CN1655544A - 基于正交频分复用的通信系统的码元定时同步方法 - Google Patents

Abstract

一种基于OFDM通信系统中的同步方法。发送方产生并发送具有恒定循环前缀的OFDM码元，该循环前缀独立于将要发送的时域数据码元。接收方基于已知循环前缀估计定时同步误差。因为基于总是已知的恒定循环前缀估计定时同步误差，所以可以获得高可靠的相关，由此改善同步的准确性。

Description

基于正交频分复用的通信系统的码元定时同步方法

技术领域

本发明一般涉及一种移动通信系统，更具体地说，涉及一种基于OFDM(正交频分复用)的移动通信系统的定时和频率同步方法。

背景技术

下一代移动通信要求高速率和高质量数据传输，以支持各种高品质多媒体服务。近来，已经对一种被称作“OFDM”的技术进行了深入的研究，以便达到这些要求。

因为OFDM使用多个正交载波，所以OFDM具有更高的频率可用性，并且因为OFDM扩展与副载波数成比例的码元周期同时保持数据传输率，所以对于由频率选择性衰落信道所引起的码间干扰(ISI)有很强的抵抗力。

OFDM通常通过在OFDM码元之间插入保护间隔——该保护间隔比信道的最大延迟扩展长——以保持副载波之间的正交，来降低ISI和载波间干扰(ICI)。

必须获得发送机和接收机之间的定时和频率同步，以便保持副载波之间的正交。为了实现这个，已经提出定时和频率同步方法，其使用保护间隔和循环前缀(CP)之间的相关。

保护间隔和循环前缀之间的相关可以由公式1表示：

公式1

${\mathrm{\Φ}}_n=\frac{\left|{\mathrm{\φ}}_n\right|}{{\left(P_n\right)}^2},$

其中 ${\mathrm{\φ}}_n=\underset{k=0}{\overset{G-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{j,n+k}^{*}{r}_{j,n+k+P}\right)$ 并且 $P_n=\underset{k=0}{\overset{G-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{j.n+k+P}\right|}^2.$

这个方法允许进行连续同步估计，但是由于噪声和多通道降低了保护间隔和循环前缀之间的相关的可靠性。

为了克服这个问题，已经提出了另一种同步方法，其在时域中使用二进制前缀{+1，-1}以代替利用循环前缀插入保护间隔。

如从公式2所示，这种基于二进制前缀的同步方法获得已知二进制前缀和接收的信号之间的相关，由此增加可靠性并实现准确的频偏估计。

公式2

${\mathrm{\Ψ}}_n=\frac{{\left|{\mathrm{\ψ}}_{q,n}\right|}^2}{{\left(P_n^{\′}\right)}^2},$

其中 ${\mathrm{\ψ}}_{q.n}=\underset{k=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(s_{q,k}^{*}{r}_{j,n+k}\right)$ 并且 $P_n^{\′}=\underset{k=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{j,n+k}\right|}^2.$

然而，这种方法在多通道环境中没有由循环前缀所产生的保护间隔。结果，延迟信号引起原始信号的ISI。

一种具有保护间隔并使用前缀或训练序列的不同的同步方法也具有减少传输率的问题。

发明内容

因此，鉴于上述和其他问题已经设计本发明，并且本发明的目的是提供一种用于基于OFDM通信系统的同步方法，该方法将已知的相同保护间隔插入每个OFDM码元，由此改善频偏估计的可靠性。

根据本发明的一方面，通过用于基于OFDM通信系统的同步方法实现上述和其他目的，在该同步方法中，发送方产生并发送具有恒定循环前缀的OFDM码元，其独立于将要发送的时域数据码元，并且接收方利用循环前缀以估计定时同步误差。循环前缀依赖于与时域数据码元相对于的频域数据码元。OFDM码元以下述方式产生。根据频域数据码元产生奇偶码元。当执行傅立叶逆变换时，奇偶码元使得循环前缀出现在时域中，并且逆傅立叶变换数据码元和奇偶码元，以产生OFDM码元。

根据本发明的另一方面，提供一种用于基于OFDM通信系统的同步方法，其中串-并变换通过调制产生的数据码元，以便并行输出数据码元，并且利用并行输出的数据码元产生至少一个奇偶码元。然后，通过傅立叶逆变换数据码元和奇偶码元产生包括循环前缀的OFDM码元。循环前缀总是相同的。根据频域中的数据码元产生奇偶码元。奇偶码元以如下方式产生。

