（信号与信息处理专业论文）mimo+ofdm系统同步技术的研究.pdf

成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 2 mimo ofdm 系统同步技术的研究 信号与信息处理专业 研究生 姜小云 指导教师 杨家仕 随着 3g 标准的制定，下一代移动通信系统(4g)的研究也日益受到人们的 关注。ofdm(orthogonal frequency division multiplexing) 正交频分复用技术 将高速串行数据流分割为低速的并行子数据流各自调制到互相正交的子载波上, 以其高效的频谱利用率和抗多径干扰的能力，业已成为 4g 中采用的关键调制 技术。但是 ofdm 系统由于子载波之间必须保持严格的正交性，所以对定时 偏 差 和 载 波 偏 差 非 常 敏 感 。 本 课 题 的 任 务 主 要 是 研 究 ofdm 及 mimo(multiple-input multiple-output) ofdm 系统的定时和载波同步技术。 本文首先简要介绍了 mimo 和 ofdm 系统的基本原理，详细分析和仿真 了一些典型模块。然后，讨论了单天线 ofdm 的同步技术和一些典型的同步算 法，在分析的基础上提出了一种改进的 ofdm 频率偏移估计算法。改进的算法 与文献3的算法在估计的均方误差方面相比较，在相同的信号噪声功率比的 情况下，改进的算法比文献3的算法性能提高了一个数量级。同时，将 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 2 schmidl2的同步思想用于 ieee 802.16 ofdm1系统中，分析了该算法在上述 系统中的适用性。通过 matlab 仿真表明 schmidl 同步算法在 ieee802.16 ofdm 系统中的同步性能良好。最后，讨论了多天线 ofdm(mimo-ofdm)系统的同步技 术和两种经典的同步算法即 mody 算法23和 zelst 算法24。由于 mody 算法是 采用相互正交的多相码序列作为不同发射天线的同步训练序列，而实际当中要 产生这种正交多相码序列是很困难的， 因此这就限制了 mody 算法的使用。 zelst 算法是采用时域相互正交的码序列作为发射端不同天线的同步训练序列，也就 是说，这些不同的发射天线的同步训练序列是在不同的时间段上发送。由于 zelst 算法的同步训练序列使用了与发射天线数目相同数量的时间段，因此就 降低了整个系统的频带利用率。为了解决上述问题，本文提出了一种由两个相 同的长训练 pn 序列和两个相同的短训练 pn 序列组成的前导训练符号的帧结 构。这种帧结构能很好的进行定时同步和频率偏移估计。matlab 仿真表明， 与理想同步情况的误比特率性能相同。 关键词：正交频分复用(ofdm) mimo 同步 频偏估计 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 3 research on the synchronization in a mimo ofdm system major signal and information processing student jiang xiao-yun tutor yang jia-shi the research on the next mobile communications (4g) technology has been paid more and more attention as the globally applicable technical specifications and technical reports for the 3rd generation mobile system (3g) are produced by 3gpp. ofdm (orthogonal frequency division multiplexing) splits a high-rate data stream into a number of lower rate streams that are transmitted simultaneously over a number of subcarriers and becomes a key technology for 4g because of its high spectrum efficiency and robust capability of decreasing multipath interference. but ofdm system is very sensitive to timing errors and frequency offset for it must keep the orthogonality between the sub carriers. the main task of this research is to research on the timing and frequency