CN1553621A

CN1553621A - 一种基于时间频率同步训练序列的导引方案

Info

Publication number: CN1553621A
Application number: CNA031179711A
Authority: CN
Inventors: 唐友喜; 宋丽英; 李少谦
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: CN1306745C

Abstract

本发明公开了一种基于时间频率同步训练序列的导引方案，它是利用CAZAC序列良好的周期相关特性和常幅度特性，将CAZAC序列用作已知测量序列，且从CAZAC序列中抽取部分序列作为导引信号，适当放大导引信号功率，并将数据信号中插入导引信号的相应位置置零。此已知测量序列既可用于时间、频率同步，也可以用于信道估计。采用本发明的方案，系统可以获得更准确的信道估计、更高的数据解调性能，使得系统能够更加准确、及时地跟踪信道的衰落变化。

Description

一种基于时间频率同步训练序列的导引方案

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及通信技术中基于训练序列的时间、频率同步方法和导引符号辅助的信道估计方法。

背景技术

OFDM由于具有数据传输速率高，抗多径干扰能力强，频谱效率高等优点，越来越受到重视。它已成功用于有线、无线通信。如：ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)，Wireless LAN，DAB(Digital Audio Broadcasting)、DVB、EEE802.11a及HyperLAN/2中。在目前正在制定的IEEE802.16中，也大量涉及了OFDM技术。OFDM这种新的调制技术也可用于新一代的移动通信系统中。使用OFDM技术将大大提高新一代移动通信系统的传输数据率和频谱效率，且具有很好的抗多径、同信道干扰和冲击噪音能力见文献：Bingham，J.A.C.，“Multicarrier modulation for data transmission：an idea whose time has come，”IEEE CommunicationsMagazine，Volume：28 Issue：5，May 1990，Page(s)：5-14；和文献：Yun Hee Kim；Iickho Song；Hong Gil Kim；Taejoo Chang；Hyung Myung Kim，“Performance analysis of a coded OFDM system in time-varying multipathRayleigh fading channels，”Vehicular Technology，IEEE Transactions on，Volume：48 Issue：5，Sept.1999，Page(s)：1610-1615所述。

在OFDM系统中，时间、频率同步是一项关键的技术，OFDM技术的弱点之一是对时间和频率同步的要求特别是频率同步要求比单载波系统要高得多。一般要求采用OFDM技术的系统在接收端频率偏移不超过其子载波间隔的2％，内容详见文献van de Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems，”Signal Processing，IEEETransactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805。OFDM的同步技术之一是利用已知的训练序列，在发端把训练序列叠加在OFDM有用数据上，收端利用发射的训练序列和接收端带有训练序列信号的相关性来进行时间同步。参见文献Tufvesson，F.；Edfors，O.；Faulkner，M.，“Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles，”Vehicular TechnologyConference，1999.VTC 1999-Fall.IEEE VTS 50th，Volume：4，1999，Page(s)：2203-2207。采用训练序列的优势是不需要额外的系统带宽，发送信号的效率较高。

同时，信道估计技术被广泛地应用于通信技术领域，信道估计精确与否关系到整个通信系统的性能。由于在实际环境中，无线信道是在不断变化的，传统估计方法中的盲检测和盲估计不能及时的估计出信道的变换，然而利用已知的训练序列能够准确的完成时间、频率同步，同时利用从已知训练序列中得到的导引符号辅助的信道估计，能够准确跟踪信道的实时变化，进而估计出信道的衰落，然后在接收端对接收信号进行必要的补偿，以此来提高整个系统的性能。内容详见：J.K.Cavers，“An analysis of pilot symbol assistedmodulation for Rayleigh fading channels，”IEEE Trans.Veh.Technol.，vol.40，no.4，pp.686-693，Nov.1991.

