OFDM 系統(tǒng)同步問題研究

吳浩森，林 云

(重慶郵電大學個人通信技術(shù)實驗室，重慶 400065)

近年來，數(shù)字信號處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)飛速發(fā)展，OFDM 由于其高速數(shù)據(jù)傳輸能力、高寬帶利用率和良好的抗噪聲性能等，受到人們的廣泛關(guān)注。MIMO 技術(shù)利用多對收發(fā)天線對無線信道加以利用，在不增加額外功率和頻譜資源的情況下，使系統(tǒng)的容量成倍增加性能極大提高。因此，將能有效對抗頻率選擇性衰落的OFDM 技術(shù)與能利用空間分集、有效提高系統(tǒng)容量的MIMO 技術(shù)結(jié)合就成為必然的趨勢。兩者的結(jié)合在提高無線通信系統(tǒng)的傳輸速率和可靠性方面具有巨大的潛力。

MIMO-OFDM 技術(shù)雖然繼承了OFDM和MIMO的技術(shù)優(yōu)點，但在無線通信系統(tǒng)中的實際應(yīng)用還面臨著許多技術(shù)難題，其中同步就是關(guān)鍵技術(shù)之一。同步性能的優(yōu)劣直接影響到OFDM 技術(shù)能否真正被用于無線通信領(lǐng)域。

1 OFDM 系統(tǒng)基本原理概述

下面將分別對傳統(tǒng)的SISO-OFDM 系統(tǒng)和MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理進行闡述。

1.1 SISO-OFDM 系統(tǒng)模型［1］

圖1 SISO-OFDM 系統(tǒng)原理圖

由圖1 可以看到OFDM 系統(tǒng)的整個流程。

1.2 MIMO-OFDM 系統(tǒng)模型

圖2和圖3 分別為MIMO-OFDM 系統(tǒng)發(fā)射和接收原理圖。

圖2 MIMO-OFDM 系統(tǒng)發(fā)射機原理圖

圖3 MIMO-OFDM 系統(tǒng)接收機原理圖

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過QPSK 映射調(diào)制，映射后的數(shù)據(jù)符號通過空時編碼器，將輸入數(shù)據(jù)流變成Nt路并行的數(shù)據(jù)流，它們分別對應(yīng)Nt根發(fā)射天線。分配到每根天線上的數(shù)據(jù)流被分為N個一組，對應(yīng)N個子載波，進行IFFT 變換到時域，然后加入CP，經(jīng)過上變頻后經(jīng)DAC 進入模擬通道，最后用射頻天線發(fā)射。

在接收端，首先要確保獲得的載波頻率和采樣時鐘都是正確的，然后對數(shù)據(jù)進行采樣，再通過FFT 進行解調(diào)。FFT變換后在頻域?qū)崿F(xiàn)信道估計，OFDM 解調(diào)后的信號還要進行空時解碼，最后對數(shù)據(jù)進行QAM 或MPSK 解調(diào)，得到最終的接收信號。

2 OFDM 系統(tǒng)同步算法

目前已有很多文獻對OFDM和MIMO-OFDM 系統(tǒng)的同步進行研究，下面將分別進行介紹。

2.1 SISO-OFDM 系統(tǒng)同步算法

SISO-OFDM 系統(tǒng)的同步算法主要可以分為兩類:基于數(shù)據(jù)輔助的同步算法和盲同步算法?；跀?shù)據(jù)輔助的OFDM 同步算法又可以分為兩種:利用循環(huán)前綴的算法和利用訓練序列的算法，前者一般用于連續(xù)傳輸系統(tǒng)，后者比較適用于突發(fā)式傳輸?shù)南到y(tǒng)。

基于訓練序列的同步算法:P.Moose［2］使用重復(fù)的訓練序列實現(xiàn)了載波最大似然估計，在發(fā)送端發(fā)送重復(fù)的序列，經(jīng)過FFT 后在頻域中計算頻偏。Schmidl［3］提出一種利用兩個訓練符號進行時間頻率同步的方法。由于CP的影響，這種算法在相關(guān)峰的頂峰處會出現(xiàn)一段平臺，定時不準確，符號同步估計出現(xiàn)誤差。H.Minn［4］引進了兩段PN 序列的相反數(shù)來降低定時算法的誤差，出現(xiàn)了明顯的峰值，避免了平坡的出現(xiàn)，但是在距離正確定時點兩側(cè)有較明顯的旁瓣出現(xiàn)。Park［5］引進了PN 序列的對稱序列得到了峰值尖銳的沖激脈沖形式的曲線，但是有時會產(chǎn)生兩個主峰值，帶來很大的定時誤差，而且在頻偏方面也遇到瓶頸。