synchronization techniques of ofdm and mimo ofdm system. the basic theory of mimo and ofdm system is briefly introduced and some classic system blocks are analyzed and simulated in this dissertation firstly. the synchronization technology of single antenna ofdm system and some classic synchronization algorithms are discussed, an improved ofdm frequency offset estimation method is given. this new method has a better mse performance than 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 4 the method3 when in the same signal to noise power ratio circumstances. in this dissertation, the schmidls2 algorithm is used for ieee 802.16 ofdm system, the analysis and simulation show its good performance. at last, we discuss the synchronization and two classic methods, mody23 method and zelst24 method , of multiple antennas ofdm (mimo ofdm) system. as modys method uses orthogonal multi-phase code for different transmit antennas synchronization training sequence , and the code is very difficult to generate in practice, so modys method is limited. on the other hand, zelsts method uses the orthogonal code sequences each other in time domain, that is to say, these different transmit antennas synchronization training sequences are transmitted in different time section, and this lowers data rate. in this dissertation, we propose a new method. this method use a single training preamble symbol which is made up of two same long training pn sequences and two same short training pn sequences. this structure can be well used for timing and frequency synchronization. the matlab simulation shows that the new method is almost the same performance as the original when the time and frequency synchronization are not good. keywords: mimo ofdm synchronization frequency offset estimation 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第58页，共54页 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在成都信息工程学院就读期间在导师的指导下取得 的，论文成果归成都信息工程学院所有，特此声明。 作者签字： 指导教师签字： 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第1页，共 54 页 第一章 综述 伴随着无线通信中数据，图像，视频等多媒体应用的不断发展，整个系统 对传输速率的要求也越来越高。在当前频谱带宽相对紧张的情况下，无线系统 要求实现高速和大容量数据传输，系统必须具有很高的频谱效率，而结合了 ofdm 技术和 mimo 技术各自优点的 mimo ofdm 系统恰好能够满足这一要 求。