專利名稱：利用pn碼同步信道獲得ofdm系統(tǒng)粗同步的方法
技術領域：
用于下一代移動通信OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中提高粗同步性能，克服時隙模糊，獲取幀同步信號，為精同步作出較準確的根據(jù)。
背景技術：
下一代移動通信的目標是能夠提供更高傳輸速率、更高的頻譜利用率，基于這樣的目標，以及OFDM技術在已有的通信系統(tǒng)中的成功應用，OFDM技術被選為下一代移動通信的核心調(diào)制解調(diào)技術。
在OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，同步的獲取是至關重要的。無線傳輸鏈路中，色散衰落、快速移動的信道狀況下，解調(diào)端需要在得知準確同步的前提下來完成FFT操作以及信道估計等一系列操作。同步技術通常分為粗同步和精同步兩步來完成，如果通信系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)幀來解決多用戶、多點接入的問題的話，同步技術其中粗同步應該能實現(xiàn)幀同步并且克服時隙模糊，為精同步提供一定的判決依據(jù)。
以往的粗同步技術基于CP來實現(xiàn)，同步速度較慢，并且同步定時范圍比較粗略，抗噪聲性能也比較差。單純在slot(時隙)前面增加PN序列的方法，只做到時隙同步，難以實現(xiàn)幀同步，而在下一代移動通信中仍采用蜂窩移動通信體制，其數(shù)據(jù)系統(tǒng)是需要一定的數(shù)據(jù)幀結構的，所以單純的增加PN序列同步碼字的方法無法克服slot(時隙)模糊度?；谝陨蟽牲c考慮，提出了按照一定PN序列分配圖案來引導同步信道的新的粗同步算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種可同時實現(xiàn)幀同步和時隙同步的利用PN碼同步信道獲得OFDM系統(tǒng)粗同步的方法。
本發(fā)明的特征在于(1)利用PN碼相關匹配算法獲得slot(時隙)同步，然后利用每幀內(nèi)不同時隙PN碼獨特的分配圖案來獲取幀同步，消除時隙同步的模糊度，同時構造同步狀態(tài)轉換機來保證同步可靠性；(2)所述的第一種PN碼用“0”表示，第二種用“1”表示從而構成一個線性碼字；(3)所述的抵抗多徑衰落并盡可能消除白噪聲干擾的處理結果是通過把步驟(1)的相關運算結果分別除以該時段之內(nèi)的即時平均功率并作歸一話處理得到的；(4)所述的同步狀態(tài)轉換機是通過在同一采樣位置是否連續(xù)3次獲得碼距最小來判斷該位置是否達到約定的粗定時起點的。
本發(fā)明構造了粗同步發(fā)送和接收系統(tǒng)方案，發(fā)送方案設計主要為OFDM同步信道幀格式，接收方案是基于該幀格式的粗同步算法描述，用來保證可靠的同步信號和克服時隙模糊。
所設計的OFDM同步信道幀格式(附圖1)中，一個時隙周期為T，S個時隙為一個幀，F(xiàn)個幀構成一個超幀。每一個時隙中共K個采樣，每個時隙中共包括N個OFDM符號。在一個時隙內(nèi)有一個或多個時頻引導序列，插在OFDM符號之間。在一個時隙內(nèi)可以有若干個OFDM符號中，以一定間隔插入已知的頻域引導符號。
基于這樣的同步信道結構，考慮采用獨特的長PN序列碼來作為同步搜索的PN序列。該幀結構中，每一個時隙有一個PN碼作為時隙引導序列(長度設置為P個采樣點)，通過PN序列的很好的自相關性能，可以通過該引導序列得到幀定時的粗同步結果。方案中，在一個完整幀中有S個PN碼組，使用了兩種不同的PN碼(PN1和PN2)，兩種PN碼以一定的序列圖案分布在一幀信號中(附圖2舉例說明了一種PN碼分布圖案，其中0代表的第一種PN碼，1代表第二種PN碼)，根據(jù)序列圖案可以知道是該PN碼所在時隙是該幀中的哪一個時隙，也可以利用這個圖案信息得到幀同步的信號，有利于加快粗同步的完成，減少同步過程中丟失數(shù)據(jù)幀的概率。
