確率提高，MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步性能整體也隨之得到優(yōu)化。

[1] 林云，何豐.MIMO技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2010:2-3.

[2] Chen B,Zhang Z,Yue H,et al.Reaserch on Synchronization Issues of CP-OFDM Receiver[C]//International Conference on Electronics Information and Emergency Communication.IEEE,2015.

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[4] Nasraoui L,Atallah L N,Siala M.Synchronization Technique for MIMO-OFDM WLAN Systems with Space Time Diversity[C]//International Wireless Communications and Mobile Computing Conference,2015.

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[6] Suparna S A,Sekhar S,Pillai S S.An Efficient Preamble Design for Timing Synchronization in MIMO-OFDM Systems[C]//International Conference on Control,Instrumentation,Communication and Computational Technologies.IEEE,2015:84-88.

[7] Chu D.Polyphase Codes with Good Periodic Correlation Properties (Corresp.)[J].IEEE Transactions on Information Theory,1972,18(4):531-532.

[8] Schmidl T M,Cox D C.Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM[J].IEEE Transactions on Communications,1998,45(12):1613-1621.

Improvement of MIMO-OFDM Synchronization Technology Based on Training Sequence

Teng Xiaojie, Yan Biao, Li Wei, Arzigul Akbar

(CollegeofInformationEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225009,China)

Starting from the problem of timing synchronization and frequency offset of MIMO-OFDM system, an improved training sequence structure is proposed based on Park special training sequence structure. The training sequence structure is divided into three parts-the first and the second parts of the training symbol are the same and the latter part of the second part is copied to the third part repeatedly. Then the timing synchronization position and frequency offset is calculated by using their correlation. The simulation results show that the synchronization performance of the MIMO-OFDM system is improved remarkably.

OFDM-MIMO; training sequence; timing synchronization; frequency offset

2017-01-07

滕孝杰(1995- )，男，江蘇宿遷人，大學(xué)本科，研究方向為無線通信。

1674- 4578(2017)02- 0052- 04

TN929.53

A