CN100499623C - 一种实现正交频分复用精确时间同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现正交频分复用精确时间同步的方法，关键是OFDM***对接收到的信号进行整数频偏同步处理后，补偿信号损失还原出信号本身；将还原出的信号进行频时转换，获取转换后的时域参考信号，并应用该时域参考信号与整数频偏同步处理后的信号进行多径搜索，确定首径抵达时刻及幅度相位值，实现精确时间同步。本发明不需要前导信元就能实现精确时间同步，节约了***开销，提高了数据发送速率。同时，通过选取受后达径影响较小的部分进行分数频偏二次同步，提高了分数频偏估计的精确度，降低了***因同步误差带来的性能损失。在实现精确时间同步的基础上，还提供了一种实现同步跟踪的方法，使OFDM***进一步摆脱了对前导信元的依赖。

Description

一种实现正交频分复用精确时间同步的方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术中的数据传输技术领域，特别是指一种实现正交频分复用(OFDM)精确时间同步的方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是利用并行传输来提高通信数据传输速率的一种移动通信技术。该技术的基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，就可以从混叠的子载波上分离出数据信号。

由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，同时，该技术还具有抗多径干扰及码间串扰、信道估计及均衡实现容易、***实现复杂度低等许多优点，因而是一种高效的调制方式。而且该技术很容易与各种多址技术相结合，因而被普遍认为是***移动通信***中不可或缺的核心技术。目前该技术已在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、非对称数字用户线(ADSL)、无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)、无线个域网(WPAN)、无线高速非授权城域网(WHUMAN)等许多数据通信***中被广泛应用，在802.16协议中已确定使用OFDM技术，电气和电子工程师协会(IEEE)标准化组织目前正在讨论的802.20移动宽带无线接入***也将采用该调制技术。

OFDM符号在频域中由子载波构成，子载波的数目决定了时频变换(FFT)的点数。子载波有三种类型，其分别是数据子载波、导频子载波和虚拟子载波。其中，数据子载波用于数据传输；导频子载波最初是用来消除残留相差的，随着技术的发展，导频子载波的作用进一步扩大，可用来进行频率同步及信道估计。虚拟子载波是指不发送任何数据的载波，是OFDM***为了降低对邻近频段的干扰而引入的。

OFDM技术具有上述众多优点，但其对时间同步，尤其是时间精确同步的要求非常高，这样才能保证子载波之间的正交性。这是因为：如果提前同步，对于不同的子载波会引入不同的相位差，随着误同步偏差的增大，***的性能也随之受到越来越大的影响，特别对于OFDM中的高频子载波会引入较大的相位差，对于高阶调制来说，这种偏差将导致性能急剧降低而使得高阶调制无法使用。如果推迟同步，将引入符号间干扰，导致性能急剧下降。另外时间误同步会在相当程度上影响分数频率同步(FFO)的性能。因此，OFDM***中的精确时间同步，是该***中一项非常重要的关键技术。

图1所示为OFDM实现时频同步的总体流程图示意图。

步骤101，OFDM***对接收到的信号进行时间粗同步。具体方法为：采用前导信元即前导序列(preamble)来进行时间同步，即通过对前后两段相同的数据进行相关来获得时间粗同步，从而获取接收信号的同步峰值相位信息。或者，利用与循环前缀长度相等的时间窗，对接收到的信号进行滑动相关，依靠正交频分复用OFDM符号内的循环前缀进行时间粗同步，获取接收信号的同步峰值相位信息。

步骤102，分数频偏同步。具体方法为：根据步骤101所述的同步峰值相位信息进行分数频偏估计，并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正，使修正后的接收信号中只存在整数频偏。

步骤103，时频转换。具体方法为：将经步骤102处理后的信号通过快速傅立叶变换(FFT)或者离散时间傅立叶变换(DFT)变换转换到频域。

步骤104，整数频偏同步。具体方法为：首先利用Preamble序列中的已知子载波信息进行差分相关匹配滤波，以进行整数频偏估计，然后再进行整数频偏补偿，即利用估计出的整数频偏信息对接收信号进行修正，使修正后的接收信号中不存在整数频偏。

步骤105，时间精确同步。具体方法为：利用前导信元与经步骤104处理后的信号进行匹配滤波，搜索并获取多径信息，从而根据首径来精确定位同步时刻，实现时间精确同步。

步骤106，分数频偏二次同步。即再次进行分数频偏估计，并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正，使修正后的接收信号中只存在整数频偏，从而实现精确的时频同步。