导引符号辅助的信道估计技术的实现需要在发端在发送的数据信号中插入导引符号，即导引图案的设计问题是整个导引信号辅助的信道估计的关键，现有的导引图案设计准则主要有：

(1)频域扫描型图案：导引符号遍及整个频率轴，即相隔一定符号长度的的导引OFDM符号上完全放置导引符号，如图(1)所示，内容详见：M.J.Fernandez-GetinoGarcia，S.Zazo and J.M.Paez-Borrallo，“Efficient Pilot Pattern Channel EstimationIn OFDM Systems Over HF Channels”，IEEE VTC’99，pp2193-2197.

(2)矩形图案：导引符号在时域一频域采样图中的位置排列呈矩形，如图(2)所示，其中横轴表示时间轴，纵轴表示频率轴，详细内容见：M.J.Fernandez-Getino Garcia.S.Zazo and J.M.Paez-Borrallo，“Pilot pattern for channel estimation estimation inOFDM”ELECTRONICSLETTERS 8^th June 2000 Vol.36 No.12，pp1049-1050.

(3)六边形图案：导引符号在时域一频域采样图中的位置排列呈六边形，如图(3)所示，详细内容见：M.J.Fernandez-Getino Garcia，S.Zazo and J.M.Paez-Borrallo，“Pilot pattern for channel estimation estimation in OFDM”ELECTRONICSLETTERS 8^th June 2000 Vol.36 No.12，pp1049-1050.

现有的基于训练序列的时间、频率同步方法有其固有的局限性：当训练序列的相对能量(即将总的发射信号能量归一化)过大时，就会对数据信号产生较强的干扰，使得收端不能正确的解调出所期望的数据信号；当训练序列的能量较低时，发送的数据信号会对训练序列产生强烈的干扰，收端进行同步操作时，训练序列的相关性就会收到破坏，无法准确的进行时间频率同步。

同理，基于训练序列的时间、频率同步方法对导引方案也有影响：训练序列不但会对发送的数据信号产生干扰，而且对于数据信号中插入的导引信号产生干扰，造成收端信道估计的不精确，从而造成整个OFDM系统的性能下降。

发明内容

本发明的任务是提供一种基于时间频率同步训练序列的导引方案，即采用本发明的方案，系统可以获得更准确的信道估计，以及更高的数据解调性能，使得系统能够更加准确、及时地跟踪信道的衰落变化。

本发明提供一种基于时间频率同步训练序列的导引方案，其特征是它采用下面步骤(如图4所示)：

发端：

步骤1(确定训练序列)确定采用的训练序列是一种CAZAC(Constant Amplitude ZeroAuto-Correlation)序列，表示为z_k，CAZAC序列具有良好的周期相关特性，并且序列的幅度在时域和频域均保持为常数，在本工作步骤说明中我们选用周期为N的Chu序列，其中N的取值为2的整数次幂，Chu序列的产生方法如下：

c_{n} = e^{\frac{jπ}{N} n^{2}} - - - 0 \leq n < N;

步骤2(分配功率)CAZAC序列z_k乘以相对功率因子

ρ为训练序列功率与发射信号总的功率的比值，

c_{n}^{'} = \sqrt{ρ} \cdot c_{n};

步骤3(FFT变换)将CAZAC序列进行长度为N的FFT变换：

z_{k} = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{i = 0}^{N - 1} c_{i}^{'} e^{- j \frac{2 πik}{N};}

步骤4(抽取导引符号并放大)按照现有的导引图案设计准则(以矩形图案为例)，对FFT变换后的CAZAC序列进行选取导引符号的操作，确定导引序列P_l，k，其中l为OFDM符号序号，k为子载波序号，D_t为导引符号在时域的间隔，D_f为导引符号在子载波上的间隔，A_p为导引信号功率与发射信号总的功率的比值，即：

步骤5(为数据信号分配功率)将数据信号乘以数据功率因子

步骤6(设置导引信号位置为零)按照上述步骤4)所述的导引图案设计准则，对数据信号中相应的导引符号位置设零，设b(n)为发送的数据信号，b_l，k为按照矩形导引图案插入零值之后的信号，即：

