用于非连续频谱OFDM动态频谱接入的频谱同步方法

摘要

本发明公开了一种用于非连续频谱OFDM动态频谱接入的频谱同步方法，其过程为：①发射数据帧，每个数据帧均由训练符号、同步符号和数据符号依次前后相连组成；②接收数据帧；③频谱粗同步；④频谱细同步：接收端使用最大比例合并方法进行同步字的检测，利用检测得到的同步字进行频谱同步；⑤数据接收：根据获取的同步字确定子带的位置，从子带中的子载波上接收数据，然后进行解调，解交织，纠错解码得到发射的数据。本发明属于带内信令解决方案，节省了频谱资源，减少了系统的处理时延，保证了频谱同步的实时性。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及采用正交频分复用信号(OFDM)的动态频谱接入方法，具体地说是一种保持接收端与发射端频谱同步的方法，频谱同步是指接收端能够找出发送端使用的OFDM子载波数量和位置。

背景技术

随着通信需求的不断发展和可供通信的频谱资源变得日益稀少，基于认知无线电的动态频谱接入技术是一种有前途的解决方案，因为它能够以一种机会主义的方式复用和分享频谱资源。也就是说当授权用户不使用某段频谱时，非授权用户被允许识别和使用该段瞬时频谱。

对于宽带非授权用户来说，OFDM是一种很好的信号结构，因为利用OFDM能够有效地在非连续的频带上传输通信信号。为了避免对正在工作的授权用户形成干扰，非授权用户可以只使用部分OFDM的子载波传输信号，这些被使用的子载波可以是不连续的。

在动态变化的频谱环境中，非授权用户的发送方会根据授权用户对频谱的使用情况随时改变其使用的子载波个数和位置。对于非授权用户的接收方而言，一个关键的问题是保持和发送方同步，即接收方要了解发送方采用了哪些子载波。如果接收方采用的子载波个数和位置与发送方的不同，显然将造成严重的误码率和误包率恶化。我们将上述的同步问题称为频谱同步问题。频谱同步问题是非连续OFDM动态频谱接入系统的一个关键问题，目前，相关的研究和技术还相当少。与本发明相关的现有技术有：

部分带宽模式(FBW Mode)检测和同步方法，见Y.W.Jae，G.K.Hyun，H.K.Yun，S.Iickho，and S.S.Myung，“Fractional Bandwidth Mode Detectionand Synchronization for OFDM-Based Cognitive Radio Systems，”in Proc.IEEE Vehicular Technology Conference，May 2008，pp.1599-1603。

部分带宽模式同步方法是通过将接收信息与数种可能的部分带宽模式进行匹配来实现的。系统事先定义好21种部分带宽模式，每种模式使用的子载波个数和位置是固定的。发送方只能用其中一种部分带宽模式发送信号。接收方通过检测接收信号中的部分带宽模式实现频谱同步。

部分带宽模式检测和同步方法的系统模型如图1所示。发送方通过频谱感知(Sensing)确定一个最合适的部分带宽模式(FBW Mode)，并使用该模式中规定的子载波发送信号。接收方通过检测接收信号中的部分带宽模式实现频谱同步。

上述方案的缺点是系统能定义的部分带宽模式数量十分有限，因为部分带宽模式多，会影响检测的正确率。上述论文中仅能提供21种模式，这21模式甚至不能支持非连续的频谱情况。在部分带宽模式数量有限的情况下，系统无法针对频谱环境的动态变化，作出精确细致的调整，从而导致系统的频谱利用效率不能得到充分提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于非连续OFDM动态频谱接入的频谱同步方法，该方法可以实现带内传输同步信息，并且不需要额外的专用的带外控制信道。

本发明提供的用于非连续频谱OFDM动态频谱接入的频谱同步方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)发射数据帧：

每个数据帧均由训练符号、同步符号和数据符号依次前后相连组成，其中，训练符号在频域上用矢量P＝[P₁，L，P_k，L P_N]表示，P_k表示训练符号在第k个子载波上的幅度和相位，其中，

