CN1957551A

CN1957551A - 在广播ofdm系统中使用时分复用导频的同步

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Publication number: CN1957551A
Application number: CNA200480032708XA
Authority: CN
Inventors: 林福远; 阿洛克·古普塔; 拉古拉曼·克里希纳姆尔蒂; 拉马斯瓦米·穆拉利; 拉吉夫·维贾亚恩
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: IL173979A; CN1957551B; KR20060118429A; IL173979A0; BRPI0413985A; AR046406A1; AU2004302854A1; EP1661274A2; RU2369016C2; MXPA06002397A; EP1661274A4; KR101036778B1; TW200522573A; CL2004002231A1; WO2005022797A2; JP2007514331A; CA2537267A1; RU2006110539A; WO2005022797A3; US20050063298A1

Abstract

在OFDM系统中，在每帧中，发射机在第一组子带上广播第一个TDM导频，紧接着，在第二组子带上广播第二个TDM导频。从全部N个子带中选择每组中的多个子带，使得(1)用于第一个TDM导频的OFDM符号包含至少S1个相同的长度为L1的导频－1序列，并且(2)用于第二个TDM导频的OFDM符号包含至少S2个相同的长度为L2的导频－2序列。发射机还可以广播FDM导频。接收机对第一个TDM导频进行处理以获得帧定时(例如，通过在不同的导频－1序列之间执行相关)，并且还对第二个TDM导频进行处理以获得符号定时(例如，通过检测由第二个TDM导频得到的信道脉冲响应估计的起始)。

Description

在广播OFDM系统中使用时分复用导频的同步

在35U.S.C.§119之下的优先权声明

本申请要求2003年9月2日提交的名为“Method for InitialSynchronization in a Multicast Wireless System Using Time-DivisionMultiplexed Pilot Symbols(在组播无线系统中使用时分复用导频符号进行初始同步的方法)”的临时美国申请No.60/499951的权益。

技术领域

本发明通常涉及数据通信，更具体地，涉及在使用正交频分复用(OFDM)的无线广播系统中的同步。

背景技术

OFDM是一种多载波调制技术，其将整个系统带宽有效地分成多个(N个)正交频率子带。这些子带也被称作音调(tone)、子载波、段(bin)以及频率信道。采用OFDM，每个子带与各自的可以被用数据调制的子载波相关联。

在OFDM系统中，发射机处理数据以获得调制符号，并且进一步对这些调制符号执行OFDM调制以生成OFDM符号，如下所述。随后，发射机对OFDM符号进行调节并且通过通信信道进行发送。OFDM系统可以使用一种传输结构，借此将数据在帧内进行发送，每帧具有特定持续时间。不同类型的数据(例如，业务/分组数据、开销/控制数据、导频等)可以在每帧的不同部分中进行发送。导频一般是指发射机和接收机预先已知的数据和/或传输。

典型地，为了正确恢复发射机发送的数据，接收机需要获得准确的帧和符号定时。例如，为了正确恢复在帧中发送的各类数据，接收机可能需要知道每帧的起始。接收机通常不知道发射机发送每个OFDM符号的时间，也不知道由通信信道引入的传播延迟。于是，为了正确地对所接收的OFDM符号执行互补的OFDM解调，接收机将需要确定通过通信信道接收的每个OFDM符号的定时。

同步是指接收机执行的用于获得帧和符号定时的处理。接收机还可以执行其它任务作为同步的一部分，诸如频率误差估计。典型地，发射机消耗系统资源以支持同步，并且接收机也消耗资源以执行同步。由于同步是数据传输所需的开销，所以期望使发射机和接收机用于同步的资源数量最小化。

因此，在本领域中需要有在广播OFDM系统中有效地实现同步的技术。

发明内容

在此描述了OFDM系统中使用时分复用(TDM)导频实现同步的多种技术。在每帧中(例如，在该帧的起始处)，发射机在第一组子带上广播或发送第一个TDM导频，紧接着，在第二组子带上广播或发送第二个TDM导频。第一组包含L₁个子带，而第二组包含L₂个子带，其中，L₁和L₂各是全部N个子带的一部分，并且L₂＞L₁。每组中的多个子带可以均匀分布在全部N个子带上，使得(1)第一组中的L₁个子带由S₁＝N/L₁个子带平均间隔开，并且(2)第二组中的L₂个子带由S₂＝N/L₂个子带平均间隔开。该导频结构导致(1)用于第一个TDM导频的OFDM符号包含至少S₁个同样的“导频-1”序列，每个导频-1序列包含L₁个时域采样，而(2)用于第二个TDM导频的OFDM符号包含至少S₂个同样的“导频-2”序列，每个导频-2序列包含L₂个时域采样。发射机也可以在每帧的剩余部分中将频分复用(FDM)导频与数据一起发送。该具有两个TDM导频的导频结构非常适合于广播系统，但也可以用于非广播系统。

接收机可以基于第一个和第二个TDM导频执行同步。接收机可以对第一个TDM导频进行处理以获得帧定时和频率误差估计。接收机可以基于第一个TDM导频的不同导频-1序列之间的延迟相关来计算检测度量(detection metric)，将该检测度量与门限值进行比较，并且基于比较结果断定检测到第一个TDM导频(并且因此检测到帧)。接收机也可以基于导频-1序列获得所接收到的OFDM符号中的频率误差的估计。接收机可以对第二个TDM导频进行处理以获得符号定时和信道估计。接收机可以基于所接收到的用于第二个TDM导频的OFDM符号得到信道脉冲响应估计、对该信道脉冲响应估计的起始进行检测(例如，基于用于信道脉冲响应的多个信道抽头的能量)、并且基于所检测到的信道脉冲响应估计的起始得到符号定时。接收机也可以基于信道脉冲响应估计得到对于全部N个子带的信道频率响应估计。接收机可以使用第一个和第二个TDM导频以用于初始同步，并且可以使用FDM导频以用于频率和时间跟踪以及用于更准确的信道估计。

