专利名称：宽带无线通信系统中的同步跟踪装置和同步跟踪方法
技术领域：
本发明涉及基于正交频分复用(OFDM)或正交频分复用多址 (OFDMA)通信系统中的移动台(MS)的同步跟踪装置和方纟去。具体 地说，本发明涉及一种基于TDD (时分双工)的OFDM或OFDMA通信 系统中的移动台的同步跟踪装置和方法。
背景技术：
OFDM技术广泛应用于宽带无线通信系统中。对于OFDM通信系统 的移动台，要实现与基站间的有效通信，首先需要和基站建立同步关系。 对于物理层来说，同步包括时间同步和频率同步。从移动台的接收机的 同步处理过程上来说又可以分为初始同步和同步跟踪。初始同步是为了 在移动台初始网络接入或硬切换时寻找目标基站(Target base station, Target BS)并与之建立同步。同步跟踪阶段是在移动台网络接入后，使 移动台的时钟继续跟踪服务基站(servingbase station, Serving BS)，以保 证移动台和基站间的数据通信。
对于TDD-OFDM/OFDMA通信系统来说， 一种典型的帧结构包括下 行链路(DL)子帧和上行链路(UL)子帧。接收/发送转换间隔(RTG) 将UL子帧与DL子帧隔开，发送/接收(TTG)间隔将DL子帧与UL子 帧隔幵。帧的第一个符号是称为"前导符号(preamble)"的训练符号，它 是帧开始的标志，并在每帧中发送。通常，前导符号的功率被规定为比 正常数据符号的功率高几个dB。前导符号的这种共有符号和功率提升的 性质通常被用于同步的实现。在初始定时阶段可以利用前导符号获得帧 定时，进而获得符号定时和频偏估计。
在同步跟踪阶段，需要在初始定时的基础上继续跟踪时间定时和载 波频偏。 一般只进行符号定时和分数倍频偏(FCFO)估计。符号定时和FCFO的估计通常采用OFDM符号的循环前缀(CP)(如图3中的301 所示)做相关运算来完成。利用相关运算得到的峰值就可以获得符号定 时，同时利用该峰值的角度可以获得分数倍频偏估计。利用新的符号定 时，可以更新OFDM符号的起始位置。对于所估计出来的移动台与基站 间的载波频偏，可以通过前馈或者反馈的方法加以补偿。其中前馈的方 法需要对每个样点进行相位旋转，实现复杂度高。反馈型的方法利用自 动频率校正(AFC)来调节接收机的时钟，得到广泛的应用。AFC可以 通过调整压控振荡器(VCO)或数控振荡器(NCO)来实现。
以上为通常的处理情况，但是在以下两种不利的环境下，会出现一 些难以克服的问题
1、 如果系统运行在低信噪比、快衰落等场景下，FCFO估计会出现 突发性的估计错误。如果用这个错误估计的FCFO去做AFC的话，会导 致在下一帧接收信号中移动台与基站之间的载波频偏超过0.5 A/，其中A/ 是子载波间隔。由于基于CP的FCFO估计存在0.5A/相位模糊的问题， 对于超过0.5A/的频偏进行估计会导致整数倍频偏的出现。这使得仅依靠 FCFO进行频偏跟踪的同步电路会出现与基站的频率失步。
2、 在低信噪比、快衰落等场景下，符号定时的性能会变差，同时在 更恶劣的情况下，符号定时会出现较大的突发性的错误，如果用这种错 误的定时去更新下一帧接收信号的定时，则会造成很大的BER性能下降， 甚至导致失步。
为此，需要提供一种同步跟踪装置及方法以使得在低信噪比及高速 移动等环境下能够实现精确可靠的时间及频率同步。
发明内容
鉴于现有技术中的上述问题，提出了本发明。本发明的目的在于提 供一种即使在低信噪比及高速移动等环境下也能够实现精确可靠的时间 及频率同步的同步跟踪装置与方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种宽带无线通信系统的移动台的 接收机中的同步跟踪装置，该同步跟踪装置用于在所述移动台完成初始网络接入后，使所述移动台相对于与所述移动台通信的服务基站保持时 间和频率同步，
