专利名称：一种实现时间同步的方法及无线通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，具体地说，涉及实现时间同步的方法及无线通信系统。
背景技术：
在通信系统中，同步是正确解调信息的基础。广义的同步包括时间同步、频率同步、功率调整、信道估计等。
基于IEEE802. 11标准的无线局域网系统中，接入点AP与用户站点STA之间是突发方式的通信，不管是AP到STA还是STA到AP方向，毎次通信(包括数据传输和控制信息传输)都需要携帯同步信息，以协助完成STA与AP之间的同步过程。以AP传输数据到STA为例，STA接收AP的同步前导，根据同步前导确定时间同步点然后才能接收数据、解调数据。当STA传输数据到AP吋，AP重复上述STA的同步流程。移动WiMAX在下行方向也采用发送前导符号的方式，移动通信长期演进(LTE，Long Term Evolution)系统则是发送主同步信号(PSS, Primary SynchronizationSignal)和辅同步信号(SSS, Secondary Synchronization Signal),移动终端根据前导或同步信号完成时间同步和频率同歩。上行传输时，采用闭环控制方式完成同步，即终端向基站发起随机接入过程，由基站估计终端发送的随机接入序列所经过的传播延迟，基站根据传播延迟估计向終端下发定时提前指示，終端在上行传输时根据定时提前指示发送上行数据。对于异步机制的Wi-Fi系统，毎次突发传输均需要长、短训练序列完成帧检测，频率同步和符号同步。对于同步机制的TDD LTE Femto系统，频率同步及时间同步均由每帧内的同步信道完成，每个子帧内的业务传输不再需要训练或导频序列实现上述功能。Wi-Fi系统中AP与STA相互平等，每次突发传输无论是由AP发射还是STA发射均是点对点传输。接收端根据帧检测捕获毎次突发传输，通过训练序列获取准确的频率同步和符号同步。对于TDD LTE Femto系统，各终端均以基站发射频率和时间定时为基准，校正自己的本振频率和时间定吋。比较上述两系统的同步机制，Wi-Fi系统同步过程简单，但每次传输均需要长、短训练序列完成同步功能，开销较大；TDD LTE Femto系统同步过程复杂，但每次传输不需要额外的同步序列辅助，开销较小。为了提高中短距离通信系统的效率和频谱利用率，需要引入调度机制和多址接入机制，要实现这一目标必须有合适的同步机制配合。WLAN系统双向通信都通过前导实现同步的方式，这种同步方式虽然简单，但效率低且不适用于多用户同时通信，一方面无论多长的数据包都需要携帯前导会占用时间资源，另ー方面，CSMA/CA的接入方式本身就不支持多用户同时接入因此不满足多用户同时通信时的同步需求。移动WiMAX和LTE系统的同步方式可以借鉴，但两者的上行同步要求闭环控制，对同步要求高；此外移动终端和基站采用较高成本的载波晶振来处理采样时钟同步问题，不适用低成本的无线局域网设备。因此在基于调度的中短距离通信系统中需要设计合理的同步机制。
发明内容
本发明提供ー种实现时间同步的方法及无线通信系统，简化了同步实现流程。本发明提供的ー种在无线通信系统中实现时间同步的方法，包括如下步骤
接入点根据下行帧的发送起始时刻7'下行传输周期？}以及保护间隔长度TW确定上行中贞的接收起始时刻=了0 + .む+ / ;
用户站点根据下行帧的同步前导确定下行帧到达用户站点的起始时刻；
用户站点根据ら、下行传输周期ろ以及保护间隔长度确定上行帧的发送起始时亥1J h =ら +Tjl + i Q1 0本发明提供的一种接入点，包括
发送模块，用于发送下行帧；
时间起点确定模块，用于根据下行帧的发送起始时刻 ;,、下行传输周期·以及保护间隔长度Tm确定上行巾贞的接收起始时刻A = “ + 7} + ;
所述接收模块，用于根据确定出的上行帧的接收起始时刻 ;接收上行帧。本发明提供的ー种用户站点，包括
接收模块，用于接收下行帧；所述下行帧中包括同步前导；
时间起点确定模块，用于根据所接收的下行帧的同步前导确定所述下行帧到达用户站点的起始时刻ら；根据ら、下行传输周期巾以及保护间隔长度A/,确定上行帧的发送起始
时刻 iI+ ;
发送模块，用于根据确定出的上行帧的发送起始时刻ら发送上行帧。本发明提供的一种无线通信系统，包括如上所述接入点和用户站点。综上所述，本发明所提供的实现时间同步的技术方案中，巧妙地采用了时间定时机制，由AP和STA各自独立地确定相应的时间起点并启动各自的定时器，从而实现彼此有序地相互通信，简化了同步流程。
