CN110177066A - 一种5g nr系统中的大频偏估计方法及装置 - Google Patents

一种5g nr系统中的大频偏估计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种5G NR系统中的大频偏估计方法，包括：在SSB块的3个符号位置处提取DMRS信号；对第1、2个符号位置的DMRS信号分别进行频域信道响应的测量；对所述频域信道响应进行平滑消噪和按多径能量进行修剪；估计第一相位差和第一频偏；对第2、3符号位置的DMRS信号进行频偏尝试补偿；对补偿得到的DMRS信号重复所述步骤S2‑S4得到第二频偏，根据第二频偏得到频率偏移。本发明还提供了一种5G NR系统中的大频偏估计装置。本发明的大频偏估计方法，可在高铁环境下1个SSB信号块内完成对大于子载波间隔频偏的估计，可以提高频偏估计范围以及估计的精度，进而改善高铁下的5G NR通信质量。

Description

一种5G NR系统中的大频偏估计方法及装置
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及5G NR中高铁环境下的大频率估计方法及装置。
背景技术
在高速铁路的无线传播环境中，根据TR 38.901的高铁信道建模，基站(BS)天线架高35m，覆盖范围1732m左右。一般这种信道场景下，信号的散射径和反射径很少而直射径占据了信号传播主要能量。因此多普勒频率扩展现象并不突出。但是由于高铁时速可以得到350km/h甚至更快，会导致多普勒频率偏移比较严重，这会对UT(用户终端)和BS(基站)的性能有很大影响。
5G NR的基站工作载频分为FR1和FR2，FR1频率范围在450MHz-6000MHz，FR2频率范围在24250MHz-52600MHz。多普勒频移的计算公式为：
其中c为光速，v为UT移动速度，fc为通信频率，θ为UT运动方向和来波方向的夹角。
根据此公式，假设工作频率6000MHz，UT在高铁上运动速度500km/h，那么其多普勒偏呈现出Z字形，最大多普勒频率约为3KHz，同时由于UT晶振频率稳定度一般≤1ppm,这里假设1ppm由此导致的固有频率偏差为6KHz,因此总的频率偏移量将达到9KHz,这会对UT解调信号都将产生严重影响，甚至会造成无法正确检测，因此必须在UT上采用大频偏校正技术来进行频偏估计和补偿。
现有的频偏估计都是采用相距一定时间间隔(一般在几百us)的两个符号的相位差来进行频偏估计。采用相位差估计频偏一般采用反正切函数估计相位角，进而计算相位差，其相位角范围在-π和π之间。但是对于相位差大于7.5KHz的大频偏，有可能会由于频偏引起的相位角旋转大于π或者小于-π，造成相位模糊，导致估计失败。由于在5G NR系统中针对其物理下行共享信道(PDSCH)的解调参考信号(DMRS)是UE-specified信号，并不常发，由于该DMRS能够估计的最大频偏是7.5KHz，对大频偏估计可能会造成相位模糊，所以不合适做频偏估计。
此外，若通过增加两个符号之间的时间间隔来增大频偏估计中不发生相位模糊的范围，例如使用时间上间隔较大的导频进行频率偏移估计，则会由于高铁环境下的多普勒频率偏移呈现出Z字形变化，在UT接近和远离基站时，多普勒频率偏移变化很快，进而导致难以得到准确的频偏估计结果。若采用间隔较小的导频来进行导频估计，则大频偏估计的精度更加达不到要求，一般间隔几十us的导频在SNR＝20dB时估计误差在大几百赫兹。
发明内容
本发明的目的在于提供一种5G NR中高铁环境下的大频率估计方法及装置，以增大频偏估计范围，改善频偏估计精度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种5G NR系统中的大频偏估计方法，包括：
S1：在SSB块的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号；
S2：对第1、2个符号位置的初始DMRS信号sn,1,sn,2分别进行频域信道响应的测量；
S3：对所述频域信道响应进行平滑消噪和按多径能量进行修剪；
S4：估计第一相位差Δθ1和第一频偏Δf1；
