專利名稱：一種多輸入多輸出－正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的時間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用(以下簡稱MIMO-OFDM)系統(tǒng)中的時間同步方法，屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在MIMO-OFDM系統(tǒng)中每個天線上時間同步的位置相同，可以將每個天線上的接收信號平均后再進行時間同步，此時MIMO-OFDM系統(tǒng)的時間同步問題就變成了一般OFDM系統(tǒng)的同步問題，但是由于MIMO-OFDM系統(tǒng)中信道估計誤差會在天線間引入干擾，而定時誤差會影響信道估計性能，這將造成系統(tǒng)性能的嚴重下降，因此不能簡單的將傳統(tǒng)單天線-正交頻分復(fù)用(以下簡稱SISO-OFDM)系統(tǒng)的定時方法擴展到MIMO-OFDM系統(tǒng)中。下面先介紹傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的定時方法再詳細說明原因。
一般在OFDM系統(tǒng)中都使用循環(huán)前綴(以下簡稱CP)來減小碼間干擾(以下簡稱ISI)，由于CP的存在使得OFDM系統(tǒng)中存在一個同步區(qū)間，同步位置落在該區(qū)間內(nèi)時不會造成ISI，同步位置落在該區(qū)間外就會引入ISI。OFDM系統(tǒng)中的時間同步算法可以分為兩類一類稱為前后相關(guān)時間同步方法，另一類稱為基于信道估計的時間同步方法。
前后相關(guān)時間同步方法是通過利用同步序列周期重復(fù)的特點采用前后相關(guān)進行同步；基于信道估計的時間同步方法是通過信道估計得到信道的功率延遲分布信息，然后選擇同步位置。前后相關(guān)時間同步算法不受頻偏的影響，適合有頻偏時的時間同步，而且計算量很小適合實時運算。當(dāng)同步區(qū)間較大時系統(tǒng)對同步誤差的容忍度比較大，前后相關(guān)算法一般可以滿足同步精度要求；但是當(dāng)同步區(qū)間較小或者信噪比較低時系統(tǒng)對同步誤差的容忍度較小，該算法一般很難滿足系統(tǒng)要求?；谛诺拦烙嫷臅r間同步方法要尋找信道第一條多徑的位置，由于實際系統(tǒng)不能總保證第一條徑能量很大，因此一般對信道響應(yīng)加一個相關(guān)窗尋找使得窗內(nèi)能量最大的窗的起始位置。同時為了避免同步到噪聲上，還要求該同步位置對應(yīng)的時域信道能量足夠強，即大于信道最強路徑能量的某個門限。這種同步方法的前提是假定信道的功率延遲分布單調(diào)下降，而且該方法性能受信道能量隨機分布的影響較大，當(dāng)?shù)谝粭l徑的能量與能量最強路徑的比值動態(tài)范圍很大時，很難找到一個合適的門限來獲得滿意的性能。即使第一條徑與最強路徑能量的比值動態(tài)范圍不大，這種方法的同步性能還與多徑的功率延遲分布有關(guān)系。
在傳統(tǒng)SISO-OFDM系統(tǒng)中人們經(jīng)常將上述兩種方法結(jié)合起來使用，將時間同步分解為粗同步和精同步，粗同步使用前后相關(guān)的方法找到大概的同步位置，精同步在粗同步的基礎(chǔ)上利用信道估計結(jié)果調(diào)整同步位置得到精同步結(jié)果。
由于MIMO-OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率一般較高，系統(tǒng)對同步性能的要求提高，只對SISO-OFDM系統(tǒng)的同步方法進行簡單擴展所存在的同步誤差將成為制約系統(tǒng)性能的瓶頸。而且MIMO-OFDM系統(tǒng)中發(fā)射和接收天線個數(shù)是可變的，在進行時間同步時攜帶系統(tǒng)參數(shù)信息的數(shù)據(jù)還沒有解碼，因此無法確定發(fā)射天線的數(shù)量，也無法確定訓(xùn)練序列的長度和結(jié)構(gòu)。由于在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，接收數(shù)據(jù)等效信道的功率延遲分布與訓(xùn)練序列的結(jié)構(gòu)有關(guān)(如采用循環(huán)移位訓(xùn)練序列時，利用卷積的性質(zhì)訓(xùn)練序列的循環(huán)移位可以等效為信道的循環(huán)移位，等效信道將會加長)，因此如果不知道訓(xùn)練序列的結(jié)構(gòu)，就會使得窗的寬度無法確定，無法使用在SISO-OFDM系統(tǒng)中尋找能量最大窗的定時方法，因此需要提出新的定時方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的時間同步方法，在MIMO-OFDM系統(tǒng)中對功率延遲分布具有魯棒性，以提高時間同步性能。
