CN1783863A - 用于估计帧的开始的设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于在无线通信系统中估计帧的开始点的设备和方法。该方法包括以下步骤：接收帧，并且通过搜索前同步之间的相关处于其最大的间隔或时间点来估计帧的开始。此时，为了估计帧的开始，使用循环前缀。因此，循环前缀和与该循环前缀相同的符码的最后间隔之间的相关被计算，并且具有最大相关的间隔或时间点被估计为循环前缀的开始点。因此，帧的开始点可基于循环前缀的开始点被准确地估计。

Description

用于估计帧的开始的设备和方法

                        技术领域

本发明涉及一种使用前同步的周期重复序列来获得同步的设备和方法。

                        背景技术

在移动通信系统中，发送器将同步信号发送到接收器，并且该接收器使用接收的同步信号获得同步。作为这种通信系统之一，IEEE 802.16标准的标准委员会近来提出采用用于高速数据传输的正交频分多址(OFDMA)技术的通信系统。根据IEEE 802.16标准，在OFDMA通信系统中，发送器将前同步序列(preamble pattern)发送到接收器，接收器使用接收的前同步序列获得帧的开始点，即帧同步。

图1示出在通信系统中用于初始同步的前同步序列。前同步10包括重复序列12、13和14以及循环前缀(CP)11。在OFDMA通信系统中，以逐符码(symbol)为基础执行符码传输，但是在通过多径信道的传输期间，正交频分复用(OFDM)符码受到先前的OFDM符码的影响。为了解决OFDM符码间的干扰，比多径信道的最大延迟扩展长的保护间隔被插入到连续OFDM符码之间。为了防止由于子载波延迟导致可能发生的正交性破坏，有效符码间隔的最后部分被复制并被插入保护间隔，这有效符码间隔的最后的部分被称为循环前缀。

在标题为“正交频分复用信号的频率/时间恢复(Frequency/TimingRecovery for Orthogonal Frequency Division Multiplexed Signals)”的6,459,745号美国专利(‘745专利)中公开了用于估计帧的开始的技术。在‘745专利中，基于如图1所示的包括具有长度L的重复序列的信号的前同步的结构，帧同步算法使用重复序列之间的相关最大的给定情况来估计帧的开始。换句话说，‘745专利公开了计算在预定大小的时间窗期间接收的信号和预定延迟接收的信号之间的相关，并且使用该计算的相关搜索帧的开始点。例如，当前同步的窗大小是W并且预定延迟是D(未显示)时，用于估计帧的开始的设备的结构如图2所示。在图2中，可根据前同步的结构和实现该前同步的方式从几个值中选择W和D。例如，当前同步包括3个重复序列时，W可等于2L+CP，D可等于L。这里，CP是循环前缀的长度。

图2是示出用于估计帧的开始的传统设备的方框图。用于估计帧的开始的设备包括共轭器22、第一延迟器24、相关器26、第二延迟器28、加法器30和第三延迟器32。共轭器22计算接收的信号的共轭并将该共轭输出到相关器26。第一延迟器24将接收的信号延迟重复间隔L并将该延迟的信号输出到相关器26。相关器26计算接收的信号和延迟的信号之间的相关并将该相关输出到加法器30和第二延迟器28。第二延迟器28将从相关器26输出的相关延迟前同步的窗大小W，并将该延迟的相关输出到加法器30。加法器30将从相关器26输出的相关和从第二延迟器28输出的延迟的相关相加。第三延迟器32将从加法器30输出的值延迟1(样本)，并将该结果输出到加法器30。由于从第三延迟器32和将相关器26的输出连续相加的加法器30的操作的结果的值中减去第二延迟器28的输出，所以第二延迟器28、第三延迟器32和加法器30仅在前同步W期间才一起工作来计算相关器26的输出的总数。