粗同步算法基本思路是先分別進行兩個PN碼的相關匹配器的計算，相關匹配器就是將兩個序列相乘累加輸出，根據(jù)PN序列的自相關性特點，如果接收信號與本地PN序列同步，起點一樣的時候，那么將他們相乘累加起來就會輸出一個很高的峰值，否則只是幅度很低的輸出。相關器輸出結果要進行功率歸一化處理，這樣可以平滑多徑和高斯白噪聲的影響，然后根據(jù)這個結果進行閾值設定(例如可以按照最大峰值的一半來設定閾值)以及硬判(大于閾值的相關峰保留記錄其位置，小于閾值的相關峰可以舍棄)，從而得到兩個PN碼在每個時隙slot頭的分布圖案，該圖案可能是最強徑的結果圖案(這時應該是最佳同步結果)，也可能是其他多徑的結果圖案(由于多徑的隨機性，這種同步結果是不可靠的)。
附圖2是兩種PN碼在一幀的十個時隙頭的分布配置方案。0代表第一種PN碼，1代表第二種PN碼；也就是說在附圖2中，共有10個時隙的方格，每個方格代表一個時隙的同步數(shù)據(jù)，如果該時隙標記為0，我們插入第一種PN碼作為該時隙的同步數(shù)據(jù)，如果該時隙標記為1，我們插入第二種PN碼作為該時隙的同步數(shù)據(jù)。經(jīng)過這樣設定，一幀內(nèi)10個時隙的PN碼配置圖案就可以看成一種碼字(即按照附圖2所約定的兩種PN序列與0、1的對應關系)，將這個事先設定好的碼字與同步搜索檢測所獲得的碼字相比較，計算二者之間的漢明碼距(漢明碼距就是兩個碼字對應位置數(shù)據(jù)不相等的個數(shù))，碼距最小的(理想同步情況下應該為0)那種情況為獲得同步狀態(tài)的標志。
與簡單的用CP(循環(huán)前綴)相比，它更精確了粗同步的估計范圍，同時也有效的克服了時隙模糊的問題，提供了數(shù)據(jù)幀的粗同步信號。


圖1表示OFDM數(shù)據(jù)結構，從超幀開始細分到最后的同步PN碼；圖2兩種PN碼在一幀內(nèi)十個不同時隙頭的配置圖案，0代表該時隙插入第1種擾碼，1代表該時隙插入第2種擾碼；圖3粗同步算法框圖；
圖4同步狀態(tài)轉換機狀態(tài)轉換示意圖，0代表輸入狀態(tài)機的失同步信號，1代表同步信號；圖5同步信道幀格式參數(shù)舉例說明；圖6PN碼相關結果圖案解釋說明。
圖7PN碼生成器框圖，其中第1號PN碼和第100號PN碼為本專利舉例說明中第一種PN碼和第二種PN碼具體實施方式
具體的計算步驟(附圖3)為(1)先將輸入信號與本地PN碼做相關運算，分別得到與兩種PN碼(PN1和PN2)的累加相關結果temp1和temp2；(2)在信號序列相關運算的同時，輸出一段時間之內(nèi)(比如若干采樣點內(nèi))的功率平均值；(3)將相關運算的結果temp1和temp2分別除以該段時間之內(nèi)的即時平均功率，并做歸一化處理，得到tt1和tt2，如此處理的目的是為了抵抗多徑衰落，并盡可能消除白噪聲干擾；(4)以檢測到的最強峰來設定相應的閾值，一般情況下最強峰意味著獲得slot同步，考慮多徑及衰落時變的影響，其他超過閾值的強峰也要考慮。根據(jù)閾值來對tt1和tt2進行硬判就可以得到一幀長的時間范圍內(nèi)的PN碼配置圖案。
(5)將PN碼的圖案看成一種線性碼，與硬判決后的兩個PN碼配置圖案序列分別做求碼距的運算，并將兩個序列求得的碼距加起來，得到的碼距最小點(理論上應該為0的點)為正確的幀粗定時起點。
(6)將第5步結果輸入到同步狀態(tài)轉換機，由同步狀態(tài)轉換機來判斷系統(tǒng)是否到達粗同步態(tài)。
