CN101330316A - 一种应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，包括：步骤1，发送端在子帧固定位置构造参考信号，重复参考信号P次，P为自然数；步骤2，接收端截取相应位置的信号；步骤3，接收端利用参考信号和截取的信号求相关值序列；步骤4，接收端平滑相关值序列得到新的相关值序列；步骤5，接收端加权平均所述新的相关值序列；步骤6，接收端利用加权平均后的所述新的相关值序列的最大值位置确定时间同步位置。本发明在无线通信系统现有帧结构下实现，并且在保证同步方法精度的同时，未增加系统资源负担，运算量很小，非常利于工程实现。

Description

一种应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法及装置。

背景技术

随着数字信号处理技术和高速器件的发展，最初实现正交频分复用(OFDM)技术的障碍已不复存在，OFDM已经在数字音频广播(DAB，DigitalAudio Broadcast)、数字视频广播(DVB，Digital Vedio Broadcast)和无线局域网(WLAN，Wireless Local-area Network)等系统中取得了成功的应用。OFDM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。它把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码间干扰(ISI，Inter-Symbol Interfere)，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。由于上述特点，这项技术在近几年来得到广泛的应用。

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，为了解决这种矛盾，业界一直在不断寻找能够进一步提高频谱利用率的方法。

但是，OFDM技术在具有以上优点的同时，并不能消除它们自身的缺点：OFDM对频率偏移非常敏感。为了采用OFDM技术，载波偏差与子载波间隔相比较，必须很小，否则OFDM的解调性能将收到很大影响。然而无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道之间的信号互相干扰(ICI)。同时，OFDM系统的码元定时必须落在循环前缀(CP)允许的范围内，否则这时快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)解调窗口包含了非当前码元的信息，将引起码元间的干扰。

而对于OFDM系统定时同步来说，也可以采用已知的信息进行同步分析，如CP信息，是当前比较流行的处理方法，但是基于CP信息所得到可以不需要系统额外的资源实现同步，同时计算量也不大。但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。此外，利用导频/同步符号的特殊结构进行定时的精同步。

随着长期演进(LTE)研究工作的不断深入，在E-UTRA(Enhanced UTRA)无线通信系统中选择采用OFDM调制技术，一方面可以提高频谱利用率，另一方面可以有效抵抗频率选择性衰落。

在E-UTRA无线通信系统上行链路中，由于其帧结构已经确定，如何在利用该固定帧结构情况下实现上行链路的同步过程是需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法及装置，以解决在利用帧结构固定的情况下实现上行链路的时间同步的问题。

本发明提供一种应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，包括：

步骤1，发送端在子帧固定位置构造参考信号，重复参考信号P次，P为自然数；

步骤2，接收端截取相应位置的信号；

步骤3，接收端利用参考信号和截取的信号求相关值序列；

步骤4，接收端平滑相关值序列得到新的相关值序列；

步骤5，接收端加权平均所述新的相关值序列；

步骤6，接收端利用加权平均后的所述新的相关值序列的最大值位置确定时间同步位置。

所述无线通信系统为E-UTRA无线通信系统。

步骤1中，所述固定位置由短块位置决定。

所述的参考信号包括PN序列。

步骤2中，接收端截取短块相应位置的信号以及其后长度为L/P的信号，并去除长度为L/P的信号中包含的循环前缀，其中L为短块长度。

利用参考信号和截取的信号求相关值序列步骤使用参考信号与所述短块相应位置的信号以及去除了循环前缀的所述长度为L/P的信号进行L次滑动相关，求得相关值序列

和

步骤4中，

和

中前L/P个相关值与其间隔为L/P的相关值相加取均值，得到长度为L/P的新的相关值序列C₁和C₂。

步骤5中，加权平均的新的相关值序列按下式计算，

C＝w₁C₁+w₂C₂，其中 $\left\{\begin{array}{c}{w}_1+w_2=1\\ w_1/w_2={\mathrm{SNR}}_1/{\mathrm{SNR}}_2\end{array}\right.,$ SNR1和SNR2为参考信号所在短块的信噪比。

本发明提供一种的时间同步装置，包括发送端和接收端，其特征在于，

所述发送端包括：

参考信号构造模块，用于在子帧固定位置构造参考信号，重复参考信号P次；

所述接收端包括：

信号截取模块，用于截取相应位置的信号；

所述相关模块，用于利用参考信号和截取的信号求相关值序列；

平滑、加权模块，用于平滑相关值序列得到新的相关值序列，并加权平均所述新的相关值序列；

时间同步位置确定模块，用于利用加权平均后的所述新的相关值序列的最大值位置确定时间同步位置。

所述发送端为移动终端，所述接收端为基站接收端。

本发明在无线通信系统现有帧结构下实现，并且在保证同步方法精度的同时，未增加系统资源负担，运算量很小，非常利于工程实现。本发明中的同步方法得到的时间同步误差小，时间同步运算量较小，非常适合实时处理，采用算术平均以及加权平均算法，提高了该同步方法的正确性。本发明采用参考信号分块设计的方法，可有效降低相关算法的运算量。

