一種用于無線局域網通信系統(tǒng)的短訓練序列設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，特別涉及一種無線局域網通信系統(tǒng)的短訓練序列 (ShortTrainingField,STF)設計方法。
【背景技術】
[0002] -個典型的無線局域網通信系統(tǒng)的物理層發(fā)送模式如下：短訓練序列（STF)用于 無線局域網通信系統(tǒng)的幀檢測、自動增益控制（AutoGainControl,AGC)、粗頻率同步、粗 時間同步等；STF的后面是用于信道估計和更精確的頻率偏移估計及時間同步的長訓練序 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； 再后面是數據字段。
[0003]與單載波系統(tǒng)相比，在OFDM系統(tǒng)中，經IFFT(InverseFastFourierTransform， IFFT)運算之后所有的子載波相加導致時域發(fā)射信號會有很高的峰值。事實上，高 PAPR既降低了發(fā)射機功率放大器的效率，也降低了數/模轉換器（AnalogtoDigital Converter,ADC)和模 / 數轉換器（DigitaltoAnalogConverter,DAC)的信號量化噪聲 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)輸出是將多個子載波并行數據進行并串轉換，這樣就 導致OFDM系統(tǒng)存在一些缺點，主要表現為對同步偏移的敏感和時域信號PAPR比較高。OFDM 技術在發(fā)送端將數據利用IFFT變換調制到各個子載波上，而在接收端需要使用性對應的 FFT變換從子載波上解調數據，要進行FFT變換就必須知道每個OFDM符號的起始點，就需要 準確的定時同步。又因為OFDM系統(tǒng)的子載波間頻譜交疊，要求子載波間需要保持嚴格的正 交性，一旦存在頻率偏差，正交性就會受到破壞，這樣就會出現載波間干擾。
[0004] 自動增益檢測也是無線局域網通信系統(tǒng)中的一個重要部分，由于空間傳輸的電磁 波會出現衰落，在接收端接收到的信號功率會隨著信道環(huán)境變化而產生上下起伏。接收端 需要通過自動增益控制機制調整接收端的信號功放配置。自動增益控制一般包含以下幾個 步驟：粗增益控制、精增益控制、增益設置時段以及增益調節(jié)后直流偏置估計。為了實現自 動增益控制、粗時頻同步等，一般STF的時域波形呈周期性，且時域信號幅度變化在一定范 圍內。
[0005] 基于以上原因，短訓練序列往往希望其有良好的時域自相關特性和平穩(wěn)的時域波 形。本發(fā)明基于這些要求，提出了一種STF序列的設計方法，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)明內容】

[0006] 發(fā)明目的：針對現有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種用于OFDM無線局域網通 信系統(tǒng)的短訓練序列（STF)設計方法，要求序列中的元素包含1+i、-(1+i)或者0,且方法 實現簡單，運用靈活。
[0007] 為了更好的理解本
【發(fā)明內容】
，首先介紹一下本發(fā)明技術方案涉及的相關技術背 景：在OFDM系統(tǒng)中，一個高速率的數據流被分成N個低速率的數據流由子載波同時傳輸。每 一個子載波被獨立的用一種典型的調制方式（例如PSK或QAM)進行調制。對于一個OFDM 符號X= [X。，…，XnJT，其中N是子載波序數，與之對應的時域基帶信號可以表示為：
[0009] 其中，L是過采樣因子。
[0010] 時域序列的自相關函數定義如下：
[0011] rx(n) (k) =E{x(n+k)x* (n)} (公式 2)
[0012] 其中，x(n)表示時域信號，E{}為統(tǒng)計平均算子，xYn)為x(n)的共輒轉置。為了 考察序列時域波形自相關特性的優(yōu)劣，定義如下自相關特性度量：
[0014] 其中E{}為統(tǒng)計平均算子，max{}表示取最大值，SELF越大意味著相關特性越好。
[0015] -個隨機產生的序列，并不能保證其具有良好的自相關特性與時域波形形狀，這 些信號在傳輸中被過量的模擬前端剪輯或壓縮，序列的特性就會發(fā)生畸變。
[0016] 在本優(yōu)化設計方法中，初始序列的每一元素可視為一個隨機變量，服從某一特定 概率分布，如服從伯努利分布，其概率分布函數如下：
[0018] 其中，p為隨機變量，u為概率分布參數。序列的N個元素由N次獨立伯努利實驗 產生，每個元素都服從如上的概率分布函數。每次試驗由分布參數[二控制，u為參數 向量。Un表示序列中第n個元素為1的概率，I-Un表示序列中第n個元素為0的概率。由 于序列的每個元素都是獨立生成，一個特定序列生成的概率為：
