无线宽带通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质
阅读说明：本技术 无线宽带通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质 (Synchronization method, device, equipment and storage medium of wireless broadband communication system ) 是由 辜方林 胡晨骏 魏急波 范艺馨 熊俊 于 2020-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无线宽带通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质；在本方案中,无线宽带通信系统在实现频谱动态重构时,首先需要选择传输数据的子信道,该子信道包含若干数目的子载波,并在该子信道的偶数子载波上发送实伪随机序列、在奇数子载波上发送零,通过这种方式,可以使得时域的同步序列具有共轭中心对称性,具有优异的同步性能；可见,本方案中的无线宽带通信系统在实现频谱动态重构时,即使只选取了其中部分子信道并以上述规律在其包含的子载波上发送序列,其频域序列对应的时域序列依然满足共轭中心对称性质,进而可执行同步操作；并且,本发明公开的定时函数计算方法可以大大减少计算复杂度,减少硬件资源的消耗。(The invention discloses a synchronization method, a device, equipment and a storage medium of a wireless broadband communication system; in the scheme, when the wireless broadband communication system realizes the dynamic reconstruction of the frequency spectrum, firstly, a subchannel for transmitting data needs to be selected, wherein the subchannel comprises a plurality of subcarriers, an actual pseudo-random sequence is sent on even subcarriers of the subchannel, and zeros are sent on odd subcarriers, so that the synchronization sequence of the time domain has conjugate central symmetry and excellent synchronization performance; therefore, when the wireless broadband communication system in the scheme realizes dynamic reconstruction of the frequency spectrum, even if only a middle molecular channel is selected and a sequence is transmitted on a subcarrier contained by the middle molecular channel according to the rule, a time domain sequence corresponding to a frequency domain sequence still meets the conjugate central symmetry property, and further synchronous operation can be executed; in addition, the timing function calculation method disclosed by the invention can greatly reduce the calculation complexity and reduce the consumption of hardware resources.)
技术领域
本发明涉及移动通信系统技术领域，更具体地说，涉及一种无线宽带通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
近年来，无论是民用通信还是军用通信都对系统的传输容量提出了越来越大的需求，宽带无线通信的理论和技术都取得了长足的进展。但是随着电子设备的增多，通信设备所面临的电磁环境越来越复杂，因此，认知无线电技术被提出用于解决复杂电磁环境下的可靠通信问题。它的基本思想是通过感知通信设备所面临的电磁环境，选择可用频谱进行通信，要实现这一目标，首先需要构建参数可配置的宽带通信波形，通过配置波形参数，支持波形频谱的动态重构，从而实现动态征用与释放频谱资源。
