CN101252390B - 一种基于并行策略的帧同步方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并行策略的帧同步方法及其实现装置，属于数字信息传输技术领域。该方法包括以下步骤：初始化同步位置，保持过程和更新过程；进行检测并记录保存检测结果；在保持过程判定是否保持失败，同时在更新过程判定是否更新成功，并保存判定结果；在保持失败并且更新成功的情况下，则用新的同步位置替换原同步位置；否则保留原同步位置；输出帧同步信息，该实现装置包含6个模块，分别为互相关运算、同步位置检测、非同步位置检测、同步保持、同步更新和状态更新模块。本发明通过接收序列互相关运算、并行策略、检测子策略、容错子策略和调整子策略等多种措施，实现了未知衰落信道下的可靠帧同步，能够对抗宽带无线传输系统中的多种信道非理想特性。

Description

一种基于并行策略的帧同步方法及其实现装置

技术领域

本发明属于数字信息传输领域，具体涉及到对抗宽带无线移动通信信道中未知衰落的一种基于并行策略的帧同步方法及其实现装置。

背景技术

几乎所有的数字通信系统都需要可靠的帧同步技术在接收端获得数据帧的起始位置。接收机帧同步可以借助于发射信号中包含的已知同步信息来进行。对于连续流系统，同步信息一般是周期性插入在发射数据流中的训练序列；对于突发模式系统，同步信息一般是放置在每个发射数据包的前面的前导序列。根据信号估计理论，在没有先验信息的情况下，基于已知同步信息的数据辅助对帧同步位置进行估计的最优算法是最大似然估计(Maximum-Likelihood Estimation)。但是，由于最大似然估计的复杂度高，所以在实用系统中多采用基于接收序列和本地同步序列互相关的方法。在数字接收机中，互相关运算的原理为：接收机获得定时信息后对接收信号进行采样和匹配滤波，并计算采样输出的接收信号与本地同步序列的互相关，然后搜索相关峰来获得帧同步位置。

移动通信信道通常是多径衰落信道，存在频率选择性衰落和时间选择性衰落，并且还存在阴影效应以及各种干扰。在频率选择性衰落信道中，由于多径效应，接收信号的采样输出序列和本地同步序列的互相关会产生多个相关峰，接收机通常通过搜索最大相关峰来获得帧同步位置。传统的帧同步策略为“保持策略”，它包括保持和更新两个过程，其工作原理为：在保持过程中，接收机在同步位置若连续α次检测失败，则系统确认失步，进入更新过程；在更新过程中，若在某个位置连续β次检测成功，则系统更新同步位置，以新的同步位置取代原有的同步位置，其中α和β都是大于或等于1的整数。然而，保持策略在未知衰落信道下存在以下问题：

1)在信道表现出快速时间选择性衰落时，由于信道冲激响应的主径位置(对应最大相关峰的位置)随时间快速变化，采用保持策略的帧同步容易频繁进入失步状态；

2)当信道由于阴影效应产生深衰落或者存在外界干扰的情况下，采用保持策略的帧同步往往不能保持在原来的主径位置，从而进入失步状态；进入失步态后，一般不能迅速回复到同步态，甚至在非同步位置上捕捉到伪同步。

采用减小保持策略中的α和β的值可以在一定程度上解决上述问题1)，但是不能解决问题2)。其它改进的帧同步策略可以用于存在信号衰落的数字复接器等数字通信设备中，(参见中国发明专利，申请号86107710，抗衰落帧同步方法和人民邮电出版社出版物数字复接技术(第二版))。然而，数字复接器等数字通信设备中的帧同步与无线移动通信系统中的帧同步之间存在如下的根本区别：

1)前者的同步信号一般较短，同步信号的误检测概率较大，容易出现伪同步；而后者的同步信号一般较长，在一定的容错下同步信号的误检测概率几乎为零，不易出现伪同步。

2)前者所面临的信道一般无多径传播，只存在信道衰落的问题，并且往往是慢衰落，而没有信道变换造成的主径位置切换问题；而后者所面临的信道不仅包括时间选择性衰落，还包括频率选择性衰落的，存在主径位置的切换问题，并且容易出现快衰落(当接收机相对于发射机快速移动时)。

