CN107241794B - 一种针对tdd-ofdm下行链路的快速同步跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对TDD‑OFDM下行链路的快速同步跟踪方法及装置，所述方法包括以下步骤：S110，生成同步序列；S120，所述同步序列映射至相应的子载波上，得到同步信号，所述同步信号放置在无线帧的帧头，生成TDD‑OFDM下行链路信号；S130，对所述链路信号进行初始捕获；S140，对所述链路信号进行精确捕获；S150，对所述链路信号保持实时同步。本发明的针对TDD‑OFDM下行链路的快速同步跟踪方法首先利用共轭相关特征窗信号进行初始捕获，然后利用训练序列相关(本地匹配滤波)进行精确捕获，最后利用导频进行准确的实时跟踪，不仅能够实现针对TDD‑OFDM下行链路的快速捕获，而且实现同步跟踪。

Description

一种针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法及装置

技术领域

本发明涉及TDD-OFDM下行链路下行领域，尤其涉及一种针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法及装置。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多载波调制的一种。OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。

TDD-OFDM下行链路下行时间同步算法中，对于实际应用的通信系统，使用盲估计的方法进行下行时间同步是不现实的，它的计算复杂性和精度不能满足实际需要。一般地使用基于导频序列的同步算法。可以选择的下行同步算法有相关法，功率窗法和差分相关法等三种，下面分别介绍其原理。

相关(匹配滤波)方法

图1为相关(匹配滤波)方法的相关算法原理示意图，如图1所示，r_n为接收序列，s_n为长度L的预存序列，计算两者之间的互相关函数R(τ)，在τ＝0的时候达到最大值，所以寻找到R(τ)的最大值，也就找到了最佳定时时刻。

相关值

这种方法应用于WCDMA的小区初搜的下行同步检测中。

功率窗方法

以TD-SCDMA的小区搜索为例说明功率窗法下行同步检测的原理，UE通过检测DwPTS中的SYNC_DL码来实现DwPTS同步。SYNC_DL码共有32个，UE需要采用相关或匹配滤波的方法确认当前小区使用的SYNC_DL码。

如果直接对一帧的接收信号进行相关或匹配滤波，计算量比较大，另外，要求一帧内除DwPTS外的其它时隙的干扰不能太大。信干比(UE接收的SYNC_DL信号功率与其它时隙接收信号功率之比)通常要求在-8～-10dB以上，才能以较大的概率正确搜索出SYNC_DL信号的位置。

为了减小计算量，利用TD-SCDMA帧结构，先用“特征窗”法搜寻DwPTS大致位置，然后再通过相关精确确定SYNC_DL位置。该方法要求信噪比(UE接收的SYNC_DL信号功率与DwPTS噪声功率之比)至少大于0dB，此时检测概率70～80％(仿真结果)，通常要求信噪比在3dB以上才能可靠检测，此时检测概率大于95％以上(仿真结果)。当信噪比在3dB以上，此种方法对干扰也有很大的抑制作用。

曾经考虑过一种改进的直接相关方法，即对接收信号进行1bit量化(大于0为1，小于0为-1)，然后与SYNC_DL码进行相关。此方法也可以减小计算量，并对其它时隙干扰信号有很强的抑制作用。在理想条件下(单径、采样点位于成形脉冲峰值点、DwPTS内无干扰、无I/Q不平衡、无载波频偏)，其检测灵敏度比“特征窗”法高3dB左右，即信噪比为-3dB时，检测概率大于80％(仿真结果)；当信噪比为0dB，检测概率大于99％(仿真结果)。

但是，如果是非理想条件，即存在时延多径、采样点与成形脉冲峰值点有偏差、DwPTS内存在多个小区的SYNC_DL信号、接收机存在I/Q不平衡和较大载波频偏(8～10kHz)等情况，“特征窗”法的检测性能基本不变或略有下降，而直接1bit相关的方法的检测性能下降非常大，大大低于“特征窗”法的检测性能。因此，不考虑采用直接1bit相关的方法而选用“特征窗”法。

基本原理是利用接收信号的功率形状来搜索DwPTS的大致位置。在TD-SCDMA的帧结构中，SYNC_DL的左边有32chips的保护间隔(GP，guard period)，右边有96chips的保护间隔(GP，guard period)，SYNC_DL本身为64chips。由于GP的功率很小，故从接收功率的时间分布上看，与GP相比SYNC_DL段的功率较大。当用SYNC_DL段功率和除以两边64chips(两边各32chips)功率和时，得到的值应当比较大，用此方法就可以判断出DwPTS的大致位置。

