CN104320367A - 一种适用于ofdm突发通信的训练序列结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，所述训练序列结构包括：数据部分、两个训练序列及分别与两个训练序列对应的训练序列循环前缀，所述两个训练序列分别位于所述数据部分的两侧或者中部，所述数据部分包含多个数据符号及与数据符号相对应的循环前缀。本发明的优点在于，用很少的训练序列开销，就可以让接收机低复杂度地完成OFDM突发通信中的定时同步，频偏估计及信道估计。

Description

一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体的说，涉及一种适用于OFDM突发通信物理层突发帧结构及其应用。

背景技术

突发通信通常使用异步传输模式，由于接收端不能准确知道数据包何时到来且信号发送时间短，所以通常定时同步、频偏估计及信道估计需要借助已知的训练序列来完成。如何对物理层突发帧进行设计，使得在不影响系统性能的情况下，尽量减小训练序列的开销以提高系统的带宽效率，是一个需要解决的问题。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交频分复用技术，是MCM(Multi-CarrierModulation，多载波调制)的一种，是20世纪70年代，韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制出的一个完整的多载波传输系统。OFDM采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送，其原理是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。OFDM系统具有抗多径性能，在宽带无线通信领域得到广泛的应用。

zadoff-chu序列是CAZAC(Const Amplitude Zero Auto-Corelation)，即为恒包络零自相关序列的一种。zadoff-chu序列具有以下特性：1、良好的自相关特性，也就是说对于任意zadoff-chu原始序列与其循环移动n位(0<n<N_t)后，所得的序列都是互不相关的，而且自相关峰值尖锐；2、恒幅特性：即任意chu-zadoff序列的幅值都是恒定的，这一特性可以确保相应带宽内的各个频点都经历相同的衰落，便于实现无偏估计；3、良好的互相关特性，即序列的部分相关与互相关值都接近于零，因此zadoff-chu序列便于接收端把所需信号准确的检测出来，并减小检测出现差错的概率；4、具有低峰均比特性：即任意zadoff-chu序列时域信号的峰值与其平均值的比值都较低，便于功率放大器的实现，不会影响整体系统的均峰比；5、具有时频一致性：即任意zadoff-chu序列经过傅立叶变换以及傅立叶逆变换后的序列仍然为zadoff-chu序列，变换后的序列也具有上述所有性质。

目前存在的相关技术，如2013-08-21公开的公开号为101578833的中国发明《用于分组化系统的高速通信的节省成本的前导结构》，该发明提供了用于高速通信系统的分级伪循环对称和全循环对称的训练序列结构，其中分级伪循环对称部分用于突发检测、粗频和定时差错估计以及AGC增益设置，全循环对称部分用于信道估计和精频差错估计。与该发明相比，本发明提出的技术方案不需要用到两种循环对称的训练序列结构就能实现定时同步、频偏估计和信道估计的功能，且在相同训练序列开销的前提下，本发明定时同步的精度会更准确，同时可以通过调整训练序列的间距来获得更加精准的频偏估计。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，以满足OFDM突发通信中系统的定时同步，频偏估计及信道估计的需要，其优势在于，用很少的训练序列开销，就可以让接收机低复杂度地完成OFDM突发通信中的定时同步，频偏估计及信道估计。

本发明是这样实现的：一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，所述训练序列结构包括：数据部分、两个训练序列及两个分别与所述训练序列对应的训练序列循环前缀，两个所述训练序列分别位于所述数据部分的两侧或者中部，所述数据部分包含多个数据符号及与数据符号相对应的循环前缀。

进一步的，两个所述训练序列是长度和内容均相同的zadoff-chu序列，且两个所述训练序列的间距由通信系统对载波频偏的容忍程度确定，如公式(1)所示：

$-\frac{f_s}{2L}<{\mathrm{\&Delta;f}}_{\max }\&le;\frac{f_s}{2L}---\left(1\right)$

公式(1)中，f_s表示采样频率，Δf_max表示通信系统对载波频偏的最大容忍范围，L表示两个所述训练序列的间距；

将f_s和Δf_max的数值代入公式(1)中就能得到L的范围，则两个所述训练序列的间距在此范围内取正整数值即可。

进一步的，两个所述训练序列的长度均根据通信系统的需求而定：即应超过通信系统可容忍的最大多径时延扩展，并满足载波频偏估计的性能要求。

进一步的，两个所述训练序列的内容均由公式(2)得到：

$x\left(k\right)=e^{-\mathrm{j\&pi;}\frac{k(k+1)}{N_t}}k=\mathrm{0,1},...N_t-1---\left(2\right)$

