专利名称：Ofdm通信系统中边带信息传输与帧同步方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信或有线通信技术领域，它特别涉及正交频分复用OFDM系统降低峰值平均功率比PAPR的方法，以及最大似然方法实现符号定时同步的方法。具体是正交频分复用中边带信息传输与帧同步方法及装置。
背景技术：
OFDM的基本原理就是将整个信道分成多个相互重叠并保持正交的子信道，每个子信道通过各自的子载波调制信息符号。由于OFDM系统各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，可以几乎节省50％频谱资源。正是由于这些优点，近几年OFDM技术得到广泛的应用。但是OFDM技术也有其特定的缺陷。
由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这些随机变量如频域QAM符号合成的信号就会在时域产生了类似高斯分布的曲线即出现了较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比，简称峰均功率比。峰均功率比可以被定义为PAPR=10log10(maxn(|xn|2)E(|xn|2))]]>其中xn表示经过快速付里叶逆变换IFFT运算之后所得到的输出信号。针对如何降低峰均功率比，国内外进行了大量的研究，也提出了一些方法，例如部分传送序列(PTSPartial Transmit Sequences)、选择性映射(SLMSelected Mapping)等。在已提出的降低PAPR方法中，有一类需要传输边带信息(SI，Side Information，以下简称SI信息)，它能使OFDM符号能够被恢复成PAPR降低之前的OFDM符号。如PTS方法、SLM方法等，都需要传输SI信息。其中，SLM方法是PTS方法的一种特殊情况。
PTS方法的基本原理是利用向量来定义数据符号X＝[X1，X2，…，XN]；然后把向量X分成V组，每一组就是PTS的一个子块，分别由{Xv，v＝1，2，…，V}来表示。其分割方法可以有多种，如相邻分割法、交织分割法、随机分割法等，假设每个分组中所包括的子载波数量是相同的，然后将这V个分组按如下方式组合起来X′=Σv=1VbvXv.]]>其中{bv，v＝1，2，…，V}是旋转因子，而且满足bv＝exp(jv)以及v∈
，bv又被称为边带信息然后对X′进行快速傅立叶反变换IFFT，得到x′＝IFFT{X′}。根据IFFT的线性，可以利用V个单独的快速傅立叶逆变换IFFT，对各个分组进行计算得x′=Σv=1Vbv·IFFT{Xv}=Σv=1Vbv·Xv,]]>其中引入了V个部分发送序列PTS，Xv＝IFFT{Xv}。通过使用优化算法选择辅助加权系数bv，使得峰值信号达到最佳化。PTS的原理框图如图1所示。很显然接收机必须确切地知道发送机所使用的具体旋转因子，该旋转因子通常通过SI信息的形式来通知接收机。可见SI信息必须被小心保护、仔细传输，以确保PTS-OFDM系统的正常工作。
传统的PTS边带信息传输方案主要有两种1、利用预留子载波该方案是指在每个子块内都预留适当数量的子载波，在进行PTS优化后将该块的SI信息插入这些预留的子载波中进行传输。
2、利用预留子块该方案则是指进行PTS优化时在OFDM符号内预留一个子块，将该符号内的其它子块的SI信息集中放于预留子块中进行传输。
