CN106972915B - 一种信号传输方法和窄带无线终端 - Google Patents

Abstract

本发明阐述用于窄带无线通信系统中实现传输信号的技术。首先基站将一块业务数据重复地放在连续N个可使用的下行子帧上发送并通知给终端，终端在锚载波上接收NPSS/NSSS/NPBCH子帧并据此进行频偏估计。终端在接收下行子帧后根据估计的频偏值对接收数据进行频偏校准，最后终端将频偏校准后的多个子帧数据及其信道估计结果合并，进行一次MIMO检测。本发明目的在于提升窄带无线通信中终端的降噪能力，同时降低终端的实现复杂度。

Description

一种信号传输方法和窄带无线终端

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体而言，涉及一种在窄带无线物联网络中的基带信号传输方法以及窄带无线接收机。

背景技术

在最近的通信市场上IoT（物联网）成为行业亮点，诸多运营商和设备上展示了其最新创新成果和应用案例。其中，窄带无线通信技术（NB-Iot）是运营商进军物联网市场的关键。窄带无线通信系统需要具备低成本、低功耗、广覆盖、海量节点等优势，例如，一般认为其终端节点的成本低于一美元，电池可以支持一年以上的待机状态，覆盖范围大于几十公里，节点可也达到几十亿个等等，因此其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。3GPP标准的首个版本在2016年6月发布，预计窄带无线通信会在LPWA市场的多个技术竞争中脱颖而出，成为领先运营商的最佳选择。

在窄带无线通信的网络部署中，基站可使用的带宽资源是宽泛的，但对于单个窄带无线通信终端设备来说，其上、下行带宽最大都只占有180kHz（即一个PRB），并且当部署在传统的LTE网络时，窄带无线通信系统的业务信道可以在系统带宽内的任意一个PRB上传输，但下行同步信号（包括主、辅两种同步信号）以及广播信道（包括传输MIB和SIB1的物理信道）只能在特定的PRB上发送，这些特定的PRB被称为锚定PRB，其与100kHz栅格点相差为固定的2.5kHz或者7.5kHz。

更具体的来说，窄带无线通信系统的下行同步信号包括主、辅同步信号两种，主同步信号用于获取网络的时间、频域同步，在每个无线帧的子帧5的锚定PRB上发送；辅同步信号用于确定小区ID， 在偶数无线帧的子帧9的锚定PRB上发送。传送MIB消息的广播信道在每个无线帧的子帧0的锚定PRB上发送；传送SIB消息的广播信道在偶数无线帧的子帧4的锚定PRB上发送。承载业务的物理信道可以分配在其余的子帧中任意的一个PRB上发送。

窄带无线通信系统引入了新类型的导频（NRS）来帮助终端实现信道估计，NRS导频只支持1/2天线端口，导频序列的生成与LTE CRS相同，只是加扰因子由LTE小区的小区ID变成为窄带无线小区的小区ID。由此在传输模式方面，窄带无线通信系统只支持单天线接收和发射分集两种模式。另外窄带无线通信系统只支持单天线接收。

在部署环境上，窄带无线通信终端具有低信噪比、低移动性的特点，其信噪比工作区间一般在[-12 dB 0dB]范围内，极端情况下也可能达到SNR=-20 dB，另外其移动所造成的多普勒频偏一般不超过5Hz。为了达到窄带无线通信终端的低成本，制造商会采用低成本的晶振，此类晶振的精度往往是较低的，最大的残留频偏以0.x PPM为单位，大致是传统LTE接收机的3-5倍，另一方面，在与LTE共网络部署的场景下，如前所述，100kHz的整数倍扫频栅格与NB-IoT的中心频点实际存在着最大偏差为7.5 kHz的频偏。上述两方面的影响叠加，导致窄带无线通信终端的最大频偏可以达到25kHz。

申请号为2017101393213的发明《窄带无线接收机的基带接收方法及装置》 公开了一种适用于窄带无线通信的基带接收方法，通过对信道估计结果的平均、加密以及预先定义滤波系数的频域滤波等步骤，省略了传统LTE接收中复杂的滤波系数计算、滤波、软比特加权信噪比等运算，大大降低了硬件的开销，从而降低了成本。但是，面对信噪比在极端的-20 dB以下场景，采用该发明的方案或者是其它传统的LTE基带接收方案都不能保证接收机正确地接收信号。