这种方法应用于TD-SCDMA的小区初搜的下行同步检测中。

差分相关方法

图2为差分相关方法的相关算法原理示意图，如图2所示，差分相关利用延迟N_d个样值的两个相同训练符号，r_n为接收序列，差分相关与直接相关法不同，进行相关运算的是在接收序列r_n中间隔为N_d的两个子序列直接进行的。差分相关函数R(n)只是与子序列在接收序列中的位置有关，寻找到R(n)的最大值，也就找到了最佳定时时刻。

差分相关值如下：

判决变量为c_n达到最大值的时刻即为最佳定时时刻。

Motorola提议，这种方法应用于LTE-FDD系统的小区初搜的下行同步检测中。

图3为TDD-OFDM下行链路的同步跟踪装置的结构示意图。

初始同步模块：采用PSS(Primary Synchronization Signal，主同步信号)同步与SSS(Secondary Synchronization Signal，辅同步信号)同步方式，进行主小区同步。其中PSS同步，采用时域滑动相关法来确定无线帧的5ms定时。SSS同步根据无线帧5ms定时位置，根据三种不同的取值，利用空间采集数据对三种PSS分别进行滑动相关运算，并对相关结果进行对比，判断出相关值最大的并超出门限的序列。进而计算出最强TD-LTE小区的5ms半帧位置，并根据SSS的生成方式进行频域解扰方法进行同步，根据上述PSS同步模块提供的5ms无线帧位置来判断出当前SSS位置信息，并根据SSS信号的生成特点，采用解扰运算，得出10ms无线帧位置。由于SSS信号在子帧0和子帧5位置的取值范围不同，因此只需要进行一次解扰操作就能正确判断出TD-LTE的帧头位置，确定无线帧的10ms定时，即无线帧头位置。

逻辑控制模块：根据初始同步模块中的PSS、SSS同步成功或者失败标志进行系统控制。若接收到同步成功标志，则逻辑控制模块控制系统启动数据存储并启动盲搜模块，并将无线帧头位置信息传递给数据存取模块。如果接收到同步失败标志，则控制系统全部模块进行清零，重新启动初始同步模块，直到同步成功。

数据存取模块：当收到逻辑控制模块的数据存取开始标志以及帧头位置信息后，数据存取模块将存储10ms数据，即一个无线帧。

盲搜模块：所述逻辑控制模块控制盲搜模块进行小区搜索，是基于TD-LTE下行参考信号自相关性较好的特征进行的。将本地参考信号生成模块生成的本地参考信号与数据存储模块存储的TD-LTE无线帧的数据送入相关模块进行滑动相关操作，对所有可能的504个TD-LTE小区进行遍历，从而对TD-LTE无线终端附近所有基站发出的小区信号进行小区搜索。在TD-LTE无线帧中传输的下行参考信号的多个Symbol中重复该步骤，对每个Symbol中的下行参考信号进行盲搜。然后将多个Symbol的滑动相关结果进行累加降噪，对高斯白噪声进行抵消，从而使下行参考信号的相关峰更加明显，再通过门限判决模块进行小区判决，进而进一步增加无线终端小区搜索的精确度与动态范围。

上述同步跟踪装置中，包括初步同步模块，用以进行主小区的初始同步并获得TD-LTE无线帧的帧头位置；数据存储模块，用以存储一个无线帧的数据；盲搜模块，用以基于TD-LTE下行参考信号进行小区搜索；逻辑控制模块，用于控制协调初步同步模块、数据存储模块和盲搜模块之间的工作顺序。然而，对于一个自定义的TDD-OFDM系统来说，此装置过于复杂，资源消耗较大，同时还需要较大的存储空间。

因此，需要一种资源消耗小，所需存储空间小的针对TDD-TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法及装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明提供的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S110，生成同步序列；S120，同步序列映射至相应的子载波上，得到同步信号，该同步信号放置在无线帧的帧头，生成TDD-OFDM下行链路信号；S130，采用共轭相关特征窗信号，确定同步信号的大致位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行初始捕获；S140，确定同步信号的精确位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行精确捕获；S150，对TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，以对TDD-OFDM下行链路实现精确跟踪。