ofdm 作为一种多载波调制技术，可以在高速数据传输中有效的地抵抗 多径信道频率选择性衰落的影响，同时相互正交的子载波也提高了频谱利用 率。mimo 技术则充分利用各发送和接收天线之间的空间散射信道，在原有 带宽和功率的情况下成倍地提高系统的传输速率。 本章从 mimo ofdm 的背景开始，详细总结和分析了基带 ofdm 系统接 收机同步技术中的定时同步和载波频率偏移估计算法，并把这些算法由基带 ofdm 系统推广到 mimo ofdm 系统中。最后介绍了本文的主要研究工作。 1.1 mimo ofdm 技术背景 最近几年来随着无线数据与多媒体应用的不断发展，对无线传输系统的传 输速率与可靠性保证等方面的要求也在不断提高。针对这些不断提高的要求， 无线通信新物理层传输技术与 mac 层资源分配及调度技术也在不断涌现。其 中，作为多载波调制技术 mcm(multi- carrier modulation)之一的正交频分复用 （ofdm）1-3正越来越受到人们的重视，并被视为下一代移动通信（4g）中 的关键技术。 ofdm 继承了传统的多载波并行调制，相应符号持续期长的特点。在保护 间隔 gi(guard interval)或循环前缀 cp(circle prefix)的辅助下可以很容易地实 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第2页，共 54 页 现准确的符号同步，从而有效地克服数据在多径延迟较严重的无线信道中传输 所受到的子符号间干扰 isi(inter-symbol interference)损伤。不仅如此，ofdm 的另一个优点还在于其特有的频域块调制和频域信道均衡技术。与单载波传输 系统所需的多抽头时域均衡相比，频域信道均衡技术在很大程度上降低了信道 参数估计运算量和硬件设计的复杂度。由于数字信号处理器的不断发展，用 fft/ifft 实现 ofdm 系统已经变得越来越容易，相互重叠的各正交子载波之 间也只需要保持满足正交性原理所需的最小频率间隔，从而大大提高了频谱的 利用率。ofdm 不仅在物理层传输上具有很大的优势，它的多载波特性也非 常适于实现 mac 层及以上的资源调度与管理。原因是它的各个子载波可以根 据信道信息 csi(channel state information)，采用自适应编码，调制与功率分 配方案进行传送，从而达到理想的频域“注水”效果4-6。在接入方面，基于 ofdm 的 ofdma 作为一种有效的多用户接入技术，可以很方便地将不同的 子载波簇根据用户的需要和当前空间信道状况以最优化的方式调度给各个用户 使用。 目前 ofdm 已被作为物理层的核心技术应用在多种无线传输标准中。这 些标准主要有欧洲的数字广播系统如数字音频广播 dab(digital audio broadcasting)、数字视频广播 dvb-t(digital video broadcasting)7-8和 ieee 的 一系列标准，如无线局域网标准 ieee 802.119和无线城域网标准 ieee 802.16 系列10等。 当 foschini11和 telatar12等关于空间多径散射信道容量的经典论文发表 后，多输入多输出 mimo(multiple-input multiple-output)技术便吸引了人们的 关注。根据相关论文理论分析和实验测试，mimo 技术可以在原有的带宽和 功率下，充分利用发射机和接收机之间的多径散射空间信道，在独立或部分独 立的信道上并行传输多路数据，从而大大提高了无线传输的频谱利用率。目前 主要的 mimo 系统分为两种，一种是以获取空间分集（space diversity）增益 为主要目的，在每条发送支路上发送相关的编码数据，同时在接收机上实现合 并接收，从而克服无线信道衰落的影响。如空时分组编码 space time block code(stbc)系统13-14和空时网格编码 space time trellis code(sttc)系统15； 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第3页，共 54 页 另一种是以空分复用的方式 sdm（space division multiplexing）来提高系统容 量，如贝尔实验室的空间分层传输系统，包括了 d-blast(diagonal bell laboratories layered space-time code) 和 v-blast(vertical bell laboratories layered space-time code) 及 h-blast(horizontal bell laboratories layered space-time code )16。 从传输的频谱利用率来看，传统的频率分集与时隙分集虽然具有分集增 益，但是，其传输频谱利用率下降了；空间分集在保持原来的频谱利用率的基 础上尽管获得了空时编码增益，但是系统容量没有大量的增加。而在当前的传 输带宽相对紧张，传输速率要求不断提高的情况下，空间复用就成为提高传输 频谱利用率，扩大系统容量的最佳途径。 