CN103139132A - 一种基于循环前缀和导频序列的联合同步方法 - Google Patents

Abstract

一种基于循环前缀和导频序列的联合同步方法，包括步骤：(1)在频域上，往LTE下行帧结构中插入相互正交的2个长度为62的ZC序列；(2)在接收端，采取基于循环前缀的最大似然同步方法，计算载波频偏；(3)根据得到的载波频偏值，对接收信号直接进行载波频偏补偿；(4)对频偏补偿后的接收序列

进行OFDM解调，得到序列R(k)；(5)在频域上，对解调后的序列R(k)进行基于导频的定时估计。本发明简单高效，计算所需的导频序列自相关和互相关性能优异，在多径环境下能够获得良好的性能。

Description

一种基于循环前缀和导频序列的联合同步方法

技术领域：

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于循环前缀和导频序列的联合同步方法。

背景技术：

为了满足人们对数据传输速率的日益增长的需求，分时长期演进（TD-LTE，Time Division Long Term Evolution）将在未来成为主流的宽带移动技术。LTD中采用了以正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）为基础的多址技术。OFDM作为一种多载波传输技术，对时间和频率偏移非常敏感，精确的同步对OFDM系统来说是非常重要的。定时偏移会减小循环前缀（CP，Cyclic Prefix）的有效长度，引入符号间干扰（ISI，Inter Symbol Interference）；载波频率偏移会破坏子载波间的正交性，导致子载波间干扰（ICI，Inter CarrierInterference），因而在接收端要对定时偏移和载波频率偏移进行估计和补偿。

到目前为止，己有大量文献对OFDM系统的同步技术进行了研究。己经有相当多的文献对OFDM系统中的同步方法进行了较深入和全面的探讨，提出了一系列同步方法，大致可分为三类：基于CP的同步方法、基于导频的同步方法和盲同步方法。

CP类同步方法利用OFDM系统固有的CP进行同步操作，不降低系统频谱效率。这类方法只能做符号定时同步和小数频偏估计，不能做整数频偏估计。由于OFDM系统引入CP是为了对抗多径干扰的，用CP来做同步只是其额外用途。CP与原数据具有很好的相关性，在接收端通过寻找这种特定的相关结构，即可完成符号的定时同步。在多径衰落信道中，多径极大破坏了CP的这种相关性，使得CP类同步方法在多径衰落信道下性能较差。

导频类同步方法需要插入额外的导频符号，降低了数据传输效率。这类方法有计算复杂度低，同步性能好的优点。但是，由于在频域进行频偏估计，需要快速傅里叶变换以实现在频域估计，所以方法的实现复杂度较高，而且其频偏估计范围比较小。如果在时域进行频偏估计，存在同步性能不佳的问题。

盲同步方法类利用信号的高阶统计特性或虚子载波进行同步参数估计，该类方法的特点是不需要任何开销，但性能较差，复杂度也非常高，目前仅具有理论上的研究意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提出一种基于循环前缀和导频序列（ZC序列，Zadoff–Chu Sequence）的联合同步方法，既保留了导频类方法定时同步性能好的优点，也利用了基于CP的良好频偏同步的特点。

本发明原理是：根据在多径环境下分别对基于CP和基于ZC序列的同步仿真，我们可以得出，基于CP的频偏估计优于基于ZC的，而基于ZC的定时估计优于基于CP的。因此可以在循环前缀同步后再进行基于导频符号的同步方法设计。即通过循环前缀同步估计出频偏，在补偿频偏以后，再进行基于ZC序列的定时估计，从而进一步提升方法的估计性能。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于循环前缀和导频序列的联合同步方法，其特点在于，该方法包括如下具体步骤：

(1)在频域上，往LTE下行帧结构中插入相互正交的2个长度为62的ZC序列；

(2)在接收端，先采取基于循环前缀的最大似然（ML，Maximum Likelihood）同步方法，计算载波频偏；

(3)根据得到的载波频偏值，对接收信号直接进行载波频偏补偿，以提高之后频域上定时估计的准确度；

(4)对频偏补偿后的接收序列

进行OFDM解调，得到序列R(k)；

(5)在频域上，对解调后的序列R(k)进行基于导频的定时估计。

其中，所述步骤（2）中的所述的基于CP的同步方法，采用的是最大似然同步方法，该种方法在多径环境下的定时同步性能差，当时频偏估计性能优越，所以可以利用其估计出频偏来补偿接收信号。

