CN112929311B - 一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法，包括以下步骤：根据信号模型，对时域接收信号经过采样，去除循环前缀，变换到频域，得到第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号；获取上个周期内所述第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号进行频偏估计得到的频偏值，并将该频偏值在本周期的时域上预纠偏后转换到频域；对预纠偏后的频域信号进行频偏估计，得到第k个用户的估计值，以供用户进行频偏补偿。本发明能够提高频偏估计的精度。

Description

一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法。
背景技术
ITU发布的5G白皮书定义了5G的三大场景，其中增强移动宽带(enhancedMobileBroadband，eMBB)是目前运营商部署的重点。相比4G时代，不仅仅是要满足更大量用户的宽带连接需求，更对高速移动场景下提出了更为苛刻的性能要求，而5G载频的提升，移动速度到500公里/小时，这样快速变化的物理信道会引入很大的多普勒频偏，从而导致解调性能严重损失。
5G中，物理层信道分为数据信道和控制信道，其中下行数据信道传输是否成功的反馈信息ACK/NACK，上行的资源调度请求信息，以及信道状态等信息，都需要在上行控制信道上传输。这些上行控制信息的解调性能直接决定了5G通信系统的性能。
5G控制信道定义了多种传输格式，其中格式1是用来传输每用户1-2比特的ACK/NACK信息，最多可以支持84个用户在一个RB上同时传输。如何正确估计相同RB资源上复用的不同用户的频偏，并进行补偿，才能保障PUCCH格式1的传输信息被正确解调就是当前需要解决的问题。
现有技术中公开了PUCCH格式1估计大频偏的方法，虽然该方法可以估计出一个粗略的频偏值，但是其缺点也是比较明显，由于大频偏引入的子载波间干扰被当成了白噪声，虽然简化了估计算法复杂度，但是该项干扰的存在直接影响了频偏估计的精度，并且在高SNR下，ICI会成为估计偏差的主要影响因素，带来估计误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法，能够提高频偏估计的精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法，包括以下步骤：
(1)根据信号模型，对时域接收信号经过采样，去除循环前缀，变换到频域，得到第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号；
(2)获取上一个周期内所述第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号进行频偏估计得到的频偏值，并将该频偏值在本周期的时域上预纠偏后转换到频域；
(3)对预纠偏后的频域信号进行频偏估计，得到第k个用户的估计值，以供用户进行频偏补偿。
所述步骤(2)具体为：对频域上的第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号进行时域解扩处理；将两个不同符号上的相同子载波进行时域扩频因子的共轭相乘得到归一化频偏值，该归一化频偏值为上一个周期进行频偏估计得到的第k个用户的估计值；将所有用户的归一化频偏值求取算数平均值得到平均归一化频偏值；将所述平均归一化频偏值在本周期的时域上进行预纠偏，然后变换到频域。
所述步骤(3)中对预纠偏后的频域信号进行频偏估计具体为：对预纠偏后的频域信号进行时域解扩处理，将两个不同符号上的相同子载波进行时域扩频因子的共轭相乘得到归一化频偏值，该归一化频偏值为本周期进行频偏估计得到的第k个用户的估计值。
所述步骤(3)后还包括将上一个周期的频偏值与本周期的第k个用户的估计值进行合并，并将合并后的值回返到下一个周期的步骤。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在第一级时域先纠正频偏，然后在第二级频域进行估计频偏，如此可以有效的减少大频偏带来的子载波间与用户间干扰，从而提高了频偏估计在高SNR时的精度，非常适合高速列车场景的性能增强。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法，该方法为了提高PUCCH信道估计频偏在火车高速运行场景时的性能，创造了一种级联式估偏方法，通过在第一级时域先纠正频偏，然后第二级频域在估计频偏，可以有效的减少大频偏带来的子载波间与用户间干扰，从而提高了频偏估计在高SNR时的精度，非常适合高速列车场景的性能增强，具体如图1所示，包括以下步骤：
第一步，信号模型
对于5GPUCCH信道格式1，K个用户在第i个符号上的时域接收信号表达式如下：
Figure BDA0002916025460000031
式中，k是K个用户中的用户索引，m是频域子载波索引，N是有效子载波数，fm是第m个子载波的间隔。Ng为OFDM符号循环前缀的长度，Ns为OFDM符号数据部分的长度与循环前缀的长度之和，T表示每个采样点的时间间隔。Sk(i)是用户k在第i个符号上的调制信息，pk(i)是用户k在第i个符号上的正交cover码，Ak,i(m)是用户k在第i个符号，第m个子载波上的正交循环移位序列，Hk,i(m)是用户k在第i个符号，第m个子载波上的信道估计，此处可以合理假设信道估计在整个时隙上保持恒定，在一个RB的12个子载波上同样保持恒定。ni(t)表示时域上白噪声。
对时域接收信号经过采样，去除循环前缀，变换到频域，可以得到第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号：
Figure BDA0002916025460000032
式中，Ik,i(l)为收到的子载波间和多用户间干扰，wk,i(l)为噪声。
Figure BDA0002916025460000033
表示绝对频偏值Δf相对于子载波间隔fm的归一化频偏。
第二步，第一级预纠偏
根据现有技术的缺陷可知，为提高频偏估计的精度，需要减少干扰Ik,i(l)功率。从上述信号模型的表达式可以看出，Ik,i(l)的引入是在时域接收信号变换到频域后引入的，因此可以在时域进行一次频偏纠正，对纠偏后的信号在变换到频域，即可大幅减少甚至消除频域接收信号上的干扰Ik,i(l)功率。
对于5G PUCCH格式1信道而言，1个PRB上可以复用多用户，每个用户都有自己的频偏值，对于上行时域接收信号而言，考虑到在高速列车运行场景，处在同一列车上的用户频偏方向一致，频偏值差异不会特别巨大。因此，可以将所有用户的频偏值进行平均，在时域上补偿这个频偏值，这样接收信号变换到频域后，产生的干扰Ik,i(l)功率将会很小，从而提升后续的频偏估计精度。
第一级预纠偏是在时域中处理，首先需要获取各个用户的频偏值，才能进行时域预纠偏。考虑到PUCCH信道是周期性传输，因此可以采取合适的传输周期，使得PUCCH信道在上一个周期的估计值可以在本周期依然有效。每个周期的频偏估计方法是一致的，具体如下：
对频域上的第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号，进行时域解扩处理，得到：
Figure BDA0002916025460000041
考虑到不同符号上的H和Sk都不变，那么将两个不同符号上的相同子载波进行共轭相乘，消除掉H和Sk的影响，可以得到归一化频偏值为：
Figure BDA0002916025460000042
此处估计的归一化频偏值
Figure BDA0002916025460000043
是上一个周期进行频偏估计得到的第k个用户的估计值。
将所有K个用户的归一化频偏值求取算数平均值，得到一个平均的归一化频偏值：
Figure BDA0002916025460000044
将上一PUCCH传输周期得到的平均归一化频偏估计值
Figure BDA0002916025460000045
在当前PUCCH传输周期的时域上进行预纠偏，然后变换到频域，则频域上第i个符号，第l个子载波的接收信号表示为：
Figure BDA0002916025460000046
该表达式中，k依然是用户索引，Mk是分配给第k个用户的子载波集合，u∈Mk即表示分配给第k个用户的第u个子载波的索引，Ck,i(u)即为Sk(i)pk(i)Ak,i(u)的乘积表示，
Figure BDA0002916025460000051
表示为第k个用户的残留频偏。D(l,u,Δεk)表示的是第u个子载波对第l个子载波的泄露功率，表示为：
Figure BDA0002916025460000052
从以上表达式中可以看到，对目标用户k而言，D(l,u,Δεk)由于l和u不同，引入了用户k自身的子载波间干扰，而当用户k和用户m不同时，引入的是用户间干扰，如下所示：
Figure BDA0002916025460000053
干扰的形式类似sinc函数，不同子载波间旁瓣功率，不同用户间的旁瓣功率都影响了目标用户的接收子载波上信号质量，如果补偿后的残留频偏Δεk→0，则目标子载波的信号功率会最大，子载波间干扰和多用户间干扰的功率会最小，因此接收信干噪比最大。这就为第二级的频偏估计精度提升打下了基础。
第三步，第二级估偏
对第二步得到的频域上的第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号进行时域解扩处理，得到
Figure BDA0002916025460000054
此处Ik,i包含了子载波间干扰和多用户间干扰，由于经过第一级的时域预纠偏后，第二级的该干扰功率大为减少，所以能够提升频偏估计精度。
考虑到不同符号上的H和Sk都不变，那么将两个不同符号上的相同子载波进行共轭相乘，消除掉的H和Sk影响，可以得到归一化频偏值为：
Figure BDA0002916025460000061
此处估计的归一化频偏值
Figure BDA0002916025460000062
是本周期进行频偏估计得到的第k个用户的估计值。
第四步，频偏值回返
将上一个PUCCH传输周期获取的平均归一化频偏值
Figure BDA0002916025460000063
与当前PUCCH传输周期得到的归一化频偏估计值
Figure BDA0002916025460000064
进行合并，得到
Figure BDA0002916025460000065
该值回返到下一个PUCCH传输周期，供时域频偏预纠偏使用。至于本PUCCH传输周期获取的
Figure BDA0002916025460000066
则供本周期各复用用户进行频偏补偿而用。
由此可见，本发明能够大幅抑制干扰功率，相比传统频偏估计算法，对高速铁路场景下大频偏估计值精度提升非常显著，而且第一级时域预纠偏复杂度很低，只需要沿用上一个PUCCH传输周期的估计值与接收信号进行复数乘即可，同时支持PUCCH信道多用户复用时估计频偏和频偏预纠正。