随着 mimo 技术的不断发展，在基带上通过增加多路并行的 ofdm 系统， 传统的 ofdm 可以很容易地扩展为 mimo ofdm 系统，而基于空间复用的 mimo系统也从传统的单载波系统应用扩展到了基于空间复用的mimo ofdm 系统。这系统既具有 ofdm 在频率选择性衰落信道中传输的优点，又通过空 间复用成倍地提高了原有 ofdm 系统的传输速率。 1.2 mimo ofdm 同步技术研究现状 无线系统中由于多径传输延迟引起的子符号间干扰（isi）和因发射机与接 收机振荡器不匹配或多普勒频移而引起的载波频率偏差 cfo(carrier frequency offset)是 ofdm 接收机首先要消除的影响，它们分别对应了 ofdm 接收机中 定时同步与载波频率同步。 其中 ofdm 系统的定时同步又包括帧同步和符号同步18。帧同步主要用 于查找分组的起始位置，而符号同步主要是为了提取出每个 ofdm 符号周期 内有用的数据部分。与单载波相比 ofdm 系统对载波同步要求更严格。因为 ofdm 系统中各子载波间仅仅保持了满足频率正交性所需要的最小频率间隔， 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第4页，共 54 页 只要一个较小的频率偏差都会对正交性造成很大的破坏，所以在 ofdm 接收 机同步处理过程中因为无线传输而造成的子载波间正交性损伤必须得到准确估 计和补偿才能使整个系统保持良好的性能。载波同步过程可以分为小数倍数载 波同步和整数倍数载波同步两个部分。小数倍数载波同步在接收机时域处理过 程中完成，并需要尽可能地纠正所有的频率偏差，这样才可以在接下来的 fft 处理过程中产生最小的子载波干扰（ici） 。整数倍数载波同步可以在接收机的 频域处理中完成，通过采样点的前后移位来纠正整数倍数的载波频率偏移。 针对 ofdm 系统的定时同步与载波同步，国内外的许多学者已提出了许 多算法来解决这两个方面的问题。其中，有充分利用 ofdm 符号结构特性， 减少因插入训练符号而降低系统传输效率的盲同步算法17-18，也有为提高同步 捕获速度和准确度的基于数据辅助的同步算法19-202630-34。 把单天线的 ofdm 系统扩展到 mimo ofdm 后，整个系统也需要对每个 接收支路上的数据完成定时同步和载波同步等同步处理任务。与单天线 ofdm 系统相比，mimo ofdm 系统对定时同步和载波同步的准确度要求更为严格， 由同步误差引起的系统性能损失也更大。目前 mimo ofdm 系统的同步算法 包括定时同步和载波同步21-25。他们基本上都是基于原来的在单天线经典同步 算法的改进，在每条接收天线分支上分别做单独的同步处理或者是简单的叠加 联合算法。 1.3 本文主要研究工作 本文在阅读和分析大量国内外相关文献资料的基础上详细分析和仿真了一 些典型的模块和算法，改进了几种同步算法，并且给出性能比较仿真结果。具 体的研究内容和论文组织结构如下： 本文第一章 综述了 mimo ofdm 的产生背景，国内外研究现状。重点介绍 了目前 mimo ofdm 系统同步技术的研究现状。 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第5页，共 54 页 本文第二章 在大量阅读国内外相关文献的基础上详细分析和介绍了 mimo ofdm 系统基本概念，基本原理和基本技术。首先，介绍了 ofdm 的基本原理， 讨论了 ofdm 系统的实现方法，并对基本的 ofdm 基带系统进行了 matlab 仿真。 其次，介绍了 mimo 的基本原理，详细分析了 mimo 的两种基本技术：空间复用 技术和空间分集技术。针对空间复用技术，重点分析了垂直贝尔实验室分层空 时码(v-blast)。 针对空间分集技术， 着重分析了 alamouti 空时分组码(stbc)。 对空时分组码 mimo 系统进行了 matlab 仿真。最后，讨论了 mimo-ofdm 系统 的基本原理和实现方法。 本文第三章 讨论了单天线 ofdm 的同步技术和一些典型的同步算法，并在 分析的基础上提出了一种改进的 ofdm 频率偏移估计算法。改进的算法与文献 3的算法在估计的均方误差方面相比较，在相同的信号噪声功率比的情况下 改进的算法比原来的算法性能提高了一个数量级。同时，将 schmidl2的同步 思想用于 ieee 802.16 ofdm 系统中，分析了该算法在上述系统中的性能。通 过 matlab 仿真表明 schmidl 同步算法在 ieee802.16 ofdm 系统中的同步性能 良好。 本文第四章 讨论了多天线 ofdm(mimo-ofdm)系统的同步技术和两种经典的 同步算法即 mody 算法23和 zelst 算法24。由于 mody 算法是采用相互正交的 多相码序列作为不同发射天线的同步训练序列，而实际当中并不存在理想的正 交多相码序列，因此这就限制了 mody 算法的使用。zelst 算法是采用时域相 互正交的码序列作为发射端不同天线的同步训练序列，也就是说，这些不同的 发射天线的同步训练序列占用的时间段相互错开。