优选地，在步骤S110中，同步序列由频域Zadoff-Chu、m序列产生。

优选地，在步骤S120中，同步序列设置512个采样点，并且该同步序列为：左频点与右频点对称，左频点与右频点之间的中心频点为2个采样点间隔的空白。

优选地，在步骤S130中，采用共轭相关特征窗信号检测到信噪比-7dBc，采用共轭相关特征窗信号，确定同步信号的大致位置，包括以下步骤：

首先，计算接收信号和本地信号共轭相关特征信号：

rcv_win(k)＝r_k*step,r_k*step+1,...r_k*step+3*G-1 (3)

s_g＝s₁,s₂,...s_G (4)

本地训练序列重复三遍放置，组成本地导频长序列swing，所述本地导频长序列与所述接收信号进行共轭相关，形成基于特征窗的共轭相关序列xcorr_sig，完成粗同步，

swin_g＝[s_g,s_g,s_g]＝[s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G] (5)

xcorr_sig(k)＝rcv_win(k).*conj(swin_g) (6)

公式(6)展开为公式(7)：

xcorr_sig(k)＝([r_k*step,r_k*step+1,...r_k*step+3*G-1]*([s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G]^*) (7)

pow_k＝(Re(xcorr_sig(k)))²+(Im(xcorr_sig(k)))² (8)

其中，pow_k的长度是3*G，分为三等长度部分；

然后，对“共轭相关的特征信号”进行功率的计算，并计算比值：

式中：

为向0方向取整，step为“共轭相关特征窗信号”移动步长，step＝6；

最后，确定SYNC_DL大致位置：

找出R_k的最大值，并设其标号为k_m，依据以下进行检测：

如果

k_m对应的“共轭相关特征窗信号”为SYNC_DL大致位置；

否则

判断是否有连续16个接收数据饱和，如果有，则接收机增益降低12dB，返回第二步；

结束

确定k_m对应的“共轭相关特征窗信号”为SYNC_DL大致位置，则相对初始帧定时的SYNC_DL的大致位置Pos＝step*k_m+G+1。

优选地，在步骤S140中，采用本地匹配相关算法确定同步信号的精确位置，确定同步信号的精确位置包括STEP次相关运算，所述相关运算计算出来的最大数值的下标位置即精确的同步位置：

rcv_win1(k)＝r_pos+m,r_pos+1+m，...r_pos+3*G-1+m,k＝1,2,...step (20)

xcorr_sig1(k)＝rcv_win1(k).*conj(s_g) (21)

pow_sig1(k)＝(Re(xcorr_sig1(k)))²+(Im(xcorr_sig1(k)))² (13)

[value,maxPOS]＝max(pow_sig1(k)) (14)

精确的同步位置为：

accPos＝Pos+max POS (15)。

优选地，确定同步信号的精确位置的条件是：同步序列的点数与TDD-OFDM系统中每一个时隙下的每一个符号的NFFT点数的比值小。

优选地，在步骤S150中，利用导频对TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，包括以下步骤：

a1：将导频信道估计Hrs按导频所在的OFDM符号排列，

排列后的导频信道估计表示为hm(nrs)，其中m＝1,2,3,4表示一个时隙内的M＝4列导频符号，nrs＝1,2…N表示一个OFDM符号中含导频R0或R1的个数；

a2：求每个导频所在OFDM符号中频域相邻的导频位置处导频信道估计的相关值

其中，nrs＝1,2...N-1，conj()表示求共轭运算；

a3：计算相关值

相对于子载波和OFDM符号的和值，

a4：求sum_R对应的角度，

其中，angle()表示求角度运算，用Cordic函数来实现，

其中，L_p为相邻子载波间隔，分母中的π可以与分子中

的单位相抵消，除以2L_p的操作可以转化为乘以1/(2L_p)。

根据本发明的另一个方面，本发明提供的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪装置，其特征在于，包括：同步序列生成模块，用于生成同步序列；映射模块，用于将同步序列映射至相应的子载波上，得到同步信号，该同步信号放置在无线帧的帧头；同步信号放置在无线帧的帧头，生成TDD-OFDM下行链路信号；初始捕获模块，用于确定同步信号的大致位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行初始捕获；精确捕获模块，用于确定同步信号的精确位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行精确捕获；同步跟踪模块，用于对TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，以对TDD-OFDM下行链路实现精确跟踪。

