CN106101043B - 宽带无线通信系统中时频联合估计方法 - Google Patents

宽带无线通信系统中时频联合估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种宽带无线通信系统中时频联合估计方法，包括以下步骤：(1)获得导频数据；(2)获得载荷数据；(3)将载荷附数据加到步骤1)中导频数据的尾部作为一个发送包，并发送到通信系统接收端存储为接收缓存数据；(4)获得延迟相关数据；(5)校正小数倍频率偏移；(6)获得第一本地相关数据和第二本地相关数据；(7)获得时间与频偏联合估计值；(8)校正整数倍频率偏移；(9)获取时间同步位置；完成时频联合同步；该方法提高频偏估计范围到整数倍频偏，同时减少整数倍频偏计算的复杂度。能够解决在高速运动场景下无线通信系统的快速准确时频同步问题。

Description

宽带无线通信系统中时频联合估计方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及正交频分复用和单载波频域均衡宽带通信技术，是一种宽带无线通信系统中时频联合估计方法。
背景技术
由于无线通信系统的收发两端之间存在多径效应，接收信号受多径影响存在时延扩展与多普勒频偏，导致接收信号无法被直接解调，需要进行时间同步与频率同步以消除多径影响。现有技术中大多利用锁相环消除频率偏移，锁相环锁定速度慢，消耗资源大；或者利用接收信号的相关性来进行定时同步与小数倍频率同步，时间同步与频率同步分开进行，计算速度慢，性能不理想。
北京邮电大学、北京三星通信技术研究有限公司申请的专利“一种MIMO-OFDM系统的同步方法”(专利申请号200610136098，公开号CN1972271A)公开一种时频同步方法。该专利申请主要是将本地序列与接收到的序列进行相关运算，得到相关峰值及其旁瓣，找出主相关峰值位置作为时延位置信息，从而实现同步。该专利申请公开的设备和方法存在的不足是，对于序列较长的相关序列进行相关运算时，由于需要每个数据点时间进行一次相关运算，故其运算量很大，实现困难；并且时间同步的精确度不足，运算时间较长。另外，使用该算法无法完成频率同步。
西安电子科技大学申请的专利“多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法”(专利申请号CN201210202339，公开号CN102724158B)公开一种时频同步方法。该专利申请主要是利用同步序列的相关性通过延迟相关及滤波运算找到时间频率同步点，从而实现同步。该专利申请公开的设备和方法存在的不足是，时间同步位置由滤波数据决定并且精度不足，频率同步范围有限不能进行整数倍频率同步。由于有滤波运算，该专利方法还存在运算时间较长的缺点。
发明内容
为解决现有技术水平下时频同步算法复杂度过高，频率同步范围不够大，时间同步不精确的问题，本发明提供了一种宽带无线通信系统中时频联合估计方法，该方法提高频偏估计范围到整数倍频偏，同时减少整数倍频偏计算的复杂度。能够解决在高速运动场景下无线通信系统的快速准确时频同步问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种宽带无线通信系统中时频联合估计方法，包括以下步骤：
(1)获得导频数据：
1a)将通信系统发送端信号处理器所产生的自相关序列作为前导序列，对前导序列进行共轭运算，其结果作为后辅序列；
1b)将前导序列的末尾部分作为循环前缀附加到前导序列的前端，获得第一个导频帧；
1c)将前导序列的开头部分作为循环后缀附加到前导序列的尾部，获得第二个导频帧；
1d)将后辅序列的末尾部分作为循环后缀附加到后辅序列的前端，获得第三个导频帧；
1e)将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，第三个导频帧附加到第二个导频帧尾部，获得导频数据；
(2)获得载荷数据；
(3)将载荷附数据加到步骤1d)中导频数据的尾部作为一个发送包，并发送到通信系统接收端存储为接收缓存数据；
(4)获得延迟相关数据；
(5)校正小数倍频率偏移；
(6)获得第一本地相关数据和第二本地相关数据：
6a)在小数倍频偏校正数据中从第一个点起选取两个自相关序列长度数据作为定位数据；
6b)定位数据中取自相关序列长度的数据作为求取数据；
