CN101442520B - 无线通信系统上行链路中的定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信系统上行链路中的定时同步方法，发射端组帧时在帧结构中构造包括循环前缀和多个相同的训练序列的参考信号，成帧后发射；接收端接收到所述帧结构后，对所述参考信号中的训练序列作滑动自相关运算，找出自相关序列的最大值；并根据自相关序列的最大值对应的位置构成新序列，再将该新序列与发射端参考信号作滑动互相关运算，找出互相关序列的最大值，该最大值对应的位置即定时同步位置。本发明方法使得上行链路中的基站接收端能以较小系统资源的代价采用低复杂度的方法准确的实现码元同步。

Description

无线通信系统上行链路中的定时同步方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线通信系统上行链路中的定时同步的方法。

背景技术

高速数字通信技术和移动多媒体技术的发展，要求具有高质量，高可靠性，高传输速率的移动通信技术。正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技术以其极高的频谱效率和良好的抗多径干扰能力日益受到人们的重视，被看作是下一代无线局域网的标准和第四代移动通信的支撑技术。

OFDM技术已经或正在被广泛应用到各领域中。例如，在广播应用中，欧洲ETSI制定的数字音频广播(DAB)标准和数字视频广播(DVB)标准均采用OFDM数字调制技术；在宽带无线接入应用中，IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会)标准802.11a，IEEE 802.16和ETSI(European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准协会)制定的HYPERLAN II(一种无线局域网通信标准)均为基于OFDM技术的标准或草案；在数字蜂窝移动通信应用中，OFDM是目前研究的热点技术之一；在有线宽带接入技术中，如xDSL(各种高速数字用户线技术)，以及OFDM的一种特殊形式DMT(Discrete Multi-tone，离散多音)也已获得广泛应用。

高速业务和用户数的激增使得对频谱需求量急剧增加，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，随着长期演进(Long Term Evolution，简称LTE)研究工作的不断深入，在E-UTRA(Enhance-UTRA，UTRA为UMTS Terrestrial Radio Access，演进通用陆地无线接入)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干扰。

但是，OFDM也有缺点，就是对同步误差十分敏感。首先是符号同步误差，接收端为了能够正确解调，必须找到符号的起始位置，因此需要进行符号定时估计。符号定时估计主要是确定接收到的OFDM符号的起始位置，实现正确的解调。如果定时估计不准确，就可能引起严重的码间干扰(InterSymbol Interference，简称ISI)。

已有的导频训练序列符号同步方法，是先通过训练序列的自相关完成频偏同步，再通过发射端和接收端训练序列的互相关完成定时同步，其中的自相关和互相关运算是相互独立的，定时同步是对发射端和接收端的训练序列进行完全的互相关，这种方法存在运算量较大、占用系统资源较多的问题。此外，在E-UTRA无线通信系统上行链路中，由于其帧结构已经确定，如何利用其固定帧结构情况实现上行链路的同步过程也是值得研究的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线通信系统上行链路中的符号定时同步方法，使得上行链路中的基站接收端能以较小系统资源的代价采用低复杂度的方法准确的实现码元同步。

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线通信系统上行链路中的定时同步方法，发射端组帧时在帧结构中构造包括循环前缀和多个相同的训练序列的参考信号，成帧后发射；接收端接收到所述帧结构后，对所述参考信号中的训练序列作滑动自相关运算，找出自相关序列的最大值；并根据自相关序列的最大值对应的位置构成新序列，再将该新序列与发射端参考信号作滑动互相关运算，找出互相关序列的最大值，该最大值对应的位置即定时同步位置。

进一步地，所述参考信号有多个，通过加权平均不同参考信号对应的定时同步位置，得到最终的定时同步位置。

进一步地，所述无线通信系统为E-UTRA系统，所述发射端在所述E-UTRA的帧结构中的两个短块位置处构造所述参考信号。

进一步地，若所述短块长度为N，所述循环前缀的长度为L；则所述接收端对所述训练序列作滑动自相关运算包括以下步骤：

(a)接收端截取所述帧结构中短块相对应位置的信号以及其后长度为N₁+L的信号，记作r，其中，N₁＝(N-L)/2；

(b)接收端对短块相对应位置的信号进行采样处理，并利用下面的公式对所述参考信号进行滑动自相关运算：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{N_1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+N_1}\right)$

其中，P(d)为自相关序列，r_d+m ^* r_d+m+N1表示r_d+m的共轭与r_d+m+N1相乘，d为采样点位置，d＝0，...，N₁+L-1，m为滑动时的参数，m＝0，1，...，N₁+L-1；

