CN100559785C - 一种用于WiMAX系统的接收符号同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种新颖的WiMAX系统接收同步方法，涉及通信技术领域。为解决WiMAX系统中定时同步的问题，该方法充分利用前导序列的已知性和自相关特性，利用前导序列，针对不同长度的循环前缀长度构造相应的定时判决函数，根据定时判决函数的值动态调整判决门限，计算定时点，由此确定WiMAX帧的起始位置。与现有方法相比具有同步精度高，低信噪比情况下定时误差的方差较小，具有更高的运算效率，适用于各种循环前缀结构等优点。即使在较大多径衰落的情况下，仍然能满足WiMAX系统的要求。

Description

一种用于WiMAX系统的接收符号同步方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及WiMAX系统的同步。

背景技术

针对第三代移动通信(3G)向第四代移动通信(4G)过渡的问题，业界提出了若干不同的方案。以IEEE802.16(无线城域网)为标准的WiMAX(微波存取全球互通)系统是其中获得广泛关注的一个。该系统以OFDM(正交频分复用)技术为其物理层实现模式，能提供高达20MHz的带宽，充分满足宽带传输的需求。目前全世界共建成一百多个WiMAX实验网。中国的电信运营商对WiMAX也进行了积极跟踪和准备。

同步在通信系统中占据非常重要的地位，WiMAX系统也不例外。由于OFDM符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区分，因此确保这种正交性对于WiMAX系统来说至关重要，而精确的同步正是确保正交性的前提。WiMAX系统同步主要涉及两个方面的问题：频率偏移和符号定时。频率偏移导致接收信号在频域内发生偏移，如果频率偏移是子载波间隔的n(n为整数)倍，虽然子载波之间仍然能够保持正交，但是频率采样值已经偏移了n个子载波的位置，造成映射在OFDM频谱内的数据符号的误码率高达0.5。如果载波偏移不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存在能量的“泄漏”，导致子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。在多径环境中，WiMAX系统为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时。符号定时的偏差会造成采样值间的相位偏差。这些相位的偏差会累加到已经存在的相位噪声中，降低系统性能。此外在很多同步方法中，符号定时同步成为频率偏移估计的前提。

目前的同步方法主要有基于训练序列，基于循环前缀和基于导频三种。文献[Timothy M.Schmidl and Donald C.Cox.Robust Frequency and TimingSynchronization for OFDM.IEEE Transactions on communications，Vol.45，No.12，December 1997.]提出了一种经典的OFDM同步方法，该方法能提供较强的符号定时和频率偏移估计，其中频偏估计的性能可以满足系统要求，但其定时曲线的峰值呈现一个平台，使得定时的精度降低。

文献[Jie-Ping Xu；Bo-Ran Guan.An efficient timing synchronizationscheme for OFDM system in IEEE 802.16d.Volume1，4-7 Dec.2005 Page(s)：3pp.Digital Object Identifier 10.1109/APMC.2005.]利用训练序列的已知性对滑动相关法进行改进，该方法在信噪比为正的情况下能实现精确的符号定时，但该方法在负信噪比情况下定时误差的方差较大且这种方法只适用于单一长度的循环前缀。

发明内容

本发明针对现有技术中WiMAX系统同步中的上述不足，提出一种新的WiMAX系统的接收同步方法。该方法适用于各种长度的循环前缀，能实现符号定时同步，定时精度高，并且具有较高运算效率。本发明在不改变符号结构的情况下，通过构造新的判决函数，提供一种利用前导序列，进而完成系统的同步接收。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，在对用户站参数初始化时根据信道的多径延迟确定循环前缀长度L_CP；根据循环前缀长度选择相应定时判决函数m(d)，调用定时判决函数算法模块，并由接收到的信号序列，计算定时判决函数的值；进行定时同步计算，根据判决函数m(d)的值动态调整判决门限，对定时判决函数做滑动相关运算，比较判决函数的值与定时判决门限，当判决函数的值超过定时判决门限所对应的时序号确定为定时点，根据得到的定时点调用相应公式确定WiMAX帧的起始位置，完成WiMAX系统的接收同步。

循环前缀长度L_CP与定时判决函数m(d)满足以下关系：

当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时， $m\left(d\right)=\frac{\left|\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}(\left(r^{*}(d+n)p_n\right)\·\left(r^{*}(d+n+4P)p_n\right))\right|}{\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|p_n\right|}^4}$

