一种用于无线局域网通信系统的短训练序列设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种无线局域网通信系统的短训练序列 (ShortTrainingField,STF)设计方法。
【背景技术】
[0002] -个典型的无线局域网通信系统的物理层发送模式如下：短训练序列（STF)用于 无线局域网通信系统的帧检测、自动增益控制（AutoGainControl,AGC)、粗频率同步、粗 时间同步等；STF的后面是用于信道估计和更精确的频率偏移估计及时间同步的长训练序 列（LongTrainingFielcUTF) ;LTF之后是包含通信分组的速率和长度信息的信令字段； 再后面是数据字段。
[0003]与单载波系统相比，在OFDM系统中，经IFFT(InverseFastFourierTransform， IFFT)运算之后所有的子载波相加导致时域发射信号会有很高的峰值。事实上，高 PAPR既降低了发射机功率放大器的效率，也降低了数/模转换器（AnalogtoDigital Converter,ADC)和模 / 数转换器（DigitaltoAnalogConverter,DAC)的信号量化噪声 比（SignaltoQuantizationNoiseRatio,SQNR)，所以它是正交频分多址（Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)系统中最不利的因素之一。另外，OFDM系统中 的子载波是完全相互正交，而且系统输出是将多个子载波并行数据进行并串转换，这样就 导致OFDM系统存在一些缺点，主要表现为对同步偏移的敏感和时域信号PAPR比较高。OFDM 技术在发送端将数据利用IFFT变换调制到各个子载波上，而在接收端需要使用性对应的 FFT变换从子载波上解调数据，要进行FFT变换就必须知道每个OFDM符号的起始点，就需要 准确的定时同步。又因为OFDM系统的子载波间频谱交叠，要求子载波间需要保持严格的正 交性，一旦存在频率偏差，正交性就会受到破坏，这样就会出现载波间干扰。
[0004] 自动增益检测也是无线局域网通信系统中的一个重要部分，由于空间传输的电磁 波会出现衰落，在接收端接收到的信号功率会随着信道环境变化而产生上下起伏。接收端 需要通过自动增益控制机制调整接收端的信号功放配置。自动增益控制一般包含以下几个 步骤：粗增益控制、精增益控制、增益设置时段以及增益调节后直流偏置估计。为了实现自 动增益控制、粗时频同步等，一般STF的时域波形呈周期性，且时域信号幅度变化在一定范 围内。
[0005] 基于以上原因，短训练序列往往希望其有良好的时域自相关特性和平稳的时域波 形。本发明基于这些要求，提出了一种STF序列的设计方法，方法配置灵活，适用于各种具 体条件限制的通信系统。
【发明内容】
[0006] 发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于OFDM无线局域网通 信系统的短训练序列（STF)设计方法，要求序列中的元素包含1+i、-(1+i)或者0,且方法 实现简单，运用灵活。
[0007] 为了更好的理解本
【发明内容】
，首先介绍一下本发明技术方案涉及的相关技术背 景：在OFDM系统中，一个高速率的数据流被分成N个低速率的数据流由子载波同时传输。每 一个子载波被独立的用一种典型的调制方式（例如PSK或QAM)进行调制。对于一个OFDM 符号X= [X。，…，XnJT，其中N是子载波序数，与之对应的时域基带信号可以表示为：
[0009] 其中，L是过采样因子。
[0010] 时域序列的自相关函数定义如下：
[0011] rx(n) (k) =E{x(n+k)x* (n)} (公式 2)
[0012] 其中，x(n)表示时域信号，E{}为统计平均算子，xYn)为x(n)的共辄转置。为了 考察序列时域波形自相关特性的优劣，定义如下自相关特性度量：
[0014] 其中E{}为统计平均算子，max{}表示取最大值，SELF越大意味着相关特性越好。
[0015] -个随机产生的序列，并不能保证其具有良好的自相关特性与时域波形形状，这 些信号在传输中被过量的模拟前端剪辑或压缩，序列的特性就会发生畸变。
[0016] 在本优化设计方法中，初始序列的每一元素可视为一个随机变量，服从某一特定 概率分布，如服从伯努利分布，其概率分布函数如下：
[0018] 其中，p为随机变量，u为概率分布参数。序列的N个元素由N次独立伯努利实验 产生，每个元素都服从如上的概率分布函数。每次试验由分布参数[二控制，u为参数 向量。Un表示序列中第n个元素为1的概率，I-Un表示序列中第n个元素为0的概率。由 于序列的每个元素都是独立生成，一个特定序列生成的概率为：
[0020] 为了保证其时域波形具有周期重复特性，由DFT的升降采样定律及定义知，需满 足如下条件：