上述实现精确时频同步的方法中，利用前导信元虽然能够实现精确时间同步，但前导信元是要额外消耗***资源的。尤其是在移动环境中，每间隔一段时间就必须进行一次时间精确同步，否则由于时间同步误差带来的性能损失是***无法忍受的。这样，每次进行时间精确同步时都必须发送前导信元，这必将导致增加***开销，降低数据发送的速率。然而，如果不使用前导信元，还没有有效的方法来完成精确时间同步。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现OFDM精确时间同步的方法，使得不需要前导信元就能够实现精确的时间同步，从而节约***开销，提高数据发送速率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种实现正交频分复用精确时间同步的方法，该方法包括以下步骤：

ax、正交频分复用OFDM***对接收到的信号进行时间粗同步、分数频偏估计和时频域转换处理；

a、所述OFDM***对所述进行时频域转换后的信号进行整数频偏同步处理后，补偿信号损失，还原出信号本身；

b、将还原出的信号进行频时转换，获取转换后的时域参考信号，并应用该时域参考信号与整数频偏同步处理后的信号进行多径搜索，将时域参考信号与经整数频偏处理后的信号进行匹配滤波或滑动相关，获取匹配峰值，并选取第一个到达预设幅度阈值的径为首径，确定该首径抵达时刻及幅度相位值，实现精确时间同步。

较佳地，如果OFDM信号中存在导频子载波，则步骤a所述补偿信号损失的方法为：利用导频子载波通过线性插值或者最小均方误差插值进行信道估计，并根据信道估计值，将整数频偏同步处理后的信号乘以该信号所在信道估计值的共轭，实现信号损失补偿。

较佳地，所述还原出信号本身的方法为：将信号补偿后的信息进行解调制。

较佳地，如果在发射端有编码操作，则将信号补偿后的信息进行解调制之后，进一步包括：OFDM***判断当前的信道传输质量是否在要求的范围内，如果是，则直接执行步骤b，否则执行相应的解码操作后，再执行步骤b。

较佳地，如果OFDM信号中不存在导频子载波，则步骤a所述补偿信号损失还原出信号本身的方法为：采用差分解调制的方法补偿信号损失，采用差分解调制的方法还原出信号本身。

较佳地，该方法进一步包括：确定多径的抵达时刻及幅度相位值，并根据该多径的抵达时刻及幅度相位值，通过时频变换获得信道估计值，进行信号补偿和动态子载波资源分配。

较佳地，步骤b所述时域参考信号为：已获得的时域信号本身，或者，已获得的时域信号的循环前缀，或者，已获得的时域信号本身及其循环前缀共同构成的信号，或者，已获得的时域信号中任一段大于等于其循环前缀长度的部分构成的信号，或者，由一个以上已获得的时域信号本身和已获得的时域信号的循环前缀共同构成的长度大于一个时域信号及其循环前缀的信号。

较佳地，该方法进一步包括：根据对信号质量的要求设定幅度阈值，选择超过此幅度阈值的时刻，这些时刻即为多径到达的时刻，且其所对应的幅度相位值即为多径的幅度相位值。

较佳地，根据同步性能要求设置同步阈值，且该同步阈值通常在0至1之间，步骤b执行完毕后，该方法进一步包括：

01)判断通过匹配滤波或者滑动相关得到的最大绝对值与平均相关值的绝对值的比值是否大于等于该已设定的同步阈值，如果是，则同步成功，并继续保持同步跟踪状态；否则执行步骤02)；

02)***进入中间状态，判断***当前是否已在预先设定的次数内仍然不能实现同步跟踪，如果是，则宣告失去同步，重新进入同步搜索状态，否则重新执行步骤b后，再返回步骤01)。

应用本发明，OFDM***对接收到的信号进行整数频偏同步处理后，补偿信号损失，还原出信号本身；将还原出的信号进行频时转换，并应用该转换后的时域信号与整数频偏同步处理后的信号进行多径搜索，确定精确同步峰值相位信息，实现精确时间同步。应用本发明所述的方法，不需要前导信元就能够实现精确的时间同步，节约了***开销，提高了数据发送速率。

另外，在本发明所述精确时间同步的基础上，通过选取受前一OFDM符号能量较大后达径影响较小的部分进行分数频偏二次同步，提高了分数频偏估计的精确度，降低了***因同步误差带来的性能损失。

再有，本发明在实现精确时间同步的同时，OFDM***确定了多径的到达时刻和幅度相位值，因而能够精确地估计出多径时延，并精确估计出功率时延谱的幅度值。在利用差分解调制的方法实现精确同步之后，还可以利用多径的时刻及幅度相位值进行时频变换进行信道估计，再进行信道补偿和动态子载波资源分配。

