CN102790737B - 一种系统的同步方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种系统的同步方法，包括，通过峰值搜索找到时偏对应的位置，导频信道响应的峰值位置即为用户时偏；根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值；根据时偏和频偏估计值进行正交频分复用OFDM系统的同步。本发明还提供了一种系统的同步装置。采用本发明的技术方案，具有高性能和低复杂度的优点，并且易于实现。

Description

一种系统的同步方法及装置
技术领域
本发明涉及通信领域，特别地涉及一种OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplex，正交频分复用)系统MIMO时的同步方法及装置。
背景技术
正交频分复用OFDM系统作为三代以后的移动通信系统，因其具有高效的频谱利用率和良好的抗多径能力而倍受瞩目，已经被广泛的应用在WLAN(无线局域网)、DAB(数字音频广播)、DVB(数字视频广播)等。IEEE802.16工作组在其制定的空中接口标准中就采用了OFDM技术作为它的传输技术。
MIMO(多输入多输出)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，它利用空间中增加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线同时发送信号，由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以并未增加带宽，因而能够成倍提高系统容量和频谱利用率。OFDM与MIMO结合的系统具有很高的传输速率，同时通过分集达到很强的可靠性。
同步技术是实现OFDM系统的关键技术，包括时偏估计、频偏估计，估计出的时偏、频偏是反映系统性能的一个重要参数，也是决定系统性能优劣的重要步骤。对于移动无线通信系统来说，无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，如多普勒频移，或者由于发射机与接收机载波频率之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间干扰，信号产生畸变，严重影响系统性能。因此，同步包括时间同步、频率同步是系统性能的重要保障。
正交频分复用系统，考虑到复杂度与性能两者的平衡，现有的时频偏估计的技术中，通过导频共轭相乘估计时偏频偏的方法复杂度很低，是最优的选择。但是由于采用MIMO技术时，分给每个用户的导频非常少，通过导频近似等效的方法进行的时偏估计，频偏估计性能都受到很大的影响，所以最终导致整个系统的时频偏估计值的准确度在很大程度上受到影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种OFDM系统MIMO时的同步方法及装置，以解决现有技术时偏频偏估计值不准确的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种系统的同步方法，包括，
通过峰值搜索找到时偏对应的位置，导频信道响应的峰值位置即为用户时偏；
根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值；
根据时偏和频偏估计值进行正交频分复用OFDM系统的同步。
上述的方法，其中，所述导频信道响应的峰值位置为对导频序列进行逆快速傅里叶转换IFFT转换后得到导频信道响应的峰值位置。
上述的方法，其中，所述对导频序列进行逆快速傅里叶转换IFFT转换后得到导频信道响应的峰值位置具体为，
对导频序列P进行逆快速傅里叶转换IFFT得到第n时刻的导频为，
其中，j为傅里叶变化表达式里定义的虚部符号，N表示FFT点数，m为导频pilot索引，导频序列的集合记为#Pilot，αi为输入的符号序列；
当n＝Δl且αl＝max(αi)时，exp[2πjm(n-Δl)/N]＝1，pn取最大值，即为导频信道响应的峰值位置；
Δi为时延，不大于Ng，i为累加的索引，Ng是循环前缀时间与有用符号时间的比率。
上述的方法，其中，所述得出频偏估计值具体为，
根据导频符号之间的相位差，第0个符号第m个载波上的频域接收数据是
第q个符号第m个载波上的频域接收数据是
乘以时偏l，接收到的频域数据如下：
