CN1870465B - 循环训练序列的生成方法、通信系统和通信方法 - Google Patents

Abstract

一种包含2个训练符号的循环训练序列的生成方法，其包括：随机生成长度为N的第一信息块；从第一信息块中，将最后L个数据拷贝到第一信息块之前，作为第一训练符号的循环前缀；将第一信息块按照循环的方式，形成与第一信息块长度相同的第二训练符号的信息块，即第二信息块，其中，循环方式是将第一信息块的最后d个数据移位到信息块的起始位置；以及，将生成的第二信息块的最后L个数据拷贝到第二信息块之前，作为第二训练符号的循环前缀，从而这两个训练符号共同形成一个循环训练序列。该循环训练序列能够实现高精度的下行同步，并减少多用户训练序列之间的叠加而造成的不同用户之间的干扰失真，从而保证每个用户都可实现稳定可靠的上行同步。

Description

循环训练序列的生成方法、通信系统和通信方法

技术领域

本发明涉及一种用于多用户系统中实现上/下行同步的循环训练序列组，即循环(Round-Robin)训练序列组。还涉及使用该循环训练序列组的一种通信系统和通信方法。

背景技术

现存很多经典的算法用来进行下行同步[1]-[7]。然而在多用户系统中，上行同步通常是比较困难的，尤其当多用户采用全复用传输方式的时候。这是因为上行传输中不同用户与基站具有不同的距离，从而具有不同的时偏。另外，不同用户使用不同振荡器，使得这些振荡器的中心频率有可能各不相同；同时，由于不同用户的移动速度不同，从而产生不同的多普勒频移。以上两种原因将导致不同用户相对于同一个基站具有不同的载波频偏。

很多经典算法利用训练序列中的重复信息进行时间同步和载波频偏估计。在基站，由于载波频偏的影响，训练序列中重复信息之间将产生一个相角偏差，利用这个相角偏差可以估计出该用户的载波频偏。在全复用传输方式的多用户系统中，当不同用户发送的训练序列在基站相互叠加时，如果这些训练序列具有相同或部分相同的结构，则相应的相角偏差将包含多个用户的载波频偏信息，也就是说，单独每个用户的载波频偏信息将丢失。这种训练序列之间的相互干扰可能导致某些用户同步算法的失败。

参考文献[1]-[7]

[1]J.-J.van de Beek and M.Sandell，“ML estimation of time and frequencyoffset in OFDM systems，”IEEE Trans.Signal Processing.，vol.45，pp.1800-1805，July 1997；

[2]H.Nogami and T.Nagashima，“A frequency and timing period acquisitiontechnique for OFDM system，”Personal，Indoor and Mobile Radio Commun.(PIMRC)，pp.1010-1015，September 27-29，1995；

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由于不同用户发送的训练序列之间的干扰失真有可能导致某些用户上行同步的失效，因而在多用户全复用传输方式上行同步系统中，提供一组新的稳定可靠的训练序列以减少不同用户之间的干扰失真是非常必要的。

发明内容

为了解决不同用户发送的训练序列之间的干扰失真而导致某些用户上行同步的失效的问题，且为了实现高精度的下行同步。

本发明的第一目的是提供一种新的循环训练序列组的生成方法。

本发明的第二目的是提供使用该循环训练序列的一种通信系统。

本发明的第三目的是提供根据该循环训练序列的通信方法。

根据本发明的第一方面，提供了循环训练序列组的生成方法，该循环训练序列依次包括第一训练符号和第二训练符号的循环训练序列的生成方法，该第一训练符号依次包括第一循环前缀和第一信息块，且第二训练符号依次包括第二循环前缀和第二信息块。其中，该生成方法包括步骤：

第一步骤，随机生成长度为N的第一信息块，N为自然数；

第二步骤，从生成的第一信息块中，将最后L个数据拷贝到第一信息块之前，作为第一训练符号的循环前缀，其中L为小于信息块长度的自然数；

第三步骤，将第一训练符号的第一信息块按照循环的方式，形成与第一信息块长度相同的第二信息块，其中，循环方式是指将第一信息块中的最后d个数据移位到前(N-d)个数据之前，重新排列得到的N个数据形成为第二信息块，该第一和第二信息块之间的对应关系为该循环训练序列的结构特征，其中d为为0或小于信息块长度的任意自然数；以及

第四步骤，将生成的第二信息块的最后L个数据拷贝到第二信息块之前，作为第二训练符号的循环前缀，从而形成完整的循环训练序列。

根据本发明的第二方面，提供了一种使用上述的循环训练序列的通信系统，其中，该通信系统包括：

用户端，基于基站分配的特定的循环训练序列的结构特征，生成与结构特征对应的循环训练序列，添加一定的数据符号，形成完整的帧作为发送信号发送出去；以及

基站，利用该特定的循环训练序列，对接收的信号进行时间同步和载波频偏估计，并通过解调和解码后，恢复用户端的发送信号。

根据本发明的第三方面，提供了一种使用循环训练序列的通信方法，其特征在于该通信方法包括步骤：

第一步骤，用户通过公共控制信道向基站发送接入请求；

第二步骤：基站在接收到该用户的接入请求后，查找循环训练序列资源表，检索基站中尚未分配的训练序列，该循环训练序列资源表中存在多个具有不同结构特征的循环训练序列；

第三步骤，基站从检索到的尚未分配的循环训练序列中，选择其中一个，并发送一条回复消息给该用户，通知循环训练序列的分配情况，同时刷新基站循环训练序列资源表中循环训练序列的分配使用情况，其中，该回复信息中包括有该循环训练序列的特定的结构特征；

