CN103475614B - 频偏估计和补偿的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种频偏估计及补偿的方法和装置，其中方法包括：a、对于基站侧的每根接收天线，基站根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；b、所述基站根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。采用本发明能在用户终端高速移动的场景下有效实现频偏同步。

Description

频偏估计和补偿的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信系统的频偏估计及补偿技术，尤其涉及长期演进系统中的用户终端进行频偏估计及补偿的方法和装置。

背景技术

目前的长期演进系统中，用户终端与基站建立无线链路时，会约定一个相互发送信号的基准频率F，但由于用户终端在运动中产生的多普勒效应，使得基站发送给用户终端的信号频率F与用户终端实际接收到的频率之间存在多普勒频率偏差f，其值与用户速度成正比，如下公式（1）所示：

其中v表示用户移动速度，c表示光速，θ表示用户终端的无线信号与运动方向的夹角，f_RF表示载波的频率，即基站与用户终端约定的互相发送信号的基准频率F。

当用户终端从当前驻留小区切换到目标小区时，其运动方向与原小区基站的夹角θ为180度，与新小区基站夹角为0度。由公式(1)可知，该用户终端在切换时产生了两倍的多普勒频偏跳变。对于高速移动的用户，产生的多普勒频偏较大，以500kmh的移动速度为例，切换处可产生2400Hz左右的频偏跳变，如果不能有效进行频偏矫正，将对用户终端的正确接收解调不利。

现有LTE系统的频偏估计方法是，首先在小区搜索过程中，利用主同步符号进行粗频偏估计并补偿，之后在下行链路中根据邻近的导频符号之间的相位偏差来计算频率偏移，将该结果作为细频偏估计值对下行信号进行补偿。

对于高速移动的用户，尤其是高速铁路系统的用户，其速度可能会达到500km/h，当用户从一个小区切换到另一个小区时，产生二倍多普勒频偏跳变与粗频偏估计残留量之和有可能会超过使用导频等参考信号进行细频偏估计的最大频率捕捉范围。由于LTE协议的规定，同一频段的导频之间最小的时域间隔为两个OFDM符号，其最大频率捕捉范围大约为±2300Hz，而对于时速为500km/h的高速铁路系统，二倍多普勒频偏跳变约为2407Hz，小区搜索过程中使用主同步信号完成粗频偏估计残留偏差较大，有时会达到2000Hz左右，所以残留频偏与多普勒频偏跳变之和有可能会超过细频偏估计的最大捕捉范围，此时无法完成细频偏同步，最终导致接收机性能严重下降。

由此可见，采用现有LTE系统的频偏估计方法，在用户终端高速移动的场景下，会存在无法实现频偏同步，导致接收机性能下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种频偏估计及补偿的方法和装置，能在用户终端高速移动的场景下有效实现频偏同步。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种频偏估计及补偿的方法，包括：

a、对于基站侧的每根接收天线，基站根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；

b、所述基站根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

一种频偏估计及补偿的装置，包括：

频偏计算单元，用于对于基站侧的每根接收天线，根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；

频偏补偿单元，用于根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

综上所述，本发明提出的频偏估计及补偿的方法，利用循环前缀进行细频偏估计，具有频偏捕捉范围大，估计精度高，估计周期短等优点，能有效实现频偏同步。

附图说明

图1为本发明实施例一的方法流程示意图；

图2为本发明实施例一的装置结构示意图；

图3为图2中频偏计算单元的结构示意图；

图4为图2中频偏补偿单元的一结构示意图；

图5为图2中频偏补偿单元的另一结构示意图。

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，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

考虑到循环前缀的最大频率捕捉范围是1/2子载波间隔，对于LTE系统，子载波间隔为15KHz，因而，循环前缀的最大频率捕捉范围是±7500Hz。如果基于循环前缀进行细频偏估计，则可以确保高铁环境下粗频偏估计的残留频偏与多普勒频偏跳变之和不会超过细频偏估计的频率捕捉范围。

