CN101340420A - 一种定时度量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种定时度量的方法，包括以下步骤：根据前导符号preamble在时域上的分段重复特性，将接收的信号划分为两段信号，分别计算所述两段信号的能量；根据所述两段信号的能量对所述两段信号的互相关进行归一化处理，将所述归一化处理的结果作为定时度量函数。本发明实施例的技术方案使用观测窗口中划分后的两段信号的能量，对两段信号的互相关进行归一化处理，提高了粗定时检测算法的鲁棒性，降低了虚警概率。

Description

一种定时度量的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种定时度量的方法和装置。

背景技术

20世纪90年代以来，多载波技术成为宽带无线通信的热点技术。其中应用该技术最有代表性的系统为采用OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用)技术的WiMAX(Worldwide Interoperability forMicrowave Access，全球微波互联接入)系统。多载波技术引用中，基本思想是将一个宽带载波划分成多个子载波，并在多个子载波上同时传输数据。在多数的系统应用当中，子载波的宽度小于信道的相干带宽，这样在频率选择性信道上，每个子载波上的衰落为平坦衰落，这样就减少了符号间串扰，并且不需要复杂的信道均衡，适合高速数据的传输。

WiMAX系统在小区搜索前期需要完成帧检测和粗定时同步，在这之后才能进行后续的小区标识识别和频偏估计，因此粗定时的准确性直影响了小区识别与频偏估计性能。粗定时通过下行帧的前导信号Preamble来完成，Preamble用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其他移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔。Preamble完成传输后，接收方才开始接收数据。

不同小区(Cell)，不同扇区(Segment)使用的Preamble调制序列，有三种类型的Preamble载波集合。

Preamble的载波集合由如下公式定义：

PreambleCarrierSet_n＝n+3·k

其中，PreambleCarrierSet_n为分配给Preamble的所有子载波Subcarrier集合，n为Preamble载波集合索引(0，1，2)，k为索引，k＝0，1，...，567(FFT长度为2048的系统)。

如图1所示，为Preamble调制序列时域特性示意图，Preamble调制序列包含在接收信号序列r(k)中，包括S1、S2和S3三段信号，且S1、S2和S3三段信号在时域上重复。

如图2所示，为现有技术中定时度量的方法流程图，包括以下步骤：

步骤201，计算观测窗口中各段信号的互相关。

在OFDM系统中，信号的最小组成单位为一个OFDM符号。观测窗口相当于一个存储接收到的信号的装置，通过对观测窗口中的信号的处理，可以达到定时度量的目的，观测窗口的宽度为一个OFDM符号的长度。

图1中的接收信号序列r(k)依次进入观测窗口，当Preamble调制序列全部进入观察窗口时，为了描述方便，将Preamble调制序列划分为两段，分别称为A段信号和B段信号，其中，A段信号包括S1和S2两段信号，B段信号包括S2和S3两段信号，观测窗口中A段信号和B段信号的互相关P(d)可由如下公式计算：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+L}\right)$

其中，L为一个OFDM符号长度的1/3，d为接收的信号进入观测窗口的起始时刻，m为一个取值在0到(2L-1)之间的变量。

步骤202，计算接收到的信号的能量。

d时刻接收到的信号的能量R(d)为：

$R\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m}\right|}^2$

步骤203，构造定时度量函数。

定时度量函数M(d)可由如下公式构造：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{R^2\left(d\right)}$

步骤204，设立帧检测门限，实现帧检测和时间同步。

当定时度量函数M(d)的值超过帧检测门限时，则认为有帧到来，并将该定时度量函数超过帧检测门限的峰值位置，即d时刻作为粗定时位置。

发明人在实现本发明过程中，发现：Preamble调制序列为下行帧的第一个符号，Preamble调制序列之前为上行符号以及上行符号与下行帧之间的保护间隔，终端可能接收到一部分其他终端的上行信号，这一部分能量是不确定的，有可能非常微弱。

