CN106534016A - 一种通信定时同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信定时同步方法及装置，应用于DFT-S-OFDM***中。通信定时同步方法包括：获取发送信号经衰落信道N条径上的接收信号矢量和，所述发送信号是归一化的N点采样复信号，N为2的整次幂；逐点计算N个发送接收信号的互相关值，确定所述互相关值中的最大互相关值；根据所述最大互相关值附近的值与接收信号的自相关值计算得到检验统计量，所述检验统计量用于确定相关定时同步的阈值，从而确定通信帧的起始点。本发明的技术方案能够确定DFT-S-OFDM通信***在衰落信道中定时同步的检验统计量的阈值，进而根据阈值确定通信帧的起始点，实现数据帧的定时同步。

Description

一种通信定时同步方法及装置

技术领域

本发明涉及一种通信技术，特别是涉及一种通信定时同步方法及装置。

背景技术

LTE(Long Term Evolution，长期演进)是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式用于成对频谱和非成对频谱。LTE上行采用的SC-FDMA(Single-Carrier Frequency Division Multiple Access，单载波频分地址)具体采用DFT-S-OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM)技术来实现，该技术是在OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)的IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换)调制之前对信号进行DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)扩展，这样***发射的是时域信号，从而可以避免OFDM***发送频域信号带来的PAPR(Peak to Average Power Ratio，峰值平均功率比)问题。同步过程在无线通信***中至关重要，一旦同步误差超出容忍范围或同步失效，数据的解调译码的性能将大幅度降低，甚至通信失败。精确的定时同步是DFT-S-OFDM传输***实现的基础条件。在无线通信领域，衰落是指由于信道的变化导致接收信号的幅度发生随机变化的现象，即信号衰落。导致信号衰落的信道被称作衰落信道。最近几年，出现了较多关于定时同步的研究成果，典型的有最大似然(maximum likelihood，ML)法，匹配滤波法(Matched Filter)，相关同步法等，这些方法各自有各自的使用场景和优缺点，主要适用于AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)信道，对于衰落信道却几乎不能适用。

鉴于此，如何找到一种在衰落信道中也适用的定时同步方案就成了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通信定时同步方法及装置，用于解决现有技术中DFT-S-OFDM下定时同步方案在衰落信道中不能适用的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种通信定时同步方法，应用于DFT-S-OFDM***中，所述通信定时同步方法包括：获取发送信号经衰落信道N条径上的接收信号矢量和所述发送信号是归一化的N点采样复信号，即有N为2的整次幂；逐点计算N个发送接收信号的互相关值 为发送信号x_i的共轭，确定所述互相关值中的最大互相关值R_yx(j)；为接收信号y_i的共轭，根据所述最大互相关值附近的值与接收信号的自相关值计算得到检验统计量，所述检验统计量用于确定相关定时同步的阈值，从而确定通信帧的起始点。

可选地，所述检验统计量的计算方法包括：根据所述最大互相关值附近15个值的累加和与自相关值做除运算，检验统计量 为发送信号y_i的共轭。

可选地，所述通信帧包括数据帧或控制帧；所述通信帧的结构包括前导符号、循环前缀和数据部分；所述控制帧的结构包括前导符号和数据部分。

可选地，所述前导符号采用相关性能优越的伪随机序列。

可选地，所述前导符号的长度为1024。

本发明还提供一种通信定时同步装置，应用于DFT-S-OFDM***中，所述通信定时同步装置包括：用于获取发送信号经衰落信道N条径上的接收信号所述发送信号是归一化的N点采样复信号，有N为2的整次幂；最大互相关值确定单元，用于逐点计算发送信号与接收信号的互相关值 为发送信号x_i的共轭，确定所述互相关值中的最大互相关值R_yx(j)；检验统计量计算单元，用于根据所述最大互相关值附近的值与接收信号自相关值计算得到检验统计量，所述检验统计量用于确定相关定时同步的阈值，从而确定通信帧的起始点。

