一種低信噪比下的stbc mimo-ofdm系統(tǒng)時(shí)頻同步新方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[000。 本發(fā)明設(shè)及MIM0-0抑M技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種低信噪比下的STBCMIM0-0抑M系統(tǒng) 時(shí)頻同步新方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的傳輸速率和穩(wěn)定性W及可 靠性具體越來(lái)越高的要求?，F(xiàn)有的正交頻分復(fù)用（OFDM)技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，其具 有頻譜利用率較高、抗多徑衰落等特點(diǎn)。多輸入多輸出（MIM0)技術(shù)則是充分利用空間資 源，實(shí)現(xiàn)多發(fā)射多接收的功能，在不增加頻譜資源和發(fā)射天線功率的情況下，提高信道的容 量。將MIM0與OFDM結(jié)合的系統(tǒng)具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定、頻譜利用率高、高速傳輸率等特點(diǎn)，能夠 很好地滿足下一代無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求，并且也是后期無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。其 主要應(yīng)用的領(lǐng)域包括：無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN)、無(wú)線寬帶接入（Wimax)、下一代移動(dòng)無(wú)線通信系 統(tǒng)炬3G/4G)等。
[0003] 為了提高無(wú)線通信技術(shù)的傳輸速率和穩(wěn)定性W及可靠性，在低信噪比條件下的 STBCMIM0-0FDM系統(tǒng)中，MIM0-0FDM技術(shù)具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定、頻譜利用率高、高速傳輸率等 特點(diǎn)，并且采用STBC編碼可W實(shí)現(xiàn)多發(fā)天線聯(lián)合編碼技術(shù)，天線分集可抵抗信道的衰落， 提高無(wú)線通信鏈路的可靠性；通過(guò)STBC編碼增加傳輸?shù)目諘r(shí)冗余信息，提高無(wú)線通信傳輸 的穩(wěn)定性與可靠性。
[0004] 在低信噪比條件下，現(xiàn)有的MIM0-0抑M同步算法時(shí)頻同步算法性能均受到影響。 因此，在低信噪比條件下，要想獲得性能良好的時(shí)頻同步性能，該時(shí)頻同步算法是值得深 入研究。Ali Rachini等人提出STBC MIM0 (FDM系統(tǒng)時(shí)間同步算法，采用正交性良好的 CAZAC序列和Walsh-Hadamard序列作為訓(xùn)練序列，利用本地訓(xùn)練序列與數(shù)據(jù)信號(hào)相關(guān)獲取 良好的時(shí)間同步性能。仿真結(jié)果表明在低信噪比條件下，時(shí)間同步性能較優(yōu)。但沒(méi)有考慮 頻偏估計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。FAN化i-li等人提出MIMO-CFDM系統(tǒng)時(shí)頻同步算法，采用共 輛結(jié)構(gòu)的CAZAC序列作為訓(xùn)練序列，利用接收端數(shù)據(jù)信息自相關(guān)獲取同步信息。仿真結(jié)果 表明該方法在低信噪比條件下時(shí)頻同步較好，但該方法不足是頻偏估計(jì)范圍較小。對(duì)比文 獻(xiàn)；[1]R.N.Ali, B. D. Ali,N.Fabienne and B. Bilal. Timing synchronization method for MIMO-OFDM system using orthogonal preamble[C]. 19th International Conference on Telecommunications (ICT 2012), 2012:1-6. [2]H. L. Fan, J. F. Sun, P. Yang, D. S. Li. A Robust Timing and Frequency Synchronization Algorithm for HF MIMO OFDM Systems[C]. IE邸Conference on Global Mobile Congress(GMC), 2010:1-4?這些同步方 法都是將訓(xùn)練序列插入到OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)上的同步方法，其不足處是降低系統(tǒng)的頻譜利用 率和降低發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率。