由于 zelst 算法的同步训练 序列使用了很多时间段，因此就降低了频带利用率。针对以上两种经典算法存 在的问题，本文提出了一种由两个相同的长训练 pn 序列和两个相同的短训练 pn 序列组成的单前导训练符号的帧结构。这种帧结构能很好的进行定时同步 和频率偏移估计。通过 matlab 仿真表明，在定时不同步和存在频率偏差的情 况下与理想同步的情况相比较，本文提出的帧结构的误比特率性能几乎和理想 同步情况下的误比特率性能相同。 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第6页，共 54 页 本文第五章 给出全篇的结论和 mimo ofdm 系统今后的思考以及一些探讨。 第二章 mimo ofdm 基本原理 2.12.1 ofdm 基本原理 2.1.1 2.1.1 ofdm 概述 无线通信系统中电磁波受环境中各种物体的反射而导致多径传播，即通过 不同的路径到达接收机时具有不同的延时和相位。如果最短和最长的两条路径 到达的时间间隔大于符号的持续时间 t，则会引起较大的符号间的干扰（isi） ， 即是前面时刻的发送信号影响了当前时刻信号的接收。该情况在通信速率越 高，即符号持续时间 t 越小的系统中，影响越为明显。在接收机中必须采取一 定的措施来消除这种影响。传统的消除 isi 的手段是采用信道均衡技术，包括 最大似然序列检测法、线性均衡、判决反馈均衡法和自适应均衡法等等。这些 均衡器的复杂度一般随信道的色散长度增加。当数据率较高时，t 则较小，则 信道色散长度变得很大，这时均衡器将非常难以实现。 另一种解决 isi 的方法就是多载波技术。其基本思想是把一个高速的数据 流分成多个低速的子数据流，采用并行的方式在多个子信道上传输。假设原来 在一个信道上传输的数据率为r，符号持续时间为r/1。现在要在k个子载波 信道上传输原来的信息，那么每个子信道上传输的数据率为kr/，相应的符 号持续时间变为rk / 。因为每个子信道上的符号持续期增大了，多径传播引 起的 isi 将大大减弱。 正交频分复用（ofdm）技术是多载波技术的一种。它的各个子载波，在频 率轴上是正交的，如图 2.1 所示。因此各个子载波在保证数据传输独立且不相 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第6页，共 54 页 本文第五章 给出全篇的结论和 mimo ofdm 系统今后的思考以及一些探讨。 第二章 mimo ofdm 基本原理 2.12.1 ofdm 基本原理 2.1.1 2.1.1 ofdm 概述 无线通信系统中电磁波受环境中各种物体的反射而导致多径传播，即通过 不同的路径到达接收机时具有不同的延时和相位。如果最短和最长的两条路径 到达的时间间隔大于符号的持续时间 t，则会引起较大的符号间的干扰（isi） ， 即是前面时刻的发送信号影响了当前时刻信号的接收。该情况在通信速率越 高，即符号持续时间 t 越小的系统中，影响越为明显。在接收机中必须采取一 定的措施来消除这种影响。传统的消除 isi 的手段是采用信道均衡技术，包括 最大似然序列检测法、线性均衡、判决反馈均衡法和自适应均衡法等等。这些 均衡器的复杂度一般随信道的色散长度增加。当数据率较高时，t 则较小，则 信道色散长度变得很大，这时均衡器将非常难以实现。 另一种解决 isi 的方法就是多载波技术。其基本思想是把一个高速的数据 流分成多个低速的子数据流，采用并行的方式在多个子信道上传输。假设原来 在一个信道上传输的数据率为r，符号持续时间为r/1。现在要在k个子载波 信道上传输原来的信息，那么每个子信道上传输的数据率为kr/，相应的符 号持续时间变为rk / 。因为每个子信道上的符号持续期增大了，多径传播引 起的 isi 将大大减弱。 正交频分复用（ofdm）技术是多载波技术的一种。它的各个子载波，在频 率轴上是正交的，如图 2.1 所示。因此各个子载波在保证数据传输独立且不相 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第7页，共 54 页 互干扰的基础上，排列紧凑，从而有效地提高了频谱利用率。又由于 fft/ifft 的引入，ofdm 的实现变得很容易。 因为 ofdm 技术具有很高的频谱效率，在高速通信的情况下能够抗多径衰 落，并且易于实现等优点，它已在数字音频广播(dab)、数字视频广播(dvb)和 无线局域网(wlan)等多方面得到了广泛的应用。 图 2.1 ofdm 系统各子载波的频谱 ofdm 是一种特殊的多载波传输方案。单个用户的信息流被串/并变换为 多个低速率信息流，且每个低速信息流都使用一个子载波发送。它不是使用传 统的带通滤波器来分隔子载波频谱的方法，而直接或间接选用那些频谱即使混 叠也能够保持正交的波形。所以可以说 ofdm 既可以当作调制技术，也可以 当作复用技术。ofdm 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力，因为 选择性的衰落或者窄带干扰只会影响一小部分子载波，纠错编码的应用可以帮 助其恢复一些易受干扰子载波上的信息。