CN102695264A - 一种实现时间同步的方法及无线通信*** - Google Patents

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CN102695264A CN2011102258334A CN201110225833A CN102695264A CN 102695264 A CN102695264 A CN 102695264A CN 2011102258334 A CN2011102258334 A CN 2011102258334A CN 201110225833 A CN201110225833 A CN 201110225833A CN 102695264 A CN102695264 A CN 102695264A
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Abstract

本发明公开了一种在无线通信***中实现时间同步的方法，包括如下步骤：接入点根据下行帧的起始时刻
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、下行传输周期
Figure 351845DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
确定上行帧的接收起始时刻
Figure 250400DEST_PATH_IMAGE004
；用户站点根据下行帧的同步前导确定下行帧到达用户站点的起始时刻；根据
Figure 53271DEST_PATH_IMAGE005
、下行传输周期
Figure 192128DEST_PATH_IMAGE002
和保护间隔长度
Figure 977155DEST_PATH_IMAGE003
，确定上行传输时刻
Figure 492450DEST_PATH_IMAGE006
。本发明还提供了相应的无线通信***。本发明提供的方法，通过接入点和用户站点各自独立地确定数据收发的时间点，从而实现彼此间有序地互相通信，简化了同步的流程。

Description

一种实现时间同步的方法及无线通信***
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。
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地说，涉及实现时间同步的方法及无线通信***。
背景技术
在通信***中，同步是正确解调信息的基础。广义的同步包括时间同步、频率同步、功率调整、信道估计等。
基于IEEE802.11标准的无线局域网***中，接入点AP与用户站点STA之间是突发方式的通信，不管是AP到STA还是STA到AP方向，每次通信（包括数据传输和控制信息传输）都需要携带同步信息，以协助完成STA与AP之间的同步过程。以AP传输数据到STA为例，STA接收AP的同步前导，根据同步前导确定时间同步点然后才能接收数据、解调数据。当STA传输数据到AP时，AP重复上述STA的同步流程。
移动WiMAX在下行方向也采用发送前导符号的方式，移动通信长期演进（LTE，Long Term Evolution）***则是发送主同步信号（PSS, Primary Synchronization Signal）和辅同步信号（SSS，Secondary Synchronization Signal），移动终端根据前导或同步信号完成时间同步和频率同步。上行传输时，采用闭环控制方式完成同步，即终端向基站发起随机接入过程，由基站估计终端发送的随机接入序列所经过的传播延迟，基站根据传播延迟估计向终端下发定时提前指示，终端在上行传输时根据定时提前指示发送上行数据。
对于异步机制的Wi-Fi***，每次突发传输均需要长、短训练序列完成帧检测，频率同步和符号同步。对于同步机制的TDD LTE Femto***，频率同步及时间同步均由每帧内的同步信道完成，每个子帧内的业务传输不再需要训练或导频序列实现上述功能。
Wi-Fi***中AP与STA相互平等，每次突发传输无论是由AP发射还是STA发射均是点对点传输。接收端根据帧检测捕获每次突发传输，通过训练序列获取准确的频率同步和符号同步。对于TDD LTE Femto***，各终端均以基站发射频率和时间定时为基准，校正自己的本振频率和时间定时。比较上述两***的同步机制，Wi-Fi***同步过程简单，但每次传输均需要长、短训练序列完成同步功能，开销较大；TDD LTE Femto***同步过程复杂，但每次传输不需要额外的同步序列辅助，开销较小。
为了提高中短距离通信***的效率和频谱利用率，需要引入调度机制和多址接入机制，要实现这一目标必须有合适的同步机制配合。WLAN***双向通信都通过前导实现同步的方式，这种同步方式虽然简单，但效率低且不适用于多用户同时通信，一方面无论多长的数据包都需要携带前导会占用时间资源，另一方面，CSMA/CA的接入方式本身就不支持多用户同时接入因此不满足多用户同时通信时的同步需求。移动WiMAX和LTE***的同步方式可以借鉴，但两者的上行同步要求闭环控制，对同步要求高；此外移动终端和基站采用较高成本的载波晶振来处理采样时钟同步问题，不适用低成本的无线局域网设备。因此在基于调度的中短距离通信***中需要设计合理的同步机制。
发明内容
本发明提供一种实现时间同步的方法及无线通信***，简化了同步实现流程。
本发明提供的一种在无线通信***中实现时间同步的方法，包括如下步骤：
接入点根据下行帧的发送起始时刻                                                
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE001
、下行传输周期以及保护间隔长度
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE003
确定上行帧的接收起始时刻
Figure 263657DEST_PATH_IMAGE004
；
用户站点根据下行帧的同步前导确定下行帧到达用户站点的起始时刻
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE005
；
用户站点根据
Figure 767451DEST_PATH_IMAGE005
、下行传输周期
Figure 69119DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度，确定上行帧的发送起始时刻
Figure 6693DEST_PATH_IMAGE006
。
本发明提供的一种接入点，包括：
发送模块，用于发送下行帧；
时间起点确定模块，用于根据下行帧的发送起始时刻
Figure 376494DEST_PATH_IMAGE001
、下行传输周期
Figure 470352DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 267407DEST_PATH_IMAGE003
确定上行帧的接收起始时刻
Figure 63193DEST_PATH_IMAGE004
；
所述接收模块，用于根据确定出的上行帧的接收起始时刻
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE007
接收上行帧。
本发明提供的一种用户站点，包括：
接收模块，用于接收下行帧；所述下行帧中包括同步前导；
时间起点确定模块，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
Figure 919471DEST_PATH_IMAGE005
、下行传输周期
Figure 887427DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 170510DEST_PATH_IMAGE003
，确定上行帧的发送起始时刻
Figure 882114DEST_PATH_IMAGE006
；
发送模块，用于根据确定出的上行帧的发送起始时刻