图I为本发明实施例提供的上行及下行信号时序示意 图2为本发明提供的实现时间同步的方法流程 图3本发明实施例中采用的同步前导结构 图4为本发明实施例中生成同步前导的方法流程示意图；图5为本发明的具体实施例中提供的实现时间同步的方法流程 图6为本发明实施例一种细定时同步的方法流程 图7为本发明实施例另ー种细定时同步的方法流程 图8为本发明实施例一种接入点的装置方框 图9为本发明实施例一种用户站点的装置方框 图10为本发明实施例一种无线通信系统架构示意图。
具体实施例方式在基于集中调度机制的多用户传输系统中，时间同步是通信的基础。STA首先要完 成下行同步，获得AP发送的系统參数，如果STA需要向AP传输数据，则STA需要在指定的时间点发送并在另ー个指定的时间点到达AP，多用户并行传输时尤为重要，如果多个STA的上行数据不能同时到达AP，可能会引起严重的用户间干扰。有鉴于此，本发明提供了ー种在无线通信系统中实现时间同步的方法，參见图I及图2，包括如下步骤
步骤S201 :AP根据下行帧的发送起始时刻巾下行传输周期5以及保护间隔长度 ^
确定上行巾贞的接收起始时刻= +〗/+ / ;
步骤S202 =STA根据所接收的下行帧的同步前导确定所述下行帧到达STA的起始时刻
tO ;
具体地，用户站点从所接收的下行帧检测同步前导，测算得到下行帧的同步前导起始时刻，以测算到下行帧的同步前导起始时刻作为ら。步骤S203 :用户站点根据ら、下行传输周期 )和保护间隔长度,确定上行传输时刻ら=ら+ ο下行传输周期 )以及保护间隔长度·？^可以由AP发送的下行广播消息携帯；用户站点接收所述广播信息，从所述广播消息中提取所述下行传输周期G以及保护间隔长度Tm。尤其适用于所述下行传输周期T以及所述保护间隔长度为变长的系统中。在另ー实施例中，在所述下行传输周期 }以及所述保护间隔长度Ta-为定长的系
统中，所述下行传输周期ら以及所述保护间隔长度；/也可以是由AP与STA预先约定好，保存在本地的，在确定上行传输时刻时，可直接从本地获取。本发明提出的一种实现时间同步机制的技术方案，适用于无线通信系统，解决多用户并行传输数据时面临的如何确定上行用户发送时刻以及接收端的接收时刻的问题，同步流程简单，且可以有效避免符号间干扰。较佳地，当循环前缀长度TCP固定不变，系统扩大覆盖范围，该方法进ー步包括加入上行发送时刻提前量的步骤
STA获取其到接入点AP的传播延迟ち；将上行发送时刻ら提前到^ ,= -各，其中提前量も> 4。较佳地，考虑到传输过程中存在延迟影响，为了进ー步确保数据接收的准确性，避免符号间的干扰，接入点可以从T2时刻开始对接收到的上行帧执行去循环前缀CP处理和快速傅里叶变换FFT ;其中，T2 = +Τ -σ ;本发明设计CP的长度ら> 2<fw + , 4 为
最大单向传播延迟， *为多径延迟扩展；提前量σ20。σ可根据经验值设置，一般在几个
点的范围内，比如σ=5$，τ3表示采样点间隔。这样，T2时刻，系统覆盖范围内所有的STA
的数据均已到达AP，此时开始进行去CP和FFT变化，能有效避免造成符号间的干扰。接入点和用户站点均采用OFDM方式收发数据，每个OFDM符号的周期
τ = 了 JrT。较佳地，综合考虑传输效率和系统覆盖范围的需要，可设计ル》= 'ψ为OFDM符号中有用符号长度，即非CP部分的长度。 为使本发明的原理、特性和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进行详细描述。为了建立时间同步机制，首先需要设计同步前导。同步前导由AP广播发送，STA通过接收到的同步前导完成帧检測、AGC调整、粗时间同步、粗频偏估计、符号定时、细频偏估计和信道估计等任务。同步前导的结构设计时要考虑參数估计(定时和频率)的范围和估计精度。通常粗频偏估计需要较大的估计范围，比如整数个子载波间隔，细频偏估计范围可在一个子载波间隔内，但需要较高的估计精度。假设最大允许的晶振误差为20ppm，则收发两端的频偏最
大为40ppm，设载频ぶ=5. 2GHz，则最大频偏为208kHz，子载波间隔为78. 125kHz时，最大归
