CN101163124A - 一种实现多输入多输出正交频分复用***时间同步的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现多输入多输出正交频分复用***时间同步的方法,包括:发送端在组帧时构造导频/同步符号,成帧后由天线发射,发射天线均同时发射具有特殊结构的前导码,该前导码结构为重复参考信号,前面加CP;利用参考信号和接收信号进行滑动相关,设定阈值,将超过阈值的相关值的幅度值的位置和大小记录于序列;由序列剔除伪多径,确定真实多径的个数及位置;利用确定的多径位置个数及位置,确定信号的信噪比,选择其中最大的为主径,确定精确同步位置。采用本发明所述方法,在不低于现有同步方法精度的同时,提高了运算速度,而且时间同步误差小、运算量较小;无需粗同步和精同步两步,可直接得到时间同步误差。非常适合实时处理。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信中的多输入多输出(MIMO,Multiple InputMultiple Output)和正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)技术,尤其涉及MIMO OFDM***中时间同步技术。
背景技术
OFDM技术充分利用各个子载波之间的正交性,允许子信道的频谱相互重叠,可以很大程度地利用频谱资源;将高速数据流通过串并转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,从而有效地减少了无线信道的时间弥散所带来的ISI(符号间串扰);同时由于各子信道的带宽相对较窄,均衡便可以对每个子载波分别进行,这样就减少了接收机内均衡的复杂度。OFDM由上述特点所带来的抵抗频率选择性衰落能力强、频谱利用率高、消除码间干扰能力强,接收结构简单、成本较低等优点,使其非常适合高速数字数据传输,被认为是下一代移动通信***的关键技术之一。随着数字信号处理技术和高速器件的发展,OFDM已经在DAB、DVB和WLAN等***中取得了成功的应用。
MIMO(多输入多输出)是指在发射端和接收端,分别使用多个发射天线和接收天线。其基本思想是在发射、接收或收发双端采用多个天线,通过空时处理技术,充分利用信道之间的独立衰落特性,从而在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流,这样就有效地提高了***的传输速率、频谱利用率以及通信质量和***容量。
在未来的宽带无线通信***中,高速业务和用户数的激增使得对频谱的需求量急剧增加,而频谱资源是有限的。而将OFDM和MIMO两种技术相结合,就能达到两种效果:一种是实现很高的传输速率,另一种是通过分集实现高频谱利用率。同时,在MIMO OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强***的稳定性。
但是,MIMO与OFDM结合在具有以上优点的同时,并没有消除它们自身的缺点:OFDM对时间和频率同步要求非常高,否则就容易导致符号间串扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。
对于MIMO+OFDM***定时同步来说,可以采用已知的信息进行同步分析,如循环前缀(CP)信息,这是当前采用较多的处理方法,基于CP信息所得到可以不需要***额外的资源实现同步,同时减少对于设备复杂度的要求。
但传统的采用CP的方法其缺点是相关峰较为平坦,不利于判决,同时频偏估计范围小。所以,一般作为定时粗同步。再利用导频/同步符号的特殊结构进行定时的精同步。传统时间同步一般分为两个步骤,粗同步得到的时间点有一定的活动范围,需要进一步精细同步才能够满足需要。
清华大学周世东等在2003年9月12日申请的申请号为CN03157053.4,公开号CN1523795专利在利用PN码同步信道获得OFDM***粗同步的方法中提出了利用自相关性很好的PN码来作为同步信道的数据,设定一种PN码配置选取图案,通过一段时间内的相关器匹配计算来获取最大相关峰输出,与PN码图案相比较来获得接受数据的帧同步信号,该方法同时采用同步状态转换机,根据相关器输出结果以及相关器计算时间范围,有效地确定出粗同步的信号,为下一步时频精同步的计算提供依据。
但由于此粗同步方法采用两种PN码参考序列,需要分别进行相关运算,并且引入状态机,增加了对***设备复杂度的要求,因此该方法的可实现性较差。
MA Jianglei等在2003年4月24号申请的国际公开号:W 003034642A2专利MIMO-OFDM通信***中***接入同步的方法以及物理层传输包和前导设计提供一种在MIMO-OFDM***中检测、同步和蜂窝选择的装置。该方法首先利用前导头在时域进行粗同步,根据粗同步得到的初始同步位置确定搜索窗,其长度为OFDM符号长度的两倍,在窗内对接收信号剔除前缀后进行FFT计算得到频域部分,再分别与已知的同步PN码序列求相关,在满足一定门限的情况下选择最大相关值,最终确定精确同步位置。该方法的同步符号中包含多个完全相同的部分子集,使用相关的方法可以得到码元精确同步信息,但该方法码元同步时的相关峰比较宽,难以判断最佳的码元同步时刻,同时同步开销要进行多次FFT运算,***资源耗费太大。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的时间同步方法,给出MIMO OFDM***的直接时间估计方案以改进现有同步手段。即提供一种MIMO+OFDM通信***中时间粗同步和精同步估计方案,从而使得MIMO+OFDM接收***在以较小***资源的代价下通过低复杂度算法实现码元同步。
本发明给出一种基于发、收信号的互相关的方法,在经过适当的方法补偿校正后直接准确定位时间同步点
本发明是这样实现的:
一种实现多输入多输出正交频分复用***时间同步的方法,包括如下步骤:
