专利名称：一种叠加训练序列时间粗细同步方法
技术领域：
本发明涉及OFDM技术领域，特别是涉及一种利用叠加训练序列进行时间粗细时 间同步的方法。
背景技术：
正交频分复用(orthogonal frequency divisionmultiplexing，简称 OFDM)技术 是一种多载波数字调制技术，该技术的应用已经有40多年的历史。经过多年的发展，该技 术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用，随着IEEE802. 11a和BRANHyperlan/2两 个标准在局域网的普及应用，0FDM技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出 重大贡献。0FDM具有频谱利用率高、成本低等多方面优点，随着人们对通信数据化、宽带化、 个人化和移动化的需求，0FDM技术在综合无线接入领域将得到越来越广泛的应用。但是，实现0FDM系统存在技术上的难点，其中很重要的一点是系统对同步的要求 很高，因为0FDM对定时误差要比单载波技术敏感得多。符号定时偏差是指解调0FDM符号 时，FFT窗口提前或者滞后。可以说，准确的符号定时偏差的估计是实现0FDM系统的关键。图1是一个通用0FDM基带系统的框图。图1中发送端的串并转换、编码、映射、 0FDM基带调制和叠加训练序列等模块，代表0FDM基带调制的过程；图1中接收端的串并变 换、同步、0FDM基带解调、信道估计及信道补偿、逆映射及并串变换等模块，代表0FDM基带 解调过程；图1中信道为多径信道；图1中的同步模块即是实现0FDM时间同步的部分。常见的0FDM时间同步方案有两种(1)将训练序列作为导频的0FDM时间同步。该方法将训练序列作为数据信息单独 占用一个数据发送单元，接收端通过对导频的相关运算获得相关峰值来实现时间同步的目 白勺0 参见文献Sehmidl，Donald C Cox. Robust frequeney and timingsynehronizati on for OFDM. IEEE transaetions oncommunications. 1997. 45(12) :1613_1621。该方法虽然 能够保证获得较好的同步性能，但由于导频占用了发射资源，降低了系统的传输效率。(2)将训练序列叠加在数据上的0FDM时间同步。将训练序列叠加在传输数据 上的同步方法节省传输资源提高传输效率。该方法通过将训练序列乘以一个功率分配因 子后与传输数据叠加，减少了导频所需要的发射资源，提高了传输效率，但是该方法存在 训练序列与传输数据互相干扰的问题。参见文献TufvesSOn F.，Faulkner M.，Hoeher P. , Edfors 0. . , OFDM timeand frequency synchronization by spread spectrum pilottechnique [J], Commun. Theory Mini-Conference. Jun. , 1999, vol. 5 :115_119。随后 唐友喜等人提出了将训练序列叠加在循环前缀上的方法，降低了训练序列与传输数据的干 扰。参见文献唐友喜，严春林，一种0FDM时间、频率同步方法[P]，专利申请号02133996. 1，
公开日2006年6月14日，公开号CN1259780C。但该系列方法由于训练序列分配了部分能 量，从而对系统传输信号产生一定干扰，抗多径干扰方面的性能有所下降。
发明内容
本发明目针对现有技术的不足，提供一种训练序列结构及其相应的同步算法。本 发明所述的OFDM同步采用训练序列叠加在传输数据循环前缀上的方法，不增加额外的传 输开销，结合训练序列的结构，将时间同步分为粗同步和细同步。按照本发明所述的同步方法基于所述训练序列结构及其同步算法，包括以下步骤A.在发端将编码序列进行复制，复制后的序列放置在原编码序列之后，形成训练 序列。B.将训练序列叠加在基带OFDM信号的循环前缀上，并送入信道。C.接收端先对接收的信号进行粗同步，寻找同步位置的对应区间。D.在C中找到的区间中进行细同步，找到同步的准确位置。所述的步骤A包括将编码序列a复制后放置在a的后面，得到序列[a a]，该序列即为所构造的训练 序列m[k]。其中，编码序列a的选取具有一般性，通常选取相关性能优异的序列。a的长度为 循环前缀长度L的一半，不足时可以补0。所述的步骤B包括将训练序列乘以^，P为功率分配因子，定义功率分配因子等于叠加训练序列的 能量与总能量(即训练序列的能量与信号序列的能量之和)之比，再将叠加位置的循环前 缀乘以VT^后，将二者相加完成叠加训练序列的过程。