CN105577600B - Mimo-ofdm wlan系统的同步方法及系统 - Google Patents

Mimo-ofdm wlan系统的同步方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN105577600B
CN105577600B CN201610150465.4A CN201610150465A CN105577600B CN 105577600 B CN105577600 B CN 105577600B CN 201610150465 A CN201610150465 A CN 201610150465A CN 105577600 B CN105577600 B CN 105577600B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mimo
long training
csd
essence
training sequence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610150465.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105577600A (zh
Inventor
裴文江
沈汉文
王开
夏亦犁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201610150465.4A priority Critical patent/CN105577600B/zh
Publication of CN105577600A publication Critical patent/CN105577600A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105577600B publication Critical patent/CN105577600B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/26—Systems using multi-frequency codes
    • H04L27/2601—Multicarrier modulation systems
    • H04L27/2647—Arrangements specific to the receiver only
    • H04L27/2655—Synchronisation arrangements

Abstract

本发明公开了一种适用于MIMO‑OFDM WLAN系统的同步方法及系统，用于实现MIMO‑OFDM系统的精同步和载波频偏估计以及采样频偏估计，包括精同步模块和联合频偏估计模块。精同步模块利用惩罚因子和局部积分策略实现MIMO系统的精同步；联合频偏估计算法基于最大似然算法和信赖域反馈算法来实现载波频偏和采样频偏的联合估计。本发明适用于MIMO系统，可有效地抵抗伪多径效应，具有较小的同步误差和较小的频偏估计误差且具有较低的运算复杂度。