以上两种方案无论哪种均是在PAPR优化后，将SI信息插入优化后的OFDM符号进行传输，因此至少会带来以下几个缺点1、除了OFDM符号本身的数据以外还插入了SI信息，会改变原有OFDM符号的结构；2、由于PAPR优化后，还须返回频域将SI信息插入，然后重新进行IFFT变换，因此会带来附加的硬件需求以及延时；3、均不可避免的引起峰值再生。由于一般的PTS方法优化的是不含SI信息的数据符号的PAPR，插入SI信息后不再继续优化，也即用原来符号的优化系数应用于加入SI信息后的新符号，所以可能导致峰值再生，也即PAPR的恶化。
发明的内容本发明目的在于避免上述已有技术的不足，通过分析OFDM系统中的本质问题，提出了一种OFDM系统中边带信息传输与帧同步方法及装置，采用边带信息传输与帧同步联合解决方案，尽可能的减少系统峰值再生。
实现本发明目的的边带信息传输及帧同步方法的依据借助了信号的相关性，将多个OFDM符号作为一个OFDM符号帧，分别对一帧中的每一个OFDM符号进行降低PAPR的PTS处理；然后提取逆PTS过程所需的信息，即PTS每一个子块的旋转因子，这些信息也称为SI信息；最后将一帧OFDM符号的SI信息作为一个SI符号，多次复制作为帧头，与其他OFDM符号组合并发送。利用相同的连续的多个SI符号之问的相关性，使用最大似然方法实现符号定时同步技术进行同步。本发明在系统中采用如下过程进行边带信息传输与帧同步，以解决OFDM系统中峰值再生及帧同步问题发送端(1)根据OFDM通信系统的参数，确定边带信息SI符号的长度；(2)对一帧中所有的OFDM符号进行部分传送序列PTS处理，以降低PAPR；(3)将PTS单元的相位优化得到的相位旋转信息作为SI信息，把一个OFDM符号帧的所有SI信息集合起来，作为一个独立于其它OFDM符号，即SI符号进行传输，以降低峰值再生；(4)将完整的SI符号复制多次并插入该帧OFDM符号之前，然后直接发射出去；接收端(1)根据最大似然算法公式d^ML=argmax{|γ(d)|-ρΦ(d)}]]>，计算出OFDM符号帧起始采样点的位置，实现帧同步；(2)利用SI符号携带的SI信息将帧同步后的其它OFDM符号，按照PTS的逆过程恢复出PTS处理前的OFDM符号。
基于本发明方法的装置的发送端主要包括PTS单元、SI信号提取单元、整合器；其中PTS单元，用于处理经过QAM或PSK调制后，lFFT变换之前的数据，降低这些数据的PAPR；并产生需要传输的SI信息；SI信号提取单元，用于提取PTS单二元产生的SI信息；组合器，用于将一帧OFDM符号所要传输的SI信息整合成一个完整的OFDM符号，以下称SI符号；并复制多次并插入该帧OFDM符号之前，然后直接发射出去。
实现本发明方法的装置的接收端主要包括帧同步单元、SI符号与OFDM符号分离单元、信号恢复器。其中帧同步单元，用于实现OFDM符号帧同步。
SI符号与OFDM符号分离单元，用于将接收到的信号通过两路传输，即一路传输SI符号，另一路传输原始的OFDM符号。
信号恢复器，用于接收SI符号与原始OFDM符号分离单元的两路信号，通过SI符号上的信息恢复出原始OFDM符号。
本发明的技术方案不仅可以把SI信息集中到一个特定的SI符号中传输，而且它的P个OFDM符号在进行PAPR优化后并不会像传统方法那样，由于通过预留子载波或预留子块传输SI信息，在经过降PAPR处理后的OFDM符号插入SI信息，改变了降PAPR处理后的OFDM符号的结构而引起峰值再生。在接收端SI符号被接收并解调，这个SI符号携带的信息就是该OFDM符号帧P个OFDM数据符号的SI信息，这样其它的m个数据就可以被恢复成PTS处理之前的OFDM符号。
本发明与利用预留子载波传输方案相比，具有以下优点1、避免峰值再生。在传统的SI信息传输方案中，会在PAPR优化后向预留的子载波或子块中插入SI信息，所以会引起峰值再生。但在改进的方案中，由于SI信息被集中到特定的SI符号中统一传输，那么SI信息的传输并不会影响这些PAPR优化后的数据符号，所以不会引起峰值再生。
