专利名称：实现下行帧同步的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术，特别涉及一种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的方法和装置。
背景技术：
以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)为代表的多载波传输技术由于具有良好的抗频率选择性衰落性能和较高的频带利用率等优点，近几年来受到越来越广泛的应用。不但应用于视频广播系统(Digital Audio Broadcasting，DAB)、陆地数字视频广播(Terrain Digital VideoBroadcasting，DVB-T)和无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)中，更成为后三代移动通信系统的关键技术。正交频分多址(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，OFDMA)是以OFDM调制为基础的一种新的多址接入方式，是通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入。
OFDM系统通过把输入的数据流串并转换到若干个并行的子信道中，这样数据OFDM符号周期扩大为原始数据OFDM符号周期的若干倍，从而可以有效的对抗多径时延扩展。通过在每个OFDM符号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵制ISI(Inter-Symbol Interference，码间串扰)，这种保护间隔是一种循环复制，即将每个OFDM符号的最后的若干样点复制到OFDM符号前，形成CP(Cyclic Prefix，循环前缀)。如图1所示，图1为一个OFDM符号结构示意图，其中，有效数据在频域和相应的子载波集合进行调制后经IFFT(Inverse Fast Fourier Transformation，反快速傅立叶变换)的点数。例如1024点，Nfft表示有效数据长度，Nfft和CP一起构成一个完整的OFDM符号。
在无线通信中，可以使用3种不同的双工传送方式FDD(FrequencyDivision Duplex，频分双工)，TDD(Time Division Duplex，时分双工)和(SDD(Space Division Duplex，空分双工)。其中TDD方式的上、下行链路占用同一频带，但在时间上交替转换传输方向。对于采用了TDD的系统，上下行链路发射间需要一段转换时间间隔，如图2所示，下行帧转换到上行帧的转换时间间隔称为发送/接收传输间隔(Transmit/Receive Transition Gap，TTG)，上行帧转换到下行帧的转换时间间隔称为接收/发送传输间隔(Receive/TransmitTransition Gap，RTG)。
采用小区(Cell)制的无线接入系统通常将服务区域分成数个相邻的小区，每个小区用一个基站(Base Station，BS)完成其信号覆盖。网络中的移动终端(Mobile Station，MS)在开机之后，首先通过一个特定的搜索过程来寻找一个合适的基站来实现自己的接入服务，这一过程称为小区搜索。MS进行小区搜索之后，将获得该小区基站的下行同步信息及其特定的标识号，以作为实现后续接入过程的重要参数。
OFDMA系统(本发明后继的说明以IEEE802.16e这一OFDMA无线接入系统为例进行分析)在应用时，一般每个小区划分为若干个扇区(通常为3个)，采用若干个(例如32)不同的标识号，即前导码来标记若干个(对应地，32个)相邻的小区，该前导码通常为PN序列。当采用OFDMA传输方式时，下行OFDMA传输OFDM符号的子载波被分成若干个(通常3个，与扇区数对应)不同的集合，不同的子载波集合对应于不同的扇区。上述前导码在每一个下行帧的前导符号(即每一个下行帧的首个符号)中用以调制对应的OFDMA子载波集合，从而由不同的前导码及其不同的子载波位置来确定不同的小区及扇区。在IEEE802.16e协议中已经规定了构成前导码的一组伪随机(PN)序列，该PN序列之间具有很好的自相关特性和较好的互相关特性。
在802.16e协议规定的系统中，前导码的频域结构是相邻两个调制了前导码(已知PN序列)的子载波之间存在两个为0的子载波。每一个扇区(Segment)下的前导码对应一个前导载波集(Preamble Carrier Set)，不同前导载波集的区别在于调制前导码的子载波的起点不同。前导载波集的构成方法如公式(1)所示n＝Guard_left+segment_offset+3k(1)其中n为前导载波集中各个子载波的位置，Guard_left为左保护子载波数目；segment_offset＝1，2，3，代表片偏置，其三种取值分别对应segment0、segment1和segment2；k＝0，1，2…283，分别对应87点到1024点快速傅氏变换(FFT)的OFDM符号。在OFDM系统中，整个频带被划分为多个子载波，每一子载波对应一个频带中的一个频点，所谓子载波的位置就是指子载波对应的频点的位置，不同频点位置对应不同的频率，不同子载波位置之间的间隔大小可用不同子载波对应的不同频点间的频率差来量化。
