CN110113285A - 一种ofdm系统闭环时频同步方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统闭环时频同步方法与装置，可以在既存在晶振误差引起的载波频偏，也存在多普勒频偏的通信场景下实现准确的时频同步。本发明利用通信系统随机接入过程的闭环机制，经过终端侧与基站侧之间的下行时频同步、上行随机接入过程后，可以准确地估计出多普勒频偏及晶振误差引起的频偏，并进行相应的频偏补偿。针对本发明涉及的下行同步和上行同步问题，具体给出利用同步序列和OFDM循环前缀结构的下行时频估计算法、利用随机接入信号的上行时频估计算法，所给时频估计算法均适用于大频偏环境。因此，本发明的闭环时频同步方法不仅适用于地面移动通信系统，也适用于采用OFDM技术的卫星移动通信系统等。

Description

一种OFDM系统闭环时频同步方法与装置

技术领域

本发明涉及一种OFDM系统闭环时频同步方法与装置，属于通信技术领域。

背景技术

对于采用正交频分复用技术(OFDM技术)进行数据传输的通信系统而言，实现定时同步和频率同步是保证系统稳定运行的关键。针对通信系统下行时频同步问题，以往的研究仅考虑了多普勒频移带来的载波频偏。然而在实际通信系统中，除无线信道的多普勒频移外，终端侧与基站侧的晶振误差也会引起载波频偏。如果终端装备了类似全球定位系统(GPS)的频率锁定系统，可以将终端侧晶振频率锁定与基站侧一致，从而消除终端与基站间的晶振误差。如果终端因条件限制未配备相关频率锁定系统，通信系统中因晶振误差引起的载波频偏就不可避免。

对于通信系统的上行链路，通常需要每个终端对各自的发送信号进行频偏预补偿，否则会在基站侧导致不同用户的混叠，引起性能恶化。在既存在多普勒频偏又存在晶振误差引起的频偏的场景下，传统的时频估计算法在下行同步中仅能估计出多普勒频偏和晶振误差引起的频偏的叠加值，即f_d+f_e，f_d和f_e分别为多普勒频偏与晶振误差引起的频偏。由于多普勒频偏和晶振误差引入的频偏生成原理不同，合理的频偏补偿方式应当是在终端侧对上行信号补偿-f_d+f_e，即终端侧对多普勒频偏采用负补偿方式，对晶振误差引起的频偏采用正补偿方式。如果终端直接根据下行同步的频偏估计结果对上行发送信号进行频偏补偿，必然会引入新的频率偏移，从而导致通信系统无法正常工作。因此，对于两种频偏共存的通信场景，无法仅通过下行时频同步完成正确的频偏估计和补偿。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种OFDM系统闭环时频同步方法与装置，借助随机接入过程的闭环机制可以在既存在多普勒频偏又存在晶振误差引起的频偏的场景下，实现OFDM系统的时频估计与频偏补偿。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种OFDM系统闭环时频同步方法，包括以下步骤：

(1)在小区搜索过程中，终端侧根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，然后利用下行同步序列和多个OFDM循环前缀进行频偏估计，得到载波频偏估计值

(2)终端侧将步骤(1)所得频偏估计值视为多普勒频偏，对上行发送信号补偿频偏

(3)在随机接入过程中，基站侧根据接收信号先利用随机接入信号的前导序列完成定时，然后利用随机接入信号的前导序列和循环前缀进行频偏估计，得到频偏估计值则由晶振误差引起的载波频偏估计值为

(4)基站侧在下行发送随机接入响应消息时，将步骤(3)中获得的频偏估计值反馈给终端；

(5)终端侧再次根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，然后利用下行同步序列和多个OFDM循环前缀进行频偏估计，得到载波频偏估计

(6)终端侧根据步骤(4)和步骤(5)获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏完成对上行发送信号载波频偏的正确补偿。

在优选的实施方案中，为进一步适用于大频偏场景，所述步骤(1)或步骤(5)中针对时间同步，利用下行同步序列完成时偏估计，归一化的下行时偏θ_DL可通过求解如下优化问题得到：

