CN103339905A - 用于确定频率偏移的装置、方法和计算机程序 - Google Patents

Abstract

实施例涉及用于确定接收信号(12)的载波频率与被发送信号的载波频率之间的频率偏移的估计(17)的概念，该概念包括基于接收的信号(12)来确定对接收的信号(12)的载波频率的估计(13)；生成具有在预定义的容差范围内与被发送信号的载波频率相对应的参考频率的参考信号(15)；以及基于所估计的接收的信号(12)的载波频率(13)和参考信号(15)的参考频率来估计频率偏移(17)。

Description

用于确定频率偏移的装置、方法和计算机程序

技术领域

本发明的实施例涉及移动通信系统，并且更具体地，涉及对所谓的直接空对地(DA2G)通信系统中的频率偏移的估计。

背景技术

航空公司目前正在研究为它们的乘客提供宽带连接的解决方案。候选方案例如有长期演进(LTE)商业系统，LTE系统作为通用移动通信系统(UMTS)的继承者已经被标准化了。对于下行链路传输，即从基站(BS、NodeB或eNodeB)到移动终端或UE(用户设备)的方向，LTE利用正交频分多路接入(OFDMA)作为实现高数据率传输的物理层技术，尤其是在频率选择性衰落的情境中。与卫星解决方案相比，LTE作为用于地面蜂窝直接空对地(DA2G)通信系统的技术基础可以用较低的成本提供更高的带宽，所以对于航空公司的大陆机群来说是有利的选择。

LTE空中接口针对地面蜂窝网络被优化。在地面环境中，由于建筑物和其它障碍物的存在，移动通信信道中存在大量衰落并且传播损耗通常比自由空间的损耗严重得多。在直接空对地情境中，其中地面移动通信网络被用于位于飞机上的移动终端与位于地面的基站之间的通信，一些局部衰落仍然可能发生，但是这种衰落通常比地上的地面UE可能遭受的衰落要轻得多。反之，DA2G情境用具有主导视线(LOS)分量的无线通信信道来表征。被反射的路径是可忽略的，或者如果可以观察到也比直接(LOS)路径在功率上低多达20dB，且与LOS分量具有几乎相同的多普勒偏移。由于主导LOS分量，DA2G情境是多普勒偏移情境而不是像地面的地对地系统中那样的多普勒扩展情境。DA2G情境中所观察到的多普勒偏移与高达1200km/h的飞机速度有关。例如，假设中心或载波频率f_C＝2GHz并且速度v＝1200km/h，则最大多普勒偏移f_{Doppler，max}＝(v/c)f_C＝2.2kHz可以被观察到，其中c表示光速。

正交频分多路复用(OFDM)的缺点之一是其容易受载波频率偏移的影响。LTE利用15kHz的固定子载波间隔。因而，当未被补偿时，由于多普勒效应而引起的例如2.2kHz的载波频率偏移可能已经导致不可忽略的载波间的干扰，其破坏了相邻子载波之间的正交性。然而，LTE已被设计用于地面使用，并且在LTE中使用飞行员协助的信道估计方法在高速直接空对地传播情境中是不够的。所导致的高多普勒偏移不能根据可用导频信号被无异议地估计出，并且因而对被接收和/或被发送信号的适当的多普勒补偿是不可能实现的。

在从基站到移动终端(即在DA2G情境中从基站到飞机机载单元OBU)的下行链路中，离散多普勒偏移对于移动终端接收器或飞机机载单元而言就像是相对于被发送的下行链路信号的基站载波频率f_C，tx的偏移。移动终端接收器利用最先进的频率估计方法来根据所接收的下行链路信号导出被发送的下行链路信号的载波频率，并且不能在基站发送器处的频率偏移与多普勒效应所引起的频移之间进行区分。终端接收器仅仅在没有任何性能影响的情况下适配到被偏移的频率(在DA2G情境中所观察到的多普勒偏移的范围内)。

对于从移动终端到基站(即在DA2G情境中从飞机机载单元到基站)的上行链路，移动终端发送器利用根据多普勒偏移后的基站载波频率f_C，tx+f_o，Doppler导出的载波频率。对于LTE FDD(频分双工)系统，这个移动终端上行链路载波频率是多普勒偏移后的基站载波频率(f_C，tx+f_o，Doppler)加上双工偏移Δf_FDD。对于LTE TDD(时分双工)而言，移动终端上行链路载波频率是多普勒偏移后的基站载波频率(f_C，tx+f_o，Doppler)。因为来自飞机机载单元中的移动终端发送器的上行链路信号也经历多普勒偏移f_o，Doppler，所以该上行链路信号在到达基站时具有两倍于多普勒偏移的频率偏移。