[0005] 因此，為了克服現(xiàn)有MIMO-OFDM系統(tǒng)同步方法存在的不足，本發(fā)明提出一種低信 噪比下的STBCMIM0-0抑M系統(tǒng)時(shí)頻同步新算法，該同步方法的訓(xùn)練序列是疊加到(FDM數(shù) 據(jù)符號(hào)上，其可W有效的提高頻帶利用率和發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是在于提出一種低信噪下的STBCMIM0-0FDM系統(tǒng)時(shí)頻同步新方法， 從而克服現(xiàn)有的MIM0-0FDM系統(tǒng)同步方法的不足。本發(fā)明提出同步新方法，首先是設(shè)計(jì)一 種正交性良好的復(fù)正交互補(bǔ)序列，其次利用該序列的共輛取反特性構(gòu)造出新的訓(xùn)練序列， 該訓(xùn)練序列具有良好的自相關(guān)性和較弱的互相關(guān)性，并且有優(yōu)良的正交性。將訓(xùn)練序列疊 加到一個(gè)完整的OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)上成為發(fā)射信號(hào)，在接收端，利用接收端數(shù)據(jù)信號(hào)和本地訓(xùn) 練序列相關(guān)可W獲得精確的同步信息，利用接收端數(shù)據(jù)信號(hào)與本地訓(xùn)練序列相關(guān)運(yùn)算求相 位來(lái)獲取整數(shù)頻偏估計(jì)值。精確的時(shí)間同步和頻率同步可W保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息正確解 調(diào)。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種低信噪比下的STBCMIM0-0抑M系統(tǒng)時(shí)頻同 步新方法的創(chuàng)新點(diǎn)：
[0008] (1)本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于復(fù)正交互補(bǔ)序列的訓(xùn)練序列，該訓(xùn)練序列采用共輛取反 特性提高訓(xùn)練序列的自相關(guān)性。
[0009] (2)本發(fā)明提出的新時(shí)頻同步算法，時(shí)間同步算法是采用接收端數(shù)據(jù)信息和本地 訓(xùn)練序列獲取同步信息，用最大值確定精確的定時(shí)同步位置，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)同步基礎(chǔ)上， 進(jìn)行頻率同步，且在時(shí)域可估計(jì)較大的頻偏范圍，從而保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的正確解調(diào)。
[0010] 本發(fā)明提出一種低信噪比下的STBCMIM0-0抑M系統(tǒng)時(shí)頻同步新方法，該系統(tǒng)的天 線設(shè)置Nt個(gè)發(fā)射天線和N。個(gè)接收天線，其具體步驟如下：
[0011] 步驟1 ;復(fù)正交互補(bǔ)序列設(shè)計(jì)：
[001引（1)設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)互補(bǔ)序列集{Ai，Bi，Ci，Di}，其中Ai= [1，1，j，-j]，B1=[1，1，-j，_]?]，Q=是A=馬和/I:=馬，公;=-本C2=B1，化二-A1，其中4堤Ai的共輛取反 運(yùn)算，-Ai表示A1的負(fù)值，j表示虛數(shù)符號(hào)，j2= -1 ;
[001引 0)利用上述復(fù)互補(bǔ)序列集構(gòu)造行向量為4,列向量為8的矩陣E4xg，其中
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低信噪比下的STBC MMO-OFDM系統(tǒng)時(shí)頻同步新方法，其特征在于： 步驟1 :復(fù)正交互補(bǔ)序列設(shè)計(jì)： (1) 設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)互補(bǔ)序列集 U1, B1, C1, Dj,其中 A1= [1，1，j, -j]，B i= [1，1，-j, j]， C11 = /I1, D1 = .Zil和為=界,52 = , C2 = B D2 = -A i，其中為是A1的共輒取反運(yùn)算，-A肩不 4的負(fù)值，j表示虛數(shù)符號(hào)，j 2= -1 ; (2) 利用上述復(fù)互補(bǔ)序列集構(gòu)造行向量為4,列向量為8的矩陣E4x8，其中
T ，式中（*)7表示矩陣轉(zhuǎn)置； (3) 利用正交矩陣
重新構(gòu)造行向量為16,列向量為16新矩陣 E16xi6，其矩陣』
_ 「1 - /) _ (4) 利用正交矩陣.重新構(gòu)造行向量為32,列向量為32新矩陣E32x32，獲得矩 Vi J J