通过以下方程1来确定相关。

$C\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+k)\·r^{*}(n+k-D)$

方程1

这里，r(n)是接收的信号，C(n)是在时间索引n接收的信号r(n)的自相关函数，D是自相关函数中的延迟，W是自相关函数中的窗口大小。

当n₀为帧的开始点时，C(n)在n＝n₀时具有最大值(或峰值)。因此，可通过在预定间隔n内搜索|C(n)|为最大的位置来估计前同步的开始点，即帧的开始点。

这种传统技术基于这样的假设，即前同步由具有长度L的重复序列的信号组成。当高电平干扰信号被输入时，不能满足这个假设。为了在如OFDM系统的多载波系统中创建具有重复序列的前同步，0应被周期地插入频域的传输信号之间，并且这些传输信号应通过快速傅立叶逆变换(IFFT)被转换为时域信号用于传输。例如，在IEEE 802.16e通信系统中提出的前同步的情况下，信号被插入仅三个子载波之一，并且另外两个子载波每个用“0”填充，然后经过IFFT。因此，前同步包括三个重复的序列。

然而，当具有这种结构的前同步在多扇区环境下被创建时，信号将被插入的位置在小区之间变化，从而使用前同步来防止在扇区ID估计或信道估计中由干扰引起的性能下降。

图3是示出在无线通信系统中在多扇区环境下频率和它们各自的扇区的使用的示图。在无线通信环境中，小区可被分为多个扇区。通过将信号插入仅三个子载波之一，并且用0填充另外两个子载波并对这两个子载波在频域中执行IFFT，每一扇区具有三个重复序列。然而，在多扇区环境下，扇区的信号在扇区之间的边界混合。因此，接收的信号可能实际上包括来自多于该扇区的信号，甚至可能包含来自所有三个扇区的信号，因此，增加了接收除0之外的信号的可能性。其结果是，如图3的实施例所示，不具有0的频域信号被填充在所有子载波中，这引起时域信号的重复序列的变弱。因此，基于时域信号的重复序列的传统技术经历严重的性能下降。

                        发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于估计帧的开始的设备和方法，其可弥补由在多扇区环境中的扇区之间的干扰信号引起的性能降低。

为了实现以上和其他目的，根据本发明实施例的方法通过当接收帧时计算前同步之间的相关并且搜索计算的相关为最大的间隔或时间点来估计帧的开始，并且使用循环前缀来准确地估计帧的开始。有效符码间隔的最后部分被复制并且被插入前同步或符码，并被称为循环前缀。换句话说，循环前缀与前同步或符码的最后间隔相同。因此，循环前缀和与循环前缀相同的最后间隔之间的相关为最大的间隔或时间点可被估计为循环前缀的开始位置。因此，基于循环前缀开始点来估计帧的准确的开始点。另外，本发明的实施例可改变地调整相关器的窗大小和延迟以计算前同步之间的相关和循环前缀之间的相关。

为此，本发明的一个目的在于提供一种用于在通信系统中估计帧的开始的设备。该设备包括相关器、控制块和最大值点输出单元。相关器在使用其可变窗口大小和延迟的第一模式和第二模式之一下工作。用于估计帧的开始的相关在第一模式下被输出，用于循环前缀的开始的相关在第二模式下被输出。控制块控制相关器在第一模式和第二模式之一下工作。相关器将相关输入到最大值点输出单元，最大值点输出单元输出在预定时间间隔期间输入的相关中的最大相关的相对位置。

该设备还包括计数器和最终点输出单元。对于帧的每个样本计数器加1，并且具有作为最大计数值的帧间隔期间的样本的数目。最终点输出单元组合最大值输出单元的输出，并且输出帧的最终的开始点。