正交频分复用（Orthogonal frequency domain multiplexing, OFDM）的基本原理是通过将信道分成若干子载波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。根据OFDM系统的基本原理可以看出，通过控制子载波是否传输信息，可以灵活方便地实现对波形频谱的动态编排，进而实现动态征用与释放频谱资源。考虑到实际电磁环境中干扰或者可用频谱资源不能以子载波为基本单元来实现动态征用与释放，因为要考虑保护间隔降低邻道干扰，因此，一般以若干子载波构成子信道，以子信道为基本单元来实现频谱动态征用与释放。参见图1，为现有方案中的 OFDM波形信道带宽子信道划分模型，如图1所示，假设OFDM体制的宽带动态频谱接入通信系统其波形信道带宽为
，OFDM体制采用
具体来说，子信道之间相互独立是指每个子信道采用单独控制信道传输控制信息，参见图2，为现有方案中独立控制信道设计示意图，如图2所示，可以看出，该方式灵活方便，便于实现且具有很好的后向兼容性，能够支持子信道进行灵活编排，实现波形的灵活重构。
参见图3，为射频前端工作频段子信道划分模型，假设硬件平台（通信设备）的射频前端带宽为，最低工作频率为
共享频段子信道数目：
发送端工作中心频点：；
子信道编号：；
第m个子信道的中心频点：。
进一步，根据动态频谱接入的基本思想，信号频谱需要根据共享（公共）频段区间信道和干扰条件动态地进行调整，参见图4，为现有方案中的基于OFDM体制的宽带自主选频通信系统示意图，如图4所示，即支持动态频谱接入的宽带通信系统要求信号频谱要能够动态重构，这意味着其通信波形的同步序列频谱也要支持动态重构，这给同步序列设计增加了很大挑战。因此，如何使同步序列也支持动态重构，是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线宽带通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质，以使同步序列支持动态重构，实现无线宽带通信系统的定时同步和频偏估计。
为实现上述目的，本发明提供的一种无线宽带通信系统的同步方法，包括：
接收时域接收信号；所述时域接收信号为发送端动态选择目标子信道后，在所述目标子信道的偶数子载波上发送实伪随机序列、在奇数子载波上发送零后传输至接收端的时域采样信号；
利用所述时域接收信号及符号定时偏移估计函数确定定时偏移估计结果，并根据所述定时偏移估计结果执行同步操作。
其中，所述符号定时偏移估计函数
其中，
；
；
其中，N为同步符号长度，
其中，所述时域接收信号包括两段重复序列结构，且每段重复序列结构包括两段共轭中心对称序列。
其中，所述利用所述时域接收信号及符号定时偏移估计函数确定定时偏移估计结果，并根据所述定时偏移估计结果执行同步操作，包括：
根据所述时域接收信号中的共轭中心对称序列及所述符号定时偏移估计函数得到定时偏移估计结果，并根据所述定时偏移估计结果中的峰值实现符号定时同步；
根据所述时域接收信号中的两段重复序列结构确定频偏估计结果，并利用所述频偏估计结果进行频偏补偿，实现载波同步。
为实现上述目的，本发明进一步提供一种无线宽带通信系统的同步装置，包括：
信号接收模块，用于接收时域接收信号；所述时域接收信号为发送端动态选择目标子信道后，在所述目标子信道的偶数子载波上发送实伪随机序列、在奇数子载波上发送零后传输至接收端的时域采样信号；
同步模块，用于利用所述时域接收信号及符号定时偏移估计函数确定定时偏移估计结果，并根据所述定时偏移估计结果执行同步操作。
其中，所述符号定时偏移估计函数为：；为相关函数，为能量归一化项，表示采样时刻下标；
其中，；
；
；
其中，N为同步符号长度，为与时间有关的下标；
其中，所述时域接收信号包括两段重复序列结构，且每段重复序列结构包括两段共轭中心对称序列。
其中，所述同步模块包括：
定时同步单元，用于根据所述时域接收信号中的共轭中心对称序列及所述符号定时偏移估计函数得到定时偏移估计结果，并根据所述定时偏移估计结果中的峰值实现符号定时同步；
载波同步单元，用于根据所述时域接收信号中的两段重复序列结构确定频偏估计结果，并利用所述频偏估计结果进行频偏补偿，实现载波同步。
为实现上述目的，本发明进一步提供一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述的无线宽带通信系统的同步方法的步骤。
为实现上述目的，本发明进一步提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的无线宽带通信系统的同步方法的步骤。
通过以上方案可知，本发明实施例提供的一种无线宽带通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质；在本方案中，无线宽带通信系统在实现频谱动态重构时，首先需要选择传输数据的子信道，并在该子信道为的偶数子载波上发送实伪随机序列、在奇数子载波上发送零，通过这种方式，可以使得接收端所接收的同步序列具有共轭中心对称性，具有优异的同步性能；也即：本方案中的无线宽带通信系统在实现频谱动态重构时，即使只选取了其中部分子信道并以上述规律在其包含的子载波上发送序列，但是其频域序列对应的时域序列依然满足共轭中心对称性质，进而可执行同步操作。可见，本申请通过对子信道信息进行编排，可构造具备频谱动态重构能力的同步序列，满足认知无线电动态征用与释放频谱资源的需求；并且，通过利用序列的共轭中心对称性质执行同步操作，使得同步操作具有优异的同步性能；并且，本发明公开的定时函数计算方法，可以大大减少了利用共轭中心对称性质计算自相关函数所需的计算复杂度，减少硬件资源的消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有方案的OFDM波形信道带宽子信道划分模型示意图；
