一种改进的B3G MIMO-OFDM系统的帧同步方法

3 基于训练序列的帧同步

　　帧同步即是要寻找OFDM帧起始位置。传统基于训练序列的帧同步算法流程如图2所示。发送端先发送一个一定长度的训练序列，一般为PN序列，MIMO-OFDM系统中这个训练序列可选取为互相关性好的GOLD序列。接收端在每帧数据到来时截取一个搜索窗(在一定范围内搜索)，搜索窗的大小可根据芯片的处理能力以及接收数据的采样速率选取，设搜索窗大小为F。首先，以搜索窗内的第1个采样相位点作为数据的起始点，将接收数据与预先存储的本地同步训练序列IFFT变换结果{C(k)}的共轭序列做相关运算即累加求和，然后滑动至下一个相位点求相关值，依此类推，在搜索窗内总共可以得到F个相关结果。设接收序列为{R(n)}，则第d个相关值可通过公式

　　计算产生。将F个相关结果求平方后，找出最大值，与门限相比较，比门限大的相关值对应的码元位置即为帧起始位置。

　　最后引入锁帧处理，当某一定时位置在连续出现一定次数时，则设此定时位置为锁定的帧起始位置，并设此时的锁帧状态为锁定；在锁帧状态为锁定时，若出现与锁定的定时位置不同的定时值时，更改锁帧状态为未锁定，并记录出现不同定时值的次数，当其达到一定次数时，清除锁定的定时值，重新开始搜索帧头。

　　4 帧头判决门限方案及仿真结果

　　由于OFDM有循环前缀保护，故寻找的帧起始位置只要在循环前缀范围内即可。故MIMO-OFDM系统对于帧同步精确性的要求不是很高，但是对稳定性和快速性要求很高，如果达不到稳定的时间同步，后面的FFT等一系列数据处理过程就会受到影响，从而极大地影响整个系统的性能。故稳定的时间同步对整个MIMO-OFDM系统显得更加重要。由于信道的时变特性和多径衰落的影响，给帧同步的稳定性带来很大的困难，因此需要在前人的基础上加入一种新的机制，来保证同步的稳定性。而这个帧头判决门限是影响稳定性的主要因素。

　　传统的同步算法常采用固定的相关门限作为帧头的判决门限，但在多天线系统中，多根发送天线的发送信号均到达同一接收天线，加之无线信道对多根天线进行不相关衰落，将造成接收信号的更为严重、更加快速的衰落，因此采用传统的固定门限将导致同步虚警与误警率的成倍增加。引入自适应的判决门限可以对接收信号的衰落进行自适应的调节，将使同步性能得以提高。Tufvesson的同步方法中仅仅提到这个判决门限应该是变化的，没有给出具体方法。此处，给出一种利用相关能量确定判决门限的方法，即搜索窗内，比所有相关能量均值的Pthreshold倍要大的最大值判为帧起始位置，此方案得到的是主径的位置。

　　式中，F为搜索窗大小，Λ(d)为接收序列与本地序列的相关结果，Pthreshold为门限系数。计算时可把分母与门限系数相乘作为门限与最大相关值比较。由于相关值的均值是随信道变化而变化的，接收信号幅度大时这个均值也会大，接收信号幅度小时这个均值也会小，因此这个门限是随接收信号幅度变化而自适应变化的，因此可以有效地对抗无线信道的码间干扰和多径。实际实现中，由于相关结果Λ(d)已经计算出来，F也可以乘到不等式右边，因此只需要计算每个搜索窗内F个相关能量值的和即可，故此方案不会增加实现复杂度。

　　LTE信道下，车速3 km／h和120 km／h，帧同步范围Range为5(帧头±5点范围内算同步上)，门限取30、40、50时的性能如图3所示。由此可知，无论是低速或高速，门限系数取30比40和50正确检测概率要高，且信噪比在2 dB以上时，门限系数30可使正确检测概率达到1。图4是门限取30时不同的同步范围的误检概率，可见当同步范围取5时，可使误检概率为0。由此可见此方案更适用于未来高速移动通信的高车速环境。实际中，门限取30、Range取5的方案已经在载频为3.41 GHz、最高速率达100 Mbps的B3G-TDD MIMO-OFDM硬件平台中得到实现。

　　5 结束语

　　MIMO-OFDM系统作为当前高速通信的备选方案已越来越多地受到关注，随着天线数和用户数的增加，帧同步在实现中也越来越困难。本文在前人算法基础上，提出一种自适应门限的帧头判决方案，使算法更加完善，且在不增加系统复杂度的前提下获得很好的性能，适用于Beyond 3G等未来高速移动通信系统。