CN103475618A - 一种基于ofdm的可见光通信系统帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体为一种基于OFDM的可见光通信系统的帧同步方法。本发明首先构造一种训练序列结构；然后利用该训练序列检测帧起始位置，包括：利用该训练序列设计帧同步检测函数，使其能够在训练序列的特定位置产生类似冲激函数的尖峰；通过设定合理的门限值找到帧同步检测函数曲线的尖峰，从而确定帧起始位置；本发明方法能够很好的避免SC算法和Park算法的缺陷，具有较高的估计精确度。

Description

一种基于OFDM的可见光通信系统帧同步方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为一种基于OFDM的可见光通信系统帧同步方法。

背景技术

可见光通信（VLC）是在白光LED技术上发展起来的一种的新型室内短距无线通信技术。VLC技术利用LED良好的调制特性，将信息调制到LED的光强度上，兼具通信和照明双重功能，具有保密性好，无电磁干扰等优点。

正交频分复用（OFDM）是种高速数据传输技术，因其具有较高的频谱利用率，能够对抗频率选择性衰落,信道均衡简单等特性，被广泛应用到各种通信技术中。将OFDM调制技术应用到可见光通信系统中，可以有效克服多径衰落的影响，提高数据传输速率。

一般情况下，产生的OFDM信号是复数，不能直接在实际物理系统中传输。在可见光通信系统中，一般采用的方法是^[1]：对于频域上长度为N的OFDM符号X[n](n=1,2,3, … ,N-1)在X[1]，X[2]，…，X[N/2-1]上放置数据，而在X[N/2+1]，X[N/2+2]，…，X[N-1]上放置X[N/2-1]，X[N/2-2]，…，X[1]的共轭，另外，X[0]与X[N/2]上均放置0，这样就得到一个共轭对称序列，经过快速傅里叶逆变换（IFFT）后，OFDM符号时域上的样本值均为实数。

为了准确解调OFDM符号，在接收端，需要确定一帧OFDM信号的起始位置，进而确定该帧内OFDM符号的快速傅里叶变换（FFT）窗口的起始位置，从而完成整一个帧同步过程。如果估计的起始位置过晚，会导致符号间干扰（ISI）和子载波间干扰（ICI），从而导致系统性能下降。因此，帧同步对OFDM系统来说十分必要。

目前，在射频通信中，研究OFDM系统帧同步方法的文献很多，大致可以分为两类，一类是基于训练序列的帧同步方法，另一类是基于循环前缀（CP）的方法。由于前一种方法在多径信道下性能不理想，所以大部分的帧同步方法研究都是基于训练序列。

Schmild和Cox提出了一种经典的基于训练序列的帧同步算法（下文简称SC算法）以及相应的训练序列时域结构^[1]。如图1所示，其训练序列是由前后两个完全相同的两部分组成，SC算法的帧同步检测函数M(n)就是利用前后两部分做相关，并进行能量的归一化，通过设定门限值来检测起始位置。由于循环前缀的存在，SC算法的计算值会存在一个平缓段，估计精度不高。

Park对SC算法的训练序列做出了改进，并且提出了相应的帧同步算法（下文简称Park算法）^[2]。如图2所示，训练结构共分成四段：C段，D段，C*段和D*段。其中D段是C段的反序序列，而C*段和D*段分别是C段和D段的共轭。对于接收到的序列r(n)，Park算法检测函数M(n)为：

     （1）

其中 C(n)是相关值，计算公式为：

  （2）

而P(n)是用于能量归一化的后半段序列能量，计算公式为：

    （3）

检测函数的计算值会在训练序列的特定位置产生一个类似于冲激函数的尖峰，通过检测这一个尖峰可以对起始位置进行估计。由于消除了平台，Park算法具有较高的估计精度。

将Park应用到基于OFDM的可见光通信系统中，检测函数的计算值会在正确的尖峰前后N/4个样本处存在两个较高的副峰，会导致误判，影响算法的估计精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种新的基于OFDM的可见光通信系统帧同步方法。

本发明提出的基于OFDM的可见光通信系统的帧同步方法，首先构造一种新的训练序列结构；利用该训练序列检测帧起始位置，包括：利用该训练序列设计帧同步检测函数，使其能够在训练序列的特定位置产生类似冲激函数的尖峰；通过设定合理的门限值找到帧同步检测函数曲线的尖峰，从而确定帧起始位置。

本发明分析在可见光通信系统中Park算法中产生这两个副峰的原因。所有的OFDM符号时域样本值都是实数，那么原本产生尖峰所需的共轭关系就变退化为相等关系。而当在D段的起始位置做计算时，由于C段与D段的反序关系，有部分相乘的两个样本是相等的，这样也就会产生一个尖峰，出于同样的原因，在D*段的起始位置也会产生一个尖峰。副峰的存在会增加门限值的选择难度，当副峰过高时，还会影响估计的准确性。

本发明首先提出一种新的适用于可见光通信系统的训练序列结构，对于长度为N的OFDM符号x(n)（不包括循环前缀），在时域上，满足下列对称关系：

           （4）

也就是OFDM符号样本值x(n)关于x(N/2)对称，n表示样本标号,N表示OFDM符号数据部分的长度，而对x(0)没有特殊的结构要求。比如，假设一个OFDM符号长度为8，则根据上式，可知训练序列就由{a，b，c，d，f，d，c，b}这样的序列构成。为了产生如此结构的序列，只要在各个子载波上放置由1和-1构成的随机序列，并且同时需要保证前面所述的共轭对称性质，那么经过快速傅里叶逆变换（IFFT）后，就能得到所需的训练序列。 

