一种基于叠加部分周期序列的空间光ofdm系统时间同步方法
【专利摘要】本发明请求保护一种基于叠加部分周期序列的空间光OFDM系统时间同步方法，涉及空间光通信【技术领域】。本发明通过对一个自相关性能良好的GCL序列进行拆分组合和镜像对称变换，设计一种适用于空间光通信系统的训练序列，使得训练序列的前后两部分均具有周期性且整体又关于中心镜像对称，将其线性叠加到一个完整的OFDM符号上。接收端采用最大似然算法估计定时同步位置，可以有效地降低旁瓣的干扰，且大大降低了同步运算的计算复杂度。本方法时间同步正确率高，容易实现，提高了带宽效率和时间功率分配的灵活性。
【专利说明】-种基于叠加部分周期序列的空间光OFDM系统时间同步 方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于空间光通信【技术领域】，涉及空间光正交频分复用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，00FDM)系统以及一种叠加部分周期序列 的时间同步方法。
【背景技术】
[0002] 空间光通信以激光作为信息载体进行高速数据传输，是现代大容量空间通信领域 的重要研究方向，而大气湍流效应会对空间光通信产生巨大的影响。0FDM技术作为先进的 调制技术已广泛应用于射频领域，具有频谱利用率高、抗多径传输能力强、适合高速数据传 输和实现简单等优势。2006年0FDM技术开始被应用到空间激光通信系统中，结合了空间激 光通信技术与0FDM技术的双重优势，不但极大地提高了通信系统的容量，而且能有效抑制 大气效应的影响。
[0003] 空间光0FDM系统对时间同步很敏感，没有正确的时间同步将无法实现信号的解 调。时间同步主要是为了确定0FDM符号的起始位置，从而在接收端能够准确的解调数据。 传统的0FDM时间同步算法通常是在两个连续的0FDM符号之间插入具有特殊结构的训练序 列，接收端利用已知的训练序列进行相关运算来实现同步，而空间光通信系统大多采用光 强度调制 / 直接检测（Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD)技术，要求输入 光调制器的信号必须是单极性的实数信号，因此这些方法不能直接应用于空间光0FDM系 统中。为了满足空间光通信系统对远距离、高可靠性和低误码率的要求，寻求一种同步性能 高且节省功率的时间同步算法势在必行。
[0004] 传统的插入训练序列的时间同步算法独占发射功率和有效频谱资源，没有 考虑空间光通信系统中光强度信号为非负的单极性实信号。Hao X等人在"On the timing synchronization methods for optical orthogonal frequency division multiplexing (00FDM) systems: Comparisons and improvement，'[ International Society for Optics and Photonics, 2009:763216-763216-11】文章中针对在强度调制光 OFDM 系统中的应用，对Park算法的训练符号进行改进，将训练符号的时域结构优化为镜像对 称的两部分，通过简单的时间同步函数即可得到较好的同步性能，但仍属于插入训练序 列的时间同步算法。Hu W W 等人在"A synchronization scheme for OFDM systems using the super-imposed perfect sequences" 【IEEE International Symposium on. IEEE, 2008:1-5】文章中采用自相关良好的广义线性调频（Generalized Chirp-Like, GCL)序列周期叠加在OFDM符号上，并采用最大似然算法进行时间同步位置的估计，同步性 能良好，但是周期重复序列会造成目标函数旁瓣较多而不利于同步。