所述同步跟踪装置包括
符号定时和分数倍频偏估计单元，其针对一帧接收信号中的多个符 号进行基于循环前缀的相关运算，由此来估计符号定时，并基于估计出 的符号定时，来估计分数倍频偏；
定时平均单元，其通过对前一帧接收信号的估计出的符号定时与当 前帧接收信号的估计出的符号定时进行加权平均，来计算更新用符号定 时；
门限判定单元，其判定所述服务基站的前导符号与接收信号的相关 值与所述接收机中存储的所有前导符号与接收信号的相关值的平均值之 间的比值是否不小于预定门限值；
定时更新单元，其在所述门限判定单元判定所述比值不小于所述预. 定门限值时，以所述定时平均单元获得的更新用符号定时来更新前一帧 接收信号的符号定时；以及
频偏补偿单元，其在所述门限判定单元判定所述比值不小于所述预 定门限值时，对下一帧接收信号进行频率补偿。
在第一方面的同步跟踪装置中，在所述频偏补偿单元中设置有分数 倍频偏更新步长，当所述符号定时和分数倍频偏估计单元针对当前帧接 收信号估计出的分数倍频偏小于所述分数倍频偏更新歩长时，所述频偏 补偿单元采用所估计出的分数倍频偏来对下一帧接收信号进行频率补 偿，否则，所述频偏补偿单元采用所述分数倍频偏更新步长来对下一帧 接收信号进行频率补偿。
在第一方面的同步跟踪装置中，所述符号定时和分数倍频偏估计单 元利用一帧接收信号中的4个符号来估计符号定时。
在第一方面的同步跟踪装置中，所述多个符号包括前导符号。
在第一方面的同步跟踪装置中，所述定时平均单元根据下式来计算 更新用符号定时
Cp麵-(1 - 〃)fpre + ^ra;re",
7其中，"为更新因子，^"为前一帧的符号定时，^""'为针对当前帧 接收信号估计出的符号定时，^a表示所获得的更新用符号定时。
在第一方面的同步跟踪装置中，所述更新因子々被选择为使得能够避 免突发性的符号定时估计错误。
在第一方面的同步跟踪装置中，所述宽带无线通信系统为OFDM或 OFDMA无线通信系统。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于宽带无线通信系统的移动 台的接收机的同步跟踪方法，该同步跟踪方法用于在所述移动台完成初 始网络接入后，使所述移动台相对于与所述移动台通信的服务基站保持 时间和频率同步，
所述同步跟踪方法包括以下步骤
针对一帧接收信号中的多个符号进行基于循环前缀的相关运算，由 此来估计符号定时，并基于估计出的符号定时，来估计分数倍频偏；
通过对前一帧接收信号的估计出的符号定时与当前帧接收信号的估 计出的符号定时进行加权平均，来计算更新用符号定时；
判定所述服务基站的前导符号与接收信号的相关值与所述接收机中 存储的所有前导符号与接收信号的相关值的平均值之间的比值是否不小 于预定门限值；以及
在所述比值不小于所述预定门限值时，以所获得的更新用符号定时 来更新前一帧接收信号的符号定时，并对下一帧接收信号进行频率补偿。
在第二方面的同步跟踪方法中，设置有分数倍频偏更新步长，当针 对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏小于所述分数倍频偏更新步长 时，采用所估计出的分数倍频偏来对下一帧接收信号进行频率补偿，否 则，采用所述分数倍频偏更新步长来对下一帧接收信号进行频率补偿。
在第二方面的同步跟踪方法中，利用一帧接收信号中的4个符号来 估计符号定时。
