CN1780177A - 多径信道环境下无线通信系统的帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在单/多天线OFDM无线通信系统中进行帧同步的方法。通过发射连续数据帧到信道；在接收端，利用多径时延估计器估计出多径时延并把每径信号合并；然后用本地参考序列与合并后的接收信号相关运算，并在多天线系统中把每根天线相关输出合并，搜索相关峰值得到帧同步位置；最后采用状态机方法判定系统是否进入帧同步跟踪态。所述方法能够在多径信道和低信噪比环境下有效实现帧同步。

Description

多径信道环境下无线通信系统的帧同步方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统中的帧同步方法，更具体地，涉及一种多径信道环境下无线通信系统的帧同步方法，特别适用于针对单/多天线正交频分复用无线通信系统。

背景技术

随着无线网络和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。近来，多天线输入和输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO OFDM技术受到广泛关注。

MIMO和OFDM相结合的MIMO OFDM系统具有二者的优点，它通过OFDM调制，将频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO，提高了系统容量。

众所周知，未来无线通信的发展方向是全因特网协议(All IP)网络，MIMO OFDM传输系统将承载高速率的分组(Packet)业务。分组到达时间的随机性和高速率的特点要求在接收到一个分组后能快速实现帧同步。

目前虽然有大量文献研究了平坦衰落信道环境下的单天线OFDM的同步问题，但对MIMO OFDM帧同步的研究报道较少。近来，N Chen等人的《多径信道环境下的OFDM定时同步》(N Chen etal.，OFDM Timing Synchronization Under Multi-path Channel，IEEEVTC 2003)研究了多径信道环境下OFDM的定时问题，所提出的算法的原理是通过搜索信道响应第一径的位置来确定帧同步，这需先进行信道估计，而在信道估计之前，需进行帧粗定时。若粗定时不准确，将导致信道估计误差，使帧同步不正确。故该方法可能导致循环误差传播，也没有利用多径信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在单/多天线OFDM无线通信系统中帧同步的方法，使用该方法能在多径信道和低信噪比环境下实现符号定时恢复。

为达到上述目的，根据本发明的一个方案，提出了一种单天线无线通信系统的帧同步方法，包括以下步骤：

将第一数据帧发送到信道；

在接收端，利用多径时延估计器估计多径时延，并对接收到的每径信号进行合并；

将合并后的接收信号与本地参考序列进行相关运算，搜索第一相关峰位置，将其作为第一数据帧的帧同步位置；

将第二数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第二数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第二相关峰位置，将其作为第二数据帧的帧同步位置；

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置之后一个帧周期的时间位置，检测到第二数据帧的帧同步位置，即，第二数据帧的帧同步位置等于第一数据帧的帧同步位置与一个帧周期的和，则检测到帧同步状态，并继续以下处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理；

将第三数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第三数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第三相关峰位置，将其作为第三数据帧的帧同步位置；以及

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置之后两个帧周期的时间位置，检测到第三数据帧的帧同步位置，即，第三数据帧的帧同步位置等于第一数据帧的帧同步位置与两个帧周期的和，则检测到帧同步状态，确定系统进入帧同步跟踪态，并结束处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理。

优选地，所述第一数据帧包括训练序列，且所述训练序列为伪随机码序列。

优选地，在第一径到达时刻，合并每径信号。

优选地，同时针对第一、第二和第三数据帧，执行所述发送步骤、估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，之后执行状态机同步跟踪状态判断步骤。

根据本发明的另一方案，提出了一种多天线无线通信系统的帧同步方法，所述多天线无线通信系统的发射端和接收端均安装有多根天线，所述帧同步方法包括以下步骤：

将第一数据帧发送到信道，其中仅由第一根天线发射用于帧同步的训练序列，从每根天线均发射用于信道估计、精频率同步的训练序列；

在接收端的每根天线处，利用多径时延估计器估计多径时延，并对接收到的每径信号进行合并；

将合并后的接收信号与本地参考序列进行相关运算，并对每根天线的相关输出进行合并，搜索第一相关峰位置，将其作为第一数据帧的初定帧同步位置；

将第二数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第二数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第二相关峰位置，将其作为第二数据帧的初定帧同步位置；

