CN102480456A - 一种基于参考序列的频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参考序列的频偏估计方法，包括：步骤一，从接收端接收的OFDM信号中获取2对时间间隔有差异的参考序列；步骤二，根据OFDM系统的配置参数获得与2对参考序列相对应的2对本地导频序列；步骤三，通过对每对参考序列及其对应的本地导频序列进行差分乘积，获得每对参考序列的相位信息；步骤四，将2对参考序列的相位信息共轭相乘，获得一个新的相位信息；步骤五，根据所述新的相位信息进行频偏估计，获得频偏估计值。本发明所述方法适用于OFDM系统基于参考序列的频率跟踪，解决了传统方法频偏跟踪范围较窄的问题，在扩大频偏估计范围的同时能保证优异的估计性能，算法复杂度低，实用性强。

Description

一种基于参考序列的频偏估计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于参考序列的频偏估计方法。

背景技术

频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术已成为3G和4G无线通信系统的关键技术，是一种可以有效对抗符号间干扰的多载波通信技术。与传统的频分多路传输方法不同，OFDM系统各个子载波之间相互正交，各个子载波的频谱部分重叠，从而可以更大限度的利用频域。OFDM技术已经成功的应用于对称数字环路(Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL)，无线本地环路(wireless Local Loop，WLL)、数字音频广播(Digital AudioBroadcasting，DAV)、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、3GPP长期演进型(Long Time Evolution，LTE)等系统中，获得了很好的性能。

与传统单载波通信系统不同，OFDM系统对于时间同步和频率偏移非常敏感，时间定时不准确时，相邻OFDM符号会进入当前处理的OFDM符号上，从而导致符号间干扰；而频率偏移会引入子载波间干扰，破坏OFDM系统中子载波间的正交性。这两种干扰都会大大降低OFDM系统的性能，因而定时和频率同步是OFDM系统实现高性能的关键。

传统的频率偏移补偿分为粗频偏估计和细频偏估计两种方式，也就是整数倍频偏估计和分数倍频偏估计。整数倍频偏估计通常利用接收参考序列和本地参考序列相关得到；分数倍频偏通估计通常利用参考序列差分相关的方法或基于CP的方法实现。传统的利用参考序列估计频偏的方法的分数倍频偏估计范围，决定于参考序列间的时间间隔。当参考序列时间上并不连续时，频偏估计范围根据时间间隔增大线性的减小，如实际LTE和LTE-A中，解调参考序列的时间间隔为三或四个OFDM符号(含CP)时，利用通用解调参考序列估计频偏所能得到的分数倍频偏范围为六分之一或八分之一的子载波间隔。只有相邻参考序列在时间上相邻一个OFDM符号时，所能估计的频偏范围为二分之一的子载波间隔。但在实际系统的应用中，考虑到频谱效率的问题，参考序列在时间上不可能这么密集的发送。

现有的分数倍频偏的估计方法中，基于CP的方法虽然频偏跟踪范围为整个分数倍频偏分布范围，但是由于CP易受前一个OFDM符号的多径信号污染，其估计精度并不高；而现有基于参考序列的估计方法，由于参考序列并不一定在相邻OFDM符号上，导致其频偏跟踪范围很窄，无法满足分数倍频偏估计范围在二分之一子载波间隔的要求，制约了算法的应用范围。因此传统的利用参考序列估计频偏的方法具有明显的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于参考序列的频偏估计方法，该方法可以扩大频偏估计范围。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种基于参考序列的频偏估计方法，包括以下步骤：

步骤一，从接收端接收的OFDM信号中获取2对时间间隔有差异的参考序列；所述步骤一的详细实现过程为：接收端接收发送装置发送的OFDM信号，然后对所述OFDM信号进行去CP和FFT变换，获得频域信号；从所述频域信号中抽取2对参考序列，得到时间维上第u个含参考序列的OFDM符号对应的频域参考序列Y_u(k)，u＝{p，q，m，n}，以及时间维上相邻子载波的采样间隔L_p，q和L_m，n，L_p，q为与Y_p(k)和Y_q(k)对应的时域信号的时间间隔采样数，L_m，n为与Y_m(k)和Y_n(k)对应的时域信号的时间间隔采样数，L_m，n≠L_p，q。所述子载波的采样间隔L_p，q和L_m，n满足条件： $\left\{\begin{array}{c}{L}_{m,n}-L_{p,q}<L_{p,q}\\ L_{m,n}-L_{p,q}<L_{m,n}\end{array}\right..$

步骤二，根据OFDM系统的配置参数获得与2对参考序列相对应的2对本地导频序列；所述步骤二的详细实现过程为：根据OFDM系统的配置参数获得与2对参考序列对应的本地导频序列X_u(k)，u＝{p，q，m，n}。