这个两倍于多普勒偏移的频率偏移可能超过直接空对地情境中的基站的估计能力。同时，基站需要接收来自可能具有四倍于最大多普勒偏移的频率差异的多个移动终端或飞机机载单元的上行链路信号。四倍于多普勒偏移是因为一个移动终端(飞机)可能向远离基站的方向移动而另一个移动终端(飞机)可能以最大可允许的速度向着基站的方向移动。

因而需要在移动终端或飞机机载单元处执行两倍于多普勒偏移的多普勒预补偿。

以下技术是公知的，该技术即基于对位于地面的基站的位置(位置可以被存储在机载终端中的数据库中)以及从飞机导航系统或被内置于机载终端中的GPS(全球定位系统)接收器得到的飞机的航向和速度的了解、通过几何计算来估计直接空对地情境中的多普勒偏移。出于这个原因，移动客户端实体可以接收GPS信息和基站位置信息并计算多普勒偏移，该多普勒偏移随后可以在特定的DA2G处理实体中被补偿。

这个解决方案有两个缺点。首先，系统依赖于GPS或其它导航数据。这增加了复杂度，因为需要附加的接口或组件。所需要的对承载导航数据的飞机数据总线的访问以及所需要的附加的GPS天线限制了在飞机内部的安装位置。如果GPS信号或导航数据被破坏，则系统不能被操作。其次，需要基站及其位置的即时更新的数据库。如果新的基站被添加到通信系统中或者出现单个基站故障，则数据库就变得不准确了并且系统至少在系统的覆盖区域中的部分区域中不能正常工作。

因此，需要提供用于估计移动通信网络中(尤其是直接空对地情境中)的速度或多普勒频率的改进的估计概念。

发明内容

一个实施例提供了一种用于确定被接收信号的载波频率与被发送信号的载波频率之间的频率偏移的估计的装置。该装置包括处理器，该处理器用于基于被接收信号来确定对被接收信号的载波频率的估计。参考信号源被提供，以用于生成具有在预定的容差范围内与被发送信号的载波频率相对应的参考频率的参考信号。估计器可以基于所估计的被接收信号的载波频率和参考信号的参考频率来估计频率偏移。

在直接空对地通信情景中，其中地面移动通信网络被用于位于飞机中的移动终端与位于地面的基站之间的通信，频率偏移可以是由飞机相对于地面的移动引起的多普勒频率偏移。在这种情景中，被接收信号是被发送信号被在被接收信号的接收器(例如移动飞机上的终端)与被发送信号的发送器(例如地面基站)之间的无线通信信道折损或损坏的版本。被发送以及被接收信号可以都是下行链路信号，其中被发送的下行链路信号从地面移动通信系统的位于地面的基站被发送给飞机。

取决于所使用的地面通信系统，被发送的以及进而被接收的信号可以是码分多路复用信号(CDMA)或正交频分多路复用信号(OFDM)。CDMA信号例如被用在像UMTS系统这样的第三代移动通信系统中。如之前已说明过的，LTE系统的下行链路基于OFDM/OFDMA。要强调的是实施例不局限于CDMA或OFDM信号。实施例也可以被用于其它多路接入技术，例如TDMA(时分多路接入)或FDMA(频分多路接入)或者它们的组合，例如它们被用在GSM/EDGE通信系统中。

根据实施例，处理器可以被适配为基于被接收信号或者其频谱的中心频率来确定对被接收信号的载波频率的频率偏移的估计。这是时域信号从发送器天线设备被发送给接收器天线设备所利用的频率。

实施例可以在移动终端接收器中使用高准确性参考时钟。该参考时钟可以与用在RF(射频)和针对在发送器的已知载波频率处的被接收信号的数字处理终端接收器部件中的其它时钟相独立地运行。根据实施例，发送器可以是移动通信系统的基站。可能由于多普勒效应造成的频率偏移可以被估计为高准确性参考时钟与所估计的被接收信号的中心或载波频率之间的频率差，因为后者为发送器处的载波频率加上所经历的多普勒偏移。

在实施例中，用于确定频率偏移估计的装置可以被置于飞机的机载终端中。因而，实施例还包括一种包括用于确定频率偏移的估计的装置的飞机。在这种情况下，功率消耗、电池寿命和/或成本与像手机这样的典型的消费品移动终端相比而言是不那么重要的问题。因而，可以在这样的飞机机载终端中利用更准确和/或稳定的参考时钟。在一些实施例中，参考信号源可以与通常被用在基站中的参考时钟一样准确，这意味着参考信号源可以具有±0.05ppm(每百万分之)的准确度，其中一百万分之一表示每1,000,000份中的一份、10⁶中的一份和值1×10^-6。对于示例性标称参考频率f_C＝2GHz，±0.05ppm的准确度意味着参考时钟所生成的实际频率不会偏离标称参考频率超过±100Hz。

