一種新一代無線移動通信系統中的同步方法

2023-10-08 14:18:04 1

專利名稱：一種新一代無線移動通信系統中的同步方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，特別涉及新一代OFDM多載波通信系統中同步技術。可以應用於數字廣播電視系統、無線移動通信系統等採用OFDM調製的系統中。
背景技術：
新一代移動通信的目標是能夠提供更高傳輸速率、更高的頻譜利用率，基於這樣的目標，以及多載波方案的正交頻分復用(簡稱OFDM)技術在已有的通信系統中的成功應用，OFDM技術被選為新一代移動通信的核心調製解調技術。
OFDM技術是將速率很高的信息碼流分成許多低速碼流，在一組正交的子信道上進行並行傳輸的技術。採用OFDM技術可以擴展子信道傳輸符號的寬度，從而大大簡化接收機中均衡器的設計。同時，OFDM技術採用時間保護間隔有效地去除符號間幹擾，從而克服了短於TGI的多徑幹擾。另一方面，OFDM技術利用子載波間的正交性，有效地提高了頻譜利用率。這是OFDM技術的主要優點。
但是，OFDM系統對同步誤差十分敏感。在無線傳輸鏈路中，色散衰落、快速移動的信道狀況下，解調端需要在得知準確同步的前提下才能完成FFT操作以及信道估計等一系列操作。
一般而言，同步技術按照其是否採用已知信息來形成同步信號可以分為有先驗信息的同步方法和盲同步方法。前者又可分為採用PN序列或者導頻進行的同步方法、採用保護間隔進行的同步方法。採用保護間隔進行同步的方法對於AWGN信道時間同步性能較好，對於高速移動的多徑瑞利信道則不能保證良好的性能；同時採用保護間隔進行同步，其頻率同步範圍較小。採用導頻來實現同步在DVB-T系統中應用較多，在移動速度較高時會出現性能上的不理想。採用PN序列來進行同步是目前非常流行的性能也很不錯的方法；一般按照PN序列是否獨立佔用時隙可以將其劃分為並行PN序列同步方法和串行PN序列同步方法。為了實現新一代移動通信系統高速率數據傳輸，最新的方法就是採用並行PN序列進行同步方法。然而，由於採用的PN序列疊加在信息符號上，這對信息符號產生了幹擾。雖然Liying Song，YouxiTang，Hongzhi Zhao，Shaoqian Li，etc，Optimum partial interference canceling factor pilot assistantcoherent OFDM system with partial power training sequences synchronization，The 14thIEEE 2003international symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio CommunicationProceedings，pp1906-1910.提出了一種消除部分幹擾的方法，但該方法隱含了一個條件即對接收機結構的改變；而文獻Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner，Peter Hoeher and Ove Edfors，OFDM time and frequency synchronization by spread spectrum pilot technique，IEEEConference，1999.和文獻Steinga B.A，etc，Frame synchronization using superimposed sequence，Proc.IEEE ISIT』97，ULM，Germany，1997，pp489.採用在不同同步階段選用不同能量因子以調整疊加PN序列能量的方法確實能夠實現同步，但是造成了對系統性能的影響，尤其是在高速移動環境下需要快速同步，這個方法更不適合。在專利200510035894.9中提出了一種弱能量並行巴克碼幀同步方法，該方法利用長度為32的並行巴克碼，將其能量降低到很弱的情況，由此產生幀同步信號，該法確實能獲得較好的幀同步性能，但是由此同步信號不能獲得頻率同步。本專利從另一個角度來考慮PN序列以獲得同步信號。

