CN1691659B - 在正交频分复用系统中用于同步的方法 - Google Patents

Abstract

一种在正交频分复用系统中用于同步的方法，包括步骤：发送端传送包含一个OFDM符号的导引符号结构；接收端通过检测这个导引符号来进行OFDM符号定位。本发明通过对OFDM符号中的子载波进行了分段，通过给不同的小区分配不同的分段避免了相互之间的干扰，可以让用户终端进行正常的同步过程，并同时识别了不同的小区特征序列码，甚至还可以在其中传输广播信息。

Description

在正交频分复用系统中用于同步的方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用(以下简称OFDM)系统中的信息传输领域，特别涉及OFDM系统中用于时间同步、载波偏移等信息处理的方法。

背景技术

OFDM是在信道中进行有效信息传输的一种健全的通信技术。该技术利用多个并行的、传输低速率数据的子载波(子载频)来实现高数据速率的通信。其技术要点是将信道传输带宽划分成若干子频带，在每个子频带上并行地用互相正交的子载波传输数据信息，在接收端利用其各个子载波的正交性，分离出并行传输的数据信息。

OFDM技术已经成功地应用于许多通信系统中，例如，由欧洲电信标准化组织ETSI制定的数字广播(DAB)和数字电视(DVB)采用OFDM技术为空中接口的无线传输标准，此外无线局域网标准IEEE802.11和无线城域网标准IEEE802.16也都采用了OFDM技术。OFDM技术的有效使用，需要收发双方能严格时间同步和载波同步。

OFDM是在信道中进行有效信息传输的一种健全的通信技术。现行的OFDM技术多采用快速离散傅里叶逆变换(以下简称IFFT)和快速离散傅里叶变换(以下简称FFT)分别在发射端和接收端进行多载波基带的调制和解调，其基本实现框图如图3所示：其中添加时域保护间隔是一个时域处理过程，是指把OFDM符号的最后一部分复制添加到OFDM符号的前面，如图4所示，其作用是抵抗多径干扰。

同步位置检测和频偏检测是OFDM系统中非常重要的一步，只有找到了正确的同步位置才能正确的分割接收下来数据流，从而进行下一步的处理。

在现有的OFDM系统中，有一类重要的同步方法，是基于在发送端数据流上加入一个具有重复特性的前导引符号(preamble)，在接受端检测符合该重复特征的位置作为帧定位的位置。同时利用重复部分相同的数据的相位差和频域上的码的相关特性来确定收发端之间的频率偏差。这种同步方法的代表作之一是“Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM”，IEEE trans on communications，vol 15，no 12，DEC，1997，pp1616-1621，T.M.Schmidl and D.C.Cox.

其主要处理方法如下：传统导引符号由两个OFDM符号组成，采用如图5格式构造一个导引符号，对于符号一，首先将全部子载波按序奇偶分为两类，只利用其中的一类，如全部奇载波或全部偶载波放置调制数据，而另一类子载波空闲不传任何数据，其时域表现为图6.

图6上面部分是利用偶数位子载波产生的结构，有两个相同子部分，图6下面部分是利用奇数位子载波产生的结构，后一个部分是前一个部分的相反值。

符号二在和符号一相同的子载波放置一组调制数据，其目的是认为相邻两个符号经历了相似的信道，所以在接收端通过对应子载波的差分解调可以得到一组序列值，这组序列值将有助于频偏纠正。

例如：假设都采用BPSK调制

符号一	1	0	-1	0	1	0	1	0	……	-1	0	-1	0
														特征序列	1		1		-1		1		……	1		-1
符号二	-1	x	1	X	1	x	-1	x	……	1	x	-1	x

符号一中的0表示在该载波位置上没有放置调制数据，符号二中的x表明对该位上的数据没有明确要求，即，既可以传输调制数据，也可以不传输任何信号。

在接收端进行如下时域处理：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+L}\right)$ (公式1)

$R\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m+L}\right|}^2$ (公式2)

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2}$ (公式3)

r代表接收到的时域信号采样值，L是不包含CP部分的OFDM符号的一半长度。其判断出来的M(d)应如图7.