图3为802.16e协议中三个不同Segment下的前导码频域结构示意图。图3中三个不同的Segment分别为Segment0、Segment1和Segment2。这三个不同的Segment对应的前导载波集均按公式(1)描述的方法来构成，在1024点FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅立叶变换)的OFDM符号位置中，左保护子载波数目为86，右保护子载波数目也为86。
其中，Segment0对应的前导载波集中，子载波的起点位置从87点开始，并在936点的位置结束，其中非零的子载波用向上实心箭头表示，为零的子载波用圆点表示；Segment1对应的前导载波集中，子载波的起点位置从88点开始，并在937点的位置结束，其中非零的子载波用上端带实心方块的竖线表示，为零的子载波用圆点表示；Segment2对应的前导载波集中，子载波的起点位置从89点开始，并在938点的位置结束，其中非零的子载波用上端带空心圆圈的竖线表示，为零的子载波用圆点表示；在这三个Segment的前导载波集中，每两个调制了已知PN序列的子载波间均存在两个为零的子载波。
图3所示可见不同Segment下的前导码对应不同的前导载波集，不同前导载波集的区别在于调制前导码的子载波的起点不同，如图3中，Segment0和Segment1对应的前导载波集调制PN序列的子载波起点位置相差1个点，Segment1和Segment2对应的前导载波集调制PN序列的子载波起点位置相差1个点；并且，在同一前导载波集中，每两个调制了已知PN序列的子载波间均存在两个为0的子载波。
OFDMA系统MS在初始开机和发生切换时，必须进行小区搜索过程，实现小区标识获取和下行帧定时信息获取，即获取下行帧起始位置信息后，才能完成后续的接入过程。这一过程的主要难点在于MS刚开机启动时尚未知下行帧的起始位置(即携有小区标识信息的下行帧前导符号的起始位置)，而由于下行帧前导符号的调制数据是不确定的，并且受载波频偏、信道畸变和衰落以及其它邻近小区信号的影响，因此难以用普通的方法对其位置进行检测。
现有技术一在采用前导码的OFDM系统中，为了引入更多的冗余信息，通常采用时域上具有重复特性的前导码结构。由于重复结构引入的相关性，所以可以利用这种相关性来完成时频同步等功能。
利用IEEE802.16e中每帧帧头的前导码的近似重复特性进行帧定时同步和分数频偏纠正。在进行获得定时同步位置并进行了频偏纠正后，在频域上利用前导码的互相关性，在所有的前导码集合中进行相关运算，相关峰值最大的那个为搜索到的前导码。相关函数例如公式(2)Corr(i)=ΣK=0M-1R(k)·Pi*(k)Σk=0M-1|R(k)|2·Σk=0M-1|Pi(k)|2---(2)]]>其中|Corr(i)|为相关值，Pi代表已知前导码集合中的第i个码字，M代表前导码长度，R代表接收到的前导码。当|Corr(i)|取得最大值时对应的第i个前导码为搜索到的前导码，同样在实际应用中，需要设定一定的门限，当|Corr(i)|的最大值大于门限时，才认为搜索到前导码。
但是如果移动用户处于小区边缘，其接入时会收到来自多个小区的属于不同Segment的前导码的叠加信号。例如分别属于Segment0、Segment1、Segment2的三个前导码叠加信号，叠加信号的频域结构如图4所示，其中，该叠加信号对应的前导载波集中，子载波的起点位置从87点开始，并在938点的位置结束，且各个子载波间不存在插零的特性。这样，时域上的近似重复特性不再保持，导致利用重复特性相关性进行帧定时同步的方法失效，从而无法形成明显的相关峰值，出现漏检。在这种不能获得比较准确的帧定时的情况下，后继的基于频域上进行小区搜索的方法也无法搜索到相应的前导码。这样，处于三小区交界处的移动用户无法搜索到相应的Segment和ID_Cell信息，用户就无法进行接入。
现有技术二由于OFDM系统中的循环前缀是每个OFDM符号最后一部分数据的拷贝，所以在每个OFDM符号中，都存在由于循环前缀的重复特性引入的自相关性。参阅图1所示，设定一个滑动的采样窗口对数据进行采样，该滑动窗口的宽度等于CP的宽度，每相隔一个采样点，对距离一个Nfft长度的两个窗口内采样到的数据进行自相关运算，如果找到大于设定第一门限值值的相关峰值，则认为该相关峰值对应的两个采样窗口中的数据分别位于一个OFDM符号的循环前缀部分和末尾重复部分，以此来实现OFDM符号起始位置的定位。