可选地，根据所述最大互相关值检验统计量的计算方法包括：根据所述最大互相关值附近15个值的累加和与接收信号自相关值做除运算，检验统计量 为接收信号y_i的共轭。

可选地，所述通信帧包括控制帧和数据帧；所述通信帧的结构包括前导符号、循环前缀和数据部分。

可选地，所述前导符号采用相关性能优越的伪随机序列。

可选地，所述前导符号的长度为1024。

如上所述，本发明的一种通信定时同步方法及装置，具有以下有益效果：能够确定DFT-S-OFDM通信***在衰落信道中定时同步的检验统计量的阈值，进而根据所述阈值确定通信帧的起始点，实现数据帧的定时同步。

附图说明

图1显示为本发明的通信定时同步方法的一实施例的流程示意图。

图2显示为本发明的通信定时同步装置的一实施例的模块示意图。

图3显示为现有技术的在AWGN信道环境下的累积分布函数的CDF曲线示意图。

图4显示为现有技术的在衰落信道环境下的累积分布函数的CDF曲线示意图。

图5显示为本发明的通信定时同步方法在衰落信道环境下的一实施例的CDF曲线示意图。

元件标号说明

1 通信定时同步装置

11 相关信号获取单元

12 最大互相关值确定单元

13 检验统计量计算单元

S1～S3 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种通信定时同步方法，应用于DFT-S-OFDM***中。离散傅立叶变化扩展的正交频分复用(DFT-S-OFDM)技术已被3GPP采用，是一种单载波调制技术。作为长期演进项目(LTE)的上行调制方案，具有峰均比(PAPR)低等优势，这样在上行链路功放要求相同的情况下，提高了上行链路的功率效率，扩大了信号的覆盖范围，同时有利于用户终端的硬件实现。同步过程在无线通信***中至关重要，一旦同步误差超出容忍范围或同步失效，数据的解调译码的性能将大幅度降低，甚至通信失败。精确的定时同步是DFT-S-OFDM传输***实现的基础条件，本发明的定时同步方法是建立在辅助序列的基础上实现的，且应用场景比较恶劣，能适应高速运动引起的多普勒频移。上行链路包含控制链路和数据链路。对于数据链路，发送端首先将输入的数据比特流经过MPSK(Multiple Phase Shift Keying，多进制数字相位调制，又称多相制)调制成星座符号，接着进行M点的DFT变化，子载波映射，再进行N点(N>M)的IFFT变化(这里DFT-S-OFDM的子载波映射时做了2倍上采样，因而N＝2*M)，添加循环前缀CP。对于控制链路，同样进行DFT，子载波映射和IFFT变化生成DFT-S-OFDM符号，但不添加循环前缀，最后进行组帧在一个实施例中，如图1所示，所述通信定时同步方法包括：

步骤S1，获取发送信号经衰落信道N条径上的接收信号矢量和所述发送信号是归一化的N点采样复信号，即有N为2的整次幂。接收信号是N条径(发送信号按照天线方向向空间发射，传播方式有直射，散射，反射，导致接收机接收来自不同方向的多径信号)的时域累加信号和。