优选地，同步序列生成模块通过频域Zadoff-Chu、m序列产生同步序列；初始捕获模块采用共轭相关特征窗信号确定同步信号的大致位置；精确捕获模块采用本地匹配相关算法确定同步信号的精确位置；同步跟踪模块采用导频信号频域相关保持信号的实时同步。

优选地，确定同步信号的精确位置的条件是：同步序列的点数与TDD-OFDM系统中每一个时隙下的每一个符号的NFFT点数的比值小。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法首先利用共轭相关特征窗信号进行初始捕获，然后利用训练序列相关(本地匹配滤波)进行精确捕获，最后利用导频进行准确的实时跟踪，不仅能够实现针对TDD-OFDM下行链路的快速捕获，而且实现同步跟踪。

2.本发明采用共轭相关特征窗信号检测可以到信噪比-7dBc，由于联合利用了导频序列很强的自相关性和特征窗的功率比值，在信噪比-7dBc时捕获的准确率可以达到90％左右。

3.本发明的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪装置结构简单，资源消耗小，所需存储空间小。

4.本发明的同步序列的点数与TDD-OFDM系统中每一个时隙下的每一个符号的NFFT点数的比值小，例如NFFT点数是4096，而pilotLEN的点数一般设置512个采样点足够，NFFT/pilotLEN＝L＝16，所以针对NFFT发生了L＝16个整数偏移，导致这里才可能发生一次整数频移，在导频上仅仅会产生很小的小数偏移，因此相关就无需进行K次频偏调整的搜索，仅仅需要一次相关处理即可，这样大大简化了搜索的时间和流程，使得对于高速移动系统来说，系统也能够快速同步上。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的设置。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为相关(匹配滤波)方法的相关算法原理示意图；

图2为差分相关方法的相关算法原理示意图；

图3为TDD-OFDM下行链路的同步跟踪装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的自定义TDD-OFDM链路；

图5为本发明实施例的针对TDD-OFDM下行链路的同步跟踪方法的结构示意图；

图6为本发明实施例的同步序列的结构示意图；

图7为本发明实施例的针对TDD-OFDM下行链路的同步跟踪装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所设置。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为了解决现有TDD-OFDM系统峰均比值过大导致功率放大器应工作在大功率补偿状态下，然而，这又将导致非常低的放大效率并使发射机的成本变得非常昂贵的问题，本发明提出一种能够降低信号的峰均比值，使发射机中的功率放大器高效工作，并提高系统的整体性能的针对TDD-OFDM系统优化定标装置及方法。

图4为本发明实施例的自定义TDD-OFDM链路。如图4所示，TDD-OFDM链路包括无线帧，无线帧包括同步序列和时隙，时隙包括符号以及其前缀循环。在每一个无线帧头放置一个同步信号，设置无线帧的采样速率34.56MHZ，一个10ms的无线帧的长度是345600，每一个无线帧的同步头SYNH的长度一般设置SLEN(例如512，256，128)的采样点，在增加一些保护间隔，，同步头左右各空出来一些保护带G(例如G＝128)占用的资源仅有1/500，所以用于同步的资源消耗小，并且此同步信号还可以进行频偏调整。

图5为本发明实施例的针对TDD-OFDM下行链路的同步跟踪方法的结构示意图。如图5所示，本发明提供的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法，包括以下步骤：S110，生成同步序列；S120，同步序列映射至相应的子载波上，得到同步信号，该同步信号放置在无线帧的帧头，生成TDD-OFDM下行链路信号；S130，采用共轭相关特征窗信号，确定同步信号的大致位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行初始捕获；S140，确定同步信号的精确位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行精确捕获；S150，对TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，以对TDD-OFDM下行链路实现精确跟踪。

在步骤S110中，同步序列由频域Zadoff-Chu、m序列产生。

在步骤S120中，同步序列设置512个采样点，并且该同步序列为：左频点与右频点对称，左频点与右频点之间的中心频点为2个采样点间隔的空白。图6为本发明实施例的同步序列的结构示意图。如图6所示，设置同步序列的长度为SLEN，频域的放置如下，中间的频点空出来，放置直流泄露对同步信号的影响，中间空出来2个采样点间隔，左右频点对称放置，