Description

MIMO-OFDM WLAN系统的同步方法及系统
技术领域
本发明涉及一种MIMO-OFDM WLAN系统的同步方法及系统，属于信号处理、无线通信技术领域。
背景技术
无线局域网WLAN经历了飞速的发展，得到了广泛应用。大部分现代的 WLAN系统均是基于IEEE 802.11系列协议。IEEE 802.11b协议是第一个被广泛使用的802.11系列协议，紧接着后续不断发展更新发布了IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE802.11ac。WLAN系统大部分均使用OFDM调制方式。从IEEE 802.11n协议开始，MIMO技术被应用于WLAN系统中。
OFDM(正交频分复用)技术是一种多载波调制方案，它将高速的数据流划分到多个并行的数据流中，降低了单个数据流的速率，并且调制到多个子信道上单独传输。而MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术可以在OFDM技术的基础上，提高数据传输速率、无线信道容量和增加频谱利用率以及降低误码率。
在MIMO-OFDM系统中，同步技术是接收机系统中重要且基础的一个环节，是接收机系统中信道估计和信道均衡以及准确接收解析数据的重要前提。另外 OFDM系统对于载波频偏和采样频偏的非常敏感，以及MIMO-OFDM系统中传统的同步算法可能带来伪多径效应问题。
发明内容
发明目的：针对传统的MIMO精同步算法无法克服伪多径效应问题，以及 OFDM系统对于载波频偏和采样频偏的敏感性，本发明提供了一种新型同步方法，能有效的克服伪多径效应和准确的估计出载波频偏和采样频偏并对其进行补偿。
技术方案：一种新型的适用于MIMO-OFDM WLAN系统的同步方法，主要包括MIMO精同步和MIMO联合频偏估计两个步骤。
MIMO精同步在每根接收天线上分别做同步。利用802.11系列协议帧信号中存在的两个完全相同的长训练序列与本地的一个长训练序列分别做相关，并引入惩罚因子抑制单个训练序列产生的小相关峰。针对循环移位特性引入的多个子峰问题(称为伪多径效应)，引入局部窗口积分策略消除子峰。
MIMO联合频偏估计利用所述帧信号中两个完全相同的长训练序列，基于最大似然算法进行联合载波频偏和采样频偏估计，适用于MIMO系统。
具体地，所述MIMO精同步流程如下：
假设本地长训练序列为L(j)，单个长训练序列的长度为N。第i根接收天线上接收到的基带信号为ri(n)。
(1)计算序列相关值
归一化能量
定义惩罚因子
(2)计算中间变量
(3)局部积分处理。
在一定大小的窗口(w+1)内，其中w为正整数，作如下积分处理。
窗口参数w是由MIMO的各个发射天线上的循环移位特性CSD和采样周期共同决定。假设采样周期为Ts，Mcsd为某一发射天线上的循环移位时间。满足的条件为：Mcsd可以被Ts整除，且为所有发射天线上的循环移位时间中满足该整除条件的最大循环移位时间。窗口参数w的计算公式为
w＝Mcsd/Ts (6)
式(5) 中，yi(n)即为最终的判决变量。计算出本判决变量最大值所处位置，即为精同步的最终位置。
具体地，所述MIMO联合频偏估计的流程如下：
假设第v根接收天线上接收到的两个长训练序列经过FFT变换到频域后分别为Yv,1(k)和Yv,2(k)，归一化载波频偏用符号ε表示，归一化采样频偏用符号η表示。Nr为接收天线个数。K为子载波数。
假设接收端的载波频率为f'，采样间隔为T'，发射端的载波频率为f，采样间隔为T。定义载波频偏为Δf＝f-f'，采样间隔偏差ΔT＝T'-T，相对载波频偏ε(CarrierFrequency Offset，CFO)和相对采样频偏η(Sampling Frequency Offset)为
ε＝ΔfNT＝(Δf/f)(NTf) (7)
则联合频偏的最大似然估计为
定义
最大似然目标函数为
(1)为减小计算的时间复杂度，利用最优化领域的信赖域反馈算法求解采样频偏的估计值使得目标函数能取得最小值。
需要提供的梯度矩阵和海瑟矩阵的计算公式为
(2)计算载波频偏的估计值
本发明还提供适用于MIMO-OFDM WLAN系统的同步系统，其特征在于包括：
MIMO精同步模块：用于在每根接收天线上分别做同步，利用帧信号中的两个完全相同的长训练序列与本地的一个长训练序列分别做相关，并引入惩罚因子抑制单个训练序列产生的小相关峰，引入局部窗口积分策略消除子峰；
MIMO联合频偏估计：利用所述帧信号中的两个完全相同的长训练序列，基于最大似然算法进行联合载波频偏和采样频偏估计。
有益效果：本发明提出的适用于MIMO-OFDM WLAN系统的同步方法， MIMO精同步具有良好的精同步效果，能获得单个相关峰，有效地抵抗伪多径效应。MIMO联合频偏估计具有较好的频偏估计效果和较低的时间复杂度。本发明适用于帧结构中具有两个相同的长训练序列的MIMO-OFDM系统。
附图说明
图1为本发明所述的MIMO精同步算法框架图；
图2为本发明实施例中中间变量Mi(n)的图形；
图3为本发明实施例中MIMO精同步算法判决变量yi(n)的图形；
图4为本发明实施例中MIMO联合频偏估计误差的MSE图；
具体实施方式
本发明公开了一种应用于MIMO-OFDM WLAN系统中的新型同步方法。包括精同步和联合频偏估计两个步骤。本发明主要使用了局部积分策略和最大似然算法以及信赖域反馈算法。
下面以IEEE 802.11ac 20MHz带宽下的系统为例，对本同步方案的具体实施方式结合附图做进一步详细说明。
具体地，MIMO精同步算法的实施方式描述如下。
MIMO精同步算法的框图如图1所示。根据图1中的算法框架和相应的计算公式便可以完成精同步过程。
首先计算序列相关值
计算中间变量
画出Mi(n)的图形如图2所示，由于伪多径效应，存在多个子峰。对中间变量进行积分处理，得到最终的判决变量
对于20MHz带宽的信号，发射天线数为3时，802.11ac 的最大循环移位为200ns，取w＝200/50＝4。通过积分器后，容易取出最后一个子相关峰。经过归一化后，仿真结果如图3所示。经过处理后，强化了需求的相关峰，多余的相关峰消失，仅存在一个相关峰。经过求最大值位置，即可得到精准的同步位置。
算法中，窗口大小参数w根据对应的延时特性和数据速率决定，20MHz时，窗口大小参数如表1所示。
表1不同发射天线个数下的窗口参数w
发个天线数 最大延时(ns) 窗口参数w
1 0 0
2 -200 4
3 -200 4
4 -150 3
5 -50 1
6 -200 4
7 -200 4
8 -200 4
>8 -200 4
具体地，MIMO联合频偏估计算法的实施方式描述如下。
定义目标函数
利用最优化方法，如信赖域反馈算法求解该目标函数的最小化问题。最优化过程中需要提供的梯度矩阵和海瑟矩阵的计算公式为
求出目标函数取得最小值时的归一化采样频偏值即为算法估计出的采样频偏值
利用估计出的采样频偏值计算载波频偏的估计值
至此，即完成联合频偏估计算法。再次基础上还可以对载波频偏和采样频偏进行补偿。
使用Matlab仿真IEEE 802.11ac系统，加入归一化的载波频偏和采样频偏值分别为ε＝0.16,η＝100ppm，仿真出不同信噪比下的估计误差MSE曲线如图4 所示。
本发明的适用于MIMO-OFDM WLAN系统的新型同步系统包括：
MIMO精同步模块：用于在每根接收天线上分别做同步，利用本地的一个长训练序列与帧信号中的两个完全相同的长训练序列分别做相关，并引入惩罚因子抑制单个训练序列产生的小相关峰，引入局部窗口积分策略消除子峰；
MIMO联合频偏估计：利用所述帧信号中的两个完全相同的长训练序列，基于最大似然算法进行联合载波频偏和采样频偏估计。

