CN101945073A - 基于导频的时偏估计装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于导频的时偏估计装置和方法，该时偏估计装置基于接收导频序列进行多用户的时偏估计，其包括：导频位信道估计模块，用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户导频位频域信道估计值；以及时偏估计模块，用于分别对每个目标用户，使用各个子载波上的导频位信道估计值的相位差进行时偏估计。该时偏估计方法包括：获取目标用户的导频位频域信道估计值；以及分别对每个目标用户，使用各个子载波上的导频位频域信道估计值的相位差进行时偏估计。该时偏估计装置为时偏补偿和时偏上报提供更加准确的测量量，降低时偏对接收机性能的影响。该时偏估计方法可以有效地估计基站和终端之间的相对时偏。

Description

基于导频的时偏估计装置和方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及移动通信领域的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统的基于导频的时偏估计装置和方法。

背景技术

LTE项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，它改进并增强了3G的空中接入技术。与3G相比，LTE(Long TermEvolution，长期演进)更具技术优势，体现在更高的用户数据速率、分组传送、降低系统延迟、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低等方面。

LTE下行链路采用OFDM技术，OFDM具有频谱利用率高、抗多径干扰等特点，OFDM系统能够有效地抵抗无线信道带来的影响。通常，OFDM系统中存在多个天线，每个天线上有多个导频位置。LTE上行链路传输方案采用带循环前缀的单载波频分复用多址系统(Single Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA)，在上行采用带循环前缀的SC-FDMA传输方案中，使用DFT(Discrete Fourier Transformation，离散傅立叶变换)获得频域信号，然后插入零符号进行频谱搬移，搬移后的信号再通过IFFT(Inverse Fast Fourier Transformation，反傅立叶变换)(因此，SC-FDMA系统也称DFT-S-OFDM(基于傅立叶变换扩展的正交频分复用)系统)，可以降低发射终端的峰均功率比。

符号定时的偏差会带来频域的相位旋转，并且会随频域符号累计相位。时域定时偏差会增加OFDM对时延扩展的敏感程度，那么系统所能容忍的时延扩展就会低于其设计值。为了尽量减小这种负面的影响，需要尽量减小时偏。因此就要对时偏进行估计，并修正这个偏差。

协议3GPP TS 36.213：″Evolved Universal Terrestrial RadioAccess(E-UTRA)；Physical layer procedures″.中给出了时偏(TA)调整上报的相关内容。基站根据上行接收信号，测量出UE上行同步时偏值，并将这个时偏调整量(TA)下发给UE，UE再根据收到的值调整自己的上发时间，从而实现上行同步过程，因此时偏估计是LTE系统必不可缺的一个部分。

符号定时偏差与子载波相位之间有对应关系，随着定时的变化，子载波上符号相位也会发生相应的变化。样值间隔的定时偏差t₀会在频域相邻两个子载波间产生的相位偏差是：

其中，N是系统采样频率对应的FFT(Fast FourierTransformation，傅立叶变换)点数。相位偏移会随载波距离线性累计增加，达到一定程度还会产生相位翻转。

根据现有技术，无法降低时偏对接收机性能的影响。

发明内容

基于上述问题，为了降低时偏对接收机性能的影响，有必要提供一种简单、易实现、能有效进行时偏估计的装置。因此，本发明提出了一种OFDM系统中基于导频的时偏估计装置和方法，以解决上述问题。

本发明的一个目的在于提供一种正交频分复用系统的基于导频的时偏估计装置。该基于导频的时偏估计装置包括：导频位信道估计模块，用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户导频位频域信道估计值；以及时偏估计模块，用于分别对每个目标用户，使用各个子载波上的导频位信道估计值的相位差进行时偏估计。

优选地，时偏估计模块使用得到的导频位频域信道估计值的相位差分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏估计值。并且，时偏估计模块将计算获得的多个导频位置、接收天线上的时偏估计值求平均。

优选地，该基于导频的时偏估计装置还包括：导频信道估计多用户分离和时域降噪模块，用于将导频位信道估计模块获取的导频位频域信道估计值变换到时域，得到时域信道估计值，计算目标用户的有效信道冲击响应窗长并分离用户，并且通过得到的时域信道估计值和目标用户的有效信道冲击响应窗将各天线的目标用户的有效信道冲击响应窗外的噪声均滤掉。

优选地，该基于导频的时偏估计装置还包括：时域信道估计值变换到频域模块，用于将通过时域降噪模块降噪而得到的降噪后的时域信道估计值变换到频域。

本发明的另一目的在于提供一种正交频分复用系统的基于导频的时偏估计方法。该方法包括：用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户的导频位频域信道估计值；以及分别对每个目标用户，使用各个子载波上的导频位频域信道估计值的相位差进行时偏估计。