下文进一步详细描述了本发明的各个方面和实施例。

附图说明

结合附图，从下文阐明的详细描述中，本发明的特征和特性将更加显而易见，附图中，相似的参考标号在整个附图中是对应一致的，并且其中：

图1示出了OFDM系统中的基站和无线设备；

图2示出了用于OFDM系统的超帧(super-frame)结构；

图3A和3B分别示出了TDM导频1和2的频域表示；

图4示出了发送(TX)数据和导频处理器；

图5示出了OFDM调制器；

图6A和6B示出了TDM导频1和2的时域表示；

图7示出了同步和信道估计单元；

图8示出了帧检测器；

图9示出了符号定时检测器；

图10A到10C示出了对导频-2OFDM符号的处理；以及

图11示出了具有TDM和FDM导频的导频传输方案。

具体实施方式

在此使用“示例性”一词表示“作为例子、实例或例证”。在此描述为“示例性”的任意实施例或设计不必被解释为相对于其它实施例或设计是优选的或具有优势。

在此描述的同步技术可以用于多种多载波系统并且可以用于下行链路以及上行链路。下行链路(或前向链路)是指从基站到无线设备的通信链路，而上行链路(或反向链路)是指从无线设备到基站的通信链路。为清楚起见，这些技术在下文描述为用于OFDM系统中的下行链路。

图1示出了OFDM系统100中基站110和无线设备150的方框图。基站110通常是固定站，并且也可以被称作基站收发系统(BTS：base transceiver system)、接入点或某些其它术语。无线设备150可以是固定的或移动的，并且也可以被称作用户终端、移动台或某些其它术语。无线设备150也可以是诸如蜂窝电话、手持设备、无线模块、个人数字助理(PDA)等的便携式单元。

在基站110中，TX数据和导频处理器120接收不同类型的数据(例如，业务/分组数据和开销/控制数据)，并且对所接收的数据进行处理(例如，编码、交织和符号映射)以生成多个数据符号。如在此所使用的，“数据符号”是对于数据的调制符号，“导频符号”是对于导频的调制符号，并且对于一种调制方式(例如，M-PSK、M-QAM等)，调制符号是信号星座图中的点的复数值。处理器120也对导频数据进行处理以生成多个导频符号，并且将数据和导频符号提供给OFDM调制器130。

OFDM调制器130将数据和导频符号复用到多个合适的子带和符号周期上，并且进一步对已复用的符号执行OFDM调制以生成OFDM符号，如下所述。发射机单元(TMTR)132将多个OFDM符号转换成一个或多个模拟信号，并且进一步对该(多个)模拟信号进行调节(例如，放大、滤波和上变频)以生成已调制的信号。随后，基站110将已调制的信号从天线134发送到系统中的无线设备中。

在无线设备150中，通过天线152接收从基站110发送的信号，并且将其提供给接收机单元(RCVR)154。接收机单元154对接收到的信号进行调节(例如，滤波、放大和下变频)，并且将已调节的信号数字化以获得输入采样流。OFDM解调器160对输入采样执行OFDM解调以获得接收到的数据和导频符号。OFDM解调器160也用信道估计(例如，频率响应估计)对接收到的数据符号执行检测(例如，匹配滤波)，以获得检测到的数据符号，其是对基站110发送的数据符号的估计。OFDM解调器160向接收(RX)数据处理器170提供检测到的数据符号。

同步/信道估计单元180从接收机单元154接收输入采样并且执行同步以确定帧和符号定时，如下所述。单元180也使用从OFDM解调器160接收到的导频符号得到信道估计。单元180将符号定时和信道估计提供给OFDM解调器160，并且可以将帧定时提供给RX数据处理器170和/或控制器190。OFDM解调器160使用符号定时来执行OFDM解调，并且使用信道估计来对接收到的数据符号执行检测。

RX数据处理器170对来自OFDM解调器160的检测到的数据符号进行处理(例如，符号解映射、解交织和解码)，并且提供已解码的数据。RX数据处理器170和/或控制器190可以使用帧定时以恢复基站110发送的不同类型的数据。通常，由OFDM解调器160和RX数据处理器170所进行的处理分别与基站110中由OFDM调制器130和TX数据和导频处理器120所进行的处理是互补的。

控制器140和190分别控制在基站110和无线设备150中的操作。存储器单元142和192分别为控制器140和190所使用的程序代码和数据提供存储。

基站110可以向单个无线设备发送点对点传输、向一组无线设备发送组播传输、向其覆盖范围内的所有无线设备发送广播传输、或者是其任意组合。例如，基站110可以将导频和开销/控制数据广播到在其覆盖范围内的所有无线设备。基站110也可以将用户专用数据发送到某些特定无线设备，将组播数据发送到一组无线设备，和/或将广播数据发送到所有无线设备。

图2示出了可以用于OFDM系统100的超帧结构200。可以在多个超帧中发送数据和导频，每个超帧具有预定的持续时间。超帧也可以称为帧、时隙或某些其它术语。对于如图2所示的实施例，每个超帧包括用于第一个TDM导频(或“TDM导频1”)的字段212、用于第二个TDM导频(或“TDM导频2”)的字段214、用于开销/控制数据的字段216、以及用于业务/分组数据的字段218。

四个字段212至218在每个超帧中被时分复用，使得在任意给定的时刻只发送一个字段。还按照如图2所示的顺序对四个字段进行排列以便于同步和数据恢复。每个超帧中最先被发送的字段212和214中的导频OFDM符号可以用于检测该超帧中接着被发送的字段216中的开销OFDM符号。随后，从字段216获得的开销信息可以用于恢复该超帧中最后被发送的字段218中发送的业务/分组数据。

在一个实施例中，字段212携带了用于TDM导频1的一个OFDM符号，而字段214也携带了用于TDM导频2的一个OFDM符号。通常，每个字段可以具有任意持续时间，并且多个字段可以按任意顺序排列。在每帧中，对TDM导频1和2进行周期性地广播，以便于无线设备进行同步。开销字段216和/或数据字段218也可以包含被与数据符号频分复用的导频符号，如下所述。