Figure 684985DEST_PATH_IMAGE008
发送上行帧。
本发明提供的一种无线通信***，包括如上所述接入点和用户站点。
综上所述，本发明所提供的实现时间同步的技术方案中，巧妙地采用了时间定时机制，由AP和STA各自独立地确定相应的时间起点并启动各自的定时器，从而实现彼此有序地相互通信，简化了同步流程。
 
附图说明
图1为本发明实施例提供的上行及下行信号时序示意图；
图2为本发明提供的实现时间同步的方法流程图；
图3本发明实施例中采用的同步前导结构图；
图4为本发明实施例中生成同步前导的方法流程示意图；
图5为本发明的具体实施例中提供的实现时间同步的方法流程图；
图6为本发明实施例一种细定时同步的方法流程图；
图7为本发明实施例另一种细定时同步的方法流程图；
图8为本发明实施例一种接入点的装置方框图；
图9为本发明实施例一种用户站点的装置方框图；
图10为本发明实施例一种无线通信***架构示意图。
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
Figure 823842DEST_PATH_IMAGE001
、下行传输周期
Figure 407270DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 109516DEST_PATH_IMAGE003
确定上行帧的接收起始时刻
Figure 829210DEST_PATH_IMAGE004
；
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
Figure 76652DEST_PATH_IMAGE005
；
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
Figure 147376DEST_PATH_IMAGE005
。
步骤S203：用户站点根据
Figure 390663DEST_PATH_IMAGE005
、下行传输周期和保护间隔长度
Figure 711103DEST_PATH_IMAGE003
，确定上行传输时刻
Figure 206806DEST_PATH_IMAGE006
。
下行传输周期以及保护间隔长度
Figure 679562DEST_PATH_IMAGE003
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
Figure 596702DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 314122DEST_PATH_IMAGE003
。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
Figure 800150DEST_PATH_IMAGE003
为定长的***中，所述下行传输周期
Figure 936734DEST_PATH_IMAGE002
以及所述保护间隔长度
Figure 605612DEST_PATH_IMAGE003
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：
STA获取其到接入点AP的传播延迟
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE009
；
将上行发送时刻
Figure 785927DEST_PATH_IMAGE008
提前到
Figure 477939DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE011
，其中提前量
Figure 214951DEST_PATH_IMAGE012
。
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，
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE013
；本发明设计CP的长度
Figure 752436DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE015
为最大单向传播延迟，
Figure 119963DEST_PATH_IMAGE016
为多径延迟扩展；提前量
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE017
。
Figure 548539DEST_PATH_IMAGE018
可根据经验值设置，一般在几个点的范围内，比如
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE019
，Ts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
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 591767DEST_PATH_IMAGE022
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
Figure 864617DEST_PATH_IMAGE024
和所述CP2的长度
Figure 2011102258334100002DEST_PATH_IMAGE025
均等于循环前缀的长度
Figure 780489DEST_PATH_IMAGE026
。
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
Figure 859304DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 294964DEST_PATH_IMAGE022
为有用符号持续时间，
Figure 66611DEST_PATH_IMAGE026
为循环前缀的长度。在图3中，
Figure 17250DEST_PATH_IMAGE021
，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
Figure DEST_PATH_IMAGE027
=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
Figure 947236DEST_PATH_IMAGE028
，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
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，序列在频域的填充位置
Figure 367853DEST_PATH_IMAGE030
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，且
Figure 778106DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
。
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
Figure 78506DEST_PATH_IMAGE034
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
Figure 941420DEST_PATH_IMAGE027
=256，负频率虚载波数为
Figure DEST_PATH_IMAGE035
=13，正频率虚载波数为
Figure 352678DEST_PATH_IMAGE036
=12, DC附近的虚载波数为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
=1。
短训练序列S-Preamble的填充：时域周期数
Figure 414175DEST_PATH_IMAGE038
=8，序列的周期长度应为
