CN105122752B - 估计频率偏移的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估计接收到的信号的频率偏移的设备。该设备用于：接收包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；通过在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展用于所述接收到的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；基于所述扩展的频率捕获范围，估计所述接收到的信号的频率偏移。另外，本发明还涉及一种对应的方法、一种包括此类设备的通信设备、一种计算机程序和一种计算机程序产品。

Description

估计频率偏移的设备及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于估计接收到的多载波信号的频率偏移的设备。另外，本发明还涉及一种对应的方法、一种包括此类估计设备的通信设备、一种计算机程序和一种计算机程序产品。

背景技术

近来，正交频分复用(OFDM)已广泛运用于无线通信标准，包括4G长期演进(LTE)、Wi-Fi和全球微波互联接入(WiMax)。正交频分复用技术允许多载波传输的频谱重叠，确保了无线数据的高速传输，从而提高了频谱效率。另一方面，与常规的单载波传输系统相比，OFDM传输系统对频率偏移更敏感。如图1所示，OFDM要求传输的信号在每个子载波的中心频率进行采样。频率偏移引起信号退化、相位翻转和载波间干扰(ICI)，这些将会导致性能退化。因此，频率偏移的估计和校正对于一个基于OFDM的接收器至关重要。

频率偏移称为发射器和接收器之间的载波频率的频率漂移，通常称为载波频率偏移(CFO)ε_CFO。CFO可进一步划分为两个部分：整数倍频率偏移(IFO)和小数倍频率偏移(FFO)，即：ε_CFO＝ε_IFO+ε_FFO，其中ε_IFO是一个由子载波间隔相乘得到的整数，ε_FFO的大小限定在子载波间隔的一半以内。例如，LTE的频点间隔为15kHz，则IFO可以为±N*15kHz，其中N是一个整数，而FFO仅限为±7.5kHz或者±0.5(归一化频率偏移)。

当处理一个接收到的OFDM信号时，LTE中的用户终端，用户设备(device)，也称为用户设备(UE)，需要估计和校正频率偏移。该过程通常可分为两步，即获取阶段和跟踪阶段。

获取阶段的目标在于估计粗略的频率误差，通常在每个无线帧(例如，10ms时长)内进行。另一方面，跟踪阶段设计用于估计精细的频率偏移，可以在LTE中的每个子帧(例如1ms时长)内更频繁地进行。

接收器中的典型操作如图2所示，天线11接收一个传输信号，并在无线前端放大该接收到的信号并将载波频率下变频为基带信号。随后由数字基带单元进行多种操作，包括上述的频率偏移估计。然后通过频率偏移估计输出12调整接收器的本地振荡器载波频率。接收器的低成本晶体振荡器会引起大的频率偏差，尤其是当接收器内有温度变化的时候。此外，在LTE中无线前端会频繁地接通和断开，LTE中的非连续接收(DRX)也会引起大的频率偏移，从而降低接收器性能。

LTE UE设计用于估计和校正频率误差来减轻其影响。频率偏移估计可在时域或者频域中进行。时域方案通常利用：发射器(例如，基站或者接入点)发送的接收到的专用训练符号/前导来协助同步；接收到的OFDM信号的循环前缀部分(或者也称为保护间隔)。

利用接收到的信号的信号特征来进行时域操作。循环前缀(CP)本质上是OFDM符号的最后几个样本的副本，且放置在该OFDM符号的前面。在接收到的CP部分和OFDM符号的最后几个样本的相关性中进行最大似然(ML)估计，可以估计频率偏移。时域频率偏移估计通常具有相当宽的频率偏移估计范围。根据现有技术，归一化频率偏移估计可在范围内在跟踪阶段进行。

然而，使用专用训练符号或者循环前缀的时域频率偏移估计面临几个实际问题，包括对残留的直流(DC)偏移、刺激信号和窄带干扰敏感。这些缺陷的存在会破坏相关值输出。循环前缀也可能因为多径衰落现象而遭到损坏，从而造成频率偏移估计值不再准确。

另一方面，用于频率偏移估计的频域方案通常使用在传输信号某些位置接收到的导频符号，其原理操作也取决于传输信号的相关性操作，其频率偏移捕获范围也由导频符号在时域中的位置决定。

频域频率偏移估计存在一个主要的问题，频率偏移范围受到所接收到的信号的导频结构限制。根据一些常规方法，导频符号的位置限制在两个相邻的OFDM符号中，从而频率偏移捕获范围为然而，例如LTE系统并不提供这种导频结构。

另一种常规方法是利用小区通用参考符号(CRS)来估计小数倍频率偏移(FFO)，这是一种很著名的方法可命名为基线法。

相位翻转由两个OFDM符号中的CRS相关值衡量，可用于估计频率偏移。LTE系统存在的问题是，两个连续的OFDM符号的参考符号/导频不位于相同的子载波。接收器进行最小二乘信道估计：其中R_l,k是接收到的导频，S_l,k是存储的已知导频，l是符号指数，k是子载波指数。随后，如图3所示，执行该最小二乘信道估计的一个简单的线性频域内插，从而在无导频的子载波上形成一个虚拟信道估计。获得的相关值输出为：

