OFDM系統時間同步方法性能比較

戈勇華,羅仁澤,,黨煜蒲,易 丹

(1.重慶郵電大學光纖通信重點實驗室光互聯網研究所,重慶 400065;2.西南石油大學,成都 610500)

1 引 言

正交頻分復用(OFDM)是一種多載波調制方式,其最大的優點是抗頻率選擇性衰落的能力強、頻譜利用率高,已經應用在許多通信領域中[1],如數字地面廣播電視(DVB-T)、數字音頻廣播(DAB)、無線局域網(WALN)等。

在高速移動環境下,由于傳輸信道的多徑時延導致了定時偏移;同時,由于發射機和接收機兩端振蕩器的不穩定性和多普勒效應導致了載波頻偏。因此,需要進行時間同步和頻率同步,以良好的定時來確定OFDM幀的起始位置,保信號的正確解調。

本文對具有代表性的算法進行分析和仿真比較,指出其存在的不足之處,同時給出了提高時間同步性能的幾點建議。

2 同步算法

現有的同步技術主要是通過序列的相關性來獲取同步信息,一個良好相關性的序列可以獲取較高的系統時間準確率。根據同步算法所利用的數據及方式不同,可以大致分為4類:基于循環前綴的同步算法、插入訓練序列同步算法、插入導頻時間同步算法和疊加訓練序列時間同步算法。

2.1 基于循環前綴的同步算法

為了有效對抗符號間干擾(ISI)和信道干擾(ICI),將OFDM符號后面的部分插入到該符號的前面,構成循環前綴(CP)。在接收端,觀察相隔一個符號長度為N的兩個接收符號間的相關性一般采用延時相關的算法[2]。

文獻[3-10]的改進算法通過多個循環前綴的信息獲得更優的同步性能,其中文獻[3,5,7,8]采用最大似然(ML)算法,通過引入信噪比和加權因子的方式來減小 ISI的影響,改善了算法的性能;文獻[4]通過減小采樣時鐘頻率偏移的敏感性,利用大的運算量和復雜度來換取高的同步性能;文獻[10]通過融合循環前綴信息和PN序列的相關來改善時間同步性能,但是算法所獲得性能仍不理想。

該算法的優點:利用循環前綴包含的信息進行相關運算而獲取同步,不需要其它訓練序列,可以在失步后,很快建立同步。但由于OFDM系統特有的抗多徑信道干擾能力,此類方法在多徑信道下,系統的同步性能不會下降很多。利用檢測相關峰值法時,受到定時點附近的峰值點影響比較大,對檢測干擾很大,影響了系統的同步性能;同時,此類方法使用的是循環前綴中不受ISI影響的區域來尋找最大的時間頻率估計,但這種不受影響的區域在實際應用過程中很難準確地識別出來,這將影響系統的同步性能。

2.2 插入訓練序列同步算法

基于訓練序列的OFDM系統同步方法其基本思想是:在發射端,將訓練序列插入一個完整OFDM數據符號前或者是由多個OFDM數據符號構成的幀前;而在接收端,利用插入訓練序列良好的自相關性來進行定時信息的提取及頻偏估計等。

文獻[11]提出PN序列進行同步,利用兩個相同的OFDM訓練模塊插入分組或幀的頭部,利用相同結構之間的時域相關性來進行頻偏的估計。這種估計的同步精度高,但捕獲范圍小;若增大捕獲范圍,同步精度將會降低。文獻[12]利用兩個訓練符號來完成時間頻率同步。采用的是第一個訓練符號由前后完全相同的兩部分序列組成,利用這兩部分的相關性,通過尋找其相關的最大值來完成符號同步。該方法有很強的時頻偏估計能力,計算復雜度不高。但是,在信噪比較高的情況下,該方法的相關峰值出現一個較寬的峰值平臺,影響了同步的準確率。

文獻[13]對Schmidl訓練符號的結構進行了改進,將訓練符號列分成4部分,改進后的目標函數比較尖銳,提高了符號定時的準確度。文獻[14]引入了序列的共軛對稱特性,對序列進行重新構造,改進后的定時度量函數具有單一的峰值,大大提高了定時準確度,但Park算法在信噪比較低的情況下峰值不明顯,旁瓣比較多,影響了系統的同步性能。