3)前者的帧同步通常工作在其它接收机同步模块之后；而后者的帧同步通常工作在其它接收机同步模块(如载波和定时同步)之前，所以对帧同步性能要求很高，并且要求帧同步工作在多种非理想条件下。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对已知技术中的基于“保持策略”的帧同步方法在未知衰落信道下存在着容易频繁进入失步状态及以及进入失步态后不能迅速回复到同步状态等缺陷，重新开发一种帧同步方法及其实现装置以克服这些缺陷。本发明的目的在于提供一种基于并行策略的帧同步方法及其实现装置。这是一种适用于宽带无线移动通信系统的方法，能够在时变的多径信道下保证主径的无缝切换，并在发生深衰落和干扰的情况下尽量保持在原主径位置，为接收机的载波同步、定时同步和信道估计提供准确和可靠的帧同步。本发明的目的是依靠以下技术方案来实现的，一种基于并行策略的帧同步方法，其特征在于，在通信系统接收端按照以下步骤进行操作：

步骤101初始化同步位置，保持过程和更新过程；

步骤102根据检测子策略，对接收序列的每个位置，进行检测并记录保存检测结果；

步骤103根据检测结果，在保持过程判定是否保持失败，在更新过程判定是否更新成功；

步骤104在一帧间隔内，在保持失败并且更新成功的情况下，则用新的同步位置替换原同步位置；否则保留原同步位置；

步骤105输出帧同步信息，然后返回步骤103继续进行各步骤。

所述保持失败的判断准则具体为：在保持过程中，若同步位置连续α次检测失败，则确认保持失败，其中α是大于或等于1的整数。

所述更新成功的判断准则具体为：在更新过程中，若某非同步位置连续β次检测成功，则确认更新成功，其中β是大于或等于1的整数。

进一步分析，在利用互相关峰检测的条件下基于并行策略的帧同步方法中，所述检测子策略具体为：根据容错子策略，对保持过程和更新过程均设置预定门限；若某一位置的相关结果低于预定门限，则判定此位置检测失败，否则判定此位置检测成功。

进一步地，对利用互相关峰检测的条件下基于并行策略的帧同步方法，所述容错子策略具体为：保持过程的预定门限Γ′由更新过程的预定门限Γ确定，且Γ′＝λΓ，其中λ≤1；根据调整子策略，利用保持过程和更新过程的检测结果即时调整预定门限Γ。

进一步地，对利用互相关峰检测的条件下基于并行策略的帧同步方法下，所述调整子策略具体为：在保持过程中，若同步位置检测成功，则把当前相关结果赋予预定门限Γ，若同步位置检测失败，则降低预定门限Γ；在更新过程中，若非同步位置检测成功，则把当前相关结果赋予预定门限。

按照本发明提出的利用互相关峰检测的条件下基于并行策略的帧同步实现装置，该装置包含6个模块，其中互相关运算模块对接收序列进行互相关运算，得到互相关结果用于同步位检测和非同步位检测模块；同步位检测模块根据状态更新模块提供的信息在同步位置检测帧头，检测结果用于保持过程，并用于状态更新模块；非同步位检测模块根据状态更新模块提供的信息在非同步位置检测帧头，检测结果用于更新过程，并用于状态更新模块；保持过程在同步位置判断是否保持失败，判断结果用于状态更新模块；更新过程在非同步位置判断是否更新成功，判断结果用于状态更新模块；状态更新模块根据同步头检测结果和非同步头检测结果确定预定门限，根据保持失败和更新成功信息确定帧同步位置，将帧同步信息提供给其它模块并输出。

本发明技术方案的有益效果是：提出一种新的帧同步方法和实现装置。通过接收序列在并行策略统一下的互相关运算、并行过程、检测子策略、容错子策略和调整子策略等多种措施，实现了未知衰落信道下的可靠帧同步，能够对抗宽带无线传输系统中的多种信道非理想特性(包括接收机噪声、信道时间选择性和频率选择性)。

