CN101286753A - 一种宽带无线通信系统的前导码发送接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽带无线通信系统的前导码发送接收方法。所述前导码发送方法，由基站侧在发送帧控制头之前，将含有系统同步信息的前导码符号发送至终端侧，包括：将所述前导码分为携带不同系统同步信息的原始前导码符号和增强前导码符号；将所述原始前导码符号和增强前导码符号进行组合，并确定其在无线帧中的位置后，发送出去。所述前导码接收方法，首先完成帧同步步骤，然后完成频率同步步骤，再通过对接收到的数据与本地参考信息进行匹配，获得所述增强前导码携带的信息最后获取所述原始前导码携带的信息。本发明提高了前导码的检测概率，和系统对频率偏移的适应范围。使得系统支持的小区数目大大增加，缩短小区搜索时间。
Description
技术领域
本发明涉及数字通信领域，特别是涉及一种宽带无线通信系统的前导码发送接收方法。
背景技术
作为一种多载波传输模式，正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplex，简称OFDM)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。而循环前缀(Cyclic Prefix，简称CP)的引入，又进一步增强了系统抗符号间干扰(Inter-symbol Interference，简称ISI)的能力。除此之外的带宽利用率高、实现简单等特点，也使OFDM在无线通信流域的应用越来越广。比如无线局域网(Wireless Local Area Network，简称WLAN)系统，基于正交频分复用多址的微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess，简称Wimax)系统，以及下一代移动通信系统(Beyond 3G)等都是基于OFDM技术的具体应用。
对于基于小区结构的移动通信系统，一般的基站必须广播基站信息给用户端，例如WiMAX系统通过帧控制头(Frame Control Header，简称FCH)告诉用户端所广播的资料信息是利用什么方式做信道编码、重复次数等等，然后，用户端即可根据这个信息单元(Information Element)解出基站广播出来的相关信息。
用户端在接收基站信息时要先做同步操作，因此在传送FCH之前，要先传送两端都已知的信号，称之为前导码(Preamble)，供用户端做帧检测、小区识别码(Cell ID)检测、频偏估计和采样时刻估计等等操作。用户端在做好信道估计及补偿后，即可开始解调FCH。由于FCH是已知的编码方式，因此用户端可直接对FCH解码。之后，再根据由前导码解出来的段(Segment)，小区识别码去判断应该对哪些子载波(Subcarrier)的数值做解调处理。
图1示出了现有技术中802.16E标准下WiMax系统无线帧结构示意，下行子帧包含如下部分：前导码(Preamble)101，帧控制头102和包括下行链路映射DL-MAP、上行链路映射UL-MAP的链路映射103，以及下行数据突发104和上行数据突发105。
图2为现有技术中，用户端在接收基站信息时首先进行的同步操作，包括如下步骤：
步骤201：利用前导码101的共轭对称性，或者前导码101的高功率特性，检测出前导码101的位置，进而获得帧的起始位置，完成帧同步操作。前导码101位于802.16E无线帧的第一个OFDM符号，也即下行子帧的起始。
步骤202：利用OFDM的CP与后面数据的重复特性检测频率偏置，再利用检测到的频率偏置对所接收到信号进行频率补偿，完成频率同步。
步骤203：然后把接收到的前导码信号变换到频域，和本地参考前导码信号互相关，获得小区识别码信息。
步骤204：最后读取FCH及DL-MAP信息，同步操作完成。
需要指出的是，每种系统的前导码是针对特定系统设计的。为了满足宽带无线通信系统向下一代系统的演进需求，需要对原有前导码重新设计，或者进行增强。以解决向下一代宽带无线通信系统演进时所存在的如下技术问题：
1)前导码采用功率检测时，前导码的功率需要比FCH的功率大9dB，因此FCH只能采用较低的功率发送；
2)前导码只提供Cell ID信息，造成带宽浪费；
3)基站发送的前导码在频域具有良好的伪随机序列(Pseudo-Noise，简称PN)的性质，但是变换到时域后，这种良好的PN性质受到了破坏；
4)对于每种带宽，都有114种前导码。因此带宽不同，前导码的长度也不同。按照此种设计，移动终端为了获得系统带宽，需要非常大的计算量，换句话说，一个5MHz系统的移动终端很难在10MHz系统下工作；
5)WiMAX系统实现帧同步的方法是利用Preamble的共轭对称性或者Preable的高功率特性，这两个方法的性能在低信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)或者衰落信道下的性能比较差，有进一步改善的余地；
