專利名稱：正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線移動通信系統(tǒng)中的初始接入幀同步方法與裝置，尤其涉及一種正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法與裝置。
背景技術：
當傳輸信號在建筑物、墻壁、家具及其它大型物體上進行反射時會產生多徑效應。在這種情況下，傳輸信號并非通過單一的直接路徑到達接收器，而是經過了多個不同路徑。信號從發(fā)射器到接收器所經歷的每條路徑長度都不同，因此每個信號的延遲都有所不同。最終接收到的信號實際上是多次迭加而產生的信號，每個迭加信號都在不同時刻到達接收器，每個迭加信號的強度均不相同。這種效應通常稱為碼間干擾(ISI)。對接收器來說，可通過增加傳輸碼的間隔時間T來降低碼間干擾。但這樣會降低傳輸速率，這與高速傳輸的宗旨相駁。在這種背景下出現(xiàn)了正交頻分多路復用(OFDM)技術。
作為一種多載波傳輸模式，正交頻分復用通過將一高速傳輸的數據流轉換為一組低速并行傳輸的數據流，使系統(tǒng)對多徑衰落信道頻率選擇性的敏感度大大降低，在寬帶無線傳輸系統(tǒng)中具有廣泛的應用價值。可以預見，以OFDM為核心技術的通信系統(tǒng)是一種極具發(fā)展前景的寬帶無線通信系統(tǒng)。
同步技術是OFDM系統(tǒng)的關鍵技術之一，而初始接入幀同步是用戶終端(SS)與基站(BS)通信所必須完成的首要任務之一。在OFDM通信系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)下行接收的幀同步，下行幀往往具有下述幾個特點1、下行幀某一個固定位置的符號(一般為第一個符號)的子載波按一定方式被一個特殊序列(一般為偽隨機噪聲(PN)序列)所映射與調制，通常稱該符號為前導符號。
2、為了使前導符號能被可靠接收，前導符號常采用二進制相移鍵控(BPSK)調制，數據符號為了提高頻譜效率而采用四進制相移鍵控調制(QPSK)或正交振幅調制(QAM)等多相位制調制。
3、前導符號相對于數據符號具有一定的功率提升。
例如，采用OFDM為核心技術的IEEE802.16標準的OFDMA(正交頻分多址)協(xié)議的下行幀第一個符號即是具有前述特征的前導符號。
如圖1所示，圖中是采用頻分雙工(FDD)方式OFDM系統(tǒng)的常用幀結構，其即具有上述特點；圖中P表示前導符號，D表示數據符號。對于時分雙工(TDD)方式的OFDM系統(tǒng)，為了保護上下行幀不相互干擾、保證射頻系統(tǒng)有充分時間在發(fā)射機與接收機之間進行切換，上下幀之間通常會保留一段不發(fā)送任何數據的空隙時間。如圖2所示，即是采用TDD方式OFDM系統(tǒng)具有空隙的常用幀結構。圖中RTG表示上行幀與下行幀的間隙，TTG表示下行幀與上行幀的間隙，P表示前導符號，D表示數據符號。
將特殊序列(一般為PN序列)映射與調制到前導符號的子載波上的方式通常有兩種。如圖3所示，該調制方式是將特殊序列映射到除了左右保護帶子載波和直流載波的所有子載波上；圖中帶箭頭豎線表示特殊序列的子載波，○表示零子載波。如圖4所示，另一種調制方式是等間隔地將特殊序列映射到除了左右保護帶子載波和直流載波的子載波上。圖4中的子載波映射方式主要用于蜂窩無線OFDM系統(tǒng)中，為了區(qū)別相鄰小區(qū)(或扇區(qū))的前導符號，相鄰小區(qū)(或扇區(qū))的前導符號往往采用不同的PN序列；且相鄰幾個小區(qū)(或扇區(qū))的PN序列分別映射到前導符號的不同子載波位置上；圖中帶箭頭豎線表示特殊序列的子載波，○表示零子載波。
