专利名称：一种用于lte系统时间同步和频率同步的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，更具体地，本发明涉及一种用于LTE系统时间同步和频率同步的方法及装置。
背景技术：
随着社会的发展和进步，人们要求移动终端不仅能够提供优质的语音和文字服务，还能够提供高速率、大容量和低延迟的数字多媒体应用服务。为了满足人们这种日益增长的需求，2004年底，第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation Partnership Project)开始了通用移动通信系统技术的长期演进(LTE，Long Term Evolution)项目。
LTE标准核心技术是OFDM(正交频分复用)技术，该技术具有高频谱效率、高峰值速率、高移动性和低延时等优点。OFDM技术采用的是频域调制方式，对接收到的基带数字信号首先需要进行时间同步，才能够确定FFT(快速傅里叶变换)窗口，从而进行FFT变换，把时域数据变换到频域进行数据的处理。LTE采用的是相互正交的子载波技术，可以提高频谱效率，然而其对频率偏移比较敏感。所以，时间同步和频率同步成为影响LTE系统性能的关键因素。
现有的用于LTE系统的时间同步和频率同步技术主要分为两种，自相关和互相关。自相关主要是利用循环前缀(Cycle Prefix，CP)和原始数据的重复性进行，利用自相关的峰值进行时间同步，峰值的相位进行频率同步。自相关技术只能够估计出一个子载波间隔内的频率偏移，另外由于CP较短，在多普勒和噪声干扰较大环境下，有些OFDM符号上的自相关峰值已经不明显，不再适合时间同步。互相关技术主要利用接收的信号和本地主同步信号进行，利用互相关峰值进行时间同步。对接收的主同步信号前半部分和本地主同步信号前半部分共轭相乘累加，接收的主同步信号后半部分和本地主同步信号后半部分共轭相乘累加，利用两个共轭相乘累加值的相位差进行频率同步。互相关技术在频率偏移超过一个子载波时，互相关峰值消失，无法实现时间和频率同步；并且频率同步的范围较小，只能够估计一个子载波的范围，频率同步的精度也较低。综上所述，在多普勒和噪声干扰较大，并且存在整数频率偏移情况下，现有技术缺少能够有效实现LTE系统时间和频率同步的方法。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种用于LTE系统的时间同步和频率同步的方法及装置。
根据本发明的一个方面，提供一种LTE系统时间同步和频率同步的方法，包括 步骤10)、将基带数字信号进行延时一个OFDM符号归一化自相关，基于归一化自相关产生的峰值相位，进行分数频偏估计； 步骤20)、根据所述分数频偏估计对基带数字信号进行分数频偏校正； 步骤30)、将分数频偏校正的基带数字信号与预置整数子载波频率偏移的本地主同步信号进行归一化互相关； 步骤40)、对通过所述归一化互相关所得的数据进行时间同步和整数频偏估计，对所述分数频偏校正的基带数字信号进行整数频偏校正，实现LTE系统的时间同步和频率同步。
其中，步骤30)还包括将经过分数频偏校正的基带数字信号进行数字低通滤波，其中，保留直流分量附近62个子载波上的数据，滤除其他子载波上的数据。
其中，步骤30)还包括将经过分数频偏校正的基带数字信号进行下采样，采样率设置成1/32、1/16、1/8或者1/4，即每32、16、8或者4个符号抽样一个符号，所述低通滤波的通带带宽与采样率具有这样的关系wpass/30.72Hz＜γs，wpass是低通滤波的通带带宽，γs是采样率。