当接收用于帧的开始的估计的第一帧时，控制块控制相关器在第一帧的间隔期间在第一模式下工作，然后控制在第一帧后面的帧的间隔期间在第二模式下工作。

                        附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出在通信系统中用于初始同步的前同步序列的示图；

图2是示出用于估计帧的开始的传统设备的方框图；

图3是示出在无线通信系统中在多扇区环境下频率和它们各自扇区的示例性使用的示图；

图4是示出根据本发明的优选实施例的用于估计帧的开始的设备的方框图；

图5是示出包括前同步和OFDM符码的一般帧结构的示图；

图6是示出根据本发明实施例的在相关器的不同操作模式下的输出结果的示图；

图7是示出根据本发明实施例的用于估计帧的开始的设备的操作的示图；和

图8是示出根据本发明实施例的估计帧的开始的方法的流程图。

                        具体实施方式

现在将参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述。在接下来的描述中，为了简明，将省略对包含在其中的已知功能和结构的详细描述。

现在将参照图4至图7来描述根据本发明实施例的用于估计帧的开始的设备的结构和操作。

图4是示出根据本发明的优选实施例的用于估计帧的开始的设备的方框图。用于估计帧的开始的设备包括：相关器110，具有可变窗大小和可变延迟；最大值点输出单元120，用于返回(或输出)在预定时间间隔期间输入的值之中的最大值的相对位置；运算控制块140，用于控制该设备；计数器150，其最大值等于帧的样本的数量(Ts)；和最终点输出单元130，用于组合最大值点输出单元120的输出并且输出最终帧的开始点。

图5是示出包括前同步和OFDM符码的一般帧结构的示图。帧包括下行链路帧200和上行链路帧300。在OFDM/OFDMA系统中，订户站(未显示)从基站(未显示)接收下行链路帧200并且将上行链路帧300发送到所述基站。下行链路帧200包括前同步210和OFDM符码220。前同步210包括循环前缀(CP)211和重复序列212、213和214。循环前缀211具有窗大小CP和每一重复序列212、213和214具有窗大小L。

根据本发明实施例的用于估计帧的开始的设备通过在接收帧时计算前同步之间的相关并且搜索相关为最大的间隔或时间点来估计帧的开始。用于估计帧的开始的设备还使用循环前缀来准确估计帧的开始。如图5所示，循环前缀被包括在前同步210和/或OFDM符码220中。与循环前缀的间隔相应的信号从有效符码间隔的最后部分被复制并被插入到前同步210或OFDM符码220中。换句话说，循环前缀与前同步或OFDM符码的最后间隔相同。因此，循环前缀和前同步或OFDM符码的最后间隔之间的相关为最大的间隔或时间点可被估计为循环前缀的开始点。

因此，本发明提供在通过估计下行链路帧中的前同步的开始和前同步的循环前缀的开始来估计帧的开始点中的可靠性。

为此，根据本发明实施例的相关器110在于此指定的如模式1和模式2的两种操作模式下工作。模式1是用于估计帧的开始的操作模式，模式2是用于估计循环前缀的开始的操作模式。在本发明实施例中，可通过仅执行模式1来检测帧的开始位置。然而，通过在由基于执行模式1产生的帧的开始位置估计的预定误差范围内执行模式2来更加准确地检测帧的开始位置也是可能的。

图6是示出在根据本发明实施例的相关器110的不同操作模式下的输出结果的示图。相关器110输出在模式1下的每一帧的开始位置的最大相关，并且输出在模式2下的前同步或符码的循环前缀的开始位置的最大相关。相关器110在相关器工作在模式1下期间仅在帧的开始位置产生最大相关，并且在相关器工作在模式2下期间仅在每一符码的开始点产生最大相关。在这里，因为由于由相邻扇区引起的干扰信号导致模式1下的最大相关敏感，所以估计性能被降低。然而，因为由相邻扇区引起的干扰信号还具有含有循环前缀的符码结构，所以使用模式2下的最大相关的估计性能不会受到由相邻扇区引起的干扰信号的影响。在本发明的实施例中，组合两种模式来搜索最终帧的开始点。