第四步骤，用户根据接收到的回复信息中所包含的循环训练序列的特定的结构特征，生成完整的帧并将其发送到基站，其中，该完整的帧包括数据符号和特定于用户的循环训练序列；以及

第五步骤，基站中接收装置对该用户发送的信号进行时间同步和载波频偏估计，并在解调和解码后，恢复用户的发送信号。

本发明的有益效果是：当该循环训练序列组用于下行同步时，同步性能优于传统的训练序列，能够实现高精度的下行同步；进行上行同步时，该循环训练序列组能够避免因不同用户的训练序列相互叠加而造成的同步失败；当最多(N-1)个用户同时接入同一个基站时，该循环训练序列组能够减少多用户训练序列之间的叠加而造成的不同用户之间的干扰失真，从而能够保证每个用户都可实现稳定可靠的上行同步。

附图说明

图1显示了本发明提供的一种新的循环循环训练序列S；

图2显示了依照本发明的一新用户接入一个基站的示意图；

图3显示了新用户接入基站时，依照本发明的通信系统1的结构图；

图4显示了依照本发明，用户m的发送器2的结构图；

图5显示了依照本发明提供的循环训练序列S的基站的接收器3的结构示意图；

图6显示了依照本发明的定时度量与载波频偏估计装置51的结构示意图；

图7是使用本发明提供的循环训练序列组的算法与Moose算法应用于上行链路载波频偏估计的性能比较示意图；

图8是本发明循环训练序列S特定的定时度量随着SINR和同步误差的变化而变化的示意图

图9显示了本发明的循环训练序列组与Moose算法应用于下行链路载波频偏估计的性能对比图。

具体实施方式

本发明主要致力于解决多用户系统上/下行同步过程中训练序列的设计问题。本发明提供了一组高效的循环训练序列，能够实现准确的下行同步，同时在实现多用户上行同步过程中能够消除由于多个用户的训练序列之间的叠加而造成的同步失败，减少由于多个用户的训练序列之间的叠加而造成的不同用户之间的干扰失真，从而能够保证每个用户都可实现稳定可靠的上行同步。

<循环训练序列>

图1显示了本发明提供的一种新的循环训练序列S。

该新的循环训练序列S包括2个长度相同的训练符号t1和t2，其中第一个训练符号t1和第二个训练符号t2都包括信息块和循环前缀CP。这里，训练符号t1和t2的信息块长度为N，循环前缀CP的长度为L，则训练符号t1和t2各自的长度都为N+L，其中，现有规范中N为任意的自然数例如64、128、1024等，L为小于N的任意自然数。

本发明的循环训练序列S(包括第一个训练符号t1和第二个训练符号t2)可以通过以下步骤生成：

步骤a).生成第一个训练符号t1的信息块，即训练序列的第一信息块，其中的第一信息块的数据可以是随机生成；

步骤b).从步骤a)生成的信息块中，将该第一信息块的最后L个数据拷贝到第一信息块的前面作为训练符号t1的循环前缀CP1；

步骤c).将训练符号t1的信息块按照循环排列方式，形成第二个训练符号t2的信息块，指将第一信息块中的后d个数据移位到前(N-d)个数据之前，重新排列得到的N个数据形成为第二信息块，该第一和第二信息块之间的对应关系为该循环训练序列的结构特征；

步骤d).将步骤c)中生成的训练符号t2的第二信息块的最后L个数据拷贝到训练符号t2中的信息块之前，作为训练符号t2的循环前缀CP2。

从图1可以看出，上述步骤a)-步骤d)所生成的第二个训练符号t2的信息块和训练符号t1的信息块是由相同的数据经过不同的位置变化而生成的，其中，训练符号t1和t2中的信息块中的数据排列顺序是不一样的。

下面具体说明循环排列方式。

假设训练符号t1的信息块中包含依次排列的N个数据{x(0)，x(1)，...，x(N-1)}，则在上述的步骤b)中，将训练符号t1的信息块中的最后L个数据{x(N-L)，x(N-L+1)，...，x(N-1)}拷贝到训练符号t1中信息块之前，作为训练符号t1的循环前缀CP1。

然后，在步骤c)中，依照训练符号t1的信息块，将训练符号t2的信息块设计为{x(N-d)，x(N-d+1)...x(N-1)，x(0)，x(1)，...，x(N-d-1)}，其中0≤d＜(N-1)，也就是将训练符号t1的信息块的最后d个数据移位到其信息块的第一个数据之前，而信息块中的其他数据顺次后移，从而形成了训练符号t2的信息块。这里，为了方便后面的描述，将移动最后d个数据的方式而形成的循环训练序列S称作为第d个循环训练序列S，其具有第d个结构特征。

然后，在步骤d)中，将训练符号t2的信息块的最后L个数据{x(N-d-L)，x(N-d-L+1)，...，x(N-d-1)}拷贝到训练符号t2中的信息块之前，作为训练符号t2的循环前缀CP2。由此生成的训练符号t1和t2共同构成了本发明的循环训练序列S，而且训练符号t1和t2中的信息块的数据之间存在数据相关性。

对于不同的d，生成的循环训练序列S也不同。同时，对于已经生成的训练符号t1而言，由于d理论上可以取(N-1)个不同的值，训练符号t2可以有(N-1)种可能的排列，从而生成(N-1)种不同的循环训练序列S。

由于所有的循环训练序列之间的d值不同，使得基站分配给每个用户的循环训练序列之间的干扰降低，并且，由于d值不同，每个循环训练序列的第一训练符号和第二训练符号之间的数据相关性也各不相同，因此，可以更好地防止基站端各个循环训练序列之间的干扰，从而，可以更好地进行每个用户的上/下同步等处理。