ofdm 提高了系统的频带利用率， 它允许各子载波间的频谱相互重叠一部分。由于各个载波的中心频点处没有其 他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交解调。尽管还是频分复用， 但传统的 fdma 是通过很多带通滤波器来实现；而 ofdm 是采用容易实现的 基于载波频率正交的 fft调制，直接在基带处理，这也是 ofdm 的优点之一。 ofdm 的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一 个码元周期内积分，其他子载波由于与所积分的子载波信号正交，因此不会对 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第8页，共 54 页 这个积分结果产生影响。另外，ofdm 每个载波的调制方式可以不同，这增 加了系统的灵活性，使得 ofdm 能够提供多种以上的业务来支持多个用户， 所以 ofdm 适用于灵活度高，资源利用率高的多用户通信系统。 下面将讨论 ofdm 基带传输系统的数学模型。 设基带调制信号的带宽为b,码元调制速率为r,码元周期为 s t，且信道的 最大时延扩展 sm t。一个 ofdm 符号之内包含多个经过相移键控(psk)或 者正交幅度调制(qam)的子载波。n表示子载波的个数，t表示 ofdm 符号 的持续时间(周期)， i d是分配给每个子信道的数据符号， n f是第n个子载波的 载波频率。ofdm 的原理是将原信号分割为n个子信号，分割后码元速率为 nr/，周期为 s ntt=,然后用n个子信号分别去调制n个相互正交的子载波。 等效基带 ofdm 信号)(ts可写为如下复数形式: = = 1 0 )2exp()()( n n nn tfjtdts（2.1.1） 其中，)(tdn为第n个载波上的复数信号，在一个符号周期内)(tdn为定值， s t 为码元周期，各个子载波的频率为:tnff n / 0 +=，n=0，1,2,n-1。 0 f为最低 子载波的频率。在接收端，输入信号分成n条支路，分别用各个子载波混频 和积分，就恢复出子信号，再经过并串变换和常规qam解调就可以恢复出原 始数据。因为在对ofdm符号进行解调的过程中，需要计算每个子载波频率 的最大值，所以可以从多个相互重叠的子载波符号中提取每一个子载波符号， 而不会受到其他子载波的干扰。从图2.1可以知道这种一个子信道频谱出现最 大值而其他子信道频谱为零的特点可以避免载波间干扰(ici)的影响。 2.1.2 2.1.2 ofdm 的实现方法 式(2.1.1)中的ofdm复等效基带模型可以采用离散傅立叶逆变换(idft)方 法实现，不失一般性，令0 0 =f,对于信号)(ts以nt/的速率进行抽样，则得 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第9页，共 54 页 到: ()()() = = = 1 0 1 0 /2exp/2exp/ n n n n n nnk nnkjdnktfjdnktss （2.1.2） 可以看到 k s（10nk）等效为对 n d进行idft变换(这里忽略了系数1/n)。 因此只要保持载波频率间隔为t/1，则ofdm信号不但保持了正交性，而且可 以用idft来定义和处理。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号 n d，可 以对 k s进行dft变换得到: () = = 1 0 /2exp n k kn nnkjsd (2.1.3) 根据以上分析可以看到，ofdm系统的调制和解调可以分别由idft和dft来实 现。通过n点idft运算，把频域数据符号 n d变换为时域数据符号 k s ,经过射频 载波调制之后，发送到无线信道中。其中每个idft输出的数据符号 k s是对连 续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样而生成的。在ofdm系统的实 际运用中，可以采用更加快捷的ifft/fft算法。n点idft运算需要实施 2 n次 复数乘法，而ifft可以显著地降低运算的复杂度，它可以方便地在dsp芯片和 硬件结构中实现。 2.1.3 ofdm 的循环前缀 运用ofdm一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延扩展。为了最 大限度的消除符号间干扰，还可以在每个ofdm符号之间插入保护间隔 gi( guard interval)，而且该保护间隔的长度 g t一般要大于无线信道的最大时延 扩展，这样一个符号的多径分量就不会对另一个符号造成符号间的干扰。在这 段保护间隔之内可以不插入任何信号，然而这种情形下由于多径传播的影响， 使得各子载波信号的周期不再相差整数倍，从而会产生子载波间干扰(ici),即 子载波间正交性遭到破坏，不同的子载波之间会产生干扰。