CN111740929A - 一种基于pss序列重复协同检测的td-lte频率偏移估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PSS序列重复协同检测的TD‑LTE频率偏移估计方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：生成PSS ZC序列；对PSS ZC序列进行QPSK调制，生成OFDM符号并进行发送；接收机接收PSS ZC序列并完成QPSK解调，通过PSS ZC序列的恒幅零自相关特性确定发射机PSS ZC序列的根指数；接收机利用多个相同PSS ZC序列符号在不同时隙重复传输做相关处理，在频域针对相位的旋转进行频偏估计。该方法在接收机正确确定PSS序列根指数后，对接收到的多个重复PSS序列两两相关再做平均，可以大大提升CFO估计性能。

Description

一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其是指一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展和宽窄融合的推进，TD-LTE技术已经在行业中得到广泛应用。TD-LTE系统下行多址技术OFDMA结合了OFDM和FDMA技术的优势，在频谱利用率方面相对其他多址技术做到了很大的提升。然而，OFDM技术对载波的频率偏差(CFO)非常敏感，信道的快速变化使得子载波之间不再完全正交使得不同谐波之间的正交性无法保证从而会引发子载波的时域波形畸变造成信号传输干扰。因此，为了保证子载波的正交性，频率偏移的正确估计工作尤为重要。
目前针对TD-LTE系统的CFO估计算法主要包括两类：盲检估计和训练序列估计。盲检估计算法，操作简单、易于实现，可以有效的提高信息的传输效率，但存在估计精度有限的问题；而基于训练序列的算法，具备同步速度快、精度较高的优点，但存在计算复杂度较高的缺点。如何更好的平衡CFO估计的复杂度和精度是值得研究的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，该方法能够准确高效地完成载波频率偏移(carrier frequency offset，CFO)的估计，为TD-LTE系统中由频率偏移造成的信号畸变提供有效解决办法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，包括以下步骤：
(1)随机采用一个根序列，生成PSS ZC序列；
(2)对PSS ZC序列进行QPSK调制，生成OFDM符号并进行发送；
(3)接收机接收PSS ZC序列并完成QPSK解调，通过PSS ZC序列的恒幅零自相关特性确定发射机PSS ZC序列的根指数；
(4)接收机正确解析PSS ZC序列后，利用多个相同PSS ZC序列符号在不同时隙重复传输做相关处理，在频域针对相位的旋转进行频偏估计，完成载波频率偏移确定。
进一步的，所述的PSS ZC序列描述如下：
Figure BDA0002549556990000021
其中，u表示ZC根序列指数，u∈{25,29,34}。
进一步的，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure BDA0002549556990000022
其中，
Figure BDA0002549556990000023
为载波频率偏移，y1(n)和y2(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的两个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
进一步的，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure BDA0002549556990000024
其中，
Figure BDA0002549556990000025
为载波频率偏移，
Figure BDA0002549556990000026
y1(n)、y2(n)和y3(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的三个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
进一步的，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure BDA0002549556990000027
其中，
Figure BDA0002549556990000028
为载波频率偏移,
Figure BDA0002549556990000029
Figure BDA00025495569900000210
y1(n)、y2(n)、y3(n)和y4(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的四个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的发明人通过对比基于CP、Moose、基于PSS序列相关三种传统CFO估计算法确定基于PSS序列相关算法的有效性，基于Moose算法和PSS序列相关算法的思想提出一种基于PSS序列重复协同检测的频率偏移估计方法，即在接收机正确确定PSS序列根指数后，对接收到的多个重复PSS序列两两相关再做平均，可以大大提升CFO估计性能。
2、本发明方法结合了Moose算法和PSS序列相关算法的优势，通过多个PSS序列的重复相关处理实现了CFO估计能力的提升。
3、本发明方法中，随着PSS序列重复相关次数的增加，CFO估计性能能够不断改善。采用3个PSS序列时，相关检测性能比传统效果最好的PSS序列相关算法提升了约8～11dB。
4、本发明方法可以在不过渡消耗系统计算资源的同时大大提升TD-LTE系统的频率估计性能，为复杂场景下的系统稳定运行提供重要保障。
附图说明
图1是PSS ZC序列的自相关性和互相关性图。
图2是三种传统CFO估计方法的性能对比图。
图3是本发明实施例中频率偏移估计方法的流程图。
图4是2序列相关与传统最优的PSS序列相关算法性能对比图。
图5是多个PSS序列重复相关的性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述方法作进一步详细描述。
如图3所示，一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，包括以下步骤：
(1)随机采用一个根序列，生成PSS ZC序列；
(2)对PSS ZC序列进行QPSK调制，生成OFDM符号并进行发送；在模拟中，为快速验证本方法的有效性，可使空口信号传输采用AWGN信道模型，同时增加频率偏移；
(3)接收机接收PSS ZC序列并完成QPSK解调，得到OFDM符号，然后通过PSS ZC序列的恒幅零自相关特性确定发射机PSS ZC序列的根指数；
(4)接收机正确解析PSS ZC序列后，利用多个相同PSS ZC序列符号在不同时隙重复传输做相关处理，在频域针对相位的旋转进行频偏估计，完成载波频率偏移确定。
进一步的，所述的PSS ZC序列描述如下：
Figure BDA0002549556990000041
其中，u表示ZC根序列指数，u∈{25,29,34}。
进一步的，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure BDA0002549556990000042
其中，
Figure BDA0002549556990000043
为载波频率偏移，y1(n)和y2(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的两个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
进一步的，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure BDA0002549556990000044