附图说明

图1是本发明提供的应用在E-UTRA无线通信系统上行链路中的参考信号设计图示及其在时隙结构中的位置(图中以P＝2为例)；

图2是本发明提供的应用在E-UTRA无线通信系统上行链路中时间同步方法的流程图；；

图3是本发明提供的应用在E-UTRA无线通信系统上行链路中的时间同步装置图。

具体实施方式

下面以E-UTRA无线通信系统为例对本发明进行详细说明。

本发明中的同步方法包括下述步骤：

a)、发射端在组帧成时隙时构造参考信号，所述参考信号包括循环前缀及PN序列，成帧后由发射天线发射。其中参考信号的位置由图1中给出的时隙结构中短块SB的位置决定，在一个子帧中包括2个短块，其中长块LB的数目以及保护间隔TI由E-UTRA系统根据不同模式具体给出。其中短块中参考信号的结构是P个重复的PN序列组成(P为自然数，其中P的取值根据信道最大时延以及运算复杂度均衡考虑确定)，记为Signal_Ref，前面加循环前缀CP；P在本发明中为一变量，P值越大，运算复杂度越低，但所能检测的最大时延长度即L/P随之减小；P值越小，能检测到的最大时延长度增大，但算法的运算复杂度随之增加。

b)、接收端由天线接收信号，将经过采样等模块处理后的接收信号中的短块相对应位置的信号以及其后长度为L/P的信号截取下来(L为短块长度)，将其去CP后，分别记为r_SB1及r_SB2；在这里截取的数据长度为L+Lcp+L/p，去CP后，长度为L+L/P，其中Lcp表示CP长度；

c)、用参考信号Signal_Ref，即发射时参考信号中的时域波形分别与r_SB1及r_SB2进行L次滑动相关，得到2组L个相关值

和

d)、由于发射端参考信号中由P个相同的PN序列组成，将

和

中前L/P个相关值与其间隔为L/P的相关值相加取均值，得到长度为L/P的2组新相关值序列C₁和C₂；对相关值序列C₁和C₂进行加权平均，其中权值由接收信号中两个短块部分的信噪比决定；

e)、在合并后的相关值序列C中寻找最大值，其最大值在相关值序列中对应的位置即为时间同步位置；

本实施例中提供一种在E-UTRA通信系统上行链路中时间粗同步和精同步估计的方案，从而使得E-UTRA无线通信系统上行链路中的基站接收端能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。

本发明中的同步方法具体包括下述步骤，如图2所示，其中参考信号结构以P＝2为例，即每个短块中包括2个重复的PN序列：

步骤21，在子帧固定位置构造参考信号，重复参考信号P次。发射端在组帧成时隙时构造参考信号，发射端在组帧成时隙时构造参考信号，所述参考信号包括PN序列，成帧后由发射天线发射。其中参考信号的位置由图1中给出的时隙结构中短块SB的位置决定，在一个子帧中包括2个短块，短块包括循环前缀和参考信号，参考信号的结构是P＝2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)

$h(\mathrm{\τ},t)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)---\left(1\right)$

后得到 $R\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right)s_k(t-{\mathrm{\τ}}_i);$

步骤22，在接收信号中分别截取相应位置的接收参考信号。接收端由天线接收信号，将经过采样等模块处理后的接收信号中的短块相对应位置的信号以及其后长度为L/P的信号截取下来(L为短块长度)，将其去CP后，分别记为r_SB1及r_SB2；

步骤23，利用已知参考信号滑动求参考信号。用参考信号Signal_Ref，即发射时参考信号中的时域波形分别与r_SB1及r_SB2进行L次滑动相关，得到2组L个相关值

和

。将每部分对应的发射信号Singal_Ref记为s，则其与r_SB1及r_SB2的互相关为：

${\tilde{C}}_1\left(l\right)=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}^{*}\left(k\right)r_{\mathrm{SB}1}(k+l)/\sqrt{\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s\left(k\right)\right|}^2}\sqrt{\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{\mathrm{SB}1}\left(k\right)\right|}^2}---\left(2\right)$

${\tilde{C}}_2\left(l\right)=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}^{*}\left(k\right)r_{\mathrm{SB}2}(k+l)/\sqrt{\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s\left(k\right)\right|}^2}\sqrt{\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{\mathrm{SB}2}\left(k\right)\right|}^2}$

其中l＝1，2，…，L。

步骤24，根据参考信号结构平滑参考信号、加权平均不同短块间的参考信号。由于长度为L的参考信号分为P个相同的部分，M＝L/P，可将和中前L/P个相关值与其间隔为L/P的相关值相加取均值，得到长度为L/P的2组新相关值序列C₁和C₂，如下所示：