如图2.2所示两路 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第10页，共 54 页 子载波的情形，保护间隔内的信号为零，当两路信道的延迟不同时，位于fft 积分区间内的子载波的周期个数不再是整数，所以当接收机对各个子载波解调 时，会引来其它子载波的干扰。 图2.2 多径情形下，空闲保护间隔造成的ici 为减少子载波间干扰(ici)的影响，采用一种循环复制的保护间隔形式，如 图2.3所示。将每个ofdm符号的后 g t时间中的样点复制到ofdm符号前面， 形成循环前缀，在交接点没有任何的间断。 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第11页，共 54 页 图2.3 加入保护间隔循环前缀的ofdm符号示意图 符号的总长度为 fftgs ttt+=，其中 fft t为fft变换产生的无保护间隔的 ofdm符号长度，则接收端抽样开始时刻 x t应该满足式子: gx tt n时， j e n y = sin )0( （3.16） 则，通过求)0(y的相位而得到频偏估计为， )0(arg 1 y = ? （3.17） 由于估计中没有考虑ici和噪声，所以，文献3的估计不准确。 本文采用迭代求解法来提高估计精度。先利用文献3的方法对接收到的第 一帧数据进行频偏估计，估计出的频偏值记为 1 ? ,用)/2exp( 1 nmj ? 去补偿下 一个帧，并用相同的方法重新估计下一帧数据中残留的频偏，记为 2 ? ，再用 类 似 的 方 法 进 行 若 干 次 ， 再 相 加 ， 将 可 以 逐 步 逼 近 实 际 频 偏 值 ofdm 。 。 。 ofdm o fdm 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第35页，共54页 ? ? += 21 。 3.3.3 仿真结果与性能分析 仿真中采用256个子载波，200个信息数据符号，循环前缀为32。假设采 用1毫秒的帧长度，2 m的发送速率，16qam方式映射。采用的多径信道模 型如表3.1 所示 。 表 3.1 多径信道模型 tap1tap2tap3tap4tap5单位 延迟04567 us 衰落系数102030405 图3.8为在高斯噪声信道条件下得到的频偏估计的均方误差对信噪比 （snr，单位为db）的性能曲线。其中原算法得到的性能曲线为本算法的1 次迭代所得到的曲线。新算法得到的性能曲线为本算法2次迭代后的曲线。从 图3.7可以看出，在snr为15(db)时新算法比原算法有大约2个数量级的性 能改善。随着信噪比的提高，新算法比原算法(文献3的算法)的性能提高越来 越好。 图 3.8 高斯信道下频偏估计的均方误差(单位：db) 图3.9为在如表3.1所示的多径信道下得到的频偏估计均方误差对信噪比 （snr 单位为db）的性能曲线图。同样，在信噪比为15db时，新算法比原 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第36页，共54页 算法有大约2个数量级的性能改善。由于只需经过2次迭代运算就可以满足实 际系统的需要，因此该算法的运算复杂度较低。 图 3.9 多径信道下频偏估计的均方误差（单位：db） 第四章 mimo ofdm 同步分析与仿真 本章先介绍系统模型，然后对常用的用于 mimo-ofdm 系统的同步算法，包 括定时估计、载波频偏估计等进行分析和仿真。 这里介绍的算法侧重突发数据传输系统。为简单起见，假设系统满足两个 条件，即(1)发送端各天线共用一个射频振荡源和采样时钟，接收端各天线共 用一个射频振荡源和采样时钟。(2)发送端天线间不相干，接收端天线间不相 干。此外假设信道时变可以用 cost207 模型来模拟，信道衰落为 rayleigh 衰 落。对于同步算法，mimo 系统相较 siso 的区别主要体现在两方面:一是系统 帧结构不同，因此要根据新的帧结构来设计用于参数估计的度量，该度量在估 计准确的基础上最好具有简单性和鲁棒性;二是 mimo 系统具有多个接收天线， 因此可以在接收端有效利用空间分集来提高估计的精度。 与前面叙述的 ofdm 系统一样，mimo-ofdm 系统也需要进行符号定时和载波 频偏的同步。 目前关于mimo-ofdm系统同步算法的文献还比较少， 其原理与ofdm 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第36页，共54页 算法有大约2个数量级的性能改善。由于只需经过2次迭代运算就可以满足实 际系统的需要，因此该算法的运算复杂度较低。 图 3.9 多径信道下频偏估计的均方误差（单位：db） 第四章 mimo ofdm 同步分析与仿真 本章先介绍系统模型，然后对常用的用于 mimo-ofdm 系统的同步算法，包 括定时估计、载波频偏估计等进行分析和仿真。 这里介绍的算法侧重突发数据传输系统。为简单起见，假设系统满足两个 条件，即(1)发送端各天线共用一个射频振荡源和采样时钟，接收端各天线共 用一个射频振荡源和采样时钟。(2)发送端天线间不相干，接收端天线间不相 干。