同步狀態(tài)轉換機是為了保證較長一段時間內(nèi)的粗同步的定時而設計的一種狀態(tài)轉換算法(附圖4)。它分為同步態(tài)和跟蹤態(tài)，連續(xù)3次失同步(或者獲得同步)為從同步態(tài)轉到失同步(或者從失同步態(tài)轉到同步態(tài))的轉變條件。當一幀時間的檢測結果所獲得的一幀內(nèi)PN圖案與已知的PN碼配置圖案不同時(即碼距不等于0)狀態(tài)轉換機輸入為0，意味著該幀PN碼圖案不匹配，幀失步；當檢測結果中PN圖案與已知的PN碼配置圖案相同時(即碼距等于0)狀態(tài)轉換機輸入為1，意味著該幀PN碼圖案匹配，幀同步。在附圖4中，T0、T1、T2為三個跟蹤態(tài)，T0代表初始狀態(tài)；T1為獲得一次幀同步的狀態(tài)，當輸入為1時可以從T0狀態(tài)轉移到T1狀態(tài)，同樣當輸入為0時，T1狀態(tài)則轉移到T0狀態(tài)；T2為連續(xù)兩次獲得幀同步的狀態(tài)，也就是說當輸入為1可以從T1狀態(tài)轉移到T2狀態(tài)，同理當輸入為0則從T2狀態(tài)轉移到T1狀態(tài)。S0、S1、S2為三個同步態(tài)，S0代表同步穩(wěn)定狀態(tài)，當T2狀態(tài)的基礎上輸入1時，可以從T2狀態(tài)轉入S0，這個時候標志系統(tǒng)進入同步狀態(tài)，應該按照此時的粗同步信號進行后續(xù)解調(diào)等處理；當在S0的基礎上輸入為0時，表示系統(tǒng)暫時失去同步，轉移到S1狀態(tài)，如果接下來輸入1，表示系統(tǒng)又回到同步狀態(tài)S0，系統(tǒng)仍然正常同步；當在S1的基礎上又輸入0，表示系統(tǒng)又一次失去同步，需要轉換到S2狀態(tài)，在S2狀態(tài)下再輸入0則表示系統(tǒng)連續(xù)3次失去同步，系統(tǒng)不再穩(wěn)定同步，進入T0跟蹤狀態(tài)繼續(xù)進行粗同步搜索，如果輸入1則又可以返回S0的同步態(tài)。這種以連續(xù)三次同步或者失同步來作為同步態(tài)和跟蹤態(tài)之間狀態(tài)轉換的機制有效的保證了系統(tǒng)同步狀態(tài)的維護，避免了突發(fā)情況對系統(tǒng)的干擾。本部分以一個實際應用的例子來說明這個粗同步算法是如何工作的。
首先來設定發(fā)送端同步信道的幀格式參數(shù)。幀格式中，一個時隙周期為1ms，10個時隙為一個幀，256個幀構成一個超幀。每一個時隙中共10240個采樣，每個時隙中共包括8個OFDM符號(附圖5)。在一個時隙內(nèi)有一個或多個時頻引導序列，插在OFDM符號之間。PN碼的選取按照偽隨機序列發(fā)生器的原理，產(chǎn)生兩種擾碼，例如我們采用一種在WCDMA下行鏈路里面所使用的PN碼發(fā)生器來舉例說明，給PN碼發(fā)生器的結構圖如附圖7所示。在這個PN碼生成器所產(chǎn)生的PN碼中，選取第1號和第100號PN碼作為我們這個粗同步算法里面的兩種配置的PN碼。第一種PN碼(1號PN碼)對應附圖2里面的0，也就是說在附圖2里面標明0的時隙上我們插入第一種PN碼作為同步數(shù)據(jù)；第二種PN碼(100號PN碼)對應附圖3里面的1，也就是說在附圖2里面標明1的時隙上我們插入第二種PN碼作為同步數(shù)據(jù)。