如图3所示，为现有技术中定时度量函数出现错误峰值时接收的信号的能量示意图。为了描述方便，将观测窗口中接收的信号划分为两段，分别称为A段信号和B段信号，其中，A段信号包括S1和S2两段信号，B段信号包括S2和S3两段信号。在A段信号和B段信号的能量相差很大时，定时度量函数M(d)将在错误的位置出现峰值，导致帧检测错误。下面以仿真结果说明，仿真信道为VA(60km/h)，信噪比30dB，下行和上行分别25和23个OFDM符号，一个OFDM由数据部分和CP(Circle Prefix，循环前缀)组成，CP是一份附加在OFDM符号前面的数据符号的末尾部分。通过添加CP，能够保证信道处于正交状态，防止了一个辅载波与另一个载波相混淆。设数据部分1024个样点，CP128个样点，因此帧长为(1024+128)*(25+23)＝55296样点。

如图4所示，为现有技术中定时度量函数出现错误峰值时的仿真示意图，可以看到，定时度量函数在错误位置出现了峰值，导致定时错误。

发明内容

本发明实施例提供一种定时度量的方法和装置，解决提高了观测窗口中的两段进行互相关运算的信号能量相差较大时，定时度量函数产生错误峰值的问题。

本发明实施例一方面提出一种定时度量的方法，包括以下步骤：

根据前导符号preamble的在时域上的分段重复特性，将接收的信号划分为两段信号，分别计算所述两段信号的能量；

根据所述两段信号的能量对所述两段信号的互相关进行归一化处理，将所述归一化处理的结果作为定时度量函数。

另一方面，本发明实施例提出一种定时度量装置，包括：

划分模块，用于根据前导符号preamble的时域特性，将接收的信号划分为两段信号；

计算模块，用于计算所述划分模块划分的所述两段信号的能量；

归一化模块，用于根据所述计算模块计算的所述两段信号的能量对所述两段信号的互相关进行归一化处理；

执行模块，用于将所述归一化模块得到的所述归一化的结果作为定时度量函数。

本发明实施例的技术方案具有以下优点，因为将接收的信号划分为两段信号，并使用划分后的两段信号的能量，对该两段信号的互相关进行归一化处理，从而，提高了粗定时检测算法的鲁棒性，降低了虚警概率。

附图说明

图1为Preamble调制序列时域特性示意图；

图2为现有技术中定时度量的方法流程图；

图3为现有技术中定时度量函数出现错误峰值时接收的信号的能量示意图；

图4为现有技术中定时度量函数出现错误峰值时的仿真示意图；

图5为本发明实施例中定时度量的方法流程图；

图6为本发明实施例中定时度量的一种具体实现方式流程图；

图7为本发明实施例中定时度量函数的构造流程图；

图8为本发明实施例中定时度量函数的仿真示意图；

图9为本发明实施例中定时度量装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

如图5所示，为本发明实施例中定时度量的方法流程图，包括以下步骤：

步骤501，根据preamble的在时域上的分段重复特性，将接收的信号划分为两段信号。

不同小区(Cell)、不同扇区(Segment)使用的Preamble调制序列，有三种类型的Preamble载波集合。

Preamble的载波集合由如下公式定义：

PreambleCarrierSet_n＝n+3·k

其中，PreambleCarrierSet_n为分配给Preamble的所有子载波Subcarrier集合，n为Preamble载波集合索引(0，1，2)，k为索引，k＝0，1，...，567(FFT长度为2048的系统)。

Preamble的子载波集合决定了Preamble在时域上具有三段重复特性，根据Preamble调制序列在时域上的分段重复性，可以对接收的信号进行分段。如图1所示，为Preamble调制序列时域特性示意图，Preamble调制序列包含在接收信号序列r(k)中，包括S1、S2和S3三段信号，且S1、S2和S3三段信号在时域上重复，可以将Preamble调制序列划分为两段信号，分别称为A段信号和B段信号，其中，A段信号包括S1和S2两段信号，B段信号包括S2和S3两段信号。

如果Preamble在时域上具有多段重复特性，可将接收的信号进行类似的划分。例如，Preamble调制序列中S1、S2、S3和S4四段信号在时域上重复时，可将S1和S2两段信号作为A段信号，S3和S4两段信号作为B段信号；也可以将S1、S2和S3三段信号作为A段信号，将S2、S3和S4三段信号作为B段信号。

