CN102780655A - 协方差矩阵的确定方法、频偏估计的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种协方差矩阵的确定方法、频偏估计的方法和系统，所述确定方法应用于正交频分复用或正交频分多址系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：对于每个物理资源单元，对该接收天线在该物理资源单元内的所有导频子载波进行分组，并确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波；对于每个物理资源单元中的每一个导频子载波组，分别利用该接收天线在该导频子载波组中所包含的各导频子载波对应的等效导频子载波上接收到的接收数据，计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。利用本发明后，即使存在多个强干扰源，仍然能够准确的估计出目标用户的频率偏移值。

Description

协方差矩阵的确定方法、频偏估计的方法和系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种协方差矩阵的确定方法、频偏估计的方法和系统。

背景技术

对于基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)和OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)系统的第四代通信系统来说，发射机与接收机之间的定时同步问题是一个关键问题，如果发射机与接收机之间的频率存在偏差，将导致接收信号在频域内发生偏移，对于此种偏移，可以分为两种情况。

如图1所示，其中n为整数，所以nω_s表示频率偏移量是载波之间间隔的整数倍部分，也称之为“粗”频率偏移部分，而δω₀的绝对值不超过载波之间间隔的一半，因此称为“细”频率偏移部分。可以看到，粗频率偏移将使接收信号在频率上偏移几个载波间隔，但并不破坏OFDM子载波的正交性，也就是说，载波之间并没有能量的泄露。考虑到实际的OFDM系统通常都在频带边缘设有保护带，只要粗频率偏移的大小没有超出保护带的范围，接收侧通过某种手段即可恢复全部的发射信息，因此并不会丢失任何的信息。而δω₀所表示的不超过载波间隔的一半的频率偏移，即细频率偏移部分，破坏了OFDM传输系统子载波之间的正交性，引入了载波间干扰(Inter-CarrierInterference，简称为ICI)，将会使OFDM系统性能受到较大的影响。

产生如上所述的载波频率偏移的原因有很多，如本地振荡器(LocalizedOscillator，简称为LO)的频率误差或者信号在前端接收处理时(例如A/D(Analog to Digital，模数转换)时)产生的频率偏差等。

在现有的OFDM系统中，校正频偏的方法通常是在接收机的前端进行集中处理，通过一定的训练符号来估计并校正频偏，其校正的效果受到各种因素的影响，其性能往往得不到保证。也就是说，在基带处理的后端，系统往往仍带有一部分的残留频偏。这些残留频偏对系统性能的影响情况往往是不确定的，若该残留频偏较大，则可能直接造成较严重的ICI，影响系统性能；若该残留频偏不大，由于实际系统的载波同步不是每个OFDM符号都需要进行的，因而在一段OFDM符号内，某个固定的载波频偏可能会导致相位误差的累积，影响诸如信道估计等模块的性能，因此在基带处理时，有必要通过某些技术手段检测估计出基带信号的残留频偏，并予以矫正或补偿。

对基带信号做进一步的残留频偏估计，其难点在于没有专用的同步参考符号可以使用，需要使用数据的解调参考符号(导频)来进行。在如图2所示的实际蜂窝通信系统中，导频符号上除了存在一定的热噪声以外，往往还有来自于其他小区的干扰存在。现有的频偏估计算法，只考虑了噪声的影响，在干扰受限的场景下，性能恶化严重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种协方差矩阵的确定方法、频偏估计的方法和系统，从实际的蜂窝小区干扰受限的场景出发，在强干扰噪声环境(低信干噪比)下使用普通的数据解调导频，对基带信号进行残留频偏的精确估计。

为解决上述问题，本发明还提供了一种协方差矩阵的确定方法，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

对于每个物理资源单元，对该接收天线在该物理资源单元内的所有导频子载波进行分组，并确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波；

对于每个物理资源单元中的每一个导频子载波组，分别利用该接收天线在该导频子载波组中所包含的各导频子载波对应的等效导频子载波上接收到的接收数据，计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

进一步地，

所述确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

对位于同一个OFDM符号的频域上的属于所述导频子载波组中的所有导频子载波对应的解扰之后的导频数据进行求和之后，再除以一个大于0的常数，将结果作为该导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波。

