CN1691570A - 一种在正交多路频分复用系统中实现帧同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在正交多路频分复用(OFDM)系统中实现帧同步的方法，该方法首先由小区中的发射机按照导频分配模式，在时频平面上发射导频数据序列；接收机按照上述导频分配模式，用发射机发射的导频数据序列与自身接收到的信号序列在时频平面上进行相关，并根据相关运算结果确定相关峰的位置，之后利用相关峰获得接收信号的帧同步。本发明解决了现有技术中只能通过前导序列进行帧同步的问题。通过本发明方案使得OFDM系统能够通过不同的导频分配模式实现帧同步。

Description

一种在正交多路频分复用系统中实现帧同步的方法

技术领域

本发明涉及正交多路频分复用(OFDM)技术，更确切地说是涉及一种在OFDM系统中实现帧同步的方法。

背景技术

OFDM技术作为具有传输高速率数据业务能力的频分复用技术，一方面，相对于传统的单载波技术而言，OFDM技术能够利用简单的均衡算法提供较高的频谱效率；另一方面，在采用OFDM的系统中，不需要像传统的频分多路复用(FDM)那样在相邻的载波之间分配较宽的保护带宽，就可以避免子载波之间的相互干扰。

目前，OFDM技术已被广泛应用在现有的通信系统中，且该技术已经体现在无线局域网标准802.11a中，以及固定无线接入标准802.16a中。另外，在移动无线通信接入系统中，3GPP的无线接入网、IEEE802.20的物理层也正在考虑使用OFDM技术，以构建具有更高频率效率的移动无线通信接入系统。

图1所示为一个典型的频率蜂窝复用系统的组网图。其中，两个无线网络控制器(RNC)，即RNC1和RNC2与核心网(CN)相连，一些基站(BS)分别与这两个RNC相连，其中，BS1、BS2及BS3与RNC1相连，BS4、BS5及BS6与RNC2相连，两台移动台(MS)，即MS1、MS2与这些基站保持无线连接。图2为典型的小区全向天线复用方式，简称为小区复用方式，图3为典型的小区120度定向天线复用方式，简称为扇区复用方式。采用了OFDM技术的数据传输系统具有以下优点：

1)对多径延迟扩展具有较强的容错性。如图4所示，这种容错性体现在：与一个OFDM符号的持续时间Ts相比，典型信道冲击响应的持续时间很小，只占用Ts中一个很小的部分，因此可以通过增加较小的保护时间，即图4中的Tg，来克服由多径引起的信号之间的干扰。

2)对频率选择性衰落具有较强的容错性。OFDM技术通过采用信道编码等冗余方案，可以恢复强衰落子载波所携带的数字信号。

3)采用了简单的均衡算法。由于OFDM技术采用频域传递信号，而信道的作用在频域上表现为简单的乘法，从而使采用OFDM技术的数据传输系统在执行信号均衡时，只需要一个简单的单抽头均衡器即可实现。

4)相对于FDM技术而言，OFDM技术具有较高的频谱效率。

虽然采用OFDM技术的数据传输系统具有上述优点，但是要使上述优点能够在系统的实际应用中完全体现出来，更重要的是能使系统正常工作，必须要解决以下关键技术：频率同步、符号同步、帧同步、信道估计和均衡等。这些关键技术与系统的实际使用环境密切相关，也与系统的网络配置要求密切相关。

对于其中的帧同步技术来说，由于接收方是根据帧头的位置和用户占用时频平面的方式确定当前所要接收的数据的位置，进而提取用户需要的数据。因此，帧同步技术是OFDM系统中正确提取数据的重要前提。

IEEE802.11a协议提供了帧同步技术。具体来说，802.11a系统中的帧结构由前导符号(Preamble)、信令OFDM符号及数据OFDM符号三部分组成。该结构如图5所示。其中，Preamble由短的训练OFDM符号和长的训练OFDM符号组成。IEEE802.11a协议中采用以Preamble作为导频分配模式的方式，基于该导频分配模式，接入点(AP)与接入终端(AT)之间可以通过该短训练OFDM符号和长训练OFDM符号实现时间同步和频率同步，其中，时间同步包括符号同步和帧同步。

虽然IEEE802.11a协议提供了基于Preamble的同步方法，但是，这种方式要求相应的系统必须存在Preamble，如果某个系统中存在导频格点或其他的分配模式，但不支持Preamble这种分配模式，则该系统无法采用该Preamble方式实现同步。