其中(·)^H表示共轭转置操作，⊙表示向量点乘，L为信道的多径长度，为下行定时同步的时偏估计值；表示对终端本地下行时域同步序列进行l点循环移位后所得的序列，表示终端接收信号中从观测时刻θ_DL开始的连续N点采样序列，N为OFDM符号长度；以为参数生成K个调制DPSS向量及相应的特征值，频率参数调制参数ε_max和ε_min分别为下行同步场景中归一化的频偏搜索范围的最大值和最小值，表示时偏估计中使用的调制DPSS向量个数，符号表示对参数向上取整，和λ分别表示所生成的第i个调制DPSS向量及相应的特征值。

在获得下行同步时偏估计值基础上，先利用多个OFDM循环前缀估计归一化的小数倍频偏，然后利用下行同步序列估计完整的归一化载波频偏ε_DL。下行频率同步的频偏估计值为频偏估计算法应用到步骤(1)中，乘以子载波间隔即为频偏估计算法应用到步骤(5)中，乘以子载波间隔即为下行载波频偏ε_DL可通过求解如下优化问题得到：

其中∠(·)表示对参数取相位操作，1≤m≤M，M为小数倍频偏估计中使用的OFDM循环前缀个数，为下行频率同步的小数倍频偏估计值；表示接收信号第m个OFDM符号中，下标索引集合与集合对应的接收序列的相关结果，N_g为OFDM符号循环前缀长度；表示终端接收信号中从定时同步点开始的连续N点采样序列，为下行同步频偏补偿向量，其第p个元素为

在优选的实施方案中，为进一步适用于大频偏场景，所述步骤(3)中利用随机接入信号的前导序列实现定时，归一化的上行时偏θ_UL可通过求解如下优化问题得到：

其中为上行定时同步的时偏估计值，N_seq为随机接入信号前导序列长度；表示对基站本地随机接入信号前导序列进行l点循环移位后所得的序列，表示基站接收信号中从观测时刻θ_UL开始的连续N_seq点采样序列；以为参数生成K′个调制DPSS向量及相应的特征值，频率参数调制参数ε′_max和ε′_min分别为上行同步场景中归一化的频偏搜索范围的最大值和最小值，表示时偏估计中使用的调制DPSS向量个数，和λ_k′分别表示所生成的第k个调制DPSS向量及相应的特征值。

在获得上行定时同步的时偏估计值的基础上，先利用随机接入信号的循环前缀估计归一化的小数倍频偏，然后利用随机接入前导序列估计完整的归一化载波频偏ε_UL。上行频率同步的频偏估计值为 乘以子载波间隔即为上行载波频偏ε_UL可通过求解如下优化问题得到：

其中为上行频率同步的小数倍频偏估计值，表示随机接入信号中，下标索引集合与集合对应的接收序列的相关结果，N_cp为随机接入信号循环前缀长度；表示基站接收信号中从定时同步点开始的连续N_seq点采样序列；为上行同步频偏补偿向量，其第q个元素为

在所给的闭环时频同步方法中，在步骤(3)中获得了晶振误差引起的载波频偏估计值之后，在后续跟踪同步过程中，终端侧根据下行同步获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏以实现准确的频偏补偿。

基于相同的发明构思，本发明提供的一种OFDM系统闭环时频同步终端侧装置，包括：

频偏估计模块，用于根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，再利用下行同步序列和多个OFDM循环前缀进行频偏估计；在小区搜索过程中使用该模块得到载波频偏估计值在接收随机接入响应过程中使用该模块得到载波频偏估计值

多普勒频偏补偿模块，用于将频偏估计模块所得频偏估计值视为多普勒频偏，对上行发送信号补偿频偏

频偏接收模块，用于在随机接入过程中从基站侧的随机接入响应消息中获取基站侧的频偏估计值其中由基站侧根据接收信号先利用随机接入信号的前导序列完成定时，然后利用随机接入信号的前导序列和循环前缀进行频偏估计得到；

多普勒频偏及晶振误差频偏补偿模块，用于根据频偏估计模块和频偏接收模块获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏完成对上行发送信号载波频偏的正确补偿。

有益效果：本发明公开的一种OFDM系统闭环时频同步方法，具有如下的有益效果：

1)本方法可以在既存在晶振误差引起的载波频偏也存在多普勒频偏的通信场景下实现准确的时频估计；

2)本方法借助通信系统随机接入过程的闭环机制完成时频估计，便于实现；

3)本方法不仅适用于地面移动通信系统，也适用于采用OFDM技术的卫星移动通信系统等。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例公开的一种OFDM系统闭环时频同步方法，主要包括下行时频估计及频偏补偿、上行时频估计及频偏反馈等步骤，具体步骤如下：