2、不影响符号结构。在传统的SI信息传输方案中，对接收机而言，接收到的每一个OFDM符号，都是数据和SI信息的混合体，这样势必影响了原始的符号结构，并且增加了接收机的复杂度。而新方案的SI信息和数据符号分别传输，所以不会影响符号结构。
3、便于SI信息的集中管理。由于SI信息对接收机正确解调OFDM符号至关重要，所以往往需要特别的编码保护。这样传统的SI信息传输方案中数据和SI信息的混合传输，必然增加发送机的编码复杂度，也即需要对数据和SI信息部分分别处理。而改进的方法中SI信息集中于SI符号统一传输，这样也便于统一的编码和管理。
4、实现了OFDM系统的帧同步。本发明提出的帧同步和降低PAPR的综合方案，不仅降低峰值再生，而且可以实现OFDM系统的帧同步。由此提高可通信系统的性能，降低系统成本。
图1是现有PTS方法原理2是本发明提出的边带信息传输与帧同步方法的SI符号的构成3是本发明提出的边带信息传输与帧同步方法的帧结构示意4是本发明提出的边带信息传输与帧同步方法实现流程5是本发明提出的边带信息传输与帧同步装置结构框6是本发明提出的边带信息传输与帧同步方法与传统边带信息传输方法的CCDF-PAPR对比7是本发明提出的边带信息传输与帧同步方法的帧同步效果图具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
参照图4，用于在OFDM系统中的本发明边带信息传输与帧同步方法，按如下过程进行第一步，根据OFDM通信系统的参数，确定SI符号的长度。与SI长度有关的参数为PTS子块数V，旋转因子的总个数Q，调制方式对应星座点个数M来设定一个OFDM符号帧包含的OFDM符号个数P。假设Si为任意OFDM符号SI信息所占符号位，SI符号的长度(对应为星座图上的点的个数)为S，则它们之间的关系如下S=Σi=1PSi]]> 其中， 表示上取整。假设参数V＝8，Q＝2，P＝16，M＝4。则需要传输的SI符号的长度为64个符号位(一个符号位即星座图上一个点)或128比特。无论SI符号长度是否与OFDM符号长度相同，本发明都将把它看作一个独立信号处理。这是因为参数V，Q，M，P是由整个PTS-OFDM通信系统决定，并且在PTS-OFDM通信系统完成之后不会改变，SI符号的长度也不会改变，即SI符号的长度不影响帧同步的设计。但是需要注意的是SI符号的长度如果超过OFDM符号长度，将会为SI符号的传输带来困难。当SI符号的长度小于OFDM符号的长度时可在SI符号后插入随机序列进行补充或使用其它手段使SI符号长度与OFDM符号长度相同。
在本发明的边带信息传输与帧同步中，如果OFDM符号的旋转因子越多，PTS分割的子块数越多，OFDM符号可能的旋转因子组合就越多，表示SI信息所需的符号位也就越多，即SI符号所含符号位就越多。由于SI符号包含的符号位多，利用最大似然方法进行帧同步由于偶然因素得到高相关系数的概率就大大减少，帧同步效果会更好。然而另一方面，因为需要处理的边带信号太多，系统的时延自然就升高了。
第二步，在发送端中，对所有输入的OFDM符号进行与传统PTS-OFDM通信系统相同的PTS处理，以降低系统的PAPR。这里假设任意一个OFDM符号在进行PTS处理时均被分割成v块，则一帧中任意一个OFDM符号均可表示为Xn＝[Xn，1，xn，2，…，xn，V]。
第三步，参照图1，利用SI信号提取单元从相位优化器中提取对一帧中所有OFDM符号进行相位旋转的相位旋转信息一个OFDM符号的SI信息，从第1块到第V块可以表示为b1，b2，…，bV。而一帧中包含多个OFDM符号，为了方便描述，将第n个OFDM符号的SI信息，从第1块到第V块分别表示为bn，1，bn，2，…，bn，V。
