CN108462667B - 频偏估计方法、装置、存储介质及计算机设备 - Google Patents

频偏估计方法、装置、存储介质及计算机设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种频偏估计方法，包括：获取归一化后的小数倍频偏估计值；获取当前待定系数，根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值；采用所述待定频偏估计值对接收参考序列进行频偏补偿；对频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关，获得相关结果；获取各待定系数中的下一个待定系数作为当前待定系数，返回所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤，直至各待定系数均被作为过当前待定系数；确定各相关结果的最大值，并将最大的相关结果对应的待定频偏估计值，确定为最终频偏估计值。由于待定系数可根据情况设定，频率估计范围可调。

Description

频偏估计方法、装置、存储介质及计算机设备
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种频偏估计方法、装置、存储介质及计算机设备。
背景技术
在移动通信系统中，信号的传输受信道的影响，接收端的载波频率很有可能和发送端的载波频率不一致，此时，就需要检测接收端和发射端之间的载波频偏，进而调整接收端的载波频率，以保障通信的可靠传输。
现有技术中的频偏估计方法可以进行频偏估计的频偏范围较小，对于频偏较大的情形，则无法估计频偏值。
发明内容
基于此，有必要针对频偏较大的情形无法处理的问题，提供一种频偏估计方法、装置、存储介质及计算机设备。
一种频偏估计方法，包括：
获取归一化后的小数倍频偏估计值；
获取当前待定系数，根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值；
采用所述待定频偏估计值对接收参考序列进行频偏补偿；
对频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关，获得相关结果；
获取各待定系数中的下一个待定系数作为当前待定系数，返回所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤，直至各待定系数均被作为过当前待定系数；
确定各相关结果的最大值，并将最大的相关结果对应的待定频偏估计值，确定为最终频偏估计值。
在其中一个实施例中，所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤包括：
所述待定频偏估计值等于所述当前待定系数与所述频率估计范围的乘积，与所述小数倍频偏的和。
在其中一个实施例中，所述获取归一化后的小数倍频偏估计值的步骤包括：将所述小数倍频偏归一化到预设采样率。
在其中一个实施例中，所述获取归一化后的小数倍频偏估计值的步骤包括：获取采用任意一种现有的频偏估计算法计算得出的频偏估计值，将所述频偏估计值归一化后作为所述小数倍频偏估计值。
在其中一个实施例中，所述各待定系数的绝对值小于等于预设值，所述预设值为正整数。
在其中一个实施例中，所述相关结果包括互相关模值或者互相关模值的平方。
在本发明的一个实施例中，还提供一种频偏估计装置，包括：
小数倍频偏估计值获取模块，用于获取归一化后的小数倍频偏；
待定频偏估计值确定模块，用于获取当前待定系数，根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值；
频偏补偿模块，用于采用所述待定频偏估计值对所述接收参考序列进行频偏补偿；
相关模块，用于对频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关，获得相关结果；
当前待定系数调整模块，用于获取各待定系数中的下一个待定系数作为当前待定系数，返回所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤，直至各待定系数均被作为过当前待定系数；
最终频偏估计值确定模块，用于确定各相关结果的最大值，并将最大的相关结果对应的待定频偏估计值确定为最终频偏估计值。
在一个实施例中，所述小数倍频偏估计值获取模块将小数倍频偏归一化到预设采样率，获得所述小数倍频偏估计值。
在本发明的一个实施例中，还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述任意一项所述的频偏估计方法。
在本发明的一个实施例中，还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述任意一项所述的频偏估计方法。