步骤502，分别计算划分后的两段信号的能量。

根据Preamble调制序列在时域上的分段重复性，可以将观测窗口中的信号进行分段。如果Preamble调制序列中S1、S2和S3三段信号在时域上重复，可将S1和S2两段信号作为A段信号，S2和S3两段信号作为B段信号，定义d时刻A、B两段信号的能量分别为：

$R_1\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m}\right|}^2$

$R_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m+L}\right|}^2$

其中，L为一个OFDM符号长度的1/3，d为接收的信号进入观测窗口的起始时刻，m为一个取值在0到(2L-1)之间的变量。观测窗口相当于一个存储接收到的信号的装置，通过对观测窗口中的信号的处理，可以达到定时度量的目的，观测窗口的宽度为一个OFDM符号的长度，接收的信号的时长也为一个OFDM符号的长度。

步骤503，根据两段信号的能量对两段信号的互相关进行归一化处理。

观测窗口中A段信号和B段信号的互相关P(d)为：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+L}\right)$

对A段信号和B段信号的互相关进行归一化的结果为：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{R_1\left(d\right)\·R_2\left(d\right)}$

步骤504，将归一化处理的结果作为定时度量函数。

将归一化的结果M(d)作为定时度量函数，当定时度量函数的值超过设定的帧检测门限时，则认为有帧到来，并将该定时度量函数超过帧检测门限的峰值位置，即d时刻作为粗定时位置。

本发明实施例的技术方案具有以下优点，因为将接收的信号划分为两段信号，并使用划分后的两段信号的能量，对该两段信号的互相关进行归一化处理，从而，提高了粗定时检测算法的鲁棒性，降低了虚警概率。

如图6所示，为本发明实施例中定时度量的一种具体实现方式流程图，包括以下步骤：

步骤601，根据preamble的在时域上的分段重复特性，将接收的信号划分为两段信号。

不同小区(Cell)、不同扇区(Segment)使用的Preamble调制序列，有三种类型的Preamble载波集合。

Preamble的载波集合由如下公式定义：

PreambleCarrierSet_n＝n+3·k

其中，PreambleCarrierSet_n为分配给Preamble的所有子载波Subcarrier集合，n为Preamble载波集合索引(0，1，2)，k为索引，k＝0，1，...，567(FFT长度为2048的系统)。

Preamble的子载波集合决定了Preamble在时域上具有三段重复特性，根据Preamble调制序列在时域上的分段重复性，可以将接收的信号进行分段。如图1所示，为Preamble调制序列时域特性示意图，Preamble调制序列包含在接收信号序列r(k)中，包括S1、S2和S3三段信号，且S1、S2和S3三段信号在时域上重复，可以将Preamble调制序列划分为两段信号，分别称为A段信号和B段信号，其中，A段信号包括S1和S2两段信号，B段信号包括S2和S3两段信号。

步骤602，对接收的信号做滑动自相关。

滑动自相关的结果为划分成的两段信号的互相关，即

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+L}\right)$

其中，L为一个OFDM符号长度的1/3，d为接收的信号进入观测窗口的起始时刻，m为一个取值在0到(2L-1)之间的变量。观测窗口相当于一个存储接收到的信号的装置，通过对观测窗口中的信号的处理，可以达到定时度量的目的，观测窗口的宽度为一个OFDM符号的长度，接收的信号的时长也为一个OFDM符号的长度。

可以采用递推的算法减少计算量，即：

$P\left(d\right)=P(d-1)+r_{d+2L-1}^{*}{r}_{d+3L-1}-r_{d-1}^{*}{r}_{d-1+L}$

步骤603，分别计算划分后的两段信号的能量。

计算划分的两段信号的能量R1和R2，定义d时刻A、B两段的能量分别为：

$R_1\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m}\right|}^2$

$R_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m+L}\right|}^2$

可以采用递推的算法减少计算量，即：

R₁(d)＝R₁(d-1)+|r_d+2L-1|²-|r_d-1|²

R₂(d)＝R₂(d-1)+|r_d+3L-1|²-|r_d-1+L|²

步骤604，根据两段信号的能量对两段信号的互相关进行归一化处理。对A段信号和B段信号的互相关进行归一化处理的结果为：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{R_1\left(d\right){\·R}_2\left(d\right)}$