在第二方面的同步跟踪方法中，所述多个符号包括前导符号。 在第二方面的同步跟踪方法中，根据下式来计算更新用符号定时其中，^为更新因子，^。为前一帧的符号定时，^，'为针对当前帧 接收信号估计出的符号定时，^^表示所获得的更新用符号定时。
在第二方面的同步跟踪方法中，所述更新因子^被选择为使得能够避 免突发性的符号定时估计错误。
在第二方面的同步跟踪方法中，所述宽带无线通信系统为OFDM或 OFDMA无线通信系统。
根据本发明第三方面，提供了一种计算机程序，其在被加载到计算 机中并被执行时，使得计算机能够实现如第二方面所述的同步跟踪方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种包含上述计算机程序的计算机 可读记录介质。
根据本发明，即使OFDM/OFDMA通信系统运行在低信噪比、快衰 落等场景下，也可以避免FCFO估计出现突发性的估计错误，从而避免 移动台与服务基站之间出现频率失步。
根据本发明，即使OFDM/OFDMA通信系统运行在低信噪比、快衰 落等场景下，也可以避免符号定时的性能变差，并且避免在更恶劣的情 况下符号定时出现较大的突发性错误，从而避免造成很大的BER性能下 降和失步。
根据本发明，使得在通信的同步跟踪阶段，即使在低信噪比及高速 移动等环境下也能够实现精确可靠的时间及频率同步。
结合附图阅读下面的详细说明，本发明的以上和其他目的、特征和 优点将变得更加明显，在附图中
图l示出一种常用的OFDM接收机的示意性结构。 图2示出本发明的同步跟踪装置的结构。 图3示出一种常用的OFDM符号的结构。
图4示出本发明的同步跟踪装置中的符号定时和分数倍频偏估计单 元的结构。
图5示出本发明的OFDM系统的同步跟踪方法的流程。
具体实施例方式
下面参照附图来对本发明的具体实施方式
进行描述。
以下针对一帧信号中的每个OFDM符号具有传统形式的循环前缀的 OFDM系统进行说明。如图3所示，是这种OFDM系统所采用的OFDM 符号的结构图。但本领域技术人员容易理解，下面所述的实施方式同样 适用于OFDMA系统。而且，对于下面使用的公式中和前面相同的符号， 在不加特殊说明的情况下，具有和前述符号相同的含义。
传统的符号定时釆用CP延时相关的方法，相关的计算过程如式(1)
所示
鹏fr/C(e) = Y" + ，Y" + + ( 1 )
其中k丄 乂2"4^」+ ^/2， r为接收到的时域信号序列，n为 时域样点位置，L，」为取整运算，A^为OFDM符号的长度(包含CP)， 为FFT点数，^为上一次输出的定时点且为浮点值，其初值由初始定时 提供，iVcp为CP的长度，^m—^W"60为P位置的相关值，该峰值对应的e
值就是该符号的起始位置。
采用上述方法，符合定时很容易受突发性的通信环境变化的影响。 本发明旨在提供一种TDD-OFDM/OFDMA系统中的鲁棒的同步跟
踪装置和方法。
图1示出了一种常用的OFDM接收机的示意性结构框图，本发明对 应于图1中的同步跟踪单元101。考虑到OFDM接收机的结构是本领域 技术人员所熟知的内容，在此不对除本发明的同步跟踪单元101之外的 其它各个部分进行说明，而重点结合图2-5对本发明的同步跟踪单元101 及相应的同步跟踪方法进行详细说明。
如图2所示，本发明的同步跟踪单元101包括频偏补偿单元201、符 号定时和分数倍频偏估计单元202、定时平均单元203、 FFT单元、前导 符号检测单元204、门限判定单元205、以及定时更新单元206。符号定 时和分数倍频偏估计单元202针对一帧接收信号中的多个符号进行基于 CP的相关运算，由此来估计符号定时，并基于估计出的符号定时，来估
