CN103973611A - 一种频偏校正方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种频偏校正方法，包括：预先将用户终端的接收天线配置为二个以上的扇区天线；对于每个所述扇区天线上的接收信号，所述用户终端进行多普勒频移补偿，将所述频移补偿后的信号移除循环前缀后，转换为频域信号，在频域对所述频域信号提取导频信号并进行信道估计；将所有扇区天线的所述信道估计后的频域信号进行合并，对合并后的信号进行信道均衡及解调处理，得到频偏校正后的接收信号。采用本发明，可以有效实现对高速移动状态下终端接收信号的频偏补偿。

Description

一种频偏校正方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，特别是涉及长期演进系统中对高速移动用户终端的接收信号进行频偏校正方法。

背景技术

用户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_RF，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_RF与用户终端实际接收到的频率之间存在频率偏差f，f即为多普勒频偏，其值与用户速度成正比，如下公式（1）所示：

$f=\frac{v}{c}\·\cos \mathrm{\θ}\·f_{\mathrm{RF}}---\left(1\right)$

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。

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，将产生最大1200Hz左右的多普勒频移，如果不能有效进行频偏矫正，将会产生严重的子载波间干扰，对用户终端的正确接收解调不利。

现有的LTE系统的频偏校正方法是，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，尤其是在分布式系统中高速列车处于两个RRU中间时，会接收到两个具有不同频偏的信号，UE很难校正两个信号叠加的混合信号频偏。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，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，使得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，对于高速移动状态下的终端，传统的频偏校正方法无法对其接收信号进行有效的频偏补偿。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种频偏校正方法，该方法可有效实现对高速移动状态下终端接收信号的频偏补偿。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种频偏校正方法，包括：

预先将用户终端的接收天线配置为二个以上的扇区天线；

对于每个所述扇区天线上的接收信号，所述用户终端进行多普勒频移补偿，将所述频移补偿后的信号移除循环前缀后，转换为频域信号，在频域对所述频域信号提取导频信号并进行信道估计；

将所有扇区天线的所述信道估计后的频域信号进行合并，对合并后的信号进行信道均衡及解调处理，得到频偏校正后的接收信号。

综上所述，本发明提出的频偏校正方法，引入扇区天线进行信号的接收，并对每个扇区天线上的信号分别进行多谱勒补偿、信道估计等处理后再进行合并、均衡及解调处理。这种基于扇区天线的信号处理方式，可以把快速时变信道转化为慢速时变信道，使高速移动带来的多普勒频偏减少限定在较小的范围内，避免多普勒频偏过大而导致的无法实现有效的频偏校正的问题。

附图说明

图1为四扇区天线接收的方向示意图；

图2为四扇区天线各信道的多普勒功率谱示意图；

图3为本发明实施例一的流程示意图。

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。

在对本发明进行详细说明之前，首先分析一下本发明的实现原理：

根据广义平稳非相关散射信道模型，离散时间信道第k时刻第l径冲击响应h_l(k)表示为：

$h_l\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N_e}}\·\underset{\mathrm{\μ}=0}{\overset{N_e-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(\mathrm{\μ}\right)\·e^{j2\mathrm{\πf}\left(\mathrm{\μ}\right)\mathrm{k\Δt}}\·\mathrm{\δ}(l-l\left(\mathrm{\μ}\right))---\left(2\right)$

其中，l＝0,…,L-1，L代表信道最大多径扩展，Δt代表采样间隔。公式（1）给出信道冲击响应模型表明：信道冲击响应第k时刻第l路径响应由N_e个散射分量作用形成，其中，第μ个散射分量由幅度a(μ)、多普勒频率f(μ)、延时l(μ)来描述；第μ个散射分量产生的多普勒频率表示为：

f(u)＝f_D,maxcos(θ(u)) (3)

其中，θ(u)代表第μ个散射分量到接收天线的入射角度。

假设接收天线为各向同性的全向天线，则第μ个散射分量到接收天线的入射角度θ(u)为0～2π内均匀分布的随机变量，此时信道的多普勒功率谱呈现为标准“Jakes”功率谱：

$P\left(f\right)=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{f_{D,\max }^2-f^2}},-f_{D,\max }<f<f_{D,\max }---\left(4\right)$

假设接收天线为扇区天线，此时扇区天线仅可接收入射角内的电磁波，第μ个散射分量到接收天线的入射角度θ(μ)将不再为0～2π均匀分布随机变量，此时θ(μ)取值均匀分布于此时扇区天线信道的多普勒功率谱将是标准“Jakes”谱的一个子谱。

例如，图1给出了一个四扇区天线接收的方向图。其中，S=0扇区天线仅接收[θ₁,θ₄]方向入射的电磁波；S=1扇区天线仅接收[θ₁,θ₂]方向入射的电磁波；S=2扇区天线仅接收[θ₂,θ₃]方向入射的电磁波；S=3扇区天线仅接收[θ₃,θ₄]方向入射的电磁波。