上述频偏估计方法、装置、存储介质及计算机设备，首先获取小数倍频偏估计值，根据当前待定系数、频率估计范围以及小数倍频偏确定待定频偏估计值；其中，待定系数包括多个，每次取一个待定系数作为当前待定系数，计算每个当前待定系数对应的待定频偏估计值；采用得到的各待定频偏估计值分别对接收参考序列进行频偏补偿，判断频偏补偿后的各接收参考序列与本地参考序列的相关性，获得相关结果；取数值最大的相关结果对应的待定频偏估计值，确定为最终频偏估计值。由于待定系数的取值范围可以根据实际情况进行设定，因此频率估计范围可以按照需求进行调整，使得上述频偏估计方法对于频偏较大的情形也可以进行频偏的估计。
附图说明
图1为本发明一实施例频偏估计方法的流程图；
图2为本发明另一实施例频偏估计方法的流程图；
图3为本发明一实施例频偏估计方法的小数倍频偏估计示意图；
图4为本发明一具体实施例频偏估计方法的仿真结果示意图；
图5为本发明另一具体实施例频偏估计方法的仿真结果示意图；
图6为本发明一实施例频偏估计装置结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明提供一种频偏估计方法，如图1所示，为本发明一实施例频偏估计方法流程图，包括步骤S101-步骤S106。
步骤S101，获取归一化后的小数倍频偏估计值。
在一个实施例中，所述获取归一化后的小数倍频偏估计值的步骤包括：获取采用任意一种现有的频偏估计算法计算得出的频偏估计值，将所述频偏估计值归一化后作为所述小数倍频偏估计值。本发明的频偏估计方法可以与任意一种频偏估计算法结合，使得频偏估计范围得以提升。
在一个具体实施例中，采用的频偏估计算法为第一频偏估计算法，具体可表达为：
Figure GDA0002559054910000041
其中：
z(n)＝y(n)x*(n)；
Figure GDA0002559054910000042
表示归一化的频偏估计值，N表示接收参考序列的长度，符号“*”表示共轭运算，arg{.}表示取相角操作，y(n)为接收参考序列，x(n)本地参考序列。
在另外一个实施例中，采用的频偏估计算法为第二频偏估计算法，具体可表达为：
Figure GDA0002559054910000043
其中y(l)表示接收的表示包含循环前缀(Cycle Prefix，CP)的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)符号，Ncp表示CP的长度，N为OFDM符号长度(不含CP)。
在一个实施例中，所述获取归一化后的小数倍频偏估计值包括：将所述小数倍频偏归一化到预设采样率。进一步地，所述预设采样率可以根据实际情况进行设定。
步骤S102，获取当前待定系数，根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值。
具体地，所述频率估计范围是步骤S101中计算小数倍频偏时采用的频偏估计算法的频率估计范围。
在一个实施例中，所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值包括：
所述待定频偏估计值等于所述当前待定系数与所述频偏率估计范围的乘积，与所述小数倍频偏的和。
步骤S103，采用所述待定频偏估计值对接收参考序列进行频偏补偿。
步骤S104，对频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关，获得相关结果。
具体地，所述接收参考序列为经过信道传输后的序列，所述本地参考序列为未经过信道传输的序列。
将采用待定频偏估计值补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关性计算，获得相关结果。进一步地，所述相关结果可以是互相关模值或者互相关模值的平方。
步骤S105，获取各待定系数中的下一个待定系数作为当前待定系数，返回所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤，直至各待定系数均被作为过当前待定系数。
在一个实施例中，所述各待定系数的绝对值小于等于预设值；具体地，所述预设值为正整数；所述预设值可以根据计算小数倍频偏所采用的频偏估计算法的频率估计范围，与实际的频偏范围设定。从而，可以实现频率范围可按需求调整。
步骤S106，确定各相关结果的最大值，并将最大的相关结果对应的待定频偏估计值，确定为最终频偏估计值。
上述频偏估计方法，首先获取小数倍频偏估计值，根据当前待定系数、频率估计范围以及小数倍频偏确定待定频偏估计值；其中，待定系数包括多个，每次取一个待定系数作为当前待定系数，计算每个当前待定系数对应的待定频偏估计值；采用得到的各待定频偏估计值分别对接收参考序列进行频偏补偿，判断频偏补偿后的各接收参考序列与本地参考序列的相关性，获得相关结果；取数值最大的相关结果对应的待定频偏估计值，确定为最终频偏估计值。由于待定系数的取值范围可以根据实际情况进行设定，因此频率估计范围可以按照需求进行调整，使得上述频偏估计方法对于频偏较大的情形也可以进行频偏的估计。
