專利名稱：一種多徑信道下的ofdm符號定時(shí)同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線或有線通信領(lǐng)域，涉及到OFDM同步方法，特別涉及一種多徑信道 下的OFDM符號定時(shí)同步方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)公開了正交頻分復(fù)用(OFDM)是對抗多徑衰落的一種有效的調(diào)制技 術(shù)。通過在符號前端插入一個(gè)循環(huán)前綴，可以有效的消除符號間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)。同時(shí)由于采用了子載波的重疊技術(shù)，OFDM的頻譜利用率很高。它已 廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)以及無線局域 網(wǎng)(WLAN)等方面，成為許多高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。被大多數(shù)人認(rèn)為是下一代 移動(dòng)通信(4G)最可能選用的主要技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)已在制定之中。OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)之一是對符號定時(shí)和載波頻率同步的要求比單載波系統(tǒng)要高得 多。因此，在接收端的基帶處理算法中，同步是一個(gè)很關(guān)鍵的任務(wù)。OFDM同步分為符號定時(shí)同步和載波頻率同步。圖1顯示了同步模塊在OFDM系統(tǒng) 中的位置。在無線的多徑信道下，符號定時(shí)同步的任務(wù)就是估計(jì)出第一徑的時(shí)延。通常，設(shè)N為OFDM系統(tǒng)中的FFT長度，同時(shí)也是子載波的個(gè)數(shù)，Ng為OFDM符號的 循環(huán)前綴長度，完整的OFDM符號的長度為N+Ng。傳統(tǒng)的OFDM符號定時(shí)同步方法有兩種1.)沒有數(shù)據(jù)輔助的盲同步方法，該方法利用OFDM循環(huán)前綴與其對應(yīng)的拷貝部分
的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性來進(jìn)行符號定時(shí)。其估算公式為(如圖2所示) 在多徑信道情況下，循環(huán)前綴的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性會(huì)被多徑效應(yīng)破壞，估計(jì)出的符號定 時(shí)點(diǎn)是能量最大一徑的時(shí)延，而不是第一徑時(shí)延。所以估算結(jié)果有較大誤差，不適用于多徑 信道環(huán)境。2.)有數(shù)據(jù)輔助的同步方法，該種同步方法以犧牲一定的帶寬為代價(jià)來提高估計(jì) 性能，被廣泛采用于突發(fā)型的OFDM傳輸系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輔助方法借助于一個(gè)前后兩部 分相同的訓(xùn)練符號來進(jìn)行符號定時(shí)同步。其估算公式如下
其中 L是訓(xùn)練符號長度的一半。這種估計(jì)器在符號定時(shí)點(diǎn)附近存在一個(gè)平坦區(qū)域，因此 估算精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多徑信道下的OFDM符號定時(shí) 同步方法，本發(fā)明利用發(fā)送端傳輸?shù)囊粋€(gè)OFDM訓(xùn)練符號，可以正確地估計(jì)出第一徑的時(shí)延。本發(fā)明提出了一種多徑信道下的OFDM符號定時(shí)同步方法。該方法適用于突發(fā)型 OFDM傳輸系統(tǒng)。通過在每個(gè)OFDM數(shù)據(jù)包前面添加一個(gè)接收端已知的訓(xùn)練符號，然后接收端 利用接受信號和訓(xùn)練符號，可以正確估計(jì)出第一徑時(shí)延。具體而言，本發(fā)明利用一個(gè)接收端已知的訓(xùn)練符號來進(jìn)行符號定時(shí)同步，所提出 的符號定時(shí)同步體系結(jié)構(gòu)包括兩步粗符號同步和精符號同步，所述的粗符號定時(shí)同步利 用基于循環(huán)前綴的最大似然估計(jì)，得到一個(gè)粗符號定時(shí)點(diǎn)，并且把第一徑延遲限制在一個(gè) 較小的搜索區(qū)間內(nèi)，所述的精符號定時(shí)同步采用遺傳算法來完成，利用接收信號與發(fā)送信 號的卷積特性來進(jìn)行信道估計(jì)和精符號定時(shí)，搜索區(qū)間長度的選取可以在速度和精度上進(jìn) 行折中。