6)最后WiMAX系统设计利用CP估计的频率偏置范围太小，只有Δf/2，其中Δf为OFDM系统的子载波宽度，而且频率偏置估计的性能也不够好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种宽带无线通信系统的的前导码发送接收方法，使小区搜索实现简单、搜索时间短，以解决如上所述的现有技术中前导码设计给小区搜索带来的搜索时间长、频偏适应范围小的问题。
为解决上述技术问题，本发明首先提供一种宽带无线通信系统的前导码发送方法，由基站侧在发送帧控制头之前，将含有系统同步信息的前导码符号发送至终端侧，其特征在于，包括：
将所述前导码分为原始前导码符号和增强前导码符号，其中，所述原始前导码符号和增强前导码符号分别携带有不同的系统同步信息；
将所述原始前导码符号和增强前导码符号进行组合，并确定其在无线帧中的位置后，发送出去。
根据上述的前导码发送方法，其中，所述增强前导码可以由具有良好互相关或自相关性质的序列组成。
根据上述的前导码发送方法，其中，所述增强前导码中含有小区分组信息；所述原始前导码中含有小区识别码组内信息。所述增强前导码中也可含有系统带宽信息；所述原始前导码中也可含有系统天线信息。
根据上述的前导码发送方法，其中，所述增强前导码的带宽可以小于等于所述系统带宽。进一步地，对于所述增强前导码带宽小于所述系统带宽，所述增强前导码的频带可以位于所述系统带宽的部分频带上。更进一步地，所述增强前导码频带可以位于所述系统带宽的中心频带上。
根据上述的前导码发送方法，其中，所述增强前导码在时域结构方面，在一个正交频分复用符号周期内可以分为前后重复的两部分，且每部分均可具有伪随机序列的性质。
根据上述的前导码发送方法，其中，所述系统的无线帧内，循环前缀位于所述增强前导码前面，其内容可以为所述增强前导码的最后一部分。
根据上述的前导码发送方法，其中，所述增强前导码在所述无线帧中的位置，可以位于所述原始前导码之前。所述增强前导码在所述无线帧中的位置，比如可以靠近所述原始前导码。而且，所述增强前导码的发射分集方式，可以与所述原始前导码的发射分集方式相同。
本发明进而提供了一种宽带无线通信系统的前导码接收方法，终端侧在接收基站侧发送的帧控制头之前，接收含有系统同步信息的前导码符号，其特征在于，所述前导码符号分为携带有不同系统同步信息的原始前导码符号和增强前导码符号；所述前导码接收方法包括：
(1)所述终端侧根据所述前导码符号的时域特性，从接收到的数据中提取符号同步和帧同步信息，完成帧同步步骤；
(2)根据所述前导码符号的时域特性，估计频偏并进行频偏补偿，完成频率同步步骤；
(3)提取每个帧中对应于所述增强前导码位置的一个正交频分复用符号的有用符号部分，执行离散傅立叶变换，通过对所述接收到的数据与本地参考信息进行匹配，获得所述增强前导码携带的信息；
(4)利用所述帧同步信息，提取每个帧中对应于所述原始前导码位置的一个正交频分复用符号的有用符号部分，执行离散傅立叶变换，从变换后的数据中获取所述原始前导码携带的信息。
根据上述的前导码接收方法，所述步骤(1)中，所述终端侧可以利用自相关或互相关检测方法提取到所述符号同步信息。
根据上述的前导码接收方法，所述步骤(1)、步骤(2)中，所述终端侧可以根据所述增强前导码的时域重复特性，分别完成所述帧同步步骤、所述频率同步步骤。
根据上述的前导码接收方法，所述步骤(3)中，所述增强前导码携带的信息可以包括小区分组信息；所述步骤(4)中，所述原始前导码携带的信息可以包括小区识别码组内信息。进一步地，所述步骤(3)中，所述本地参考信息，可以根据可能的小区分组信息和系统带宽信息生成。
根据上述的前导码接收方法，对于相干解调系统，所述步骤(3)中，所述增强前导码携带的信息可以进一步包括系统带宽信息，所述步骤(4)中，所述原始前导码携带的信息可以进一步包括系统天线信息。对于相干解调系统，所述步骤(4)还可以进一步包括，利用所述增强前导码解调所述原始前导码符号信息。
本发明还提供了一种宽带无线通信系统的无线帧结构，在帧控制头之前包括前导码符号，其特征在于，所述前导码符号包括原始前导码符号和增强前导码符号，其中，所述原始前导码符号和增强前导码符号分别携带有不同的系统同步信息。
根据上述的无线帧结构，其中，所述增强前导码可以由具有良好互相关或自相关性质的序列组成。
根据上述的无线帧结构，其中，所述增强前导码在所述无线帧中的位置，可以位于所述原始前导码之前。比如可以靠近所述原始前导码。
根据上述的无线帧结构，其中，所述增强前导码中可以含有小区分组信息；所述原始前导码中可以含有小区识别码组内信息。而且，所述增强前导码中也可含有系统带宽信息；所述原始前导码中也可含有系统天线信息。
根据上述的无线帧结构，其中，所述增强前导码的带宽可以小于等于所述系统带宽。进一步地，对于所述增强前导码带宽小于所述系统带宽，所述增强前导码的频带可以位于所述系统带宽的部分频带上。更进一步地，所述增强前导码频带可以位于所述系统带宽的中心频带上。
根据上述的无线帧结构，其中，所述增强前导码在时域结构方面，在一个正交频分复用符号周期内可以分为前后重复的两部分，且每部分均可具有伪随机序列的性质。
