专利名称：用于ofdm系统接收机的时间同步装置和方法
技术领域：
本发明涉及OFDM系统中移动台在初始接入网络或者进行切换时与基站之间的快速时间同步。
背景技术：
在无线通信系统中，对于移动台准备进行网络接入和进行基站切换来说，有效的时间同步方法都是很重要的。移动台要实现与基站间的有效通信，首先需要捕获基站信号的载频和时钟，即，获得物理层同步，在此基础上才能建立上层的连接并最终实现上下行的有效数据传输。
图1给出了一个典型的TDD-OFDM系统的帧结构。图中包括由前导符号(Preamble)、控制符号和下行数据符号组成的下行子帧，发送接收转换间隔(Transmit Receive Transition Gap, TTG)，由上行符号组成的上行子帧，以及接收发送转换间隔(Receive Transmit Transition Gap,RTG)。
如图1中所示，上、下行子帧在时域上分开，同时域间隔一起构成一个完整帧。每帧的开始一般包括一个共同的训练符号，即前导符号。前导符号的引入很大程度上是为了便于同步的实现，因此基于计算前导符号相关值的时间同步算法已经广泛使用。这种算法利用相邻的两帧进行帧间相关。因为前导符号在每帧的开始是重复出现的，所以可把对应相关值的最大值出现的时刻作为每帧开始的位置。
通常，时间同步算法分两步进行粗同步(coarse synchronization)和细同步(fine tuning)。粗同步算法在初始网络接入或者越区切换时执行，此时移动台几乎完全不知道基站及信道状况，因此粗同步算法需要采用快速且鲁棒性较强的自适应算法来实现。如果能有效地提高粗同步的可靠性，那么后续处理的可靠性将会相应地大幅提高，从而达到快
4用时间的效果。细同 步基于粗同步获得的结果，在縮小的范围内进一步调整定时的位置。
传统的粗同步算法逐样点选取一个符号长度内的接收信号，与相隔 一倍帧长时间的样点做相关运算。理想情况下，由于前导符号的重复性, 相关运算会在每帧的开始处出现局部最大值，因此选取最大的相关值作 为帧起始位置，就可以获得粗同步。
OFDM系统具有灵活的资源分配策略，因此各个符号之间的功率差异 会多达若干dB。当移动台经历快速衰落信道或者低信噪比时，由于符号 本身功率的差异及信道增益不同的影响，相关值的计算结果会受到很大 的影响，从而造成定时结果的偏差。
发明内容
鉴于上述现有技术中的问题而提出了本发明。本发明致力于提供一 种在OFDM系统的移动台的接收机中使用的快速可靠的时间同步装置和时 间同步方法，其通过改进的相关值计算方法以及灵活的合并算法，可以 有效的对抗上述现有技术中的不利情况，从而获得可靠的定时位置，且 实现的复杂度较低。
根据本发明的第一方面，提供了一种在OFDM系统的移动台的接收 机中使用的时间同步装置，该时间同步装置在所述移动台初始接入网络 或进行切换时实现所述移动台与对应基站之间的时间同步，其特征在于， 该时间同步装置包括归一化相关值计算部，其用于计算一帧内的各时 刻处的归一化的功率相关值；相关值集合获得部，其连续获得N个由大 于门限值的功率相关值构成的相关值集合，N为大于1的整数；合并相关 值集合获得部，其在所述N个相关值集合中，若同一时刻处存在两个或 更多个功率相关值，则将所述两个或更多个功率相关值相加以作为该时 刻处的合并相关值，否则将该时刻处的合并相关值设为值O，由此构成合 并相关值集合；以及帧起始位置确定部，其在所述合并相关值集合中搜 索最大合并相关值，若该最大合并相关值大于0，则以该最大合并相关值 对应的时刻为帧的起始位置，否则在所述N个相关值集合中搜索最大功率相关值，并以该最大功率相关值对应的时刻为帧的起始位置。
根据本发明的第二方面，提供了一种时间同步方法，该时间同步方