在一个实施例中，接收参考序列设定为y(n)；本地参考序列设定为x(n)；x*(n)表示x(n)的共轭运算；
当前待定系数设定为k；在本实施例中，将k的取值范围设定为：|k|≤K；
以当前待定系数计算得出的待定频偏估计值设定为
Figure GDA0002559054910000061
采用任意现有频偏估计算法计算得出的小数倍频偏设定为
Figure GDA0002559054910000062
采用该频偏估计算法计算频偏的频率估计范围设定为εB；
采用待定频偏估计值
Figure GDA0002559054910000063
补偿后的接收参考序列设定为
Figure GDA0002559054910000064
所述接收参考序列的长度设定为N；n表示参考序列的位数；
互相关模值设定为Ck。
在本实施例中，将归一化到采样率的频偏ε划分为两部分：整数倍频偏εi、小数倍频偏εf。整数倍频偏εi定义为εB与待定系数k的乘积，即εi＝kεB，其中εB＞0，表示频偏估计算法的频率估计范围；k为某一待定整数。小数部分频偏εf由频偏估计算法直接求得，其取值满足|εf|＜εB。
在本实施例中，所述待定频偏估计值的计算公式为：
Figure GDA0002559054910000065
εB由具体采用的频偏估计算法决定，是一个常数，εf的取值不会超过εB，据此可知，εk的取值范围取决于k的变动范围。在本实施例中，将k的取值范围限定为：|k|≤K，K为所述预设值，为一个可配置的正整数。由此可知，K越大，εk的取值范围就越大。
所述采用所述待定频偏估计值对接收参考序列进行频偏补偿的计算公式为：
Figure GDA0002559054910000066
所述互相关模值的计算公式为：
Figure GDA0002559054910000071
在一个实施例中，如图2所示，为本实施例频偏估计方法的流程图，具体如下：
[1]采用任意频偏估计算法计算(其频率估计范围为εB)，将该算法输出的值作为小数倍频偏估计值
Figure GDA0002559054910000072
[2]将当前待定系数k初始化为-K；
[3]根据式(1)计算出待定频偏估计值；根据式(2)采用
Figure GDA0002559054910000073
对接收参考序列进行频偏补偿；
[4]根据式(3)计算频偏补偿后的接收参考序列
Figure GDA0002559054910000074
与本地参考序列x(n)的相关模值；
[5]判断当前待定系数k是否小于K，若是，则k＝k+1，跳转至步骤[3]；若否，则跳转至步骤[6]；
[6]找出使得互相关模值最大的待定系数k，记为
Figure GDA0002559054910000075
取该使得互相关模值最大的系数k对应的频偏估计值，
Figure GDA0002559054910000076
作为最终频偏估计值。
以下以LTE D2D(Long Term Evolution Device to Device)为例，对本发明提供的频偏估计方法进行阐述。
①在脱网场景下，D2D设备的频偏参考信号源于另外一个D2D设备，而不是已经和网络建立同步的基站，收发设备之间可能存在较大的频偏。有文献指出D2D频偏范围可达到±37kHz。若使用常规循环前缀(Cycle Prefix,CP)，则载波间隔为15kHz，此时，40kHz的频偏相当于2.47个载波间隔；若使用拓展循环前缀(extended CP),则载波间隔为7.5kHz，此时，40kHz的频偏约为4.93个载波间隔。由此可见，D2D设备间的频偏是比较大的，要求频偏估计算法能够估计大频偏。
在本实施例中，只考虑FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)模式下，信道带宽为B＝20MHz(其中，有用信号为18MHz，两边的保护频带各占1MHz)，采样率设定为fs＝30.72MHz。载波间隔Δf＝15kHz的情形。频偏估计方法步骤如下：
考虑到D2D标准给出的主同步信号(Primary Sidelink SynchronizationSignal，PSSS)是两个连续且相同的OFDM符号，即参考序列具有两段重复特性，在上述第二频偏估计算法中给出了利用参考序列的重复性进行频偏估计的算法，根据该算法思想，本实施例将归一化的小数部分频偏定义为：
Figure GDA0002559054910000081
如图3所示，为本发明一实施例频偏估计方法的小数倍频偏估计示意图。其中，Ncp＝144表示循环前缀(Cycle Prefix，CP)的长度，N＝2048表示参考序列PSSS的长度，符号“*”表示共轭运算，arg{.}表示取相角操作，{rp1(m)}表示第一个接收PSSS序列(不含CP)，{rp2(m)}表示第二个接收PSSS序列(不含CP)。