其中K_p是OFDM符号指数l和子载波指数k的交集，也是CRS符号所在的位置。另外，相位翻转θ_Δ-1可表达为：

θ_Δ-1＝θ_l+Δ-θ_l＝arg{μ}

其中Δ是两个带有CRS符号的OFDM符号的间距。所估计的频率偏移可由下公式得出，

归一化的最大绝对值范围为，

带有正常CP配置的LTE中的CRS分别位于OFDM符号数字0、4、7和11。同一个天线口的CRS的OFDM符号的最小间距，即，符号4和7(Δ＝3)。因此，基线法的频率偏移捕获范围的最大极限可达但小于ε_FFO。

另一种常规方案可捕获更大的范围，约为因此，其不能覆盖整个小数倍频率偏移。这种方法需要包括跨子帧的ODFM符号间的几个相关值。此外，需要实施查找表(LUT)。因此，LUT实施的准确性对其结果影响很大。

从上述常规方案的描述可以得出，本领域需要一种用于频率偏移估计的改善方案。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种方案，以减轻或者解决频率偏移估计的常规方案中存在的缺点和问题。

本发明的另一个目标是提供接收到的信号(比如多载波信号)的改善的频率偏移估计方法。

本发明的第一方面，提供一种例如在无线通信系统中用于估计接收到的(多载波)信号的频率偏移的设备，实现上述以及其他目标。该设备用于：

接收包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；

通过在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展用于所述接收到的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；

基于所述扩展的频率捕获范围，估计所述接收到的信号的频率偏移

本发明的第二方面，提供一种通信设备，用于在无线通信系统中进行通信并且包括本发明实施例的至少一种用于估计频率偏移的设备，以实现上述以及其他目标。

本发明的第三方面，提供一种例如在无线通信系统中用于估计接收到的(多载波)信号的频率偏移的方法，实现上述以及其他目标。该方法包括如下步骤：

接收包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；

通过在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展用于所述接收到的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；

基于所述扩展的频率捕获范围，估计所述接收到的信号的频率偏移

一个OFDM符号对是两个携带导频符号的OFDM符号，其中一个符号对中的OFDM符号的间距反映频率偏移估计范围。频率捕获范围是指接收器所能估计和校正的频率偏移的范围。

本发明实施例提供的估计方案带有灵活的频率偏移捕获范围，例如该范围可以覆盖整个小数倍频率偏移ε_FFO或者甚至在LTE系统中覆盖更大的范围。进一步地，本方案的频率估计是在时域中进行的，因此可有效抵抗例如DC偏移和窄带干扰之类的损伤。

此外，最大复杂性预期会随着基线频率偏移估计器的范围扩展的倍增因数近似线性增加，这是一个优势。所述方案还提供了复杂性和性能之间的折衷选择。因此，性能可以在任何需要的时候通过利用更多的数据/输入得以改善。

根据本发明的一个实施例，该设备还用于使用有限长单位冲击响应FIR数字滤波器对所述接收到的信号的进行频率位移，从而扩展频率捕获范围。所述FIR数字滤波器可以具有通过如下公式计算出的滤波器系数C(m)

其中m是滤波器系数指数，ε_s是频率位移，N_FFT是快速傅立叶变换FFT点数，N_gi是所述接收到的信号的保护间隔或者循环前缀的长度，l是所述接收到的信号的一个子帧内的OFDM符号指数。频域中的频率位移可以避免使用时域中的频率位移所需要的快速乘法器(例如昂贵的高速乘法器)。只有当携带导频的子载波经过所述FIR数字过滤器，计算复杂性才会更低。

根据本发明的另一实施例，该设备还用于对所述接收到的信号进行N次频率位移，以获得N+1个频率偏移估计值通过N+1次单独的频率偏移估计值的频率捕获范围来扩展频率捕获范围，以获得相邻频率估计区域。每次频率位移产生一个频率偏移估计值；当载波频率周围区域无频率位移时，获得另外的一个频率偏移估计值，从而获得N+1个频率偏移估计值。本实施例的意思在于由于无重叠，与频率位移个数相关的总捕获范围将会是最大的。

根据本发明的又一实施例，该设备还用于对所述接收到的信号进行N次频率位移，以获得N+1个频率偏移估计值通过小于N+1次单独的频率偏移估计值的频率捕获范围来扩展频率捕获范围，以获得重叠频率估计区域。与非重叠情况相比，重叠范围的复杂性可能会更大，但是其性能会提升。

根据实施例提供的上述N+1个频率偏移估计值，另一实施例提供的频率偏移估计值成对对称分布在所述接收到的信号的传输载波频率周围。这意味着达到最佳的频率捕获范围，并且简化了本发明的此类实施例的实施。