更具体地讲，相关器110具有将模式1下的前同步的重复序列之间的相关相加所需的窗大小以及与每一重复序列的间隔相等的相关的延迟。例如，当存在如图5所示的三个重复序列时，在模式1下相关器110具有窗大小2L+CP和延迟L。而且，相关器110在2L期间在模式1下将重复序列212和213之间的相关以及重复序列213和214之间的相关相加。随后相关器110将每一重复序列212、213和214延迟每一重复序列212、213和214的间隔，即L以获得相应的相关。因此，相关器110可在模式1下估计下行链路帧200中的前同步的开始，即帧的开始。

相关器110具有将模式2下的循环前缀之间的相关相加所需的窗大小，并且相关的延迟等于循环前缀和与该循环前缀相同的间隔之间的前同步或符码中的间隔。例如，在图5显示的OFDM符码220的情况下，相关器110具有窗大小CP和延迟N。

更具体地讲，相关器110在模式2下在CP期间将循环前缀211和与循环前缀211相同的间隔之间的相关与循环前缀221和与循环前缀221相同的间隔之间的相关相加。相关器110还将循环前缀211和221延迟N以获得其间的相关。因此，相关器110可在模式2下估计前同步或符码的循环前缀的开始。

计数器150在每次样本通过整个运算执行间隔将计数值加1，并且当计数值到达与帧间隔Ts相应的值时计数器被重置为0。计数器150将该计数值提供给运算控制块140和最大值点输出单元120。最大值点输出单元120从计数器150接收计数值并且从相关器110接收相关，并且将在帧间隔期间相关为最大的计数值输出到运算控制块140。

现在将参照图7来描述用于估计帧的开始的设备的操作，图7是示出根据本发明实施例的用于估计帧的开始的设备的操作的示图。运算控制块140控制相关器110在每一操作模式下工作。运算控制块140控制相关器110在模式1下在初始帧间隔期间工作。在模式1下，相关器110计算前同步的重复序列之间的相关，并输出该相关。如图7所示，最大值点输出单元120将相关为最大的计数值n₀输出到运算控制块140。因此，运算控制块140从最大值点输出单元120接收计数值n₀。

然后在下一帧间隔期间运算控制块140在计数值达到n₀-T_e时将计数值重置为0。T_e是估计值的误差范围。更具体地讲，n₀表示在帧间隔期间相关为最大的计数值。相关为最大的点被估计为帧的开始点，基于估计的开始点的误差范围n₀具有误差范围±T_e。运算控制块140控制相关器110工作在计数值范围[0，2T_e]的模式2下。这里，[0，2T_e]是0到2T_e的范围。因此，相关器110工作在从计数值n₀-T_e到计数值n₀+T_e的模式2下。在模式2下，相关器110计算循环前缀和与循环前缀相同的前同步或符码的最后间隔之间的相关，并输出该相关。最大值点输出单元120将计算的相关为最大的计数值n₁输出到最终点输出单元310。

然后运算控制块140控制相关器110在下一符码的间隔[N+CP，2T_e+N+CP]期间在模式2下工作以获得与下一循环前缀的相关。因此，最大值点输出单元120将相关为最大的计数值n₂输出到最终点输出单元130。运算控制块140控制相关器110在下一符码的间隔[2*(N+CP)，2Te+2*(N+CP)]期间在模式2下工作，并且将相关为最大的计数值n₃输出到最终点输出单元130。这样，运算控制块140对(M-1)个符码估计循环前缀的开始点。

最终点输出单元130使用方程2来组合估计的循环前缀的开始点以估计最后帧的开始点

估计的循环前缀的开始点从最大值点输出单元120输出，其中，

由方程2如下定义。

${\hat{n}}_f=\frac{1}{M}\[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\[n_m-(m-1)(N+\mathrm{CP})\]\]$   方程2

其中，M表示估计的循环前缀的开始点的数量，CP表示循环前缀的间隔，N表示除了CP之外的前同步或符码的间隔，N+CP表示前同步或符码的整个间隔，n_m表示每一估计的循环前缀的开始点。