<新用户接入过程>

本发明中所有用户的循环训练序列S都由其接入的基站统一分配。每个用户的循环训练序列的分配是在该用户最初接入基站的时刻完成的。每个基站中都保存一张表，即循环训练序列资源(TSR，Training Sequence Resource)表。该TSR表中存储有基站所能分配给接入用户的所有循环训练序列S的ID、循环训练序列S的结构特征(d值)以及每个循环训练序列S的分配使用情况(例如该循环训练序列S是否已经分配、且分配给哪一用户等等)。表1显示了依照本发明的循环训练序列资源表。

                            表1

循环训练序列ID	循环训练序列的结构特征(d＝？)	循环训练序列是否已分配	分配给哪一用户
				S0	0	是	用户1
S1	1	是	用户2
				…	…	…	…
S(N-1)	N-1	否

图2显示了当一个新用户接入一个基站时、其与基站之间进行的通讯的示意图。对于一个待接入的新用户m而言，在其接入基站前，并不具有基站分配给它的特定的循环训练序列S。对于该用户所要求接入的基站而言，其利用该用户所发出的信号中所包含的循环训练序列来进行该用户的上/下行同步。

以下将参照图2详细说明该新的用户m接入基站时，与基站之间的通讯。当新的用户m请求接入时，其与基站之间所进行的通讯的步骤为：

a)用户m通过公共控制信道(C-CH)向基站发送接入请求；

b)基站在接收到该用户的接入请求后，查找TSR表，检索该表中基站尚未分配给用户的循环训练序列，该TSR表中存在多个具有不同结构特征(即不同d值)的循环训练序列S；

c)基站从检索到的尚未分配给用户的循环训练序列S中，选择其中一个，并发送一条回复消息给该用户m，通知循环训练序列的分配情况以及该用户可以使用的循环训练序列S的结构特征，其中该回复信息中包括有该循环训练序列S的特定的结构特征。同时，基站刷新TSR表中循环训练序列S的分配使用情况；

d)用户m根据接收到的回复信息中所包含的循环训练序列S的特定的结构特征，生成包括特定于用户m的循环训练序列S和用户数据的完整的帧，并将该完整的帧作为发送信号通过无线信道发送到基站；

e)基站对从该用户m接收到的完整的帧进行时间同步和载波频偏估计，并通过解调和解码，恢复该用户m的发送信号。

以上根据本发明的循环训练序列S的通信方法中，由于对不同用户提供了具有不同结构特征的循环训列序列S，因而在全复用多用户系统的上行同步中过程，即便不同的训练序列相互叠加，基站也能对每个用户进行精确的上行同步，降低多用户训练序列相互叠加而造成的干扰失真。

由于本发明循环训列序列S共有(N-1)种，所以同一个基站可以同时接入(N-1)个用户，其可满足全复用的多用户系统容量。而且本发明循环训练序列S由于其结构特点，也可以实现高精度的下行同步。

通常，一个基站可以支持的用户数远远大于实际接入的用户数。即使出现用户数超过基站可以支持接入的用户数时，本发明也可以通过以下方式进行用户接入的调度。

即，在上述步骤b中，TSR表中不存在可以分配给新接入用户m的循环训练序列(基站所有的循环训练序列都已分配)，此时，基站可以在TSR表中找出一个已经分配给某个(某些)用户的循环训练序列S，将其分配给该新接入的用户，并对使用相同循环训练序列S的这些用户进行时间上的调度，保证这些用户所发送的相同的循环训练序列S在基站不会叠加。

<通信系统>

图3显示了新用户接入基站时，依照本发明的通信系统1的结构图。下面结合图3对该通信系统1进行描述。

如图3所示，该通信系统1具有多个用户以及一个基站。其中，每个用户都具有用于发送其发送信息的发送器2。该基站具有接收器3，接收器3具有多个接收装置4。每个接收装置4分别与接入基站的对应用户的发送器2进行通讯。用户的发送器2和基站中的接收器3依照图2所描述的方法进行通信。

当多个用户接入基站时，基站为每个用户都分配了一结构特征互不相同的循环训练序列S，且为每一用户指定了特定于该用户的接收装置4。例如用户n特定的是第n个循环训练序列，用户m特定的是第m个循环训练序列。

以下以用户m为例对用户和基站之间的通信进行说明。

首先，用户m的发送器2通过公共控制信道(C-CH)向基站发送接入请求。基站在接收到该用户的接入请求后，查找TSR表，检索基站中尚未分配的循环训练序列，并将一回复信息发送给该用户m，该回复信息中包含分配给该用户的第m个循环训练序列S，同时，基站指定接收该用户m的发送信息的特定的接收装置4。

用户m的发送器2根据基站分配的第m个循环训练序列S，生成包含第m个循环训练序列S和用户数据的完整的帧，并将该完整的帧作为发送信号发送到基站。基站中已指定的特定于用户m的接收装置4，利用分配给用户m的第m个循环训练序列S，对用户m发送的信号进行时间同步和载波频偏估计，并通过对该完整的帧进行解调和解码，从而恢复用户m的用户数据。

基站对每一接入的用户都进行如上所述的用户m的操作，其中，每一用户的循环训练序列S和特定的接收装置4都是不同的。从而在多用户系统的上行同步过程中，该通信系统1能够降低由于多用户训练序列的相互叠加而造成的干扰失真。同时依照本发明循环训练序列S的结构特点，可以实现高精度的下行同步。

