CN101883067A - 一种适用于ofdm时间同步的训练序列构造及同步算法 - Google Patents

Abstract

本发明目提供一种新的OFDM时间同步方法，该方法基于一种训练序列结构及其相应的同步算法。本发明所述的OFDM同步训练序列采用叠加在传输数据循环前缀上的方法，不增加额外的传输开销，结合训练序列的结构，利用训练序列的正负交替特性使相关峰值更加突出。结合相应的同步算法不但提高了同步的准确度，同时提高了算法的运算速度。

Description

一种适用于OFDM时间同步的训练序列构造及同步算法

技术领域

本发明涉及OFDM技术领域，特别是涉及一种利用叠加训练序列进行时间同步的方法。

背景技术

OFDM是一种单用户多载波的调制方法，它的基本原理是将串行高速数据信号先转换成并行的低速子数据流，再使用相互正交的一组子载波构成的子信道来传输各个子数据流。OFDM子信道的频谱是相互重叠且正交的，因此，OFDM是一种频谱效率高的调制方式。与传统的均衡器比较，它最大的特点在于结构简单，因此可大大降低成本，且在实际应用中非常灵活，尤其对高速数字通信是一种非常具有前景的技术。

但是，实现OFDM系统存在技术上的难点，其中很重要的一条是系统对同步的要求很高，因为它对定时误差要比单载波技术敏感得多。符号定时偏差是指解调OFDM符号时，FFT窗口提前或者滞后。如果符号定时偏差过大，使定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和小于循环前缀的长度，会产生符号间干扰，破坏OFDM符号的完整性，降低系统的性能。可以说，准确的符号定时偏差的估计是实现OFDM系统的关键。

图1是一个通用OFDM基带系统的框图。图1中发送端的串并转换、编码、映射、OFDM基带调制和叠加训练序列等模块，代表OFDM基带调制的过程；图1中接收端的串并变换、同步、OFDM基带解调、信道估计及信道补偿、逆映射及并串变换等模块，代表OFDM基带解调过程；图1中信道为多径信道；图1中的同步模块即是实现OFDM时间同步的部分。

常见的OFDM时间同步方案有两种：

(1)将训练序列作为导频的OFDM时间同步。该方法将训练序列作为数据信息单独占用一个数据发送单元，接收端通过对导频的相关运算获得相关峰值来实现时间同步的目的。参见文献：Sehmidl，Donald C Cox.Robust frequeney and timingsynehronizati on for OFDM.IEEE transaetions oncommunications.1997.45(12)：1613-1621。该方法虽然能够保证获得较好的同步性能，但由于导频占用了发射资源，降低了系统的传输效率。

(2)将训练序列叠加在数据上的OFDM时间同步。将训练序列叠加在传输数据上的同步方法节省传输资源提高传输效率。该方法通过将训练序列乘以一个功率分配因子后与传输数据叠加，减少了导频所需要的发射资源，提高了传输效率，但是该方法存在训练序列与传输数据互相干扰的问题。参见文献：Tufvesson F.，Faulkner M.，Hoeher P.，Edfors O..OFDM timeand frequency synchronization by spread spectrum pilot technique[J].Commun.Theory Mini-Conference.Jun，1999.vol.5：115-119。随后又有人提出将训练序列叠加在循环前缀上的方法，降低了训练序列与传输数据的干扰。参见文献：唐友喜，严春林.一种OFDM时间、频率同步方法[P].专利申请号02133996.1公开日2006年6月14日，公开号CN1259780C。但该系列方法由于降低了训练序列的能量，抗多径干扰方面的性能有所下降。

发明内容

本发明目针对现有技术的不足，提供一种训练序列结构及其相应的同步算法。本发明所述的OFDM同步训练序列采用叠加在传输数据循环前缀上的方法，不增加额外的传输开销，结合训练序列的结构，将时间同步分为粗同步和细同步。

按照本发明所述的同步方法基于所述训练序列结构及其同步算法，包括以下步骤：

A.在发端将编码序列取反后放在编码序列后，再对这两组序列进行复制后组成训练序列m(k)。

B.将训练序列叠加在基带OFDM信号的循环前缀上，并送入信道。

C.接收端将接收的信号进行移位相关运算，寻找相关峰值的位置。其中，信号经过信道会受到高斯噪声和多径效应的影响。

所述的步骤A包括：

将编码序列p1进行取负变换得到序p2，即p2＝-p1。将序列p2放在原编码序列p1之后，组成序列p3(k)＝[p1 p2]。将序列p3重复放置，形成训练序列m(k)＝[p3 p3]＝[p1-p1 p1-p1]。

其中，编码序列p1的选取具有一般性，通常选取相关性能优异的序列。p1的长度为循环前缀长度L的四分之一，不足时可以补0。

所述的步骤B包括：

将训练序列乘以

ρ为功率分配因子，定义功率分配因子等于叠加训练序列的能量与总能量(即：训练序列的能量与信号序列的能量之和)之比，再将叠加位置的循环前缀乘以

后，将二者相加完成叠加训练序列的过程。

所述的步骤C包括：

在收端，当收端接收到数据后，在一个符号内从起始位置开始取长度为L的数据为一个数据段，从该数据段的起始位置开始，按照式(1)进行长度为L/2的相关运算，当滑动位置为L/2时，完成该窗口的相关运算，同时获得该窗口内的最大相关值。按照该方法可在一个符号内获得N(N为符号长度与L的商的最大整数值)个长度为L的数据段的最大相关值，取最大值所在窗口的相关峰值处的位置为同步位置。

$a\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{L/2-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n-k)\·m*\left(k\right)---\left(1\right)$