根据本发明的又一个实施例，本设备还用于通过建立由所述至少一个OFDM符号对的导频符号确定的信道估计值间的相关性，获得所述N+1个频率偏移估计值根据本实施例，该设备还可用于使用所述至少一个OFDM符号对的减少数量的子载波建立信道估计值间的相关性。本实施例减少了计算量。

根据又一实施例，本设备还可用于为每个频率偏移估计值使用一个OFDM符号对建立信道估计值间的相关性，所述用于每个频率偏移估计值的OFDM符号对是相同的或者具有相同的符号间距。因此，所有频率估计器将具有相同的偏移捕获范围，并且候选偏移值容易比对，例如通过比较相关值，从而轻松获得最终偏移值。该设备还可以进一步用于使用额外的OFDM符号对建立与所述接收到的信号的传输载波频率相关的频率偏移估计值的信道估计值间的相关性。这意味着频率偏移估计得到改善。

根据本发明的又一实施例，该设备还用于从所述OFDM符号对中选择具有最大绝对相关值的频率偏移估计值作为所述频率偏移估计值本实施例在选择过程中具有非常低的复杂性。

根据本发明的又一实施例，该设备还用于使用至少一个最大似然ML函数来选择所述频率偏移估计值根据本实施例，一个单一的OFDM符号对可以用于进行频率偏移估计，所述设备还可以用于通过如下公式给每个频率偏移估计值推导出一个ML函数，

并且选择一个满足条件ε_FOE＝ε_p的频率偏移估计值作为所述频率偏移估计值指数p由计算获得，Δ是两个OFDM符号的符号间距，f_Δ是一个常量，α_k是ML函数的系数。这意味着通过减少频率偏移的错误检测区域可带来更加准确的频率偏移估计值。

根据本实施例，L＞1的OFDM符号对可以用于进行频率偏移估计，所述设备还用于通过如下公式给每个OFDM符号对v{v∈1,2,...,L}推导出一个ML函数，

为每个频率偏移估计值线性组合所述ML函数并且选择一个频率偏移估计值ε_FOE＝ε_p作为所述频率偏移估计值指数p由ε_FOE＝ε_p获得，或者选择满足条件的频率偏移估计值作为所述频率偏移估计值

根据本设备的又一实施例，两个OFDM符号对可以用于进行频率偏移估计，所述设备还用于计算两组频率估计值的最小间距，并且选择一个满足的频率偏移估计值，其中指数p，r由获得。本实施例提供的平均值将改善估计结果。

根据本设备的又一实施例，无线信道是一个多入多出MIMO信道，并且所述设备还用于计算每个MIMO流的至少一个OFDM符号对的信道估计值间的相关值；将计算出的每个MIMO流的相关值进行线性组合；使用组合的相关值估计所述频率偏移使用来自不同MIMO通道的更多样本可改善频率偏移估计的结果。

本发明还涉及一种包括代码部分的计算机程序，当该计算机程序由处理装置运行时，所述处理装置可用来执行本发明提供的任一方法。进一步地，本发明还涉及一种计算机程序产品，包括计算机可读介质和所述计算机程序，其中所述计算机程序包括在所述计算机可读介质中，并且包括以下群组中的一种或者多种：ROM(Read-Only Memory)、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、闪存、EEPROM(Electrically EPROM)和硬盘驱动器。

在以下详细描述中，本发明进一步的应用和优势是显而易见的。

附图说明

附图意在阐明和阐释本发明的各项实施例，其中：

图1阐述了LTE中的OFDM信号和频率偏移的子载波表现形式；

图2阐述了现有技术接收器中的频率偏移估计和频率偏移估计校正；

图3阐述了无导频的子载波的最小二乘信道估计值的线性内插操作和携带导频的OFDM符号间的相关性；

图4阐述了一种有频率位移的频率偏移估计器的框图；

图5阐述了有两次频率位移的非重叠基线估计；

图6阐述了本发明一实施例提供的一种接收器结构；

图7阐述了非重叠的N次频率位移(4个带有5个分区的重采样滤波器)；

图8阐述了本发明一实施例提供的用于估计频率偏移的接收器框图；

图9阐述了多天线如何在MIMO场景下生成更多的数据样本；

图10显示了本发明一实施例提供的一种带有不同频率偏移范围的频率偏移估计的流程图；

图11阐述了频率偏移±7kHz内的不同方案的性能估计；

图12阐述了频率偏移±10kHz内的不同方案的性能估计；

图13阐述了本发明一实施例提供的一种方法；

图14阐述了本发明一实施例提供的一种估计设备；

图15示意性地阐述了本发明一实施例提供的从基站到通信设备的多载波信号的下行传输。

具体实施方式

根据本发明一实施例提供的估计设备10，如图4所示，用于对接收到的OFDM信号进行频率偏移估计的频率捕获范围可通过在频域中对接收到的多载波信号进行至少一次频率位移进行扩展。随后，根据扩展的频率捕获范围，对所述接收到的信号进行频率偏移估计，从而获得频率偏移估计值因此，提出一种重采样(频率位移)的方法来进行频域中的频率位移，从而可以扩展频率偏移的捕获范围。

