同步MIMO技術(shù)

1、同步MIMO-OFDM技術(shù)1、移動(dòng)通信簡單介紹移動(dòng)通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。顧名思義，移動(dòng)通信1就是指通信雙方至少有一方在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中進(jìn)行信息傳輸。例如移動(dòng)臺(tái)（由車輛、船舶、飛機(jī)或者行人攜帶）與固定點(diǎn)之間或者移動(dòng)臺(tái)之間的通信都屬于移動(dòng)通信的范疇。另外，還有一種可移動(dòng)的概念，即通信用戶的位置是可以改變的，但在通信過程中用戶不處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這類通信也可稱為移動(dòng)通信，但與嚴(yán)格意義上的移動(dòng)通信相比，兩者的無線信道特性有較大的差別。移動(dòng)通信不但集中了無線通信和有線通信的最新技術(shù)成就，而且集中了網(wǎng)絡(luò)接收和計(jì)算機(jī)技術(shù)的許多成果。近年來移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展，經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：從第一代模擬通信到第

2、二代數(shù)字通信，再到第三代多媒體通信。為高速業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的3G在通信容量和質(zhì)量等方面將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，目前世界各國在推動(dòng)商用化的同時(shí)已經(jīng)把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)入下一代移動(dòng)通信，在概念和技術(shù)上尋求創(chuàng)新和突破使無線通信的容量和速率有數(shù)十倍甚至上百倍的提高。下一代移動(dòng)通信提供的數(shù)據(jù)傳輸速率將高達(dá)100Mbit/s，甚至更高。支持的業(yè)務(wù)從語音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實(shí)時(shí)的流媒體業(yè)務(wù)，可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的不同速率動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率。另一方面，下一代移動(dòng)通信要求成本低，要在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量這就需要頻譜效率極高的技術(shù)。2、MIMO-OFDM技術(shù)簡介 對(duì)MIMO-OFDM技術(shù)來說，其核心部分是O

3、FDM技術(shù)和MIMO技術(shù)。眾所周知，在未來寬帶移動(dòng)無線通信系統(tǒng)中存在多徑衰落和帶寬效率兩方面最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。OFDM技術(shù)通過在頻域內(nèi)將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)變?yōu)槠教剐诺罍p小多徑衰落的影響。MIMO技術(shù)能在空間產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就能有效提高系統(tǒng)傳輸速率。即由MIMO 提供的空間復(fù)用技術(shù)能在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高頻譜效率。因此將OFDM與MIMO結(jié)合就能提高系統(tǒng)的傳輸效率。另外由于OFDM碼率低，并加入時(shí)間保護(hù)間隔使它具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受ISI 的影響。單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）用于寬帶OFDM系統(tǒng)可以通過多天線來實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)

4、射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋通過分集還能提高系統(tǒng)可靠性。MIMO技術(shù)涉及廣泛，主要包括發(fā)射分集技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)。發(fā)射分集技術(shù)主要是指空時(shí)編碼術(shù)，空時(shí)編碼是基于信道的信道編碼它能實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的無限傳輸此外由于空時(shí)編碼不但具有編碼增益而且能提供空間分集增益所以具有很強(qiáng)的抗衰落能力空時(shí)編碼的這些突出優(yōu)點(diǎn)使它將成為下一代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。這樣，OFDM和MIMO兩種技術(shù)的結(jié)合，就能達(dá)到兩種效果：一種是系統(tǒng)具備很高的傳輸速率，另一種是通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性。3、同步的必要性所謂同步就是收發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，在頻率和相位上也一致。MIMO-OFDM系統(tǒng)對(duì)同步誤差很敏感：在多

