本申请要求申请日为2011.3.25,申请号为201110074559.5,发明名称为一种实现时间同步的方法及无线通信***的在先申请的优先权,该在先申请的全部内容均已在本申请中体现。
具体实施方式
在基于集中调度机制的多用户传输***中,时间同步是通信的基础。STA首先要完成下行同步,获得AP发送的***参数,如果STA需要向AP传输数据,则STA需要在指定的时间点发送并在另一个指定的时间点到达AP,多用户并行传输时尤为重要,如果多个STA的上行数据不能同时到达AP,可能会引起严重的用户间干扰。
有鉴于此,本发明提供了一种在无线通信***中实现时间同步的方法,参见图1及图2,包括如下步骤:
步骤S201:AP根据下行帧的发送起始时刻
、下行传输周期
以及保护间隔长度
确定上行帧的接收起始时刻
;
步骤S202:STA根据所接收的下行帧的同步前导确定所述下行帧到达STA的起始时刻
;
具体地,用户站点从所接收的下行帧检测同步前导,测算得到下行帧的同步前导起始时刻,以测算到下行帧的同步前导起始时刻作为
。
步骤S203:用户站点根据
、下行传输周期
和保护间隔长度
,确定上行传输时刻
。
下行传输周期
以及保护间隔长度
可以由AP发送的下行广播消息携带;用户站点接收所述广播信息,从所述广播消息中提取所述下行传输周期
以及保护间隔长度
。尤其适用于所述下行传输周期
以及所述保护间隔长度
为变长的***中。
在另一实施例中,在所述下行传输周期
以及所述保护间隔长度
为定长的***中,所述下行传输周期
以及所述保护间隔长度
也可以是由AP与STA预先约定好,保存在本地的,在确定上行传输时刻时,可直接从本地获取。
本发明提出的一种实现时间同步机制的技术方案,适用于无线通信***,解决多用户并行传输数据时面临的如何确定上行用户发送时刻以及接收端的接收时刻的问题,同步流程简单,且可以有效避免符号间干扰。
较佳地,当循环前缀长度TCP固定不变,***扩大覆盖范围,该方法进一步包括加入上行发送时刻提前量的步骤:
较佳地,考虑到传输过程中存在延迟影响,为了进一步确保数据接收的准确性,避免符号间的干扰,接入点可以从T2时刻开始对接收到的上行帧执行去循环前缀CP处理和快速傅里叶变换FFT;其中,
;本发明设计CP的长度
,
为最大单向传播延迟,
为多径延迟扩展;提前量
。
可根据经验值设置,一般在几个点的范围内,比如
,T
s表示采样点间隔。这样,T2时刻,***覆盖范围内所有的STA的数据均已到达AP,此时开始进行去CP和FFT变化,能有效避免造成符号间的干扰。
接入点和用户站点均采用OFDM方式收发数据,每个OFDM符号的周期
。较佳地,综合考虑传输效率和***覆盖范围的需要,可设计
;
为OFDM符号中有用符号长度,即非CP部分的长度。
为使本发明的原理、特性和优点更加清楚,下面结合附图对本发明进行详细描述。
为了建立时间同步机制,首先需要设计同步前导。同步前导由AP广播发送,STA通过接收到的同步前导完成帧检测、AGC调整、粗时间同步、粗频偏估计、符号定时、细频偏估计和信道估计等任务。
同步前导的结构设计时要考虑参数估计(定时和频率)的范围和估计精度。通常粗频偏估计需要较大的估计范围,比如整数个子载波间隔,细频偏估计范围可在一个子载波间隔内,但需要较高的估计精度。假设最大允许的晶振误差为20ppm,则收发两端的频偏最大为40ppm,设载频=5.2GHz,则最大频偏为208kHz,子载波间隔为78.125kHz时,最大归一化频偏约为2.67。就频偏估计精度来说,当归一化频偏小于1%时,可认为它对***SNR基本没有影响。因此,需要用两个不同周期的序列来满足频偏估计的范围与精度要求。
基于此,本发明实施例提供一种同步前导,包括短训练序列(S-Preamble)和长训练序列(L-Preamble):所述短训练序列包括第一循环前缀CP1和多个第一周期序列,所述长训练序列包括第二循环前缀CP2和多个第二周期序列;所述第一周期序列的长度小于所述第二周期序列的长度。从而满足参数估计的不同要求,短训练序列中使用短周期(第一周期序列),满足较大的参数估计范围需求,长训练序列中使用长周期(第二周期序列),满足参数估计的精度要求。较佳地,所述CP1的长度