在一个实施例中，参考信号源包括运行在与发送器相同的频率处的高准确性参考时钟，发送器可以是基站发送器。估计器可以包括频率比较器，以通过高准确性参考时钟信号与本地振荡器的信号的比较来估计频率偏移或多普勒偏移，本地振荡器被调谐到被接收信号或其频谱的中心频率。换言之，参考信号源可以包括可调谐本地振荡器，并且处理器可以被适配为基于被接收信号，将可调谐本地振荡器的频率同步为被接收信号的载波频率以得到可调谐本地振荡器的被同步的频率作为被接收信号的载波频率的估计。估计器可以被适配为基于可调谐本地振荡器的被同步的频率与高准确性参考信号的参考频率之间的差来估计频率偏移。为此，估计器可以包括频率比较器，以确定被同步频率与参考频率之间的频率差。

根据另一实施例，处理器可被适配为基于参考信号和下变频信号确定被接收信号的载波频率的估计，下变频信号通过将参考信号与被接收信号混合而得到。在该实施例中，可能由于多普勒偏移加上源自例如参考信号源的不准确性的任何附加偏移所导致的频率偏移不通过调谐本地振荡器而被补偿。相反，该频率偏移可以通过适当的信号处理算法在数字域中被充分补偿。来自载波频率估计器的输出可以被直接与参考信号源的频率比较，以得到频率偏移的估计，即多普勒偏移加上任何其它不准确性偏移。优选地，参考信号源(例如固定的本地振荡器)的准确性是足够高的，以使得由于其自身的不准确性而导致的频率偏移是可忽略的。即，在该实施例中，参考信号源可被适配为生成参考信号集以使得其参考频率在±0.05ppm的范围内与被发送信号的载波频率相对应。

注意，在实施例中，移动终端中的独立运行的高准确性参考信号源所需要实现的准确性应当在一定范围内，使得由于其不准确性而造成的不希望有的频率偏移在移动终端的下行链路接收器、其上行链路发送器以及基站的上行链路接收器的处理链中所定义的性能边界以内是可容忍的。此外，在被用于生成下行链路信号的发送器(基站)处的本地振荡器的准确性被设定为足够高以使得任何频率偏移都是可忽略的。

根据一些实施例，装置还包括发送器，以用于将射频信号经由反向通信链路(例如上行链路)发送到被发送信号的起始点(例如位于地面的基站)。频率偏移补偿器可以被预知为基于所估计的频率偏移来配置射频信号的载波频率。即，在反向通信链路(例如从飞机的机载终端到基站的上行链路)中发送射频信号之前，上行链路信号的载波频率可以基于所估计的(多普勒)频率偏移被调节。然后，补偿后的上行链路载波频率f_{C，uplink，comp}可能相对于标称上行链路载波频率f_{C，uplink，nom}偏离负的频率偏移估计，即f_{C，uplink，comp}＝f_{C，uplink，nom}-f_{Doppler，est}.在这种情况下，从移动飞机发送的上行链路信号以近似标称上行链路载波频率f_{C，uplink，nom}到达基站。

实施例还可以包括一种用于确定被接收信号的载波频率和被发送信号的载波频率之间的频率偏移的估计的方法。该方法包括以下步骤：基于被接收信号来确定被接收信号的载波频率的估计；生成具有在预定的容许范围内与被发送信号的载波频率相对应的参考频率的参考信号；以及基于所估计的被接收信号的载波频率和被接收信号的参考频率估计频率偏移。

此外，实施例可以包括具有程序代码的计算机程序，程序代码用于当计算机程序在计算机或处理器上被执行时执行以上方法中的一个。

下文中，信息通常可以利用信令被交换。交换信号可以包括向存储器写入和/或从存储器读取信号、以电的方式、光的方式或者利用任何其它合适的方式发送信号。

实施例可以允许高效且可靠地实现用于飞机的LTE机载单元中的上行链路传输的多普勒预补偿所需要的多普勒估计。实施例可以关于多普勒补偿实现对LTE DA2G机载单元的自我控制，即不需要与像GPS或其它导航信息系统这样的附加系统的接口。这可以减少出现故障的概率，并且可以简化飞机内部的安装过程。此外，不需要在LTE DA2G机载单元内维护即时更新的基站数据库。

附图说明

一些装置和/或方法的实施例将在下面参考附图并且仅仅以示例的方式来进行描述，在附图中：

图1示出了根据实施例的用于确定对频率偏移的估计的装置的示意性框图；

图2示出了根据另一实施例的用于确定对频率偏移的估计的装置的更详细的框图；

图3示出了根据又一实施例的用于确定频率偏移估计的装置的框图；以及

图4示出了说明根据实施例的用于确定对频率偏移估计的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出了用于确定被接收信号12的载波频率f_C，rx与被发送信号的载波频率f_C，tx之间的频率偏移f_o的估计17的装置10的示意性框图。