步骤7(数据和训练序列相加、求和，并发送)将步骤(4)和步骤(7)产生的序列进行叠加，x_l，k＝P_l，k+x_l，k得到和信号x_l，k，然后将x_l，k送入IFFT模块进行逆傅立叶变换，得到发送信号X_l.n，即：

X_{l, n} = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{k = 0}^{N - 1} x_{l, k} e^{\frac{j 2 πnk}{N} .}

收端：

步骤8在收端进行时间频率同步15，然后去除保护时隙16，进行FFT变换9，再抽取导引符号进行信道估计17，根据信道估计结果对数据进行解调19。

经过上述操作以后就可以实现本发明新的导引方案的目的。

需要说明的是，上述步骤中CAZAC序列可以是我们用的Chu序列，CAZAC序列可以为Milewski序列、Frank-Zadoff序列、或者其他公知的CAZAC序列；导引图案的选择可以是矩形，还可以是正六边型，或者其他已知的导引图案，不影响本专利的一般性。

本发明的实质是从发送端的训练序列中提取导引符号，并且在数据流的相应位置置零，然后将训练序列和数据信号一并发射出去。即在运用已知测量序列进行时间、频率同步的同时，根据一定的准则从中抽取部分序列作为导引符号，并放大导引符号的功率，进行信道估计，而用户数据信号在插入导引符号的相应位置置零，从而达到准确地进行信道估计。

从上述步骤可以看出，采用本发明的导引符号产生方法，使导引信号可以不受数据信号和训练序列的影响，在收端进行准确的信道估计。这样就可以在收端对数据做出准确的衰落补偿，迅速、可靠地传递信息，提高接收终端的整合性，降低接收终端的硬件成本。

本发明的创新之处在于充分利用了CAZAC序列良好的周期相关特性和常幅度特性，将CAZAC序列用作训练序列，并且在训练序列的基础上提出了一种新的导引设计方法：将CAZAC序列进行导引抽取，适当放大导引功率，并在数据信号导引相应位置置零，这样从根本上消除了数据信号对导引信号的干扰，又因导引信号是训练序列本身的一部分，这就保证了导引信号的纯洁性，克服了现有技术中训练序列对于数据信号中插入的导引信号产生干扰，造成收端信道估计的不精确，从而造成整个OFDM系统的性能下降，使得收端可以进行准确的信道估计；使用已知训练序列既用于时间频率同步，又用于信道估计，这充分降低了系统开销。

附图说明

图1是频率扫描型的导引图案

其中，黑色的方格代表导引符号，白色的方格代表数据信号，横轴表示时间轴，纵轴表示频率轴；

图2是导引符号的矩形配置图

图3导引符号的六边形配置图

图4为本专利说明的实施步骤框图

图中，CAZAC序列为Chu序列，为相对功率因子，FFT和IFFT运算长度均为N。

图5是本发明发射机工作原理图

其中，1是映射模块，2是数据信号功率分配模块，3是插零值模块，4是IFFT(逆离散傅立叶变换)模块，5是添加保护时隙模块，6是上变频模块，7是CAZAC序列产生模块，8是训练序列功率分配模块，9是FFT(离散傅立叶变换)模块，10是抽取导引模块，11是导引信号功率分配模块，12是两路信号的复用模块；

图6是本发明接收机工作原理示意图

其中，13是下变频模块，14是同步模块，15是去保护时隙模块，9是FFT模块，16是信道估计模块，17是信道估计补偿模块，18是解调模块。

具体实施方式：

下面以给出一个具体的OFDM配置下，本专利的实现步骤。需要说明的是：下例中的参数并不影响本专利的一般性。

设OFDM有用符号长度为N＝4096，保护间隔长度为N₈＝512。取ρ＝0.5，表示训练序列的能量占发射信号总能量的50％。A_p＝2，表示导引信号功率是发射信号总功率的2倍。CAZAC序列选择为周期为N＝4096的Chu序列，记为C[i]，i ∈[0，4095]。导引图案选用矩形方案，数据信号采用BPSK调制。