6c)求取数据与步骤1a)中的前导序列求内积作为第一本地相关数据的一个点；
6d)求取数据与步骤1a)中的后辅序列求内积作为第二本地相关数据的一个点；
6e)重复步骤6b)、步骤6c)和步骤6d)获得所有的第一本地相关数据和第二本地相关数据的数据点；
(7)获得时间与频偏联合估计值：
7a)在第一本地相关数据中寻找模值最大点，最大点位置作为第一同步位置；
7b)在第二本地相关数据中寻找模值最大点，最大点位置作为第二同步位置；
7c)第二同步位置到第一同步位置的数据长度作为同步长度；
7d)同步长度减去的自相关序列长度得到偏移估计值；
7e)偏移估计值除以2得到时频联合估计值；
(8)校正整数倍频率偏移；
(9)获取时间同步位置：
9a)对步骤7b)中的第二同步位置按照时间同步位置偏移方法偏移得到时间同步位置；
9b)在载波频偏校正数据中选取时间同步位置之后的所有点作为时频联合同步数据，完成时频联合同步。
作为本发明的进一步改进，步骤1a)中，按照以下公式生成的序列作为自相关序列；
其中，Ci表示自相关序列点，i表示该点在序列中的位置，π表示圆周率，e表示自然常数，j表示虚数，K表示自相关序列长度，L表示与自相关序列长度K互素的任意整数。
作为本发明的进一步改进，对前导序列进行共轭运算，其结果作为后辅序列，共轭运算为将数据的虚部数值取反，实部数据不变。
作为本发明的进一步改进，步骤(1)中，循环前缀的长度由信道传播时延决定，长度大于系统最大多径时延，循环后缀的长度与循环前缀的长度相等。
作为本发明的进一步改进，步骤(2)获得载荷数据具体步骤为：
2a)在系统输出端的通信系统信号处理器中产生一定长度的二进制数据，作为原始序列；
2b)将原始序列进行星座映射后生成载荷数据。
作为本发明的进一步改进，所述的星座映射是指：将二进制序列进行分组后调制成多进制移相键控信号MPSK或者多进制正交幅度调制信号MQAM。
作为本发明的进一步改进，步骤(4)获得延迟相关数据具体步骤为：
4a)将从接收缓存数据任意位置起一个自相关序列长度范围内的点作为第一序列；
4b)将第一序列后的一个自相关序列长度范围内的点作为第二序列；
4c)求出第一序列的共轭和第二序列的内积，将内积结果作为该点处的延迟相关数据；
4f)重复步骤4a)、步骤4b)、步骤4c)获得所有延迟相关数据的数据点。
作为本发明的进一步改进，步骤(5)校正小数倍频率偏移具体步骤为：
5a)在延迟相关数据中找到模值最大点位置，作为小数倍频偏估计位置；
5b)将延迟相关数据中小数倍频偏估计位置处点的值作为小数倍频偏估计值；
5c)求出小数倍频偏估计值中虚部除以实部结果的反正切函数值，将获得的反正切函数值作为最大相角；
5d)最大相角除以自相关序列长度，获得小数倍频率偏移估计值；
5e)按照小数倍频率偏移校正方法对接收缓存数据中小数倍频偏估计位置后的所有数据进行校正，获得小数倍频偏校正数据；
小数倍载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：
yi＝xie-j(i-1)θ
其中，yi表示小数倍频偏校正数据点，xi表示接收缓存数据点，i表示数据点在序列中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，θ表示小数倍频率偏移估计值。
作为本发明的进一步改进，步骤(8)校正整数倍频率偏移
8a)时频联合估计值除以自相关序列长度得到整数倍频偏估计值；
8b)按照整数倍频率偏移校正方法对小数倍频偏校正数据进行校正，，完成整数倍频率偏移校正，获得载波频偏校正数据；
载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：
zi＝yie-j2π(i-1)n
其中，zi表示载波频偏校正数据点，yi表示小数倍频偏校正数据点，i表示数据点在序列中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，π表示圆周率，n表示整数倍频偏估计值。