进一步地，

所述确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

对于每一子导频载波，仅将本导频子载波作为自身对应的等效导频子载波。

进一步地，

所述计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵，具体包括：

将由该导频子载波组中各导频子载波对应的等效子载波所组成的向量与该向量的共轭矩阵相乘，得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

本发明还提供了一种频偏估计的方法，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

利用权利要求4所述方法，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

对向量

做N_FFT点的离散傅里叶变换或者快速傅里叶变换得到

后，对该向量的每个元素取其实部得到

求取该向量中元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为

其中，N_FFT为自然数，所述向量

通过计算e^HRe得到；

d_k表示导频子载波组内第k个等效导频子载波所属OFDM符号索引与该组内第一个等效导频子载波所属OFDM符号索引之间的差值。

进一步地，

所述对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

本发明还提供了一种频偏估计的方法，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

利用上述方法，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

分别取

计算e^HRe，取其中最大值对应的

值，则频偏值为 $\frac{{\mathrm{\θ}}_k}{2\mathrm{\πT}};$

其中，k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂，M₁和M₂为预设的正整数；

d_i表示该导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值。

进一步地，

所述对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

相应地，本发明还提供了一种协方差矩阵的确定系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置，用于对于每个物理资源单元，对该接收天线在该物理资源单元内的所有导频子载波进行分组，并确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波；

第二装置，用于对于每个物理资源单元中的每一个导频子载波组，分别利用该接收天线在该导频子载波组中所包含的各导频子载波对应的等效导频子载波上接收到的接收数据，计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

进一步地，

所述第一装置用于确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

所述第一装置用于对位于同一个OFDM符号的频域上的属于所述导频子载波组中的所有导频子载波对应的解扰之后的导频数据进行求和之后，再除以一个大于0的常数，将结果作为该导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波。

进一步地，

所述第一装置用于确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

所述第一装置用于对于每一子导频载波，仅将本导频子载波作为自身对应的等效导频子载波。

进一步地，

所述第二装置用于计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵，具体包括：

所述第二装置用于将由该导频子载波组中各导频子载波对应的等效子载波所组成的向量与该向量的共轭矩阵相乘，得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

本发明还提供了一种频偏估计的系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置及第二装置，用于利用上述系统，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

第三装置，用于对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

第四装置，用于对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

对向量做N_FFT点的离散傅里叶变换或者快速傅里叶变换得到

后，对该向量的每个元素取其实部得到

求取该向量中元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为

其中，N_FFT为自然数，所述向量

通过计算e^HRe得到；d_k表示导频子载波组内第k个等效导频子载波所属OFDM符号索引与该组内第一个等效导频子载波所属OFDM符号索引之间的差值。

进一步地，

所述第三装置用于对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

所述第三装置用于计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

本发明还提供了一种频偏估计的系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置及第二装置，用于利用上述系统，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

第三装置，用于对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

第四装置，用于对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

分别取

计算e^HRe，取其中最大值对应的

值，则频偏值为 $\frac{{\mathrm{\θ}}_k}{2\mathrm{\πT}};$

其中，k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂，M₁和M₂为预设的正整数；

d_i表示该导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值。

进一步地，

所述第三装置用于对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

所述第三装置用于计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

利用本发明后，在OFDM/OFDMA系统中，即使在多个强干扰源存在的情形下，系统仍然能够准确的估计出目标用户的频率偏移值，从而进行准确的频偏补偿，提高系统抗干扰性能和系统的稳定性。

附图说明

图1为现有技术中接收信号在频域内发生偏移的示意图；

图2为现有技术中蜂窝通信系统中相邻小区之间的干扰示意图；

图3为本发明实施例中协方差矩阵的确定方法的流程图；

图4为本发明应用示例1中物理资源结构图；

图5为本发明应用示例3中物理资源结构图；

图6为本发明应用示例5中物理资源结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。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任意组合。