S5：若第一相位差Δθ1判断为在0～π之间，则对第2、3符号位置的初始DMRS信号sn,2、sn,3进行频偏尝试补偿；
S6：对补偿得到的DMRS信号s’n,2,’n,3重复所述步骤S2-S4，得到第二相位差Δθ2和第二频偏Δf2；
S7：根据所述第一频偏Δf1和第二频偏Δf2得到频率偏移Δfd。
优选地，所述步骤S3包括：
S31：将所述频域信道响应H1(f),H2(f)进行iFFT变换，得到时域信道响应h1(t),h2(t)；
S32：对时域信道响应h1(t),h2(t)平滑消噪和按多径能量进行修剪；
S33：将时域信道响应进行FFT变换，恢复为频域信道响应。
优选地，所述平滑消噪和按多径能量进行修剪所采用的公式为：
其中μ＜1为加权调节因子，为噪声方差，hi(t)为时域信道响应，i＝1，2。
优选地，在所述步骤S4中，所述第一相位差Δθ1和第一频偏Δf1采用相位差分法估计，所述第一相位差Δθ1为：
第一频偏Δf1为：
Δf1＝Δθ1/(2πΔt))
其中，Δθ1为第一相位差，单位为rad；Δf1为第一频偏，单位为Hz；H1(f)，H2(f)分别为第1、2个符号位置的初始DMRS信号的频域信道响应，Δt表示两个DMRS信号之间的时间间隔，单位为s。
优选地，在所述步骤S5中，进行频偏尝试补偿所得到的DMRS信号s’n，2，s’n，3为：
其中，sn，2、sn，3为第2、3符号位置的初始DMRS信号，Δt表示第1、2个符号位置之间的时间间隔，单位为s，为保持第2和第3个符号之间相位连续性的调节参数。
优选地，在所述步骤S7中，所述频率偏移Δfd为
Δfd＝Δf2-Δf1/2；
其中，Δf2为第二频偏，单位为Hz；Δf1为第一频偏，单位为Hz。
另一方面，本发明还提供一种5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，包括：
S1：在SSB块的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号；
S2：对第1、2个符号位置的初始DMRS信号sn，1，sn，2分别进行频域信道响应的测量；
S3：对所述频域信道响应进行平滑消噪和按多径能量进行修剪；
S4：估计第一相位差Δθ1和第一频偏Δf1；
S5：若第一相位差Δθ1判断为在-π～0之间，则使用第一频偏Δf1计算频率偏移Δfd。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S31：将所述频域信道响应H1(f)，H2(f)进行iFFT变换，得到时域信道响应h1(t)，h2(t)；
步骤S32：对时域信道响应h1(t)，h2(t)平滑消噪和按多径能量进行修剪；
步骤S33：将时域信道响应进行FFT变换，恢复为频域信道响应。
优选地，所述平滑消噪和按多径能量进行修剪所采用的公式为：
其中μ＜1为加权调节因子，为噪声方差，hi(t)为时域信道响应，i＝1，2。
优选地，所述频率偏移Δfd为：
Δfd＝Δf1，
其中，Δf1为第一频偏，单位为Hz。
另一方面，本发明还提供一种5G NR系统中高铁环境下的大频偏估计装置，包括依次相连的一接收机、SSB信道估计模块、信道平滑模块、相位差估计模块、频偏尝试补偿模块和频偏估计模块；
所述接收机接收SSB块并在SSB块的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号，将第1、2个符号位置处的初始DMRS信号发送给SSB信道估计模块，并将第2、3个符号位置处的初始DMRS信号发送给频偏尝试补偿模块；所述SSB信道估计模块根据所接收的DMRS信号，测量其频域信道响应；所述信道平滑模块接收频域信道响应并对其平滑消噪和按多径能量进行修剪；所述频偏估计模块根据频域信道响应估计频偏和相位差；所述频偏尝试补偿模块判断频偏估计模块估计的相位差的大小以及是否进行过尝试补偿，根据判断结果，进行补偿并将补偿结果发送给SSB信道估计模块，或将频偏估计模块估计的频偏和相位差直接发送至频偏估计模块；所述频偏估计模块根据频偏估计模块估计的频偏和相位差得到频率偏移Δfd。