附图说明

图1是已有技术中基于保持策略的传统帧同步方法示意图；

图2是本发明提出的基于并行策略的帧同步方法示意图；

图3是本发明提出的基于并行策略的帧同步方法流程图；

图4是本发明提出的利用互相关峰检测的条件下基于并行策略的帧同步实现装置框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。首先讲述一下互相关运算与本发明并行策略的关系。

此处以本地训练序列和接收序列的互相关为例叙述本发明的帧同步策略，首先介绍互相关操作的基带等效模型。设某个系统中周期性插入在数据流中的训练序列为{c[n]}_n＝0 ^K-1，其中K为训练序列的长度，假定该序列具有近似理想的自相关性质：

$R_c\left[m\right]=\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}c[n+m]c^{*}\left[n\right]\left\{\begin{array}{cc}=K,& m=0\\ \&ap;0,& 1\&le;m<K\end{array}\right.$

其中上标*表示复共轭运算，m为相关运算间隔。在多径信道和加性高斯白噪声的影响下，接收的训练序列可以表示为：

$y\left[n\right]=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_l\left[n\right]c[n-l]+w\left[n\right]$

其中{h_l[n]}_l＝0 ^L-1表示用L阶时变FIR滤波器来建模的多径信道的冲激响应，w[n]表示加性高斯白噪声。假设y[n]是经过匹配滤波的接收序列，接收机计算它与本地序列{c[n]}_n＝0 ^K-1的互相关，假设信道冲激响应在训练序列持续时间内保持不变，即当0≤n＜K时，h_l(n)＝h_l，那么可以得到：

$R_{\mathrm{yc}}\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}y[n+m]c^{*}\left[n\right]=\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{l}c[m+m-l]c^{*}\left[n\right]+\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}w[n+m]c^{*}\left[n\right]={\mathrm{Kh}}_m+w^{\&prime;}\left[n\right]$

其中 $w^{\&prime;}\left[n\right]={\mathrm{\&Sigma;}}_{n=0}^{K-1}w[n+m]c^{*}\left[n\right]$ 为等效加性高斯白噪声。从上式可以看到，如果忽略噪声，由于多径传播效应和训练序列(如伪随机序列)的优良自相关特性，对每一个可分辨的多径，接收信号的采样输出序列(简称接收序列)和本地序列的互相关会产生一个相关峰(相关结果的幅度值为|R_yc(m)|)。因此，接收机可以通过搜索最大相关峰来获得帧同步位置(简称同步位)。为了提供一定的容错，接收机需要一个预定门限来检测相关峰。某一位置的相关峰超过预定门限则确定为检测成功，否则确定为检测失败。预定门限越大，同步信号检测器抗噪声能力越强(即虚假检测概率越低)，但是正确检测概率越低；反之预定门限越小，正确检测概率越高，但是抗噪声能力越低。

在以上叙述基础上，回到本实施方式中，参照图1表示已有技术中基于保持策略的传统帧同步方法示意图。它包括顺序工作的保持过程和更新过程，其工作原理为：在保持过程中，接收机在同步位置若连续α次检测失败，则系统确认失步，进入更新过程；在更新过程中，若在某个位置连续β次检测成功，则系统确认同步，以新同步位置取代原同步位置。这里，α和β都是大于或等于1的整数。

在准静态多径信道下，由于信道变化极其缓慢，信道冲激响应的主径位置几乎不发生变化，基于保持策略的帧同步方法能长期处于保持过程。但是，若信道发生快衰落，信道冲激响应的主径位置发生频繁切换，很有可能在原同步位置连续α次检测失败，也不能保证在新同步位置连续β次检测成功，因此导致基于保持策略的帧同步方法频繁处于失步状态，从而使得接收机无法正确工作。

通过减小保持过程的保护次数α和更新过程的校核次数β可以在一定程度上降低快衰落信道对帧同步的影响，比如令α＝β＝1。但是，对于连续流系统，设训练序列插入在发射数据流中的周期为T，那么基于保持策略的帧同步方法进行主径切换的时间至少是(α+β)×T＝2T，即有可能丢失两帧数据，这对于采用了交织(特别是长交织)的系统是十分不利的。

