论文研究-改进的MIMO-OFDM系统时间同步算法 .pdf

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改进的MIMO-OFDM系统时间同步算法,吕锋,李新玲,目前MIMO和OFDM作为4G系统中的关键技术已经被应用到IEEE802.11a、802.16e和3GPP LTE等系统中。然而对于采用OFDM为核心的任何系统,时频同步问��
山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 发送的信号,则第i根发射大线发送的第m个OFDM符号经过IFFT调制后的基带信号为: iNk expU N≤n<N-1 (1) N 假设发射天线i与接收天线j之间存在L条信道,则信道冲激响应C可以描述为: ∑(n),O(n-z) h、t分别表示天线i、j间第k径的信道增益和时延,且满足x≤Ng,避免无线信 道产生码间干扰(ISI。 假设系统的采样时钟已完全同步,考虑到系统存在的定时偏差、频率偏差,则天线j收 80到的复基带信号为可以表示为: r(n)=∑xp zOne ∑h(m)x(n--x)+w(m) i=0 大=0 其中,O、εn为天线i、j之间的归化时延和归·化载波频偏,w/(m)接收天线j上的高 斯白噪声(均值为0,方差为a2)4。 2 MIIMO-OFDM系统同步算法分析 521基于正交训练序列的同步方案 文献中提出种基于正交训练序列结构的时频同步算法(简称MODY算法)系统的发 射端将在OFDM符号的前面插入N个相同的长度为N1+G的训练序列,其中,G为循环 前缀CP的长度且大于信道多径时延扩展,G≤M1≤N,M1=N/,N%I=0。MODY算 法基于可调制正交训练序列的结构如图2所示。 TX1G N G N N TXNt G NI NI G N N 前缀 数据 图2同步川练结构1 Fig 2 synchronization training sequence I 在多径哀落信道或者信噪比较低的信道坏境中,由丁算法是通过循坏前缀CP估计帧定 时的起始位置,循环前缀容易受到多径干扰和符号间干扰,从而导致MODY算法的定时性 95能会恶化,在瑞利衰落佁道下的帧定时曲线如下图所示,峰值模糊偏移,之后进行的小数倍 频偏估计、整数倍频偏估计和细符号定时的准确性都会受到影响。 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 帧定时曲线 0.4 0501001502C02503003504004EC500 图3瑞利衰落信道下的帧定时由线 Fig 3 Frame timing plot in Rayleigh fading channel 10022基于 CAZAC序列的同步方案 文献提出一利基于 CAZAC序列的改进定时同步方案(简称WY算法),基于 CAZAC 序列有良好的循环移位和自、互相关特性,能够实现将帧同步和细符号同步一步完成,从而 减小计算量,而且整数倍频偏估计也可以在时域中完成。采用 CAZAC序列构建同步训练序 列结构如下图4所小: TXI N Data Pilot g Pilot Tim 图4同步训练结构2 Fig 4 Synchronization training sequence 2 由于定时度量函数主要是基于接收序列和发射天线上的训练序列的相关性,不同于传统 的模型中只考虑接收序列本身的相关特性,函数聚焦的范围扩大,定时度量函数的前后两部 110分的相关函数中考虑」发射端序列的情况,在接收序列的信号很小的情况下,两段包含发射 端序列的相关性会对计算会造成干扰,算法在多径衰落信道下的性能还是比较弱,定时同步 性能曲线如图5、图6所示。 -wY methnd in AWGN WY method in multipath cranne Convertion method in AwcN 0.82 Dn method in multipath chat 0.97 言05 NEE三标0s∽≥e左 SNRIdB) 图5WY算法在AW(N信道下的定时性能曲 图6WY算法在多径衰落信道下的定时性能曲线 115 Fig.5 Probabilitics of correct dctection in AWGN Fig 6 Probabilities of correct detection in multi-path channel channel 4 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 3改进的 MIMO-OFDM系统定时同步算法方案 MODY算法中采用的可调制正交序列,但是根据对ZC序列的相关性函数计算分析 发现Z℃序列的相关性能更加优越ε由于wY算法峰值尖锐但是由于重复序列的结构设计使 得算法计算时的干扰影响很大,结合之前硏究算法的优点,下面将针对下图的基于ZC序列 125的共軛结构提出改进算法 AN2 A 图7同步训练结构3 Fig 7 synchronization training scqucncc 3 根据训练训练结构的特性,改进算法的定时度量函数表示为 130 M(d)=p(d/R'(d) WY算法中分开用两段发射端的已知训练序列进行相关运算,增加了已知序列相关性的 干扰,在多径衰落信道中影响很大,提出的改进定时度量函数表达式如下式所示,主要基于 发射序列和接收序列的相关性,并且消除了重复训练序列的影响。 (d)=∑r(d+ko(k+n 135 归一化能量表示为 R(d)=∑(d+k) =0 定时估计可以衣示为:r= argmax(M(d),S(k)是发射端的训练序列。对于多径 信号中第·径的处理参考文献的方法。 4改进算法的仿真分析 140 在两发射天线的集中式 MIMO-OFDM系统中进行改进算法的仿真分析,其中子载波的 数值N为256,采用ZP抵抗符号间干扰,由于ZC序列的良好自相关特性和互相关特性, 在定时位置会出现脉冲,如下面两个图所示,改进算法在低信噪比AWGN信道和多径哀落 信道上受到的干扰都很小。 Proposed methoc Proposed method 04 NRe-10dB Mul: ipati channe C.6 买 C. 4 012 600 1000 采样点 采梓 145 图8在AWGN信道下定时度量函数由线 图9在多径衰落信道下定时函数曲线 Fig 8 timing metric function plot(AWGN) Fig 9 timing metric function plot(Multi-path channel 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 150 从上图可以看出由于训练结构避开重复序列的影响,即使在噪声分量很大的情况或是多 径衰落信道下所受干扰也很小,而且定时峰值尖锐明显。下图是改进算法在两种信道下的同 步定时性能曲线,可以看出在AWGN信道中SNR=-12dB左右定时准确率就高达99.9%以上 在多径衰落信道下SNR大于-13dB以后定时概率稳定在80%以上,定时同步性能得到提高 Different methods in AWGN, Multi-path channel 0.9 0.8 8一一4一一 N0.7 proposed in AWGN — convention in awgn 80.6 s wY in AWGN proposed in Multi-path convention in Multi-path ◇ WY in Multi-path 0.4 0.3 2 0.11 155 图10改进算法的同步性能 Fig 10 Probabilities of correct detection of proposed method 5结论 本文给出了集中式 MIMO-OFDM系统的一种基于共轭序列结构的改进定时同步算法, 算法将定时同步的过程简化,克服了MODY算法中重复训练序列的干扰以及wY算法定时 160度量函数中发射端训练序列相关性的影响,并且定时性能在AwGN和多径衰落信道上均得 到提高 参考文献] References) [IR. w. Chang. Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission. Bell Systems Technical Journal. 1966.46: 1755-1796 165[2]黄韬,袁超伟,杨睿哲等MIMO相关技术与应用[M]北京:机械工业出版社,207 [Jiawei Liu, Tel ung Kung Frame synchronization, channel estimation scheme and signal compensation using regression method in OFDM systems [J]. Computer Communications 0140-3664, 2008, 31(10): 2124-2130 4STUBERGL, BARRYJR, MCLAUGIIL IN SW, et al. Broadband MIMO-OFDM wireless communications gs of the ieee,2004,92(2):271-29 170 [5] Apurva N. MODY, Gordon LSTUBER. Synchronization for MIMO-OFDM systems. Global Tclccommunicat onfcrencc, IEEE, 2001: 509-513 [6 Wei Wei, Yuan Xiaolu. A new synchronization method for MIMO-OFDM systems with CAzaC sequence[J 2010 WASE International Conference on Information Engineering, ICIE 2010, v4,p3-5

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