CN112995078B - 一种ofdma上行链路的频偏补偿算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种OFDMA上行链路的频偏补偿算法。本发明能够使通讯系统接收机在接收信号存在频偏情况下，基于频偏估计结果，对频偏值进行量化，从存储器中获取一组滤波器系数，对接收到的频域信号进行滤波处理，从而对频偏进行补偿，抑制子载波间干扰，提高接收机的解调性能。

Description

一种OFDMA上行链路的频偏补偿算法

技术领域

本发明涉及频偏补偿技术领域，尤其涉及一种OFDMA上行链路的频偏补偿算法。

背景技术

OFDMA是指在多用户OFDM系统中，通过为每个用户分配不同的子载波，从而得到的一种新的多址方式。在OFDMA系统中，用户占用不同的子载波，因此多个用户可以同时进行数据传输，并且由于各个子载波之间相互交叠，不需要为每个用户加入保护频带，从而提高了频谱利用率。当前，移动通信可以为用户提供无缝覆盖，高效信息传输和高可靠的服务。诸如高铁、高速公路上的移动通信等实际业务对于移动性提出了极为严苛的要求。在终端设备高速移动过程中，多普勒效应是一个必须考虑的因素。多普勒效应将导致频率偏移，导致信噪比严重下降。若不采取有效的措施来抑制多普勒效应，则会严重影响通信系统的性能。此外，由于发送和接收端的本振也无法做到完全吻合，频率偏移不可避免。因此各种频偏补偿算法应运而生。

在采用OFDMA系统的上行链路中，接收端可以进行在信道估计之后采用合适的补偿算法，以此来达到提升性能的目的。

现有工作是基于先进行信道估计，而后根据频偏数值在线计算频偏系数，对接收信号进行补偿，而后得到补偿后的信号。在OFDM通讯系统中频偏补偿的一种典型方法是在信道估计完成后，补偿各个不同的单个串行数据符号对应的信道估计的相位差，然后再做均衡和多天线合并处理。频偏较大时候，会导致接收性能不佳。

为实现频偏补偿，现已经提出的频偏补偿的算法设计方案有：

方案1：采用接收端与发送端互易进行频偏补偿：首先通过发送端和接收端互易，确定频偏，多次传输直到频偏准确确定，若频偏小于阈值，则不做补偿。方案1的优点是具有相当程度的简易性，无需要对原有方案进行大范围的更改就可以实现频偏补偿的功能；但缺点是方法太过粗略，很大程度上无法做到快速补偿，高准确度恢复。

方案2：当接收到信号后进行降采样，得到第一时域信号，对所述频域信号进行信道滤波后解调，得到频域信号，对频域信号通过环路滤波器补偿电路，将频域符号值整体上移或者下移进行补偿，而后再恢复成为时域信号。方案2优点是可以具有较好的频偏补偿。但缺点是复杂度高，且无法适用于多用户情况。

方案3：判断所述多普勒频偏值是否超过预先设定的阈值，如果是，根据自适应频偏校正算法对所述输入信号进行频偏补偿，否则，根据上行双导频频偏估计算法对所述输入信号进行频偏补偿。这种方案优点是采用两种分类方法进行补偿，可以有效提高补偿效果。但缺点是，对于两种方法的分界线的选取不容易客观量化，故而导致设计结构复杂化。

方案4：确定当前符号的开窗位置，根据所述开窗位置从数据缓存中获取当前符号的采样点；将所述当前符号的采样点的值取绝对值后，计算每个符号周期内五个等间隔的采样值，利用所述五个等间隔采样值迭代计算，确定开窗调整位置的系数进而调整开窗位置。优点是实现起来简单，计算速度较快。但缺点是使用仅仅为4个等间隔采样值进行迭代计算，样本个数小，导致频偏补偿后的结果不够优秀。

因此，在采用OFDMA系统的上行链路中，如何进行频偏补偿已成为了急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种OFDMA上行链路的频偏补偿算法，本发明将从加快信号处理速度、降低设备复杂度的角度出发，设计一个在OFDMA上行链路中信号处理速度快、复杂度低的算法。

