一种新的基于IEEE802.11n定时同步算法

李新明

（陕西天元通信规划设计咨询有限公司陕西西安710000）

【摘要】由于基于IEEE802.11n的MIMO-OFDM无线局域网系统中，引入循环移位避免不必要的波束形成，但同时给同步带来了困难，这会造成本地训练序列和接收信号之间的伪相关，影响接收性能。充分利用短训练序列的结构特点，本文提出一种新的定时同步算法，很好的抑制了短训练序列中伪相关峰的产生，提高了检测准确性。

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关键词 IEEE802.11n;MIMO-OFDM;循环移位;定时同步

AnewtimingsynchronizationalgorithmbasedonIEEE802.11n

LiXin-ming

(ShaanxiTianyuanCommunicationPlanningandDesignConsultingCo.,LtdXi´anShaanxi710000)

【Abstract】SincetheMIMO-OFDM-basedwirelessLANsystem,inIEEE802.11n,thecyclicshiftisintroducedtoavoidunnecessarybeamforming,butmakesitdifficulttosynchronize,whichwillcausetherelevantlocalpseudotrainingsequenceandareceivedsignal,theimpactreceptionperformance.Fulluseoftheshorttrainingsequencestructure,thispaperproposesanewtimingsynchronizationalgorithm,averygoodsuppressionofshorttrainingsequencesspuriouscorrelationpeaks,andtoimprovethedetectionaccuracy.

【Keywords】IEEE802.11n;MIMO-OFDM;Cyclicshift;Timingsynchronization

1.引言

正交频分复用（OFDM）是宽带无线通信中的一项重要调制技术，它和多输入多输出(MIMO)传输系统结合可以有效提高系统容量和传输速率［1］，MIMO-OFDM技术已经在IEEE802.11n中得到应用。然而，OFDM系统对符号定时偏差很敏感，错误的符号定时会导致符号间干扰(ISI)和载波间干扰（ICI），从而导致系统性能下降［2］。

针对单输入单输出-正交频分复用（SISO-OFDM）系统的同步算法已有很多，文献［3］提出的是一种数据辅助的同步算法，修正后才能应用于MIMO-OFDM系统中。由于基于IEEE802.11n无线局域网中CSD的应用，使得接收信号和本地训练序列相关会产生伪相关峰，影响同步位置的判断，本文提出一种基于短训练序列的定时同步方法，抑制了伪相关峰的产生，能有效提高检测准确度。

2.MIMO-OFDM系统模型

2.1假设MIMO-OFDM系统中有根发射天线，根发射天线，图1是x的MIMO-OFDM系统示意图。

2.2每个OFDM符号包含个子载波。在发射端第i根发射天线上，设映射到第k个子载波上的数据为｛S(k),k=0…N-1｝，经过N点IFFT（逆傅立叶变换）后得到的时域表达式为［4］

si(n)=1N∑N-1k=0S(k).exp(j2πnk/N)（1）

2.3调制后的数据加上保护间隔（GIGuardinterval）及加窗后得到一个完整的OFDM符号，经过数模转换器变换为模拟信号，再经射频模块上变频后发射出去。

在接收端，接收的数据先经下变频，经过模数转换变为数字信号，第j根接收天线接收到的信号去除保护间隔后得到的采样序列为

ri(n)=∑Nii=1hi,j(n)?si(n)+wj(n)（2）

其中hi,j为第i根发射天线和第j根接收天线间信道的冲激响应，wj为加性复高斯白噪声。对第j根接收天线接收到的信号进行FFT（快速傅立叶变换）解调得到

Rj(k)=∑Nii=1Hi,j(k)·si(k)+Wj(k) （3）

其中，Hi,j和Wj分别为信道传输函数和白噪声。

3.IEEE802.11nMIMO-OFDM无线局域网的定时同步

IEEE802.11n协议中有三种帧格式，即LegacyFormat，HT-mixedFormat和HT-GreenfieldFormat，文中以20M带宽下的HT-mixedFormat为例进行说明，如图2所示，这种情况下兼容低速模式。