和所述CP2的长度
均等于循环前缀的长度
。
较佳地,考虑到控制信息的解调需要先完成信道估计,而信道估计需要一个完整的OFDM符号,以及信道估计与符号定时、细频偏估计重用一个OFDM符号。因此,设计所述短训练序列和所述长训练序列各占用一个OFDM符号。
为了保证模拟前端放大器的截断或缩放对前导序列无影响,前导序列需要较低的PAPR。
本发明提供的技术方案中采用的同步前导结构可以满足参数估计的不同要求,在实现时,先在频域生成合适的序列并填充到相应的子载波位置,然后变换到时域,频域填充方法决定了时域的周期特性。两个符号在时域都有良好的自相关性。
本发明实施例中采用的同步前导结构如图3所示。
参照图3,本发明实施例中采用的同步前导由两个OFDM符号构成,短训练序列S-Preamble和长训练序列L-Preamble。其中:S-Preamble由8个相同的周期序列S1~S8及CP1组成,辅助接收机完成帧检测、AGC调整、粗频偏估计(补偿)等任务;L-Preamble由两个相同的周期序列L1和L2及CP2组成,辅助完成符号定时、细频偏估计(补偿)、信道估计等任务。设一个OFDM符号的周期
,其中
为有用符号持续时间,
为循环前缀的长度。在图3中,
,CP1与S1~S8中的任一个周期相同,CP2由L1的尾部1/8复制而成。
发送前导时,AP以20MHz为基本单位,其FFT点数随聚合的带宽大小而变化。20MHz基本带宽时,AP和STA的FFT点数
=256;40MHz带宽时,AP的FFT点数
=512,在2个20MHz频带上发送相同的前导,STA仅接收一个20MHz子带上的前导;80MHz带宽时,AP的FFT点数
=1024,在4个20MHz频带上发送相同的前导,STA仅接收一个20MHz子带上的前导。
前导序列在频域进行填充,下面介绍一种频域填充方法。
如图4所示为同步前导生成方法的流程,包括步骤:a).确定时域周期数N;b).由N确定频域填充间隔;c).确定要填充的位置;d).确定填充序列的周期M;e).频域序列填充。具体如下:
设OFDM调制时的子载波数为
,频域子载波的序号为
,m取整数。
a)确定时域周期:时域周期数由***设计要求决定,需要满足同步时参数估计范围及估计精度的需求。
b)确定频域填充间隔:序列的填充间隔与N有关,若要求时域周期为N,则序列填充间隔也为N。
c)确定序列填充位置:设虚拟子载波及DC位置为集合
,序列在频域的填充位置
,其中
,且
,
。
d)确定填充序列的周期:序列周期取为填充位置总数,记为M。
e)频域序列填充:将序列按从负频率到正频率的次序填充到
对应的子载波上,其余子载波上均填0。序列可以选择众所周知的PN序列、Chu码等。
根据前述频域填充方法,本发明通过如下方式生成同步前导:
设IFFT/FFT点数为
=256,负频率虚载波数为
=13,正频率虚载波数为
=12, DC附近的虚载波数为
=1。
短训练序列S-Preamble的填充:时域周期数
=8,序列的周期长度应为
,
表示大于等于x的最小整数,
表示小于等于x的最大整数。计算得
=28。选定序列后,按次序将序列填充到
位置即可,注意确定k时
=8。
长训练序列L-Preamble填充:时域周期数
=2,序列的周期长度应为
,计算得
=114。选定序列后,按次序将序列填充到
位置即可,注意确定k时
=2。
序列选择:由于Chu码与PN序列变换到时域后的自相关性能差不多,但Chu码的PAPR(峰均比)更低,因此S-Preamble选用Chu码。L-Preamble除了用于符号定时及频偏估计外,还要用于信道估计,为减少乘法运算,选用PN序列。
STA利用下行同步前导来确定时间起点,进而确定其上行发送时刻;而AP只需根据其自身的定时器时刻来接收上行数据。本实施例提供的实现时间同步的方法,如图5所示,具体流程步骤如下:
步骤S501:AP确定下行帧的发送起始时刻
以及上行帧的接收起始时刻;
AP发送下行广播消息,广播消息中包含同步前导及下行传输周期长度