在本实施例适用的系统中，用户在无线资源帧结构中占据的时频资源由N(N为自然数)个物理资源单元构成，其中每一个物理资源单元在时域上占据多个连续的OFDM符号，在频域上占据多个连续的子载波。

在本实施例中，OFDM/OFDMA系统频率偏移量(以下简称为频偏)估计的方法，包括：

1.对于每个物理资源单元，对该物理资源单元内所有接收天线对应的导频子载波上的数据进行处理，获得该物理资源单元上的多个协方差矩阵，如图3所示，包括：

(1)对于每个物理资源单元，接收端抽取该物理资源单元中各导频子载波上的接收信号y(i)；

其中，i＝1，…，N_p，N_p为该物理资源单元中导频子载波的数目；y(i)是N_Rx×1的列向量，当然也可以表示成1×N_Rx的行向量，N_Rx为接收天线数，其取值为自然数；

(2)对于每个物理资源单元，将该物理资源单元内的所有导频子载波分成K组，即形成K个导频子载波组，每个导频子载波组对应的导频数据为r(l)；

其中，K为自然数，l∈Ω_m，m＝1，…K，Ω_m表示第m个导频子载波组中包含的导频子载波索引集合；

(3)确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，即对于每个物理资源单元中的每个导频子载波组，如果在同一个OFDM符号的频域上存在属于该导频子载波组中的多个导频子载波，则：

A.优选的，可以将这多个导频子载波对应的解扰之后的导频数据求和(即相加)之后再除以一个大于0的常数A，将得到的结果作为该多个导频子载波中每一个导频子载波的等效导频子载波。经过此操作之后，该导频子载波组内形成M_e个等效导频子载波。其中，上述相加操作是指：将导频数据所对应的向量中相同位置的元素进行相加；M_e为该导频子载波组内所有导频子载波所占用的不同的OFDM符号的个数。

B.如果不进行上述步骤A操作，则对于每一子导频载波，仅将本导频子载波作为自身的等效导频子载波；

C.将第n个物理资源单元中的第k个导频子载波组中第m个导频子载波的等效子载波上的数据记为

其中，是N_Rx×1的列向量，当然也可以表示成1×N_Rx的行向量；n＝1，…，N；k＝1，…，K；m＝1，…，M_e；

(4)对第n个物理资源单元中的第k个等效导频子载波组，将第j个接收天线所接收到的所有导频子载波对应的数据形成一个M_e×1的列向量

其中，j＝1，…N_Rx；

然后计算协方差矩阵

并将该协方差矩阵归一化得到后

其中，优选的，

tr(·)表示对矩阵对角线元素求和，L为大于0的任意实数；或者，

||·||_F表示对矩阵的所有元素的模值平方和开根号得到的值。

2.将步骤1计算得到的所有协方差矩阵求取平均值，即将所有矩阵对应位置元素求取平均值，得到统计协方差矩阵R；

3：利用步骤2获得的协方差矩阵R进行频偏估计：包含两种可选方案

方案1：

对向量

做N_FFT(N_FFT为自然数)点的离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation，简称为DFT)或者快速傅里叶变换(FastFourier Transformation，简称为FFT)得到

后，对该向量的每个元素取实部得到

求取由各实部组成的向量中元素值最大的元素对应的索引I_max，则频偏值为其中，T为一个OFDM符号的时间长度。

其中，上述向量

是利用e^HRe计算得到；其中，

d_k表示导频子载波组内第k个等效导频子载波所属OFDM符号的索引与该组内第一个等效导频子载波所属OFDM符号的索引之间的差值，k＝1，…，M_e-1。

由于

则当e^HRe的计算结果中不存在e^jkθ时，令a_k＝0，同时可以令a₀为任意实数值。其中，k∈{1，2，…N_FFT-1}。

方案2：

分别取

k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂，计算e^HRe得到M₁+M₂+1个数值，取其中最大值对应的

值，则频偏值为

其中，

d_k表示每个导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应的时域符号索引之间的差值，k＝1，…，M-1。

此外，在本实施例中，一种协方差矩阵的确定系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置，用于对于每个物理资源单元，对该接收天线在该物理资源单元内的所有导频子载波进行分组，并确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波；

