CN1937604A - 正交频分复用系统中初始接入帧同步方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交频分复用系统中初始接入帧同步方法与装置，方法包括：接收机缓存接收到的最大帧长信号，并对该最长帧信号进行功率突变检测，记录功率突变的各信号及其长度；对突变信号进行小数频率同步，再对其进行FFT；计算各突变信号的最大似然比Λ，具有最大Λ值的突变信号为前导符号，重对该前导符号进行频率校正、FFT；计算该前导符号的PN序列；对余下的具有最大值Λ值的突变信号进行频率校正、FFT，并与前述检测出的PN序列相关，判断其是否为前导符号；按前述方式检测出最大帧长信号中所有前导符号，计算出帧长并利用计时器进行初始接入帧同步。本发明同时公开了实现上述方法的装置。本发明实现简单、处理效率高。

Description

正交频分复用系统中初始接入帧同步方法与装置

技术领域

本发明涉及无线移动通信系统中的初始接入帧同步方法与装置，尤其涉及一种正交频分复用系统中初始接入帧同步方法与装置。

背景技术

当传输信号在建筑物、墙壁、家具及其它大型物体上进行反射时会产生多径效应。在这种情况下，传输信号并非通过单一的直接路径到达接收器，而是经过了多个不同路径。信号从发射器到接收器所经历的每条路径长度都不同，因此每个信号的延迟都有所不同。最终接收到的信号实际上是多次迭加而产生的信号，每个迭加信号都在不同时刻到达接收器，每个迭加信号的强度均不相同。这种效应通常称为码间干扰(ISI)。对接收器来说，可通过增加传输码的间隔时间T来降低码间干扰。但这样会降低传输速率，这与高速传输的宗旨相驳。在这种背景下出现了正交频分多路复用(OFDM)技术。

作为一种多载波传输模式，正交频分复用通过将一高速传输的数据流转换为一组低速并行传输的数据流，使系统对多径衰落信道频率选择性的敏感度大大降低，在宽带无线传输系统中具有广泛的应用价值。可以预见，以OFDM为核心技术的通信系统是一种极具发展前景的宽带无线通信系统。

同步技术是OFDM系统的关键技术之一，而初始接入帧同步是用户终端(SS)与基站(BS)通信所必须完成的首要任务之一。在OFDM通信系统中，为了实现下行接收的帧同步，下行帧往往具有下述几个特点：

1、下行帧某一个固定位置的符号(一般为第一个符号)的子载波按一定方式被一个特殊序列(一般为伪随机噪声(PN)序列)所映射与调制，通常称该符号为前导符号。

2、为了使前导符号能被可靠接收，前导符号常采用二进制相移键控(BPSK)调制，数据符号为了提高频谱效率而采用四进制相移键控调制(QPSK)或正交振幅调制(QAM)等多相位制调制。

3、前导符号相对于数据符号具有一定的功率提升。

例如，采用OFDM为核心技术的IEEE802.16标准的OFDMA(正交频分多址)协议的下行帧第一个符号即是具有前述特征的前导符号。

如图1所示，图中是采用频分双工(FDD)方式OFDM系统的常用帧结构，其即具有上述特点；图中P表示前导符号，D表示数据符号。对于时分双工(TDD)方式的OFDM系统，为了保护上下行帧不相互干扰、保证射频系统有充分时间在发射机与接收机之间进行切换，上下帧之间通常会保留一段不发送任何数据的空隙时间。如图2所示，即是采用TDD方式OFDM系统具有空隙的常用帧结构。图中RTG表示上行帧与下行帧的间隙，TTG表示下行帧与上行帧的间隙，P表示前导符号，D表示数据符号。

将特殊序列(一般为PN序列)映射与调制到前导符号的子载波上的方式通常有两种。如图3所示，该调制方式是将特殊序列映射到除了左右保护带子载波和直流载波的所有子载波上；图中带箭头竖线表示特殊序列的子载波，○表示零子载波。如图4所示，另一种调制方式是等间隔地将特殊序列映射到除了左右保护带子载波和直流载波的子载波上。图4中的子载波映射方式主要用于蜂窝无线OFDM系统中，为了区别相邻小区(或扇区)的前导符号，相邻小区(或扇区)的前导符号往往采用不同的PN序列；且相邻几个小区(或扇区)的PN序列分别映射到前导符号的不同子载波位置上；图中带箭头竖线表示特殊序列的子载波，○表示零子载波。

