利用訓練循環前綴的ofdm同步方法
2023-06-05 21:05:01
專利名稱：利用訓練循環前綴的ofdm同步方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術，尤其涉及無線通信中的OFDM系統。
背景技術：
正交頻分復用OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術，它的特點是各子載波相互正交，使擴頻調製後的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互幹擾。然而相對於單載波系統，OFDM系統對定時和頻率偏移非常敏感。為了消除符號間幹擾(ISI)和載波間幹擾(ICI)，同步估計就顯得非常重要了。
現有技術對OFDM系統的同步估計均採用的是關於數據輔助(data-aided)估計算法和非數據輔助估計算法。數據輔助估計由於要用多個OFDM塊傳導頻符號或訓練序列，造成了資源浪費，帶來了信息速率的損失；非數據輔助估計雖然沒有資源浪費，但是在多徑衰落信道時估計的性能不佳，精度不高。
經典的利用數據相關性性質的ML(最大似然)算法是基於高斯信道下提出來的，但在多徑衰落信道下由於信道的影響，循環前綴的重複性質變差使得定時點d和其兩邊抽樣點的ML函數值很接近，造成定時估計性能嚴重下降。由於定時估計的性能不佳，使得頻偏估計的性能也隨之下降。如Van de BeekJ J等[Van de Beek J J，Sandell M，Boriesson P O.ML estimation of timeand frequency offset in OFDM systems.IEEE Transaction on SignalProcessing，1997，45(7)1800-1805]根據OFDM符號後端的數據和循環前綴數據相關的原理，採用ML算法同時進行定時和頻偏估計，但是在衰落信道下時效果不佳，而且不能進行整數倍頻偏估計，以致同步效果不佳。
發明內容
本發明提出了一種利用訓練循環前綴的OFDM同步方法，針對現有技術中採用ML算法進行頻偏估計的上述缺陷而提出了一種新的頻偏估計方法，彌補了現有技術的上述不足。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是提出一種利用訓練循環前綴的正交頻分復用OFDM同步方法，該方法包括步驟在OFDM符號後端插入訓練序列並由此產生循環前綴，固定OFDM符號中的訓練序列段並尋找與之相匹配的定時偏差值，根據定時偏移值計算小數倍頻偏，然後得到整數倍頻率偏差，實現OFDM同步。並通過固定OFDM符號中的訓練序列部分，不斷改變定時偏差值而得到一段OFDM符號可能的循環前綴，提高了符號定時的精度，並可以進行整數倍頻偏估計。根據逆傅立葉變換IFFT前的訓練序列和傅立葉變換FFT後的訓練序列兩者之間只有一種循環移位的關係，根據兩者的相關性質得到整數倍頻率偏差。
本發明的有益效果，採用本發明提出的利用訓練循環前綴的正交頻分復用同步方法，定時估計精度可以得到大幅度的提升，進而改善小數倍頻偏估計的性能，並且相對於ML算法不能進行整數倍頻偏估計的缺陷，本發明也很好的解決了這個問題。
圖1利用訓練循環前綴的OFDM同步的系統模型2插入訓練序列的OFDM符號結構圖3採用ML算法與本發明所述方法的定時估計性能效果比較圖
具體實施例方式