由于只有导引符号空闲了偶(奇)载波没用，而其他数据符号一般都是占据了所有可用子载波，所以在时域上只有导引符号处形成了特殊的重复结构(如图6)，对于形成的判决值M(d)将会形成一个最高值的平台，对应于导引符号的CP部分中的无多径干扰部分，判决的同步位置应当位于这个区域内。

当确定了同步位置时，利用下式可以初步估算收发机的频率误差：

φ＝angle(P(d)) (公式4a)当采用偶数载波时

φ＝angle(P(d))-π (公式4b)当采用奇数载波时

同时还有φ＝πTΔf+2nπ (公式5)

所以 $\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\πT}}+\frac{2n}{T}$ (公式6)

因此通过检测P(d)的相位，上式的第一部分频率误差可以被检测出来，并进行补偿。

但是由于n可能有不同的值，无法确定频率误差的范围是否超出n＝0的情况，因此我们将利用第二个符号的帮助进行进一步的搜索。从同步位置开始从数据流中提取出OFDM符号，并将保护间隔CP部分去掉后进行时-频FFT变换，解出构成导引符号的两个符号的频域数据，在两个符号的每一条子载波上进行差分解调。由于可近似认为在这两个符号的时间内信道状况维持不变，因此进行差分解调可以得出一组序列值R。如果存在大频偏，则它的影响是使发送的数据向频率的一端移动，因此用已知的序列T对序列M进行滑动相关，其峰值的相对偏移对应于大频偏造成的移动数值，因此在选择序列T时，要注意保证这个序列的自相关特性。

现在有许多种不同的基于重复结构的导引符号结构设计方案，如图8和图9所示。

但所有这些设计方案都是针对于单小区环境下的；在多小区情况下，如果仍然采用这些设计方案，那么会因为各小区使用相同的子载波，不同小区的导引符号间会产生相互干扰，所以针对于这些导引符号结构的接收机同步方法和装置有可能不能正常工作，继而导致整个系统不能正常工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种在正交频分复用系统中用于同步的方法，即使是在单频带多小区情况下也可良好地完成同步的功能，并能进行小区的识别，甚至还可以进行部分系统信息的广播。

为实现上述目的，一种在正交频分复用系统中用于同步的方法，包括步骤：

发送端传送包含一个OFDM符号的导引符号结构；

接收端通过检测这个导引符号来进行OFDM符号定位；

所述发送端对导引符号的频域子载波进行了分组；

相邻小区利用不同的分组，并且只利用其中的部分子载波形成这个导引符号。

本发明通过对OFDM符号中的子载波进行了分段，通过给不同的小区分配不同的分段避免了相互之间的干扰，可以让用户终端进行正常的同步过程，并同时识别了不同的小区特征序列码，甚至还可以在其中传输广播信息。

附图说明

图1是本发明同步方法的实现框图；

图2是一个完整的导引符号分组及子载波选取方案；

图3是OFDM系统的部分处理流程框图；

图4是OFDM符号添加保护间隔；

图5是一种传统的同步的方案所采用的导引符号结构；

图6是采用图5所述的导引符号结构的时域表现结构；

图7是接收形成的同步位置判断标准M(d)的基本形状；

图8是IEEE 802.11a的导引符号结构；

图9是IEEE 802.16a的导引符号结构；

图10是OFDM符号内子载波分组示意图；

图11是一个分段内子载波分配示意图；

图12是小区分配不同分组的示意图；

图13是接收机工作流程图。

具体实施方式

本发明采用了一种新的导引符号格式，这种新的导引符号包含一个或两个OFDM符号，符号构成的示意图如图2所示，如果包含一个符号，则只有符号一。

这种新的导引符号结构对OFDM符号中的子载波进行了分段(或分组)，通过给相邻的小区分配不同的分段(或分组)避免了相互之间的干扰。在同一个分段相邻两个符号的偶载波或奇载波上用差分调制方法用于传送了小区特征序列。小区特征序列可以只包含小区识别码，也可以同时包含小区识别码和部分系统广播信息。每个小区发送本小区的导引符号。由于导引符号中的第一个OFDM符号的能量集中于分段中，其它部分不传信号，所以可以加大相应部分的发送能量。通过单独分离每个分段并进行同步尝试，用户终端可以分别寻找不同小区的同步位置并进行初步的频率偏差校正。通过对这种导引符号结构前后两个符号的同一个分段内相同位置子载波进行差分解调可以得到一组序列，然后解调出来的相应序列和已知的各个小区识别码序列进行移位相关，通过峰值的大小以及峰值的位置偏移判定，可以进行进一步的频率偏差校正。通过移位相关判定出来的序列，可以用于区别不同的小区。通过差分解调得到的序列，可能正好对应于小区识别码，也可能除了小区识别码，还包含系统的部分广播信息。