發明內容
本發明的目的是提出一種新一代移動通信系統中的同步方法。該法不僅計算複雜度很低，而且同步性能很好。
為實現上述目的，本發明提出了一種新一代移動通信系統中的同步方法。其技術方案是在系統信息通帶兩端的保護帶內選用N個連續的子載波組充當同步檢測符號，將具有優良自相關特性的偽隨機序列疊加在保護帶內的N個子載波上，並分配較弱的能量，由此弱能量的訓練序列產生同步信號以獲得幀同步。
本發明的同步原理詳細說明如下步驟1選擇一個長度為N的具有優良的自相關特性的偽隨機序列c[k]。將該序列在時域疊加在OFDM信號的保護帶上，在這個過程中偽隨機序列被分配極弱的能量ρ，而其餘的能量分配到保護帶的符號d[k]上。對於子載波數為Nc的OFDM系統，在AWGN信道中，基帶接收信號可以表示為r[k-]=s[k-]+n[k-]]]>=(c[k-]+1-d[k-])ej(2kNc+)+n[k-]]]>(1)其中，ρ為所疊加導頻能量和傳輸符號總能量之比；n[k]為復高斯白噪聲，θ為載波相位，ε為待估計的歸一化頻偏，τ為待估計的定時位置。發射信號和噪聲的功率分別為σs2和σn2。
特別值得一提的是，在本專利中，偽隨機序列所分配的能量ρ可以非常弱；由於該偽隨機序列是疊加到保護帶內的子載波上，而保護帶內沒有傳輸信息符號，均以零充填(即d[k]＝0)，所以，實際上，該疊加的偽隨機序列就相當於獨立佔用了該時隙，與其他採用獨立佔用時隙的串行PN序列同步算法不同的是，本專利中的偽隨機序列所分配的能量僅為整個符號能量的極少部分，而一般的串行偽隨機序列符號所分配的能量則是整個符號的能量。當然，如果對該偽隨機序列分配較強能量或者全部能量也可，只要該偽隨機序列所佔用的子載波數不多，也不會對保護帶的性能帶來明顯影響。這就是本專利與其他常規算法不同的核心思想。尤其是本專利中將偽隨機序列放在保護帶內，這是現有所有常規同步算法所沒有採用的思想。
步驟2接收信號通過本地偽隨機序列解擴，有
c*[k]r[k+]=c*[k]c[k+]ej(2kNc+)+1-c*[k]d[k+]ej(2kNc+)+n[k+]---(2)]]>對於幀同步，假設兩個序列之間的相對滑動位置τ為整數。為了進行同步，在式(2)中最後兩項可以看作噪聲幹擾。
步驟3 由接收端的解擴信號可以獲得以下信號cor[k,]=1Nl=1Nr[k+l+]c*[l+]---(3)]]>設包起始時間的估計值為 ，當檢測器的輸出cor[k， ]大於指定門限值，則表示找到符號同步的起始位置。其中，c*[.]表示對c[.]取共軛。
本發明在OFDM通信系統的發送端通過在時域保護帶內疊加具有優良自相關特性的只分配少量能量的偽隨機序列，實現了DVB-T 2K系統在尚沒有獲得時間同步和頻率同步的情況下首先獲得幀同步，從而改善了系統的移動性能。
與現有技術最大的區別在於第一、偽隨機序列與保護帶內信息並行，即偽隨機序列是疊加在保護帶內信息上的；第二、疊加的偽隨機序列僅分配總能量的一部分的能量(所分配能量可以是非常弱的能量，也可以是比較強的能量)，從而與常規方法不一樣。第三、由於該偽隨機序列是疊加在保護帶內的，而保護帶內數據常以零充填，所以，該疊加的偽隨機序列僅對保護帶產生一定影響；由於該疊加偽隨機序列很短，僅佔用幾個子載波，而且所分配的能量又極弱，所以，該專利技術中疊加訓練序列對有用信息和系統的幹擾非常小。第四、該專利技術中選用的偽隨機序列可以非常短，如選用長度為5的巴克碼。第五、同步算法不同。
本發明適用於採用所有採用OFDM進行調製的通信系統中進行幀同步和時間同步，尤其是適用於歐洲數字地面電視(DVB-T)系統中。雖然本發明的技術主要針對頻分多址的系統，但任何具有信號處理、通信等知識背景的工程師，都可以根據本發明設計出相應的針對碼分多址和時分多址的幀同步或時間同步裝置，其均應包含在本發明的思想和範圍中。