當用戶終端初始接入網絡時，用戶終端首先要與下行幀保持幀同步。如圖1、圖2所示，對于具有前導符號的OFDM系統(tǒng)，如果用戶終端接收機能夠在接收的信號中檢測出前導符號，就可實現(xiàn)初始接入幀同步。因此，用戶終端初始接入幀同步的關鍵在于如何從接收信號中檢測出前導符號?，F(xiàn)有檢測前導符號的方法主要可分為以下幾類時域波形相關法。該方法是將長度為最大幀長的接收OFDM時域信號與所有可能前導符號的時域波形進行逐樣點相關，求出最大相關位置。即n^=argmaxn,j|Σl=0N-1y*(n+l)cj(l)|2Σl=0N-1|y*(n+l)cj(l)|2]]>式中cj(l)(j＝0，1，2，…，P-1，l＝0，1，2，…，N-1)，其為符號長度為N、P個可能前導符號的時域樣點。該方法的好處是能在進行幀同步的同時搜索出當前小區(qū)(扇區(qū))所采用的PN序列。然而該方法的復雜度太高。它需要M×N×N×P(M為最大幀內符號數)次復數乘法。例如，對于循環(huán)前綴(CP)長度為256、快速傅立葉變換(FFT)點數為2048的IEEE802.16-OFDMA協(xié)議來說，M約為100，則共需要6.0×1010次復數乘法。
延遲相關法。對于頻域內每三子載波間插入了兩個零子載波映的映射方式，前導符號的時域表現(xiàn)出偽周期性，即一個時域前導符號近似為三段重復的信號。于是可以通過下式來檢測前導符號 當沒有其他小區(qū)的前導符號的干擾時，該算法具有較好的性能。然而，當用戶終端處于小區(qū)邊界時，接收機將收到多個來自不同小區(qū)的前導符號的疊加信號。此時，前導符號的接收信號將不再具有偽周期性，該算法性能也隨之惡化。
功率檢測法。該方法是利用前導符號的功率相對于其他數據符號具有較大的功率提升的性質，或利用前導符號的前面是RTG，從RTG到前導符號具有很大功率突變的性質。然而，由于信道衰落或功率控制的影響，功率檢測法的誤檢率或漏檢率太高。

發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法所存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種處理簡單、效率高的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法與裝置。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，包括以下步驟(1)接收機緩存接收到的最大幀長的數據信號，同時啟動計時器，并對該最長幀信號進行功率突變檢測，記錄功率突變的各符號及其位置，即記錄所述最長幀信號中功率較高的符號；(2)對記錄功率突變符號進行J次小數頻偏校正，然后對其進行快速傅立葉變換(FFT)，將時域中的功率突變符號轉換到頻域；這里J為正整數；
(3)對第j次頻率校正后的第k個頻域功率突變符號Yk，j(i)，按下式計算最大似然比Λk，j值Λk,j=Σi=BLN-3L-1-BR|Re[Yk,j(i)Yk,j*(i+L)Yk,j*(i+2L)Yk,j(i+3L)]|Σi=BLN-3L-1|Im[Yk,j(i)Yk,j*(i+L)Yk,j*(i+2L)Yk,j(i+3L)]|,]]>其中，N為FFT大小，L為相鄰導頻子載波間隔的子載波數，BL和BR分別為左右保護帶子載波數，Yk，j*表示共軛信號；(4)求出每個功率突變符號的Λk，j值，取Λ＝max(Λk，j)，具有最大Λ值的功率突變符號為前導符號，重新對該前導符號進行小數頻偏估計與校正、快速傅立葉變換；(5)將該前導符號與所有可能的偽隨機噪聲序列進行相關而檢測出當前前導符號的偽隨機噪聲序列；(6)對余下的Λ值計算Λ＝max(Λk，j)，將該新計算的最大值Λ對應的功率突變符號進行小數頻偏估計與校正、快速傅立葉變換，并與步驟(5)中檢測出的偽隨機噪聲序列進行相關，判斷該功率突變符號是否為前導符號；如果是則重復步驟(6)，否則停止判斷下一功率突變符號，并統(tǒng)計最大幀長接收信號中的前導符號數目S，從而估計出幀長Len＝MaxLen/S；(7)查找出步驟(1)中最大幀長的數據信號中第一次出現(xiàn)前導符號的位置Loc，當計時器的計數減去Loc為整數倍的Len時，開始啟動幀長為Len的初始接入幀同步脈沖。
