CN102014101A - 基于多发送天线技术的ofdm同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线通信技术领域中的一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法。所述方法包括使各个发送天线发送相互正交的频域调制符号；所述频域调制符号具有周期重复结构；对所述频域调制符号进行傅立叶反变换，得到时域同步符号；利用各个发送天线的时域同步符号进行频偏估计和定时同步。本发明利用多发送天线技术进行OFDM同步，提高了频偏估计与定时检测的性能。

Description

基于多发送天线技术的OFDM同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法。

背景技术

频偏估计是数字通信系统中极为重要的环节之一，特别是对于现代通信系统而言，由于广泛采用了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术作为物理层标准，所以频偏估计就显得更为重要。这是因为，OFDM系统对频偏十分敏感，非常小的频偏就可以造成十分大的性能下降。所以，在OFDM系统中，频偏估计的好坏就决定了系统所能达到的误码性能。

鉴于频偏估计在OFDM技术中的重要作用，已经有大量适用于OFDM的频偏估计技术被开发出来。已有的这些频偏估计算法，主要关注于单发单收(Single Input Single Output，SISO)系统中如何利用参数估计的方法从接收到的信号中估计出频偏，而没有考虑在发送端使用多天线系统来提高频偏估计器的性能。当在发送端使用多天线时，发射机-信道-接收机就够成了一个多入单出系统(Multiple Input Single Output，MISO)。

实际上，在发送端使用多天线的发送分集技术已经在通信系统的设计中得到了广泛的使用。通过对发送的符号进行空时编码，可以在未知信道响应的条件下获得与接收分集相同的性能增益，提高系统的误码性能。从检测与估计理论角度来看，使用发送分集来提高系统的误码性能实际上是将发送分集应用于信号的检测。考虑到检测问题与估计问题的相似性，也可以将发送分集应用于信号估计问题，这就形成了用多发送天线分集来提高频偏估计性能的解决方案。

基于OFDM的数字通信系统的另一个重要方面就是定时同步，也就是定时同步起点的选取。在单入单出系统中，传统的方法是在接收端利用已知序列与发送的训练序列进行互相关运算，互相关输出的最大峰值点作为定时同步的起点。而对于多入单出系统，由于在接收端接收到的信号是多个发送天线信号经过传播后互相叠加的结果，这样在接收端看来，实际上等效于形成了多个并行的传输通道，从而可以提供分集增益，以改进定时同步的检测性能。

发明内容

本发明的目的在于，针对多发送天线技术已经广泛应用于信号的检测以提高通信系统的性能，但却未在频偏估计问题中得以广泛应用的问题，提出一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法，用以提高频偏估计与定时检测的性能。

技术方案是，一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：使各个发送天线发送相互正交的频域调制符号；所述频域调制符号具有周期重复结构；

步骤2：对所述频域调制符号进行傅立叶反变换，得到时域同步符号；

步骤3：利用各个发送天线的时域同步符号进行频偏估计和定时同步。

所述频域调制符号具体为ZadOff-Chu序列产生的伪随机序列，其中，ZadOff-Chu序列的长度为829，表达式为

n＝0，Λ，828，q为不同ZadOff-Chu序列的根值。

所述频偏估计具体利用公式

其中，k＝0，L，N/2-1，r[k]为接收到的信号。

所述定时同步具体包括：

步骤101：获取发送天线的根值矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{ccc}{q}_{11}& q_{12}& q_{13}\\ M& M& M\\ q_{M1}& q_{M2}& q_{M3}\end{array}\right]$

其中，q_ij表示第i根天线上在第j个小区内使用的根值，M为发送天线个数；

步骤102：从接收信号中选取长度F的一段接收数据作为观察窗口，利用公式

与不同根值的同步符号进行互相关运算，选取具有最大相关峰的偏移作为当前根值同步符号对应的定时起点；

步骤103：根据公式从所有的定时起点

中选取最大值，作为定时同步点。

本发明利用多发送天线技术进行OFDM同步，提高了频偏估计与定时检测的性能。

附图说明

图1是基于多发送天线技术的结构图；

图2是每根天线使用的同步符合示意图；

图3是第q根天线上的子载波映射方式示意图；

图4是OFDM同步符号产生示意图；

图5是IFFT模块输入端口结构图；

图6是各个小区上发送天线的根值列表。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是基于多发送天线技术的结构图。图1中，基于多发送天线技术的OFDM同步方法，通过多个发送天线实现，其步骤包括：