[0005] 由于插入训练序列的时间同步算法独占发射机功率和频带资源，导致系统的发射 机功率效率和频谱利用率均有所下降，且影响系统传输速率。叠加周期训练序列的时间同 步算法将定时所需的训练序列重复周期的叠加在数据符号上，未独占频带资源，也不影响 系统的传输速率，但接收端进行同步运算时会造成目标函数旁瓣较多而不利于同步判断。 因此，如何更好的设计训练序列的结构以适用于空间光通信系统的传输，并能采用相应的 时间同步算法使得与接收信号相关后具有单一、尖锐的峰值是目前亟待解决的难题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的问题是：在现有叠加周期训练序列的时间同步方法中，如果训 练序列仅叠加在0FDM的循环前缀上，由于循环前缀长度较短，占据的能量有限，同步的准 确性不高；如果训练序列采用整体重复周期性，同步运算时容易造成目标函数旁瓣较多，不 利于同步判断。针对以上两个问题，本发明提出了一种新的训练序列的构造方法，并将其线 性叠加在一个完整的0FDM符号上，接收端利用接收信号和本地训练序列之间的相关性，采 用最大似然算法估计出定时同步位置。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 首先根据空间光强度信号非负的特点，合理地设计一个前后两部分均具有周期性 且整体又关于中心镜像对称的训练序列；然后，为该训练序列分配一定的发射功率后线性 叠加在一个完整的0FDM数据符号上；最后，将本地训练序列与接收信号进行相关运算，并 采用最大似然算法完成时间同步。空间光0FDM系统模型如附图1所示。
[0009] 本发明方法的具体实现步骤如下：
[0010] 步骤1 :训练序列的构造
[0011] 本发明设计一种适用于空间光通信系统的训练序列，使得训练序列的前后两部分 均具有周期性且整体关于中心镜像对称。主要包括以下步骤：
[0012] 1)构造一个自相关性能良好的广义线性调频（Generalized Chirp-Like,GCL)序 列 c (k)，长度为 P/2,且 P/2 < < N，
【权利要求】
1. 一种叠加部分周期训练序列的空间光OFDM系统时间同步方法，其特征在于：首先根 据空间光强度信号非负的特点，设计一个前后两部分均具有周期性且整体又关于中心镜像 对称的训练序列；然后，为该训练序列分配一定的发射功率后线性叠加在一个完整的OFDM 数据符号上；最后，将接收端本地训练序列与接收信号进行相关运算，并采用最大似然算法 完成时间同步，确定时间同步位置。
2. 根据权利要求1所述的叠加部分周期训练序列的空间光OFDM系统时间同步方法，其 特征在于：所述训练序列的构造方法包括如下步骤： 1) 构造一个自相关性能良好的GCL序列c(k)，长度为P/2,且P/2 << N，
当P/2为奇数时，u = 1 ;当P/2为偶数时，u = 2 ; 2) 对序列c(k)加上一个直流偏置d，得到非负的复数序列c' (k); 3) 将非负的c' (k)中每个元素的实部和虚部分开，构成长度为P的非负实数序列 e(k)； 4) 将e (k)重复m/4次，得到长度为N/2的序列A ; 5) 对序列A进行镜像变换得到其镜像对称序列B ; 6) 将序列A和镜像对称序列B合并在一起，构成长度为N的训练序列T，即 T - [An/2 Βν/2] ο
3. 根据权利要求1所述的叠加部分周期训练序列的空间光OFDM系统时间同步方法，其 特征在于：所述对叠加训练序列功率分配是：假定功率因子为β，表示叠加训练序列的功 率占总功率的比例，即
其中，
和
分别表示训练序列和数据符号所占的功率； 置加训练序列后的OFDM符号表不为：
其中，s(n)为叠加之前的OFDM数据符号，t(n)为长度为N的训练序列。
4. 根据权利要求1所述的叠加部分周期训练序列的空间光OFDM系统时间同步方法，其 特征在于：所述将接收端本地训练序列与接收信号进行相关运算，并采用最大似然算法完 成时间同步的方法： 1)信号经过大气湍流信道后，利用本地训练序列与接收信号进行互相关运算： 接收端经过大气湍流信道后的信号表示为：
其中，Π 为光电检测器的灵敏度，〇 < Π < 1，ε (n)为大气湍流引起的光强度波动， w(n)是均值为0,方差为〇2的高斯白噪声，为了研究具有通用性，取η = 1 ; 将本地训练序列与接收信号进行互相关运算，并且定义对数概率似然函数为：
其中，y(n)表示接收信号，t(n)为本地训练序列，Θ表示接收信号与本地训练序列之 间的相对滑动； 由于训练序列和数据符号之间的弱相关性，似然函数可以简化为：
其中，Α为一个叠加训练序列OFDM符号的功率，即
2)采用最大似然算法完成时间同步 最大似然定时估计
表示为：
5.根据权利要求2所述的叠加部分周期训练序列的空间光OFDM系统时间同步方法，其 特征在于：本地训练序列构造方法与构造叠加训练序列的方法完全相同，以保证接收端进 行互相关运算时的本地训练序列与叠加训练序列具有良好的相关性。
【文档编号】H04L27/26GK104158786SQ201410449804
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】赵辉, 王晓冰, 王汝言, 张鸿, 罗华丰, 金胜杰 申请人:重庆邮电大学