当用户终端初始接入网络时，用户终端首先要与下行帧保持帧同步。如图1、图2所示，对于具有前导符号的OFDM系统，如果用户终端接收机能够在接收的信号中检测出前导符号，就可实现初始接入帧同步。因此，用户终端初始接入帧同步的关键在于如何从接收信号中检测出前导符号。现有检测前导符号的方法主要可分为以下几类：

时域波形相关法。该方法是将长度为最大帧长的接收OFDM时域信号与所有可能前导符号的时域波形进行逐样点相关，求出最大相关位置。即：

$\hat{n}=\underset{n,j}{\arg \max }\frac{{\left|\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^{*}(n+l)c_j\left(l\right)\right|}^2}{\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y^{*}(n+l)c_j\left(l\right)\right|}^2}$

式中c_j(l)(j＝0，1，2，…，P-1，l＝0，1，2，…，N-1)，其为符号长度为N、P个可能前导符号的时域样点。该方法的好处是能在进行帧同步的同时搜索出当前小区(扇区)所采用的PN序列。然而该方法的复杂度太高。它需要M×N×N×P(M为最大帧内符号数)次复数乘法。例如，对于循环前缀(CP)长度为256、快速傅立叶变换(FFT)点数为2048的IEEE802.16-OFDMA协议来说，M约为100，则共需要6.0×10¹⁰次复数乘法。

延迟相关法。对于频域内每三子载波间插入了两个零子载波映的映射方式，前导符号的时域表现出伪周期性，即一个时域前导符号近似为三段重复的信号。于是可以通过下式来检测前导符号：

当没有其他小区的前导符号的干扰时，该算法具有较好的性能。然而，当用户终端处于小区边界时，接收机将收到多个来自不同小区的前导符号的叠加信号。此时，前导符号的接收信号将不再具有伪周期性，该算法性能也随之恶化。

功率检测法。该方法是利用前导符号的功率相对于其他数据符号具有较大的功率提升的性质，或利用前导符号的前面是RTG，从RTG到前导符号具有很大功率突变的性质。然而，由于信道衰落或功率控制的影响，功率检测法的误检率或漏检率太高。

发明内容

针对上述现有的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种处理简单、效率高的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法与装置。

本发明是这样实现的：一种正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，包括以下步骤：

(1)接收机缓存接收到的最大帧长的数据信号，同时启动计时器，并对该最长帧信号进行功率突变检测，记录功率突变的各符号及其位置，即记录所述最长帧信号中功率较高的符号；

(2)对记录功率突变符号进行J次小数频偏校正，然后对其进行快速傅立叶变换(FFT)，将时域中的功率突变符号转换到频域；这里J为正整数；

(3)对第j次频率校正后的第k个频域功率突变符号Y_k，j(i)，按下式计算最大似然比Λ_k，j值： ${\mathrm{\Λ}}_{k,j}=\frac{\underset{i=B_L}{\overset{N-3L-1-B_R}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Re}\left[Y_{k,j}\left(i\right){Y_{k,j}}^{*}(i+L){Y_{k,j}}^{*}(i+2L)Y_{k,j}(i+3L)\right]\right|}{\underset{i=B_L}{\overset{N-3L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Im}\left[Y_{k,j}\left(i\right){Y_{k,j}}^{*}(i+L){Y_{k,j}}^{*}(i+2L)Y_{k,j}(i+3L)\right]\right|},$ 其中，N为FFT大小，L为相邻导频子载波间隔的子载波数，B_L和B_R分别为左右保护带子载波数，Y_k，j ^*表示共轭信号；

(4)求出每个功率突变符号的Λ_k，j值，取Λ＝max(Λ_k，j)，具有最大Λ值的功率突变符号为前导符号，重新对该前导符号进行小数频偏估计与校正、快速傅立叶变换；

(5)将该前导符号与所有可能的伪随机噪声序列进行相关而检测出当前前导符号的伪随机噪声序列；

(6)对余下的Λ值计算Λ＝max(Λ_k，j)，将该新计算的最大值Λ对应的功率突变符号进行小数频偏估计与校正、快速傅立叶变换，并与步骤(5)中检测出的伪随机噪声序列进行相关，判断该功率突变符号是否为前导符号；如果是则重复步骤(6)，否则停止判断下一功率突变符号，并统计最大帧长接收信号中的前导符号数目S，从而估计出帧长Len＝MaxLen/S；

(7)查找出步骤(1)中最大帧长的数据信号中第一次出现前导符号的位置Loc，当计时器的计数减去Loc为整数倍的Len时，开始启动帧长为Len的初始接入帧同步脉冲。