同步的，在定位出的每个OFDM符号的起始位置处，进行FFT运算转换至频域上，在频域上利用前导码的互相关性，对该OFDM符号中调制的数据和前导码集合中的每一个前导码进行相关值运算，当存在大于第二门限值的相关峰值时，认为定位出的该OFDM符号的起始位置即为下行帧起始位置，对应调制在该OFDM符号中的数据为搜索到的前导码，则小区搜索成功；当遍历了集合中所有前导码后，都不存在大于第二门限的相关峰值时，认为当前的OFDM符号不是下行帧的首个符号，而是普通的数据OFDM符号，此时继续利用循环前缀的重复特性，搜索下一个OFDM符号的起始位置，如此继续，直到搜索到正确的下行帧起始位置和前导码。如果连续采样了设定的最大帧数长度后仍没有找到正确的下行帧起始位置和前导码，则同步过程失败。
由于通过循环前缀的重复特性获得的是OFDM符号定时，在每个OFDM符号起始位置处都要在转换到频域上，并且每个OFDM符号起始位置处都要在所有前导码集合中进行相关运算来搜索前导码，计算复杂度很高。
发明内容
本发明提供一种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的方法和装置，以解决现有技术中下行帧同步运算复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案第一种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的方法，包括如下步骤根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上行帧和下行帧的转换时间间隔定位出每一帧的首个符号；根据首个符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
其中，所述根据OFDM符号循环前缀引入的自相关性定位每一个OFDM符号起始位置的方法具体包括如下步骤设定滑动采样窗口采样帧数据，该采样窗口的长度和循环前缀的长度相等；分别计算两段相关采样数据的自相关值，该相关采样数据为分别在间距为一个OFDM符号长度减去一个循环前缀长度的两个采样窗口中采样得到的两段数据；当计算的自相关值大于设定第一门限值时，在之后计算的一组相关值中，搜索其中最大的相关峰值，根据该相关峰值对应的两段相关采样数据中前一段数据的采样窗口定位当前OFDM符号的起始位置。
所述的根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上行帧和下行帧的转换时间间隔定位出每一帧的首个符号的方法为同步监测每一个当前OFDM符号与相邻上一个OFDM符号起始位置之间的间距，其中当前OFDM符号与相邻上一个OFDM符号起始位置之间的间距近似等于一个OFDM符号长度时，该当前OFDM符号为一个上行帧或下行帧的非首个符号；反之，该当前OFDM符号即为一个上行帧或下行帧的首个符号。
其中，所述近似等于是指所述间距与一个OFDM符号长度之间的差值的绝对值小于设定阈值。
所述方法中，先根据所述间距的同步监测结果，丢弃其中与相邻上一个OFDM符号起始位置的间距小于设定第一间距的所有OFDM符号后，再进行首个符号的定位，该第一间距小于一个OFDM符号长度减去一个循环前缀的长度。
其中，所述根据首个符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧前导码的方法具体包括分别在频域计算首个符号中调制的数据与已知前导码集合中每一个前导码之间的相关值，并判断是否出现大于第二门限值的相关峰值，如果是，则该首个符号为下行帧的前导符号，该相关峰值对应的前导码为下行帧的前导码；反之，该首个符号为上行帧的第一个OFDM符号。
所述方法还包括如果对连续确定出的设定个数首个符号与已知前导码的互相关运算中，都没有出现所述相关峰值，则结束本次下行帧同步过程。
实现上述第一种在OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的装置，包括采样单元，采样OFDM符号中的数据；存储单元，存储包含所有已知前导码的前导码集合；
第一定位单元，连接所述采样单元，根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；第二定位单元，连接所述第一定位单元，根据第一定位单元定位出每一个OFDM符号的起始位置，再根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上行帧和下行帧的转换时间间隔定位出每一帧的首个符号；确认单元，分别连接所述存储单元和第二定位单元，根据第二定位单元定位出每一帧的首个符号，再根据首个符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