第二装置，用于对于每个物理资源单元中的每一个导频子载波组，分别利用该接收天线在该导频子载波组中所包含的各导频子载波对应的等效导频子载波上接收到的接收数据，计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

较佳地，

所述第一装置用于确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

所述第一装置用于对位于同一个OFDM符号的频域上的属于所述导频子载波组中的所有导频子载波对应的解扰之后的导频数据进行求和之后，再除以一个大于0的常数，将结果作为该导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波。

较佳地，

所述第一装置用于确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

所述第一装置用于对于每一子导频载波，仅将本导频子载波作为自身对应的等效导频子载波。

较佳地，

所述第二装置用于计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵，具体包括：

所述第二装置用于将由该导频子载波组中各导频子载波对应的等效子载波所组成的向量与该向量的共轭矩阵相乘，得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

一种频偏估计的系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置及第二装置，用于利用上述系统，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

第三装置，用于对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

第四装置，用于对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

对向量

做N_FFT点的离散傅里叶变换或者快速傅里叶变换得到

后，对该向量的每个元素取其实部得到

求取该向量中元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为

其中，N_FFT为自然数，所述向量

通过计算e^HRe得到；

d_k表示导频子载波组内第k个等效导频子载波所属OFDM符号索引与该组内第一个等效导频子载波所属OFDM符号索引之间的差值。

较佳地，

所述第三装置用于对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

所述第三装置用于计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

另一种频偏估计的系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置及第二装置，用于利用上述系统，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

第三装置，用于对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

第四装置，用于对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

分别取

计算e^HRe，取其中最大值对应的

值，则频偏值为 $\frac{{\mathrm{\θ}}_k}{2\mathrm{\πT}};$

其中，k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂，M₁和M₂为预设的正整数；

d_i表示该导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值。

较佳地，

所述第三装置用于对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

所述第三装置用于计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

下面用本发明的几个应用示例对本发明进行进一步说明。

应用示例1

在本实施例中，如图4所示，用户被分配的物理资源单元数N＝4，其中带有填充图案的子载波位置表示导频子载波。在接收端配置有8个接收天线，通过下述的操作完成协方差矩阵的计算：

(1)在每个天线接收到的每个物理资源单元上，如果接收到的数据没有经过解扰，则首选进行解扰：即将每个导频子载波上接收的数据乘以该导频子载波上发送的数据的复共轭；

(2)对于每个物理资源单元，对于每个接收天线，将导频子载波所属的OFDM符号上第一个和第四个子载波相加，在本示例中，经过相加之后得到10个等效导频子载波上的数值，即其中，n表示物理资源单元索引，i表示天线索引，这里的

是按照OFDM符号的顺序进行排列的，即表示第i个接收天线在物理资源单元n中的第一个OFDM符号上的等效导频子载波，当然也可以以其他形式排列，但都不影响本发明的技术本质。

(3)在本示例中，将每个物理资源单元上的等效导频子载波分成一个组，当然也可以分成多个组，这里以分成1个组进行说明。

(4)每个接收天线在每个物理资源单元上计算协方差矩阵，即：

$R_{n,i}=r_{n,\mathrm{eff}}^i{\left(r_{n,\mathrm{eff}}^i\right)}^H$

其中：

或者说R_n，i的第i行的第j个元素值为

或者

i＝1，…，10，j＝1，…，10。

然后对R_n，i进行归一化处理，即将R_n，i中的每个元素除以常数C。在本示中，选取C＝tr(R_n，i)或者C＝||R_n，i||_F，当然也可以选取其他实数值。

(5)通过步骤(4)可以获得32个协方差矩阵R_n，i，其中，n＝1，…，4，i＝1，…，8对这32个矩阵求取平均值得到矩阵R，即矩阵R中每个位置上的值为32个矩阵R_n，i的同一位置的元素的平均值。

(6)取

计算e^HRe得到M₁+M₂+1个数值，取其中最大值对应角度为

则频偏值为

其中，k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂，e＝[1e^j2θ…e^j18θ]^T。

应用示例2

在本示例中，如图4所示，用户被分配的物理资源单元数N＝4，其中带有填充图案的子载波位置表示导频子载波。在接收端配置有8个接收天线，通过下述的操作完成协方差矩阵的计算：