作为本发明的进一步改进，步骤(9)中，时间同步位置偏移方法是指，若时频联合估计值为正数，时间同步位置向后偏移时频联合估计值绝对值个点；若时频联合估计值为负数，时间同步位置向前偏移时频联合估计值绝对值个点；若时频联合估计值为零，时间同步位置不偏移。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明宽带无线通信系统中时频联合估计方法针对自相关序列的时域循环特性，采用三个导频帧的特殊结构，利用导频序列与其共轭序列在同一频率偏移条件下在时域出现反向循环移位的性质，通过两步运算对定时偏移与整数倍频率偏移同时进行估计，且整数倍频率偏移的估计范围达到信号带宽的1/4，能够解决在高速运动场景下无线通信系统的快速时频同步问题。
与现有技术相比，本发明解决了现有方法无法对整数倍频偏进行估计的缺点，提高了频率偏移估计的范围，相比传统方法，将频偏估计范围由小数倍频率偏移扩大到整数倍频率偏移，可估计的整数倍频率偏移范围上限为信号带宽的1/4；此外本发明具有时频同步估计精度高、计算复杂度低的优点。
附图说明
图1本发明时频同步方法计算流程示意图；
图2为本发明特殊导频结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，宽带无线通信系统中时频联合估计方法，包括以下步骤。
步骤1，将通信系统发送端信号处理器所产生的自相关序列作为前导序列，按照以下公式生成的序列作为自相关序列；
其中，Ci表示自相关序列点，i表示该点在序列中的位置，π表示圆周率，e表示自然常数，j表示虚数，K表示自相关序列长度，L表示与自相关序列长度K互素的任意整数。
对前导序列进行共轭运算，其结果作为后辅序列，共轭运算为将数据的虚部数值取反，实部数据不变。
将前导序列的末尾部分作为循环前缀附加到前导序列的前端，获得第一个导频帧；将前导序列的开头部分作为循环后缀附加到前导序列的尾部，获得第二个导频帧；将后辅序列的末尾部分作为循环后缀附加到后辅序列的前端，获得第三个导频帧；将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，第三个导频帧附加到第二个导频帧尾部，获得导频数据；
循环前缀的长度由信道传播时延决定，长度大于系统最大多径时延，循环后缀的长度与循环前缀的长度相等。
步骤2，获得载荷数据：
在系统输出端的通信系统信号处理器中产生一定长度的二进制数据，作为原始序列；将原始序列进行星座映射后生成载荷数据；
星座映射是指，将二进制序列进行分组后调制成多进制移相键控信号MPSK或者多进制正交幅度调制信号MQAM。
步骤3，将载荷附数据加到步骤1中导频数据的尾部作为一个发送包，并发送到通信系统接收端存储为接收缓存数据；
发送包的结构如图2所示，图2中CP1为步骤1中的前导序列的循环前缀，前导序列为步骤1中的前导序列，尾部部分为步骤1中的前导序列尾部的部分，头部部分为步骤1中的前导序列头部的部分，CP2为步骤1中前导序列的循环后缀，CP3为步骤1中后辅序列的循环前缀，后辅序列为步骤1中的后辅序列，末尾部分为步骤2中的载荷数据。
步骤4，获得延迟相关数据。
将从接收缓存数据任意位置起一个自相关序列长度范围内的点作为第一序列；
将第一序列后的一个自相关序列长度范围内的点作为第二序列；
求出第一序列的共轭和第二序列的内积，将内积结果作为该点处的延迟相关数据；
重复以上步骤获得所有延迟相关数据的数据点；
步骤5，校正小数倍频率偏移。
在延迟相关数据中找到模值最大点位置，作为小数倍频偏估计位置；将延迟相关数据中小数倍频偏估计位置处点的值作为小数倍频偏估计值；求出小数倍频偏估计值中虚部除以实部结果的反正切函数值，将获得的反正切函数值作为最大相角；最大相角除以自相关序列长度，获得小数倍频率偏移估计值；
按照小数倍频率偏移校正方法对接收缓存数据中小数倍频偏估计位置后的所有数据进行校正，获得小数倍频偏校正数据；
小数倍载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：
yi＝xie-j(i-1)θ
其中，yi表示小数倍频偏校正数据点，xi表示接收缓存数据点，i表示数据点在序列中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，θ表示小数倍频率偏移估计值。
步骤6，获得第一本地相关数据和第二本地相关数据。
在小数倍频偏校正数据中从第一个点起选取两个自相关序列长度数据作为定位数据；定位数据中取自相关序列长度的数据作为求取数据；
求取数据与步骤1中的前导序列求内积作为第一本地相关数据的一个点；求取数据与步骤1a)中的后辅序列求内积作为第二本地相关数据的一个点；