考虑到接收到的OFDM信号有一个频率偏移ε，接收器配备了一个可达的频率偏移估计器，问题是会出现或者换言之，频率偏移大于接收器的频率估计器的频率偏移估计范围的情况。因此，不是所有的频率偏移都可进行估计。通常情况下，ε是|ε_FFO|内的一个残留的频率偏移。为了让频率偏移估计器有一个更宽的范围，通过引入频率位移ε_s来扩展其范围，使得估计设备10满足图4的框图阐述了该操作。因此，本发明实施例涉及无线通信系统20中的一种用于估计接收到的多载波信号的频率偏移的设备10，该设备可选择性地包括至少一个处理器30，该处理器30用于：接收包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；通过在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展用于所述接收到的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；基于所述扩展的频率捕获范围，估计所述接收到的信号的频率偏移通常情况下，该捕获范围远远小于实际的频率偏移误差。然而，本发明实施例通过扩展所述捕获范围来解决常规方法中出现的这种问题。图4示出了一种在频域中同时进行频率位移和频率偏移估计的框图。DL信号由天线单元11接收，并且在前端12转换为基带信号。随后，时域OFDM信号由FFT单元13转换至频域。通过将频域信号传送到由“重采样滤波器”14执行的FIR数字滤波器中来进行信号频率的频率位移。最后，在“FOE”15中进行频率偏移估计，“FOE”15在下文中进行进一步描述。

根据本发明的一实施例，频域中的频率位移可以由FIR数字滤波器执行。根据另一实施例，滤波器系数C(m)可表达为以下形式，

其中ε_s是频率位移，N_FFT是快速傅立叶变换FFT点数，N_gi是所述接收到的信号的保护间隔或者循环前缀的长度，l是所述接收到的信号的一个子帧内的OFDM符号指数。

根据本发明的又一实施例，重采样滤波器和基线频率偏移估计器都用于获得多个频率偏移估计值因此，本实施例提供的本设备用于对所述接收到的信号进行N次(N是一个正整数)频率位移来获得N+1个频率偏移估计值包括一个无频率位移的频率偏移，即在传输信号的载波频率周围。通过N+1次单独的频率偏移估计值的频率偏移捕获范围，将所有的频率偏移估计值联结在一起来扩展总频率捕获范围。这种方式可获得相邻频率估计区域。基线频率估计器具有一定的频率偏移范围，并且重采样滤波器频率是经过精心设计的，因此可以构造基线估计器来实现更宽的频率偏捕获范围。本实施例中不存在频率估计范围重叠现象，因此总范围可以最大化。

图5阐述了本实施例进行的频率位移。首先，定义预期频率偏移范围，即可估计的最大偏移，例如+/-0.5的子载波间隔。在这个例子中，预期频率偏移范围的目标是±7kHz或者(归一化尺度±0.466)。假设LTE系统使用了OFDM符号[4，7]，这个例子则定义两个频率假设，分别表示为-ε_s和ε_s，从而形成一个频率位移β_k的集合，即-ε_s,0,ε_s。

本实施例提供的接收器设备可以具有如图6所阐述的结构。数字OFDM基带时域信号由FFT单元16转换至频域。图6中三个频率偏移估计(FOE)块18生成三个对应的相关值，分别表示为μ₁,μ₂,μ₃。三个初步的FOE假设ε₁，ε₂，ε₃由计算得出，其中κ是一个取决于LTE设置的常量。本设备的选择器19将选择三个频率偏移假设ε₁，ε₂，ε₃中的一个，通过首先找出由操作得出的指数p来确定所选择的频率偏移然后，最终的频率偏移将是ε_p-β_p，其中β_p是预先定义的频率位移，用于生成重采样过滤器系数。

根据本发明的另一实施例，通过具有重叠频率估计区域来增加频率假设的个数，从而获得频率偏移估计值。例如，该个数可由N＝2增加到N＝4。从这个方面来说，必须定义预期捕获范围，并且将其划分为相等的频率间隔的N+1个分区。随后，如图7所示，频率假设分布在每个分区的中心。由图7可以观察到每个分区的捕获范围是-0.093，0.093，小于单个估计器捕获范围-0.155，0.155。因此，本实施例提供的本设备10可以用于对所接收到的信号进行N次频率位移，从而获得N+1个频率偏移估计值并通过小于N+1的小于数乘以一个个别频率偏移估计次单个频率偏移估计值的频率捕获范围来扩展所述频率捕获范围。

