一種用于無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)的短訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)的短訓(xùn)練序列 (ShortTrainingField,STF)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] -個(gè)典型的無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)的物理層發(fā)送模式如下：短訓(xùn)練序列（STF)用于 無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)的幀檢測(cè)、自動(dòng)增益控制（AutoGainControl,AGC)、粗頻率同步、粗 時(shí)間同步等；STF的后面是用于信道估計(jì)和更精確的頻率偏移估計(jì)及時(shí)間同步的長訓(xùn)練序 列（LongTrainingFielcUTF) ;LTF之后是包含通信分組的速率和長度信息的信令字段； 再后面是數(shù)據(jù)字段。
[0003]與單載波系統(tǒng)相比，在OFDM系統(tǒng)中，經(jīng)IFFT(InverseFastFourierTransform， IFFT)運(yùn)算之后所有的子載波相加導(dǎo)致時(shí)域發(fā)射信號(hào)會(huì)有很高的峰值。事實(shí)上，高 PAPR既降低了發(fā)射機(jī)功率放大器的效率，也降低了數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigital Converter,ADC)和模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter,DAC)的信號(hào)量化噪聲 比（SignaltoQuantizationNoiseRatio,SQNR)，所以它是正交頻分多址（Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)系統(tǒng)中最不利的因素之一。另外，OFDM系統(tǒng)中 的子載波是完全相互正交，而且系統(tǒng)輸出是將多個(gè)子載波并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，這樣就 導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)存在一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為對(duì)同步偏移的敏感和時(shí)域信號(hào)PAPR比較高。OFDM 技術(shù)在發(fā)送端將數(shù)據(jù)利用IFFT變換調(diào)制到各個(gè)子載波上，而在接收端需要使用性對(duì)應(yīng)的 FFT變換從子載波上解調(diào)數(shù)據(jù)，要進(jìn)行FFT變換就必須知道每個(gè)OFDM符號(hào)的起始點(diǎn)，就需要 準(zhǔn)確的定時(shí)同步。又因?yàn)镺FDM系統(tǒng)的子載波間頻譜交疊，要求子載波間需要保持嚴(yán)格的正 交性，一旦存在頻率偏差，正交性就會(huì)受到破壞，這樣就會(huì)出現(xiàn)載波間干擾。
[0004] 自動(dòng)增益檢測(cè)也是無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，由于空間傳輸?shù)碾姶?波會(huì)出現(xiàn)衰落，在接收端接收到的信號(hào)功率會(huì)隨著信道環(huán)境變化而產(chǎn)生上下起伏。接收端 需要通過自動(dòng)增益控制機(jī)制調(diào)整接收端的信號(hào)功放配置。自動(dòng)增益控制一般包含以下幾個(gè) 步驟：粗增益控制、精增益控制、增益設(shè)置時(shí)段以及增益調(diào)節(jié)后直流偏置估計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)增益控制、粗時(shí)頻同步等，一般STF的時(shí)域波形呈周期性，且時(shí)域信號(hào)幅度變化在一定范 圍內(nèi)。
[0005] 基于以上原因，短訓(xùn)練序列往往希望其有良好的時(shí)域自相關(guān)特性和平穩(wěn)的時(shí)域波 形。本發(fā)明基于這些要求，提出了一種STF序列的設(shè)計(jì)方法，方法配置靈活，適用于各種具 體條件限制的通信系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種用于OFDM無線局域網(wǎng)通 信系統(tǒng)的短訓(xùn)練序列（STF)設(shè)計(jì)方法，要求序列中的元素包含1+i、-(1+i)或者0,且方法 實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)用靈活。
