CN105743836A - 基于多径分离的ofdm系统频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，属于无线通信技术领域，针对传统频率同步算法频偏估计精度在多径衰落信道中受散射径影响，导致频偏估计精度降低的问题，充分利用可分离的各条路径冲激响应，在时域完成各径频偏估计，并按最大比原则合并各径频偏估计值，可实现OFDM系统在多径衰落信道环境中的小数倍频率同步，在多径衰落信道环境下具有良好的估计性能，且所有操作均在时域完成，无需时频变换，运算复杂度低。

Description

基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术通过把频率选择性衰落信道转换成平坦衰落信道，提高了系统抗多径衰落能力，能提供更高的数据传输速率和频谱利用率，是新一代宽带移动通信系统的核心技术。频率同步是OFDM系统的关键技术，为保证系统解调性能，一般要求频率偏差在高斯信道下要小于子载波间隔的4％，多径衰落信道下频率误差要小于子载波间隔的2％。因此，频偏估计方案的研究具有重要的现实意义。

现有的OFDM频率同步方法有：文献MLestimationoftimeandfrequencyoffsetinOFDMsystems.[J].SignalProcessingIEEETransactionson,1997,45(7):1800-1805.提出了一种基于循环前缀的频偏估计方案，可以估计系统小数倍频偏，但当在多径衰落信道环境中，循环前缀本身受到多径污染，造成估计性能下降；文献RobustFrequencyandTimingSynchronizationforOFDM[J].IEEETrans.onComm.,1994，42:2908-2914.提出了一种S&C算法，可以估计整数倍和小数倍频偏，但当子载波数小于系统FFT点数时，频偏估计性能下降；文献利用CAZAC序列的OFDM频率同步方法[J].电子与信息学报,2006,28(1):139-142.使用恒包络零自相关(ConstantAmplitudeZeroAutoCorrelation,CAZAC)序列进行频偏估计，算法频偏估计精度高，但频偏估计结果反馈时间较长，不适用于突发通信；文献ANovelDopplerFrequencyOffsetEstimationMethodforDVB-TSysteminHSTEnvironment[J].IEEETransactionsonBroadcasting,2012,58(1):139-143.提出一种利用莱斯信道直射路径冲激响应的频偏估计算法，算法在高莱斯信道环境中估计精度高，但在低莱斯信道环境中性能较差。

发明内容

本申请通过提供一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，以解决传统频率同步算法频偏估计精度在多径衰落信道中受散射径影响，导致频偏估计精度降低的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，包括如下步骤：

S1：采用两组结构相同的训练符号TS1和TS2，按[TS1,TS2]组成训练序列，其中，TS1和TS2均采用加入四分之一循环前缀的CAZAC序列；

S2：由TS1求得信道冲激响应h₁，由TS2求得信道冲激响应h₂；

S3：由信道冲激响应h₁和h₂分别分离各条可分离路径，由h₁分离各径冲激响应得到h₁＝[h₁(1),h₁(2),…,h₁(L)]，由h₂分离各径冲激响应得到h₂＝[h₂(1),h₂(2),…,h₂(L)]，其中，L为最大可分离路径条数；

S4：利用各分离路径对应的前后符号冲激响应相关，求得各径小数倍频偏估计

S5：按最大比合并原则，合并各分离路径的信道冲激响应，得到频偏估计值

进一步地，步骤S2中，按照信道冲激响应的最大似然估计计算TS1的接收信号度量函数，并以|M₁(d)|作为信道冲激响应h₁，按照信道冲激响应的最大似然估计计算TS2的接收信号度量函数，并以|M₂(d)|作为信道冲激响应h₂，式中，N_FFT为FFT点数，N_g为OFDM符号中循环前缀的采样点数，r(d)为第d个基带等效接收信号的采样值，C^*(n)为CAZAC训练序列C(n)中的第n个采样点的共轭相关值。

进一步地，步骤S4中，按照估计第l径频偏估计值，其中，N为FFT点数与CP长度之和，h₁(l)表示由第一个训练序列符号TS1估计得到的信道冲激响应，h₂(l)表示由第二个训练序列符号TS2估计得到的信道冲激响应，l＝1...L。