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 636209DEST_PATH_IMAGE040
表示大于等于x的最小整数，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
表示小于等于x的最大整数。计算得
Figure 238616DEST_PATH_IMAGE042
=28。选定序列后，按次序将序列填充到
Figure 266615DEST_PATH_IMAGE034
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
Figure DEST_PATH_IMAGE043
=2，序列的周期长度应为
Figure 762504DEST_PATH_IMAGE044
，计算得
Figure DEST_PATH_IMAGE045
=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
Figure 166121DEST_PATH_IMAGE043
=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
Figure 654740DEST_PATH_IMAGE001
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
Figure 15314DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 402433DEST_PATH_IMAGE003
。AP记录其下行帧的发送起始时刻
Figure 709918DEST_PATH_IMAGE001
（启动定时器Timer1），并确定上行帧的接收起始时刻
Figure 600513DEST_PATH_IMAGE004
。
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
Figure 584519DEST_PATH_IMAGE005
；
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
Figure 193355DEST_PATH_IMAGE005
。
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
Figure 315211DEST_PATH_IMAGE005
： 
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
Figure 569180DEST_PATH_IMAGE005
 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
Figure 280784DEST_PATH_IMAGE046
，相关求和长度等于
Figure 83655DEST_PATH_IMAGE046
+
Figure DEST_PATH_IMAGE047
；
其中，
Figure 409463DEST_PATH_IMAGE046
表示长训练序列中一个周期序列的样本点数；
Figure 992891DEST_PATH_IMAGE047
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）
Figure 165563DEST_PATH_IMAGE050
=
Figure DEST_PATH_IMAGE051
                （2）
Figure 662273DEST_PATH_IMAGE052
=
Figure DEST_PATH_IMAGE053
                                  （3）
Figure 670680DEST_PATH_IMAGE054
=
Figure DEST_PATH_IMAGE055
                             （4）
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
Figure 911037DEST_PATH_IMAGE046
，相关求和长度小于
Figure 750817DEST_PATH_IMAGE046
+
Figure 169160DEST_PATH_IMAGE047
；
其中，
Figure 461601DEST_PATH_IMAGE046
表示长训练序列中一个周期序列的样本点数；
Figure 496861DEST_PATH_IMAGE047
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
Figure 191147DEST_PATH_IMAGE046
+
Figure 842708DEST_PATH_IMAGE047
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
Figure 825708DEST_PATH_IMAGE046
+
Figure 220917DEST_PATH_IMAGE047
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：
Figure 956661DEST_PATH_IMAGE048
=
Figure 44702DEST_PATH_IMAGE056
                  （5）
Figure 311736DEST_PATH_IMAGE050
=
Figure DEST_PATH_IMAGE057
                （6）
Figure 448319DEST_PATH_IMAGE052
=                                  （7）
Figure 297512DEST_PATH_IMAGE058
                             （8）
其中，r(n)表示接收信号，r*(n)表示复信号的共轭，0<N1<NL+NCP2。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，N1<NL+NCP2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
Figure 51842DEST_PATH_IMAGE054
的误差与相关长度N1以及阈值Th有关。N1越接近NL+NCP2，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
Figure 726537DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 249922DEST_PATH_IMAGE003
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。
步骤S504：STA确定上行帧的发送起始时刻
Figure 321149DEST_PATH_IMAGE006
；
如图1所示，基于下行传输周期
Figure 964620DEST_PATH_IMAGE002
、保护间隔长度
Figure 299786DEST_PATH_IMAGE003
以及之前确定的下行帧到达STA的起始时刻
Figure 218588DEST_PATH_IMAGE005
，STA确定上行传输时刻
Figure 297403DEST_PATH_IMAGE006
。
STA如果有数据发送，则在上行传输时刻
Figure 733063DEST_PATH_IMAGE008
开始发送上行帧；
步骤S505：AP在上行帧的接收起始时刻
Figure 239131DEST_PATH_IMAGE007
开始接收上行数据；
参照图1，可知
Figure 642299DEST_PATH_IMAGE007
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
Figure 877289DEST_PATH_IMAGE013