附圖6則說明了接收端是如何判斷粗同步的。圖6中，a代表一定時間內(nèi)(通常是一幀或者一幀的整數(shù)倍)搜索到的一個相關結果圖案，這個相關結果是兩種PN碼的匹配相關結果，如果第一種PN碼相關結果出現(xiàn)狹長的峰值，則說明該PN碼獲得了同步，同理第二種PN碼相關結果出現(xiàn)狹長峰值則說明第二種PN碼獲得了同步。當使用第一種PN碼進行相關獲得峰值就可以認為該時隙配置了第一種PN碼，也就是說該時隙標記“0”；當用第二種PN碼獲得峰值就可以認為該時隙配置了第二種PN碼，也就是說該時隙標記“1”。經(jīng)過這樣的操作就可以獲得一幀內(nèi)的一個PN碼配置圖案的碼字。圖6中，a的相關結果獲得的碼字為“0000110010”，將這個碼字與事先設定好的碼字(附圖2)相比較，原來碼字為“0010110011”，可以看到不相同的數(shù)字個數(shù)為2，也就是說漢明碼距為2，說明這個相關結果沒有獲得較好的同步，是不匹配的，可能是因為多徑或者噪聲干擾等等造成的一個錯誤結果。而附圖6中的b按照上述的處理方法，得到的碼字為“0010110011”，與事先設定好的碼字(附圖2)相比較，漢明碼距為0，說明該相關結果獲得同步。連續(xù)3次在同一采樣位置獲得這樣的粗同步結果就說明該位置進入同步狀態(tài)。
權利要求
1.利用PN(偽隨機序列)碼同步信道獲取OFDM粗同步的方法，其特征在于利用PN碼相關匹配算法獲得slot(時隙)同步，然后利用每幀內(nèi)不同時隙PN碼獨特的分配圖案來獲取幀同步，消除時隙同步的模糊度，同時構造同步狀態(tài)轉換機來保證同步可靠性。它依次含有以下步驟(1)在發(fā)送端，采用PN碼同步信道結構，即在幀結構中每個時隙分配一個PN碼作為時隙引導序列，長度為P個采樣點，在一個完整的幀中分為與時隙數(shù)相等的S個PN碼組，分別采用兩種不同的PN碼中的一種，形成一定的序列圖案分布在一幀信號中；(2)同時把上述相關運算結果分別進行抗多徑衰落處理和盡可能消除白噪聲干擾處理；(3)按照上述處理過程中檢測到的各時隙最強峰來設定相應的閾值，分別根據(jù)閾值對上述處理結果進行硬判，得到一幀長的時間范圍內(nèi)的PN碼配置圖案；(4)把發(fā)送端設定的PN序列圖案分別與硬判后的兩個PN配置圖案作求碼距的運算，并將兩個序列求得的碼距相加，逐幀判斷得到的碼距最小點為正確的幀粗定時起點；(5)把步驟(4)的結果輸入到同步狀態(tài)機判斷是否達到穩(wěn)定的粗同步定時。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用PN碼同步信道獲得OFDM粗同步信號方法，其特征在于所述的第一種PN碼用“0”表示，第二種用“1”表示從而構成一個線性碼字；
3.根據(jù)權利要求1所述的利用PN碼同步信道獲得OFDM粗同步信號方法，其特征在于所述的抵抗多徑衰落并盡可能消除白噪聲干擾的處理結果是通過把步驟(1)的相關運算結果分別除以該時段之內(nèi)的即時平均功率并作歸一話處理得到的；
4.根據(jù)權利要求1所述的利用PN碼同步信道獲得OFDM粗同步信號方法，其特征在于所述的同步狀態(tài)轉換機是通過在同一采樣位置是否連續(xù)3次獲得碼距最小來判斷該位置是否達到約定的粗定時起點的。
全文摘要
采用PN(偽隨機序列)碼同步信道獲取OFDM(正交頻分復用調(diào)制)粗同步的方法屬于移動通信OFDM調(diào)制解調(diào)技術領域，其特征在于利用自相關性很好的PN碼來作為同步信道的數(shù)據(jù)，設定一種PN碼配置選取圖案，通過一段時間內(nèi)的相關器匹配計算來獲取最大相關峰輸出，與PN碼圖案相比較來獲得接受數(shù)據(jù)的幀同步信號，并且有效克制時隙模糊度。同時采用同步狀態(tài)轉換機，根據(jù)相關器輸出結果以及相關器計算時間范圍，有效地確定出粗同步的信號，為下一步時頻精同步的計算提供了更加準確的依據(jù)。它克服了簡單利用CP(循環(huán)前綴)來進行粗同步的缺點。
文檔編號H04L27/26GK1523795SQ0315705
公開日2004年8月25日 申請日期2003年9月12日 優(yōu)先權日2003年9月12日
發(fā)明者周世東, 許希斌, 周春暉, 陳翔, 周慧強, 肖立民, 姚彥 申請人:清華大學