同步MIMO技术.docx

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同步MIMO技术

同步MIMO-OFDM技术

1、移动通信简单介绍

移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。

顾名思义，移动通信[1]就是指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输。

例如移动台（由车辆、船舶、飞机或者行人携带）与固定点之间或者移动台之间的通信都属于移动通信的范畴。

另外，还有一种可移动的概念，即通信用户的位置是可以改变的，但在通信过程中用户不处于运动状态。

这类通信也可称为移动通信，但与严格意义上的移动通信相比，两者的无线信道特性有较大的差别。

移动通信不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。

近年来移动通信技术飞速发展，经历了3个发展阶段：

从第一代模拟通信到第二代数字通信，再到第三代多媒体通信。

为高速业务和多媒体业务设计的3G在通信容量和质量等方面将远远不能满足要求，目前世界各国在推动商用化的同时已经把研究重点转入下一代移动通信，在概念和技术上寻求创新和突破使无线通信的容量和速率有数十倍甚至上百倍的提高。

下一代移动通信提供的数据传输速率将高达100Mbit/s，甚至更高。

支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务，可以根据这些业务所需的不同速率动态调整数据传输速率。

另一方面，下一代移动通信要求成本低，要在有限的频谱资源上实现高速率和大容量这就需要频谱效率极高的技术。

2、MIMO-OFDM技术简介

　对MIMO-OFDM技术来说，其核心部分是OFDM技术和MIMO技术。

众所周知，在未来宽带移动无线通信系统中存在多径衰落和带宽效率两方面最严重的挑战。

OFDM技术通过在频域内将频率选择性信道转变为平坦信道减小多径衰落的影响。

MIMO技术能在空间产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，这样就能有效提高系统传输速率。

即由MIMO提供的空间复用技术能在不增加系统带宽的情况下提高

频谱效率。

因此将OFDM与MIMO结合就能提高系统的传输效率。

另外由于OFDM码率低，并加入时间保护间隔使它具有极强的抗多径干扰能力。

由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受ISI的影响。

单频网络（SFN）用于宽带OFDM系统可以通过多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应实现完全覆盖通过分集还能提高系统可靠性。

MIMO技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术。

发射分集技术主要是指空时编码术，空时编码是基于信道的信道编码它能实现高频谱效率的无限传输此外由于空时编码不但具有编码增益而且能提供空间分集增益所以具有很强的抗衰落能力空时编码的这些突出优点使它将成为下一代移动通信的关键技术之一。

这样，OFDM和MIMO两种技术的结合，就能达到两种效果：

一种是系统具备很高的传输速率，另一种是通过分集达到很强的可靠性。

3、同步的必要性

所谓同步就是收发双方在时间上步调一致，在频率和相位上也一致。

MIMO-OFDM系统对同步误差很敏感：

在多径环境下，MIMO-OFDM系统对时间同步的要求很高；频率同步方面，由于MIMO-OFDM系统可以视为N个并行的MIMO子系统，因此频偏所引入的ICI会恶化每个子载波的信噪比，从而恶化整个MIMO-OFDM通信系统的传输性能。