这里，M是观察OFDM符码(observation OFDM symbol)的数量。这小于在一个帧中的OFDM符码的数量。

如果计数值在最终估计的开始点被重置为0，则计数值0可为帧的开始点。

图8是示出根据本发明实施例的用于估计帧的开始的方法的流程图。当接收帧时，在步骤310，用于估计帧的开始的设备确定接收的帧是否为其的开始点将被估计的第一帧。如果是，则帧开始估计设备进行到步骤320来估计该帧的开始点。如上提到的，通过计算前同步之间的相关并且搜索计算的相关为最大的间隔或时间点来估计帧的开始点。

然后帧开始估计设备进行到步骤330来确定是否接收到下一帧。如果是，在帧开始估计设备进行到步骤340来在帧的估计的开始点周围估计循环前缀的开始点。换句话说，帧开始估计设备计算循环前缀和与该循环前缀相同的前同步或符码的最后间隔之间的相关，输出该计算的相关，并将计算的相关为最大的点估计为循环前缀的开始点。然后帧开始估计设备进行到步骤370来确定估计的循环前缀的开始点的数目是否达到预定数目。循环前缀的最终的开始点可以为多个估计的循环前缀的开始点的平均。由于通信系统发送其数量足够估计帧的开始点的多个帧，所以帧开始估计设备对预定数量的符码估计循环前缀的开始点。

当在步骤380中估计的循环前缀的开始点的数目达到预定值时，帧开始估计设备使用方程2来组合在步骤380中估计的循环前缀的开始点以估计最终帧的开始点。

可通过仅执行如步骤320的模式1来估计帧的开始点。然而，也可在基于执行模式1产生的帧的开始点所估计的预定误差范围内如在步骤340执行模式2，从而估计帧的更准确的开始点。

如上所述，根据本发明，通过合适地组合具有可变窗大小和可变延迟的相关器的输出结果即使在如多扇区环境的严重干扰环境下也可准确地估计用于帧同步的帧的开始点。

已经通过举出采用适应IEEE 802.16的OFDMA技术的系统的示例描述了前述本发明，然而，本发明还可被应用到使用前同步的重复序列的基于延迟和相关来实现帧同步的系统中。例如，本发明可被应用到具有前同步的重复序列的一般OFDM系统中。

尽管已经参照其特定优选实施例显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1、一种用于在通信系统中估计帧的开始的设备，该设备包括：

相关器，使用可变窗大小和延迟在第一模式和第二模式之一下工作，其中，用于估计帧的开始的相关在第一模式下被输出，用于循环前缀的开始的相关在第二模式下被输出；

控制块，用于控制相关器在第一模式和第二模式下工作；和

最大值点输出单元，从相关器接收相关，输出在预定时间间隔期间输入的相关中的最大相关的相对位置。

2、如权利要求1所述的设备，还包括：

计数器，对于帧的每个样本加1，具有等于在帧间隔期间采用的样本的总数目的最大计数值；和

最终点输出单元，将最大值点输出单元的输出组合并且输出该帧的最终的开始点。

3、如权利要求2所述的设备，其中，在接收用于估计帧的开始的第一帧时，控制块控制相关器在第一帧的间隔期间在第一模式下工作，然后控制相关器在第一帧后面的帧的间隔期间在第二模式下工作。