综上所述，现有技术在针对窄带无线网络的极端部署场景，即极低信噪比（SNR=-20dB)、大频偏（最大频偏25kHz）的场景下缺乏使接收机正确接收的方案。

发明内容

对于现有技术的不足，发明人认为有必要从基站（发送机）和终端（接收机）两侧同时考虑来设计窄带无线通信的信号传输方案，以克服在极低信噪比（SNR=-20dB)且大频偏（最大频偏25kHz）的部署场景下信号无法正确接收的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种信号传输方法，应用于窄带无线通信系统。包括下列步骤。

步骤一，由基站侧将同一段业务数据配置到连续N个可使用的下行子帧上重复发送，即在每个可使用的下行上配置同样的数据，连续地重复发送N次。所述N的取值由基站配置并通知给窄带无线终端。

步骤二，终端在锚载波上利用NPSS/NSSS/NPBCH子帧对频偏进行估计。

所述终端在锚载波上接收NPSS/NSSS/NPBCH子帧，并在本地生成重构的NPSS/NSSS/NPBCH子帧。然后利用所接收的信号和本地重构信号进行LS信道估计，将所述的子帧分成前、后两部分，对两部分的LS信道估计结果累加，并对累加结果进行相关，并对多个所述子帧的相关结果在一个估计窗口内进行累加。最后计算累加结果的相位值，用该相位值除以所述子帧前、后两部分的时延差，即为频偏估计值。

步骤三，终端在承载业务数据的载波上接收所述的连续N个可使用的下行子帧，并依据所述的频偏估计结果对所述子帧上的接收数据进行频偏消除。

步骤四，终端对频偏校准后的所述的连续N个可使用的下行子帧的接收数据进行合并，并计算和合并所述N个可使用的下行子帧上的信道估计结果，将合并后的数据和信道估计结果统一进行一次MIMO检测。

根据本发明的一个方面，提供了一种窄带无线通信终端，包括如下模块。

模块一，数据接收模块

所述接收模块接收基站侧的配置信息，以及在锚载波上接收NPSS/NSSS/NPBCH子帧的信号，在业务数据载波上接收连续N个可使用的下行子帧的信号。

模块二，LS估计模块

所述LS估计模块在本地生成NPSS/NSSS/NPBCH的信号序列，并根据NPSS/NSSS/NPBCH子帧的接收数据计算LS信道估计结果，以及在本地生成NRS导频序列，对承载业务数据的下行子帧计算LS信道估计结果。进一步地，对下行子帧计算LS信道估计结果基于频偏校准后的所述连续N个可使用下行子帧的接收信号。

模块三，频偏估计模块

所述频偏估计模块在锚载波上对窄带无线通信终端的频偏值进行估计，具体地，该模块将NPSS/NSSS/NPBCH子帧分成前后两部分，对各部分的LS信道估计结果进行合并，并对合并结果进行相关，在一个估计窗口内对多个NPSS/NSSS/NPBCH子帧的相关结果累加，获得相位值，最后将所述相位值除以所述前后两部分的时延，即为频偏估计值。

模块四，频偏校准模块

所述频偏估计模块在承载业务数据的所述连续N个可使用下行子帧上进行频偏校准，校准值来源于所述频偏估计模块的估计结果。

模块五，数据检测模块

所述数据检测模块对经过频偏校准后的连续N个可使用下行子帧的接收信号进行合并，并将上述子帧的信道估计结果也进行合并，最后统一进行MIMO检测。

本发明的有益效果是，提供极强的降噪效果，保证了窄带无线终端在极低信噪比的无线环境中信号传输的准确性。另一方面，由于对多个下行子帧进行和合并MIMO检测，就大大节省了终端的硬件开销，满足窄带无线终端低成本的要求。

附图说明

图1，是基站对承载业务数据的可使用的下行子帧配置示意图。

图2，是实施例一所对应的窄带无线通信信号传输方法流程的示意图。

图3，是实施例二所对应的窄带无线通信终端结构的示意图。

图4，是对频偏校准后的连续N个可使用的下行子帧进行合并的示意图。

图5，是采用本发明的方法在协议约定测试例条件下的仿真结果。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