优选地，在所述频偏尝试补偿模块中，若相位差判断为在0～π之间且并未进行过尝试补偿，则对所接收的第2、3个符号位置的初始DMRS信号sn，2、sn，3进行频偏尝试补偿并将补偿结果发送给SSB信道估计模块；若相位差判断为在-π～0之间或进行过尝试补偿，则将频偏估计模块估计的频偏和相位差直接发送给频偏估计模块。
本方法采用在5G NR通信协议框架下周期性发送的SSB块(同步信号块)的第1、2、3个符号位置的DMRS信号作为参考信号来计算相位差进行频偏估计，并利用相邻符号的DMRS信号进行频偏尝试补偿，从而获得了更大的频偏估计范围，可至少在1个SSB信号块内完成高铁环境下对大于子载波间隔一半的大频偏估计，避免在大频偏如高铁环境下发生相位模糊；此外，本发明还对DMRS信号的信道响应进行平滑消噪并按多径能量进行修剪，以减小噪声和多径对估计性能的影响，提升频偏估计性能，从而得到更为精确的频率估计值，进而改善5G通信质量。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的5G NR系统中的大频偏估计方法的流程示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的5G NR系统中高铁环境下的大频偏估计装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的5G NR系统中的大频偏估计方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，而非用于限制本发明，故在此予以预先说明。
如图1所示为本发明的的大频偏估计方法的流程图。
步骤S1：在SSB块(同步信号块)的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号。由于在5G NR通信系统下的SSB块中，其第0个符号是PSS信号，第1、2、3个符号均为全频带携带DMRS(解调参考信号)信号，因此可以采用该第1、2、3个符号位置的DMRS信号来进行频偏估计。
步骤S2：对第1、2个符号位置的初始DMRS信号sn,1,sn,2分别进行频域信道响应的测量，得到频域信道响应H1(f)，H2(f)，从而实现信道估计；
步骤S3：对频域信道响应进行平滑消噪和按多径能量进行修剪，得到平滑的频域信道响应，具体包括：
步骤S31：将所述频域信道响应H1(f)，H2(f)进行iFFT变换，得到时域信道响应h1(t)，h2(t)，
步骤S32：对时域信道响应h1(t)，h2(t)平滑消噪和按多径能量进行修剪；
在本实施例中，平滑消噪和按多径能量进行修剪所采用的公式为：
其中μ＜1为加权调节因子，为噪声方差，hi(t)为时域信道响应，i＝1，2。
步骤S33：将时域信道响应进行FFT变换，恢复为平滑后的频域信道响应。
步骤S4：根据平滑后的频域信道响应采用相位差分法估计第一相位差Δθ1和第一频偏Δf1，得到的第一相位差和第一频偏即第1、2个符号位置之间相位差和频偏。
其中，第一相位差Δθ1为：
第一频偏Δf1为：
Δf1＝Δθ1/(2πΔt))，
其中，Δθ1为第一相位差，单位为rad；Δf1为第一频偏，单位为Hz；H1(f)，H2(f)分别为第1、2个符号位置的初始DMRS信号sn，1，sn，2的频域信道响应，Δt表示两个DMRS信号之间的时间间隔，单位为s。
步骤S5：若第一相位差Δθ1判断为在0～π之间，则对第2、3符号位置的初始DMRS信号sn，2、sn，3进行频偏尝试补偿；
其中频偏尝试补偿采用第一频偏Δf1进行，且进行频偏尝试补偿所得到的DMRS信号s’n，2，s’n，3为：
其中，Δf1为第一频偏，单位为Hz，sn，2、sn，3为第2、3符号位置的初始DMRS信号，Δt表示第1、2个符号位置之间的时间间隔，单位为s，为保持第2和第3个符号之间相位连续性的调节参数，单位为rad。
此外，若第一相位差Δθ1判断为在-π～0之间，则使用第一频偏Δf1计算频率偏移Δfd，并结束流程。该频率偏移Δfd为：
Δfd＝Δf1，
其中，Δf1为第一频偏，单位为Hz。
