CN101686219A - 一种处理通信信号的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理通信信号的方法和系统，包括将每一已接收的采样序列和本地采样序列副本拆分为三个或更多等长的连续采样子序列；对于每一个所述三个或更多等长的连续采样子序列，确定所述已拆分的所接收的采样序列的相应采样子序列和所述本地采样序列副本之间的相关系数；基于相邻的所述确定的相关系数来确定多个相位差；对所述确定的多个相位差求平均值以生成相位增量估计。所述通信系统遵循无线标准，包括UMTS EUTRA(LTE)、WiMAX(IEEE802.16)、和/或WLAN(IEEE802.11)。

Description

一种处理通信信号的方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统领域，更具体地说，涉及一种基于复序列的相关性(correlation of complex sequence)来扩展频偏估计范围的方法和系统

背景技术

移动通信改变了人们的通信方式，移动电话已从奢侈品转变为日常生活必不可少的部分。当今，移动电话的使用由社会状况控制，而不受地域或技术的牵制。语音连接满足了通信的基本需求，而移动语音连接将会更深入的渗透到日常生活中。移动网络已成为日常信息的普遍来源，也就理所当然的采用简单、通用的移动接入技术来接入这些信息。

第三代(3G)和第四代(4G)蜂窝网专门设计用于满足将来的移动网络需求。随着这些服务的普及和使用，诸如网络容量和服务质量(QoS)的成本效益优化等因素对蜂窝运营商来说将变得比现在更为重要。这些因素可以通过精心的网络规划和运营、传输方式的改进、接收技术水平的提高来实现。最后，载波需要那些能够增强其下行链路能力的技术。

比较本发明后续将要结合附图介绍的系统，现有技术的其它缺陷和弊端对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

发明内容

一种基于复序列的相关性来扩展频偏估计范围的方法和系统将结合至少一幅附图来充分展示和/或说明，并且将在权利要求中进行完整的阐述。

根据本发明的一方面，本发明提出一种处理通信信号的方法，包括：

将每一已接收的采样序列和本地采样序列副本(replica sample sequence)拆分为三个或更多长度相似的连续采样子序列；

对于所述三个或更多长度相似的连续采样子序列之中的每一个，确定所述已拆分的所接收的采样序列的相应采样子序列和所述本地采样序列副本之间的相关系数；

基于所述确定的相关系数之中相邻的(adjacent)相关系数来确定多个相位差；以及

对所述确定的多个相位差求平均值以生成频偏估计。

作为优选，所述通信系统遵循无线标准。

作为优选，所述无线标准包括UMTS EUTRA(LTE)、WiMAX(IEEE802.16)、和/或WLAN(IEEE802.11)。

作为优选，所述子序列是等长的。

作为优选，所述方法进一步包括通过计算两数(two sums)的相位差来计算所述多个相位差，所述两数中的任一个均来自于所述确定的相关系数的一连续集(contiguous set)，且所述两个连续集是相互排斥的。

作为优选，所述两个联合的连续集包括所述确定的相关系数的一连续集。

作为优选，所述方法进一步包括对于所述求平均值，由所述确定的相位差得到采样均值。

作为优选，所述方法进一步包括通过增加多个连续采样序列来增大一可操控的频偏估计范围。

作为优选，所述接收的采用序列和所述本地采样序列副本取自于伪随机序列。

作为优选，所述方法进一步包括通过逐次逼近法(approximation)来确定所述相位差。

根据本发明的再一方面，本发明提出了一种处理通信信号的系统，包括：

一个或多个电路，所述一个或多个电路用于：

将每一已接收的采样序列和本地采样序列副本拆分为三个或更多长度相似的连续采样子序列；

对于所述三个或更多长度相似的连续采样子序列之中的每一个，确定所述已拆分的所接收的采样序列的相应采样子序列和所述本地采样序列副本之间的相关系数；

基于所述确定的相关系数之中相邻的相关系数来确定多个相位差；以及

对所述确定的多个相位差求平均值以生成频偏估计。

作为优选，所述通信系统遵循无线标准。

作为优选，所述无线标准包括UMTS EUTRA(LTE)、WiMAX(IEEE802.16)、和/或WLAN(IEEE802.11)。

作为优选，所述子序列是等长的。

作为优选，所述一个或多个电路通过计算两数(two sums)的相位差来计算所述多个相位差，所述两数中的任一个均来自于所述确定的相关系数的一连续集(contiguous set)，且所述两个连续集是相互排斥的。