根据本发明的另一个方面，提供一种LTE系统时间同步和频率同步的装置， 归一化自相关单元，用于对基带数字信号进行延时一个OFDM时间归一化自相关； 分数频偏自动控制单元，根据所述归一化自相关单元产生的峰值相位进行分数频偏估计，然后对所述基带数字信号进行分数频偏的校正； 主同步信号互相关单元，经过分数频偏的校正的基带数字信号与预置整数频偏的本地主同步信号进行归一化互相关； 时间同步单元，根据所述归一化互相关的值进行时间同步； 整数频偏校正单元，根据所述归一化互相关的值进行整数频偏估计，对经过分数频偏校正的基带数字信号进行整数频偏校正，实现LTE系统时间同步和频率同步。
所述装置还包括数字低通滤波单元，对经过所述分数频偏校正的基带数字信号进行低通滤波；和下采样单元，对经过低通滤波的信号进行下采样。
通过应用本发明，使得在在多普勒和噪声干扰较大并且存在整数频率偏移情况下LTE系统也可以正常工作。
图1是LTE系统中FDD无线帧的帧结构示意图； 图2是LTE系统中TDD无线帧的帧结构示意图； 图3是本发明用于LTE系统的时间同步和频率同步方法的流程图； 图4是本发明用于LTE系统的时间同步和频率同步的装置示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例，对本发明所提出的一种用于LTE系统的时间同步和频率同步的方法和装置进行详细描述。
本发明提供了一种用于LTE系统的时间同步和频率同步的方法及装置，基本原理是先利用CP与原始数据的重复性进行自相关，估计分数子载波间隔的频率偏移(分数频偏)，然后对接收信号进行分数频偏校正，再利用经过分数频偏校正的接收信号与本地主同步信号(预置了整数子载波频率偏移)进行互相关，实现时间同步和整数子载波频率偏移(整数频偏)的估计。
本发明对于LTE系统时间同步和频率同步与LTE标准的帧结构的特征密不可分，为了方便理解，在对LTE系统时间同步和频率同步描述之前，首先对LTE标准中FDD帧结构和TDD帧结构的特征进行简要说明。
在3GPP TS 36.211″Physical Channels and Modulation″中，定义了当前的LTE标准中FDD和TDD的帧结构。虽然FDD和TDD是不同的双工方式，但帧结构有很多相同之处，其中，一个无线帧时域距离10毫秒，包括20个时隙，每个时隙在时域上是0.5毫秒。使用常规循环前缀(CP)时，每个时隙包含7个OFDM符号，使用扩展循环前缀时，包含6个OFDM符号。时隙中所包含的循环前缀(常规CP或者扩展CP)起到分隔有用数据的作用，避免相邻有用数据间的相互干扰，可以有效抵抗多径的影响。在具体实现时，循环前缀CP是原始数据最后一部分数据的复制。本发明的方法及装置在具有FDD帧结构和TDD帧结构的LTE系统中都适用。
下面的图1、图2中给出了FDD帧、TDD帧结构的相关说明。
图1示出FDD的帧结构，其中，横坐标代表时间，纵坐标代表频率，主同步信号位于时隙0和时隙10，并且位于这些时隙中的最后一个OFDM符号上。次同步信号位于时隙0和时隙10，并且位于这些时隙中的倒数第二个OFDM符号上。物理广播信道(PBCH)位于时隙1中的序号为0、1、2、3的OFDM符号上。在频域上，前述的主同步信号、次同步信号、PBCH都位于直流分量附近的72个子载波上。
图2示出TDD的帧结构，同样的，横坐标代表时间，纵坐标代表频率。主同步信号位于时隙2和时隙12，并且位于这些时隙中序号为2的OFDM符号上。次同步信号位于时隙1和时隙11，并且位于这些时隙中的倒数第一个OFDM符号上。PBCH位于时隙1，并且位于这些时隙中序号为0、1、2、3的OFDM符号上。在频域上，主同步信号、次同步信号、PBCH都位于直流分量附近的72个子载波上。
从上述FDD帧结构和TDD帧结构的描述中可以看出，CP和相隔一个OFDM符号的原始数据具有重复性，主同步信号只位于直流分量附近72个子载波上。