本实施例的一个优势是通过允许相邻估计器的重叠，让接收器设备50只信任在其分区提供频率估计值的估计器。否则，舍弃该结果。最后，通过从那些信任的估计器输出值中找出最高绝对相关值，以获得最佳估计器。该过程如图7所示。在区域1中，获得FFO估计值，即图7中的圆圈标记，其属于相同的区域范围，因此可信任该值。对于区域2，FFO估计值，即图7中的加号标记，属于第一估计器的分区范围，这个估计值远离区域2的中心，因此不可信任。此外，右边两个区域，即区域4和5，其产生的FFO估计值远离区域中心，因此要舍弃。位于中间的区域3产生一个有效的FFO估计值，即三角形符号。因此，最终输出值将会是圆圈符号或者三角形符号所显示的FFO估计值，这取决于哪一个具有本实施例提供的最大相关值。

根据本发明的又一实施例，使用至少一个最大似然(ML)函数来选择接收到的信号的频率偏移估计值优选地，使用专利申请EP13198573.1中，Fredrik Rusek和BasukiE.Priyanto发明的“使用导频的OFDM系统中的频率偏移的基于Karhunen Loeve的最大似然估计”的方法，但是本方法略有不同。本发明的思想不采用CRS符号间的相关值，而是基于构建似然函数。将此函数最大化可让其成为最佳的频率偏移估计值，即：通过EP13198573.1所述的方法，每个OFDM符号只需要执行一个单一的FFT，从而让EP13198573.1的成果得以应用；并且仅需要的三个函数估计值。其结果仍然与EP13198573.1的结果相一致。

从EP13198573.1可观察到只需要的三个函数估计值就能估计整个函数。频率位移ε_s可表示为β。

μ^-β,μ⁰,μ^β这三个值可用于作为的样本：

并且它可以表示为矢量形式：

根据EP13198573.1可得出，似然函数可表示为,

其中a＝Aμ，A是一个离线预先计算的已知3x3矩阵。函数φ_k(ε)是复指数函数φ_k(ε)＝exp(i(α_kε+β_k))，其中(α_k,β_k)是已知的。图8中的框图阐述了采用EP13198573.1所述的ML方法的整个操作。

频率偏移估计的逐步操作可参照图8，描述如下：

1.在OFDM符号4和7上使用CRS符号，采用时间信号y₄和y₇的FFT。

2.通过归一化频率量{-β,0,β}，在上述两个信号上应用重采样。因此，在β＝0.311的例子中，可获得三个输出值分支，并且0可理解为无重采样。然后，在每个输出值分支中执行最小二乘信道估计值和内插，并表示为和一共可以得到6个信号。

3.找出三个总相关值为，

必须进行安排处理，因为所有位置中都没有导频，且不会出现在OFDM符号4和7同样的子载波上。如图3所示，该操作可通过在频域中的信道估计值间的内插实现。因此，以上相关值都是“概念上的”。

4.计算注意A^-1是一个固定矩阵。根据EP13198573.1所述的OFDM 符号组合4和7，可得到：

其中β＝0.311,f_Δ＝0.5.。

5.通过在不同的频率区间上找出最大相关值来找出指数p。

6.找出一个初步的频率偏移为，

其中arg{}是为复数μ_p提供角度的函数，最后一项是通过向频率间隔进行频率位移的重定位，从而在步骤6给出最大相关值。

7.构建一个可能的频率偏移列表Ξ＝{ε-ε_r,ε,ε+ε_r}，

其中ε_r是基线频率偏移的范围。OFDM符号4和7的组合将该范围限定为0.311。将这3个值表示为1≤k≤3.。所有这些可能的频率偏移必须在预期的频率偏移范围内，另加一个小余量来预计噪声导致的额外的小频率误差。考虑余量为0.023或者350Hz。否则该余量会被截断至最大值。由于频率偏移的范围与倍数ε_r线性相关，因此所述范围扩展，候选值个数就会随之增加ε_r倍。

8.计算，

9.采用最终估计值其中是p所选估计值的指数。

发射器和接收器单个天线系统情况下的上述实施例已进行例证。在LTE中，发射器侧和接收器侧通常都会部署多根天线，这也可在本发明中应用。多天线系统如图9所示，其中无线信道是多入多出(MIMO)无线信道。

在MIMO无线信道中，接收器可以根据多对发射和接收天线产生更多的信道估计值。LTE系统经过设计，使得每个天线口都可发射CRS符号。因此，根据以下公式可以产生更多的相关值输出：

将相关值输出以[μ^tot ₁,μ^tot ₂,μ^tot ₃]的形式进行组合后，接下来的步骤和前述实施例所述的步骤一样。

当进行时域平均化时，可以将其扩展。在LTE中，可以在1个以上的子帧上进行该平均化。因此，根据本实施例中的MIMO无线信道传输，本接收器设备10还可以用于计算每个MIMO流的至少一个OFDM符号对的信道估计值间的相关值；随后将计算出的每个MIMO流的相关值进行线性组合；并且利用组合的相关值估计所述接收到的信号的频率偏移