步骤三，通过对每对参考序列及其对应的本地导频序列进行差分乘积，获得每对参考序列的相位信息；所述步骤三的详细实现过程为：所述2对参考序列的相位信息分别为λ_p，q和λ_m，n： ${\mathrm{\&lambda;}}_{p,q}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{Y}_p\left(k\right)Y_q^{*}\left(k\right)X_q\left(k\right)X_p^{*}\left(k\right),$ ${\mathrm{\&lambda;}}_{m,n}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{Y}_m\left(k\right)Y_n^{*}\left(k\right)X_m^{*}\left(k\right)X_n\left(k\right).$

步骤四，将2对参考序列的相位信息共轭相乘，获得一个新的相位信息；所述步骤四的详细实现过程为：所述新的相位信息为λ＝λ_p，q(λ_m，n)^*。

步骤五，根据所述新的相位信息进行频偏估计，获得频偏估计值。所述步骤五的详细实现过程为：利用所述新的相位信息λ进行频偏估计，获得频偏估计值为

其中N为OFDM系统的FFT大小，Δf_c为OFDM系统的子载波间隔。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法适用于OFDM系统基于参考序列的频率跟踪，解决了传统方法频偏跟踪范围较窄的问题，在扩大频偏估计范围的同时能保证优异的估计性能，算法复杂度低，实用性强。

附图说明

图1为本发明所述的基于参考序列的频偏估计方法的流程图；

图2为有效子载波和全部子载波的关系示意图；

图3为LTE系统的端口0对应的导频信号图样。

具体实施方式

本发明通过分析参考序列的时间间隔对频偏估计范围的影响，提出通过对两对时间间隔有差异的参考序列进行差分乘积，然后将获得的相位信息共轭相乘，得到一个新的相位信息，该新的相位信息比前两对参考序列差分乘积的相位相比要小，从而使得估计的相位范围增大。本发明通过求解该新的相位信息得到频偏估计值，提高频偏估计范围，非常适合于频率选择性衰落不是很严重、或参考序列时间上非等间隔发送的OFDM系统，比如EPA信道下的LTE/LTE-A系统。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种基于参考序列的频偏估计方法，该方法的流程如图1所示，包括：

(1)接收端接收发送装置发送的时域OFDM信号，然后对OFDM信号进行去CP、FFT等处理，获得频域信号；

(2)从所述频域信号中抽取参考序列位置的数据，得到时间维上第u个含参考序列的OFDM符号对应的频域参考序列Y_u(k)，u＝{p，q，m，n}，以及时间维上相邻OFDM子载波的采样间隔L_p，q和L_m，n，L_p，q为Y_p(k)和Y_q(k)的时间间隔采样数，L_m，n为Y_m(k)和Y_n(k)的时间间隔采样数；

(3)根据参数配置得到已知导频序列X_u(k)，u＝{p，q，m，n}；

(4)根据所述频域参考序列Y_u(k)和本地导频序列X_u(k)，定义变量λ_p，q和λ_m，n，其中

(5)传统的基于参考序列的频偏估计方法是分别利用变量λ_p，q和λ_m，n来估计频偏的，频偏估计值为

同样有

其中Δf_c为OFDM系统子载波间隔，N为OFDM系统FFT大小；上述两个参数λ_p，q和λ_m，n对应的频偏估计范围分别为

和

本实施例根据所述变量λ_p，q和λ_m，n提出新定义的变量λ＝λ_p，q(λ_m，n)^*，则相对应的频偏估计值为

其估计范围为

由于参考序列在时间上并不一定是连续的，如LTE系统中，时间上相邻的参考序列可能间隔为三个或四个OFDM符号，因此传统的频偏估计方法的频偏估计范围为六分之一或者八分之一的载波频偏。本发明根据所述变量λ_p，q和λ_m，n提出新定义的变量λ＝λ_p，q(λ_m，n)^*，获得相对应的频偏估计值为

频偏估计范围为

上述估计结果

跟

和

相比，显然提升了估计结果的分布范围，其跟踪频率的范围分别为二者的

和

倍，限定条件为

本发明所述的利用两组参考序列差分乘积的共轭相乘频偏估计方法的复杂度是传统的利用参考序列估计频偏方法的复杂度的2倍。假设频域参考序列数为M，那么本发明所述的基于参考序列的频偏估计方法的复杂度为12M的乘加运算，因此本发明所述方法的复杂度很低，实用性很强。

实施例二

本实施例提供一种本发明所述的基于参考序列的频偏估计方法在一具体OFDM系统中的应用。

该OFDM系统为LTE系统，其系统配置为：

所述的LTE系统中每个资源块在频率上占据

个子载波，时间上占据

个OFDM符号，扩展CP下

(即一个资源块包含6个OFDM符号)，CP长度为FFT大小的1/4，即此时符号CP均为长CP；常规CP下(即一个子帧包含7个OFDM符号)，此时，第一个符号CP为长CP，其余6个符号CP为短CP。所述LTE/LTE-A系统的子载波间隔Δf_c＝15kHz，OFDM符号(不含CP)的时间长度为66.67μs。LTE/LTE-A系统在正常CP情况下，CP分为长CP和短CP两种情况，其中长CP的时长为5.21μs，短CP的时长为4.69μs。在时域上，每个资源块有2个OFDM符号上有导频符号；每个导频符号在频域上占据2个子载波，每个资源块的导频符号共占用4个子载波。本实施例取配置为正常CP下的10M带宽配置，其系统参数FFT大小为N＝1024，下行资源块