另外一种解决方法是基于更新策略的抗衰落帧同步方法。在更新策略中，保持过程被取消，仅仅采用更新过程，并降低更新过程的校核次数β。这样，采用更新策略的帧同步方法不断的进行新同步位置的搜索和校核。但是，由于取消了保持过程，当信道发生深衰落的或者受到干扰的情况下，此方法很可能无法保持住信道冲激响应主径的位置，这对于利用主径位置来进行后续同步(如载波恢复和定时恢复等)的系统是十分不利的。

参照图2表示本发明提出的基于并行策略的帧同步方法组成示意图。根据上述分析可以得出未知衰落信道下帧同步的两个基本要求：第一，因为主径位置不仅用来做帧同步，还有可能用于载波同步和定时同步，所以未知衰落信道下的帧同步需要保持过程，以便尽量保持住主径位置；第二，因为在时间选择性和频率选择性的信道下要实现主径变化时的无缝切换，所以需要更新过程，并且要降低失步状态的持续时间。在上述要求下，本发明提出用并行策略来实现未知衰落信道下的帧同步。它包括保持过程和更新过程，其功能分别为：

保持过程：在同步位置若以预定门限Γ′连续α次检测失败，则保持失败；

更新过程：在非同步位置若以预定门限Γ连续β次检测成功，则更新成功。

本发明提出的并行策略与上述保持策略或更新策略最大不同的地方在于：并行策略的保持和更新两个过程是并行进行的，只有在保持失败并且更新成功的情况下，才用新的同步位置替代原同步位置。

在未知衰落信道下，基于并行策略的帧同步方法的好处是显而易见的：第一，并行策略在试图保持原同步位置的时候就开始搜捕并校核新同步位置，加快了更新过程，降低甚至消除了失步状态的时间，从而可以实现快衰落信道下主径的无缝切换；第二，并行策略在没有发现并确认新同步位置的情况下总是保持原同步位置，从而可以在信道发生深衰落或者受到干扰的情况下尽量保持主径的位置。因此，基于并行策略的帧同步方法很好的回答了上述未知衰落信道下帧同步的两个基本要求。

在具体实施中，同步位置检测的优选实施例是利用互相关运算得到的互相关峰进行检测。对于利用互相关峰检测的条件下基于并行策略的帧同步方法，本发明进一步提出用于同步位置检测的容错子策略。为了保证在未知衰落信道下的相关峰检测能在虚假检测概率和正确检测概率之间获得折衷，实现最佳接收机特性，接收机需要提供容错准则。在利用互相关峰检测的条件下基于并行策略的帧同步方法中，对保持过程和更新过程中相关峰的检测分别设预定门限Γ′和Γ，以调整相关峰检测的概率，实现容错。本发明提供的相关峰预定门限具有以下两个特征：