由于|arg{.}|≤π，代入式(4)，得：
Figure GDA0002559054910000082
所以小数倍频偏估计算法的归一化频率估计范围为：
Figure GDA0002559054910000083
以赫兹(Hz)为单位(非归一化)的频率估计范围为：
Figure GDA0002559054910000084
而载波间隔Δf＝15KHz，
Figure GDA0002559054910000085
可知，频偏估计范围不到半个载波间隔。而D2D的频偏范围达到40KHz，于是要求K满足：
K·εBfs≥40kHz……(7)；
本实施中，选取满足式(7)的最小整数作为K的取值，K＝6。
②初始化k＝-K＝-6；
③采用式(1)，求得待定频偏估计值；根据式(2)采用
Figure GDA0002559054910000091
对接收参考序列进行频偏补偿；
④计算频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列的互相关模值；
⑤若k＜6，则k＝k+1，跳转到步骤③，否则，进入步骤⑥；
⑥将使得互相关模值Ck最大的k记为：：
Figure GDA0002559054910000092
则最终频偏估计值为：
Figure GDA0002559054910000093
上述频偏估计方法，将频偏ε看成是采用任意的现有频偏估计算法的计算的估计值作为小数倍频偏估计值εf与该现有频偏估计算法的估计范围εB的整数倍之和，即ε＝kεB+εf；其中k是一个待定的整数。其中，k的具体取值，根据频偏补偿后的接收参考序列
Figure GDA0002559054910000094
与本地参考序列的x(n)的互相关之模值来确定。由于k的取值范围是可以根据实际情况自己设定的，在本实施例中，将k的取值范围限定为|k|≤K，可知K越大，频率估计范围越大，因此可以提升频率估计的范围。且上述的频偏估计方法可以与任意现有的频偏估计算法结合，可以适用于更多频率估计范围的频偏估计计算。
如图4所示，为本发明一具体实施例频偏估计方法的仿真结果示意图。其中，本实施例的具体参数如下：
Figure GDA0002559054910000095
Figure GDA0002559054910000101
图4中给出了本发明的频偏估计方法的方案(proposed)和参考方案(reference)的频偏估计的均方根值随信噪比变化示意图。图4中参考线T1所示位置从左至右依次表示：seqLen＝2048；proposed、seqLen＝2048；reference、seqLen＝1024；proposed、seqLen＝1024；reference的情形下的曲线变化。其中，方形点线表示本发明的方案，圆形点线表示参考方案。
据分析本发明的方案可认为是先估计细频偏，再估计粗频偏的方案，而参考方案则是先估粗频偏，后估细频偏的方案。为了保持两方案的运算量相当，将参考方案的粗频偏的扫频间隔设为小数部分频偏估计算法的估计范围，即
Figure GDA0002559054910000102
仿真发现，两种方案的性能几乎一致，但在某些信噪比下，本方案比参考方案性能好。具体地，对于参考序列长度seqLen＝1024的情形，在SNR处于-20dB至-12dB范围内时，本方案明显优于参考方案，在RMSE＝2*103范围处，RMSE达到最大约2dB；对于参考序列长度seqLen＝2048的情形，在SNR处于-22dB至-14dB范围内时，本方案明显优于参考方案，在RMSE＝1*103范围处，RMSE达到最大约3dB。
如图5所示，为本发明另一具体实施例频偏估计方法的仿真结果示意图。其中，本实施例的具体参数如下：
Figure GDA0002559054910000103
Figure GDA0002559054910000111
图5中给出了本发明的方案和参考方案的频偏估计的均方根值随信噪比变化示意图。图5中参考线T2所示位置从左至右依次表示：seqLen＝2048；proposed、seqLen＝2048；reference、seqLen＝1024；proposed、seqLen＝1024；reference、seqLen＝512；proposed、seqLen＝512；reference、seqLen＝256；proposed、seqLen＝256；reference的情形下的曲线变化。其中，方形点线表示本发明的方案，圆形点线表示参考方案。
本实施例的仿真结论与图4中采用第一频偏估计算法的情形类似，此处不再赘述。
在本发明的一个实施例中，还提供一种频偏估计装置，如图6所示，为本发明一实施例频偏估计装置结构示意图，包括：