装置10包括用于基于被接收信号12来确定被接收信号12的载波频率f_C，rx的估计13的处理器11。装置10还包括用于生成参考信号15的参考信号源14，参考信号15具有在预定的容许范围Δf_ref内与被发送信号的载波频率f_C，tx相对应的参考频率f_ref。频率偏移17可以基于被接收信号12的载波频率f_C，rx的估计13和参考信号15的参考频率f_ref被估计器16估计。

例如，装置10可以与飞机的移动机载终端耦接或者被内置于飞机的移动机载终端中以用于飞机与地面移动通信网络的至少一个基站之间的直接空对地通信(DA2G)。在这样的实施例中，装置10可以被用来确定多普勒偏移f_o，Doppler的估计作为频率偏移f_o。飞机的移动引入多普勒频移。由于飞机与基站之间的直接空对地通信用移动的飞机和地面基站之间的主导视线信道分量表征，所以可以假设一种非常离散的多普勒偏移而非多普勒频谱，多普勒频谱对于非视线移动衰落信道来说更常见。

被接收信号12可以例如被理解为来自地面基站的被发送给移动飞机的下行链路信号。为了其接收，装置10可以被耦接到天线或天线阵列18。在视线(LOS)情境(例如DA2G情境)中，天线阵列可能是尤其有用的，因为接收和发送波束形成算法可以被有效地用在这样的LOS情境中。

对装置10的实施例的使用通常不被局限于OFDM信号的处理。然而，被接收信号12和被发送信号可以被视为这种OFDM信号，OFDM信号被用在诸如LTE之类的第四代移动通信系统的下行链路中。由于LTE还能够向飞机乘客传送宽带服务，所以本发明的一些实施例被针对于LTE-OFDM/OFDMA。如之前所说明的，未被补偿的频率偏移f_o对于基于OFDM的信号而言尤其致命，因为这种调制技术依赖相互正交的子载波。出于这个原因并且为了避免严重的性能恶化，频率偏移补偿应当在将所接收的时域OFDM信号转换为频域以进一步处理之前被执行。在直接空对地情境中，频率偏移补偿可以通过基于所估计的被接收下行链路信号的多普勒偏移来调节上行链路载波频率而被执行，因为两倍于多普勒偏移的频率偏移可能超过DA2G情境中的基站的估计能力，如之前所说明的。

根据实施例，被接收信号(以及被发送信号)的载波频率f_C，rx可以被理解为所使用的通信频带的中心频率。因而，无线被发送和/或被接收信号的中心频率将取决于可用频谱，该可用频率在不同的运营商和/或不同的国家之间可能会不同。因而，处理器11可以被适配为基于被接收信号的频谱的中心频率确定被接收信号12的载波频率f_C，rx的估计17。被接收信号的频谱的带宽取决于无线通信系统的操作模式。例如，如果UMTS/WCDMA被用作下层通信系统，被接收(被发送)信号带宽将为5MHz。在LTE系统中，可扩展的信号带宽可以在5MHz、10MHz、15MHz和20MHz之间变化。

实施例依赖于工作在基站发送器的已知载波频率f_C，tx处的移动终端中的高准确性参考信号源14。因而，参考信号源14与用在针对被接收信号12的RF和数字信号处理终端接收器部件中的其它信号源相独立地进行操作。基站的载波频率f_C，tx可以例如被存储在装置10所包括的专用数字存储设备或数据库中。通常，LTE使用为1的频率重用因子，这意味着相邻的或邻居蜂窝或基站将使用相同的频带，并且因而使用相同的发送载波或中心频率f_C，tx。然而，取决于可用频谱资源，基站所使用的载波频率可以针对不同的无线通信系统运营商而变化。因而，装置10中的存储设备可以为不同的网络提供商提供不同的发送信号载波频率。

多普勒效应所引起的频率偏移f_o可以被估计器16估计为具有参考频率f_ref的高准确性参考信号15与被接收下行链路信号12的载波频率f_C，rx的估计13之间的频率差，因为后者对应于基站发送器处的载波频率f_C，tx加上所经历的多普勒偏移f_o，Doppler。

