CN107360624A - 一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法 - Google Patents
一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多段重复前导序列的定时粗同步方法，该方法通过发射具有重复特性的前导序列，在接收端用多个天线进行接收，并对多段接收信号进行平滑和自相关构造定时测量变量λ(d)。当定时测量变量值大于设置的检测门限值时，便认为达到定时粗同步点。本发明能在低信噪比下实现定时粗同步，最优检测门限值可以根据不同***参数下的蒙特卡罗仿真结果预先设定，从而使粗同步错误概率大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及多径信道下的宽带无线通信***，具体涉及非视距无线通信场景下的定时粗同步方法。
背景技术
在非视距无线通信过程中，无线信号传输功率损耗严重导致接收信噪比降低。另一方面，多径传输会造成严重的频率选择性衰落，这些都给信息的可靠传输带来了困难。对于宽带无线数字通信来说，首先需要解决的是接收信号的定时同步问题。
在过去的研究中，关于定时同步的研究主要集中在较高信噪比条件下，具体可以分为非数据辅助的同步算法和基于数据辅助的同步算法。基于数据辅助的同步中，比较经典的方法是Schmidl在IEEE Trans.Commun,vol.45,pp.1613-1621上提出的“Robustfrequency and timing synchronization for OFDM”，该方法利用前后两段重复块做自相关的方法进行同步。在此基础上，Minn在IEEE Commun.Lett,vol.4,pp.242-244发表的“Ontiming offset estimation for OFDM systems”及Park在IEEE Commun.Lett,vol.7,pp.239-241发表的“A novel timing estimation method for OFDM systems”分别对Schmidl同步方法进改进，但是改进的方法在多径信道条件下性能不好，并且在硬件实现上难度也较大。此外，Allert van Zelst和Tim C.W.Schenk等人发表在IEEE Transactionson Signal Processing,52,483-494上的“Implementation of a MIMO OFDM–basedwireless LAN system”借鉴Schmidl等人的同步思想，在IEEE 802.11协议的基础上，实现了多天线接收时的定时同步，但是在低信噪比条件下(0dB以下)，性能仍不能满足***的设计要求。
发明内容
本发明的目的在于解决宽带无线通信***在低信噪比多径传输环境下的定时同步问题，提出一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
第一步，在发射端，用于粗同步的前导序列重复的段数为N(N≥3，具体取值与发射数据有关)，每段前导序列的采样点数为L，N段前导序列总长度为NL。
第二步，在接收端进行采样，接收天线个数为M，d时刻(指任意时刻)接收到的数字基带信号可以表示为r1(d)，r2(d)，...，rM(d)。利用M个接收天线进行定时粗同步时，为了构造定时测量变量，首先按照间隔点数为L对数字基带信号进行连续T点平滑，然后再对平滑后的序列进行滑动自相关，其中自相关前后两段序列的间隔点数为DL，每段序列的采样点数为HL，D表示自相关延迟段数，H表示自相关求和段数。此时，定时测量变量λ(d)表示为：
其中：
其中，[·]*表示共轭复数；由于平滑后等效信道长度增加，为了尽可能利用前导序列重复的特性，对于正整数T、D、H和N，要求T+D+H≤N，且D≤H。R(d)表示自相关变量，P(d)表示归一化变量。
第三步，使用蒙特卡罗仿真获取不同***参数(具体指信噪比、M、N、L及T、D和H)下的定时粗同步错误概率与检测门限η的关系曲线(该关系曲线简称定时粗同步错误概率曲线)，在本发明中定时粗同步错误概率定义如下：
在发射前导序列的条件下，未检测到接收信号的定时测量变量λ(d)高于检测门限η，或者检测到定时测量变量λ(d)高于检测门限η但同步点d(指d时刻检测的同步点)不在理想同步点之前的K点采样范围内的概率，其中η满足0<η<1。
第四步，根据最小同步错误概率确定不同***参数下的最佳检测门限。当定时测量变量λ(d)的实际计算值大于设置的最佳检测门限时，认为达到定时粗同步点(指检测到前导序列的初始位置)，否则认为未同步上(指接收信号未检测出前导序列)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中，接收端利用连续间隔为L的T点信号做平滑，使前导序列的重复特性在多径信道下能够保持，同时提高了等效信噪比，因此在低信噪比下(0dB以下)能根据序列的自相关特性检测出前导序列。
进一步的，在给定前导序列的长度NL，接收天线数M，以及定时粗同步检测范围K的情况下，根据蒙特卡罗仿真得到的粗同步错误概率曲线能够确定***在不同信噪比的T、D、H以及η等参数的最优值(T、D、H三者相互制约，T+D+H≤N，D≤H，目的在于寻找最优门限值)，使得定时粗同步的错误概率最小。
附图说明
图1为本发明发射端前导序列和接收端自相关检测示意图；