此外假设信道时变可以用 cost207 模型来模拟，信道衰落为 rayleigh 衰 落。对于同步算法，mimo 系统相较 siso 的区别主要体现在两方面:一是系统 帧结构不同，因此要根据新的帧结构来设计用于参数估计的度量，该度量在估 计准确的基础上最好具有简单性和鲁棒性;二是 mimo 系统具有多个接收天线， 因此可以在接收端有效利用空间分集来提高估计的精度。 与前面叙述的 ofdm 系统一样，mimo-ofdm 系统也需要进行符号定时和载波 频偏的同步。 目前关于mimo-ofdm系统同步算法的文献还比较少， 其原理与ofdm 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第37页，共54页 系统中的原理基本一致。但是由于结合了 mimo 技术，所以有其自身的特征。 1.对于 mimo-ofdm 系统的时间同步来说，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。 2.对于 mimo-ofdm 系统的频率同步来说，一个非常重要的问题就是: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。 因此，在现有的单天线 ofdm 同步技术的研究基础上，mimo-ofdm 系统， 特别是分布式 mimo-ofdm 同步技术研究的主要难点是多个天线上的信号区分上 的问题。 为了获得快速准确的同步，mimo-ofdm 系统中的同步往往采用训练序列的 方法来完成。考虑到 mimo-ofdm 信道的特性，ofdm 系统中用到的一些训练序 列不能直接作为 mimo-ofdm 系统的训练序列，这是因为在 mimo-ofdm 系统中， 为了对每一个收发天线进行同步处理，要求在不同发射天线上的训练序列必须 是唯一可识别的。目前有两种常用的方法: 一种方法是各发射天线在相同位置插入正交的训练序列，可以通过多段 重复等手段加强训练序列抗多径衰落的能力。这些序列在满足正交的前提下， 还必须满足训练序列的移位自相关性。 另一种方法是采用时间正交的训练序列，即在不同发射天线上插入训练 序列的时间相互错开。每根天线上的训练序列只要满足移位自相关性就可以 了，不同天线的训练序列可以是相同的，因此设计起来比较方便，缺点是随着 天线数的增加，训练序列占用的带宽也相应增加，所以频带利用率较低。 4.1 mody and gordon 同步方案 如图 4.1 所示，该方案26采用q根发射天线和l根接收天线组成的空时 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第38页，共54页 mimo ofdm 系统。这种系统的分集阶数为lq，假设 q s表示发射的 ofdm 符 号， ij 表示由第i根发射天线到地j根接收天线的信道系数， l r表示接收端解 调出的 ofdm 符号。 本算法假设所有发射天线到达所有接收天线的时延相同，频率偏移相同， 即收发之间仅仅存在一个时间偏移和一个频率偏移。mimo ofdm 系统帧结构如 图 4.2 所示。算法描述如下：在发射端的频域，在数据符号的前面插入q个重 复的单元，每个单元都是相同的，里面都是 i n 长度的导频序列和g长度的循 环前缀。在接收端的时域，完成时间粗同步和时间精同步以及频率精同步，在 接收端的频域，完成频率粗同步。 4.1.1 粗定时同步 粗定时同步指的是找到一个 ofdm 帧的起始样本点。在 mimo ofdm 系统中， 由于存在着以循环前缀填充的保护间隔，因此，粗定时同步可以在接收端把经 过下变频的离散复样本值在长度为g的滑动窗中做自相关得到。 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第39页，共54页 图 4.1 mody 采用的 mimo ofdm 系统框图26 图 4.2 mody 采用的 mimo ofdm 系统帧结构26 于是有时间粗同步估计的目标函数计算公式： ( )2 2 n n n p = (4.1) 其中， = + = 1 0 , * , g k kngnjknjn i rr (4.2) ofdm mod ofdm mod ofdm mod ofdm mod ofdm demod ofdm demod ofdm demod ofdm demod 成都信息工程学院硕士学位论文 mimo ofdm 系统同步技术的研究 第40页，共54页 = + = 1 0 2 , g k ngknjn i rp (4.3) 上式中， n 表示粗定时捕获尺度（metric），j表示接收天线的序号。 4.1.2 细定时同步 细定时同步是指找到 ofdm 符号的有效数据的起始点。因为在发送端发送 的训练序列是相互正交的，所以我们可以在接收端把经过下变频的离散复采样 值和发送端的正交训练序列做互相关运算得到细同步。硬件上，可以在每个接 收天线端配备一个互相关器。该互相关的尺度由下式计算： = = q q n nq n p 1 2 2 , )( (4.4) 其中， + =