文獻[15]提出利用重復PN序列的OFDM時間頻率同步算法,主要是將長度為N的序列按照PN序列的長度分成若干份,在接收端,利用PN序列良好的自相關性來提取同步信息。該算法具有時間同步準確率高、頻率同步估計范圍和精度可調節等性能。

文獻[11-19]中的時間同步算法均在時域內進行,同步算法主要依據構造訓練序列的不同來實現的。構造一個具有較好的優良相關性的新序列進行同步算法是提高系統同步準確的關鍵,特別是引進序列的共軛對稱結構可以大大增加系統的同步性能。但是,此類算法存在缺陷,在頻率資源有限的情況下,插入的訓練序列占用頻帶資源,從而降低了頻譜的利用率;同時,所插入的訓練序列獨占發射功率,在一定程度上降低了發射機的效率。還有,在信噪比較低的情況下,該類方法的同步準確率較低。

2.3 插入導頻時間同步算法

傳統采用導頻同步主要是在頻域內插入導頻,利用事先插入的導頻符號在頻域內的相關性,遵循ML估計準則。

文獻[20]基于連續導頻,利用導頻之間的相關性獲取同步,在DVB-T系統中獲得了較好的性能。文獻[21]通過在頻域插入離散導頻符號,并將幀設計為具有共軛性結構,使得系統同步性能得到改善。

實質上,利用頻域插入導頻獲取同步性能與導頻的設計密切相關,應用于歐洲的DVB-T系統中。但這些導頻占用了寶貴的頻帶資源,因此在其它系統中的使用將受到限制。同時,在高速移動環境下DVB-T系統的同步性能改進仍然是學術界研究的難點。

2.4 疊加訓練序列時間同步算法

疊加訓練序列時間同步算法主要是與插入訓練序列時間同步算法進行區分。疊加訓練序列的思想起源于 1965年[22]。將疊加訓練序列最早用于OFDM系統中同步的是文獻[23]。后來,文獻[24]基于疊加訓練序列提出了同步算法。其主要思想是:在發射端,將訓練序列乘以相應的功率分配因子后在一個符號周期內與數據同時發送;在接收端,利用本地序列與接收信號進行相關運算,對所疊加訓練序列進行能量累積來實現時間同步。

文獻[24]針對疊加PN序列的OFDM系統提出了一種時間頻率同步算法,將訓練序列c(n)乘以功率分配因子 β后再加到用戶數據上,為了保持總能量不變,將用戶數據乘以功率分配結構圖如圖1所示。

圖1 疊加訓練序列結構示意圖Fig.1 Structure of superimposed training sequence

文獻[25]提出了一種疊加訓練序列的同步算法,采用最大似然法(ML)準則進行時間、頻率估計,獲得了較好的同步性能,但該算法中采用了信道的信噪比,在實際的應用中,信道的信噪比難以確定,這將影響算法的實際應用。文獻[26]提出了兩種不同的重復周期且具有良好自相關性的m序列分別疊加在用戶的偶數和奇數幀的幀同步算法,通過接收信號與本地m序列進行相關來獲取同步,算法性能較好,但該算法使用時疊加了兩個用戶幀,這將降低發射機的功效,同時影響系統的誤碼率性能。

雖然采用疊加訓練序列來實現同步能夠獲得較好的同步性能,但也存在一個非常關鍵的技術問題。由于訓練序列疊加在OFDM用戶數據上,對數據產生影響并導致系統的誤碼性能下降。因此,必須在接收端提出相應的消除機制來減小訓練序列對系統誤碼性能的影響。

3 同步算法比較分析

仿真參數設置:OFDM系統子載波數 Nc=256,CP的長度Ncp=N/4,調制方式為4-QAM,多徑信道數 L=6。

從圖2中可以看出,每個峰值代表的是接收信號延時N點后的相關值,即循環前綴相關運算后所累積的能量值,一旦失步后,可以利用其它峰值來重新建立同步。

圖2 利用循環前綴的同步算法相關峰值Fig.2 Correlation peak of synchronization algorithms by using cyclic prefix

從圖3中可以看出,Schmidl時間同步算法隨著信噪比的增加,出現了峰值平臺,且峰值不尖銳,這將給同步的判斷帶來模糊性。

圖3 Schmidl時間同步算法相關峰值Fig.3 Schmidl′s timing metric correlation peak

從圖4可以看出,H.Minn時間同步算法比Schmidl時間同步算法有所改進,出現了比較尖銳的峰值,但這種算法的模糊性比較大,且同步準確率不高。

圖4 H.Minn時間同步算法相關峰值Fig.4 H.Minn′s timing metric correlation peak

Park時間同步算法是在H.Minn的訓練結構中引進共軛對稱結構,從圖5中可以看出,該算法具有單一的峰值性,利用時間同步判斷,同步準確率比較高,但這種算法旁瓣比較多,特別是利用設定門限值來判斷的時候,可能給同步判斷帶來影響。