所述的步骤C包括当收端接收到一个符号后，从该符号的某一位开始将L/2长度的数据段(L为循环 前缀的长度)与该数据段后长度为L/2的数据段按照式(1)进行相关，相关结果作为第一 个长度为L的数据段的标记值。在该符号内每个长度为L的数据段重复上述步骤，比较这 些数据段的标记值，找到最大结果对应的数据段的起始位置，即完成粗同步。 其中，r [k]为接收信号，L为循环前缀的长度，*为取共轭运算，n为一个符号内相 关窗口滑动位置，a[n]为相关结果。所述的步骤D包括以步骤C中找的最大标记值对应数据段的前一个数据段的第一位为起始，以找到 的最大标记值对应数据段的后一个数据段的最后一位为终点，在这个长度为3L的区间内 按照式(2)进行相关运算，找到最大相关值对应的位置，即完成细同步。
(2)其中，r[k]为接收信号，m[k]为训练序列，L为训练序列长度，*为取共轭运算， b[n]为相关结果。本发明的优点在于利用训练序列中的重复性，进行粗相关的定位。该方法对接收数据进行分段比较，与对接收数据进行逐位相关的同步算法相比，提高了运算的速度；在找 到最大相关区间段后，以该区间段的前一区间为起点、后一区间为终点进行逐位相关，消除 了由于训练序列叠加位置可能出现的特殊性(实际位置可能是在最大相关区间的前一个 或后一个上)而导致的同步错误，保证了同步的精度。本发明的上述其他目的及其特征进一步适用的范围，可由下列的详细说明中清楚 得知。但是，这些详细的说明和所提到的实施例仅供说明作用，并非构成对本发明的限制， 本领域中的技术人员应该可以理解其它变化形式。
图1是根据本发明的叠加训练序列的OFDM系统结构示意图。图中，1为串并转换 模块，2为信源编码模块，3为映射模块，4为OFDM基带信号产生模块，5为训练序列叠加模 块，6为并串转换模块，7为信道模块，8为串并转换模块，9为同步模块，10为OFDM基带信号 解调模块，11为信道估计及信道补偿模块，12为逆映射模块，13为解码模块，14为并串转换 模块。图2是根据本发明的训练序列结构示意图。图中，15为编码序列，通常选择具有良 好相关性的编码；16为复制的编码序列，与15完全相同。图3是根据本发明的叠加训练序列的发送信号结构示意图。图中，17为乘以‘的 训练序列，18为叠加训练序列处乘以的循环前缀，19为原始数据。图4是本发明根据式⑴的收端粗同步结构示意图。其中，*号表示取共轭。图5是本发明根据式(2)的收端细同步结构示意图。图6是本发明提出的算法与传统算法在多径信道下正确同步概率比较图。图中的 传统算法是指收端的同步算法只是进行诸位相关求最大值；改进方法是指收端同步算法分 为粗同步和细同步，粗同步进行区间确定，细同步进行位置确定；传统方法与改进方法的训 练序列结构相同，均是将编码序列进行重复放置，结构为[a a]。图7是系统在相同仿真环境下，没有叠加训练序列时和叠加训练序列时的误码率 比较图。其中叠加训练序列分为叠加本专利提出的训练序列和叠加传统结构的训练序列。
具体实施例方式下面将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述。步骤1 设OFDM系统中子载波数为256，循环前缀长度为64。原始串行数据经过 模块1形成并行的数据，每组数据经过模块2的RS编码后，进行QPSK调制即映射；数据 在OFDM基带调制模块中进行IFFT运算并分别生成数据对应的循环前缀；将训练序列乘以 而，P =0.3，表示循环前缀中训练序列的能量占总能量的30%。在叠加训练序列模块 中将训练序列叠加在第一组数据的循环前缀上，被叠加的循环前缀乘以选择周期为 Npn = 31的m序列，在最后一位补0后构成长度为32的编码序列，发端将编码序列复制后 放置在原编码序列后，形成如图2所示结构的训练序列，记为m[K]k e
。数据经过 并串变换后送入信道。传统方法中的训练序列构成方法与本专利提出的训练序列构造方法 相同。
步骤2 数据在信道中受到多径效应和高斯噪声的干扰。其中，多径数为20，最大 多普勒频移为200Hz。步骤3 收端将接收数据进行串并变换后，将数据送入同步模块。同步模块根据公 式1进行粗同步运算。其中，选取的数据段的长度N = 32。确定最大相关值的数据位置区 间(长度为64)后，以该区间的前一区间为起点，后一区间为终点按照公式2进行细同步。粗同步过程如图4所示，在长度为64的接收数据段内，接收信号的前32位数据与 后32位数据进行相关运算，运算结果作为该数据段的标记值。逐个数据段相关完成后，进 行比较，选择标记值最大的数据段，即完成粗同步。细同步过程如图5所示，以最大标记值的数据段的前一区间起点为起点，后一区 间的终点为终点按照公式2进行相关运算，比较相关结果确定最大值对应的数据位置，即 完成细同步。发明件能分析根据上述实施步骤，可以得到图6所示的同步性能。