现在参考图2，用于确定频率偏移估计的装置20的另一实施例将被描述。与图1中相同的标号表示类似的功能组件和/或信号。

这里，处理器11包括RF(射频)处理部件111、数字基带处理部件112和可调谐本地振荡器113。射频处理部件111可以被耦接到接收天线设备18，以使得被接收信号12从接收天线设备18被输入到RF处理部件111，该RF处理部件111可以是模拟RF前端接收器。因而，RF处理部件111可以包括电路以将所接收的模拟信号12从模拟RF信号域下变频到中间频域或者下变频到模拟或数字基带域。下变频后的基带信号121从RF处理模块111被馈送到数字基带处理模块112。具有对应于f_C，tx+f_o，Doppler的中心或载波频率f_C，rx的被接收信号12到中间频率或基带域的下变频可以通过将被接收信号12与可调谐本地振荡器113的输出信号122混合而被实现。在实施例中，可调谐本地振荡器113可以被用于直接将被接收信号12下变频到基带域。

RF前端111、包括载波频率估计器123的数字基带处理器112以及可调谐本地振荡器113一起构成用于将本地振荡器的输出信号122的频率同步到被接收信号12的中心频率f_C，rx上的控制环路。为此，LO信号122或者其频率信号可以被提供给载波频率估计器123，该载波频率估计器123在一些实施例中可以在基带处理部件112中被实现。本地振荡器113的输出信号122或者其频率信息可以被用在基带处理器112或载波频率估计器123中用于清除含糊的多普勒频率偏移估计。在其它实施例中，载波频率估计器123也可以用RF前端111所包括的模拟或数字电路来实现。

根据一些实施例，载波频率估计器123可以执行蜂窝搜索过程以得到针对被接收信号12的载波频率f_C，rx的第一估计。在LTE中，蜂窝搜索过程基于主要和次要同步信号的使用。对于蜂窝搜索而言，载波频率估计器123可以被适配为搜索可能在所讨论的频带中的中心频率f_C，tx处的主要同步信号。为了这个目的，控制信号124可以被用于将可调谐的本地振荡器113控制为可能的中心频率f_C，tx。对于主要同步信号存在三种不同的可能性，因为主要同步信号可能指向三个物理层蜂窝标识(PCI)中的一个。一旦主要同步信号被检测到，移动终端可以寻找指向168个PCI群组中的一个的次要同步信号。一旦针对168个可能的次要同步信号的一个可能选择被检测到，UE就分析出来自504个ID的地址空间的PCI值。根据PCI，UE可以得到关于被用于下行参考信号的参数的信息并且因而UE可以对运送接入移动通信系统所需要的系统信息的PBCH(物理广播信道)进行解码。

在初始载波频率估计之后，在一个实施例中，载波频率估计器123可以被适配为响应于所检测到的下变频后的数字基带信号121中的非零残余频率偏移输出非零控制信号124。为了避免估计残余频率偏移时的含糊不清，LO信号122的频率信息可以被用在基带部件112，123中。从而，残余频率偏移可以例如通过协方差方法、电平交叉率方法或功率谱测量被得到。基于残余频率偏移，控制信号124可以被用于将本地振荡器113控制或调谐为被接收信号12的偏移后的中心频率f_C，rx。换言之，处理器11被适配为基于被接收信号12将可调谐本地振荡器113的频率同步为被接收信号12的载波频率f_C，rx以得到可调谐本地振荡器113的同步后的频率，该频率之后也可以被用作所接收的载波频率的估计17。如图2中所示，同步可以利用与锁相环(PLL)类似的控制环来实现，其中该控制环包括RF前端11、数字基带处理器112和可调谐本地振荡器113。

在图2中所示的实施例中，载波频率估计器123位于处理器11的数字基带部件112中。然而，载波频率估计器123也可以用位于射频处理电路111中的模拟电路来实现。载波频率估计器123被适配为按照这样的方式控制处理器11的本地振荡器113以使得其输出频率与频率偏移后的被接收信号12的中心或载波频率f_C，rx一致。被接收信号12的中心频率f_C，rx是基站发送器的载波频率f_C，tx加上由于多普勒效应引起的频率偏移f_o，Doppler。

根据图2的实施例，本地振荡器113的输出信号122作为被接收信号的载波频率的估计13被馈送到估计器16，以用于基于载波频率f_C，rx的估计13并且基于来自高准确性参考信号源14的参考信号15的参考频率f_ref来估计频率偏移f_o＝f_o，Doppler。估计器16可以被适配为基于本地振荡器113(或者其输出信号122)的同步后的频率f_LO＝(f_C，tx+f_o，Doppler)与参考信号15的参考频率f_ref＝f_C，tx之间的差来确定针对频率偏移f_o，Doppler的估计17。为此，估计器16的实施例可以包括频率比较器以确定同步后的LO频率f_LO＝(f_C，tx+f_o，Doppler)与参考频率f_ref＝f_C，tx之间的差。换言之，在频率比较器16中，本地振荡器113的输出信号122的可变频率f_LO被与高准确性参考信号源或参考时钟14的稳定频率f_ref进行比较，以得到频率偏移估计17。频率比较器16可以利用数字或模拟电路或者它们的组合来实现。

