CN100544240C

CN100544240C - 用于多载波码分多址***的时间同步方法

Info

Publication number: CN100544240C
Application number: CNB031078818A
Authority: CN
Inventors: 张平; 阮丹; 刘乐
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; Beijing Samsung Telecommunications Technology Research Co Ltd
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; Beijing Samsung Telecommunications Technology Research Co Ltd
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: CN1455533A

Abstract

本发明提供一种用于多载波码分多址***的时间同步方法，包括步骤：(i)将已知同步训练序列的IFFT变换结果预先存储在缓存器中；(ii)在长为L搜索窗内，将接收的同步时隙的同步训练序列和缓存器中的训练序列进行相关，相关运算由给定门限TH控制，然后继续在搜索窗内滑动求相关，由此得到一系列相关输出结果；(iii)求相关输出结果的能量；(iv)利用一阶无限冲击响应数字滤波器组对所得的一系列相关输出能量进行滤波处理；(v)将滤波后的相关输出能量由大到小排序，从最大的值开始，删去相关峰值旁瓣，直到找出前m个值为止，记住这m个值及其对应采样点位置；(vi)在这m个值中，以最大值对应的采样点位置为基准，往前搜寻与基准相隔W以内的最前位置，即帧头位置；(vii)根据所确定的帧头位置调整帧边界，去除OFDM数据符号的循环前缀，恢复OFDM数据符号的起始位置。

Description

用于多载波码分多址***的时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种多载波码分多址(MC-CDMA)***，尤其涉及一种用于多载波码分多址***的时间同步方法。

背景技术

MC-CDMA技术结合了正交频分复用(OFDM)技术和码分多址(CDMA)技术的优点，能够有效地抵抗多径衰落，提高频谱利用率，降低数据传输速率。正因为这些优点，MC-CDMA技术被认为是未来无线宽带通信最有效的技术之一。但是，MC-CDMA***也继承了OFDM***的另一个特性，对频率偏移非常敏感。因此，同步技术是MC-CDMA***的一个关键性问题。

同步技术包括时间同步(符号同步、帧同步)和频率同步。在MC-CDMA***中，数据是以帧为单位传输的，因此必须准确地确定每一帧的起始位置，***才能进行可靠的通信。所以，时间同步作为同步的首要环节，其估计的准确度将直接影响率同步的准确度。

现有的多载波***的时间同步方案，大部分都是基于循环前缀的处理。定时估计的精度取决于循环前缀的长度，长度越长，定时估计越准确，然而循环前缀越长***的传输效率越低，可见两者之间存在矛盾。除此以外，在多径衰落信道中，循环前缀极易受到多径的干扰，得到定时估计的准确度将受到很大影响，所以说基于循环前缀的同步方法不易保证时间同步的正确性。

发明内容

针对现有时间同步方案中存在的问题，本发明提出一种用于多载波码分多址***的时间同步方法，所述方法包括步骤：

第一步，将已知同步训练序列的IFFT变换结果预先存储在缓存器中；

第二步，在搜索窗内，将接收的同步时隙的同步训练序列和缓存器中的训练序列进行相关，相关运算由给定门限控制，然后继续在搜索窗内滑动求相关，由此得到一系列相关输出结果；

第三步，求相关输出结果的能量；

第四步，利用一阶无限冲击响应数字滤波器组对所得的一系列相关输出能量进行滤波处理；

第五步，将滤波后的相关输出能量由大到小排序，从最大的值开始，删去相关峰值旁瓣，直到找出若干个值为止，记住这若干个值及其对应采样点位置；

第六步，在这若干个值中，以最大值对应的采样点位置为基准，往前搜寻与基准相隔一定范围内的最前位置，即帧头位置；

第七步，根据所确定的帧头位置调整帧边界，去除OFDM数据符号的循环前缀，恢复OFDM数据符号的起始位置。

为了避免多载波***基于循环前缀方法的缺陷，在MC-CDMA***中我们利用同步训练序列进行时间同步。本发明的MC-CDMA***采用短帧设计，每一帧设置专用的同步时隙，通过一次搜索同步处理，获得包含帧同步和符号同步初始估计信息的相关能量输出，这样有效地跟踪了信道的变化，保证了每一帧时间同步的可靠性。由于相关输出能量受到噪声的影响，进一步采用一阶无限冲击响应(IIR)数字滤波器组，对相关输出能量进行滤波处理，从而保证了时间同步的准确性。这里，构成同步时隙的已知序列设计具有很大的灵活性，这里将同步训练序列设计成具有尖锐的自相关特性的Gold码序列，能够有效抵抗干扰。