图2为现有方案的独立控制信道设计示意图；
图3为现有方案的射频前端工作频段子信道划分模型示意图；
图4为现有方案的基于OFDM体制的宽带自主选频通信系统示意图；
图5为现有方案的OFDM系统模型示意图；
图6为本发明实施例公开的无线宽带通信系统的同步方法流程示意图；
图7为本发明实施例公开的Park训练符号的时域结构示意图；
图8为本发明实施例公开的定时一偏移估计函数曲线示意图；
图9为本发明实施例公开的定时另一偏移估计函数曲线示意图；
图10为本发明实施例公开的基于共轭中心对称序列的同步原理示意图；
图11为本发明实施例公开的一种频谱可动态重构的OFDM系统同步方法实现示意图；
图12为本发明实施例公开的一种无线宽带通信系统的同步装置结构示意图；
图13为本发明实施例公开的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图5，为现有方案的OFDM系统模型示意图，如图5所示，发送数据经过信道编码，QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）映射，IFFT（Inverse FastFourier Transform，离散傅立叶反变换的快速算法）和加CP（Cyclic Prefix，循环前缀）等处理后得到OFDM信号，再经过无线信道传输。接收端先要对接收信号进行同步处理，估计并补偿符号定时和载波频率偏差，才能保证后续QAM解映射，信道解码等处理正确进行。
针对OFDM系统的同步问题，目前为止已经有许多这方面的研究。在实际系统中，一般采用基于训练序列的同步方法，训练序列虽然会降低系统的传输效率，但以牺牲一定的传输效率为代价来提高同步的速度、精度和稳定度是十分值得的。基于训练序列的OFDM系统同步方法中比较有名的是Schmidl算法、Minn算法和Park算法，这些方法的基本思想都是发送端发送具有特定重复结构的训练序列，接收端根据训练序列的重复结构，计算接收信号的相应自相关函数，在此基础上，利用自相关峰值及其相位信息分别实现符号定时同步和载波频偏估计。Schmidl算法、Minn算法主要利用重复结构，因此，实现简单、且能够满足同步序列频谱重构的要求，但是，性能一般。Park算法通过利用共轭中心对称性质，能够明显改善性能，但是计算复杂，需要占用大量计算资源。
因此，本发明实施例公开了一种无线宽带通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质，以使同步序列支持动态重构，实现无线宽带通信系统的定时同步和频偏估计，并降低硬件资源的消耗。
参见图6，本发明实施例提供的一种无线宽带通信系统的同步方法，包括：
S101、接收时域接收信号；该时域接收信号为发送端动态选择目标子信道后，在目标子信道的偶数子载波上发送实伪随机序列、在奇数子载波上发送零后传输至接收端的时域采样信号；
需要说明的是，根据离散傅立叶变换的性质，若，为实数序列，则其傅立叶变换具有共轭中心对称的特点，即
（1）
（2）
（3）
其中，
可以看出，通过Park算法执行同步操作时，可以根据共轭中心对称性质改善同步性能；并且，由于支持动态频谱接入的宽带通信系统要求信号频谱要能够动态重构，这意味着其通信波形的同步序列频谱也要支持动态重构，如果此时以子载波为单位动态更改发送数据的子载波，那么动态调整发送序列的子载波后，会影响接收端所接收同步序列的共轭中心对称性质。
在本申请中，将共享频谱区间
因此在本申请中，为了使同步序列频谱能够动态重构，与Park同步序列构造方法类似，以共享频谱区间划分为
S102、利用时域接收信号及符号定时偏移估计函数确定定时偏移估计结果，并根据定时偏移估计结果执行同步操作。
进一步，参见公式（2）可知，定时偏移估计函数在相邻两点之间有个不同乘积对，它使得在符号正确起点的数值与其它点之间的差别增大，提高了估计精度；但是，为了保证估计精度
其中， （6）
（8）
其中，为相关函数，
需要说明的是，在理想无噪声背景下，上述公式（5）所述的定时偏移估计函数曲线如图9所示。并且，公式（5）所述定时偏移估计函数在相邻两点之间有个不同求和对，它同样充分利用了序列的共轭中心对称性质使得在符号正确起点的数值与其它点之间的差别增大，提高了估计精度，同时，将乘法器转化为加法器，大大降低了所需的硬件资源，便于工程实现。
其中，本申请中的时域接收信号包括两段重复序列结构，且每段重复序列结构包括两段共轭中心对称序列，因此本申请利用时域接收信号及符号定时偏移估计函数确定定时偏移估计结果，并根据定时偏移估计结果执行同步操作时，具体包括：根据时域接收信号中的共轭中心对称序列及符号定时偏移估计函数得到定时偏移估计结果，并根据定时偏移估计结果中的峰值实现符号定时同步；根据时域接收信号中的两段重复序列结构确定频偏估计结果，并利用频偏估计结果进行频偏补偿，实现载波同步。
具体来说，由于图7所示共轭中心对称同步序列只能进行定时偏移估计，且由于只有一个相关峰值，很难合理确定判决规则，在低信噪比条件下很难实现峰值的高精度检测。针对这一问题，提出了图10所示的同步序列结构，该同步序列由四段共轭中心对称序列组成，且同时具备两段重复序列结构。因此，本申请在利用共轭中心对称性质实现定时偏移精确估计的同时，可利用重复结构实现频偏估计。进一步，图10给出了定时偏移估计的基本过程，通过分别计算
同时根据图9所示同步序列中的2段重复结构，可以得到
相应的频偏估计为：
(13)
其中，的估计范围为