图2为本发明在固定信噪比下定时粗同步错误概率随门限值变化的蒙特卡罗仿真曲线(M＝4、N＝9、L＝32、T＝3、D＝3、H＝3、K＝256)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，本发明针对现有定时粗同步方法主要适用于较高信噪比，不能有效解决低信噪比下由多径传输造成频率选择性衰落时的定时同步问题，提出一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，具体步骤如下：
本发明使用的定时粗同步检测模型参见图1，在发射端，用于定时粗同步的前导序列重复的段数为N，每段序列的点数为L，前导序列总长度为NL，接收天线个数为M。在接收端进行采样，d时刻接收到的数字基带信号可以表示为r1(d)，r2(d)，...，rM(d)。为了构造定时测量变量，首先按照间隔点数为L对数字基带信号进行连续T点平滑，然后再对平滑后的序列进行滑动自相关，其中自相关前后两段序列的间隔点数为DL，每段序列的点数为HL，D表示自相关延迟段数，H表示自相关求和段数。此时，定时测量变量λ(d)表示为：
其中：
由于平滑后信道长度增加，为了尽可能利用前导序列重复的特性，对于正整数T、D、H和N，要求T+D+H≤N，D≤H。
在本发明中粗同步错误概率的定义如下：
在发射前导序列的条件下，未检测到接收信号的定时测量变量λ(d)高于检测门限η，或者检测到定时测量变量λ(d)高于检测门限η但同步点不在理想同步点d之前的K个采样点范围内的概率。(K越小，粗同步精度越高，但是范围太小，会导致粗同步错误概率太大，K太大会导致粗同步精度降低，影响后续的精同步复杂度。因此要结合实际的N、D对K进行取值。)
在固定信噪比(SNR)下，定时粗同步错误概率随门限值变化的仿真结果如图2中曲线所示。具体参数设置为：天线个数M＝4，前导序列重复的段数N＝9，每段序列的点数L＝32，前导序列总长度NL＝288，T＝3(即平滑段数为3)、自相关延迟段数D＝3、自相关求和段数H＝3、检测范围K＝256。
本发明所涉及的方法在下面简写为“平滑后”。作为对比，图2中还包括了现有的定时粗同步方案，这种方案被称为“未平滑”。
图2的定时粗同步错误概率曲线表明：在低信噪比条件下，经过平滑后的粗同步错误概率性能明显好于未平滑的同步方案；此外，可以根据定时粗同步错误概率曲线很容易找到最佳门限值，即错误概率最低时所对应的门限取值。
Claims (8)
1.一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：该定时粗同步方法包括以下步骤：
在接收端，用多个天线对发射端发射的具有重复特性的前导序列进行接收，对接收数据进行平滑和自相关后计算定时测量变量的值，若定时测量变量的值大于设置的检测门限η，则达到定时粗同步点，检测门限η的取值满足0<η<1。
2.根据权利要求1所述一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：所述定时粗同步方法具体包括以下步骤：
1)在待发射数据前增加重复段数为N的前导序列，每段前导序列的采样点数为L；
2)利用M个接收天线获取接收信号，对接收信号进行采样后得到数字基带信号，按照间隔点数为L对数字基带信号进行连续T点平滑，然后对平滑后的序列进行滑动自相关，其中，滑动自相关前后两段序列的间隔点数为DL，前后两段序列中每段序列的采样点数为HL，D表示自相关延迟段数，H表示自相关求和段数；
3)当定时测量变量计算值大于设置的检测门限η时认为达到定时粗同步点，否则认为未同步上。
3.根据权利要求2所述的一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：所述前导序列的重复段数N≥3，每段前导序列的采样点数L根据接收信号的采样频率确定。
4.根据权利要求2所述一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：T、D、H和N需满足以下关系：
T+D+H≤N，且D≤H。
5.根据权利要求1或2所述一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：所述定时粗同步方法还包括以下步骤：使用蒙特卡罗仿真获取在不同信噪比和检测门限取值下的定时粗同步错误概率；在固定信噪比下，以最小定时粗同步错误概率所对应的检测门限η的取值作为检测门限η最优取值。
6.根据权利要求5所述一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：所述粗同步错误概率定义为：在发射前导序列的条件下，未检测到接收信号的定时测量变量高于检测门限η，或者检测到定时测量变量高于检测门限η但检测到的同步点不在理想同步点之前的K点采样范围内的概率。
7.根据权利要求6所述一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：K根据N及D确定。
8.根据权利要求1或2所述一种基于多段重复前导序列的平滑自相关定时粗同步方法，其特征在于：所述定时测量变量定义为：
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其中，r表示接收信号，λ(d)为d时刻的定时测量变量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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