法用于在OFDM系统的移动台初始接入网络或进行切换时实现所述移动 台与对应基站之间的时间同步，其特征在于，该时间同步方法包括以下 步骤计算一帧内的各时刻处的归一化的功率相关值；连续获得N个由 大于门限值的功率相关值构成的相关值集合，N为大于1的整数；在所述 N个相关值集合中，若同一时刻处存在两个或更多个功率相关值，则将所 述两个或更多个功率相关值相加以作为该时刻处的合并相关值，否则将 该时刻处的合并相关值设为值O，由此构成合并相关值集合；以及在所述 合并相关值集合中搜索最大合并相关值，若该最大合并相关值大于0，则 以该最大合并相关值对应的时刻为帧的起始位置，否则在所述N个相关 值集合中搜索最大功率相关值，并以该最大功率相关值对应的时刻为帧 的起始位置。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，其在被载入到移 动台中且被执行时，可以实现上述的根据本发明第二方面的时间同步方 法。
根据本发明的第四方面，提供了一种包含根据本发明第三方面的计 算机程序的计算机可读记录介质，其可由移动台读取，以载入并执行所 述计算机程序，从而实现上述时间同步方法。
以下附图构成了本说明书的一部分，并与文字描述一起用于阐释本
发明的原理。其中
图1示出了一个典型的0FDM系统的帧结构；
图2示出了本发明的时间同步装置的示意性框图3例示了归一化相关算法的示例；
图4是例示灵活的多帧合并算法的流程图5例示了根据本发明不需要更新缓冲器即可完成时间同步的一个 示例；以及
6图6例示了根据本发明需要更新缓冲器来完成时间同步的另一个示例。
具体实施例方式
下面参照图2-6对本发明的实施方式进行说明。这些说明仅是示例 性的，以便于理解本发明，而非对本发明的限制。换句话说，本发明并 不局限于在此描述的细节，在不脱离本发明的基本原理的情况下，本领 域技术人员完全能够结合在此公开的内容和本领域的技术手段而对本发 明做出各种修改和变型。
图2是示出根据本发明的在OFDM系统的移动台的接收机中使用的时 间同步装置的示意性框图。如图2所示，该时间同步装置包括归一化相 关值计算部210、相关值集合获得部220、合并相关值集合获得部230以 及帧起始位置确定部240。在接收机接收到基站的下行信号后，归一化相 关值计算部210计算一帧时长内的各时刻处的归一化的功率相关值。相 关值集合获得部220连续获得N (N为大于1的整数)个由大于门限值的 归一化功率相关值构成的相关值集合。在所述N个相关值集合中，若同 一时刻处存在两个或更多个功率相关值，则合并相关值集合获得部230 将所述两个或更多个功率相关值相加以作为该时刻处的合并相关值，否 则合并相关值集合获得部230将该时刻处的合并相关值设为值0，由此构 成合并相关值集合。最后，帧起始位置确定部240在所述合并相关值集 合中搜索最大的合并相关值，若该最大的合并相关值大于O，则以该最大 合并相关值对应的时刻为帧的起始位置，否则在所述N个相关值集合中 搜索最大功率相关值，并以该最大功率相关值对应的时刻为帧的起始位
下面具体说明相关值的计算。
对于接收信号，使用改进的相关值计算方法，逐样点取得相关值< 接收信号r(f)在时刻k的相关值被定义为
(1)其中0<;^7^_， 乂，表示一个OFDM符号所含样点数，iV,，e为一帧
内所含样点数，40为复数。
归一化相关值计算部210使用若千个符号的平均功率对根据公式(1)
计算出的相关值进行归一化。参照图3对此计算过程说明如下。
1、 计算时刻k及"iV—,e (即，前一帧的对应时刻)附近的若干个
符号的平均功率，这可以表示为以下公式(2)和(3):
尸,丄S k阔l2 (2)
1 '/2i , 、2
疋w =丄，+W/^胞) (3)
其中，^表示所选的用于计算平均功能的符号的个数。在图3中，选 择了 2个符号来计算平均功率。
2、 结合公式(1)、 (2)、 (3)，来计算归一化的相关值，具体如下式 所示
朴^fflL (4)
尸尸
A ,卿-
