基于CAZAC序列的低复杂度抗频偏同步算法

doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021038

通信学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (2): 64-71.doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2021038

基于CAZAC序列的低复杂度抗频偏同步算法

宫丰奎, 文妮, 李果, 高洋

西安电子科技大学ISN国家重点实验室，陕西西安 710071

修回日期:2020-11-01 出版日期:2021-02-25 发布日期:2021-02-01
作者简介:宫丰奎（1979- ），男，山东潍坊人，博士，西安电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为新一代无线通信关键技术。
文妮（1996- ），女，湖南娄底人，西安电子科技大学硕士生，主要研究方向为多载波系统、物理层可靠传输。
李果（1989- ），男，陕西城固人，博士，西安电子科技大学讲师，主要研究方向为大规模MIMO系统、协作通信。
高洋（1983- ），男，陕西延安人，博士，西安电子科技大学讲师，主要研究方向为复杂信道环境下的高效高可靠通信传输技术。
基金资助:
国家自然科学基金青年基金资助项目(61901325);国家自然科学基金青年基金资助项目(62001354);国家重点研发计划基金资助项目(2018YFE0100500);中国博士后科学基金资助项目(2018M640958);陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2019JQ-658);陕西省技术创新引导专项基金资助项目(2019CGXNG-010);陕西省技术创新引导专项基金资助项目(2020CGXNG-036)

Low-complexity and frequency-offset-robust synchronization algorithm based on CAZAC sequence

Fengkui GONG, Ni WEN, Guo LI, Yang GAO

State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi’an 710071, China

Revised:2020-11-01 Online:2021-02-25 Published:2021-02-01
Supported by:
Youth Program of National Natural Science Foundation of China(61901325);Youth Program of National Natural Science Foundation of China(62001354);The National Key Research and Development Program of China(2018YFE0100500);China Postdoctoral Science Foundation Project(2018M640958);The Natural Science Foundation of Shaanxi Province(2019JQ-658);Technology Innovation Leading Pro-gram of Shaanxi(2019CGXNG-010);Technology Innovation Leading Pro-gram of Shaanxi(2020CGXNG-036)

摘要/Abstract

摘要：

提出了一种基于恒包络零自相关（CAZAC）序列的低复杂度抗频偏同步算法，适用于突发正交频分复用（OFDM）系统。由CAZAC序列构造一种新型前导序列，利用该序列的组合特性，推导其简化的定时度量函数，进而利用时延相关和对称相关特性实现精确稳定的定时同步。进一步地，基于所构造的前导序列，提出了一种联合循环前缀的加权频率同步方案，可获得更准确的频偏估计。仿真结果表明，无论是否存在频偏，所提算法在高斯信道、多径衰落信道环境下均具有良好的同步性能，并且其计算复杂度低于大多数现有代表性算法。

关键词: 正交频分复用, 恒包络零自相关序列, 前导序列, 同步, 抗频偏

Abstract:

A low-complexity and frequency-offset-robust synchronization algorithm based on CAZAC sequence was proposed, which was suitable for burst OFDM systems.A new preamble sequence was constructed based on the CAZAC sequence, and its simplified timing metric function was derived by using the combination characteristics of the sequence, and then the delay correlation and symmetric correlation characteristics were used to achieve accurate and stable timing synchronization.Furthermore, based on the new constructed preamble sequence, a weighted frequency synchronization scheme combining cyclic prefix was proposed to obtain more accurate frequency offset estimation.Simulation results show that the proposed algorithm has good synchronization performance in both Gaussian channels and multipath fading channels regardless of frequency offset, and its computational complexity is lower than the most existing representative algorithms.

Key words: OFDM, CAZAC sequence, preamble sequence, synchronization, frequency-offset-robust

中图分类号:

TN929.5

宫丰奎, 文妮, 李果, 高洋. 基于CAZAC序列的低复杂度抗频偏同步算法[J]. 通信学报, 2021, 42(2): 64-71.

Fengkui GONG, Ni WEN, Guo LI, Yang GAO. Low-complexity and frequency-offset-robust synchronization algorithm based on CAZAC sequence[J]. Journal on Communications, 2021, 42(2): 64-71.