图2给出了一个四扇区天线各个信道的多普勒功率谱。由于接收机使用扇区天线，各个扇区天线仅能有效接收特定入射角度的电磁波，因此相应信道的多普勒频率将局限在特定范围内。例如扇区天线S=0接收到多普勒频率位于功率谱呈现为非对称的“Jakes”谱；扇区天线S=1与S=3接收到多普勒频率位于功率谱呈现为对称“Jakes”谱；扇区天线S=2接收到多普勒频率位于功率谱呈现为非对称“Jakes”谱。

从图2可以看出，通过接收机使用扇区天线，接收机仅接收特定入射角度的电磁波，减小了信道的多普勒扩展，进而可增加信道的相干时间，使得信道变化显著降低。

基于上述分析，本发明的核心思想是：利用扇区天线进行信号的接收，对每个扇区天线上的信号分别进行相应的频移补偿、信道估计处理后再进行合并、均衡及解调处理，如此，可以利用扇区天线信道的多普勒功率谱仅为全向天线的一个子谱的特点，来减小信道的多普勒扩展，从而可避免由于高速移动带来的多普勒频偏过大所导致的无法准确地进行频偏校正的问题。

图3为本发明实施例一的流程示意图，如图3所示，该实施例主要包括：

步骤301、预先将用户终端的接收天线配置为二个以上的扇区天线。

这里，通过配置多个扇区天线，可以将快速时变信道变为慢速时变信道，以避免由于终端高速移动所致的频偏过大的问题。较佳的，可以是四个扇区天线。

步骤302、对于每个所述扇区天线上的接收信号，所述用户终端进行多普勒频移补偿，将所述频移补偿后的信号移除循环前缀后，转换为频域信号，在频域对所述频域信号提取导频信号并进行信道估计。

本步骤中对各扇区天线上接收信号的具体处理可以同现有的标准OFDM接收机处理方法，在此不再赘述。

较佳地，为了提高频偏校正的准确度，可以按照重心补偿的方式进行所述多普勒频移补偿。具体方法为：

按照 $f_c\left(s\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_{D,\max }\cos ({\mathrm{\&phi;}}_s/2),s=0\\ {-f}_{D,\max }\sin ({\mathrm{\&phi;}}_s/2),s=S/2\\ f_{D,\max }\cos (({\mathrm{\&phi;}}_s+{\mathrm{\&phi;}}_{s+1})/2),\mathrm{else}\end{array}\right.,$ 确定第s扇区天线信道的多普勒功率谱重心f_c(s),其中，S为扇区天线的总数，扇区天线s接收信号的入射方向范围为

对于第s扇区天线在第k时刻的接收信号y_s(k)，利用所述f_c(s)，按照进行多普勒频移补偿，得到频偏补偿后的接收信号

步骤303、将所有扇区天线的所述信道估计后的频域信号进行合并，对合并后的信号进行信道均衡及解调处理，得到频偏校正后的接收信号。

较佳的，可以按照最大比值合并方法，将所有扇区天线的所述频域信号合并，但是在实际应用中不限于此方法。

所述均衡及解调处理的具体方法同标准OFDM接收机处理方法，在此不再赘述。

从上述技术方案可以看出，本发明利用扇区天线进行信号接收，并对每个扇区天线上的接收信号分别进行频移补偿，这样，可以把快速时变信道变为慢变信道，避免由于高速移动带来的多普勒频偏过大的问题。

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 (4)

1.一种频偏校正方法，其特征在于，包括：

预先将用户终端的接收天线配置为二个以上的扇区天线；

对于每个所述扇区天线上的接收信号，所述用户终端进行多普勒频移补偿，将所述频移补偿后的信号移除循环前缀后，转换为频域信号，在频域对所述频域信号提取导频信号并进行信道估计；

将所有扇区天线的所述信道估计后的频域信号进行合并，对合并后的信号进行信道均衡及解调处理，得到频偏校正后的接收信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照重心补偿的方式进行所述多普勒频移补偿。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于每个所述扇区天线上的接收信号，进行所述多普勒频移补偿包括：

按照 $f_c\left(s\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_{D,\max }\cos ({\mathrm{\&phi;}}_s/2),s=0\\ {-f}_{D,\max }\sin ({\mathrm{\&phi;}}_s/2),s=S/2\\ f_{D,\max }\cos (({\mathrm{\&phi;}}_s+{\mathrm{\&phi;}}_{s+1})/2),\mathrm{else}\end{array}\right.,$ 确定第s扇区天线信道的多普勒功率谱重心f_c(s),其中，f_D,max为最大多普勒频移，S为扇区天线的总数，扇区天线s接收信号的入射方向范围为

对于第s扇区天线在第k时刻的接收信号y_s(k)，利用所述f_c(s)，按照进行多普勒频移补偿，得到频偏补偿后的接收信号

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照最大比值合并方法，进行所述合并。