CN110086560B - 适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信领域以及军事通信领域，公开了一种适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法，利用多根天线上相同的短同步训练序列完成粗定时同步，方法是用本地的短训练序列与接收信号做移位相关，找到最大峰值所在位置即为粗定时同步位置；然后利用数据部分的循环前缀与数据尾部的相关性，对CP长度内做相关，取其相关值在粗定时同步位置出的相位值得到相对频偏值，进而进行频偏纠正；最后利用本地的长训练序列与接收信号在粗定时同步(‑CP，+CP)(CP指循环前缀)范围内进行移位相关，得到精细定时同步。本发明与现有的帧结构设计相比，在定时同步准确度上有很大的提升。

Description

适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法

技术领域

本发明属于无线通信及军事通信领域，尤其涉及一种适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法。

背景技术

目前，最接近的现有同步技术主要有数据辅助和非数据辅助两种。对于数据辅助方式一般是利用训练序列或者数据上的循环前缀进行相关，通过相关值的特性找到定时同步，进而确定频偏估计。但是目前的算法中虽然相关性较好，但是门限很大，无法适应低信噪比的通信环境。还有人提出改进帧结构设计，将用于同步的训练序列按照一定的方式插入数据中，甚至研究了同步帧动态改变的帧结构设计，虽然在突发通信中效果可以，但是在更加苛刻的短突发通信中，因为所发射的有用数据本身就很短，这种方式明显不适用。对于频偏同步方案是在频域中搜索频谱图，找到频谱图的峰值，该峰值所在位置即对应于载波频偏的估计值，以及从这种方案延伸而提出的其他频偏估计算法，这些算法在有限导频开销的短突发通信中估计的精度都不高，难以达到短突发通信系统的要求。

在军事通信中，无线通信要求传输信号时间短，以达到隐蔽通信的目的。所以就要求很短的信号能得到很好的传输。在无线通信环境中，由于信号在传输过程中会受到或大或小的噪声干扰以及信道衰落等影响，使得信号在接收端接收以后受到很大的改变，所以首先需要进行同步，找到信号帧开始位置，以及获得频率偏移估计，进行频偏纠正，才能进行后面的信道估计和信道均衡等操作。

目前在短突发通信中，大多是对定时同步和频偏估计分开进行的，且很少在多天线单载波系统中使用，大多是针对多载波进行研究，而且一般都是算法复杂度高，硬件实现复杂。

综上所述，现有技术存在的问题是：时频同步分开进行，算法复杂度高，硬件实现不方便，在低信噪比环境中适应性差，受信道环境影响严重。由于短突发通信中可用的导频数据有限，限制了现有算法的精度，且大多是针对多载波系统进行研究的，没有在单载波频域均衡系统下实验仿真。

解决上述技术问题的难度在于：在有限的传输信号中尽量提高定时同步的准确性，进而根据数据帧结构在不增加额外冗余信息的情况下找到最佳的频偏估计算法，将时频同步联合起来，减少算法复杂度，便于硬件实现。

解决上述技术问题的意义在于：解决适用于军事通信中短突发通信同步问题，在做到通信隐蔽性的同时提高接收端同步性能，使得准确的恢复发送信号，提高通信质量。同时算法能够在低信噪比的通信环境下保证时频同步的准确性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法。从仿真结果看来本发明比一般帧结构的定时同步发算法在准确率上提升14个dB，使系统定时更加准确，且能在很低的信噪比下达到这样的优良的性能。

本发明是这样实现的，一种适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法，所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法包括：

基于训练序列构成传输帧的导频，利用本地短训练序列与接收信号进行互相关，取得相关值的最大值所在位置作为粗定时同步点；

再利用粗定时同步点取有用数据前后CP段长的相关值对应的相位值，得到频偏，并通过频偏纠正进行定时细同步；

同时利用不同天线上正交的长训练序列与本地长训练序列在粗定时同步点±CP范围内进行延迟移位相关，相关窗长度为长训练序列的长度L，然后取其取相关值最大值所在位置作为细同步定时点，实现通信时频联合同步。