有效子载波数为

导频子载波为

个，一个时隙内的OFDM符号数为7个，每个时隙内的第一个OFDM符号的CP长为CP_long＝80，其余6个OFDM符号的CP长为CP_short＝72。所述有效子载波是OFDM系统中用以传输有效数据(导频子载波和数据子载波)的频域子载波。所述有效子载波在FFT大小的频域子载波上放置位置如图2所示。

LTE系统接收端接收发送装置发送的信号，经过去CP和FFT后，经解帧得到传输带宽上的导频子载波Y_u(k)，u＝{0，1，2，3}，分别对应于第一个时隙的OFDM符号0和OFDM符号4上的接收导频符号，以及第二个时隙的OFDM符号0和OFDM符号4上的接收导频符号；图3为LTE系统端口0对应的导频图样，其他端口下的图样类似。图3的获取过程为：1)根据OFDM系统的参数配置和定义的导频产生机制产生本地导频序列X_u(k)，u＝{0，1，2，3}；2)对LTE系统接收端接收的发送装置发送的信号进行处理，经过去CP、FFT等操作得到频域参考序列Y_u(k)，u＝{0，2}，分别对应于第一个时隙的OFDM符号0和第二个时隙的OFDM符号0上的接收导频符号；3)对于第一个时隙的OFDM符号4上的接收导频符号，取FFT起始开窗位置为时域OFDM符号起始点向前第V个样本，经过FFT加窗和FFT操作后，得到频率子载波信号

所述参数L_0，1＝4(N+CP_short)-V，L_1，2＝3N+2CP_short+CP_long+V，V的取舍需满足L_0，1-L_1，2＝N，才能使得频偏估计

的范围为计算得到V＝32，L_0，1＝4352，L_1，2＝3328。

根据所述时频二维上的导频信号和本地导频序列得到以下定义的参数

和

根据参数λ_0，1和λ_1，2估计频偏，所能估计的频偏范围分别为±1.751kHz和±2.308kHz；根据所述参数λ_0，1和λ_1，2定义参数λ＝λ_0，1(λ_1，2)^*，则相对应的频偏估计为

其范围为

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (7)

1.一种基于参考序列的频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，从接收端接收的OFDM信号中获取2对时间间隔有差异的参考序列；

步骤二，根据OFDM系统的配置参数获得与2对参考序列相对应的2对本地导频序列；

步骤三，通过对每对参考序列及其对应的本地导频序列进行差分乘积，获得每对参考序列的相位信息；

步骤四，将2对参考序列的相位信息共轭相乘，获得一个新的相位信息；

步骤五，根据所述新的相位信息进行频偏估计，获得频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的基于参考序列的频偏估计方法，其特征在于：所述步骤一的详细实现过程为：接收端接收发送装置发送的OFDM信号，然后对所述OFDM信号进行去CP和FFT变换，获得频域信号；从所述频域信号中抽取2对参考序列，得到时间维上第u个含参考序列的OFDM符号对应的频域参考序列Y_u(k)，u＝{p，q，m，n}，以及时间维上相邻子载波的采样间隔L_p，q和L_m，n，L_p，q为与Y_p(k)和Y_q(k)对应的时域信号的时间间隔采样数，L_m，n为与Y_m(k)和Y_n(k)对应的时域信号的时间间隔采样数，L_m，n≠L_p，q。

3.根据权利要求2所述的基于参考序列的频偏估计方法，其特征在于：所述步骤二的详细实现过程为：根据OFDM系统的配置参数获得与2对参考序列对应的本地导频序列X_u(k)，u＝{p，q，m，n}。

4.根据权利要求3所述的基于参考序列的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤三的详细实现过程为：所述2对参考序列的相位信息分别为λ_p，q和λ_m，n：

${\mathrm{\&lambda;}}_{p,q}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{Y}_p\left(k\right)Y_q^{*}\left(k\right)X_q\left(k\right)X_p^{*}\left(k\right),$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m,n}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{Y}_m\left(k\right)Y_n^{*}\left(k\right)X_m^{*}\left(k\right)X_n\left(k\right).$

5.根据权利要求4所述的基于参考序列的频偏估计方法，其特征在于：所述步骤四的详细实现过程为：所述新的相位信息为λ＝λ_p，q(λ_m，n)^*。

6.根据权利要求5所述的基于参考序列的频偏估计方法，其特征在于：所述步骤五的详细实现过程为：利用所述新的相位信息λ进行频偏估计，获得频偏估计值为其中N为OFDM系统的FFT大小，Δf_c为OFDM系统的子载波间隔。

7.根据权利要求2所述的基于参考序列的频偏估计方法，其特征在于：所述子载波的采样间隔L_p，q和L_m，n满足条件：

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