OFDM系统具有BW MHz的总系统带宽，使用OFDM将其分割成N个正交子带。相邻子带之间的间隔是BW/N MHz。在全部N个子带中，可以为导频和数据传输使用M个子带，其中，M＜N，并且剩余的N-M个子带可以不使用且将其作为防护子带。在一个实施例中，OFDM系统使用具有总共N＝4096个子带、M＝4000个可用子带和N-M＝96个防护子带的OFDM结构。通常，对于OFDM系统，可以使用具有任意数目总子带、可用子带和防护子带的任意OFDM结构。

可以将TDM导频1和2设计为便于由系统中的无线设备进行同步。无线设备可以使用TDM导频1以检测每帧的起始、获得符号定时的粗估计并且估计频率误差。无线设备可以使用TDM导频2以获得更准确的符号定时。

图3A示出了频域中TDM导频1的实施例。对于该实施例，TDM导频1包括在L₁个子带上发送的L₁个导频符号，每个子带一个用于TDM导频1的导频符号。L₁个子带均匀分布在全部N个子带上，并且由S₁个子带平均间隔开，其中，S₁＝N/L₁。例如，N＝4096，L₁＝128，而S₁＝32。然而，N、L₁和S₁也可以使用其它值。该用于TDM导频1的结构能够(1)为在包括严重多径信道在内的多种类型信道中的帧检测提供良好的性能，(2)在严重多径信道中提供充分准确的频率误差估计和粗符号定时，以及(3)简化无线设备中的处理，如下所述。

图3B示出了频域中TDM导频2的实施例。对于该实施例，TDM导频2包括在L₂个子带上发送的L₂个导频符号，其中，L₂＞L₁。L₂个子带均匀分布在全部N个子带上，并且由S₂个子带平均间隔开，其中，S₂＝N/L₂。例如，N＝4096，L₂＝2048，而S₂＝2。同样，N、L₂和S₂也可以使用其它值。该用于TDM导频2的结构可以在包括严重多径信道在内的多种类型信道中提供准确的符号定时。无线设备也能够(1)以有效的方式处理TDM导频2，以在紧跟在TDM导频2之后的下一个OFDM符号到达之前获得符号定时，以及(2)将符号定时应用于该下一个OFDM符号，如下所述。

L₁使用较小的值，使得可以根据TDM导频1对较大的频率误差进行校正。L₂使用较大的值，使得导频-2序列更长，允许无线设备从导频-2序列获得更长的信道脉冲响应估计。选择用于TDM导频1的L₁个子带，使得为TDM导频1生成S₁个相同的导频-1序列。同样地，选择用于TDM导频2的L₂个子带，为TDM导频2生成S₂个相同的导频-2序列。

图4示出了基站110中的TX数据和导频处理器120的实施例的方框图。在处理器120中，TX数据处理器410对业务/分组数据进行接收、编码、交织和符号映射，以生成多个数据符号。

在一个实施例中，使用伪随机数(PN)发生器420为TDM导频1和2生成数据。例如，PN发生器420可以用实现生成多项式g(x)＝x¹⁵+x¹⁴+1的15抽头线性反馈移位寄存器(LFSR)来实现。在这种情况下，PN发生器420包括：(1)串行连接的15个延迟元件422a至422o，以及(2)连接在延迟元件422a和422o之间的加法器424。延迟元件422o提供导频数据，其也被反馈回延迟元件422a的输入以及加法器424的一个输入。对于TDM导频1和2，可以用不同的初始状态对PN发生器420进行初始化，例如，对于TDM导频1，将PN发生器420初始化为“011010101001110”，对于TDM导频2，将PN发生器420初始化为“010110100011100”。通常，对TDM导频1和2可以使用任意数据。可以对导频数据进行选择，以减少导频OFDM符号的峰振幅和平均振幅之间的差异(即，使TDM导频的时域波形中的峰均变化最小化)。也可以由用于对数据进行加扰的同一个PN发生器来生成TDM导频2的导频数据。无线设备知道用于TDM导频2的数据，但是不需要知道用于TDM导频1的数据。

比特-符号映射单元430接收来自PN发生器420的导频数据，并且基于调制方式将该导频数据的比特映射到导频符号上。可以对TDM导频1和2使用相同或者不同的调制方式。在一个实施例中，对TDM导频1和2均使用QPSK。在该情况下，映射单元430将导频数据分组成2比特二进制值，并且进一步将每个2比特值映射到一个特定的导频调制符号上。每个导频符号是用于QPSK的信号星座图中的复数值。如果对TDM导频使用QPSK，那么映射单元430将TDM导频1的2L₁个导频数据比特映射到L₁个导频符号上，并且还将TDM导频2的2L₂个导频数据比特映射到L₂个导频符号上。复用器(Mux)440接收自TX数据处理器410的数据符号、来自映射单元430的导频符号、以及来自控制器140的TDM控制(TDM_Ctrl)信号。如图2所示，复用器440为OFDM调制器130提供每帧中用于TDM导频1和2字段的导频符号以及用于开销和数据字段的数据符号。

图5示出了基站110中的OFDM调制器130的实施例的方框图。符号-子带映射单元510接收来自TX数据和导频处理器120的数据和导频符号，并且基于来自控制器140的子带复用控制(Subband_Mux_Ctrl)信号将这些符号映射到合适的子带上。在每个OFDM符号周期内，映射单元510在用于数据或导频传输的每个子带上提供一个数据或导频符号，并且为每个未用子带提供“零符号”(零信号值)。以零符号来代替为未使用的子带指定的导频符号。对于每个OFDM符号周期，映射单元510为全部N个子带提供N个“发送符号”，其中，每个发送符号可以是数据符号、导频符号或零符号。离散傅里叶逆变换(IDFT)单元520接收每个OFDM符号周期的N个发送符号，用N点IDFT将这N个发送符号变换到时域，并且提供一个包含N个时域采样的“已变换”符号。每个采样是将要在一个采样周期内发送的复数值。典型情况下，如果N是2的幂，也可以执行N点快速傅里叶逆变换(IFFT)来替代N点IDFT。并-串(P/S)转换器530将每个已变换符号的N个采样串行化。随后，循环前缀发生器540重复每个已变换符号的一部分(或C个采样)，以形成包含N+C个采样的OFDM符号。使用循环前缀以抵抗由通信信道中的长时延扩展引起的符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)。时延扩展是在接收机上最早到达的信号实例和最迟到达的信号实例之间的时间差。一个OFDM符号周期(或简称“符号周期”)是一个OFDM符号的持续时间，并且等于N+C个采样周期。