公式(2)中x(k)表示训练序列第k点的值，N_t表示训练序列的长度。

进一步的，所述训练序列循环前缀，是取相应训练序列上的多个采样点而得，所述数据符号循环前缀是取相应数据符号上的多个采样点而得，且两个所述训练序列循环前缀与数据符号循环前缀的长度均应超过通信系统可容忍的最大多径时延扩展；两类所述循环前缀的加入能够抑制由多径信道给通信系统造成的干扰。

本发明具有如下优点：

1、训练序列选用zadoff-chu序列，具有良好的自相关(即循环移位)、互相关和恒幅等特性，便于接收端把所需信号准确地检测出来，并减小检测出现差错的概率，同时便于实现无偏估计；

2、循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的加入可以使得通信系统具有一定的抗多径性能，能够有效抑制由多径信道带来的干扰。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明训练序列结构的示意图。

图2为本发明一实施例对定时同步及频偏估计的应用流程图。

图3为本发明一实施例对信道估计的应用流程图。

具体实施方式

请参照图1，本发明一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，所述训练序列结构包括：数据部分、两个训练序列(所述两个训练序列在图1中显示为TS0和TS1)及两个分别与所述训练序列对应的训练序列循环前缀，所述数据部分包含多个数据符号(所述数据符号在图1中显示为OFDM Sym)及与数据符号相对应的数据符号循环前缀。

两个所述训练序列是长度和内容均相同的zadoff-chu序列，且两个所述训练序列的间距由通信系统对载波频偏的容忍程度确定，如公式(1)所示：

$-\frac{f_s}{2L}<{\mathrm{\&Delta;f}}_{\max }\&le;\frac{f_s}{2L}---\left(1\right)$

公式(1)中，f_s表示采样频率，Δf_max表示通信系统对载波频偏的最大容忍范围，L表示两个所述训练序列的间距；

将f_s和Δf_max的数值代入公式(1)中就能得到L的范围，则两个所述训练序列的间距在此范围内取正整数值即可。

两个所述训练序列的长度均根据通信系统的需求而定：即应超过通信系统可容忍的最大多径时延扩展，并满足载波频偏估计的性能要求。

两个所述训练序列的内容均由公式(2)得到：

$x\left(k\right)=e^{-\mathrm{j\&pi;}\frac{k(k+1)}{N_t}},k=\mathrm{0,1},...N_t-1---\left(2\right)$

公式(2)中x(k)表示训练序列第k点的值，N_t表示训练序列的长度。

所述训练序列循环前缀，是取相应训练序列上的多个采样点而得，所述数据符号循环前缀是取相应数据符号上的多个采样点而得，且两个所述训练序列循环前缀与数据符号循环前缀的长度均应超过通信系统可容忍的最大多径时延扩展；例如：一数据符号为x(0)x(1)x(2)x(3)x(4)x(5)，若设定循环前缀的长度为3，则加上循环前缀后为x(3)x(4)x(5)x(0)x(1)x(2)x(3)x(4)x(5)；两类所述循环前缀的加入能够抑制由多径信道给通信系统造成的干扰。

基于以上训练序列结构，接收机可以实现接收信号的定时同步、频偏估计和信道估计。

如图2所示，接收机对接收信号分别进行滑动相关和本地相关，阈值T₁与T₂是一个预先设定好的值，当两路的相关值模的平方分别超过各自的阈值时，判定该时刻是定时同步的精确位置，同时，在该时刻输出频偏估计值；具体过程如下：

步骤10、计算各时刻接收信号的滑动相关值，如公式(3)所示：

$P\left(d\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{m=0}^{N_t-1}{r}_{d+m}^{*}{r}_{d+m+L}---\left(3\right)$

公式(3)中r_d表示d时刻采样点接收到的信号，L表示所述两个训练序列的间距，即延时时间，N_t表示训练序列的长度，m为整数，m的取值范围为0到N_t-1，P(d)表示d时刻接收信号的滑动相关值；

对任一时刻采样点接收到的信号进行延时并共轭相乘后，得到的累加值即为该时刻接收信号的滑动相关值；

步骤11、计算各时刻接收信号的平均功率值，如公式(4)所示：

$Q\left(d\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{m=0}^{N_t-1}{\left|r_{d+m+L}\right|}^2---\left(4\right)$

