專利名稱：一種功率可調的部分疊加訓練序列光ofdm系統時間同步系統及方法
技術領域：
本發明屬于光通信技術領域，具體涉及一種疊加訓練序列的光OFDM系統時間同步方法。
背景技術：
在過去的20多年中，OFDM技術在射頻領域已被廣泛研究，并因為它具有能有效利用頻寬、降低干擾及對抗多徑效應等優勢，被廣泛應用于無線局域網、數字音頻廣播、數字視頻廣播、第四代移動通信技術等領域。而光OFDM系統則是一種新型的通信系統，將光纖通信技術與OFDM技術的雙重優勢結合在一起，利用OFDM在光通信中對光纖信道色散的良好魯棒性，具有更高的頻譜效率及更快的傳輸速率等技術特點。一個典型的強度調制直接檢測(Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD)單模光纖OFDM系統由射頻OFDM發射機、射頻至光上變換器、光至射頻下變換器和射頻OFDM接收機組成，其中射頻OFDM發射機和射頻至光上變換器位于發射端，光至射頻下變換器和射頻OFDM接收機位于接收端。光OFDM系統優點突出，缺點也很明顯，它對時間同步相當敏感。光OFDM系統要求接收端能夠進行準確的快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)窗口同步,如果不能準確確定FFT窗口的開始位置，則在FFT環節，接收信號會引入符號間串擾(InterSymbol Interference, ISI)和載波間串擾(Inter Carrier Interference, ICI)，所以保證光OFDM系統的時間同步準確性是整個通信系統可靠性傳輸的基本前提。目前，人們對于OFDM系統時間同步方法的研究主要集中于插入訓練序列和疊加訓練序列兩個方向 上。ShuangTian 等人在〃Anovel timing synchronization method forAC0-0FDM-based optical wireless communications"IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2008, 7 (12): 4958-4967文章中在 Schmidl> Minn、Park 三種經典算法的基礎上提出利用反對稱性進行訓練序列構造，并提出三種可行的適用于AC0-0FDM系統標準的時間同步算法，這三種方法均是插入訓練序列的時間同步方法。Chih-PengLi等人在 ^Super-1mposed Training Scheme for Timing and Frequency Synchronization inOFDM Systems"IEEE Transactions on Broadcasting, 2007，53 (2): 574-583文章中米用了在疊加訓練序列的基礎上利用接收信號包含的訓練序列信息，并基于最大對數概似函數估計的時間同步方法，本方法是疊加訓練序列的時間同步方法。雖然插入式訓練序列時間同步算法能達到較好的同步性能，但這種同步方式存在訓練序列獨占發射機功率和頻帶資源，導致系統的發射機功率效率和頻譜利用率均有所下降，且影響系統的傳輸速率的缺點。疊加訓練序列時間同步算法將定時所需的訓練序列整體疊加在數據符號之上，未獨占頻帶資源，也不影響系統的傳輸速率，但是訓練序列占用了原來分配給數據信息的功率資源，所以會對數據信息產生干擾，引起系統誤碼率的增大。如何在利用好疊加訓練序列不占用功率及頻帶資源的優點的同時，又減少訓練序列對數據信息的干擾，是目前亟待解決的難題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是:在現有疊加訓練序列時間同步方法中，如果訓練序列僅疊加在OFDM循環前綴之上，因為循環前綴的長度有限，所以時間同步的準確性不高；如果訓練序列疊加在OFDM符號的整個符號數據之上，因為訓練序列占用了部分原本分配給該個OFDM符號數據的能量，所以會對數據信息產生很大的干擾。