根据实施例，参考信号源14被适配为生成(独立的)参考信号15，以使得其参考频率f_ref在±0.1ppm的范围内或者优选地在±0.05ppm的范围内与被发送信号的载波频率f_C，tx相对应。为了这个目的，参考信号源14可以包括补偿的晶体振荡器，该晶体振荡器来自以下振荡器构成的组：温度补偿的晶体振荡器(TCXO)、微机补偿的晶体振荡器(MCXO)和/或恒温控制的晶体振荡器(OCXO)。由于运转加热器所需要的功率，OCXO需要比运转在环境温度下的振荡器更多的功率，并且对于加热器、热物质和热绝缘装置的需要意味着它们在物理上更庞大。因此，OCXO通常不被用在诸如移动电话之类的电池供电的或小型的移动终端中。由于在实施例中，装置10以及继而的参考信号源14在飞机中被实现，所以没有针对电池功率或大小的限制。OCXO实现来自晶体的可能的最佳频率稳定性。OCXO的短期频率稳定性通常是在几秒内的1×10^-12，而长期稳定性由于晶体的老化而被局限于每年大约1×10^-8(ppb)。获得更好的性能需要切换到原子频率标准，例如铷标准、铯标准或者氢原子钟。另一种较便宜的替代方式是利用GPS时间信号锁定(discipline)晶体振荡器，创建所谓的GPS锁定的振荡器(GPSDO)。利用可以生成准确时间信号(降至在UTC的～30ns以内)的飞机的机载GPS接收器，GPSDO可以在更长的时期内保持10^-13的振荡准确度。

现在转向图3，用于确定被接收信号12的载波或中心频率f_C，rx与被发送信号的载波或中心频率f_C，tx之间的频率偏移f_o的估计17的装置30的另一实施例将被描述。同样，与图1和/或图2中相同的标号表示类似的功能组件和/或信号。

与装置10和装置20一样，装置30可以被包括在飞机机载终端中用于与地面移动通信网络的基站进行DA2G通信。装置30与装置20的不同之处在于被接收(上行链路)信号12到基带域的下变频是通过将被接收信号12与固定频率的参考信号15混合来实现的，而不是通过将被接收信号12与可调谐的本地振荡器的可变输出混合来实现的。在图3的实施例中，独立的参考信号源14包括具有固定参考频率f_ref的本地振荡器。固定参考频率f_ref可以至少在预定义的容差范围内与被发送的载波或中心频率f_C，tx相对应，即f_ref＝f_C，tx+Δf_ref。在±0.05ppm范围内的相对于标称发送载波频率f_C，tx的略微变动Δf_ref是很难避免的，即使利用像上面提到的TCXO、MCXO、OCXO和GPSDO这样的高精度参考信号源14。同样，参考信号源14可以被适配为与被用于处理被接收信号12的其它信号或时钟源相独立地生成参考信号15。

参考信号源14(即固定的本地振荡器)的输出信号15具有参考频率f_ref＝f_C，tx+Δf_ref，其中Δf_ref表示具有预定义的容差范围的振荡器频率变化。参考信号源14的输出信号15被馈送到RF处理模块111以对具有被接收信号频率f_C，rx＝f_C，tx+f_o，Doppler的被接收信号12进行下变频。具有基带频率偏移f_o＝f_C，rx-f_ref＝f_o，Doppler-Δf_ref的所得到的下变频后的基带信号121随后被馈送到数字基带处理器112，以用于载波或多普勒频率估计。数字基带处理器112被适配为利用载波频率估计器123估计被接收载波频率f_C，rx，载波频率估计器123可以用数字基带处理算法来实现。针对载波频率f_C，rx的粗估计13可以例如通过利用被接收信号12以及继而的下变频后的基带信号121所包括的主要和/或次要同步信号的上述蜂窝搜索过程被得到。此外，参考信号源14的频率f_ref可以基于蜂窝搜索过程的输出结果被选择。如之前已经说明的，参考信号15的频率信息可以被用在基带部件112，123中以避免或清除估计载波频率或多普勒频率偏移时的含糊不清，参考信号15的频率信息指示其参考频率f_ref＝f_C，tx+Δf_ref。

被接收信号载波频率f_C，rx的估计13用作估计器16的第一输入，估计器16可以在基带域中被实现。具有参考频率f_ref＝f_C，tx+Δf_ref或者其频率信息的参考信号15用作频率偏移估计器16的第二输入。基于第一和第二输入13，15，频率偏移估计器16可以执行对频率偏移f_o的估计，频率偏移是多普勒频率偏移f_o，Doppler和本地振荡器频率变化Δf_ref的组合。

