CN103532903A - 60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案 - Google Patents

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陈坤
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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

60GHz OFDM无线通信系统的帧同步方案
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
点数 乘法 加法 复数 L 4L 3L+(L-1) 实数 L L L-1
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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