如图1所示，本同步方法由发送部分和接收部分两部分构成。

发送部分：业务数据流由系统的上层部分产生。

导引符号构造器生成本发明提出的用于本小区的导引符号。数据合并及发送模块将业务数据流和导引符号合并到一起并发送，导引符号和业务数据流按照事先约定的固定位置进行合并，例如：导引符号固定放置于业务数据流之前或前端的某个约定位置，然后将导引符号和数据符号依次进行频-时IFFT变换，然后发送。这样当接收端检测到导引符号的位置时，可以通过这个位置判别出数据流的帧定位和符号定位。

在发送部分的导引符号构造器构造导引符号如下：

本导引符号由一个或两个OFDM符号构成，如图2所示，所有的子载波分配都是在频域进行：对于第一个OFDM符号，如图10，假设它有M条可用子载波，将这M条子载波分成N组，在每组内包含一个或多个分段，每个分段内含有连续的一段子载波。一个分组内含多个分段时，各分段间可以是连续的，也可以不连续。考虑到复杂性，建议每组只包含一个分段。

如图11，在每一个分段内根据以下规则设置子载波。在分段内的低频率部分和高频率部分分别留出足够的子载波数用于保护边带，其余载波按照奇偶载波分为两组(奇偶序号按照OFDM符号的总次序计算)。

对于每一个小区，选择一个分组，并且只利用其中的偶载波(或奇载波)放置一组调制数据，其余子载波应不放任何调制数据。同时对所用子载波应当放大能量，这样可以保证整个符号的能量等于(即，使整个系统中各个发送符号的能量保持恒定)或强于传送业务数据的符号。

图12是一个有7个分组的小区选择的例子。

同一个小区第二个符号在和第一个符号同样的分组中对应的子载波上放置一组调制数据，其特征是该组调制数据是第一个符号上的数据和小区特征序列的差分调制结果。

第二个符号中其他子载波上的数据并不一定要求为空。即，既可以传输调制数据，也可以不传输任何信号。

小区特征序列可以只包含小区识别码，也可以同时包含小区识别码和部分系统广播信息。

小区识别码应当对于不同的小区是不同的，这个序列的自相关峰值应远大于这些序列之间的互相关峰值。

接收部分：工作流程图如图13。

接收机的频率选择模块通过调节不同的接收频段选择不同的分组进行同步尝试，例如，通过频段可调滤波器对不同的分组进行扫描，或者利用多个滤波器同时对多个分组进行尝试。

对于频率选择模块滤出的信号，同步位置搜索及小频偏搜索模块可以采用采用公式1-6进行同步位置的判决，并可以进一步地进行初步的频偏搜索。

接收端对频率选择模块滤出的信号不断地进行同步尝试，预设的尝试时间T的长度至少要保证一个导引符号会出现在这个时间段内。

大频偏搜索模块在同步位置确定后，对接收的数据流进行分割和时频变换，得到导引符号的频域数据，然后利用同分段内的对应子载波进行差分解调，用得到的差分解调序列和已知小区识别码集合做移位相关，其峰值对应的位置就直接对应得到的大频偏数值，与产生峰值相对应的码字就是该小区的小区识别码。得到的差分解调序列除小区识别码之外的部分应该是系统的广播信息。

另外，如果省略第二个符号，那么只用第一个符号也可以完成同步位置判决以及频偏搜索和校正的功能。

对于整个系统，全部子载波分配方案如下：假设M＝1470，N＝7，为简便起见，平均分配子载波，这样在每个分段内有210条子载波。

对于分段k，k从0到6，载波分配：

下保护边带：k*210+m，m从0到4。

使用偶数编号子载波：k*210+2*n+6，n从0到99。

空闲奇数编号子载波：k*210+2*n+5，n从0到99。

上保护边带：k*210+m+215，m从0到4。

如图十二：在一个蜂窝小区内，每个小区采用和编号相同的分组。

发送端：

如小区5，导引符号构造器产生导引符号具体如下。

第一个符号：

下保护边带：子载波编号从1050到1054，空闲不用。在偶数编号子载波上：子载波编号从1056，1058…1252，1254，共100条子载波，放置一组序列[a1，a2，a3….a99，a100]。

在奇数编号子载波上：子载波编号从1055，1057…1251，1253，空闲不用。

上保护边带：子载波编号从1255到1259，空闲不用.