$C_1\left(m\right)=\frac{1}{P}\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{C}}_1(\mathrm{pM}+m)---\left(3\right)$

$C_2\left(m\right)=\frac{1}{P}\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{C}}_2(\mathrm{pM}+m)$

其中m＝1，2，…，M。

对相关值序列C₁和C₂进行加权平均，其中权值由接收信号中两个短块部分的信噪比决定，权值服从下式，SNR1为SB#1的信噪比，SNR2为SB#2的信噪比：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1+w_2=1\\ w_1/w_2={\mathrm{SNR}}_1/{\mathrm{SNR}}_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

则合并后的相关值序列C可由下式计算得到：

C＝w₁C₁+w₂C₂                     (5)

步骤25，由参考信号的最大值位置确定精确时间同步位置。根据所得相关值序列C寻找其最大值的位置，即为所求时间同步位置T_delay，该过程可由下式表示为：

$T_{\mathrm{delay}}=\arg \underset{m}{\max }\left\{C\left(m\right)\right\}---\left(6\right)$

本发明中的方法可将整个E-UTRA无线通信系统上行链路中的时间同步过程分为以下几个步骤：1，发射端构造特殊的重复参考序列符号；2，在接收端截取相应接收参考信号；3，利用已知参考序列滑动求相关；4，根据参考信号结构平滑参考信号；5，加权平均不同短块间的参考信号；6，根据参考信号的最大值的位置确定时延位置值，最后输出E-UTRA无线通信系统上行链路中精确的时间同步值。

图3为本发明提供的装置，包括发送端31和接收端32，其中发送端31为移动终端，接收端32为基站接收端。

所述发送端31还包括参考信号构造模块311，用于在子帧固定位置构造参考信号，重复参考信号P次；

所述接收端32还包括信号截取模块321，相关模块322，平滑、加权模块323，以及时间同步位置确定模块324。信号截取模块321，用于截取相应位置的信号；所述相关模块322，用于利用参考信号和截取的信号求相关值序列；平滑、加权模块323，用于平滑相关值序列得到新的相关值序列，并加权平均所述新的相关值序列；时间同步位置确定模块324，用于利用加权平均后的所述新的相关值序列的最大值位置确定时间同步位置。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (10)

1.一种应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，包括：

步骤1，发送端在子帧固定位置构造参考信号，重复参考信号P次，P为自然数；

步骤2，接收端截取相应位置的信号；

步骤3，接收端利用参考信号和截取的信号求相关值序列；

步骤4，接收端平滑相关值序列得到新的相关值序列；

步骤5，接收端加权平均所述新的相关值序列；

步骤6，接收端利用加权平均后的所述新的相关值序列的最大值位置确定时间同步位置。

2.如权利要求1所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，所述无线通信系统为E-UTRA无线通信系统。

3.如权利要求2所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，步骤1中，所述固定位置由短块位置决定。

4.如权利要求2所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，所述的参考信号包括PN序列。

5.如权利要求3所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，步骤2中，接收端截取短块相应位置的信号以及其后长度为L/P的信号，并去除长度为L/P的信号中包含的循环前缀，其中L为短块长度。

6.如权利要求5所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，利用参考信号和截取的信号求相关值序列步骤使用参考信号与所述短块相应位置的信号以及去除了循环前缀的所述长度为L/P的信号进行L次滑动相关，求得相关值序列

和

7.如权利要求6所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，步骤4中，和

中前L/P个相关值与其间隔为L/P的相关值相加取均值，得到长度为L/P的新的相关值序列C₁和C₂。

8.如权利要求7所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步方法，其特征在于，步骤5中，加权平均的新的相关值序列按下式计算，C＝w₁C₁+w₂C₂，其中 $\left\{\begin{array}{c}{w}_1+w_2=1\\ w_1/w_2={\mathrm{SNR}}_1/{\mathrm{SNR}}_2\end{array}\right.,$ SNR1和SNR2为参考信号所在短块的信噪比。

9.一种利用权利要求1-8中任意一项所述方法的时间同步装置，包括发送端和接收端，其特征在于，

所述发送端包括：

参考信号构造模块，用于在子帧固定位置构造参考信号，重复参考信号P次；

所述接收端包括：

信号截取模块，用于截取相应位置的信号；

所述相关模块，用于利用参考信号和截取的信号求相关值序列；

平滑、加权模块，用于平滑相关值序列得到新的相关值序列，并加权平均所述新的相关值序列；

时间同步位置确定模块，用于利用加权平均后的所述新的相关值序列的最大值位置确定时间同步位置。

10.如权利要求9所述的应用在无线通信系统上行链路中的时间同步装置，其特征在于，所述发送端为移动终端，所述接收端为基站接收端。

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