本發(fā)明提出的一種多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的時間同步方法，包括以下各步驟(1)接收短程無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的射頻信號，進行下變頻變換后以周期T采樣，得到基帶數(shù)字接收信號，對基帶數(shù)字接收信號進行粗時間同步，得到粗時間同步位置Ncoarse；(2)由上述粗同步位置開始，從基帶信號中截取用于頻偏估計的訓(xùn)練序列進行頻偏估計，并對訓(xùn)練序列進行頻偏補償，得到頻偏糾正后的訓(xùn)練序列，記為xj(n)，代表第j個接收天線上第n個時刻的接收信號，該訓(xùn)練序列的周期為N；(3)在每個天線上取粗同步位置前的Nn個點，將上述頻偏糾正后的訓(xùn)練序列與對應(yīng)的本地訓(xùn)練序列進行相關(guān)，得到Nn個相關(guān)值，將所有接收天線上的Nn個相關(guān)值進行平均，得到的平均值作為噪聲的參考能量En；(4)計算頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)與本地訓(xùn)練序列的相關(guān)值ξ(n)=Σl=0Lf-1Σj=1NR|Σi=1Nxj*(n+i+l)p(i)|2,]]>上式中p(n)為本地訓(xùn)練序列，N為頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)的周期，Lf為滑動窗長，*代表共軛；(5)在各接收天線上計算上述相關(guān)值，并將各天線相同位置的相關(guān)值進行平均；(6)取上述粗時間同步位置Ncoarse后的位置為是否是信道中第一條多徑位置的判決位置，計算該判決位置與下一位置相關(guān)值的平均能量，獲得第一個能量E1；(7)計算從上述判決位置開始整個滑動窗內(nèi)Lf個位置相關(guān)值的平均能量，獲得第二個能量E2；(8)對上述E1與En的比值及E1與E2的比值進行判斷，若E1與En的比值大于第一設(shè)定門限η1，且E1與E2的比值大于第二設(shè)定門限η2，則找到了第一條多徑位置，并進行步驟(9)，否則將判決位置后移一位，重復(fù)步驟(6)～(8)；(9)將上述E1與E2的比值與第三設(shè)定門限η3相比較，若E1與E2的比值大于第三設(shè)定門限η1，則將第一條多徑位置前移1位，否則維持第一條多徑位置不變。
上述同步算法中，對基帶數(shù)字接收信號進行粗時間同步得到粗時間同步位置Ncoarse的方法，，包括以下步驟(1)取基帶數(shù)字接收信號中長度為Lc+Ns的接收序列，并按照下式計算比值ρ=|Σi=1NRΣn=1Lcxi*(n)xi(n+Ns)|2|Σi=1NRΣn=1Lc|xi(n)|2|2,]]>上式中，NR是接收天線數(shù)，Ns是基帶信號前后相關(guān)時所間隔的點數(shù)，Lc是設(shè)定的粗同步滑動窗長，xi(n)是第i個接收天線上接收到的該滑動窗內(nèi)第n個數(shù)據(jù)；(2)對上述比值ρ的大小與預(yù)先設(shè)定的判決門限ρ0進行判斷，若ρ≥ρ0，則滑動窗往后移一位，重新計算比值ρ，直到ρ＜ρ0時停止滑動，移位次數(shù)從0開始計數(shù)，停止滑動時累計滑動窗后移的次數(shù)，記為Nback；(3)根據(jù)上述Nback，得到粗同步位置Ncoare＝Nback-Lc+Ns。
