CN103188200A - 时频双扩ofdm系统的改进同步算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域现有的DS-CDMA技术和MC-CDMA技术，具体涉及一种时频双扩OFDM系统的改进同步算法，把每个经过调制的符号合并起来形成信号流并发送给用户，将信号分成并行支路，在多径衰落信道中，用户在子载波上接收信号，用户将各个子载波上的接收信号通过频域均衡以及解扩后合并；应用本发明的改进同步算法可以有效消除时间度量均衡，并在正确时间点处达到单峰值，而在其他点的值近似为零，可在时域以及整数倍频偏中更易实现；对比于其他同步算法，本发明具有更小的均方误差（MSE）。

Description

时频双扩OFDM系统的改进同步算法

技术领域

本发明涉及无线通信领域现有的DS-CDMA（DirectSequence-Code Division Multiple Access，直接序列码分多址）技术和MC-CDMA（Multicarrier-Code Division Multiple Access，多载波码分多址）技术，具体涉及一种时频双扩OFDM（ETF-OFDM,Expanded Time and Frequency OFDM）系统的改进同步算法。

背景技术

作为一种扩频方式，直接序列码分多址（DirectSequence-Code Division Multiple Access，下文简称DS-CDMA）通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘，获得宽带扩频信号，接收端通过用与发射端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。DS-CDMA系统具有优越的抗窄带干扰特性和灵活多变的多址能力。然而，由于DS-CDMA系统是干扰受限的，其容量受限于符号间干扰（ISI）和多址干扰（MAI）等影响，当用户数量增多时，通信质量会严重恶化，这是制约DS-CDMA进一步发展的一个瓶颈。

基于以上传统DS-CDMA系统的优缺点分析，人们将DS-CDMA和OFDM相结合，形成了适用于高速率传输的多载波CDMA（Multicarrier Code Division Multiplexing Access，下文简称MC-CDMA）。作为一种多载波多址通信方式，MC-CDMA让每一个频道使用所能提供的全部频谱，把原先在一个信道内传输的数据分到若干个信道中进行传输，即通过将扩频序列的不同码片调制到不同的子载波上实现频域扩展，在提高系统容量的同时还提高了频带的利用率。

目前，MC-CDMA还存在两点不足：第一，在遇到频率选择性衰落信道时，如果相对信道时延扩展来说，发射端发射的是一个时间宽度较窄的脉冲信号，在频域传输带宽则相对较大，若传输带宽比信道相干带宽大，这时信号之间的相关性变差，信道在一个符号带宽内变化剧烈，进入深衰落。第二，在遇到时间选择性衰落信道时，如果相对最大多普勒频移来说，发射端发射的是一个带宽较窄的频域信号，在时域符号周期较长，若取样时间间隔大于相干时间，信号的相关性变差。这时信道在一个符号周期内变化剧烈，进入深衰落。而采用两组扩频码的时频双扩OFDM系统可以灵活地通过分配扩频码使得发送信号的能量能够尽可能集中在信道条件较好的子载波上，从而以较好地弥补MC-CDMA的缺陷，提高系统的性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种时频双扩OFDM系统的改进同步算法方案。该方案不仅很好地继承了时频双扩OFDM较高的频带利用率并可以有效地抑制加性高斯白噪声（AWGN）信道中的干扰，同时针对突发性信息传输，提出一种快速帧和符号同步算法，使得系统只需要一个训练符号即可进行符号同步。

为达到上述目的，本发明提供了一种时频双扩OFDM系统的改进同步算法方案，具体实现步骤包括：

1)把每L个经过调制的符号合并起来形成信号流b_k=(b_k,1,…,b_k,L)^T并发送给第k个用户。用w_k=(w_k,1,…,w_k,M)表示第k个用户长度为M的扩频码，b_k中的每一个信号b_k,l乘以相应的w_k进行发送。将所有用户的信号求和后得到一个新的信号x=(x_1,1,…,x_L,M)^T，这样就完成了对信号的时域扩频；

2)将信号x分成LM个并行支路，每个支路x_l,m分配在N个子载波上，用c_l,m=(c_l,m,₁,…,c_l,m,N)表示x_l,m的扩频码，那么便得到在子载波n上的发送信号为s_n=∑_l∑_mx_l,mc_l,m,n，这样就完成了对信号的频域扩频；

3)在多径衰落信道中，第k个用户在子载波n上的接收信号为：r_k,n＝h_k,ns_n+z_k,n,，其中h_k,n表示信道增益，z_k,n表示噪声；

4)第k个用户将各个子载波上的接收信号通过频域均衡以及解扩后合并，得到：

其中q_k,n是信道增益的修正系数；

5)第l个符号的判决值可以通过对y_l,m在时域解扩得到： $d_{k,l}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{l,m}{w}_{k,m}.$