基于此，本发明的核心思想是，利用循环前缀进行细频偏估计，以确保频偏估计的准确度以及频偏补偿的有效性。

在对本发明具体实施例进行说明之前，先对本发明所涉及的基础理论进行一下介绍：

假设在加性高斯白噪声AWGN信道环境下，发送端和接收端存在Δf的载波频率偏差，Δf表示发生的频率偏移，ΔF表示子载波间隔，N表示载波的个数，W表示带宽。则：

且不考虑噪声的影响，某子帧接收信号中，第t个OFDM符号中第k个采样点数据表示为：

其中，ε表示对子载波间隔归一化的频率偏差。

从公式（2）中可以看出，在进行频偏补偿时，通过对频率偏差ε进行估计得到然后再利用根据来实现对接收信号r(k,t)的频偏补偿。本发明将通过对利用循环前缀对频率偏差ε进行准确估计，从而可确保频率补偿的准确度。

图1为本发明实施例一的方法流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤101、对于基站侧的每根接收天线，基站根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差。

所述第i子帧为当前用于确定频偏的接收信号所在的子帧

步骤102、所述基站根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

在上述方案中，通过基于多个OFDM符号及多根天线上频偏估计值，可以有效减少频偏估计误差，使性能更加稳定。

在实际应用中，所述需要进行频偏补偿的接收信号，可以是对当前子帧中的接收信号进行补偿，也可以对下一子帧的接收信号进行补偿，具体补偿时间可以同现有系统，由本领域技术人员根据实际需要进行确定。

这里需要说明的是，在实际应用中，上述步骤的具体实现方法将随着基站中远端射频单元（RRU）的数量的不同而不同。下面分别给出包含一个RRU和多个RRU两种情况下的较佳实现方式。

较佳地，当所述基站由一个基带处理单元BBU和一个远端射频单元RRU构成时，所述步骤101包括：

对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号。

计算所述接收信号中所有OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P。

这里，通过将互相关运算值进行合并计算，可以提高频偏计算精度。

按照得到归一化频率偏差其中，angle{P}为对P取相角。

这里需要说明的是，由于循环前缀为OFDM尾部符号的复制，对应项s(k,t)和s^*(k+M,t)相乘的结果为实数。

相应地，当所述基站由一个基带处理单元BBU和一个远端射频单元RRU构成时，所述步骤102包括：

计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值

将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

这里，具体利用频偏补偿值对接收信号进行补偿，为本领域技术人员所掌握，也在上文中已说明，在此不再赘述。

在实际应用中，当所述基站由一个基带处理单元BBU和多个远端射频单元RRU构成时，由于多个远程射频单元RRU同时发送信号，在信号交叠区域用户终端会同时接收到两个RRU发送的信号，且两个RRU发送的信号对UE产生的多普勒频移方向相反。在本实施例中，根据用户终端上行信号功率的强度，选择一个最大接收功率的RRU向用户终端发送下行数据信号，即业务信道采用单RRU发送，公共控制信道仍然采用多RRU同时发送，针对上述多个RRU下的传输特点，下面将分别对公共控制信道和业务信道上的接收信号进行频偏估计和补偿。

较佳地，当所述基站由一个基带处理单元BBU和多个远端射频单元RRU构成时，所述步骤101包括：

对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号；

计算所述接收信号中所有包含业务信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t，1；计算所述接收信号中所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t，2；

按照得到所述包含业务信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t，1}为对P_t,1取相角；按照得到所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t，2}为对P_t,2取相角。

相应地，当所述基站由一个基带处理单元BBU和多个远端射频单元RRU构成时，较佳地，所述步骤102包括：

计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号中在业务信道上的接收信号，在时域上进行补偿；

计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述第需要进行频偏补偿的接收信号中在公共控制信道上的接收信号，在时域上进行补偿。

图2为与上述方法相对应的一种频偏估计及补偿的装置结构示意图，如图2所示，该装置包括：

频偏计算单元，用于对于基站侧的每根接收天线，根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；

频偏补偿单元，用于根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

较佳地，如图3所示当所述基站由一个基带处理单元BBU和一个远端射频单元RRU构成时，所述频偏计算单元进一步包括：

相关模块，用于对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号；

求和模块，用于计算所述接收信号中所有OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P；

归一化模块，用于按照得到归一化频率偏差其中，angle{P}为对P取相角。

较佳地，如图4所示当所述基站由一个基带处理单元BBU和一个远端射频单元RRU构成时，所述频偏补偿单元进一步包括：

均值模块，用于计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值

补偿模块，用于将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

较佳地，如图3所示当所述基站由一个基带处理单元BBU和多个远端射频单元RRU构成时，所述频偏计算单元进一步包括：

相关模块，用于对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号；

求和模块，用于计算所述接收信号中所有包含业务信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t,1；计算所述接收信号中所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t，2；