首先，通过傅立叶逆变换并行输出的数据码元来产生数据信号向量。然后，在数据信号向量和与之相应的参考信号向量之间执行减法，然后在参考信号向量和通过减法获得的向量之间执行乘法，随后获得奇偶码元。通过一映射表提供参考信号向量，在该映射表中，相应的参考信号向量被映射到数据信号向量。

根据本发明的另一方面，提供一种OFDM发送机，包括：数据源，用于调制传输数据以产生传输信号；串/并变换器，用于串/并转换从数据源输出的传输信号；奇偶码元产生器，用于利用从串/并变换器输出的信号产生至少一个奇偶码元；以及第一傅立叶逆变换器，通过傅立叶逆变换从串/并变换器输出的信号和奇偶码元而产生OFDM码元。奇偶码元产生器包括：第二逆傅立叶变换器，用于傅立叶逆变换从串/并变换器输出的信号；参考信号产生器，用于提供与从串/并变换器输出的信号相对应的参考信号；减法器，用于对从串/并变换器输出的信号和从参考信号产生器提供的参考信号执行减法运算；以及乘法器，用于对从减法器输出的信号和参考信号执行乘法运算以输出奇偶码元。参考信号产生器包括映射表，在该映射表中，相应参考信号被映射到从第二傅立叶逆变换器输出的信号。根据从串/并变换器输出的信号产生奇偶码元。OFDM码元包括循环前缀。总是基本相同的循环前缀出现在OFDM码元中。

附图说明

从下述结合附图的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是说明根据本发明优选实施例的OFDM传输装置的方框图；

图2是详细说明图1中所示的奇偶码元产生器的方框图；

图3是说明在根据本发明优选实施例的基于OFDM通信系统的同步方法中如何产生已知循环前缀的概念图；以及

图4A是说明在根据本发明优选实施例的基于OFDM通信系统的同步方法中傅立叶逆变换的时域OFDM信号的图；

图4B是说明从图4A所示的OFDM信号分离出的已知循环前缀的图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的优选实施例。在本发明的如下描述中，当结合于此的已知功能和结构的详细描述会使得本发明的主题不清楚时，将省略对其的描述。

图1是说明根据本发明的优选实施例的OFDM传输装置的方框图。如图1所示，OFDM传输装置包括：数据源(或者信息产生器)101、串/并(S/P)变换器102、奇偶码元产生器103、第一快速傅立叶逆变换器(IFFT)104、以及并/串变换器105。数据源101调制用于传输的数据以产生传输码元，并且串/并变换器102串-并变换从数据源101输出的传输码元。利用从串/并变换器102输出的频域码元，奇偶码元产生器103产生根据频域中的数据码元确定的奇偶码元，以获得时域中的已知循环前缀。第一IFFT 104执行从串/并变换器102和奇偶码元产生器103输出的码元的傅立叶逆变换，以产生OFDM码元。并/串变换器105并-串变换并发送从第一IFFT 104输出的OFDM码元。

图2是详细说明奇偶码元产生器103的方框图。如图2所示，奇偶码元产生器103包括：第二IFFT 201、参考信号产生器202、减法器203、以及乘法器204。第二IFFT 201执行从串/并变换器102输出的信号的傅立叶逆变换，以将其变换成时域信号。参考信号产生器202提供参考信号，用于利用从第二IFFT 201输出的信号通过数学运算产生奇偶码元。参考信号产生器202包括映射表，在该映射表中，相应参考信号被映射到从第二IFFT 201输出的信号，以提供用于产生奇偶码元的参考信号。换言之，参考信号产生器202包括其中相应参考信号向量被映射到数据信号向量的映射表。

减法器203执行从参考信号产生器202输出的参考信号和从第二IFFT201输出的信号之间的减法。乘法器204执行从减法器203输出的信号和从参考信号产生器202输出的信号之间的乘法，以输出奇偶码元。

在根据本发明优选实施例的同步方法中，在频域中预处理信号，以便在IFFT(快速傅立叶逆变换)之后，相同的已知循环前缀出现在时域信号的相同位置。

奇偶码元产生器103利用从串/并变换器102输出的数据码元，以产生由频域数据码元确定的奇偶码元。产生的奇偶码元和从串/并变换器102输出的频域数据码元一起通过第一IFFT 104和串/并变换器105，然后作为时域码元序列被发送，如图3所示。

第一IFFT 104接收奇偶码元和频域码元，并将其作为单个OFDM码元输出。如图3所示，从第一IFFT 104输出的OFDM码元的每一个包括总是相同的已知循环码元，即恒定循环码元。

如果第一IFFT 201的大小是N，并且奇偶码元的数目是P，则由IFFT产生的OFDM信号可以由公式3表示。

公式3

$x\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{\frac{j2\mathrm{\πkn}}{N}}$