本发明提供的第二种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的方法，所述下行帧中包含的OFDM符号个数为固定值，并且上行帧中包含的OFDM符号个数不等于该固定值，所述方法包括如下步骤根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；并同步监测相邻两个OFDM符号起始位置之间的间距，查找相邻OFDM符号起始位置间距全部近似为一个OFDM符号长度的连续出现的OFDM符号个数，当所述个数等于所述固定值时，该连续个OFDM符号的第一个OFDM符号为下行帧的前导符号；根据下行帧前导符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导码并实现下行帧同步。
实现上述第二种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的装置，包括采样单元，采样OFDM符号中的数据；存储单元，存储包含所有已知前导码的前导码集合；定位单元，连接采样单元，根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；监测单元，连接定位单元，根据定位单元定位出每一个OFDM符号的起始位置，再同步监测相邻两个OFDM符号起始位置之间的间距，查找相邻OFDM符号起始位置间距全部近似为一个OFDM符号长度的连续出现的OFDM符号个数，当所述个数等于所述固定值时，该连续个OFDM符号的第一个OFDM符号为下行帧的前导符号；确认单元，分别连接存储单元和监测单元，根据监测单元定位出的下行帧的前导符号，再根据该前导符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
本发明的有益效果如下本发明第一种基于时域周期性的帧同步方法，根据每一个OFDM符号的循环前缀引入的自相关性定位每一个OFDM符号的起始位置，然后利用上/下行帧之间的转换时间间隔在时域上对OFDM符号起始位置出现周期的破坏性定位出每一个帧的首个符号，最后再根据首个符号中的调制数据与前导码的互相关性确定与小区或扇区有关的前导码，从而完成小区搜索和下行帧同步过程。本发明技术方案有选择性的在某些OFDM符号起始位置处，进行频域上的小区搜索，而非在每个OFDM符号起始位置处都进行频域上的小区搜索，从而降低初始同步过程中的计算复杂度；本发明第二种基于时域周期性的帧同步方法，仍然利用了上/下行帧之间的转换时间间隔在时域上对OFDM符号起始位置出现周期的破坏性定位出每一个帧的首个符号，并根据已知下行帧的OFDM符号个数同步定位出下行帧的前导符号，更加简化了小区搜索和下行帧同步过程。
图1为OFDM符号结构示意图；图2为TDD系统中上/下行帧传输时间转换时的产生的转换时间间隔示意图；图3为802.16e协议中三个不同Segment下的前导码频域结构示意图；图4为图3所示三个不同Segment下的前导码叠加信号的频域结构示意图；
图5为本发明所述第一种方法的主要流程示意图；图6为通过设定一个宽度等于CP的滑动采样窗口对数据进行采样来逐步计算自相关性来确定OFDM符号的起始位置的主要流程示意图；图7为本发明所述方法确定下行帧起始位置的主要流程示意图；图8为通过前导符号中调制的数据与前导码的相关性判断首个符号是否为下行帧的前导符号的主要流程示意图；图9为实现图5所示方法的一种装置的主要结构示意图；图10为本发明所述第二种方法的主要流程示意图；图11为实现图10所示方法的一种装置的主要结构示意图。
具体实施例方式
如图5所示，本发明提供的第一种在采用TDD方式的OFDMA系统中实现帧同步的方法，主要技术构思包括如下三个步骤S100、根据每一个OFDM符号在时域上的循环前缀特性引入的自相关性，定位出OFDM符号的起始位置；由于OFDM符号的循环前缀具有首尾重复特性，这样可以利用这种重复特性，采样接收信号并进行相关运算，由于CP部分和OFDM符号末尾重复的部分之间进行的自相关运算值最大，因此提供通过寻找相关峰值来实现OFDM符号起始位置的定位。在通常的OFDM系统中，每帧(包括上行帧和下行帧)都是由若干连续的OFDM符号组成，这样凡是在每个OFDM符号的起点处，利用上述的自相关运算都能够获得相应的峰值，即通过利用CP的自相关性获得每个OFDM符号起始位置。
S200、根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上/下行帧(上行帧或下行帧)之间的转换时间间隔TTG/RTG(RTG或TTG)定位出每一帧的首个符号；由于在每个上/下行帧中，OFDM符号是连续出现的，所以相邻两个OFDM符号的起始位置之间应该相隔一个OFDM符号的长度，也就是在一个上/下行帧中，定位出的OFDM符号起始位置具有周期出现的特性。
在TDD系统中，由于上、下行帧间存在RTG/TTG，当遇到RTG/TTG时，出现在RTG/TTG前后两个OFDM符号起始位置之间的差距为一个OFDM符号长度加上一个RTG/TTG大小。所以RTG和TTG会破坏上面所描述的OFDM符号起始位置呈现的间距为一个OFDM符号长度的周期特性，即当前OFDM符号起始位置与前一OFDM符号起始位置之间的差距大于一个OFDM符号长度，可以称RTG/TTG之后的OFDM符号起始位置为一个破坏点。每一个破坏点之后出现的首个符号即为一个上/下行帧的首个符号。