ー化频偏约为2. 67。就频偏估计精度来说，当归ー化频偏小于1%时，可认为它对系统SNR基本没有影响。因此，需要用两个不同周期的序列来满足频偏估计的范围与精度要求。基于此，本发明实施例提供ー种同步前导，包括短训练序列(S-Preamble)和长训练序列(L-Preamble):所述短训练序列包括第一循环前缀CPl和多个第一周期序列，所述长训练序列包括第二循环前缀CP2和多个第二周期序列；所述第一周期序列的长度小于所述第二周期序列的长度。从而满足參数估计的不同要求，短训练序列中使用短周期(第一周期序列)，满足较大的參数估计范围需求，长训练序列中使用长周期(第二周期序列)，满足參数估计的精度要求。较佳地，所述CPl的长度.和所述CP2的长度Tey3均等于循环前缀
的长度'ア€ 。较佳地，考虑到控制信息的解调需要先完成信道估计，而信道估计需要一个完整的OFDM符号，以及信道估计与符号定时、细频偏估计重用ー个OFDM符号。因此，设计所述短训练序列和所述长训练序列各占用ー个OFDM符号。为了保证模拟前端放大器的截断或缩放对前导序列无影响，前导序列需要较低的PAPR。本发明提供的技术方案中采用的同步前导结构可以满足參数估计的不同要求，在实现时，先在频域生成合适的序列并填充到相应的子载波位置，然后变换到时域，频域填充方法决定了时域的周期特性。两个符号在时域都有良好的自相关性。
本发明实施例中采用的同步前导结构如图3所示。參照图3，本发明实施例中采用的同步前导由两个OFDM符号构成，短训练序列S-Preamble和长训练序列L_Preamble。其中S_Preamble由8个相同的周期序列SI S8及CPl组成,辅助接收机完成巾贞检测、AGC调整、粗频偏估计(补偿)等任务；L-Preamble由两个相同的周期序列LI和L2及CP2组成，辅助完成符号定时、细频偏估计(补偿)、信道估
计等任务。设ー个OFDM符号的周期^ = I；+7^，其中，力有用符号持续时间，为循环
前缀的长度。在图3中，'ら=去.ζ , CPl与SI S8中的任ー个周期相同，CP2由LI的尾部1/8复制而成。发送前导时，AP以20MHz为基本単位，其FFT点数随聚合的带宽大小而变化。20MHz基本带宽时，AP和STA的FFT点数况,=256 ；40MHz带宽时，AP的FFT点数iV, =512，在2 个20MHz频带上发送相同的前导，STA仅接收ー个20MHz子带上的前导；80MHz带宽吋，AP的FFT点数汉游=1024，在4个20MHz频带上发送相同的前导，STA仅接收ー个20MHz子带上的前导。前导序列在频域进行填充，下面介绍ー种频域填充方法。如图4所示为同步前导生成方法的流程，包括步骤a).确定时域周期数N ;b).由N确定频域填充间隔；c).确定要填充的位置；d).确定填充序列的周期M ;e).频域序列填充。具体如下
设OFDM调制时的子载波数为N，频域子载波的序号为, m取整数。
N想22a)确定时域周期时域周期数由系统设计要求決定，需要满足同步时參数估计范围及估计精度的需求。b)确定频域填充间隔序列的填充间隔与N有关，若要求时域周期为N，则序列填充间隔也为N。c)确定序列填充位置设虚拟子载波及DC位置为集合h)，序列在频域的填充位
N-M- Nm
置i = —本^·，其中-^,且 f '，。
22 2 k gIvSI n =d)确定填充序列的周期序列周期取为填充位置总数，记为M。e)频域序列填充将序列按从负频率到正频率的次序填充到对应的子载波
上，其余子载波上均填O。序列可以选择众所周知的PN序列、Chu码等。根据前述频域填充方法，本发明通过如下方式生成同步前导
设IFFT/FFT点数为=256，负频率虚载波数为AiI =13，正频率虚载波数为F+ =12,DC附近的虚载波数为=1。短训练序列S-Preamb I e的填充时域周期数巧=8，序列的周期长度应为
权利要求
1.ー种在无线通信系统中实现时间同步的方法，其特征在于，包括如下步骤 接入点根据下行帧的发送起始时刻ア下行传输周期T以及保护间隔长度TW确定上行中贞的接收起始时刻'^ =石+·+ / ; 用户站点根据下行帧的同步前导确定下行帧到达用户站点的起始时刻ら; 用户站点根据ら、下行传输周期以及保护间隔长度Γ6 ，确定上行帧的发送起始时刻ら=も+^} + Tq1。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括 用户站点获取其到接入点的传播延迟4； 将上行中贞的发送起始时刻提iu到 =ら-4 ，其中提iu量4 -各。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，还包括 接入点从T2时刻开始对接收到的上行帧执行去循环前缀CP处理和快速傅里叶变换FFT ； 其中，^2 =；CP的长度アCfと+τΜ , 为最大单向传播延迟，tM为多径延迟扩展；提前量σ>0。