CN108683624B - 基于干扰自抵消技术的突发ofdm频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干扰自抵消技术的突发OFDM频偏估计方法，本发明的步骤包括：1、设置两个导频序列信号；2、发送导频序列信号；3、获得导频序列；4、对导频序列进行子载波间干扰自抵消；5、估计导频序列差分信号的频偏。本发明克服了现有技术由于发送端发送的导频序列符号由伪随机序列生成，其伪随机序列的固有特性使得频偏估计性能在低信噪比时较差的问题，提高了在低信噪比时的频偏估计性能；同时也克服了频偏估计时需要大量运算操作，在工程实际中占用硬件资源高的问题，减少了频偏估计方法在工程实际中的硬件资源占用。

Description

基于干扰自抵消技术的突发OFDM频偏估计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及数字通信技术领域中的一种基于干扰自抵消技术的突发正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)频偏估计方法。本发明可用于对军事通信、海上自组网、无线局域网技术领域中所接收的无线通信信号，通过子载波间干扰自抵消技术，估计通信信号的频偏，通过得到的频偏估计值恢复无线通信信号，保证无线通信的可靠性。

背景技术

现有的频偏估计方法通常利用导频序列的重复特性或者构建代价函数来得到频偏估计值。

中国人民解放军国防科技大学在其申请的专利文献“一种基于子载波间幅值积的OFDM频偏估计方法”(申请号：CN201710781707.4，公开号：CN107454032A)中提出了一种基于子载波间幅值积的正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency-DivisionMultiplexing)频偏估计方法。该发明在接收端首先建立基于子载波间幅值积的代价函数，接下来对代价函数进行归一化处理，然后利用代价函数具有偶函数、周期性的特点，采用余弦函数拟合代价函数，进而实现通信信号频偏的精确估计。该方法存在的不足之处是，由于构建代价函数以及拟合代价函数的过程中需要大量运算操作，且对代价函数进行归一化处理复杂度高，在工程实际中占用硬件资源高。

M.Thomas，S.Sekhar在其发表的论文“Frequency Offset Estimation of WiMAXUsing Repeated Preamble”(International Conference on Communication System andNetworks，PP.107-111，2016)中提出了一种基于导频序列的频偏估计方法。该方法在发送端通过发送两个已知导频序列符号，在接收端经过快速傅里叶变换之后，利用这两个已知导频序列之间的强相关性，通过计算频域信号内对应导频的相位差来完成频偏估计。该方法虽然运算复杂度低，但是仍然存在的不足之处在于，由于发送端发送的导频序列符号由伪随机序列生成，其伪随机序列的固有特性使得频偏估计性能在低信噪比时较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于干扰自抵消技术的突发正交频分复用OFDM频偏估计方法，通过在接收端引入子载波间干扰自抵消技术，减少通信信号的子载波间干扰，从而利用接收到的信号进行频偏估计。

实现本发明目的的思路是：在正交频分复用OFDM突发传输系统的发送端设置两个导频序列信号，使每个导频序列内相邻数据满足互为相反数，在正交频分复用OFDM突发传输系统的接收端，对接收到的两个导频序列信号进行子载波间干扰自抵消，减少通信信号的子载波间干扰，再利用子载波间干扰自抵消后的导频序列信号进行频偏估计。

本发明方法的实现步骤如下：

(1)设置两个导频序列信号：

(1a)在频域内产生两个导频序列，该两个导频序列长度相等、且每个导频序列内相邻数据满足互为相反数；

(1b)利用快速傅里叶逆变换公式，对两个导频序列分别进行频时变换，得到时域导频序列；

(1c)将两个时域导频序列分别生成两个循环前缀；

(1d)将每个循环前缀分别放置于其提取的时域导频序列前端，构成两个导频序列信号；

(2)发送导频序列信号：

经过无线通信信道，将两个导频序列信号依次发送到正交频分复用OFDM突发传输系统接收端；

(3)获得导频序列：

(3a)从接收到的两个导频序列信号中分别去掉循环前缀，得到两个时域导频序列；

(3b)利用快速傅里叶变换公式，对两个时域导频序列分别进行时频变换，得到导频序列；

(4)对导频序列进行子载波间干扰自抵消：

(4a)对每个导频序列信号中每个数据与其相邻的后一数据作差；

(4b)将两个导频序列信号作差之后的数据，依次组成子载波间干扰自抵消后的两个导频序列差分信号；

(5)估计导频序列差分信号的频偏：

(5a)将第一个导频序列差分信号中每个数据共轭乘以第二个导频序列差分信号中与其对应的数据；

(5b)将共轭乘之后所有数据组成导频共轭乘信号；

(5c)将导频共轭乘信号中所有数据求和，得到求和值；

(5d)对求和值取相角，得到相角值；

(5e)将相角值乘以一个修正因子，得到最终的频偏估计值。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明发送端在频域内产生长度相等、且每个导频序列内相邻数据满足互为相反数的两个导频序列，克服了现有技术由于发送端发送的导频序列符号由伪随机序列生成，其伪随机序列的固有特性使得频偏估计性能在低信噪比时较差的问题，使得本发明提高了在低信噪比时的频偏估计性能。