本發(fā)明所提出的同步方法包括粗符號同步和精符號同步兩部分，其中，粗符號同 步采用傳統(tǒng)的基于循環(huán)前綴的最大似然估計(jì)算法，該算法可以估計(jì)出一個(gè)粗符號定時(shí)點(diǎn)， 把第一徑時(shí)延限制在粗符號定時(shí)點(diǎn)附近的一個(gè)較小的搜索區(qū)間之內(nèi)以供精符號同步使用； 精符號同步采用遺傳算法進(jìn)行信道估計(jì)和精符號定時(shí)，通過下述方法A)取搜索區(qū)間內(nèi)的第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，長度與訓(xùn)練符號相同的數(shù)據(jù)塊為參考接收 信號，然后遺傳算法通過迭代試圖找尋一組離散信道沖擊響應(yīng)來讓訓(xùn)練符號與其做卷積之 后的結(jié)果，與參考接收信號有最小的均方差；B)對于區(qū)間內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)都做以上迭代搜索，得到對應(yīng)每一個(gè)起始點(diǎn)的均方差 值；C)最小均方差值所對應(yīng)的定時(shí)點(diǎn)就是所要估計(jì)的第一徑時(shí)延，從而完成精符號定 時(shí)。本發(fā)明方法包括下述步驟一、發(fā)送端
發(fā)送端利用反快速傅立葉變換將N個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制到N個(gè)正交的子載波上，然后每個(gè) OFDM符號的最后Ng個(gè)數(shù)據(jù)插入到符號前形成循環(huán)前綴以對抗多徑效應(yīng)。最后發(fā)送信號可 表示為 二、多徑信道傳送OFDM信號通過多徑信道是一個(gè)與離散信道沖擊響應(yīng)做卷積的過程。本發(fā)明考慮到 符號定時(shí)誤差和噪聲的影響，接收端看到的信號可以表示成 其中θ表示第一徑時(shí)延，Ill表示離散信道沖擊響應(yīng)，w(n)是一個(gè)高斯白噪聲的樣 本函數(shù)。三、接收端接收端利用已知的訓(xùn)練符號和接收信號進(jìn)行符號定時(shí)同步。本發(fā)明為了簡化算法 復(fù)雜度，同時(shí)為了在速度和精度上進(jìn)行折中，采用兩步式結(jié)構(gòu)，即粗符號定時(shí)同步與精符號 定時(shí)同步(如圖3所示)，具體詳細(xì)算法如下A.)粗符號定時(shí)同步采用了傳統(tǒng)的基于循環(huán)前綴的最大似然估計(jì)算法，該算法是 在加性高斯白噪聲信道下推導(dǎo)出來的。它利用OFDM信號中循環(huán)前綴與其對應(yīng)的拷貝部分 的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，設(shè)計(jì)出一個(gè)時(shí)間估計(jì)器，在符號定時(shí)點(diǎn)處取得最大值，由此完成符號定時(shí)同 步。但是在多徑信道下，這種算法所依賴的循環(huán)前綴會(huì)部分被多徑效應(yīng)污染，統(tǒng)計(jì)相關(guān)性 也會(huì)被破壞。其估計(jì)的結(jié)果通常是能量最大一徑的時(shí)延，而不是第一徑時(shí)延，因此誤差會(huì) 比較大，只能粗略地估計(jì)符號定時(shí)點(diǎn)。所述的方法把第一徑時(shí)延限制在粗符號定時(shí)點(diǎn)附近 的一個(gè)較小的搜索區(qū)間內(nèi)以供精符號同步使用，在區(qū)間寬度的選取上存在速度和精度的折 中，較小的區(qū)間會(huì)減少精符號同步的搜索時(shí)間，同時(shí)區(qū)間不包括第一徑時(shí)延的可能性會(huì)變 大；較大的區(qū)間可以使得包含第一徑時(shí)延的可能性變大，但是會(huì)耗費(fèi)較多時(shí)間來完成搜索， 極端情況是不采用粗符號定時(shí)同步而在整個(gè)區(qū)間內(nèi)搜索。B.)精符號定時(shí)同步采用遺傳算法同時(shí)進(jìn)行信道估算和精符號定時(shí)同步。設(shè)發(fā)送的訓(xùn)練符號Xt和信道的離散沖擊響應(yīng)Ii1分別為Xt = JC1 X2 X3 X4 L xN+Ng(7)hx = Lh1 h2 h2 h4 L hL](8)粗符號定時(shí)點(diǎn)為θ。。a_，搜索區(qū)間為[θ Μ_「α，θ coarse+ α ]。對于接收信號，取 搜索區(qū)間第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，長度為N+Ng的數(shù)據(jù)塊為參考信號\。遺傳算法通過迭代搜索 試圖找到一組離散信道沖擊響應(yīng)&，使得訓(xùn)練符號Xt和&的卷積結(jié)果在去掉最后L-I個(gè)數(shù) 據(jù)之后，與參考接收信號\有最小均方差，同時(shí)&與h也有最小的均方差(如圖4所示)。 具體計(jì)算公式如下 generate h,； take partofxtemp as reference signal :xref = Xtemp [1 :N+NJ ； (9)mean square error :MSE = | (xr-xref) |2 ；以上過程是一個(gè)不斷迭代搜索的過程，直到均方差收斂于一個(gè)固定值，而新的迭 代不能產(chǎn)生更小的均方差，遺傳算法的搜索即可停止。對于搜索區(qū)間內(nèi)的每一個(gè)定時(shí)點(diǎn)，遺 傳算法都做以上迭代，最后得到若干不同的均方差值。由于接收信號與發(fā)送訓(xùn)練符號是卷 積關(guān)系，所以最小均方差值對應(yīng)的定時(shí)點(diǎn)就是第一徑時(shí)延，從而完成精符號定時(shí)同步。
