CN101778088B - 一种基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，该方法可应用于正交频分复用系统或者单载波频域均衡系统中，所述的方法包含如下步骤：(1)在接收端通过利用训练序列前后两部分的相关性进行能量检测；(2)取能量检测峰值位置左右一定范围作为粗同步定时范围；(3)在粗同步定时范围内，利用接收端产生的本地帧前导序列与接收序列进行互相关，根据互相关峰值位置，确定本帧精确同步定时位置；其中，所述的前导训练序列前半部分由若干个恒定幅值零值自相关序列(的级联序列并采用一个伪随机调制序列进行调制获得，后半部分为前半部分的取反运算。本方法通过利用伪随机调制序列进行复杂精细同步，能够获得较高定时精度。

Description

一种基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法

技术领域

本发明属于无线通信系统设计技术领域，特别涉及一种基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法。

背景技术

在宽带无线通信系统中，由多径传输引起的频率选择性衰落会严重影响通信的可靠性。基于FFT/IFFT实现的正交频分复用(OFDM)技术以及单载波频域均衡技术可以有效克服频率选择性衰落带来的载波干扰和码间干扰，因此成为第四代无线通信系统的核心技术。

OFDM系统中由于采用循环前缀，当定时偏差小于循环前缀减去最大信道时延扩展时，只会带来线性相移，而该相移会在信道均衡中消除，不会引起符号间干扰，只会降低对时延扩展的容忍程度，但OFDM技术存在对载波频偏比较敏感和峰均功率比(PAPR)较大等不足；单载波频域均衡SC-FDE采用单载波传输而保留多载波系统信号处理的方法，有效抵抗多径衰落的同时避免多载波的缺陷，可以达到与OFDM相同的性能，并且复杂度相当，而且没有OFDM的峰均比问题，对频偏不敏感。但是SC-FDE存在着对时偏敏感的不足，尤其是在用独特字(UW)结构的SC-FDE系统，需要准确帧定时估计以获得准确的UW数据，方能较好地将其用于频偏跟踪、信道估计和均衡。

目前的训练序列帧定时同步大都沿用OFDM中经典Schmidl&Cox同步算法，容易受到频偏或多径影响，出现多相关峰值或峰值不尖锐，造成定时估计偏移，影响系统传输性能。改进帧定时同步算法，获得精确的帧起始位置对提高SC-FDE系统性能有着比较大的影响，同时可以应用于OFDM系统中，增强OFDM系统对时延扩展的容忍程度。

发明内容

本发明的目的在于，为克服目前的训练序列帧定时同步容易受到频偏或多径影响，出现多相关峰值或峰值不尖锐，造成定时估计偏移，影响系统传输性能等问题，从而提出一种基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法。

为了实现上述目的，本发明提出一种基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，该方法可应用于正交频分复用系统或者单载波频域均衡系统中，所述的方法包含如下步骤：

(1-1)接收端利用前导训练序列前后两部分的对称性，用延迟相关器进行能量检测，如果检测窗口内检测到能量相关峰值超过能量阈值，则当前检测窗口中检测到帧前导出现；否则继续前移检测窗口，继续进行能量检测；

(1-2)取能量检测峰值位置d_max左右两侧相关值大于峰值M_max的90％的区间[w_l，w_h]为粗定时同步范围，具体公式为：

$\∀d\∈[w_l,w_h],M\left(d\right)\≥0.9*M_{\max };$

(1-3)接收端在粗同步定时范围内，利用产生的本地帧前导序列与接收序列进行互相关，根据互相关峰值位置，确定本帧精确同步定时位置；

其中，所述的前导训练序列由前、后两部分组成，前半部分由若干个恒定幅值零值自相关(Frank-zadoff)序列的级联序列并采用一个伪随机调制序列进行调制获得，后半部分为前半部分的取反运算。

上述技术方案，所述的步骤(1-1)具体包含如下子步骤：

首先，接收信号序列为r(k)，L为帧前导训练序列前半部分pb_1st的长度，d为当前定时估计的候选定时点位置，计算候选点d对应的测度值M(d)，具体公式如下：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(d+m)r(d+m+L)---\left(5\right)$