将训练序列的长度和d时刻采样点接收到的信号代入公式(4)中，就能得到接收信号从d+L时刻开始连续N_t个点的平均功率值Q(d)；

步骤12、设定阈值T₁与T₂，判定定时同步的精确位置，如公式(5)和公式(6)所示：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left|Q\left(d\right)\right|}^2}>T_1---\left(5\right)$

$R\left(d\right)={\left|{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=0}^{N_t-1}{r}_{d+m}^{*}{\mathrm{\&chi;}}_m\right|}^2>T_2---\left(6\right)$

公式(5)中M(d)表示d时刻的定时度量值，将公式(3)和公式(4)得到的接收信号的滑动相关值和接收信号的平均功率值分别进行模值平方后得到的比值与阈值T₁作比较：当M(d)大于T₁时，认为检测到了发送信号，完成粗同步；

公式(6)中R(d)表示d时刻的本地相关值，χ_m表示接收机本地保存的训练序列，它与发送端物理层突发帧的训练序列是一致的，将d时刻采样点接收到的信号进行延时并共轭后与接收机本地保存的训练序列对应相乘，得到的累加值即为该时刻的本地相关值；

在粗同步的基础上找到第一个本地相关值大于阈值T₂的信号位置，记为d_s，则此时刻即为定时同步的精确位置；

步骤13、计算频偏估计值，如公式(7)所示：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{\arg P\left(d_s\right)}{\mathrm{\&pi;L}}---\left(7\right)$

公式(7)中argP(d_s)表示对d_s时刻的滑动相关值求相位，再代入所述两个训练序列的间距，得到该时刻的频偏估计值。

如图3所示，信道估计的具体过程如下：

步骤20、将任一训练序列做快速傅里叶变换(FFT)，并取共轭后保存在接收机上；

步骤21、接收机在获得定时同步后，截取该时刻接收到的训练序列信号并进行N_t点FFT变换，然后与步骤20中接收机保存的训练序列相乘；其中，接收机接收到的训练序列信号是发送端物理层突发帧相应的训练序列与信号冲击响应的卷积，如公式(8)所示：

$r_k={\mathrm{\&chi;}}_k\&CircleTimes;h_k+n_k---\left(8\right)$

公式(8)中，r_k表示接收机接收到的训练序列信号，χ_k表示发送端物理层突发帧相应的训练序列，h_k表示信号冲击响应，n_k表示噪声信号；

步骤22、将步骤21得到的结果进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到信道估计值，完成信道估计，如公式(9)所示：

公式(9)中表示信道估计值，F表示快速傅里叶变换，F^-1表示快速傅里叶逆变换。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，其特征在于，所述训练序列结构包括：数据部分、两个训练序列及两个分别与所述训练序列对应的训练序列循环前缀，两个所述训练序列分别位于所述数据部分的两侧或者中部，所述数据部分包含多个数据符号及与数据符号相对应的循环前缀。

2.根据权利要求1所述的一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，其特征在于，两个所述训练序列是长度和内容均相同的zadoff-chu序列，且两个所述训练序列的间距由通信系统对载波频偏的容忍范围确定，如公式(1)所示：

$-\frac{f_s}{2L}<\mathrm{\&Delta;}{f}_{\max }\&le;\frac{f_s}{2L}---\left(1\right)$

公式(1)中，f_s表示采样频率，Δf_max表示通信系统对载波频偏的最大容忍范围，L表示两个所述训练序列的间距；

将f_s和Δf_max的数值代入公式(1)中就能得到L的范围，则两个所述训练序列的间距在此范围内取正整数值即可。

3.根据权利要求2所述的一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，其特征在于，两个所述训练序列的长度均根据通信系统的需求而定：即应超过通信系统可容忍的最大多径时延扩展，并满足载波频偏估计的性能要求。

4.根据权利要求2所述的一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，其特征在于，两个所述训练序列的内容均由公式(2)得到：

$x\left(k\right)=e^{-\mathrm{j\&pi;}\frac{k(k+1)}{N_t}},k=\mathrm{0,1}...N_t-1---\left(2\right)$

公式(2)中x(k)表示训练序列第k点的值，N_t表示训练序列的长度。

5.根据权利要求1所述的一种适用于OFDM突发通信的训练序列结构，其特征在于，所述训练序列循环前缀，是取相应训练序列上的多个采样点而得，所述数据符号循环前缀是取相应数据符号上的多个采样点而得，且两个所述训练序列循环前缀与数据符号循环前缀的长度均应超过通信系统可容忍的最大多径时延扩展。