在图3的实施例中，来自多普勒偏移f_o，Doppler加上源于参考信号源14的不准确性的任何偏移Δf_ref的载波频率偏移没有通过被用作模拟射频和数字基带处理部件111和112的参考的调谐本地振荡器来补偿。然而，频率偏移f_o可以通过在数字域中的载波频率偏移补偿器131利用合适的算法来完全地补偿。因而，为了载波频率偏移补偿，移动终端中的装置30的实施例还包括频率偏移补偿器131和发送器，频率偏移补偿器131被适配为基于所估计的频率偏移17来配置反向链路(上行链路)射频信号的载波频率，发送器用于将反向链路射频信号经由反向通信链路(上行链路)传送到被发送信号的起始点，即位于地面的基站。来自载波频率估计器123的输出13可以被直接与参考本地振荡器14的频率f_ref＝f_C，tx+Δf_ref进行比较，以得到多普勒偏移f_o，Doppler的估计17。在这种实现方式中，参考本地振荡器14应当尽可能地准确以使得除了由于多普勒偏移导致的频率偏移以外的频率偏移Δf_ref可忽略。否则，在TDD的情况下利用-2f_o，Doppler以及在FDD的情况下利用-(f_o，Doppler+f_{o，Doppler，UL})对上行链路传输的频率补偿导致在基站上行链路接收器处±Δf_ref的剩余偏移。从而，上行链路多普勒偏移估计f_{o，Doppler，UL}可以通过考虑在所定义的下行链路和上行链路载波频率f_C，tx，DL，f_C，tx，UL之间的双工频率偏移Δf_FDD根据下行链路多普勒偏移估计f_o，Doppler被得到，即f_{o，Doppler，UL}＝f_o，Doppler·f_C，tx，UL/f_C，tx，DL。

注意，在实施例中，飞机的机载终端接收器所包括的高准确性参考信号源14和/或本地振荡器113所需要实现的频率准确性应当使得由于振荡器不准确性所导致的不希望有的频率偏移Δf_ref是在终端下行链路接收器、其上行链路发送器以及基站的上行链路接收器的处理链中所定义的性能边界值以内可容忍的。此外，被用于生成下行链路信号的位于地面的基站处的本地振荡器的准确性被假设为足够高以使得源自该本地振荡器的任何频率偏移都是可忽略的。

实施例还可以包括一种用于确定被接收信号的载波频率和被发送信号的载波频率之间的频率偏移的估计的方法。这种方法40的实施例在图4的示意性框图中被示出。

用于确定频率偏移估计的方法40包括在第一步骤41中，基于被接收信号12确定被接收信号12的载波频率的估计f_C，rx。如之前在根据图2和图3的实施例中所说明的，这可以利用具有RF和基带处理部件111，112和113的处理器11来实现。此外，方法40包括生成参考信号15的步骤42，该参考信号15具有在预定义的容差范围Δf_ref内与被发送信号的载波频率f_C，tx相对应的f_ref。因而，参考信号15利用高准确性参考信号源14来生成，高准确性参考信号源14包括例如具有可与通常被用在基站中的高准确性参考信号源相比的频率稳定性的高稳定性振荡器。在另一步骤43中，频率偏移f_o基于所估计的被接收信号12的载波频率f_C，rx和所生成的参考信号15的参考频率f_ref被估计。估计步骤的可能的物理实现方式已参考图2和图3被说明过了。

本领域技术人员将很容易地意识到各种上述方法的步骤也可以由被编程的计算机或信号处理器来执行。这里，一些实施例还意欲涵盖程序存储设备，例如数字数据存储介质，程序存储设备是机器或计算机可读的并且编码有机器可执行的或计算机可执行的程序或指令，其中指令执行上述方法的一些或全部步骤。这些程序存储设备可以是例如数字存储器、诸如磁盘和磁带之类的磁存储介质、硬盘驱动或者光可读取的数字数据存储介质。实施例还意欲涵盖被编程以执行上述方法的步骤的计算机。

描述和附图仅仅示出了本发明的原理。因而应当清楚本领域技术人员将能够设计体现本发明的原理并且被包括在其精神和范围内的各种布置，虽然这些布置没有在这里被明确地描述或显示。此外，这里所引述的所有示例原则上只是为了教导的目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人对改进现有技术所贡献的思想，并且应当被诠释为不局限于这些具体被引述的示例和情况。此外，这里引述本发明的原理、方面和实施例的所有阐述以及其具体示例都意欲包括它们的等同物。