本申请是通过如下技术方案实现的：

一种OFDMA上行链路的频偏补偿算法，该方法包括如下步骤：

步骤1、在频域对数据进行采样，获取包含频偏包含频偏的频域数据；

步骤2、获取频域数据中的所述频偏值；

步骤3、获取所述频偏值以及子载波间隔，将所述频偏值与所述子载波间隔进行比值运算和归一化处理以获得归一化后的频偏值，并将所述频偏值与预设阈值进行比较，当归一化后的所述频偏值小于所述预设阈值时，读取所述存储器中保存的与所述频偏值对应的逆矩阵系数，当归一化后的所述频偏值大于所述预设阈值时，读取所述存储器中保存的与所述频偏值对应的滤波器参数；

步骤4、使用所述逆矩阵系数或者所述滤波器参数对所述包含频偏包含频偏的频域数据进行处理，以得到频偏矫正后的数据，频率补偿完成。

进一步的，在步骤1之前，还包括在存储器中存储数据的步骤，具体包括：

步骤101、通过离线计算获得滤波器参数和逆矩阵系数；

步骤102、将计算得到的所述滤波器参数和、所述逆矩阵系数与归一化频偏值、预设阈值相关联的数据保存在存储器中。进一步的，通过离线计算获得逆矩阵系数，具体包括：

步骤201、根据频偏值、子载波间隔以及子载波数量的不同来构造如下分量转移矩阵H：

其中，N为子载波数目，i为正整数，并且有0<i<N，h₀表示当前子载波x_i在有频偏情况下对y_i的比例，h₁表示子载波x_i对右侧一个y_i+1的贡献比例，依次类推获得整个分量转移矩阵H，通过将频偏值和子载波间隔进行比值运算，获得归一化频偏值，不同的所述归一化频偏值所对应的分量转移矩阵H的各个分量的均不相同；

当子载波数目N小于或等于预设阈值M时，执行步骤202；

当子载波数目N大于所述预设阈值M时，执行步骤203；

步骤202、对所述分量转移矩阵H进行求逆运算，获得所述逆矩阵系数；

步骤203、根据所述分量转移矩阵H提供的参数，作为Farrow滤波器的滤波器参数，构造频偏补偿所需的滤波器。

进一步的，根据所述分量转移矩阵H提供的参数，作为Farrow滤波器的滤波器参数，具体包括：

随着所述归一化频偏值的不同对所述Farrow滤波器配置不同的所述滤波器参数，Farrow滤波器的所述滤波器参数由所述分量转移矩阵H决定；

所述Farrow滤波器的传递函数为：

其中p为所述归一化频偏值，采用N个子载波的归一化频偏值为p的多项式近似滤波器系数，h_n(p)为当归一化频偏值为p时，所述分量转移矩阵H中的各个子项。

进一步的，使用所述逆矩阵系数或者所述滤波器参数对所述包含频偏的频域数据进行处理，具体包括：

将所述逆矩阵系数与所述包含频偏的频域数据进行相乘，以获得经过频偏补偿后的频域数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明能够使通讯系统接收机在接收信号存在频偏情况下，基于频偏估计结果，对频偏值进行量化，从存储器中获取一组滤波器系数，对接收到的频域信号进行滤波处理，从而对频偏进行补偿，抑制子载波间干扰，提高接收机的解调性能。

附图说明

图1为本发明的频偏补偿算法的流程示意图；

图2为在一种测试场景中进行频偏补偿测试的仿真图；

图3为在另一种测试场景中进行频偏补偿测试的仿真图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本发明能够使通讯系统接收机在信号频偏两端时正确地补偿频偏，抑制子干扰间干扰，提高接收机在频偏阻塞时的性能。同时频偏范围广泛，不但在频偏程度小的时候可以准确补偿，在信号频偏较大时候，也可以准确地补偿频偏，抑制子载波间干扰，提高接收机在频偏较大时候的性能。