参见图11，为本发明实施例公开一种频谱可动态重构的OFDM系统同步方法实现示意图，其同步序列结构如图10所示，其实现模块结构如图11所示。它共包含接收信号长度为N/2的累加计算单元、接收信号长度为N的累加计算单元、新的定时函数计算单元、峰值搜索实现定时同步单元、频偏估计单元和频偏补偿单元。综上可见，本申请通过对子信道信息进行编排，可构造具备频谱动态重构能力的同步序列，满足认知无线电动态征用与释放频谱资源的需求；并且，通过利用序列的共轭中心对称性质执行同步操作，使得同步操作具有优异的同步性能。其次，本申请还提出了一种新的基于加法运算的定时函数计算方法，可以大大减少了利用共轭中心对称性质计算自相关函数所需的计算复杂度，减少硬件资源的消耗。
下面对本发明实施例提供的同步装置进行介绍，下文描述的同步装置与上文描述的同步方法可以相互参照。
参见图12，本发明实施例提供的一种无线宽带通信系统的同步装置结构示意图，包括：
信号接收模块100，用于接收时域接收信号；所述时域接收信号为发送端动态选择目标子信道后，在所述目标子信道的偶数子载波上发送实伪随机序列、在奇数子载波上发送零后传输至接收端的时域采样信号；
同步模块200，用于利用所述时域接收信号及符号定时偏移估计函数确定定时偏移估计结果，并根据所述定时偏移估计结果执行同步操作。
其中，所述符号定时偏移估计函数为：；
其中，；
；
其中，N为同步符号长度，
其中，所述时域接收信号包括两段重复序列结构，且每段重复序列结构包括两段共轭中心对称序列。
其中，所述同步模块包括：
定时同步单元，用于根据所述时域接收信号中的共轭中心对称序列及所述符号定时偏移估计函数得到定时偏移估计结果，并根据所述定时偏移估计结果中的峰值实现符号定时同步；
载波同步单元，用于根据所述时域接收信号中的两段重复序列结构确定频偏估计结果，并利用所述频偏估计结果进行频偏补偿，实现载波同步。
参见图13，本发明实施例还公开了一种电子设备结构示意图，包括：
存储器11，用于存储计算机程序；
处理器12，用于执行所述计算机程序时实现上述任意方法实施例所述的无线宽带通信系统的同步方法的步骤。
在本实施例中，设备可以是PC（Personal Computer，个人电脑），也可以是智能手机、平板电脑、掌上电脑、便携计算机等终端设备。
该设备可以包括存储器11、处理器12和总线13。
其中，存储器11至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器11在一些实施例中可以是设备的内部存储单元，例如该设备的硬盘。存储器11在另一些实施例中也可以是设备的外部存储设备，例如设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器11还可以既包括设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器11不仅可以用于存储安装于设备的应用软件及各类数据，例如执行同步方法的程序代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
处理器12在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit,CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器11中存储的程序代码或处理数据，例如执行同步方法的程序代码等。
该总线13可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称EISA)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图13中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
进一步地，设备还可以包括网络接口14，网络接口14可选的可以包括有线接口和/或无线接口（如WI-FI接口、蓝牙接口等），通常用于在该设备与其他电子设备之间建立通信连接。
可选地，该设备还可以包括用户接口15，用户接口15可以包括显示器（Display）、输入单元比如键盘（Keyboard），可选的用户接口15还可以包括标准的有线接口、无线接口。可选地，在一些实施例中，显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。其中，显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元，用于显示在设备中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。
图13仅示出了具有组件11-15的设备，本领域技术人员可以理解的是，图13示出的结构并不构成对设备的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例所述的无线宽带通信系统的同步方法的步骤。
其中，该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory ，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory ，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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