对接收数据做FFT变换，通过信道估计及均衡去除时间偏移。
Figure 757520DEST_PATH_IMAGE018
表示AP取FFT窗口时的提前量，一般在几个点的范围内，比如
Figure 195454DEST_PATH_IMAGE019
，Ts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
Figure 803022DEST_PATH_IMAGE018
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
Figure 275592DEST_PATH_IMAGE026
以保证***覆盖范围内所有STA发送的信号都在
Figure DEST_PATH_IMAGE059
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
Figure 61145DEST_PATH_IMAGE060
及多径延迟扩展为
Figure 986376DEST_PATH_IMAGE016
，则循环前缀长度满足：
Figure 397635DEST_PATH_IMAGE014
。
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
Figure 724711DEST_PATH_IMAGE020
。较佳地，综合考虑传输效率和***覆盖范围的需要，可设计
Figure 9061DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 359271DEST_PATH_IMAGE022
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
Figure 121691DEST_PATH_IMAGE026
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
Figure 493154DEST_PATH_IMAGE008
提前，包括：
STA获取其到接入点AP的传播延迟
Figure 948406DEST_PATH_IMAGE009
；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
Figure 785912DEST_PATH_IMAGE009
；
STA发送数据时，将上行传输时刻
Figure 352023DEST_PATH_IMAGE008
提前一个预定量，本实施例中，选择STA到AP的传播延迟
Figure 388112DEST_PATH_IMAGE009
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
Figure DEST_PATH_IMAGE061
。
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
Figure 526018DEST_PATH_IMAGE015
 0.33μs
多径延迟扩展
Figure 630240DEST_PATH_IMAGE016
 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
Figure 786415DEST_PATH_IMAGE001
、下行传输周期
Figure 770420DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 379256DEST_PATH_IMAGE003
确定上行帧的接收起始时刻
Figure 490432DEST_PATH_IMAGE004
；
所述接收单元，用于根据确定出的上行帧的接收起始时刻
Figure 501113DEST_PATH_IMAGE007
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
Figure 752152DEST_PATH_IMAGE026
以及预设的提前量
Figure 198177DEST_PATH_IMAGE018
确定对上行帧进行处理的起始时间
Figure 266627DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 405484DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 178793DEST_PATH_IMAGE015
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
Figure 661224DEST_PATH_IMAGE020
；其中，
Figure 731948DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 972305DEST_PATH_IMAGE022
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
Figure 812085DEST_PATH_IMAGE024
和所述CP2的长度
Figure 230428DEST_PATH_IMAGE025
均等于循环前缀的长度
Figure 522869DEST_PATH_IMAGE026
。
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
Figure 379967DEST_PATH_IMAGE002
和所述保护间隔长度
Figure 261204DEST_PATH_IMAGE003
。
 
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
Figure 912765DEST_PATH_IMAGE005
；根据
Figure 895765DEST_PATH_IMAGE005
、下行传输周期
Figure 290974DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 26718DEST_PATH_IMAGE003
，确定上行帧的发送起始时刻
Figure 114759DEST_PATH_IMAGE006
；
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：
测量单元，用于获取用户站点到接入点的传播延迟
Figure 252797DEST_PATH_IMAGE009
；
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
Figure 921675DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 382218DEST_PATH_IMAGE011
，其中提前量
Figure 870968DEST_PATH_IMAGE012
。
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
Figure 873559DEST_PATH_IMAGE014
，为最大单向传播延迟，
Figure 498892DEST_PATH_IMAGE016
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，
Figure 468171DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 783746DEST_PATH_IMAGE022
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
Figure 384492DEST_PATH_IMAGE005
。
较佳地，所述CP1的长度
Figure 34785DEST_PATH_IMAGE024
和所述CP2的长度
Figure 379178DEST_PATH_IMAGE025
均等于循环前缀的长度