一种正交频分复用系统中初始接入帧同步装置，包括有：接收数据缓存器，用于接收外部信号数据并进行最大帧长信号缓存；功率突变检测器，用于检测所述最大帧长信号中的功率突变的符号；循环前缀估计器，用于估计循环前缀的长度；小数频偏估计器，根据所述循环前缀估计器输入的结果对功率突变符号进行小数频率偏移估计；频率校正器，根据所述小数频偏估计器输入的小数频率偏移估计结果对功率突变符号进行小数频偏校正；快速傅立叶变换(FFT)器，对经所述频率校正器校正后的功率突变符号进行快速傅立叶变换；最大似然比计算器，对经所述快速傅立叶变换后的功率突变符号进行最大似然比计算；最大似然比比较器，对计算出的各功率突变符号最大似然比进行比较并排序；子载波解映射器，对可能为前导符号的功率突变符号进行解映射；相关器，用于对解映射后的功率突变符号与存储器中存储的所有可能的伪随机噪声序列进行相关，求出其伪随机噪声序列；用于存储所有可能的伪随机噪声序列的存储器；第一前导符号位置、帧长及计时器计数计算器，用于判定初始接入帧同步以启动相应脉冲；计时器，接收数据缓存器接收到最长帧时启动计时；帧同步脉冲产生器，用于接收所述第一前导符号位置、帧长及计时器计数计算器的启动信号以产生帧同步脉冲。

本发明首先对接收的最长帧进行缓存，并计算出最长帧中第一个功率突变符号部分(前导符号)，最终计算出帧长，然后利用定时器完成接入信号的同步。本发明处理速度非常快，实现简单、同步性能好、能适合小区边界的初始接入帧同步，兼容性好。

附图说明

图1是FDD方式的OFDM通信系统下行帧结构示意图；

图2是TDD方式的OFDM通信系统下行帧结构示意图；

图3是前导符号的子载波的一种映射方式；

图4是前导符号的子载波的一种映射方式；

图5是本发明双滑动窗检测信号的示意图；

图6是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明的方法具体包括以下步骤：

1、接收机接收到下行帧后，缓存长度为最大可能帧长的接收数据信号，并在开始缓存接收数据的同时启动时间计数器T；

2、对缓存的最长帧信号进行功率突变检测，记录功率突变的各符号的位置，本发明即记录最长帧信号中功率较高的信号，即可能是前导符号的信号；具体检测方式为：如图5所示，设置时域内长度相等的两滑动窗A(n)、B(n)，令

$A\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}y(n-m)y^{*}(n-m)=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y(n-m)\right|}^2$

$B\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}y(n+m)y^{*}(n+m)=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y(n+m)\right|}^2$

式中，y(n)表示缓存的最长帧信号，y^*(n)为其共轭，WinAlen、WinBlen分别为滑动窗A(n)、B(n)的长度，m为由滑动窗导致的与y(n)相位差异，按下式检测出所有超过阈值Th的功率突变位置： $R\left(n\right)=\frac{A\left(n\right)}{B\left(n\right)},$ 即查找出所有功率突变位置，缓存每个突变位置所对应的长度为最大可能符号长度的数据块信号。这里，滑动窗的长度最好小于前导符号的长度。

3、对每个功率突变位置对应的长度为最大可能符号长度的数据信号(功率突变数据信号)进行J(正整数)次小数频偏校正，其中J个小数校正频偏为等分-0.5～0.5Δf(Δf子载波间隔)的小数频偏。然后对所有的功率突变数据符号进行FFT变换，将其变换到频域。

4、对第j次频率校正后的第k个频域功率突变符号Y_k，j(i)，按下式计算最大似然比Λ_k，j值： ${\mathrm{\Λ}}_{k,j}=\frac{\underset{i=B_L}{\overset{N-3L-1-B_R}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Re}\left[Y_{k,j}\left(i\right){y_{k,j}}^{*}(i+L){Y_{k,j}}^{*}(i+2L)Y_{k,j}(i+3L)\right]\right|}{\underset{i=B_L}{\overset{N-3L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Im}\left[Y_{k,j}\left(i\right){Y_{k,j}}^{*}(i+L){Y_{k,j}}^{*}(i+2L)Y_{k,j}(i+3L)\right]\right|},$ 其中，N为FFT大小，L为相邻导频子载波间隔的子载波数，B_L和B_R分别为左右保护带子载波数，Y_k，j ^*表示共轭信号。

5、求出每个功率突变符号的Λ_k，j值，取Λ＝max(Λ_k，j)，则判决具有最大Λ值的功率突变符号为前导符号，重新对该前导符号进行小数频偏估计与校正、快速傅立叶变换。