第一步、发送端在组帧时构造导频/同步符号,导频/同步符号包括循环前缀及PN序列,成帧后由天线发射,发射天线均同时发射具有特殊结构的前导码,该前导码结构为重复参考信号,前面加CP;
第二步、接收端天线接收信号,经过空时处理后得到经过无线信道后的发射信息,用参考信号与接收信号的前L个符号进行滑动相关,得到L个相关值;
第三步、计算L个相关值的幅度大小,然后根据预先设定的阈值,将超过阈值的相关值的幅度值的位置和大小记录于序列;
第四步、所述序列包含所有前导码中参考信号,可根据参考信号的长度从序列中得到多个子窗内的多径数目及位置,剔除伪多径,确定真实多径的个数及位置;
第五步、利用确定的多径位置个数及位置,确定信号的信噪比,选择其中最大的为主径,确定精确同步位置。
本发明所述方法独特、新颖,和传统的方法相比具有如下特点:
1、可将在设备复杂度许可范围内降低阈值,从而避免了将可能的多径位置漏取的可能性;
2、包含伪多径去除步骤,使因降低门限所带来的伪峰值被滤除,避免了性能和计算量的损失;
3、采用估计不同径信噪比的方法,提高了该同步算法的正确性。
总之,本发明所提供的方法,由于采用在本发明的MIMO+OFDM通信***中直接时间估计方案,在不低于现有同步方法精度的同时,提高了运算速度,而且时间同步误差小、运算量较小;无需粗同步和精同步两步,可直接得到时间同步误差。非常适合实时处理。
附图说明
图1为本发明所述方法中前导符号的结果示意图;
图2为本发明所述方法的实施流程图。
具体实施方式
以下结合附图,对发明所述方法进行详细描述。
本发明所述方法,分别通过在发射端构造特殊的重复参考序列前导符号、在接收端利用已知参考序列求相关、根据门限得到峰值序列、统计不同窗内的峰值位置去除伪多径、根据信噪比最终得到精确时间同步位置,这些步骤之间相互联系,去除伪多径和信噪比计算比较之前的峰值相关模块进行校正,直接得到精确的时间同步估计。
图2为本发明所述方法具体实施过程中的流程图。
假设MIMO+OFDM包括M个发送天线、N个接收天线,主要包括以下步骤:
1、发射端前导构造步骤:发送端M个(M为发送通道个数)在组帧时构造导频/同步符号,所述导频/同步符号包括循环前缀及PN序列,成帧后由M个天线发射。其中M个发射天线均同时发射特殊结构的前导码(见附图1):本例中q的取值为4,即前导码的结构是4次重复的时域波形(斜线部分)记为Signal_Ref,前面加CP。
设发射参考信号为{sk},经过信道h(τ,t)
(1)
后得到{rk},
2、滑动相关步骤:接收端N个天线接收信号,经过空时处理后得到经过无线信道后的发射信息。由于所构造的特征前导码具有4次重复的结构,可以利用它来进行帧头搜索。具体的,设接收的对应参考信号是{rk},而长度为L的OFDM时域符号分为4个相同的部分,
每部分对应的发射信号为{sk},则它们的互相关为
(2)
3、检测峰值步骤:由于在时间同步阶段,信号中有多径、频偏的影响,取相关函数的模,每个信号窗前面都有一组明显的峰值;然后,用一定的门限值定位帧头。峰值的位置记录于序列P中
P={|R(l)|,l},where l=arg(|R(l)|>Vthreshold)(3)
其中Vthreshold为预先设定的阈值,将超过阈值的相关值的幅度值的位置和大小记录于序列P;
4、检测多径步骤:P序列包含所有前导码中重复的时域波形,可根据参考信号Signal_Ref的长度T,从P序列别得到4个子窗内的多径数目及位置,所有窗都同时出现的多径位置即为真实多径,其余为伪多径;
5、获取同步位置步骤:利用确定的多径位置分别向后取T位长的接收数据,计算其信噪比,选择其中最大的为主径,即同步位置。
本发明方法可将整个MIMO+OFDM时间同步过程分为以下几个步骤:①在发射端构造特殊的重复参考序列前导符号;②在接收端利用已知参考序列对经过无线信道后的接收信号求相关;③根据预先设定的门限得到峰值序列;④统计不同窗内的峰值位置去除伪多径;⑤计算上一步骤得到的不同多径的信噪比,选出其中最大值位置,最后输出MIMO+OFDM的时间同步值。
但应当理解的是,本发明的上述针对较佳实施例的描述较为具体,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种实现多输入多输出正交频分复用***时间同步的方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步、发送端在组帧时构造导频/同步符号,导频/同步符号包括循环前缀及PN序列,成帧后由天线发射,发射天线均同时发射具有特殊结构的前导码,该前导码结构为重复参考信号,前面加CP;
第二步、接收端天线接收信号,经过空时处理后得到经过无线信道后的发射信息,用参考信号与接收信号的前L个符号进行滑动相关,得到L个相关值;
第三步、计算L个相关值的幅度大小,然后根据预先设定的阈值,将超过阈值的相关值的幅度值的位置和大小记录于序列;
第四步、所述序列包含所有前导码中参考信号,可根据参考信号的长度从序列中得到多个子窗内的多径数目及位置,剔除伪多径,确定真实多径的个数及位置;
第五步、利用确定的多径位置个数及位置,确定信号的信噪比,选择其中最大的为主径,确定精确同步位置。
2.如权利要求1所述的实现多输入多输出正交频分复用***时间同步的方法,其特征在于:
所述参考信号重复的次数是根据同步精度和设备的复杂度来取值。
3.如权利要求1所述的实现多输入多输出正交频分复用***时间同步的方法,其特征在于:
所述第三步,
取相关函数的模,由于每个信号窗前均有一组明显的峰值,则利用设定的阈值定位帧头,将峰值的位置记录于序列中。
4.如权利要求1所述的实现多输入多输出正交频分复用***时间同步的方法,其特征在于:
所述第四步,
所述子窗的个数与参考信号重复的次数取值相同;
所述剔除伪多径,确定真实多径的个数及位置,是指所有子窗同时出现的多径位置即为真实多径,其余为伪多径。
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