(c)在滑动长度达到N₁+L后，找出自相关序列的最大值。

进一步地，步骤(c)中，所述接收端在找出自相关序列的最大值后，在所述自相关序列的最大值对应的位置M前后分别取一个循环前缀长度的信号构成所述新序列w，其中M为相对于信号r的起点的相对位置。

进一步地，所述接收端将所述新序列w与发射端参考信号作滑动互相关运算包括以下步骤：

(1)在接收端再现发射端参考信号；

(2)利用下面的公式对所述新序列w与所述再现的发射端参考信号的前半部分信号s进行滑动互相关运算：

$R\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}^{*}\left(k\right)s(k+l)$

其中，R(k)为互相关序列，w^*(k)s(k+l)表示w(k)的共轭与s(k+l)相乘，l为所取的采样点位置，l＝1，...，2L-1，s(k+l)是s的第k+l个采样点，k是滑动时的参数，k＝0...N₁-L+1；

(3)当滑动长度达到N₁-2L+1时，找出互相关序列R(k)的最大值。

进一步地，所述参考信号通过序列PI(k)生成，PI(k)的代数表达式为：

其中，PN(m)为一PN序列，且PN(m)∈{1+j，1-j，-1+j，-1-j}，A为PN(m)的幅度，j为虚数单位。

进一步地，步骤(3)后还包括：找出互相关序列的最大值所对应的位置，并对所述两个短块位置处的参考信号所对应的位置做加权平均，加权平均后得出的位置即为所述的定时同步位置。

进一步地，所述参考信号为OFDM导频参考信号。

本发明针对无线通信系统上行链路的OFDM同步问题，提供一种在无线通信系统上行链路中时间粗同步和精同步的方案，在发射端构造训练序列，接收端接收信号后，截取相应的参考信号，通过训练序列的滑动自相关同时完成频偏同步和定时粗同步，再通过发射端和接收端训练序列的局部互相关完成定时精同步。

附图说明

图1是本发明的同步方法应用于E-UTRA无线通信系统的一个实施例中的导频参考信号的设计图示及其在时隙结构中的位置；

图2是本发明的应用在无线通信系统上行链路中符号定时同步的具体实施流程图。

具体实施方式

本发明方法可将整个无线通信系统上行链路中的定时同步过程分为以下几个步骤：在发射端构造导频参考信号；接收端截取相应的参考信号部分；利用接收端信号作自相关(粗同步)后得出的新序列与已知的发射端参考序列进行滑动互相关(精同步)；加权平均不同参考信号间的相关序列，根据加权平均后的相关序列的最大值位置确定定时同步位置，最终得到精确的符号定时同步估计。

下面结合附图对本发明技术方案的实施作进一步的详细描述：

图1是本发明的一个实施例，应用于E-UTRA无线通信系统时的导频参考信号的设计图示。如图1所示，在一个子帧中包括若干长块LB、循环前缀CP(此处CP为帧结构中固有的，可以理解为保护间隔)、两个短块SB以及保护间隔TI，其中长块LB的数目以及循环前缀CP由E-UTRA系统根据不同模式具体给出。本实施例中利用E-UTRA自身的时隙结构中的短块位置处放置参考信号，不另行占用单独的OFDM符号空间。短块中参考信号的结构是由P个相同的训练序列组成，记为Signal_Ref，图1中P＝2，是由3GPP(3^rd Generation Partner Project，第三代合作伙伴计划)25.814标准里面规定的固定帧结构给出。Signal_Ref的前面加长度为L的循环前缀CP。该训练序列是由发射端构造的伪随机序列，在接收端可以采用相应的方式再现发射端的参考信号。

本实施例的符号定时同步方法的具体过程如图2所示，主要包括以下步骤：

1)发射端在组帧成时隙时构造导频参考信号，所述导频参考信号包括循环前缀及两个训练序列(伪随机序列)，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(SB#1，SB#2)的位置决定，在一个子帧中包括两个短块。假定短块长度为N(N为2的整数次幂)，我们所需要的OFDM导频参考信号通过序列PI(k)生成，k＝0，1，......，N，PI(k)的代数表达式为：

其中，PN(m)为一PN序列，PN(m)∈{1+j，1-j，-1+j，-1-j}，A为PN(m)的幅度，j为虚数单位。

在设计导频参考信号的时候需要使其中的两个训练序列相等(例如先根据PI(k)生成一个长度为N₁的训练序列，另一个训练序列则通过复制已生成的序列得到)，如图1所示，这两个相同的训练序列分别记作Signal_Ref，长度为N₁，N₁＝(N-L)/2；这两个训练序列的前面包含CP(此处CP为SB内的CP，OFDM信号前面必须有CP)，CP长度为L(L为偶数)。