图6A示出了TDM导频1的时域表示。用于TDM导频1的OFDM符号(或者“导频-1OFDM符号”)由长度为N的已变换符号和长度为C的循环前缀组成。因为TDM导频1的L₁个导频符号在由S₁个子带均匀间隔开的L₁个子带上进行发送，并且因为零符号在剩余的子带上进行发送，所以TDM导频1的已变换符号包含S₁个相同的导频-1序列，每个导频-1序列包含L₁个时域采样。每个导频-1序列也可以通过对TDM导频1的L₁个导频符号执行L₁点IDFT来生成。TDM导频1的循环前缀由已变换符号的最右边C个采样组成，并且被插入到该已变换符号之前。这样，导频-1 OFDM符号就包含了总共S₁+C/L₁个导频-1序列。例如，如果N＝4096、L₁＝128、S₁＝32且C＝512，那么导频-1 OFDM符号将包含36个导频-1序列，每个导频-1序列包含128个时域采样。

图6B示出了TDM导频2的时域表示。用于TDM导频2的OFDM符号(或者“导频-2OFDM符号”)也由长度为N的已变换符号和长度为C的循环前缀组成。TDM导频2的已变换符号包含S₂个相同的导频-2序列，每个导频-2序列包含L₂个时域采样。TDM导频2的循环前缀由已变换符号的最右边C个采样组成，并且被插入到该已变换符号之前。例如，如果N＝4096、L₂＝2048、S₂＝2且C＝512，那么导频-2OFDM符号将包含2个完整的导频-2序列，每个导频-2序列包含2048个时域采样。TDM导频2的循环前缀将仅包含导频-2序列的一部分。

图7示出了无线设备150中的同步和信道估计单元180的实施例的方框图。在单元180中，帧检测器710接收来自接收机单元154的输入采样，对输入采样进行处理以检测每帧的起始，并且提供帧定时。符号定时检测器720接收输入采样和帧定时，对输入采样进行处理以检测所接收到的OFDM符号的起始，并且提供符号定时。频率误差估计器712对所接收到的OFDM符号内的频率误差进行估计。信道估计器730接收来自符号定时检测器720的输出并且得到信道估计。单元180中的多个检测器和估计器在下文进行描述。

图8示出了帧检测器710的实施例的方框图，该帧检测器通过检测来自接收机单元154的输入采样中的TDM导频1来执行帧同步。为简便起见，下述说明假定通信信道是加性高斯白噪声(AWGN：additive white Gaussian noise)信道。每个采样周期的输入采样可以表示为：

r_n＝x_n+w_n，式(1)

其中n是采样周期的标号；

x_n是基站在采样周期n内发送的时域采样；

r_n是无线设备在采样周期n内获得的输入采样；以及

w_n是采样周期n的噪声。

对于图8所示的实施例，帧检测器710以延迟相关器实现，该延迟相关器利用导频-1OFDM符号的周期性特性进行帧检测。在一个实施例中，帧检测器710使用下述检测度量进行帧检测：

S_{n} = {| Σ_{i = n - L_{1} + 1}^{n} r_{i - L_{1}} \cdot r_{i}^{*} |}^{2},

式(2)

其中S_n是用于采样周期n的检测度量；

“*”代表复共轭；以及

|x|²代表x大小的平方。

式(2)计算了两个连续导频-1序列中两个输入采样r_i和r_i-L1之间的延迟相关，或

c_{i} = r_{i - L_{1}} \cdot r_{i}^{*} .

该延迟相关无需信道增益估计就消除了通信信道的效应，并且还将经由通信信道接收的能量进行相干结合。随后式(2)对导频-1序列的所有L₁个采样的相关结果进行累加，以获得累加的相关结果C_n，C_n是复数值。随后式(2)得到采样周期n的判决度量S_n作为C_n大小的平方。如果在用于延迟相关的两个序列之间存在匹配，那么判决度量S_n表示一个所接收到的长度为L₁的导频-1序列的能量。

在帧检测器710中，移位寄存器812(长度为L₁)对输入采样{r_n}进行接收、存储和移位，并且提供经L₁个采样周期延迟的输入采样{r_n-L1}。也可以使用采样缓冲器代替移位寄存器812。单元816也接收输入采样并且提供复共轭的输入采样{r_n ^*}。对于每个采样周期n，乘法器814将来自移位寄存器812的延迟的输入采样r_n-L1与来自单元816的复共轭的输入采样r_n ^*相乘，并且将相关结果c_n提供给移位寄存器822(长度为L₁)和加法器824。小写的C_n表示一个输入采样的相关结果，大写的C_n表示L₁个输入采样的累加的相关结果。移位寄存器822对来自乘法器814的相关结果{c_n}进行接收、存储和延迟，并且提供经L₁个采样周期延迟的相关结果{c_n-L1}。对于每个采样周期n，加法器824接收寄存器826的输出C_n-1并将其与来自乘法器814的结果c_n相加，再减去来自移位寄存器822的延迟的结果C_n-L1，并且将其输出C_n提供给寄存器826。加法器824和寄存器826构成了执行式(2)中的求和操作的累加器。移位寄存器822和加法器824也被配置为对L₁个最新的相关结果c_n到c_n-L1+1执行移动(running)或滑动(sliding)求和。这通过对来自乘法器814的最新的相关结果c_n进行求和并减去来自之前L₁个采样周期的相关结果c_n-L1来实现，该c_n-L1由移位寄存器822提供。单元832计算来自加法器824的累加的输出C_n的大小的平方，并且提供检测度量S_n。

