CN101883069A - 一种训练序列构造及其ofdm时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明目提供一种新的OFDM时间同步方法，通过设计训练序列结构及其相应的同步算法增强时间同步的相关性能。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，由于训练序列中插入了0，进一步降低了训练序列与传输数据之间的干扰。

Description

一种训练序列构造及其OFDM时间同步方法

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

正交频分复用技术(orthogonal frequency divisionmultiplexing，简称OFDM)是一种多载波调制方式，它的基本思想是通过允许子信道频谱重叠，但又相互不影响的频分复用(FDM)的方法来并行传送数据，有很高的频谱利用率，具备较强的抗脉冲噪声及抗多径衰落的能力。正是因为OFDM有着如此优良的性能，迄今为止，这项技术已被应用于欧洲的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)等。在已标准化的HIPERLAN/2也应用了OFDM技术为用户提供便利的无线网络。可以说，它是未来无线宽带通信最有效的技术之一。

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中的发送端串并变换、信源编码、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。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，提供一种引入额外相关性的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，由于训练序列中插入了0，进一步降低了训练序列与传输数据之间的干扰。

按照本发明所述的同步方法基于所述训练序列结构，包括以下步骤：

A.在发端将编码序列进行共轭变换，再与全0序列结合，生成特殊结构的训练序列。

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。

所述的全0序列长度等于编码序列的长度。在多径信道下，相关滑动窗口的长度为大于等于循环前缀的长度，为了降低运算量可以直接等于循环前缀的长度。

所述的步骤A包括：

将编码序列a取共轭后得到序列b，再将与编码序列等长的全0序列分别放置在原编码序列和取共轭的编码序列后，得到序列[a 0 b 0]，该序列即为所构造的训练序列m[k]。

其中，编码序列a的选取具有一般性，通常选取相关性能优异的序列。序列b为序列a的共轭，序列a的长度等于序列b的长度，序列a与序列b后面0序列的长度与a相等。

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：

将接收信号与已知的训练序列按照1式进行滑动相关。

$\mathrm{\γ}\left[n\right]=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}r[n-k]\mathrm{gm}*\left[k\right]---\left(1\right)$

其中，r[k]为接收信号，m[k]为已知的训练序列，L为训练序列的长度，一般等于循环前缀的长度，*为取共轭运算，n为接收序列相对本地训练序列对齐时的滑动点数，γ[n]为滑动相关结果。

滑动长度视发送数据的帧长度而定，通常小于发送数据帧长度的一半。在滑动长度内寻找相关的峰值，确定峰值的位置进而达到时间同步。

本发明的优点在于：通过在时域将训练序列只叠加在一个传输数据的循环前缀上，并且在训练序列中插入了全0序列，提高了传输的效率，并降低了训练序列与数据之间的干扰。对叠加的训练序列的结构进行设计，在充分利用编码码型相关性的同时，通过插0和取共轭的方法，增强了训练序列的相关性，使得在收端同步时可以获得更突出的相关峰值。

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为编码序列，通常选择具有良好相关性的编码，16为全0序列，长度等于编码序列，17为编码序列的共轭序列，长度与编码序列长度相等，18为全0序列，长度等于编码序列。

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是本发明根据式(1)的收端同步结构示意图。

图5是本发明与传统结构训练序列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]；改进方法是指训练序列按照本文提出地方法进行构造；传统方法与改进方法的相关算法相同。

图6是系统采用本发明提的方法与采用传统方法在多径信道下的误码率曲线比较图。

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IFFT长度为N＝512，循环前缀长度为128。原始串行数据经过模块1形成6组并行的数据，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运算并分别生成6组数据对应的循环前缀；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

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，发端将编码序列取共轭后进行插0，形成如图2所示结构的训练序列，记为m[K]k∈[0，127]。6组数据经过并串变换后送入信道。在传统方法中叠加训练序列仍选择长度为31的m序列。

步骤2：数据在信道中受到多径效应和高斯噪声的干扰。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进行相关运算。其中，相关滑动窗口的长度为128。由于在式(1)的说明中介绍了滑动长度视发送数据的帧长度而定，通常小于发送数据帧长度的一半；由于此例中一帧包含6个OFDM符号，每个符号的长度为640位(IFFT长度与循环前缀长度之和)，所以取滑动长度为1920位。

相关过程如图4所示，在长度为128的滑动窗口内，接收信号的每一位对应与训练序列相乘，将128个相乘结果求和后保存，滑动窗口进行移位，并重复上述计算，最后得到256个求和结果，找到其中的最大相关值并确定位置，则取得时间同步。

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，传统的基于编码序列重复放置结构的训练序列的同步与基于本发明提出的训练序列结构的同步，在相同信噪比条件下，本发明提出的改进结构及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，本发明提出的改进结构及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，本专利提出的改进结构及同步算法对系统误码率的影响与传统方法相比相差很小，特别是在信噪比SNR小于10dB前，本专利提出的改进结构及同步算法对系统误码率的影响优于传统方法。

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)

1.一种训练序列构造及其OFDM时间同步方法，其特征在于，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、训练序列的长度L，L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L/4比所选择的码长，则以0充填码的后位；

步骤3将步骤2中的编码序列取共轭，得到一个新的编码序列；

步骤4将步骤2中所述的编码序列后面添加长度为L/4的全0序列，再将步骤3中得到的新序列放在该全0序列后，在步骤3所述的全新序列后面再添加长度为L/4的全0序列，至此构成训练序列m[k]；

步骤5将步骤4中得到的训练序列叠加在一个发送数据的循环前缀上；

步骤6时间同步：将经过信道的数据进行相关运算，其同步信号可以通过数学表达式得：

$\mathrm{\γ}\left[n\right]=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}r[n-k]\mathrm{gm}*\left[k\right]$

其中，r[k]为接收信号，m[k]为已知的训练序列，L为训练序列的长度，一般等于循环前缀的长度，*为取共轭运算，n为接收序列相对本地训练序列对齐时的滑动点数；

在滑动窗内找到相关结果的最大值，并确定最大值所对应接收数据的位置，至此时间同步过程完成。

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