(1)在每个天线接收到的每个物理资源单元上，如果接收到的数据没有经过解扰，则首选进行解扰：即将每个导频子载波上接收的数据乘以该导频子载波上发送的数据的复共轭；

(2)对于每个物理资源单元，对于每个接收天线，将导频子载波所属的OFDM符号上第一个和第四个子载波相加，在本示例中，经过相加之后得到10个等效导频子载波上的数值，即其中，n表示物理资源单元索引，i表示天线索引，这里的

是按照OFDM符号的顺序进行排列的，即

表示第i个接收天线在物理资源单元n中的第一个OFDM符号上的等效导频子载波，当然也可以以其他形式排列，但都不影响本发明的技术本质。

(3)在本示例中，将每个物理资源单元上的等效导频子载波分成一个组，当然也可以分成多个组，这里以分成1个组进行说明。

(4)每个接收天线在每个物理资源单元上计算协方差矩阵，即：

$R_{n,i}=r_{n,\mathrm{eff}}^i{\left(r_{n,\mathrm{eff}}^i\right)}^H$

其中，

或者说是R_n，i的第i行的第j个元素值为

或者

i＝1，…，10，j＝1，…，10。

然后对R_n，j进行归一化处理，即将R_n，j中的每个元素除以常数C。在本示中，选取C＝tr(R_n，i)或者C＝||R_n，i||_F，当然也可以选取其他实数值。

(5)通过步骤(4)可以获得32个协方差矩阵R_n，i，其中，n＝1，…，4，i＝1，…，8，对这32个矩阵求取平均值得到矩阵R，即矩阵R中每个位置上的值为32个矩阵R_n，i的同一位置的元素的平均值。

(6)将e^HRe写成：

其中

得到向量

其中k＝1，…，M-1，k表示在每个导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值，本示例中为k的取值为2，4，…18。

当e^HRe的计算结果中不存在e^jkθ时(其中k∈{1，2，…N_FFT-1})，令a_k＝0，对向量

做N_FFT(N_FFT为自然数，比如可以选取为512，1024，2048等值)点的离散傅里叶变换(DFT)或者快速傅里叶变换(FFT)得到

对该向量的每个元素取实部得到

求取该向量元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为 $\frac{(I_{\max }-1)}{N_{\mathrm{FFT}}T}.$

应用示例3

在本示例中，如图5所示，用户被分配的物理资源单元数N＝6，当然N可以选取其他任意的自然数，其中带有填充图案的子载波位置表示导频子载波。在接收端配置有8个接收天线(也可以为其他任意数目的接收天线数)：

1、通过下述的操作完成协方差矩阵的计算：

(1)在每个天线接收到的每个物理资源单元上，如果接收到的数据没有经过解扰，则首选进行解扰：即将每个导频子载波上接收的数据乘以该导频子载波上发送的数据的复共轭；

(2)对于每个物理资源单元，对于每个接收天线，将导频子载波所属的OFDM符号频域上第1个和第2个导频子载波上的数值相加，在本示例中，经过相加之后得到12个等效导频子载波上的数值，即

其中，n表示物理资源单元索引，n＝1，2，3，4，i表示天线索引，i＝1，…，8。这里的

是按照导频子载波所属的OFDM符号的先后顺序进行排列的，即

表示第i个接收天线在物理资源单元n中的第一个OFDM符号上的等效导频子载波，当然也可以以其他形式排列，但都不影响本发明的技术本质。

(3)在本示例中，将每个物理资源单元上的等效导频子载波分成两个组，其中第一个组中包括等效导频子载波1、3、5、7、9、11，第二个组包括等效导频子载波2、4、6、8、10、12。