后处理器834基于检测度量S_n和门限值S_th来检测导频-1 OFDM符号的存在，并且因此检测超帧的起始，门限值S_th可以是固定的或者可编程设定的值。帧检测可以基于各种标准。例如，如果检测度量S_n(1)超过门限值S_th，(2)在至少预定百分比的导频-1OFDM符号持续时间内保持大于门限值S_th，以及(3)在其后的预定时间周期内(一个导频-1序列)处于降到门限值S_th以下，那么后处理器834可以断定存在导频-1OFDM符号。后处理器834可以以检测度量S_n的波形的脉冲后沿之前的预定数目的采样周期来指示导频-1OFDM符号的结束(以T_C表示)。后处理器834也可以在导频-1 OFDM符号的结束处设置帧定时信号(例如逻辑高)。时间T_C可以被用作用于处理导频-2 OFDM符号的粗符号定时。

频率误差估计器712对所接收到的导频-1 OFDM符号中的频率误差进行估计。该频率误差可以归因于诸如基站和无线设备中晶振的频率差异、多普勒频移等多种来源。频率误差估计器712可以为每个导频-1 OFDM序列(除了最后一个导频-1序列之外)生成频率误差估计，如下：

Δ f_{l} = \frac{1}{G_{D}} Arg [Σ_{i = 1}^{L_{1}} r_{l, i} \cdot r_{l, i + L_{1}}^{*}],

式(3)

其中r_l，i是第l个导频-1序列的第i个输入采样；

Arg(x)是x的虚部与x的实部之比的反正切，或者Arg(x)＝arctan[Im(x)/Re(x)]；

G_D是检测器增益，

G_{D} = \frac{2 π \cdot L_{1}}{f_{samp}}

以及

Δf_l是对第l个导频-1序列的频率误差估计。可检测的频率误差的范围可以由下式给出：

2 π \cdot L_{1} \cdot \frac{| Δ f_{l} |}{f_{samp}} < π / 2,

或

| Δ f_{l} | < \frac{f_{samp}}{4 \cdot L_{1}},

式(4)

其中，f_samp是输入采样率。式(4)显示了所检测到的频率误差的范围依赖于并且反向相关于导频-1序列的长度。由于也从加法器824得到累加的相关结果，所以频率误差估计器712也可以在后处理器834内被实现。

可以以多种方式使用频率误差估计。例如，可以使用对每个导频-1序列的频率误差估计来更新频率跟踪环，该频率跟踪环试图校正在无线设备中检测到的任何频率误差。频率跟踪环可以是锁相环(PLL)，其可以调节在无线设备中用于下变频的载波信号的频率。也可以对频率误差估计进行平均，以获得对导频-1 OFDM符号的单个的频率误差估计Δf。随后可以在OFDM解调器160内的N点DFT之前或之后使用该Δf进行频率误差校正。对于可以用于校正频率偏移量Δf的后DFT频率误差校正，从N点DFT所接收到的符号可以通过Δf子带进行转化，并且每个可用子带k的频率校正后的符号可以如

{\tilde{R}}_{K} = {\tilde{R}}_{k + Δf}

来获得，其中频率偏移量Δf是子带间隔的整数倍。对于前DFT频率误差校正，可以通过频率误差估计Δf对输入采样进行相位旋转，并且随后可以对相位旋转后的采样执行N点DFT。

帧检测和频率误差估计也可以基于导频-1 OFDM符号以其它多种方式实现，并且这也在本发明的范围内。例如，可以通过在导频-1OFDM符号的输入采样和在基站中生成的实际导频-1序列之间进行直接相关来实现帧检测。直接相关为每个强信号实例(或多径)提供了高的相关结果。由于对于给定基站，可能获得不止一个多径或峰值，所以无线设备将对所检测到的峰值执行后处理以获得定时信息。帧检测也可以用延迟相关和直接相关相结合的方式来实现。

图9示出了符号定时检测器720的实施例的方框图，其基于导频-2 OFDM符号执行定时同步。在符号定时检测器720内，采样缓冲器912接收来自接收机单元154的输入采样，并且存储导频-2 OFDM符号的L₂个输入采样的“采样”窗。单元910基于来自帧检测器710的帧定时确定采样窗的起始。

图10A示出了对于导频-2 OFDM符号的处理的定时图。帧检测器710基于导频-1 OFDM符号提供粗符号定时(表示为T_C)。导频-2OFDM符号包含S₂个相同的长度为L₂的导频-2序列(例如，如果N＝4096且L₂＝2048，就包括两个长度为2048的导频-2序列)。对于起始于采样周期T_W的导频-2OFDM符号，采样缓冲器912采集具有L₂个输入采样的窗。通过来自粗符号定时的初始偏移量OS_init对采样窗的起始进行延迟，或T_W＝T_C+OS_init。初始偏移量不需要很准确，并且其被选择以确保在采样缓冲器912中采集到一个完整的导频-2序列。也可以选择初始偏移量使得对于导频-2O FDM符号的处理可以在下一个OFDM符号到达之前完成，这样，从导频-2 OFDM符号获得的符号定时可以应用于该下一个OFDM符号。

返回参考图9，DFT单元914对采样缓冲器912采集的L₂个输入采样执行L₂点DFT，并且为L₂个所接收到的导频符号提供L₂个频域值。如果采样窗的起始与导频-2OFDM符号的起始没有对准(即T_W≠T_S)，那么信道脉冲响应进行循环移位，其意味着信道脉冲响应的前一部分环绕到后面。导频解调单元916通过将所接收到的用于每个导频子带k的导频符号R_k与用于那个子带的已知导频符号的复共轭P_k ^*相乘，或者R_k·P_k ^*，来移除对L₂个所接收到的导频符号的调制。单元916还将所接收到的用于未使用子带的导频符号设置为零符号。随后，IDFT单元918对L₂个导频已解调符号执行L₂点IDFT，并且提供L₂个时域值，该L₂个时域值是基站110和无线设备150之间的通信信道的脉冲响应的L₂个抽头。