作为优选，所述两个联合的连续集包括所述确定的相关系数的一连续集。

作为优选，所述一个或多个电路对于所述求平均值，由所述确定的相位差得到采样均值。

作为优选，所述一个或多个电路通过增加多个连续采样序列来增大一可操控的频偏估计范围。

作为优选，所述接收的采用序列和所述本地采样序列副本取自于伪随机序列。

作为优选，所述一个或多个电路通过逐次逼近法(approximation)来确定所述相位差。

下文将结合附图对具体实施例进行详细描述，使得本发明的各种优点、各个方面和创新特征显而易见。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的优选无线通信系统示意图；

图2是依据本发明一实施例的用于频偏估计的优选相关器示意图；

图3是依据本发明一实施例的在不同的SNR条件下的优选EUTRA频率获取特性波特图；

图4是依据本发明一实施例的优选频偏估计协议流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于复序列的相关性来扩展频偏估计范围的方法和系统。基于复序列的相关性来扩展频偏估计范围的方法和系统的各个方面包括将每一已接收的采样序列和本地采样序列副本拆分为三个或更多长度相似的连续采样子序列。对于所述三个或更多长度相似的连续采样子序列之中的每一个，确定已拆分的所接收的采样序列的相应采样子序列和本地采样序列副本之间的相关系数。基于相邻的已确定的相关系数来确定多个相位差；以及对所述确定的多个相位差求平均值以生成频偏估计。

该通信系统遵循无线标准，包括：UMTS EUTRA(通用移动通信标准，Universal Mobile Telecommunication System；进化的通用陆地无线接入，Enhanced Universal Terrestrial Radio Access)(LTE，长期演进，long-termevolution)、WiMAX(微波存取全球互通，Worldwide Interoperability forMicrowave Access)(IEEE802.16)、和/或WLAN(无线局域网，Wireless LocalAreaNetwork)(IEEE802.11)。该子序列是等长的。通过计算两数(two sums)的相位差来计算所述多个相位差，所述两数中的任一个均来自于所述确定的相关系数的一连续集(contiguous set)，且所述两个连续集是相互排斥的。所述两个联合的连续集包括所述确定的相关系数的一连续集。所述求平均值通过从所述确定的相位差得到采样均值来实现。通过增加多个连续采样序列来增大一可操控的频偏估计范围。所接收的采用序列和本地采样序列副本取自于伪随机序列。在一些情况下，伪随机序列包括复序列元素。通过线性逼近技术来确定相位差。

图1是依据本发明一实施例的优选无线通信系统示意图。参考图1，示出了接入点112b、计算机110a、路由器130、互联网132和网页服务器134。计算机或主机设备110a包括无线收发器111a、主处理器111c、主存储器111d。还示出了无线收发器111a和接入点112b之间的无线连接。

接入点112b包括用于使用例如无线收发器111a发射和接收射频(RF)信号进行数据通信的适当逻辑、电路和/或代码。接入点112b还用于通过有线网络例如与路由器130进行通信。无线收发器111a还包括能够在射频波(radio frequency wave)上与一个或多个其他无线通信设备进行通信的适当逻辑、电路和/或代码。无线收发器111a和接入点112b遵循一个或多个通信标准，例如，GSM、UMTS EUTRA(LTE)、CDMA2000、蓝牙、WiMAX(IEEE802.16)、和/或IEEE802.11无线LAN。

主处理器111c包括用于生成和处理数据的适当逻辑、电路和/或代码。主存储器111d包括用于为各种系统组件和计算机110a的功能存储和取回数据的适当逻辑、电路和/或代码。