$R\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+m+L)\right|}^2---\left(6\right)$

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2}---\left(7\right)$

然后，计算检测窗口内互相关相对能量测度M(d)的峰值M_max以及峰值所在位置d_max，公式如下：

$M_{\max }=\underset{\mathrm{d\; in\; dection\; window}}{\max }\left(M\left(d\right)\right)---\left(10\right)$

$d_{\max }=\underset{\mathrm{d\; in\; dection\; window}}{\arg \max }\left(M\left(d\right)\right)---\left(11\right)$

如果M_max大于能量检测阈值M_th，则判断帧前导出现在检测窗口中，否则检测窗口前移继续能量检测。所述的P(d)和R(d)采用滑动平均的方法降低计算复杂度，公式如下：

P(d+1)＝P(d)+r^*(d+L)r(d+2L)-r^*(d)r(d+L)    (8)

R(d+1)＝R(d)+|r(d+2L)|²-|r(d+L)|²                (9)

上述技术方案，所述的精确同步定时位置，在粗定时同步范围w_l≤d≤w_h内，对定时估计点d开始的接收帧前导前半部分序列与本地产生的帧前导前半部分序列pb_1st进行互相关，计算互相关相对能量测度M₂(d)，寻找最大互相关峰值出现时对应的帧起始的位置则为精确定时位置

其中，互相关相对能量测度M₂(d)计算公式如下：

$P_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(d+m)*\mathrm{pb}\_1\mathrm{st}\left(m\right)---\left(13\right)$

$R_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+m)\right|}^2---\left(14\right)$

$M_2\left(d\right)=\frac{{\left|P_2\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R_2\left(d\right)\right)}^2}---\left(15\right)$

上式中，P₂(d)、R₂(d)分别为确定本帧精确同步定时位置步骤中的互相关能量和自相关能量。

作为本发明的又一改进，所述的前导训练序列的前、后两部分具体生成步骤如下：

2-1)使用合适长度的多个Frank-zadoff序列的级联，其中长度为U的Frank-zadoff序列为复数序列S_fz，其I和Q支路的数据由公式(1)(2)(3)获得：

I[n]＝cos(θ[n])            (1)

Q[n]＝sin(θ[n])            (2)

$\mathrm{\θ}[n=p+q\sqrt{U}]=\frac{2\mathrm{\πpq}}{\sqrt{U}}---\left(3\right)$

其中 $p=\mathrm{0,1},...,\sqrt{U}-1;q=\mathrm{0,1},...,\sqrt{U}-1;n=\mathrm{0,1},...,U-1;$

2-2)利用该Frank-zadoff序列S_fz以公式(4)组合成原始序列Um，其中使用4个Frank-zadoff序列进行级联；

Um＝[S_fz，-S_fz，-S_fz，S_fz]  (4)

2-3)获取与原始序列Um具有相同长度的伪随机序列Sw；

2-4)将伪随机调制序列Sw与原始序列Um进行点乘，作为帧前导训练序列的前半部分pb_1st，帧前导训练序列后半部分为前半部分的相反数pb_2nd＝-pb_1st，整个帧前导训练序列preamble＝[pb_1st，pb_2nd]＝[pb_1st，-pb_1st]。

上述技术方案所述的步骤(2-3)所述的伪随机序列Sw由伪随机序列生成器生成，具体步骤为：首先通过给伪随机序列生成器设置预定的种子，获得该伪随机序列S，然后将伪随机序列S转换成双极性序列，获得需要的伪随机调制序列Sw；

其中，伪随机序列生成器的生成多项式为1+X¹⁴+X¹⁵。

本发明设计了发送端使用伪随机序列调制的帧前导训练序列结构的构造方法以及接收端三阶段的帧定时同步过程。

所述的使用伪随机序列调制的前导训练序列结构是前半部分由多个Frank-zadoff序列的级联序列并采用一个伪随机调制序列进行调制获得，而后半部分为前半部分的取反运算。Frank-zadoff属于CAZAC(恒定幅值零值自相关序列)，比伪随机序列具有更好的自相关和互相关特性，能够获得尖锐的相关峰值，提高检测性能；同时恒定幅值特性，能够降低峰平比，减小了非线性模块对系统性能的影响。

