CN102546495B - 频偏补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频偏补偿方法及装置。其中，该方法包括：当用户设备(UE)接入基站时，对UE的输入信号进行频偏值预估得到多普勒频偏值；判断多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值，如果是，根据自适应频偏校正算法对输入信号进行频偏补偿，否则，根据上行双导频频偏估计算法对输入信号进行频偏补偿。通过本发明，可以实时检测频率的变化范围、校正频偏造成的基带信号相位偏移，进而提高了基带的解调性能和系统吞吐量。

Description

频偏补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种频偏补偿方法及装置。
背景技术
根据UIC(Union Internationale des Chemins de fer，国际铁路联盟)的数据：截止2010年3月，全球投入使用的高铁里程数约为1.34万公里。在建和计划建设的高铁里程约为2.8万公里，占市场总量的68％。预计未来三年内，全球高速铁路总投资约为2000亿美元，其中，高速铁路系统中的无线通信系统的总投资将超过80亿美元。
随着无线通信技术的快速发展，高铁用户对高速率数据业务的需求也会随之剧烈增长，但是，目前的3G(3rd Generation，第三代合作伙伴计划)网络仅能提供较低的数据速率，并不能满足未来高速铁路无线通信系统的多业务需求。因此，基于LTE(Long-TermEvolution，长期演进)的高铁无线通信解决方案将会成为运营商未来关注的焦点。
在高速移动场景中，对LTE系统性能影响最大的效应是多普勒效应。当电磁波发射源与接收器发生相对运动的时候，接收到的信号的波长因为信号源和接收机的相对运动而产生变化，这会导致所接收到的传播频率发生改变。当运动速度达到一定阀值时，将会引起传输频率的明显改变，称作多普勒效应。在移动通信系统中，特别是高速场景下，这种效应尤其明显，多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示：其中，θ为终端移动方向和信号传播方向的角度，v是终端运动速度，C为电磁波传播速度，f为载波频率。
对于高速移动的用户，多普勒频偏往往非常大，对于基站接收机来说，估计和发射机之间的频率误差并完成频率误差校正是接收机必须完成的功能，否则，将对系统的链路性能造成很大影响；另外，基站接收机还需要应对频偏快速变化的问题，保证能够迅速跟上频偏变化速度并进行有效的补偿。
但是，目前的相关技术不能在基带层面实时地检测出当前子帧频率偏移的相关信息，也不能对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正，从而影响了基带信号的解调性能。
发明内容
本发明提供一种频偏补偿方法及装置，以至少解决上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种频偏补偿方法，包括：当用户设备(UE)接入基站时，对UE的输入信号进行频偏值预估得到多普勒频偏值；判断多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值，如果是，根据自适应频偏校正算法对输入信号进行频偏补偿，否则，根据上行双导频频偏估计算法对输入信号进行频偏补偿。
优选地，根据自适应频偏校正算法对输入信号进行频偏补偿，包括：对输入信号进行频偏估计；对经过频偏估计的输入信号进行频谱补偿。
优选地，对输入信号进行频偏估计，包括：利用预设的单导频信号对输入信号进行频偏范围捕捉；利用预设的双导频信号对经过频偏范围捕捉得到的输入信号进行频偏值锁定。
优选地，对经过频偏估计的输入信号进行频谱补偿，包括：对经过频偏值锁定得到的输入信号进行符号间频偏补偿；对经过符号间频偏补偿得到的输入信号进行符号内频偏补偿，得到解调信号。
优选地，自适应频偏校正算法应用于多普勒频偏值的范围为大于1000HZ。
优选地，上行双导频频偏估计算法应用于多普勒频偏值的范围为大于等于-1000HZ，且小于等于1000HZ。
根据本发明的另一方面，提供了一种频偏补偿装置，包括：第一估计模块，用于当用户设备(UE)接入基站时，对UE的输入信号进行频偏值预估得到多普勒频偏值；判断模块，用于判断多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值；第一补偿模块，用于在判断结果为是的情况下，根据自适应频偏校正算法对输入信号进行频偏补偿；第二补偿模块，用于在判断结果为否的情况下，根据上行双导频频偏估计算法对输入信号进行频偏补偿。