如在背景技术中的描述，在窄带无线通信系统中包括两类载波：锚载波和非锚载波。承载同步信号（NPSS/NSSS）的子帧和承载广播信号（MIB/SIB1）的子帧都映射在锚载波的固定子帧上。承载业务数据的子帧可以映射在锚载波上，也可以映射在非锚载波上，其子帧序号由基站侧配置，协议约定配置方式是基站采用BitMap（1表示valid DL subframe，0表示invalid DL subframe）来指示终端一个无线帧中可使用的下行子帧，例如图1a所示的业务数据承载在每个无线帧的子帧#0，#1，#2，#3和#8，#9上，其BITMAP=1111000011，图1b所示的子帧配置BITMAP=1010101011，图1a配置中的连续可使用的下行子帧在一个无线帧中也是连续的，而图1b中配置中的连续可使用的下行子帧在一个无线帧中是不连续的。进一步地，协议约定若基站没有配置的可使用的下行子帧，则UE认为不包含NPSS/NSSS/NPBCH/NB-SIB1的子帧都是可使用的下行子帧。

由于窄带无线通信系统部署中终端接收数据常常伴有大频偏，其原因如背景技术所述，低成本的晶振以及与100kHz整数倍栅格点间的2.5/7.5kHz的频偏差能够造成最大等于25kHz的频偏，因此连续的若干个可使用下行子帧之间的信道伴有较大的频率相位偏转，尤其当这些可使用的下行子帧在一个无线帧中不连续配置时。

发明人设计本发明方案的构思是：为了保证极低信噪比环境下接收机仍能正常工作，需要合并多个下行子帧上的接收数据和信道估计结果，以降噪获得更大解调信噪比；但合并信号前需要克服大频偏的影响，保证被合并的信道在一定时间上是近似不变的。由于窄带无线终端的低移动性，多普勒效应很小，其子帧间的信道变化主要来自于大频偏所带来的频偏相位旋转，因此只需要估计和消除上述频偏的影响就可达到目的。