2)导频参考信号设计完成后，由发射端发射。设发射信号为x(n)，经过窄带色散信道的接收信号r(n)可以表示为：

3)接收端由天线接收到信号r(n)后，分别将接收信号r(n)中的两个短块相对应位置的信号以及其后长度为N₁+L的信号截取下来，记作r¹和r²；并对两个短块中的导频参考信号进行采样处理。

即r¹为整个SB#1及其后面长度为N₁+L的信号，r²为整个SB#2及其后面长度为N₁+L的信号。

4)用短块SB#1的前L+N₁长的信号部分与后L+N₁作滑动自相关，自相关的时候包括CP，滑动长度为N₁+L，滑动自相关是将短块的前后两部分信号的对应点相乘求和，得到自相关序列：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{N_1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+N_1}\right)$

上式中，r_d+m ^* r_d+m+N1表示r_d+m的共轭与r_d+m+N1相乘，d为采样点位置，d＝0，...，N₁+L-1，m为滑动时的参数，m＝0，1，...，N₁+L-1。

然后将短块前后两部分信号同时往后滑动，每次滑动一个采样点的长度后，再将两部分的对应点相乘求和，直到滑动长度达到N₁+L，找出所有自相关序列中的最大值所对应的位置M₁(M₁为相对于r¹起点的位置)：

$P\left(M_1\right)=\underset{0\≤d\≤N_1+L-1}{\arg \max \left(P\left(d\right)\right)}$

5)在r¹中分别取M₁点前后各L个样点值，构成新的序列w₁。接收端可以根据发射端构造导频参考信号的机制在接收端再现导频参考信号，假设对应的发射端导频参考信号的前半部分为s₁(也可以是后半部分，两部分相同)，并将新序列w₁与再现的发射端的相应导频参考信号部分从起点开始作滑动互相关，即将新序列w₁与s₁的对应点相乘并求和，得到互相关序列：

$R\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w_1}^{*}\left(k\right)s_1(k+l)$

上式中，w₁ ^*(k)s₁(k+l)表示w₁(k)的共轭与s₁(k+l)相乘，l为所取的采样点位置，l＝1，...，2L-1，k是滑动时的参数，k＝0...N₁-L+1，k＝0...N₁-L+1，k的起点是0，k变一次，s₁向后滑动一个采样点，s₁(k+l)是s₁的第k+l个采样点。

然后，保持新序列w₁位置不变，s₁向后滑动一个采样点，再将两者的对应点相乘，这样一直滑动到w₁与s₁最后一个点对齐时停止，滑动长度为N₁-2L+1；然后，找出互相关序列的最大值所对应的位置X₁(相对于r¹起点的位置)，即定时同步的位置：

$R\left(X_1\right)=\underset{0\≤k\≤2L-1}{\arg \max \left(R\left(k\right)\right)}$

6)用短块SB#2的前L+N₁长的信号部分与后L+N₁作滑动自相关，自相关的时候包括CP，滑动长度为N₁+L，滑动自相关是将短块的前后两部分信号的对应点相乘求和，得到自相关序列：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{N_1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+N_1}\right)$

上式中，r_d+m ^* r_d+m+N1表示r_d+m的共轭与r_d+m+N1相乘，d为采样点位置，d＝0，...，N₁+L-1，m为滑动时的参数，m＝0，1，...，N₁+L-1。

然后将短块前后两部分信号同时往后滑动，每次滑动一个采样点的长度后，再将两部分的对应点相乘求和，直到滑动长度达到N₁+L，找出所有自相关序列中的最大值所对应的位置M₂(相对于r²起点的位置)：

$P\left(M_2\right)=\underset{0\≤d\≤N_1+L-1}{\arg \max \left(P\left(d\right)\right)}$

7)在r²中分别取M₂点前后各L个样点值，构成新的序列w₂。接收端可以根据发射端构造导频参考信号的机制在接收端再现导频参考信号，假设对应的发射端导频参考信号的前半部分为s₂(也可以是后半部分，两部分相同)，并将新序列w₂与再现的发射端的相应导频参考信号部分从起点开始作滑动互相关，即将新序列w₂与s₂的对应点相乘并求和，得到互相关序列：

$R\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w_2}^{*}\left(k\right)s_2(k+l)$

上式中，w₂ ^*(k)s₂(k+l)表示w₂(k)的共轭与s₂(k+l)相乘，l为所取的采样点位置，l＝1，...，2L-1，k是滑动时的参数，k＝0...N₁-L+1，k的起点是0，k变一次，s₂向后滑动一个采样点，s₂(k+l)是s₂的第k+l个采样点。