图/表 10

图1

图2

表1

各同步算法在定时同步阶段的计算量统计"

算法	P(d)		R(d)		总的复数乘法	总的加法
算法	复数乘法/次	加法/次	复数乘法/次	加法/次	总的复数乘法	总的加法
Minn算法	$\frac{N}{2}$	$\frac{N}{2} - 1$	$\frac{N}{2}$	$\frac{N}{2} - 1$	N	$\frac{N}{2}$
Park算法	$\frac{N}{2} + 1$	$\frac{N}{2}$	$\frac{N}{2} + 1$	$\frac{N}{2}$	N+2	N
Yang算法	N	N-2	2N+2	2N-2	3N+2	3N-4
Fang算法	N	$\frac{N}{2} - 1$	N+1	N-1	2N+1	$\frac{3 N}{2} - 2$
Shao算法	N	$\frac{N}{2} - 1$	N+1	N-1	2N+1	$\frac{3 N}{2} - 2$
Jian算法	$\frac{N}{2} + 1$	$\frac{N}{2} - 2$	$\frac{N}{2} + 2$	$\frac{N}{2} - 1$	N+3	N-3
所提算法	$\frac{N}{2} + 1$	$\frac{N}{2} - 2$	$\frac{N}{2} + 1$	$\frac{N}{2} - 2$	N+2	N-4

表1

图3

图4

图5

图6

图7

表2

图8

参考文献 16

[1]	STEFAN P , ERICH Z , MARKUS R . Low complexity estimation of frequency selective channels for the LTE-A uplink[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2015,4(6): 673-676.
[2]	CARLOS B B , TANELI R , MATIAS T ,et al. Full-duplex OFDM radar with LTE and 5G NR waveforms:challenges,solutions and measurements[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019,67(10): 4042-4054.
[3]	唐杰, 王芳, 李明齐 . DVB-T2 系统基于前导符号的同步算法[J]. 通信学报, 2017,38(8): 94-100.
	TANG J , WANG F , LI M Q . Synchronization based on preamble symbol for DVB-T2 system[J]. Journal on Communications, 2017,38(8): 94-100.
[4]	PENG D , WU Y . The performance evaluation of the IEEE802.11ac uplink MU-MIMO systems[C]// IEEE International Conference on Integrated Circuits and Microsystems. Piscataway:IEEE Press, 2017: 282-285.
[5]	SPETH M , FECHTEL S , FOCK G ,et al. Optimum receiver design for wireless broad-band systems using OFDM part I[J]. IEEE Transactions on Communications, 1999,47(11): 1668-1677.
[6]	BEEK J V D , SANDELL M , BORJESSON P O . ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1997,45(7): 1800-1805.
[7]	SCHMIDL T M , COX D C . Robust frequency and timing synchronization for OFDM[J]. IEEE Transactions on Communications, 1997,45(12): 1613-1621.
[8]	MINN H , ZENG M , BHARGAVA V K . On timing offset estimation for OFDM systems[J]. IEEE Communications Letters, 2000,4(7): 242-244.
[9]	PARK B , CHEON H , KANG C ,et al. A novel timing estimation method for OFDM systems[J]. IEEE Communications Letters, 2003,7(5): 53-55.
[10]	YANG F , ZHANG X . An efficient symbol timing scheme for OFDM systems using optimal correlation-based circular-shifted preamble[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2019:doi.org/10.1109/LWC.2019.2944154.
[11]	FANG Y , ZHANG Z , LIU G . A novel synchronization algorithm based on CAZAC sequence for OFDM systems[C]// IEEE International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications. Piscataway:IEEE Press, 2012: 1-4.
[12]	SHAO H , LI Y , TAN J ,et al. Robust timing and frequency synchronization based on constant amplitude zero autocorrelation sequence for OFDM systems[C]// IEEE International Conference on Communication Problem-solving. Piscataway:IEEE Press, 2014: 14-17.
[13]	JIAN D H , WU H X , GAO W ,et al. A novel timing synchronization method based on CAZAC sequence for OFDM systems[C]// IEEE International Conference on Signal Processing,Communications and Computing. Piscataway:IEEE Press, 2018: 10-15.
[14]	ZHANG H Y , HOU Y H , CHEN Y F ,et al. Analysis of simplified frame synchronization scheme for burst-mode multi-carrier system[J]. IEEE Communications Letters, 2019,23(6): 1054-1056.
[15]	CHANG K , LEE S . Robust OFDM-based synchronization against very high fractional CFO and time-varying fading[J]. IEEE Systems Journal, 2020,14(3): 4047-4058.
[16]	BYOUNG H K , DEOK S K , CHEOL S K . Effects of smart antenna in wideband multipath channel[C]// IEEE International Conference on ATM. Piscataway:IEEE Press, 2001: 200-203.