步骤S2，逐点计算本地序列(发送信号)与接收信号的互相关值接收信号的自相关值其中为发送信号x_i的共轭，为接收信号y_i的共轭，确定所述互相关值中的最大互相关值R_yx(j)。以上逐点计算的原理包括：每个终端在发送信号时候，前面的控制帧是按照终端里面的序号发生器产生的一样的序列，如这里的伪随机序列，长度为N＝1024(复信号)；然后进行DFT-S-OFDM调制变化，与数据帧进行组帧后发送，发送到空间传播时候，会经过幅度衰减，时间延迟，频率偏移等变化，所以接收到的信号就是与发送信号有差异的。我们首先要检测信号，做的第一步就是同步，怎么同步，用接收端的终端，产生的伪随机信号(和发送终端一样)经过DFT-S-OFDM调制变化，所得到的这个本地序列与发送信号的前端信号相同，故也可以认为是发送信号x。将本地所得到的发送信号与接收信号做长度为N＝1024的相关运算；因为接收的信号长度不止控制帧的长度，所以首先假设本地伪随机序列(与发送信号的控制帧是一样的)与接收信号帧头的第一位复信号对齐了，这样做一次相关运算，其实是做了1024次复信号相乘，然后再累加，最后做均值除以1024.这样，算出来的才是一个相关值(第1个)。然后将本地的伪随机序列与帧头的第二位复信号对齐了，同样做这样的运算，这时，参与运算的接收信号1024长的最后一个点很有可能是后面的CP(64长)，但是和伪随机序列没有相关性，所以算出来的相关值会很小(第2个)。继续，再与第三位对齐计算……逐次做这样的运算，共1024次，在计算得到的这些互相关值(共1024个)中比较选出互相关值中的最大值作为最大互相关值R_yx(j)，即假定计算得到的第j个互相关值为最大互相关值。

步骤S3，根据所述最大互相关值附近的值与接收信号的自相关值计算得到检验统计量，所述检验统计量用于确定相关定时同步的阈值，从而确定通信帧的起始点。在一个实施例中，所述检验统计量的计算方法包括：根据所述最大互相关值附近15个值的累加和与自相关值做除运算，检验统计量 为接收信号y_i的共轭。所述通信帧包括控制帧和数据帧；所述通信帧的结构包括前导符号、循环前缀和数据部分。在一个实施例中，所述前导符号采用具有良好的互相关性和自相关性的伪随机序列。所述前导符号的长度可以为1024，512，256等。

本发明还提供一种通信定时同步装置，应用于DFT-S-OFDM***中。在一个实施例中，如图2所示，所述通信定时同步装置1包括相关信号获取单元11、最大互相关值确定单元12以及检验统计量计算单元13。其中：

相关信号获取单元11用于获取发送信号经衰落信道N条径上的接收信号所述发送信号是归一化的N点采样复信号，有N为2的整次幂。接收信号是N条径(发送信号按照天线方向向空间发射，传播方式有直射，散射，反射，导致接收机接收来自不同方向的多径信号)的时域累加信号和。

最大互相关值确定单元12与相关信号获取单元11相连，用于逐点计算发送接收信号的互相关值 为发送信号x_i的共轭，确定所述互相关值中的最大互相关值R_yx(j)。

检验统计量计算单元13与最大互相关值确定单元12相连，用于根据所述最大互相关值附近的值与接收信号自相关值计算得到检验统计量，所述检验统计量用于确定相关定时同步的阈值，从而确定通信帧的起始点。在一个实施例中，所述检验统计量的计算方法包括：检验统计量 为发送信号y_i的共轭。所述通信帧包括数据帧或控制帧；所述通信帧的结构包括前导符号、循环前缀和数据部分；所述控制帧的结构包括前导符号和数据部分。在一个实施例中，所述前导符号采用具有良好的互相关性和自相关性的伪随机序列。所述前导符号的长度可以为1024，512，256等。

为了与本发明相比较，在现有技术中有一种类相关同步统计算法，发射机的发送信号是归一化的N点采样复信号，有经过高斯白噪声AWGN信道和衰落信道，接收信号为从而，给出假设检验问题：

