CN103532903A - 60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案 - Google Patents
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Abstract
本发明以探求60GHz无线通信系统快速精确帧同步为背景,提出了一种60GHz OFDM无线通信系统快速精确帧同步方案。其主要思想是利用IEEE802.11ad标准中规定的帧头前导Golay互补序列的相关性。用接收到的前导Golay互补序列与本地保存的Golay互补序列做互相关,自适应地判决门限得到明显的相关峰,达到了精确同步的效果。为提高同步速度,采用隔点相关法和虚部相关法使计算量减少为原来的1/20。因此,本发明减小了系统运算的复杂度,实现了快速准确的帧同步检测,满足了该突发分组通信系统技术参数的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案,针对IEEE802.11ad标准采用的60GHz OFDM无线通信系统,设计了适用于该系统的帧检测同步方案,以确定帧头的起始位,从而进行正确的解调。
背景技术
当前无线通信频谱资源的日趋紧张以及数据传输速率的不断提高,使得60GHz频段无线短距通信技术越来越受到关注,成为未来无线通信技术中最具潜力的技术之一。60GHz属于毫米波通信技术,面向PC、数字家电等应用,能够实现设备间数Gbps的超高速无线传输。毫米波与较低频段的微波相比,其特点是:①可利用的频谱范围宽,信息容量大;②易实现窄波束和高增益的天线,因而分辨率高,抗干扰性好;③穿透等离子体的能力强;④多普勒频移大,测速灵敏度高。60GHz原始数据的最高速度达到25000Mbps,而802.11n标准和UWB只能分别实现600Mbps和480Mbps的传输速度。例如:用802.11n需要近一个小时才能传完的DVD,用60GHz则只需要15秒。IEEE802.11ad规定的体制有多种,其中多载波正交频分复用(OFDM)技术被建议作为室内60GHz无线个人通信的物理层标准之一。多载波正交频分复用(OFDM)是一种高效的数据传输技术,它通过相互正交的子载波并行的传输数据,频带利用率高,抗多径干扰能力强。OFDM技术已在通信等领域得到广泛的应用,例如欧洲标准DAB、DVB、ADSL、IEEE802.11a和HIPERLAN II等。在传统窄带OFDM系统中,若定时偏差超前而不超过保护间隔,则只带来子载波间干扰(ICI),需要用信道估计的方法在频域补偿,若滞后则还会带来符号间串扰(ISI),造成信噪比损失,系统性能严重下降。
IEEE802.11ad标准规定了一种60GHz OFDM无线通信系统,其系统简略框图如图1所示,该系统的信道带宽为2.16GHz,传输速率可高达2.64Gbps,频带四个中心频率为57.24、59.40、61.56和63.72GHz,其频带划分如图2所示,在低速率时可分别使用,如需高速传输可合并使用。系统由4992点前导和15个OFDM符号组成。系统采用336点LDPC编码,16点QAM调制,FFT长度为512,其中336个信息子载波、16个导频子载波、3个直流子载波和157个空子载波。发送端IFFT后加入长度为128的CP作为保护间隔,组成长度为640的OFDM符号。每帧开始为前导序列,由短训练序列和长训练序列组成。短训练序列主要实现帧同步和频偏估计的功能,长训练序列主要实现信道估计。如图1所示,短训练序列由17个重复的128点Golay互补序列Ga组成,长训练序列由Gv、Gu和-Gb组成。其中
Gv=[-Gb Ga -Gb -Ga]
Gu=[-Gb -Ga Gb -Ga]
Ga和Gb为经过上采样的192点Golay互补序列。系统的帧结构如图3所示。
发明内容
本发明以探求60GHz无线通信系统快速精确帧同步为背景,提出了一种60GHz的OFDM无线通信系统快速精确帧同步方案。其主要思想是利用IEEE802.11ad标准中规定的帧头前导Golay互补序列的相关性。用接收到的前导Golay互补序列与本地保存的Golay互补序列做互相关,自适应地判决门限得到明显的相关峰,达到了精确同步的效果。为提高同步速度,采用隔点相关法和虚部相关法使计算量减少为原来的1/20。因此,本发明减小了系统运算的复杂度,实现了快速准确的帧同步检测,满足了该突发分组通信系统技术参数的要求。
本发明的技术方案:
使用经过信道后帧头中的短训练序列,即17个重复的Golay互补序列与本地保存的Golay互补序列(Ga)进行互相关运算,以进行帧头检测。由于训练序列本身的相关性较好,且Golay互补序列中的每一个数值都能找到一个和其相反数最接近的数,所以在和数据部分做相关时抑制了毛刺的出现。这样使得相关峰值比较突出,利于精确同步。采用自适应判决门限值,可以实现训练序列的起始点相对于其它数据点有较高的峰值差,以便准确检测。通过隔点遍历的方法求帧头的精确起始位置,从而以减少进行相关运算量,降低复杂度。同时对于信噪比较好的信道情况,通过只计算数据实部或虚部的相关值,以降低系统的复杂度。
本发明的有益效果:
本发明设计了一种60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案,该方案兼顾了帧同步性能与系统实现复杂度,用复杂度较低的算法来实现对帧头的检测,既保证了接收机快速准确的帧同步检测性能,又降低了实现成本,满足了IEEE802.11ad作为突发通信的技术参数要求,对实现60GHz OFDM无线通信接收机具有实际指导意义。
附图说明
图1是系统简略框图
图2是60GHz频带结构图
图3是前导同步序列结构图
图4是互相关算法滑动相关示意图
图5是SNR=10dB时简化算法的归一化相关曲线
图6是M(d)峰值随SNR的变化曲线
图7是三种算法的同步均方误差