图10B示出了来自IDFT单元918的L₂抽头信道脉冲响应。L₂个抽头中的每一个与在那个抽头延迟处的复信道增益相关联。信道脉冲响应可以进行循环移位，其意味着信道脉冲响应的尾部可以环绕并出现在IDFT单元918的输出的前部。

返回参考图9，符号定时搜索器920可以通过搜索信道脉冲响应的能量中的峰值来确定符号定时。如图10B所示，峰值检测可以通过在信道脉冲响应上滑动“检测”窗来实现。检测窗大小可以如下所述来确定。在每个窗的起始位置，对落入该检测窗内的所有抽头的能量进行计算。

图10C示出了在不同的窗起始位置处的信道抽头的能量的图。将检测窗循环移动到右边，使得当检测窗的右边缘到达标号L₂处的最后一个抽头时，该窗环绕到标号1处的第一个抽头。这样，对于每个窗起始位置，采集了相同数量的信道抽头的能量。

可以基于系统的期望时延扩展来选择检测窗大小L_W。无线设备中的时延扩展是最早和最晚到达该无线设备的信号分量之间的时间差。系统的时延扩展是该系统的所有无线设备中的最大时延扩展。如果检测窗大小等于或者大于系统的时延扩展，那么当检测窗被恰当地对准时，它将捕获信道脉冲响应的所有能量。也可以将检测窗大小L_W选择为不超过L₂的一半(或者L_W≤L₂/2)，以避免在对信道脉冲响应的起始的检测中出现模糊。信道脉冲响应的起始可以通过如下方式来检测：(1)在所有L₂个窗起始位置中确定峰值能量，以及(2)如果多个窗起始位置具有相同的峰值能量，就识别具有该峰值能量的最右边窗的起始位置。也可以对不同窗起始位置的能量进行平均或者过滤，以获得对噪声信道中信道脉冲响应的起始的更加准确的估计。在任何情况下，信道脉冲响应的起始表示为T_B，并且采样窗的起始和信道脉冲响应的起始之间的偏移量是T_OS＝T_B-T_W。一旦确定了信道脉冲响应的起始T_B，就可以唯一计算出精细符号定时。

参考图10A，精细符号定时指示所接收到的OFDM符号的起始。可以使用精细符号定时T_S以准确和恰当地为随后所接收到的每个OFDM符号放置“DFT”窗。DFT窗指定对于每个接收到的OFDM符号所要采集的特定的N个输入采样(从N+C个输入采样中)。随后，以N点DFT对DFT窗内的N个输入采样进行转换，以获得所接收到的OFDM符号的N个所接收到的数据/导频符号。需要为每个所接收到的OFDM符号准确放置DFT窗，以避免(1)来自前一个或者下一个OFDM符号的符号间干扰(ISI)，(2)信道估计中的降级(例如，不恰当的DFT窗放置可能导致错误的信道估计)，(3)依赖于循环前缀的处理中的错误(例如，频率跟踪环、自动增益控制(AGC)等)，以及(4)其它多种有害效应。

也可以使用导频-2OFDM符号以获得更加准确的频率误差估计。例如，可以使用导频-2序列并且基于式(3)对频率误差进行估计。在该情况下，对导频-2序列的L₂个采样(而不是L₁个采样)进行求和。

也可以使用来自IDFT单元918的信道脉冲响应，以得到对于基站110和无线设备150之间的通信信道的频率响应估计。单元922接收L₂抽头信道脉冲响应，对该信道脉冲响应进行循环移位使得该信道脉冲响应的起始位于标号1处，在循环移位的信道脉冲响应之后插入适当数量的零，并且提供N抽头信道脉冲响应。随后，DFT单元924对N抽头信道脉冲响应执行N点DFT并且提供频率响应估计，该频率响应估计由全部N个子带的N个复信道增益组成。OFDM解调器160可以使用频率响应估计，以用于检测随后的OFDM符号中接收到的数据符号。也可以以某些其它方式得到信道估计。

图11示出了TDM和FDM导频的组合的导频传输方案。基站110可以在每个超帧中发送TDM导频1和2，以利于无线设备进行初始捕获。用于TDM导频的开销是两个OFDM符号，其与超帧的大小相比可能是很小的。基站也可以在每个超帧的剩余OFDM符号中的所有、大多数或一些中发送FDM导频。对于图11所示的实施例，在交替的多组子带上发送FDM导频，使得导频符号在偶数的符号周期中在一组子带上发送而在奇数的符号周期中在另一组子带上发送。每组包含足够数目的(L_fdm)个子带以支持无线设备进行信道估计和可能的频率和时间跟踪。每组中的多个子带可以均匀分布在全部N个子带上并且由S_fdm＝N/L_fdm个子带均匀间隔开。此外，一组中的子带可以相对于另一组中的子带而交错或者偏移，使得两组中的子带相互交替。作为例子，N＝4096，L_fdm＝512，S_fdm＝8，并且两组中的子带可以由四个子带交错开。通常，可以为FDM导频使用任意数目的子带组，并且每个组可以包含任意数目的子带和全部N个子带中的任意一个。

无线设备可以使用TDM导频1和2以用于初始同步，例如，帧同步、频率偏移估计和精细符号定时捕获(用于为随后的多个OFDM符号恰当地放置DFT窗)。无线设备可以执行初始同步，例如，在第一次接入基站时、在第一次或长期的不活动状态之后接收或请求数据时、在第一次通电时等。

如上所述，无线设备可以执行多个导频-1序列的延迟相关，以检测导频-1OFDM符号的存在并且因此检测超帧的起始。此后，无线设备可以使用多个导频-1序列，以估计导频-1OFDM符号中的频率误差并且在接收导频-2OFDM符号之前对该频率误差进行校正。与传统的使用数据OFDM符号的循环前缀结构的方法相比，导频-1OFDM符号允许更大的频率误差估计，并且允许更可靠地为下一个(导频-2)OFDM符号放置DFT窗。因此，导频-1OFDM符号可以为具有大的多径时延扩展的地上无线电信道提供改进的性能。