根据本发明的进一步实施例，可以使用超过一个OFDM符号对来进行频率偏移估计。根据这些实施例，使用超过一个OFDM符号对作为频率偏移估计器的输入。例如，在有正常CP配置的LTE系统中，参考符号位于OFDM符号位置0、4、7和11。因此，可以形成很多的OFDM符号对的组合，即[0，4]、[4，7]、[4，11]和[0，7]等。需要注意的是，不同的OFDM符号对导致不同的频率偏移范围，因此必须对符号对进行独特处理，以便组合结果。

通常方法的描述可参照图10中的流程图：

1.设备10需要预定义用于估计的OFDM符号对的个数L。

2.执行L个并行操作，通过重采样来计算相关值和初步的频率偏移值；在有/无重采样输出的情况下，从每个操作中找出最大相关值来表示选择的初步的频率偏移候选值。

3.构建一个可能的频率偏移候选值列表。考虑到两个频率估计值 可从使用重采样的符号组合[0，4]和[4，7]中找出，可以配置如下的频率假设集合，

其中f_Rm,n是使用符号m和n的估计的频率范围，f_R4,7等于0.311，f_R0,4等于0.233，且N和M是整数值。这些频率假设也必须属于预定义的预期频率偏移范围内(例如在LTE系统中，±0.466或者±7kHz)，加上一个小余量(补偿噪音误差)。考虑余量为0.023或者350Hz。否则，舍弃这些频率假设。

在上述步骤3之后，这个阶段有两个建议，即使用组合的近似ML或者最小间距(MD)。假设L＝2，有两个符号组合集合，例如符号组合[0，4]和[4，7]，每个组合具有2M+1、2N+1个频率假设/候选值。

如果使用MD方法，则减去两个集合中的频率估计候选值，由下列公式找出指数p和r，

其中是向量的元素，是向量的元素。获得的最终FOE为需要注意的是MD方法必须确保整个预期频率偏移范围有足够的区域/重采样分支覆盖。使用MD方法的优势是其复杂性低。

如果使用上述组合的近似ML的方法，将上述步骤4中的两个集合组合成一个具有(2M+1)+(2N+1)个候选值的集合将这些候选值作为L(L＝2)近似ML的方法中的输入，假设L＝2，则产生λ的两个集合。使用上述ML函数计算出λ_n,1、λ_n,2，仅将它们相加，即λ_n,tot＝λ_n,1+λ_n,2，组合其结果。找出两个最大的λ并表示为λ_max,tot,λ_max-1,tot。如果(Th是数值必须保持很小的阈值)，则两个所选候选值(来自于不同集合)很可能几乎一样或者属于Th值的范围内，否则两个所选候选值(来自于不同集合)很可能几乎一样或者属于阈值Th的范围内，该阈值Th通常被设定为一个小的数值。因此，可以求出它们的平均值，从而将频率偏移估计的误差最小化。

本发明的进一步实施例还涉及用于降低本频率偏移估计方案的复杂性的设备和方法。降低复杂性的目标是通过相对较低的性能退化来降低复杂性。性能退化是由于高概率的误检测和/或由于噪音平均化中较少的相关值造成的RMS误差的增加导致的。主要集中在减少相关值和避免误区域检测的概率增长。

以下的例子中的两个重采样滤波器，假设具有正常CP的LTE系统中的符号组合[0，4]和[4，7]要求具有如下所示的三个相关值集合，每个集合包含两个相关值，分别为OFDM符号#0和#4，和OFDM符号#4和#7。然而，需要注意的是，该方法并不限于上述组合或者LTE。

除了通过至少一个OFDM符号对的减少的子载波来减少所有集合的相关值数量，从而建立信道估计值间的相关性外，第一种降低复杂性的方法几乎与上述用于估计频率偏移的方法和设备一样。FFT输出后每个分支为2个符号对都建立相关性，符号#0和符号#4，和符号#4和#7。由带有Δ符号间距的两个OFDM符号测量的相位翻转可表示为：

相关输出值μ也可以简单表达为，

其中K是频域最小二乘信道估计值的个数(即对于LTE 10MHz，K＝2x2x50＝200)，χ是一个减缩系数。获得相位翻转和相关值之后，接下来的步骤就是前述的与无复杂性降低的方法一样的ML方法中的步骤。

第二种降低复杂性的方法中，在带有重采样滤波器(N个分支)的分支中只使用一个OFDM符号对(OFDM符号#4和#7)。用于每个频率偏移估计值(分支)的OFDM符号对是相同的或者具有相同的符号间距。本实施例通过如下方式进一步优化：使用额外的OFDM符号为与所述接收到的信号的传输载波频率相关联的频率偏移估计值的信道估计值建立相关性。在这种情况下，无重采样的估计分支使用两个OFDM符号对。

