CN103188193B - 一种用于td-lte系统的多普勒偏移补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于TD-LTE系统的多普勒偏移补偿方法，包括以下步骤：1)对接收到的TD-LTE系统的信号进行预处理，获得包含多普勒频移以及循环前缀的信号；2)利用循环前缀得出信号中OFDM符号的频偏值；3)根据公式获得频偏差值，所述的公式为：其中，Δε_i为当前OFDM符号的频偏值，为前一个OFDM符号通过预测模型跟踪后得到的频偏值，Δ_i为频偏差值；4)将差值与门限值比较，判断是否在当前OFDM符号处出现频偏瞬变，若为是，则进行频偏瞬变补偿，若为否，则常规的频偏补偿。与现有技术相比，本发明根据门限值区分OFDM符号是否出现频偏瞬变，通过不同的补偿方式对其分别进行频偏补偿处理，使得频偏补偿的准确性较好。

Description

一种用于TD-LTE系统的多普勒偏移补偿方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种用于TD-LTE系统的多普勒偏移补偿方法。

背景技术

目前，3G(3^rdGeneration，第三代移动通信系统)网络在国内已经商用并迅速普及，而在4G(4^thGeneration，第四代移动通信系统)标准方面，拥有我国自主知识产权的TD-LTE标准的商用也已经提上了日程，因此为TD-LTE网络的建设寻找一种高效的规划和优化方法是备受关注的问题。

在移动无线传播环境中，由于终端的不断运动，到达接收端的多径信道是时变的，各多径信号分量的频率产生了变化，这就是多普勒频移。它会给以OFDM/FDMA为核心技术的TD-LTE系统引入子信道间干扰(ICI)，带来非常严重的地板效应，因此如何克服多普勒效应对研究TD-LTE系统具有非常重要的意义。

从TD-LTE高铁覆盖特点来看，为了保证小区间的可靠切换，需要增加小区的覆盖范围，减小小区切换次数。为了扩大小区覆盖范围，采用RRU(射频拉远单元)的网络覆盖方案，将多个RRU组网，利用基带合并技术组合到一个小区内。属于同一小区的RRU沿高速铁路部署，从而减少切换频率以提高网络性能，在下行方向，基站相当于多个站点同频分集发射，每个RRU的发射信号是相同的。手机可以在多RRU的覆盖重叠区得到接收增益，增强了下行信号的接收效果。

对于TD-LTE系统，为了满足移动终端的速度达到350km/h以上时，仍有较好的通信质量，需要考虑以下问题：

1、高速状态下的列车使多普勒频移更加明显。

2、多普勒频移的线性增加导致信号快速衰落，误码率大幅增加。

3、终端的频繁切换使得掉话更加显著。

终端移动的速率越高，系统的同步性也就越差，这就对多普勒频偏估计提出了更高的要求，需要一种更加有效、快速、便捷的方式来较准确地计算频移值。而且用户天线在下行RRU进行切换时，会产生多普勒频偏的瞬间跳动，即便采用锁相环跟踪方法也会使该段时间OFDM符号的误码率大幅增加，这也就要求在瞬变时进行直接补偿，避免切换过程出现掉话现象。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确性较好的用于TD-LTE系统的多普勒偏移补偿方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于TD-LTE系统的多普勒偏移补偿方法，包括以下步骤：