进一步，所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构的同步方法具体包括：

步骤一：生成训练序列，其中短训练训练B段Sn为：

S_n＝exp(jπ·u·n²/S)

其中n＝1,2,……,S，u是一个因子，取值为与S互质且小于S的值；

长训练序列A段Ln为：

L_n＝exp(jπ·(L-1)·n²/L/2)

其中n＝1,2,……,L/2。整个长训练序列由两端相同的上式构成。

步骤二：在接收端收到的信号r_i与本地短训练序列B做相关，每条发射天线上的短训练序列相同，接收信号r_i与本地短训练序列B的相关值对应的公式为：

其中*表示取共轭，N表示数据长度，M表示发射天线数目，S表示短训练序列的长度，Sm表示短训练序列，r_i是第i个接收天线接收到的信号；

步骤三：粗定时同步是取Φ_n的最大值，即：

其中d_opt表示粗定时同步点，

表示取最大值所在的n值；

步骤四：对于频率偏移，因为在数据部分CP长度内，前后相位差为频率偏移的2π倍，频率偏移为：

其中

表示在粗定时同步数据部分中CP与数据部分后CP长的相关值，ω表示频偏，C表示循环前缀CP的长度；

步骤五：对于细定时同步，在频偏纠正以后，进行细时间同步，利用本地长训练序列与接收信号在粗定时同步±CP长范围内进行互相关：

其中

其中Lm表示长训练序列，L是长训练序列的长度；

取Ψ_n的最大值为细定时同步点，同时为最终的定时同步点；在接收端做FFT变换时根据最终的定时同步点取FFT窗口范围。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法，所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构采用两段训练序列模块分别完成定时粗同步和细同步；具体包括：

短训练序列模块，用于接收信号粗定时同步，同时联合频偏估计。

长训练序列模块，利用不同发射天线上添加的长训练序列的正交性确定精定时同步。

进一步，所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构进一步包括：

发射端，设计用于在每根发射天线上搭载短训练序列模块和长训练序列模块，短训练序列模块的长度为S；

长训练序列模块长度为L，分为相同的两段，每段长度为L/2；在不同的发射天线上，长训练序列模块中的任一段正交，同时同一根发射天线上的长训练序列模块中的任一段循环移位正交；

短训练序列模块和长训练序列模块的共同构成发送数据的同步训练序列。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述适用于在多天线单载波系统下短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法。

本发明的优点及积极效果为：适应于多天线单载波频域均衡系统下，且短突发定时同步准确率较传统的帧结构设计提升14个dB，同时能够在很低的信噪比下完成准确的同步工作，在信噪比为-8dB定时同步准确率即可以达到100％。对比现有的同步算法，该设计的算法复杂度并没有提高，数据传输速率相同，在没有增加发射功率的情况下就可以达到这样优良的效果。本发明解决了现有算法复杂度高，硬件实现不方便的问题，同时解决了高噪声干扰信道环境下同步受限问题，且可以在多天线单载波频域均衡系统下实现，可以利用多天线单载波频域均衡系统的优势，进一步提高通信系统质量。

与传统的帧结构相比，帧结构因为在多根发射天线上使用了相同的短训练序列，在做粗定时同步相关时，接收信号与本地短训练序列的相关值就提高了很多，同时抗干扰抗噪声效果很好，利用该帧结构极大的提高了定时同步概率。

本发明是在多天线单载波系统下对短突发通信解决同步问题。与传统的训练序列及同步算法相比，本同步帧设计简单，同步算法复杂度低，在实际中很容易实现，同时在低信噪比时同步效果很好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多天线单载波频域均衡系统框图。

图2是本发明实施例提供的传统帧结构的设计。

图3是本发明实施例提供的本发明所设计的帧结构的设计。

图4是本发明实施例提供的时频联合同步算法流程图。

图5是本发明实施例提供的在MATLAB平台上仿真的粗定时同步位置。

图6是本发明实施例提供的在MATLAB平台上仿真的细定时同步位置。

图7是本发明实施例提供的传统帧结构与本发明帧结构的定时同步概率对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的信号传输复杂度高，时频同步一般都是分开进行的，在多天线单载波下实用性差。现有技术中，未解决军事通信中对短突发通信对信号传输时间短、传输隐蔽性问题。