路由器130包括用于与通信设备进行通信的适当逻辑、电路和/或代码。该通信设备与路由器130通信连接，例如通过接入点112b和/或一个或多个连接于互联网132的通信设备。

互联网132包括用于为多个通信设备提供互联以及交换数据的适当逻辑、电路和/或代码。网页服务器134包括用于与通信设备进行通信的适当逻辑、电路和/或代码，该通信设备通过例如互联网132与网页服务器134通信连接。

各种计算机和通信设备包括可使用一个或多个无线通信标准和/或协议进行通信的硬件和软件。例如，计算机或主机设备110a的用户访问互联网132，从而能够消费(consume)来自网页服务器134的数据流内容(streamingcontent)。因此，用户要在计算机110a和接入点112b之间建立无线连接。该连接一旦建立，便通过路由器130、接入点112b和无线连接接收来自网页服务器134的数据流内容，并供计算机或主机设备110a消费。

在许多通信系统中，期望能够实现例如无线收发器111a的接收器和接入点112b之间的同步。可通过将已知的数据序列从发射器发射到接收器来实现同步。这些数据序列可看作导航信号(pilot signal)、同步信号和/或参考信号。通过对导航信号、同步信号和/或参考信号的时序接收和频偏的度量(例如通过本地信号副本的相关性)来获取时序信息和频率偏移信息。期望使用低复杂度的同步协议来达到一个大的动态频偏范围。依据本发明的多个实施例，本地信号副本的子序列与所接收的信号子序列相关。基于相邻的子序列对(sub-sequence pair)从多对相关系数中计算多个相位延迟(lag)。基于对例如多个相位延迟求均值来确定频偏，多个相位延迟位于相关处理过程中的一个或多个时序延迟的位置上，此处会出现相关处理的幅度峰值。

图2是依据本发明一实施例的用于频偏估计的优选相关器示意图。参考图2，示出了多个加法器202、208、210、212、214、216、加权模块(weightingblock)204、存储器206、多个相位识别(discrimination)模块218、220、222和224、以及求均值模块226。还示出了相关性输入(correlation input)、加法器202的输出(例如，时间同步)、传至频率控制锁相环的求均值模块226的输出。

加法器202包括用于生成输出信号的适当逻辑、电路和/或代码。该输出信号与多个输入信号的总和是成比例的。加法器208、210、212、214、216与加法器202完全类似。

加权模块204包括用于生成多个权重(weighted)输出信号的适当逻辑、电路和/或代码。有关这一点，每一输出信号包括多个权重输出信号的其中一个。因此，加权模块204用于输入信号。

存储器206包括用于接收和存储多个相关系数(例如N相关系数)的适当逻辑、电路和/或代码。相关系数例如无线收发器111a处接收，该无线收发器111a包括多个子序列相关器。多个子序列相关器用于提供子相关性结果(sub-correlation result)。例如，对于完整长度的参考或相关序列(full lengthreference or correlation sequence)，该结果被设置为连续的。

相位识别模块218包括用于生成包括相位差的输出信号的适当逻辑、电路和/或代码，该相位差例如与同步信号(通过无线收发器链接来接收)和本地参考信号副本之间的频偏成比例。相位识别模块220、222、224与相位识别模块218完全类似。

求平均模块226包括用于生成输出信号的适当逻辑、电路和/或代码，该输出信号与多个输入信号的采样均值成比例。

复随机序列和/或导航信号用于协助通信系统的同步获取。这些复序列还用于估计例如基站的(例如接入点112b)传输载波频率和移动终端(例如主机110a)的接收器本地振荡频率之间的频偏。由于晶体振荡器、制造公差(manufacturing tolerance)、和/或其他因素导致的不准确，移动终端接收器振荡频率会偏离(offset)基站发射器的传输载波频率。在时间和/或频率同步过程中执行振荡器频率同步，似然(likelihood)接收器成功完成与同步相关的初始操作的可能性就会增大。另外，早在信号获取过程中的频率同步获取能力使得能够在困难条件下(例如，当信噪比(signal-to-noise)降低时)成功实现同步。