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是基于正交频分复用OFDMA通信系统的数据符号进行频偏补偿的方法，在此之前需要配合其他系统完成频偏的估计。

图1为本发明的频偏补偿算法的流程示意图。本发明提出的频偏补偿的方法包括如下步骤：

步骤1、在频域对数据进行采样，获取包含频偏的频域数据；

步骤2、获取频域数据中的所述频偏值；

可以采用本领域常见的或者本领域技术人员已掌握的方式来获取频域数据中的频偏值，例如，计算不同符号的子载波的相位差，然后计算所有子载波的相位平均值，再根据符号距离划分，对接收天线上的相位做平均，求得频偏值，由于如何获取频域数据中的频偏值不是本发明的重点，因此在本发明的技术方案中不做详细介绍。

步骤3、获取所述频偏值以及子载波间隔，将所述频偏值与所述子载波间隔进行比值运算和归一化处理以获得归一化后的频偏值，并将所述频偏值与预设阈值进行比较，当归一化后的所述频偏值小于所述预设阈值时，读取所述存储器中保存的与所述频偏值对应的逆矩阵系数，当归一化后的所述频偏值大于所述预设阈值时，读取所述存储器中保存的与所述频偏值对应的滤波器参数；

步骤4、使用所述逆矩阵系数或者所述滤波器参数对所述包含频偏的频域数据进行处理，以得到频偏矫正后的数据，频率补偿完成。

在步骤1之前，还包括在存储器中存储数据的步骤，具体包括：

步骤101、通过离线计算获得滤波器参数和逆矩阵系数；

步骤102、将计算得到的所述滤波器参数和、所述逆矩阵系数与归一化频偏值、预设阈值相关联的数据保存在存储器中。进一步的，通过离线计算获得逆矩阵系数，具体包括：

步骤201、根据频偏值、子载波间隔以及子载波数量的不同来构造如下分量转移矩阵H：

其中，N为子载波数目，i为正整数，并且有0<i<N，h₀表示当前子载波x_i在有频偏情况下对y_i的比例，h₁表示子载波x_i对右侧一个y_i+1的贡献比例，依次类推获得整个分量转移矩阵H，通过将频偏值和子载波间隔进行比值运算，获得归一化频偏值，不同的所述归一化频偏值所对应的分量转移矩阵H的各个分量的均不相同；

当子载波数目N小于或等于预设阈值M时，执行步骤202；

当子载波数目N大于所述预设阈值M时，执行步骤203；

步骤202、对所述分量转移矩阵H进行求逆运算，获得所述逆矩阵系数；

步骤203、根据所述分量转移矩阵H提供的参数，作为Farrow滤波器的参数，构造频偏补偿所需的滤波器。

随着所述归一化频偏值的不同对所述Farrow滤波器配置不同的所述滤波器参数，Farrow滤波器的所述滤波器参数由所述分量转移矩阵H决定；

所述Farrow滤波器的传递函数为：

其中p为所述归一化频偏值，采用N个子载波的归一化频偏值为p的多项式近似滤波器系数，h_n(p)为当归一化频偏值为p时，所述分量转移矩阵H中的各个子项。

进一步的，使用所述逆矩阵系数或者所述滤波器参数对所述包含频偏的频域数据进行处理，具体包括：

将所述逆矩阵系数与所述包含频偏的频域数据进行相乘，以获得经过频偏补偿后的频域数据。

在接收到信号并进行频域处理，而后结合所测得的频偏进行频偏补偿。为了加快信号频偏补偿的速度，本设计可以做到离线计算，所有的滤波器系数都已经提前计算好，根据不同的输入获得对应的滤波器系数，由于主瓣在不同频率上的分量大小的这一比值是固定不变的，因此与接收信号的信号强度无关。

考虑发送信号在频域上主瓣在不同频率上的分量大小比值是确定不变的，而且这一比值与信号强度无关。故而，依据这一比值，则可以选择更高阶数的滤波器系数进行计算；当对性能要求低，则可以采用比较少阶数的滤波器系数(例如12*12矩阵)进行补偿恢复。