步骤1：使各个发送天线发送相互正交的频域调制符号；所述频域调制符号具有周期重复结构。

假设多发送天线系统中，第i根天线上发送的同步序列为s_i[k]，(k＝0，Λ，N-1)，且满足不同天线上的同步序列相互正交，即

$\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i^{*}\left[k\right]s_j\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}1& i=j\\ 0& i\≠j\end{array}\right.---\left(1\right)$

考虑一个平坦衰落信道，发送信号将只受到平坦衰落的影响。假设各发送天线使用相同的振荡器作为调制载波的信号源，则接收到的信号可以表示为

$r\left[k\right]=e^{j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{N}k}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{s}_i\left[k\right]+n\left[k\right]---\left(2\right)$

其中，ε是相对于子载波间隔的归一化载波频偏；h_i是第i根发射天线到接收天线的信道响应；n[k]是接收天线收到的高斯白噪声，功率为

基本的频偏估计方法仍然使用经典的时域相关方法，所以，发送的同步符号在时域上具有重复结构，即s_i[k]＝s_i[k+N/2]，k＝0，Λ，N/2-1。于是，(1)式中的正交关系可以简化为

$\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i^{*}\left[k\right]s_j\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}1& i=j\\ 0& i\≠j\end{array}\right.---\left(3\right)$

利用时域相关的方法，得到的频偏估计结果可以表示为

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\arg \underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}\left[k\right]r[k+N/2]---\left(4\right)$

将(2)式代入(3)中，忽略噪声项，可以得到

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\arg \underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}\left[k\right]r[k+N/2]$

$=\frac{1}{\mathrm{\π}}\arg e^{\mathrm{j\π\ϵ}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_i\right|}^2\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s_i\right[k\left]\right|}^2---\left(5\right)$

由(5)式可以看到，由于不同天线上发送的信号序列彼此之间是相互正交的，所以最终得到的频偏估计结果得到发射分集所带来的增益。

图2是每根天线使用的同步符合示意图。图2中，频域调制符号周期重复结构，可以通过将频域调制符号序列只映射到偶数编号的子载波来实现。在本实施例中，在发送端使用的频域调制符号采用ZadOff-Chu序列产生的伪随机序列，ZadOff-Chu序列长度的选择需要满足以下条件：

(1)对于子载波为60kHz，带宽为100MHz的系统，ZadOff-Chu序列的长度应小于50MHz/60kHz≈833；

(2)ZadOff-Chu序列的长度应该尽量长，这样可以使时域序列的自相关峰值十分尖锐，有利于定时同步性能的提高；

(3)ZadOff-Chu序列的长度应该选择为一个素数，这样对于根值不相同的任意两个ZadOff-Chu序列，它们的自相关函数保持为

这样，可以认为根值不同的两个序列是近似正交的，从而满足式(3)的正交化条件。

综合考虑上述三条原则，可以将ZadOff-Chu序列的长度选择为小于833的最大素数，即829，所以，N_ZC＝829。于是，得到的ZadOff-Chu序列表达式为

$Z_q\left(n\right)=\exp \left[j\mathrm{\πq}\frac{n(n+1)}{829}\right]$ n＝0，Λ，828                (6)

其中，q为不同ZadOff-Chu序列的根值。可以通过选择不同的q值，使不同根值的ZadOff-Chu序列彼此之间的相关性很低，可以近似认为是正交的。所以，可以在不同发送天线上选择具有不同根值的ZadOff-Chu序列作为频域符号，经傅里叶反变换IFFT后得到相应的时域同步符号。由于频域符号是正交的，因此可以保证不同发射天线所发出的同步符号也是正交的。

图3是第q根天线上的子载波映射方式示意图。图3中，进行数据传输时，0号子载波(直流)一般不使用，但在发送同步符号时，为了形成具有时域重复的结构，0号子载波上需要传送一个符号。

步骤2：对所述频域调制符号进行傅立叶反变换，得到时域同步符号。

图4是OFDM同步符号产生示意图。图4中，获得ZadOff-Chu序列后，将序列映射到相应的子载波上即可获得时域的同步OFDM符号；利用IFFT变换所具有的循环对称特性，可以使用2048点的IFFT来实现ZadOff-Chu序列到子载波映射的过程。