步骤S6：对补偿得到的DMRS信号s’n，2，s’n，3重复上述步骤S2-S4，即，对第2、3个符号位置的更新的DMRS信号s’n，2，s’n，3测量频域信道响应，进行平滑消噪和按多径能量进行修剪，并得到第二相位差Δθ2，和第二频偏Δf2。
步骤S7：根据所述第一频偏Δf1和第二频偏Δf2得到频率偏移Δfd，频率偏移Δfd为：
Δfd＝Δf2-Δf1/2；
其中，Δf2为第二频偏，单位为Hz；Δf1为第一频偏，单位为Hz。
如图2所示，基于上文所述的5G NR系统中的大频偏估计方法的发明构思，本发明还提供了一种5G NR系统中用于高铁环境下的大频偏估计装置，具体包括依次相连的一接收机1、SSB信道估计模块2、信道平滑模块3、相位差估计模块4、频偏尝试补偿模块5和频偏估计模块6。
其中接收机1接收SSB块并在SSB块的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号，并将第1、2个符号位置处的初始DMRS信号发送给SSB信道估计模块2，将第2、3个符号位置处的初始DMRS信号发送给频偏尝试补偿模块5；
SSB信道估计模块2根据所接收DMRS信号测量其频域信道响应，以完成信道估计；
信道平滑模块3接收频域信道响应并对其平滑消噪和按多径能量进行修剪；
频偏估计模块4根据信道平滑模块3所处理的两个符号位置的频域信道响应估计频偏和相位差；
频偏尝试补偿模块5判断频偏估计模块4估计的相位差的大小以及是否进行过尝试补偿，并根据判断结果，若相位差判断为在0～π之间且并未进行过尝试补偿，则对所接收的第2、3个符号位置的初始DMRS信号sn，2、sn，3进行频偏尝试补偿并将补偿结果发送给SSB信道估计模块2；若相位差判断为在-π～0之间或进行过尝试补偿，则将频偏估计模块4估计的频偏和相位差直接发送给频偏估计模块6。
频偏估计模块6根据频偏估计模块4估计的频偏和相位差得到频率偏移Δfd。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (12)

1.一种5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在SSB块的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号；
步骤S2：对第1、2个符号位置的初始DMRS信号sn，1，sn，2分别进行频域信道响应的测量；
步骤S3：对所述频域信道响应进行平滑消噪和按多径能量进行修剪；
步骤S4：估计第一相位差Δθ1和第一频偏Δf1；
步骤S5：若第一相位差Δθ1判断为在0～π之间，则对第2、3符号位置的初始DMRS信号sn，2、sn，3进行频偏尝试补偿；
步骤S6：对补偿得到的DMRS信号s’n，2，s’n，3重复所述步骤S2-S4，得到第二相位差Δθ2和第二频偏Δf2；
步骤S7：根据所述第一频偏Δf1和第二频偏Δf2得到频率偏移Δfd。
2.根据权利要求1所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：将所述频域信道响应H1(f)，H2(f)进行iFFT变换，得到时域信道响应h1(t)，h2(t)；
步骤S32：对时域信道响应h1(t)，h2(t)平滑消噪和按多径能量进行修剪；
步骤S33：将时域信道响应进行FFT变换，恢复为频域信道响应。
3.根据权利要求2所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，所述平滑消噪和按多径能量进行修剪所采用的公式为：
其中μ＜1为加权调节因子，为噪声方差，hi(t)为时域信道响应，i＝1，2。
4.根据权利要求1所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述第一相位差Δθ1和第一频偏Δf1采用相位差分法估计，所述第一相位差Δθ1为：
第一频偏Δf1为：
Δf1＝Δθ1/(2πΔt))，
其中，Δθ1为第一相位差，单位为rad；Δf1为第一频偏，单位为Hz；H1(f)，H2(f)分别为第1、2个符号位置的初始DMRS信号的频域信道响应，Δt表示两个DMRS信号之间的时间间隔，单位为s。