此外，公式3可以被重构为如下的公式4。

公式4

$x\left(n\right)=\underset{k\≠\mathrm{iM}-1(i=1,\·\·\·,P)}{\overset{N-1}{\underset{k=0}{\mathrm{\Σ}}}}X\left(k\right)e^{\frac{j2\mathrm{\πkn}}{N}}+X(M-1)e^{\frac{j2\mathrm{\πn}(M-1)}{N}}+\·\·\·+X(\mathrm{PM}-1)e^{\frac{j2\mathrm{\πn}(\mathrm{PM}-1)}{N}},$

其中M＝N/P

如果从公式4分离出循环前缀，则其可以表示为如公式5所示。

公式5

$x\left(n\right)-\underset{k=\mathrm{iM}-1(i=1,\·\·\·,M)}{\overset{N-1}{\underset{k=0}{\mathrm{\Σ}}}}X\left(k\right)e^{\frac{j2\mathrm{\πkn}}{N}}=X(M-1)e^{\frac{j2\mathrm{\πn}(M-1)}{N}}+\·\·\·+X(\mathrm{PM}-1)e^{\frac{j2\mathrm{\πn}(\mathrm{PM}-1)}{N}}$

此外，公式5可以以如下面的公式6的矩阵形式来表示。

公式6

A＝BX

如果公式5中的 $\underset{k\≠\mathrm{iM}-1(i=1,\·\·\·M)}{\overset{N-1}{\underset{k=0}{\mathrm{\Σ}}}}X\left(k\right)e^{\frac{j2\mathrm{\πkn}}{N}}$ 由x′(n)表示，公式5可以被重构为如公式7所示。

公式7

$x\left(n\right)-x^{\′}\left(n\right)=X(M-1)e^{\frac{j2\mathrm{\πn}(M-1)}{N}}+\·\·\·+X(\mathrm{PM}-1)e^{\frac{j2\mathrm{\πn}(\mathrm{PM}-1)}{N}}$

在公式7中，x′(n)表示输入传输信号的传输数据码元，并可以通过将0插入输入传输信号中将要放置奇偶码元的部分来获得。x(n)表示在第n时间将放置的已知循环前缀的值。因此，公式6中的矩阵A可以表示为如下面的公式8的M×1矩阵。

公式8

A＝[x(N)-x′(N)x(N-1)-x′(N-1) … x(N-P+1)-x′(N-P+1)]^T

在公式8中，x(N)、x(N-1)、…、x(N-P+1)对应于将要插入时间轴的循环前缀。

然后，公式6中的矩阵B成为P×P矩阵，如公式9所示。

公式9

$B=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{\frac{j2\mathrm{\π}(N-P+1)}{N}}& \·\·\·& \·\·\·& e^{\frac{j2\mathrm{\π}(N-P+1)(\mathrm{PM}-1)}{N}}\\ e^{\frac{j2\mathrm{\π}(N-P+2)(M-1)}{N}}& \·\·\·& \·\·\·& e^{\frac{j2\mathrm{\π}(N-P+2)(\mathrm{PM}-1)}{N}}\\ \·& & & \·\\ \·& & & \·\\ \·& & & \·\\ e^{\frac{j2\mathrm{\π}(N-1)(M-1)}{N}}& \·\·\·& \·\·\·& e^{\frac{j2\mathrm{\π}(N-1)(\mathrm{PM}-1)}{N}}\\ e^{\frac{j2\mathrm{\π}\left(N\right)(M-1)}{N}}& \·\·\·& \·\·\·& e^{\frac{j2\mathrm{\π}\left(N\right)(\mathrm{PM}-1)}{N}}\end{array}\right]$

此外，公式6中的矩阵X可以表示为P×1矩阵，如公式10所示。

公式10

X＝[X(M-1)X(2M-1)…X(PM-1)]^T

在公式10中，X(M-1)、X(2M-1)、...、X((P-1)M-1)、X(PM-1)表示将要插入在时间轴上的奇偶码元，用于允许已知循环前缀被放置在时间轴上的预定位置。

必须计算逆矩阵B^-1以求解公式6的矩阵方程。然而，如果IFFT大小N并且奇偶码元的数目P是固定的，逆矩阵B^-1总是具有相同值。这使得可以通过提供查询表减少逆矩阵B^-1的计算量。

通过矩阵A和逆矩阵B^-1的矩阵操作可以获得矩阵X，并且获得的值被插入到时间轴上，由此使得每个OFDM码元具有包括相同已知循环前缀的保护间隔。

图4A是显示当将根据本发明优选实施例的同步方法应用到采用128点IFFT的OFDM系统时傅立叶逆变换的时域OFDM信号的图。图4B是显示包括在图4A所示的OFDM信号中的已知循环前缀的图。