附图说明

下面参照附图并结合实施例来进一步描述本发明，其中：

图1是MC-CDMA基带处理***的方框图；

图2是MC-CDMA的帧结构；

图3是时间同步单元的详细方框图；

图4是滤波单元的详细方框图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明。

图1是MC-CDMA基带处理***的方框图，其包括一个发射机101和一个接收机102。发射机101提供待发送的用户数据，用户数据经过扩频单元103之后，和来自帧同步训练序列源104的同步训练序列合并成频域多载波OFDM符号帧。每个频域多载波OFDM符号由IFFT(快速傅立叶逆变换)单元105变换成为时域多载波OFDM符号，送入多径信道107，完成基带发送处理。在接收机102中，首先从接收的时域多载波OFDM符号中提取同步训练序列，送入时间同步单元108，在时域完成帧定时估计信息的获取。根据帧定时估计信息，在删除循环前缀单元109删除接收的时域多载波OFDM符号的循环前缀，确定多载波OFDM符号的起始位置。然后进入FFT(快速傅立叶变换)单元110变换成频域OFDM符号，最后数据符号经过解扩单元111，恢复发射机提供的用户数据。图中所示的接收机102的时间同步单元108就是完成本发明的时间同步方法的，将在下文具体说明。

图2是***的帧结构示意图。由帧同步训练序列源104产生的同步训练序列构成的同步时隙被周期地***到从扩频单元103至IFFT单元105的用户数据流中，构成发送数据帧。每一帧中包含一个同步时隙和N个用户数据时隙。在帧同步时隙中，同步训练序列是以OFDM符号的形式存在的，并且对于接收机是已知的。可以根据***性能需求，在帧同步时隙中设置若干个同步OFDM符号。每一个同步OFDM符号采用Gold码序列生成，利用码的强自相关特性来获得帧和符号定时估计。

图3是本发明的时间同步单元108的详细方框图。本地帧同步训练序列源301对应于并且产生与发射机中的源104相同的同步训练序列，经过IFFT变换成时域符号C(n)，存放在缓存器302中。对于接收的时域多载波OFDM符号r(n)，首先要在同步序列、数据分离单元303进行同步序列和数据符号的分离，分离出来的同步训练序列R(n)直接送入相关处理单元304，而数据符号部分则经过一个延迟处理单元305延迟得到s(n)，在定时估计信息获得后再处理。相关处理单元304采用滑动相关处理原则，在长为L的搜索窗内，将分离出来的同步训练序列R(n)和存放在缓存器302中的C(n)共扼做相关运算，搜索窗长度L根据多径信道环境参数设定。为了减少进行相关处理的数据量，设置一个初始累加次数z(满足2的幂次)，利用给定门限TH控制相关累加，TH大小根据信噪比和初始累加次数z确定，判断z次相关累加的输出的能量是否大于TH，如果大于TH就继续相关累加，否则将相关输出设置为零值。相关运算公式如下：

Λ (d) = \{\begin{matrix} | Σ_{n = 0}^{N_{FFT} - 1} R (n + d) \cdot C^{*} (n + d) |, & Z (d) &GreaterEqual; TH \\ 0, & Z (d) < TH \end{matrix}

其中d＝1，2，....L，

Z (d) = | Σ_{n = 0}^{z} R (n + d) \cdot C^{*} (n + d) |,

初始累加次数z，Λ(d)为相关累加输出，N_FFT等于***的子载波数目。Λ(d)经过平方单元306得到相关输出能量M(d)，然后M(d)通过滤波单元307得到的M′(d)，这里的滤波器采用一阶IIR数字滤波器。将M′(d)输入排序删除相关峰值旁瓣单元308，从大到小排序这L个M′(d)，考虑***的过采样率，认为在一定采样距离内相邻采样值是相关峰值旁瓣，从最大值开始依次将其相关峰值旁瓣删除，以减少将旁瓣位置认为是帧头位置的误判概率。控制器309控制删除相关峰值旁瓣的处理过程，直到获得前m个值为止，记住这m个值及其对应采样点位置，这里要基于硬件实现复杂度选择合适的m值(m<<L)。将这m个值及其对应采样点位置送入帧头位置输出单元310，以最大值对应的采样点位置为基准，往前搜寻与基准相隔w以内的最前位置，即帧头位置

