專利名稱：一種新型二維擴頻系統(tǒng)同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種適用于新型二維擴頻系統(tǒng)TF/ MC DS-CDMA(Time-Frequency-Domain Spread Multicarrier DS-CDMA)的時域和頻域同步方法。
背景技術(shù)：
TF/MC DS-CDMA是近年來提出的一種新的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是是一種典型的二維 擴頻多載波CDMA系統(tǒng)。提出該結(jié)構(gòu)的初衷主要是利用時頻聯(lián)合擴頻來增強系統(tǒng)多址能力， 同時獲得頻域分集增益，從而在一定程度上解決1)MC-DS-CDMA無法獲得頻域分集增益； 2)MC-CDMA的擴頻碼由于受到信道影響而無法保證相互間正交性，引起多址干擾加劇。然而此系統(tǒng)由于利用多個載波傳輸數(shù)據(jù)，相鄰載波的間隔非常小，對系統(tǒng)的頻率 偏移和定時偏移非常敏感。因此，如何準確的實現(xiàn)載波和定時同步是TF/MC DS-CDMA系統(tǒng) 中的一個極為關(guān)鍵的技術(shù)問題。由于TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)本身利用了 OFDM結(jié)構(gòu)進行調(diào)制，因此現(xiàn)有的同步算法基 本上是采用通用的OFDM系統(tǒng)的定時和載波同步算法。OFDM同步算法可以分為兩類第一 類是數(shù)據(jù)輔助估計，即基于導頻符號的同步算法，第二類是非數(shù)據(jù)估計，即盲估計，其中包 括基于循環(huán)保護間隔的同步算法?；跀?shù)據(jù)輔助估計的典型算法是Schmidi&Cox算法。該 算法使用了特殊的訓練字符，不僅適用于突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式，而且可以擴大頻率捕獲范圍， 但由于其定時估計的峰值并非單一使得定時估計有一定的偏差，又因為插入導頻所以占用 了一定的資源降低了數(shù)據(jù)傳輸率。盲估計的典型算法是最大似然算法(ML)。該算法充分利 用了 OFDM中的循環(huán)前綴資源，能進行定時同步估計和小數(shù)倍頻偏糾正，但是該算法計算量 大，并且引入了求模運算，硬件實現(xiàn)比較困難。以上這些算法在進行定時和頻偏估計時，要么以定時準確為前提，要么以載波頻 率同步為前提。實際上，在TF/MC DS-CDMA接收端，定時偏移和載波偏移同時存在，因此這些 算法的實用性較差。此外，通用的OFDM系統(tǒng)中常見的定時和載波同步算法雖然適用于TF/ MC DS-CDMA系統(tǒng)，但是這些算法沒有充分利用TF/MCDS-CDMA中傳輸?shù)腃DMA的信號結(jié)構(gòu)，在 同步時把用戶的CDMA擴頻序列當作一般的二進制信號來處理，這是一個很大的損失。實際 上，對于某個特定的用戶來說，系統(tǒng)分配的CDMA用戶擴頻序列是已知的，因此我們可以充 分的利用系統(tǒng)分配給該用戶的CDMA頻域擴頻序列來完成同步過程。
發(fā)明內(nèi)容
1、目的現(xiàn)有的ML算法運算量大，硬件實現(xiàn)困難，在多徑信道下由于循環(huán)前綴受 到干擾導致同步性能下降，而且基于通用的OFDM的算法并沒有充分利用TF/MC DS-CDMA中 傳輸?shù)腃DMA的信號結(jié)構(gòu)，基于以上這些缺點，提出了本發(fā)明方法，在時域和頻域進行系統(tǒng) 同步聯(lián)合的估計和補償，實現(xiàn)TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)同步。2、技術(shù)方案
本方案中，同步大體分為兩個步驟。首先采用一種基于循環(huán)前綴的簡化同步算法 完成整個系統(tǒng)的粗同步和頻偏糾正。然后將經(jīng)過頻偏補償后的接收信號和本地已知的頻域 擴頻碼進行相關(guān)運算，通過判斷相關(guān)峰值的位置來實現(xiàn)精確定時同步。1) 一種基于循環(huán)前綴的簡化時頻同步方法經(jīng)典的最大似然算法計算量大，并且涉及到求模運算，硬件實現(xiàn)比較困難。而在本 技術(shù)方案中，只需要利用循環(huán)前綴完成整個系統(tǒng)的粗同步和頻偏糾正。因此，提出利用一種 簡化循環(huán)前綴判決變量來代替最大似然判決變量。經(jīng)典的Schmidl和Cox算法利用兩個碼元長度的訓練序列作為幀頭，其設(shè)計的第 一個訓練序列的時域結(jié)構(gòu)包含兩個完全相同的部分，用于定時同步。通過計算相關(guān)函數(shù) M(d)的最大值來進行定時估計M⑷J尸⑷丨7(1)
(R(d)f
NllP(d)^(r*d+mrd+m+N)(2)
m=0
NilR{d) = J}rd+m+N I2(3)
m=0其中，P(d)為一個符號長度的窗口內(nèi)計算前一半序列和后一半序列的相關(guān)值。 R(d)計算的是后半序列的能量，用作對相關(guān)函數(shù)P(d)的歸一化。仿照Schmidl和Cox算法 我們可以構(gòu)造Schmidl&Cox判決變量。Kid)^ 1 r{m) 1I(4)
iC I Φ{πι) I2
m+L-lγ{πι)- ^ r{n)r\n + N、(5)
n-m
J m+L~\O(m) = - Yj I r{n) |2 +\r(n + N) |2(6)
2 n=mdmax = argmax (A (d))(7)ε ^ZridmJ(8)