来自无重采样的分支中的同一个OFDM符号对的输出和相关值输出一起作为上述近似ML的方法的输入。这将产生粗略的频率估计值。最后，通过组合粗略的频率偏移估计值和一个由符号#0和#4输出的测量频率估计值来获得精细的频率估计值。该组合使用了所述MD方法。详细的操作如下：

1.在OFDM符号4和7上使用CRS符号，并且采用报时信号y₀和y₄的FFT。

2.对OFDM符号对4和7使用组合的重采样和ML方法，产生

3.从OFDM符号对0和4中计算频率偏移，

4.构建一个可能的频率偏移列表，

5.使用最小间距方法找出与粗略的频率偏移估计值最近的频率，

6.选择最终的频率偏移估计值为

实行链路级仿真来估计本频率偏移估计设备和方法。原则上，该频率偏移估计在1个子帧上进行。然而，也可以通过执行时域平均化在超过1个子帧上进行。预期频率偏移范围在±7kHz和±10kHz的范围内。为了确定基准，还提供了当频率偏移范围限定为±2.33kHz时的结果。这是在有正常CP配置的LTE中带有OFDM符号[4，7]的基线频率偏移估计器的范围。常用仿真参数如表1所示。

表1：仿真参数

参数	数值
		天线配置	SISO，2x2MIMO
带宽	10MHz
		FFT尺寸	1024
OFDM计时	完美
		信道估计	最小二乘和FD线性内插
信道	AWGN
		频率偏移范围	±7kHz和±10kHz
CP配置	正常CP

图11示出了假设频率偏移在±7kHz内的各种方案的性能。单个信道情况下性能最差。通过使用多信道(MIMO)，并使用更多的符号组合[0，4]和[4，7]可以提高性能。具有最小间距的MIMO(MIMO[0，4]和[4，7])和MIMO-ML[0，4]、[4，7]具有相同的性能。然而，低SNR值情况下，ML方法具有更好的结果。执行时域平均化可达到最佳性能。“MIMO-ML[0，4]、[4，7]—4个子帧”设置结果表明，其与限制的频率偏移(±2.33kHz)的结果非常接近。

图12示出了假设频率偏移在±10kHz内的各种方案的性能。由此可以看出本设备和方法在频率偏移扩展至±10kHz时，仍然具有良好的性能。在大多数情况下，可观察到只有一个小缺陷，使用MD方法的性能完全偏移。这主要因为MD方法要求为重采样滤波器适当布置频率位移。这里使用的MD方法专为三个理论上可以覆盖7kHz频率偏移的分区而设计。

另外，本领域技术人员可以理解的是，本发明还涉及频率偏移估计和降低复杂性的方法。本发明提供的任一方法可以在计算机程序中实行，该计算机程序带有代码部分，当通过处理装置运行的时候，会导致该处理装置去执行方法中的步骤。该计算机程序包括在计算机程序产品的计算机可读介质中，该计算机可读介质基本上可以包括任一存储器，例如ROM(Read-Only Memory)、PROM(Programmable Read-Only Memory)、EPROM(ErasablePROM)、闪存、EEPROM(Electrically Erasable PROM)和硬盘驱动器。

图13阐述了本发明一实施例提供的方法。该方法用于在无线通信系统20中估计接收到的多载波信号的频率偏移，包括如下步骤：接收100包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移200，扩展所述接收到的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；基于扩展的频率捕获范围，估计300所述接收到的信号的频率偏移需要注意的是，根据本设备10的不同实施例，以上方法可以修改并作必要的校正。

此外，技术人员可以实现，本估计设备10和通信设备50各自具备执行本方法必要的通信能力，且以例如功能、装置、单元、元件等的形式执行。其他此类装置、单元、元件和功能例如：处理器、存储器、编码器、解码器、绘图单元、乘法器、交织器、去交织器、调制器、解调器、输入设备、输出设备、天线、放大器、接收单元、发射单元、DSP、MSD、TCM编码器、TCM解码器、接口和通信协议等，它们适当地设置在一起。

特别地，本用户设备或者接入节点设备的处理器可以包括，例如，中央处理器(CPU)、处理单元、处理电路、处理器、专用集成电路(ASIC)、微处理器或者其他可以解释和执行指令的处理逻辑中的一个或多个实例。所述“处理器”可以因此表示一个包括多个处理电路的处理电路系统，例如以上提到的任一、部分或者所有处理器。所述处理电路系统还可以执行数据处理功能，从而进行数据输入、输出和处理，包括数据缓冲和设备控制功能，例如呼叫处理控制和用户接口控制等。