10计分数倍频偏。定时平均单元203通过对前一帧接收信号的估计出的符 号定时与当前帧接收信号的估计出的符号定时进行加权平均，来计算更 新用符号定时。FFT单元基于定时平均单元203输出的定时位置，划定 FFT窗并进行FFT运算。在FFT运算完成以后，转入频域处理过程。在 前导符号检测单元204中，利用接收机中存储的前导符号码序列与接收 信号进行相关运算，以检测服务BS的前导符号。门限判定单元205判断 前导符号检测单元204检测到的服务BS的前导符号与接收信号的相关值 与接收机中存储的所有前导符号与接收信号的相关值的平均值之间的比 值是否不小于预定门限值。定时更新单元206在门限判定单元205判定 所述比值不小于所述预定门限值时，以定时平均单元203获得的更新用 符号定时来更新前一帧接收信号的符号定时。频偏补偿单元201在门限 判定单元205判定所述比值不小于所述预定门限值时，对下一帧接收信 号进行频率补偿。
结合图5，对同步跟踪单元IOI的操作过程进行说明。
首先，在步骤501处，同步跟踪单元101中的频偏补偿单元201利 用存储的FCFO对接收到的当前帧信号进行FCFO补偿。
接着，在步骤502处，为了提高符号定时的可靠性，符号定时和分 数倍频偏估计单元202采用多个符号，优选包括前导符号，来进行基于 CP的相关运算。具体计算过程如式(2)所示
j少附一/7^/n'c(i9) = Z 2 /fw +汐+ /wA^拜jr"Y" + +夕+附A^卢」 (2 )
其中，M为保证符号定时可靠性而选取的用来平均的符号数，根据 仿真分析，M优选地取值为4。
以上相关计算结果的峰值所对应的时间即为估计出的符号定时，如 式(3)所示
一 s —
其中，S^^v即为估计出的符号定时。
在此基础之上，如式(4)所示来估计分数倍频偏
~ = ^一e(i，—me/Wc卩S/1 —"e"vv"/27T卩A力 (4)
其中， A/为子载波间隔。图4示出了符号定时和分数倍频偏估计单元202的具体构成。与现 有技术不同的，其中，增加了一个对采用多个符号进行相关运算的结果 取平均的平均化器。在此不再对其他部分进行说明。
在步骤503处，为避免突发性的估计错误，定时平均单元203将针 对本帧信号的估计结果与针对前一帧信号的估计结果进行加权平均，来 对估计结果进行平滑和平均。
优选地，在定时平均单元203中，设置了一个更新因子/ (0<々<1)，
来将本帧估计的结果与以前估计结果进行序贯平均，从而起到对估计结 果进行平滑和平均的效果。符号定时的更新如式(5)所示
《—/e = (1 -々)Ve +风w證/ ， ( 5 )
其中，"为更新因子，^"为前一帧的符号定时，^，'为针对当前帧接收 信号估计出的符号定时，、^表示所获得的更新用符号定时。
注意，为使每一次更新起到作用，^a"采用浮点值保存在寄存器中用 于每次的更新运算。
更新因子々被选择得较小，例如O.l，以避免因本帧信号受各种因素
(例如，信噪比、信道衰落等)影响导致符号定时估计不准确而造成的 突发性的估计错误。更新因子々可以是固定的，也可以是动态改变的。
接下来，基于定时平均单元203输出的符号定时位置，划定FFT窗 并进行FFT运算。在FFT运算完成以后，系统转入频域处理过程。
接着，在步骤504处，前导符号检测单元204利用已知的前导符号 码序列与接收信号进行差分相关运算，如式(6)所示
;K/+mA/)
(6)
其中及(/)为差分相关值，y(/)为接收的前导符号码，s(/)为已知的 前导服号码，m为前导符号中的导频(pilot)间隔的子载波数。对于复 数差分相关值i (/)，其幅值用于频率和时间同步可靠性的判断。