例如，复同步序列包括M复值部分(complex valued element)。复序列可拆分为例如两个部分序列(two partial sequences)。为了能够基于部分序列的自相关性获取初始频偏估计，参考序列的两个均分部分(two halves)与两个部分序列相关。根据每一个所述两个序列部分的所述两个部分相关性结果，通过计算两个部分相关性结果之间的复角增量(complex angular increment)来估计频偏。

依据本发明多个实施例，在一可操控的频率范围可成功的获取频率偏移和/或频率同步，所述频率范围可通过执行多个部分复序列的部分相关性来进行扩展。那么，复序列段/部分的数量将会增加，使得能够在更少数量的序列元素中执行更多的部分相关性，以及确定连续合成的部分相关性结果(successive resultant partial correlation results)之间的角度增量。依据本发明的多个实施例，该方法可扩展频偏范围，从而获取时间同步。

离散复值序列s[n]，长度为M，可作为时间参考序列来发射。在接收器端，例如移动终端，期望与发射器建立同步，接收信号r[n]的M个采样与参考同步序列s[n]相关(correlated against)。相关性输出可由下式给出：

$R_{\mathrm{\τ}}=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r[j+\mathrm{\τ}]s^{*}\left[j\right]$

其中，Rτ代表在偏移τ处的相关系数，*代表复共轭(complex conjugate)。为建立时间参考(例如接收的序列r[n]和参考序列s[n]之间的时间偏移)，期望能够找到max(|Rτ|)，τ≥0。当接收器频偏为f_o时，接收的信号可用下式描述：

$r^{\′}\left[n\right]=r\left[n\right]e^{j2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{nT}}$

其中，r’[n]代表被授予频偏的r[n]信号。

在有频偏的情况下，当与理想的无频偏的相关系数比较时，相关系数Rτ就会失真。那么，当与无频偏的情况下的相应最大值比较时，相关幅度的最大值就会出现在不同位置。当此情况发生时，就会确定不正确的同步时间，而当使用此不正确的同步时间来估计频偏时，就会得到不理想的频率偏移估计。

依据本发明多个实施例，期望建立正确的时间同步，特别在有频率偏移的情况下。为了增加相关性过程的最大幅度与正确的头部时间一致的可能性，总相关性过程会被分解为几个短的相关性过程，再将最终的幅度合成。

例如，复值离散序列s[n]＝{s[0]，s[1]，...，s[M-1]}可作为时间参考来发射。时间同步可提供相关性来建立。在本实施例中，替代了先前描述的对M个采样的相干执行，接收的序列和本地生成的参考序列副本的相关性可被分为N段，每一段包括p个元素，也即N＝M/p。本地副本采样子序列与所接收的采样子序列相关，以生成相关系数序列R’_k。序列R’_k(k＝0，1，...，N-1)存储在存储器206中以用在多个加法器208-216的处理中。相关幅度由例如依据以下式子给出：

L个相邻的相关系数R’_k由加法器208-216相加以生成例如y[n]。例如，如图2所示，加法器216生成y[0]，加法器214生成y[1]。

本发明的多个实施例中，N/L个相干建立的相关结果y[k]确定贯穿于完整的相关长度(M)的N/L-1个相位增量。然而，依赖于需要的频偏范围，N/L个相关子段意味着采样频率与期望的偏移范围强相关。这就导致了小的角度增量估计(反过来又影响了频率控制锁相环的动态(dynamics))。

如图2所示，两个连续相关结果之间的角度差(例如y[n]和y[n+1]之间)由下式来估计，如优选相位识别模块218、220、222、224所示：

Δθ_n＝arctan(Im(y[n+1]y^*[n])/Re(y[n+1]y^*[n]))，n＝0，1，...，N/L-1.