小数倍频偏估计值获取模块601，用于获取归一化后的小数倍频偏；
在一个实施例中，所述小数倍频偏估计值获取模块601将小数倍频偏归一化到预设采样率，获得所述小数倍频偏估计值。
待定频偏估计值确定模块602，用于获取当前待定系数，根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值；
频偏补偿模块603，用于采用所述待定频偏估计值对所述接收参考序列进行频偏补偿；
相关模块604，用于对频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关，获得相关结果；
当前待定系数调整模块605，用于获取各待定系数中的下一个待定系数作为当前待定系数，返回所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤，直至各待定系数均被作为过当前待定系数；
最终频偏估计值确定模块606，用于确定各相关结果的最大值，并将最大的相关结果对应的待定频偏估计值确定为最终频偏估计值。
在本发明的一个实施例中，还提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任意一项所述的频偏估计方法的步骤。
在本发明的一个实施例中，还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任意一项所述频偏估计方法的步骤。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种频偏估计方法，其特征在于，包括：
获取归一化后的小数倍频偏估计值；
获取各待定系数中的任意一个作为当前待定系数，根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值；
采用所述待定频偏估计值对接收参考序列进行频偏补偿；
对频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关，获得相关结果；
获取各所述待定系数中的下一个待定系数作为当前待定系数，返回所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤，直至各待定系数均被作为过当前待定系数；
确定各相关结果的最大值，并将最大的相关结果对应的待定频偏估计值，确定为最终频偏估计值。
2.根据权利要求1所述的频偏估计方法，其特征在于，所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤包括：
所述待定频偏估计值等于所述当前待定系数与所述频率估计范围的乘积，与所述小数倍频偏的和。
3.根据权利要求1所述的频偏估计方法，其特征在于，所述获取归一化后的小数倍频偏估计值的步骤包括：将小数倍频偏归一化到预设采样率，获得所述小数倍频偏估计值。
4.根据权利要求1所述的频偏估计方法，其特征在于，所述获取归一化后的小数倍频偏估计值的步骤包括：获取采用任意一种现有的频偏估计算法计算得出的频偏估计值，将所述频偏估计值归一化后作为所述小数倍频偏估计值。
5.根据权利要求1所述的频偏估计方法，其特征在于，所述各待定系数的绝对值小于等于预设值，所述预设值为正整数。
6.根据权利要求1所述的频偏估计方法，其特征在于，所述相关结果包括互相关模值或者互相关模值的平方。
7.一种频偏估计装置，其特征在于，包括：
小数倍频偏估计值获取模块，用于获取归一化后的小数倍频偏；
待定频偏估计值确定模块，用于获取各待定系数中的任意一个作为当前待定系数，根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值；
频偏补偿模块，用于采用所述待定频偏估计值对接收参考序列进行频偏补偿；
相关模块，用于对频偏补偿后的接收参考序列与本地参考序列进行相关，获得相关结果；
当前待定系数调整模块，用于获取各所述待定系数中的下一个待定系数作为当前待定系数，返回所述根据所述当前待定系数、频率估计范围以及所述小数倍频偏估计值确定对应的待定频偏估计值的步骤，直至各待定系数均被作为过当前待定系数；
最终频偏估计值确定模块，用于确定各相关结果的最大值，并将最大的相关结果对应的待定频偏估计值确定为最终频偏估计值。
8.根据权利要求7所述的频偏估计装置，其特征在于，所述小数倍频偏估计值获取模块将小数倍频偏归一化到预设采样率，获得所述小数倍频偏估计值。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-6任意一项所述的频偏估计方法。
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任意一项所述的频偏估计方法。
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