专利名称：利用pn码同步信道获得ofdm系统粗同步的方法
技术领域：
用于下一代移动通信OFDM调制解调系统中提高粗同步性能，克服时隙模糊，获取帧同步信号，为精同步作出较准确的根据。
背景技术：
下一代移动通信的目标是能够提供更高传输速率、更高的频谱利用率，基于这样的目标，以及OFDM技术在已有的通信系统中的成功应用，OFDM技术被选为下一代移动通信的核心调制解调技术。
在OFDM调制解调系统中，同步的获取是至关重要的。无线传输链路中，色散衰落、快速移动的信道状况下，解调端需要在得知准确同步的前提下来完成FFT操作以及信道估计等一系列操作。同步技术通常分为粗同步和精同步两步来完成，如果通信系统采用数据帧来解决多用户、多点接入的问题的话，同步技术其中粗同步应该能实现帧同步并且克服时隙模糊，为精同步提供一定的判决依据。
以往的粗同步技术基于CP来实现，同步速度较慢，并且同步定时范围比较粗略，抗噪声性能也比较差。单纯在slot(时隙)前面增加PN序列的方法，只做到时隙同步，难以实现帧同步，而在下一代移动通信中仍采用蜂窝移动通信体制，其数据系统是需要一定的数据帧结构的，所以单纯的增加PN序列同步码字的方法无法克服slot(时隙)模糊度。基于以上两点考虑，提出了按照一定PN序列分配图案来引导同步信道的新的粗同步算法。
发明内容
本发明的内容在于提供一种可同时实现帧同步和时隙同步的利用PN码同步信道获得OFDM系统粗同步的方法。
本发明的特征在于(1)利用PN码相关匹配算法获得slot(时隙)同步，然后利用每帧内不同时隙PN码独特的分配图案来获取帧同步，消除时隙同步的模糊度，同时构造同步状态转换机来保证同步可靠性；(2)所述的第一种PN码用“0”表示，第二种用“1”表示从而构成一个线性码字；(3)所述的抵抗多径衰落并尽可能消除白噪声干扰的处理结果是通过把步骤(1)的相关运算结果分别除以该时段之内的即时平均功率并作归一话处理得到的；(4)所述的同步状态转换机是通过在同一采样位置是否连续3次获得码距最小来判断该位置是否达到约定的粗定时起点的。
本发明构造了粗同步发送和接收系统方案，发送方案设计主要为OFDM同步信道帧格式，接收方案是基于该帧格式的粗同步算法描述，用来保证可靠的同步信号和克服时隙模糊。
所设计的OFDM同步信道帧格式(附图1)中，一个时隙周期为T，S个时隙为一个帧，F个帧构成一个超帧。每一个时隙中共K个采样，每个时隙中共包括N个OFDM符号。在一个时隙内有一个或多个时频引导序列，插在OFDM符号之间。在一个时隙内可以有若干个OFDM符号中，以一定间隔插入已知的频域引导符号。
基于这样的同步信道结构，考虑采用独特的长PN序列码来作为同步搜索的PN序列。该帧结构中，每一个时隙有一个PN码作为时隙引导序列(长度设置为P个采样点)，通过PN序列的很好的自相关性能，可以通过该引导序列得到帧定时的粗同步结果。方案中，在一个完整帧中有S个PN码组，使用了两种不同的PN码(PN1和PN2)，两种PN码以一定的序列图案分布在一帧信号中(附图2举例说明了一种PN码分布图案，其中0代表的第一种PN码，1代表第二种PN码)，根据序列图案可以知道是该PN码所在时隙是该帧中的哪一个时隙，也可以利用这个图案信息得到帧同步的信号，有利于加快粗同步的完成，减少同步过程中丢失数据帧的概率。
粗同步算法基本思路是先分别进行两个PN码的相关匹配器的计算，相关匹配器就是将两个序列相乘累加输出，根据PN序列的自相关性特点，如果接收信号与本地PN序列同步，起点一样的时候，那么将他们相乘累加起来就会输出一个很高的峰值，否则只是幅度很低的输出。相关器输出结果要进行功率归一化处理，这样可以平滑多径和高斯白噪声的影响，然后根据这个结果进行阈值设定(例如可以按照最大峰值的一半来设定阈值)以及硬判(大于阈值的相关峰保留记录其位置，小于阈值的相关峰可以舍弃)，从而得到两个PN码在每个时隙slot头的分布图案，该图案可能是最强径的结果图案(这时应该是最佳同步结果)，也可能是其他多径的结果图案(由于多径的随机性，这种同步结果是不可靠的)。