图14示出了本发明提供的设备10。在这种情况下，该设备10包括一个耦合到输入单元和输出单元的处理器单元30。所述处理器30用于接收一个包括至少一个OFDM符号对的信号(或者一个信号表现形式)。所述处理器30还用于处理本申请和各种实施例共同描述的信号，以获得一个频率偏移估计值，可输出该频率偏移估计值进行进一步处理，比如通过频率偏移校正信号。本例中的设备10还包括一个耦合到处理器用于存储数据的存储器。所述存储器还包括将在处理器中执行的程序指令。该设备10可以是一个独立设备或者可以集成到通信设备50中。

图15示出了本发明实施例提供的通信设备50，包括至少一个本发明一实施例提供的频率偏移估计设备10。在这种情况下，图15中的通信设备50从基站接收一个下行多载波信号。通信系统20可以是一个蜂窝式多载波系统，例如LTE，但是本发明不局限于LTE系统。所提到的LTE系统的通信设备50是一个UE，但是可以是用于接收多载波系统传输的使用OFDM符号的无线通信信号的任一通信设备，例如终端或者一般接收器设备。

最后，应理解本发明并不局限于上述实施例，而是同时涉及且包含所附独立权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (13)

1.一种用于估计接收到的信号的频率偏移的设备(10)，其特征在于，所述设备(10)包括至少一个处理器(30)、滤波器；

所述处理器(30)用于：接收包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；

所述滤波器在频域中对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展用于所述接收到的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；

所述滤波器为一个有限长单位冲击响应FIR数字滤波器；

所述FIR数字滤波器具有通过如下公式计算出的滤波器系数C(m)

其中m是滤波器系数指数，ε_s是频率位移，N_FFT是快速傅立叶变换FFT点数，N_gi是接收到的所述信号的保护间隔或者循环前缀的长度，l是接收到的所述信号的一个子帧内的OFDM符号指数；

基于所述扩展的频率捕获范围，估计所述接收到的信号的频率偏移

2.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还用于对所述接收到的信号进行N次频率位移，以获得N+1个频率偏移估计值并通过N+1次单独的频率偏移估计值的频率捕获范围来扩展频率捕获范围，以获得相邻频率估计区域。

3.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还用于对所述接收到的信号进行N次频率位移，以获得N+1个频率偏移估计值通过小于N+1次单独的频率偏移估计值的频率捕获范围来扩展频率捕获范围，以获得重叠频率估计区域。

4.根据权利要求3所述的设备(10)，其特征在于，所述N+1个中的N个频率偏移估计值成对称分布在所述接收到的信号的传输载波频率周围。

5.根据权利要求4所述的设备(10)，其特征在于，还用于通过建立由所述至少一个OFDM符号对的导频符号确定的信道估计值间的相关性，获得所述N+1个频率偏移估计值

6.根据权利要求5所述的设备(10)，其特征在于，还用于使用所述至少一个OFDM符号对的减少数量的子载波建立信道估计值间的相关性。

7.根据权利要求5-6任一所述的设备(10)，其特征在于，还用于为每个频率偏移估计值使用一个OFDM符号对建立信道估计值间的相关性，所述用于每个频率偏移估计值的OFDM符号对是相同的或者具有相同的符号间距。

8.根据权利要求7所述的设备(10)，其特征在于，还用于使用额外的OFDM符号对来建立与所述接收到的信号的传输载波频率相关的频率偏移估计值的信道估计值间的相关性。

9.根据权利要求4-6或8任一所述的设备(10)，其特征在于，还用于从所述OFDM符号对中选择具有最大绝对相关值的频率偏移估计值作为所述频率偏移估计值

10.根据权利要求4-6或8任一所述的设备(10)，还用于使用至少一个最大似然ML函数来选择所述频率偏移估计值

11.根据权利要求4-6或8任一所述的设备(10)，其特征在于，两个OFDM符号对用于进行频率偏移估计，所述设备(10)还用于计算两组频率估计值的最小间距，并且选择一个满足的频率偏移估计值，其中指数p,r由获得。

12.根据权利要求1或4-6或8任一所述的设备(10)，其特征在于，无线信道是一个多入多出MIMO信道，所述设备(10)还用于：

计算每个MIMO流的至少一个OFDM符号对的信道估计值间的相关值；

将计算出的每个MIMO流的相关值进行线性组合；

使用组合的相关值估计所述频率偏移

13.一种用于估计接收到的信号的频率偏移的方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收(100)包括通过无线信道传输的至少一个正交频分复用OFDM符号对的信号；

通过在频域中由滤波器对所述接收到的信号进行至少一次频率位移，扩展(200)用于所述接收到的信号的频率偏移估计的频率捕获范围；

所述滤波器为一个有限长单位冲击响应FIR数字滤波器；

所述FIR数字滤波器具有通过如下公式计算出的滤波器系数C(m)

其中m是滤波器系数指数，ε_s是频率位移，N_FFT是快速傅立叶变换FFT点数，N_gi是接收到的所述信号的保护间隔或者循环前缀的长度，l是接收到的所述信号的一个子帧内的OFDM符号指数；

基于扩展的频率捕获范围，估计(300)所述接收到的信号的频率偏移