优选地，第一补偿模块包括：第二估计模块，用于对输入信号进行频偏估计；第三补偿模块，用于对经过频偏估计的输入信号进行频谱补偿。
优选地，第二估计模块包括：捕捉单元，用于利用单导频信号对输入信号进行频偏范围捕捉；锁定单元，用于利用双导频信号对经过频偏范围捕捉得到的输入信号进行频偏值锁定。
优选地，第三补偿模块包括：第一补偿单元，用于对经过频偏值锁定得到的输入信号进行符号间频偏补偿；第二补偿单元，用于对经过符号间频偏补偿得到的输入信号进行符号内频偏补偿，得到解调信号。
通过本发明，采用对处在高速运动场景的无线通信系统使用自适应频偏补偿对用户信号进行频偏补偿处理的方式，解决了相关技术不能实时检测频率的变化范围、校正频偏造成的基带信号相位偏移的问题，进而达到了提高基带的解调性能、系统吞吐量的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的高铁场景下多普勒效应的示意图；
图2是根据本发明实施例的频偏补偿方法流程图；
图3是根据本发明实施例的频偏补偿方法的选择示意图；
图4是根据本发明实施例的普通场景下的频偏补偿方法的流程图；
图5是根据本发明实施例的高铁场景下的频偏补偿方法的流程图；
图6是根据本发明实施例的上行链路接收端系统的信号处理示意图；
图7是根据本发明实施例的高铁场景下的频偏估计流程图；
图8是根据本发明实施例的高铁场景下的频偏补偿流程图；
图9是根据本发明实施例的频偏补偿装置的结构框图；
图10是根据本发明优选实施例的频偏补偿装置的结构框图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。
图1是根据本发明实施例的高铁场景下多普勒效应的示意图，下面结合图1对高铁场景下无线通信系统的多普勒效应进行说明。
在高速移动场景中，与普通场景主要不同点是受多普勒频移的影响比较大。例如，在频点为700M，移动速度为350Km/h时，基站侧会受到两倍的多普勒频移的影响，其最大值约等于460Hz；若移动速度为450Km/h时，两倍最大多普勒频偏值约为590Hz。目前下行普通场景的上行双导频频偏估计算法的估计范围为[-1000Hz，1000Hz]，能保证在频点为700M情况下，移动速度小于450Km/h所引起的多普勒频偏问题。在频点为700M，移动速度为350Km/h时，UE侧所受到单倍的多普勒频移的影响，其最大值约等于230Hz；若移动速度为450Km/h时，其单倍最大多普勒频偏约等于295Hz。因此，下行普通场景的上行双导频频偏估计算法能够解决该条件下的高速移动场景中的多普勒频偏问题。
但是，在频点位于大于1G的频段时，多普勒频偏值多数会超过1000Hz，此时，必须要考虑高铁场景下的频偏估计和频偏补偿算法。目前的高速铁路多采用LTE网络，LTE网络的优点是可以大幅度提高频谱利用率。因此，可以通过在基站上行链路采用自适应频偏校正方法，对上行接收数据的频偏进行实时跟踪校正，从而可以抑制高铁通信中较大的多普勒频偏所带来的系统解调性能恶化，保证高铁通信中的网络覆盖质量，能够帮助运营商打造出优质的高铁覆盖网络。
图2是根据本发明实施例的频偏补偿方法选择流程图，如图2所示，该方法主要包括以下步骤(步骤S202-步骤S204)：
步骤S202，当用户设备(UE)接入基站时，对UE的输入信号进行频偏值预估得到多普勒频偏值；
步骤S202，判断多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值，如果是，根据自适应频偏校正算法对输入信号进行频偏补偿，否则，根据上行双导频频偏估计算法对输入信号进行频偏补偿。
其中，在步骤S202中，当多普勒频偏值大于阈值时，可以根据自适应频偏校正算法对输入信号进行频偏补偿包括：对输入信号进行频偏估计；对经过频偏估计的输入信号进行频谱补偿。在本发明实施例的一个优选实施方式中，对输入信号进行频偏估计可以包括：利用预设的单导频信号对输入信号进行频偏范围捕捉，再利用预设的双导频信号对经过频偏范围捕捉得到的输入信号进行频偏值锁定；对经过频偏估计的输入信号进行频谱补偿可以包括：对经过频偏值锁定得到的输入信号进行符号间频偏补偿，再对经过符号间频偏补偿得到的输入信号进行符号内频偏补偿，得到解调信号。
在本发明实施例中，自适应频偏校正算法应用于多普勒频偏值的范围为大于1000HZ；上行双导频频偏估计算法应用于多普勒频偏值的范围为大于等于-1000HZ，且小于等于1000HZ。
图3是根据本发明实施例的频偏补偿方法的选择示意图，如图3所示，高速铁路上行链路接收端系统选择频偏补偿方法的流程为：输入信号经过频偏值预估，当多普勒频偏值未超过门限值DFO_th时，系统采用普通场景下的频偏补偿处理流程；当超过门限值DFO_th时，系统采用高铁场景下的频偏补偿处理流程。
