CN101163124A

CN101163124A - 一种实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法

Info

Publication number: CN101163124A
Application number: CNA2006101496688A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 张学林
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: CN101163124B

Abstract

本发明公开了一种实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法，包括：发送端在组帧时构造导频/同步符号，成帧后由天线发射，发射天线均同时发射具有特殊结构的前导码，该前导码结构为重复参考信号，前面加CP；利用参考信号和接收信号进行滑动相关，设定阈值，将超过阈值的相关值的幅度值的位置和大小记录于序列；由序列剔除伪多径，确定真实多径的个数及位置；利用确定的多径位置个数及位置，确定信号的信噪比，选择其中最大的为主径，确定精确同步位置。采用本发明所述方法，在不低于现有同步方法精度的同时，提高了运算速度，而且时间同步误差小、运算量较小；无需粗同步和精同步两步，可直接得到时间同步误差。非常适合实时处理。

Description

一种实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法

技术领域

本发明涉及无线通信中的多输入多输出(MIMO，Multiple InputMultiple Output)和正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)技术，尤其涉及MIMO OFDM系统中时间同步技术。

背景技术

OFDM技术充分利用各个子载波之间的正交性，允许子信道的频谱相互重叠，可以很大程度地利用频谱资源；将高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少了无线信道的时间弥散所带来的ISI(符号间串扰)；同时由于各子信道的带宽相对较窄，均衡便可以对每个子载波分别进行，这样就减少了接收机内均衡的复杂度。OFDM由上述特点所带来的抵抗频率选择性衰落能力强、频谱利用率高、消除码间干扰能力强，接收结构简单、成本较低等优点，使其非常适合高速数字数据传输，被认为是下一代移动通信系统的关键技术之一。随着数字信号处理技术和高速器件的发展，OFDM已经在DAB、DVB和WLAN等系统中取得了成功的应用。

MIMO(多输入多输出)是指在发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线。其基本思想是在发射、接收或收发双端采用多个天线，通过空时处理技术，充分利用信道之间的独立衰落特性，从而在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率、频谱利用率以及通信质量和系统容量。

在未来的宽带无线通信系统中，高速业务和用户数的激增使得对频谱的需求量急剧增加，而频谱资源是有限的。而将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现高频谱利用率。同时，在MIMO OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。

但是，MIMO与OFDM结合在具有以上优点的同时，并没有消除它们自身的缺点：OFDM对时间和频率同步要求非常高，否则就容易导致符号间串扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。

对于MIMO+OFDM系统定时同步来说，可以采用已知的信息进行同步分析，如循环前缀(CP)信息，这是当前采用较多的处理方法，基于CP信息所得到可以不需要系统额外的资源实现同步，同时减少对于设备复杂度的要求。

但传统的采用CP的方法其缺点是相关峰较为平坦，不利于判决，同时频偏估计范围小。所以，一般作为定时粗同步。再利用导频/同步符号的特殊结构进行定时的精同步。传统时间同步一般分为两个步骤，粗同步得到的时间点有一定的活动范围，需要进一步精细同步才能够满足需要。

清华大学周世东等在2003年9月12日申请的申请号为CN03157053.4，公开号CN1523795专利在利用PN码同步信道获得OFDM系统粗同步的方法中提出了利用自相关性很好的PN码来作为同步信道的数据，设定一种PN码配置选取图案，通过一段时间内的相关器匹配计算来获取最大相关峰输出，与PN码图案相比较来获得接受数据的帧同步信号，该方法同时采用同步状态转换机，根据相关器输出结果以及相关器计算时间范围，有效地确定出粗同步的信号，为下一步时频精同步的计算提供依据。

但由于此粗同步方法采用两种PN码参考序列，需要分别进行相关运算，并且引入状态机，增加了对系统设备复杂度的要求，因此该方法的可实现性较差。

MA Jianglei等在2003年4月24号申请的国际公开号：W 003034642A2专利MIMO-OFDM通信系统中系统接入同步的方法以及物理层传输包和前导设计提供一种在MIMO-OFDM系统中检测、同步和蜂窝选择的装置。该方法首先利用前导头在时域进行粗同步，根据粗同步得到的初始同步位置确定搜索窗，其长度为OFDM符号长度的两倍，在窗内对接收信号剔除前缀后进行FFT计算得到频域部分，再分别与已知的同步PN码序列求相关，在满足一定门限的情况下选择最大相关值，最终确定精确同步位置。该方法的同步符号中包含多个完全相同的部分子集，使用相关的方法可以得到码元精确同步信息，但该方法码元同步时的相关峰比较宽，难以判断最佳的码元同步时刻，同时同步开销要进行多次FFT运算，系统资源耗费太大。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的时间同步方法，给出MIMO OFDM系统的直接时间估计方案以改进现有同步手段。即提供一种MIMO+OFDM通信系统中时间粗同步和精同步估计方案，从而使得MIMO+OFDM接收系统在以较小系统资源的代价下通过低复杂度算法实现码元同步。

本发明给出一种基于发、收信号的互相关的方法，在经过适当的方法补偿校正后直接准确定位时间同步点

本发明是这样实现的：

一种实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法，包括如下步骤：

第一步、发送端在组帧时构造导频/同步符号，导频/同步符号包括循环前缀及PN序列，成帧后由天线发射，发射天线均同时发射具有特殊结构的前导码，该前导码结构为重复参考信号，前面加CP；