组成这样的同步信号放置在无线帧头，然后在接收端进行本地相关同步。通过本地同步相关方法一次获取帧头。

在步骤S130中，采用共轭相关特征窗信号检测到信噪比-7dBc。相比现有技术的“特征窗”，本发明的“共轭相关特征窗信号”在信号极度和时刻都可以准确的捕获同步信号，例如在信噪比-7dBc时捕获的准确率可以达到90％左右，远远优于现有技术，这是综合利用了“特征窗”和共轭匹配滤波的共同优点。

具体地，利用共轭相关特征窗信号法确定SYNH的大致位置。在OFDM-TDD的帧结构中，SYNC_DL(也就是SYNH)码长SLEN，在SYNC_DL左边有G的保护带。由于G发射功率很小，SYNC_DL码数据以全功率发射。从功率谱角度看，同SYNC_DL两侧的GP功率相比，SYNC_DL的功率是“峰”值，因此用SYNC_DL功率比上两侧功率之和时，得到的值应当很大。所以使用功率“共轭相关特征窗信号”算法遍历整帧接收数据时，功率比值最大的位置即是SYNC_DL的大致位置。

“共轭相关特征窗信号”长度为SYNC_DL长SLEN，左右两边各G长，例如SLEN＝128，G＝128。搜索的窗长为本帧的数据长度加上上一帧的最后G+SLEN+G数据，共轭相关特征窗信号长度定为G+SLEN+G个采样点，共轭相关特征窗信号在整个搜索窗中逐个采样点移动，为了减少计算量，可以逐STEP个点移动(例如STEP＝6)。

使用功率共轭相关特征窗信号法粗略确定的SYNC_DL方法如下：

进行小区捕获阶段，接收机无需知道接收信号的信噪比，相比现有技术“特征窗”一般只能检测到信噪比3dBc左右，采用本发明的共轭相关特征窗信号法可以检测到信噪比-7dBc，由于联合利用了导频序列很强的自相关性和特征窗的功率比值，在信噪比-7dBc时捕获的准确率可以达到90％左右。只要满足条件

完成搜索。具体步骤如下：

第一步：按功率排序后的频点设置载波频率，并设置接收机增益为最大。

第二步：读取一个无线帧345600加G+SLEN+G长度的数据r₁，其中第k个元素表示为：

r_1,k,k＝0,…,345600+2G+SLEN

一般情况下，G＝SLEN

r＝phy_rcv_signal

所以2*G+SLEN＝G*3；

数据格式为Q(16,1)。如果数据位数大于16位，则取高16位；如果数据位数小于16位，则从高位开始存放，低位置0。

第三步：计算接收信号和本地信号共轭相关特征信号：

rcv_win(k)＝r_k*step,r_k*step+1,...r_k*step+3*G-1 (3)

s_g＝s₁,s₂,...s_G (4)

本地训练序列重复三遍放置，只是由于导频序列前后都是等长度的零值，当然非零值信号也可以，只有接收信号存在导频时，相关的功率数值才最大，组成新的本地导频长序列swing，这个长导频序列和接收的信号进行共轭相关，形成一种基于特征窗的共轭相关序列xcorr_sig，这种基于共轭相关特征窗的处理与频偏无关，故此仅仅需要一次就可以完成粗同步。

swin_g＝[s_g,s_g,s_g]＝[s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G] (5)

xcorr_sig(k)＝rcv_win(k).*conj(swin_g) (6)

此公式展开如下

xcorr_sig(k)＝([r_k*step,r_k*step+1,...r_k*step+3*G-1]*([s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G]^*) (7)

pow_k＝(Re(xcorr_sig(k)))²+(Im(xcorr_sig(k)))² (8)

其中pow_k的长度是3*G,分为三等长度部分，分别计算各部分的功率和，然后计算比值如下第四步。

第四步：计算“共轭相关的特征信号”进行功率的计算，然后计算比值：

式中：

其中

为向0方向取整，step为“共轭相关特征窗信号”移动步长，建议取step＝6。

第五步：确定SYNC_DL大致位置：

首先找出R_k的最大值，并设其标号为k_m，然后依据下述规则进行检测：

如果

k_m对应的“共轭相关特征窗信号”为SYNC_DL大致位置；

否则

判断是否有连续16个接收数据饱和，如果有，则接收机增益降低12dB，返回第二步；

结束

如果确定k_m对应的“共轭相关特征窗信号”为SYNC_DL大致位置，则相对初始帧定时的SYNC_DL的大致位置Pos＝step*k_m+G+1。

在步骤S140中，采用本地匹配相关算法确定同步信号的精确位置。

图1为相关(匹配滤波)方法的相关算法即本地匹配相关算法原理示意图，如图1所示，r_n为接收序列，s_n为长度G的预存导频序列，计算两者之间的互相关函数R(τ)，在τ＝0的时候达到最大值，所以寻找到R(τ)的最大值，也就找到了最佳定时时刻。