公式(4)提供了归一化的相关值，由此修正了符号功率对相关值的 影响，大大提高了对信号相关性的判断精度。因此，可以有效弥补由于 OFDM系统的配置以及信道增益的不同而造成的差异。
参照图4的流程图，对本发明的时间同步装置执行时间同步的整个 过程进行说明。
首先，将帧计数器的计数值设为n=0，并清空接收信号缓冲器。 接着，接收机接收预定长度的信号序列，将其缓存在缓冲器中。时
间同步装置通过相关运算来在该信号序列中确定一帧的起始位置。
具体地说，归一化相关值计算部210如上所述计算一帧信号内的各
个时刻处的归一化相关值。
在归一化相关值计算部210计算了一帧内的各时刻的归一化相关值 后，相关值集合获得部220将当前帧(例如，第i帧)的相关值s,，) (0<^《 ,_)与一个门限值"进行比较。该门限值"可以预先确定或者 根据情况自适应确定。在当前帧内，选取大于门限值a的e,("集合记为< W>a} (5) 相关值集合e;将被缓存到相关值集合获得部220的存储队列中，该
存储队列按照先入先出的方式顺序排列各个相关值集合。假设该存储队 列可以最多缓存N个相关值集合，g卩0<KiV。当第i个集合需要被缓 存，但是/>//时，则缓存队列中的第m。d(/,iV)个集合C^)将被新的集合 《替换。从而，在相关值集合获得部220的缓存队列中最多维持N个相 关值集合。
接着，合并相关值集合获得部230对于缓存队列中的各个相关值集 合进行合并。具体合并算法如下
(1) 将不同相关值集合中，在同样的位置k上的相关值，定义为等 位相关值(Equal Pair);
(2) 在整个缓存队列中搜索等位相关值；
(3) 如果在位置k上具有两个或更多个等位相关值，则将该位置上 的全部等位相关值相加，如下式所示
>1，/7=1
其中， 表示在位置k上的等位相关值的个数。
如果位置k上没有两个或两个以上的等位相关值，贝^—&) = 0。 由此，合并相关值集合获得部230集于相关值集合获得部220的计 算结果，构成了合并相关值集合。
接下来，帧起始位置确定部240基于前面的计算结果来确定帧的起
始位置。具体地说，帧起始位置确定部240首先对合并相关值集合进行 搜索，如果在其中搜索到最大的合并相关值e—(">0，则以此合并相关
值s—("所对应的时刻k为帧的起始位置。而如果在搜索后，发现全部
.(" = 0，则说明此时没有合并的等位相关值，在此情况下，帧起始位
置确定部240搜索整个缓存队列，从中找到全局最大的归一化相关值，
并以该最大的归一化相关值所对应的时刻作为帧的起始位置。由此来实
现时间上的粗同步。
上述过程可以表示为<formula>formula see original document page 10</formula>其中，《表示所估计的作为帧起始位置的时刻，
理想情况下，上述同步过程的结果是一帧的起始位置。因此从该位 置开始的一个符号是该帧的前导符号。移动台可以取得这个符号来与本 地已知的符号组逐一进行匹配相关，如果能够与某一符号匹配成功，则 认为当前的同步过程已经完成；否则继续缓存一帧数据计算相关值，重 复前述过程。
图5和6分别例示了根据本发明的不需要更新缓冲器即可完成时间 同步和需要更新缓冲器来完成时间同步的两种情形。需要说明的是本发 明设计的合并过程没有设置最大合并帧数，只是在本地缓冲器的大小加 以限制。因此，在信道条件较好的情况下，合并可以很快完成，并且只 占用很少的缓冲器资源，不需要更新，如图5所示；而在信道条件较差 的情况下，合并也可以持续直到获得同步，此时如果待合并的数据流超 过缓冲器的容量，则釆用一种先入先出的缓冲器更新方式，也就是说首 先更新最早进入缓冲器的内容，以此类推，保证缓冲器中始终保存着最 近更新的相关值集合，如图6所示。
需要说明的是，本发明还可通过用于实现上述时间同步方法的计算 机程序以及记录有该程序的计算机可读记录介质来实现。作为记录介质， 这里可以使用计算机可读的软盘、硬盘、半导体存储器、CD-ROM、 DVD、 磁光盘(MO)以及其它介质。