Claims (3)

1.一种适用于MIMO-OFDM WLAN系统的同步方法，用于接收机系统的同步，其特征在于包括如下步骤：
MIMO精同步：在每根接收天线上分别做同步，利用帧信号中的两个完全相同的长训练序列与本地的一个长训练序列分别做相关，并引入惩罚因子抑制单个训练序列产生的小相关峰，引入局部窗口积分策略消除子峰；
MIMO联合频偏估计：利用所述帧信号中的两个完全相同的长训练序列，基于最大似然算法进行联合载波频偏和采样频偏估计；
所述MIMO精同步包含如下步骤：
假设本地长训练序列为L(j)，单个长训练序列的长度为N，第i根接收天线上接收到的基带信号为ri(n)，
(1)计算序列相关值
归一化能量
定义惩罚因子
(2)计算中间变量
(3)局部积分处理
在一定大小的窗口(w+1)内，其中w为正整数，作如下积分处理：
上式中，yi(n)即为最终的判决变量；计算出本判决变量最大值所处位置，即为精同步的最终位置；
式(5)中的窗口参数w是由MIMO的各个发射天线上的循环移位特性CSD和采样周期共同决定；假设采样周期为Ts，Mcsd为某一发射天线上的循环移位时间，Mcsd满足的条件为：Mcsd可以被Ts整除，且为所有发射天线上的循环移位时间中满足该整除条件的最大循环移位时间；窗口参数w的计算公式为
w＝Mcsd/Ts。
2.根据权利要求1所述的适用于MIMO-OFDM WLAN系统的同步方法，其特征在于所述MIMO联合频偏估计包含如下步骤：
假设第v根接收天线上接收到的两个长训练序列经过FFT变换到频域后分别为Yv,1(k)和Yv,2(k)，归一化载波频偏用符号ε表示，归一化采样频偏用符号η表示，Nr为接收天线个数，K为子载波数，
定义
最大似然目标函数为
(1)利用最优化领域的信赖域反馈算法求解采样频偏的估计值使得目标函数能取得最小值；
需要提供的梯度矩阵和海瑟矩阵的计算公式为
(2)计算载波频偏的估计值
3.一种适用于MIMO-OFDM WLAN系统的同步系统，其特征在于包括：
MIMO精同步模块：用于在每根接收天线上分别做同步，利用帧信号中的两个完全相同的长训练序列与本地的一个长训练序列分别做相关，并引入惩罚因子抑制单个训练序列产生的小相关峰，引入局部窗口积分策略消除子峰；
所述MIMO精同步包含如下步骤：
假设本地长训练序列为L(j)，单个长训练序列的长度为N，第i根接收天线上接收到的基带信号为ri(n)，
(1)计算序列相关值
归一化能量
定义惩罚因子
(2)计算中间变量
(3)局部积分处理
在一定大小的窗口(w+1)内，其中w为正整数，作如下积分处理：
上式中，yi(n)即为最终的判决变量；计算出本判决变量最大值所处位置，即为精同步的最终位置；
式(5)中的窗口参数w是由MIMO的各个发射天线上的循环移位特性CSD和采样周期共同决定；假设采样周期为Ts，Mcsd为某一发射天线上的循环移位时间，Mcsd满足的条件为：Mcsd可以被Ts整除，且为所有发射天线上的循环移位时间中满足该整除条件的最大循环移位时间；窗口参数w的计算公式为
w＝Mcsd/Ts；
MIMO联合频偏估计：利用所述帧信号中的两个完全相同的长训练序列，基于最大似然算法进行联合载波频偏和采样频偏估计。
CN201610150465.4A 2016-03-16 2016-03-16 Mimo-ofdm wlan系统的同步方法及系统 Active CN105577600B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610150465.4A CN105577600B (zh) 2016-03-16 2016-03-16 Mimo-ofdm wlan系统的同步方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610150465.4A CN105577600B (zh) 2016-03-16 2016-03-16 Mimo-ofdm wlan系统的同步方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105577600A CN105577600A (zh) 2016-05-11
CN105577600B true CN105577600B (zh) 2019-02-05