为解决上述问题，下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的多天线单载波频域均衡系统框图。

在本发明实施例中，图2是本发明实施例提供的传统帧结构的设计。

如图3所示，本发明实施例提供的适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构，即训练序列分两部分，前一部分是在每根发射天线上都相同的短训练序列，后一部分是不同发射天线上正交的长训练序列。利用每根发射天线上相同的短训练序列与本地对应的训练序列做相关获取粗定时同步，利用本地正交的长训练序列与接收信号做相关确定细时间同步，同时联合完成频偏估计。此方法相比传统的相关算法在定时同步性能有很大的提升。

首先介绍多天线单载波频域均衡系统(MIMO SC-FDE系统)，发射天线数目为M，接收天线数目为N，一般接收天线数不超过发射天线数目，即N<M。单载波均衡技术是在频域进行，相比在时域进行复杂度低，性能好。然后介绍同步帧结构设计，在发射端每根发射天线在数据前先加一段相同的短训练序列，我们称为B段，B段的长度记为S。在B段之后加长训练序列，长训练序列分为相同的两段，每段称为A段，每段长度为L/2段。在不同的发射天线上，每个A段是正交的，同时同一根发射天线上的A段循环移位正交。B段和A段同时构成发送数据的同步训练序列。

如图4所示，本发明实施例的适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法包括：

基于训练序列构成传输帧的导频，利用本地短训练序列与接收信号进行互相关，取得相关值的最大值所在位置作为粗定时同步点；

再利用粗定时同步点取有用数据前后CP段长的相关值的相位值，得到频偏，并通过频偏纠正进行定时细同步；

同时利用不同天线上正交的长训练序列与本地长训练序列在粗定时同步点±CP范围内进行相关，取相关值最大值作为细同步定时点，实现通信时频联合同步。

在本发明实施例中，短训练序列长度S为48，长训练序列L为72，每个A段为36长，循环前缀CP的长度C为24，数据长N为48，每帧总长为短训练序列上加上长训练序列长再加上循环前缀和一个数据块，具体总帧长度为192，传输帧数为1,以上共同构成一个短突发信号。具体参数见表1。具体实现步骤包括：

步骤1：生成训练序列，其中短训练训练B段Sn为：

S_n＝exp(jπ·23·n²/48)

其中n＝1,2,……,48

长训练序列A段Ln为：

L_n＝exp(jπ·35·n²/36)

其中n＝1,2,……,36。整个长训练序列由两端相同的上式构成。

步骤2：在接收端收到的信号ri(i＝1,2,……，48)与本地短训练序列B做相关，因为每条发射天线上的短训练序列都是相同的，所以接收信号ri与B的相关值会很大。与之对应的公式为：