基于循環(huán)前綴的同步算法:Van de Beek［6］等人提出了利用OFDM 系統(tǒng)循環(huán)前綴所攜帶的信息進行同步估計的方法，不會降低系統(tǒng)傳輸效率，避免了頻譜和功率資源的浪費。Tufvesson［7］提出了利用重復(fù)的PN 序列來進行時頻同步的方法，將接收信號與本地序列相關(guān)，在多徑信道下也有尖銳的峰值，定時精確，頻偏估計范圍大，但頻偏估計精度不太高。

盲估計方法有Liu［8］的MUSIC方法和Tureli［9］的ESPRIT方法，它們都是基于信號子空間的方法，不需要導頻，不浪費帶寬，但要求比較準確的定時同步，而且運算量大，影響在工程中的應(yīng)用。

2.2 MIMO-OFDM 系統(tǒng)同步算法

和傳統(tǒng)OFDM 系統(tǒng)一樣，MIMO-OFDM 系統(tǒng)同步算法也可以分為數(shù)據(jù)輔助類同步算法和盲同步算法。

基于訓練序列的MIMO-OFDM 同步算法:Mody［10］算法假設(shè)所有發(fā)射天線到達所有接收天線的時延和頻偏都相同，在發(fā)射端頻域的數(shù)據(jù)符號前面插入重復(fù)的單元，然后在接收端完成時間和頻率同步。該算法克服了多天線間的干擾，但前導產(chǎn)生比較麻煩而且占用系統(tǒng)資源比較多。Yao yao［11］在收發(fā)天線之間的時延相同但頻偏不同的前提下，提出一種適用于分布式MIMO-OFDM 系統(tǒng)的同步算法。該算法頻率性能良好，但頻偏估計范圍較小，而且在多徑衰落信道下同步性能不太好。

基于導頻的MIMO-OFDM 同步算法:Mi-Kyung OH［12］針對MIMO的多天線設(shè)計了一種能夠同時用于頻偏和信道估計的hopping 導頻，在符號塊中插入hopping 導頻可以擴大頻偏估計范圍。

盲估計的側(cè)重點在載波頻偏估計上，不需要訓練數(shù)據(jù)，頻帶利用率高，但是計算復(fù)雜，運算量大，不適合分組突發(fā)式傳輸系統(tǒng)。一般的做法是計算出接收數(shù)據(jù)的均值并求平均和加權(quán)，推導出帶有頻偏值的項，然后對其進行計算。

3 結(jié)束語

在未來無線寬帶通信系統(tǒng)中，多徑衰落和帶寬效率將是兩個最嚴峻的挑戰(zhàn)。OFDM 通過子載波將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)變成平坦信道，減少了多徑衰落的影響;MIMO 技術(shù)能夠在空間產(chǎn)生獨立的并行信道，復(fù)用了空間，使系統(tǒng)容量成倍增加。MIMO 與OFDM的結(jié)合，能夠充分利用兩者的優(yōu)點，更加滿足未來移動通信的要求，而對同步和信道估計等關(guān)鍵技術(shù)的研究則需更加深入。

［1］王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM 技術(shù)［M］.第2版.北京:人民郵電出版社，2007.

［2］Moose PH.A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Corrention［J］.IEEE Trans.on Commun，1994，42(10):2908－2914.

［3］Schmidl T M，Cox D C.Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM［J］.IEEE Transactions.Communication，1997，45(12):1613－1621.

［4］Minn H，Zeng M，Bhargava V K.On Timing Offset Estimation for OFDM Systems［J］.IEEE Communcations Letters，2000，4(7).

［5］Byunjoon Park，Hyunsoo Cheon，Changwn Kang，et al.A Novel Timing Estimation Method for OFDM Systems［G］.IEEE.2002.

［6］Jan-Jaap van de Beek，Ove Edfors，Magnus Sandell，et al.On Channel Estimation in OFDM Systems［G］.IEEE，1995.

［7］Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner，Ove Edfors.Time and Frequency Synchronization for OFDM Using PN-sequence Preambles［G］.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference，Amsterdam，The Netherlands，1999:2203－2207.

［8］Liu H，Tureli U.A High Efficiency Carrier Estimator for OFDM Communications［J］.IEEE Communication Letters，1998，2(4):104－106.

［9］Tureli U，Liu H，Zoltowski M D.OFDM Blind Carrier Offset Estimation［J］.IEEE Transactions Communication，2000，48(9):1459－1461.

［10］Mody，A.N.Stuber，G.L.Synchronization for MIMOOFDM Systems［G］.Global Telecommunications Conference，2001.GLOBECOM＇01.IEEE，2001(1):509－513.

［11］Yao Yao，Tung-Sang Ng.Correlated-Based Frequency Offset Estimation in MIMO System.Proc［G］.IEEE Vehicular Technology Conference Fall 2003(VTC Fall 2003)，Orlando (FL)，2003(10):6－9.

［12］Xiaoli Ma，Mi-Kyung Oh，Georgios B.Giannakis，et al.Hopping Pilots for Estimation of Frequency-Offset and Multiantenna Channels in MIMO-OFDM［J］.IEEE Transactions on Communications，2005，(53)1.