P_k＝P′_k·T_k

其中N表示子载波的总数，k表示子载波的序号，k＝1，2，L，N，P′_k是矢量P′＝[P′₁，L，P′_k，L，P′_N]中的元素，P′表示在频谱连续的情况下系统使用的训练符号；T_k表示第k个子载波的状态，如果该子载波可用，T_k＝1，否则T_k＝0；

同步符号在频域上用矢量C＝[C₁，L，C_k，L，C_N]表示，其中C_k表示同步符号在第k个子载波上的幅度和相位，

V_k＝C′_k·T_k

其中C′_k是矢量C′＝[C′₁，L，C′_k，L，C′_N]中的元素，设M为调制的阶数，C′由同步字调制符号S重复M倍得到，即

C′_k＝S_n；n＝kmod(N/M)

其中kmod(N/M)表示k对(N/M)取余，(N/M)为一正整数；S_n是矢量S＝[S₁，L，S_n，L，S_(N/M)]中的元素，其中n表示矢量S中元素的序号，n＝1，2，L，(N/M)；S由同步字B经过纠错编码器编码，交织器交织，M阶调制得到，其中同步字B表示可用子载波的位置；

数据符号在频率上用矢量D＝[D₁，L，D_k，L，D_N]表示，其中D_k表示数据符号在第k个子载波上的幅度和相位；

数据比特经过纠错编码器编码，交织器交织，调制，得到长度是V的调制数据符号序列D′＝[D′₁，L，D′_i，L，D′_V]，其中，i表示调制数据符号序列中元素的序号，i＝1，2，L，V，D′_i中的V个元素依次映射到矢量D中V个可用子载波上，其余不可用子载波设为0，得到数据符号D；

(2)接收数据帧：

接收到的数据进行移除循环前缀，串并转换，快速傅立叶变换处理，得到受信道干扰产生失真的帧；

(3)频谱粗同步：

(3.1)计算接收训练符号与发射训练符号在子载波k上的局部相关系数：

接收到的第k个子载波上的训练符号表示为U_k，当L＜k≤N-L时，子载波k上的局部相关系数ρ_k为

${\rho }_k=\frac{|\underset{r=k-L}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H|}{\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left(U_r\right)}^H}\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{k+L}{\Sigma }}{P_r}^{\prime }·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H}}$

当1≤k≤L时，

${\rho }_k=\frac{|\underset{r=1}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H|}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left(U_r\right)}^H}\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k+L}{\Sigma }}{P_r}^{\prime }·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H}}$

当N-L＜k≤N时

${\rho }_k=\frac{|\underset{r=k-L}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_r·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H|}{\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_r·{\left(U_r\right)}^H}\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{N}{\Sigma }}{P_r}^{\prime }·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H}}$

其中L决定了参与局部相关计算的子载波个数，L的取值范围为其中对向下取整；(P_r′)^H和(U_r)^H分别表示对P_r′和U_r进行Hermitian转置；

(3.2)将ρ_k按大小排序，接收端选取其中最大的W个所对应的子载波作为接收端可用子载波，其余子载波为不可用子载波；粗同步中参数W选为发送端最小可用子载波数和系统最大子载波数相加后的一半；

(4)频谱细同步：

(4.1)令m＝0，Y_n＝0；

(4.2)如果第(n+m·(N/M))个子载波是粗同步中确定的可用子载波，进入步骤(4.3)，否则进入步骤(4.4)；

(4.3)当R＜(n+m·(N/M))≤N-R时，为

${\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}=\underset{j=(n+m·(N/M))-R}{\overset{(n+m·(N/M))+R}{\Sigma }}\frac{U_j}{(2R+1)·P_j^{\prime }}$

当1≤(n+m·(N/M))≤R时

${\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}=\underset{j=1}{\overset{(n+m·(N/M))+R}{\Sigma }}\frac{U_j}{(2R+1)·P_j^{\prime }}$

当N-R＜(n+m·(N/M))≤N时

${\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}=\underset{j=(n+m·(N/M))-R}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{U_j}{(2R+1)·P_j^{\prime }}$

其中R决定了参与信道估计计算的子载波个数，R的取值范围为

然后转入步骤(4.5)；

(4.4)直接设置为0；

(4.5)通过最大比例合并算法得到对应于S_n的接收符号Y_n，即

$Y_n=Y_n+F_{(n+m·(N/M))}·{\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}^H$