S1：在小区搜索过程中，终端侧根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，然后综合利用下行同步序列和OFDM循环前缀进行频偏估计，可得载波频偏估计值下行时频同步通常利用OFDM系统的循环前缀或者同步序列进行时频估计。针对下行定时，可利用循环前缀进行自相关运算，或者利用同步序列和本地副本进行互相关运算获得定时同步位置。针对下行频偏估计，可利用循环前缀估计小数倍频偏，或者利用同步序列与本地副本的相位差进行频偏估计。进一步地，针对大频偏场景，本发明实施例又给出了一种利用同步序列和OFDM循环前缀的下行时频同步算法。

对于下行时频同步，首先考虑定时同步。关于归一化的下行时偏θ_DL的优化问题可表示为

其中(·)^H表示共轭转置操作，⊙表示向量点乘，L为信道的多径长度，N为OFDM符号长度，为下行定时同步的时偏估计值；表示对终端本地下行时域同步序列进行l点循环移位后所得的序列，表示终端接收信号中从观测时刻θ_DL开始的连续N点采样序列；以为参数生成K个调制DPSS向量及相应的特征值，频率参数调制参数ε_max和ε_min分别为下行同步场景中归一化的频偏搜索范围的最大值和最小值，表示时偏估计中使用的调制DPSS向量个数，符号表示对参数向上取整，和λ_i分别表示所生成的第i个调制DPSS向量及相应的特征值。为求解关于θ_DL的优化问题，可以通过对目标函数进行一维时偏搜索以获得θ_DL的估计值。

在获得下行同步时偏估计值基础上，先利用多个OFDM循环前缀估计归一化的小数倍频偏，然后利用下行同步序列估计完整的归一化载波频偏ε_DL。下行频率同步的频偏估计值为 乘以子载波间隔即为关于频偏ε_DL的优化问题可表示为

其中∠(·)表示对参数取相位操作，1≤m≤M，M为小数倍频偏估计中使用的OFDM循环前缀个数，为下行频率同步的小数倍频偏估计值；表示接收信号第m个OFDM符号中，下标索引集合与集合对应的接收序列的相关结果，具体表示如下：

其中r_m(n)(1≤m≤M)表示接收信号中第m个OFDM符号(包括循环前缀部分)上的第n个信号采样点，N_g为OFDM符号循环前缀长度；表示终端接收信号中从定时同步点开始的连续N点采样序列；为下行同步频偏补偿向量，其第p个元素为p＝0,1,...,N-1。为求解关于ε_DL的优化问题，先利用接收信号获得小数倍频偏估计值在的约束下对目标函数进行一维频偏搜索获得ε_DL的估计值。

S2：终端侧将步骤S1所得频偏估计值视为多普勒频偏，对上行发送信号补偿频偏

S3：在随机接入过程中，基站侧根据接收信号先利用随机接入信号的前导序列完成定时，然后综合利用随机接入信号的前导序列和循环前缀进行频偏估计，可得频偏估计值则由晶振误差引起的载波频偏估计值为同样，针对大频偏场景，本实施例具体给出了一种利用随机接入信号的上行时频同步算法。

上行时频同步同样首先考虑定时同步，关于归一化的上行时偏θ_UL的优化问题可表示为

其中为上行定时同步的时偏估计值，N_seq为随机接入信号前导序列长度；表示对基站本地随机接入信号前导序列进行l点循环移位后所得的序列，表示基站接收信号中从观测时刻θ_UL开始的连续N_seq点采样序列；以为参数生成K′个调制DPSS向量及相应的特征值，频率参数调制参数ε′_max和ε′_min分别为上行同步场景中归一化的频偏搜索范围的最大值和最小值，表示时偏估计中使用的调制DPSS向量个数，和λ_k′分别表示所生成的第k个调制DPSS向量及相应的特征值。为求解关于θ_UL的优化问题，可以通过对目标函数进行一维时偏搜索以获得θ_UL的估计值。