5、徑環(huán)境下， MIMO-OFDM系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求很高；頻率同步方面，由于MIMO-OFDM系統(tǒng)可以視為N個(gè)并行的MIMO子系統(tǒng)，因此頻偏所引入的ICI會(huì)惡化每個(gè)子載波的信噪比，從而惡化整個(gè)MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的傳輸性能。 對(duì)MIMO-OFDM5系統(tǒng)來說，時(shí)間同步方面，接收端需要對(duì)各個(gè)天線上的信號(hào)分別進(jìn)行延時(shí)估計(jì)和調(diào)整。頻率同步方面，接收端需要對(duì)各個(gè)天線上的信號(hào)分別進(jìn)行頻率偏移估計(jì)和補(bǔ)償。根據(jù)對(duì)OFDM信號(hào)估計(jì)開始點(diǎn)位置的不同，STO對(duì)它的影響是不同的。下圖表示了四種不同情況的時(shí)間偏移：估計(jì)開始點(diǎn)正好，早一點(diǎn)，太早或遲于真正的開始點(diǎn)。在OFDM系統(tǒng)中，STO不僅會(huì)引起相位失真，還會(huì)引起碼

6、間串?dāng)_（ISI）。基于此，OFDM估計(jì)開始時(shí)間必須與STO一樣，這就要求在接收端實(shí)現(xiàn)同步技術(shù)6。下面這個(gè)仿真實(shí)現(xiàn)了STO估計(jì)。它應(yīng)用了循環(huán)前綴。4、一個(gè)實(shí)例傳統(tǒng)的MIMO-OFDM同步算法，未能完全解決這種情況下的同步問題。這種新的適用于 MIMO-OFDM系統(tǒng)的時(shí)間頻率同步算法考慮了各發(fā)射天線到達(dá)時(shí)延各不相同的情況，因此具有更廣泛意義，可適用于分布式M IMO系統(tǒng)。4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)算法框圖如圖1所示。圖1MIMO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖假設(shè)一個(gè)MIMO-OFDM系統(tǒng)有N個(gè)子載波，M個(gè)發(fā)射天線，P個(gè)接收天線，定義第m個(gè)發(fā)射天線上的OFDM調(diào)制信號(hào)為：假設(shè)頻偏為，則第p個(gè)接收天線接收到的信號(hào)為：這里表

7、示多徑信道的徑數(shù)，hlmp表示第mp個(gè)MIMO子信道中第l徑的衰落系數(shù)。Sl表示MIMO子信道中第l徑的時(shí)延。dm表示接收天線收到各路發(fā)射天線信號(hào)的相對(duì)時(shí)延。這里定義第一路發(fā)射天線的相對(duì)時(shí)延是零。Np(t)是第p路接收天線上的加性噪聲，設(shè)Dp=maxd1,d2,dm。這種新的時(shí)間同步算法適用于各路天線到達(dá)時(shí)延不同的情況。傳統(tǒng)的MIMO-OFDM4系統(tǒng)同步算法并不能解決當(dāng)各路天線到達(dá)時(shí)延不同時(shí)的同步問題。針對(duì)這種情況，我們提出了新的導(dǎo)引符號(hào)配置方法：第一，頻域各天線的訓(xùn)練序列分開放置，用來區(qū)分不同時(shí)延，可以進(jìn)行時(shí)間精同步；第二，在接收端時(shí)域，這些分開放置的訓(xùn)練序列又具有相同的兩個(gè)半段，可以用來做

8、時(shí)間粗同步和頻率粗同步。在發(fā)射端的頻域，如果訓(xùn)練序列的齊位插入偽隨機(jī)序列，偶位插入零，那么經(jīng)過IFFT之后就可以得到前后兩個(gè)相同的半段序列。于是我們的訓(xùn)練序列的插入方法如下，該方法可以保證M條發(fā)射天線上的訓(xùn)練序列經(jīng)過IFFT之后，都可以得到兩個(gè)相同的半段序列。因此即使當(dāng)各個(gè)發(fā)射天線到達(dá)接收天線的時(shí)延不同時(shí)，接收天線依然可以得到兩段相同的序列。定義每個(gè)天線發(fā)射的訓(xùn)練序列為Tm(i)，其中插入的偽隨機(jī)序列為Cm(k)，長度為Q，這里總的子載波數(shù)N和發(fā)射天線數(shù)M間必須滿足：N=2MQ，第m個(gè)發(fā)射天線插入練序列的方式為上式中i=0,1,.,N-1。圖2訓(xùn)練序列插入方式如圖2所示，這樣插入就保證了每路發(fā)