一種正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步裝置，包括有接收數據緩存器，用于接收外部信號數據并進行最大幀長信號緩存；功率突變檢測器，用于檢測所述最大幀長信號中的功率突變的符號；循環(huán)前綴估計器，用于估計循環(huán)前綴的長度；小數頻偏估計器，根據所述循環(huán)前綴估計器輸入的結果對功率突變符號進行小數頻率偏移估計；頻率校正器，根據所述小數頻偏估計器輸入的小數頻率偏移估計結果對功率突變符號進行小數頻偏校正；快速傅立葉變換(FFT)器，對經所述頻率校正器校正后的功率突變符號進行快速傅立葉變換；最大似然比計算器，對經所述快速傅立葉變換后的功率突變符號進行最大似然比計算；最大似然比比較器，對計算出的各功率突變符號最大似然比進行比較并排序；子載波解映射器，對可能為前導符號的功率突變符號進行解映射；相關器，用于對解映射后的功率突變符號與存儲器中存儲的所有可能的偽隨機噪聲序列進行相關，求出其偽隨機噪聲序列；用于存儲所有可能的偽隨機噪聲序列的存儲器；第一前導符號位置、幀長及計時器計數計算器，用于判定初始接入幀同步以啟動相應脈沖；計時器，接收數據緩存器接收到最長幀時啟動計時；幀同步脈沖產生器，用于接收所述第一前導符號位置、幀長及計時器計數計算器的啟動信號以產生幀同步脈沖。
本發(fā)明首先對接收的最長幀進行緩存，并計算出最長幀中第一個功率突變符號部分(前導符號)，最終計算出幀長，然后利用定時器完成接入信號的同步。本發(fā)明處理速度非?？?，實現(xiàn)簡單、同步性能好、能適合小區(qū)邊界的初始接入幀同步，兼容性好。


圖1是FDD方式的OFDM通信系統(tǒng)下行幀結構示意圖；圖2是TDD方式的OFDM通信系統(tǒng)下行幀結構示意圖；圖3是前導符號的子載波的一種映射方式；圖4是前導符號的子載波的一種映射方式；圖5是本發(fā)明雙滑動窗檢測信號的示意圖；圖6是本發(fā)明裝置的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
本發(fā)明的方法具體包括以下步驟1、接收機接收到下行幀后，緩存長度為最大可能幀長的接收數據信號，并在開始緩存接收數據的同時啟動時間計數器T；2、對緩存的最長幀信號進行功率突變檢測，記錄功率突變的各符號的位置，本發(fā)明即記錄最長幀信號中功率較高的信號，即可能是前導符號的信號；具體檢測方式為如圖5所示，設置時域內長度相等的兩滑動窗A(n)、B(n)，令A(n)=Σm=0WinAlen-1y(n-m)y*(n-m)=Σm=0WinAlen-1|y(n-m)|2]]>
B(n)=Σm=0WinAlen-1y(n+m)y*(n+m)=Σm=0WinAlen-1|y(n+m)|2]]>式中，y(n)表示緩存的最長幀信號，y*(n)為其共軛，WinAlen、WinBlen分別為滑動窗A(n)、B(n)的長度，m為由滑動窗導致的與y(n)相位差異，按下式檢測出所有超過閾值Th的功率突變位置R(n)=A(n)B(n),]]>即查找出所有功率突變位置，緩存每個突變位置所對應的長度為最大可能符號長度的數據塊信號。這里，滑動窗的長度最好小于前導符號的長度。
3、對每個功率突變位置對應的長度為最大可能符號長度的數據信號(功率突變數據信號)進行J(正整數)次小數頻偏校正，其中J個小數校正頻偏為等分-0.5～0.5Δf(Δf子載波間隔)的小數頻偏。然后對所有的功率突變數據符號進行FFT變換，將其變換到頻域。