优选地，分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位频域信道估计值的相位差进行时偏估计的步骤包括：使用得到的频域信道估计值的相位差分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏估计值。并且，该步骤还包括：将计算获得的多个导频位置、接收天线上的时偏估计值求平均。

优选地，在分别对每个目标用户，使用各个子载波上的导频位频域信道估计值相位差进行时偏估计之前，该基于导频的时偏估计方法还包括：将导频位信道估计模块获取的导频位频域信道估计值变换到时域，得到时域信道估计值，计算目标用户的有效信道冲击响应窗长并分离用户，并且通过得到的时域信道估计值和目标用户的有效信道冲击响应窗将各接收天线的目标用户的有效信道冲击响应窗外的噪声均滤掉；以及将通过所述时域降噪模块降噪而得到的降噪后的时域信道估计值变换到频域。

优选地，通过如下公式分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏估计值t_{0，slot_i，ka，(m)}：

$t_{0,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}*\frac{1}{M-S}*\frac{1}{S}*\left(\underset{k=1}{\overset{M-S}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{angle}(H_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}*\mathrm{conj}\left(H_{k+S,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}\right))\right),$

其中，m是目标用户；slot_i是时隙；ka是天线；M是频域信道估计值的长度；N是FFT点数；“angle()”是求角度函数；“conj()”是求共轭函数；H_{k，slot_i，ka，(m)}为第k个子载波的频域信道估计值；H_{k+S，slot_i，ka，(m)}为第k+S个子载波的频域信道估计值；S是载波间隔因子，取值整数，小于M-S，当小区配置是常规循环前缀的时候，S默认取值6，当小区配置是扩展循环前缀的时候，S默认取值2。

优选地，通过如下公式计算目标用户的有效信道冲击响应窗长L_w：

其中，有效信道冲击响应窗长L_w包括前窗长度和后窗长度，前窗长度为L_fore＝λ_fL_c，后窗长度为L_post＝λ_pL_c，则L_w＝L_fore+L_post，其中，M是频域信道估计值的长度，λ_f和λ_p是窗宽调整因子，表示下取整函数，l_cp表示循环前缀长度，L_c是计算出来的CP对应的窗长参数。

该基于导频的时偏估计装置是基于接收导频序列进行多用户的时偏估计的，从而为时偏补偿和时偏上报提供更加准确的测量量，以降低时偏对接收机性能的影响。

根据本发明的基于导频的时偏估计方法可以有效地估计基站和终端之间的相对时偏，由于采用了时域多用户分离和降噪的方法，该方案可以对单用户进行时偏估计，也可以对多个MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出技术)用户进行时偏估计，并有一定的抗噪能力，在低信噪比工作点下也能获得较准确的估计值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是SC-FDMA系统导频信号(PUSCH(Physical UplinkShared Channel，物理上行链路共享信道)信道解调参考信号)位置示意图；

图2是根据本发明的一实施例的时偏估计装置图；

图3是根据本发明另一实施例的时偏估计装置图；

图4是根据本发明一实施例的时偏估计方法流程图；以及

图5是根据本发明另一实施例的时偏估计方法流程图。

具体实施方式

功能概述

为了降低时偏对接收机性能的影响，本发明实施例提供了一种基于导频的时偏估计装置，该装置包括：导频位信道估计模块，用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户导频位频域信道估计值；以及时偏估计模块，用于分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位信道估计值的相位差进行时偏估计。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

装置实施例

根据本发明的一个实施例，如图2所示，该基于导频的时偏估计装置包括：导频位信道估计模块A，用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户导频位频域信道估计值；以及时偏估计模块D，用于分别对每个目标用户，使用各个子载波上的导频位信道估计值的相位差进行时偏估计。

根据本发明的另一实施例，如图3所示，正交频分复用系统的时偏估计装置包括导频位信道估计模块A、导频信道估计多用户分离和时域降噪模块B、时域信道估计值变换到频域模块C、时偏估计模块D。各个模块之间串联连接。

其中，导频位信道估计模块A通过用接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户的导频位频域信道估计值。导频信道估计多用户分离和时域降噪模块B用于将频域信道估计变换到时域，计算目标用户的有效信道冲击响应窗长，并分离用户，并且将各接收天线的有效信道冲击响应窗外噪声均滤掉。时域信道估计值变换到频域模块C用于将降噪后的时域信道估计值变换到频域。时偏估计模块D用于使用子载波相位差分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏估计值，并将多个导频位置、接收天线上的时偏估计值求平均。

方法实施例

根据本发明的另一方面，如图4所示，根据本发明的基于导频的时偏估计方法包括：用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户的导频位频域信道估计值S100；以及分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位频域信道估计值的相位差进行时偏估计S400。