根据上述的无线帧结构，其中，所述系统的无线帧内，循环前缀可以位于所述增强前导码前面，其内容可以为所述增强前导码的最后一部分。
本发明的正交频分复用系统发射端前导码增强方法及小区搜索方法，通过在原始前导码附近设置新的在时域对称地具有PN序列的增强前导码，提高了前导码的检测概率及低信噪比情形的检测性能，提高了系统对频率偏移的适应范围。通过小区分组消息的引入，使得系统支持的小区数目大大增加，小区搜索实现简单，而且搜索时间短，扩大了小区寻址范围。最后，增强前导码可以适用于不同的系统带宽，而无需针对不同带宽的系统分别进行设计。
附图说明
图1为现有技术中WiMax系统无线帧实施例结构示意图；
图2为现有技术中用户台在接收基站信息前的同步操作实施例流程示意图；
图3为本发明无线帧实施例结构示意图；
图4为本发明增强前导码在频域部分特性示意图；
图5为本发明增强前导码在时域部分特性示意图；
图6为本发明终端侧前导码接收方法实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了满足宽带无线通信系统向下一代系统的演进需求，需要对原有的前导码进行重新设计，或者进行增强。本发明为了解决宽带无线通信系统向下一代系统的演进时所存在的部分问题，提出了一种宽带无线通信系统的无线帧结构，其总的思路是在原系统的每个无线帧中对前导码进行增强。相应地，宽带无线通信系统中的前导码发送和接收方法中，终端侧移动台根据增强后的前导码所具有的时域、频域特性，提高前导码的检测概率和系统对频率偏移的适应范围。同时使得系统所支持的小区数目也大大增加，并且缩短小区搜索时间，简单方便。
图3示出了本发明前导码增强方法实施例。在系统的每个无线帧中，在原有的前导码基础上再增加一个新的前导码，称之为增强前导码301。该增强前导码301在无线帧中的位置，与原始前导码302位置相对固定，且位于原始前导码302之前，靠近原前导码302的位置。而且该增强前导码301的发射分集方式，与原始前导码302的发射分集方式相同。
图3中除了增强前导码301、原前导码302外，还包括帧控制头303、包括下行链路映射DL-MAP、上行链路映射UL-MAP的链路映射304、以及下行数据突发305和上行数据突发306。
在增强前导码301发中发送Cell ID的分组信息，设Cell ID共为M组；在原前导码302中发送Cell ID组内信息，设为N个。Cell ID分组信息与Cell ID组内信息共组合为M×N个小区标识信号。在增强前导码301中发送系统带宽信息；在原前导码302中发送系统天线信息。
例如在WiMax系统中，本发明前导码增强方法，所采用的增强前导码301序列由具有良好互相关或自相关性质的序列组成。其中，增强前导码301中每三个序列为一组，对应同一个小区ID组。对Cell ID分组数目为M，则增强前导码301一共有3M个序列。每组增强前导码中的三个序列分别对应不同的系统带宽信息，最大可以表示23＝8种系统带宽。
本发明的前导码增强方法，采用的原前导码302序列由具有良好互相关和自相关性质的序列组成。其中，原前导码302中每三个序列为一组，对应同一个小区ID组内信息。对每个Cell ID分组中的组内数目为N，则原前导码302一共有3N个序列。每组原前导码302中的三个序列分别对应不同的系统天线信息，最大可以表示23＝8种天线信息。
在增加了增强前导码301之后，新的前导码包括原前导码302和增强前导码301。增强前导码301在频域部分，其频带位于系统带宽的部分频带，比如中心频带上，如图4所示。在频域结构方面，原前导码302的带宽与系统带宽相等，而增强前导码301的带宽小于或等于系统带宽。对于增强前导码301的带宽小于系统带宽，增强前导码301被置于小区系统带宽的中心，还是以WiMax系统为例，带宽例如为1.25MHz。对于系统带宽为1.25MHz的系统，原前导码302也在系统带宽的中心发送，基本带宽也为1.25MHz。对于带宽超过1.25MHz的系统，如带宽为5MHz的系统，原前导码302采用系统带宽5MHz，增强前导码带宽小于或等于系统带宽，如1.25MHz。
在时域部分，新的前导码符号的形成，包括两步：首先，在一个OFDM符号的周期内，由前后重复的两部分组成，即图5中的增强前导码301的第一部分502和增强前导码302的第二部分503，其中，每部分都具有类似伪随机序列(Pseudo-Noise，简称PN)的性质。其次，在增强前导码301前面加上循环前缀CP501，其中循环前缀CP501是增强前导码301符号最后一部分的重复，也即将图5中虚线右侧部分504的内容重复之后，将该重复部分位置搬移到增强前导码301的第一部分的前面，构成图5中的CP501。
为了更好地理解本发明的技术方案以及发明目的，本发明基于上述前导码增强方法，还提出了一种终端侧移动台(Mobile Station)前导码接收方法，在基于正交频分复用技术的宽带无线通信系统中，用于移动台在小区接入时进行小区搜索，如图6所示，包括如下步骤：