(4)每一个接收天线在每个物理资源单元上计算第一个导频子载波组的协方差矩阵，即：

$R_{n,i}^1=r_{n,\mathrm{eff}}^i{\left(r_{n,\mathrm{eff}}^i\right)}^H$

其中：

或者说R_n，i的第k行的第l个元素值为

或者

其中，k＝1，…，6，l＝1，…，6。

然后对

进行归一化处理，即将

中的每个元素除以常数C。在本示例中，选取或者

当然也可以选取其他实数值。经过该步骤，总共可以获得48个协方差矩阵。

(5)每个接收天线在每个物理资源单元上计算第二个导频子载波组的协方差矩阵：

$R_{n,i}^2=r_{n,\mathrm{eff}}^i{\left(r_{n,\mathrm{eff}}^i\right)}^H$

其中：

或者说

的第k行的第l个元素值为

或者

其中：k＝1，…，6，l＝1，…，6。

然后对进行归一化处理，即将

中的每个元素除以常数C。在本示例中，选取

或者

当然也可以选取其他实数值。总共可以获得48个协方差矩阵。

(6)通过步骤(4)和(5)可以获得96个协方差矩阵：

其中：n＝1，…，4，i＝1，…，8。对这96个矩阵求取平均值得到矩阵R，即矩阵R中每个位置上的值为96个矩阵

的同一位置的元素的平均值。

2、通过下述方法完成频偏估计：

取k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂(比如，取N_m＝600，M₁＝200，M₂＝200)计算e^HRe得到M₁+M₂+1个数值，取其中最大值对应角度为

则频偏值为

其中，e＝[1 e^j3θ…e^j15θ]^T。

应用示例4

在本示例中，如图5所示，用户被分配的物理资源单元数N＝6，当然N可以选取其他任意的自然数，其中带有填充图案的子载波位置表示导频子载波，在接收端配置有8个接收天线(也可以为其他任意数目的接收天线数)：

1、通过下述的操作完成协方差矩阵的计算：

(1)在每个天线接收到的每个物理资源单元上，如果接收到的数据没有经过解扰，则首选进行解扰：即将每个导频子载波上接收的数据乘以该导频子载波上发送的数据的复共轭；

(2)对于每个物理资源单元，对于每个接收天线，将导频子载波所属的OFDM符号频域上第1个和第2个导频子载波上的数值相加，在本示例中，经过相加之后得到12个等效导频子载波上的数值，即其中，n表示物理资源单元索引，n＝1，2，3，4，i表示天线索引，i＝1，…，8。这里的

是按照导频子载波所属的OFDM符号的先后顺序进行排列的，即

表示第i个接收天线在物理资源单元n中的第一个OFDM符号上的等效导频子载波，当然也可以以其他形式排列，但都不影响本发明的技术本质。

(3)在本示例中，将每个物理资源单元上的等效导频子载波分成两个组，其中第一个组包括等效导频子载波1、3、5、7、9、11，第二个组包括等效导频子载波2、4、6、8、10、12；

(4)每一个接收天线在每个物理资源单元上计算第一个导频子载波组的协方差矩阵，即：

$R_{n,i}^1=r_{n,\mathrm{eff}}^i{\left(r_{n,\mathrm{eff}}^i\right)}^H$

其中：

或者说是R_n，i的第k行的第l个元素为

或者

其中，k＝1，…，6，l＝1，…，6。

然后对

进行归一化处理，即将

中的每个元素除以常数C。在本示例中，选取

或者

当然也可以选取其他实数值。经过该步骤，总共可以获得48个协方差矩阵。

(5)每个接收天线在每个物理资源单元上计算第二个导频子载波组的协方差矩阵，即：

$R_{n,i}^2=r_{n,\mathrm{eff}}^i{\left(r_{n,\mathrm{eff}}^i\right)}^H$

其中，

或者说是

的第k行的第l个元素为

或者其中：k＝1，…，6，l＝1，…，6。

然后对

进行归一化处理，即将中的每个元素除以常数C。在本示例中，选取或者

当然也可以选取其他实数值。总共可以获得48个协方差矩阵。

(6)通过步骤(4)和(5)可以获得96个协方差矩阵：其中，n＝1，…，4，i＝1，…，8。对这96个矩阵求取平均值得到矩阵R，即矩阵R中每个位置上的值为96个矩阵