針對以上兩種缺陷，本發明提出了一種新的疊加訓練序列模式，利用接收信號中包含的訓練序列信息與本地訓練序列的相關性，并聯合最大似然估計方法獲取時間同步信息。新的疊加訓練序列模式在確定循環前綴長度L和OFDM符號長度N的前提下，僅將訓練序列部分線性疊加OFDM符號數據的后L個點上，減小對數據信息的干擾，有效降低系統的誤碼率。新的同步算法充分利用循環前綴信息，通過聯合最大似然法則來判斷同步，獲得較高的同步正確率。本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括:設計一種功率可調的部分疊加訓練序列光OFDM系統時間同步系統，在單模光纖OFDM系統的基礎上增加發射端疊加訓練序列生成模塊、接收端本地訓練序列生成模塊和接收端時間同步運算模塊。發射端疊加訓練序列生成模塊生成標記時間同步位置的疊加訓練序列；接收端本地訓練序列生成模塊生成與發射端疊加訓練序列相同的，用于互相關運算的本地訓練序列；接收端時間同步運算模塊對疊加訓練序列和本地訓練序列進行互相關運算，并搜索最大值產生的位置以確定時間同步位置。發射端疊加訓練序列生成模塊中偽隨機序列(PN序列)經過串并轉換和星座映射后，送入埃爾米特對稱變換子模塊進行變換，變換后的序列T(k)滿足:T(k) = [a，T(l)，…，T(N/2-l)，b，T*(N/2-l)，...，T*(1)]，k=0, I,…N_l，且 a，b 為實數，* 為共軛運算符。T(k)經快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)輸出，并進行并串變換后，得到雙極性的實數訓練序列t(n)，然后將其部分線性疊加在OFDM符號s(n)的后L個符號上，前N-L個符號上不疊加訓練序列，再添加循環前綴，形成最終的發送信號，其中，OFDM系統子載波數為N，循環前綴的長度為L。疊加了訓練序列的OFDM符號表示為:
,、(//)，// = 0，1，".，./V_/ —I
An) = I 1--廠其中，e表示功率分配因
y1- (3s(n) + y]l3/(n +1- JV), n二 N-U-\
子，s(n)為疊加前的OFDM符號，t(n+L-N)為長度為L的實數訓練序列。互相關運算時，通過對數概似函數e獲取時間同步，根據公式:O = Mg max {A0}
f I 9+Z-lI
_3] = argmax j ^ (/(^)'(;*(++ r(^)))r 來確定時間同步位置。式中，一
0 k=dJ6
表示e的估計值，arg max {A,}表示使A 0的值最大時的參數0的取值，P表示一個OFDM
符號的功率，用作歸一化處理，r(k)，r(N+k) 為相隔N點的兩個接收信號序列，t(k)為本地訓練序列。
本發明還提出一種功率可調的部分疊加訓練序列光OFDM系統時間同步方法，其特征在于:發射端疊加訓練序列生成模塊生成標記時間同步位置的疊加訓練序列，并將其部分線性疊加到OFDM符號的循環前綴及部分數據信息之上；接收端本地訓練序列生成模塊生成與發射端疊加訓練序列相同的，用于互相關運算的本地訓練序列；時間同步運算模塊對疊加訓練序列和本地訓練序列進行互相關運算，并搜索最大值產生的位置以確定時間同步位置。因為強度調制直接檢測(頂/DD)的單模光纖OFDM系統是通過強度調制的方式調制發送數據，信道僅能傳輸單極性實信號，為此選用一段具有優良自相關性的PN序列A，經串并轉換和星座映射，將它進行長度與光OFDM系統相同點數的快速傅里葉逆變換(IFFT)，而后進行并串轉換，成為訓練序列B。要求訓練序列B的長度M等于OFDM循環前綴的長度L，或者nM=L，n為大于等于I的整數。時間同步運算模塊:通過觀察接收信號連續兩倍OFDM符號長度、一個OFDM循環前綴長度之和，即2N+L個采樣點。