第四步，参照图2，将一帧信号中所有的OFDM符号的SI信息集中到一个特定的OFDM符号，即SI符号统一传输。具体地说，就是将一个OFDM符号分别为X1，X2，…，Xm；每一个OFDM符号在进行PTS时均被分割成v块，则一帧中任意一个OFDM符号均可表示为Xn＝[xn，1，xn，2，…，xn，V]；并且第n个OFDM符号的SI信息，从第一块到第V块分别为bn，1，bn，2，…，bn，V的OFDM符号帧所有SI信息集中到SI符号传输。该帧SI符号SI＝[B1，B2，…，Bm]，其中Bn＝[bn、1，bn，2，…，bn，V]。
由于本发明的技术方案把SI信息集中到一个特定的SI符号中传输，它的P个OFDM符号在进行PAPR优化后不会像传统方法那样在经过降PAPR处理后的OFDM符号内通过预留子载波或预留子块插入SI信息，改变了降PAPR处理后的OFDM符号的结构而引起峰值再生。
第五步，参照图3，处理完一帧OFDM符号后，将完整的SI符号复制多次并插入该帧OFDM符号之前，然后直接发射出去。以SI符号复制1次为例，发射出去的OFDM符号帧Z＝[SI，SI，X1，X2，…，Xm]。
第六步，接收端利用相同的连续的多个SI符号之间的相关性，使用最大似然方法实现符号定时同步。也就是通过如下公式进行同步d^ML=argmax{|γ(d)|-ρΦ(d)}]]>计算结果 就是使相关系数最大的采样点，即OFDM符号帧起始的采样点位置。
其中ρ=|E{x(k)x*(k+S)}E{|x(k)|2}E{|x(k+S)|2}|=|σs2σs2+σn2|=SNRSNR+1,]]>表示x(k)与x(k+L)之间相关系数的幅度。
而γ(m)=Σk=mm+S-1x(k)x*(k+S);Φ(m)=12Σk=mm+S-1|x(k)|2+|x(k+S)|2.]]>其中，m表示任意采样点；S表示SI符号的长度(以采样点个数衡量)。
上述帧同步步骤将携带SI信息的SI符号复制多次并作为帧头传输，从而可以保证该重要符号的准确传输，同时可以利用重复传输的OFMD符号之间的相关性，通过极大似然算法，到达获取OFDM系统的帧同步的目的。
第七步，进行同步之后提取一个完整的SI信息。SI信息以及剩余的信号将送到信号恢复器，恢复出经过PTS之前的符号形式。
实现本发明方法的装置包括发送端和接收端。其中发送部分主要包括PTS单元、SI信号提取单元、组合器；接收部分包括同步单元、SI符号与OFDM符号分离单元、信号恢复器。整个OFDM通信系统的工作过程如下一、OFDM通信系统的发送端发送时，信源1产生的携带信息的数据符号流2送到调制器3，进行m-QAM或者BPSK或者QPSK调制。二进制数据流经过调制后，也就是将各个并行信道上二进制数据映射为信号星座图上的点，即形成复数形式的数据序列。该数据经过串并变换4后成多路的数据5送到OFDM的发送端。由PTS处理器6对该并行复数序列进行第二次调制，即将每一组并行复数序列分组，每一组旋转不同的相位，打破这一组并行复数序列在相位上的一致性，从而降低发射端的PAPR。为了恢复经过PTS处理的信号，SI信号提取单元7把PTS对每块信号的相位旋转信息8提取出来，通过组合器10将一帧OFDM符号所要传输的SI信息整合成一个完整的OFDM符号，以下称SI符号。为了不改变经过PTS处理的符号的结构，本发明将所有SI信息集中起来，整合成一个独立的SI符号。为了保持帧同步，把此独立的SI符号复制多次，作为该帧帧头传输，或者作为下一帧帧头传输。图3是以SI符号被复制1次作为帧头的帧结构示意图。多个相同的SI符号后加上经过PTS的OFDM符号输入组合器10组合后，该复数数据通过并串变换11，将各通道的数据流合并为串行数据流12，即OFDM符号，经数模转换13，低通滤波器15滤波后，被发射到信道17中。