在一些情况下，y[n]和y[n+1]之间的相位差可通过线性逼近反正切函数(arctan)来进行逼近。

平均角度增量

可由N/L个估计通过下式来进行估计：

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{N/L-1}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\θ}}_m$

其中N/L个相位增量可由求均值模块226进行求平均处理，以产生一个平均的角度增量。

依据本发明多个实施例，期望短相干相关段的幅度总和能够建立正确的时间，由于角度增量的估计来自更长的相干相关段，因此期望有更长的相干相关段。这就允许了有效的频率控制动态，导致了大的频率控制范围。为克服这些潜在的冲突标准(conflict criteria)，二者需要一起实现。所接收的信号包括伪随机序列。

图3是依据本发明一实施例的在不同的SNR条件下的优选EUTRA频率获取特性波特图，示出了SNR 10dB波特图302、SNR 0dB波特图304、SNR-10dB波特图306。横坐标代表时隙的数量，纵坐标代表频偏。

依据本发明一优选实施例，主同步信号(PSS，primary synchronizationsignal)在E-UTRA(LTE)标准中进行了定义。复信号序列可具体为Zadoff-Chu序列、例如长度为63，凿孔序列的(puncturing)最中间一个点。这些序列再被映射到例如DC任一边的32个子载波。在信号的基础速率(fundamantalrate)，这与长度为63的时域序列一致。然而，为了能够为主同步的获取得到期望的采样特性(例如，频率偏移估计和/或频率偏移范围扩展)或为了检测第二同步信号(SSS)进行信道估计，信号的时域表现(representation)为过采样。一优选的过采样因数为2，可以生成主同步信号的128个采样副本，也就是说，主同步所执行的参考信号包括128个复分量。例如，在E-UTRA规定的参数(numerology)中，这就意味着基础(fundamental)采样速率为1.92MHz。

依据本发明其中一个实施例，对于例如2GHz载波频率，当频偏达到±15ppm或更大时仍能成功获取PSS，上述的同步策略的优选参数如下表所示。

M	128
		N	16
P	8
		L	4

通过合理的选择上述参数可改变所能达到的频偏获取范围，但需要单独对成本/收益、降低/增强主同步、高/低SNR(信噪比)进行折衷，

依据本发明多个实施例，SNR10dB波特图302示出了快速收敛(convergence)至0频偏的情况。SNR 0dB波特图304示出了需要较多间隙才能达到0频偏的较慢收敛情况。相应地，SNR-10dB波特图306示出了波特图302、SNR波特图304、SNR波特图306三者之中的最慢收敛。这样，SNR越高，频偏获取就越快。

图4是依据本发明一实施例的优选频偏估计协议流程图。在初始化步骤402之后，步骤404生成相关系数R’_k(如图2所示，从所接收的信号中生成)。在步骤406中，相关系数R’_k被拆分为N/L组，每组有p个元素。对于每一组，处理相关系数R’_k以生成例如加法器208-216的输出信号集{y[n]}。步骤408中，处理加法器的输出信号以生成N/L-1个相位变化参量(term){Δθ_n}，如图2所示。在步骤410中，对相位变化参量求平均值以生成角度增量估计

依据本发明多个实施例，在一些情况下，导致输出{y[n]}的子序列是任意长度的，该长度为每一输出独立地确定。在一些情况下，计算相位变化参量包括非线性功能。在那些情况下，需要对相位变化进行线性逼近，例如一次逼近。对于小相位变化参量来说这种需要会更加明显。

依据本发明多个实施例，基于复序列的相关性来扩展频偏估计范围的方法和系统包括将每一已接收的采样序列r[n]和本地采样序列副本s^*[n]拆分为三个或更多长度相似的连续采样子序列，如图2所示。对于每一个所述三个或更多长度相似的连续采样子序列，确定所述已拆分的所接收的采样序列的相应采样子序列和所述本地采样序列副本之间的相关系数y[n]。基于所述确定的相关系数之中相邻的相关系数来确定多个相位差，例如Δθ_i，对所述确定的多个相位差求平均值以生成频偏估计

如图2所示。

通信系统遵循无线标准，包括UMTS EUTRA(LTE)、WiMAX(IEEE802.16)、和/或WLAN(IEEE802.11)。子序列为例如等长的。通过计算两数(two sums)的相位差来计算所述相位差，所述两数中的任一个均来自于所述确定的相关系数的一连续集(contiguous set)，且所述两个连续集是相互排斥的。例如，两数为