图5是IFFT模块输入端口结构图。使用2048点的IFFT模块生成时域同步符号时，进入IFFT模块输入端口的数据如图5所示。

若仍然考虑使用LTE(Long Term Evolution，长期演进)中的小区分组机制，并且第一个同步符号只用来提取小区ID号，那么理论上可以支持的多天线数目为276根((829-1)/3)。由于ZadOff-Chu序列的长度为素数，所以q值的选择不会影响相关性，只需简单对828个根值进行分组就可以形成276个发送天线的配置方案。图6是各个小区上发送天线的根值列表，图6列出了前16根天线所使用的根值。

步骤3：利用各个发送天线的时域同步符号进行频偏估计和定时同步。

在多发单收系统中，接收端天线上会同时接收到来自不同发送天线的信号。来自不同发射天线的信号会经历不同的衰落，这使得接收端可以利用不同发射天线产生的衰落来进行空间分集，以提高定时同步算法的性能。

考虑UE(用户设备)处于第i个小区组内，并且基站侧使用了M根发送天线，由于基站天线到UE的距离远大于基站天线间的距离，所以在不考虑多径传播的情况下，可以假定各发射天线的信号是同时到达UE的；若考虑多径传播，所造成的影响与单发单收系统中多径效应产生的影响是一样的，即会存在多个定时的相关峰。

本发明提出的方法将综合考虑来自多根发送天线的信号和来自多径传播的信号，选取具有最强相关峰值的定时点作为同步起点。具体方法如下：

步骤101：获取发送天线的根值矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{ccc}{q}_{11}& q_{12}& q_{13}\\ M& M& M\\ q_{M1}& q_{M2}& q_{M3}\end{array}\right]$

其中，q_ij表示第i根天线上在第j个小区内使用的根值，M为发送天线个数；

步骤102：从接收信号中选取长度F的一段接收数据作为观察窗口，利用公式

与不同根值的同步符号进行互相关运算，选取具有最大相关峰的偏移作为当前根值同步符号对应的定时起点；

步骤103：根据公式

从所有的定时起点中选取最大值，作为定时同步点。

实验证明，使用本发明提供的方法进行频偏估计，频偏估计的性能会随着发送天线数目的增加而不断改善。但是，在发送天线达到一定数量后，频偏估计的性能随着发送天线数量的增加，其改变就会越来越小。由此可知，设置更多的发送天线所带来的复杂性并不能换来相应程度的性能提升。因此，本发明提出的多发送天线方案非常适用于发送天线个数相对较小的情况。另外，在进行定时同步仿真实验时，使用多根发送天线也会使定时同步性能得到提升。但是，仿真中使用的子载波数目较大时，同步定时点的漏检测事件只有在较低的信噪比水平上才比较容易观察到。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：使各个发送天线发送相互正交的频域调制符号；所述频域调制符号具有周期重复结构；

步骤2：对所述频域调制符号进行傅立叶反变换，得到时域同步符号；

步骤3：利用各个发送天线的时域同步符号进行频偏估计和定时同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法，其特征是所述频域调制符号具体为ZadOff-Chu序列产生的伪随机序列，其中，ZadOff-Chu序列的长度为829，表达式为

n＝0，Λ，828，q为不同ZadOff-Chu序列的根值。

3.根据权利要求2所述的一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法，其特征是所述频偏估计具体利用公式

其中，k＝0，L，N/2-1，r[k]为接收到的信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于多发送天线技术的OFDM同步方法，其特征是所述定时同步具体包括：

步骤101：获取发送天线的根值矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{ccc}{q}_{11}& q_{12}& q_{13}\\ M& M& M\\ q_{M1}& q_{M2}& q_{M3}\end{array}\right]$

其中，q_ij表示第i根天线上在第j个小区内使用的根值，M为发送天线个数；

步骤102：从接收信号中选取长度F的一段接收数据作为观察窗口，利用公式

与不同根值的同步符号进行互相关运算，选取具有最大相关峰的偏移作为当前根值同步符号对应的定时起点；

步骤103：根据公式

从所有的定时起点

中选取最大值，作为定时同步点。

Images