图3示出一种实现LTE系统时间同步和频率同步的方法，参考附图，以下将详细说明本方法的流程。
在步骤301中，把接收到的基带数字信号(30.72Hz)进行延时一个OFDM符号归一化自相关。在一个实施例中，延时归一化自相关可采用公式ε(n)＝ξ(n)/ρ(n)计算，其中
k是时域序号，r(k)是基带数字信号的时域数据，L是累加器累加的长度，可以设置为144或者其它数值，M是一个OFDM符号的抽样点数。在另一个实施例中，还提供一种ξ(n)和ρ(n)低复杂度的计算，计算每个点分别只需要两个复数乘法和两个复数加减法，ξ(n)采用递归方法进行计算，由公式
可推导出ξ(n+1)＝ξ(n)-r(n)r*(n+M)+r(n+L)r*(n+L+M)，同理ρ(n)也可以使用类似公式进行计算。由于帧结构中CP是原始数据的复制，所以延时一个OFDM符号归一化自相关每隔一个OFDM符号能够产生一个峰值，这个峰值的相位可以进行分数频偏估计。
在步骤302中，根据步骤301基带数字信号延时一个OFDM符号归一化自相关产生的峰值相位，进行分数频偏估计。在一个实施例中，使用公式
进行分数频偏估计，其中
为所述峰值相位，
在另一个实施例中，采用公式
来估计每个抽样点的相位偏移，φ是对应于分数频偏的每个抽样点的相位偏移(分数相位偏移)。可以通过多个OFDM符号进行平均，用于显著提高分数频偏的估计精度。
在步骤303中，根据步骤302的分数频偏估计对基带数字信号进行分数频偏校正。在一个实施例中，使用公式R(n)＝r(n)e-jnφ进行分数频偏校正，其中r(n)是接收的基带数字信号，φ是估计出来的分数相位偏移，R(n)是经过分数频偏校正的基带数字信号。
在步骤304中，把经过步骤303中分数频偏校正的基带数字信号进行数字低通滤波。主同步信号、次同步信号都位于直流分量附近72个子载波上，进行低通滤波不会对主同步信号和次同步信号造成影响。在一个实施例中，数字低通滤波可以保留直流分量附近62个子载波上的数据，滤除其他子载波上的数据。在另一个实施例中，低通滤波也可以把通带设置成直流分量附近72个子载波。
在步骤305中，把经过步骤304数字低通滤波的数据进行下采样。其中，采样率设置成1/32，也就是每32个符号抽样一个符号，另外也可以采用其他采样率，比如1/16，1/8，1/4等。由于主同步信号和次同步信号都位于直流分量附近72个子载波上，经过低通滤波和下采样后，主同步信号频谱和次同步信号频谱都不会混叠。通常，低通滤波的通带带宽与采样率可以具有这样的关系wpass/30.72Hz＜γs，wpass是低通滤波的通带带宽，γs是采样率，用来保证频域数据没有混叠。经过下采样，后续实现的复杂度能够大幅度地降低。
在步骤306中，把经过步骤305下采样的基带数字信号与预置整数子载波频率偏移的本地主同步信号进行归一化互相关。本地主同步信号的产生如下根据小区组内序号和预置的整数频偏产生本地主同步时域序列信号，本地主同步时域序列信号用pssk，m(n)，n＝0，1，2…，N-1表示，其中k代表小区组内序号，取值0，1，2，其中m代表预置的整数频偏。在一个实施例中，m可以取值-1，0，1，其中n代表时域序列的序号，N代表OFDM符号的抽样点数。为了表述简洁，用pssk，m代表pssk，m(n)，n＝0，1，2…，N-1。本领域技术人员可以理解，根据小区组内序号很容易构造出没有预置整数频偏的本地主同步时域序列pssk，0，进而由公式pssk，m(n)＝pssk，0(n)ei2πn/N，n＝0，1，2…，N-1很容易构造出预置整数频偏的本地主同步信号，通过以上方法可以构造出任意的本地主同步序列pssk，m。在一个实施例中，构造出9个本地主同步序列pss0，-1，pss0，0，pss0，1，pss1，-1，pss1，0，pss1，1，pss2-1，pss2，0，pss2，1，当然也可以构造多于或者少于9个的本地主同步序列。