另外，对于IEEE802.11a协议提出的以Preamble作为导频分配模式实现同步的方案来说，如果不考虑有效频率复用的问题，或者说只在单小区使用的情况下，这种技术方案可以正常工作。但是，在频率蜂窝复用的情形中，尤其是在频率复用因子为1，也即相邻小区或扇区使用的频段为相邻频段时，多个相邻小区发射的信号中携带的Preamble往往会相互干扰，这种情况下，如果移动台采用的是Preamble方式，则会影响移动台的接收效果，严重时，可能会使数据传输不能正常进行。

在采用Preamble方式时，为实现帧同步，一个子载波在OFDM符号上只发射导频数据，也就是说，在发射该导频数据的同时不会发送其他数据，因此该方式不能有效地利用资源。还有，为保证数据OFDM符号的信道估计和同步估计，IEEE802.11a系统还在数据OFDM符号中设置了导频子载波，图6所示即为导频子载波方式的一种示意。IEEE802.11a系统规定在子载波21、7、-7及21上一直发射导频数据。这种导频方式对时频资源会造成一些浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在正交多路频分复用系统中实现帧同步的方法，以使数据传输系统能够根据不同的导频分配模式实现帧同步。

为达到以上目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种在正交多路频分复用系统中实现帧同步的方法，该方法包括以下步骤：

a.小区中的发射机按照导频分配模式，在时频平面上发射导频数据序列；

b.接收机按照步骤a中的导频分配模式，用发射机发射的导频数据序列与自身接收到的信号序列在时频平面上进行相关，并根据相关运算结果确定相关峰的位置，之后利用相关峰获得接收信号的帧同步。

所述导频分配模式可以是导频格点模式。

所述正交多路频分复用OFDM系统中存在位于同一频带的不同小区；该方法进一步包括：为位于同一频带的每个小区设置不同的子载波偏移。

该方法可以进一步包括：小区中的发射机通过自身的子载波偏移传送信息；

则步骤b可以进一步包括：接收机根据所确定的子载波偏移获取小区的信息。

所述导频分配模式还可以是前导序列模式。

所述OFDM系统中存在时间上同步的同频相邻小区；

则该方法可以进一步包括：为不同小区的帧头设置不同的时间偏移。

所述步骤b中，所述接收机用导频数据序列与信号序列在时频平面上进行相关，包括以下步骤：

b1.接收机对接收到的时域信号进行频率同步和符号同步；

b2.通过对取得符号同步的每个时域信号进行FFT变换得到相应的频域信号；

b3.利用步骤a中的导频分配模式及发射机发射的导频数据序列，对每个频域信号进行时频平面上的相关运算。

所述步骤b3中，所述在时频平面上进行的相关运算进一步根据信道的统计特性进行。

所述相关运算通过下述公式实现：

$\mathrm{cor}(F,T)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(p_i\·\left(r_i\right[F,T\left]\right))\·R_{f_i-f_j,t_i-t_j}\·{(p_j\·\left(r_j\right[F,T\left]\right))}^{*}$

其中，p_i为导频格点序列中第i个导频位置所承载的导频数据，r_i[F，T]为时频位置为(f_i+F，t_i+T)所对应的接收信号的值，R_{fi-fj，ti-tj}为频域距离为f_i-f_j、时域距离为t_i-t_j的时频点的相关系数，且(F，T)表示时频偏移，(f，t)表示时频点的二维坐标。

所述小区为全向天线复用的小区，或为定向天线复用的扇区。

本发明通过接收机在时频平面上对接收到的信号序列与发射机发射的导频数据序列进行相关，从而实现帧同步，使得OFDM系统在采用导频格点或前导序列等导频分配模式时，都能够实现帧同步。

另外，本发明方案还通过对不同小区或扇区的导频信号设置不同的子载波，解决了OFDM系统在频率蜂窝复用情况下，这些小区或扇区采用相同的频率传输导频信号时存在的信号干扰问题。

并通过对不同小区或扇区的帧头设置不同的时间偏移，解决了OFDM系统中存在时间上同步的同频相邻小区或扇区的情况下，这些小区或扇区采用相同的频率传输导频信号时存在的信号干扰问题。