Claims (2)

1.一种控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据信号模型，对时域接收信号经过采样，去除循环前缀，变换到频域，得到第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号；
(2)获取上一个周期内所述第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号进行频偏估计得到的频偏值，并将该频偏值在本周期的时域上预纠偏后转换到频域；具体为：对频域上的第k个用户，在第i个符号上，第l个子载波上的接收信号进行时域解扩处理；将两个不同符号上的相同子载波进行时域扩频因子的共轭相乘得到归一化频偏值，该归一化频偏值为上一个周期进行频偏估计得到的第k个用户的估计值；将所有用户的归一化频偏值求取算数平均值得到平均归一化频偏值；将所述平均归一化频偏值在本周期的时域上进行预纠偏，然后变换到频域；
(3)对预纠偏后的频域信号进行频偏估计，得到第k个用户的估计值，以供用户进行频偏补偿；其中，所述对预纠偏后的频域信号进行频偏估计具体为：对预纠偏后的频域信号进行时域解扩处理，将两个不同符号上的相同子载波进行时域扩频因子的共轭相乘得到归一化频偏值，该归一化频偏值为本周期进行频偏估计得到的第k个用户的估计值。
2.根据权利要求1所述的控制信道多用户复用时高精度频偏估计方法，其特征在于，所述步骤(3)后还包括将上一个周期的频偏值与本周期的第k个用户的估计值进行合并，并将合并后的值回返到下一个周期的步骤。
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