把经过下采样的基带数字信号与本地的9个主同步信号进行归一化互相关，归一化互相关数据用Ck，m表示，使用如下公式进行计算 其中g(i)代表经过下采样的基带数字信号，*代表共轭运算。
在另一个实施例中，步骤304和305在本发明的方法中可以略去，这样虽然会增加在步骤306运算的复杂度，但不会影响本发明的方法的运行。在该实施例的步骤306中，把经过步骤303分数频偏校正的基带数字信号与预置整数子载波频率偏移的本地主同步信号进行归一化互相关，具体互相关运算方式和上述实施例类似，不再赘述。
另外，由此本领域内的普通技术人员可以知道，步骤304和305也是可以分别选择使用的，也就是说，在又一个实施例中，在本发明方法的步骤306中，把经过步骤304低通滤波的基带数字信号与预置整数子载波频率偏移的本地主同步信号进行归一化互相关，具体互相关运算方式和上述实施例类似，不再赘述。
在步骤307中，使用步骤306中归一化互相关的数据进行时间同步和整数频偏估计。设置一门限Th，这个门限可以根据实际系统进行调整。假设Ck，m(n)是10ms内9个互相关值中最大的峰值并且峰值超过Th，那么n就是主同步信号开始的位置，m就是基带信号的整数频偏，k就是小区组内序号。
在步骤308中，对经过步骤303分数频偏校正的基带数字信号进行整数频偏校正，从而实现LTE系统的时间同步和频率同步。
对应上述用于LTE系统的时间同步和频率同步的方法，图4示出一种实现LTE系统时间同步和频率同步的装置。本装置包括归一化自相关单元401、分数频偏自动控制单元402、数字低通滤波单元403、下采样单元404、主同步信号互相关单元405、时间同步单元406和整数频偏校正单元407。所述归一化自相关单元401，对30.72MHz基带数字信号进行延时一个OFDM时间归一化自相关。所述分数频偏自动控制单元402，根据归一化自相关单元401产生的峰值进行分数频偏估计，然后对30.72MHz基带数字信号进行分数频偏的校正。所述数字低通滤波单元403，对经过分数频偏自动控制单元402分数频偏校正的基带数字信号进行低通滤波。所述下采样单元404，对经过数字低通滤波单元403低通滤波的信号进行下采样。所述主同步信号互相关单元405，对经过下采样单元404下采样的信号与本地主同步信号(预置了整数频偏)进行归一化互相关。所述时间同步单元406，根据主同步信号互相关单元405中互相关的值进行时间同步。所述整数频偏校正单元407，根据主同步信号互相关单元405中互相关的值进行整数频偏估计，然后对经过分数频偏自动控制单元402分数频偏校正的基带信号进行整数频偏校正，输出不带频偏的基带信号，进行后续处理。用于LTE系统的时间同步和频率同步的装置实施方式和用于LTE系统的时间同步和频率同步的方法是相对应的，在此不再进行详细描述。同理，数字低通滤波单元403、下采样单元404在本发明的装置中也并不是必须的，可以根据计算复杂度的需要来增加或者去除。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
权利要求
1.一种LTE系统时间同步和频率同步的方法，包括
步骤10)、将基带数字信号进行延时一个OFDM符号归一化自相关，基于归一化自相关产生的峰值相位，进行分数频偏估计；
步骤20)、根据所述分数频偏估计对基带数字信号进行分数频偏校正；
步骤30)、将分数频偏校正的基带数字信号与预置整数子载波频率偏移的本地主同步信号进行归一化互相关；
步骤40)、对通过所述归一化互相关所得的数据进行时间同步和整数频偏估计，对所述分数频偏校正的基带数字信号进行整数频偏校正，实现LTE系统的时间同步和频率同步。