其中i＝1,2,……,48，m＝1,2，*表示取共轭，Sm表示短训练序列，ri是第i个接收天线接收到的信号。

步骤3：粗定时同步是取Φ_n的最大值，即：

其中d_opt表示粗定时同步点，

表示取最大值所在的n值。

步骤4：对于频率偏移，因为在数据部分CP长度内，前后相位差正好是频率偏移的2π倍，所以频率偏移可以这样得到：

其中

表示在粗定时同步数据部分中CP与数据部分后CP长的相关值，ω表示频偏。

步骤5：对于细定时同步，在频偏纠正以后，进行细时间同步，方法是利用本地长训练序列与接收信号在粗定时同步±CP长范围内进行互相关，如下：

其中

其中Lm表示长训练序列。

取Ψ_n的最大值即为细定时同步点，加上粗定时同步位置是最终的定时同步点。在接收端做FFT变换时根据该点取FFT窗口范围。

在信噪比SNR为0dB时，基于两根发射天线上相同的短训练序列与接收机信号做相关所得相关值效果见图5所示，从图可以看出所得相关值峰值尖锐，没有平台和旁瓣峰值的干扰，定时同步准确性很高。同样在信噪比SNR为0dB时，利用本地长训练序列与接收机信号在粗定时同步位置±CP范围内对CP长窗口内的信号做移位相关所得相关值效果见图6所示，从图中可以看出相关值峰值尖锐，同步位置准确，没有平台且没有虚假峰干扰。与图2所示设计的帧结构相比，本发明设计的帧结构定时同步准确度见图7所示，图中分别代表两种帧结构的定时同步准确度性能的曲线随着信噪比的降低曲线差距越来越明显直到达到100％，由图7中仿真数据显示本发明比图2帧结构定时同步准确度提高14个dB。在信噪比为-8dB时，本发明定时同步准确率就达到了100％，在低信噪比环境中同步效果一样很好，说明这种帧结构的抗噪声干扰能力很强。

从以上分析来看，本发明同步效果不错，适合在短突发通信中完成信号同步工作。

本发明的仿真实验中，参数有：

表1：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构的同步方法，其特征在于，所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构的同步方法包括：

基于训练序列构成传输帧的导频，利用本地短训练序列与接收信号进行互相关，取得相关值的最大值所在位置作为粗定时同步点；

再利用粗定时同步点取有用数据前后CP段长的相关值的相位值，得到频偏，并通过频偏纠正进行定时细同步；

同时利用不同天线上正交的长训练序列与本地长训练序列在粗定时同步点±CP范围内进行相关，取相关值最大值作为细同步定时点，实现通信时频联合同步；

所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构及同步方法具体包括：

步骤一：生成训练序列，其中短训练序列B段Sn为：

S_n＝exp(jπ·u·n²/S)

其中n＝1,2,……,S，u是一个因子，取值为与S互质且小于S的值；

长训练序列A段Ln为：

L_n＝exp(jπ·(L-1)·n²/L/2)

其中n＝1,2,……,L/2；整个长训练序列由两段 相同的上式构成；

步骤二：在接收端收到的信号r_i与本地短训练序列B做相关，每条发射天线上的短训练序列相同，接收信号r_i与本地短训练序列B的相关值对应的公式为：

其中*表示取共轭，N表示数据长度，M表示发射天线数目，S表示短训练序列的长度，Sm表示短训练序列，r_i是第i个接收天线接收到的信号；

步骤三：粗定时同步是取Φ_n的最大值，即：

其中d_opt表示粗定时同步点，

表示取最大值所在的n值；

步骤四：对于频率偏移，因为在数据部分CP长度内，前后相位差为频率偏移的2π倍，因而频率偏移可以通过下式得到：

其中

表示在粗定时同步数据部分中CP与数据部分尾部CP长的相关值，ω表示频偏，C表示循环前缀CP的长度；

步骤五：对于细定时同步，在频偏纠正以后，进行细时间同步，利用本地长训练序列与接收信号在粗定时同步±CP长范围内进行互相关：

其中

其中Lm表示长训练序列，L是长训练序列的长度；

取Ψ_n的最大值为细定时同步点，加上粗定时同步即为最终的符号帧同步位置；在接收端做FFT变换时根据最终的定时同步点取FFT窗口范围。

2.一种实施权利要求1所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构同步方法的系统，其特征在于，所述系统采用两段训练序列模块分别完成定时粗同步和细同步；具体包括：

短训练序列模块，用于接收信号粗定时同步，

长训练序列模块，利用不同发射天线上添加的长训练序列的正交性确定精定时同步，同时联合频偏估计。

3.如权利要求2所述的适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构同步方法的系统，其特征在于，所述适用于短突发通信时频联合同步的同步帧结构同步方法的系统进一步包括：

发射端，设计用于在每根发射天线上搭载短训练序列模块和长训练序列模块，其中短训练序列模块的长度为S；

长训练序列模块总长为L，为相同的两段，每段长度为L/2；在不同的发射天线上，长训练序列模块中的任一段正交，同时同一根发射天线上的长训练序列模块中的任一段循环移位正交；

短训练序列模块和长训练序列模块的共同构成发送数据的同步训练序列。

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