附图2是两种PN码在一帧的十个时隙头的分布配置方案。0代表第一种PN码，1代表第二种PN码；也就是说在附图2中，共有10个时隙的方格，每个方格代表一个时隙的同步数据，如果该时隙标记为0，我们插入第一种PN码作为该时隙的同步数据，如果该时隙标记为1，我们插入第二种PN码作为该时隙的同步数据。经过这样设定，一帧内10个时隙的PN码配置图案就可以看成一种码字(即按照附图2所约定的两种PN序列与0、1的对应关系)，将这个事先设定好的码字与同步搜索检测所获得的码字相比较，计算二者之间的汉明码距(汉明码距就是两个码字对应位置数据不相等的个数)，码距最小的(理想同步情况下应该为0)那种情况为获得同步状态的标志。
与简单的用CP(循环前缀)相比，它更精确了粗同步的估计范围，同时也有效的克服了时隙模糊的问题，提供了数据帧的粗同步信号。
图1表示OFDM数据结构，从超帧开始细分到最后的同步PN码；图2两种PN码在一帧内十个不同时隙头的配置图案，0代表该时隙插入第1种扰码，1代表该时隙插入第2种扰码；图3粗同步算法框图；
图4同步状态转换机状态转换示意图，0代表输入状态机的失同步信号，1代表同步信号；图5同步信道帧格式参数举例说明；图6PN码相关结果图案解释说明。
图7PN码生成器框图，其中第1号PN码和第100号PN码为本专利举例说明中第一种PN码和第二种PN码具体实施方式
具体的计算步骤(附图3)为(1)先将输入信号与本地PN码做相关运算，分别得到与两种PN码(PN1和PN2)的累加相关结果temp1和temp2；(2)在信号序列相关运算的同时，输出一段时间之内(比如若干采样点内)的功率平均值；(3)将相关运算的结果temp1和temp2分别除以该段时间之内的即时平均功率，并做归一化处理，得到tt1和tt2，如此处理的目的是为了抵抗多径衰落，并尽可能消除白噪声干扰；(4)以检测到的最强峰来设定相应的阈值，一般情况下最强峰意味着获得slot同步，考虑多径及衰落时变的影响，其他超过阈值的强峰也要考虑。根据阈值来对tt1和tt2进行硬判就可以得到一帧长的时间范围内的PN码配置图案。
(5)将PN码的图案看成一种线性码，与硬判决后的两个PN码配置图案序列分别做求码距的运算，并将两个序列求得的码距加起来，得到的码距最小点(理论上应该为0的点)为正确的帧粗定时起点。
(6)将第5步结果输入到同步状态转换机，由同步状态转换机来判断系统是否到达粗同步态。
同步状态转换机是为了保证较长一段时间内的粗同步的定时而设计的一种状态转换算法(附图4)。它分为同步态和跟踪态，连续3次失同步(或者获得同步)为从同步态转到失同步(或者从失同步态转到同步态)的转变条件。当一帧时间的检测结果所获得的一帧内PN图案与已知的PN码配置图案不同时(即码距不等于0)状态转换机输入为0，意味着该帧PN码图案不匹配，帧失步；当检测结果中PN图案与已知的PN码配置图案相同时(即码距等于0)状态转换机输入为1，意味着该帧PN码图案匹配，帧同步。在附图4中，T0、T1、T2为三个跟踪态，T0代表初始状态；T1为获得一次帧同步的状态，当输入为1时可以从T0状态转移到T1状态，同样当输入为0时，T1状态则转移到T0状态；T2为连续两次获得帧同步的状态，也就是说当输入为1可以从T1状态转移到T2状态，同理当输入为0则从T2状态转移到T1状态。S0、S1、S2为三个同步态，S0代表同步稳定状态，当T2状态的基础上输入1时，可以从T2状态转入S0，这个时候标志系统进入同步状态，应该按照此时的粗同步信号进行后续解调等处理；当在S0的基础上输入为0时，表示系统暂时失去同步，转移到S1状态，如果接下来输入1，表示系统又回到同步状态S0，系统仍然正常同步；当在S1的基础上又输入0，表示系统又一次失去同步，需要转换到S2状态，在S2状态下再输入0则表示系统连续3次失去同步，系统不再稳定同步，进入T0跟踪状态继续进行粗同步搜索，如果输入1则又可以返回S0的同步态。这种以连续三次同步或者失同步来作为同步态和跟踪态之间状态转换的机制有效的保证了系统同步状态的维护，避免了突发情况对系统的干扰。本部分以一个实际应用的例子来说明这个粗同步算法是如何工作的。