其中，所述步骤（5）中采用是时域定时偏差在频域所产生影响的原则。由FFT性质可知，在时域上的定时偏移量d_f，在频域上表现为

的相位旋转，基于此原则可以根据本地导频序列和接收到的导频序列相关后的相位信息获得定时偏差。

与传统的时频同步方法相比，本发明方法综合利用了两种同步方法的优点，且计算方法简单高效，计算所需的导频序列自相关和互相关性能优异，使得本发明的同步方法在多径环境下能够获得良好的性能。

附图说明：

图1是本发明基于循环前缀和导频序列的联合同步方法的流程图

图2是本发明与现有技术中各种方法的定时同步性能比较图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明基于循环前缀和导频序列的联合同步方法的流程图，如图所示，一种基于循环前缀和导频序列的联合同步方法，该方法包括步骤如下：

(1)在频域上，往LTE下行帧结构中插入相互正交的2个长度为62的ZC序列；

(2)在接收端，采取基于循环前缀的最大似然同步方法，计算载波频偏f_d，公式如下：

$f_d=-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\∠\left\{\underset{k=d_f}{\overset{\hat{d}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r^{*}(k+N)\right\}---\left(4\right)$

其中，d_f是当前方法估计出来的定时偏差，其初始值为由基于CP同步方法估计出来的定时偏差，L表示CP的长度，r(k)表示接收序列，k为接收序列的时间坐标，N表示OFDM数据长度；

(3)根据步骤2）得到的载波频偏值f_d，对接收信号进行载波频偏补偿：

$\hat{r}\left(k\right)=r\left(k\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{d}k}---\left(5\right)$

其中，

表示频偏补偿后的接收序列，r(k)表示频偏补偿前的接收序列，k为接收序列的时间坐标，f_d表示当前的载波频偏值；

(4)对频偏补偿后的接收序列进行OFDM解调，得到序列R(k)；

(5)在频域上，对解调后的序列R(k)进行基于导频的定时估计，公式如下：

$d_f=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{R^{*}(k+1)s(k+1){\left(R^{*}\left(k\right)s\left(k\right)\right)}^{*}\right\}---\left(6\right)$

其中，s(k)表示本地导频序列，k表示接收序列的时间坐标，N表示OFDM数据长度，d_f表示当前的载波延时误差。

图2是本发明与现有技术中各种方法的定时同步性能比较图，如图所示，在载波频偏、载波延时、多径参数为[0 1 3 5]*Ts，[0 -1 -3 -5]dB的情况下，本发明基于循环前缀和导频序列的联合同步方法得到的归一化均方误差最小。

Claims (1)

1.一种基于循环前缀和导频序列的联合同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在频域上，往LTE下行帧结构中插入相互正交的2个长度为62的ZC序列；

(2)在接收端，采取基于循环前缀的最大似然同步方法，计算载波频偏f_d，公式如下：

$f_d=-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\∠\left\{\underset{k=d_f}{\overset{\hat{d}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r^{*}(k+N)\right\}---\left(1\right)$

其中，d_f是当前方法估计出来的定时偏差，其初始值为由基于CP同步方法估计出来的定时偏差，L表示CP的长度，r(k)表示接收序列，k为接收序列的时间坐标，N表示OFDM数据长度；

(3)根据步骤2）得到的载波频偏值f_d，对接收信号进行载波频偏补偿：

$\hat{r}\left(k\right)=r\left(k\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{d}k}---\left(2\right)$

其中，

表示频偏补偿后的接收序列，r(k)表示频偏补偿前的接收序列，k为接收序列的时间坐标，f_d表示当前的载波频偏值；

(4)对频偏补偿后的接收序列

进行OFDM解调，得到序列R(k)；

(5)对解调后的序列R(k)进行基于导频的定时估计，公式如下：

$d_f=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{R^{*}(k+1)s(k+1){\left(R^{*}\left(k\right)s\left(k\right)\right)}^{*}\right\}---\left(3\right)$

其中，s(k)表示本地导频序列，k表示接收序列的时间坐标，N表示OFDM数据长度，d_f表示当前的载波延时误差。

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