[0007] 為了更好的理解本
【發(fā)明內(nèi)容】
，首先介紹一下本發(fā)明技術(shù)方案涉及的相關(guān)技術(shù)背 景：在OFDM系統(tǒng)中，一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流被分成N個(gè)低速率的數(shù)據(jù)流由子載波同時(shí)傳輸。每 一個(gè)子載波被獨(dú)立的用一種典型的調(diào)制方式（例如PSK或QAM)進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于一個(gè)OFDM 符號(hào)X= [X。，…，XnJT，其中N是子載波序數(shù)，與之對(duì)應(yīng)的時(shí)域基帶信號(hào)可以表示為：
[0009] 其中，L是過采樣因子。
[0010] 時(shí)域序列的自相關(guān)函數(shù)定義如下：
[0011] rx(n) (k) =E{x(n+k)x* (n)} (公式 2)
[0012] 其中，x(n)表示時(shí)域信號(hào)，E{}為統(tǒng)計(jì)平均算子，xYn)為x(n)的共輒轉(zhuǎn)置。為了 考察序列時(shí)域波形自相關(guān)特性的優(yōu)劣，定義如下自相關(guān)特性度量：
[0014] 其中E{}為統(tǒng)計(jì)平均算子，max{}表示取最大值，SELF越大意味著相關(guān)特性越好。
[0015] -個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的序列，并不能保證其具有良好的自相關(guān)特性與時(shí)域波形形狀，這 些信號(hào)在傳輸中被過量的模擬前端剪輯或壓縮，序列的特性就會(huì)發(fā)生畸變。
[0016] 在本優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，初始序列的每一元素可視為一個(gè)隨機(jī)變量，服從某一特定 概率分布，如服從伯努利分布，其概率分布函數(shù)如下：
[0018] 其中，p為隨機(jī)變量，u為概率分布參數(shù)。序列的N個(gè)元素由N次獨(dú)立伯努利實(shí)驗(yàn) 產(chǎn)生，每個(gè)元素都服從如上的概率分布函數(shù)。每次試驗(yàn)由分布參數(shù)[二控制，u為參數(shù) 向量。Un表示序列中第n個(gè)元素為1的概率，I-Un表示序列中第n個(gè)元素為0的概率。由 于序列的每個(gè)元素都是獨(dú)立生成，一個(gè)特定序列生成的概率為：
[0020] 為了保證其時(shí)域波形具有周期重復(fù)特性，由DFT的升降采樣定律及定義知，需滿 足如下條件：
[0021] 第一，設(shè)一個(gè)DFT符號(hào)時(shí)間內(nèi)時(shí)域波形周期重復(fù)M次，則要M、N需滿足NmodM= 0〇
[0022] 第二，頻域信號(hào)為X(n)。X(n)需滿足：
[0023]
(公式6)其中，value代表載波位置上 為非零值。
[0024] 技術(shù)方案：一種用于無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)的短訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)方法，所述良好自相 關(guān)特性、時(shí)域波形周期重復(fù)序列元素有l(wèi)+i，-(l+i)以及0,所述方法為：首先，設(shè)定所設(shè)計(jì) 序列的相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行多次迭代至符合終止條件，一次迭代中按照參數(shù)生成服從指定 概率密度參數(shù)的伯努利分布的多個(gè)元素為0和1的指定長度與配置的序列，并根據(jù)序列的 SELF對(duì)生成序列進(jìn)行篩選，基于篩選后的序列更新下一次迭代的參數(shù)，最后迭代終止后將 SELF最大值對(duì)應(yīng)的隨機(jī)序列進(jìn)行映射得到元素為l+i，-(l+i)以及0低SELF序列。方法 具體包括如下步驟：
[0025] 步驟1 :設(shè)定所設(shè)計(jì)序列的參數(shù)，包括：序列長度N(即序列將做N點(diǎn)DFT變換）， 序列時(shí)域波形在一個(gè)DFT周期內(nèi)的重復(fù)次數(shù)M，每次生成隨機(jī)序列的個(gè)數(shù)J，取樣系數(shù)S，0 <S<1，初始概率密度函數(shù)參數(shù)《 = = (即第一次迭代計(jì)算的概率密度函數(shù) 參數(shù)），迭代終止條件：迭代次數(shù)T或收斂條件閾值e，以及初始SELF值=〇 ;