当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时， $m\left(d\right)=\frac{\left|\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\left(r^{*}(d+n)l_n\right)\&CenterDot;\left(r^{*}(d+n+3P)l_n\right))\right|}{\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|l_n\right|}^4};$

WiMAX帧的起始位置F与定时点d_T满足下述关系：

当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时，F＝d_T，当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时，F＝d_T-L_CP。

本发明与现有技术中接收同步方法比较，在低信噪比情况下定时误差的方差较小，定时稳定性更好，同步精度高，具有较少的运算量。由于系统可以选择不同长度的循环前缀，构造了不同的定时判决函数以满足各种循环前缀下的定时需求，即使在较大多径衰落的情况下，仍然能满足WiMAX系统的要求。

附图说明

图1所示为本发明定时同步的流程图

图2所示为前导序列结构图

图3所示为定时判决函数的运算示意图。

其中(a)是针对公式(1)的运算示意图，(b)是针对公式(2)的运算示意图。

具体实施方式

下面针对附图及具体实施例对本发明的实施作进一步说明。图1所示为本发明定时同步的流程图，首先对用户站参数初始化，确定循环前缀长度；根据循环前缀长度L_CP选择定时判决函数，并由接收到的信号序列根据选择的定时判决函数计算定时判决函数m(d)的值；进行定时同步运算，根据定时判决函数m(d)的值动态调整判决门限，计算定时点，如果能够确定定时点，则根据定时点确定WiMAX帧的起始位置。根据判决门限做了定时判决之后，无论定时判决的结果如何，是否找到定时点，都要返回定时同步运算阶段进行下一轮的定时同步判决以检测下一帧的到达时刻。

WiMAX在物理层以帧为单位发送数据，每一帧从一个前导序列开始。下文约定WiMAX的前导序列(Preamble)中的第一个OFDM符号(包含循环前缀)为前导符号。如图2所示，前导序列由两个OFDM符号分别加上循环前缀(CP)组成，这两个OFDM符号通过一个已知的频域上的伪随机复序列计算得到。因此在确定循环前缀长度的前提下，前导序列对收发双方是已知的。前导序列第一个OFDM符号只在序号为4的倍数的子载波上有值，在经过IFFT(快速傅立叶逆变换)运算之后其时域上的波形由4个重复的数据段组成，每个重复段有64个采样点。第二个OFDM符号只在偶数序号的子载波上有值，这导致在时域上该符号由两个重复段组成，每个重复段有128个采样点。

1.通过对用户站参数初始化，确定循环前缀长度

当用户站每次接入网络时，基站会向其发送相关信息，对包括循环前缀长度在内的参数进行初始化。WiMAX系统中循环前缀长度是可选的，假设系统采用的子载波数为N，则循环前缀长度L_CP可有以下四种选择：

采用哪一种循环前缀长度一般可根据信道的多径延迟来确定，并且在用户站(SS)接入WiMAX系统初始化时已确定。多径延迟可以根据接收信号误码率进行大致估计，只要确保循环前缀长度大于多径延迟的最大值(采样点)，就可以避免符号间干扰(ISI)。另外循环前缀长度对收发双方都是已知的，并且在整个通信过程中保持不变。如果循环前缀长度改变，则用户站需重新进行初始化。

2.根据循环前缀长度L_CP构造相应的定时判决函数

通常无线通信系统的同步，均采用训练序列与本地参考信号作滑动相关运算实现。WiMAX系统提供伪随机的前导序列用于同步，该前导序列在IEEE802.16标准中定义，因此对于收发双方该前导序列是已知的。按照常规方法的思路，采用前导序列作为本地参考信号，当接收到的前导序列与本地参考信号作滑动相关运算时，由于前导序列的自相关特性，相关运算会出现峰值。对比峰值出现的时刻，可以得到前导序列到达时刻，又由于WiMAX帧由前导序列开始，此时就可以相应的得到WiMAX帧的起始时刻，完成同步。

但在实际应用中，常规的方法对于WiMAX系统并不适用。这是因为WiMAX的前导序列具有结构上的重复性，如图2所示。此时如果用整个前导序列作为本地参考信号作滑动相关运算，当WiMAX帧到达时滑动相关运算的峰值两侧还会出现幅度较大的若干次峰值，这些次峰值会影响同步结果。

为了消除这些次峰值的影响，本发明只采用前导序列第一个OFDM符号(即前导符号)的一部分作为本地参考信号，同时设计适当的运算间隔跨度进行同步运算。

设接收端接收到受信道干扰的信号序列r(k)，该信号序列包含有前导符号；前导符号任意一个重复段为序列p_n，长度为P个采样点；设在p_n中除去与循环前缀相同的部分后剩余部分为l_n，它的长度为L个采样点。其中p_n与l_n均是在接收端已知的序列。