6、将步骤5中利用最大Λ值确定的前导符号与所有可能的PN序列进行相关而检测出当前前导符号的PN序列。

7、对余下的Λ值重新计算Λ＝max(Λ_k，j)，将该新计算的最大值Λ对应的功率突变符号进行小数频偏估计与校正、快速傅立叶变换，并与步骤6中检测出的伪随机噪声序列进行相关，判断该功率突变符号是否为前导符号；如果是前导符号，则重复步骤7，继续判断下一功率突变符号是否为前导符号；如果不是前导符号则停止判断下一功率突变符号，并统计最大帧长接收信号中的前导符号数目S，从而估计出帧长Len＝MaxLen/S。MaxLen为最大帧长接收信号的帧长(时域)。

8、对于查找出的所有前导符号，确定在最大帧长的数据信号中第一次出现的那个前导符号，从而确定第一个前导符号的位置Loc(时域)；同时计算当前时间计数器T的计数T_t与Loc的差值，当(T_t-Loc)为Len的整数倍时，开始启动帧长为Len的初始接入帧同步脉冲。

如图6所示，本发明的装置包括的各器件通过数据接口或信号接口如图方式连接，图中粗箭头线表示数据流，细箭头线表示信号流。其中，接收数据缓存器601缓存长度为最大可能帧长的接收数据信号，开始接收最大可能帧长信号的同时，计时器613开始计时。

当长度为最大可能帧长的接收信号接收完毕后，双滑动窗检测器602对接收到的最长信号进行双滑动窗检测，每发现一个超过阈值Th(根据经验设定)的局部峰值，就将该局部峰值样点的位置n_k保存在峰值位置缓存器603。对接收数据缓存器601中所有数据完成滑动窗检测后，所有位置n_k所对应的功率突变数据符号被输至频率校正器604进行J次小数校正(频率为-0.5+j/J(j＝0，1，..J-1)的频率校正)，然后快速傅立叶变换(FFT)器605分别对校正后的数据进行FFT运算。Λ值计算器606对每种校正频率对应的FFT结果进行Λ值计算，并将每个功率突变符号对应的最大Λ值输出给Λ值排序器607。

当所有功率突变符号的Λ值计算并排序结束后，CP估计器608和小数频偏估计器609从接收数据缓存器601输入具有最大Λ值的功率突变符号，并根据该功率突变符号进行CP长度和小数频偏估计。然后频率校正604根据小数频偏估计结果对该功率突变符号进行频率校正。FFT605对校正后的数据进行FFT运算，并将FFT结果输出给子载波解映射器610。相关器611将解映射后的子载波与PN序列存储器612中所有可能的PN序列进行相关，并选择具有最大相关值的PN序列作为接入小区的PN序列。

当接入小区的PN序列检测出来后，小数频偏估计器609从接收数据缓存器601输入具有次最大Λ值的功率突变符号，并根据该功率突变符号进行小数频偏估计。然后频率校正604根据小数频偏估计结果对该功率突变符号进行频率校正。FFT605对校正后的数据进行FFT运算，并将FFT结果输出给子载波解映射器610。相关器611将解映射后的子载波与当接入小区的PN序列进行相关，判断该功率突变符号是否为前导符号。如果是，则再次输入具有下一次最大Λ值的功率突变符号进行判断是否为前导符号，直到其不是前导符号为止。

当相关器611判决出不为前导符号后，Loc和Len计算器614找出第一个前导符号的位置Loc、计算出帧长Len，并当计时器613的计时输出Tt满足(T_t-Loc)是Len的整数倍时，启动帧同步脉冲产生器615产生周期为Len的帧同步脉冲。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)接收机缓存接收到的最大帧长的数据信号，同时启动计时器，并对该最长帧信号进行功率突变检测，记录功率突变的各符号及其位置，即记录所述最长帧信号中功率较高的符号；

(2)对记录功率突变符号进行J次小数频偏校正，然后对其进行快速傅立叶变换(FFT)，将时域中的功率突变符号转换到频域；这里J为正整数；

(3)对第j次频偏校正后的第k个频域功率突变符号Y_k，j(i)，按下式计算最大似然比Λ_k，j值： ${\mathrm{\Λ}}_{k,j}=\frac{\underset{i=B_L}{\overset{N-3L-1-B_R}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{Re}\[Y_{k,j}\left(i\right){Y_{k,j}}^{*}(i+L){Y_{k,j}}^{*}(i+2L{)Y}_{k,j}(i+3L)\]|}{\underset{i=B_L}{\overset{N-3L-1}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{Im}\[Y_{k,j}\left(i\right){Y_{k,j}}^{*}(i+L){Y_{k,j}}^{*}(i+2L)Y_{k,j}(i+3L)\]|},$ 其中，N为FFT大小，L为相邻导频子载波间隔的子载波数，B_L和B_R分别为左右保护带子载波数，Y_k，j ^*表示共轭信号；