然后，保持新序列w₂位置不变，s₂向后滑动一个采样点，再将两者的对应点相乘，这样一直滑动到w₂与s₂最后一个点对齐时停止，滑动长度为N₁-2L+1；然后，找出互相关序列的最大值所对应的位置X₂(相对于r²起点的位置)，即定时同步的位置：

$R\left(X_2\right)=\underset{0\≤k\≤2L-1}{\arg \max \left(R\left(k\right)\right)}$

8)然后对两个短块的定时同步位置作加权平均处理，求出最终的定时同步位置X，本实施例中X＝(X₁+X₂)/2。

经过上述步骤即可得到精确的符号定时同步估计。同已有的方法来比，本发明的同步方法具有如下特点：

1.采用本发明的方法分别经过粗同步和精同步估计求相关最大值，得到的时间定时同步较为准确，误差小，且减小了互相关运算时的相关长度，运算量小；

2.所设计的时间定时同步在E-UTRA的帧结构下实现，利用E-UTRA时隙结构放置参考信号，且运算量小，适合实时处理；

3.不另行占用单独的OFDM符号空间，未增加系统资源负担，有利于工程实现。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。例如，本发明的同步方法也可以用在其它无线通信系统中的OFDM符号定时同步，当参考信号有多于两个的相同训练序列组成(即P＞2)时，其相关运算与本文中的运算方法一样，只是最后做平均的时候，是P个短块求出的最大值位置做加权平均；再者，其中的参考信号设计以及滑动相关并不局限于本发明所提到的方式。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线通信系统上行链路中的定时同步方法，发射端组帧时在帧结构中构造包括循环前缀和多个相同的训练序列的参考信号，成帧后发射；接收端接收到所述帧结构后，对所述参考信号中的训练序列作滑动自相关运算，找出自相关序列的最大值；并根据自相关序列的最大值对应的位置前后分别取一个循环前缀长度的信号构成新序列，再将该新序列与发射端参考信号作滑动互相关运算，找出互相关序列的最大值，该最大值对应的位置即定时同步位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考信号有多个，通过加权平均不同参考信号对应的定时同步位置，得到最终的定时同步位置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线通信系统为E-UTRA系统，所述发射端在所述E-UTRA的帧结构中的两个短块位置处构造所述参考信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，若所述短块长度为N，所述循环前缀的长度为L；则所述接收端对所述训练序列作滑动自相关运算包括以下步骤：

(a)接收端截取所述帧结构中短块相对应位置的信号以及其后长度为N₁+L的信号，记作r，其中，N₁＝(N-L)/2；

(b)接收端对短块相对应位置的信号进行采样处理，并利用下面的公式对所述参考信号进行滑动自相关运算：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{N_1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+N_1}\right)$

其中，P(d)为自相关序列，

表示r_d+m的共轭与

相乘，d为采样点位置，d＝0，…，N₁+L-1，m为滑动时的参数，m＝0，1，…，N₁+L-1；

(c)在滑动长度达到N₁+L后，找出自相关序列的最大值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(c)中，所述接收端在找出自相关序列的最大值后，在所述自相关序列的最大值对应的位置M前后分别取一个循环前缀长度的信号构成所述新序列w，其中M为相对于信号r的起点的相对位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述接收端将所述新序列w与发射端参考信号作滑动互相关运算包括以下步骤：

(1)在接收端再现发射端参考信号；

(2)利用下面的公式对所述新序列w与所述再现的发射端参考信号的前半部分信号s进行滑动互相关运算：

$R\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}^{*}\left(k\right)s(k+l)$

其中，R(K)为互相关序列，w^*(k)(k+l)表示w(k)的共轭与s(k+l)相乘，l为所取的采样点位置，l＝1，…，2L-1，s(k+l)是s的第k+l个采样点，k是滑动时的参数，k＝0…N₁-L+1；

(3)当滑动长度达到N₁-2L+1时，找出互相关序列R(k)的最大值。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述参考信号通过序列PI(k)生成，PI(k)的代数表达式为：

其中，PN(m)为一PN序列，且PN(m)∈{1+j，1-j，-1+j，-1-j}，A为PN(m)的幅度，j为虚数单位，N为短块长度。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)后还包括：找出互相关序列的最大值所对应的位置，并对所述两个短块位置处的参考信号所对应的位置做加权平均，加权平均后得出的位置即为所述的定时同步位置。

9.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述参考信号为OFDM导频参考信号。

Images