步骤601：终端侧移动台根据增强前导码301的时域特性，对接收到的数据进行正交频分复用符号同步操作，然后提取帧同步信息，完成帧同步步骤。
步骤602：再根据增强前导码301的时域特性，从接收到的数据中估计频偏，对频偏进行补偿，完成频率同步步骤；
步骤603：移动台提取每个帧中对应于增强前导码301位置的一个正交频分复用符号的有用符号部分，执行离散傅立叶变换，同时利用可能的小区分组信息和系统带宽信息产生本地参考信息，通过对接收到的数据与本地参考信息进行匹配，获得小区的小区分组信息，完成小区ID分组信息提取识别步骤；
步骤604：移动台再利用帧同步信息，提取每个帧中对应于原前导码302位置的一个正交频分复用符号的有用符号部分，执行离散傅立叶变换，从变换后的数据中提取出用于小区组内标识的标识信息，完成小区ID组内信息提取识别步骤；
步骤605：根据获得的小区分组信息和小区组内标识信息，获得最终的小区ID信息。最后，读取帧中的FCH，DL-Map信息，移动台完成小区接入时的搜索过程。
上述的本发明移动台小区搜索方法，对于相干解调系统，在上述步骤603中，进一步还包括移动台提取系统带宽信息；在上述步骤604中，进一步还包括移动台提取出系统天线信息，还利用增强前导码301来解调原始前导码符号的信息。
例如在WiMax系统中，移动台在系统中心频点1.25MHz内，利用增强前导码301的时域重复特性，作滑动自相关操作，通过相关峰值搜索，获得符号同步，进而完成帧同步操作。然后，利用增强前导码301的时域重复特性，进行粗频偏估计，并利用估计值作频偏补偿，完成频率同步。在时间同步后，进行小区ID组识别，分别用M×3个本地参考序列与接收的增强前导序列进行相关运算，得到M×3个相关值的相关结果，然后再搜索最大相关值所对应的索引，即可获得系统带宽信息和小区ID组号信息。之后，利用获得的增强前导码301序列，对原前导码302作相干解调，即可获得小区ID组内信息和天线数目。最后，读取FCH，DL-Map信息，同步完成，移动台完成小区接入时的搜索过程。
本发明中的增强前导码，由于其时域对称且具有PN码性质，因此，利用自相关或互相关的方法检测前导码符号，无须像现有技术那样前导码符号功率提高9dB，提高了前导码的检测概率及低信噪比情形的检测性能，提高了系统对频率偏移的适应范围。而且，由于新前导码中既包含了原始前导码之外，还包括一个新增的增强前导码，使得新的前导码中包含了更多的信息，同时，采用小区标识Cell ID分组的方法，也就使得终端侧移动台的小区搜索时间短，扩大了小区寻址范围，而且搜索简单。最后，增强前导码设计可适用于不同的系统带宽，无须像现有技术中对那样每个不同系统带宽，均需要相应的一种不同的前导码。
当然，本发明还可有其它多种实施例。在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作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之内。
Claims (30)
1、 一种宽带无线通信系统的前导码发送方法，由基站侧在发送帧控制头之前，将含有系统同步信息的前导码符号发送至终端侧，其特征在于，包括：
将所述前导码分为原始前导码符号和增强前导码符号，其中，所述原始前导码符号和增强前导码符号分别携带有不同的系统同步信息；
将所述原始前导码符号和增强前导码符号进行组合，并确定其在无线帧中的位置后，发送出去。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码由具有良好互相关或自相关性质的序列组成。
3、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码中含有小区分组信息；所述原始前导码中含有小区识别码组内信息。
4、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码中含有系统带宽信息；所述原始前导码中含有系统天线信息。
5、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码的带宽小于等于所述系统带宽。
6、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，对于所述增强前导码带宽小于所述系统带宽，所述增强前导码的频带位于所述系统带宽的部分频带上。
7、 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述增强前导码频带位于所述系统带宽的中心频带上。
8、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码在时域结构方面，在一个正交频分复用符号周期内分为前后重复的两部分，每部分均具有伪随机序列的性质。
9、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统的无线帧内，循环前缀位于所述增强前导码前面，其内容为所述增强前导码的最后一部分。