S300、根据首个符号中调制的数据和前导码的互相关性确定下行帧的首个符号，即前导符号，并同步完成小区搜索和下行帧同步。
在IEEE802.16e OFDMA系统中，由于只有下行帧的开始具有前导码，所以需要通过频域上的小区搜索进一步区分上/下行帧的起始位置。在破坏点的OFDM符号起始位置处，进行FFT运算转换至频域上，在频域上利用前导码的互相关性，与前导码集合中的每一个前导码进行互相关运算，将相关结果与设定的合理门限进行比较，当存在大于门限的相关峰值的情况下，就认为该OFDM符号起始位置即为下行帧起始位置，对应调制在该OFDM符号中的前导码为搜索到的前导码，小区搜索成功；当遍历了集合中所有前导码，都不存在大于门限的相关峰值时，则认为当前的OFDM符号起始位置不是下行帧起始位置，而是上行帧的起始位置，此时继续对搜索到的下一个破坏点的OFDM符号起始位置进行上述互相关运算，直到搜索到正确的下行帧起始位置和前导码。
如果连续搜索了若干帧长度后仍没有找到正确的下行帧起始位置和前导码，则同步失败。
步骤S100中，通过设定一个宽度与CP宽度相等的滑动采样窗口对帧数据进行采样来逐步计算自相关性以确定OFDM符号的起始位置，其中，采样步长为OFDM符号中相邻两个点数之间的距离，一个OFDM符号长度中相应包含的采样点总数和包含的点数总数相等，例如1024个采样点，采样窗口每次滑动一个采样点进行连续采样，分别在相距一个Nfft长度(参阅图1所示)的两个采样窗口中采到的两段数据构成一组相关采样数据，每段采样数据长度为CP，分别对每一组相关采样数据进行相关运算确定当前OFDM符号的起始位置。
如图6所示，当前OFDM符号起始位置的确定包括如下步骤S101、获取一组相关采样数据；S102、计算该组相关采样数据的相关值；相关函数如公式(3)M(d)=|Σn=1CPr(n+d)r*(n+d+Nfft)0.5*(Σn=1CP|r(n=d)|2+Σn=1CP|r(n+d+Nfft)|2)|---(3)]]>其中r为接收信号；n为采样窗口中采样点的序号，其取值范围为1～CP的整数；d为第一个采样窗口不断滑动时对应的起始位置，r*表示接收信号的共轭信号。
S103、判断相关值是否大于设定的第一门限值，如果是则继续S104；否则执行步骤105获取相邻下一组相关采样数据后返回步骤S102；S104、在后续计算的一组相关值中搜索最大的相关峰值，该相关峰值对应的一组相关采样数据的两个采样窗口中，前一个采样窗口相应为当前OFDM符号的起始位置，后一个采样窗口相应为当前OFDM符号的结束位置。
相关峰值的搜索过程为继续计算后续几组相关采样数据的相关值，直至出现相关峰值，该相关峰值对应的一组采样数据的两个采样窗口分别为当前OFDM符号的CP和尾部数据，因此利用该组采样数据的采样窗口可以定位出该OFDM符号的起始位置。
步骤S101-S104是循环进行的，这样可以确定出每一个OFDM符号的起始位置，由于一个完整上行/下行帧中包含的所有OFDM符号的起始位置应该是周期性间距出现的，相邻两个OFDM符号起始位置之间的理想间距为一个OFDM符号长度，在TDD方式中，当上行/下行帧转换时，出现的RTG/TTG破坏了该周期(参阅图1所示)，每一个周期被破坏后出现的首个符号，都相应为一个上行/下行帧的首个符号。
考虑到移动用户处于小区边缘时，其接入时会收到如图4所示的来自多个小区的属于不同Segment的前导码的叠加信号。虽然TDD系统中，要求BS间是时频同步的，但由于传输时延等因素会使得各个小区的信号到达移动用户的时间先后有差异。在这种情况下，利用CP的循环前缀结构进行OFDM符号定位时，一个OFDM符号长度内可能会出现不止一个大于第一门限值的相关峰值，相应定位出不止一个首个符号，这样，根据步骤S200无法确定哪一个是破坏点，即上/下行帧的首个符号，则造成小区搜索失败。
为了避免上述情况的出现，同步监测两个OFDM符号起始位置之间的间距，对于当前OFDM符号起始位置，首先判断与相邻上一个OFDM符号起始位置之间的间距是否小于设定的第一间距，该第一间距应该略小于Nfft长度(参阅图1所示)，即略小于一个OFDM符号长度减去一个循环前缀的长度，如果是则说明当前OFDM符号与相邻上一个OFDM符号是不同基站信号的上/下行帧OFDM符号，抛弃当前OFDM符号。
实际中，由于受到噪声和信道的影响，通过利用CP的重复循环前缀获得的OFDM符号起始位置有一定的模糊性，获取的OFDM符号起始位置和真实的起始位置会有一定的偏差，所以在进行破坏点的寻找时，判断OFDM符号起始位置满足周期性的条件需要适度放宽，只要前后两次获得的OFDM符号的起始位置之间的间距与一个OFDM符号长度之间的差值的绝对值在一定阈值内，就认为满足周期性特性，该阈值大小取决于RTG/TTG中最小的那个值。否则就无法区分出破坏点了，通常可以考虑小于1/2个CP长度，例如1/4个CP长度。反之，当前OFDM符号起始位置与相邻上一个OFDM符号的起始位置之间的间距减去一个OFDM长度的差值大于该设定阈值时，则认为当前OFDM符号破坏了周期性特性，为一个上/下行帧的首个符号。相应的，考虑到噪声和信号的影响，前述的第一间距也应该在一个OFDM符号长度减去一个CP长度的基础上，再减去一个阈值，例如1/4个CP长度，即相当于减去5/4个CP长度。