以及保护间隔长度
。AP记录其下行帧的发送起始时刻
(启动定时器Timer1),并确定上行帧的接收起始时刻
。
步骤S502:STA根据同步前导确定所述下行帧到达STA的起始时刻
;
STA接收AP发送的下行广播信息,从广播消息中提取同步前导信息,并根据同步前导确定
。
具体地,根据同步前导的结构特点,STA以测算到下行帧的同步前导起始时刻作为
,具体地可按如下步骤确定
:
ⅰ)帧检测:STA接收下行帧,并检测其同步前导;
ⅱ)粗定时同步:同步前导的短训练序列S-Preamble有8个周期,CP1也相当于一个周期,因此STA可以对接收信号做延迟自相关或能量检测等处理实现帧检测、粗符号同步,初步确定计时起点;
ⅲ)细定时同步:长训练序列L-Preamble有2个周期,STA可以对接收信号做互相关或延迟自相关等处理达到更加精确的定时估计用作计时起点。STA只需要根据同步定时的结果启动相应的定时器即可,而不需要估计传播延迟。符号定时完成后STA就认为已经达到与AP的同步,定时起点的确定可能需要考虑处理延迟的影响,但这些处理延迟通常可以预先估算,另外循环前缀的长度设计也保留了一定的裕量可以应对处理延迟。
确定下行帧到达STA的起始时刻
,并在
时刻启动定时器Timer2;
本发明实施例在此提供一种细定时同步的方法,如图6所示,包括步骤:
步骤S601:对接收信号做延迟相关运算,延迟长度即延迟的样本点数为
,相关求和长度等于
+
;
其中,
表示长训练序列中一个周期序列的样本点数;
表示循环前缀CP2对应的样本点数;
步骤S602:对延迟相关运算的结果做归一化处理;
步骤S603:将归一化处理后的最大值的位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
本发明实施例上述细定时同步的方法巧妙的利用了本发明设计的L-Preamble的结构特点,采用自相关运算,此时能得到一个相关峰值,能够有效避免复杂多径环境造成的定时不准问题,从而提高了细定时同步的精确度。
本发明实施例可采用如下算式来实现上述细定时同步的方法:
= (1)
其中,r(n)表示接收信号,r*(n)表示复信号的共轭。
本发明实施例在此还提供另一种细定时同步的方法,如图7所示,包括步骤:
步骤S701:对接收信号做延迟相关运算,延迟长度即延迟的样本点数为
,相关求和长度小于
+
;
其中,
表示长训练序列中一个周期序列的样本点数;
表示循环前缀CP2对应的样本点数;
步骤S702:对延迟相关运算的结果做归一化处理;所述延迟相关运算的结果为一相关值平台;
步骤S703:将归一化处理后的相关值平台的起始位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
当选择相关求和长度小于
+
时,延迟相关会出现相关值平台,当相关的起点到达长训练序列起始位置(CP的起始位置)时达到较大值,随后相关值与该值相近,因此,可选择相关值平台的起始位置作为下行帧的同步前导起始时刻。较佳地,为了进一步提高定时的精确度,可以设置相关求和长度,例如选择长度略小于
+
的取值,以使得相关平台的长度尽量小。
本发明实施例可采用如下算式来实现上述另一种细定时同步的方法:
其中,r(n)表示接收信号,r
*(n)表示复信号的共轭,0<N
1<N
L+N
CP2。式(8)表示定时位置在满足下述条件的集合中选择:时刻n的归一化相关值Z(n)大于一个预先设定的门限Th。如前面所述,N
1<N
L+N
CP2时,相关运算结果会出现相关值平台,理想情况下平台区域内各点的高度均为1,由于噪声等非理想因素的存在,平台区域各点的值会有波动,因而存在定时误差,定时位置
的误差与相关长度N
1以及阈值Th有关。N
1越接近N
L+N
CP2,平台范围越小,即式(8)的集合越小,则定时误差越小;同理,Th越大,式(8)的集合越小,但Th选取过高可能会导致漏检。作为示例,可取Th=0.75:
步骤S503:STA获得下行传输周期
以及保护间隔长度
等参数;
用户站点接收所述广播信息,从所述广播消息中提取所述下行传输周期以及保护间隔长度等参数。