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置之后一个帧周期的时间位置，检测到第二数据帧的帧同步位置，即，第二数据帧的帧同步位置等于第一数据帧的帧同步位置与一个帧周期的和，则检测到帧同步状态，并继续以下处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理；

将第三数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第三数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第三相关峰位置，将其作为第三数据帧的帧同步位置；以及

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置之后两个帧周期的时间位置，检测到第三数据帧的帧同步位置，即，第三数据帧的帧同步位置等于第一数据帧的帧同步位置与两个帧周期的和，则检测到帧同步状态，确定系统进入帧同步跟踪态，并结束处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理。

优选地，所述用于帧同步的训练序列为伪随机码序列，所述用于信道估计、精频率同步的训练序列由两段相同的伪随机码序列构成，伪随机码序列为M序列、Gold序列、Kasami和Ternary序列中的任何一个。

优选地，在第一径到达时刻，合并每径信号。

优选地，同时针对第一、第二和第三数据帧，执行所述发送步骤、估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，之后执行状态机同步跟踪状态判断步骤。

附图说明

通过阅读和理解下面参考附图所做的详细描述，将使本发明的这些和其它优点对本领域技术人员变得显而易见。其中：

图1是应用根据本发明第一实施例的帧同步方法的单天线OFDM系统结构图；

图2是应用根据本发明第二实施例的帧同步方法的多天线OFDM系统结构图；

图3是根据本发明第一实施例的帧同步方法中所应用的单天线发射训练序列格式；

图4是根据本发明第二实施例的帧同步方法中所应用的多天线发射训练序列格式；

图5(a)和5(b)是本发明的帧同步方法中所应用的帧结构；

图6(a)和6(b)是用于说明本发明中所应用的状态机方法的说明图；

图7是用于说明本发明中所应用的状态机方法的说明图；

图8是根据本发明第一实施例的单天线OFDM系统帧同步算法流程图；

图9是根据本发明第二实施例的多天线OFDM系统帧同步算法流程图；以及

图10(a)和10(b)是示出了本发明的帧同步方法与现有技术的对比模拟结果的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图具体讨论本发明实施例。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

本发明的思想是在接收端利用多径分集增益和多天线系统的空间分集增益，并采用状态机方法确定帧同步。下面结合附图说明本发明在单/多天线OFDM系统中的实施例。

实施例1：单天线OFDM系统

图1为单发射、接收天线的OFDM系统，系统各个模块功能为：编码器101对输入比特流进行信道编码，以抵抗噪声；交织器102对编码器101的输出进行交织处理，以降低比特流相关性；调制器103将交织器102输出的比特流调制为符号流；插入导频模块104完成在发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；IDFT处理器105对调制符号流作N_c点逆离散傅氏变换(IDFT)；CP模块106将循环前缀(CP)加入IDFT处理后的符号流；以及TX模块107把得到的OFDM基带符号经载波调制后发射。在接收端，系统各个模块功能为：RX模块121把接收到的OFDM载波信号下变频为基带符号；多径信道时延估计器130估计出每条多径的时延；合并器131根据获得的时延值把每径接收信号合并；定时同步模块123完成符号定时；移除CP模块124把OFDM符号的循环前缀删除；DFT模块125进行N_c点离散傅氏变换(DFT)；以及信道估计、解调、解交织、译码模块126对DFT输出进行信道估计、解调、解交织、译码后恢复信息比特流。

单天线OFDM系统发射的训练序列如图3所示，图中PN部分为用于定时的伪随机序列，G12为保护间隔，P1、P2为用于信道估计等的PN序列。帧结构如图5(a)，它由OFDM数据符号和训练序列组成，其大小随具体业务而定。采用一段PN序列作为定时训练序列，用于频率同步、信道估计等的训练序列由两段相同的PN序列构成。PN序列可采用M序列、Gold序列、Kasami和Ternary序列等。为提高在时变信道中的鲁棒性，采用较短的序列长度。由于在数据帧的前端插入PN序列，会使信号带宽较大，所以在频域插入训练序列，即在进行IDFT前，插入训练序列。

在多径传播环境下，有时最强径的反射信号并不是第一径的传播信号，特别是室内环境下，存在丰富的传播路径，这可能造成定时模糊。因此，本发明中，以第一径到达时刻为起始时刻，估计出其它多径信号相对该时刻的时延，然后在第一径到达时刻，对每径信号进行合并，可获得多径分集增益，以克服频率选择性衰落的影响。