在获得上行定时同步的时偏估计值后，可以先使用随机接入信号的循环前缀估计归一化的小数倍频偏，然后利用随机接入前导序列估计完整的归一化载波频偏ε_UL。上行频率同步的频偏估计值为 乘以子载波间隔即为关于频偏ε_UL的优化问题可表示为

其中为上行频率同步的小数倍频偏估计值，表示随机接入信号中，下标索引集合与集合对应的接收序列的相关结果，具体表示如下：

其中r_seq(t)表示接收信号中随机接入信号(包括循环前缀部分)的第t个信号采样点，N_cp为随机接入信号循环前缀长度；表示基站接收信号中从定时同步点开始的连续N_seq点采样序列；为上行同步频偏补偿向量，其第q个元素为q＝0,1,...,N_seq-1。为求解关于ε_UL的优化问题，先利用接收信号获得小数倍频偏估计值在的约束下对目标函数进行一维频偏搜索以获得ε_DL的估计值。

S4：基站侧在下行发送随机接入响应消息时，将步骤S3中获得的频偏估计值反馈给终端。

S5：终端侧再次根据接收信号重复步骤S1所示的下行同步过程进行时频估计，可得载波频偏估计值

S6：终端侧根据步骤S5和步骤S6获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏至此完成对上行发送信号载波频偏的正确补偿。

在步骤S3中获得了晶振误差引起的载波频偏估计值一般认为通信系统中终端侧与基站侧的晶振误差保持恒定，因此在后续跟踪同步过程中，根据每次下行同步获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏即可实现准确的频偏补偿。其中跟踪同步过程中的下行频偏估计方法与步骤S1和S5一致。

基于相同的发明构思，本发明实施例提供的一种OFDM系统闭环时频同步终端侧装置，包括：频偏估计模块，用于根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，再利用下行同步序列和多个OFDM循环前缀进行频偏估计，小区搜索过程中使用该模块得到载波频偏估计值接收随机接入响应过程中使用该模块得到载波频偏估计值多普勒频偏补偿模块，用于将频偏估计模块所得频偏估计值视为多普勒频偏，对上行发送信号补偿频偏频偏接收模块，用于在随机接入过程中从基站侧的随机接入响应消息中获取基站侧的频偏估计值其中由基站侧根据接收信号先利用随机接入信号的前导序列完成定时，然后利用随机接入信号的前导序列和循环前缀进行频偏估计得到；多普勒频偏及晶振误差频偏补偿模块，用于根据频偏估计模块和频偏接收模块获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏完成对上行发送信号载波频偏的正确补偿。该装置的具体实施细节与上述方法实施例一致，此处不再赘述。

Claims (7)

1.一种OFDM系统闭环时频同步方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在小区搜索过程中，终端侧根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，然后利用下行同步序列和多个OFDM循环前缀进行频偏估计，得到载波频偏估计值

(2)终端侧将步骤(1)所得频偏估计值视为多普勒频偏，对上行发送信号补偿频偏

(3)在随机接入过程中，基站侧根据接收信号先利用随机接入信号的前导序列完成定时，然后利用随机接入信号的前导序列和循环前缀进行频偏估计，得到频偏估计值则由晶振误差引起的载波频偏估计值为

(4)基站侧在下行发送随机接入响应消息时，将步骤(3)中获得的频偏估计值反馈给终端；

(5)终端侧再次根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，然后利用下行同步序列和多个OFDM循环前缀进行频偏估计，得到载波频偏估计

(6)终端侧根据步骤(4)和步骤(5)获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏完成对上行发送信号载波频偏的正确补偿。

2.根据权利要求1所述的OFDM系统闭环时频同步方法，其特征在于：所述步骤(1)或步骤(5)中进行定时同步时，利用下行同步序列完成时偏估计，归一化的下行时偏θ_DL通过求解如下优化问题得到：

其中(·)^H表示共轭转置操作，⊙表示向量点乘，L为信道的多径长度，为下行定时同步的时偏估计值；表示对终端本地下行时域同步序列进行l点循环移位后所得的序列，表示终端接收信号中从观测时刻θ_DL开始的连续N点采样序列，N为OFDM符号长度；以为参数生成K个调制DPSS向量及相应的特征值，频率参数调制参数ε_max和ε_min分别为下行同步场景中归一化的频偏搜索范围的最大值和最小值，表示时偏估计中使用的调制DPSS向量个数，符号表示对参数向上取整，和λ_i分别表示所生成的第i个调制DPSS向量及相应的特征值。