进一步地，由于承载业务数据的下行子帧上导频较少，发明人为了获得准确频偏估计值，借助于锚载波上的NPSS/NSSS/NPBCH子帧。

请参考图2,为本发明所公开的一种适用于窄带无线通信系统的信号传输方法的流程示意图。包括下列步骤。

步骤S101，基站配置用于承载业务的可使用的下行子帧，并配置连续的N个可使用的下行子帧发送相同的业务数据，基站将上述配置发送至终端。

若基站没有配置的可使用的下行子帧，则默认为不包含NPSS/NSSS/NPBCH/NB-SIB1的子帧都是可使用的下行子帧。

步骤S201，终端在锚载波上接收NPSS/NSSS/NPBCH子帧，并进行频偏估计。

首先，终端将接收到的NPSS/NSSS/NPBCH子帧的时域信号通过FFT变换到频域，记频域数据为：

对不同类型的子帧而言，其提取的频域数据序列也是不同的，具体地，

■前为NPSS子帧，所所提取的是每个无线帧中的子帧#5中的第4至第14个OFDM符号中子载波1至子载波11的数据序列；

■若当前为NSSS子帧，所所提取的是奇数无线帧中的子帧#9中的第4至第14个OFDM符号中所有子载波的数据序列；

■若当前为NPBCH子帧，所所提取的是每个无线帧中的子帧#0中的第4至第14个OFDM符号中去除NRS、LTE CRS导频位置的数据序列。

与此同时，终端在本地重构NPSS、NSSS、NPBCH的频域发送序列，具体地，

■NPSS本地序列的重构按照下式进行：

其中，n表示子载波序号，l表示OFDM符号序号，S(l)是针对每个OFDM符号的扰码序列，定义如下表，

■NSSS本地序列的重构按照下式进行：

其中：

其中，

表示窄带无线小区ID，

是由无线帧号

所定义的相位旋转量

b_q(m)表示80ms周期中每组NSSS序列的扰码（间隔20ms一组，共4组）取值如下表

■ NPBCH本地序列的重构按照协议211的约定进行。

本地重构的频域数据序列为：

然后，利用接收的数据序列和本地重构的数据序列进行LS信道估计。

接着，将子帧按照OFDM符号等分成前、后两部分，各部分内的LS估计结果分别进行累加。

将两部分的LS累加结果求相关，并按发送天线端口个数和频偏估计窗口长度中NPSS/NSSS/NPBCH的子帧个数进行累加。

由于窄带无线通信终端工作在极低信噪比的环境，因此累加多个子帧的相关结果可以增加估计的准确程度，工程中具体的估计窗长可以根据具体的信噪比值来设定。

最后，计算ρ_FOE的相位，并除以子帧前后两部分的时长（5个OFDM符号的时长）来获得频偏估计值：

。

步骤S301，终端对连续N个可使用的下行子帧的接收数据进行频偏消除。

终端按照基站的配置接收到连续N个可使用的下行子帧数据，该数据上带有着很大的原始频偏，根据步骤二所估计出的频偏值对接收数据进行频偏校准，由于窄带无线终端的低移动性，所经历的多普勒效应很小，子帧间的信道变化主要来自于频偏所带来的相位旋转，因此经过信号校准后，可以认为其信道在这N个子帧时间长度上是近似固定的。

校准时只需对接收的频域信号按照OFDM符号的时间间隔进行相位的反旋转，旋转因子是：

其中，△t表示各个OFDM符号与起始时间点的时间间隔，以第一个OFDM符号为起始时刻。

步骤S401，终端对频偏校准后的连续N个可使用的下行子帧合并，统一进行一次MIMO检测。

所说的合并包括对上述N个可使用的下行子帧上的频域接收数据进行合并，以及对上述N个可使用的下行子帧上的信道估计结果进行合并。

由于经过频偏校准后可以认为上述N个子帧所经历的无线信道是近似固定的，基于NRS对这些子帧进行LS信道估计，过程类似于步骤二中描述，此处不再赘述，并将N个子帧的信道估计结果合并为一组。对频域数据和信道估计结果的合并如附图4所示，在每N个下行子帧的最后一个子帧上得到一组合并后的接收数据和信道估计结果。

最后，统一进行一次MIMO检测，获得解调软比特，具体检测过程在申请号为2017101393213的发明《窄带无线接收机的基带接收方法及装置》中有详细描述，此处不再赘述。

理论而言，随着N呈2的幂指数增加，每增加一个指数级别会带来3dB的合并增益，这样就可以克服在极低信噪比（SNR小于-20dB)条件下的接收困难。在实际工程衰落信道环境下，通过仿真我们发现，采用本实施例的方法确实可以大大提高接收机数据的准确性，在N=1024时数据块的正确接收率大于95%。另一方面，由于对N个子帧数据合并后只进行一次MIMO检测以及之后的信道译码等操作，就大大降低了终端的复杂度，满足窄带无线终端低成本的要求。

实施例二

请参考图3,为本发明所公开的一种窄带无线通信终端的结构示意图，包括下列模块。

M101，数据接收模块

该模块接收来自基站的配置信息，包括可使用的下行子帧序号，连续重复发送的子帧个数N，NRS天线端口配置。以及接收锚载波上的NPSS/NSSS/NPBCH子帧的信号，承载业务数据载波上的可使用下行子帧的信号。

M201，LS估计模块

该模块实现对NPSS/NSSS/NPBCH子帧的LS信道估计和对承载业务数据的下行子帧的LS信道估计。

对NPSS/NSSS/NPBCH子帧的处理包括，在本地生成NPSS/NSSS/NPBCH信号序列，并将接收到的NPSS/NSSS/NPBCH子帧信号共轭乘以本地信号获得LS估计结果；

对下行子帧的处理包括，根据NRS天线端口配置和窄带无线小区ID在本地生成NRS导频序列，，并将经过频偏校准后的NRS位置的信号共轭乘以本地导频序列获得LS估计结果。