因采用了具有良好自相关特性的PN序列，根据它与接收信号的相关运算的输出峰值来判定帧同步位置。设r(n)为天线端合并L径后的接收信号，把它与本地参考序列s(k)经IDFT变换后的序列进行相关运算得到下面的表达式(1)：

$C\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r(k+n)\left[\mathrm{IDFT}\left(s\left(k\right)\right)\right]----\left(1\right)$

搜索其输出峰值找到帧同步点。

为避免虚假峰值带来的帧同步误差，分别发送连续三个数据帧到信道，由上述方法可得到帧同步位置1、2、3，然后采用下述状态机方法判定是否进入跟踪态。

下面将参照图6和图7对所采用的状态机方法进行描述。图6和图7是用于说明本发明中所应用的状态机方法的说明图。

设连续发送三帧到信道，每帧持续时间为T，且由长L的序列组成。在t1时刻对第一帧序列采样获得第一帧的同步位置，经历一个帧长时间T后的时刻为t2＝t1+T，再经历一个帧长时间T的时刻为t3＝t2+T＝t1+2T。定义t1时刻的第一帧同步状态为状态s1，t2时刻的第二帧同步状态为状态s2，t3时刻的第三帧同步状态为状态s3。(S702)

以t1时刻为起始时刻，在t2时刻对第二帧序列采样，并利用上述同步算法处理。(S703)若能获得第二帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s1转移到状态s2，状态机输出为0；若不能获得第二帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s2回到状态s1，状态机输出为1(S704)，如图6。

若系统帧同步状态从状态s1转移到状态s2，在t3时刻对第三帧序列采样，并利用上述同步算法处理。(S705)若能获得第三帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s2转移到状态s3，状态机输出为0；若不能获得第三帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s3回到状态s2，状态机输出为1。(S706)

最后，比较第一帧同步状态s1和第三帧同步状态s3。当t1时刻对第一帧采样能获得该帧同步状态s1时，t3时刻对第三帧采样能获得第三帧同步状态，则状态机输出0，系统进入同步跟踪状态(S707)；否则，状态机输出为1，并返回到状态s1(S708)。

概括地说，系统状态机工作原理是：若系统帧同步状态能状态s1转移到状态s2，再能从状态s2转移到状态s3，则系统进入跟踪状态。对系统状态机工作流程如图7所示。

以上的具体描述并不倾向于对本发明的状态机方法进行特别的限定，只要其能够判断是否进入帧同步跟踪态，可以采用其他的状态机方法。这些对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

概括起来，帧同步流程为：发送第一数据帧到信道(S802)；接收端利用多径时延估计器估计出多径时延，并把每径信号合并(S803)；用本地参考序列与合并后的接收信号进行相关运算(S804)，搜索相关峰对应位置为帧同步位置1(S805)；分别发送第二、三数据帧到信道，同上步骤得到帧同步位置2、3(S806)；采用状态机方法判定是否进入帧同步跟踪态(S807)，如图8所示。

实施例2：多天线OFDM系统

图2为一个有N_t根发射天线和N_r根接收天线的MIMO OFDM系统，系统各个模块功能为：串/并变换器200把输入比特流复用为N_t个符号子流；在每个天线支路端，编码器201对输入比特流进行信道编码，以抵抗噪声；交织器202对编码器201的输出进行交织处理，以降低比特流相关性，调制器203将交织器202的输出比特流调制为符号流；插入导频模块204完成在发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；IDFT处理器205对调制符号流作N_c点逆离散傅氏变换(IDFT)；CP模块206将循环前缀(CP)对加入IDFT处理后的符号流；以及TX模块207把得到的OFDM基带符号经载波调制后发射。在接收端，系统各个模块功能为：RX模块221把接收到的OFDM载波信号下变频为基带符号；多径信道时延估计器230估计信道多径时延；合并器231根据获得的时延值把每径接收信号合并；同步模块223完成符号定时、频率同步；移除CP模块224把OFDM符号的循环前缀删除；DFT模块225进行N_c点离散傅氏变换(DFT)；以及MIMO检测、信道估计、解调、解交织、译码模块226对DFT输出进行接收信号处理、信道估计、解调、解交织、译码后恢复信息比特流。

