基于OFDMA的同频组网下的同步算法

张 兢，徐 伟，李雪梅，李成勇，王 猛

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054)

802.16 e［1］是 IEEE 802 工作组提出的一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线解决方案，主要使用OFDMA作为它的空中接口技术。正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access)系统本身的特性可以有效抵抗多径时延，但是由于采用正交的多载波传播数据，易受载波频偏和相位噪声［2］等影响，微小的同步误差也可能引起ICI和ISI的干扰，因此同步是OFDMA系统的关键技术之一。

OFDMA系统同步一般采用基于训练序列［3］的方法，主要分为基于循环前缀(CP)、基于导频(Pilot)、基于前导(Preamble)的同步算法，其中大多数同步方法［4］都依赖于前导伪周期特性［5］。文献［6］利用该特性提出了包括帧检测、符号定时和载波频偏估计在内的系统同步方案。但是，802.16e的前导伪周期特性在多小区场景中受到严重影响甚至消失，进而导致文献［6］中的同步方案失效。为解决这一问题，本文提出的同步算法可以在多小区场景中很好地完成帧检测、符号定时、频偏估计。

1 OFDMA系统的发射与接收原理

发送数据随机化后，根据时隙计算信道编码的参数，交织后采用数字调制，然后插入导频，经过串并变换，进行IFFT，添加循环前缀，最后D/A转换经射频链路发送出去。

接收端收到信号后，经过射频链路处理，A/D转换，开始定时和频率的同步工作，然后经过并串变换进行FFT，接着信道估计和解调，解码之后恢复原始的数据(见图1)。

2 802.16e的前导

IEEE 802.16e前导采用在频域上每3个子载波插入1个PN序列，另外2个子载波插入0，这样独特的频域结构经过IFFT转换到时域后，有3段伪周期性，如图2所示。

利用802.16e前导的3段伪周期性做帧检测，在不考虑扇区干扰的情况下性能很好，但是在多小区情况下(如图3所示)，图中的用户SS会同时收到B1扇区，B2扇区，B3扇区的信号，由于频域信号的叠加，前导的频域结构发生改变，其时域的3段伪周期性也不再存在，基于前导3段伪周期性的帧检测算法失效。

图3 多小区结构

3 OFDMA的同步

OFDMA系统的同步如图4所示，主要分为帧检测，粗定时同步，小数倍频偏估计，整数倍频偏估计，精细定时同步几个模块。

图4 同步系统框图

3.1 帧检测

OFDMA系统在同频组网的情况下，由于相邻基站的影响，基于前导时域序列伪周期特性的时域自相关帧检测算法失效。但是前导序列的PN特性依然保持，可以利用接收时域序列和本地前导PN序列互相关进行帧检测。具体计算公式:

假设接收序列为r(n)，本地序列为local(n)，计算接收序列与本地序列的互相关

接收序列的能量为

进行归一化之后的结果:

其中:L为相关长度;B为归一化因子，

帧检测的结果如图5所示。

图5 帧检测

3.2 粗定时同步

由于受到扇区干扰和信道影响，粗定时同步的目的通过进一步计算来缩小此偏差。利用上述帧检测结果设定一个搜索范围S1，在搜索范围内计算基于循环前缀的延时自相关，通过检测相关峰值的最大值来完成粗的符号定时，如图6所示。

接收序列仍然为r(n)，做基于CP的延时自相关:

搜索范围

搜索起始点

粗符号定时点

图6 粗符号定时

3.3 小数倍频偏估计

子载波间隔的小数倍偏移由于抽样点不在顶点，破坏了子载波之间的正交性，由此引起了ICI。小数倍频偏估计可与上述粗定时同步结合起来完成。利用检测到的最大相关结果的相位可估计出载波频偏，用此算法可估计的最大范围是子载波间隔的一半。

小数倍频偏:

在估计出小数倍频偏后，根据前面得到的粗符号定时点取出前导符号，并对前导符号进行频偏补偿，为后面的整数倍频偏做准备。

进行时域补偿:

3.4 整数倍频偏估计

当系统存在整数倍频偏时，前导字在频域会产生循环移位，抽样点仍然在顶点，解调出来的信息符号错误概率为50%，本算法通过在频谱循环移位接收的前导序列与本地已知序列的差分互相关来完成。

1)设定整数倍频偏的搜索范围［－R，R］。

2)将前面补偿后的时域前导符号变换到频域()P k=FFT()[ ]p n。

3)对于某个整数倍频偏值r∈［－R，R］，将频域前导符号 ()P k进行相应的循环移位。

4)从经过循环移位以后的频域前导符号P(k)对应3个segment的子载波位置上取出频域序列P0()k。

5)将得到的频域序列P0()k和对应segment的频域调制序列进行差分互相关运算。

6)重复执行步骤3)、4)、5)，直到遍历整数倍频偏的搜索范围。

7)取所有相关峰值的最大值，由此得到整数倍频偏。

3.5 精细定时估计

在小数倍频偏估计以后，对接收数据进行时域补偿，通过在时域上计算接收数据与本地已知前导字的互相关可完成精细符号定时。由于前导字在时域的3段伪周期性，较短的相关长度导致3个相关峰的出现。所以需要利用前面得到的粗定时同步点，在此基础上设定搜索范围，并在该范围内计算每一点的互相关值，取相关峰值处作为精确定时点，如图7所示。

图7 精细符号定时

4 仿真结果

选择802.16e 10 MHz带宽系统进行仿真(子载波数目为N=1 024)，信道为AWGN和 TU的6径信道模型(见表 1)，终端移动速度为120 km/h，多普勒频偏为77 Hz，频偏为2.2，仿真次数100 000，结果如图8所示。

表1 TU的信道模型

图8 同步仿真

5 结束语

异频组网方案需要大量频点，频谱消耗大，在实际有限的频带制约下，同频组网是更好的选择，一个或几个频点可完成组网。本文提出的基于OFDMA的同步算法，在扇区干扰的情况下能很好地完成同步，特别是在扇区干扰严重的情况下仍然能准确地估计出频偏和帧起始位置，虚警概率比较低，算法复杂度也不高，在实际应用中有很好的参考价值。

［1］IEEE Std 802.16e-2005.Air interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access System［Z］.［S.l.］:［s.n.］，2006.

［2］MOENECLAEY M.BER sensitivity of OFDM systems to Wiener phase noise［J］.IEEE TransCommun，1995，43(2/3/4):191－193.

［3］Schmidl T M，Cox D C.Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDMA［J］.IEEE Trans.Communications，1997，45(12):24 －27.

［4］鲁玉芳，唐宏，黄秋宴.IEEE 802.16e帧起始同步Matlab仿真及DSP实现［J］.广东通信技术，2010(6):60－63.

［5］Smith J O.Mathmatics of the Discrete Fourier Trans form(DFT)［M］.［S.l.］:W3K Publishing，2003.

［6］王志成，冯辉.WiMAX OFDMA下行同步原理与仿真［J］.广东通信技术，2010(6):46 －49.

［7］王锐，吴畏，蒲林.AD8348正交IQ解调器及其应用［J］.微电子学，2007，37(3):456 －458.

［8］王文华，林钧岫.光纤光栅传感领域中的组网技术研究［J］.激光杂志，2007，28(3):5 －6.

［9］谢健骊，李翠然.一种基于移动自组网的联合检测MAC协议性能分析［J］.自动化与仪器仪表，2010(2):123－124.