3.根据权利要求1所述的OFDM系统闭环时频同步方法，其特征在于：所述步骤(1)或步骤(5)中，在获得下行同步时偏估计值基础上，先利用多个OFDM循环前缀估计归一化的小数倍频偏，再利用下行同步序列估计完整的归一化载波频偏ε_DL；下行频率同步的频偏估计值为频偏估计算法应用到步骤(1)中，乘以子载波间隔即为频偏估计算法应用到步骤(5)中，乘以子载波间隔即为下行载波频偏ε_DL通过求解如下优化问题得到：

其中∠(·)表示对参数取相位操作，1≤m≤M，M为小数倍频偏估计中使用的OFDM循环前缀个数，为下行频率同步的小数倍频偏估计值；表示接收信号第m个OFDM符号中下标索引集合与集合对应的接收序列的相关结果，L为信道的多径长度，N_g为OFDM符号循环前缀长度，N为OFDM符号长度；表示对终端本地下行时域同步序列进行l点循环移位后所得的序列，表示终端接收信号中从定时同步点开始的连续N点采样序列；为下行同步频偏补偿向量，其第p个元素为

4.根据权利要求1所述的OFDM系统闭环时频同步方法，其特征在于：所述步骤(3)中利用随机接入信号的前导序列实现定时，归一化的上行时偏θ_UL通过求解如下优化问题得到：

其中为上行定时同步的时偏估计值，L为信道的多径长度；表示对基站本地随机接入信号前导序列进行l点循环移位后所得的序列，表示基站接收信号中从观测时刻θ_UL开始的连续N_seq点采样序列，N_seq为随机接入信号前导序列长度；以为参数生成K′个调制DPSS向量及相应的特征值，频率参数调制参数ε′_max和ε′_min分别为上行同步场景中归一化的频偏搜索范围的最大值和最小值，表示时偏估计中使用的调制DPSS向量个数，和λ′_k分别表示所生成的第k个调制DPSS向量及相应的特征值。

5.根据权利要求1所述的OFDM系统闭环时频同步方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在获得上行定时同步时偏估计值基础上，先利用随机接入信号的循环前缀估计归一化的小数倍频偏，然后利用随机接入前导序列估计完整的归一化载波频偏ε_UL；上行频率同步的频偏估计值为 乘以子载波间隔即为上行载波频偏ε_UL通过求解如下优化问题得到：

其中为上行频率同步的小数倍频偏估计值，表示随机接入信号中，下标索引集合与集合对应的接收序列的相关结果，L为信道的多径长度，N_cp为随机接入信号循环前缀长度，N_seq为随机接入信号前导序列长度；表示对基站本地随机接入信号前导序列进行l点循环移位后所得的序列，表示基站接收信号中从定时同步点开始的连续N_seq点采样序列；为上行同步频偏补偿向量，其第q个元素为

6.根据权利要求1所述的OFDM系统闭环时频同步方法，其特征在于：在所述步骤(3)中获得了晶振误差引起的载波频偏估计值之后，在后续跟踪同步过程中，终端侧根据下行同步获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏

7.一种OFDM系统闭环时频同步终端侧装置，其特征在于：包括：

频偏估计模块，用于根据接收信号先利用下行同步序列完成定时，再利用下行同步序列和多个OFDM循环前缀进行频偏估计；在小区搜索过程中使用该模块得到载波频偏估计值在接收随机接入响应过程中使用该模块得到载波频偏估计值

多普勒频偏补偿模块，用于将频偏估计模块所得频偏估计值视为多普勒频偏，对上行发送信号补偿频偏

频偏接收模块，用于在随机接入过程中从基站侧的随机接入响应消息中获取基站侧的频偏估计值其中由基站侧根据接收信号先利用随机接入信号的前导序列完成定时，然后利用随机接入信号的前导序列和循环前缀进行频偏估计得到；

多普勒频偏及晶振误差频偏补偿模块，用于根据频偏估计模块和频偏接收模块获得的频偏估计值对上行发送信号补偿频偏完成对上行发送信号载波频偏的正确补偿。