最后，在实现精确时间同步的基础上，本发明还提供了一种实现同步跟踪的方法，使OFDM***进一步摆脱了对前导信元的依赖。

附图说明

图1所示为OFDM实现时间同步的总体流程图示意图；

图2所示为应用本发明实施例一的流程示意图；

图3所示为典型城市信道下精确定位同步时刻的仿真效果图；

图4所示为应用本发明实施例二的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，再对本发明做进一步地详细说明。

本发明的思路是：OFDM***对接收到的信号进行整数频偏同步处理后，补偿信号损失，还原出信号本身；将还原出的信号进行频时转换，获取转换后的时域参考信号，并应用该时域参考信号与整数频偏同步处理后的信号进行多径搜索，确定首径抵达时刻及幅度相位值，实现精确时间同步。应用本发明所述的方法，不需要前导信元就能够实现精确的时频同步，节约了***开销，提高了数据发送速率。同时，通过选取受前一OFDM符号能量较大的后达径影响较小的部分进行分数频偏二次同步，提高了分数频偏估计的精确度，降低了***因同步误差带来的性能损失。在实现精确时间同步的基础上，本发明还提供了一种实现同步跟踪的方法，使OFDM***进一步摆脱了对前导信元的依赖。

图2所示为应用本发明实施例一的流程示意图。在本实施例中，OFDM符号中存在导频子载波。

步骤201，OFDM***对接收到的信号进行时间粗同步。即利用与循环前缀长度相等的时间窗，对接收到的信号进行滑动相关，依靠正交频分复用OFDM符号内的循环前缀进行时间同步，获取接收信号的同步峰值相位信息。

步骤202，分数频偏同步。即根据步骤201所述的同步峰值相位信息进行分数频偏估计，并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正，使修正后的接收信号中只存在整数频偏。

步骤203，时频转换。具体方法为：将经步骤202处理后的信号通过FFT或DFT变换转换到频域。

步骤204，整数频偏同步。具体方法为：首先进行整数频偏估计，然后再进行整数频偏补偿，即利用估计出的整数频偏信息对接收信号进行修正，使修正后的接收信号中不存在整数频偏。

具体的可以采用本申请人提出的申请号为“200410042904.7”，发明名称为“一种正交频分复用时频同步的方法”的中国专利申请中提出的方法进行整数频偏估计；也可以采用本申请人同一日递交的发明名称为“一种正交频分复用整数频率同步的方法”的中国专利申请中提出的方法进行整数频偏估计；当然，也可以采用采用极大似然法进行整数频偏估计或者现有的其它方法进行整数频偏估计。

步骤205，信道估计及补偿。即利用导频子载波通过线性插值或者最小均方误差(MMSE)插值进行信道估计，并根据信道估计值，将经步骤204处理后的信号乘以该信号所在信道估计值的共轭，实现信道补偿。至此，补偿了信号损失。与此同时，利用得到的频域信道估计，还可进行动态子载波资源分配。

步骤206，将信道补偿后的信息进行解调制，还原出信号本身。如果在发射端未编码，则直接执行步骤207，如果在发射端有编码，则***进一步判断当前的信道传输质量是否在要求的范围内，如果是，则直接执行步骤207，否则还需执行相应的解码操作，然后再执行步骤207。

步骤207，频时变换。即将时域信号通过IFFT或IDFT转换为频域信号。

步骤208，时间精确同步。具体方法为：获取转换后的时域参考信号，将该时域参考信号与经整数频偏处理后的信号在时间粗同步确定的最大误差范围内，如时间粗同步前后的10个或15个码片内，进行匹配滤波或滑动相关，以获取最大峰值，并对匹配滤波或滑动相关的结果进行归一；根据对信号质量的要求设定幅度阈值，如0.5，选取第一个到达的超过该阈值的径，该径即为首径，该首径到达时刻所对应的幅度相位值即为首径的幅度相位值。根据首径精确定位同步时刻，及精确同步时刻的幅度及相位信息，从而实现了时间精确同步。进而，根据对信号质量的要求设定幅度阈值，如0.5，选择超过此幅度阈值的时刻，这些时刻即为多径到达的时刻，且其所对应的幅度相位值即为多径的幅度相位值。根据该多径的到达时刻和幅度相位值，可以精确估计出功率时延谱的幅度值。