的同一位置的元素的平均值。

2、通过下述方法完成频偏估计：

将e^HRe写成：

其中：

得到向量

其中，k表示每个导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值，k＝1，…，M-1，在本示例中取值为3，6，…15。

当e^HRe的计算结果中不存在e^jkθ时(其中，k∈{1，2，…N_FFT-1}，N_FFT为自然数，比如可以选取为512，1024，2048等值)，令a_k＝0，同时可以令a₀为任意值。

对向量

做N_FFT点的离散傅里叶变换(DFT)或者快速傅里叶变换(FFT)得到

对该向量的每个元素取实部得到

求取该向量元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为

应用示例5

在本示例中，如图6所示，用户被分配的物理资源单元数N＝6，当然N可以选取其他任意的自然数，其中带有填充图案的子载波位置表示导频子载波。在接收端配置有8个接收天线(也可以为其他任意数目的接收天线数)：

1、通过下述的操作完成协方差矩阵的计算：

(1)在每个天线接收到的每个物理资源单元上，如果接收到的数据没有经过解扰，则首选进行解扰：即将每个导频子载波上接收的数据乘以该导频子载波上发送的数据的复共轭；

(2)对于每个物理资源单元，对于每个接收天线，将导频子载波分成两组，如图6所示，其中上面两行导频子载波形成导频子载波组1，下面两行子载波形成导频子载波组2。

(3)在本示例中，由于每个导频子载波组内，在同一个OFDM符号的频域上只有一个导频子载波，所以等效子载波数就是该组内的导频子载波数：10，在每个导频子载波组中，导频子载波上的数据为m＝1，…，10，n＝1，…，6，i＝1，…，8，k＝1，2。

(4)对第n个物理资源单元上的第i个接收天线，计算第一个导频子载波组的协方差矩阵，即：

其中， 表示

的第i个元素。或者R_n，i的第s行的第l个元素为

或者

其中，s＝1，…，10，l＝1，…，10。

然后对

进行归一化，即将

的每个元素除以常数C，在本示例中，选取

或者当然也可以选取其他实数值。经过该步骤，总共可以获得48个协方差矩阵。

(5)对第n个物理资源单元上的第i个接收天线，计算第二个导频子载波组的协方差矩阵，即：

其中：

表示的第i个元素。或者R_n，i的第k行的第l个元素为

或者

k＝1，…，10，l＝1，…，10。

然后对

进行归一化处理，即将

中的每个元素除以常数C。在本示例中，选取

或者

当然也可以选取其他实数值。经过该步骤，总共可以获得48个协方差矩阵。

(6)通过步骤(4)和(5)可以获得96个协方差矩阵：其中：n＝1，…，4，i＝1，…，8。对这96个矩阵求取平均值得到矩阵R，即矩阵R中每个位置上的值为96个矩阵的同一位置的元素的平均值。

2、通过下述方法完成频偏估计：

将e^HRe写成：

其中：

得到向量

其中k表示每个导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值，k＝1，…，M-1，在本示例中取值为1，2，…9。

当e^HRe的计算结果中不存在e^jkθ时(其中，k∈{1，2，…N_FFT-1}，N_FFT为自然数，比如可以选取为512，1024，2048等值)，令a_k＝0，同时可以令a₀为任意值。

对向量

做N_FFT点的离散傅里叶变换(DFT)或者快速傅里叶变换(FFT)得到

对该向量的每个元素取实部得到

求取该向量元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。根据本发明的发明内容，还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，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 (16)

1.一种协方差矩阵的确定方法，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

对于每个物理资源单元，对该接收天线在该物理资源单元内的所有导频子载波进行分组，并确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波；

对于每个物理资源单元中的每一个导频子载波组，分别利用该接收天线在该导频子载波组中所包含的各导频子载波对应的等效导频子载波上接收到的接收数据，计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

对位于同一个OFDM符号的频域上的属于所述导频子载波组中的所有导频子载波对应的解扰之后的导频数据进行求和之后，再除以一个大于0的常数，将结果作为该导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

对于每一子导频载波，仅将本导频子载波作为自身对应的等效导频子载波。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于：