从图4A和4B可以看出，在根据本发明的同步方法中，定义保护间隔的相同已知循环前缀出现在每个OFDM码元中。在这个实施例中，具有交互幅度1和-1的16个连续信号被用作已知的循环前缀。

如从以上描述可以显而易见的，因为根据本发明的同步方法不对于同步使用导频信号，所以它增加了带宽效率。

另外，因为用作保护间隔的相同已知循环前缀(恒定循环前缀)出现在每个OFDM码元中，所以根据本发明的同步方法不需要分离的CP插入处理。

此外，因为总是接收恒定的循环前缀，所以根据本发明的同步方法实现了高可靠相关并且改善了同步的准确性。

尽管为了示例性的目的已经描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求公开的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、增添和删减。

Claims (17)

1.一种利用循环前缀作为保护间隔的、用于基于OFDM(正交频分复用)通信系统的同步方法，所述方法包括如下步骤：

通过发送方产生并发送包括循环前缀的OFDM码元，所述循环前缀是恒定的并独立于将要发送的时域数据码元；以及

通过接收方利用循环前缀估计定时同步误差。

2.如权利要求1所述的方法，其中循环前缀依赖于与时域数据码元相对应的频域数据码元。

3.如权利要求1所述的方法，其中产生OFDM码元的步骤包括步骤：

根据频域数据码元产生奇偶码元，当执行傅立叶逆变换时，所述奇偶码元使得循环前缀出现在时域；以及

傅立叶逆变换频域数据码元和奇偶码元，以产生OFDM码元。

4.一种用于基于OFDM通信系统的同步方法，其中发送方发送包括循环前缀作为保护间隔的OFDM码元并且接收方利用循环前缀同步发送方，所述方法包括步骤：

串/并变换通过调制产生的数据码元；

并行输出数据码元；

利用并行输出的数据码元产生至少一个奇偶码元；

通过傅立叶逆变换数据码元和奇偶码元产生包括循环前缀的OFDM码元；以及

发送产生的OFDM码元。

5.如权利要求4所述的方法，其中循环前缀是恒定的。

6.如权利要求4所述的方法，其中根据频域中的数据码元产生奇偶码元。

7.如权利要求4所述的方法，其中产生至少一个奇偶码元的步骤包括如下步骤：

通过傅立叶逆变换并行输出的数据码元产生数据信号向量；

将数据信号向量和与之相应的参考信号向量相减；以及

将参考信号向量乘以通过将数据信号向量和参考信号向量相减获得的向量，以获得至少一个奇偶码元。

8.如权利要求7所述的方法，其中通过映射表提供参考信号向量，在所述映射表中相应参考信号向量被映射到数据信号向量。

9.一种用于基于OFDM通信系统的OFDM发送机，其中发送方发送包括循环前缀作为保护间隔的OFDM码元，并且接收方利用循环前缀同步发送方，所述OFDM发送机包括：

一数据源，调制用于传输的数据以产生传输信号；

一串/并变换器，用于串-并变换从数据源输出的传输信号；

奇偶码元产生器，利用从串/并变换器输出的信号产生至少一个奇偶码元；以及

第一傅立叶逆变换器，用于通过傅立叶逆变换从串/并变换器输出的信号和至少一个奇偶码元来产生OFDM码元。

10.如权利要求9所述的发送机，其中根据从串/并变换器输出的信号产生至少一个奇偶码元。

11.如权利要求9所述的发送机，其中OFDM码元包括循环前缀。

12.如权利要求11所述的发送机，其中循环前缀是恒定的，并且出现在OFDM码元中。

13.如权利要求9所述的发送机，其中奇偶码元产生器包括：

第二傅立叶逆变换器，用于傅立叶逆变换从串/并变换器输出的信号；

一参考信号产生器，用于提供与从串/并变换器输出的信号相对应的参考信号；

一减法器，用于将从串/并变换器输出的信号和从参考信号产生器提供的参考信号相减；以及

一乘法器，用于将从减法器输出的信号乘以参考信号，以输出至少一个奇偶码元。

14.如权利要求13所述的发送机，其中参考信号产生器包括一映射表。在所述映射表中，相应的参考信号被映射到从第二傅立叶逆变换器输出的信号。

15.如权利要求13所述的发送机，其中根据从串/并变换器输出的信号产生奇偶码元。

16.如权利要求13所述的发送机，其中OFDM码元包括循环前缀。

17.如权利要求16所述的发送机，其中循环前缀恒定，并出现在OFDM码元中。

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