二、OFDM通信系统的接收端接收时，通过信道17的信号18需要经过低通滤波器19得到模拟信号，这个滤波器也被称为匹配滤波器。该模拟信号通过模数转换器20后变成数字信号21。该数字信号通过帧同步器22进行帧同步，帧同步后信号23进入SI符号与OFDM符号分离单元24，分成两路数字信号输出，分别是SI符号25和OFDM符号26。两路信号同时送入信号恢复器27作PTS逆变换，将利用SI符号携带的信息恢复出原始的OFDM符号。恢复的原始OFDM符号通过传输线28直接进入串并变换器29；然后由快速傅立叶变换FFT数字信号处理器30对该数据流进行解调后得到信号31，该信号再经过并串变换32和解调器33后恢复出与原始信息2基本相同的接收信息34，以满足信宿35的要求。
本发明的效果可以通过图6、图7进一步说明。
为了说明本发明可以尽量避免峰值再生这一优点，也为了研究采用边带信息传输与帧同步方法之后的系统性能。为此我们在4-QAM调制条件下仿真了本发明提出的边带信息传输与帧同步方法与传统边带信息传输方法的CCDF-PAPR；以及最大似然函数的输出。
一.用本发明的边带信息传输仿真表1边带信息传输与帧同步方法PAPR性能仿真条件
在表1中，按每32个OFDM符号作为一个帧进行传输，并且将这32个OFDM符号经过PTS处理产生的SI信息集中起来作为SI符号传输。每个OFDM符号被分成8个子块，并且相位旋转空间为{-1，1}，那么表示相位旋转需要2bit，16个OFDM符号共需128个符号位或256bits来表示这32个数据符号的SI信息。
图6给出了在表1所列的仿真条件下的PAPR的互补累积分布函数曲线图。图6是用PAPR的互补累积分布函数CCDF来衡量OFDM系统的PAPR分布。即计算出PAPR超过某一门限值PAPR0的概率，得到的互补累积分布函数CCDF。用数学式子可表示为Prob{PAPR＞PAPR0}。从图6中可以看到利用传统边带信息传输方案进行边带信息传输后PAPR与理论上PTS处理得出的PAPR相比PAPR有很大的偏差，这就是所谓的峰值再生。这是由于传统的PTS方法优化的是不含SI信息的OFDM符号的PAPR，插入SI信息后不再继续优化。然而，插入SI信息后破坏了PTS处理后的OFDM符号的PAPR最优的符号结构，必然引起峰值再生。从图6中可以清楚地看到利用本发明提出的边带信息传输与帧同步方法进行边带信息传输比利用传统边带信息传输方案进行边带信息传输能更少的引起峰值再生，其仿真得出的CCDF-PAPR曲线与理论上PTS处理得出的CCDF-PAPR曲线基本重合。从图6中可进一步清楚地看到当CCDF为10-3时，采用边带信息传输与帧同步方法后的PAPR为8.25dB，传统边带信息传输后的PAPR为9.82dB前者的PAPR要比后者低1.57dB。
二.帧同步仿真表2帧同步效果仿真条件
图7给出了一个OFDM帧在表2所列的仿真条件下的最大似然函数的输出。图7是用最大似然函数的输出来衡量帧同步的有效性。从图7中可以很明显地看到在整个仿真的采样范围内，利用最大似然方法计算出的连续128个采样点相隔128个采样点的相关曲线图中，只有在一个采样点的位置上计算出最大相关系数。从图7还可以进一步清楚地看到这个采样点就是第151个采样点。也就是仿真试验中一个OFDM符号帧开始的第一个采样点的位置。
由于本发明在不脱离其基本精神和本质特征的情况下可以多种形式实施，因此应该理解到，如上所述的实施例不被前面描述的任何细节所限制，除非另作特别说明，在所附的权利要求书定义的发明精神和范围之内，应该被广义地解释，因此所有的更改和修订都应落在本权利要求书所定的范围内，或者等同于本范围的描述也应被在本发明附加的权利要求书所覆盖。