其中，r(k)为接收信号，L为循环前缀的长度，m(k)为训练序列，*为取共轭运算，n为滑动相关串口移动的位置，a(n)为相关结果。

本发明的优点在于：利用训练序列的结构中编码序列的正负交替性，使同步位置时的峰值比非同步位置时的峰值更加突出；通过将接收数据进行分段，并且只对数据段内的部分数据进行相关，提高了同步算法的效率。

本发明的上述其他目的及其特征进一步适用的范围，可由下列的详细说明中清楚得知。但是，这些详细的说明和所提到的实施例仅供说明作用，并非构成对本发明的限制，本领域中的技术人员应该可以理解其它变化形式。

附图说明

图1是根据本发明的叠加训练序列的OFDM系统结构示意图。图中，1为串并转换模块，2为信源编码模块，3为映射模块，4为OFDM基带信号产生模块，5为训练序列叠加模块，6为并串转换模块，7为信道模块，8为串并转换模块，9为同步模块，10为OFDM基带信号解调模块，11为信道估计及信道补偿模块，12为逆映射模块，13为解码模块，14为并串转换模块。

图2是根据本发明的训练序列结构示意图。图中，15为选择的自相关性优良的码组，16为对15取负值的编码序列，17与15完全相同，18与16完全相同，由15、16、17和18共同组成叠加的训练序列。

图3是根据本发明的叠加训练序列的发送信号结构示意图。图中，19为乘以

的训练序列，20为叠加训练序列处乘以的循环前缀，21为原始数据。

图4是接收信号按照本发明方法进行同步的相关信号示意图。

图5是本发明提出的训练序列结构及同步算法与传统结构训练序列及同步算法在多径信道下正确同步概率比较图。图中的传统方法是指训练序列由编码序列进行重复放置，构成的结构为[a a a a]，收端同步按照公式(2)进行逐位相关运算。

$a\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{G-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n-m)t*\left(m\right)---\left(2\right)$

其中，r(n)为接收的数据，t(m)为传统方法的训练序列，G为循环前缀的长度，a(n)为同步信号，*为共轭运算。

图6是系统在相同仿真环境下，没有叠加训练序列时和叠加训练序列时的误码率比较图。其中叠加训练序列分为叠加本专利提出的训练序列和叠加传统结构的训练序列。传统结构是指训练序列是由编码序列重复放置，没有经过取负等运算处理。

具体实施方式

下面将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

步骤1：设OFDM系统中子载波数为1024，循环前缀长度为128位。原始串行数据经过模块1形成并行的数据，每组数据经过模块2的RS编码后，进行QPSK调制即映射；数据在OFDM基带调制模块中进行IFFT运算并生成数据对应的循环前缀；选择周期为N_pn＝31的m序列，在最后一位补0后构成长度为32的编码序列，发端将编码序列取负值后放置在原编码序列后，再将上述两组编码序列进行复制，形成如图2所示结构的训练序列，记为m(k)，k∈[0，127]；将训练序列乘以ρ＝0.3，表示循环前缀中训练序列的能量占总能量的30％。在叠加训练序列模块中将训练序列叠加在第一组数据的循环前缀上，被叠加的循环前缀乘以

数据经过并串变换后送入信道。

步骤2：数据在信道中受到多径效应和噪声的干扰。其中，多径数为20，最大多普勒频移为200Hz。

步骤3：收端将接收数据进行串并变换后，将数据送入同步模块。同步模块根据公式1进行同步运算。其中，选取的数据段的长度G＝80。确定最大相关值的数据位置区间(长度为80)并以该区间的相关峰值位置为同步位置。

发明性能分析

根据上述实施步骤，可以得到图5所示的同步性能。通过比较可以发现，基于传统算法的同步技术与基于本发明提出的同步算法的同步技术，在相同信噪比条件下，本发明提出的改同步算法的同步正确率明显高于传统算法。随着信噪比的增加，本发明提出的同步算法的同步正确率曲线的上升速度也高于传统方法。由图6可以看出，由于叠加了训练序列，系统误码率比没有叠加训练序列时要高，而本专利提出的改进结构的训练序列对系统误码率的影响略小于传统结构训练序列对系统误码率的影响。

在算法复杂度方面，由于本专利提出的方法是将接收数据分段，在每段数据内做部分数据的相关运算(本例中相关长度为L/2＝64)，而移位相关运算的长度也只是数据段的一半，比传统逐位进行相关运算相比，算法的复杂度得到了降低，运算速度得到了提高。

以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护范围。可以理解，根据本发明所附权利要求书中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种适用于OFDM时间同步的训练序列构造

及同步算法，该方法包括如下步骤：

步骤1 确定发送数据的帧结构，确定循环前缀的长度L、训练序列的长度通常等于循环前缀的长度；

步骤2选择长度为L/4的编码序列，编码类型一般选择自相关性能优异的、长度小于等于L/4的码，如果所选择的码型长度小于L/4，则以0充填不足位；

步骤3将步骤2中的编码序列进行取反，放置在原编码序列后，在对上述两个序列再进行复制后进而构成训练序列m(k)；

步骤4将训练序列m(k)叠加在一个发送数据符号的循环前缀上；

步骤5当收端接收到数据后，在一个符号内从起始位置开始取长度为L的数据为一个数据段，从该数据段的起始位置开始，按照式(1)进行长度为L/2的相关运算，当滑动位置为L/2时，完成该窗口的相关运算，同时获得该窗口内的最大相关值。按照该方法可在一个符号内获得N(N为符号长度与L的商的最大整数值)个长度为L的数据段的最大相关值，取最大值所在窗口的相关峰值处的位置为同步位置；

$a\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{L/2-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n-k)\·m*\left(k\right)---\left(1\right)$

其中，r(k)为接收信号，L为循环前缀的长度，m(k)为训练序列，*为取共轭运算，n为滑动相关串口移动的位置，a(n)为相关结果。

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