P0：第0个符号第m个载波上的频域接收数据
P1：第0个符号第m+3个载波上的频域接收数据
P2：第q个符号第m个载波上的频域接收数据
P3：第q个符号第m+3个载波上的频域接收数据
根据所述频域接收数据得出频偏。
上述的方法，其中，对于虚拟MIMO的PattenA在一个Tile内频偏估计，根据所述频域接收数据得出频偏具体为，
其中ε是频偏，N是FFT的点数，T＝Tb+Tg，Tb＝N，Tb表示有用符号时间，Tg表示保护间隔或循环前缀时间，k为采样点，l是时偏，θ为arg(P2*P1 *)。
上述的方法，其中，对于虚拟MIMO的PattenB在一个Tile内频偏估计，根据所述频域接收数据得出频偏具体为，
其中ε是频偏，N是FFT的点数，T＝Tb+Tg，Tb＝N，Tb表示有用符号时间，Tg表示保护间隔或循环前缀时间，k为采样点，l是时偏，θ为arg(P3*P0 *)。
本发明还提供了一种系统的同步装置，包括，
峰值搜索模块，用于通过峰值搜索找到时频对应的位置，获得导频信道响应的峰值位置即为用户时偏；
频偏估计模块，用于根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值；
同步模块，用于根据时偏和频偏估计值进行正交频分复用OFDM系统的同步。
上述的装置，其中，所述峰值搜索模块用于获得导频信道响应的峰值位置为对导频序列进行逆快速傅里叶转换IFFT转换后得到导频信道响应的峰值位置，所述导频信道响应的峰值位置具体为，
对导频序列P进行逆快速傅里叶转换IFFT得到第n时刻的导频为，
其中，j为傅里叶变化表达式里定义的虚部符号，N表示FFT点数，m为导频pilot索引，导频序列的集合记为#Pilot，αi为输入的符号序列；
当n＝Δl且αl＝max(αi)时，exp[2πjm(n-Δl)/N]＝1，p(n)取最大值，即导频信道响应的峰值位置；
Δi为时延，不大于Ng，i为累加的索引，Ng是循环前缀时间与有用符号时间的比率。
上述的装置，其中，所述频偏估计模块，用于根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值具体为，
根据导频符号之间的相位差，第0个符号第m个载波上的频域接收数据是
第q个符号第m个载波上的频域接收数据是
乘以时偏l，接收到的频域数据如下：
P0：第0个符号第m个载波上的频域接收数据
P1：第0个符号第m+3个载波上的频域接收数据
P2：第q个符号第m个载波上的频域接收数据
P3：第q个符号第m+3个载波上的频域接收数据
根据所述频域接收数据得出频偏。
采用本发明的技术方案，具有高性能和低复杂度的优点，易于实现，其优点主要表现在：(1)时偏定位准确，并且复杂度低，因为一般的峰值搜索是通过对所有的数据载波做IFFT，本发明的峰值搜索仅是找到了导频对应的位置，对导频载波进行了IFFT，对于MIMO来说，导频载波已经很少了，是非MIMO时的一半；(2)通过时偏定位后确定频偏，频偏的定位是利用非MIMO时导频符号之间相位差的关系推导出来的，复杂度低并且准确，这种方法在实际系统中非常易于实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例流程图；
图2是WIMAX基带上行链路Tile的Patten A基本结构图；
图3为WIMAX基带上行链路Tile的Patten B基本结构图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明实施例流程图，提供了一种OFDM系统MIMO时的同步方法，包括，
S101，通过峰值搜索找到时偏对应的位置，导频信道响应的峰值位置即为用户时偏；
具体地，系统描述如下，低通等效信号S(t)可以表示为：
其中Tb表示有用符号时间，Tg表示保护间隔或循环前缀时间，那么T＝Tb+Tg；N表示FFT点数，Xk是发射的信号，Δf是子载波间隔，Ts是持续的符号时间，Ng是循环前缀时间与有用符号时间的比率，k为采样点，傅里叶变化表达式里定义的虚部符号，t为起始时间。
按照OFDM参数之间的关系，上式可以改写为：
假设信道冲击响应的低通 (3)
其中αi为输入的符号序列，Δi为时延，不大于Ng，否则会破坏OFDM符号的正交性。
可以证明，如果不存在频率偏移，接收信号低通等效在时刻tn＝NgTs+nTs(n＝0，1，2...N-1)的抽样为
经过FFT(快速傅里叶转换)变换之后，考虑到噪声和干扰，可以得到