包括被标记为“处理器”、“信号源”或“估计器”的任何功能模块在内的图中所示的各种元件的功能可以通过使用专用硬件(例如处理器)以及能够执行软件的硬件结合合适的软件被提供。当通过处理器被提供时，这些功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或者由其中一些可以被共享的多个独立的处理器来提供。此外，对术语“处理器”或“控制器”的显式使用不应当被诠释为只是指能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)和非易失性存储设备。其它传统的和/或定制的硬件也可以被包括。

本领域技术人员应当理解这里的任何框图代表体现本发明的原理的图示性电路的概念性视图。类似地，应当理解任何流程图、流图、状态转换图、伪代码等等代表可以基本上在计算机可读介质中被表示，并且因而由计算机或处理器执行的各种过程，不管这样的计算机或处理器是否被明确地示出。

Claims (15)

1.一种移动终端装置(10；20；30)，用于确定接收信号(12)的载波频率与发送信号的载波频率之间的频率偏移的估计(17)，所述装置包括：

处理器(11)，所述处理器(11)用于基于所述接收信号(12)来确定对所述接收信号(12)的所述载波频率的估计(13)；

高准确性参考信号源(14)，所述参考信号源(14)用于生成具有与所述发送信号的所述载波频率相对应的固定参考频率的参考信号(15)，具有能够与基站中所使用的高准确性参考信号源相比的频率稳定性；以及

估计器(16)，所述估计器(16)用于基于所估计的所述接收信号(12)的载波频率(13)和所述参考信号(15)的所述固定参考频率来估计所述频率偏移(17)。

2.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)，其中所述处理器(11)被适配为基于接收信号频谱的中心频率来确定所述接收信号(12)的所述载波频率的所述估计(13)。

3.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20)，其中所述处理器(11)被适配为基于所述接收信号(12)来将可调谐本地振荡器(113)的频率同步为所述接收信号(12)的所述载波频率，以得到所述可调谐本地振荡器(113)的同步频率，以作为所述载波频率的所述估计(13)。

4.根据权利要求3所述的移动终端装置(10；20)，其中所述估计器(16)被适配为基于所述可调谐本地振荡器(113)的所述同步频率与所述参考信号(15)的所述固定参考频率之间的差来估计所述频率偏移。

5.根据权利要求4所述的移动终端装置(10；20)，其中所述估计器(16)包括频率比较器，用于确定所述同步频率与所述参考频率之间的差。

6.根据权利要求1所述的移动终端装置(30)，其中所述处理器(11)被适配为基于所述参考信号(15)和下变频信号(121)来确定所述接收信号(12)的所述载波频率的所述估计(13)，所述下变频信号(121)是基于对所述参考信号(15)和所述接收信号(12)进行混频而得到的。

7.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)，其中所述高准确性参考信号源(14)被适配为生成所述参考信号(15)，以使得所述参考信号的参考频率在±0.1ppm的范围内，尤其是在±0.05ppm的范围内，与所述发送信号的载波频率相对应。

8.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)，其中所述高准确性参考信号源(14)被适配为与用于处理所述接收信号(12)的其它信号源相独立地生成所述参考信号(15)。

9.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)，还包括：

发送器，所述发送器用于将无线电信号经由反向通信链路发送到所述发送信号的起源处；以及

频率偏移补偿器(131)，所述频率偏移补偿器(131)被适配为基于所估计的频率偏移(17)来配置所述无线电信号的载波频率。

10.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)，所述移动终端装置被适配为确定针对直接空对地通信的多普勒频率偏移的估计以作为所述频率偏移，所述直接空对地通信利用位于飞机上的移动终端与位于地面的基站之间的地面移动通信网络。

11.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)，其中所述接收信号(12)是由所述接收信号的接收器与所述发送信号的发送器之间的无线通信信道折损后的发送信号版本。

12.根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)，其中所述发送信号是码分多路复用信号或正交频分多路复用信号。

13.一种飞机，包括用于利用地面移动通信网络的直接空对地通信的根据权利要求1所述的移动终端装置(10；20；30)。

14.一种用于确定在移动终端处接收信号(12)的载波频率与发送信号的载波频率之间的频率偏移的估计(17)的方法(40)，所述方法包括：

基于所述接收信号(12)来确定(41)对所述接收信号(12)的载波频率的估计(13)；

以能够与基站中所使用的高准确性参考信号源相比的频率稳定性，生成(42)具有与所述发送信号的所述载波频率相对应的固定参考频率的高准确性参考信号(15)；以及

基于所估计的所述接收信号(12)的所述载波频率(13)和所述参考信号(15)的所述固定参考频率来估计(43)所述频率偏移。

15.一种具有程序代码的计算机程序，所述程序代码用于当所述计算机程序在计算机或处理器上被执行时执行根据权利要求14所述的方法。

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