对MIMO-OFDM[5]系统来说，时间同步方面，接收端需要对各个天线上的信号分别进行延时估计和调整。

频率同步方面，接收端需要对各个天线上的信号分别进行频率偏移估计和补偿。

根据对OFDM信号估计开始点位置的不同，STO对它的影响是不同的。

下图表示了四种不同情况的时间偏移：

估计开始点正好，早一点，太早或迟于真正的开始点。

在OFDM系统中，STO不仅会引起相位失真，还会引起码间串扰（ISI）。

基于此，OFDM估计开始时间必须与STO一样，这就要求在接收端实现同步技术[6]。

下面这个仿真实现了STO估计。

它应用了循环前缀。

4、一个实例

传统的MIMO-OFDM同步算法，未能完全解决这种情况下的同步问题。

这种新的适用于MIMO-OFDM系统的时间频率同步算法考虑了各发射天线到达时延各不相同的情况，因此具有更广泛意义，可适用于分布式MIMO系统。

　　4.1　系统设计

　　算法框图如图1所示。

图1　MIMO-OFDM系统结构图

　　假设一个MIMO-OFDM系统有N个子载波，M个发射天线，P个接收天线，定义第m个发射天线上的OFDM调制信号为：

　　假设频偏为ε，则第p个接收天线接收到的信号为：

　　这里△表示多径信道的径数，hlmp表示第mp个MIMO子信道中第l径的衰落系数。

Sl表示MIMO子信道中第l径的时延。

dm表示接收天线收到各路发射天线信号的相对时延。

这里定义第一路发射天线的相对时延是零。

Np（t）是第p路接收天线上的加性噪声，设

　　Dp=max{d1,d2,…,dm}。

　　这种新的时间同步算法适用于各路天线到达时延不同的情况。

传统的MIMO-OFDM[4]系统同步算法并不能解决当各路天线到达时延不同时的同步问题。

针对这种情况，我们提出了新的导引符号配置方法：

第一，频域各天线的训练序列分开放置，用来区分不同时延，可以进行时间精同步；第二，在接收端时域，这些分开放置的训练序列又具有相同的两个半段，可以用来做时间粗同步和频率粗同步。

　　在发射端的频域，如果训练序列的齐位插入伪随机序列，偶位插入零，那么经过IFFT之后就可以得到前后两个相同的半段序列。

于是我们的训练序列的插入方法如下，该方法可以保证M条发射天线上的训练序列经过IFFT之后，都可以得到两个相同的半段序列。

因此即使当各个发射天线到达接收天线的时延不同时，接收天线依然可以得到两段相同的序列。

　　定义每个天线发射的训练序列为Tm（i），其中插入的伪随机序列为Cm（k），长度为Q，这里总的子载波数N和发射天线数M间必须满足：

N=2MQ，第m个发射天线插入练序列的方式为

　　上式中i=0,1,….,N-1。

图2　训练序列插入方式

　　如图2所示，这样插入就保证了每路发射天线的训练序列都是在偶位全为零，奇位则为伪随机序列和零，可以保证在IFFT之后，每路天线的导引在时域都对称，这样在时延不同的情况下叠加，都可以得到两个相同的半段序列。

　　设tm（i）是对应的Tm（i）经过IFFT之后的结果：

　如图3所示，假设ai，bi，ci分别是t1（i），t2（i），t3（i）的序列。

d2，d3分别是t2（i），t3（i）序列相对于t1（i）的延迟。

当d3为最大延迟时，按照图中的方式叠加后，两个半段序列1和2是完全相同的。

图3　时域上各路有延迟的序列叠加

　　4.2　时间同步

　　4.2.1　粗同步

　　首先在接收端建立一个长度为N的滑动窗，按照我们提出的训练序列插入方式，当处于正确的时间点时，在滑动窗中的训练序列就是两个相同的前后部分。

　　考虑到M路天线相对延迟不同，所以前后两个半段有Dp长度部分不同。

于是我们可以定义时间粗同步公式为：

　　上面的计算，因为除掉了上面提到的小部分的不同，所以在训练序列正好对齐的时候就可以得到一个归一化的峰值。

　　然后设置一个硬判门限和搜索长度L，将从M（d）超过门限的滑动窗中的那段序列开始，连续将L个长度为N的序列送入后续的精同步部分处理，并且记录超过门限的时间点为。

设这段序列为gi（t），i=0,1,…,L-1，t=0,1,….,N-1。

　　4.2.2　精同步

　　得到了L个长度为N的序列，将他们分别进行FFT运算：

　　上式中，i=0,1,…,L-1，k=0,1,….,N-1。

　　然后将Gi（k）按照先前插训练序列的方式，将其中的伪随机序列抽取出来，和本地序列进行相关相乘，就可以得到第m路发射天线信号的时间精同步点了：

　　上式中，m=1,2,….,M。

　　因为有m个发射天线，因此公式（9）要进行m次运算，确定每个发射天线到第p个接收天线的时间精同步点。

　　所以，得到第m路发射天线信号到达第p路接收天线的时间同步点：

　　4.3　频率同步

　　在时间同步后实现频率同步。

这里我们仍然可以利用在时域得到的两个相同的半段训练来进行频率偏移估计，与时间粗同步一样，也要除去两个半段序列中τ长度部分的序列，假定各路发射天线的时间同步点中，的相对延迟为零。