进一步地，步骤S5中，将按照进行合并，其中，为合并因子，α_l等于当前径能量与各径能量和的比值。

进一步地，步骤S1中，CAZAC序列由生成，式中，j为虚数单位，N_FFT为OFDM所作FFT变换点数，r为正整数，r与N_FFT互质，r＝3。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：在多径衰落信道环境下具有良好的估计性能，且运算复杂度低。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为训练符号结构示意图；

图3为瑞利衰落信道各径频偏估计与合并后估计MSE对比图；

图4为莱斯衰落信道各径频偏估计与合并后估计MSE对比图；

图5为瑞利衰落信道下各种算法的频偏估计MSE对比图；

图6为低莱斯衰落信道下各种算法的频偏估计MSE对比图；

图7为高莱斯衰落信道下各种算法的频偏估计MSE对比图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，以解决传统频率同步算法频偏估计精度在多径衰落信道中受散射径影响，导致频偏估计精度降低的问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，如图1所示，包括如下步骤：

首先，本地CAZAC序列由生成，式中，j为虚数单位，N_FFT为OFDM所作FFT变换点数，r为正整数，r与N_FFT互质，在本实施例中，r＝3。

针对CAZAC序列，其自相关函数为：

$R_m=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{C}_{n+m}^{*}+\underset{n=N-m}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{C}_{n+m}^{*}=\left\{\begin{array}{c}N,m=0\\ 0,m\≠0\end{array}\right.$

式中，mod表示取模。

S1：采用两组结构相同的训练符号TS1和TS2，按[TS1,TS2]组成训练序列，其中，TS1和TS2均采用加入四分之一循环前缀的CAZAC序列，其结构示意图如图2所示；

S2：由TS1求得信道冲激响应h₁，由TS2求得信道冲激响应h₂；

按照信道冲激响应的最大似然估计计算TS1的接收信号度量函数，并以|M₁(d)|作为信道冲激响应h₁，按照信道冲激响应的最大似然估计计算TS2的接收信号度量函数，并以|M₂(d)|作为信道冲激响应h₂，式中，N_FFT为FFT点数，N_g为OFDM符号中循环前缀的采样点数，r(d)为第d个基带等效接收信号的采样值，C^*(n)为CAZAC训练序列C(n)中的第n个采样点的共轭相关值。

在多径衰落信道环境中，忽略发射机与接收机之间的传输时延条件下，度量函数可得到：

$\begin{array}{c}{M}_1\left(d\right)=\frac{1}{N_{FFT}}\underset{n=0}{\overset{N_{FFT}-1}{\mathrm{\Σ}}}r(d+N_g+n)C^{*}\left(n\right)\\ =\frac{1}{N_{FFT}}\underset{n=0}{\overset{N_{FFT}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=0}{\overset{v-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_1\left(l\right)C(d+n-l)C^{*}\left(n\right)+\frac{1}{N_{FFT}}\underset{n=0}{\overset{N_{FFT}-1}{\mathrm{\Σ}}}w(d+n)C^{*}\left(n\right)\\ =\underset{l=0}{\overset{v-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_1\left(l\right)\mathrm{\δ}(d-l)+w^{\′}\left(d\right)\\ =h_1\left(d\right)+w^{\′}\left(d\right)\end{array}$

式中，h₁(l)为由第一个训练序列符号估计得到的信道冲激响应，δ为单位冲激函数，w'(d)为加性高斯白噪声，由中心极限定理可知，当N_FFT足够大时，根据上式可求得M₁(d)的条件概率密度函数为：

$p\left(M_1\right(d\left)\right|h_1\left(d\right))=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}/N_{FFT}}\mathrm{\σ}}\exp \{-\frac{N_{FFT}}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\[M_1\left(d\right)-h_1\left(d\right)\]}^2\}$

由上式可知，M₁(d)是信道冲激响应的最大似然估计，即：同理可得，M₂(d)是信道冲激响应的最大似然估计。

S3：由信道冲激响应h₁和h₂分别分离各条可分离路径由h₁分离各径冲激响应得到h₁＝[h₁(1),h₁(2),…,h₁(L)]，由h₂分离各径冲激响应得到h₂＝[h₂(1),h₂(2),…,h₂(L)]，其中，L为最大可分离路径条数；

S4：利用各分离路径对应的前后符号冲激响应相关，求得各径小数倍频偏估计；

按照估计第l径频偏估计值，其中，N为FFT点数与CP长度之和，h₁(l)表示由第一个训练序列符号TS1估计得到的信道冲激响应，h₂(l)表示由第二个训练序列符号TS2估计得到的信道冲激响应，l＝1...L。