图4是根据本发明实施例的普通场景下的频偏补偿方法的流程图，如图4所示，该流程包括：
S402，UE接入到基站中；
S404，基站上行链路预估出上行频偏值；
S406，上行频偏值未超过门限值DFO_th，系统采用普通场景下的频偏补偿处理流程。
图5是根据本发明实施例的高铁场景下的频偏补偿方法的流程图，如图5所示，该流程包括：
S502，UE接入到基站中；
S504，基站上行链路预估出上行频偏值；
S506，上行频偏值超过门限值DFO_th，系统采用高铁场景下的频偏补偿处理流程；
S508，系统首先利用单导频信号进行频偏范围捕捉，捕捉到大致的频偏范围；
S510，系统利用双导频信号进行准确的频偏值锁定；
S512，系统先进行符号间频偏补偿，然后将接收到的频域数据进行符号内频偏补偿。
图6是根据本发明实施例的上行链路接收端系统的信号处理示意图，如图6所示，高铁场景下上行链路接收端系统的信号处理通常需要经过频偏范围捕捉、频偏值锁定、频偏符号间补偿和符号内补偿等步骤。在实际应用中，可以先利用单导频信号(可以预先设定)进行频偏范围捕捉，捕捉到大致的频偏范围，再利用双导频信号(可以预先设定)进行准确的频偏值锁定。
在实际应用中，在利用单导频进行频偏范围捕捉时，可以分别对各天线、导频和用户设备做频偏估计：根据上行链路信道对应的信道估计出数据位子载波间的相位差，从而计算出当前的频偏值，利用上一帧的频偏估计值对当前估计的频偏值进行滤波，从而得到需要的导频估计范围。在频偏范围锁定的基础上，利用双导频进行频偏估计：利用同一帧两导频信道估计值计算当前帧的频偏值，利用前子帧的频偏估计值对当前子帧的频偏估计值进行滤波，从而得到当前估计的频偏值。
在本发明实施例的一个优选实施方式中，频偏补偿可以包括符号间频偏补偿和符号内频偏补偿。其中，进行符号间频偏补偿时，利用导频位频偏拉平与线性插值，然后再根据获得的非导频位信道估计中存在的频率偏移得到符号间的相位偏转，从而进行符号间频偏补偿；在进行符号内频偏补偿时，可以通过OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiple，正交频分复用)对接收到的频域数据进行符号内补偿，首先对接收到的频域数据进行插值，如果用户相邻频域资源有其它用户，则可以在开头和结尾部分分别添加相邻用户的M频域值，如果没有相邻用户则补M个0，利用滤波器滑动的方式分别对每个子载波采用相邻的M个子载波进行干扰消除。
以下结合图7、图8对图6所示的处理流程进行详细描述。
图7是根据本发明实施例的高铁场景下的频偏估计流程图，如图7所示，该流程包括以下步骤：
S702，对各天线、导频和UE做频偏估计；
S704，估计出数据位子载波间的相位差；
S706，计算出当前的频偏值；
S708，对获得的频偏值进行滤波；
S710，获得导频估计范围；
S712，利用两导频信道估计值计算当前帧的频偏值；
S714，对获得的频偏值进行滤波；
S716，获得当前的频偏值。
图8是根据本发明实施例的高铁场景下的频偏补偿流程图，如图8所示，该流程包括以下步骤：
S802，利用导频位频偏拉平与线性插值；
S804，获得非导频位信道估计中存在的频率偏移；
S806，获得符号间的相位偏转；
S808，进行符号间频偏补偿；
S810，对获得的频偏值进行滤波；
S812，对接收到的频域数据进行插值；
S814，利用滤波器滑动方式，进行干扰消除。
采用上述实施例提供的频偏补偿方法，对处在高速运动场景的无线通信系统使用自适应频偏补偿对用户信号进行频偏补偿处理，解决了相关技术不能实时检测频率的变化范围、校正频偏造成的基带信号相位偏移的问题，进而达到了提高基带的解调性能、系统吞吐量的效果。
图9是根据本发明实施例的频偏补偿装置的结构框图，该装置用以实现上述实施例提供的频偏补偿方法。如图9所示，该装置主要包括：第一估计模块10、判断模块20、第一补偿模块30以及第二补偿模块40。其中，估计模块10，用于当用户设备(UE)接入基站时，对UE的输入信号进行频偏值预估得到多普勒频偏值；判断模块20，连接至估计模块10，用于判断多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值；第一补偿模块30，连接至判断模块20，用于在判断结果为是的情况下，根据自适应频偏校正算法对输入信号进行频偏补偿；第二补偿模块40，连接至第一补偿模块30，用于在判断结果为否的情况下，根据上行双导频频偏估计算法对输入信号进行频偏补偿。