<发送器2>

图4显示了用户m的发送器2的结构图，其中用户m从基站接收到了包括所分配的循环训练序列的结构特征的回复信息。

该发送器2包括训练序列生成器20和数据符号添加器21。其中，训练序列生成器20基于基站分配的特定的循环训练序列的结构特征，生成该特定的循环训练序列，数据符号添加器21根据训练序列生成器20生成的特定的循环训练序列，添加该用户的数据符号，形成该用户的完整的帧。

具体地，该训练序列生成器20包括编码器201、数据调制器202、第一训练符号信息块生成器203、第一循环前缀生成器204、第二训练符号信息块生成器205、以及第二循环前缀生成器206。

该发送器2在接收到来自基站的回复信息后，在训练序列生成器20中利用编码器201进行随机的数据编码，数据调制器202对编码器201输出的编码进行调制，然后将调制后的编码数据输入到第一训练符号信息块生成器203进行循环训练序列的生成。

第一训练符号信息块生成器203根据调制后的编码数据，生成用户m的循环训练序列S的第一训练符号的第一信息块(信息块的长度为N)。

第一循环前缀生成器204根据第一训练符号信息块生成器203生成的第一训练符号的第一信息块，将生成的第一信息块的最后L个数据进行拷贝，并将该最后L个数据作为循环前缀CP1置于第一信息块之前，从而形成第一训练符号。

第二训练符号信息块生成器205根据回复信息中包括的所分配的用户m的循环训练序列的结构特征，也就是用户m特定的循环排列方式，将第一训练符号的信息块中的后d个数据移位到信息块的前(N-d)个数据之前，重新排列得到的N个数据，从而形成为第二训练符号的信息块，即循环训练序列的第二信息块。

第二循环前缀生成器206根据第二训练符号信息块生成器205生成的第二训练符号的信息块，将该信息块的最后L个数据拷贝作为循环前缀CP2，并置于第二信息块之前，从而形成第二训练符号。

由此，训练序列生成器20形成了本发明的循环训练序列S，其依次包括第一训练符号的循环前缀和信息块，和第二训练符号的循环前缀和信息块。

数据符号生成器21根据训练序列生成器20生成的循环训练序列，在循环训练序列之后添加一定数量的数据符号，也就是添加用户数据，从而形成一个完整的完整的帧。用户m然后利用无线信道将形成的完整的帧作为发送信号发送到基站。

<接收器3>

图5显示了依照本发明提供的循环训练序列S的基站的接收器3的结构示意图。

在多用户系统中，当不同用户采用全复用传输方式时，不同用户可能同时传输各自的完整的帧。在基站，由不同用户发送的信号叠加在一起。依照本发明的接收器3将对每个用户进行时间同步和载波频偏估计，且对于全复用多用户系统的上行同步，不同用户的同步可以由该接收器3并行完成。

如图5所示，接收器3具有多个接收设备4，每个接收设备4的结构相同，处理方式相同，这里以用于用户m的接收设备4为例进行说明。

当用户m请求接入基站时，基站分配给用户m的循环训练序列的结构特征是，该循环训练序列的第二个训练符号是将第一个训练符号的信息块的后d个数据进行移位而形成的，通常情况下，该d值不同于已经分配给其他用户的循环训练序列的d值。为了方便描述，将分配给用户m的循环训练序列称作第m个循环训练序列。

图5中，用于用户m的接收设备4包括：同步与载波频偏装置40、解调装置41、以及解码装置42。

用于用户m的接收设备4根据用户m通过无线信道发送来的信号，利用同步与载波频偏装置40实现时间同步和载波频偏估计，然后分别利用解调装置41以及解码装置42进行解调和解码，从而用户m发送的信号就可以在特定于用户m的接收设备4中恢复。

其中，在接收设备4处，不同用户发送的信号也就是完整的帧叠加在一起，则接收设备4所接收的一组数据序列r(k)是不同用户训练符号以及数据符号的叠加。

该同步与载波频偏装置40包括：定时度量(Timing Metric)及载波频偏估计装置51、时间同步装置58、以及载波频偏补偿装置59。

特定于用户m的定时度量与载波频偏估计装置51根据基站分配给用户m的第m个循环训练序列，且根据输入到时间同步装置58的数据序列r(k)，从接收到的叠加数据序列r(k)中找出用户m的循环训练序列S的起始位置。循环训练序列S起始位置的查找是利用用户m特定的定时度量对接收数据序列r(k)逐位查找的。当定时度量出现局部最大结果时，也就是在基站分配给用户m的第m个循环训练序列S的结构特征，与接收数据序列r(k)中某一段数据的结构特征相匹配时，接收设备4将出现局部最大结果的位置的开始点确定为该用户m的循环训练序列S的起始位置，则时间同步装置可以实现时间同步。

在完成时间同步后，也就是在接收的数据序列r(k)中检测到用户m的第m个循环训练序列S之后，利用在r(k)中检测到的第m个循环训练序列S，接收设备4为用户m进行载波频偏估计。

特定于用户m，也就是特定于第m个循环训练序列S的定时度量与载波频偏估计装置51，根据时间同步后的接收数据序列r(k)，获得该用户m相对于接收设备4的载波频偏，且输入到载波频偏补偿装置59。载波频偏补偿装置59根据时间同步装置58输出的完成时间同步的数据序列r(k)，且根据定时度量与载波频偏估计装置51获得的用户m的载波频偏，对其进行补偿，之后将补偿后的数据序列r(k)传送到解调装置41以及解码装置42，对用户m发送的信号进行恢复。