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于 接入点和用户站点均采用OFDM方式收发数据，每个OFDM符号的周期^ = T11 +Tcp ;其中,ぉ=备 ; 为OFDM符号中非CP部分的长度。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的方法，其特征在于 所述同步前导包括短训练序列和长训练序列；所述短训练序列包括第一循环前缀CPi和多个第一周期序列，所述长训练序列包括第二循环前缀CP2和多个第二周期序列；所述第一周期序列的长度小于所述第二周期序列的长度； 用户站点利用所述同步前导中的短训练序列和长训练序列分别进行粗定时同步，以及细定时同步，以计算出下行帧的同步前导的起始时刻，并以其作为ら。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于 所述CPl的长度和所述CP2的长度な>2均等于循环如缀的长度ん>。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于 所述短训练序列和所述长训练序列各占用ー个OFDM符号。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于 所述短训练序列选用Chu码，和/或所述长训练序列选用PN序列。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据长训练序列进行细定时同步包括 对接收信号做延迟相关运算，延迟的样本点数为相关求和长度等于1^ + Ncn ； 表不所述第_■周期序列的样本点数；Ncn表不第_■循环如缀CP2对应的样本点数；对延迟相关运算的结果做归ー化处理； 将归ー化处理后的最大值的位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据长训练序列进行细定时同步包括 对接收信号做延迟相关运算，延迟的样本点数为#￡ ,相关求和长度小于A + ；ゑ/T￡表不第~■周期序列的样本点数\奴cn表不第~■循环如缀CP2对应的样本点数； 对延迟相关运算的结果做归ー化处理；所述延迟相关运算的结果为一相关值平台； 将归ー化处理后的相关值平台的起始位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
11.如权利要求I所述的方法，其特征在干 所述用户站点接收所述接入点发送的广播信息，从所述广播消息中提取所述下行传输周期以及保护间隔长度Τ 。
12.—种接入点，其特征在于，包括 发送单元，用于发送下行帧； 时间起点确定单元，用于根据下行帧的发送起始时刻·^下行传输周期&以及保护间隔长度TW确定上行帧的接收起始时刻$ =T0+Tf+Tei . 所述接收単元，用于根据确定出的上行帧的接收起始时刻$接收上行帧。
13.如权利要求12所述的接入点，其特征在于，还包括处理单元 所述时间起点确定单元，还用于根据T1、循环前缀CP的长度Tcy以及预设的提前量T确定对上行巾贞进行处理的起始时间$ = $ +σ -,iCP- 2 ; + , 4mk为最大单向传播延迟，^' 为多径延迟扩展；CrさO ; 所述处理単元，用于从Τ2时刻开始对接收到的上行帧执行去CP处理和快速傅里叶变换 FFT。
14.如权利要求13所述的接入点，其特征在于 所述接收単元和所述发送単元均采用OFDM方式传输数据，每个OFDM符号的周期τ — 丁 +Τ ;其中，^ =为OFDM符号中非CP部分的长度。
15.如权利要求12-14中任何一项所述的接入点，其特征在于 所述下行帧中包括同步前导； 所述同步前导包括短训练序列和长训练序列；所述短训练序列包括第一循环前缀CPl和多个第一周期序列，所述长训练序列包括第二循环前缀CP2和多个第二周期序列；所述第一周期序列的长度小于所述第二周期序列的长度。
16.如权利要求15所述的接入点，其特征在于 所述CPl的长度Fcpi和所述CP2的长度7^2均等于循环如缀的长度ル·。
17.如权利要求15所述的接入点，其特征在于 所述短训练序列和所述长训练序列各占用ー个OFDM符号。
18.如权利要求15所述的接入点，其特征在于 所述短训练序列选用Chu码，和/或所述长训练序列选用PN序列。