2.权利要求1的方法，步骤30)还包括将经过分数频偏校正的基带数字信号进行数字低通滤波，其中，保留直流分量附近62个子载波上的数据，滤除其他子载波上的数据。
3.权利要求2的方法，步骤30)还包括将经过数字低通滤波的基带数字信号进行下采样，采样率设置成1/32、1/16、1/8或者1/4，即每32、16、8或者4个符号抽样一个符号，所述低通滤波的通带带宽与采样率具有这样的关系wpass/30.72Hz＜γs，wpass是低通滤波的通带带宽，γs是采样率。
4.权利要求1的方法，其中，步骤10)中，采用公式ε(n)＝ξ(n)/ρ(n)计算所述延时一个OFDM符号归一化自相关，其中
k是时域序号，r(k)是基带数字信号的时域数据，L是累加器累加的长度，M是一个OFDM符号的抽样点数。
5.权利要求1的方法，其中，步骤10)中，基于所述峰值相位
使用公式
估计所述分数频偏，其中
6.权利要求1的方法，其中，步骤20)中，根据经过分数频偏校正的基带数字信号R(n)，使用公式R(n)＝r(n)e-jnφ进行分数频偏校正，其中r(n)是接收的基带数字信号，φ是估计出来的分数相位偏移。
7.权利要求1的方法，其中，步骤30)中，根据小区组内序号和预置的整数频偏产生本地主同步时域序列信号，本地主同步时域序列信号用pssk，m(n)，n＝0，1，2…，N-1表示，其中k代表小区组内序号，m代表预置的整数频偏。
8.权利要求7的方法，其中，步骤30)中，分数频偏校正的基带数字信号与本地主同步信号使用如下公式进行归一化互相关
其中，Ck，m表示归一化互相关数据，g(i)表示所述基带数字信号，*代表共轭运算。
9.权利要求8的方法，其中，步骤40)中，设置门限Th，当Ck，m(n)是10ms互相关数据中最大的峰值并且该峰值超过Th时，n是主同步信号开始的位置，m就是基带信号的整数频偏，k是小区组内序号。
10.一种LTE系统时间同步和频率同步的装置，包括
归一化自相关单元，用于对基带数字信号进行延时一个OFDM时间归一化自相关；
分数频偏自动控制单元，根据所述归一化自相关单元产生的峰值相位进行分数频偏估计，然后对所述基带数字信号进行分数频偏的校正；
主同步信号互相关单元，经过分数频偏的校正的基带数字信号与预置整数频偏的本地主同步信号进行归一化互相关；
时间同步单元，根据所述归一化互相关的值进行时间同步；
整数频偏校正单元，根据所述归一化互相关的值进行整数频偏估计，对经过分数频偏校正的基带数字信号进行整数频偏校正，实现LTE系统时间同步和频率同步。
11.权利要求10的装置，还包括
数字低通滤波单元，对经过所述分数频偏校正的基带数字信号进行低通滤波；和
下采样单元，对经过低通滤波的信号进行下采样。
全文摘要
本发明提供一种LTE系统时间同步和频率同步的方法和装置，包括用于对基带数字信号进行延时一个OFDM时间归一化自相关的归一化自相关单元，根据所述归一化自相关单元产生的峰值相位进行分数频偏估计并且对所述基带数字信号进行分数频偏的校正的分数频偏自动控制单元，经过分数频偏的校正的基带数字信号与预置整数频偏的本地主同步信号进行归一化互相关的主同步信号互相关单元，根据所述归一化互相关的值进行时间同步的时间同步单元，和根据所述归一化互相关的值进行整数频偏估计，对经过分数频偏校正的基带数字信号进行整数频偏校正的整数频偏校正单元，从而实现LTE系统时间同步和频率同步。
文档编号H04L25/03GK101827052SQ20101014871
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者黄守俊, 王剑, 唐杉, 彭吉生, 何莹, 田百登, 石晶林 申请人:中国科学院计算技术研究所