图10是根据本发明优选实施例的频偏补偿装置的结构框图，如图10所示，在该装置中，第一补偿模30块包括：第二估计模块32，用于对输入信号进行频偏估计；第三补偿模块34，连接至第二估计模块32，用于对经过频偏估计的输入信号进行频谱补偿。
在本发明实施例的一个优选实施方式中，第二估计模块32包括：捕捉单元322，用于利用单导频信号对输入信号进行频偏范围捕捉；锁定单元324，连接至捕捉单元322，用于利用双导频信号对经过频偏范围捕捉得到的输入信号进行频偏值锁定。优选地，第三补偿模块34包括：第一补偿单元342，用于对经过频偏值锁定得到的输入信号进行符号间频偏补偿；第二补偿单元344，连接至第一补偿单元342，用于对经过符号间频偏补偿得到的输入信号进行符号内频偏补偿，得到解调信号。
采用上述实施例提供的频偏补偿装置，对处在高速运动场景的无线通信系统使用自适应频偏补偿对用户信号进行频偏补偿处理，解决了相关技术不能实时检测频率的变化范围、校正频偏造成的基带信号相位偏移的问题，进而达到了提高基带的解调性能、系统吞吐量的效果。
从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：上述实施例提供的频偏补偿方法及装置可以对处在高速运动场景的无线通信系统使用自适应频偏补偿对用户信号进行频偏补偿处理，从而可以在基带层面实时地检测出当前子帧频率偏移的相关信息，也能对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正，，进而达到了提高基带的解调性能、系统吞吐量的效果。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种频偏补偿方法，其特征在于，包括：
当用户设备UE接入基站时，对所述UE的输入信号进行频偏值预估得到多普勒频偏值；
判断所述多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值，如果是，根据自适应频偏校正算法对所述输入信号进行频偏补偿，否则，根据上行双导频频偏估计算法对所述输入信号进行频偏补偿；
其中，根据自适应频偏校正算法对所述输入信号进行频偏补偿，包括：对所述输入信号进行频偏估计；对经过所述频偏估计的输入信号进行所述频偏补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述输入信号进行频偏估计，包括：
利用预设的单导频信号对所述输入信号进行频偏范围捕捉；
利用预设的双导频信号对经过频偏范围捕捉得到的输入信号进行频偏值锁定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对经过所述频偏估计的输入信号进行所述频偏补偿，包括：
对经过频偏值锁定得到的输入信号进行符号间频偏补偿；
对经过符号间频偏补偿得到的输入信号进行符号内频偏补偿，得到解调信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，自适应频偏校正算法应用于多普勒频偏值的范围为大于1000HZ。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，上行双导频频偏估计算法应用于多普勒频偏值的范围为大于等于-1000HZ，且小于等于1000HZ。
6.一种频偏补偿装置，其特征在于，包括：
第一估计模块，用于当用户设备UE接入基站时，对所述UE的输入信号进行频偏值预估得到多普勒频偏值；
判断模块，用于判断所述多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值；
第一补偿模块，用于在判断结果为是的情况下，根据自适应频偏校正算法对所述输入信号进行频偏补偿；
第二补偿模块，用于在判断结果为否的情况下，根据上行双导频频偏估计算法对所述输入信号进行频偏补偿；
其中，所述第一补偿模块包括：第二估计模块，用于对所述输入信号进行频偏估计；
第三补偿模块，用于对经过所述频偏估计的输入信号进行所述频偏补偿。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二估计模块包括：
捕捉单元，用于利用单导频信号对所述输入信号进行频偏范围捕捉；
锁定单元，用于利用双导频信号对经过频偏范围捕捉得到的输入信号进行频偏值锁定。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三补偿模块包括：
第一补偿单元，用于对经过频偏值锁定得到的输入信号进行符号间频偏补偿；
第二补偿单元，用于对经过符号间频偏补偿得到的输入信号进行符号内频偏补偿，得到解调信号。
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