无线设备可以使用导频-2OFDM符号以获得精细符号定时，从而更加准确地为随后所接收到的多个OFDM符号放置DFT窗。无线设备也可以使用导频-2OFDM符号以用于信道估计和频率误差估计。导频-2OFDM符号允许快速和准确地确定精细符号定时和DFT窗的恰当放置。

无线设备可以使用FDM导频来进行信道估计和时间跟踪以及可能的频率跟踪。如上所述，无线设备可以基于导频-2OFDM符号获得初始信道估计。如图11所示，尤其是如果在超帧上发送FDM导频时，无线设备可以使用FDM导频以获得更加准确的信道估计。无线设备也可以使用FDM导频来更新频率跟踪环，该频率跟踪环可以校正所接收到的OFDM符号中的频率误差。无线设备还可以使用FDM导频来更新时间跟踪环，该时间跟踪环可以解决输入采样中的定时漂移(例如，由于通信信道的信道脉冲响应中的变化所引起的)。

在此描述的同步技术可以以各种方式实现。例如，这些技术可以以硬件、软件、或其组合来实现。对于硬件实现，基站中用于支持同步的处理单元(例如，TX数据和导频处理器120)可以被实现在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、其它被设计为执行在此所描述的多个功能的电子单元、或者其组合内。无线设备中用于执行同步的处理单元(例如，同步和信道估计单元180)也可以被实现在一个或多个ASIC、DSP等内。

对于软件实现，可以用执行在此描述的功能的模块(例如，程序、函数等)来实现同步技术。软件代码可以存储在存储器单元(例如，图1中的存储器单元192)中，并且由处理器(例如，控制器190)执行。存储器单元可以在处理器之内或者处理器之外实现。

之前所提供的对已公开的实施例的描述使得任何本领域的技术人员能够实现或使用本发明。对本领域的技术人员来说，这些实施例的各种变型将是显而易见的，并且在此定义的一般性原则可以应用到其它实施例中，而不偏离本发明的精髓和范围。因此，本发明并不是要被限制于在此示出的实施例，而是要符合与在此公开的原则和新颖特征一致的最广范围。

Claims

1、一种在利用正交频分复用(OFDM)的无线广播系统中发送导频的方法，所述方法包括：

在第一组频率子带上以与数据时分复用(TDM)的方式发送第一个导频，其中，所述第一组包括所述系统中全部N个频率子带的一部分，其中N是一个大于1的整数；以及

在第二组频率子带上以与所述数据TDM的方式发送第二个导频，其中，所述第二组比所述第一组包括更多的子带，并且其中，所述第一个和第二个导频由所述系统中的接收机用于同步。

2、如权利要求1所述的方法，其中，在预定持续时间的每帧中周期性地发送所述第一个和第二个导频。

3、如权利要求2所述的方法，其中，在每帧的起始处发送所述第一个导频，并且接着在所述帧中发送所述第二个导频。

4、如权利要求2所述的方法，其中，使用所述第一个导频以检测每帧的起始，并且其中，使用所述第二个导频以确定指示所接收到的OFDM符号的起始的符号定时。

5、如权利要求1所述的方法，其中，在一个OFDM符号中发送所述第一个导频。

6、如权利要求1所述的方法，其中，所述第一组包括N/2^M个频率子带，其中M是一个大于1的整数。

7、如权利要求1所述的方法，其中，在一个OFDM符号中发送所述第二个导频。

8、如权利要求1所述的方法，其中，所述第二组包括N/2^K个频率子带，其中K是一个等于或大于1的整数。

9、如权利要求1所述的方法，其中，所述第二组包括N/2个频率子带。

10、如权利要求1所述的方法，其中，在所述第一组和第二组的每个中的所述多个频率子带均匀分布在所述全部N个频率子带上。

11、如权利要求1所述的方法，其中，所述第一个导频还由所述接收机用于频率误差估计。

12、如权利要求1所述的方法，其中，所述第二个导频还由所述接收机用于信道估计。

13、如权利要求1所述的方法，还包括：

在第三组频率子带上以与所述数据频分复用(FDM)的方式发送第三个导频，其中，所述接收机使用所述第一个和第二个导频以获得帧和符号定时，并且其中，所述第三个导频由所述接收机用于频率和时间跟踪。

14、如权利要求13所述的方法，其中，所述第三个导频还被用于信道估计。

15、如权利要求1所述的方法，还包括：

用伪随机数(PN)发生器生成所述第一个和第二个导频。

16、如权利要求15所述的方法，还包括：

对于所述第一个导频，将所述PN发生器初始化到第一个初始状态，以及

对于所述第二个导频，将所述PN发生器初始化到第二个初始状态。

17、如权利要求15所述的方法，其中，所述PN发生器也被用于在传输之前对数据进行加扰。

18、如权利要求1所述的方法，还包括：

以选择的数据生成所述第一个导频、所述第二个导频、或者所述第一个和第二个导频的每个，其中所述选择的数据用于降低所述导频的时域波形中的峰均变化。

19、一种正交频分复用(OFDM)系统中的装置，所述装置包括：

调制器，用于在第一组频率子带上以与数据时分复用(TDM)的方式提供第一个导频并且在第二组频率子带上以与所述数据TDM的方式提供第二个导频，其中，所述第一组包括所述系统中全部N个频率子带的一部分，其中N是一个大于1的整数，并且其中，所述第二组比所述第一组包括更多的子带；以及

发送单元，用于发送所述第一个和第二个导频，其中，所述第一个和第二个导频由所述系统中的接收机用于同步。

20、如权利要求19所述的装置，其中，在预定持续时间的每帧中周期性地发送所述第一个和第二个导频。

21、一种正交频分复用(OFDM)系统中的装置，所述装置包括：

用于在第一组频率子带上以与数据时分复用(TDM)的方式发送第一个导频的模块，其中，所述第一组包括所述系统中全部N个频率子带的一部分，其中N是一个大于1的整数；以及