其中，h是信道冲激响应，和是均值为零，方差分别为的N点高斯白噪声。从而给出假设检验统计量如下公式：

为了得到接收信号相关峰值比的门限值，我们根据不同SNR(Signal Noise Ratio信噪比，信号噪声比)场景画出在AWGN信道环境下的累积分布函数的CDF(cumulative distributionfunction，累积分布函数)曲线，如下图3所示，而SNR信噪比定义为，这里不失一般性，假设h＝1。然而，这个假设检验统计量有两个弊端，一是高速运动导致的多普勒频偏会大幅降低***的工作点准确同步上信号的帧头，工作点指：通信链路***能正常通信的最低信噪比，本方案中即接收机在该最低信噪比时，能在容忍概率下(如通信10e6次，有100次不能同步上的比例)。如下图4所示，加入6KHz的多普勒频偏，工作点直降至少15dB；由于在0db-5db-10dB时候的虚警，漏警线完全重叠在一起；5dB时候已经基本无法区分虚警漏警线，因此图4给出的是5db 0db-5db时的CDF曲线，这与图3，差不多就相差了15个dB，即性能骤降15dB。二是冲激响应函数是时不变的，即冲激响应函数是不随时间的变化而变化。从图中可以看出，对于衰落信道而言，假设检验统计量几乎不能适用。图3和图4中，横轴x是无量纲常数，从0到1；纵轴是U<＝x的概率。假设条件H0表示未发送信号，接收机接收的全部是噪声；假设条件H1表示发送信道经过信道再加上高斯白噪声是接收机的接收信号。工作点的设置分别为0dB，-5dB，-10dB。

在一个实施例中，本发明的同步头(前导符号)采用相关性能优越的伪随机序列(优点：有良好的互相关性和自相关性)，长度为1024点，经DFT变化，子载波集中映射，再做长度为2048的IFFT变化。和数据序列按照同步前导(Preamble)+CP+数据流(Data)的帧格式进行组帧之后进行发射。

针对衰落信道，假设检验统计量U几乎不能适用的问题，现对假设检验统计量进行改进创新。当通信信道是衰落信道时，接收信号是N条径(发送信号按照天线方向向空间发射，传播方式有直射，散射，反射，导致接收机接收来自不同方向的多径信号)的时域累加信号和，(ai：是信号衰减系数；xi：发送信号；t：时间；τ：延迟时间；j：复信号的虚部，θ_i：多普勒相偏；w_i：高斯白噪声)，每个点的值将发生随机变化，做互相关运算，峰值点将不能再被预估。仿真也发现，假设检验统计量U0/U1(U0：假设条件H0时候的U；U1：假设条件H1时候的U；U的取值：漏警概率P_M为0时候，虚警概率P_F及其小(如P_F＝10e-6)时候的x，见CDF图，H1条件的漏警概率为0，虚警概率也为0(即等效于H0条件的虚警概率为1)的x的值。漏警概率：指接收信号中本就含有发送信息，却被高阈值滤掉的概率。虚警概率：指接收信号中本就未含发送信息，却高于阈值而被误判为发送的有效信息的概率)将不再收敛于某一个值，从而断定统计量不再适用于多径的情况。若将接收信号与本地码的互相关值中的主径峰值取出，假设问题再进行统计，自然可取阈值。然而，实际应用中难以取到主径峰值，所以，考虑到数据段前面有CP保护，这里取互相关值的最大峰值(峰值点位置设定为max_index)(Xi*：发送信号Xi的共轭。峰值确定：比较这N个互相关值R_yx的大小，取最大的那个值，仿真工具matlab中直接调用库函数max()即可。)附近15个样值点进行累加处理，从而提高低信噪比下的U值，得到如下式：

这里j＝max_index。

为了验证发明的假设检验统计量的性能，利用工具Matlab在衰落信道，不同信噪比场景下进行了仿真。仿真参数设置如下表所示：

采用Jakes信道模型，自定义了4条径，时延分别是0、0.2*e-6、0.4*e-6和0.6*e-6，单位是秒；路径能量损耗分别是0dB、-2dB、-10dB和-20dB；多普勒频偏是-6KHz。仿真结果图形见图5。