相关值

其中，共轭相关的程序如下：通过相关峰值功率点的位置，获取最佳定时时刻，

接下来可以在粗同步的基础上计算精确同步，此时计算的长度很短，只有STEP次相关运算，相关运算计算出来的最大数值的下标位置就是精确的同步位置。

rcv_win1(k)＝r_pos+m,r_pos+1+m，...r_pos+3*G-1+m,k＝1,2,...step (20)

xcorr_sig1(k)＝rcv_win1(k).*conj(s_g) (21)

pow_sig1(k)＝(Re(xcorr_sig1(k)))²+(Im(xcorr_sig1(k)))² (13)

[value,maxPOS]＝max(pow_sig1(k)) (14)

精确的同步位置如下：

accPos＝Pos+max POS (15)

确定同步信号的精确位置的条件是：同步序列的点数与TDD-OFDM系统中每一个时隙下的每一个符号的NFFT点数的比值小。例如NFFT点数是4096，而pilotLEN的点数一般设置512个采样点足够，NFFT/pilotLEN＝L＝16。所以针对NFFT发生了L＝16个整数偏移，导致这里才可能发生一次整数频移。为此这样在导频上仅仅会产生很小的小数偏移。此时，相关就无需进行K次频偏调整的搜索。仅仅需要一次相关处理即可，这样大大简化了搜索的时间和流程。

例如速率34.56MHZ，FNNT＝4096，载频是1.6GHZ，如果要达到NFFT的一个整数频移，移动的速度需要5600公里/小时，满足4个整数频偏，需要达到23000公里/小时。

fmax＝34.56*10^6/4096*1；

c＝3*10^8；％光速(m/s)

fc＝1.6*10^9；％--载波频率

v＝c*fmax/fc；％％

vkm＝v*3.6；

所以对于现在的快速移动系统来说，这个限制远远能够满足要求。故此对于高速移动系统来说，系统也能够轻松同步上。

上述本地相关同步虽然已经非常准确的同步上了，能够精确的找到帧头，但是为了更加准确的实时进行同步跟踪。接下来进行进一步的精确同步。采用导频信号频域相关保持信号的实时同步，也就是信号一直保持精确跟踪状态。用户的链路数据传输必须时刻保持定时同步，因为定时同步的偏差会引起信道检测差错，恶化系统性能，所以系统必须周期地对用户定时进行跟踪校正，以防止用户因移动距离变化或意外链路中断造成定时的偏移。导频信道估计值，采用频域相关法，估计下行链路的定时同步偏差，测量带宽。

在步骤S150中，利用导频对TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，包括以下步骤：

a1：将导频信道估计Hrs按导频所在的OFDM符号排列，排列后的导频信道估计表示为hm(nrs)，其中m＝1,2,3,4表示一个时隙内的M＝4列导频符号，nrs＝1,2…N表示一个OFDM符号中含导频R0或R1的个数；

a2：求每个导频所在OFDM符号中频域相邻的导频位置处导频信道估计的相关值

其中，conj()表示求共轭运算；

a3：计算相关值

相对于子载波和OFDM符号的和值，

a4：求sum_R对应的角度，

其中，angle()表示求角度运算，用Cordic函数来实现，

其原理如下：

从上面的公式看出来，

其中，L_p为相邻子载波间隔，现有系统中L_p＝9；分母中的π可以与分子中

的单位相抵消，除以2L_p的操作可以转化为乘以1/2L_p，

其中τ_offset的定标值确定为并且τ_offset＞0表示超前最佳定时时刻τ_offset个采样点，τ_offset＜0表示滞后最佳定时时刻τ_offset个采样点，最佳定时时刻定义为最强径的位置。通过这个方法就可以获取精确同步的位置。

本发明的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法首先利用特征窗进行初始捕获，然后利用训练序列相关(本地匹配滤波)进行精确捕获，最后利用导频进行准确的实时跟踪，不仅能够实现针对TDD-OFDM下行链路的快速捕获，而且实现同步跟踪。