本發(fā)明提出的多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的時間同步方法，將時間同步分為粗同步和精同步。首先通過普通的前后相關(guān)方法進行粗同步。然后用接收訓(xùn)練序列與本地訓(xùn)練序列相關(guān)進行精同步，通過三重門限檢測來確定精同步位置，鑒于通過尋找能量最大窗的方法不可行，改為尋找第一條徑的位置為精同步位置。下面所提到的判決位置是將要判決是否為第一條徑的位置，第一個能量E1是判決位置和下一位置相關(guān)值的和，第二個能量E2是從該判決位置開始的能量窗內(nèi)的相關(guān)值的和，如果前者與后者的比值超過某個門限則判定該點位第一條徑。其中的三個設(shè)定門限作用分別是第一設(shè)定門限η1用于降低同步到噪聲的概率，第二設(shè)定門限η2用于確保判決位置處E1達到E2的某個百分比，第三設(shè)定門限η3則對精同步位置進一步微調(diào)得到更準確的同步位置。本方法具有以下優(yōu)點(1)本發(fā)明通過設(shè)置η1，η2使得基于尋找第一條徑位置的時間同步算法對SNR和功率延遲分布具有魯棒性；(2)本發(fā)明的定時方法與訓(xùn)練序列的結(jié)構(gòu)無關(guān)；(3)本發(fā)明通過將判斷第一條徑的參考門限從最強多徑能量變?yōu)檎麄€能量窗內(nèi)的能量，使得同步性能受隨機因素的影響較??；(4)本發(fā)明充分利用OFDM系統(tǒng)中存在同步區(qū)間的特點，通過設(shè)置門限η3來降低誤同步對系統(tǒng)性能的影響，以提高系統(tǒng)同步性能。


圖1為本發(fā)明方法的流程框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的一種多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的時間同步方法，其流程框圖如圖1所示，首先接收短程無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的射頻信號，進行下變頻變換后以周期T采樣，得到基帶數(shù)字接收信號，對基帶數(shù)字接收信號進行粗時間同步，得到粗時間同步位置Ncoarse；由粗同步位置開始，從基帶信號中截取用于頻偏估計的訓(xùn)練序列進行頻偏估計，并對訓(xùn)練序列進行頻偏補償，得到頻偏糾正后的訓(xùn)練序列，記為xj(n)，代表第j個接收天線上第n個時刻的接收信號，該訓(xùn)練序列的周期為N；在每個天線上取粗同步位置前的Nn個點，將上述頻偏糾正后的訓(xùn)練序列與對應(yīng)的本地訓(xùn)練序列進行相關(guān)，得到Nn個相關(guān)值，將所有接收天線上的Nn個相關(guān)值進行平均，得到的平均值作為噪聲的參考能量En；計算頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)與本地訓(xùn)練序列的相關(guān)值ξ(n)=Σl=0Lf-1Σj=1NR|Σi=1Nxj*(n+i+l)p(i)|2,]]>上式中p(n)為本地訓(xùn)練序列，N為頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)的周期，Lf為滑動窗長，*代表共軛；在各接收天線上計算上述相關(guān)值，并將各天線相同位置的相關(guān)值進行平均；取上述粗時間同步位置Ncoarse后的位置為是否是信道中第一條多徑位置的判決位置，計算該判決位置與下一位置相關(guān)值的平均能量，獲得第一個能量E1；計算從上述判決位置開始整個滑動窗內(nèi)Lf個位置相關(guān)值的平均能量，獲得第二個能量E2；對上述E1與En的比值及E1與E2的比值進行判斷，若E1與En的比值大于第一設(shè)定門限η1，且E1與E2的比值大于第二設(shè)定門限η2，則找到了第一條多徑位置，否則將判決位置后移一位，重復(fù)前述步驟；將上述E1與E2的比值與第三設(shè)定門限η3相比較，若E1與E2的比值大于第三設(shè)定門限η1，則將第一條多徑位置前移1位，否則維持第一條多徑位置不變。
上述同步算法中，對基帶數(shù)字接收信號進行粗時間同步得到粗時間同步位置Ncoarse的方法，首先取基帶數(shù)字接收信號中長度為Lc+Ns的接收序列，并按照下式計算比值ρ=|Σi=1NRΣn=1Lcxi*(n)xi(n+Ns)|2|Σi=1NRΣn=1Lc|xi(n)|2|2,]]>上式中，NR是接收天線數(shù)，Ns是基帶信號前后相關(guān)時所間隔的點數(shù)，Lc是設(shè)定的粗同步滑動窗長，xi(n)是第i個接收天線上接收到的該滑動窗內(nèi)第n個數(shù)據(jù)；對上述比值ρ的大小與預(yù)先設(shè)定的判決門限ρ0進行判斷，若ρ≥ρ0，則滑動窗往后移一位，重新計算比值ρ，直到ρ＜ρ0時停止滑動，移位次數(shù)從0開始計數(shù)，停止滑動時累計滑動窗后移的次數(shù)，記為Nback；根據(jù)上述Nback，得到粗同步位置Ncoarse＝Nback-Lc+Ns。