重复以上步获得所有的第一本地相关数据和第二本地相关数据的数据点；
步骤7，获得时间与频偏联合估计值。
在第一本地相关数据中寻找模值最大点，最大点位置作为第一同步位置；在第二本地相关数据中寻找模值最大点，最大点位置作为第二同步位置；
第二同步位置到第一同步位置的数据长度作为同步长度；同步长度减去的自相关序列长度得到偏移估计值；偏移估计值除以2得到时频联合估计值；
步骤8，校正整数倍频率偏移。
时频联合估计值除以自相关序列长度得到整数倍频偏估计值；按照整数倍频率偏移校正方法对小数倍频偏校正数据进行校正，，完成整数倍频率偏移校正，获得载波频偏校正数据；
载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：
zi＝yie-j2π(i-1)n
其中，zi表示载波频偏校正数据点，yi表示小数倍频偏校正数据点，i表示数据点在序列中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，π表示圆周率，n表示整数倍频偏估计值。
步骤9，获取时间同步位置。
对步骤7中的第二同步位置按照时间同步位置偏移方法偏移得到时间同步位置；
在载波频偏校正数据中选取时间同步位置之后的所有点作为时频联合同步数据，完成时频联合同步；
时间同步位置偏移方法是指，若时频联合估计值为正数，时间同步位置向后偏移时频联合估计值绝对值个点；若时频联合估计值为负数，时间同步位置向前偏移时频联合估计值绝对值个点；若时频联合估计值为零，时间同步位置不偏移。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获得导频数据：
1a)将通信系统发送端信号处理器所产生的自相关序列作为前导序列，对前导序列进行共轭运算，其结果作为后辅序列；
1b)将前导序列的末尾部分作为循环前缀附加到前导序列的前端，获得第一个导频帧；
1c)将前导序列的开头部分作为循环后缀附加到前导序列的尾部，获得第二个导频帧；
1d)将后辅序列的末尾部分作为循环后缀附加到后辅序列的前端，获得第三个导频帧；
1e)将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，第三个导频帧附加到第二个导频帧尾部，获得导频数据；
(2)获得载荷数据；
(3)将载荷附数据加到步骤1d)中导频数据的尾部作为一个发送包，并发送到通信系统接收端存储为接收缓存数据；发送包的结构为：第一个导频帧由CP1、前导序列及尾部部分依次构成，第二个导频帧由开头部分、前导序列及CP2依次构成，第三个导频帧CP3、后辅序列及尾部部分依次构成，其中CP1为步骤(1)中的前导序列的循环前缀，前导序列为步骤(1)中的前导序列，尾部部分为步骤(1)中的前导序列尾部的部分，头部部分为步骤(1)中的前导序列头部的部分，CP2为步骤(1)中前导序列的循环后缀，CP3为步骤(1)中后辅序列的循环前缀，后辅序列为步骤(1)中的后辅序列，末尾部分为步骤(2)中的载荷数据；
(4)获得延迟相关数据；
(5)校正小数倍频率偏移；
(6)获得第一本地相关数据和第二本地相关数据：
6a)在小数倍频偏校正数据中从第一个点起选取两个自相关序列长度数据作为定位数据；
6b)定位数据中取自相关序列长度的数据作为求取数据；
6c)求取数据与步骤1a)中的前导序列求内积作为第一本地相关数据的一个点；
6d)求取数据与步骤1a)中的后辅序列求内积作为第二本地相关数据的一个点；
6e)重复步骤6b)、步骤6c)和步骤6d)获得所有的第一本地相关数据和第二本地相关数据的数据点；
(7)获得时间与频偏联合估计值：
7a)在第一本地相关数据中寻找模值最大点，最大点位置作为第一同步位置；
7b)在第二本地相关数据中寻找模值最大点，最大点位置作为第二同步位置；
7c)第二同步位置到第一同步位置的数据长度作为同步长度；
7d)同步长度减去的自相关序列长度得到偏移估计值；
7e)偏移估计值除以2得到时频联合估计值；
(8)校正整数倍频率偏移；
(9)获取时间同步位置：
9a)对步骤7b)中的第二同步位置按照时间同步位置偏移方法偏移得到时间同步位置；
9b)在载波频偏校正数据中选取时间同步位置之后的所有点作为时频联合同步数据，完成时频联合同步。
2.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，步骤1a)中，按照以下公式生成的序列作为自相关序列；