其中，F_(n+m·(N/M))表示接收到的第(n+m·(N/M))个子载波上的同步符号，表示对进行Hermitian转置，是第(n+m·(N/M))个子载波上信道响应的估计值；

(4.6)令m＝m+1，判断m≤M-1，如果是，进入步骤(4.2)，否则转入步骤(4.7)；

(4.7)将Y_n进行解调、解交织和译码获取同步字。

(5)数据接收：

根据获取的同步字确定子带的位置，从子带中的子载波上接收数据，然后进行解调，解交织，纠错解码得到发射的数据。

本发明通过发送端发送一个同步符号给接收端，同步符号由同步字经过卷积编码、调制和重复编码形成。同步字描述了发送端使用了哪些子载波。接收端使用最大比例合并方法进行同步字的检测，利用检测得到的同步字进行频谱同步。本发明不需要额外的专用的带外控制信道就可以实现收发双方的频谱同步，所提的技术方案属于带内传输同步信息的方法，即通过一个同步符号来传输同步信息。该同步符号位于训练符号之后，数据符号之前。

本发明属于带内信令解决方案，节省了频谱资源，减少了系统的处理时延，保证了频谱同步的实时性。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2为本发明非连续OFDM动态频谱接入系统框图；

图3为本发明子带划分示意图；

图4是本发明同步符号生成步骤流程框图；

图5是本发明帧结构和接收机处理过程。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的实施例具体包括以下步骤：

1、一种用于非连续频谱OFDM动态频谱接入的频谱同步方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)发射数据帧：

每个数据帧均由训练符号、同步符号和数据符号依次前后相连组成，其中，训练符号在频域上用矢量P＝[P₁，L，P_k，L P_N]表示，P_k表示训练符号在第k个子载波上的幅度和相位，

P_k＝P′_k·T_k

其中N表示子载波的总数，k表示子载波的序号，k＝1，2，L，N，P′_k是矢量P′＝[P′₁，L，P′_k，L，P′_N]中的元素，P′表示在频谱连续的情况下系统使用的训练符号。T_k表示第k个子载波的状态，如果该子载波可用，T_k＝1，否则T_k＝0；

同步符号在频域上用矢量C＝[C₁，L，C_k，L，C_N]表示，其中C_k表示同步符号在第k个子载波上的幅度和相位，

C_k＝C′_k·T_k

其中C′_k是矢量C′＝[C′₁，L，C′_k，L，C′_N]中的元素，C′由同步字调制符号S重复M倍得到，即

C′_k＝S_n；n＝kmod(N/M)

其中kmod(N/M)表示k对(N/M)取余，N和M满足整除关系，即(N/M)为一正整数。S_n是矢量S＝[S₁，L，S_n，L，S(N/M)]中的元素，其中n表示矢量S中元素的序号，n＝1，2，L，(N/M)。S由同步字B经过纠错编码器编码，交织器交织，M阶调制(如PSK和QAM调制)得到，其中同步字B表示可用子载波的位置。本发明中用同步字表示可用子载波位置，下面举例一种同步字获取的方法，但本发明并不局限于这种方法，也可以采用其它的方式获取同步字。

规定非连续频谱OFDM动态频谱接入系统使用V个子载波进行通信，V的取值范围为[1，N]；假设V个非连续的可用子载波能够分成各自连续的Q段，称为Q个子带；用每个子带的开始子载波序号和结束子载波序号表示这些子带的位置；第q个子带的开始子载波序号k_qs的二进制数表示为(k_qs)2；结束子载波序号k_qe的二进制数表示为(k_qe)2，其中1≤q≤Q，(k_qs)2和(k_qe)2各用个比特表示，表示对log₂N向上取整；则B＝[(k_1s)2，(k_1e)2，L，(k_qs)2，(k_qe)2，L(K_Qs)2，(K_Qe)2]，B中共有个比特。