19.如权利要求12所述的接入点，其特征在于 所述下行帧中携带所述下行传输周期·^和所述保护间隔长度。
20.ー种用户站点，其特征在于，包括 接收单元，用于接收下行帧；所述下行帧中包括同步前导； 时间起点确定单元，用于根据所接收的下行帧的同步前导确定所述下行帧到达用户站点的起始时刻ら；根据ら、下行传输周期'^以及保护间隔长度确定上行帧的发送起始时刻ら=ら+ろ+ ； 发送单元，用于根据确定出的上行帧的发送起始时刻ら发送上行帧。
21.如权利要求20所述的用户站点，其特征在于，还包括 测量单元，用于获取用户站点到接入点的传播延迟ち; 触发单元，用于触发所述发送单元提前启动上行传输操作，将上行传输时刻提前到iI-Siiw, % =ら_も，其中提iu量1さ。
22.如权利要求20所述的用户站点，其特征在于 所述接收単元和所述发送単元传输数据时，采用的循环前缀CP的长度'!^ > +τΜ，为最大单向传播延迟，て嫌为多径延迟扩展。
23.如权利要求22所述的用户站点，其特征在于 所述接收単元和所述发送単元均采用OFDM方式传输数据，每个OFDM符号的周期τ -T+Τ ;其中，^ = I ； 为OFDM符号中非CP部分的长度。
24. 如权利要求20-23中任何一项所述的用户站点，其特征在于 所述同步前导包括短训练序列和长训练序列；所述短训练序列包括第一循环前缀CPl和多个第一周期序列，所述长训练序列包括第二循环前缀CP2和多个第二周期序列；所述第一周期序列的长度小于所述第二周期序列的长度； 所述时间起点确定单元，利用所述同步前导中的短训练序列和长训练序列分别进行粗定时同步，以及细定时同步，以计算出下行帧的同步前导的起始时刻，并以其作为ら。
25.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于 所述CPl的长度和所述CP2的长度ち!2均等于循环如缀的长度て 。
26.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于 所述短训练序列和所述长训练序列各占用ー个OFDM符号。
27.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于 所述短训练序列选用Chu码，和/或所述长训练序列选用PN序列。
28.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于，所述时间起点确定单元根据长训练序列进行细定时同步包括 对接收彳目号做延迟相关运算，延迟的样本点数为,相关求和长度等于iYi + ^cn ;N1表示所述第二周期序列的样本点数；Ncp2表示第二循环前缀CP2对应的样本点数； 对延迟相关运算的结果做归ー化处理； 将归ー化处理后的最大值的位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
29.如权利要求24所述的用户站点，其特征在于，所述时间起点确定单元根据长训练序列进行细定时同步包括 对接收信号做延迟相关运算，延迟的样本点数为《ζ,相关求和长度小于+Ncn ； 表不第~■周期序列的样本点数；表不第~■循环如缀CP2对应的样本点数； 对延迟相关运算的结果做归ー化处理；所述延迟相关运算的结果为一相关值平台； 将归ー化处理后的相关值平台的起始位置作为下行帧的同步前导起始时刻。
30.如权利要求20所述的用户站点，其特征在于，还包括 解析単元，用于从所述下行帧中获取所述下行传输周期和所述保护间隔长度Tffj。
31.一种无线通信系统，其特征在于，包括权利要求12-19中任何一项所述的接入点和权利要求20-30中任何一项所述的用户站点。
全文摘要
本发明公开了一种在无线通信系统中实现时间同步的方法，包括如下步骤接入点根据下行帧的起始时刻、下行传输周期以及保护间隔长度确定上行帧的接收起始时刻；用户站点根据下行帧的同步前导确定下行帧到达用户站点的起始时刻；根据、下行传输周期和保护间隔长度，确定上行传输时刻。本发明还提供了相应的无线通信系统。本发明提供的方法，通过接入点和用户站点各自独立地确定数据收发的时间点，从而实现彼此间有序地互相通信，简化了同步的流程。
文档编号H04W56/00GK102695264SQ20111022583
公开日2012年9月26日 申请日期2011年8月8日 优先权日2011年3月25日
发明者刘慎发, 姚惠娟, 曾勇波, 王飞飞, 闫志刚, 鲍东山 申请人:北京新岸线无线技术有限公司