本发明的优点在于，通过利用伪随机序列调制的帧前导序列进行复杂精细帧同步，能够避免在多径情况下直接采用UW的互相关进行检测出现多相关峰值的问题，因而能够获得较高定时精度；同时通过分阶段定时同步过程，使得需要进行精细同步的候选位置限制在小范围内，能够以较低的计算复杂度获得较高的定时精度，提高了同步算法的实用性。经过仿真验证，改进的帧定时同步算法性能对频偏以及多径不敏感。

附图说明

图1为本发明设计的使用伪随机序列调制的帧前导训练序列构造流程图；

图2为本发明提出的接收端帧定时同步过程流程图；

图3为本发明的同步方案在IEEE 802.16定义的SUI-5多径信道无频偏信噪比为0dB下粗同步和细同步测度；

图4为本发明的同步方案在IEEE 802.16定义的SUI-5多径信道频偏1kHz信噪比为0dB下粗同步和细同步测度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的发送端使用伪随机序列调制的帧前导训练序列结构的构造方法以及接收端三阶段的定时同步过程作进一步说明。

发送端需要选择一定的前导训练序列结构，以便于接收端进行同步。使用伪随机序列调制的帧前导训练序列构造方法，如图1所示，包括以下步骤：

1-1.使用合适长度的多个Frank-zadoff序列的级联，组成原始序列Um。选择多个Frank-zadoff序列进行级联是为了通过训练从而获得接收机均衡器的参数。长度为U的Frank-zadoff序列为复数序列S_fz，其I和Q支路的数据由公式(1)(2)(3)获得：

I[n]＝cos(θ[n])              (1)

Q[n]＝sin(θ[n])              (2)

$\mathrm{\θ}[n=p+q\sqrt{U}]=\frac{2\mathrm{\πpq}}{\sqrt{U}}---\left(3\right)$

式中 $p=\mathrm{0,1},...,\sqrt{U}-1;q=\mathrm{0,1},...,\sqrt{U}-1;n=\mathrm{0,1},...,U-1.$

1-2.该Frank-zadoff序列S_fz以公式(4)组合成原始序列Um，本例中使用4个Frank-zadoff序列进行级联。

Um＝[S_fz，-S_fz，-S_fz，S_fz]    (4)

1-3.获取与原始序列Um具有相同长度的伪随机序列Sw.伪随机序列由伪随机序列生成器生成，其生成多项式为1+X¹⁴+X¹⁵，通过给伪随机序列生成器设置预定的种子，获得该伪随机序列S，对伪随机序列转换成双极性序列，获得需要的伪随机调制序列Sw.

1-4.将伪随机调制序列Sw与原始序列Um进行点乘，作为帧前导训练序列的前半部分pb_1st，帧前导训练序列后半部分为前半部分的相反数，即pb_2nd＝-pb_1st。因此整个帧前导训练序列preamble＝[pb_1st，pb_2nd]＝[pb_1st，-pb_1st]；

接收端在一个检测窗口内对接收的符号复数符号进行处理，利用特定的帧前导训练序列，进行数据辅助的定时同步。所述接收端定时同步过程如图2所示，包含以下步骤：

2-1.接收端通过使用与发送端相同的伪随机数生产种子，运行与发送端一致的帧前导训练序列构造过程，获得本地帧前导训练序列preamble＝[pb_1st，-pb_1st]。

2-2.利用前导训练序列preamble＝[pb_1st，-pb_1st]前后两部分对称性，利用延迟相关进行能量检测.假定接收信号序列为r(k)，L为帧前导训练序列前半部分pb_1st的长度，d为当前定时估计的候选定时点位置。计算候选点d对应的测度值M(d)：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(d+m)r(d+m+L)---\left(5\right)$

$R\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+m+L)\right|}^2---\left(6\right)$