本发明的频偏补偿中，在频域上，具有N个子载波分量，以及可以表示为列向量X的在频域上没有频偏的频域数据，这是一个向量，也是我们期待获得的数据，由于频偏采样得到的N个子载波分量之和为列向量Y，在频偏为f的情况下，频偏f是动态可变的值，通过在存储器中查询以获取事先已经离线计算好的分量转移矩阵H，故而有以下成立，

HX＝Y

H^-1HX＝H^-1Y

X＝H^-1Y

在上述公式中，H为N行N列的方阵，其逆矩阵H-1也为N行H列的方阵。

本发明的特点在于可以快速进行数字信号处理，进行频偏的补偿。本发明通过采用离线计算分量转移矩阵H，H根据频偏、子载波间隔以及子载波数量的不同而进行构造，参与计算的子载波数量越多，则获得的频偏补偿性能越好。分量转移矩阵H就是滤波器参数的前身，构造出H后进行求逆，就获得了逆矩阵系数，这个矩阵H是依次计算各个子载波主瓣对于其他子载波上不同频偏的点的影响比例，这一N*N的方阵就是矩阵H，并在离线状态时候就提前计算其对应的逆矩阵，在进行频偏补偿的时候只需要进行一次矩阵乘法运算，实现速度快。同时在本发明中，对于不同频偏采用不同的转移矩阵H，这增加了频偏补偿的准确度。因为频偏可以设置较大范围的数值，颗粒度也可以进行相当程度的细分，准确度得到提升的同时，此算法对于不同的频偏范围都有非常大的性能提升。

本设计还可以更改子载波间隔，通过变更子载波间隔，可以提高算法的普适性，能够用于包括OFDMA上行链路频偏补偿在内的多种情景之下。

本设计的关键在于构造分量转移矩阵H，矩阵H值的各个位置的数值可以由以下方法计算得到。由于子载波的波形具有稳定性，不论幅值是多少，比例保持一定，采偏后的第一个值，有较大比例的未采偏数值贡献，以及递减的其他子载波按照固定比例进行贡献，相关的比例与不同子载波之间的总间隔和频偏量相关。当计算出分量转移矩阵H的第一行和最后一行后，根据该矩阵的循环特性，以及主对角线上的值都是相同的，可以获得整个矩阵的其他位置的值，从而获得整个矩阵。

本发明的精度可以在线下程序中预设完成，计算完成后上传至OFDMA上行链路的接收端，以便进行更新。本发明的优点是根据本发明计算简单、运算快速、精度出众，动态范围宽广。

1.在频域、而非时域，消除频率偏移造成的子载波之间的干扰。

2.通过离线计算获得补偿矩阵，依据频偏估计的频偏数值和子载波数目可以快速灵活地进行频偏补偿的信号恢复算法。

HX＝Y

H^-1HX＝H^-1Y

X＝H^-1Y

上述列向量X和Y和行数即子载波数目，H方阵维度为N*N，因此N就是参与计算的子载波数目。

3.采用的滤波器的核心：频域上，N个频偏后的数值皆由接收的N个子载波的频域数据共同决定，矩阵共有2N-1个元素，计算矩阵具有循环特性，且对角线元素均相等。

矩阵H是一个拓普利兹矩阵，

其中，N为子载波数目，i为正整数，并且有0<i<N，h₀表示当前子载波x_i在有频偏情况下对y_i的比例，h₁表示子载波x_i对右侧一个y_i+1的贡献比例，依次类推获得整个拓普利兹矩阵H。H矩阵在本系统中是构成滤波器系数的重要组成元素。