S5：按最大比合并原则，合并各分离路径的信道冲激响应，得到频偏估计值

将按照进行合并，其中，为合并因子，α_l等于当前径能量与各径能量和的比值。

为了进一步验证本发明的有益效果，本实施例对多径衰落信道中的性能进行了仿真。仿真参数设置如下：OFDM帧数为100000帧，FFT点数1024，循环前缀长度256，采样时钟25MHz。信道模型采用SUI模型，路径条数为3，信道参数见表1。

表1信道参数

图3和图4分别给出了为SUI-1瑞利衰落信道环境和莱斯衰落环境下，三径信道各径频偏估计性能与合并后频偏估计性能对比图。由图3、4可见，本方法合并后估计性能优于单径估计性能。

图5给出SUI-1瑞利衰落信道环境中，本发明的方法与参考文献[4]方法的频偏估计性能对比曲线。由图5知，在瑞利衰落信道环境中，由于本发明的方法充分利用了各可分离的多径信息，最大比合并提高了估计精度。

图6和图7分别给出了低莱斯信道和高莱斯信道环境下，本发明方法与参考文献[4]算法的频偏估计性能对比曲线。在高莱斯信道环境下，本发明算法与YLH算法虽然性能相近，这是因为，高莱斯信道，直射路径信噪比远远大于散射径，因此直射径频偏估计值在合并频偏输出值中所占比例较大。

综上，本发明在多径衰落信道中能取得优良的估计性能，尤其在低莱斯信道和瑞利衰落信道中，其优良的估计性能更明显。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，属于无线通信技术领域，针对传统频率同步算法频偏估计精度在多径衰落信道中受散射径影响，导致频偏估计精度降低的问题，充分利用可分离的各条路径冲激响应，在时域完成各径频偏估计，并按最大比原则合并各径频偏估计值，可实现OFDM系统在多径衰落信道环境中的小数倍频率同步，在多径衰落信道环境下具有良好的估计性能，且所有操作均在时域完成，无需时频变换，运算复杂度低。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采用两组结构相同的训练符号TS1和TS2，按[TS1,TS2]组成训练序列，其中，TS1和TS2均采用加入四分之一循环前缀的CAZAC序列；

S2：由TS1求得信道冲激响应h₁，由TS2求得信道冲激响应h₂；

S3：由信道冲激响应h₁和h₂分别分离各条可分离路径，由h₁分离各径冲激响应得到h₁＝[h₁(1),h₁(2),…,h₁(L)]，由h₂分离各径冲激响应得到h₂＝[h₂(1),h₂(2),…,h₂(L)]，其中，L为最大可分离路径条数；

S4：利用各分离路径对应的前后符号冲激响应相关，求得各径小数倍频偏估计

S5：按最大比合并原则，合并各分离路径的信道冲激响应，得到频偏估计值

2.根据权利要求1所述的基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，其特征在于，步骤S2中，按照信道冲激响应的最大似然估计计算TS1的接收信号度量函数，并以|M₁(d)|作为信道冲激响应h₁，按照信道冲激响应的最大似然估计计算TS2的接收信号度量函数，并以|M₂(d)|作为信道冲激响应h₂，式中，N_FFT为FFT点数，N_g为OFDM符号中循环前缀的采样点数，r(d)为第d个基带等效接收信号的采样值，C^*(n)为CAZAC训练序列C(n)中的第n个采样点的共轭相关值。

3.根据权利要求1所述的基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，其特征在于，步骤S4中，按照估计第l径频偏估计值，其中，N为FFT点数与CP长度之和，h₁(l)表示由第一个训练序列符号TS1估计得到的信道冲激响应，h₂(l)表示由第二个训练序列符号TS2估计得到的信道冲激响应，l＝1...L。

4.根据权利要求1所述的基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，其特征在于，步骤S5中，将按照进行合并，其中，为合并因子，α_l等于当前径能量与各径能量和的比值。

5.根据权利要求1所述的基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，其特征在于，步骤S1中，CAZAC序列由生成，式中，j为虚数单位，N_FFT为OFDM所作FFT变换点数，r为正整数，r与N_FFT互质。

6.根据权利要求5所述的基于多径分离的OFDM系统频偏估计方法，其特征在于，正整数r＝3。