首先来设定发送端同步信道的帧格式参数。帧格式中，一个时隙周期为1ms，10个时隙为一个帧，256个帧构成一个超帧。每一个时隙中共10240个采样，每个时隙中共包括8个OFDM符号(附图5)。在一个时隙内有一个或多个时频引导序列，插在OFDM符号之间。PN码的选取按照伪随机序列发生器的原理，产生两种扰码，例如我们采用一种在WCDMA下行链路里面所使用的PN码发生器来举例说明，给PN码发生器的结构图如附图7所示。在这个PN码生成器所产生的PN码中，选取第1号和第100号PN码作为我们这个粗同步算法里面的两种配置的PN码。第一种PN码(1号PN码)对应附图2里面的0，也就是说在附图2里面标明0的时隙上我们插入第一种PN码作为同步数据；第二种PN码(100号PN码)对应附图3里面的1，也就是说在附图2里面标明1的时隙上我们插入第二种PN码作为同步数据。
附图6则说明了接收端是如何判断粗同步的。图6中，a代表一定时间内(通常是一帧或者一帧的整数倍)搜索到的一个相关结果图案，这个相关结果是两种PN码的匹配相关结果，如果第一种PN码相关结果出现狭长的峰值，则说明该PN码获得了同步，同理第二种PN码相关结果出现狭长峰值则说明第二种PN码获得了同步。当使用第一种PN码进行相关获得峰值就可以认为该时隙配置了第一种PN码，也就是说该时隙标记“0”；当用第二种PN码获得峰值就可以认为该时隙配置了第二种PN码，也就是说该时隙标记“1”。经过这样的操作就可以获得一帧内的一个PN码配置图案的码字。图6中，a的相关结果获得的码字为“0000110010”，将这个码字与事先设定好的码字(附图2)相比较，原来码字为“0010110011”，可以看到不相同的数字个数为2，也就是说汉明码距为2，说明这个相关结果没有获得较好的同步，是不匹配的，可能是因为多径或者噪声干扰等等造成的一个错误结果。而附图6中的b按照上述的处理方法，得到的码字为“0010110011”，与事先设定好的码字(附图2)相比较，汉明码距为0，说明该相关结果获得同步。连续3次在同一采样位置获得这样的粗同步结果就说明该位置进入同步状态。
权利要求
1.利用PN(伪随机序列)码同步信道获取OFDM粗同步的方法，其特征在于利用PN码相关匹配算法获得slot(时隙)同步，然后利用每帧内不同时隙PN码独特的分配图案来获取帧同步，消除时隙同步的模糊度，同时构造同步状态转换机来保证同步可靠性。它依次含有以下步骤(1)在发送端，采用PN码同步信道结构，即在帧结构中每个时隙分配一个PN码作为时隙引导序列，长度为P个采样点，在一个完整的帧中分为与时隙数相等的S个PN码组，分别采用两种不同的PN码中的一种，形成一定的序列图案分布在一帧信号中；(2)同时把上述相关运算结果分别进行抗多径衰落处理和尽可能消除白噪声干扰处理；(3)按照上述处理过程中检测到的各时隙最强峰来设定相应的阈值，分别根据阈值对上述处理结果进行硬判，得到一帧长的时间范围内的PN码配置图案；(4)把发送端设定的PN序列图案分别与硬判后的两个PN配置图案作求码距的运算，并将两个序列求得的码距相加，逐帧判断得到的码距最小点为正确的帧粗定时起点；(5)把步骤(4)的结果输入到同步状态机判断是否达到稳定的粗同步定时。
2.根据权利要求1所述的利用PN码同步信道获得OFDM粗同步信号方法，其特征在于所述的第一种PN码用“0”表示，第二种用“1”表示从而构成一个线性码字；
3.根据权利要求1所述的利用PN码同步信道获得OFDM粗同步信号方法，其特征在于所述的抵抗多径衰落并尽可能消除白噪声干扰的处理结果是通过把步骤(1)的相关运算结果分别除以该时段之内的即时平均功率并作归一话处理得到的；
4.根据权利要求1所述的利用PN码同步信道获得OFDM粗同步信号方法，其特征在于所述的同步状态转换机是通过在同一采样位置是否连续3次获得码距最小来判断该位置是否达到约定的粗定时起点的。
全文摘要
采用PN(伪随机序列)码同步信道获取OFDM(正交频分复用调制)粗同步的方法属于移动通信OFDM调制解调技术领域，其特征在于利用自相关性很好的PN码来作为同步信道的数据，设定一种PN码配置选取图案，通过一段时间内的相关器匹配计算来获取最大相关峰输出，与PN码图案相比较来获得接受数据的帧同步信号，并且有效克制时隙模糊度。同时采用同步状态转换机，根据相关器输出结果以及相关器计算时间范围，有效地确定出粗同步的信号，为下一步时频精同步的计算提供了更加准确的依据。它克服了简单利用CP(循环前缀)来进行粗同步的缺点。
文档编号H04L27/26GK1523795SQ0315705
公开日2004年8月25日 申请日期2003年9月12日 优先权日2003年9月12日
发明者周世东, 许希斌, 周春晖, 陈翔, 周慧强, 肖立民, 姚彦 申请人:清华大学