步骤605，将归一化的结果作为定时度量函数。

如图7所示，为本发明实施例中定时度量函数的构造流程图。图中分别计算A段信号和B段信号的能量R1(d)和R2(d)，以及A段信号和B段信号的互相关P(d)，并使用R1(d)和R2(d)对A段信号和B段信号的互相关P(d)进行归一化计算，得到定时度量函数M(d)，以进行帧检测和粗定时。

步骤606，设立帧检测门限。

步骤607，当定时度量函数M(d)超过帧检测门限时，判定有帧到来。

步骤608，将定时度量函数M(d)超过帧检测门限的峰值位置，即d时刻作为粗定时位置。

下面以仿真结果说明，仿真信道为VA(60km/h)，信噪比30dB，下行上行分别25和23个OFDM符号，一个OFDM由数据部分和CP组成，设数据部分1024个样点，CP128个样点，因此帧长为(1024+128)*(25+23)＝55296样点。

如图8所示，为本发明实施例中定时度量函数的仿真示意图，由于在构造本发明实施例中的定时度量函数时，使用划分后的两段信号的能量对接收到的信号的互相关进行归一化处理；而背景技术中只是使用一段信号对接收到的信号的互相关进行归一化处理。因此，在划分后的两段信号A段信号和B段信号的能量相差很大时，背景技术中的定时度量函数会在错误位置出现了峰值，导致定时错误；而本发明实施例中的定时度量函数不会在错误位置出现了峰值，不会导致定时错误。

本发明实施例的技术方案具有以下优点，因为将接收的信号划分为两段信号，并使用划分后的两段信号的能量，对该两段信号的互相关进行归一化处理，在划分后的两段信号的能量相差很大时也能够准确地实现定时度量，从而，提高了粗定时检测算法的鲁棒性，降低了虚警概率。

本发明实施例还适用于Preamble在时域上具有多段重复特性的情况，具体实施方式与上一实施例大致相同，只是将接收的信号划分为两段信号的方式可以有多种。例如，Preamble调制序列中S1、S2、S3和S4四段信号在时域上重复时，可将S1和S2两段信号作为A段信号，S3和S4两段信号作为B段信号；也可以将S1、S2和S3三段信号作为A段信号，将S2、S3和S4三段信号作为B段信号。划分信号后的定时度量实现流程与上一实施例相同。

本发明实施例还提出一种定时度量装置，该装置可安装在与基站通信的终端设备上，用于实现帧检测和粗定时。

如图9所示，为本发明实施例中定时度量装置结构示意图，包括：

划分模块901，用于根据前导符号preamble的在时域上的分段重复特性，将接收的信号划分为两段信号。

不同小区(Cell)、不同扇区(Segment)使用的Preamble调制序列，有三种类型的Preamble载波集合。

Preamble的载波集合由如下公式定义：

PreambleCarrierSet_n＝n+3·k

其中，PreambleCarrierSet_n为分配给Preamble的所有子载波Subcarrier集合，n为Preamble载波集合索引(0，1，2)，k为索引，k＝0，1，...，567(FFT长度为2048的系统)。

Preamble的子载波集合决定了Preamble在时域上具有三段重复特性，根据Preamble调制序列在时域上的分段重复性，可以将接收的信号进行分段。如果Preamble调制序列中S1、S2和S3三段信号在时域上重复，可将S1和S2两段信号作为A段信号，S2和S3两段信号作为B段信号。

如果Preamble在时域上具有多段重复特性，可将接收的信号进行类似的划分。例如，Preamble调制序列S1、S2、S3和S4四段信号在时域上重复时，可将S1和S2两段信号作为A段信号，S3和S4两段信号作为B段信号。

互相关模块902，用于计算观测窗口中各段信号的互相关。

观测窗口中划分后的A段和B段信号的互相关P(d)为：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+L}\right)$