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2}---\left(7\right)$

其中P(d)和R(d)可以采用滑动平均的方法降低计算复杂度，即

P(d+1)＝P(d)+r^*(d+L)r(d+2L)-r^*(d)r(d+L)    (8)

R(d+1)＝R(d)+|r(d+2L)|²-|r(d+L)|²          (9)

2-3.计算检测窗口内相对能量测度M(d)的峰值M_max以及峰值位置d_max。

$M_{\max }=\underset{\mathrm{d\; in\; dection\; window}}{\max }\left(M\left(d\right)\right)---\left(10\right)$

$d_{\max }=\underset{\mathrm{d\; in\; dection\; window}}{\arg \max }\left(M\left(d\right)\right)---\left(11\right)$

如果M_max大于能量检测阈值M_th，则判断帧前导出现在检测窗口中，转到步骤2-4；否则检测窗口前移，返回步骤2-2继续检测。

2-4.取能量检测峰值位置d_max两侧互相关相对能量测度值大于峰值M_max的90％的区间[w_l，w_h]为粗定时同步范围。即

2-5.在粗定时同步范围w_l≤d≤w_h内，对定时估计点d开始的接收帧前导前半部分序列与本地已知的帧前导前半部分序列pb_1st进行互相关，计算互相关相对能量测度M₂(d)，寻找最大互相关峰值出现时对应的帧起始的位置则为精确定时位置

互相关相对能量测度M₂(d)定义如下：

$P_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(d+m)*\mathrm{pb}\_1\mathrm{st}\left(m\right)---\left(13\right)$

$R_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+m)\right|}^2---\left(14\right)$

$M_2\left(d\right)=\frac{{\left|P_2\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R_2\left(d\right)\right)}^2}---\left(15\right)$

经过将接收序列与本地前导序列进行互相关，精确定时点的相关输出得到单独一个尖锐的峰值，而精确定时点两边的相关值为零，因此降低了帧定时估计的不确定度，提高了帧定时同步精度。

为了验证算法的有效性以及对频偏和多径的敏感性，通过在SUI-5信道下信噪比为0dB下定时同步的测度来验证，如图3和4所示。假定使用的频率为2GHz，车辆运动时速540千米/小时对应的最大多普勒频移为1kHz，因此考虑1kHz频偏的影响已经能够满足大多数的应用场景的需要。从图中可以看出，通过结合伪随机序列的延迟自相关的定时细同步，获得一个尖锐的测度函数，大大改善的定时估计的精度，同时帧定时同步算法对频偏和多径不敏感，能够提高通信系统的有效性和可靠性。尤其对于单载波频域均衡系统中，本发明能够克服其对定时偏移较为敏感的不足，因此增强了单载波频域均衡系统的实用性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，该方法可应用于正交频分复用系统或者单载波频域均衡系统中，所述的方法包含如下步骤：

(1-1)接收端利用前导训练序列前后两部分的对称性，用延迟相关器进行能量检测，如果检测窗口内检测到能量相关峰值超过能量阈值，则当前检测窗口中检测到帧前导出现；否则继续前移检测窗口，继续进行能量检测；

(1-2)取能量检测峰值位置d_max左右两侧相关值大于峰值M_max的90％的区间[w_l，w_h]为粗定时同步范围，具体公式为：

$\∀d\∈[w_l,w_h],M\left(d\right)\≥0.9*M_{\max };$

(1-3)在粗同步定时范围内，利用接收端产生的本地帧前导序列与接收序列进行互相关，根据互相关峰值位置，确定本帧精确同步定时位置；

其中，所述的前导训练序列由前、后两部分组成，前半部分由若干个恒定幅值零值自相关序列的级联序列并采用一个伪随机调制序列进行调制获得，后半部分为前半部分的取反运算。

2.根据权利要求1所述的基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，其特征在于，所述的前导训练序列的前、后两部分具体生成步骤如下：

2-1)使用合适长度的恒定幅值零值自相关序列S_fz，序列的时间长度应该大于信道的最大时延扩展；

其中长度为U的恒定幅值零值自相关序列为复数序列S_fz，其I和Q支路的数据由公式(1)(2)(3)获得：

I[n]＝cos(θ[n])            (1)