w的大小可根据信道的时延扩展设定。在删除循环前缀单元311，根据帧同步位置

在一帧内的每个数据时隙里删去OFDM数据符号s(n)的循环前缀，即确定了OFDM数据符号的起始位置，再进行FFT。

图4是滤波单元307的具体实现框图。滤波器的选择要尽可能多地消除噪声，又要保证硬件实现的简单，这里我们采用一阶IIR数字滤波器。进入滤波单元的相关输出能量M(d)先经过一个串并变换，然后通过一个大小为L的一阶IIR滤波器组，最后经过一个并串变换输出得M′(d)。这里，搜索窗内每个采样点的相关输出能量M(d)，d＝1，2，....L都对应有一个一阶IIR滤波器，该滤波器只对搜索窗内相同采样点位置的相关输出能量进行滤波，不同于其他方法中滤波器对搜索窗内所有采样点相关输出能量进行滤波。一阶IIR滤波器的系数α的选择，要考虑滤波器滤除噪声的能力，系数α越小，IIR滤波器滤除噪声能力越强，但是路径的更新速度就会变慢。由于一阶IIR滤波器实现非常简单，整体滤波单元307的实现复杂度取决于搜索窗的长度L。

在本发明中，通过给定门限控制相关累加，不仅能够减少进行相关处理的数据量，确保以最小计算量获得准确的定时估计，而且使占用的存储器的个数减少，降低硬件开销。将一阶无限冲击响应(IIR)数字滤波器技术应用于MC-CDMA***的帧同步算法，对搜索窗内的相关输出能量进行滤波，能够有效地消除噪声对定时估计的影响。引入删除相关峰值旁瓣的操作，能够降低将相关峰值旁瓣的采样位置认为是帧头采样位置的误判概率，极大地提高定时估计精度。以最大相关峰值对应采样位置为基准，往前搜寻帧头位置，这样，即使第一径不在最大相关峰值对应的采样位置，这种操作也能保证帧头位置的正确性。

Claims

1.一种用于多载波码分多址***的时间同步方法，包括步骤：

(i)将已知同步训练序列的IFFT变换结果预先存储在缓存器中；

(ii)在长为_L搜索窗内，将接收的同步时隙的同步训练序列和缓存器中的训练序列进行相关，相关运算由给定门限_TH控制，然后继续在搜索窗内滑动求相关，由此得到一系列相关输出结果；

(iii)求相关输出结果的能量；

(iv)利用一阶无限冲击响应数字滤波器组对所得的一系列相关输出能量进行滤波处理；

(v)将滤波后的相关输出能量由大到小排序，从最大的值开始，删去相关峰值旁瓣，直到找出前_m个值为止，记住这_m个值及其对应采样点位置，其中m<<L；

(vi)在这_m个值中，以最大值对应的采样点位置为基准，往前搜寻与基准相隔w以内的最前位置，即帧头位置，其中W根据信道的时延扩展设定；

(vii)根据所确定的帧头位置调整帧边界，去除OFDM数据符号的循环前缀，恢复OFDM数据符号的起始位置。

2.根据权利要求1的方法，其中所述已知同步训练序列为OFDM符号形式。

3.根据权利要求2的方法，其中所述OFDM符号采用GOLD码序列生成。

4.根据权利要求1的方法，其中在步骤(ii)之前还包括步骤：

将接收的时域多载波OFDM符号在同步序列、数据分离单元进行同步序列和数据符号的分离，这样分离出来的同步训练序列就可直接送入相关处理单元进行相关，而数据符号部分则经过一个延迟处理单元延迟，在定时估计信息获得后再进行处理。

5.根据权利要求1的方法，搜索窗长度_L根据多径信道环境参数设定。

6.根据权利要求1的方法，其中在步骤(ii)，将接收的同步时隙的同步训练序列和缓存器中的训练序列的共轭做相关运算。

7.根据权利要求1的方法，其中在步骤(ii)，设置一个初始累加次数z，z满足2的幂次，利用给定门限_TH控制相关累加，判断z次相关累加的输出能量是否大于给定门限_TH，如果大于给定门限_TH就继续相关累加，否则将相关输出设置为零值。

8.根据权利要求7的方法，其中给定门限_TH与信噪比和初始累加次数z有关。

9.根据权利要求1的方法，其中在步骤(iv)的滤波处理原则是：搜索窗内每个采样点的相关输出能量都对应有一个一阶无限冲击响应数字滤波器，该滤波器只对搜索窗内相同采样点位置的相关输出能量进行滤波。

10.根据权利要求1的方法，删除相关峰值旁瓣的步骤(v)还包括：考虑***的过采样率，认为在一定采样距离内相邻采样值是相关峰值旁瓣。