通过同步记录每一个OFDM符号起始位置(可以只记录相邻上一个OFDM符号起始位置)查询破坏点的具体步骤如图7所示，包括S201、确定当前OFDM符号的起始位置；S202、判断当前OFDM符号起始位置与相邻上一个OFDM符号的起始位置之间间距是否大于第一间距，如果是则继续，否则执行步骤S206丢弃当前OFDM符号；S203、判断当前OFDM符号起始位置与相邻上一个OFDM符号的起始位置之间的间距减去一个OFDM长度的差值是否大于设定的阈值，如果是则步骤S204，该OFDM符号为上/下行帧的首个符号；否则步骤S205，该OFDM符号不是上/下行帧的首个符号；对于查找出的首个符号，判断该首个符号是否为下行帧的首个符号的具体方法如图8所示，包括如下步骤S301、对该首个符号做FFT运算至频域；在频域上进行小区搜索，具体搜索过程为S302、从前导码集合中获取一个待测前导码；S303、计算当前OFDM符号中调制的数据和该前导码的相关值；S304、判断相关值是否大于设定的第二门限值，如果是则继续S305；否则执行步骤S311，从剩余前导码中再获取一个待测前导码后返回步骤S303；S305、判断是否存在相关峰值，如果是则步骤S306，本次搜索成功，该OFDM符号为一个下行帧的前导符号，相关峰值对应的待测前导码为搜索到的小区(或扇区)的前导码；否则步骤S307，本次搜索失败，该OFDM符号为一个上行帧的首个符号。
S308、步骤S307中，每一次搜索失败后，执行S308步骤判断连续搜索的首个符号总数，即帧总数是否达到设定个数，如果是则执行步骤S309结束同步过程，否则执行步骤S310获取下一个首个符号，并返回步骤S302继续利用进行小区搜索。
相关峰值的判断方法为继续计算前导码集合中的剩余前导码对应的相关值，如果出现相关峰值，则本次搜索成功，根据搜索出的前导码执行小区接入，并根据调制该前导码的首个符号实现下行帧同步，本次同步过程结束；如果计算完所有前导码对应的相关值后，没有出现相关峰值，则本次搜索失败，再根据下一个首个符号进行搜索。
如果连续搜索范围超过了设定的若干首个符号，即若干帧，仍没有出现相关峰值，则小区搜索失败，结束本次同步过程。
上述方法基于时域周期性的帧定时同步的方法，根据每一个OFDM符号的循环前缀引入的自相关性定位每一个OFDM符号的起始位置，然后利用上/下行帧之间的转换时间间隔在时域上对OFDM符号起始位置出现周期的破坏性定位出每一个帧的首个符号，最后再根据首个符号中的调制数据与前导码的互相关性确定与小区或扇区有关的前导码，从而完成小区搜索和下行帧同步过程。本发明技术方案有选择性的在某些OFDM符号起始位置处，进行频域上的小区搜索，而非在每个OFDM符号起始位置处都进行频域上的小区搜索，从而降低初始同步过程中的计算复杂度。
如图9所示，实现上述OFDM系统中TDD方式下下行帧同步方法的装置100包括采样单元101，采样OFDM符号中的数据；存储单元102，存储包含所有已知前导码的前导码集合；第一定位单元103，连接采样单元，根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；第二定位单元104，连接第一定位单元103，根据第一定位单元103定位出每一个OFDM符号的起始位置，再根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上行帧和下行帧的转换时间间隔定位出每一帧的首个符号；确认单元105，分别连接存储单元102和第二定位单元104，根据第二定位单元104定位出每一帧的首个符号，再根据首个符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
具体的计算方法如前所述，这里不再重复。
基于相同的技术构思，本发明还提供一种根据下行帧中包含的OFDM符号个数确定前导符号的方法，如果上、下行帧中包含的OFDM符号个数不同，并且已知下行帧所含的OFDM符号数目时，判断连续满足周期性间距的OFDM符号起始位置出现的个数来确定下行帧的起始位置。假设，下行帧包含N个OFDM符号，则连续出现N个相邻OFDM符号起始位置间距为一个OFDM符号长度的OFDM符号时，该N个OFDM符号的首个符号即为一个下行帧的前导符号。
本方法和前述方法实质上都是通过查找破坏点来确定下行帧的前导符号，即两个破坏点之间如果包含N个OFDM符号，则该N个OFDM符号全部为一个下行帧的OFDM符号。
如图10所示，该方法包括如下步骤S100′、根据每一个OFDM符号在时域上的循环前缀特性引入的自相关性，定位出OFDM符号的起始位置；具体方法同步骤S100。