权利要求
1.一种OFDM通信系统中边带信息传输与帧同步方法，采用如下过程进行边带信息传输与帧同步，以解决OFDM系统中峰值再生及帧同步问题发送端(1)根据OFDM通信系统的参数，确定边带信息SI符号的长度；(2)对一帧中所有的OFDM符号进行部分传送序列PTS处理，以降低峰值平均功率比PAPR；(3)将PTS单元的相位优化得到的相位旋转信息作为SI信息，把一个OFDM符号帧的所有SI信息集合起来，作为一个独立于其它OFDM符号，即SI符号进行传输；(4)将完整的SI符号复制多次并插入该帧OFDM符号之前，然后直接发射出去；接收端(1)根据公式d^ML=argmax{|γ(d)|-ρΦ(d)},]]>计算出OFDM符号帧起始采样点的位置，实现帧同步；(2)利用SI符号携带的SI信息将帧同步后的其它OFDM符号，按照PTS的逆过程恢复出PTS处理前的OFDM符号。
2.实现权利要求1所述方法装置，包括发送端和接收端，其特征在于该发送端主要包括PTS单元、SI信号提取单元、组合器；该接收端主要包括帧同步单元、SI符号与OFDM符号分离单元、信号恢复器，其中PTS单元，用于处理在进行逆付里叶变换IFFT之前，经过QAM或PSK调制后的数据，降低这些数据的PAPR；并产生需要传输的SI信息；SI信号提取单元，用于提取PTS单元产生的SI信息；组合器，用于将一帧OFDM符号所要传输的SI信息整合成一个完整的OFDM符号，即SI符号；将此SI符号复制多次并插入该帧OFDM符号之前，然后直接发射出去；帧同步单元，用于OFDM符号帧同步；SI符号与OFDM符号分离单元，用于将接收到信号通过两路传输，即一路传输SI符号，另一路传输原始的OFDM符号；信号恢复器，用于接收SI符号与原始OFDM符号分离单元的两路信号，通过SI符号上的信息恢复出原始OFDM符号。
3.根据权利要求1所述的OFDM通信系统中边带信息传输与帧同步方法，其特征在于所述SI符号的长度由以下几个参数决定PTS子块数V，旋转因子的总个数Q，调制方式对应星座点个数M以及一个OFDM符号帧所包含的OFDM符号个数P，Si为任意OFDM符号SI信息所占符号位，SI符号的长度为S，则它们之间的关系如下S=Σi=1PSi]]>其中，
4.根据权利要求1所述的OFDM通信系统中边带信息传输与帧同步方法，其特征在于所述帧同步的实现是通过将携带SI信息的SI符号复制多次并作为帧头传输，从而保证SI符号的准确传输，同时利用重复传输的SI符号之间的相关性，通过最大似然算法，获取OFDM系统的帧同步。
全文摘要
本发明公开一种OFDM通信系统中边带信息传输与帧同步方法及装置，用于解决OFDM系统峰值再生及帧同步问题。其主要步骤为确定边带信息SI符号的长度；对一帧中所有OFDM符号作降低峰值的PTS处理；将PTS相位优化后的相位旋转信息作为SI信息，把一个OFDM符号帧的所有SI信息集合，作为一个独立于其它OFDM的SI符号；将完整的SI符号复制多次并插入该帧OFDM符号之前发送；用最大似然算法算出OFDM符号帧起始采样点位置；利用SI符号携带的SI信息将帧同步后的其它OFDM符号，恢复成PTS处理前的OFDM符号。实现上述方法的装置发送端主要包括PTS单元、SI信号提取单元、组合器；接收端主要包括帧同步单元、SI符号与OFDM符号分离单元、信号恢复器。本发明可有效解决峰值再生及实现帧同步。
文档编号H04L27/26GK1812390SQ20051012456
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月16日 优先权日2005年12月16日
发明者杨刚, 黄思宁, 姜勇, 李玉山 申请人:西安电子科技大学