9、射天線的訓(xùn)練序列都是在偶位全為零，奇位則為偽隨機(jī)序列和零，可以保證在IFFT之后，每路天線的導(dǎo)引在時(shí)域都對(duì)稱，這樣在時(shí)延不同的情況下疊加，都可以得到兩個(gè)相同的半段序列。設(shè)tm(i)是對(duì)應(yīng)的Tm(i)經(jīng)過IFFT之后的結(jié)果：如圖3所示，假設(shè)ai，bi，ci分別是t1(i)，t2(i)，t3(i)的序列。d2，d3分別是t2(i)，t3(i)序列相對(duì)于t1(i)的延遲。當(dāng)d3為最大延遲時(shí)，按照?qǐng)D中的方式疊加后，兩個(gè)半段序列1和2是完全相同的。 圖3時(shí)域上各路有延遲的序列疊加4.2時(shí)間同步4.2.1粗同步首先在接收端建立一個(gè)長度為N的滑動(dòng)窗，按照我們提出的訓(xùn)練序列插入方式，當(dāng)處于正確的時(shí)間點(diǎn)時(shí)，在滑

10、動(dòng)窗中的訓(xùn)練序列就是兩個(gè)相同的前后部分?？紤]到M路天線相對(duì)延遲不同，所以前后兩個(gè)半段有Dp長度部分不同。于是我們可以定義時(shí)間粗同步公式為：上面的計(jì)算，因?yàn)槌袅松厦嫣岬降男〔糠值牟煌?，所以在?xùn)練序列正好對(duì)齊的時(shí)候就可以得到一個(gè)歸一化的峰值。然后設(shè)置一個(gè)硬判門限和搜索長度L，將從M(d)超過門限的滑動(dòng)窗中的那段序列開始，連續(xù)將L個(gè)長度為N的序列送入后續(xù)的精同步部分處理，并且記錄超過門限的時(shí)間點(diǎn)為。設(shè)這段序列為gi(t)，i=0,1,L-1，t=0,1,.,N-1。4.2.2精同步得到了L個(gè)長度為N的序列，將他們分別進(jìn)行FFT運(yùn)算：上式中，i=0,1,L-1，k=0,1,.,N-1。然后將Gi(k

11、)按照先前插訓(xùn)練序列的方式，將其中的偽隨機(jī)序列抽取出來，和本地序列進(jìn)行相關(guān)相乘，就可以得到第m路發(fā)射天線信號(hào)的時(shí)間精同步點(diǎn)了：上式中，m=1,2,.,M。因?yàn)橛衜個(gè)發(fā)射天線，因此公式(9)要進(jìn)行m次運(yùn)算，確定每個(gè)發(fā)射天線到第p個(gè)接收天線的時(shí)間精同步點(diǎn)。所以，得到第m路發(fā)射天線信號(hào)到達(dá)第p路接收天線的時(shí)間同步點(diǎn)：4.3頻率同步在時(shí)間同步后實(shí)現(xiàn)頻率同步。這里我們?nèi)匀豢梢岳迷跁r(shí)域得到的兩個(gè)相同的半段訓(xùn)練來進(jìn)行頻率偏移估計(jì)，與時(shí)間粗同步一樣，也要除去兩個(gè)半段序列中長度部分的序列，假定各路發(fā)射天線的時(shí)間同步點(diǎn)中，的相對(duì)延遲為零。于是得到頻偏估計(jì)：4.4數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果設(shè)MIMO系統(tǒng)為四發(fā)四收和兩發(fā)兩收結(jié)