进一步，所述步骤c)中接收信号中的同步步骤，具体结构为：

在N点IFFT之后，在A_N/4-1之后加入A_N/4-1为除去时域中第一符号的共轭对称D_N/4-1，其对发送信号S_n具有较强共轭对称性，即符合公式：

s(n)＝s(N-n)^*,n＝1,2,...,N/2-1

在接收端有时域上的N个接收采样r(n)，并使得其结果为：

$P\left(d\right)=\underset{n=1}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}r(d+n)\·r(d+N-n)$

其中d为对应于N个采样的FFT窗中对应于第一个位置的时域索引；此窗口在时域中延时域滑动；由于频偏的出现，在时域中会发生相位偏移，但此同步算法课使系统具有相似的相位；故当所有同步信号均在训练符号中时，P(d)的值很大；训练符号的第二符号位的接收的能量被定义为：

$R\left(d\right)=\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+n+N/2)\right|}^2$

其时域度量为：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{R^2\left(d\right)}$

在时域中得到最大值，并将对应的时序点定义为训练符号的第一采样点。

本发明的技术效果在于：本发明通过对同步算法的改进有效地改善了多用户在多路径衰落中时频双扩OFDM所带来的不良影响，使系统时延明显减少。采用本发明提出的采用改进同步算法的时频双扩OFDM系统可以利通过修改同步信号中的训练符号结构来提高性能，较传统MC-CDMA相比，本发明在接收端MSE方面有了较大的改善。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但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，其中：

图1本发明时频双扩OFDM基站端系统结构框图；

图2本发明同步信号在时域中的训练符号结构示意图；

图3本发明时频双扩OFDM系统在无噪声无信道失真情况下不同同步算法时间度量比较图；

图4本发明时频双扩OFDM系统含频偏的多径衰落信道中不同同步算法的MSE估计比较图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明所提供的时频双扩OFDM系统下行链路结构及信号发送方式，但不构成对本发明的限制。

考虑一个用户数为U的时频双扩OFDM系统（子载波个数为X），如图1所示，描述了其系统结构。

在系统中，原始数据流先经过线调制，接下来把每L个经过调制的符号合并起来发送给第k个用户，即发送信号为b_k=(b_k,1,…,b_k,L)^T。把b_k中的每一个信号b_k,l乘以相应的w_k=(w_k,1,…,w_k,M)进行发送，结果即为(b_k,1w_k,1,K,b_k,1w_k,m,K,b_k,Lw_k,1,K,b_k,Lw_k,M)，其中M是对应的扩频码的码长。将所有用户的信号求和后得到一个新的信号x=(x_1,1,…,x_1,M,…,x_L,1,…,x_L,M)^T，其中

这样就完成了对信号的时域扩频。

接下来，将信号x分成LM个并行支路，每个支路x_l,m分配在N个子载波上。用c_l,m=(c_l,m,₁,…,c_l,m,N)表示x_l,m的扩频码，那么便得到在子载波n上的发送信号为：

这样就完成了对信号的频域扩频。这里，假设使用正交扩频码，比如说，∑_mw_k,mw_k’m=δ_k,k，以及∑_nc_l,m,nc_l’,m’,n=δ_l,_l’δ_m,m，其中当i=j时δ_i,j=1以及i≠j时δ_i,j=0。

在多径衰落信道中，第k个用户在子载波n上的接收信号为：r_k,n＝h_k,ns_n+z_k,n,其中h_k,n表示信道增益，z_k,n表示噪声（假设在各个子载波上互不相关，符合均值为零方差为σ²的复高斯分布）。第k个用户将各个子载波上的接收信号通过解扩后合并，得到：

其中q_k,n是信道增益的修正系数，第l个符号的判决值可以通过对y_l,m在时域解扩得到： $d_{k,l}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{l,m}{w}_{k,m}.$

如图2所示为本发明同步信号在时域中的训练符号结构示意图。在N点IFFT之后，在A_N/4-1之后加入A_N/4-1为除去时域中第一符号的共轭对称D_N/4-1，其对发送信号S_n具有较强共轭对称性，即符合公式：

s(n)＝s(N-n)^*,n＝1,2,...,N/2-1

在接收端有时域上的N个接收采样r(n)，并使得其结果为：

$p\left(d\right)=\underset{n=1}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}r(d+n)\·r(d+N-n)$

其中d为对应于N个采样的FFT窗中对应于第一个位置的时域索引。此窗口在时域中延时域滑动。由于频偏的出现，在时域中会发生相位偏移，但此同步算法课使系统具有相似的相位。故当所有同步信号均在训练符号中时，P(d)的值很大。训练符号的第二符号位的接收的能量被定义为：