尽管以上仅选择了优选实施例来例示本发明，但是本领域技术人员 根据这里公开的内容，很容易在不脱离由所附权利要求限定的发明范围 的情况下进行各种变化和修改。上述实施例的说明仅是例示性的，而不 构成对由所附权利要求及其等同物所限定的发明的限制。
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权利要求
1、一种在OFDM系统的移动台的接收机中使用的时间同步装置，该时间同步装置在所述移动台初始接入网络或进行切换时实现所述移动台与对应基站之间的时间同步，其特征在于，该时间同步装置包括归一化相关值计算部，其用于计算一帧内的各时刻处的归一化的功率相关值；相关值集合获得部，其连续获得N个由大于门限值的功率相关值构成的相关值集合，N为大于1的整数；合并相关值集合获得部，其在所述N个相关值集合中，若同一时刻处存在两个或更多个功率相关值，则将所述两个或更多个功率相关值相加以作为该时刻处的合并相关值，否则将该时刻处的合并相关值设为值0，由此构成合并相关值集合；以及帧起始位置确定部，其在所述合并相关值集合中搜索最大合并相关值，若该最大合并相关值大于0，则以该最大合并相关值对应的时刻为帧的起始位置，否则在所述N个相关值集合中搜索最大功率相关值，并以该最大功率相关值对应的时刻为帧的起始位置。
2、 如权利要求l所述的时间同步装置，其中，所述归一化相关值计 算部利用一帧内的一时刻附近的多个符号的平均功率以及相邻帧内的同 一时刻附近的对应多个符号的平均功率的乘积除该时刻处的功率相关值 的平方，来获得所述归一化的功率相关值。
3、 如权利要求l所述的时间同步装置，其中，所述门限值是预先确 定或自适应确定的。
4、 一种时间同步方法，该时间同步方法用于在OFDM系统的移动 台初始接入网络或进行切换时实现所述移动台与对应基站之间的时间同 步，其特征在于，该时间同步方法包括以下步骤-计算一帧内的各时刻处的归一化的功率相关值；连续获得N个由大于门限值的功率相关值构成的相关值集合，N为大 于1的整数；在所述N个相关值集合中，若同一时刻处存在两个或更多个功率相 关值，则将所述两个或更多个功率相关值相加以作为该时刻处的合并相 关值，否则将该时刻处的合并相关值设为值0，由此构成合并相关值集合; 以及在所述合并相关值集合中搜索最大合并相关值，若该最大合并相关 值大于0，则以该最大合并相关值对应的时刻为帧的起始位置，否则在所 述N个相关值集合中搜索最大功率相关值，并以该最大功率相关值对应 的时刻为帧的起始位置。
5、 如权利要求4所述的时间同步方法，其中，利用一帧内的一时刻 附近的多个符号的平均功率以及相邻帧内的同一时刻附近的对应多个符 号的平均功率的乘积除该时刻处的功率相关值的平方，来获得所述归一 化的功率相关值。
6、 如权利要求4所述的时间同步方法，其中，所述门限值是预先确 定或自适应确定的。
全文摘要
本发明涉及用于OFDM系统接收机的时间同步装置和方法。接收机计算一帧接收信号内各时刻处的归一化功率相关值，连续获得N个由大于门限值的功率相关值构成的相关值集合，在该N个相关值集合中，若同一时刻处存在两个或更多个功率相关值，则将这些功率相关值相加以作为该时刻处的合并相关值，否则将该时刻处的合并相关值设为值0，由此构成合并相关值集合，并在合并相关值集合中搜索最大合并相关值，若该最大合并相关值大于0，则以此值对应的时刻为帧的起始位置，否则在N个相关值集合中搜索最大功率相关值，并以该最大功率相关值对应的时刻为帧的起始位置，由此在移动台初始接入网络或进行切换时快速可靠地实现移动台与基站之间的时间同步。
文档编号H04L27/26GK101656699SQ200810130850
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者周建民, 昊 王, 昕 王, 近藤泰二 申请人:富士通株式会社