S200′、同步监测相邻两个OFDM符号起始位置之间的间距，查找相邻OFDM符号起始位置间距全部为一个OFDM符号长度的连续N个OFDM符号，该连续N个OFDM符号的首个符号即为下行帧的前导符号，其中N为下行帧中包含的OFDM符号个数；S300′、根据前导符号中调制的数据和前导码的互相关性确认下行帧前导符号中调整的前导码，完成小区搜索和下行帧同步。
具体过程和步骤S300相同。
如图11所示，实现上述OFDM系统中TDD方式下下行帧同步方法的装置200包括采样单元201，采样OFDM符号中的数据；存储单元202，存储包含所有已知前导码的前导码集合；定位单元203，连接采样单元，根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；监测单元204，连接定位单元203，根据定位单元203定位出每一个OFDM符号的起始位置，再同步监测相邻两个OFDM符号起始位置之间的间距，查找相邻OFDM符号起始位置间距全部为一个OFDM符号长度的连续N个OFDM符号，该连续N个OFDM符号的首个符号即为下行帧的前导符号，其中N为下行帧中包含的OFDM符号个数；确认单元205，分别连接存储单元202和监测单元204，根据监测单元204定位出的下行帧的前导符号，再根据该前导符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
具体的计算方法如前所述，这里不再重复。
本发明上述方法可以广泛应用于OFDMA系统或者其它采用类似体制的通信系统中，并不局限于现有的802.16e的系统中。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的方法，其特征在于，包括如下步骤根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上行帧和下行帧的转换时间间隔定位出每一帧的首个符号；根据首个符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据OFDM符号循环前缀引入的自相关性定位每一个OFDM符号起始位置的方法具体包括如下步骤设定滑动采样窗口采样帧数据，该采样窗口的长度和循环前缀的长度相等；分别计算两段相关采样数据的自相关值，该相关采样数据为分别在间距为一个OFDM符号长度减去一个循环前缀长度的两个采样窗口中采样得到的两段数据；当计算的自相关值大于设定第一门限值时，在之后计算的一组相关值中，搜索其中最大的相关峰值，根据该相关峰值对应的两段相关采样数据中前一段数据的采样窗口定位当前OFDM符号的起始位置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上行帧和下行帧的转换时间间隔定位出每一帧首个符号的方法为同步监测每一个当前OFDM符号与相邻上一个OFDM符号起始位置之间的间距，其中当前OFDM符号与相邻上一个OFDM符号起始位置之间的间距近似等于一个OFDM符号长度时，该当前OFDM符号为一个上行帧或下行帧的非首个符号；反之，该当前OFDM符号即为一个上行帧或下行帧的首个符号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述近似等于是指所述间距与一个OFDM符号长度之间的差值的绝对值小于设定阈值。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，先根据所述间距的同步监测结果，丢弃其中与相邻上一个OFDM符号起始位置的间距小于设定第一间距的所有OFDM符号后，再进行首个符号的定位，该第一间距小于一个OFDM符号长度减去一个循环前缀的长度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据首个符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧前导码的方法具体包括分别在频域计算首个符号中调制的数据与已知前导码集合中每一个前导码之间的相关值，并判断是否出现大于第二门限值的相关峰值，如果是，则该首个符号为下行帧的前导符号，该相关峰值对应的前导码为下行帧的前导码；反之，该首个符号为上行帧的第一个OFDM符号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如果对连续确定出的设定个数首个符号与已知前导码的互相关运算中，都没有出现所述相关峰值，则结束本次下行帧同步过程。