<定时度量与载波频偏估计装置>

图6显示了定时度量与载波频偏估计装置51的结构示意图。这里首先描述寻找定时度量的局部最大结果的过程，也就是对输入的信号进行时间同步的过程。

如图6所示，定时度量与载波频偏估计装置51包括移位寄存器5111、第一、二、三、四、五取值模块511、512、513、514、515；该移位寄存器5111、第一、二、三、四取值模块511、512、513、514构成了定时度量部60，该移位寄存器5111、第一、二、五取值模块511、512、515构成了载波频偏部70，其操作过程是：定时度量部60根据输入到时间同步装置58的数据序列r(k)，对接收的数据序列r(k)移位处理后获得数据序列r(L+k)，再利用第一、二、三取值模块511、512和513对数据序列r(L+k)进行取值处理，分别获得第一、二、三取值结果。然后，第四取值模块514根据第一、二、三取值结果，寻找定时度量的局部最大结果。当出现局部最大结果，即检测到了分配给用户m的特定的循环训练序列S，也就实现了数据序列的时间同步。

然后，载波频偏部70根据检测到的循环训练序列S、以及第一、二取值结果，利用第五取值模块515获得用户m在基站估计的载波频偏。其中定时度量部60和载波频偏部70共用第一、二取值模块。

下面将首先具体描述定时度量部60的处理过程。这里设用户m特定的循环训练序列S具有第m个结构特征。

<定时度量部>

假设基站接收到的数据序列r(k)为一组数据为{r(0)，r(1)，...，r(N-1)}，其首先将数据序列r(k)输入到移位寄存器5111，移位寄存器5111对数据序列r(k)进行Z^L的移位处理(Z^L表示进行了L位的延迟)，获得移位后的数据r(L+k)。然后，数据r(L+k)被分别输入到第一、二、三取值模块511、512、513。其中，L为第m个循环训练序列的循环前缀的长度。

第一取值模块511包括取共轭器5112、乘法器5113、移位寄存器5114和移位求和器5115。

取共轭器5112对移位寄存器5111输入的数据r(L+k)取共轭，并输入到乘法器5113。同时，移位寄存器5114以用户m特定的第m个结构特征，对移位寄存器5111输入的数据r(L+k)进行Z^L+N+d的移位处理，获得r(L+k+L+N+d)并输入到乘法器5113。乘法器5113对取共轭器5112和移位寄存器5114分别输入的数据进行乘法运算，按照第m个循环训练序列的信息块之间的相关模式，依次获得乘法结果Φ_d，k，Φ_d，k+1，...，Φ_d，k+N-1-d，并输入到移位求和器5115。移位求和器5115对乘法器5113输入的N-d个乘法结果进行加法运算，获得第一取值结果 $\underset{z=k}{\overset{N+k-1-d}{\&Sum;}}{\mathrm{\&Phi;}}_{d,z}.$

第二取值模块512包括移位寄存器5121、取共轭器5122、乘法器5123、移位寄存器5124和移位求和器5125。

移位寄存器5121对移位寄存器5111输入的数据r(L+k)进行Z^N-d的移位处理，并输入到取共轭器5122。取共轭器5122对从移位寄存器5121输入的数据取共轭，并输入到乘法器5123。同时，移位寄存器5124对移位寄存器5111输入的数据r(L+k)进行Z^N+L的移位处理，获得r(L+k+N+L)，并输入到乘法器5123。乘法器5123对取共轭器5122和移位寄存器5124输入的数据，进行乘法运算，按照第m个循环训练序列的信息块之间的相关模式，依次获得乘法结果Ψ_d，k，Ψ_d，k+1，...，Ψ_d，k+d-1，并输入到移位求和器5125。移位求和器5125对从乘法器5123输入的d个乘法结果进行加法运算，获得第二取值结果 $\underset{z=k}{\overset{k+d-1}{\&Sum;}}{\mathrm{\&psi;}}_{d,z}.$

第三取值模块513包括取模与平方运算器5131、5133、移位求和器5132、5134、加法器5135、求平方器5136和取倒数器5137。

取模与平方运算器5131对从第二取值模块512中的移位寄存器5124输出的数据序列r(N+2L+k)，r(N+2L+k+1)，...，r(2N+2L+k-1)分别取模并求平方，并将运算结果输入到移位求和器5132进行加法运算，从而获得 $\underset{z=N+L+k}{\overset{2N+L+k-1}{\&Sum;}}{\left|r(L+z)\right|}^2.$ 取模与平方运算器5133根据移位寄存器5111输入的r(L+k)，r(L+k+1)，...，r(N+L+k-1)分别取模再求平方，并将N个平方值输入到移位求和器5134进行加法运算，从而获得 $\underset{z=k}{\overset{N+k-1}{\&Sum;}}{\left|r(L+z)\right|}^2.$ 加法器5135对移位求和器5134输出的 $\underset{z=k}{\overset{N+k-1}{\&Sum;}}{\left|r(L+z)\right|}^2$ 和移位求和器5132输出的 $\underset{z=N+L+k}{\overset{2N+L+k-1}{\&Sum;}}{\left|r(L+z)\right|}^2$ 进行加法运算，获得加法结果，并输入到求平方器5136。求平方器5136对从加法器5135输出的加法结果取平方，并将平方结果输入到取倒数器5137然后取倒数，从而获得第三取值结果。

第四取值模块514包括加法器5141、取模与平方器5142、乘法器5143和求角器5144。

加法器5141对第一取值模块511输出的第一取值结果 $\underset{z=k}{\overset{N+k-1-d}{\&Sum;}}{\mathrm{\&Phi;}}_{d,z}$ 和第二取值模块512输出的第二取值结果 $\underset{z=k}{\overset{k+d-1}{\&Sum;}}{\mathrm{\&psi;}}_{d,z}$ 进行加法运算，并将加法运算结果输出到取模与平方器5142。取模与平方器5142对从加法器5141输出的加法运算结果先取模，再取平方，并将平方结果输出到乘法器5143。乘法器5143对取模与平方器5142输出的平方结果和第三取值模块输出的第三取值结果进行乘法运算，并将乘法运算结果输出到求极大复角器5144。求极大复角器5144对乘法器5143获得的乘法运算结果求复角的最大结果，也就是定时度量部60逐位寻找局部极大结果，当出现局部极大结果时，也就是实现了时间同步。