和

并生成以相位差Δθ₀，如图2所示。所述两个联合的连续集包括所述确定的相关系数的一连续集，例如{R’₀，...，R’_2L-1}。

对于求平均值，例如求均值模块226，由所述确定的相位差Δθi得到采样均值。

通过增加多个连续采样序列来增大一可操控的频偏估计范围，如图2所示。所述接收的采用序列和本地采样序列副本取自于伪随机序列。在一些实施例中，伪随机序列包括复序列元素。通过线性逼近技术来确定所述相位差，如图2和图4所示。

本发明另一个实施例提供机器和/或计算机可读存储器和/或媒介，其上存储有包括由机器和/或计算机执行的至少一段代码的机器代码和/或计算机程序，使得机器和/或计算机完成文中所描述的用于基于复序列的相关性来扩展频偏估计范围的方法和系统的步骤。

总之，本发明可用硬件、软件、固件或其中的组合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集成的方式实现，或将不同的组件置于多个相互相连的计算机系统中以分立的方式实现。任何计算机系统或其他适于执行本发明所描述方法的装置都是适用的。典型的硬件、软件和固件的组合为带有计算机程序的专用计算机系统，当该程序被装载和执行，就会控制计算机系统使其执行本发明所描述的方法。

本发明还可嵌入计算机程序产品中，包含能够确保本发明所描述方法执行的所有特征。一旦装载于计算机系统中，该产品就能够执行这些方法。本发明中的计算机程序可为任何形式、任何语言、代码或符号，具有一组指令使得系统具有直接或按以下一种或两种方式执行特定功能的信息处理能力：a)转换为另一种语言、代码或符号；b)以不同的物质方式再现。然而，本领域的技术人员所能够理解的其他计算机程序的方式也在本发明的考虑范围。

本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种处理通信信号的方法，其特征在于，包括：

将每一已接收的采样序列和本地采样序列副本拆分为三个或更多长度相似的连续采样子序列；

对于所述三个或更多长度相似的连续采样子序列之中的每一个，确定所述已拆分的所接收的采样序列的相应采样子序列和所述本地采样序列副本之间的相关系数；

基于所述确定的相关系数之中相邻的相关系数来确定多个相位差；以及

对所述确定的多个相位差求平均值以生成频偏估计。

2、根据权利要求1所述的处理通信信号的方法，其特征在于，所述通信系统遵循无线标准。

3、根据权利要求2所述的处理通信信号的方法，其特征在于，所述无线标准包括UMTS EUTRA(LTE)、WiMAX(IEEE802.16)、和/或WLAN(IEEE802.11)。

4、根据权利要求1所述的处理通信信号的方法，其特征在于，所述子序列是等长的。

5、根据权利要求1所述的处理通信信号的方法，其特征在于，进一步包括通过计算两数的相位差来计算所述多个相位差，所述两数中的任一个均来自于所述确定的相关系数的一连续集，且所述两个连续集是相互排斥的。

6、根据权利要求5所述的处理通信信号的方法，其特征在于，所述两个联合的连续集包括所述确定的相关系数的一连续集。

7、一种处理通信信号的系统，其特征在于，包括：

一个或多个电路，所述一个或多个电路用于：

将每一已接收的采样序列和本地采样序列副本拆分为三个或更多长度相似的连续采样子序列；

对于所述三个或更多长度相似的连续采样子序列之中的每一个，确定所述已拆分的所接收的采样序列的相应采样子序列和所述本地采样序列副本之间的相关系数；

基于所述确定的相关系数之中相邻的相关系数来确定多个相位差；以及

对所述确定的多个相位差求平均值以生成频偏估计。

8、根据权利要求7所述的处理通信信号的系统，其特征在于，所述通信系统遵循无线标准。

9、根据权利要求8所述的处理通信信号的系统，其特征在于，所述无线标准包括UMTS EUTRA(LTE)、WiMAX(IEEE802.16)、和/或WLAN(IEEE802.11)。

10、根据权利要求7所述的处理通信信号的系统，其特征在于，所述子序列是等长的。

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