12、構(gòu)，子載波數(shù)為N=2048，帶寬是20 MHz，信道是COST207六徑rayleigh信道，各徑時(shí)延以40個(gè)采樣點(diǎn)遞增，功率以6 dB遞減，速率為70 km/h。四個(gè)發(fā)射天線到達(dá)接收天線的時(shí)延分別為0，5，10，15個(gè)采樣點(diǎn)，因此我們令為20個(gè)采樣點(diǎn)，來進(jìn)行時(shí)間和頻率同步。頻偏設(shè)為0.4，時(shí)間精同步搜索長度L=250。由于進(jìn)行時(shí)間粗同步時(shí)，得到的峰值會(huì)受到噪聲的影響，因此硬判值在不同信噪比條件下并不相同，一般來說，是隨信噪比的升高呈遞增趨勢(shì)。仿真數(shù)據(jù)長度是10萬幀。如圖4所示。在信噪比較低的情況下，兩種情況下時(shí)間同步的錯(cuò)誤率比較高，并且隨著信噪比的升高而逐漸降低，在10 dB的時(shí)候錯(cuò)誤率降低

13、幅度很大。在12，14 dB的時(shí)候錯(cuò)誤率幾乎為零。說明新算法在各路發(fā)射天線時(shí)延不同情況下，仍然可以得到良好的時(shí)間同步性能。圖4新算法的時(shí)間同步性能曲線如圖5所示。兩種情況下頻率同步的MSE值隨著信噪比的升高而逐漸降低，四發(fā)四收和兩發(fā)兩收情況得到的MSE值很接近，說明頻率同步算法可以得到和Schmidl算法同樣的頻率同步性能。圖5新算法的頻率同步性能曲線通過以上仿真可以看到，該算法在多徑環(huán)境下可以得到良好的同步性能。5、結(jié)束語目前，世界各國和各大電信廠商都已經(jīng)展開了新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，而且由于MIMO-OFDM5在提高無線鏈路的傳輸速率和可靠性的巨大潛力，使得這兩種技術(shù)的結(jié)合有望成為過渡到

14、4G的潛在技術(shù)。因此MIMO-OFDM已經(jīng)成為目前4G研究的熱點(diǎn)。隨著通信領(lǐng)域的迅猛發(fā)展和人們需求的日益增長,加之3G標(biāo)準(zhǔn)的制定和牌照的發(fā)放,在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,越發(fā)體現(xiàn)出了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的重要性。而對(duì)下一代通信系統(tǒng)(4G)的主流技術(shù)正交頻分復(fù)用(OFDM,Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)的研究工作也日益受到人們的關(guān)注。該技術(shù)將高速的串行數(shù)據(jù)流分成若干個(gè)低速的并行子數(shù)據(jù)流,并各自調(diào)制到一組相互正交的子載波上,以其高效的頻譜利用率及抗多徑干擾的能力,成為了通信領(lǐng)域的時(shí)代新寵兒。由于OFDM技術(shù)對(duì)頻率偏差及相位噪聲相當(dāng)敏感,所以同步技術(shù)便成為了

15、OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。如果系統(tǒng)中缺乏必要的同步機(jī)制,則各個(gè)頻道的正交性就會(huì)受到影響,從而給整個(gè)系統(tǒng)帶來不可預(yù)知的惡果。參考文獻(xiàn)1 王文博，鄭侃。寬帶無線通信OFDM技術(shù)。人民郵電出版社。2Timothy M. Schmidl and Donald C. Cox. Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM.IEEE Trans. on Commun., vol.45, no.12,pp.1613-1621,1997.3 佟學(xué)儉，羅濤.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用.人民郵電出版社4 楊曉春，何建吳。OFDM無線局域網(wǎng)。電子工業(yè)出版社。5 MIMO+OFDM.新一代移動(dòng)通信核心技術(shù).中國數(shù)據(jù)通信.6 Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang and Chung G. Kang。 MIMO-OFDM WIRELESS COMMUNICATIONS WITH MATLAB7Fredrik Tufvesson, Mike Faulkner an Ove Edfors.Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preamblesC.Proceedi