一種基于疊加部分周期序列的空間光ofdm系統時間同步方法
【專利摘要】本發明請求保護一種基于疊加部分周期序列的空間光OFDM系統時間同步方法，涉及空間光通信【技術領域】。本發明通過對一個自相關性能良好的GCL序列進行拆分組合和鏡像對稱變換，設計一種適用于空間光通信系統的訓練序列，使得訓練序列的前后兩部分均具有周期性且整體又關于中心鏡像對稱，將其線性疊加到一個完整的OFDM符號上。接收端采用最大似然算法估計定時同步位置，可以有效地降低旁瓣的干擾，且大大降低了同步運算的計算復雜度。本方法時間同步正確率高，容易實現，提高了帶寬效率和時間功率分配的靈活性。
【專利說明】-種基于疊加部分周期序列的空間光OFDM系統時間同步 方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于空間光通信【技術領域】，涉及空間光正交頻分復用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，00FDM)系統以及一種疊加部分周期序列 的時間同步方法。
【背景技術】
[0002] 空間光通信以激光作為信息載體進行高速數據傳輸，是現代大容量空間通信領域 的重要研究方向，而大氣湍流效應會對空間光通信產生巨大的影響。0FDM技術作為先進的 調制技術已廣泛應用于射頻領域，具有頻譜利用率高、抗多徑傳輸能力強、適合高速數據傳 輸和實現簡單等優勢。2006年0FDM技術開始被應用到空間激光通信系統中，結合了空間激 光通信技術與0FDM技術的雙重優勢，不但極大地提高了通信系統的容量，而且能有效抑制 大氣效應的影響。
[0003] 空間光0FDM系統對時間同步很敏感，沒有正確的時間同步將無法實現信號的解 調。時間同步主要是為了確定0FDM符號的起始位置，從而在接收端能夠準確的解調數據。 傳統的0FDM時間同步算法通常是在兩個連續的0FDM符號之間插入具有特殊結構的訓練序 列，接收端利用已知的訓練序列進行相關運算來實現同步，而空間光通信系統大多采用光 強度調制 / 直接檢測（Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD)技術，要求輸入 光調制器的信號必須是單極性的實數信號，因此這些方法不能直接應用于空間光0FDM系 統中。為了滿足空間光通信系統對遠距離、高可靠性和低誤碼率的要求，尋求一種同步性能 高且節省功率的時間同步算法勢在必行。
[0004] 傳統的插入訓練序列的時間同步算法獨占發射功率和有效頻譜資源，沒有 考慮空間光通信系統中光強度信號為非負的單極性實信號。Hao X等人在"On the timing synchronization methods for optical orthogonal frequency division multiplexing (00FDM) systems: Comparisons and improvement，'[ International Society for Optics and Photonics, 2009:763216-763216-11】文章中針對在強度調制光 OFDM 系統中的應用，對Park算法的訓練符號進行改進，將訓練符號的時域結構優化為鏡像對 稱的兩部分，通過簡單的時間同步函數即可得到較好的同步性能，但仍屬于插入訓練序 列的時間同步算法。Hu W W 等人在"A synchronization scheme for OFDM systems using the super-imposed perfect sequences" 【IEEE International Symposium on. IEEE, 2008:1-5】文章中采用自相關良好的廣義線性調頻（Generalized Chirp-Like, GCL)序列周期疊加在OFDM符號上，并采用最大似然算法進行時間同步位置的估計，同步性 能良好，但是周期重復序列會造成目標函數旁瓣較多而不利于同步。