上述时域参考信号为：已获得的时域信号本身，即一个OFDM符号；或者，已获得的时域信号的循环前缀；或者，已获得的时域信号本身及其循环前缀共同构成的信号，即一个OFDM符号加上其前缀；或者，已获得的时域信号中任一段大于等于其循环前缀长度的部分，即一个OFDM符号中的任意一段，且该段的长度必须大于等于循环前缀的长度；或者，由一个以上已获得的时域信号本身和已获得的时域信号的循环前缀共同构成的长度大于一个时域信号本身的信号，例如，两个或两个以上的OFDM符号加上它们的循环前缀，或者，一个OFDM符号的一部分及其循环前缀，再加上另一个OFDM符号的一部分及其循环前缀所构成的时域参考信号，等等，总之，其长度大于一个OFDM符号及其循环前缀的长度。

图3所示为典型城市信道下精确定位同步时刻的仿真效果图。该图的横坐标为时间，单位是码片，纵坐标是归一化后的值。从图中可以看出，在典型城市信道即0db静止多径情况下，识别出的首径位置与现有技术的应用前导信元的方式识别出的首径位置相同，即对首径识别无误差。

步骤209，分数频偏二次同步。具体方法为：根据已确定的多径精确到达时刻和幅度，选取当前OFDM符号的循环前缀中除去受到前一OFDM符号的较强的后达径影响较小的部分与当前OFDM符号的循环前缀相对应的部分的共扼相乘并累积相加，该累积相加后的结果的相位即为精确同步峰值的相位信息；根据该精确同步峰值相位信息，再次进行分数频偏估计，并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正，从而实现精确的时频同步。

图4所示为应用本发明实施例二的流程示意图。在本实施例中，OFDM的调制方式为差分调制，OFDM符号中不存在导频子载波。

步骤401，OFDM***对接收到的信号进行时间粗同步。即利用与循环前缀长度相等的时间窗，对接收到的信号进行滑动相关，依靠正交频分复用OFDM符号内的循环前缀进行时间同步，获取接收信号的同步峰值相位信息。

步骤402，分数频偏同步。即根据步骤401所述的同步峰值相位信息进行分数频偏估计，并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正，使修正后的接收信号中只存在整数频偏。

步骤403，时频转换。具体方法为：将经步骤402处理后的信号通过FFT或DFT变换转换到频域。

步骤404，整数频偏同步。具体方法为：首先进行整数频偏估计，然后再进行整数频偏补偿，即利用估计出的整数频偏信息对接收信号进行修正，使修正后的接收信号中不存在整数频偏。

其中，由于差分调制的OFDM符号中不存在导频子载波，可采用极大似然法进行整数频偏估计。

步骤405，进行差分解调制并还原出信号本身。

步骤406，频时变换。即将还原出的频域信号通过IFFT或IDFT转换为时域信号。

步骤407，时间精确同步。具体方法为：获取转换后的时域参考信号，将该时域参考信号与经整数频偏处理后的信号在时间粗同步确定的最大误差范围内，如时间粗同步前后的10个或15个码片内，进行匹配滤波或滑动相关，以获取最大峰值，并对匹配滤波或滑动相关的结果进行归一；根据对信号质量的要求设定幅度阈值，如0.5，选取第一个到达的超过该阈值的径，该径即为首径，该首径到达时刻所对应的幅度相位值即为首径的幅度相位值。根据首径精确定位同步时刻，及精确同步时刻的幅度及相位信息，从而实现了时间精确同步。进而，根据对信号质量的要求设定幅度阈值，如0.5，选择超过此幅度阈值的时刻，这些时刻即为多径到达的时刻，且其所对应的幅度相位值即为多径的幅度相位值。根据该多径的到达时刻和幅度相位值，可以精确估计出功率时延谱的幅度值。

上述时域参考信号为：已获得的时域信号本身，即一个OFDM符号；或者，已获得的时域信号的循环前缀；或者，已获得的时域信号本身及其循环前缀共同构成的信号，即一个OFDM符号加上其前缀；或者，已获得的时域信号中任一段大于等于其循环前缀长度的部分，即一个OFDM符号中的任意一段，且该段的长度必须大于等于循环前缀的长度；或者，由一个以上已获得的时域信号本身和已获得的时域信号的循环前缀共同构成的长度大于一个时域信号本身的信号，例如，两个或两个以上的OFDM符号加上它们的循环前缀，或者，一个OFDM符号的一部分及其循环前缀，再加上另一个OFDM符号的一部分及其循环前缀所构成的时域参考信号，等等，总之，其长度大于一个OFDM符号及其循环前缀的长度。

步骤408，分数频偏二次同步。具体方法为：根据已确定的多径精确到达时刻和幅度，选取当前OFDM符号的循环前缀中除去受到前一OFDM符号的较强的后达径影响较小的部分与当前OFDM符号的循环前缀相对应的部分的共扼相乘并累积相加，该累积相加后的结果的相位即为精确同步峰值的相位信息；根据该精确同步峰值相位信息，再次进行分数频偏估计，并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正，从而实现精确的时频同步。