HT-mixedFormat的前导由短训练序列和长训练序列组成，短训练序列由10个重复的序列组成，每个序列包含16个采样点，长训练序列由保护间隔(GI)和2个重复的序列组成，每个序列包含64个采样点，短训练序列和长训练序列如图3所示。

当发射端使用多根天线时，若每根天线发射相同的信号，则会引起不必要的波束形成，为了避免这种情况，IEEE802.11n协议规定信号在进行IFFT之前进行不同长度的循环移位，前导也使用了该规定。

3.1延时相关算法。

利用IEEE802.11n短训练序列的周期性和相关性，将文献［3］中的应用于SISO-OFDM系统的Sch&Cox的延时相关算法应用于802.11n多天线系统中，延时相关检测算法框图如图4所示。

图4延时相关算法框图

利用该方法，接收信号和相隔D个采样点的信号的共轭做相关，得到公式（4）

Cj(n)=∑D-1m=0rj(n+m)·rj*(n+m+D)（4）

其中，j代表第j根接受天线，D为短训练序列的长度，在长度为D的时间内接收信号的功率为

Pj(n)=∑D-1m=0｜rj(n+m+D)｜2（5）

判决变量为

M(n)=∑Nrj=1｜Cj(n)｜2Pj2(n)（6）

得同步位置nframe=argmax(M(n))。

3.2提出方法。

观察802.11n短训练序列的数据发现，两个相邻短训练序列满足并且经过CSD的数据流和没有经过CSD的数据流相加仍满足这种关系。为了加强数据间的相关性，利用公式（7）和公式（8）判断同步开始的位置，结构图如图5所示。

第j个接收链路上的判决变量为

Mj(n)=∑NSTF-2p=0∑L-1k=0［rj(n+k+P·L)×rj(n+k+(P+1)·L)*］（7）

其中，L=16，是一个短训练序列的长度，NSTF=10，是短训练序列的重复个数。则判决变量为

M(n)=∑NRj=1｜Mj｜（8）

得到同步位置nframe=argmax(M(n))。

4.仿真分析

4.1本文仿真基于IEEE802.11n无线局域网实际链路系统，带宽为20M，OFDM数据子载波个数48，导频子载波个数4，空载波个数12，FFT点数64，保护间隔GI=800ns，仿真使用的帧格式为HT-mixedFormat混合格式。

两种方法均进行10000次独立试验，图6是延时相关算法和提出的方法的MSE性能曲线，归一化的MSE定义为

∑Mn=1((nframe(n)-nidle)2/nidle)/M

，M为仿真次数，nidle为理想的同步位置。图7是估计位置偏离理想位置的偏离值，从图中可看出，本文提出的方法，在信噪比大于10db时，能很好的估计同步位置。

4.2当利用接收信号和训练序列进行相关时，存在伪相关峰，如图8中所示，利用文献［3］的方法会产生峰值平台现象［5］，如图9所示，而提出的方法可以很好的抑制伪相关峰的产生。如图10所示。

5.结论

本文对IEEE802.11n无线局域网系统的定时同步进行了研究，针对循环移位引入的伪相关峰的问题，本文提出的方法很好的解决了该问题，且在信噪比大于10db时，能准确估计同步位置，该方法也存在计算复杂的缺点，有待改进。

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参考文献

［1］ZhongjieGao,JunhuiXu,ZhongpeiZhang,ASynchronizationSchemeforMIMOOFDMSystem［J］.IEEEInternationalConferenceonCmmunication，2010:15-18.

［2］DongWang,JinyunZhang,TimingSynchronizationforMIMOOFDMWLANSystems［J］.IEEEInternationalConferenceonCmmunication，2007,11(15):1177-1182.

［3］TimothyM,SchmidlandDonaldC.Cox,RobustfrequencyandtimingsynchronizationforOFDM［J］.IEEETransactionsonCommunication，1997,45(12):1613-1621.

［4］张骋，徐元欣，董玲等，IEEE802.11nMIMO-OFDM无线局域网系统的定时与频率同步［J］.电路与系统学报，2010，15（1）：32-34.

［5］黎锁平，陈伟儒等，基于训练序列的OFDM系统定时同步改进算法［J］.信号处理，2011，27（7）：1095-1099.

［文章编号］1006-7619（2014）09-09-536