图7为本发明实施例的针对TDD-OFDM下行链路的同步跟踪装置的结构示意图。如图7所示，本发明提供的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪装置，其特征在于，包括：同步序列生成模块，用于生成同步序列；映射模块，用于将同步序列映射至相应的子载波上，得到同步信号，该同步信号放置在无线帧的帧头；同步信号放置在无线帧的帧头，生成TDD-OFDM下行链路信号；初始捕获模块，用于确定同步信号的大致位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行初始捕获；精确捕获模块，用于确定同步信号的精确位置，以对TDD-OFDM下行链路信号进行精确捕获；同步跟踪模块，用于对TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，以对TDD-OFDM下行链路实现精确跟踪。

同步序列生成模块通过频域Zadoff-Chu、m序列产生同步序列；初始捕获模块采用特征窗确定同步信号的大致位置；精确捕获模块采用本地匹配相关算法确定同步信号的精确位置；同步跟踪模块采用导频信号频域相关保持信号的实时同步。

确定同步信号的精确位置的条件是：同步序列的点数与TDD-OFDM系统中每一个时隙下的每一个符号的NFFT点数的比值小：同步序列的点数与TDD-OFDM系统中每一个时隙下的每一个符号的NFFT点数的比值小。例如NFFT点数是4096，而pilotLEN的点数一般设置512个采样点足够，NFFT/pilotLEN＝L＝16。所以针对NFFT发生了L＝16个整数偏移，导致这里才可能发生一次整数频移。为此这样在导频上仅仅会产生很小的小数偏移。此时，相关就无需进行K次频偏调整的搜索。仅仅需要一次相关处理即可，这样大大简化了搜索的时间和流程。

例如速率34.56MHZ，FNNT＝4096，载频是1.6GHZ，如果要达到NFFT的一个整数频移，移动的速度需要5600公里/小时，满足4个整数频偏，需要达到23000公里/小时。

fmax＝34.56*10^6/4096*1；

c＝3*10^8；％光速(m/s)

fc＝1.6*10^9；％--载波频率

v＝c*fmax/fc；％％

vkm＝v*3.6；

所以对于现在的快速移动系统来说，这个限制远远能够满足要求。故此对于高速移动系统来说，系统也能够轻松同步上。

本发明的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪装置结构简单，资源消耗小，所需存储空间小。

对于高速移动的系统，例如无人机或者空天飞机，由于高速移动产生较大的多普勒频移，通过本发明的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法和装置能够支持在23000公里/小时下的高速移动情况下都能快速捕获同步信号。并且无需多次频偏盲同步，能够快速找到帧头，并且能够根据导频序列能够实时的进行准确跟踪。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S110，生成同步序列；

S120，所述同步序列映射至相应的子载波上，得到同步信号，所述同步信号放置在无线帧的帧头，生成TDD-OFDM下行链路信号；

S130，采用共轭相关特征窗信号，确定所述同步信号的大致位置，以对所述TDD-OFDM下行链路信号进行初始捕获；

S140，确定所述同步信号的精确位置，以对所述TDD-OFDM下行链路信号进行精确捕获；

S150，对所述TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，以对所述TDD-OFDM下行链路实现精确跟踪；

在步骤S130中，所述采用共轭相关特征窗信号检测到信噪比-7dBc，所述采用共轭相关特征窗信号，确定所述同步信号的大致位置，包括以下步骤：

首先，计算接收信号和本地信号共轭相关特征信号：

rcv_win(k)＝r_k*step,r_k*step+1,...r_k*step+3*G-1 (3)

s_g＝s₁,s₂,...s_G (4)

式中，r_k表示无线帧r的第k个元素，k＝0，…，345600+2G+SLEN，rcv_win(k)为接收信号，S_g为本地信号共轭相关特征信号；G为保护带的长度；SLEN为“共轭相关特征窗信号”SYNC_DL的长度；

本地训练序列重复三遍放置，组成本地导频长序列swing，所述本地导频长序列与所述接收信号进行共轭相关，形成基于特征窗的共轭相关序列xcorr_sig，完成粗同步，

swin_g＝[s_g,s_g,s_g]＝[s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G] (5)

xcorr_sig(k)＝rcv_win(k).*conj(swin_g) (6)

