基于訓練序列的大規(guī)模MIMO-OFDM同步方法分析

宋冬梅

(如皋市人民醫(yī)院，江蘇 南通 226500)

0 引言

第五代移動通信技術(shù)(5th-Generation，5G)以大規(guī)模MIMO、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和超寬帶頻譜等技術(shù)優(yōu)勢而贏得專家學者的熱捧。大規(guī)模MIMO技術(shù)更是以其可提高系統(tǒng)頻譜利用率、傳輸功率和擴大空間自由度等特點成為5G的研究熱點之一[1-3]。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)需要在基站配備成百根功耗較低的天線，使傳輸信號的指向性更加明確，以提升系統(tǒng)的傳輸效率。OFDM技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，該技術(shù)復雜度低，可將頻域選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為窄帶平坦衰落信道[4,5]。大規(guī)模MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合形成大規(guī)模MIMO-OFDM技術(shù)，是5G的核心技術(shù)之一[6]。

對于OFDM系統(tǒng)，載波頻率發(fā)生偏移會對各子信道產(chǎn)生干擾，最后使各子載波原有的正交性遭到破壞。而大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)對子載波的同步性能具有嚴格的要求，如何減小載波頻率偏移以保證系統(tǒng)的同步性，是亟待解決的問題。本文以Park特殊序列為基礎(chǔ)，將訓練序列結(jié)構(gòu)分為四部分，與傳統(tǒng)的MIMO-OFDM系統(tǒng)相比，該方法對大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)的訓練序列進行一定的改進并結(jié)合相關(guān)算法來降低頻率偏移量，有效提高了系統(tǒng)的同步性能。

1 系統(tǒng)模型

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)需要在基站配備成百根功耗較低的天線，系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型

據(jù)根圖1所示的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，現(xiàn)設(shè)基站端的發(fā)射天線為根，在N各子載波上向天線為根的接收端發(fā)送數(shù)據(jù)。OFDM對所發(fā)送的數(shù)據(jù)符號進行調(diào)制，映射到各個子載波上，經(jīng)過信道傳輸后，第p根發(fā)射天線發(fā)送出去的信號和第q根接收天線上接收到的信號可分別表示為：

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

2 系統(tǒng)同步算法

2.1 Zadoff-Chu序列

Zadoff-Chu序列是一種建立在恒包絡(luò)零自相關(guān)(CAZAC)序列基礎(chǔ)之上的，具有理想的相關(guān)性且峰均比較低。Zadoff-Chu序列{ak}可以定義為[7]：

(5)

(6)

其中，M與N互質(zhì)，q為任意整數(shù)，文中q取值為0。

2.2 訓練序列結(jié)構(gòu)設(shè)計及算法改進

最基礎(chǔ)的定時符號同步算法是SC算法，其定時判決函數(shù)為[7]：

(7)

其中:

(8)

(9)

在SC算法的基礎(chǔ)后繼又提出了兩種較為經(jīng)典的算法Minn算法和Park算法。這三種算法的訓練序列結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 訓練序列基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

其中，A和B表示中心對稱的兩種符號，“*”表示共軛，“-”代表取反，本文在Park算法的訓練基礎(chǔ)之上對訓練序列進行改進，如圖3所示。將訓練序列分為四部分，一、四部分相同，二、三部分相同，第一部分加入長度為L的偽隨機序列Ci即等于第二部分，L=4/N。

圖3 改進訓練序列結(jié)構(gòu)圖

這里選用SC的判決函數(shù)，結(jié)合改進的訓練序列結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)部分的相關(guān)性，先對第一部分和第四部分進行相關(guān)計算，求得頻率偏移量ε1：

(10)

(11)

(12)

(13)

再對第二部分和第三部分進行相關(guān)計算，求得頻率偏移量ε2：

(14)

(15)

(16)

(17)

最后對ε1和ε2求均值，得到較為精確的頻率偏移量ε。

(18)

3 仿真分析

圖4為在1*1、2*2和32*32這三種不同天線數(shù)目下改進方法與傳統(tǒng)方法的信噪比與誤碼率曲線圖。從圖中可以看出，天線數(shù)目為1*1、2*2和32*32這三種情況下，信噪比一定時，改進方法均比傳統(tǒng)方法的誤碼率要低；同時可以看出，隨著天線數(shù)目的增加，誤碼率隨之降低。信噪比相同時，誤碼率越低系統(tǒng)同步性能越好，由此可以看出，改進方法比傳統(tǒng)方法同步性能要高。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖4 信噪比與誤碼率曲線圖

圖5顯示了改進方法隨著天線數(shù)目的增加，信噪比與誤碼率曲線對比圖。通過圖中天線數(shù)目從2*2到64*64可以看出，隨著天線數(shù)目的增加，誤碼率隨之降低，同步性能增加；但是從天線數(shù)為65*65、100*100和128*128可以看出，在天線數(shù)目大于64時，誤碼率增加，甚至呈現(xiàn)出不規(guī)律狀態(tài)。由此可以看出，改進方法的最佳天線數(shù)目為64根。

圖5 多天線信噪比與誤碼率曲線圖

4 結(jié)束語

本文針對大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步問題，提出了一種基于Park特殊訓練序列而改進的訓練序列結(jié)構(gòu)，并通過相關(guān)計算，改進算法，得到較為精確的頻偏值。通過仿真，可以看出，改進結(jié)構(gòu)及算法比傳統(tǒng)同步方法的同步性能要高。隨著天線數(shù)目的增加，達到最佳天線數(shù)為64根，即在天線數(shù)目小于等于64根時，隨著天線數(shù)目的增加，系統(tǒng)誤碼率降低。由此可以看出，改進算法在一定程度上有效提高了大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步性能。