如图5所示，数据源首先经过模块1进行映射，然后经过模块2与功率因子

相乘，确定发送的数据信号的功率，接着按照矩形导引图案的设计准测在相应的导引位置插入零值，即完成模块3的功能；同时由模块7产生长度为4096的Chu序列，产生的序列通过训练序列(CAZAC序列)功率分配模块8，再经过N＝4096点的FFT变换模块9，经过FFT变换之后的数据按照矩形导引图案的设计准则由模块10进行导引抽取，抽取的导引符号经过导引符号功率分配模块11与幅度因子A_ρ相乘，实现导引功率放大的功能，经过功率放大处理的导引与未经过处理的训练序列的数据信号在模块12进行数据复用，训练序列和经过模块3后的数据序列进行叠加后送入IFFT模块4，完成多载波调制功能，然后通过模块5添加保护时隙，最后经上变频单元6发射出去。

如图6所示，接收端先经过下变频模块13，然后经过模块14进行时间频率同步，同步后的信号经去掉保护时隙模块15，再经过FFT变换，抽出导引进行信道估计，将信道估计模块16的输出结果取共扼与原始数据相乘，即模块17完成信道估计的功能，将补偿以后的数据经过解调模块16解调，最后输出。

Claims

1、一种基于时间频率同步训练序列的导引方案，其特征是它采用下面步骤：

发端包含：

步骤1 确定采用的训练序列是一种CAZAC序列，表示为z_k，CAZAC序列具有良好的周期相关特性，并且序列的幅度在时域和频域均保持为常数，这里的CAZAC序列选用周期为N的Chu序列，其中N的取值为2的整数次幂，Chu序列的产生方法如下：

c_{n} = e^{\frac{jπ}{N} n^{2}} 0 \leq n < N;

步骤2 CAZAC序列z_k乘以相对功率因子 ρ为训练序列功率与发射信号总的功率的比值，

c_{n}^{'} = \sqrt{ρ} \cdot c_{n};

步骤3 将CAZAC序列进行长度为N的FFT变换：

z_{k} = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{i = 0}^{N - 1} c_{i}^{'} e^{- j \frac{2 πik}{N}};

步骤4 按照现有的导引图案设计准则(以矩形图案为例)，对FFT变换后的CAZAC序列进行选取导引符号的操作，确定导引序列p_l，k，其中l为OFDM符号序号，k为子载波序号，D_l为导引符号在时域的间隔，D_f为导引符号在子载波上的间隔，A_p为导引信号功率与发射信号总的功率的比值，即：

步骤5 将数据信号乘以数据功率因子

步骤6 按照上述步骤(4)所述的导引图案设计准则，对数据信号中相应的导引符号位置设零，设b(n)为发送的数据信号，b_l，k为按照矩形导引图案插入零值之后的信号，即：

步骤7 将步骤(4)和步骤(7)产生的序列进行叠加，x_l，k＝p_l，k+x_l，k，得到和信号x_l，k，然后将x_l，k送入IFFT模块进行逆傅立叶变换，得到发送信号X_l，n，即：

X_{l, n} = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{k = 0}^{N - 1} x_{l, k} e^{\frac{j 2 πnk}{N}};

收端包含：

步骤8 在收端进行时间频率同步15，然后去除保护时隙16，进行FFI变换9，再抽取导引符号进行信道估计17，根据信道估计结果对数据进行解调19。

2、根据权利要求2所述的一种基于时间频率同步训练序列的导引方案，其特征是所述的导引图案的选择可以是矩形，还可以是正六边型。

3、根据权利要求2所述的一种基于时间频率同步训练序列的导引方案，其特征是所述的CAZAC序列可以为Milewski序列、Frank-Zadoff序列、或者其他公知的CAZAC序列。