区别于传统的频偏和定时补偿方式，在本发明的同步跟踪单元101 中，还引入了门限判定单元205。在步骤505处，对于前导符号检测单元 204的输出序列，门限判定单元205判定检测出的服务BS的i (/)是否大 于或等于预定门限值与相关值均值之积，如式(7)所示|RsBS
R
(7)
其中《为预定门限，其值可通过仿真得到，例如为95%。 ^-(RsBs+R鹏,+R恥2+…+ R鹏J/(n + l) ， R犯s为服务基站的差分相关值， R1BS1........ RIBSn分别为干扰基站的差分相关值。
若在步骤505处，门限判定单元205判定式(7)成立，则认定本帧 信号的符号定时和FCFO估计是正确的，并将它们用于定时更新和频偏 补偿(步骤506和507)，具体过程如式(8)所示
{^Pre - (、ym ( 8 )
RCFO(n+l) = RCFO(n) - FCFO(n)
若门限判定单元205判定式(7)不成立，则不对定时^和剩余频偏
RCFO进行更新，而直接接收处理下一帧信号(转到步骤502)。
这保证了定时和频偏补偿的可靠性。
此外，为了进一步防止频偏误补偿以及时钟波动过大，在频偏补偿 单元201中预设了一个FCFO更新步长FCFO—STEP。如果针对本帧信号 估计出的FCFO小于FCFO—STEP，则利用针对本帧信号估计出的FCFO 修正接收机晶振。相反，如果针对本帧信号估计出的FCFO大于或等于 FCFO—STEP，则不再利用估计出的FCFO来调节接收机的晶振，而是利 用FCFO更新步长FCFO—STEP来调节接收机的晶振。这一过程如式(9) 所示
—f FCFO, FCFCKFCFO STEP "、
FCFOH 一 (9)
1 FCFO—STEP,FCFO 2 FCFO—STEP
需要说明的是，本发明的范围还包括用于执行上述同步跟踪方法的 计算机程序以及记录有该程序的计算机可读记录介质。作为记录介质， 这里可以使用计算机可读的软盘、硬盘、半导体存储器、CD-ROM、 DVD、 磁光盘(MO)以及其它介质。
以上参照附图对本发明的优选实施方式进行了详细说明。但本发明 并不限于此，而是可以在不脱离本发明的宗旨和精神的前提下作出各种 变型和修改。本领域技术人员应当理解，本发明将涵盖落入索夫权利要 求书的范围及其等同物内的对本发明的各种修改和变型。
权利要求
1、一种宽带无线通信系统的移动台的接收机中的同步跟踪装置，该同步跟踪装置用于在所述移动台完成初始网络接入后，使所述移动台相对于与所述移动台通信的服务基站保持时间和频率同步，所述同步跟踪装置包括符号定时和分数倍频偏估计单元，其针对一帧接收信号中的多个符号进行基于循环前缀的相关运算，由此来估计符号定时，并基于估计出的符号定时，来估计分数倍频偏；定时平均单元，其通过对前一帧接收信号的估计出的符号定时与当前帧接收信号的估计出的符号定时进行加权平均，来计算更新用符号定时；门限判定单元，其判定所述服务基站的前导符号与接收信号的相关值与所述接收机中存储的所有前导符号与接收信号的相关值的平均值之间的比值是否不小于预定门限值；定时更新单元，其在所述门限判定单元判定所述比值不小于所述预定门限值时，以所述定时平均单元获得的更新用符号定时来更新存储的前一帧接收信号的符号定时；以及频偏补偿单元，其在所述门限判定单元判定所述比值不小于所述预定门限值时，对下一帧接收信号进行频率补偿。
2、 如权利要求l所述的同步跟踪装置，其中，在所述频偏补偿单元 中设置有分数倍频偏更新步长，当所述符号定时和分数倍频偏估计单元 针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏小于所述分数倍频偏更新步长 时，所述频偏补偿单元采用所估计出的分数倍频偏来对下一帧接收信号 进行频率补偿，否则，所述频偏补偿单元采用所述分数倍频偏更新步长 来对下一帧接收信号进行频率补偿。