数据符号在频率上用矢量D＝[D₁，L，D_k，L，D_N]表示，其中D_k表示数据符号在第k个子载波上的幅度和相位；

数据比特经过纠错编码器编码，交织器交织，调制，得到长度是V的调制数据符号序列D′＝[D′₁，L，D′_i，L，D′_V]，其中，i表示调制数据符号序列中元素的序号，i＝1，2，L，V，D′_i中的V个元素依次映射到矢量D中V个可用子载波上，其余不可用子载波设为0，得到数据符号D。

(2)接收数据帧

接收到的数据进行移除循环前缀，串并转换，快速傅立叶变换处理，得到受信道干扰产生失真的帧。

(3)频谱粗同步

非连续频谱OFDM动态频谱接入系统的接收端根据接收到的训练符号进行频谱粗同步。

(3.1)计算接收训练符号与发射训练符号在子载波k上的局部相关系数：

接收到的第k个子载波上的训练符号表示为U_k，当L＜k≤N-L时，子载波k上的局部相关系数ρ_k为

${\rho }_k=\frac{|\underset{r=k-L}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H|}{\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left(U_r\right)}^H}\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{k+L}{\Sigma }}{P_r}^{\prime }·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H}}$

当1≤k≤L时，

${\rho }_k=\frac{|\underset{r=1}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H|}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k+L}{\Sigma }}{U}_r·{\left(U_r\right)}^H}\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k+L}{\Sigma }}{P_r}^{\prime }·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H}}$

当N-L＜k≤N时

${\rho }_k=\frac{|\underset{r=k-L}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_r·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H|}{\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_r·{\left(U_r\right)}^H}\sqrt{\underset{r=k-L}{\overset{N}{\Sigma }}{P_r}^{\prime }·{\left({P_r}^{\prime }\right)}^H}}$

其中L决定了参与局部相关计算的子载波个数，L的取值范围为(P_r′)^H和(U_r)^H分别表示对P_r′和U_r进行Hermitian转置。

(3.2)将ρ_k按大小排序，接收端选取其中最大的W个所对应的子载波作为接收端可用子载波，其余子载波为不可用子载波，上述过程我们称为频谱粗同步。在干扰比较大的情况下，频谱粗同步存在一定的概率出现可用子载波判断错误的情况，利用频谱细同步可以得到纠正。粗同步中参数W选为发送端最小可用子载波数和系统最大子载波数相加后的一半，这样可以保证大部分发送端的可用子载波成为接收端的可用子载波，同时又能去除一部分不可用子载波，保证系统性能有一定程度的提高。

(4)频谱细同步

通过频谱粗同步得到的可用子载波与不可用子载波信息以及接收到的同步符号来完成频谱细同步。

具体是通过最大比例合并算法得到对应于S_n的接收符号Y_n，即

$Y_n=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{F}_{(n+m·(N/M))}·{\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}^H$

其中，F_(n+m·(N/M))表示接收到的第(n+m·(N/M))个子载波上的同步符号，表示对进行Hermitian转置，是第(n+m·(N/M))个子载波上信道响应的估计值。如果第(n+m·(N/M))个子载波是粗同步中确定了的可用子载波，当R＜(n+m·(N/M))≤N-R时，为

${\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}=\underset{j=(n+m·(N/M))-R}{\overset{(n+m·(N/M))+R}{\Sigma }}\frac{U_j}{(2R+1)·P_j^{\prime }}$

当1≤(n+m·(N/M))≤R时

${\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}=\underset{j=1}{\overset{(n+m·(N/M))+R}{\Sigma }}\frac{U_j}{(2R+1)·P_j^{\prime }}$

当N-R＜(n+m·(N/M))≤N时

${\hat{H}}_{(n+m·(N/M))}=\underset{j=(n+m·(N/M))-R}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{U_j}{(2R+1)·P_j^{\prime }}$

其中R决定了参与信道估计计算的子载波个数，R的取值范围为如果第(n+m·(N/M))个子载波是粗同步中确定了的不可用子载波，直接设置为0。

将Y_n进行解调、解交织和译码就可以获取同步字。

(5)数据接收

经过频谱细同步得到正确的同步字后，接收方可知道发送方使用了哪些子载波，然后接收数据符号并只从这些使用了的子载波上解调数据。然后进行解交织，纠错解码得到发射的数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。