为能够正确进行分组检测、符号定时、频偏估计、信道估计等，需仔细设计训练序列。且为分辨出从每根发射天线到接收天线的子信道，不同天线间的训练序列应设计为正交或时移正交，本发明采用时移正交方式。且因为系统前导的总长随N_t线性增长，为降低复杂度，仅从第一根天线发射定时训练序列，如图4。

设计的帧结构如图5(b)，它由OFDM数据符号和训练序列组成。定时PN序列仅从第一根天线发射，用于频率同步、信道估计等训练序列由两段相同PN序列构成。同样，PN序列可采用M序列、Gold序列、Kasami和Ternary序列等。

设在接收端采用公共的定时同步装置，因采用了有良好自相关特性的PN序列，根据它与接收信号相关运算的输出峰值来判定帧同步位置。设 $r_q\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{r}_l\left(n\right)$ 为第q根天线端合并L径后的接收信号，把它与本地参考序列s(k)经IDFT变换后的序列进行相关运算，并利用多接收天线系统具有空间分集增益的特点对每根天线端的接收信号样本合并得到下面的表达式(2)：

$C\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{r}_q(k+n)\left[\mathrm{IDFT}\left(s\left(k\right)\right)\right]----\left(2\right)$

搜索其输出峰值找到帧同步点。

为避免虚假峰值带来的帧同步误差，分别发送连续三个数据帧到信道，由上述方法可得到帧同步位置1、2、3，然后采用下述状态机方法判定是否进入跟踪态。

下面将参照图6和图7对所采用的状态机方法进行描述。图6和图7是用于说明本发明中所应用的状态机方法的说明图。

设连续发送三帧到信道，每帧持续时间为T，且由长L的序列组成。在t1时刻对第一帧序列采样获得第一帧的同步位置，经历一个帧长时间T后的时刻为t2＝t1+T，再经历一个帧长时间T的时刻为t3＝t2+T＝t1+2T。定义t1时刻的第一帧同步状态为状态s1，t2时刻的第二帧同步状态为状态s2，t3时刻的第三帧同步状态为状态s3。(S702)

以t1时刻为起始时刻，在t2时刻对第二帧序列采样，并利用上述同步算法处理。(S703)若能获得第二帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s1转移到状态s2，状态机输出为0；若不能获得第二帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s2回到状态s1，状态机输出为1(S704)，如图6。

若系统帧同步状态从状态s1转移到状态s2，在t3时刻对第三帧序列采样，并利用上述同步算法处理。(S705)若能获得第三帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s2转移到状态s3，状态机输出为0；若不能获得第三帧的同步位置，则系统帧同步状态从状态s3回到状态s2，状态机输出为1。(S706)

最后，比较第一帧同步状态s1和第三帧同步状态s3。当t1时刻对第一帧采样能获得该帧同步状态s1时，t3时刻对第三帧采样能获得第三帧同步状态，则状态机输出0，系统进入同步跟踪状态(S707)；否则，状态机输出为1，并返回到状态s1(S708)。

概括地说，系统状态机工作原理是：若系统帧的同步状态能从状态s1转移到状态s2，并能从状态s2转移到状态s3，则系统进入跟踪状态。对系统状态机工作流程如图7所示。

以上的具体描述并不倾向于对本发明的状态机方法进行特别的限定，只要其能够判断是否进入帧同步跟踪态，可以采用其他的状态机方法。这些对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

概括起来，帧同步流程图为：在OFDM通信系统的发射、接收端分别安装多根天线；发送第一数据帧(S902)；在每根接收天线端，利用多径时延估计器估计出多径时延，并把每径信号合并(S903)；用本地参考序列与合并后的接收信号进行相关运算(S904)，并把每根天线相关输出合并(S905)，搜索相关峰对应位置为帧同步位置1(S906)；分别发送第二、三数据帧到信道，同上步骤得到帧同步位置2、3(S907)；采用状态机方法判定是否进入帧同步跟踪态(S908)，如图9所示。