4、如权利要求2所述的设备，其中，最大值点输出单元从计数器接收计数值，并且将在预定间隔期间从相关器输入的相关为最大值的计数值输出到控制块。

5、一种用于在通信系统中估计帧的开始的方法，该方法包括：

在接收用于估计帧的开始的第一帧时，在用于第一帧的开始的估计的第一帧的间隔期间输出相关；

在第一帧的后面的帧的间隔期间输出用于循环前缀的开始的估计的相关；

输出在预定时间间隔期间输入的相关中的最大相关的相对位置；和

基于该相对位置估计帧的开始。

6、如权利要求5所述的方法，还包括：

输出对于帧的每个样本加1的计数值；和

输出相关为最大值的计数值。

7、一种用于在通信系统中估计帧的开始的设备，该设备包括：

相关器，具有可变窗大小和可变延迟；

最大值点输出单元，从相关器接收相关，并且计算在预定时间间隔期间输入的相关中的最大相关的相对位置以估计帧的开始；和

控制器，将提供可变大小和可变延迟的模式控制信号输出到相关器，并且控制最大值点输出单元。

8、如权利要求7所述的设备，其中，相关器具有根据模式控制信号在每一帧的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小2L+CP和可变延迟D，其中，L是前同步的长度，CP是循环前缀的间隔。

9、如权利要求7所述的设备，其中，相关器具有根据模式控制信号在前同步或符码的循环前缀的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小CP和可变延迟D。

10、如权利要求7所述的设备，其中，相关器执行具有根据模式控制信号在每一帧的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小2L+CP和可变延迟D的第一模式以及具有根据模式控制信号在前同步或符码的循环前缀的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小CP和可变延迟L的第二模式，其中，在至少一个帧间隔期间在执行第一模式之后执行第二模式。

11、如权利要求10所述的设备，其中，控制器接收根据执行第一模式相关为最大值的计数值(n₀)，并且当下一帧的计数值落于给定误差范围内时控制相关器在第二模式下工作。

12、如权利要求11所述的设备，其中，控制器接收根据执行第二模式相关为最大值的计数值(n₁)，并且当在下一帧的计数值落于给定误差范围内时重复控制相关器在第二模式下工作。

13、如权利要求10所述的设备，其中，最大值点输出单元使用以下方程来对(m-1)个符码估计帧的开始点

${\hat{n}}_j=\frac{1}{M}\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\right[n_m-(m-1)(N+\mathrm{CP})\left]\right]$

其中，M表示循环前缀的开始点的数量，CP表示循环前缀的间隔，N表示除了循环前缀的间隔之外的前同步或符码的间隔，N+CP表示前同步或符码的整个间隔，n_m表示估计的循环前缀的开始点。

14、一种用于在通信系统中估计帧的开始的方法，该方法包括：

操作具有可变窗大小和可变延迟的相关器，在帧的预定间隔期间计算并且输出相关；

计算相关为最大值的点，并且估计帧的开始点；和

将提供可变窗大小和可变延迟的模式控制信号输出到相关器。

15、如权利要求14所述的方法，其中，相关器具有根据模式控制信号在每一帧的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小2L+CP和可变延迟D。

16、如权利要求14所述的方法，其中，相关器具有根据模式控制信号在前同步或符码的循环前缀的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小CP和可变延迟D。

17、如权利要求14所述的方法，其中，相关器执行具有根据模式控制信号在每一帧的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小2L+CP和可变延迟D的第一模式以及具有根据模式控制信号在前同步或符码的循环前缀的开始点引起该相关为最大值的可变窗大小CP和可变延迟D的第二模式，其中，在至少一个帧间隔期间在执行第一模式之后执行第二模式。

18、如权利要求17所述的方法，还包括接收根据执行第一模式相关为最大值的计数值(n₀)，并且当下一帧的计数值落于给定误差范围内时控制相关器在第二模式下工作。

19、如权利要求18所述的方法，其中，接收根据执行第二模式相关为最大值的计数值(n₁)，并且当在下一帧的计数值落于给定误差范围内时重复控制相关器在第二模式下工作。

20、如权利要求17所述的方法，其中，最大值点输出单元使用以下方程来对(m-1)个符码估计帧的开始点

${\hat{n}}_j=\frac{1}{M}\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\right[n_m-(m-1)(N+\mathrm{CP})\left]\right]$

其中，M表示循环前缀的开始点的数量，CP表示循环前缀的间隔，N表示除了循环前缀的间隔之外的前同步或符码的间隔，N+CP表示前同步或符码的整个间隔，n_m表示估计的循环前缀的开始点。

Images