3、 如权利要求l所述的同步跟踪装置，其中，所述符号定时和分数 倍频偏估计单元利用一帧接收信号中的4个符号来估计符号定时。
4、 如权利要求l所述的同步跟踪装置，其中，所述多个符号包括前导符号。
5、 如权利要求l所述的同步跟踪装置，其中，所述定时平均单元根 据下式来计算更新用符号定时其中，々为更新因子，^"为前一帧的符号定时，L—为针对当前帧 接收信号估计出的符号定时，^^表示所获得的更新用符号定时。
6、 如权利要求5所述的同步跟踪装置，其中，所述更新因子^被选 择为使得能够避免突发性的符号定时估计错误。
7、 如任一前述权利要求所述的同步跟踪装置，其中，所述宽带无线 通信系统为OFDM或OFDMA无线通信系统。
8、 一种用于宽带无线通信系统的移动台的接收机的同步跟踪方法， 该同步跟踪方法用于在所述移动台完成初始网络接入后，使所述移动台 相对于与所述移动台通信的服务基站保持时间和频率同步，所述同步跟踪方法包括以下步骤针对一帧接收信号中的多个符号进行基于循环前缀的相关运算，由 此来估计符号定时，并基于估计出的符号定时，来估计分数倍频偏；通过对前一帧接收信号的估计出的符号定时与当前帧接收信号的估计出的符号定时进行加权平均，来计算更新用符号定时；判定所述服务基站的前导符号与接收信号的相关值与所述接收机中存储的所有前导符号与接收信号的相关值的平均值之间的比值是否不小于预定门限值；以及在所述比值不小于所述预定门限值时，以所获得的更新用符号定时来更新存储的前一帧接收信号的符号定时，并对下一帧接收信号进行频率补偿。
9、 如权利要求8所述的同步跟踪方法，其中，设置有分数倍频偏更 新步长，当针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏小于所述分数倍频 偏更新步长时，采用所估计出的分数倍频偏来对下一帧接收信号进行频 率补偿，否则，采用所述分数倍频偏更新步长来对下一帧接收信号进行 频率补偿。
10、 如权利要求8所述的同步跟踪方法，其中，利用一帧接收信号 中的4个符号来估计符号定时。
11、 如权利要求8所述的同步跟踪方法，其中，所述多个符号包括 前导符号。
12、 如权利要求8所述的同步跟踪方法，其中，根据下式来计算更 新用符号定时-其中， 〃为更新因子，^"为前一帧的符号定时，C为针对当前帧接收信号估计出的符号定时，Z"—s表示所获得的更新用符号定时。
13、 如权利要求12所述的同步跟踪方法，其中，所述更新因子々被 选择为使得能够避免突发性的符号定时估计错误。
14、 如权利要求8-13中的任一项所述的同步跟踪方法，其中，所述 宽带无线通信系统为OFDM或OFDMA无线通信系统。
全文摘要
本发明提供一种宽带无线通信系统中的同步跟踪装置和同步跟踪方法，用于在移动台完成初始网络接入后，使移动台相对于服务基站保持时间和频率同步。同步跟踪装置针对一帧接收信号中的多个符号进行基于循环前缀的相关运算，由此来估计符号定时，并基于估计出的符号定时，来估计分数倍频偏。通过对前一帧接收信号的估计出的符号定时与当前帧接收信号的估计出的符号定时进行加权平均，来计算更新用符号定时。判断服务基站的前导符号与接收信号的相关值与所有已知前导符号与接收信号的相关值的平均值之间的比值是否不小于预定门限值，由此决定进行符号定时更新和频偏补偿的方式。
文档编号H04L27/26GK101583185SQ20081009903
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者张国松, 昕 王, 军 田, 近藤泰二 申请人:富士通株式会社