圖5 Park時間同步算法相關峰值(多徑信道)Fig.5 Park′s timing metric correlation peak(multi-channel)

從圖6中可以看出,疊加訓練序列時間同步算法具有較好的單一峰值性,且旁瓣比較少,這將給同步判斷帶來很大的有利條件。

圖6 疊加訓練序列時間同步算法相關峰值(多徑信道)Fig.6 Superimposed training timing metriccorrelation peak(multi-channel)

圖7為高斯信道下不同時間同步算法在相同的信噪比下的同步正確率對比。從圖7中可以看出,在相同信噪比下,疊加訓練序列具有較好的同步正確率。基于循環前綴的時間同步算法其同步性能較差,主要是相關峰值無法達到像Park和疊加訓練序列同步算法單一的尖峰值。Schmidl時間同步算法與其它的同步算法相比,性能最差,主要是峰值平臺給估計同步帶來模糊性。

圖7 不同時間同步算法性能對比Fig.7 Performance comparison among different timing algorithms

4 時間同步算法研究與展望

目前,對OFDM無線通信系統的時間同步算法研究已經取得了很大的進展,但現有的時間同步算法還有待提高,本文認為可以從以下幾個方面進行進一步的研究。

(1)由于OFDM無線通信系統的時間同步算法都采用序列的相關性來取得同步信息,當達到同步時刻,相關性最強,峰值最大,因此,尋找具有較好相關性能的序列,可以提高同步的準確度。近幾年來,由于CAZAC序列具有恒包絡和自相關函數為零的良好性質,可以減小放大器非線性的影響,提高OFDM系統同步和信道估計的性能,因而基于CAZAC序列的訓練符號設計和同步算法得到了廣泛的研究。

(2)通過H.Minn對Schmidl序列結構改進及經典Park算法的提出可以得到啟示,通過改變訓練序列及引進共軛對稱性,重新構造新的序列結構,可以提高系統的同步精度。

(3)由于無線頻譜資源的有限,采用疊加訓練序列的同步方法可以解決插入訓練序列占用頻帶的缺陷,且不獨占發射機的所有發射平均功率,因此,提高了系統的傳輸效率,這為以后的學者提供了有效的研究方向,但同時應想辦法解決疊加訓練序列對用戶數據的影響。

(4)目前,大多學者都忽略了循環前綴含有豐富的信息,通過充分利用循環前綴的信息,聯合其它同步算法,可以增加定時符號算法峰值,有效提高系統的同步性能,一旦失步后,還可以利用循環前綴來建立同步。

(5)性能評價模型。現有OFDM無線通信系統時間同步算法之間的性能對比都是通過相同運行環境下的實驗進行,因此建立一個標準的性能評價模型也是一個值得研究的方向。

總之,本文通過對現有的時間同步算法進行了分類,給出了經典時間同步算法的仿真圖,為廣大學者提供了進一步改進同步準確率的方向。OFDM無線通信系統時間同步是一個研究熱點領域,其中還有許多問題亟待解決,值得我們的關注和進一步研究。

[1] 方向紅.OFDM通信系統的符號和頻率同步算法研究[D].南京:南京大學,2006.FANG Xiang-hong.OFD M Communication System Sympol and Frequency Synchronization[D].Nanjing:Nanjing University,2006.(in Chinese)

[2] CHEN Li.Three Symbol Synchronization Algorithms Basedon PN Sequence for OFD M Systems[J].Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science),2009,23(1):113-116.

[3] J-J-Vande Beek,M Sandell.ML estimation of timing and frequency offset in multicarrier systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing,1997,45:1800-1804.

[4] Zhang Rong-tao,Xie Xian-zhong,Wang Xi.A Synchronization Algorithm for OFDM based on Training Cyclic Prefix[J].T ransactions on Communications,2007,51(3):1122-1125.