其中，Ci表示自相关序列点，i表示该点在序列中的位置，π表示圆周率，e表示自然常数，j表示虚数，K表示自相关序列长度，L表示与自相关序列长度K互素的任意整数。
3.根据权利要求2所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，对前导序列进行共轭运算，其结果作为后辅序列，共轭运算为将数据的虚部数值取反，实部数据不变。
4.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，步骤(1)中，循环前缀的长度由信道传播时延决定，长度大于系统最大多径时延，循环后缀的长度与循环前缀的长度相等。
5.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，步骤(2)获得载荷数据具体步骤为：
2a)在系统输出端的通信系统信号处理器中产生一定长度的二进制数据，作为原始序列；
2b)将原始序列进行星座映射后生成载荷数据。
6.根据权利要求5所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，所述的星座映射是指：将二进制序列进行分组后调制成多进制移相键控信号MPSK或者多进制正交幅度调制信号MQAM。
7.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，步骤(4)获得延迟相关数据具体步骤为：
4a)将从接收缓存数据任意位置起一个自相关序列长度范围内的点作为第一序列；
4b)将第一序列后的一个自相关序列长度范围内的点作为第二序列；
4c)求出第一序列的共轭和第二序列的内积，将内积结果作为该点处的延迟相关数据；
4f)重复步骤4a)、步骤4b)、步骤4c)获得所有延迟相关数据的数据点。
8.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，步骤(5)校正小数倍频率偏移具体步骤为：
5a)在延迟相关数据中找到模值最大点位置，作为小数倍频偏估计位置；
5b)将延迟相关数据中小数倍频偏估计位置处点的值作为小数倍频偏估计值；
5c)求出小数倍频偏估计值中虚部除以实部结果的反正切函数值，将获得的反正切函数值作为最大相角；
5d)最大相角除以自相关序列长度，获得小数倍频率偏移估计值；
5e)按照小数倍频率偏移校正方法对接收缓存数据中小数倍频偏估计位置后的所有数据进行校正，获得小数倍频偏校正数据；
小数倍载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：
yi＝xie-j(i-1)θ
其中，yi表示小数倍频偏校正数据点，xi表示接收缓存数据点，i表示数据点在序列中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，θ表示小数倍频率偏移估计值。
9.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，步骤(8)校正整数倍频率偏移
8a)时频联合估计值除以自相关序列长度得到整数倍频偏估计值；
8b)按照整数倍频率偏移校正方法对小数倍频偏校正数据进行校正，完成整数倍频率偏移校正，获得载波频偏校正数据；
载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：
zi＝yie-j2π(i-1)n
其中，zi表示载波频偏校正数据点，yi表示小数倍频偏校正数据点，i表示数据点在序列中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，π表示圆周率，n表示整数倍频偏估计值。
10.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中时频联合估计方法，其特征在于，步骤(9)中，时间同步位置偏移方法是指，若时频联合估计值为正数，时间同步位置向后偏移时频联合估计值绝对值个点；若时频联合估计值为负数，时间同步位置向前偏移时频联合估计值绝对值个点；若时频联合估计值为零，时间同步位置不偏移。
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