2π其中(1_為定時同步點，ε為定時點對應的估計頻偏。圖2和圖3分別為簡化后 的判決變量和最大似然判決變量性能對比仿真圖，圖2為多徑瑞利衰落信道下簡化后的判 決變量和最大似然判決變量定時估計均方誤差比較。圖3為多徑瑞利衰落信道下簡化后的 判決變量和最大似然判決變量頻偏估計均方誤差比較。由仿真結(jié)果我們可以看出簡化后的 判決變量在性能上與最大似然判決變量性能非常接近，但是前者減少了計算量，并且避免 了復雜的求模運算，硬件實現(xiàn)相對簡單。2)基于本地頻域擴頻參考序列完成系統(tǒng)精確定時同步在多徑信道下，TF/MC DS-CDMA符號的循環(huán)前綴通常會受到干擾，因此采用基于循 環(huán)前綴的判決變量只能實現(xiàn)粗同步，一般會有幾個采樣點的定時誤差，因此還必須進行精 確的定時同步。
5
由于TF/MC DS-CDMA在對用戶擴頻時使用了一個長度為N的頻域擴頻碼，對于接 收端來說PN序列是一個已知的資源，利用OFDM和PN的相關(guān)性來判斷同步是一個簡單高效 的辦法。假設(shè)本地參考序列為期望用戶擴頻序列的傅立葉反變換(IFFT)值，即本地參考序 列為
權(quán)利要求
一種基于新型二維擴頻系統(tǒng)(TF/MC DS CDMA)的時頻同步方法，其特征在于具體步驟如下1)設(shè)通過AWGN信道后TF/MC DS CDMA的接收信號為 <mrow><mi>r</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>e</mi> <mrow><mi>j</mi><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>πnϵ</mi> </mrow> <mi>N</mi></mfrac> </mrow></msup><mo>+</mo><mi>w</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，s(n)為發(fā)送端的信號，ε為系統(tǒng)頻偏，d為定時誤差，w(n)為噪聲項。2)根據(jù)上述接收信號r(n)，采用一種基于循環(huán)前綴的簡化同步方法完成整個系統(tǒng)的定時粗同步和頻偏糾正。定時同步和頻偏估計的計算公式為 <mrow><msub> <mi>d</mi> <mi>max</mi></msub><mo>=</mo><mi>arg</mi><mi>max</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><msup> <mrow><mo>|</mo><mi>γ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <mrow><mo>|</mo><mi>Φ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mfrac> 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</mrow>其中r1(n)為經(jīng)過頻偏補償過的接收信號。4)將本地頻域擴頻序列做IFFT變換后和接收信號r1(n)做相關(guān)運算，假設(shè)接收對應的碼流A[k]，相應用戶的擴頻碼為C[k]，假設(shè)c[n]為擴頻碼序列C[k]作IFFT變換對應的時域序列，依據(jù)CDMA系統(tǒng)中同步原理，可以知道A[k]與C[k]具有良好的自相關(guān)特性 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mi>AC</mi></msub><mo>[</mo><mi>m</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>A</mi><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mi>C</mi><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>-</mo><mi>m</mi><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mi>ac</mi></msub><mo>[</mo><mi>n</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mi>IDFT</mi><mo>{</mo><msub> <mi>R</mi> <mi>AC</mi></msub><mo>[</mo><mi>m</mi><mo>]</mo><mo>}</mo> </mrow> <mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>R</mi> 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全文摘要
本發(fā)明提出了一種適用于新型二維擴頻系統(tǒng)TF/MC DS-CDMA(Time-Frequency-Domain Spread Multicarrier DS-CDMA)的時域和頻域同步方法，屬于無線通信領(lǐng)域。所述發(fā)明大體分為兩個步驟首先采用一種基于循環(huán)前綴的簡化同步算法完成整個系統(tǒng)的粗同步和頻偏糾正。然后將經(jīng)過頻偏補償后的接收信號和本地已知的頻域擴頻碼進行相關(guān)運算，通過判斷相關(guān)峰值的位置來實現(xiàn)精確定時同步。本發(fā)明算法提出在粗同步中利用Schmidl&Cox判決變量取代最大似然判決變量，在性能相差不大的前提下，大大減少了計算量并且去掉了最大似然判決變量中的求模運算，便于硬件實現(xiàn)。
文檔編號H04L27/26GK101977175SQ20101054898
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者張有光, 郭曉亮 申請人:北京航空航天大學