(5) 重復(fù)上述第（4)步方法，改變行向量大小，可以獲得更長(zhǎng)的正交序列； ' E 、 一/+*￡、、、 步驟2 :利用上述復(fù)正交互補(bǔ)序列設(shè)計(jì)步驟，則可獲取正交矩陣A: >:，通 4. h' 、 J J-N h- V T ? J 過(guò)矩陣構(gòu)造一組序列％ (η)，其中η的取值范圍 n e [〇，N/4-l]，i 的取值范圍 i e [1，Ν/4]; 當(dāng)i = 1時(shí)舉例構(gòu)造長(zhǎng)度為Ν/4的序列S1 (η)，將序列S1 (η)取共軛取反運(yùn)算獲取新的 序列Id1 (η)，有： b{(η) = -<:/,'(/?) , /7 e [0, .V / 4 -1] (I) 式中：N表示子載波數(shù)，<()表示序列ai ()序列取共軛運(yùn)算； 步驟3 :將序列ai (η)和Id1 (η)構(gòu)成長(zhǎng)度為Ν/2的序列h (η)，有： |α,(/7)，/7φ，Λ//4-丨] 1 ⑷-1、(/7) ,/7 e [.V/4,/V/2-1] 步驟4 :將序列h (η)重復(fù)一次構(gòu)造長(zhǎng)度為N的序列C1 (η)，有： (/,(/?), 託[Ο,/V/2-1] cΛ η) - < (3) [φ-Μ/2),η^[Ν/2,Ν-\] 步驟5 :將訓(xùn)練序列疊加到一個(gè)完整的OFDM符號(hào)上信號(hào)表示為： r,(?) = yjP(\ -β)χ.χη) + = ?,\，...Ν + Ng-I (4) 式中：P表示發(fā)射機(jī)的總功率，β是功率分配因子，其取值范圍O < β < 1，定義為 /? = σ,:/( σΧ)，其中 σ,2 = ￡(|drt)|2)，σ; = ￡(|.υ(")|2); 步驟6 :利用接收端接收到的本地訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)信息相關(guān)獲取時(shí)間同步，定時(shí)度量 函數(shù)表達(dá)式為：
式中：ΝΤ為發(fā)射天線的數(shù)目，Nk為接收天線的數(shù)目，Ng為循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，<0表示接 收端數(shù)據(jù)信息h()取共軛運(yùn)算，η是采樣點(diǎn)的數(shù)目，Ci (η)表示發(fā)射天線上的訓(xùn)練序列，d為 整數(shù)值，其表示本地訓(xùn)練序列和接收端數(shù)據(jù)信息的相對(duì)滑動(dòng)位置，m表示循環(huán)次數(shù)； 步驟6:由于公式（5)中定時(shí)度量函數(shù)R(d)是歸一化作用，則M(d)達(dá)到最大值時(shí)，即 可判斷此刻的d是OFDM符號(hào)開(kāi)始位置，同步算法表示為： τ = arg max{I M(d) \} (8) d 式中：f表示定時(shí)同步估計(jì)值； 步驟7 :采用接收端數(shù)據(jù)信息自相關(guān)性，獲取小數(shù)頻偏估計(jì)，其數(shù)學(xué)公式表示為：
式中：real ( ·)表示F(i；)取實(shí)部運(yùn)算，imag( ·)表示Mf)取虛部運(yùn)算，#/表示小數(shù)頻偏 估計(jì)值，其估計(jì)范圍：Ae(OJ); 步驟8 :將估計(jì)出的小數(shù)頻率偏移補(bǔ)償后進(jìn)行頻率的整數(shù)頻偏估計(jì)，通過(guò)本地訓(xùn)練序 列與接收端數(shù)據(jù)信號(hào)相關(guān)運(yùn)算求相位來(lái)獲取整數(shù)頻偏估計(jì)值，表達(dá)式： AT ?
式中：A表示整數(shù)頻偏估計(jì)，其估計(jì)范圍是：為e (-7V/4，，/4)。
【專利摘要】本發(fā)明是一種低信噪比下的STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)時(shí)頻同步新方法，其特征在于：在低信噪比條件下，針對(duì)STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)很難獲得精確的時(shí)頻同步問(wèn)題，本發(fā)明提出一種低信噪比條件下的STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)時(shí)頻同步新方法。該方法首先利用一組復(fù)互補(bǔ)序列集和正交矩陣構(gòu)造一個(gè)復(fù)正交互補(bǔ)序列，通過(guò)正交矩陣變換擴(kuò)展該序列，從而獲得合適長(zhǎng)度的復(fù)正交互補(bǔ)序列；為提高該序列的自相關(guān)性和互相關(guān)性，訓(xùn)練序列是由該序列的共軛取反特性構(gòu)造，并疊加于數(shù)據(jù)信號(hào)上。在接收端通過(guò)訓(xùn)練序列與數(shù)據(jù)信號(hào)相關(guān)獲取良好的同步信號(hào)，并且整數(shù)頻偏估計(jì)范圍可以達(dá)到ε∈(-N/4,N/4)。在低信噪比條件下，本發(fā)明提出的同步方法與常規(guī)方法比較，在-15dB時(shí)可以獲得更加精確的時(shí)間同步和較大的頻偏范圍，且計(jì)算復(fù)雜度更低。
【IPC分類】H04L5-00, H04L27-26, H04B7-04, H04L25-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104836652
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510234000
【發(fā)明人】羅仁澤, 楊嬌, 劉志平, 李芮, 蔣鵬, 陸存, 胡帥男, 張耀, 郭俊, 曹文昌
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月11日