M301，频偏估计模块

该模块在锚载波上对频偏值进行估计。

具体地，将NPSS/NSSS/NPBCH子帧分成前后两部分，对两部分无线资源（RE）上的LS信道估计结果进行合并，并对合并结果取相关；

然后，在一个估计窗口内对多个NPSS/NSSS/NPBCH子帧的相关结果累加，获得相关结果的相位值，

最后将所述相位值除以所述前后两部分的时延，即为频偏估计值。

在计算前后两部分的时延考虑到NPSS/NSSS/NPBCH子帧只占用11个OFDM符号，因此该时延值是5个OFDM符号长度。

M401，频偏校准模块

该模块根据估计出的频偏值在承载业务数据的下行子帧上进行频偏校准。

具体地，以基站配置的重复发送业务数据的连续N个可使用下行子帧的第一子帧的第一个OFDM符号位时间起点，间隔OFDM符号时长为间隔时间，乘以频偏估计值，对频域接收数据进行反向的相位旋转。

M501，数据检测模块

该模块对经过频偏校准后的连续N个可使用下行子帧的接收信号进行合并，并将上述子帧的信道估计结果也进行合并，最后统一进行MIMO检测，获得解调软比特后输出到窄带无线终端的译码器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种信号传输方法，应用于窄带无线通信系统，其特征在于，包括，

基站将一段业务数据配置到连续N个可使用的下行子帧上重复发送，并将配置通知给通信终端；

所述通信终端在锚载波上利用NPSS/NSSS/NPBCH子帧对频偏进行估计；

所述通信终端接收所述的连续N个可使用的下行子帧数据，并依据频偏估计值对所述数据进行频偏校准消除；

所述终端对频偏校准后的接收数据进行子帧合并，并对所述子帧的信道估计结果进行合并，将合并后的数据和信道估计结果统一进行MIMO检测。

2.根据权利要求1所述的信号传输方法，其特征在于，所述频偏估计，包括，

所述终端在锚载波上接收NPSS/NSSS/NPBCH子帧的频域数据，同时在本地重构NPSS/NSSS/NPBCH子帧的频域数据，计算LS信道估计；

所述终端将所述子帧分成前、后两部分，对两部分的所述LS信道估计结果累加，并对累加结果计算相关值；

所述终端用所述相关值的相位除以所述子帧前、后两部分的时延差，获得所述频偏估计值。

3.根据权利要求2所述的信号传输方法，其特征在于，还包括，

所述终端对多个所述子帧的相关结果在一个估计窗口内累加，获得累加结果的相位值；

所述估计窗口的长度有所述终端的信噪比确定。

4.根据权利要求1所述的信号传输方法，其特征在于，

所述终端对频偏校准后的所述的连续N个可使用的下行子帧，在最后一个子帧上获得所述数据和信道估计的合并结果，统一进行一次MIMO检测，获得解调软比特。

5.一种窄带无线通信终端，包括数据接收模块、LS估计模块、频偏估计模块以及数据检测模块，其特征在于，

所述数据接收模块接收基站侧的配置信息，以及在锚载波上接收NPSS/NSSS/NPBCH子帧信号，在业务数据载波上接收连续N个可使用的下行子帧信号；

所述LS估计模块，对NPSS/NSSS/NPBCH子帧计算LS估计值，以及对频偏校准后的所述连续N个可使用下行子帧计算LS估计值；

所述频偏估计模块根据所述NPSS/NSSS/NPBCH子帧的LS估计值对频偏进行估计；

频偏校准模块对所述连续N个可使用下行子帧的频域接收数据依据所述频偏估计值进行频偏校准；

所述数据检测模块对所述频偏校准后连续N个可使用下行子帧接收信号合并，同时将所述子帧信道估计结果也进行合并，统一进行MIMO检测。

6.根据权利要求5所述的窄带无线通信终端，其特征在于，

所述频偏估计模块将NPSS/NSSS/NPBCH子帧中承载信号的OFDM符号拆分为前后两部分，对各部分所述的LS信道估计结果进行合并，将合并结果相关，并将相关结果的相位值除以所述前后两部分的时延，即为频偏估计值。

7.根据权利要求6所述的窄带无线通信终端，其特征在于，

在一个估计窗口内对多个NPSS/NSSS/NPBCH子帧的所述相关结果累加，取累加后的相关相位。

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