本發明提出了一種簡單而且高效的利用訓練循環前綴的OFDM同步算法。在OFDM符號後端插入訓練序列，由此訓練序列產生循環前綴，固定OFDM符號中的訓練序列段並尋找與之相匹配的定時偏差值，在接收端根據兩者的時域相關性質做定時估計，進而進行小數倍頻偏估計，經過定時和小數倍頻偏校正後，去循環前綴和傅立葉變換FFT，這時根據原始訓練序列和接收訓練序列的頻域相關性質可以得到整數倍頻偏估計，從而實現OFDM同步。
(1)建立利用訓練循環前綴的OFDM同步算法系統模型如圖1所示為利用訓練循環前綴的OFDM建立的同步系統，在OFDM系統中，傳輸端的N個複數符號(d0……dk……dK-1)即OFDM符號經過逆傅立葉變換IFFT後被調製到N個子載波上，取N個複數符號的後面L個(Tx)作為訓練序列。這其中的最後L個樣值(即訓練序列)被插在每個OFDM符號的開始以形成保護間隔。在經過並串變換P/S和逆傅立葉變換IFFT以後，基帶調製信號s(n)被表示為s(n)=1Nk=0N-1dkexp(j2k(n-L)N)]]>這裡的dk是經過星座點映射後的數據符號。每一個OFDM周期是M＝N+L。當s(n)通過衝激響應為h(n，1)的多徑信道後，輸出信號x(n)被表示為x(n)=lh(n,l)s(n-l)]]>在接收端，由於符號定時偏差和載波頻率偏差的影響，實際接收信號r(n)被表示為r(n)＝x(n-d)ej2πΔfn/N+w(n)其中d表示符號定時偏差，Δf表示由接收端與發射端之間振蕩頻率的不同以及都卜勒頻移引起的載波頻率偏差。w(n)為零均值的高斯白噪聲，它與信號相互獨立。
在時域接收端，從接收信號r(n)中取出一段長為L的數據段R(i)＝[r(i)，r+(i+1)，…，r(i+L-1)]i＝0，1，2，…其中i為定時偏差，當取值i變化時，得到的數據段R(i)也不同。
若在時域上的訓練序列部分為train(n)，0≤n≤L-1，由數據相關性質可以得到與固定訓練序列段相關的定時偏差Δdd=argmaix{sum(|R(i)*conj(train)|)}]]>估計出與固定訓練序列段相關的定時偏差Δd後，可以求得小數倍頻偏估計值為fF=-12k=dd+L-1r(k)r*(k+N)]]>經過定時和小數倍頻偏校正後確定了系統的定時偏差和小數倍頻偏，在去循環前綴S/P和傅立葉變換FFT後，系統中還剩有整數倍頻偏。此時頻域的OFDM符號中的訓練序列表示為Z(k)，k＝0，1，…L′-1(其中L′為訓練序列長度)。根據FFT運算的性質，在時域上頻偏的影響相當於在頻域上的一個移位，由此我們可以得到整數倍頻偏估計為fI=argmajx{|k=0L-1Z(k)d*(k+j)L|}-L2fIL2]]>這裡的d(k+j)L′表示d(k)長度為L′的循環移位。
由上式可知，整數倍頻率偏差的估計值取決於逆傅立葉變換IFFT前傳輸端的複數符號d(k)和傅立葉變換FFT後的訓練序列Z(k)。
如圖2所示，我們在每個OFDM符號的後端插入訓練序列Tx，將此訓練序列複製到OFDM符號Tifft的前端形成循環前綴Tg。在時域接收端，接收信號r(n)經過串/並變換S/P後，從並行信號r0…rN…rN+L-1中取出一段長為L的數據段R(i)與在時域上固定的訓練序列部分[train(n)]作相關運算，由兩者的相關性質，可以求得相關性最大時定時偏移Δd。當取值i變化時，數據段R(i)也不同，不斷改變定時偏差值i得到一段OFDM符號可能的循環前綴，若在時域上的訓練序列部分為train(n)，由兩者的相關性質，可以求得相關性最大時定時偏移i的大小，由此得到最佳的循環前綴Tg，再根據求得的定時偏差值，根據ML算法或其他算法，求得小數倍頻偏。然後再經過去循環前綴S/P和傅立葉變換FFT後，得到整數倍頻偏。