公式(6)展开为公式(7)：

xcorr_sig(k)＝([r_k*step,r_k*step+1,...r_k*step+3*G-1]*([s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G,s₁,s₂,...s_G]^*) (7)

pow_k＝(Re(xcorr_sig(k)))²+(Im(xcorr_sig(k)))² (8)

其中，pow_k的长度是3*G，分为三等长度部分，pow_k为各部分的功率和；

然后，对“共轭相关的特征信号”进行功率的计算，并计算比值：

式中：

为向0方向取整，step为“共轭相关特征窗信号”移动步长，step＝6；

最后，确定SYNC_DL大致位置：

找出R_k的最大值，并设其标号为k_m，依据以下进行检测：

如果

k_m对应的“共轭相关特征窗信号”为SYNC_DL大致位置；

否则

判断是否有连续16个接收数据饱和，如果有，则接收机增益降低12dB，返回第二步；

结束

确定k_m对应的“共轭相关特征窗信号”为SYNC_DL大致位置，则相对初始帧定时的SYNC_DL的大致位置Pos＝step*k_m+G+1；

在步骤S140中，采用本地匹配相关算法确定所述同步信号的精确位置，所述确定所述同步信号的精确位置包括STEP次相关运算，所述相关运算计算出来的最大数值的下标位置即精确的同步位置：

rcv_win1(k)＝r_pos+m,r_pos+1+m，...r_pos+3*G-1+m,k＝1,2,...step (20)

xcorr_sig1(k)＝rcv_win1(k).*conj(s_g) (21)

pow_sig1(k)＝(Re(xcorr_sig1(k)))²+(Im(xcorr_sig1(k)))² (13)

[value,maxPOS]＝max(pow_sig1(k)) (14)

精确的同步位置为：

accPos＝Pos+maxPOS (15)；

在步骤S150中，利用导频对所述TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，包括以下步骤：

a1：将导频信道估计Hrs按导频所在的OFDM符号排列，

排列后的导频信道估计表示为hm(nrs)，其中m＝1,2,3,4表示一个时隙内的M＝4列导频符号，nrs＝1,2…N表示一个OFDM符号中含导频R0或R1的个数；

a2：求每个导频所在OFDM符号中频域相邻的导频位置处导频信道估计的相关值

其中，nrs＝1,2...N-1，conj()表示求共轭运算；

a3：计算相关值

相对于子载波和OFDM符号的和值，

a4：求sum_R对应的角度，

其中

为sum_R对应的角度，angle()表示求角度运算，用Cordic函数来实现，

其中，N表示一个OFDM符号中含导频R0或R1的个数，L_p为相邻子载波间隔，分母中的π可以与分子中

的单位相抵消，除以2L_p的操作可以转化为乘以1/(2L_p)。

2.根据权利要求1所述的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法，其特征在于，在步骤S110中，所述同步序列由频域Zadoff-Chu、m序列产生。

3.根据权利要求1所述的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪方法，其特征在于，在步骤S120中，所述同步序列设置512个采样点，并且所述同步序列为：左频点与右频点对称，左频点与右频点之间的中心频点为2个采样点间隔的空白。

4.一种针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪装置，其特征在于，用于实现权利要求1-3中任意一种快速同步跟踪方法，包括：

同步序列生成模块，用于生成同步序列；

映射模块，用于将所述同步序列映射至相应的子载波上，得到同步信号；所述同步信号放置在无线帧的帧头，生成TDD-OFDM下行链路信号；

初始捕获模块，用于确定所述同步信号的大致位置，以对所述TDD-OFDM下行链路信号进行初始捕获；

精确捕获模块，用于确定所述同步信号的精确位置，以对所述TDD-OFDM下行链路信号进行精确捕获；

同步跟踪模块，用于对所述TDD-OFDM下行链路信号保持实时同步，以对TDD-OFDM下行链路实现精确跟踪。

5.根据权利要求4所述的针对TDD-OFDM下行链路的快速同步跟踪装置，其特征在于，

所述同步序列生成模块通过频域Zadoff-Chu、m序列产生同步序列；

所述初始捕获模块采用共轭相关特征窗信号确定所述同步信号的大致位置；

所述精确捕获模块采用本地匹配相关算法确定所述同步信号的精确位置；

所述同步跟踪模块采用导频信号频域相关保持信号的实时同步。

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