讓本地產生的訓練序列與接收信號進行滑動相關運算，計算相關運算之和，再搜索最大值產生的位置，取得最大值時的滑動位置即為時間同步位置。本發明的有益效果:本發明的疊加訓練序列模式在確定循環前綴長度L和OFDM符號長度N的前提下，僅將訓練序列線性疊加在OFDM符號的后L個點和循環前綴L個點之上。因為疊加在循環前綴上的訓練序列信息可以通過移除循環前綴進行消除，不會對數據信息產生干擾。相關運算時，卻仍然可以用到該部分訓練序列的全部信息。相當于使用兩倍有用的同步信息時，對數據符號只引入了單倍的干擾，而且干擾僅限于OFDM數據符號的后L個點，對解調的影響極小。這使得疊加訓練序列功率分配因子的選擇具有很好的魯棒性，系統可以根據需要更加靈活的選取合適的功率分配因子，在實際使用中，可實現在一定范圍內隨機調整部分置加的訓練序列功率占比。
圖1強度調制直接檢測的單模光纖OFDM系統框圖；圖2功率可調的部分疊加訓練序列的光OFDM系統時間同步系統框圖；圖3訓練序列部分疊加方法與其它時間同步方法對比示意圖；圖4疊加功率分配因子及相關性運算觀察窗口示意圖；圖5疊加訓練序列功率分配因子與BER性能仿真圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施方式作具體描述。圖1是強度調制直接檢測(IM/DD)的單模光纖OFDM系統框圖。IM/DD單模光纖OFDM系統主要由射頻OFDM發射機，射頻至光上變換器，光至射頻下變換器和射頻OFDM接收機四大模塊構成。因為射頻器件較相應的光學器件更成熟，所以這個系統將所須的信號處理大都放在射頻域中實現。圖2是上述系統加入了本發明的時間同步方案后的光OFDM系統框圖，即功率可調的部分疊加訓練序列的光OFDM系統時間同步方法框圖。在圖1的基礎之上，在發射端增加疊加訓練序列生成模塊，在接收端增加本地訓練序列生成模塊，和時間同步運算模塊。
疊加訓練序列生成模塊用以生成標記時間同步位置的疊加訓練序列，該模塊放在發射端添加循環前綴環節之前，部分線性疊加子模塊將疊加訓練與數據信號糅合在一起。接收端本地訓練序列生成模塊用以生成與發射端疊加訓練序列相同的，用做互相關運算的本地訓練序列，該模塊的輸出作為時間同步運算模塊的兩個輸入信號之一，被用于與接收信號進行相關性運算。接收端時間同步運算模塊用以進行相關性運算，并進行搜索最大值產生的位置以確定時間同步位置，本地訓練序列和接收信號為本模塊的兩個輸入信號，該模塊的輸出則反饋給系統接收端的去除循環前綴子模塊，用于時間同步。在發射端疊加訓練序列生成模塊中，選用一段具有優良自相關性的偽隨機序列(PN序列)A，先進行串并轉換，再經過星座映射，進行埃爾米特對稱變換，并進行長度與光OFDM系統相同點數的快速傅里葉逆變換(IFFT)，然后進行并串轉換，成為訓練序列B，要求訓練序列B的長度M等于一個OFDM循環前綴的長度L，或者nM=L，n為大于等于I的整數。將訓練序列疊加到OFDM循環前綴L個點及OFDM數據符號的后L個點上，而數據符號的前N-L個點上不疊加訓練序列，且疊加到OFDM循環前綴L個點及OFDM數據符號的后L個點上的訓練序列完全相同。用于標識同步位置的序列和用于互相關運算的序列，均需要與待傳輸的數據一
樣，在經過串并轉換后，進行星座映射，星座映射的方式取決于系統的需要，可采用BPSK、
QPSK、16QAM、64QAM等。星座映射后的數據應送入埃爾米特對稱變換子模塊進行對稱
變換，變換后的序列 T(k)滿足:T(k) = [a，T(l)，…，T(N/2-l)，b，T*(N/2-l)，…，T*(1)]，
k=0，1，…N-1，且a，b為實數，*為共軛運算符。T(k)經IFFT輸出，并進行并串變換
后，得到雙極性的實數訓練序列t(n)，然后將其部分線性疊加在OFDM符號s(n)的
后L個符號上，前N-L個符號上不疊加訓練序列，再添加循環前綴，形成最終的發送