Figure 814839DEST_PATH_IMAGE026
。
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
Figure 320907DEST_PATH_IMAGE046
，相关求和长度等于+
Figure 606580DEST_PATH_IMAGE047
；表示所述第二周期序列的样本点数；
Figure 573716DEST_PATH_IMAGE047
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
Figure 697847DEST_PATH_IMAGE046
+
Figure 94718DEST_PATH_IMAGE047
；表示第二周期序列的样本点数；
Figure 133398DEST_PATH_IMAGE047
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
Figure 295389DEST_PATH_IMAGE002
和所述保护间隔长度
Figure 622465DEST_PATH_IMAGE003
。
 
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
Figure 93767DEST_PATH_IMAGE005
；用户站点获取下行传输周期
Figure 240714DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 206396DEST_PATH_IMAGE003
，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。

Claims (31)

1.一种在无线通信***中实现时间同步的方法，其特征在于，包括如下步骤：
接入点根据下行帧的发送起始时刻                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、下行传输周期
Figure 148163DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
确定上行帧的接收起始时刻
Figure 47986DEST_PATH_IMAGE004
；
用户站点根据下行帧的同步前导确定下行帧到达用户站点的起始时刻；
用户站点根据、下行传输周期
Figure 789468DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 415621DEST_PATH_IMAGE003
，确定上行帧的发送起始时刻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
用户站点获取其到接入点的传播延迟；
将上行帧的发送起始时刻提前到
Figure 93913DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中提前量。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：
接入点从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，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；CP的长度
Figure 171776DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为最大单向传播延迟，
Figure 780612DEST_PATH_IMAGE014
为多径延迟扩展；提前量
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：
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
Figure 626208DEST_PATH_IMAGE016
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 823840DEST_PATH_IMAGE018
为OFDM符号中非CP部分的长度。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的方法，其特征在于：
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；
用户站点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
Figure 791796DEST_PATH_IMAGE005
。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述CP1的长度和所述CP2的长度均等于循环前缀的长度
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述短训练序列和所述长训练序列各占用一个OFDM符号。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
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。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述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
Figure 727096DEST_PATH_IMAGE022
，相关求和长度等于
Figure 857863DEST_PATH_IMAGE022
+
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 121354DEST_PATH_IMAGE022
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。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述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
Figure 892181DEST_PATH_IMAGE022
，相关求和长度小于
Figure 877454DEST_PATH_IMAGE022
+
Figure 311847DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 116992DEST_PATH_IMAGE022
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。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述用户站点接收所述接入点发送的广播信息，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
Figure 677789DEST_PATH_IMAGE003
。
12.一种接入点，其特征在于，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
Figure 173492DEST_PATH_IMAGE001
、下行传输周期
Figure 765011DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 914757DEST_PATH_IMAGE003
确定上行帧的接收起始时刻
Figure 566318DEST_PATH_IMAGE004
；
所述接收单元，用于根据确定出的上行帧的接收起始时刻
Figure 346055DEST_PATH_IMAGE024
接收上行帧。
13.如权利要求12所述的接入点，其特征在于，还包括处理单元：