[5] Hamza A M,Sourour E,El-Khamy S.Low complexity novel methods for initial timing synchronization in mobile WiMAX OFD MA system[C]//Proceedings of 2010 IEEE 72nd Vehicular Technology Conference Fall.Ottawa,ON:IEEE,2010:1-5.

[6] 常山民.一種改進的基于循環前綴的OFDM系統定時同步方法[J].中國西部科技,2008,28(7):1-3.CHANG Shan-min.A modified timing synchronication method based on cyclic prefix in OFDM systems[J].West China Technology,2008,28(7):1-3.(in Chinese)

[7] Takahashi K,Saba T.A novel symbol synchronization algorithm with reduced influence of ISI for OFDM systems[C]//Proceedings of Global Telecommunications Conference.San Antonio,Texas,USA:IEEE,2001:524-528.

[8] Ramasubramanian K,Baum K.An OFD M timing recovery scheme with inherent delay-spread estimation[C]//Proceedings of Global Telecommunications Conference.San Antonio,Texas,USA:IEEE,2001:3111-3115.

[9] Landstrom D,WilsonS K,Beek J J van de,et al.Symbol time offset estimation in coherent OFDM systems[J].IEEE Transactions on Communications,2002,50(4):545-549.

[10] GUO Da,JIANG Feng,SONG Mei,et al.A novel symbol synchronization scheme using multiple symbols in OFDM systems[J].Journal of Circuits and Systems,2007,12(3):94-97.

[11] Moose P.A technique for OFDM frequency offset correction[J].IEEE Transactions on Communications,1994,42(10):2908-2914.

[12] Timothy M Schmidl,Donald C Cox.Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM[J].IEEE Transactions on Communications,1997,45(12):1613-1621.

[13] Minn H,Zeng M,Bhargava V K.On timing offset estimation for OFDM systems[J].IEEE Communications Letters,2000,4(7):242-244.

[14] Park B,Cheon H,Kang C,et al.A novel timing estimation method for OFDM systems[J].IEEE Communication Letters,2003,7(5):239-241.

[15] Tufvesson F,Faulkner M,Edfors O.Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles[C]//Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference.Amsterdam:IEEE,1999:2203-2207.

[16] Guangliang Ren,Yilin Chang,Hui Zhang,et al.Synchronization Method Based on a New Constant Envelop Preamble for OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2005,51(1):139-143.

[17] Ma Yangjun,Hu Yaonu.An improved training sequence based OFDM synchronization algorithm[J].Study onOptical Communications,2009,35(6):65-67.

[18] Zongshan Pang,Xiaomin Li.A Novel Synchronization Algorithm for OFDM System Based on Training Sequence Added Scramble Code[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications Technology and Applications.Beijing:IEEE,2009:527-531.

[19] Shun-Sheng Wang,Chih-Peng Li,Chin-Liang Wang.A Novel Timing and Frequency Offset Estimation Scheme for OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2007,48(3):1713-1717.

[20] Eun SuKang,Humor Hwang,Dong Seog Han.A fine carrier recovery algorithm robustto Doppler shift for OFDM systems[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2010,56(3):1218-1222.

[21] Kocan E,Pejanovic-Djurisic M,Veljovic Z.Efficient frequency synchronization and channel estimation method for OFDM wireless systems[C]//Proceedings of the 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference.Valletta:IEEE,2010:487-491.

[22] Kastenholz C E,Birkemeier W P.A simulation information transfer and channel sounding modulation technique for wide-band channels[J].IEEE Transactions on Communication Technology,2004,56(4):162-165.

[23] Steinga B A,Van Wijingaarden A J,Teich W G,et a1.Frame synchronization using superimposed sequence[C]//Proceedings of 1997 International Symposium on Information Theory.Ulm,Germany:IEEE,1997:489.

[24] Tufvesson F,Edfors O,Faulkner M.Time and frequency synchronization for OFD M using PN-sequence preambles[C]//Processing of the 50th IEEE Vehicular T echnology Conference.Amsterdam,Netherlands:IEEE,1999:2203-2207.

[25] Chih-Peng Li,Wei-Wen Hu.Super-Imposed Training Scheme for Timing and Frequency Synchronization in OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2007,53(2):574-583.

[26] Guoqiang Gong,Wancheng Ge.An Equalization Method for TDS-OFDM Systems over Fast Fading Channels[C]//Proceedings of 2009 International Conference on Networks Security,Wireless Communications and Trusted Computing.Wuhan,Hubei:IEEE,2009:133-136.