上式中，Hk是h(t)的傅里叶变换，Zk是噪声和干扰
此时Hk就是第k个子载波上的信道响应。
导频子载波上的序列为
Yk为导频子载波序列，为表述简单，将导频序列的集合记为#Pilot，对导频载波外的所有载波内插0，得到一个全新序列P
对P进行IFFT(逆快速傅里叶转换)得到
由(9)可以看出，当n＝Δl且αl＝max(αi)时，exp[2πjm(n-Δl)/N]＝1，pn取最大值，即导频时域信道响应的峰值位置即为用户时偏。
仿真发现，使用导频出现4个峰，这是由于导频是均匀分布的，4个载波中有1个导频，在离散时间频域中，D倍抽取体现了时频和频域的尺度反比变换关系，序列在频域上D倍的内插零，则等效于其在时域中压缩D倍。时域周期变为N/D。
步骤S102，根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值。
图2是WIMAX基带上行链路Tile的Patten A基本结构图，图3为WIMAX基带上行链路Tile的Patten B基本结构图；
一个tile中共包含12个子载波，其中有2个导频子载波，2个空载波，8个数据子载波。对于patten A，斜对角上的两个载波为导频子载波(分别为P1，P2)，正对角的两个载波为空子载波；对于patten B，正对角上的两个载波为导频子载波(分别为P0，P3)，斜对角的两个载波为空子载波。
根据导频符号之间的相位差，第0个符号第m个载波上的频域接收数据是
第q个符号第m个载波上的频域接收数据是
加上时偏，那么接收到的频域数据如下：
P0：第0个符号第m个载波上的频域接收数据
P1：第0个符号第m+3个载波上的频域接收数据
P2：第q个符号第m个载波上的频域接收数据
P3：第q个符号第m+3个载波上的频域接收数据
对于Virtual MIMO的Patten A在一个Tile内频偏估计，设θ为arg(P2*P1 *)
对于Virtual MIMO的Patten B在一个Tile内频偏估计，设θ为arg(P3*P0 *)
其中N是FFT的点数，T＝Tb+Tg，Tb＝N，k为采样点，l是时偏，ε是频偏。
这样，通过以上的两个步骤就可以得到MIMO用户的时偏和频偏估计值。
S103，根据时偏和频偏估计值进行OFDM系统的同步。
本发明还提供一种系统的同步装置实施例，具体包括，
峰值搜索模块，用于通过峰值搜索找到时偏对应的位置，导频信道响应的峰值位置即为用户时偏；
频偏估计模块，用于根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值；
同步模块，用于根据时偏和频偏估计值进行正交频分复用OFDM系统的同步。
所述峰值搜索模块用于获得导频信道响应的峰值位置为对导频序列进行逆快速傅里叶转换IFFT转换后得到导频信道响应的峰值位置，所述导频信道响应的峰值位置具体为，
对导频序列P进行逆快速傅里叶转换IFFT得到第n时刻的导频为，
其中，Pk为载波位置为K的导频序列，k为采样点，j为傅里叶变化表达式里定义的虚部符号，N表示FFT点数，m为导频pilot索引，导频序列的集合记为#Pilot，αi为输入的符号序列；
当n＝Δl且αl＝max(αi)时，exp[2πjm(n-Δl)/N]＝1，p(n)取最大值，即导频信道响应的峰值位置；
Δi为时延，不大于Ng，为累加的索引，Ng是循环前缀时间与有用符号时间的比率。
所述频偏估计模块，用于根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值具体为，
根据导频符号之间的相位差，第0个符号第m个载波上的频域接收数据是
第q个符号第m个载波上的频域接收数据是
乘以时偏l，接收到的频域数据如下：
P0：第0个符号第m个载波上的频域接收数据
P1：第0个符号第m+3个载波上的频域接收数据
P2：第q个符号第m个载波上的频域接收数据
P3：第q个符号第m+3个载波上的频域接收数据
根据所述频域接收数据得出频偏。
本发明系统的同步方法及装置具有高性能和低复杂度的优点，易于实现，其优点主要表现在：
(1)时偏定位准确，并且复杂度低，因为一般的峰值搜索是通过对所有的数据载波做IFFT，本发明的峰值搜索仅是找到了导频对应的位置，对导频载波进行了IFFT，对于MIMO来说，导频载波已经很少了，是非MIMO时的一半；