信號。此疊加方案在后文結合圖3詳細說明。疊加了訓練序列的OFDM符號表示為
權利要求
1.一種功率可調的部分疊加訓練序列光OFDM系統時間同步系統，其特征在于:在單模光纖OFDM系統發射端增加疊加訓練序列生成模塊，在接收端增加本地訓練序列生成模塊，和時間同步運算模塊；發射端疊加訓練序列生成模塊生成標記時間同步位置的疊加訓練序列；接收端本地訓練序列生成模塊生成與發射端疊加訓練序列相同的，用于產生互相關運算的本地訓練序列；接收端時間同步運算模塊對疊加訓練序列和本地訓練序列進行互相關運算，并搜索最大值產生的位置以確定時間同步位置。
2.根據權利要求1所述的時間同步系統,其特征在于:發射端疊加訓練序列生成模塊中，偽隨機序列PN經過串并轉換，星座映射，埃爾米特對稱變換，變換后的序列T (k)經IFFT輸出，并進行并串變換后，得到雙極性的實數訓練序列t(n)，然后將t(n)部分線性疊加在OFDM符號s (n)的后L個符號上，前N-L個符號上不疊加訓練序列，再添加循環前綴，形成最終的發送信號。
3.根據權利要求1所述的時間同步系統，其特征在于:互相關運算時，通過對數概似函數e獲取時間同步位置，根據公式:
4.根據權利要求2所述的時間同步系統，其特征在于，變換后的序列T(k)滿足:T (k) = [a, T⑴，…，T (N/2-1)，b, T* (N/2-1)，…，T*⑴]，其中，OFDM系統子載波數為N，循環前綴的長度為L, k=0, I,…N-l, a, b為實數，*為共軛運算符。
5.根據權利要求2所述的時間同步系統，其特征在于:疊加實數訓練序列后的OFDM符號表不為:
6.一種功率可調的部分疊加訓練序列光OFDM系統時間同步方法，其特征在于:發射端疊加訓練序列生成模塊生成標記時間同步位置的疊加訓練序列，并將其線性疊加到OFDM符號的循環前綴及部分數據信息之上；接收端本地訓練序列生成模塊生成與發射端疊加訓練序列相同的，用于互相關運算的本地訓練序列；時間同步運算模塊對疊加訓練序列和本地訓練序列進行互相關運算，并搜索最大值產生的位置以確定時間同步位置。
7.根據權利要求6所述的時間同步方法，其特征在于:所述線性疊加具體為，將訓練序列疊加到OFDM循環前綴L個點及OFDM符號的后L個點上，而OFDM符號的前N-L個點上不置加訓練序列。
8.根據權利要求6所述的時間同步方法，其特征在于:發射端疊加訓練序列生成模塊中，偽隨機序列PN經過串并轉換，星座映射，埃爾米特對稱變換，獲得變換后的序列T (k)經IFFT輸出，并進行并串變換后，得到雙極性的實數訓練序列t (n)，然后將其部分線性疊加在OFDM符號s (n)的后L個符號上，前N-L個符號上不疊加訓練序列，再添加循環前綴，形成最終的發送信號，其中，OFDM系統子載波數為N，循環前綴的長度為L。
9.根據權利要求6所述的時間同步方法，其特征在于:互相關運算時，通過對數概似函數e獲取時間同步位置，根據公式:
10.根據權利要求8所述的時間同步方法，疊加訓練序列后的OFDM符號表示為:
全文摘要
本發明涉及一種功率可調的部分疊加訓練序列光OFDM系統時間同步系統及方法，涉及光通信技術領域。本發明針對當前光OFDM系統同步性能低，對傳輸數據干擾大的缺陷，提出了一種新的疊加訓練序列時間同步方法，充分利用循環前綴信息進行同步信息的獲取。在循環前綴長度L確定的情況下，將訓練序列線性疊加在OFDM符號的后L個采樣點及循環前綴上，克服了疊加長序列時對數據的干擾。本方法時間同步正確率高，對OFDM數據干擾小，而且疊加訓練序列功率分配因子的選取更加靈活。
文檔編號H04L27/26GK103152312SQ20131009955
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者王汝言, 王欽波, 趙輝, 戈勇華, 吳大鵬 申請人:重慶郵電大學