(4)求出每个功率突变符号的Λ_k，j值，取Λ＝max(Λ_k，j)，则判决具有最大Λ值的功率突变符号为前导符号，重新对该前导符号进行小数频偏估计与校正、快速傅立叶变换；

(5)将该前导符号与所有可能的伪随机噪声序列进行相关而检测出当前前导符号的伪随机噪声序列；

(6)对余下的Λ值计算Λ＝max(Λ_k，j)，将该新计算的最大值Λ对应的功率突变符号进行小数频偏估计与校正、快速傅立叶变换，并与步骤(5)中检测出的伪随机噪声序列进行相关，判断该功率突变符号是否为前导符号；如果是则重复步骤(6)，否则停止判断下一功率突变符号，并统计最大帧长接收信号中的前导符号数目S，从而估计出帧长Len＝MaxLen/S；

(7)查找出步骤(1)中最大帧长的数据信号中第一次出现前导符号的位置Loc，当计时器的计数减去Loc为整数倍的Len时，开始启动帧长为Len的初始接入帧同步脉冲。

2、根据权利要求1所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，所述步骤(1)中对所述最长帧信号进行功率突变检测具体为，设置长度相等的两滑动窗A(n)、B(n)，

$A\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}y(n-m)y^{*}(n-m)=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}{|y(n-m)|}^2,$

$B\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}y(n+m)y^{*}(n+m)\underset{m=0}{\overset{\mathrm{WinAlen}-1}{\mathrm{\Σ}}}{|y(n+m)|}^2,$

其中，y(n)为所述最长帧信号，y^*(n)为其共轭，WinAlen、WinBlen分别为滑动窗A(n)、B(n)的长度，m为由滑动窗导致的与y(n)相位差异，按下式检测出所有超过阈值的功率突变位置： $R\left(n\right)=\frac{A\left(n\right)}{B\left(n\right)}.$

3、根据权利要求1所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，所述步骤(2)中J个小数校正频率为等分-0.5～0.5Δf的小数频率，其中Δf为子载波间隔。

4、根据权利要求1所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，所述位置Loc为前导符号位置，所述Len为估计的帧长度，所述Loc、Len及计时器计数有相同的时间单位。

5、根据权利要求2所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，所述滑动窗长度WinAlen、WinBlen为时隙长度。

6、根据权利要求2或5所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，所述滑动窗长度应小于前导符号的长度。

7、一种正交频分复用系统中初始接入帧同步装置，其特征在于，该装置包括有：接收数据缓存器，用于接收外部信号数据并进行最大帧长信号缓存；功率突变检测器，用于检测所述最大帧长信号中的功率突变的符号；循环前缀估计器，用于估计循环前缀的长度；小数频偏估计器，根据所述循环前缀估计器输入的结果对功率突变符号进行小数频率偏移估计；频率校正器，根据所述小数频偏估计器输入的小数频偏估计结果对功率突变符号进行小数频偏校正；快速傅立叶变换(FFT)器，对经所述频率校正器校正后的功率突变符号进行快速傅立叶变换；最大似然比计算器，对经所述快速傅立叶变换后的功率突变符号进行最大似然比计算；最大似然比比较器，对计算出的各功率突变符号最大似然比进行比较并排序；子载波解映射器，对可能为前导符号的功率突变符号进行解映射；相关器，用于对解映射后的功率突变符号与存储器中存储的所有可能的伪随机噪声序列进行相关，求出其伪随机噪声序列；用于存储所有可能的伪随机噪声序列的存储器；第一前导符号位置、帧长及计时器计数计算器，用于判定初始接入帧同步以启动相应脉冲；计时器，接收数据缓存器接收到最长帧时启动计时；帧同步脉冲产生器，用于接收所述第一前导符号位置、帧长及计时器计数计算器的启动信号以产生帧同步脉冲。

8、根据权利要求7所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，所述功率突变检测器具体包括有双滑动窗检测器，该双滑动窗检测器可用于计算出功率突变信号的位置。

9、根据权利要求7所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，该装置还包括与所述相关器依次连接的小数频偏校正器和快速傅立叶变换器，以对检测出的前导符号进行小数频偏校正和快速傅立叶变换；所述快速傅立叶变换器输出至所述第一前导符号位置、帧长及计时器计数计算器。

10、根据权利要求7所述的正交频分复用系统中初始接入帧同步方法，其特征在于，所述两滑动窗时隙长度相等。

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