在用户站侧生成用于滑动运算的参考序列p_n或l_n，

当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时，采用公式(1)确定判决函数m(d)：

$m\left(d\right)=\frac{\left|\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\left(r^{*}(d+n)p_n\right)\&CenterDot;\left(r^{*}(d+n+4P)p_n\right))\right|}{\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|p_n\right|}^4}---\left(1\right)$

当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时，采用公式(2)确定判决函数m(d)：

$m\left(d\right)=\frac{\left|\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\left(r^{*}(d+n)l_n\right)\&CenterDot;\left(r^{*}(d+n+3P)l_n\right))\right|}{\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|l_n\right|}^4}---\left(2\right)$

公式(1)、(2)中的r^*()，表示对序列r()作共轭运算，d和n表示序列的采样点时序，d取正整数。以公式(1)为例解释算法：r(d+n)表示接收信号从第d到第d+P-1采样点之间的序列，将该序列求共轭后与p_n对应相乘得到r^*(d+n)p_n，同理将从第d+4P到第d+5P-1点之间的序列作上述运算，可以表示为r^*(d+n+4P)p_n。将r^*(d+n)p_n和r^*(d+n+4P)p_n代入公式(1)运算可以得到在时序d处的一次同步运算结果。例如当d＝1时，r^*(d+n)p_n表示将接收信号的第1至第P个采样点作共轭运算后与p_n序列对应相乘；r^*(d+n+4P)p_n表示将接收信号的第1+4P至第5P个采样点作共轭运算后与p_n序列对应相乘。依次增加d的值，计算不同时序d下的同步运算结果，完成滑动运算。

对于不同循环前缀长度，该同步运算采用不同的判决函数。将同步运算取得峰值的点定义为定时点d_T。当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时，采用两个p_n序列作为本地参考信号，其原则是保证在定时点处两个p_n序列分别与对应序列作相关运算均取得次峰值，此时将分别运算的结果作乘积可以极大的增强峰值的高度。另一方面，在其他点处，最多只有一个p_n序列的相关运算取得次峰值，而另一个p_n序列作相关运算只能得到伪随机序列，此时将分别运算的结果作乘积次峰值将会被消除。整个运算的结果将只留下一个峰值，且该峰值是一个尖锐且幅度很高的尖峰，有利于同步检测。欲达到上述目的，必须适当设定两个p_n序列间的运算间隔跨度，对比前导符号的结构，此时应选择4倍p_n的长度，如图3(a)所示。

当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时，由于循环前缀的长度小于p_n的长度，如果此时用第一种情况的方法进行运算，不能得到理想的同步结果。对第二种情况，采用两个l_n序列作为本地参考信号，此时为了遵循与第一种情况相同的设计原则应采用3倍p_n的长度作为运算跨度，如图3(b)所示。

定时点与WiMAX帧的起始位置有如下关系：

定时点d_T与WiMAX帧的起始点F有关系，当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时，所确定的定时点即为WiMAX帧的起始位置F，当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时，定时点的位置减去循环前缀长度后为WiMAX帧的起始位置F，用公式表示如下：

当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时，F＝d_T        (3)

当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时，F＝d_T-L_CP    (4)

根据以上同步算法分析可以得到接收端同步运算的流程：首先根据循环前缀长度的不同选择相应的公式确定其判决函数，调用定时判决函数算法模块，然后将接收到的信号序列r(k)以及序列p_n或l_n代入选定的判决函数进行运算，得到定时判决函数m(d)的值。

3.根据判决函数m(d)的值动态调整判决门限。

由于信道随环境不断变化，因此信号的衰落也随之不断变化。在这种情况下设定固定判决门限的办法不再可靠。本方法根据判决函数m(d)的值动态调整判决门限进行定时同步判决。调用定时判决函数算法模块，计算定时判决函数的值，确定定时判决门限，在采样点d中任取一点d_c，计算d_c处的判决门限，首先取d_c前后数量相等的若干采样点(一般前后运算跨度不小于前导符号长度)，并计算各自对应的判决函数m(d)的平均值，将该平均值乘以一系数k(系数k为试验得出的经验值，可取k＝3.5)，即为定时判决门限D。