由以上所述，特定于用户m的定时度量部60通过移位寄存器5111、以及第一、二、三、四取值模块511、512、513、514，寻找特定于用户m的第m个循环训练序列的起始位置，即实现时间同步。也就是，该定时度量部60利用特定于用户m的第m个循环训练序列的定时度量M_d(θ)：

$M_d\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{{|\underset{z=\mathrm{\&theta;}}{\overset{N+\mathrm{\&theta;}-1-d}{\&Sum;}}{\mathrm{\&phi;}}_{d,z}+\underset{k=\mathrm{\&theta;}}{\overset{d+\mathrm{\&theta;}-1}{\&Sum;}}{\mathrm{\&psi;}}_{d,k}|}^2}{{\left[\underset{p=\mathrm{\&theta;}}{\overset{N+\mathrm{\&theta;}-1}{\&Sum;}}({\left|r(p+L)\right|}^2+{\left|r(N+p+2L)\right|}^2)\right]}^2}---\left(1\right)$

其中，Φ_d，z＝r^*(L+z)r(N+2L+d+z)，Ψ_d，k＝r^*(N+L-d+k)r(N+2L+k)。

公式(1)中θ为索引，且第一个数据的索引为0。

<载波频偏部>

完成了时间同步后，特定于用户m的第m个循环训练序列S的载波频偏部70利用检测到的特定于用户m的第m个循环训练序列S、移位寄存器5111、以及第一、二、五取值模块511、512、515，且根据定时度量部60获得的第m个循环训练序列S的起始位置，进行载波频偏估计。其中载波频偏部70与定时度量部60共用第一、二取值模块511、512。

第五取值模块515包括求角器5151、5153、乘法器5152、5156、以及加法器5155。

求角器5151对第二取值模块512输出的第二取值结果求复角，并输入到乘法器5152。乘法器5152对求角器5151输出的复角乘以(N-d)(N+L+d)得到乘法结果 $(N-d)(N+L+d)\arg \left\{\underset{z=0}{\overset{N-1-d}{\&Sum;}}{\mathrm{\&Phi;}}_{d,z}\right\}.$ 求角器5153对第一取值模块511输出的第一取值结果求复角，并输入到乘法器5154。乘法器5154对求角器5153输出的复角乘以d(L+d)，得到乘法结果 $d(L+d)\arg \left\{\underset{k=0}{\overset{d-1}{\&Sum;}}{\mathrm{\&Psi;}}_{d,k}\right\}.$ 加法器5155对乘法器5152、5154分别获得的乘法结果进行加法运算，并将加法结果输出到乘法器5156。乘法器5156对加法器5155输出的加法结果乘以 $\frac{N}{2\mathrm{\&pi;}[(N-d){(N+L+d)}^2+d{(L+d)}^2]},$ 从而得到估计的载波频偏结果：

${\widehat{\&Element;}}_d=\frac{N}{2\mathrm{\&pi;}}\&CenterDot;\frac{(N-d)(N+L+d)\arg \left\{\underset{z=0}{\overset{N-1-d}{\&Sum;}}{\mathrm{\&phi;}}_{d,z}\right\}+d(L+d)\arg \left\{\underset{k=0}{\overset{d-1}{\&Sum;}}{\mathrm{\&psi;}}_{d,k}\right\}}{(N-d){(N+L+d)}^2+d{(L+d)}^2}---\left(2\right)$

公式(2)中 $\arg \left\{\underset{z=0}{\overset{N-1-d}{\&Sum;}}{\mathrm{\&phi;}}_{d,z}\right\},\arg \left\{\underset{k=0}{\overset{d-1}{\&Sum;}}{\mathrm{\&Psi;}}_{d,k}\right\}$ 分别表示对 $\underset{z=0}{\overset{N-1-d}{\&Sum;}}{\mathrm{\&Phi;}}_{d,z},\underset{k=0}{\overset{d-1}{\&Sum;}}{\mathrm{\&Psi;}}_{d,k}$ 求复角。

该载波频偏部70是特定于用户m的第d个循环训练序列S的估计器，且该估计器是条件非偏的(Conditionally Unbiased)，在高信噪比的情况下，其克拉美一罗下限(CRLB)为：

$\mathrm{Var}\left\{{\widehat{\mathrm{\&epsiv;}}}_d\right\}=\frac{N}{4{\mathrm{\&pi;}}^2(N^2+L^2-d^2+2\mathrm{NL}+\mathrm{Nd})\mathrm{SNR}}---\left(3\right)$

完成载波频偏估计后，该用户m相对于基站的载波频偏可以在载波频偏补偿装置59由公式(3)进行补偿。经过解调和解码后，其发送信号可以被恢复。

图7是使用本发明提供的循环训练序列组的算法与Moose算法应用于上行链路时，载波频偏估计的性能比较示意图。

与下行同步不同的是，在多用户系统上行同步过程中，如果多个用户采用全复用传输方式，则不同用户的训练序列在基站有可能叠加在一起。这种训练序列之间的相互叠加不仅降低单一用户有效的信号干扰噪声比(SINR)，更严重的是，这种叠加有可能导致某些训练序列同步性能的失效，从而造成该用户同步失败。