在本实施例中，将根据步骤407中得到的多径到达时刻和幅度相位值进行FFT或DFT转换到频域后，得到的即为传输信道的频域信道估计值。利用得到频域信道估计，可以进行信道补偿和子载波动态资源分配。

采用上述实施例一或二提出的方法，使用循环前缀加上一个恢复的OFDM符号，在静止多径，重新映射时子载波错误率为10％时，在典型城市信道，0dB条件下，仿真20万帧，对最强径的辨识无误差。在典型城市信道，重新映射时子载波错误率为10％时，移动多径0dB条件下，相对准确定时的标准差约1个码片，与现有技术的应用前导序列进行时间精同步的性能几乎相同，当使用2个OFDM和循环前缀作为参考信号时，性能超越用前导信元所能达到的最好性能，这是现有技术无法达到的。

另外，由于***每间隔一段时间就必须进行一次同步跟踪，以本发明的时间精确同步为基础，可以有效地实施同步跟踪，具体实现同步跟踪的方法如下：

根据同步性能要求设置同步阈值，且该阈值通常在0和1之间，在每次实现时间精确同步后，判断通过匹配滤波或者滑动相关得到的最大绝对值与平均相关值的绝对值的比值是否大于等于该已设定的阈值，如果是则表示同步跟踪成功；否则表示同步跟踪未成功。

如果同步成功，则继续保持同步跟踪，如果未能同步成功，则进入一种中间状态，并重新进行时间精确同步操作，之后重复执行上述判断以确定是否实现同步跟踪，如果在一定次数内仍然不能实现同步跟踪，则宣告失去同步，重新进入同步搜索状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种实现正交频分复用精确时间同步的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

ax、正交频分复用OFDM***对接收到的信号进行时间粗同步、分数频偏估计和时频域转换处理；

a、所述OFDM***对所述进行时频域转换后的信号进行整数频偏同步处理后，补偿信号损失，还原出信号本身；

b、将还原出的信号进行频时转换，获取转换后的时域参考信号，并应用该时域参考信号与整数频偏同步处理后的信号进行多径搜索，将时域参考信号与经整数频偏处理后的信号进行匹配滤波或滑动相关，获取匹配峰值，并选取第一个到达预设幅度阈值的径为首径，确定该首径抵达时刻及幅度相位值，实现精确时间同步。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果OFDM信号中存在导频子载波，则步骤a所述补偿信号损失的方法为：利用导频子载波通过线性插值或者最小均方误差插值进行信道估计，并根据信道估计值，将整数频偏同步处理后的信号乘以该信号所在信道估计值的共轭，实现信号损失补偿。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述还原出信号本身的方法为：将信号补偿后的信息进行解调制。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果在发射端有编码操作，则将信号补偿后的信息进行解调制之后，进一步包括：OFDM***判断当前的信道传输质量是否在要求的范围内，如果是，则直接执行步骤b，否则执行相应的解码操作后，再执行步骤b。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果OFDM信号中不存在导频子载波，则步骤a所述补偿信号损失还原出信号本身的方法为：采用差分解调制的方法补偿信号损失，采用差分解调制的方法还原出信号本身。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：确定多径的抵达时刻及幅度相位值，并根据该多径的抵达时刻及幅度相位值，通过时频变换获得信道估计值，进行信号补偿和动态子载波资源分配。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b所述时域参考信号为：已获得的时域信号本身，或者，已获得的时域信号的循环前缀，或者，已获得的时域信号本身及其循环前缀共同构成的信号，或者，已获得的时域信号中任一段大于等于其循环前缀长度的部分构成的信号，或者，由一个以上已获得的时域信号本身和已获得的时域信号的循环前缀共同构成的长度大于一个时域信号及其循环前缀的信号。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：根据对信号质量的要求设定幅度阈值，选择超过此幅度阈值的时刻，这些时刻即为多径到达的时刻，且其所对应的幅度相位值即为多径的幅度相位值。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据同步性能要求设置同步阈值，且该同步阈值通常在0至1之间，步骤b执行完毕后，该方法进一步包括：

01)判断通过匹配滤波或者滑动相关得到的最大绝对值与平均相关值的绝对值的比值是否大于等于该已设定的同步阈值，如果是，则同步成功，并继续保持同步跟踪状态；否则执行步骤02)；

02)***进入中间状态，判断***当前是否已在预先设定的次数内仍然不能实现同步跟踪，如果是，则宣告失去同步，重新进入同步搜索状态，否则重新执行步骤b后，再返回步骤01)。

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