Family

ID=55887270

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610150465.4A Active CN105577600B (zh) 2016-03-16 2016-03-16 Mimo-ofdm wlan系统的同步方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105577600B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101340416B (zh) * 2008-08-28 2011-02-16 北京交通大学 适用于ofdm系统的同步与信道响应估计方法
CN101312454B (zh) * 2007-05-23 2011-12-07 中兴通讯股份有限公司 Mimo-ofdm同步方法和装置
CN104767706A (zh) * 2015-04-14 2015-07-08 东莞中山大学研究院 一种mimo ofdm定时同步装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7548506B2 (en) * 2001-10-17 2009-06-16 Nortel Networks Limited System access and synchronization methods for MIMO OFDM communications systems and physical layer packet and preamble design

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101312454B (zh) * 2007-05-23 2011-12-07 中兴通讯股份有限公司 Mimo-ofdm同步方法和装置
CN101340416B (zh) * 2008-08-28 2011-02-16 北京交通大学 适用于ofdm系统的同步与信道响应估计方法
CN104767706A (zh) * 2015-04-14 2015-07-08 东莞中山大学研究院 一种mimo ofdm定时同步装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"MIMO-OFDM系统中同步算法的研究";刘萌萌;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20121115;全文
"Symbol timing synchronization for IEEE 802.11n WLAN systems";Misuk Cho等;《Internet, 2009. AH-ICI 2009. First Asian Himalayas International Conference on》;20091124;全文
"Synchronization technique for MIMO-OFDM WLAN systems with space time diversity";Leila Nasraoui等;《Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC), 2015 International》;20151005;全文

Also Published As

Publication number Publication date
CN105577600A (zh) 2016-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105191237B (zh) 一种确定时域信道脉冲响应的ofdm接收机
CN110493156B (zh) 5g移动通信系统中基于星座点分集的频偏估计方法
CN108199994A (zh) 一种无线综测仪ofdm信号频偏估计方法及系统
CN101277290B (zh) 一种正交频分复用系统的频率同步方法和装置
CN101815042B (zh) 一种正交频分复用系统信道估计方法和装置
CN105490980B (zh) 一种载波频偏估计方法和系统
CN101299737B (zh) 正交频分复用技术的同步估计方法和系统
CN104168227B (zh) 一种应用于正交频分复用系统的载波同步的方法
CN105635020B (zh) Ofdm的采样频率偏差和载波频率偏差估计方法及装置
WO2016033930A1 (zh) 基于导频间隔优化的导频位置确定方法及收发装置
WO2016107386A1 (zh) 一种单载波mimo系统的时域导频及其同步方法
CN101465833A (zh) 一种正交频分复用信号定时同步方法和装置
CN110011779B (zh) 端口定时偏差补偿方法、系统和终端
CN102215204A (zh) 基于反馈迭代的ofdm/oqam系统及其时频同步方法
CN103746947A (zh) 一种相位噪声的估计方法
CN101741775B (zh) 基于泰勒展开的单频率的ofdm时变信道估计方法
CN104253772B (zh) 正交频分复用系统的信道估计方法
CN101119350A (zh) 正交频分复用系统、快速同步的方法和发送端设备
CN104836770A (zh) 一种基于相关平均与加窗的定时估计方法
CN102255836A (zh) 一种基于mimo-ofdm信号循环平稳特性的盲信噪比估计方法
CN105577600B (zh) Mimo-ofdm wlan系统的同步方法及系统
CN102065035B (zh) 多带正交频分复用超宽带系统的信道估计方法
CN103634259A (zh) 多天线单载波频分多址系统定时同步并行干扰消除方法
CN102801662B (zh) 一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法及装置
CN105635024B (zh) Mimo-ofdm系统的联合同步硬件实现方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: 210009 No. 87 Dingjiaqiao, Gulou District, Nanjing City, Jiangsu Province

Applicant after: Southeast University

Address before: 210096 No. four archway, 2, Jiangsu, Nanjing

Applicant before: Southeast University

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant