MIMO技術(shù)近年來得到了很多學(xué)者和研究機構(gòu)的重視，但是它要求信道平衰落的前提條件限制了它在寬帶無線通信中的應(yīng)用，為了避免符號間干擾，通常需要在接收端加信道均衡器。由于有很多根收發(fā)天線，這種均衡器是非常復(fù)雜的。另一種解決方法是將OFDM技術(shù)與MIMO技術(shù)結(jié)合起來，利用OFDM技術(shù)對多徑的對抗能力，去除符號間干擾，實現(xiàn)寬帶高速無線通信。但MIMO-OFDM系統(tǒng)對同步誤差很敏感：在多徑環(huán)境下， MIMO-OFDM系統(tǒng)對時間同步的要求很高；頻率同步方面，由于MIMO-OFDM系統(tǒng)可以視為N個并行的MIMO子系統(tǒng)，因此頻偏所引入的ICI會惡化每個子載波的信噪比，從而惡化整個MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的傳輸性能。

對MIMO-OFDM系統(tǒng)來說，時間同步方面，接收端需要對各個天線上的信號分別進行延時估計和調(diào)整。頻率同步方面，接收端需要對各個天線上的信號分別進行頻率偏移估計和補償。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)的時間頻率同步算法考慮了各發(fā)射天線到達時延各不相同的情況，因此具有更廣泛意義，可適用于分布式MIMO系統(tǒng)。

1、MIMO-OFDM技術(shù)概述

對MIMO-OFDM技術(shù)來說，其核心部分是OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，從而減少了多徑衰落的影響。而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效地增加了系統(tǒng)的傳輸速率。這樣，OFDM和MIMO兩種技術(shù)的結(jié)合，就能達到兩種效果：一種是系統(tǒng)具備很高的傳輸速率，另一種是通過分集達到很強的可靠性。

2、MIMO-OFDM同步技術(shù)研究現(xiàn)狀

在MIMO系統(tǒng)中，由于發(fā)射天線的增加導(dǎo)致發(fā)射信號不但要受到與傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)中相同的各種干擾的影響，而且還存在天線間干擾。因此MIMO- OFDM系統(tǒng)中的同步問題比單天線系統(tǒng)中要困難得多，許多用于單天線系統(tǒng)的同步方法不能直接應(yīng)用于MIMO-OFDM系統(tǒng)。目前對MIMO-OFDM系統(tǒng)同步的研究還剛剛開始，公開發(fā)表的文獻還不多，其中既有研究集中式MIMO的，也有研究分布式MIMO的，但研究集中式MIMO的居多，而且在分布式 MIMO中大都是研究頻率同步的，沒有研究時間同步，都假設(shè)時間同步已經(jīng)完成，而且各天線對之間的時延均相同。

3、新的MIMO-OFDM同步算法

3.1系統(tǒng)設(shè)計

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MIMO-OFDM系統(tǒng)有N個子載波，M個發(fā)射天線，P個接收天線，定義第m個發(fā)射天線上的OFDM調(diào)制信號為：

這里△表示多徑信道的徑數(shù)，hlmp表示第mp個MIMO子信道中第l徑的衰落系數(shù)。Sl表示MIMO子信道中第l徑的時延。dm表示接收天線收到各路發(fā)射天線信號的相對時延。這里定義第一路發(fā)射天線的相對時延是零。Np（t）是第p路接收天線上的加性噪聲，設(shè)

Dp=max{d1，d2，…，dm}。

這種新的時間同步算法適用于各路天線到達時延不同的情況。傳統(tǒng)的MIMO-OFDM系統(tǒng)同步算法并不能解決當各路天線到達時延不同時的同步問題。針對這種情況，我們提出了新的導(dǎo)引符號配置方法：第一，頻域各天線的訓(xùn)練序列分開放置，用來區(qū)分不同時延，可以進行時間精同步；第二，在接收端時域，這些分開放置的訓(xùn)練序列又具有相同的兩個半段，可以用來做時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序列，偶位插入零，那么經(jīng)過IFFT之后就可以得到前后兩個相同的半段序列。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，都可以得到兩個相同的半段序列。因此即使當各個發(fā)射天線到達接收天線的時延不同時，接收天線依然可以得到兩段相同的序列。

定義每個天線發(fā)射的訓(xùn)練序列為Tm（i），其中插入的偽隨機序列為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個發(fā)射天線插入練序列的方式為

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)射天線的訓(xùn)練序列都是在偶位全為零，奇位則為偽隨機序列和零，可以保證在IFFT之后，每路天線的導(dǎo)引在時域都對稱，這樣在時延不同的情況下疊加，都可以得到兩個相同的半段序列。

設(shè)tm（i）是對應(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）序列相對于t1（i）的延遲。當d3為最大延遲時，按照圖中的方式疊加后，兩個半段序列1和2是完全相同的。

圖3時域上各路有延遲的序列疊加

3.2時間同步

3.2.1粗同步

首先在接收端建立一個長度為N的滑動窗，按照我們提出的訓(xùn)練序列插入方式，當處于正確的時間點時，在滑動窗中的訓(xùn)練序列就是兩個相同的前后部分。

考慮到M路天線相對延遲不同，所以前后兩個半段有Dp長度部分不同。于是我們可以定義時間粗同步公式為：

上面的計算，因為除掉了上面提到的小部分的不同，所以在訓(xùn)練序列正好對齊的時候就可以得到一個歸一化的峰值。

然后設(shè)置一個硬判門限和搜索長度L，將從M（d）超過門限的滑動窗中的那段序列開始，連續(xù)將L個長度為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間點為。設(shè)這段序列為gi（t），i=0，1，…，L-1，t=0，1，…。，N-1。

3.2.2精同步

得到了L個長度為N的序列，將他們分別進行FFT運算：

上式中，i=0，1，…，L-1，k=0，1，…。，N-1。

然后將Gi（k）按照先前插訓(xùn)練序列的方式，將其中的偽隨機序列抽取出來，和本地序列進行相關(guān)相乘，就可以得到第m路發(fā)射天線信號的時間精同步點了：

上式中，m=1，2，…。，M。

因為有m個發(fā)射天線，因此公式（9）要進行m次運算，確定每個發(fā)射天線到第p個接收天線的時間精同步點。

所以，得到第m路發(fā)射天線信號到達第p路接收天線的時間同步點：

3.3頻率同步

在時間同步后實現(xiàn)頻率同步。這里我們?nèi)匀豢梢岳迷跁r域得到的兩個相同的半段訓(xùn)練來進行頻率偏移估計，與時間粗同步一樣，也要除去兩個半段序列中τ長度部分的序列，假定各路發(fā)射天線的時間同步點中，的相對延遲為零。于是得到頻偏估計：

3.4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)構(gòu)，子載波數(shù)為N=2048，帶寬是20 MHz，信道是COST207六徑rayleigh信道，各徑時延以40個采樣點遞增，功率以6 dB遞減，速率為70 km/h。四個發(fā)射天線到達接收天線的時延分別為0，5，10，15個采樣點，因此我們令τ為20個采樣點，來進行時間和頻率同步。頻偏設(shè)為0.4，時間精同步搜索長度L=250。由于進行時間粗同步時，得到的峰值會受到噪聲的影響，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。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，兩種情況下時間同步的錯誤率比較高，并且隨著信噪比的升高而逐漸降低，在10 dB的時候錯誤率降低幅度很大。在12，14 dB的時候錯誤率幾乎為零。說明新算法在各路發(fā)射天線時延不同情況下，仍然可以得到良好的時間同步性能。

圖4新算法的時間同步性能曲線

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。

4、結(jié)束語

目前，世界各國和各大電信廠商都已經(jīng)展開了新一代移動通信系統(tǒng)的研究，而且由于MIMO-OFDM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4G的潛在技術(shù)。因此MIMO-OFDM已經(jīng)成為目前4G研究的熱點。本文提出的新的 MIMO-OFDM同步方法設(shè)置了新的導(dǎo)引符號配置方法，可以在接收端時域得到相同的兩個半段序列，進行時間粗同步和頻率同步，頻域再根據(jù)導(dǎo)引插入規(guī)則進行時間精同步。仿真結(jié)果表明，該方法能實現(xiàn)對多個發(fā)射天線時間延遲估計，可適用于分布式MIMO系統(tǒng)。

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