当已经获得用户m的频域信道估计值时，对目标用户m，使用各个子载波上的频域信道估计值相位差进行时偏估计S401。

分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏值，

$t_{0,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}*\frac{1}{M-S}*\frac{1}{S}*\left(\underset{k=1}{\overset{M-S}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{angle}(H_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}*\mathrm{conj}\left(H_{k+S,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}\right))\right)$

其中，M是频域信道估计值的长度；N是FFT点数(20M-＞2048)；“angle()”是求角度函数(单位：弧度)；“conj()”是求共轭函数；H_{k，slot_i，ka，(m)}为第k个子载波的频域信道估计值；H_{k+S，slot_i，ka，(m)}为第k+S个子载波的频域信道估计值；S是载波间隔因子，取值整数，小于M-S，当小区配置是normal CP(常规循环前缀)的时候，S默认取值6，当小区配置是Extended CP(扩展循环前缀)的时候，S默认取值2。估计得到时偏值t_{0，slot_i，ka，(m)}的单位是Ts。

将多个导频位置、接收天线上的时偏估计值求平均S402。对2个导频各自算出的t₀求平均，再对接收天线求平均，得到当前子帧的时偏估计值

$\stackrel{\‾}{t_0}=\underset{\mathrm{ka}=1}{\overset{\mathrm{Ka}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{slot}=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\left(t_{0,\mathrm{ka},\mathrm{slot}}\right)$

可以用估计到得

进行时偏补偿，或者给MAC上报，以便MAC通知UE进行定时调整。

下面结合附图5对根据本发明另一实施例的技术方案的实施作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明：

首先，用接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户的导频位频域信道估计值S100；时隙slot_i和天线ka上，频域接收序列为Y_{k，slot_i，ka}，本地频域导频位置为X_k，那么信道估计H_{k，slot_i，ka}如下式所示：

$H_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka}}=\frac{Y_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka}}}{X_k}=a_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka}}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka}}},$ 1≤k≤M

对导频信道估计进行多用户分离时域降噪S200。将频域信道估计做反傅里叶变换(IFFT)变换到时域S201：

h(n)＝ifft(H(k))

计算目标用户的有效信道冲击响应窗长L_wS202，

其中，

表示下取整函数，l_cp表示循环前缀长度，L_c是计算出来的CP(循环前缀)对应的窗长参数，M是频域信道估计值的长度。

有效信道冲击响应窗长L_w包括前窗长度和后窗长度，前窗长度为L_fore＝λ_fL_c，后窗长度L_post＝λ_pL_c，λ_f和λ_p是窗宽调整因子，可以通过仿真或测试获得。

L_w＝L_fore+L_post。

设用户的个数是K_User，时域序列h(n)上存在多个用户的信道估计，对用户m，则这个用户相对母码的循环移位数

开始的左右窗(L_fore+L_post)个样点为用户m的有效信道冲击响应窗。其中，α_(m)表示第m个用户的循环移位偏移(cyclic shift)。

将各天线的窗外噪声均滤掉S203，

将降噪后的时域信道估计值变换到频域S300，

1≤m≤K_User。

对目标用户m，使用各个子载波上的信道估计值进行时偏估计；分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏值S401，

$t_{0,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}*\frac{1}{M-S}*\frac{1}{S}*\left(\underset{k=1}{\overset{M-S}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{angle}(H_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}*\mathrm{conj}\left(H_{k+S,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}\right))\right)$

其中，M是频域信道估计值的长度；N是FFT点数(20M-＞2048)；“angle()”是求角度函数(单位：弧度)；“conj()”是求共轭函数；H_{k，slot_i，ka，(m)}为第k个子载波的频域信道估计值；H_{k+S，slot_i，ka，(m)}为第k+S个子载波的频域信道估计值；S是载波间隔因子，取值整数，小于M-S，当小区配置是normal CP(常规循环前缀)的时候，S默认取值6，当小区配置是Extended CP(扩展循环前缀)的时候，S默认取值2。

将多个导频位置、天线上的时偏估计值求平均S402。对2个导频各自算出的t₀求平均，再对接收天线求平均，得到当前子帧的时偏估计值

$\stackrel{\‾}{t_0}=\underset{\mathrm{ka}=1}{\overset{\mathrm{Ka}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{slot}=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\left(t_{0,\mathrm{ka},\mathrm{slot}}\right),$

估计得到时偏估计值t_{0，slot_i，ka，(m)}、

的单位均为Ts。可以用估计到得

进行时偏补偿，或者生成同步命令字上报给MAC层，以便MAC层通知UE进行定时调整，实现上行同步。

综上所述，通过本发明的上述实施例，通过对获取的导频位频域信道估计值进行时偏估计，降低了时偏对接收机性能的影响。并且，采用本发明的时偏估计方法可以有效地估计基站和终端之间的相对时偏，由于采用了时域多用户分离和降噪的方法，使得该方案不仅可以对单用户进行时偏估计，而且可以对多个MIMO用户进行时偏估计，并有一定的抗噪能力，在低信噪比工作点下也能获得较准确的估计值。