其中，L为一个OFDM符号长度的1/3，d为接收的信号进入观测窗口的起始时刻，m为一个取值在0到(2L-1)之间的变量。观测窗口相当于一个存储接收到的信号的装置，通过对观测窗口中的信号的处理，可以达到定时度量的目的，观测窗口的宽度为一个OFDM符号的长度，接收的信号的时长也为一个OFDM符号的长度。

计算模块903，用于计算划分模块901划分的两段信号的能量。

d时刻A、B两段信号的能量分别为：

$R_1\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m}\right|}^2$

$R_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m+L}\right|}^2$

归一化模块904，用于根据计算模块903计算的两段信号的能量对两段信号的互相关进行归一化处理。

归一化处理具体包括：用两段信号的互相关的平方除以两段信号的能量。

对A段信号和B段信号的互相关进行归一化的结果为：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{R_1\left(d\right)\·R_2\left(d\right)}$

执行模块905，用于将归一化模块904得到的归一化的结果作为定时度量函数，以实现定时度量。

将归一化的结果M(d)作为定时度量函数。

设定模块906，用于设定帧检测门限。

判定模块907，用于当执行模块905得到的定时度量函数M(d)超过设定模块906设定的帧检测门限时，判定有帧到来。

定时模块908，用于将执行模块905得到的定时度量函数M(d)超过设定模块设定的帧检测门限的峰值位置，即d时刻作为粗定时位置。

OFDM系统发送的Preamble的数据部分具有分段近似性，本发明实施例仅给出了Preamble调制序列三段近似重复的情况，实际上，本发明技术方案可应用于Preamble调制序列任意段近似重复的情况。

本发明实施例还可扩展至多天线OFDM系统，Preambe符号由其中的一根天线发射。

本发明实施例的技术方案具有以下优点，因为将接收的信号划分为两段信号，并使用划分后的两段信号的能量，对两段信号的互相关进行归一化处理，从而，提高了粗定时检测算法的鲁棒性，降低了虚警概率。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种定时度量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据前导符号preamble在时域上的分段重复特性，将接收的信号划分为两段信号，分别计算所述两段信号的能量；

根据所述两段信号的能量对所述两段信号的互相关进行归一化处理，将所述归一化处理的结果作为定时度量函数。

2、如权利要求1所述定时度量的方法，其特征在于，所述接收的信号的时长为一个正交频分复用OFDM符号的长度。

3、如权利要求1所述定时度量的方法，其特征在于，所述归一化处理具体包括：

用所述两段信号的互相关的平方除以所述两段信号的能量。

4、如权利要求1所述定时度量的方法，其特征在于，所述将归一化处理的结果作为定时度量函数之后，还包括：

设定帧检测门限，当所述定时度量函数超过所述帧检测门限时，则判定有帧到来。

5、如权利要求4所述定时度量的方法，其特征在于，所述定时度量函数的值超过帧检测门限之后，还包括：

将所述定时度量函数超过所述帧检测门限的峰值位置作为粗定时位置。

6、一种定时度量装置，其特征在于，包括：

划分模块，用于根据前导符号preamble的在时域上的分段重复特性，将接收的信号划分为两段信号；

计算模块，用于计算所述划分模块划分的所述两段信号的能量；

归一化模块，用于根据所述计算模块计算的所述两段信号的能量对所述两段信号的互相关进行归一化处理；

执行模块，用于将所述归一化模块得到的所述归一化的结果作为定时度量函数。

7、如权利要求6所述定时度量装置，其特征在于，所述接收的信号的时长为一个正交频分复用OFDM符号的长度。

8、如权利要求6所述定时度量装置，其特征在于，所述归一化处理具体包括：

用所述两段信号的互相关的平方除以所述两段信号的能量。

9、如权利要求6所述定时度量装置，其特征在于，还包括：

设定模块，用于设定帧检测门限；

判定模块，用于当所述执行模块得到的所述定时度量函数超过所述设定模块设定的所述帧检测门限时，判定有帧到来。

10、如权利要求6所述定时度量的装置，其特征在于，还包括：

定时模块，用于将所述执行模块得到的所述定时度量函数超过所述设定模块设定的所述帧检测门限的峰值位置作为粗定时位置。

Images