下面以4發(fā)4收(NR＝4，NT＝4)MIMO-OFDM系統(tǒng)為例，詳細介紹本發(fā)明的方法。該系統(tǒng)每個發(fā)射天線上的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)相同，都由兩部分構(gòu)成第一部分是10個完全相同的周期為16的短序列構(gòu)成，稱為短碼；第二部分是由兩個64點的訓(xùn)練序列構(gòu)成，前面加有32點的CP，稱為長碼。
接收短程無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的射頻信號，進行下變頻變換后以周期T采樣，得到基帶數(shù)字接收信號。粗定時訓(xùn)練序列周期為Ns。截取基帶數(shù)字接收信號中Lc+Ns長的接收序列，根據(jù)經(jīng)驗可取粗定時相關(guān)窗長度Lc，計算比值，ρ=|Σi=1NRΣn=1Lcxi*(n)xi(n+Ns)|2|Σi=1NRΣn=1Lc|xi(n)|2|2,]]>上式中，NR是接收天線數(shù)，Ns是基帶信號前后相關(guān)時所間隔的點數(shù)，Lc是設(shè)定的粗同步滑動窗長，xi(n)是第i個接收天線上接收到的該滑動窗內(nèi)第n個數(shù)據(jù)，*代表共軛。
對上述比值ρ的大小與預(yù)先設(shè)定的判決門限ρ0進行判斷，若ρ≥ρ0，則滑動窗往后移一位，重新計算比值ρ，直到ρ＜ρ0時停止滑動，移位次數(shù)從0開始計數(shù)，停止滑動時累計滑動窗后移的次數(shù)，記為Nback；為了使得粗同步不超過短碼的結(jié)束位置，對粗同步位置做調(diào)整，得到粗同步位置Ncoarse＝Nback-Lc+Ns。
由上述粗同步位置開始，從基帶信號中截取用于頻偏估計的訓(xùn)練序列進行頻偏估計，并對訓(xùn)練序列進行頻偏補償，得到頻偏糾正后的訓(xùn)練序列，記為xj(n)，代表第j個接收天線上第n個時刻的接收信號，該訓(xùn)練序列的周期為N。
在每個天線上取粗同步位置前的Nn個點，將上述頻偏糾正后的訓(xùn)練序列與對應(yīng)的本地訓(xùn)練序列進行相關(guān)，得到Nn個相關(guān)值，將所有接收天線上的Nn個相關(guān)值進行平均，得到的平均值作為噪聲的參考能量En。
計算頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)與本地訓(xùn)練序列的相關(guān)值ξ(n)=Σl=0Lf-1Σj=1NR|Σi=1Nxj*(n+i+l)p(i)|2,]]>上式中p(n)為本地訓(xùn)練序列，N為頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)的周期，Lf為滑動窗長，*代表共軛。
重復(fù)計算頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)與本地訓(xùn)練序列的相關(guān)值，在各接收天線上計算上述相關(guān)值，并將各天線相同位置的相關(guān)值進行平均。取上述粗時間同步位置Ncoarse后的位置為是否是信道中第一條多徑位置的判決位置，計算該判決位置與下一位置相關(guān)值的平均能量，獲得第一個能量E1。計算從上述判決位置開始整個滑動窗內(nèi)Lf個位置相關(guān)值的平均能量，獲得第二個能量E2。對上述E1與En的比值及E1與E2的比值進行判斷，若E1與En的比值大于第一設(shè)定門限η1，且E1與E2的比值大于第二設(shè)定門限η2，則找到了第一條多徑位置，否則將判決位置后移一位，重復(fù)計算E1與E2，并進行E1與En的比值及E1與E2的比值的判決。將上述E1與E2的比值與第三設(shè)定門限η3相比較，若E1與E2的比值大于第三設(shè)定門限η1，則將第一條多徑位置前移1位，否則維持第一條多徑位置不變，這樣就得到了最后的精同步位置。