5.根据权利要求1所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，在所述步骤S5中，进行频偏尝试补偿所得到的DMRS信号s’n，2，s’n，3为：
其中，Δf1为第一频偏，单位为Hz，sn，2、sn，3为第2、3个符号位置的初始DMRS信号，Δt表示第1、2个符号位置之间的时间间隔，单位为s，为保持第2和第3个符号之间相位连续性的调节参数。
6.根据权利要求1所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，在所述步骤S7中，所述频率偏移Δfd为
Δfd＝Δf2-Δf1/2；
其中，Δf2为第二频偏，单位为Hz；Δf1为第一频偏，单位为Hz。
7.一种5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在SSB块的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号；
步骤S2：对第1、2个符号位置的初始DMRS信号sn，1，sn，2分别进行频域信道响应的测量；
步骤S3：对所述频域信道响应进行平滑消噪和按多径能量进行修剪；
步骤S4：估计第一相位差Δθ1和第一频偏Δf1；
步骤S5：若第一相位差Δθ1判断为在-π～0之间，则使用第一频偏Δf1计算频率偏移Δfd。
8.根据权利要求7所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：将所述频域信道响应H1(f)，H2(f)进行iFFT变换，得到时域信道响应h1(t)，h2(t)；
步骤S32：对时域信道响应h1(t)，h2(t)平滑消噪和按多径能量进行修剪；
步骤S33：将时域信道响应进行FFT变换，恢复为频域信道响应。
9.根据权利要求8所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，所述平滑消噪和按多径能量进行修剪所采用的公式为：
其中μ＜1为加权调节因子，为噪声方差，hi(t)为时域信道响应，i＝1，2。
10.根据权利要求7所述的5G NR系统中的大频偏估计方法，其特征在于，所述频率偏移Δfd为：
Δfd＝Δf1，
其中，Δf1为第一频偏，单位为Hz。
11.一种5G NR系统中的大频偏估计装置，其特征在于，包括依次相连的一接收机(1)、SSB信道估计模块(2)、信道平滑模块(3)、相位差估计模块(4)、频偏尝试补偿模块(5)和频偏估计模块(6)；
所述接收机(1)接收SSB块并在SSB块的第1、2、3个符号位置处提取初始DMRS信号，将第1、2个符号位置处的初始DMRS信号发送给SSB信道估计模块(2)，并将第2、3个符号位置处的初始DMRS信号发送给频偏尝试补偿模块(5)；
所述SSB信道估计模块(2)根据所接收的DMRS信号，测量其频域信道响应；
所述信道平滑模块(3)接收频域信道响应并对其平滑消噪和按多径能量进行修剪；
所述频偏估计模块(4)根据频域信道响应估计频偏和相位差；
所述频偏尝试补偿模块(5)判断频偏估计模块(4)估计的相位差的大小以及是否进行过尝试补偿，根据判断结果，进行补偿并将补偿结果发送给SSB信道估计模块(2)，或将频偏估计模块(4)估计的频偏和相位差直接发送至频偏估计模块(6)；
所述频偏估计模块(6)根据频偏估计模块(4)估计的频偏和相位差得到频率偏移Δfd。
12.根据权利要求11所述的5G NR系统中的大频偏估计装置，其特征在于，在所述频偏尝试补偿模块(5)中，
若相位差判断为在0～π之间且并未进行过尝试补偿，则对所接收的第2、3个符号位置的初始DMRS信号sn，2、sn，3进行频偏尝试补偿并将补偿结果发送给SSB信道估计模块(2)；
若相位差判断为在-π～0之间或进行过尝试补偿，则将频偏估计模块(4)估计的频偏和相位差直接发送给频偏估计模块(6)。
CN201910340478.1A 2019-04-25 2019-04-25 一种5g nr系统中的大频偏估计方法及装置 Active CN110177066B (zh)

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