[0020] 為了保證其時域波形具有周期重復特性，由DFT的升降采樣定律及定義知，需滿 足如下條件：
[0021] 第一，設一個DFT符號時間內時域波形周期重復M次，則要M、N需滿足NmodM= 0〇
[0022] 第二，頻域信號為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] 技術方案：一種用于無線局域網通信系統(tǒng)的短訓練序列設計方法，所述良好自相 關特性、時域波形周期重復序列元素有l(wèi)+i，-(l+i)以及0,所述方法為：首先，設定所設計 序列的相關參數，然后進行多次迭代至符合終止條件，一次迭代中按照參數生成服從指定 概率密度參數的伯努利分布的多個元素為0和1的指定長度與配置的序列，并根據序列的 SELF對生成序列進行篩選，基于篩選后的序列更新下一次迭代的參數，最后迭代終止后將 SELF最大值對應的隨機序列進行映射得到元素為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 :設定所設計序列的參數，包括：序列長度N(即序列將做N點DFT變換）， 序列時域波形在一個DFT周期內的重復次數M，每次生成隨機序列的個數J，取樣系數S，0 <S<1，初始概率密度函數參數《 = = (即第一次迭代計算的概率密度函數 參數），迭代終止條件：迭代次數T或收斂條件閾值e，以及初始SELF值=〇 ;
[0026] 進一步的，若需要對所設計的序列有條件限制，例如OFDM通信中常有直流子載 波，預留子載波，以及為滿足信號時域周期性所強制置零的載波，需要所設計序列在某些位 置上為特定值，此時步驟1中也可以設定限制條件參數：限制位置域C和限制位置值W，例 如直流子載波，預留子載波以及為得到時域周期性所強制置零載波的位置為限制位置域C， 通常這些位置的值設為0,即限制位置值W= 0。
[0027] 步驟2 :運用蒙特卡洛方法生成J個服從參數為伯努利分布的隨機序 列，生成的J個序列可表示如下：
[0029] 在步驟1中設定限制條件參數情況下，對所生成的序列應用限制條件，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 :計算生成的隨機序列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)明所需設計的序列非零值元素為l+i與-(1+i)，而伯努利模型 隨機變量的取值是〇和1，這里需要進行映射，映射函數可為Qj=(HPj) ? (1+i)，PpQjU 均為N維向量；
[0034] 步驟3. 2 :對映射序列％做IFFT變換為時域信號；
[0035] 步驟3. 3 :計算時域信號的SELF，具體計算公式為：
其中，xGUP,) ? (l+i))表示映射后序列的時域信號，表示該時域信號 的自相關函數，由公式9得到的記為7(/卜j= 1，…，J。
[0037] 步驟4:從J個SELF中選出最高SELF值，記為^，并設定SELF的閾值丫，該閾 值用于篩選參與更新迭代參數計算的序列，具體步驟包括：
[0038] 步驟4. 1 :對，(_/)，j= 1，."，J，降序排序處理，即：
[0040] 其中，downO為對序列進行降序排列的函數；
[0041] 步驟4. 2 :選取本次得到的最高SELF值為?,
[0042] 步驟4. 3 :設定SELF的閾值為：
[0043] (公式 11)
[0044] 其中，「1為向上取整函數。
[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 ;可設定兩種 終止條件，一是迭代到預先設定的次數即可停止，二是達到預先設定的閾值即可停止。設定 迭代次數情況下，終止條件為達到迭代次數；設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 :根據步驟4中得到的FSf和y更新迭代參數匕仏和= ，轉至步驟 2進入下一次迭代，具體為將6|；》的值傳遞給更新即1^匕=?匕，并根據所有 符合SELF的閾值條件的序列的第n位的數值分布情況更新un，w= ^"}二更新的計算公式 如下：
[0049] 其中，a()是指示函數：當且僅當，-^>;/，《(^/^；?;/)時等于1，否則為〇; P,為每次產生的第j個序列，Pp為產生的第j個序列的第n個元素的值，將此次更新的伯 努利參數作為下一次迭代生成隨機序列的參數：
[0050] M=Rd1 (公式 14)
[0051] 步驟7 :步驟4中得到的最高SELF值對應的映射序列即為所設計的序列，即將步 驟4中得到的SELF的最大值對應的隨機序列> ￡丨0,1丨映射為QG{-(l+i)，l+i}N，所得◎ 為設計的序列，映射函數為Qj=(UPj) ? (1+i)。
[0052] 有益效果：與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：第一，