4.对定时判决函数做滑动相关运算，计算定时判决函数的当前值，其值与定时判决门限D比较，进行定时同步判决确定定时点d_T。

如图3所示为定时判决函数的运算示意图，对公式(1)和(2)分别取不同的时序采样点d进行滑动运算，运算过程中m(d)函数曲线的极大值，分别对应了各自循环前缀长度下的定时点d_T，接收机对接收到的数据按照箭头的方向与训练序列p_n或l_n做滑动运算。当滑动运算进行到图示d_T位置时，判决函数m(d)到达峰值。d_T所示位置即为定时点，即m(d_T)为定时判决函数m(d)的极大值。观测m(d)的值，进行同步判决以确定定时点，当其超过定时判决门限时，该值对应的时序号d即为定时点d_T，由于WiMAX采用不定长的帧结构，所以在确定当前帧的定时点后，还要继续进行同步判决运算以检测下一帧的到达时刻。

5.确定WiMAX帧的起始位置

通过滑动相关运算得到的定时点d_T代入上述公式(3)或(4)，便可以确定WiMAX帧的起始位置，以确定下一帧的到达时刻，也即完成了接收同步。

下面以一具体实例对本发明的实施进行说明。在该实例中，假设系统采用N＝256个子载波数，循环前缀长度为

在通信过程中循环前缀长度保持不变。

当用户站每次接入网络时，基站会向其发送相关信息，对包括循环前缀长度在内的参数进行初始化。此时收发双方确定使用长度为

的循环前缀。用户站根据循环前缀的长度，选择公式(1)确定判决函数并进行符号定时，此时在用户站侧生成用于滑动运算的参考序列p_n。根据判决函数对接收到的信号序列进行滑动运算，以确定有用信号帧的到达时间。

动态更新判决门限，对每一个参与定时同步运算的采样点，对其计算各自的判决门限。取一个前导符号的长度，本实例中可取320点为判决门限运算跨度。首先计算采样点d_c的判决函数m(d_c)，然后等待d_c后续160个采样点的滑动运算完成(d_c之前160点的滑动运算已经先于d_c点完成)，最后求d_c前后共320点各自对应的m(d)的均值，将该均值乘以常数k(如k＝3.5)作为d_c点的判决门限。根据判决门限确定帧的起始位置，将采样点d_c的值带入公式(1)计算判决函数值，若点d_c对应的m(d)大于等于该点对应的判决门限，则该点就作为定时点d_T，根据式(3)，确认该点正是WiMAX帧的起始位置。

由于本方法利用两段随机序列相乘的方法来削弱噪声和次峰值的影响，与其他方法相比，在低信噪比情况下定时误差的方差较小，定时稳定性更好，同步精度高；在每一采样点处，由于判决函数的分母无需重复计算，同时分子最多只有

点参与运算。因此采用本方法具有较少的运算量；由于系统可以选择不同长度的循环前缀，本方法相应设计不同的定时判决函数以满足各种循环前缀下的定时需求。

Claims (2)

1、一种WiMAX系统的接收符号同步方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据信道的多径延迟确定循环前缀长度L_CP；根据循环前缀长度调用定时判决函数算法：当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时， $m\left(d\right)=\frac{\left|\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\left(r^{*}(d+n)p_n\right)\&CenterDot;\left(r^{*}(d+n+4P)p_n\right))\right|}{\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|p_n\right|}^4},$ 当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时， $m\left(d\right)=\frac{\left|\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\left(r^{*}(d+n)l_n\right)\&CenterDot;\left(r^{*}(d+n+3P)l_n\right))\right|}{\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|l_n\right|}^4}$ 计算定时判决函数m(d)的值；根据定时判决函数的值动态调整判决门限，比较定时判决函数的当前值和判决门限，计算定时点，根据定时点确定WiMAX帧的起始位置，WiMAX帧的起始位置F与定时点d_T满足关系：当 $L_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{4}N$ 时，F＝d_T，当 $L_{\mathrm{CP}}<\frac{1}{4}N$ 时，F＝d_T-L_CP，其中，N为系统的子载波数，d和n为采样点时序，r(k)为信号序列，p_n为前导符号重复段序列，l_n为在p_n中除去与循环前缀相同部分后剩余部分，P为p_n的长度，L为l_n的长度。

2、根据权利要求1所述的接收符号同步方法，其特征在于，计算定时点的步骤具体包括，对定时判决函数做滑动相关运算，计算定时判决函数的当前值，其值超过定时判决门限D所对应的时序号d为定时点d_T。

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