與ML算法相比較，本方法固定了OFDM符號後端的數據段(已知的訓練序列)，通過改變可能的定時偏差值i的大小，找出與固定數據段相關性最大的一段數據R(i)，求得定時偏差Δd與ML算法相比較，本方法固定了OFDM符號後端的數據(已知的訓練序列)，通過改變可能的定時偏差值i的大小，找出與固定數據段相關性最大的一段數據R(i)，求得定時偏差Δd。因此，本算法的定時估計精度可以得到大幅度的提升，進而改善小數倍頻偏估計的性能，並且相對於ML算法不能進行整數倍頻偏估計的缺陷，本算法也很好的解決了這個問題。從而更好實現OFDM的同步。
(2)性能實例我們在TD-SCDMA系統環境下，選取的OFDM主要參數為抽樣頻率F＝1.6MHz；總的子載波數N＝256；平均分給16個用戶，每個用戶佔用16個子載波；最後1個用戶的16個子載波放TD-SCDMA系統中的訓練序列midamble碼；1個0.675ms的TD-SCDMA時隙佔用4個OFDM符號；循環前綴佔用14個抽樣點。具體的OFDM參數設置見表1。數據符號採用QPSK調製，訓練序列採用TD-SCDMA系統中的基本midamble碼，將原始的128位midamble碼經過加擾處理後使用前64位，平均插入4個OFDM符號內(1個TD-SCDMA時隙使用4個OFDM符號)，每個OFDM符號使用16位，在取它的後14位形成循環前綴。
表1 OFDM系統的主要參數
在Case3信道環境下，對採用ML算法與本發明提出的方法進行比較，從附圖3可以看出，採用本發明的方法正確估計出定時偏移位置的可能性比ML算法高出近20％，定時估計性能大幅度提高，由於定時估計性能的大幅度提高，進而使得小數倍頻偏估計性能也得到大幅度的改善，並且能進行整數倍頻偏估計，彌補了採用ML算法進行頻偏估計的不足。還能滿足TD-SCDMA系統幀結構的要求，當系統處於慢衰落信道時，可以同時利用時隙中多個OFDM符號進行估計。因此，該算法完全能解決實際中的OFDM同步問題。
權利要求
1.一種利用訓練循環前綴的正交頻分復用OFDM同步方法，在OFDM符號後端插入訓練序列並由此產生循環前綴，其特徵在於，固定OFDM符號中的訓練序列段並尋找與之相匹配的定時偏差值，改變定時偏差值得到可能的循環前綴，根據定時偏移值計算小數倍頻率偏差，然後得到整數倍頻率偏差，實現OFDM同步。
2.根據權利要求1所述的正交頻分復用OFDM同步方法，其特徵在於，採用最大似然算法ML計算小數倍頻偏，去循環前綴以及傅立葉變換FFT後得到整數倍頻偏。
3.根據權利要求1所述的正交頻分復用OFDM同步方法，其特徵在於，不斷改變定時偏差值得到一段OFDM符號最佳的循環前綴。
4.根據權利要求1所述的正交頻分復用OFDM同步方法，其特徵在於，根據逆傅立葉變換IFFT前的複數符號和傅立葉變換FFT後的訓練序列計算整數倍頻率偏差。
全文摘要
本發明請求保護一種利用訓練循環前綴的OFDM同步方法，涉及無線通信技術。該同步方法包括在OFDM符號後端插入訓練序列並由此產生循環前綴，固定訓練序列段來尋找與之相匹配的定時偏差，根據定時偏移值計算小數倍頻偏，然後得到整數倍頻率偏差。由訓練序列段來計算整數倍頻率偏差，通過固定OFDM符號中的訓練序列部分，不斷改變定時偏差值而得到一段OFDM符號可能的循環前綴，可以進行整數倍頻偏估計，並且定時估計精度能得到大幅度的提升，提高了系統同步精度。
文檔編號H04L5/02GK1917491SQ200610054479
公開日2007年2月21日 申請日期2006年7月24日 優先權日2006年7月24日
發明者謝顯中, 張榮濤 申請人:重慶郵電大學