8.一种在OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的装置，包括采样单元，采样OFDM符号中的数据；存储单元，存储包含所有已知前导码的前导码集合；其特征在于，所述装置还包括第一定位单元，连接所述采样单元，根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；第二定位单元，连接所述第一定位单元，根据第一定位单元定位出每一个OFDM符号的起始位置，再根据相邻OFDM符号起始位置之间是否包含上行帧和下行帧的转换时间间隔定位出每一帧的首个符号；确认单元，分别连接所述存储单元和第二定位单元，根据第二定位单元定位出每一帧的首个符号，再根据首个符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
9.一种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的方法，所述下行帧中包含的OFDM符号个数为固定值，并且上行帧中包含的OFDM符号个数不等于该固定值，所述方法包括如下步骤根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；并同步监测相邻两个OFDM符号起始位置之间的间距，查找相邻OFDM符号起始位置间距全部近似为一个OFDM符号长度的连续出现的OFDM符号个数，当所述个数等于所述固定值时，该连续个OFDM符号的第一个OFDM符号为下行帧的前导符号；根据下行帧前导符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导码并实现下行帧同步。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据每一个OFDM符号的循环前缀引入的自相关性定位OFDM符号起始位置的方法具体包括如下步骤设定滑动采样窗口采样帧数据，该采样窗口的长度和循环前缀的长度相等；分别计算两段相关采样数据的自相关值，该相关采样数据为分别在两个间距为一个OFDM符号长度减去一个循环前缀的长度的采样窗口中得到的采样数据；当计算的自相关值大于设定第一门限值时，在之后计算的一组相关值中，搜索其中最大的相关峰值，根据该相关峰值对应的两段相关采样数据中前一段数据的采样窗口定位当前OFDM符号的起始位置。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据前导符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导码的方法具体包括分别在频域计算前导符号中调制的数据与已知前导码集合中每一个前导码之间的相关值，并搜索大于第二门限值的相关峰值对应的前导码，该前导码为下行帧的前导码。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如果对连续确定出的设定个数前导符号与已知前导码的互相关运算中，都没有出现所述相关峰值，则结束本次下行帧同步过程。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述近似等于是指所述间距与一个OFDM符号长度之间的差值的绝对值小于设定阈值。
14.一种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的装置，所述下行帧中包含的OFDM符号个数为固定值，并且上行帧中包含的OFDM符号个数不等于该固定值，所述装置包括采样单元，采样OFDM符号中的数据；存储单元，存储包含所有已知前导码的前导码集合；其特征在于，所述装置还包括定位单元，连接采样单元，根据每一个OFDM符号中的循环前缀引入的自相关性，定位出每一个OFDM符号的起始位置；监测单元，连接定位单元，根据定位单元定位出每一个OFDM符号的起始位置，再同步监测相邻两个OFDM符号起始位置之间的间距，查找相邻OFDM符号起始位置间距全部近似为一个OFDM符号长度的连续出现的OFDM符号个数，当所述个数等于所述固定值时，该连续个OFDM符号的第一个OFDM符号为下行帧的前导符号；确认单元，分别连接存储单元和监测单元，根据监测单元定位出的下行帧的前导符号，再根据该前导符号中调制的数据与已知前导码的互相关性确定下行帧的前导符号和前导码并实现下行帧同步。
全文摘要
本发明涉及正交频分复用OFDM技术，特别提供一种OFDM系统中TDD方式下实现下行帧同步的方法和装置，以解决现有技术中下行帧同步运算复杂的问题。本发明第一种方案根据每一个OFDM符号的循环前缀引入的自相关性定位每一个OFDM符号的起始位置，然后利用上/下行帧之间的转换时间间隔在时域上对OFDM符号起始位置出现周期的破坏性定位出每一个帧的首个符号，最后再根据首个符号中的调制数据与前导码的互相关性确定与小区或扇区有关的前导码，从而完成小区搜索和下行帧同步过程，减少了运算复杂度。本发明第二种方案根据已知下行帧的OFDM符号个数直接定位出下行帧的前导符号，更加简化了小区搜索和下行帧同步过程。
文档编号H04B7/26GK1996985SQ20061008677
公开日2007年7月11日 申请日期2006年6月26日 优先权日2006年6月26日
发明者张朝阳, 程鹏, 周玥, 罗海燕, 王吉滨, 魏波 申请人:浙江大学, 华为技术有限公司