4.用于频偏补偿的矩阵为N*N阶矩阵，N为采样子载波数目。

根据本发明的技术方案进行了如下频偏补偿测试，频偏补偿测试的仿真图如图2、图3所示。

在第一种测试场景中，子载波间隔未30kHz，11个子载波幅度值未随机数，当采样频偏确定为已知后进行频偏恢复。

参数列表如下：

补偿前后的偏差均方数值：

cov_bias＝3.1908e-15

cov_bias_pre＝0.2868

由上述数据可以看到，在补偿前后，有相当明显的数量级的提升。在第二种测试场景中，相关参数列表如下：

参数名称	数值(单位)
		测试频段	-180-180kHz
计算精度	1Hz
		子载波间隔	30kHz
最大可补偿频偏	10kHz
		频偏精度	50Hz
发送信号幅度	随机数
		测试频偏	500Hz
子载波数目	43

同样计算频偏补偿前和频偏补偿后的数据：

cov_bias＝2.4848e-15

cov_bias_pre＝0.1493

可以知道：在频偏补偿前误差的均方值比补偿后有相当明显的数量级的提升。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种OFDMA上行链路的频偏补偿算法，其特征在于，该算法包括如下步骤：

步骤1、在频域对数据进行采样，获取包含频偏值的频域数据；

步骤2、获取频域数据中的所述频偏值；

步骤3、获取子载波间隔以及所述频偏值，将所述频偏值与所述子载波间隔进行归一化处理以获得归一化后的频偏值，并将所述频偏值与预设阈值进行比较，当归一化后的所述频偏值小于所述预设阈值时，读取存储器中保存的与所述频偏值对应的逆矩阵系数，当归一化后的所述频偏值大于所述预设阈值时，读取存储器中保存的与所述频偏值对应的滤波器参数；

步骤4、使用所述逆矩阵系数或者所述滤波器参数对所述包含频偏的频域数据进行处理，以得到频偏矫正后的数据，频率补偿完成。

2.根据权利要求1所述的频偏补偿算法，其特征在于，在步骤1之前，还包括在存储器中存储数据的步骤，具体包括：

步骤101、通过离线计算获得滤波器参数和逆矩阵系数；

步骤102、将计算得到的所述滤波器参数、所述逆矩阵系数与归一化频偏值、预设阈值相关联的数据保存在存储器中。

3.根据权利要求2所述的频偏补偿算法，其特征在于，通过离线计算获得逆矩阵系数，具体包括：

步骤201、根据频偏值、子载波间隔以及子载波数量的不同来构造如下分量转移矩阵H：

其中，N为子载波数目，

表示当前子载波

在有频偏情况下对

的比例，i为正整数，并且有0<i<N，

表示子载波

对右侧一个

的贡献比例，依次类推获得整个分量转移矩阵H，通过将频偏值和子载波间隔进行比值运算，获得归一化频偏值，不同的所述归一化频偏值所对应的分量转移矩阵H的各个分量的均不相同；

当子载波数目N小于或等于预设阈值M时，执行步骤202；

当子载波数目N大于所述预设阈值M时，执行步骤203；

步骤202、对所述分量转移矩阵H进行求逆运算，获得所述逆矩阵系数；

步骤203、根据所述分量转移矩阵H提供的参数，作为Farrow滤波器的滤波器参数，构造频偏补偿所需的滤波器。

4.根据权利要求3所述的频偏补偿算法，其特征在于，根据所述分量转移矩阵H提供的参数，作为Farrow滤波器的滤波器参数，具体包括：

随着所述归一化频偏值的不同对所述Farrow滤波器配置不同的所述滤波器参数，Farrow滤波器的所述滤波器参数由所述分量转移矩阵H决定；

所述Farrow滤波器的传递函数为：

其中p为所述归一化频偏值，采用N个子载波的归一化频偏值为p的多项式近似滤波器系数，

为当归一化频偏值为p时，所述分量转移矩阵H中的各个子项。

5.根据权利要求1所述的频偏补偿算法，其特征在于，使用所述逆矩阵系数或者所述滤波器参数对所述包含频偏的频域数据进行处理，具体包括：

将所述逆矩阵系数与所述包含频偏的频域数据进行相乘，以获得经过频偏补偿后的频域数据。

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