归一化模块，用于按照得到所述包含业务信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t，1}为对P_t，1取相角；按照得到所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t,2}为对P_t,2取相角。

较佳地，如图5所示当所述基站由一个基带处理单元BBU和多个远端射频单元RRU构成时，所述频偏补偿单元进一步包括：

第一均值补偿模块，用于计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号中在业务信道上的接收信号，在时域上进行补偿。

第二均值补偿模块，用于计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号中在公共控制信道上的接收信号，在时域上进行补偿。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种频偏估计及补偿的方法，其特征在于，包括：

a、对于基站侧的每根接收天线，基站根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；

b、所述基站根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿；

当所述基站由一个基带处理单元BBU和一个远端射频单元RRU构成时，所述步骤a包括：

对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号；

计算所述接收信号中所有OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P；

按照得到归一化频率偏差其中，angle{P}为对P取相角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括：

计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值

将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

3.一种频偏估计及补偿的方法，其特征在于，包括：

a、对于基站侧的每根接收天线，基站根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；

b、所述基站根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿；

当所述基站由一个基带处理单元BBU和多个远端射频单元RRU构成时，所述步骤a包括：

对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号；

计算所述接收信号中所有包含业务信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t,1；计算所述接收信号中所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t,2；

按照得到所述包含业务信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t,1}为对P_t,1取相角；按照得到所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t,2}为对P_t,2取相角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括：

计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号中在业务信道上的接收信号，在时域上进行补偿；

计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号中在公共控制信道上的接收信号，在时域上进行补偿。

5.一种频偏估计及补偿的装置，其特征在于，包括：

频偏计算单元，用于对于基站侧的每根接收天线，根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；

频偏补偿单元，用于根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿；

当所述基站由一个基带处理单元BBU和一个远端射频单元RRU构成时，所述频偏计算单元包括：

相关模块，用于对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号；

求和模块，用于计算所述接收信号中所有OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P；

归一化模块，用于按照得到归一化频率偏差其中，angle{P}为对P取相角。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述频偏补偿单元包括：

均值模块，用于计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值

补偿模块，用于将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿。

7.一种频偏估计及补偿的装置，其特征在于，包括：

频偏计算单元，用于对于基站侧的每根接收天线，根据第i子帧接收信号中的OFDM符号和对应的循环前缀，计算所述OFDM符号对应的归一化频率偏差；

频偏补偿单元，用于根据所有接收天线上的所述归一化频率偏差，对需要进行频偏补偿的接收信号在时域上进行补偿；

当所述基站由一个基带处理单元BBU和多个远端射频单元RRU构成时，所述频偏计算单元包括：

相关模块，用于对于所述接收信号中的每个OFDM符号，按照将该OFDM符号的循环前缀部分与尾部数据进行相关，得到相关值P_t，其中，所述t为该OFDM符号的编号，所述r(k,t)为与该OFDM符号对应的第k个采样点数据，r^*(k+M,t)为r(k+M,t)的共轭，所述M为OFDM符号的长度，所述Ncp为所述循环前缀的长度，所述a为循环前缀的起始位置对应的采用样点数据编号；

求和模块，用于计算所述接收信号中所有包含业务信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t,1；计算所述接收信号中所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的所述相关值P_t的和P_t,2；

归一化模块，用于按照得到所述包含业务信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t，1}为对P_t，1取相角；按照得到所有包含公共控制信息的OFDM符号对应的归一化频率偏差其中，angle{P_t,2}为对P_t,2取相角。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述频偏补偿单元包括：

第一均值补偿模块，用于计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号中在业务信道上的接收信号，在时域上进行补偿；

第二均值补偿模块，用于计算所有所述接收天线上的所述归一化频率偏差的平均值将所述平均值作为频偏补偿值，对所述需要进行频偏补偿的接收信号中在公共控制信道上的接收信号，在时域上进行补偿。