4、對第j次頻率校正后的第k個頻域功率突變符號Yk，j(i)，按下式計算最大似然比Λk，j值Λk,j=Σi=BLN-3L-1-BR|Re[Yk,j(i)yk,j*(i+L)Yk,j*(i+2L)Yk,j(i+3L)]|Σi=BLN-3L-1|Im[Yk,j(i)Yk,j*(i+L)Yk,j*(i+2L)Yk,j(i+3L)]|,]]>其中，N為FFT大小，L為相鄰導頻子載波間隔的子載波數，BL和BR分別為左右保護帶子載波數，Yk，j*表示共軛信號。
5、求出每個功率突變符號的Λk，j值，取Λ＝max(Λk，j)，則判決具有最大Λ值的功率突變符號為前導符號，重新對該前導符號進行小數頻偏估計與校正、快速傅立葉變換。
6、將步驟5中利用最大Λ值確定的前導符號與所有可能的PN序列進行相關而檢測出當前前導符號的PN序列。
7、對余下的Λ值重新計算Λ＝max(Λk，j)，將該新計算的最大值Λ對應的功率突變符號進行小數頻偏估計與校正、快速傅立葉變換，并與步驟6中檢測出的偽隨機噪聲序列進行相關，判斷該功率突變符號是否為前導符號；如果是前導符號，則重復步驟7，繼續(xù)判斷下一功率突變符號是否為前導符號；如果不是前導符號則停止判斷下一功率突變符號，并統(tǒng)計最大幀長接收信號中的前導符號數目S，從而估計出幀長Len＝MaxLen/S。MaxLen為最大幀長接收信號的幀長(時域)。
8、對于查找出的所有前導符號，確定在最大幀長的數據信號中第一次出現(xiàn)的那個前導符號，從而確定第一個前導符號的位置Loc(時域)；同時計算當前時間計數器T的計數Tt與Loc的差值，當(Tt-Loc)為Len的整數倍時，開始啟動幀長為Len的初始接入幀同步脈沖。
如圖6所示，本發(fā)明的裝置包括的各器件通過數據接口或信號接口如圖方式連接，圖中粗箭頭線表示數據流，細箭頭線表示信號流。其中，接收數據緩存器601緩存長度為最大可能幀長的接收數據信號，開始接收最大可能幀長信號的同時，計時器613開始計時。
當長度為最大可能幀長的接收信號接收完畢后，雙滑動窗檢測器602對接收到的最長信號進行雙滑動窗檢測，每發(fā)現(xiàn)一個超過閾值Th(根據經驗設定)的局部峰值，就將該局部峰值樣點的位置nk保存在峰值位置緩存器603。對接收數據緩存器601中所有數據完成滑動窗檢測后，所有位置nk所對應的功率突變數據符號被輸至頻率校正器604進行J次小數校正(頻率為-0.5+j/J(j＝0，1，..J-1)的頻率校正)，然后快速傅立葉變換(FFT)器605分別對校正后的數據進行FFT運算。Λ值計算器606對每種校正頻率對應的FFT結果進行Λ值計算，并將每個功率突變符號對應的最大Λ值輸出給Λ值排序器607。
當所有功率突變符號的Λ值計算并排序結束后，CP估計器608和小數頻偏估計器609從接收數據緩存器601輸入具有最大Λ值的功率突變符號，并根據該功率突變符號進行CP長度和小數頻偏估計。然后頻率校正604根據小數頻偏估計結果對該功率突變符號進行頻率校正。FFT605對校正后的數據進行FFT運算，并將FFT結果輸出給子載波解映射器610。相關器611將解映射后的子載波與PN序列存儲器612中所有可能的PN序列進行相關，并選擇具有最大相關值的PN序列作為接入小區(qū)的PN序列。
當接入小區(qū)的PN序列檢測出來后，小數頻偏估計器609從接收數據緩存器601輸入具有次最大Λ值的功率突變符號，并根據該功率突變符號進行小數頻偏估計。然后頻率校正604根據小數頻偏估計結果對該功率突變符號進行頻率校正。FFT605對校正后的數據進行FFT運算，并將FFT結果輸出給子載波解映射器610。相關器611將解映射后的子載波與當接入小區(qū)的PN序列進行相關，判斷該功率突變符號是否為前導符號。如果是，則再次輸入具有下一次最大Λ值的功率突變符號進行判斷是否為前導符號，直到其不是前導符號為止。