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的時間同步方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)接收短程無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的射頻信號，進行下變頻變換后以周期T采樣，得到基帶數(shù)字接收信號，對基帶數(shù)字接收信號進行粗時間同步，得到粗時間同步位置Ncoarse；(2)由上述粗同步位置開始，從基帶信號中截取用于頻偏估計的訓(xùn)練序列進行頻偏估計，并對訓(xùn)練序列進行頻偏補償，得到頻偏糾正后的訓(xùn)練序列，記為xj(n)，代表第j個接收天線上第n個時刻的接收信號，該訓(xùn)練序列的周期為N；(3)在每個天線上取粗同步位置前的Nn個點，將上述頻偏糾正后的訓(xùn)練序列與對應(yīng)的本地訓(xùn)練序列進行相關(guān)，得到Nn個相關(guān)值，將所有接收天線上的Nn個相關(guān)值進行平均，得到的平均值作為噪聲的參考能量En；(4)計算頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)與本地訓(xùn)練序列的相關(guān)值ξ(n)=Σl=0Lf-1Σj=1NR|Σi=1Nxj*(n+i+l)p(i)|2,]]>上式中p(n)為本地訓(xùn)練序列，N為頻偏糾正后的訓(xùn)練序列xj(n)的周期，Lf為滑動窗長；(5)在各接收天線上計算上述相關(guān)值，并將各天線相同位置的相關(guān)值進行平均；(6)取上述粗時間同步位置Ncoarse后的位置為是否是信道中第一條多徑位置的判決位置，計算該判決位置與下一位置相關(guān)值的平均能量，獲得第一個能量E1；(7)計算從上述判決位置開始整個滑動窗內(nèi)Lf個位置相關(guān)值的平均能量，獲得第二個能量E2；(8)對上述E1與En的比值及E1與E2的比值進行判斷，若E1與En的比值大于第一設(shè)定門限η1，且E1與E2的比值大于第二設(shè)定門限η2，則找到了第一條多徑位置，并進行步驟(9)，否則將判決位置后移一位，重復(fù)步驟(6)～(8)；(9)將上述E1與E2的比值與第三設(shè)定門限η3相比較，若E1與E2的比值大于第三設(shè)定門限η1，則將第一條多徑位置前移1位，否則維持第一條多徑位置不變。
2.如權(quán)利要求1所述的時間同步方法，其特征在于其中所述的對基帶數(shù)字接收信號進行粗時間同步的方法，包括以下步驟(1)取基帶數(shù)字接收信號中長度為Lc+Ns的接收序列，并按照下式計算比值ρ=|Σi=1NRΣn=1Lcxi*(n)xi(n+Ns)|2|Σi=1NRΣn=1Lc|xi(n)|2|2,]]>上式中，NR是接收天線數(shù)，Ns是基帶信號前后相關(guān)時所間隔的點數(shù)，Lc是設(shè)定的粗同步滑動窗長，xi(n)是第i個接收天線上接收到的該滑動窗內(nèi)第n個數(shù)據(jù)；(2)對上述比值ρ的大小與預(yù)先設(shè)定的判決門限ρ0進行判斷，若ρ≥ρ0，則滑動窗往后移一位，重新計算比值ρ，直到ρ＜ρ0時停止滑動，移位次數(shù)從0開始計數(shù)，停止滑動時累計滑動窗后移的次數(shù)，記為Nback；(3)根據(jù)上述Nback，得到粗同步位置Ncoarse＝Nback-Lc+Ns。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多輸入多輸出－正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的時間同步方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。首先根據(jù)系統(tǒng)中接收到的訓(xùn)練序列進行粗時間同步。由粗同步位置開始，從基帶信號中截取用于頻偏估計的訓(xùn)練序列進行頻偏估計，并對其作頻偏補償，將頻偏糾正后的訓(xùn)練序列與相應(yīng)本地訓(xùn)練序列進行相關(guān)，得到所有接收天線上的平均值作為噪聲的參考能量E
文檔編號H04L1/02GK1921470SQ20061011299
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者湯衛(wèi)國, 楊晨陽, 李凌宇 申請人:北京航空航天大學(xué)