通过对比图4与图5，可以看出采用本发明的技术方案能够解决衰落信道的门限问题，从而可以得到一个工作在低信噪比(-10dB)且多普勒频移高达6000Hz的恶劣环境下的定时同步假设检验统计量U。这样，DFT-S-OFDM的通信接收机利用前导符号(前导符号采用相关性比较好的伪随机序列，伪随机序列是具有某种随机特性的确定的序列，它们是由移位寄存器产生，具有良好的互相关性，又有良好的自相关性。本发明中的U的分子做了互相关运算，而分母做了自相关运算。)的统计相关特性，进行串行滑动相关(因为接收机的本地伪随机序列与发射机的伪随机序列是一样的，长度均为1024；要找出发送的前导符号的帧头，接收机做相关运算时是将本地序列串行滑动着逐点与接收信号做相关)运算，将计算出来的1024个值与阈值U进行比较，超过阈值U，则能判定为前导符号的起始点，达到同步目标。之后根据帧结构去除前导符号的长度和循环前缀CP的长度，提取有效信息进行解码，获取准确的发送信息。

综上所述，本发明的一种通信定时同步方法及装置，具有以下有益效果：能够确定DFT-S-OFDM在衰落信道中定时同步中检验统计量的值，进而根据所述检验统计量确定通信帧的起始点，实现数据帧的定时同步能够确定DFT-S-OFDM通信***在衰落信道中定时同步的检验统计量的阈值，进而根据所述阈值确定通信帧的起始点，实现数据帧的定时同步。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种通信定时同步方法，应用于DFT-S-OFDM***中，其特征在于，所述通信定时同步方法包括：

获取发送信号经衰落信道N条径上的接收信号矢量和所述发送信号是归一化的N点采样复信号，即有N为2的整次幂；

逐点计算发送信号与接收信号的互相关值接收信号的自相关值其中为发送信号x_i的共轭，为接收信号y_i的共轭，确定所述互相关值中的最大互相关值R_yx(j)；

根据所述最大互相关值附近的值与接收信号的自相关值计算得到检验统计量，所述检验统计量用于确定相关定时同步的阈值，从而确定通信帧的起始点。

2.根据权利要求1所述的通信定时同步方法，其特征在于：所述检验统计量的计算方法包括：根据所述最大互相关值附近15个值的累加和与自相关值做除运算，检验统计量 $U\left(\stackrel{\&RightArrow;}{y}\right)=\frac{{\left|\frac{1}{N}\underset{i=j-8}{\overset{j+7}{\&Sigma;}}{R}_{yx}\left(i\right)\right|}^2}{\left|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{y}_i{y}_i^{*}\right|},$ 为接收信号y_i的共轭。

3.根据权利要求1所述的通信定时同步方法，其特征在于：所述通信帧包括控制帧和数据帧；所述通信帧的结构包括前导符号、循环前缀和数据部分。

4.根据权利要求3所述的通信定时同步方法，其特征在于：所述前导符号采用相关性能优越的伪随机序列。

5.根据权利要求3所述的通信定时同步方法，其特征在于：所述前导符号的长度为1024。

6.一种通信定时同步装置，应用于DFT-S-OFDM***中，其特征在于：所述通信定时同步装置包括：

相关信号获取单元，用于获取发送信号经衰落信道N条径上的接收信号所述发送信号是归一化的N点采样复信号，有 $\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}|x_i{|}^2=1,$ N为2的整次幂；

最大互相关值确定单元，用于逐点计算发送信号与接收信号的互相关值 为发送信号x_i的共轭，确定所述互相关值中的最大互相关值R_yx(j)；

检验统计量计算单元，用于根据所述最大互相关值附近的值与接收信号自相关值计算得到检验统计量，所述检验统计量用于确定相关定时同步的阈值，从而确定通信帧的起始点。

7.根据权利要求6所述的通信定时同步装置，其特征在于：根据所述的计算方法包括：根据所述最大互相关值附近15个值的累加和与接收信号自相关值做除运算，检验统计量 为接收信号y_i的共轭。

8.根据权利要求6所述的通信定时同步装置，其特征在于：所述通信帧包括控制帧和数据帧；所述通信帧的结构包括前导符号、循环前缀和数据部分。

9.根据权利要求8所述的通信定时同步装置，其特征在于：所述前导符号采用相关性能优越的伪随机序列。

10.根据权利要求8所述的通信定时同步装置，其特征在于：所述前导符号的长度为1024。