[0026] 進(jìn)一步的，若需要對(duì)所設(shè)計(jì)的序列有條件限制，例如OFDM通信中常有直流子載 波，預(yù)留子載波，以及為滿足信號(hào)時(shí)域周期性所強(qiáng)制置零的載波，需要所設(shè)計(jì)序列在某些位 置上為特定值，此時(shí)步驟1中也可以設(shè)定限制條件參數(shù)：限制位置域C和限制位置值W，例 如直流子載波，預(yù)留子載波以及為得到時(shí)域周期性所強(qiáng)制置零載波的位置為限制位置域C， 通常這些位置的值設(shè)為0,即限制位置值W= 0。
[0027] 步驟2 :運(yùn)用蒙特卡洛方法生成J個(gè)服從參數(shù)為伯努利分布的隨機(jī)序 列，生成的J個(gè)序列可表示如下：
[0029] 在步驟1中設(shè)定限制條件參數(shù)情況下，對(duì)所生成的序列應(yīng)用限制條件，序列可表 示如下：
[0031] 其中，C為限制位置域，WnGW為限制位置元素的值。
[0032] 步驟3 :計(jì)算生成的隨機(jī)序列PjG{〇, 1}N的映射序列QjG{-(l+i)，l+i}ITSELF， 具體步驟為：
[0033] 步驟3. 1 :由于本發(fā)明所需設(shè)計(jì)的序列非零值元素為l+i與-(1+i)，而伯努利模型 隨機(jī)變量的取值是〇和1，這里需要進(jìn)行映射，映射函數(shù)可為Qj=(HPj) ? (1+i)，PpQjU 均為N維向量；
[0034] 步驟3. 2 :對(duì)映射序列％做IFFT變換為時(shí)域信號(hào)；
[0035] 步驟3. 3 :計(jì)算時(shí)域信號(hào)的SELF，具體計(jì)算公式為：
其中，xGUP,) ? (l+i))表示映射后序列的時(shí)域信號(hào)，表示該時(shí)域信號(hào) 的自相關(guān)函數(shù)，由公式9得到的記為7(/卜j= 1，…，J。
[0037] 步驟4:從J個(gè)SELF中選出最高SELF值，記為^，并設(shè)定SELF的閾值丫，該閾 值用于篩選參與更新迭代參數(shù)計(jì)算的序列，具體步驟包括：
[0038] 步驟4. 1 :對(duì)，(_/)，j= 1，."，J，降序排序處理，即：
[0040] 其中，downO為對(duì)序列進(jìn)行降序排列的函數(shù)；
[0041] 步驟4. 2 :選取本次得到的最高SELF值為?,
[0042] 步驟4. 3 :設(shè)定SELF的閾值為：
[0043] (公式 11)
[0044] 其中，「1為向上取整函數(shù)。
[0045] 步驟5 :判斷是否滿足迭代終止條件，若是則至步驟7,否則至步驟6 ;可設(shè)定兩種 終止條件，一是迭代到預(yù)先設(shè)定的次數(shù)即可停止，二是達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值即可停止。設(shè)定 迭代次數(shù)情況下，終止條件為達(dá)到迭代次數(shù)；設(shè)收斂條件閾值情況下，終止條件為前后兩次 迭代生成序列的最高SELF值之差的絕對(duì)值小于某一閾值，可表示如下：
[0046] ^-V^F\<S (公式 12)
[0047] 步驟6 :根據(jù)步驟4中得到的FSf和y更新迭代參數(shù)匕仏和= ，轉(zhuǎn)至步驟 2進(jìn)入下一次迭代，具體為將6|；》的值傳遞給更新即1^匕=?匕，并根據(jù)所有 符合SELF的閾值條件的序列的第n位的數(shù)值分布情況更新un，w= ^"}二更新的計(jì)算公式 如下：
[0049] 其中，a()是指示函數(shù)：當(dāng)且僅當(dāng)，-^>;/，《(^/^；?;/)時(shí)等于1，否則為〇; P,為每次產(chǎn)生的第j個(gè)序列，Pp為產(chǎn)生的第j個(gè)序列的第n個(gè)元素的值，將此次更新的伯 努利參數(shù)作為下一次迭代生成隨機(jī)序列的參數(shù)：
[0050] M=Rd1 (公式 14)
[0051] 步驟7 :步驟4中得到的最高SELF值對(duì)應(yīng)的映射序列即為所設(shè)計(jì)的序列，即將步 驟4中得到的SELF的最大值對(duì)應(yīng)的隨機(jī)序列> ￡丨0,1丨映射為QG{-(l+i)，l+i}N，所得◎ 為設(shè)計(jì)的序列，映射函數(shù)為Qj=(UPj) ? (1+i)。
[0052] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，