本發(fā)明利用OFDM訓(xùn)練符號進(jìn)行符號定時(shí)同步時(shí)，采用兩步式同步體系結(jié)構(gòu)，粗符 號同步可以把第一徑時(shí)延限定在一個(gè)較小的搜索區(qū)間內(nèi)，精符號同步利用了遺傳算法的全 局優(yōu)化和搜索性能，同時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)和精符號定時(shí)；遺傳算法利用了接收信號和發(fā)送訓(xùn) 練符號的卷積關(guān)系，可以正確估計(jì)第一徑時(shí)延。本發(fā)明中，同步體系的依據(jù)是1.)利用訓(xùn)練符號的符號定時(shí)同步方法以犧牲一定帶寬為代價(jià)，以換取更好的同 步性能，并且廣泛應(yīng)用于突發(fā)型的OFDM傳輸系統(tǒng)中。2.)基于循環(huán)前綴的最大似然估計(jì)雖然在多徑信道下的性能會(huì)變差，但是可以得 到一個(gè)粗符號定時(shí)點(diǎn)，并且把第一徑延遲限制在一個(gè)較小的搜索區(qū)間內(nèi)，因此可以作為兩 步式同步體系中的粗符號定時(shí)同步方法。3.)遺傳算法具有優(yōu)異的全局優(yōu)化和搜索性能，已廣泛應(yīng)用與眾多工程領(lǐng)域中，而 在多徑信道下，OFDM信號之中的統(tǒng)計(jì)相關(guān)特性部分被多徑效應(yīng)所破壞，遺傳算法不再利用 統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，轉(zhuǎn)而利用接收信號和發(fā)送信號卷積特性來完成同步。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明提出的符號定時(shí)同步方法較常規(guī)方法，由于利用了接收信號與發(fā)送信號 的卷積特性，估計(jì)精度大為提高。2、本發(fā)明提出了兩步式的同步體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)搜索區(qū)間的長度，可以在速度和精 度上折中，提高了符號定時(shí)同步方法的靈活性。3、本發(fā)明采用遺傳算法作為精符號定時(shí)方法，由于遺傳算法具有優(yōu)異的全局搜索 和優(yōu)化性能，即使在很低的信噪比情況下，依然可以正確估計(jì)出第一徑時(shí)延。4、由于接收端對訓(xùn)練符號已知，還可以把它用在其他方面。


圖1是常規(guī)的OFDM系統(tǒng)框圖，其中同步模塊位于接收端下變頻模塊以后。圖2是傳統(tǒng)的基于循環(huán)前綴的最大似然估計(jì)算法框圖，圖中，r(n)為接收信號，N為OFDM系統(tǒng)的FFT點(diǎn)數(shù)，Zn表示延時(shí)N個(gè)采樣點(diǎn)，( 廣 表示取共軛值，I · I表示求絕對值，P是一個(gè)與系統(tǒng)信噪比有關(guān)的常數(shù)，moving sum表示 滑動(dòng)累加，argmaX( ·)表示使括號里的函數(shù)取得最大值的變量值，最后的力表示第一徑延遲 估計(jì)值。圖3是本發(fā)明所提出的兩步式符號定時(shí)同步方法的框圖，圖中，可以看出，精符號定時(shí)同步利用了粗同步的估計(jì)結(jié)果，在由粗同步產(chǎn)生的搜 索區(qū)間內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)，遺傳算法都通過迭代搜索試圖找到一組離散信道來滿足接收信號與 發(fā)送信號的卷積關(guān)系，而在每一次迭代完成以后，定時(shí)點(diǎn)重新更新進(jìn)行下一次搜索，直到對整個(gè)區(qū)間搜索完畢。
圖4是針對每一個(gè)定時(shí)點(diǎn)遺傳算法的優(yōu)化流程圖， 圖中，P表示每一代中染色體的數(shù)量，染色體是遺傳算法術(shù)語，也即一組離散信道， 其中，G表示遺傳算法的迭代次數(shù)，可以影響算法的速度和精度，選擇訓(xùn)練符號和參考接收 信號的均方差值作為目標(biāo)函數(shù)；適應(yīng)度值也是遺傳算法的術(shù)語，它的大小決定了一個(gè)染色體在下一代中存活的概 率，通常由目標(biāo)函數(shù)決定；選擇、交叉和變異是遺傳算法的基本算子，其目的是淘汰次優(yōu)染色體同時(shí)保留較 優(yōu)染色體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的OFDM系統(tǒng)，詳細(xì)說明本發(fā)明方法。