算法	抗干扰能力	抗频偏能力	抗多径能力	计算复杂度
Minn算法	弱	不敏感	弱	低
Park算法	较强	不敏感	较弱	低
Yang算法	弱	不敏感	强	高
Fang算法	强	不敏感	强	高
Shao算法	强	不敏感	强	高
Jian算法	强	敏感	较弱	低
所提算法	强	不敏感	强	低

基于CAZAC序列的低复杂度抗频偏同步算法

Low-complexity and frequency-offset-robust synchronization algorithm based on CAZAC sequence

在线阅读

PDF下载

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 16

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0

[1]	杨光, 吴朝阳, 聂敏, 闫晓红, 江帆. 基于CWGAN-SLM的多小波OFDM系统峰均比抑制算法研究[J]. 通信学报, 2023, 44(4): 99-110.
[2]	郭漪, 王翊卿, 樊媛媛, 刘刚. 基于子载波补给索引调制的OFDM传输方案[J]. 通信学报, 2023, 44(2): 104-111.
[3]	邢旺, 唐晓刚, 周一青, 张冲, 潘振岗. 面向OTFS的时延-多普勒域信道估计方法综述[J]. 通信学报, 2022, 43(12): 188-201.
[4]	许琳森, 杨维, 田洪现. 超声波透金属通信中信道交织器的设计和性能分析[J]. 通信学报, 2022, 43(10): 1-11.
[5]	梅锴, 赵海涛, 刘潇然, 刘军, 熊俊, 任保全, 魏急波. 高效的基于数据与模型的信道估计算法[J]. 通信学报, 2022, 43(1): 59-70.
[6]	李果, 文妮, 宫丰奎, 张剑, 张思瀚. 部分频带干扰下的OFDM系统干扰检测与分集抑制算法[J]. 通信学报, 2021, 42(9): 194-204.
[7]	邢智童, 李云, 彭德义, 张本思, 刘凯明, 刘元安. OFDM中一种有效的基于分段非线性压扩的PAPR抑制算法[J]. 通信学报, 2021, 42(12): 44-53.
[8]	蔡岳平, 李栋, 许驰, 王振, 张潇文. 面向工业互联网的5G-U与时间敏感网络融合架构与技术[J]. 通信学报, 2021, 42(10): 43-54.
[9]	张千里, 张超凡, 王继龙, 唐翔宇, 沈钲晨, 王会. 基于Telemetry架构的数据中心网络纳秒级时间同步[J]. 通信学报, 2021, 42(10): 117-129.
[10]	贾科军,杨博然,曹明华,黎锁平,郝莉. 可见光通信自适应O-OFDM符号分解串行传输系统设计与研究[J]. 通信学报, 2020, 41(9): 179-189.
[11]	许琳森,杨维,田洪现,吴韬. 超声波透金属通信中子载波快速筛选比特填充算法[J]. 通信学报, 2020, 41(11): 30-39.
[12]	王怡,王亚萍. M分布星地激光通信链路相干正交频分复用系统误码性能研究[J]. 通信学报, 2020, 41(10): 179-187.
[13]	刘文学,陈诗军,葛建,袁洪,龚翠玲. 基于GNSS邻域相似性的5G基站纳秒级时间同步技术研究[J]. 通信学报, 2020, 41(1): 180-190.
[14]	刘林芳,芮国胜,张洋,吴前龙. 基于相空间对称Lorenz阵子群的混沌保密通信研究[J]. 通信学报, 2019, 40(5): 32-38.
[15]	崔苗,喻鑫,李学易,张广驰,刘怡俊,林凡. 多载波无线携能通信的上下行链路联合资源分配[J]. 通信学报, 2019, 40(3): 206-214.