1)对接收到的TD-LTE系统的信号进行预处理，获得包含多普勒频移以及循环前缀的信号；

2)利用循环前缀得出信号中OFDM符号的频偏值；

3)根据公式计算频偏差值，所述的公式为：其中，Δε_i为当前OFDM符号的频偏值，为前一个OFDM符号通过预测模型跟踪后得到的频偏值，Δ_i为频偏差值；

4)将差值与门限值比较，判断是否在当前OFDM符号处出现频偏瞬变，若为是，则执行步骤5)，若为否，则执行步骤6)；

5)对出现频偏瞬变的OFDM符号进行频偏瞬变补偿；

6)对未出现频偏瞬变的OFDM符号进行常规的频偏补偿。

步骤1)中的信号模型根据时变瑞利信道的冲激响应以及普通多普勒频移公式得到包含多普勒频移以及循环前缀的信号模型。

步骤2)包括以下步骤：

A)通过比较循环前缀与当前OFDM符号相同的数据部分得出相位差；

B)根据相位差得到频偏估计值；

C)对频偏估计值在频域区间内进行统计平均，得出频偏值。

步骤3)中每个OFDM符号的频偏值均采用一阶滤波器进行平滑处理。

步骤4)中门限值通过统计相邻的两个OFDM符号的频偏值经过预测模型跟踪的差值分布来确定。

步骤5)中的频偏瞬变补偿包括以下步骤：

a)对当前OFDM符号的频偏值进行整数倍的直接补偿；

b)对进行直接补偿后的OFDM进行频偏估计，得到残余频偏值；

c)通过预测模型对直接补偿后的OFDM进行跟踪处理，并对残余频偏值进行补偿。

步骤a)中直接补偿的倍数为当前OFDM符号的频偏值与前一个OFDM符号经预测模型跟踪得到的频偏值相除后，再进行四舍五入得到的值。

步骤6)中常规的频偏补偿为：对步骤2)获得频偏值以时间为周期进行动态IIR滤波。

与现有技术相比，本发明根据门限值区分OFDM符号是否出现频偏瞬变，通过不同的补偿方式对其分别进行频偏补偿处理，使得频偏补偿的准确性较好。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例中频偏瞬变补偿的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种用于TD-LTE系统的多普勒偏移补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1)对接收到的TD-LTE系统的信号进行预处理，获得包含多普勒频移以及循环前缀的信号。

由普通多普勒频移公式，得f_d＝f_c·v/c·cosθ，其中f_c是信号载波频率，v是接收天线移动速度，c是光速，θ是运动方向与信号发射站点的夹角。

时变瑞利信道的离散冲激响应为：

$h\left(n\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_d{T}_{s}n/N}\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_i)$

其中：n∈[0，N-1]，i为总径数，α_i是第i径的复冲激响应，f_d为多普勒频移。

第i个OFDM符号s_i(n)经过上述冲激响应后得到的接收信号为：

$r_i\left(n\right)={\mathrm{\α}}_i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{d}n{T}_s/N_s}s\left(n\right)+w_i$

其中：n∈[-N_g，N-1]，N为IFFT点数，w_i为高斯白噪声，N_g为循环前缀的长度，N_s＝N+N_g为总采样点数。

步骤2)利用循环前缀得出OFDM符号频偏估计值。

比较r_i(n)和r_i(n+N)，发现两者的幅度相同，相位差固定，并且与f_d成正比。如果以∠r(n)和∠r(n+N)表示两者的复数相位，则它们的差值为：

$\∠\mathrm{\α}\left(n\right)=\∠r(n+N)-\∠r\left(n\right)=\frac{{2\mathrm{\πf}}_{d}N{T}_s}{N_s},$

因此可以得出： $f_d=\frac{\∠\mathrm{\α}\left(n\right)\·(N+N_g)}{{2\mathrm{\πNT}}_s}$

在区间[-N_h，-1]取统计平均，得出估计值其中N_h为取部分循环前缀的序号值，若相邻频偏估计值的相对误差小于e^-4，则把当前的序号作为h的值。这样就能得出较为准确的频偏值，且不需要复杂的设备。

步骤3)计算频偏差值。

计算当前符号的频偏估计的绝对值与前一符号经过预测模型后的频偏估计值的绝对值的差值，本实施例中使用的预测模型为AR模型，假设第i个OFDM符号上的频偏差值为：

${\mathrm{\Δ}}_i=\left|{\mathrm{\Δ\ϵ}}_i\right|-\left|\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{i-1}\right|$