實(shí)施例1設(shè)OFDM系統(tǒng)中FFT長度為N = 1024，循環(huán)前綴長度為Ng = 128。一、發(fā)送端發(fā)送端發(fā)送一個(gè)接收端已知的訓(xùn)練符號供符號定時(shí)同步方法使用，長度為N+Ng。 其中循環(huán)前綴用作粗符號定時(shí)同步使用。二、接收端接收端接收到一組訓(xùn)練符號與離散信道做卷積后的結(jié)果，循環(huán)前綴部分被污染。 然后按照兩步式的同步體系進(jìn)行第一徑延遲估算。具體來說，就是首先參照式(6)， 其中θ表示第一徑時(shí)延，Ill表示離散信道沖擊響應(yīng)，w(n)是一個(gè)高斯白噪聲的樣 本函數(shù)，利用循環(huán)前綴和其對應(yīng)的拷貝部分的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，采用最大似然估計(jì)算法估計(jì)出 一個(gè)粗符號定時(shí)點(diǎn)，并且把第一徑時(shí)延限制在一個(gè)比較小的搜索區(qū)間內(nèi)。接下來進(jìn)入精符 號定時(shí)過程，遺傳算法把搜索區(qū)間內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)當(dāng)作起始點(diǎn)，然后在接收信號中截取長度 為N+Ng的數(shù)據(jù)塊為參考接收信號。按照式(9)，generate h,；convolution -.Xtemp = h, Xt；take partofxtemp as reference signal :xref = Xtemp [1 :N+NJ ； (9)mean square error :MSE = | (xr-xref) |2 ；遺傳算法通過迭代搜索試圖尋找一組離散信道來滿足訓(xùn)練符號與參考接收信號 的卷積關(guān)系。最后得到一組對應(yīng)搜索區(qū)間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的均方差值，最小均方差值對應(yīng)的定時(shí)點(diǎn)即 第一徑時(shí)延。
權(quán)利要求
一種多徑信道下的OFDM符號定時(shí)同步方法，其特征是采用兩步式同步體系結(jié)構(gòu)，通過在每個(gè)OFDM數(shù)據(jù)包前面添加一個(gè)接收端已知的訓(xùn)練符號，然后接收端利用接受信號和訓(xùn)練符號，正確估計(jì)出第一徑時(shí)延。
2.按權(quán)利要求1所述的多徑信道下的OFDM符號定時(shí)同步方法，其特征是所述的兩步式 同步體系結(jié)構(gòu)包括粗符號同步和精符號同步兩部分；其中粗符號同步采用基于循環(huán)前綴的 最大似然估計(jì)算法；所述的精符號同步采用遺傳算法進(jìn)行信道估計(jì)和精定時(shí)。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述的精符號同步通過下述步驟A)取搜索區(qū)間內(nèi)的第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，長度與訓(xùn)練符號相同的數(shù)據(jù)塊為 參考接收信 號，然后遺傳算法通過迭代找尋一組離散信道沖擊響應(yīng)來讓訓(xùn)練符號與其做卷積之后的結(jié) 果，與參考接收信號有最小的均方差；B)對區(qū)間內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)做迭代搜索，得到對應(yīng)每一個(gè)起始點(diǎn)的均方差值；C)最小均方差值所對應(yīng)的定時(shí)點(diǎn)是所要估計(jì)的第一徑時(shí)延，完成精符號定時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬無線或有線通信領(lǐng)域，涉及到OFDM同步方法，特別涉及一種多徑信道下的OFDM符號定時(shí)同步方法。本發(fā)明利用OFDM訓(xùn)練符號進(jìn)行符號定時(shí)同步時(shí)，采用兩步式同步體系結(jié)構(gòu)，粗符號同步可以把第一徑時(shí)延限定在一個(gè)較小的搜索區(qū)間內(nèi)，精符號同步利用了遺傳算法的全局優(yōu)化和搜索性能，同時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)和精符號定時(shí)；遺傳算法利用了接收信號和發(fā)送訓(xùn)練符號的卷積關(guān)系，可以正確估計(jì)第一徑時(shí)延。本發(fā)明方法較常規(guī)方法，估計(jì)精度及同步符號定時(shí)靈活性明顯提高，即使在很低的信噪比情況下，依然可以正確估計(jì)出第一徑時(shí)延。本發(fā)明方法還可用于其他有關(guān)工程領(lǐng)域。
文檔編號G06N3/12GK101848180SQ20091004815
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者洪志良, 許煒陽, 黃煜梅 申請人:復(fù)旦大學(xué)