第二，由于本发明在接收端对导频序列信号进行子载波间干扰自抵消，对每个导频序列信号中每个数据与其相邻的前后两个数据分别作差，将作差之后所有数据组成两个导频序列差分信号，克服了现有技术由于构建代价函数以及拟合代价函数的过程中需要大量运算操作，且对代价函数进行归一化处理复杂度高，在工程实际中占用硬件资源高的缺点，使得本发明减少了频偏估计方法在工程实际中的硬件资源占用。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明仿真实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明的方法做进一步描述。

步骤1，设置两个导频序列信号。

在频域内产生两个导频序列，该两个导频序列长度相等、且每个导频序列内相邻数据满足互为相反数。

利用快速傅里叶逆变换公式，对两个导频序列分别进行频时变换，得到时域导频序列。

快速傅里叶逆变换公式如下：

其中，x(n)表示时域导频序列中的第n个数据，n表示时域索引符号，0≤n≤N-1，N表示时域导频序列长度，∑表示求和操作，k表示频域索引符号，0≤k≤N-1，X(k)表示导频序列中的第k个数据，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位，π表示圆周率。

将两个时域导频序列分别生成两个循环前缀。该两个循环前缀的长度相等，为时域导频序列长度的1/16，且每个循环前缀内数据由每个时域导频序列尾端的数据复制得到。

将每个循环前缀分别放置于其提取的时域导频序列前端，构成两个导频序列信号。

步骤2，发送导频序列信号。

经过无线通信信道，将两个导频序列信号依次发送到正交频分复用OFDM突发传输系统接收端。

步骤3，获得导频序列。

从接收到的两个导频序列信号中分别去掉循环前缀，得到两个时域导频序列。

利用快速傅里叶变换公式，对两个时域导频序列分别进行时频变换，得到导频序列。

快速傅里叶变换公式如下：

其中，X(k)表示导频序列中的第k个数据，k表示频域索引符号，0≤k≤N-1，N表示时域导频序列长度，∑表示求和操作，n表示时域索引符号，0≤n≤N-1，x(n)表示时域导频序列中的第n个数据，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位，π表示圆周率。

步骤4，对导频序列进行子载波间干扰自抵消。

对每个导频序列信号中每个数据与其相邻的后一数据作差。

将两个导频序列信号作差之后的数据，依次组成子载波间干扰自抵消后的两个导频序列差分信号。

步骤5，估计导频序列差分信号的频偏。

将第一个导频序列差分信号中每个数据共轭乘以第二个导频序列差分信号中与其对应的数据。

将共轭乘之后所有数据组成导频共轭乘信号。

将导频共轭乘信号中所有数据求和，得到求和值。

对求和值取相角，得到相角值。

将相角值乘以一个修正因子，得到最终的频偏估计值。

所述的修正因子是由下式得到的：

其中，σ表示修正因子，N表示导频序列的长度，L表示循环前缀的长度。

下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的说明。

本发明的仿真实验是在两种仿真环境中进行，仿真实验1是采用加性高斯白噪声信道，仿真实验2采用莱斯多径信道，在两种信道中，分别采用本发明和现有技术，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列进行频偏估计。

仿真实验1

本发明仿真实验1使用Matlab2014.a仿真软件，仿真参数设置为：信道模型采用附加归一化频偏值为0.2的加性高斯白噪声信道，导频序列的长度为1024，循环前缀的长度为64，仿真循环次数为5000。

本发明的仿真实验1是在加性高斯白噪声信道中，利用现有技术的频域导频自相关方法，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列进行频偏估计，得到均方误差值与信噪比的关系。利用本发明中引入子载波间干扰自抵消技术，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列进行频偏估计，得到均方误差值与信噪比的关系。

仿真实验2

本发明仿真实验2使用Matlab2014.a仿真软件，仿真参数设置为：信道模型采用附加归一化频偏值为0.2的莱斯多径信道，导频序列的长度为1024，循环前缀的长度为64。仿真循环次数为5000。

本发明的仿真实验2是在莱斯多径信道中，利用现有技术的频域导频自相关方法，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列进行频偏估计，得到均方误差值与信噪比的关系。利用本发明中引入子载波间干扰自抵消技术，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列进行频偏估计，得到均方误差值与信噪比的关系。

