一种低信噪比下的stbc mimo-ofdm系统时频同步新方法
【技术领域】
[000。 本发明设及MIM0-0抑M技术领域，特别是一种低信噪比下的STBCMIM0-0抑M系统 时频同步新方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的快速发展，人们对无线通信技术的传输速率和稳定性W及可 靠性具体越来越高的要求。现有的正交频分复用（OFDM)技术是一种多载波传输技术，其具 有频谱利用率较高、抗多径衰落等特点。多输入多输出（MIM0)技术则是充分利用空间资 源，实现多发射多接收的功能，在不增加频谱资源和发射天线功率的情况下，提高信道的容 量。将MIM0与OFDM结合的系统具有信号传输稳定、频谱利用率高、高速传输率等特点，能够 很好地满足下一代无线传输网络的要求，并且也是后期无线通信技术发展的必然趋势。其 主要应用的领域包括：无线局域网（WLAN)、无线宽带接入（Wimax)、下一代移动无线通信系 统炬3G/4G)等。
[0003] 为了提高无线通信技术的传输速率和稳定性W及可靠性，在低信噪比条件下的 STBCMIM0-0FDM系统中，MIM0-0FDM技术具有信号传输稳定、频谱利用率高、高速传输率等 特点，并且采用STBC编码可W实现多发天线联合编码技术，天线分集可抵抗信道的衰落， 提高无线通信链路的可靠性；通过STBC编码增加传输的空时冗余信息，提高无线通信传输 的稳定性与可靠性。
[0004] 在低信噪比条件下，现有的MIM0-0抑M同步算法时频同步算法性能均受到影响。 因此，在低信噪比条件下，要想获得性能良好的时频同步性能，该时频同步算法是值得深 入研究。Ali Rachini等人提出STBC MIM0 (FDM系统时间同步算法，采用正交性良好的 CAZAC序列和Walsh-Hadamard序列作为训练序列，利用本地训练序列与数据信号相关获取 良好的时间同步性能。仿真结果表明在低信噪比条件下，时间同步性能较优。但没有考虑 频偏估计对系统性能的影响。FAN化i-li等人提出MIMO-CFDM系统时频同步算法，采用共 辆结构的CAZAC序列作为训练序列，利用接收端数据信息自相关获取同步信息。仿真结果 表明该方法在低信噪比条件下时频同步较好，但该方法不足是频偏估计范围较小。对比文 献；[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?这些同步方 法都是将训练序列插入到OFDM数据符号上的同步方法，其不足处是降低系统的频谱利用 率和降低发射机的发射功率。
[0005] 因此，为了克服现有MIMO-OFDM系统同步方法存在的不足，本发明提出一种低信 噪比下的STBCMIM0-0抑M系统时频同步新算法，该同步方法的训练序列是叠加到(FDM数 据符号上，其可W有效的提高频带利用率和发射机的发射功率。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是在于提出一种低信噪下的STBCMIM0-0FDM系统时频同步新方法， 从而克服现有的MIM0-0FDM系统同步方法的不足。本发明提出同步新方法，首先是设计一 种正交性良好的复正交互补序列，其次利用该序列的共辆取反特性构造出新的训练序列， 该训练序列具有良好的自相关性和较弱的互相关性，并且有优良的正交性。将训练序列叠 加到一个完整的OFDM数据符号上成为发射信号，在接收端，利用接收端数据信号和本地训 练序列相关可W获得精确的同步信息，利用接收端数据信号与本地训练序列相关运算求相 位来获取整数频偏估计值。精确的时间同步和频率同步可W保证传输的数据信息正确解 调。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提出的一种低信噪比下的STBCMIM0-0抑M系统时频同 步新方法的创新点：
[0008] (1)本发明设计一种基于复正交互补序列的训练序列，该训练序列采用共辆取反 特性提高训练序列的自相关性。
[0009] (2)本发明提出的新时频同步算法，时间同步算法是采用接收端数据信息和本地 训练序列获取同步信息，用最大值确定精确的定时同步位置，在实现系统定时同步基础上， 进行频率同步，且在时域可估计较大的频偏范围，从而保证传输的数据信息的正确解调。
[0010] 本发明提出一种低信噪比下的STBCMIM0-0抑M系统时频同步新方法，该系统的天 线设置Nt个发射天线和N。个接收天线，其具体步骤如下：
[0011] 步骤1 ;复正交互补序列设计：
[001引（1)设计一个复互补序列集{Ai，Bi，Ci，Di}，其中Ai= [1，1，j，-j]，B1=[1，1，-j，_]?]，Q=是A=马和/I:=马，公;=-本C2=B1，化二-A1，其中4堤Ai的共辆取反 运算，-Ai表示A1的负值，j表示虚数符号，j2= -1 ;