对于接收到的序列r(n)，帧同步的检测函数M(n)为：

                         （5）

其中， C(n)是相关值，计算公式为：

 （6）

而P(n)是用于能量归一化的后半段序列能量，计算公式为：

           （7）

检测函数M(n)会在在训练序列的第(1+N/2)个样本产生一个类似于冲激函数的尖峰。通过设定一定的门限值（门限值的具体取值与实际的信噪比有关，可根据实际情况设定，一个比较好的参考取值为0.5），可以检测到这个尖峰，从而能够精确地估计出FFT窗口的起始位置。 

采用这样结构的训练序列后，由于没有Park算法训练序列结构中的C段和D段，也就能够避免较大出现副峰，使得门限值有更多的选择空间，减少了误判的发生。并且在计算量上与Park算法相当。

由于没有前半段与后半段相同或共轭的结构，无法同SC算法和Park算法那样，可以进行小数载波频偏估计。但是在本发明所描述的可见光通信系统中，不需要载波同步^[1]，因此这样的牺牲也是合理的。

在可见光通信系统中，与SC算法相比，本发明方法有很好的估计精确年度，与Park算法相比，本发明方法又能够很好地消除Park算法中较大的副峰。

附图说明

图1：现有SC算法使用的训练序列的时域结构。

图2：现有Park算法使用的训练序列的时域结构。

图3：本发明提出的训练序列的时域结构。

图4：为SC算法的测量曲线仿真结果。

图5：为Park算法的测量曲线仿真结果。

图6：为本发明方法的测量曲线仿真结果。

具体实施方式

实施例：

设实施例的参数

仿真环境：           MATLAB

信道模型：           10dB的AWGN信道

OFDM子载波数N：    128

循环前缀长度：   16

门限值th：          0.5

在发送端，产生训练序列，其具体实施步骤为：

选取的频域的训练序列为：

F={0   1   1   1   1   -1  1   -1  -1  -1  -1  1   -1  1  -1  1   -1  -1  -1  -1  -1  1   -1  -1  -1    1   -1  1   1   1   1   -1  1   -1  -1  1   1  -1  1   -1  -1  -1  1   -1  1   -1  -1  1   -1  -1  1    -1  -1  -1  -1  1   1   -1  -1  -1  -1 1   -1  1   0   1   -1  1   -1  -1  -1  -1  1   1   -1  -1  -1    -1  1   -1  -1  1   -1   -1    1   -1  1   -1  -1  -1  1   -1  1   1   -1  -1  1   -1  1   1   1   1    -1  1   -1  -1  -1 1   -1  -1  -1  -1  -1  1   -1  1   -1  1   -1  -1  -1  -1  1   -1  1   1   1    1}。

对序列F做快速傅里叶逆变换（IFFT）后得到训练序列的时域样本。

在接收端，进行帧同步检测，其具体实施步骤为

步骤1：从接收端接收到的数据r(n)中选取长度为(N-1)的序列

 。

步骤2：根据式（6）计算序列S的相关值C(d)。

步骤3：根据式（7）计算用于归一化的能量，也就是序列S后半段的能量P(d)。

步骤4：根据式（5）计算序列S的检测函数的值M(d)。若

，进入步骤5；若

，则d=d+1，并返回步骤2。

步骤5：根据d确定FFT窗口的起始位置为（d-N/2）。

仿真结果：

三种算法检测函数曲线的仿真结果见图4-图6，其中图4是SC算法的结果，图5是Park算法的结果，而图6是本发明方法的结果。通过仿真，可以看到，SC算法的检测函数曲线具有平台效应，精确度不高，而Park算法的检测函数曲线则存在两个较大的副峰，会造成误判。但是本发明提出的方法可以很好地解决上述两种算法的缺陷。本发明方法的检测函数曲线具有类似冲激函数的尖峰，不存在平缓段，可以提高估计的精确度，同时又很好地消除了Park算法的两个副峰，减小了误判的发生，简化门限值的选取。

由于没有前半段与后半段相同或共轭的结构，本发明提出的训练序列结构无法进行小数载波频偏估计。但是在本发明所描述的可见光通信系统中，不需要载波同步，因此这样的牺牲也是合理的。

参考文献：

[1] M. Z. Afgani, H. Haas, H. Elgala, and D. Knipp, “Visible Light Communication Using OFDM,” Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks and Communities, pp. 129-134, Mar 2006.

[2] Schmidl, T.M. and Cox, D.C., “Robust frequency and timing synchronization for OFDM”, IEEE. Trans. Commun., vol. 45, pp. 1613-1621, Dec 1997.

[3] Byungjoon Park, Cheon, Hyunsoo , Changeon Kang and Daesik Hong, “A novel timing estimation method for OFDM systems”, Global Telecommunications Conference, vol. 1, pp. 269 -272, Nov. 2002.。

Claims (1)

1.一种基于OFDM的可见光通信系统的帧同步方法，其特征在于首先构造一种训练序列结构；然后利用该训练序列检测帧起始位置，包括：利用该训练序列设计帧同步检测函数，使其能够在训练序列的特定位置产生类似冲激函数的尖峰；通过设定合理的门限值找到帧同步检测函数曲线的尖峰，从而确定帧起始位置；

所述训练序列结构，对于长度为N的OFDM符号x(n)，在时域上，满足下列对称关系：

           （4）

即OFDM符号样本值x(n)关于x(N/2)对称，n表示样本标号,N表示OFDM符号数据部分的长度，而对x(0)没有特殊的结构要求；

所述帧同步的检测函数M(n)为：

                       （5）

其中，C(n)是相关值，计算公式为：

    （6）

P(n)是用于能量归一化的后半段序列能量，计算公式为：

         （7）

r(n)为接收到的序列。

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