本发明适用于OFDM系统，任何具有信号处理，通信等知识背景的工程师，都可以根据本发明设计相应的装置，所作的任何修改、等同替换、改进等，其均应包含在本发明的思想和范围内。

Claims (12)

1.一种基于导频的时偏估计装置，其特征在于，所述时偏估计装置包括：

导频位信道估计模块，用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户导频位频域信道估计值；以及

时偏估计模块，用于分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位频域信道估计值的相位差进行时偏估计。

2.根据权利要求1所述的基于导频的时偏估计装置，其特征在于，所述时偏估计模块使用得到的所述导频位频域信道估计值的相位差分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏估计值。

3.根据权利要求2所述的基于导频的时偏估计装置，其特征在于，所述时偏估计模块将计算获得的多个导频位置、接收天线上的时偏估计值求平均。

4.根据权利要求1所述的基于导频的时偏估计装置，其特征在于，还包括：

导频信道估计多用户分离和时域降噪模块，用于将所述导频位信道估计模块获取的导频位频域信道估计值变换到时域，得到时域信道估计值，计算目标用户的有效信道冲击响应窗长并分离用户，并且通过得到的时域信道估计值和目标用户的有效信道冲击响应窗将各天线的目标用户的有效信道冲击响应窗外的噪声均滤掉。

5.根据权利要求4所述的基于导频的时偏估计装置，其特征在于，还包括：

时域信道估计值变换到频域模块，用于将通过所述时域降噪模块降噪而得到的降噪后的时域信道估计值变换到频域。

6.一种基于导频的时偏估计方法，其特征在于，所述方法包括：

用于根据接收频域解调参考符号和本地频域解调参考符号计算，获取目标用户的导频位频域信道估计值；以及

分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位频域信道估计值的相位差进行时偏估计。

7.根据权利要求6所述的基于导频的时偏估计方法，其特征在于，所述分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位频域信道估计值的相位差进行时偏估计的步骤包括：使用子载波相位差分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏估计值。

8.根据权利要求7所述的基于导频的时偏估计方法，其特征在于，所述分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位频域信道估计值相位差进行时偏估计的步骤还包括：将计算获得的多个导频位置、接收天线上的时偏估计值求平均。

9.根据权利要求6所述的基于导频的时偏估计方法，其特征在于，在分别对每个目标用户，使用各个子载波上的所述导频位频域信道估计值相位差进行时偏估计之前，所述方法还包括：

将所述导频位信道估计模块获取的导频位频域信道估计值变换到时域，得到时域信道估计值，计算目标用户的有效信道冲击响应窗长并分离用户，并且通过得到的时域信道估计值和目标用户的有效信道冲击响应窗将各接收天线的目标用户的有效信道冲击响应窗外的噪声均滤掉。

10.根据权利要求9所述的基于导频的时偏估计方法，其特征在于，在将各天线的窗外噪声均滤掉之后，所述方法还包括：

将通过所述时域降噪模块降噪而得到的降噪后的时域信道估计值变换到频域。

11.根据权利要求7所述的基于导频的时偏估计方法，其特征在于，通过如下公式分别计算各个导频位置、各个接收天线上的时偏估计值t_{0，slot_i，ka，(m)}：

$t_{0,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}*\frac{1}{M-S}*\frac{1}{S}*\left(\underset{k=1}{\overset{M-S}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{angle}(H_{k,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}*\mathrm{conj}\left(H_{k+S,\mathrm{slot}\_i,\mathrm{ka},\left(m\right)}\right))\right)$

其中，m是目标用户；slot_i是时隙；ka是天线；M是频域信道估计值的长度；N是FFT点数；“angle()”是求角度函数；“conj()”是求共轭函数；H_{k，slot_i，ka，(m)}为第k个子载波的频域信道估计值；H_{k+S，slot_i，ka，(m)}为第k+S个子载波的频域信道估计值；S是载波间隔因子，取值整数，小于M-S，当小区配置是常规循环前缀的时候，S默认取值6，当小区配置是扩展循环前缀的时候，S默认取值2。

12.根据权利要求6所述的基于导频的时偏估计方法，其特征在于，通过如下公式计算目标用户的有效信道冲击响应窗长L_w：

其中，有效信道冲击响应窗长L_w包括前窗长度和后窗长度，前窗长度为L_fore＝λ_fL_c，后窗长度为L_post＝λ_pL_c，则L_w＝L_fore+L_post，

其中，M是频域信道估计值的长度，λ_f和λ_p是窗宽调整因子，

表示下取整函数，l_cp表示循环前缀长度，L_c是计算出来的CP对应的窗长参数。

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