所述时间起点确定单元，还用于根据
Figure 678948DEST_PATH_IMAGE024
、循环前缀CP的长度以及预设的提前量
Figure DEST_PATH_IMAGE025
确定对上行帧进行处理的起始时间
Figure 502733DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 769766DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 906350DEST_PATH_IMAGE013
为最大单向传播延迟，
Figure 575228DEST_PATH_IMAGE014
为多径延迟扩展；
Figure 755543DEST_PATH_IMAGE015
；
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。
14.如权利要求13所述的接入点，其特征在于：
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
Figure 509872DEST_PATH_IMAGE016
；其中，
Figure 512463DEST_PATH_IMAGE017
；为OFDM符号中非CP部分的长度。
15.如权利要求12-14中任何一项所述的接入点，其特征在于：
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。
16.如权利要求15所述的接入点，其特征在于：
所述CP1的长度
Figure 137797DEST_PATH_IMAGE019
和所述CP2的长度
Figure 566373DEST_PATH_IMAGE020
均等于循环前缀的长度
Figure 107076DEST_PATH_IMAGE021
。
17.如权利要求15所述的接入点，其特征在于：
所述短训练序列和所述长训练序列各占用一个OFDM符号。
18.如权利要求15所述的接入点，其特征在于：
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。
19.如权利要求12所述的接入点，其特征在于：
所述下行帧中携带所述下行传输周期
Figure 484967DEST_PATH_IMAGE002
和所述保护间隔长度
Figure 23396DEST_PATH_IMAGE003
。
20.一种用户站点，其特征在于，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
Figure 486739DEST_PATH_IMAGE005
；根据
Figure 831132DEST_PATH_IMAGE005
、下行传输周期
Figure 253411DEST_PATH_IMAGE002
以及保护间隔长度
Figure 25058DEST_PATH_IMAGE003
，确定上行帧的发送起始时刻
Figure 913379DEST_PATH_IMAGE006
；
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。
21.如权利要求20所述的用户站点，其特征在于，还包括：
测量单元，用于获取用户站点到接入点的传播延迟
Figure 148369DEST_PATH_IMAGE007
；
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
Figure 277867DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 715802DEST_PATH_IMAGE009
，其中提前量
Figure 339681DEST_PATH_IMAGE010
。
22.如权利要求20所述的用户站点，其特征在于：
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
Figure 546672DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 660121DEST_PATH_IMAGE013
为最大单向传播延迟，
Figure 772303DEST_PATH_IMAGE014
为多径延迟扩展。
23.如权利要求22所述的用户站点，其特征在于：
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
Figure 996611DEST_PATH_IMAGE016
；其中，；
Figure 280141DEST_PATH_IMAGE018
为OFDM符号中非CP部分的长度。
24.如权利要求20-23中任何一项所述的用户站点，其特征在于：
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。
25.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于：
所述CP1的长度和所述CP2的长度
Figure 89200DEST_PATH_IMAGE020
均等于循环前缀的长度
Figure 544453DEST_PATH_IMAGE021
。
26.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于：
所述短训练序列和所述长训练序列各占用一个OFDM符号。
27.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于：
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。
28.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于，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
Figure 116379DEST_PATH_IMAGE022
，相关求和长度等于
Figure 682490DEST_PATH_IMAGE022
+
Figure 162320DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 788473DEST_PATH_IMAGE022
表示所述第二周期序列的样本点数；
Figure 910013DEST_PATH_IMAGE023
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。
29.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于，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
Figure 217498DEST_PATH_IMAGE022
，相关求和长度小于
Figure 373672DEST_PATH_IMAGE022
+
Figure 170727DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 966514DEST_PATH_IMAGE022
表示第二周期序列的样本点数；
Figure 874427DEST_PATH_IMAGE023
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。
30.如权利要求20所述的用户站点，其特征在于，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
Figure 790747DEST_PATH_IMAGE003
。
31.一种无线通信***，其特征在于，包括权利要求12-19中任何一项所述的接入点和权利要求20-30中任何一项所述的用户站点。
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