通过比较可以发现，基于传统 算法的同步技术与基于本发明提出的同步算法的同步技术，在相同信噪比条件下，本发明 提出的改同步算法的同步正确率明显高于传统算法(传统算法是指训练序列的结构与本 文相同，收端同步是将接收数据与训练序列进行逐位相关进而找到最大相关值的位置)。随 着信噪比的增加，本发明提出的同步算法的同步正确率曲线的上升速度也高于传统方法。 由图7可以看出，由于叠加了训练序列，系统误码率比没有叠加训练序列时要高，而本专利 提出的改进结构的训练序列对系统误码率的影响小于传统结构训练序列对系统误码率的 影响。在算法复杂度方面，按照IFFT长度为256，循环前缀长度L为64，每帧6个OFDM符 号，接收数据起始长度N为32计算。传统同步方法需要进行64X 1920次乘法和64X 1920 次加法，而本发明提出的同步算法，粗同步需要进行32X30次乘法和32X30次加法，细同 步需要进行3X64次乘法和3X64次加法，共64X 18次乘法和64X 18次加法。算法复杂 度明显低于传统方法。以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护 范围。可以理解，根据本发明所附权利要求书中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于 本发明所涵盖的范围。
权利要求
一种叠加训练序列时间粗细同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤步骤1确定发送数据的帧结构，确定循环前缀的长度L、训练序列的长度通常等于循环前缀的长度；步骤2选择长度为L/2的编码序列，编码类型一般选择自相关性能优异的、长度小于等于L/2的码，如果所选择的码型长度小于L/2，则以0充填码的后位；步骤3将步骤2中的编码序列进行复制，放置在原编码序列后，进而构成训练序列m[k]；步骤4将步骤3中得到的训练序列叠加在一个发送数据的循环前缀上；步骤5时间粗同步当收端接收到一个符号后，从该符号的某一位开始将L/2长度的数据段(L为循环前缀的长度)与该数据段后长度为L/2的数据段按照式(1)进行相关，相关结果作为第一个长度为L的数据段的标记值；在该符号内每个长度为L的数据段重复上述步骤，比较这些数据段的标记值，找到最大结果对应的数据段的起始位置，即完成粗同步； <mrow><mi>a</mi><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>L</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>r</mi><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mo>·</mo><mi>r</mi><mo>*</mo><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，r[k]为接收信号，L为循环前缀的长度，*为取共轭运算，n为一个符号内每个长度为L的数据段的最后一位位置，a[n]为相关结果；步骤6时间细同步以步骤5中找的最大标记值对应数据段的前一个数据段的第一位为起始，以找到的最大标记值对应数据段的后一个数据段的最后一位为终点，在这个长度为3L的区间内按照式(2)进行相关运算，找到最大相关值对应的位置，即完成细同步； <mrow><mi>b</mi><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>r</mi><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mo>·</mo><mi>m</mi><mo>*</mo><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，r[k]为接收信号，m[k]为训练序列，L为训练序列长度，*为取共轭运算，b[n]为相关结果。
全文摘要
本发明目提供一种新的OFDM时间同步方法，该方法基于一种训练序列结构及其相应的同步算法。本发明所述的OFDM同步训练序列采用叠加在传输数据循环前缀上的方法，不增加额外的传输开销，结合训练序列结构的特殊设计，将时间同步分为粗同步和细同步。不但提高了同步的准确度，同时大幅度的降低了算法的复杂度。
文档编号H04L27/26GK101883068SQ20091014143
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月9日 优先权日2009年5月9日
发明者伍晓琼, 刘盈, 罗仁泽, 高頔, 黄家盛 申请人:电子科技大学中山学院