當相關器611判決出不為前導符號后，Loc和Len計算器614找出第一個前導符號的位置Loc、計算出幀長Len，并當計時器613的計時輸出Tt滿足(Tt-Loc)是Len的整數倍時，啟動幀同步脈沖產生器615產生周期為Len的幀同步脈沖。
當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質的情況下，本領域技術人員當可根據本發(fā)明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)接收機緩存接收到的最大幀長的數據信號，同時啟動計時器，并對該最長幀信號進行功率突變檢測，記錄功率突變的各符號及其位置，即記錄所述最長幀信號中功率較高的符號；(2)對記錄功率突變符號進行J次小數頻偏校正，然后對其進行快速傅立葉變換(FFT)，將時域中的功率突變符號轉換到頻域；這里J為正整數；(3)對第j次頻偏校正后的第k個頻域功率突變符號Yk，j(i)，按下式計算最大似然比Λk，j值Λk,j=Σi=BLN-3L-1-BR|Re[Yk,j(i)Yk,j*(i+L)Yk,j*(i+2L)Yk,j(i+3L)]|Σi=BLN-3L-1|Im[Yk,j(i)Yk,j*(i+L)Yk,j*(i+2L)Yk,j(i+3L)]|,]]>其中，N為FFT大小，L為相鄰導頻子載波間隔的子載波數，BL和BR分別為左右保護帶子載波數，Yk，j*表示共軛信號；(4)求出每個功率突變符號的Λk，j值，取Λ＝max(Λk，j)，則判決具有最大Λ值的功率突變符號為前導符號，重新對該前導符號進行小數頻偏估計與校正、快速傅立葉變換；(5)將該前導符號與所有可能的偽隨機噪聲序列進行相關而檢測出當前前導符號的偽隨機噪聲序列；(6)對余下的Λ值計算Λ＝max(Λk，j)，將該新計算的最大值Λ對應的功率突變符號進行小數頻偏估計與校正、快速傅立葉變換，并與步驟(5)中檢測出的偽隨機噪聲序列進行相關，判斷該功率突變符號是否為前導符號；如果是則重復步驟(6)，否則停止判斷下一功率突變符號，并統(tǒng)計最大幀長接收信號中的前導符號數目S，從而估計出幀長Len＝MaxLen/S；(7)查找出步驟(1)中最大幀長的數據信號中第一次出現(xiàn)前導符號的位置Loc，當計時器的計數減去Loc為整數倍的Len時，開始啟動幀長為Len的初始接入幀同步脈沖。
2.根據權利要求1所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，所述步驟(1)中對所述最長幀信號進行功率突變檢測具體為，設置長度相等的兩滑動窗A(n)、B(n)，A(n)=Σm=0WinAlen-1y(n-m)y*(n-m)=Σm=0WinAlen-1|y(n-m)|2,]]>B(n)=Σm=0WinAlen-1y(n+m)y*(n+m)Σm=0WinAlen-1|y(n+m)|2,]]>其中，y(n)為所述最長幀信號，y*(n)為其共軛，WinAlen、WinBlen分別為滑動窗A(n)、B(n)的長度，m為由滑動窗導致的與y(n)相位差異，按下式檢測出所有超過閾值的功率突變位置R(n)=A(n)B(n).]]>
3.根據權利要求1所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，所述步驟(2)中J個小數校正頻率為等分-0.5～0.5Δf的小數頻率，其中Δf為子載波間隔。
4.根據權利要求1所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，所述位置Loc為前導符號位置，所述Len為估計的幀長度，所述Loc、Len及計時器計數有相同的時間單位。