圖1給出了本專利中在保護帶內疊加偽隨機序列的N個子載波示意圖。由於該疊加偽隨機序列與常規的串行同步方法不同，與專利「一種弱能量並行巴克碼幀同步方法」(專利申請號200510035894.9)中將巴克碼疊加在有用信息符號上也不同。
具體實施例方式
下面通過具體的實施對本發明的技術方案作進一步的描述。
步驟1為了減少對保護帶的影響，選用長度為5的巴克碼；在發射端時域將該巴克碼疊加在與信息符號相鄰的保護帶子載波上，並分配較弱的能量，取ρ為0.025，即所疊加導頻能量和傳輸符號總能量之比為0.025。
步驟2將包含巴克碼信息的信號發射出去，通過歐洲DVB-T標準中規定的20條Rayleigh多徑信道，其移動臺的速度為120km/h，信道信噪比SNR＝6dB，並按照式(2)對接收信號進行解調，獲得基本解調單元信號。
步驟3在接收端通過式(3)可以獲得同步信號，並通過設置自適應門限獲得幀同步。仿真表明，該算法正確同步概率可以達到99％。
權利要求
1.本發明涉及一種新一代無線移動通信系統中的同步技術，其特徵在於包括如下步驟步驟1選擇一個長度為N的具有優良的自相關特性的偽隨機序列c[k]。將該序列在時域疊加在OFDM信號的保護帶上，在這個過程中偽隨機序列被分配極弱的能量ρ，而其餘的能量分配到保護帶的信息符號d[k]上。對於子載波數為Nc的OFDM系統，在AWGN信道中，基帶接收信號可以表示為r[k-]=s[k-]+n[k-]]]>=(c[k-]+1-d[k-])ej(2kNc+)+n[k-]---(1)]]>其中，ρ為所疊加偽隨機序列能量和傳輸符號總能量之比；n[k]為復高斯白噪聲，θ為載波相位，ε為待估計的歸一化頻偏，τ為待估計的定時位置。發射信號和噪聲的功率分別為σs2和σn2。步驟2接收信號通過本地偽隨機序列解擴，有c*[k]r[k+]=(c*[k]c[k+]ej(2kNc+)+1-c*[k]d[k+])ej(2kNc+)+n[k+]---(2)]]>對於幀同步，假設兩個序列之間的相對滑動位置τ為整數。為了進行同步，在式(2)中最後兩項可以看作噪聲幹擾。步驟3由接收端的解擴信號可以獲得以下信號cor[k,]=1Nl=1Nr[k+l+]c*[l+]---(3)]]>設包起始時間的估計值為 當檢測器的輸出 大於指定門限值，則表示找到符號同步的起始位置。其中，c*[.]表示對c[.]取共軛。
2.如權利要求1所說，一種新一代無線移動通信系統中的同步技術，其特徵在於該疊加的偽隨機序列是在發射端時域疊加在保護帶內子載波上。
3.如權利要求1所說，一種新一代無線移動通信系統中的同步技術，其特徵在於該疊加在保護帶內子載波上的偽隨機序列所分配的能量可以根據需要進行調整。
4.如權利要求1所說，一種新一代無線移動通信系統中的同步技術，其特徵在於產生同步信號的方法式(3)可以更換。
5.如權利要求1所說，一種新一代無線移動通信系統中的同步技術，其特徵在於該同步方法的思想不僅可用於OFDM調製的多載波系統，而且也可用於CDMA、TDMA等系統。
全文摘要
本發明屬於通信技術領域，特別涉及一種新一代無線移動通信系統中的同步方法，可以應用於數字廣播電視系統、無線移動通信系統等採用OFDM調製的系統中。本發明提供了一種計算複雜度低的、性能優良的新一代OFDM多載波通信系統同步方法。該法將疊加的具有優良自相關性的偽隨機序列疊加在保護帶內子載波上，並對偽隨機序列分配極弱的能量，並由此偽隨機序列在接收端與本地序列產生同步信號。本發明正確同步概率高，而且對系統性能沒有任何影響。
文檔編號H04L27/26GK101087285SQ200610035919
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月9日 優先權日2006年6月9日
發明者羅仁澤 申請人:羅仁澤