本发明方案在采用导频格点的导频分配模式时，还可以有效地提高信道估计的性能，进而提高接收机的性能。

附图说明

图1为典型的频率蜂窝复用系统的组网图；

图2为典型的小区全向天线复用方式示意图；

图3为典型的小区120度定向天线复用方式示意图；

图4为OFDM符号示意图；

图5为802.11a提供的帧结构示意图；

图6为导频子载波方式示意图；

图7为导频格点方式示意图；

图8为Preamble方式示意图。

具体实施方式

本发明方案的核心思想是：发射机按照导频分配模式在时频平面上发射导频数据序列；接收机则按照与发射机相同的导频分配模式，用小区中的发射机发射的导频数据的序列与接收到的信号序列在时频平面上进行相关，并根据相关运算的结果确定相关峰的位置，再利用相关峰在时域及频域上的偏移确定下行的帧同步。本发明方案所指的小区既包括全向天线复用的小区，又包括以特定度数定向天线复用的扇区。

本发明方案中的导频分配模式可以是以时频平面的导频格点作为时频平面的导频分配模式，也可以是以时频平面的Preamble作为时频平面的导频分配模式，还可以是其他的导频分配模式。其中，导频格点方式参见图7，Preamble方式参见图8。针对不同导频分配模式的具体处理方式基本相同。

下面以导频格点为例，结合附图对本发明方案作进一步详细的说明。

帧中的时频点可以用二维坐标(f，t)表示，其中，f表示该时频点对应的是第f个子载波，t表示该时频点对应的是第t个OFDM符号。因此，与帧对应的时频平面中的格点可以用一个二阶可逆的整数矩阵表示。具体来说，对于任意可逆的二维矩阵 时频平面上的格点可以用下式表示：

$\left(\begin{array}{c}f\\ t\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}F\\ T\end{array}\right)$

其中，p、q、F和T为整数。时频平面上的格点可以分解为下面互相没有交点的集合的并：

$\left\{(f,t)\right|\left(\begin{array}{c}f\\ t\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}F\\ T\end{array}\right),$ p、q为整数}

其中，F和T为整数。这样的集合共有 $\left|\det \left(\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right)\right|$ 个，分别对应不同的(F，T)。(F，T)中的F表示频率平移，T表示时间平移。选定一组(F，T)，所得的集合就可以作为导频格点的集合。

也就是说，在实际的系统中，可以根据系统应用环境中信道的统计特性，选定一个确定的可逆二维矩阵

作为导频的分配模式，这里的信道统计特性可以为：信道的相干带宽和多普勒频移的大小。但是，由于不同小区或扇区可能使用的是相同或相邻的频带，也就是说，还存在频率蜂窝复用以及在时间上可以同步的同频相邻小区或扇区等情况，因此针对这些情况还应有更具体的分配模式。

对于系统中存在频率蜂窝复用的情况来说，为避免同频相邻小区或扇区导频信号的相互干扰，可以将不同小区或扇区的导频信号在子载波上进行相互隔离，也即，不同小区或扇区承载导频数据的子载波各不相同。在实际操作时，可以通过对不同的小区选择不同的(F，T)实现，具体来说，对于一个二维矩阵 来说，可以有gcd(a，b)个(F，T)可选，其中，gcd(a，b)表示a和b的最大公因子。这些(F，T)具体为：(0，w(0))、(1，w(1))、...、(gcd(a，b)-1，w(gcd(a，b)-1))。其中的w(m)，m＝0，1，...gcd(a，b)-1为一个函数，表示频率偏移为m的导频分配模式对应的时间偏移量，该时间偏移量对应的是导频数据与帧头的位置差。由于接收机是通过不同的频率识别不同的小区或扇区，并通过导频数据识别小区的帧头，而在频率蜂窝复用时，这些小区或扇区采用的是相同的频带，因此，如果将导频数据设置为与帧头有一个确定的相对位置，相应地也就对应了确定的子载波上的偏移。也即一种导频格点的子载波偏移只能对应一种导频数据和帧头的位置差，简单地说，就是一种导频格点的子载波偏移模式只能对应一组(F，T)。另外，也可以利用该导频格点的子载波偏移量传送小区的一些信息。比如，将每个小区或扇区对应的扰码设置为与该小区或扇区导频格点的子载波偏移量对应。