如图1所示,基于下行传输周期
、保护间隔长度
以及之前确定的下行帧到达STA的起始时刻
,STA确定上行传输时刻
。
STA如果有数据发送,则在上行传输时刻
开始发送上行帧;
步骤S505:AP在上行帧的接收起始时刻
开始接收上行数据;
参照图1,可知
在STA上行传输时刻
之前,以保证AP接收离AP最近的STA发来的信号。
步骤S506:AP在时刻
对接收数据做FFT变换,通过信道估计及均衡去除时间偏移。
表示AP取FFT窗口时的提前量,一般在几个点的范围内,比如
,T
s表示采样点间隔。接收端取FFT窗口即指去除CP的过程,增加定时提前量
的目的是确保做FFT变换时当前符号不会受下一个符号的干扰。不同位置的STA发射的信号到达AP的时间延迟不同,这种时间延迟可以等效为信道的一部分,因此,接收端只需根据估计的等效信道系数做简单的信道均衡就可以消除时间延迟。
较佳地,本发明实施例设计CP长度
以保证***覆盖范围内所有STA发送的信号都在
时刻之前到达AP。假定最大信号覆盖半径处(或者说在***覆盖范围边缘处)的STA到AP的双向传播延迟为
及多径延迟扩展为
,则循环前缀长度满足:
。
接入点和用户站点均采用OFDM方式收发数据,每个OFDM符号的周期
。较佳地,综合考虑传输效率和***覆盖范围的需要,可设计
;
为OFDM符号中有用符号长度,即非CP部分的长度。
如果要扩展***的覆盖范围而不继续增加CP长度,可在SAT上行发送时刻加入预定提前量,以满足***的时间同步要求。换句话说,当循环前缀长度
固定不变,***扩大覆盖范围,为满足时间同步要求,需要将STA的上行传输时刻
提前,包括:
STA获取其到接入点AP的传播延迟
;具体地,STA向AP发起测距请求信号,AP收到测距信号后反馈一个响应,STA或AP可根据信号的请求与响应之间的时间差计算得到传播延迟
;
STA发送数据时,将上行传输时刻
提前一个预定量,本实施例中,选择STA到AP的传播延迟
作为预定的提前量,也就是将上行帧的发送起始时刻
调整为
。
本发明实施例的主要参数及参数值可参见下表1:
表1
参数名称 |
参数值 |
基本带宽B |
20MHz |
IFFT/FFT点数Nfft |
256 |
子载波间隔fsc |
78.125kHz |
有用符号持续时间Tu |
12.8μs |
循环前缀持续时间Tcp |
1.6μs |
符号周期Tsym |
14.4μs |
最大覆盖范围半径R |
100m |
最大单向传播延迟 |
0.33μs |
多径延迟扩展 |
0.8μs |
参见图8,本发明实施例还提供了一种接入点,包括:
发送单元,用于发送下行帧;
时间起点确定单元,用于根据下行帧的发送起始时刻
、下行传输周期
以及保护间隔长度
确定上行帧的接收起始时刻
;
所述接收单元,用于根据确定出的上行帧的接收起始时刻
接收上行帧。
较佳地,所述接入点还包括处理单元:
所述时间起点确定单元,还用于根据
、循环前缀CP的长度
以及预设的提前量
确定对上行帧进行处理的起始时间
;
,
为最大单向传播延迟,
为多径延迟扩展;
;
所述处理单元,用于从T2时刻开始对接收到的上行帧执行去CP处理和快速傅里叶变换FFT。
较佳地,所述接收单元和所述发送单元均采用OFDM方式传输数据,每个OFDM符号的周期
;其中,
;
为OFDM符号中非CP部分的长度。
较佳地,所述下行帧中包括同步前导;所述同步前导包括短训练序列和长训练序列;所述短训练序列包括第一循环前缀CP1和多个第一周期序列,所述长训练序列包括第二循环前缀CP2和多个第二周期序列;所述第一周期序列的长度小于所述第二周期序列的长度。
较佳地,所述CP1的长度
和所述CP2的长度
均等于循环前缀的长度
。
较佳地,所述短训练序列和所述长训练序列各占用一个OFDM符号。
较佳地,所述短训练序列选用Chu码,和/或所述长训练序列选用PN序列。
较佳地,所述下行帧中携带所述下行传输周期
和所述保护间隔长度
。
参见图9,本发明实施例还提供了一种用户站点,包括:
接收单元,用于接收下行帧;所述下行帧中包括同步前导;