于是得到频偏估计：

　　4.4　数据与仿真结果

　　设MIMO系统为四发四收和两发两收结构，子载波数为N=2048，带宽是20MHz，信道是COST207六径rayleigh信道，各径时延以40个采样点递增，功率以6dB递减，速率为70km/h。

四个发射天线到达接收天线的时延分别为0，5，10，15个采样点，因此我们令τ为20个采样点，来进行时间和频率同步。

频偏设为0.4，时间精同步搜索长度L=250。

由于进行时间粗同步时，得到的峰值会受到噪声的影响，因此硬判值在不同信噪比条件下并不相同，一般来说，是随信噪比的升高呈递增趋势。

仿真数据长度是10万帧。

　　如图4所示。

在信噪比较低的情况下，两种情况下时间同步的错误率比较高，并且随着信噪比的升高而逐渐降低，在10dB的时候错误率降低幅度很大。

在12，14dB的时候错误率几乎为零。

说明新算法在各路发射天线时延不同情况下，仍然可以得到良好的时间同步性能。

图4　新算法的时间同步性能曲线

　　如图5所示。

两种情况下频率同步的MSE值随着信噪比的升高而逐渐降低，四发四收和两发两收情况得到的MSE值很接近，说明频率同步算法可以得到和Schmidl算法同样的频率同步性能。

图5　新算法的频率同步性能曲线

　　通过以上仿真可以看到，该算法在多径环境下可以得到良好的同步性能。

　　5、结束语

目前，世界各国和各大电信厂商都已经展开了新一代移动通信系统的研究，而且由于MIMO-OFDM[5]在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得这两种技术的结合有望成为过渡到4G的潜在技术。

因此MIMO-OFDM已经成为目前4G研究的热点。

随着通信领域的迅猛发展和人们需求的日益增长,加之3G标准的制定和牌照的发放,在现代通信系统中,越发体现出了移动网络和通信技术的重要性。

而对下一代通信系统（4G）的主流技术——正交频分复用（OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）的研究工作也日益受到人们的关注。

该技术将高速的串行数据流分成若干个低速的并行子数据流,并各自调制到一组相互正交的子载波上,以其高效的频谱利用率及抗多径干扰的能力,成为了通信领域的时代新宠儿。

由于OFDM技术对频率偏差及相位噪声相当敏感,所以同步技术便成为了OFDM系统中的关键技术之一。

如果系统中缺乏必要的同步机制,则各个频道的正交性就会受到影响,从而给整个系统带来不可预知的恶果。

参考文献

1王文博，郑侃。

宽带无线通信OFDM技术。

人民邮电出版社。

2　TimothyM.SchmidlandDonaldC.Cox.RobustFrequencyandTimingSynchronizationforOFDM.IEEETrans.onCommun.,vol.45,no.12,pp.1613-1621,1997.

3佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社

4杨晓春，何建吴。

OFDM无线局域网。

电子工业出版社。

5MIMO+OFDM.新一代移动通信核心技术.中国数据通信.

6YongSooCho,JaekwonKim,WonYoungYangandChungG.Kang。

MIMO-OFDMWIRELESSCOMMUNICATIONSWITHMATLAB

7　FredrikTufvesson,MikeFaulkneranOveEdfors.TimeandfrequencysynchronizationforOFDMusingPN-sequencepreambles[C].

ProceedingsofIEEEVehicularTechnologyConference,Amsterdam,TheNetherlands,1999:

2203-2207

8　Mody,A.N.;Stuber,G.L.SynchronizationforMIMOOFDMsystems.GlobalTelecommunicationsConference,2001.GLOBECOM　

‘01.IEEE,Volume:

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