图10给出了模拟结果，仿真参数为：发射、接收端均采用2根天线；每个收、发天线对间多径信道数为3，且功率时延分布呈指数衰减；OFDM载波数为64个，CP为16位；采用M序列；SNR＝0dB。图10(a)为采用本发明的方法得到的模拟结果。在传统方法中，如N Chen等人所提出的方法，未利用多径信息进行帧同步。为了进行比较，图10(b)给出利用传统方法得到的模拟结果。对比发现，本发明的方法在多径、低SNR环境下仍能捕获到相关输出峰值，实现系统的帧同步；而传统方法则不能。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (8)

1、一种单天线无线通信系统的帧同步方法，包括以下步骤：

将第一数据帧发送到信道；

在接收端，利用多径时延估计器估计多径时延，并对接收到的每径信号进行合并；

将合并后的接收信号与本地参考序列进行相关运算，搜索第一相关峰位置，将其作为第一数据帧的帧同步位置(t1)；

将第二数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第二数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第二相关峰位置，将其作为第二数据帧的帧同步位置(t2)；

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置(t1)之后一个帧周期(T)的时间位置，检测到第二数据帧的帧同步位置(t2)，即，第二数据帧的帧同步位置(t2)等于第一数据帧的帧同步位置(t1)与一个帧周期(T)的和，则检测到帧同步状态，并继续以下处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理；

将第三数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第三数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第三相关峰位置，将其作为第三数据帧的帧同步位置(t3)；以及

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置(t1)之后两个帧周期(2T)的时间位置，检测到第三数据帧的帧同步位置(t3)，即，第三数据帧的帧同步位置(t3)等于第一数据帧的帧同步位置(t1)与两个帧周期(2T)的和，则检测到帧同步状态，确定系统进入帧同步跟踪态，并结束处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数据帧包括训练序列，且所述训练序列为伪随机码序列。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第一径到达时刻，合并每径信号。

4、根据权利要求1到3中任一个所述的方法，其特征在于同时针对第一、第二和第三数据帧，执行所述发送步骤、估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，之后执行状态机同步跟踪状态判断步骤。

5、一种多天线无线通信系统的帧同步方法，所述多天线无线通信系统的发射端和接收端均安装有多根天线，所述帧同步方法包括以下步骤：

将第一数据帧发送到信道，其中仅由第一根天线发射用于帧同步的训练序列，从每根天线均发射用于信道估计、精频率同步的训练序列；

在接收端的每根天线处，利用多径时延估计器估计多径时延，并对接收到的每径信号进行合并；

将合并后的接收信号与本地参考序列进行相关运算，并对每根天线的相关输出进行合并，搜索第一相关峰位置，将其作为第一数据帧的初定帧同步位置(t1)；

将第二数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第二数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第二相关峰位置，将其作为第二数据帧的初定帧同步位置(t2)；

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置(t1)之后一个帧周期(T)的时间位置，检测到第二数据帧的帧同步位置(t2)，即，第二数据帧的帧同步位置(t2)等于第一数据帧的帧同步位置(t1)与一个帧周期(T)的和，则检测到帧同步状态，并继续以下处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理；

将第三数据帧发送到信道，并在接收端，针对接收到的第三数据帧，重复所述估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，搜索第三相关峰位置，将其作为第三数据帧的帧同步位置(t3)；以及

利用状态机的方法判断是否进入帧同步跟踪态，如果在第一数据帧的帧同步位置(t1)之后两个帧周期(2T)的时间位置，检测到第三数据帧的帧同步位置(t3)，即，第三数据帧的帧同步位置(t3)等于第一数据帧的帧同步位置(t1)与两个帧周期(2T)的和，则检测到帧同步状态，确定系统进入帧同步跟踪态，并结束处理，否则系统未进入帧同步跟踪态，结束处理。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述用于帧同步的训练序列为伪随机码序列，所述用于信道估计、精频率同步的训练序列由两段相同的伪随机码序列构成，伪随机码序列为M序列、Gold序列、Kasami和Ternary序列中的任何一个。

7、根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在第一径到达时刻，合并每径信号。

8、根据权利要求5到7中任一个所述的方法，其特征在于同时针对第一、第二和第三数据帧，执行所述发送步骤、估计多径时延和合并每径信号步骤以及相关运算步骤，之后执行状态机同步跟踪状态判断步骤。

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