1)因为只有在保持成功的时候，接收机才进行后续的同步功能(包括载波同步和定时恢同步等)，所以为了让保持过程优先于更新过程，设定门限Γ′＝λΓ，其中λ≤1；

2)在未知衰落信道中，主径的功率随时间变化，其对应的相关峰也是变化的。为了能在衰落信道下跟踪主径的位置，容错子策略中预定门限的调整子策略为：

2a)在保持过程中，若保持成功，则把当前相关峰的值赋予门限参考值Γ；若保持失败，则将门限参考值Γ降低，比如Γ←3Γ/4；

2b)在更新过程中，若当前相关峰的值大于门限参考值Γ，则把当前相关峰的值赋予门限参考值Γ，亦即在此过程中总是搜索比门限参考值Γ更大的相关峰。

参照图3，表示本发明提出的基于并行策略的帧同步方法步骤流程图，本方法的具体流程步骤如下：

步骤101初始化同步位置、保持过程和更新过程；

步骤102根据检测策略，对接收序列的每个位置，判定是否检测成功并记录检测结果。

步骤103根据检测结果，在保持过程判定是否保持失败，同时在更新过程判定是否更新成功；

步骤104在一帧间隔内，在保持失败并且更新成功的情况下用新的同步位置替代原同步位置，否则保留原同步位置；

步骤105输出帧同步信息，返回步骤103继续进行同步。

如前所述，对于利用互相关峰检测的基于并行策略的帧同步方法，本发明已提出检测子策略、用于检测子策略的容错子策略和用于容错子策略的调整子策略，不再赘述。

参照图4，表示本发明提出的利用互相关峰检测的基于并行策略的帧同步实现装置框图，图中包括6个模块，其中互相关运算模块对接收序列进行互相关运算，得到互相关结果用于同步位检测和非同步位检测模块；同步位检测模块根据状态更新模块提供的信息在同步位置检测帧头，检测结果用于同步保持模块，并用于状态更新模块；非同步位检测模块根据状态更新模块提供的信息在非同步位置检测帧头，检测结果用于同步更新模块，并用于状态更新模块；同步保持模块在同步位置判断是否保持失败，判断结果用于状态更新模块；同步更新模块在非同步位置判断是否更新成功，判断结果用于状态更新模块；状态更新模块根据同步头检测结果和非同步头检测结果确定预定门限，根据保持失败和更新成功信息确定帧同步位置，将帧同步信息提供给其它模块并输出。

上面对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例。

Claims (3)

1.一种基于并行策略的帧同步方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤101初始化同步位置、保持过程和更新过程；

步骤102根据检测子策略，对接收序列的每一个位置进行检测，具体操作是：对保持过程设置预定门限Γ′，对更新过程设置预定门限Γ；

利用本地序列和接收序列进行互相关得到的相关结果，保持过程和更新过程分别进行检测并记录保存检测结果，其中，

对保持过程，待检测位置的相关结果低于Γ′，则判定所述待检测位置的检测失败，否则判定检测成功，

对更新过程，待检测位置的相关结果低于Γ，则判定所述待检测位置的检测失败，否则判定检测成功；

步骤103根据检测结果，在保持过程判定是否保持失败，同时在更新过程判定是否更新成功，并保存判定结果，其中，

在保持过程中，若同步位置连续α次检测失败，则确认保持失败，α是大于或等于1的整数，

在更新过程中，若某非同步位置连续β次检测成功，则确认更新成功，β是大于或等于1的整数；

步骤104在一帧间隔内，在保持失败并且更新成功的情况下，则用新的同步位置替换原同步位置；否则保留原同步位置；

步骤105输出帧同步信息，然后返回步骤103继续进行各步骤。

2.如权利要求1所述的基于并行策略的帧同步方法，其特征在于，在利用互相关峰检测的条件下，所述设置预定门限的具体操作为：

保持过程的预定门限Γ′由更新过程的预定门限Γ确定，且Γ′＝λΓ，其中λ≤1；

在保持过程中，若同步位置检测成功，则把当前相关结果赋予预定门限Γ，若同步位置检测失败，则降低预定门限Γ；

在更新过程中，若非同步位置检测成功，则把当前相关结果赋予预定门限Γ。

3.一种如权利要求1所述的基于并行策略的帧同步方法所用的实现装置，它是限于利用 互相关峰检测的装置，其特征在于，该装置包含6个模块，分别为互相关运算模块、同步位置检测模块、非同步位置检测模块、同步保持模块、同步更新和状态更新模块，其中

互相关运算模块对接收序列进行互相关运算，得到互相关结果用于同步位检测和非同步位检测模块；

同步位检测模块根据状态更新模块提供的信息在同步位置检测帧头，检测结果用于同步保持模块，并用于状态更新模块，

非同步位检测模块根据状态更新模块提供的信息在非同步位置检测帧头，检测结果用于同步更新模块，并用于状态更新模块，

同步保持模块在同步位置判断是否保持失败，判断结果用于状态更新模块，其中，

如果同步位置的相关结果低于预定门限Γ′，则判定所述同步位置的检测失败，否则判定检测成功；

同步更新模块在非同步位置判断是否更新成功，判断结果用于状态更新模块，其中，

如果非同步位置的相关结果低于预定门限Γ，则判定所述非同步位置的检测失败，否则判定检测成功；

状态更新模块根据同步头检测结果和非同步头检测结果确定预定门限，根据保持失败和更新成功信息确定帧同步位置，将帧同步信息提供给其它模块并输出。 

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