聯(lián)合導(dǎo)頻CP的大規(guī)模MIMO-OFDM同步方法

宋冬梅，顏 彪，張 銳

(揚州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚州225009)

0 引言

第五代移動通信系統(tǒng)的研發(fā)是繼4G移動通信技術(shù)的又一次技術(shù)革新，其關(guān)鍵技術(shù)包括小蜂窩技術(shù)、高頻段通信、大規(guī)模MIMO技術(shù)、光載OFDM技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[1]。隨著5G技術(shù)的不斷研究發(fā)展，大規(guī)模MIMO技術(shù)已成為新的研究熱點之一。大規(guī)模MIMO技術(shù)，是指在基站配置大量天線，通常有幾十甚至上百根天線，可以充分發(fā)掘系統(tǒng)的空間自由度，同時可以在提高系統(tǒng)的頻譜利用率和功率效率時予以系統(tǒng)較低的信號處理復(fù)雜度[2-5]。OFDM技術(shù)是高速無線局域網(wǎng)的核心技術(shù)，它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，減小多徑衰落對系統(tǒng)的影響[6-9]。因此，將大規(guī)模MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)結(jié)合將會是未來5G的核心技術(shù)之一[10-11]。

載波的頻率偏移在多載波系統(tǒng)當(dāng)中會導(dǎo)致子信道之間產(chǎn)生干擾，而對于要求子載波保持嚴(yán)格同步的大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)來說，載波的頻率偏移所帶來的影響則會相對更加嚴(yán)重，因此對頻率偏移的敏感性是大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)要面臨解決的同步問題之一[12-13]。本文結(jié)合導(dǎo)頻與CP結(jié)構(gòu)，先通過導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的時域相關(guān)性求得頻率偏移值，然后利用該值對數(shù)據(jù)進行頻率補償，再利用CP 相關(guān)性求得二次頻率偏移值，最后通過取兩次頻率偏移的平均值來獲得最終的頻偏值。該方法相對于傳統(tǒng)的多天線MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步方法[14-19]，加入了大規(guī)模MIMO思想，同時改進了同步結(jié)構(gòu)設(shè)計和算法，使系統(tǒng)的同步性能得到相對提高。

1 大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)需要在基站配置大量天線，天線數(shù)可達幾十甚至上百根，利用該方式可提高統(tǒng)的頻譜利用率和功率效率,其系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型

現(xiàn)假定基站發(fā)射端的天線根數(shù)為Nt，子載波數(shù)為N,通過子載波向多個用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)，每個用戶接收端的天線根數(shù)為Nr。發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過OFDM調(diào)制之后被映射到不同的子載波上，則第p根發(fā)射天線的發(fā)射信號為[20]：

(1)

信號經(jīng)信道傳輸過后，第q根接收天線在第k個子載波上所接收到的信號為：

(2)

其中：

(3)

(4)

2 聯(lián)合導(dǎo)頻與CP同步分析

2.1 符號設(shè)計

時域?qū)ьl符號采用在恒包絡(luò)零自相關(guān)序列基礎(chǔ)之上提出的Zadoff-Chu序列[21]：

(5)

(6)

式中，M與N1是互為質(zhì)數(shù)的整數(shù)，q可取值任意整數(shù)，本文取其值為0。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在MIMO-OFDM系統(tǒng)面對同步問題的時候，系統(tǒng)往往選擇運用導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練符號和插入CP等方法來解決。本文為了進一步減小同步誤差、提高系統(tǒng)的同步性能，選擇聯(lián)合導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)與CP結(jié)構(gòu)的方法。

聯(lián)合導(dǎo)頻與CP的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)分為A1和A2兩部分，A2完全復(fù)制A1，再結(jié)合CP思想，將A2部分的尾部B1部分復(fù)制到A1的前面使其變成整體結(jié)構(gòu)的頭部。其中，A1與A2的長度L取N的1/2，B1與B2的長度G則取A1與A2長度的1/4，即L=N/2，G=L/4，加入CP后的OFDM的符號長度為N+G。

圖2 聯(lián)合導(dǎo)頻與CP結(jié)構(gòu)

這樣，代表CP部分的B2與導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)尾部的B1將攜帶完全相同的信息，實現(xiàn)了CP部分對整個OFDM符號的循環(huán)擴展，最后通過B1、B2、A1、A2所攜帶的符號信息的相關(guān)性來實現(xiàn)載波頻率的同步和符號定時同步。通過對Zadoff-Chu序列進行循環(huán)移位得到不同天線上的序列符號：xi(n)=smod(n+Di)N，n=0,1,2...,N-1,式中smod(n+Di)N表示為序列循環(huán)移位Di個位置。

2.3 同步算法改進

結(jié)合符號結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和判決函數(shù)公式，再根據(jù)A1和A2的相關(guān)性，對A1和A2進行相關(guān)計算求得初步頻率偏移ε1[21-22]：

rq(d+m+G+L) ，

(7)

(8)

(9)

(10)

根據(jù)ε1對接收數(shù)進行頻率補償：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

最后取2次頻率偏移的均值，得到相對精確的頻率偏移ε:

(16)

通過對算法的改進，可以提高系統(tǒng)對頻率偏移量估計的準(zhǔn)確性，從而提高系統(tǒng)的同步性能。

3 仿真分析

本文通過軟件MATLAB對提出的聯(lián)合導(dǎo)頻與CP的大規(guī)模MIMO-OFDM同步方法進行了仿真，其仿真參數(shù)設(shè)置值如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值子載波數(shù)目信噪比范圍/dB歸一化頻偏ε信道模型調(diào)制方式帶寬/MHz采樣速率/GHz信道抽頭數(shù)信道抽頭功率/dB信道時延256-15～200.45多徑瑞利衰落信道BPSK2055[0 -0.9 -4.9 -8.0 -7.8][0.01 4 16 24 64 ]

圖3表示了收發(fā)天線數(shù)目分別在1*1、2*2和32*32的情況下傳統(tǒng)方法與本文算法在信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)與誤碼率(Bit Error Rate,BER)方面的曲線圖，從圖中可以看出，在SNR一定時，不論是單天線數(shù)還是多天線數(shù)，本文改進算法的BER均比傳統(tǒng)算法的BER要低，系統(tǒng)同步性能相對提高。

圖3 SNR與BER曲線

圖4則顯示了收發(fā)天線數(shù)目分別在2*2、16*16、32*32、64*64、65*65和100*100的情況下隨著天線數(shù)目的增加，本文改進算法的SNR與BER曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)天線數(shù)高于64根之后，BER隨著天線數(shù)目的增加而增加，尤其當(dāng)天線數(shù)為100時，其BER只低于在SNR>10 dB的情況下的2*2天線，同步性能優(yōu)越性降低，但是在天線數(shù)低于64根之前，系統(tǒng)的BER隨著天線數(shù)目的增加而減小，同步性能優(yōu)越性隨之增加，由此可以看出本文改進算法在大規(guī)模MIMO-OFDM 系統(tǒng)中，在天線數(shù)低于64根的情況下同步性能最佳。

圖4 天線數(shù)遞增SNR與BER曲線

4 結(jié)束語

本文針對大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)有關(guān)頻率偏移方面的同步問題，將導(dǎo)頻與CP結(jié)構(gòu)聯(lián)合的同時，對同步算法也進行了改進。雖然在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度上稍有增加，但是通過仿真驗證分析，其最佳天線數(shù)為64根，同時在SNR一定時，本文改進算法在BER方面相對傳統(tǒng)算法要低，提高了頻率偏移的估計性能，也就提高了系統(tǒng)的同步性能。

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