仿真结果分析：

参照图2对本发明的仿真实验结果作进一步描述。

图2(a)为本发明的仿真实验1结果图，图2(a)中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示频偏估计均方误差值。图2(a)中以空心圆标示的实线代表现有技术的频域导频自相关方法，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列信号，进行频偏估计后，得到的均方误差值与信噪比的关系曲线。以正方形标示的实线代表本发明中引入子载波间干扰自抵消技术，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列信号，进行频偏估计后，得到的均方误差值与信噪比的关系曲线。

从图2(a)中可以看出，当信噪比值为-2～14dB时，与现有技术的频域导频自相关方法相比，本发明中引入子载波间干扰自抵消技术的频偏估计方法得到的均方误差值更小，可以获得更高的频偏估计性能。

图2(b)为本发明的仿真实验2结果图，图2(b)中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示频偏估计均方误差值，图2(b)中以空心圆标示的实线代表现有技术的频域导频自相关方法，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列信号，进行频偏估计后，得到的均方误差值与信噪比的关系曲线。以正方形标示的实线代表本发明中引入子载波间干扰自抵消技术，对突发正交频分复用OFDM系统接收端获得的导频序列信号，进行频偏估计后，得到的均方误差值与信噪比的关系曲线。

从图2(b)中可以看出，当信噪比值为-2～14dB时，与现有技术的频域导频自相关方法相比，本发明中引入子载波间干扰自抵消技术的频偏估计方法得到的均方误差值更小，可以获得更高的频偏估计性能，且在高信噪比和低信噪比环境中性能提升都较为明显。

Claims (5)

1.一种基于干扰自抵消技术的突发正交频分复用OFDM频偏估计方法，其特征在于，在正交频分复用OFDM突发传输系统的发送端设置两个导频序列信号，在正交频分复用OFDM突发传输系统的接收端，对接收到的两个导频序列信号进行子载波间干扰自抵消后再进行频偏估计；该方法的具体步骤包括如下：

(1)设置两个导频序列信号：

(1a)在频域内产生两个导频序列，该两个导频序列长度相等、且每个导频序列内相邻数据满足互为相反数；

(1b)利用快速傅里叶逆变换公式，对两个导频序列分别进行频时变换，得到时域导频序列；

(1c)将两个时域导频序列分别生成两个循环前缀；

(1d)将每个循环前缀分别放置于其提取的时域导频序列前端，构成两个导频序列信号；

(2)发送导频序列信号：

经过无线通信信道，将两个导频序列信号依次发送到正交频分复用OFDM突发传输系统接收端；

(3)获得导频序列：

(3a)从接收到的两个导频序列信号中分别去掉循环前缀，得到两个时域导频序列；

(3b)利用快速傅里叶变换公式，对两个时域导频序列分别进行时频变换，得到导频序列；

(4)对导频序列进行子载波间干扰自抵消：

(4a)对每个导频序列信号中每个数据与其相邻的后一数据作差；

(4b)将两个导频序列信号作差之后的数据，依次组成子载波间干扰自抵消后的两个导频序列差分信号；

(5)估计导频序列差分信号的频偏：

(5a)将第一个导频序列差分信号中每个数据共轭乘以第二个导频序列差分信号中与其对应的数据；

(5b)将共轭乘之后所有数据组成导频共轭乘信号；

(5c)将导频共轭乘信号中所有数据求和，得到求和值；

(5d)对求和值取相角，得到相角值；

(5e)将相角值乘以一个修正因子，得到最终的频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的基于干扰自抵消技术的突发正交频分复用OFDM频偏估计方法，其特征在于，步骤(1b)中所述的快速傅里叶逆变换公式如下：

其中，x(n)表示时域导频序列中的第n个数据，n表示时域索引符号，0≤n≤N-1，N表示时域导频序列长度，∑表示求和操作，k表示频域索引符号，0≤k≤N-1，X(k)表示导频序列中的第k个数据，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位，π表示圆周率。

3.根据权利要求1所述的基于干扰自抵消技术的突发正交频分复用OFDM频偏估计方法，其特征在于，步骤(1c)中所述的两个循环前缀的长度相等，为时域导频序列长度的1/16，且每个循环前缀内数据由每个时域导频序列尾端的数据复制得到。

4.根据权利要求1所述的基于干扰自抵消技术的突发正交频分复用OFDM频偏估计方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的快速傅里叶变换公式如下：

其中，X(k)表示导频序列中的第k个数据，k表示频域索引符号，0≤k≤N-1，N表示时域导频序列长度，∑表示求和操作，n表示时域索引符号，0≤n≤N-1，x(n)表示时域导频序列中的第n个数据，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位，π表示圆周率。

5.根据权利要求1所述的基于干扰自抵消技术的突发正交频分复用OFDM频偏估计方法，其特征在于，步骤(5e)中所述的修正因子是由下式得到的：

其中，σ表示修正因子，N表示导频序列的长度，L表示循环前缀的长度。

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