其中，
Figure BDA0002549556990000045
为载波频率偏移，
Figure BDA0002549556990000046
y1(n)、y2(n)和y3(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的三个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
进一步的，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure BDA0002549556990000047
其中，
Figure BDA0002549556990000048
为载波频率偏移,
Figure BDA0002549556990000049
Figure BDA00025495569900000410
y1(n)、y2(n)、y3(n)和y4(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的四个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
图1是PSS ZC序列的自相关性和互相关性图。PSS序列的自相关存在尖峰，互相关不存在尖峰且具有较低的噪声方差，有利于序列的正确解析。即通过接收机相关器检测门限的合理设计可以很好的检测出终端发送的PSS序列从而提升同步准确度。
传统的基于CP的盲检CFO估计算法，其原理是利用OFDM符号的CP部分和数据后部分间相关性进行CFO估计。在不考虑信道影响的情况下，CFO会引起CP和相应OFDM符号后部之间存在大小为2πεN/N＝2πε的相位差，即可完成CFO的估计。
传统的Moose CFO估计算法，是通过发射两个连续相同的OFDM训练符号作为导频，存在频率偏差时，接收机经过FFT后，即可利用前后两个训练符号之间的相关性，在频域针对相位的旋转来进行频偏估计。在不考虑信道的快速变化情况下，接收机收到的两个相同训练符号存在一定关系，即可完成CFO的估计。
传统的基于PSS序列相关的CFO估计算法，其原理是PSS序列根指数确定后将接收机相关后的序列分为前后两部分再进行合并处理，忽略信号干扰和噪声干扰后，即可完成CFO的估计。
上述三种传统CFO估计方法的性能对比如图2所示。从仿真结果可以看出，三种传统算法中基于PSS序列相关的CFO估计算法效果较优，相对Moose算法和CP盲检算法和分别提升约7dB和12dB左右，故对基于PSS序列相关算法进行优化才更有效。
本方法基于Moose算法和PSS序列相关算法的思想，采用一种基于PSS序列相关重复协同检测的优化算法，其具体原理是接收机通过接收多个PSS序列做相关处理从而降低CFO的估计误差提升准确率。
可以采用归一化的均方误差(Mean Squared Error，MSE)作为CFO估计结果的评判标准，对比分析本方法相对传统CFO估计中最佳算法的有效性。
其中，PSS序列描述如下：
Figure BDA0002549556990000051
其中，u表示ZC根序列指数，u∈{25,29,34}。
传统的基于CP的盲检CFO估计算法中CFO估计值如下：
Figure BDA0002549556990000061
其中，r(n)为接收机收到的FFT后的信号；arg{}表示幅角值，Ng为CP长度，N为子载波数。
传统的Moose CFO估计算法中接收机收到的两个训练序列符号存在的关系如下：
Figure BDA0002549556990000062
传统的Moose CFO估计算法中CFO估计值如下：
Figure BDA0002549556990000063
传统的基于PSS序列相关的CFO估计算法中接收机正确接收到的PSS相关序列如下：
Figure BDA0002549556990000064
其中，j＝0,1。
传统的基于PSS序列相关的CFO估计算法中CFO估计值如下：
Figure BDA0002549556990000065
归一化MSE计算如下：
Figure BDA0002549556990000066
其中，L为仿真次数；
Figure BDA0002549556990000067
为CFO估计算法每次的估计值；ε为系统仿真设置的频率偏移确定值。
图4是本方法的2序列相关与传统最优的PSS序列相关算法性能对比图。本方法相对传统基于PSS序列相关算法性能有所提升，提升值约为2～3dB，证明本方法的有效性，为进一步提升CFO估计性能，可以继续增加PSS相关序列的个数。
图5是本方法采用不同数目PSS序列进行重复相关的性能对比图。可以看出，3序列相对2序列提升明显，提升值约为6～8dB；4序列相对3序列提升有限，约为1～2dB；5序列相对4序列提升不明显，小于0.5dB。说明随着PSS序列重复相关个数的增加系统CFO估计效果越好，同时可看出PSS接收序列重复超过3个之后，CFO的估计效果提升有限。
需要说明的是，以上仅为本发明的较佳应用示例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)随机采用一个根序列，生成PSS ZC序列；
(2)对PSS ZC序列进行QPSK调制，生成OFDM符号并进行发送；
(3)接收机接收PSS ZC序列并完成QPSK解调，通过PSS ZC序列的恒幅零自相关特性确定发射机PSS ZC序列的根指数；
(4)接收机正确解析PSS ZC序列后，利用多个相同PSS ZC序列符号在不同时隙重复传输做相关处理，在频域针对相位的旋转进行频偏估计，完成载波频率偏移确定。
2.根据权利要求1所述的一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，其特征在于，所述的PSS ZC序列描述如下：
Figure FDA0002549556980000011
其中，u表示ZC根序列指数，u∈{25,29,34}。
3.根据权利要求1所述的一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure FDA0002549556980000012
其中，
Figure FDA0002549556980000013
为载波频率偏移，y1(n)和y2(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的两个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
4.根据权利要求1所述的一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure FDA0002549556980000014
其中，
Figure FDA0002549556980000015
为载波频率偏移，
Figure FDA0002549556980000016
y1(n)、y2(n)和y3(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的三个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
5.根据权利要求1所述的一种基于PSS序列重复协同检测的TD-LTE频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤(4)中得到的载波频率偏移为：
Figure FDA0002549556980000021
其中，
Figure FDA0002549556980000022
为载波频率偏移,
Figure FDA0002549556980000023
Figure FDA0002549556980000024
y1(n)、y2(n)、y3(n)和y4(n)分别表示接收机收到的多个相同PSS ZC序列中的四个，上标*为复数求共轭，arg表示求复数的辐角。
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