图7所示的仿真实例中，假设有两个用户同时进行上行传输。其中用户1的载波频偏设为0.1，用户2的载波频偏设为0.2。仿真实例中用户2的信号作为用户1的干扰噪声处理，只仿真用户1的性能。

当Moose算法应用于这两个用户时，如果两个用户的传输时延相差288个数据抽样，即这两个用户的训练序列在基站不叠加时，则每个用户都能够进行准确的同步。由于每个用户所传输的信息对于另外一个用户来说都可以看作干扰噪声，因而随着信噪比的增大，每个用户的SINR增大趋势趋于平缓，因此在高信噪比的情况下，算法性能呈现地板效应。当两个用户的传输时延相差64个数据抽样，即这两个用户的训练序列在基站部分叠加时，Moose算法将失效，其结果是导致载波频偏估计误差非常大，而且随着信噪比的增加，估计误差并不下降。

使用本发明提供的循环训练序列S的算法应用到上行同步时，其性能非常稳定。仿真实例中，我们为用户1分配d＝64的循环训练序列，为用户2分配d＝16的循环训练序列。从图7可以看出，估计精度明显高于Moose算法，而且应用本发明的循环训练序列S的上行同步性能不受发送时延的影响，即便两个用户的训练序列相互叠加，仍然保持每个训练序列的同步性能，且能够进行准确的同步。

如上所述，在多用户系统中，当不同用户采用全复用传输方式时，当不同用户同时传输各自的信号，而在基站造成不同用户所发送的训练序列的相互叠加的情况下，依照本发明的按照循环方式排列的循环训练序列S，由特定于用户m的第m个循环训练序列的定时度量M_d(θ)和载波频偏估计器

(定时度量部60和载波频偏部70)，可以在基站对用户m进行时间同步和载波频偏估计，从而在上行同步过程中，降低多用户训练序列相互叠加而造成的干扰失真，能够保证每个用户都可实现稳定可靠的上行同步。

<下行链路>

对于现有的训练序列而言，常规形式为{CP1，x(0)，x(1)，...，x(N-1)，CP2，x(0)，x(1)，...，x(N-1)}，设其中数据x(0)的相关组的距离，也就是x(0)与x(0)的距离为L，则所有数据相关组的距离平方和为NL²(共N个数据相关组)。

对于按照以上循环方式形成的本发明的循环训练序列S，其形式为{CP1，x(0)，x(1)，...，x(N-1)，CP2，x(N-d)，x(N-d+1)，...，x(N-1)，x(0)，x(1)，...，x(N-d-1)}，其中数据x(0)的相关组的距离为(L+d)，则所有数据相关组的距离平方和为(N-d)(L+d)²+d(L-d)²，由数学推导可得，

        NL²＞(N-d)(L+d)²+d(L-d)²          (4)

然而将循环训练序列S应用于下行同步时，其可实现的精度是与数据相关组的距离平方和成反比，由式(4)可知，由于本发明的循环训练序列S比常规训练序列的的数据相关组的距离平方和要小，所以本发明的循环训练序列S可以实现高精度的下行同步。

图8是本发明循环训练序列S特定的定时度量随着SINR(信号干扰噪声比)和同步误差的变化而变化的示意图。如图8所示，对于给定的时偏β，定时度量值随着SINR的增大而呈增大的趋势。对于一个给定的SINR，时偏越小，定时度量的值越大。该性能使得本发明利用给定的循环训练序列和相应的定时度量可实现准确的时间同步。

图9显示了本发明的循环训练序列组与Moose算法应用于下行链路载波频偏估计的性能对比图。两种算法的DFT长度都在设为128，循环前缀都设为16。图9所示的仿真中本发明算法所取的参数d＝64。由图9可以看出，本发明的算法的精度要高于Moose算法。在高信噪比的环境中，本发明算法的性能比Moose算法要好1.6dB。

因此，本发明提供的循环训练序列S和通信系统1能够实现准确的下行同步，同时在实现多用户上行同步过程中，能够减少多用户训练序列之间的叠加而造成的不同用户之间的干扰失真，从而能够保证每个用户都可实现稳定可靠的上行同步。

Claims (8)

1.一种依次包括第一训练符号和第二训练符号的循环训练序列的生成方法，该第一训练符号依次包括第一循环前缀和第一信息块，且第二训练符号依次包括第二循环前缀和第二信息块，其特征在于，该循环训练序列的生成方法包括以下步骤：

第一步骤，随机生成长度为N的第一信息块，N为自然数；

第二步骤，从生成的第一信息块中，将最后L个数据拷贝到第一信息块之前，作为第一训练符号的循环前缀，其中L为小于信息块长度的自然数；

第三步骤，将第一训练符号的第一信息块按照循环的方式，形成与第一信息块长度相同的第二训练符号的第二信息块，其中，循环方式是指将第一信息块中的最后d个数据移位到前N-d个数据之前，重新排列得到的N个数据形成为第二信息块，该第一和第二信息块之间的对应关系为该循环训练序列的结构特征，其中d为小于信息块长度的任意自然数；以及