其中：Δε_i为当前符号的频偏估计值，为上一符号通过AR模型跟踪后得到的当前符号的频偏估计值，AR模型的跟踪因子取0.9到1之间。

步骤4)根据门限值判断是否在当前OFDM符号处出现频偏瞬变。

门限值确定方法为：在前后两OFDM符号的频偏估计值经过AR模型跟踪后统计它们间的差值分布情况来设定，这里取λ为通过该方法得到的门限值。

根据门限值λ，判断Δ_i是否大于该值，如果大于则采用步骤5)的方法进行频偏瞬变补偿，如果小于则采用步骤6)的方法进行常规的频偏补偿。

步骤5)对于出现瞬变的OFDM符号进行频偏瞬变补偿，具体过程如图2所示。

根据之前得出的当前OFDM符号的频偏估计值f_d与前一OFDM符号经AR模型跟踪得到的频偏估计值相除，得：

$n=\frac{f_d^{`}}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_j}$

对n进行四舍五入，得到整数m的值，用于补偿该OFDM符号上产生的多普勒频偏突变。在突跳符号后锁相环未跟踪上的一段时间内，还有一些符号由于受到频偏突跳符号的影响，还将存在较大的剩余频偏。若直接利用前一个符号的AR模型跟踪后的值进行补偿，该符号上仍会残留较大的频偏值。故对于突跳波动区域传输的约20个OFDM符号，仍可以采用与突变符号相同的处理方法。

在进行直接补偿后，对该OFDM符号进行频偏估计，得到残余频偏值，然后通过预测模型对直接补偿后的OFDM进行跟踪处理，并对残余频偏值进行补偿。

步骤6)对未出现瞬变的OFDM符号频偏进行常规的频偏补偿。

对于未出现突变的符号，对步骤2)中计算出的频偏估计值fd以时间为周期进行动态IIR滤波，即以一系列的频偏估计值为门限动态修改滤波系数，从而更好地对OFDM符号进行补偿。

本发明根据门限值区分OFDM符号是否出现频偏瞬变，通过不同的补偿方式对其分别进行频偏补偿处理，使得频偏补偿的准确性较好。

Claims (7)

1.一种用于TD-LTE系统的多普勒偏移补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对接收到的TD-LTE系统的信号进行预处理，获得包含多普勒频移以及循环前缀的信号；

2)利用循环前缀得出信号中OFDM符号的频偏值；

3)根据公式获得频偏差值，所述的公式为：其中，Δε_i为当前OFDM符号的频偏值，为前一个OFDM符号通过预测模型跟踪后得到的频偏值，Δ_i为频偏差值；

4)将差值与门限值比较，判断是否在当前OFDM符号处出现频偏瞬变，若为是，则执行步骤5)，若为否，则执行步骤6)；

5)对出现频偏瞬变的OFDM符号进行频偏瞬变补偿；

6)对未出现频偏瞬变的OFDM符号进行常规的频偏补偿；

步骤5)中的频偏瞬变补偿包括以下步骤：

a)对当前OFDM符号的频偏值进行整数倍的直接补偿；

b)对进行直接补偿后的OFDM进行频偏估计，得到残余频偏值；

c)通过预测模型对直接补偿后的OFDM进行跟踪处理，并对残余频偏值进行补偿。

2.如权利要求1所述的一种用于TD-LTE系统的多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤1)中包含多普勒频移以及循环前缀的信号根据时变瑞利信道的冲激响应以及多普勒频移公式得到。

3.如权利要求1所述的一种用于TD-LTE系统的多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤2)包括以下步骤：

A)通过比较循环前缀与当前OFDM符号相同的数据部分得出相位差；

B)根据相位差得到频偏估计值；

C)对频偏估计值在频域区间内进行统计平均，得出频偏值。

4.如权利要求1所述的一种用于TD-LTE系统的多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤3)中每个OFDM符号的频偏值均采用一阶滤波器进行平滑处理。

5.如权利要求1所述的一种用于TD-LTE系统的多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤4)中门限值通过统计相邻的两个OFDM符号的频偏值经过预测模型跟踪的差值分布来确定。

6.如权利要求1所述的一种用于TD-LTE系统的多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤a)中直接补偿的倍数为当前OFDM符号的频偏值与前一个OFDM符号经预测模型跟踪得到的频偏值相除后，再进行四舍五入得到的值。

7.如权利要求1所述的一种用于TD-LTE系统的多普勒频偏补偿方法，其特征在于，步骤6)中常规的频偏补偿为：对步骤2)获得频偏值以时间为周期进行动态IIR滤波。