$R\left(d\right)=\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+n+N/2)\right|}^2$

其时域度量为：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{R^2\left(d\right)}$

在时域中得到最大值，并将对应的时序点定义为训练符号的第一采样点。

下面分别列举本发明的2个具体实施例：

以下两组仿真结果，分别对本发明的系统性能做出分析比较。

实施例1：其中图3为时频双扩OFDM在无噪声无信道失真情况下不同同步算法时间度量比较图。其中对于在无噪声并无信道失真的条件下，分别使用本发明中的改进同步算法、Schmild同步算法以及Minn同步算法时时频双扩（ETF-）OFDM系统时间度量的比较。其仿真参数为：子载波数为1024，循环前缀为64。通过该比较图可以看出，应用本发明的改进同步算法可以有效消除时间度量均衡，并在正确时间点处达到单峰值，而在其他点的值近似为零。

实施例2：图4示出了时频双扩OFDM系统含频偏的多径衰落信道中基于改进同步算法、Schmild同步算法以及Minn同步算法和Park同步算法的MSE估计比较图。其仿真参数仍为子载波数1024，循环前缀64，但信道条件改为含频偏的多径衰落信道。虽然可以看出，本发明的同步算法与Park同步算法在均方误差（MSE）曲线十分接近，但我们并没有改变两个训练符号的结构，而Park同步算法对训练符号的共轭对称性要求十分严格，所以本发明可在时域以及整数倍频偏中更易实现，对比于其他同步算法，本发明具有更小的均方误差（MSE）。

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.时频双扩OFDM系统的改进同步算法，其特征在于包含以下步骤：

1)把每L个经过调制的符号合并起来形成信号流b_k=(b_k,1,…,b_k,L)^T并发送给第k个用户。用w_k=(w_k,1,…,w_k,M)表示第k个用户长度为M的扩频码，b_k中的每一个信号b_k,l乘以相应的w_k进行发送。将所有用户的信号求和后得到一个新的信号x=(x_1,1,…,x_L,M)^T，完成对信号的时域扩频；

2)将信号x分成LM个并行支路，每个支路x_l,m分配在N个子载波上，用c_l,m=(c_l,m,₁,…,c_l,m,N)表示x_l,m的扩频码，便得到在子载波n上的发送信号为s_n=∑_l∑_mx_l,mc_l,m,n，完成对信号的频域扩频；

3)在多径衰落信道中，第k个用户在子载波n上的接收信号为：r_k,n＝h_k,ns_n+z_k,n,，其中h_k,n表示信道增益，z_k,n表示噪声；

4)第k个用户将各个子载波上的接收信号通过频域均衡以及解扩后合并，得到：

其中q_k,n为信道增益的修正系数；

5)第l个符号的判决值可以通过对y_l,m在时域解扩得到： $d_{k,l}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{l,m}{w}_{k,m}.$

2.根据权利要求1所述的时频双扩OFDM系统的改进同步算法，其特征在于：

进一步，所述步骤3)中接收信号中的同步步骤，具体结构为：

在N点IFFT之后，在A_N/4-1之后加入A_N/4-1为除去时域中第一符号的共轭对称D_N/4-1，其对发送信号S_n具有较强共轭对称性，即符合公式：

s(n)＝s(N-n)^*,n＝1,2,...,N/2-1

在接收端有时域上的N个接收采样r(n)，并使得其结果为：

$P\left(d\right)=\underset{n=1}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}r(d+n)\·r(d+N-n)$

其中d为对应于N个采样的FFT窗中对应于第一个位置的时域索引；此窗口在时域中延时域滑动；由于频偏的出现，在时域中会发生相位偏移，但此同步算法课使系统具有相似的相位；故当所有同步信号均在训练符号中时，P(d)的值很大；训练符号的第二符号位的接收的能量被定义为：

$R\left(d\right)=\underset{N=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+n+N/2)\right|}^2$

其时域度量为：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{R^2\left(d\right)}$

在时域中得到最大值，并将对应的时序点定义为训练符号的第一采样点。

3.根据权利要求1所述的时频双扩OFDM系统的改进同步算法，其特征在于：在所述的步骤1）中，其中

4.根据权利要求1所述的时频双扩OFDM系统的改进同步算法，其特征在于：在所述的步骤2）中，其中信号的频域扩频假如使用正交扩频码，比如说，_mw_k,mw_k’m＝_k,k’以及_nc_l,m,nc_l’,m’,n=_l,l’m,_m，其中当i=j时i,j=1以及ij时i,j=0。

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