Q[n]＝sin(θ[n])            (2)

$\mathrm{\θ}[n=p+q\sqrt{U}]=\frac{2\mathrm{\πpq}}{\sqrt{U}}---\left(3\right)$

其中 $p=\mathrm{0,1},...,\sqrt{U}-1;q=\mathrm{0,1},...,\sqrt{U}-1;n=\mathrm{0,1},...,U-1;$

2-2)利用该恒定幅值零值自相关序列S_fz以公式(4)组合成原始序列Um，其中使用4个恒定幅值零值自相关序列进行级联；

Um＝[S_fz，-S_fz，-S_fz，S_fz]                    (4)

2-3)获取与原始序列Um具有相同长度的伪随机序列Sw；

2-4)将伪随机调制序列Sw与原始序列Um进行点乘，作为帧前导训练序列的前半部分pb_1st，帧前导训练序列后半部分为前半部分的相反数pb_2nd＝-pb_1st，整个帧前导训练序列preamble＝[pb_1st，pb_2nd]＝[pb_1st，-pb_1st]。

3.根据权利要求2所述的基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，其特征在于，步骤(2-3)所述的伪随机序列Sw由伪随机序列生成器生成，具体步骤为：首先通过给伪随机序列生成器设置预定的种子，获得该伪随机序列S，然后将伪随机序列S转换成双极性序列，获得需要的伪随机调制序列Sw；

其中，伪随机序列生成器的生成多项式为1+X¹⁴+X¹⁵。

4.根据权利要求1所述的基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，其特征在于，步骤(1-1)具体包含如下子步骤：

首先，接收信号序列为r(k)，L为帧前导训练序列前半部分pb_1st的长度，d为当前定时估计的候选定时点位置，计算候选点d对应的测度值M(d)，具体公式如下：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(d+m)r(d+m+L)---\left(5\right)$

$R\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+m+L)\right|}^2---\left(6\right)$

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2}---\left(7\right)$

其中，P(d)为互相关能量，R(d)为自相关能量，M(d)为互相关相对能量测度；然后，计算检测窗口内相对能量测度M(d)的峰值M_max以及测度峰值所在位置d_max，公式如下：

$M_{\max }=\underset{\mathrm{d\; in\; dection\; window}}{\max }\left(M\left(d\right)\right)---\left(10\right)$

$d_{\max }=\underset{\mathrm{d\; in\; dection\; window}}{\arg \max }\left(M\left(d\right)\right)---\left(11\right)$

如果M_max大于能量检测阈值M_th，则判断帧前导出现在检测窗口中，否则检测窗口前移继续能量检测。

5.根据权利要求4所述的基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，其特征在于，所述的P(d)和R(d)采用滑动平均的方法降低计算复杂度，公式如下：

P(d+1)＝P(d)+r^*(d+L)r(d+2L)-r^*(d)r(d+L)    (8)

R(d+1)＝R(d)+|r(d+2L)|²-|r(d+L)|²          (9)。

6.根据权利要求1或4所述的基于伪随机序列调制的训练序列帧定时同步方法，其特征在于，所述的精确同步定时位置，在粗定时同步范围w_l≤d≤w_h内，对定时估计点d开始的接收帧前导前半部分序列与本地产生的帧前导前半部分序列pb_1st进行互相关，计算互相关相对能量测度M₂(d)，寻找最大互相关峰值出现时对应的帧起始的位置则为精确定时位置

其中，互相关相对能量测度M₂(d)计算公式如下：

$P_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(d+m)*\mathrm{pb}\_1\mathrm{st}\left(m\right)---\left(13\right)$

$R_2\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+m)\right|}^2---\left(14\right)$

$M_2\left(d\right)=\frac{{\left|P_2\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R_2\left(d\right)\right)}^2}---\left(15\right)$

上式中，P₂(d)、R₂(d)分别为确定本帧精确同步定时位置步骤中的互相关能量和自相关能量。

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