(2)通过时偏定位后确定频偏，频偏的定位是利用非MIMO时导频符号之间相位差的关系推导出来的，复杂度低并且准确，这种方法在实际系统中非常易于实现。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种系统的同步方法，其特征在于，包括，
通过峰值搜索找到时偏对应的位置，导频信道响应的峰值位置即为用户时偏；
根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值；
根据时偏和频偏估计值进行正交频分复用OFDM系统的同步；
其中，所述导频信道响应的峰值位置为对导频序列进行逆快速傅里叶转换IFFT转换后得到导频信道响应的峰值位置，所述对导频序列进行逆快速傅里叶转换IFFT转换后得到导频信道响应的峰值位置具体为，对导频序列P进行逆快速傅里叶转换IFFT得到第n时刻的导频为，
其中，j为傅里叶变化表达式里定义的虚部符号，N表示FFT点数，m为导频pilot索引，导频序列的集合记为#Pilot，αi为输入的符号序列；
当n＝△i且αi＝max(αi)时，exp[2πjm(n-△l)/N]＝1，pn取最大值，即为导频信道响应的峰值位置；
△i为时延，不大于Ng，i为累加的索引，Ng是循环前缀时间与有用符号时间的比率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得出频偏估计值具体为，
根据导频符号之间的相位差，第0个符号第m个载波上的频域接收数据是
第q个符号第m个载波上的频域接收数据是
乘以时偏l，接收到的频域数据如下：
P0：第0个符号第m个载波上的频域接收数据
P1：第0个符号第m+3个载波上的频域接收数据
P2：第q个符号第m个载波上的频域接收数据
P3：第q个符号第m+3个载波上的频域接收数据
根据所述频域接收数据得出频偏；
其中，Tb表示有用符号时间，Tg表示保护间隔或循环前缀时间，ε是频偏。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于虚拟MIMO的模式A在一个导频结构Tile内频偏估计，根据所述频域接收数据得出频偏为，
其中ε是频偏，N是FFT的点数，T＝Tb+Tg，Tb＝N，Tb表示有用符号时间，Tg表示保护间隔或循环前缀时间，l是时偏，θ为arg(P2*P1 *)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于虚拟MIMO的模式B在一个导频结构Tile内频偏估计，根据所述频域接收数据得出频偏为，
其中ε是频偏，N是FFT的点数，T＝Tb+Tg，Tb＝N，Tb表示有用符号时间，Tg表示保护间隔或循环前缀时间，l是时偏，θ为
5.一种系统的同步装置，其特征在于，包括，
峰值搜索模块，用于通过峰值搜索找到时频对应的位置，获得导频信道响应的峰值位置即为用户时偏；
频偏估计模块，用于根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值；
同步模块，用于根据时偏和频偏估计值进行正交频分复用OFDM系统的同步；
其中，所述峰值搜索模块用于获得导频信道响应的峰值位置为对导频序列进行逆快速傅里叶转换IFFT转换后得到导频信道响应的峰值位置，所述导频信道响应的峰值位置具体为，对导频序列P进行逆快速傅里叶转换IFFT得到第n时刻的导频为，
其中，j为傅里叶变化表达式里定义的虚部符号，N表示FFT点数，m为导频pilot索引，导频序列的集合记为#Pilot，αi为输入的符号序列；
当n＝△i且αi＝max(αi)时，exp[2πjm(n-△l)/N]＝1，p(n)取最大值，即导频信道响应的峰值位置；
△i为时延，不大于Ng，i为累加的索引，Ng是循环前缀时间与有用符号时间的比率。
6.根据权利要求5所述的同步装置，其特征在于，所述频偏估计模块，用于根据时偏和导频符号之间的相位差得出频偏估计值具体为，
根据导频符号之间的相位差，第0个符号第m个载波上的频域接收数据是
第q个符号第m个载波上的频域接收数据是
乘以时偏l，接收到的频域数据如下：
P0：第0个符号第m个载波上的频域接收数据
P1：第0个符号第m+3个载波上的频域接收数据
P2：第q个符号第m个载波上的频域接收数据
P3：第q个符号第m+3个载波上的频域接收数据
根据所述频域接收数据得出频偏；
其中，Tb表示有用符号时间，Tg表示保护间隔或循环前缀时间，ε是频偏。
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