图8是不同信道下同步均方误差
具体实施方式
以下结合附图和通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明:
本发明设计了一种60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案,其特征在于:本方案包括以下步骤:
a.在进行帧同步时,为保证接收信号中至少有一个帧头,在接收端要缓存两个帧长的数据;
b.在进行帧同步时,将接收信号每192点分为一组送入互相关窗口与本地保存的Golay互补序列Ga做互相关,如图4所示。由于短训练序列是由17个重复的Golay互补序列组成,因此与本地Ga进入相关窗口做互相关时会在每个Ga的起始端出现峰值;
c.在进行互相关运算时,为减少运算量,缩短同步捕获的时间,只对1+m×k(k=1、2、3…,m为步进长度)处的数据点进行相关运算。整个遍历过程只出现4~5处相关峰值,如图5所示曲线1;
d.取最后一个相关峰的位置,从该位置起到训练序列结束点附近逐点进行互相运算,确定训练序列结束的准确位置,即为一帧中信息数据的其实位置。如图5所示曲线2。
步骤b中对于信噪比较好的信道,在做互相关运算时,可以只计算数据实部或者虚部的互相关值,计算量减少为原来的1/4,如表1所示。
表1复数相关与实部(虚部)相关计算量比较
点数 | 乘法 | 加法 | |
复数 | L | 4L | 3L+(L-1) |
实数 | L | L | L-1 |
步骤b所述的互相关峰值的判定采用自适应方法。由于峰值的大小彼此不相等,最大值出现的位置不确定,但相对于数据部分是突出的。因此,改自适应方法为:计算峰值中的最大值,取其最大值的0.4倍作为判决门限,第一个超过此门限的峰值即为帧的起始位置。
步骤c中步进m越大,则遍历计算量越小,经过相关计算能够出现的相关峰也就越少。因此,造成检测可靠性也随之降低,甚至在m取某些值下,恰好完全没有相关峰出现。经过对训练序列长度的分析,m取5时效果最好。此时遍历的次数为全遍历的1/5,节约了同步捕获时间。
实施例
本发明应用于IEEE802.11ad标准的60GHz OFDM无线通信系统中,对该系统进行仿真。设定互相关窗口长度为192。在互相关峰计算中,峰值的最大值和最小值的平均值及二者之间的比值,随信噪比SNR的变化如图6所示。可看出峰值的最大值与最小值取值不定,但最小值与最大值得比均大于0.4,故采用自适应门限值法确定判决峰值的门限值。
采用延迟自相关算法、本发明的隔点互相关算法和本发明的虚部隔点互相算法,分别在高斯信道下进行帧同步检测,其帧同步均方误差如图7所示。
分别在高斯信道和60GHz无线通信信道下利用本发明的互相关算法、隔点互相关算法和虚部隔点互相算法对数据帧进行了帧同步检测,帧同步均方误差如图8所示。60GHz信道中多普勒频移设为200Hz,满足室内的运动条件。
如图7所示,本发明提出的互相算法、隔点互相关算法和虚部隔点互相算法抗噪声性能优于延迟算法。并且在高斯信道下,算法的简化并没有降低定时精度,在SNR大于4dB时同步均方误差几乎为0。如图8所示,与高斯信道相比,60GHz信道下各种算法的定时精度都有所下降。高斯信道下,互相关算法及其两种简化算法抗噪性能相当,定时均方误差几乎为0。60GHz信道下,互相关算法和隔点复数相关算法性能相当,定时均方误差大约为4;隔点虚部相关算法对多径信道则比较敏感:低信噪比时定时误差比较大,随信噪比增大,定时误差逐步和未简化算法相同。
Claims (4)
1.一种60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案,其特征在于:本方案包括以下步骤:
a.在进行帧同步时,为保证接收信号中至少有一个帧头,在接收端要缓存两个帧长的数据;
b.在进行帧同步时,将接收信号每192点分为一组送入互相关窗口与本地保存的Golay互补序列Ga做互相关,如图4所示。由于短训练序列是由17个重复的Golay互补序列组成,因此与本地Ga进入相关窗口做互相关时会在每个Ga的起始端出现峰值;
c.在进行互相关运算时,为减少运算量,缩短同步捕获的时间,只对1+m×k(k=1、2、3…,m为步进长度)处的数据点进行相关运算。整个遍历过程只出现4~5处相关峰值,如图5所示曲线1;
d.取最后一个相关峰的位置,从该位置起到训练序列结束点附近逐点进行互相关运算,确定训练序列结束的准确位置,即为一帧中信息数据的起始位置。如图5所示曲线2。
2.根据权利要求1所述的一种60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案,其特征在于:步骤b中对于信噪比较好的信道,在进行互相关运算时,可以只计算数据实部或者虚部的互相关值,计算量减少为原来的1/4。如表1所示。
表1复数相关与实部(虚部)相关计算量比较
3.根据权利要求1所述的一种60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案,其特征在于:步骤b所述的互相关峰值的判定采用自适应方法。由于峰值的大小彼此不相等,最大值出现的位置不确定,但相对于数据部分是突出的。因此,改自适应方法为:计算峰值中的最大值,取其最大值的0.4倍作为判决门限,第一个超过此门限的峰值即为帧的起始位置。
4.根据权利要求1所述的一种60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案,其特征在于:步骤c中步进m越大,则遍历计算量越小,经过相关计算能够出现的相关峰也就越少。因此,造成检测可靠性也随之降低,甚至在m取某些值下,恰好完全没有相关峰出现。经过对训练序列长度的分析,m取5时效果最好。此时遍历的次数为全遍历的1/5,节约了同步捕获时间。
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