对于可以在时间上同步的同频相邻小区或扇区的情况来说，可以选择相同的(F，T)作为其导频格点的模式，但在发射导频数据时，不同小区数据帧的帧头之间应该有一个偏移。该偏移的选择有gcd(c，d)种，其中的gcd(c，d)表示c和d的最大公因子。每个偏移分别对应于偏移0个OFDM符号、偏移1个OFDM符号、......、偏移gcd(c，d)-1个OFDM符号。对于这种情况来说，比如一个小区中的三个扇区如果是由一个基站发射导频信号，则这三个扇区很容易在时间上同步，因此，应对这三个扇区采用在时间上错开的导频格点，也即采用不同扇区的帧头之间设置偏移的方式。

对于使用不同频带的两个小区或扇区来说，由于其已经位于不同的频率，因此可以比较自由地安排导频格点的位置。当然也可以采用上述的二维矩阵进行设置，这种情况下，两个小区可以任意选择(F，T)。

对于任意一个小区或扇区来说，在确定了导频格点的位置之后，不同时间的导频格点所承载的导频数据应用一帧作为一个周期循环，也就是说，需要设置固定的帧长。

通过上述设置，发射机在发射数据时，即通过确定的导频格点承载导频数据。一帧内所有导频位置的时频序列为：(f₀，t₀)、(f₁，t₁)、...、(f_i，t_i)、...、(f_N，t_N)；对应地，每个导频位置上承载的导频数据的序列为：p₀、p₁、...、p_i、...、p_N，也就是说，(f₀，t₀)上承载的导频数据为p₀，(f₁，t₁)上承载的导频数据为p₁，并依此类推。发射机需要将该导频数据序列与其他的数据信号复用，之后在导频格点上将复用得到的数据信号经过快速傅立叶逆变换(IFFT)等过程发射出去。

对于接收信号的接收机来说，其可以通过以下步骤实现帧同步：

步骤A、利用循环前缀得到频率同步和符号同步。

可以采用现有方法得到符号同步和频率同步。比如，采用Jan-Jaap van deBeek，M.Sandell，and P.O.Borjesson，“ML estimation of Time and frequencyoffset in OFDM systems”，IEEE transaction on signal processing，vol 45，No.7，July，1997中提出一种方法，从OFDM符号的有用符号后部拷贝得到循环前缀，并根据有用符号后部的采样值与循环前缀的采样值之间的相关性得到频率同步和符号同步。

步骤B、在获取频率同步和符号同步后，进行帧同步。

接收机在得到频率同步和符号同步后，对每个OFDM符号的时域信号做快速傅立叶变换(FFT)。由于所有小区的导频数据仅仅在某些导频格点上存在，也即仅仅在某些子载波上存在，因此可以通过FFT得到频域信号。之后，利用发射机所采用的导频分配模式及发射机所发射的导频数据序列，与得到的频域信号进行时频平面上的相关运算，从而得到频率及时间的最大相关峰。其中，最大相关峰对应的子载波移位可能会对应了不同的小区信息，而时间移位则对应了本小区导频格点的位置。

另外，由于位于同一频率且在时间上同步的某些小区或扇区，导频格点所采用的子载波可能相同，但这些小区或扇区在时间上是错开的，因此，接收机在时域上可能会得到多个相关峰，并且所得到的时域上的相关峰也对应了可能的不同的小区。

通过获得所有可能的频率偏移与时间偏移的相关峰，可以完成对小区的搜索，也即，确定接收到的信号所对应的小区。之后，则应确定小区的帧头位置。根据在发射机中对导频格点的设计，无论是频域上错开的导频格点还是时域上错开的导频格点，都可以利用频率偏移与时间偏移的对应关系，即函数w(n)来确定小区帧头的位置。

下面对确定小区帧头的位置的具体过程进行说明。

为了给出相应的相关过程，引入记号r_i[F，T]，通过r_i[F，T]来表示时频位置为(f_i+F，t_i+T)处对应的接收信号的值，其中，(F，T)表示时频偏移。则相关运算公式如下：

$\mathrm{cor}(F,T)={\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_i\·\left(r_i\right[F,T\left]\right)\right|}^2---\left(1\right)$

其中，p_i为导频格点上每个导频位置所承载的导频数据。相关峰的时频偏移(F_m，T_m)则可以通过下述公式获得：

(F_m，T_m)＝arg max cor(F，T)                   (2)