用于在第二组频率子带上以与所述数据TDM的方式发送第二个导频的模块，其中，所述第二组比所述第一组包括更多的子带，并且其中，所述第一个和第二个导频由所述系统中的接收机用于同步。

22、如权利要求21所述的装置，其中，在预定持续时间的每帧中周期性地发送所述第一个和第二个导频。

23、一种在正交频分复用(OFDM)系统中执行同步的方法，所述方法包括：

对通过通信信道接收到的第一个导频进行处理，以检测预定持续时间的每帧的起始，其中，在第一组频率子带上以与数据时分复用(TDM)的方式发送所述第一个导频，并且其中，所述第一组包括所述系统中全部N个频率子带的一部分，其中N是一个大于1的整数；以及

对通过所述通信信道接收到的第二个导频进行处理，以获得指示所接收到的OFDM符号的起始的符号定时，其中，在第二组频率子带上以与所述数据TDM的方式发送所述第二个导频，并且其中，所述第二组比所述第一组包括更多的子带。

24、如权利要求23所述的方法，其中，在预定持续时间的每帧中周期性地发送所述第一个和第二个导频。

25、如权利要求23所述的方法，其中，所述对所述第一个导频进行处理的步骤包括：

基于在接收到的所述第一个导频的多个采样序列中的采样之间的延迟相关得到检测度量，以及

基于所述检测度量检测所述每帧的起始。

26、如权利要求25所述的方法，其中，基于度量门限值进一步检测所述每帧的起始。

27、如权利要求26所述的方法，其中，如果在所述第一个导频期间在预定量的时间内所述检测度量超过所述度量门限值，那么就检测到所述帧的起始。

28、如权利要求26所述的方法，其中，如果在所述第一个导频期间在一定百分比的时间内所述检测度量超过所述度量门限值，并且在此后预定量的时间内保持在所述度量门限值以下，那么就检测到所述帧的起始。

29、如权利要求23所述的方法，其中，所述对所述第一个导频进行处理的步骤包括：

基于在接收到的所述第一个导频的采样和所述第一个导频的期望值之间的直接相关得到检测度量，以及

基于所述检测度量检测所述每帧的起始。

30、如权利要求23所述的方法，其中，所述对所述第二个导频进行处理的步骤包括：

基于所述接收到的第二个导频获得信道脉冲响应估计；

确定所述信道脉冲响应估计的起始；以及

基于所述信道脉冲响应估计的所述起始得到所述符号定时。

31、如权利要求30所述的方法，其中，所述信道脉冲响应估计包括L个信道抽头，其中L是一个大于1的整数，并且其中，基于所述L个信道抽头确定所述信道脉冲响应估计的所述起始。

32、如权利要求31所述的方法，其中，所述确定所述信道脉冲响应估计的所述起始的步骤包括：

为多个窗位置中的每个确定落入窗内的多个信道抽头的能量，以及

将所述信道脉冲响应估计的所述起始设置到在所述多个窗位置中具有最高能量的窗位置处。

33、如权利要求32所述的方法，其中，如果多个窗位置具有所述最高能量，则将所述信道脉冲响应估计的所述起始设置到具有所述最高能量的最右边的窗位置。

34、如权利要求23所述的方法，还包括：

对所述第一个导频进行处理，以估计在接收到的用于所述第一个导频的OFDM符号中的频率误差。

35、如权利要求23所述的方法，还包括：

对所述第二个导频进行处理，以估计在接收到的用于所述第二个导频的OFDM符号中的频率误差。

36、如权利要求23所述的方法，还包括：

对所述第二个导频进行处理，以获得对于所述通信信道的信道估计。

37、如权利要求23所述的方法，还包括：

对通过所述通信信道接收到的第三个导频进行处理以用于频率和时间跟踪，其中，在第三组频率子带上以与所述数据频分复用(FDM)的方式发送所述第三个导频。

38、一种正交频分复用(OFDM)系统中的装置，所述装置包括：

帧检测器，用于对通过通信信道接收到的第一个导频进行处理，以检测预定持续时间的每帧的起始，其中，在第一组频率子带上以与数据时分复用(TDM)的方式发送所述第一个导频，并且其中，所述第一组包括所述系统中全部N个频率子带的一部分，其中N是一个大于1的整数；以及

符号定时检测器，用于对通过所述通信信道接收到的第二个导频进行处理，以获得指示接收到的OFDM符号的起始的符号定时，其中，在第二组频率子带上以与所述数据TDM的方式发送所述第二个导频，并且其中，所述第二组比所述第一组包括更多的子带。

39、如权利要求38所述的装置，其中，在预定持续时间的每帧中周期性地发送所述第一个和第二个导频。

40、如权利要求38所述的装置，其中，所述帧检测器用于基于接收到的所述第一个导频的多个采样序列中的采样之间的相关得到检测度量，并且基于所述检测度量检测所述每帧的起始。

41、如权利要求38所述的装置，其中，所述符号定时检测器用于基于所述接收到的第二个导频获得信道脉冲响应估计，确定所述信道脉冲响应估计的起始，并且基于所述信道脉冲响应估计的所述起始得到所述符号定时。

42、一种正交频分复用(OFDM)系统中的装置，所述装置包括：

用于对通过通信信道接收到的第一个导频进行处理以检测预定持续时间的每帧的起始的模块，其中，在第一组频率子带上以与数据时分复用(TDM)的方式发送所述第一个导频，并且其中，所述第一组包括所述系统中全部N个频率子带的一部分，其中N是一个大于1的整数；以及

用于对通过所述通信信道接收到的第二个导频进行处理以获得指示接收到的OFDM符号的起始的符号定时的模块，其中，在第二组频率子带上以与所述数据TDM的方式发送所述第二个导频，并且其中，所述第二组比所述第一组包括更多的子带。

43、如权利要求42所述的装置，其中，在预定持续时间的每帧中周期性地发送所述第一个和第二个导频。