5.根據權利要求2所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，所述滑動窗長度WinAlen、WinBlen為時隙長度。
6.根據權利要求2或5所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，所述滑動窗長度應小于前導符號的長度。
7.一種正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步裝置，其特征在于，該裝置包括有接收數據緩存器，用于接收外部信號數據并進行最大幀長信號緩存；功率突變檢測器，用于檢測所述最大幀長信號中的功率突變的符號；循環(huán)前綴估計器，用于估計循環(huán)前綴的長度；小數頻偏估計器，根據所述循環(huán)前綴估計器輸入的結果對功率突變符號進行小數頻率偏移估計；頻率校正器，根據所述小數頻偏估計器輸入的小數頻偏估計結果對功率突變符號進行小數頻偏校正；快速傅立葉變換(FFT)器，對經所述頻率校正器校正后的功率突變符號進行快速傅立葉變換；最大似然比計算器，對經所述快速傅立葉變換后的功率突變符號進行最大似然比計算；最大似然比比較器，對計算出的各功率突變符號最大似然比進行比較并排序；子載波解映射器，對可能為前導符號的功率突變符號進行解映射；相關器，用于對解映射后的功率突變符號與存儲器中存儲的所有可能的偽隨機噪聲序列進行相關，求出其偽隨機噪聲序列；用于存儲所有可能的偽隨機噪聲序列的存儲器；第一前導符號位置、幀長及計時器計數計算器，用于判定初始接入幀同步以啟動相應脈沖；計時器，接收數據緩存器接收到最長幀時啟動計時；幀同步脈沖產生器，用于接收所述第一前導符號位置、幀長及計時器計數計算器的啟動信號以產生幀同步脈沖。
8.根據權利要求7所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，所述功率突變檢測器具體包括有雙滑動窗檢測器，該雙滑動窗檢測器可用于計算出功率突變信號的位置。
9.根據權利要求7所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，該裝置還包括與所述相關器依次連接的小數頻偏校正器和快速傅立葉變換器，以對檢測出的前導符號進行小數頻偏校正和快速傅立葉變換；所述快速傅立葉變換器輸出至所述第一前導符號位置、幀長及計時器計數計算器。
10.根據權利要求7所述的正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法，其特征在于，所述兩滑動窗時隙長度相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種正交頻分復用系統(tǒng)中初始接入幀同步方法與裝置，方法包括接收機緩存接收到的最大幀長信號，并對該最長幀信號進行功率突變檢測，記錄功率突變的各信號及其長度；對突變信號進行小數頻率同步，再對其進行FFT；計算各突變信號的最大似然比Λ，具有最大Λ值的突變信號為前導符號，重對該前導符號進行頻率校正、FFT；計算該前導符號的PN序列；對余下的具有最大值Λ值的突變信號進行頻率校正、FFT，并與前述檢測出的PN序列相關，判斷其是否為前導符號；按前述方式檢測出最大幀長信號中所有前導符號，計算出幀長并利用計時器進行初始接入幀同步。本發(fā)明同時公開了實現(xiàn)上述方法的裝置。本發(fā)明實現(xiàn)簡單、處理效率高。
文檔編號H04L27/26GK1937604SQ200510103368
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權日2005年9月20日
發(fā)明者伍守豪, 胡留軍, 劉穎, 陳永健, 趙盟, 景卓 申請人:中興通訊股份有限公司