在获取相关峰的时频偏移后，即可通过(F_m，T_m)确定帧头的位置。具体来说，由于T_m是任意选定一个相关点得到的时域位置差，而w(F_m)是相对于帧头的时域位置差，因此，根据这两个值即可得到帧头的位置，从而完成帧同步。

另外，由于统计特性对相关的影响很大，因此在进行相关运算时，还可以进一步考虑信道的统计特性，比如，设置一个R_{fi-fj，ti-tj}作为频域距离为f_i-f_j、时域距离为t_i-t_j的时频点的相关系数，具体来说，该R_{fi-fj，ti-tj}可以通过对时频点上随机变量的分布进行相关获得。在获取了R_{fi-fj，ti-tj}之后，则相关运算公式如下：

$\mathrm{cor}(F,T)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(p_i\·\left(r_i\right[F,T\left]\right))\·R_{f_i-f_j,t_i-t_j}\·{(p_j\·\left(r_j\right[F,T\left]\right))}^{*}---\left(3\right)$

其中，p_i为导频格点序列中第i个导频位置所承载的导频数据，r_i[F，T]为时频位置为(f_i+F，t_i+T)所对应的接收信号的值，R_{fi-fj，ti-tj}为频域距离为f_i-t_j、时域距离为t_i-t_j的时频点的相关系数，且(F，T)表示时频偏移，(f，t)表示时频点的二维坐标。其中，f_i和t_i可以由接收机根据发射机所采用的导频分配模式确定。

相关峰的时频偏移(F_m，T_m)仍然通过上述公式(2)获得。

如果发射机利用该导频格点的频率偏移量传送小区的一些信息，则接收机还可以在获得频率偏移量之后，获取该频率偏移量所承载的小区信息，以进行正常的数据接收。比如，如果小区的频率偏移量对应了小区的扰码，则接收机可以根据该频率偏移量获取对应的扰码信息。

当然，在获得帧同步后，接收机即可利用导频格点进行信道估计，并利用信道估计的值进行信道均衡及解调译码。

对于导频分配模式为Preamble模式来说，其实现帧同步的过程基本类似，所不同的是：在以Preamble方式为导频分配模式时，时频偏移中的T可变，其中的F是不可变的。

以上所述仅为本发明方案的较佳实施例，并不用以限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种在正交多路频分复用系统中实现帧同步的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.小区中的发射机按照导频分配模式，在时频平面上发射导频数据序列；

b.接收机按照步骤a中的导频分配模式，用发射机发射的导频数据序列与自身接收到的信号序列在时频平面上进行相关，并根据相关运算结果确定相关峰的位置，之后利用相关峰获得接收信号的帧同步。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导频分配模式为导频格点模式。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述正交多路频分复用OFDM系统中存在位于同一频带的不同小区；该方法进一步包括：为位于同一频带的每个小区设置不同的子载波偏移。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：小区中的发射机通过自身的子载波偏移传送信息；

步骤b进一步包括：接收机根据所确定的子载波偏移获取小区的信息。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导频分配模式为前导序列模式。

6、根据权利要求2或5所述的方法，其特征在于，所述OFDM系统中存在时间上同步的同频相邻小区；该方法进一步包括：为不同小区的帧头设置不同的时间偏移。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤b中，所述接收机用导频数据序列与信号序列在时频平面上进行相关，包括以下步骤：

b1.接收机对接收到的时域信号进行频率同步和符号同步；

b2.通过对取得符号同步的每个时域信号进行FFT变换得到相应的频域信号；

b3.利用步骤a中的导频分配模式及发射机发射的导频数据序列，对每个频域信号进行时频平面上的相关运算。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤b3中，所述在时频平面上进行的相关运算进一步根据信道的统计特性进行。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相关运算通过下述公式实现：

$\mathrm{cor}(F,T)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(p_i\·\left(r_i\right[F,T\left]\right))\·R_{f_i-f_j,t_i-t_j}\·{(p_j\·\left(r_j\right[F,T\left]\right))}^{*}$

其中，p_i为导频格点序列中第i个导频位置所承载的导频数据，r_i[F，T]为时频位置为(t_i+F，t_i+T)所对应的接收信号的值，R_{fi-fj，ti-tj}为频域距离为f_i-f_j、时域距离为t_i-t_j的时频点的相关系数，且(F，T)表示时频偏移，(f，t)表示时频点的二维坐标。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小区为全向天线复用的小区，或为定向天线复用的扇区。

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