时间起点确定单元,用于根据所接收的下行帧的同步前导确定所述下行帧到达用户站点的起始时刻
;根据
、下行传输周期
以及保护间隔长度
,确定上行帧的发送起始时刻
;
发送单元,用于根据确定出的上行帧的发送起始时刻发送上行帧。
较佳地,所述用户站点还包括:
触发单元,用于触发所述发送单元提前启动上行传输操作,将上行传输时刻提前到
,
,其中提前量
。
较佳地,所述接收单元和所述发送单元传输数据时,采用的循环前缀CP的长度
,
为最大单向传播延迟,
为多径延迟扩展。
较佳地,所述接收单元和所述发送单元均采用OFDM方式传输数据,每个OFDM符号的周期
;其中,
;
为OFDM符号中非CP部分的长度。
较佳地,所述同步前导包括短训练序列和长训练序列;所述短训练序列包括第一循环前缀CP1和多个第一周期序列,所述长训练序列包括第二循环前缀CP2和多个第二周期序列;所述第一周期序列的长度小于所述第二周期序列的长度;
所述时间起点确定单元,利用所述同步前导中的短训练序列和长训练序列分别进行粗定时同步,以及细定时同步,以计算出下行帧的同步前导的起始时刻,并以其作为
。
较佳地,所述CP1的长度
和所述CP2的长度
均等于循环前缀的长度
。
较佳地,所述短训练序列和所述长训练序列各占用一个OFDM符号。
较佳地,所述短训练序列选用Chu码,和/或所述长训练序列选用PN序列。
较佳地,所述时间起点确定单元根据长训练序列进行细定时同步包括:
对接收信号做延迟相关运算,延迟的样本点数为
,相关求和长度等于
+
;
表示所述第二周期序列的样本点数;
表示第二循环前缀CP2对应的样本点数;
对延迟相关运算的结果做归一化处理;
将归一化处理后的最大值的位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
较佳地,所述时间起点确定单元根据长训练序列进行细定时同步包括:
对接收信号做延迟相关运算,延迟的样本点数为
,相关求和长度小于
+
;
表示第二周期序列的样本点数;
表示第二循环前缀CP2对应的样本点数;
对延迟相关运算的结果做归一化处理;所述延迟相关运算的结果为一相关值平台;
将归一化处理后的相关值平台的起始位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
较佳地,所述用户站点还包括:
解析单元,用于从所述下行帧中获取所述下行传输周期
和所述保护间隔长度
。
参见图10,本发明实施例还提供了一种无线通信***,包括上述接入点和用户站点,其工作原理及操作流程,如前所述,在此不再赘述。
综上所述,本发明实施例提供的技术方案中,通过设计同步前导,该同步前导包括两个符号,分别可以辅助STA完成帧检测、AGC调整、粗频偏估计、符号定时、细频偏估计及信道估计等功能,其中短训练序列S-Preamble为了确保足够的估计范围,长训练序列L-Preamble保证估计精度。根据时间定时机制,AP和STA可以各自独立地确定相应的时间起点并启动各自的定时器,从而能够有序地相互通信而并降低用户间干扰;扩展CP可以保证上行的多用户的多径信号都能在CP范围内到达AP,降低了多用户上行传输的时间同步要求。
上行多址接入的一个主要问题是来自多个用户的上行信号的同步问题,在基于OFDM技术的***中尤为重要,如果接收端对上行信号的起点位置确定不准确,则对某些用户的信号来说会引入符号间干扰。本发明所提供的实现时间同步的技术方案中,根据所接收的下行帧的同步前导确定时间起点
;用户站点获取下行传输周期
以及保护间隔长度
,并确定上行传输时刻
,这样保证***中所有用户站点能在指定的时间区间到达AP,本发明利用扩展的循环前缀CP来辅助实现时间同步的机制,放宽了AP对时间同步的要求,简化了同步流程,同时允许多用户并行传输数据而不会产生符号间干扰。
本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改,因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。