第四步骤，将生成的第二信息块的最后L个数据拷贝到第二信息块之前，作为第二训练符号的第二循环前缀，从而形成完整的循环训练序列。

2.一种使用如权利要求1所述的生成方法所生成的循环训练序列的通信系统，其特征在于，该通信系统包括：

用户端，基于基站分配的特定的循环训练序列的结构特征，生成与结构特征对应的循环训练序列，添加一定的数据符号，形成完整的帧作为发送信号发送出去；以及

基站，利用该特定的循环训练序列，对接收的信号进行时间同步和载波频偏估计，并通过解调和解码后，恢复用户端的发送信号。

3.如权利要求2所述的通信系统，其特征在于，该用户端包括：

训练序列生成器(20)，基于基站分配的特定的循环训练序列的结构特征，生成该特定的循环训练序列；以及

数据符号添加器(21)，根据所述生成的特定的循环训练序列，添加该用户端的数据符号，形成完整的帧。

4.如权利要求3所述的通信系统，其特征在于，该训练序列生成器(20)包括：

编码器(201)，用于进行随机数据编码；

数据调制器(202)，用于对编码器(201)输出的编码进行调制；

第一训练符号信息块生成器(203)，根据数据调制器(202)输出的调制后的编码，生成特定的循环训练序列的第一信息块；

第一循环前缀生成器(204)，根据第一训练符号信息块生成器(203)生成的第一信息块，将生成的信息块的最后L个数据进行拷贝，并将其作为第一循环前缀置于第一信息块之前；

第二训练符号信息块生成器(205)，根据用户特定的循环训练序列的结构特征，将第一信息块中的后d个数据移位到前N-d个数据之前，重新排列得到的N个数据形成为第二信息块；以及

第二循环前缀生成器(206)，根据第二训练符号信息块生成器(205)生成的第二信息块，将该第二信息块的最后L个数据拷贝作为第二循环前缀，并置于第二训练符号之中且在第二信息块之前。

5.如权利要求4所述的通信系统，该基站中具有接收器(3)，该接收器(3)包括多个与不同结构特征的循环训练序列相应的接收设备(4)，该每一接收设备(4)对应于一个用户端且对应于基站分配的该用户端的特定的循环训练序列，其特征在于，每一接收设备(4)包括：

同步与载波频偏装置(40)，利用该特定的循环训练序列的结构特征，对接收的数据序列进行时间同步和载波频偏估计；

解调装置(41)，对同步与载波频偏装置(40)的输出进行解调；以及

解码装置(42)，对解调装置(41)的输出进行解码，从而恢复用户发送的信号。

6.如权利要求5所述的通信系统，其特征在于，该同步与载波频偏装置(40)包括定时度量与载波频偏估计装置(51)、时间同步装置(58)以及载波频偏补偿装置(59)，其中，

时间同步装置(58)，利用定时度量与载波频偏估计装置(51)，对所述基站接收到的数据序列，进行时间同步；

定时度量与载波频偏估计装置(51)，根据所述基站分配给用户的特定的循环训练序列的结构特征，对所述数据序列逐位查找到特定于该用户的循环训练序列的起始位置，在完成时间同步后进行载波频偏估计；以及

载波频偏补偿装置(59)，利用定时度量与载波频偏估计装置(51)获得的载波频偏估计结果，对该用户进行载波频偏补偿。

7.如权利要求6所述的通信系统，其特征在于，该定时度量与载波频偏估计装置(51)利用所述循环训练序列的结构特征特定的定时度量M_d(θ)，对接收的数据序列r(z)逐位查找，将M_d(θ)出现局部最大值的位置确定为数据序列r(z)中所述循环训练序列的起始位置；且该定时度量与载波频偏估计装置(51)利用所述循环训练序列的结构特征特定的载波频偏估计

和数据序列r(z)中所述循环训练序列的起始位置，对该用户进行载波频偏估计；其中

$M_d\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{{|\underset{z=\mathrm{\&theta;}}{\overset{N+\mathrm{\&theta;}-1-d}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&phi;}}_{d,z}+\underset{k=\mathrm{\&theta;}}{\overset{d+\mathrm{\&theta;}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&psi;}}_{d,k}|}^2}{{\left[\underset{p=\mathrm{\&theta;}}{\overset{N+\mathrm{\&theta;}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\left|r(p+L)\right|}^2+{\left|r(N+p+2L)\right|}^2)\right]}^2}$

Φ_d，z＝r^*(L+z)r(N+2L+d+z)，Ψ_d，k＝r^*(N+L-d+k)r(N+2L+k)，θ为索引，且数据序列r(z)的第一个数据的索引为0，d为对应于所述循环训练序列的结构特征的自然数，N为所述循环训练序列的第一或第二信息块的长度，r*(L+z)是对r(L+z)取共轭，

${\widehat{\mathrm{\&epsiv;}}}_d=\frac{N}{2\mathrm{\&pi;}}\&CenterDot;\frac{(N-d)(N+L+d)\arg \left\{\underset{z=0}{\overset{N-1-d}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Phi;}}_{d,z}\right\}+d(L+d)\arg \left\{\underset{k=0}{\overset{d-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Psi;}}_{d,k}\right\}}{(N-d){(N+L+d)}^2+d{(L+d)}^2},$

分别表示对求复角。

8.一种利用如权利要求1的生成方法所生成的循环训练序列的通信方法，其特征在于，该通信方法包括步骤：

第一步骤，用户通过公共控制信道向基站发送接入请求；

第二步骤：基站在接收到该用户的接入请求后，查找循环训练序列资源表，检索基站中尚未分配的训练序列，该循环训练序列资源表中存在多个具有不同结构特征的循环训练序列；

第三步骤，基站从检索到的尚未分配的循环训练序列中，选择其中一个，并发送一条回复消息给该用户，通知循环训练序列的分配情况，同时刷新基站循环训练序列资源表中循环训练序列的分配使用情况，其中，该回复信息中包括有该循环训练序列的特定的结构特征；

第四步骤，用户根据接收到的回复信息中所包含的循环训练序列的特定的结构特征，生成完整的帧并将其发送到基站，其中，该完整的帧包括数据符号和特定于用户的循环训练序列；以及

第五步骤，基站中接收装置对该用户发送的信号进行时间同步和载波频偏估计，并在解调和解码后，恢复用户的发送信号。

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