所述计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵，具体包括：

将由该导频子载波组中各导频子载波对应的等效子载波所组成的向量与该向量的共轭矩阵相乘，得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

5.一种频偏估计的方法，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

利用权利要求4所述方法，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

对向量

做N_FFT点的离散傅里叶变换或者快速傅里叶变换得到

后，对该向量的每个元素取其实部得到求取该向量中元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为

其中，N_FFT为自然数，所述向量

通过计算e^HRe得到；

d_k表示导频子载波组内第k个等效导频子载波所属OFDM符号索引与该组内第一个等效导频子载波所属OFDM符号索引之间的差值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

7.一种频偏估计的方法，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

利用权利要求4所述方法，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

分别取计算e^HRe，取其中最大值对应的

值，则频偏值为 $\frac{{\mathrm{\θ}}_k}{2\mathrm{\πT}};$

其中，k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂，M₁和M₂为预设的正整数；

d_i表示该导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

9.一种协方差矩阵的确定系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置，用于对于每个物理资源单元，对该接收天线在该物理资源单元内的所有导频子载波进行分组，并确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波；

第二装置，用于对于每个物理资源单元中的每一个导频子载波组，分别利用该接收天线在该导频子载波组中所包含的各导频子载波对应的等效导频子载波上接收到的接收数据，计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：

所述第一装置用于确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

所述第一装置用于对位于同一个OFDM符号的频域上的属于所述导频子载波组中的所有导频子载波对应的解扰之后的导频数据进行求和之后，再除以一个大于0的常数，将结果作为该导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波。

11.如权利要求9所述的系统，其特征在于：

所述第一装置用于确定每一导频子载波组中各导频子载波对应的等效导频子载波，具体包括：

所述第一装置用于对于每一子导频载波，仅将本导频子载波作为自身对应的等效导频子载波。

12.如权利要求9～11中任意一项所述的系统，其特征在于：

所述第二装置用于计算得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵，具体包括：

所述第二装置用于将由该导频子载波组中各导频子载波对应的等效子载波所组成的向量与该向量的共轭矩阵相乘，得到该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵。

13.一种频偏估计的系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置及第二装置，用于利用权利要求12所述系统，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

第三装置，用于对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

第四装置，用于对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

对向量做N_FFT点的离散傅里叶变换或者快速傅里叶变换得到

后，对该向量的每个元素取其实部得到

求取该向量中元素的最大值对应索引I_max，则频偏值为

其中，N_FFT为自然数，所述向量

通过计算e^HRe得到；

d_k表示导频子载波组内第k个等效导频子载波所属OFDM符号索引与该组内第一个等效导频子载波所属OFDM符号索引之间的差值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：

所述第三装置用于对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

所述第三装置用于计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

15.一种频偏估计的系统，应用于正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统中的接收端，在包含至少一个物理资源单元的时频资源内对每一接收天线分别进行协方差矩阵的确定时，包括：

第一装置及第二装置，用于利用权利要求12所述系统，得到每个物理资源单元内各导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵；

第三装置，用于对于每一物理资源单元中的每一个导频子载波组，对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理，得到该导频子载波组在该接收天线上的第二协方差矩阵；

第四装置，用于对于每一物理资源单元，对该物理资源单元中所有的导频子载波在该接收天线上的第二协方差矩阵进行均值计算，得到相关矩阵R；

分别取

计算e^HRe，取其中最大值对应的

值，则频偏值为 $\frac{{\mathrm{\θ}}_k}{2\mathrm{\πT}};$

其中，k＝-M₁，-M₁+1，…，0，…，M₂，M₁和M₂为预设的正整数；

d_i表示该导频子载波组内每个导频子载波相对于该组内第一个导频子载波对应时域符号索引之间的差值。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于：

所述第三装置用于对该导频子载波组在该接收天线上的协方差矩阵进行归一化处理进行归一化处理，具体包括：

所述第三装置用于计算所述协方差矩阵与C的商，其中，C等于所述协方差矩阵中对角线元素的和与L的商，L为任意实数；或者C等于对所述协方差矩阵中所有元素的模值平方和开根号得到的值。

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