[001引 0)利用上述复互补序列集构造行向量为4,列向量为8的矩阵E4xg，其中
【主权项】
1. 一种低信噪比下的STBC MMO-OFDM系统时频同步新方法，其特征在于： 步骤1 :复正交互补序列设计： (1) 设计一个复互补序列集 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的共辄取反运算，-A肩不 4的负值，j表示虚数符号，j 2= -1 ; (2) 利用上述复互补序列集构造行向量为4,列向量为8的矩阵E4x8，其中
T ，式中（*)7表示矩阵转置； (3) 利用正交矩阵
重新构造行向量为16,列向量为16新矩阵 E16xi6，其矩阵』
_ 「1 - /) _ (4) 利用正交矩阵.重新构造行向量为32,列向量为32新矩阵E32x32，获得矩 Vi J J
(5) 重复上述第（4)步方法，改变行向量大小，可以获得更长的正交序列； ' E 、 一/+*￡、、、 步骤2 :利用上述复正交互补序列设计步骤，则可获取正交矩阵A: >:，通 4. h' 、 J J-N h- V T ? J 过矩阵构造一组序列％ (η)，其中η的取值范围 n e [〇，N/4-l]，i 的取值范围 i e [1，Ν/4]; 当i = 1时举例构造长度为Ν/4的序列S1 (η)，将序列S1 (η)取共轭取反运算获取新的 序列Id1 (η)，有： b{(η) = -<:/,'(/?) , /7 e [0, .V / 4 -1] (I) 式中：N表示子载波数，<()表示序列ai ()序列取共轭运算； 步骤3 :将序列ai (η)和Id1 (η)构成长度为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] 步骤4 :将序列h (η)重复一次构造长度为N的序列C1 (η)，有： (/,(/?), 託[Ο,/V/2-1] cΛ η) - < (3) [φ-Μ/2),η^[Ν/2,Ν-\] 步骤5 :将训练序列叠加到一个完整的OFDM符号上信号表示为： r,(?) = yjP(\ -β)χ.χη) + = ?,\，...Ν + Ng-I (4) 式中：P表示发射机的总功率，β是功率分配因子，其取值范围O < β < 1，定义为 /? = σ,:/( σΧ)，其中 σ,2 = ￡(|drt)|2)，σ; = ￡(|.υ(")|2); 步骤6 :利用接收端接收到的本地训练序列和数据信息相关获取时间同步，定时度量 函数表达式为：
式中：ΝΤ为发射天线的数目，Nk为接收天线的数目，Ng为循环前缀的长度，<0表示接 收端数据信息h()取共轭运算，η是采样点的数目，Ci (η)表示发射天线上的训练序列，d为 整数值，其表示本地训练序列和接收端数据信息的相对滑动位置，m表示循环次数； 步骤6:由于公式（5)中定时度量函数R(d)是归一化作用，则M(d)达到最大值时，即 可判断此刻的d是OFDM符号开始位置，同步算法表示为： τ = arg max{I M(d) \} (8) d 式中：f表示定时同步估计值； 步骤7 :采用接收端数据信息自相关性，获取小数频偏估计，其数学公式表示为：
式中：real ( ·)表示F(i；)取实部运算，imag( ·)表示Mf)取虚部运算，#/表示小数频偏 估计值，其估计范围：Ae(OJ); 步骤8 :将估计出的小数频率偏移补偿后进行频率的整数频偏估计，通过本地训练序 列与接收端数据信号相关运算求相位来获取整数频偏估计值，表达式： AT ?
式中：A表示整数频偏估计，其估计范围是：為e (-7V/4，，/4)。
【专利摘要】本发明是一种低信噪比下的STBC MIMO-OFDM系统时频同步新方法，其特征在于：在低信噪比条件下，针对STBC MIMO-OFDM系统很难获得精确的时频同步问题，本发明提出一种低信噪比条件下的STBC MIMO-OFDM系统时频同步新方法。该方法首先利用一组复互补序列集和正交矩阵构造一个复正交互补序列，通过正交矩阵变换扩展该序列，从而获得合适长度的复正交互补序列；为提高该序列的自相关性和互相关性，训练序列是由该序列的共轭取反特性构造，并叠加于数据信号上。在接收端通过训练序列与数据信号相关获取良好的同步信号，并且整数频偏估计范围可以达到ε∈(-N/4,N/4)。在低信噪比条件下，本发明提出的同步方法与常规方法比较，在-15dB时可以获得更加精确的时间同步和较大的频偏范围，且计算复杂度更低。
【IPC分类】H04L5-00, H04L27-26, H04B7-04, H04L25-02
【公开号】CN104836652
【申请号】CN201510234000
【发明人】罗仁泽, 杨娇, 刘志平, 李芮, 蒋鹏, 陆存, 胡帅男, 张耀, 郭俊, 曹文昌
【申请人】西南石油大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月11日