第二步、接收端天线接收信号，经过空时处理后得到经过无线信道后的发射信息，用参考信号与接收信号的前L个符号进行滑动相关，得到L个相关值；

第三步、计算L个相关值的幅度大小，然后根据预先设定的阈值，将超过阈值的相关值的幅度值的位置和大小记录于序列；

第四步、所述序列包含所有前导码中参考信号，可根据参考信号的长度从序列中得到多个子窗内的多径数目及位置，剔除伪多径，确定真实多径的个数及位置；

第五步、利用确定的多径位置个数及位置，确定信号的信噪比，选择其中最大的为主径，确定精确同步位置。

本发明所述方法独特、新颖，和传统的方法相比具有如下特点：

1、可将在设备复杂度许可范围内降低阈值，从而避免了将可能的多径位置漏取的可能性；

2、包含伪多径去除步骤，使因降低门限所带来的伪峰值被滤除，避免了性能和计算量的损失；

3、采用估计不同径信噪比的方法，提高了该同步算法的正确性。

总之，本发明所提供的方法，由于采用在本发明的MIMO+OFDM通信系统中直接时间估计方案，在不低于现有同步方法精度的同时，提高了运算速度，而且时间同步误差小、运算量较小；无需粗同步和精同步两步，可直接得到时间同步误差。非常适合实时处理。

附图说明

图1为本发明所述方法中前导符号的结果示意图；

图2为本发明所述方法的实施流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对发明所述方法进行详细描述。

本发明所述方法，分别通过在发射端构造特殊的重复参考序列前导符号、在接收端利用已知参考序列求相关、根据门限得到峰值序列、统计不同窗内的峰值位置去除伪多径、根据信噪比最终得到精确时间同步位置，这些步骤之间相互联系，去除伪多径和信噪比计算比较之前的峰值相关模块进行校正，直接得到精确的时间同步估计。

图2为本发明所述方法具体实施过程中的流程图。

假设MIMO+OFDM包括M个发送天线、N个接收天线，主要包括以下步骤：

1、发射端前导构造步骤：发送端M个(M为发送通道个数)在组帧时构造导频/同步符号，所述导频/同步符号包括循环前缀及PN序列，成帧后由M个天线发射。其中M个发射天线均同时发射特殊结构的前导码(见附图1)：本例中q的取值为4，即前导码的结构是4次重复的时域波形(斜线部分)记为Signal_Ref，前面加CP。

设发射参考信号为{s_k}，经过信道h(τ，t)

h (τ, t) = \underset{i}{Σ} α_{i} (t) δ (t - τ_{i})

(1)

后得到{r_k}，

r_{k} (t) = \underset{i}{Σ} α_{i} (t) s_{k} (t - τ_{i});

2、滑动相关步骤：接收端N个天线接收信号，经过空时处理后得到经过无线信道后的发射信息。由于所构造的特征前导码具有4次重复的结构，可以利用它来进行帧头搜索。具体的，设接收的对应参考信号是{r_k}，而长度为L的OFDM时域符号分为4个相同的部分，

T = \frac{L}{4} .

每部分对应的发射信号为{s_k}，则它们的互相关为

R (l) = Σ_{k = 0}^{L - 1} s_{k}^{*} r_{k + l} / \sqrt{Σ_{k = 0}^{L - 1} {| s_{k} |}^{2}} \sqrt{Σ_{k = 0}^{L - 1} {| r_{k + l} |}^{2}}

(2)

3、检测峰值步骤：由于在时间同步阶段，信号中有多径、频偏的影响，取相关函数的模，每个信号窗前面都有一组明显的峰值；然后，用一定的门限值定位帧头。峰值的位置记录于序列P中

P＝{|R(l)|，l}，where l＝arg(|R(l)|＞V_threshold)(3)

其中V_threshold为预先设定的阈值，将超过阈值的相关值的幅度值的位置和大小记录于序列P；

4、检测多径步骤：P序列包含所有前导码中重复的时域波形，可根据参考信号Signal_Ref的长度T，从P序列别得到4个子窗内的多径数目及位置，所有窗都同时出现的多径位置即为真实多径，其余为伪多径；

5、获取同步位置步骤：利用确定的多径位置分别向后取T位长的接收数据，计算其信噪比，选择其中最大的为主径，即同步位置。

本发明方法可将整个MIMO+OFDM时间同步过程分为以下几个步骤：①在发射端构造特殊的重复参考序列前导符号；②在接收端利用已知参考序列对经过无线信道后的接收信号求相关；③根据预先设定的门限得到峰值序列；④统计不同窗内的峰值位置去除伪多径；⑤计算上一步骤得到的不同多径的信噪比，选出其中最大值位置，最后输出MIMO+OFDM的时间同步值。

但应当理解的是，本发明的上述针对较佳实施例的描述较为具体，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法，其特征在于：

所述参考信号重复的次数是根据同步精度和设备的复杂度来取值。

3.如权利要求1所述的实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法，其特征在于：

所述第三步，

取相关函数的模，由于每个信号窗前均有一组明显的峰值，则利用设定的阈值定位帧头，将峰值的位置记录于序列中。

4.如权利要求1所述的实现多输入多输出正交频分复用系统时间同步的方法，其特征在于：

所述第四步，

所述子窗的个数与参考信号重复的次数取值相同；

所述剔除伪多径，确定真实多径的个数及位置，是指所有子窗同时出现的多径位置即为真实多径，其余为伪多径。