10、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码在所述无线帧中的位置，位于所述原始前导码之前。
11、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码在所述无线帧中的位置，靠近所述原始前导码。
12、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强前导码的发射分集方式，与所述原始前导码的发射分集方式相同。
13、 一种宽带无线通信系统的前导码接收方法，终端侧在接收基站侧发送的帧控制头之前，接收含有系统同步信息的前导码符号，其特征在于，所述前导码符号分为携带有不同系统同步信息的原始前导码符号和增强前导码符号；所述前导码接收方法包括：
(1)所述终端侧根据所述前导码符号的时域特性，从接收到的数据中提取符号同步和帧同步信息，完成帧同步步骤；
(2)根据所述前导码符号的时域特性，估计频偏并进行频偏补偿，完成频率同步步骤；
(3)提取每个帧中对应于所述增强前导码位置的一个正交频分复用符号的有用符号部分，执行离散傅立叶变换，通过对所述接收到的数据与本地参考信息进行匹配，获得所述增强前导码携带的信息；
(4)利用所述帧同步信息，提取每个帧中对应于所述原始前导码位置的一个正交频分复用符号的有用符号部分，执行离散傅立叶变换，从变换后的数据中获取所述原始前导码携带的信息。
14、 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述终端侧利用自相关或互相关检测方法提取到所述符号同步信息。
15、 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)、步骤(2)中，所述终端侧根据所述增强前导码的时域重复特性，分别完成所述帧同步步骤、所述频率同步步骤。
16、 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述增强前导码携带的信息包括小区分组信息；所述步骤(4)中，所述原始前导码携带的信息包括小区识别码组内信息。
17、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述本地参考信息，根据可能的小区分组信息和系统带宽信息生成。
18、 如权利要求13所述的方法，其特征在于，对于相干解调系统，所述步骤(3)中，所述增强前导码携带的信息进一步包括系统带宽信息，所述步骤(4)中，所述原始前导码携带的信息进一步包括系统天线信息。
19、 如权利要求13所述的方法，其特征在于，对于相干解调系统，所述步骤(4)进一步包括，利用所述增强前导码解调所述原始前导码符号信息。
20、 一种宽带无线通信系统的无线帧结构，在帧控制头之前包括前导码符号，其特征在于，所述前导码符号包括原始前导码符号和增强前导码符号，其中，所述原始前导码符号和增强前导码符号分别携带有不同的系统同步信息。
21、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码由具有良好互相关或自相关性质的序列组成。
22、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码在所述无线帧中的位置，位于所述原始前导码之前。
23、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码在所述无线帧中的位置，靠近所述原始前导码。
24、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码中含有小区分组信息；所述原始前导码中含有小区识别码组内信息。
25、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码中含有系统带宽信息；所述原始前导码中含有系统天线信息。
26、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码的带宽小于等于所述系统带宽。
27、 如权利要求26所述的无线帧结构，其特征在于，对于所述增强前导码带宽小于所述系统带宽，所述增强前导码的频带位于所述系统带宽的部分频带上。
28、 如权利要求27所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码频带位于所述系统带宽的中心频带上。
29、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述增强前导码在时域结构方面，在一个正交频分复用符号周期内分为前后重复的两部分，每部分均具有伪随机序列的性质。
30、 如权利要求20所述的无线帧结构，其特征在于，所述系统的无线帧内，循环前缀位于所述增强前导码前面，其内容为所述增强前导码的最后一部分。
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