第二个符号：

下保护边带：子载波编号从1050到1054，空闲不用。

在偶数编号子载波上：子载波编号从1056，1058…1252，1254，共100条子载波，放置一组序列[b1，b2，b3….b99，b100]。

在奇数编号子载波上：子载波编号从1055，1057…1251，1253，不做明确要求，本处可设为空闲不用。

上保护边带：子载波编号从1255到1259，空闲不用.

序列b是序列a和小区特征序列c的差分调制结果，特征序列c由小区识别码和部分系统广播信息构成。特征序列c中的小区识别码部分应当具有良好的自相关性能，并且和系统中其它小区的产生出的所有小区识别码，甚至还应和小区特征序列c具有良好的互相关性能。

例如：c1-c70是每小区特有的小区识别码，c71-c100是系统广播信息。在这两个符号中的每条使用的子载波上调制数据幅度应放大倍以保证整个符号的能量和后面的数据符号的能量保持一致。

对产生的导引符号和其他部分产生的数据流进行频-时变换并添加保护间隔CP.

依次进行发送。

接收端：

假设一个新进入的接收机处在这个小区的有效控制范围内，并且接收频率对发射频率有2.5倍子载波频率间隔的频差。

接收机将接收滤波器调节到第一个分段处，滤出该分组所处位置的信号，利用公式3开始计算同步判决值M(d)，经过时间T后，没有出现能超过可接受门限的M(d)，然后将接收滤波器调节到第二个分段的范围，以此类推，直到分段5的范围，这时搜索到超过预定门限值的M(d)，记录下相应信息，然后继续测试其他小区，假设均未发现有效信号，最后选择M(d)最好的，即分段5作为有效的工作分段，根据从小区5计算出来的M(d)峰值区域可以估计出同步位置，然后通过两个重复部分的相位差和公式6，0.5倍子载波频率间隔的频差被检测了出来，这个频差一方面用于调整接收频率，另一方面也可以用于对于已接收信号的频差影响的补偿。

然后将数据按估计出的同步位置进行符号提取，去保护间隔并且时-频FFT变换，然后把对应子载波进行差分数据解调，得到一组序列，用该组序列同发送时的所有可能小区识别码进行移位相关，由于大频偏造成的影响，得到一个最大峰值在原来预定位置偏移两个子载波的位置上，据此判定接收频率还存在两倍子载波间隔的频率偏差，同时判定了产生该最大峰值的码字就是小区识别码。终端还可以通过接收序列中去除掉小区识别码的部分得到一些系统的广播信息。

Claims (10)

1.一种在正交频分复用系统中用于同步的方法，包括步骤：

发送端传送导引符号，所述导引符号包含一个OFDM符号，其中，所述OFDM符号记为符号一；

接收端通过检测所述导引符号来进行OFDM符号定位；

所述发送端对导引符号的频域子载波进行了分组；

相邻小区利用不同的分组，并且只利用其中的部分子载波形成这个导引符号。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于将所述符号一内的频域子载波进行所述分组，每一个分组里包含一段连续的子载波，每一个小区只选用其中一个分组构建本小区的导引符号。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，小区选择一个分组后，为完成同步功能，对分组内子载波按如下规则分配：

首先在分组的高频率端和低频率端保留一定数量的子载波作为保护间隔；

然后在其余的子载波中只在偶数子载波或奇数子载波上放置调制数据，未用子载波必须空闲不用。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于接收端在系统开始时调节频率选择模块来依次轮流测试每个可能的分组，以便找到最佳的同步标志，从而选择出对该接收端的最佳的小区，如果所有的同步标志信号均不够强则判定无有效通信小区。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，同步的标志是对该分组进行操作

同步的位置应选于M(d)的最大值附近区域内。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：初始频率校正值是利用以下公式确定其中φ＝angle(P(d))当采用偶数子载波时，φ＝angle(P(d))-π当采用奇数子载波时。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述发送端传送的导引符号为双符号导引结构，包括两个OFDM符号。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于所述符号一作为这个双符号导引结构的第一个符号，所述两个OFDM符号中的另一个OFDM符号作为该双符号导引结构的第二个符号。

9.按权利要求8的方法，其特征在于第二个符号在对应符号一使用子载波的位置上放置了调制数据。

10.按权利要求8的方法，其特征在于第二个符号在对应符号一使用子载波的位置上放置的数据是第一个符号相应数据和小区特征序列的差分调制的结果。

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