[0005] 由于插入訓練序列的時間同步算法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，且影響系統傳輸速率。疊加周期訓練序列的時間同 步算法將定時所需的訓練序列重復周期的疊加在數據符號上，未獨占頻帶資源，也不影響 系統的傳輸速率，但接收端進行同步運算時會造成目標函數旁瓣較多而不利于同步判斷。 因此，如何更好的設計訓練序列的結構以適用于空間光通信系統的傳輸，并能采用相應的 時間同步算法使得與接收信號相關后具有單一、尖銳的峰值是目前亟待解決的難題。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的問題是：在現有疊加周期訓練序列的時間同步方法中，如果訓 練序列僅疊加在0FDM的循環前綴上，由于循環前綴長度較短，占據的能量有限，同步的準 確性不高；如果訓練序列采用整體重復周期性，同步運算時容易造成目標函數旁瓣較多，不 利于同步判斷。針對以上兩個問題，本發明提出了一種新的訓練序列的構造方法，并將其線 性疊加在一個完整的0FDM符號上，接收端利用接收信號和本地訓練序列之間的相關性，采 用最大似然算法估計出定時同步位置。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0008] 首先根據空間光強度信號非負的特點，合理地設計一個前后兩部分均具有周期性 且整體又關于中心鏡像對稱的訓練序列；然后，為該訓練序列分配一定的發射功率后線性 疊加在一個完整的0FDM數據符號上；最后，將本地訓練序列與接收信號進行相關運算，并 采用最大似然算法完成時間同步。空間光0FDM系統模型如附圖1所示。
[0009] 本發明方法的具體實現步驟如下：
[0010] 步驟1 :訓練序列的構造
[0011] 本發明設計一種適用于空間光通信系統的訓練序列，使得訓練序列的前后兩部分 均具有周期性且整體關于中心鏡像對稱。主要包括以下步驟：
[0012] 1)構造一個自相關性能良好的廣義線性調頻（Generalized Chirp-Like,GCL)序 列 c (k)，長度為 P/2,且 P/2 < < N，
【權利要求】
1. 一種疊加部分周期訓練序列的空間光OFDM系統時間同步方法，其特征在于：首先根 據空間光強度信號非負的特點，設計一個前后兩部分均具有周期性且整體又關于中心鏡像 對稱的訓練序列；然后，為該訓練序列分配一定的發射功率后線性疊加在一個完整的OFDM 數據符號上；最后，將接收端本地訓練序列與接收信號進行相關運算，并采用最大似然算法 完成時間同步，確定時間同步位置。
2. 根據權利要求1所述的疊加部分周期訓練序列的空間光OFDM系統時間同步方法，其 特征在于：所述訓練序列的構造方法包括如下步驟： 1) 構造一個自相關性能良好的GCL序列c(k)，長度為P/2,且P/2 << N，
當P/2為奇數時，u = 1 ;當P/2為偶數時，u = 2 ; 2) 對序列c(k)加上一個直流偏置d，得到非負的復數序列c' (k); 3) 將非負的c' (k)中每個元素的實部和虛部分開，構成長度為P的非負實數序列 e(k)； 4) 將e (k)重復m/4次，得到長度為N/2的序列A ; 5) 對序列A進行鏡像變換得到其鏡像對稱序列B ; 6) 將序列A和鏡像對稱序列B合并在一起，構成長度為N的訓練序列T，即 T - [An/2 Βν/2] ο
3. 根據權利要求1所述的疊加部分周期訓練序列的空間光OFDM系統時間同步方法，其 特征在于：所述對疊加訓練序列功率分配是：假定功率因子為β，表示疊加訓練序列的功 率占總功率的比例，即
其中，
和
分別表示訓練序列和數據符號所占的功率； 置加訓練序列后的OFDM符號表不為：
其中，s(n)為疊加之前的OFDM數據符號，t(n)為長度為N的訓練序列。
4. 根據權利要求1所述的疊加部分周期訓練序列的空間光OFDM系統時間同步方法，其 特征在于：所述將接收端本地訓練序列與接收信號進行相關運算，并采用最大似然算法完 成時間同步的方法： 1)信號經過大氣湍流信道后，利用本地訓練序列與接收信號進行互相關運算： 接收端經過大氣湍流信道后的信號表示為：
其中，Π 為光電檢測器的靈敏度，〇 < Π < 1，ε (n)為大氣湍流引起的光強度波動， w(n)是均值為0,方差為〇2的高斯白噪聲，為了研究具有通用性，取η = 1 ; 將本地訓練序列與接收信號進行互相關運算，并且定義對數概率似然函數為：
其中，y(n)表示接收信號，t(n)為本地訓練序列，Θ表示接收信號與本地訓練序列之 間的相對滑動； 由于訓練序列和數據符號之間的弱相關性，似然函數可以簡化為：
其中，Α為一個疊加訓練序列OFDM符號的功率，即
2)采用最大似然算法完成時間同步 最大似然定時估計
表示為：
5.根據權利要求2所述的疊加部分周期訓練序列的空間光OFDM系統時間同步方法，其 特征在于：本地訓練序列構造方法與構造疊加訓練序列的方法完全相同，以保證接收端進 行互相關運算時的本地訓練序列與疊加訓練序列具有良好的相關性。
【文檔編號】H04L27/26GK104158786SQ201410449804
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】趙輝, 王曉冰, 王汝言, 張鴻, 羅華豐, 金勝杰 申請人:重慶郵電大學