[0021] 第一，设一个DFT符号时间内时域波形周期重复M次，则要M、N需满足NmodM= 0〇
[0022] 第二，频域信号为X(n)。X(n)需满足：
[0023]
(公式6)其中，value代表载波位置上 为非零值。
[0024] 技术方案：一种用于无线局域网通信系统的短训练序列设计方法，所述良好自相 关特性、时域波形周期重复序列元素有l+i，-(l+i)以及0,所述方法为：首先，设定所设计 序列的相关参数，然后进行多次迭代至符合终止条件，一次迭代中按照参数生成服从指定 概率密度参数的伯努利分布的多个元素为0和1的指定长度与配置的序列，并根据序列的 SELF对生成序列进行筛选，基于筛选后的序列更新下一次迭代的参数，最后迭代终止后将 SELF最大值对应的随机序列进行映射得到元素为l+i，-(l+i)以及0低SELF序列。方法 具体包括如下步骤：
[0025] 步骤1 :设定所设计序列的参数，包括：序列长度N(即序列将做N点DFT变换）， 序列时域波形在一个DFT周期内的重复次数M，每次生成随机序列的个数J，取样系数S，0 <S<1，初始概率密度函数参数《 = = (即第一次迭代计算的概率密度函数 参数），迭代终止条件：迭代次数T或收敛条件阈值e，以及初始SELF值=〇 ;
[0026] 进一步的，若需要对所设计的序列有条件限制，例如OFDM通信中常有直流子载 波，预留子载波，以及为满足信号时域周期性所强制置零的载波，需要所设计序列在某些位 置上为特定值，此时步骤1中也可以设定限制条件参数：限制位置域C和限制位置值W，例 如直流子载波，预留子载波以及为得到时域周期性所强制置零载波的位置为限制位置域C， 通常这些位置的值设为0,即限制位置值W= 0。
[0027] 步骤2 :运用蒙特卡洛方法生成J个服从参数为伯努利分布的随机序 列，生成的J个序列可表示如下：
[0029] 在步骤1中设定限制条件参数情况下，对所生成的序列应用限制条件，序列可表 示如下：
[0031] 其中，C为限制位置域，WnGW为限制位置元素的值。
[0032] 步骤3 :计算生成的随机序列PjG{〇, 1}N的映射序列QjG{-(l+i)，l+i}ITSELF， 具体步骤为：
[0033] 步骤3. 1 :由于本发明所需设计的序列非零值元素为l+i与-(1+i)，而伯努利模型 随机变量的取值是〇和1，这里需要进行映射，映射函数可为Qj=(HPj) ? (1+i)，PpQjU 均为N维向量；
[0034] 步骤3. 2 :对映射序列％做IFFT变换为时域信号；
[0035] 步骤3. 3 :计算时域信号的SELF，具体计算公式为：
其中，xGUP,) ? (l+i))表示映射后序列的时域信号，表示该时域信号 的自相关函数，由公式9得到的记为7(/卜j= 1，…，J。
[0037] 步骤4:从J个SELF中选出最高SELF值，记为^，并设定SELF的阈值丫，该阈 值用于筛选参与更新迭代参数计算的序列，具体步骤包括：
[0038] 步骤4. 1 :对，(_/)，j= 1，."，J，降序排序处理，即：
[0040] 其中，downO为对序列进行降序排列的函数；
[0041] 步骤4. 2 :选取本次得到的最高SELF值为?,
[0042] 步骤4. 3 :设定SELF的阈值为：
[0043] (公式 11)
[0044] 其中，「1为向上取整函数。
[0045] 步骤5 :判断是否满足迭代终止条件，若是则至步骤7,否则至步骤6 ;可设定两种 终止条件，一是迭代到预先设定的次数即可停止，二是达到预先设定的阈值即可停止。设定 迭代次数情况下，终止条件为达到迭代次数；设收敛条件阈值情况下，终止条件为前后两次 迭代生成序列的最高SELF值之差的绝对值小于某一阈值，可表示如下：
[0046] ^-V^F\<S (公式 12)
[0047] 步骤6 :根据步骤4中得到的FSf和y更新迭代参数匕仏和= ，转至步骤 2进入下一次迭代，具体为将6|；》的值传递给更新即1^匕=?匕，并根据所有 符合SELF的阈值条件的序列的第n位的数值分布情况更新un，w= ^"}二更新的计算公式 如下：
[0049] 其中，a()是指示函数：当且仅当，-^>;/，《(^/^；?;/)时等于1，否则为〇; P,为每次产生的第j个序列，Pp为产生的第j个序列的第n个元素的值，将此次更新的伯 努利参数作为下一次迭代生成随机序列的参数：
[0050] M=Rd1 (公式 14)
[0051] 步骤7 :步骤4中得到的最高SELF值对应的映射序列即为所设计的序列，即将步 骤4中得到的SELF的最大值对应的随机序列> ￡丨0,1丨映射为QG{-(l+i)，l+i}N，所得◎ 为设计的序列，映射函数为Qj=(UPj) ? (1+i)。
[0052] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：第一，