CN114124629B - 一种5g-nr高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种5G‑NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，所述方法首先利用终端用户下行SSB搜索过程，捕获初始频偏，然后下行业务信道接收时补偿捕获的初始频偏，并利用TRS进行频偏跟踪，频偏跟踪结果和初始频偏捕获结果作为最终的频偏估计结果。本发明所述方法能够实现支持较大的终端移动速度、准确估计较大的多普勒频偏、快速跟踪多普勒频偏的变化。

Description

一种5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法

技术领域

本发明涉及5G-NR(5Generation New Radio)无线通信技术领域，具体涉及一种5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法。

背景技术

无线通信系统的基站和终端设备两者之间因较大的相对移动速度，而产生较大的多普勒频偏，多普勒频偏使接收信号的频率发生频移，使无线接收机的解调性能下降。

5G-NR标准使用OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplex Access)无线接入技术，多普勒频偏带来子载波之间的干扰，理论分析OFDM系统常用的基于RS(reference signal)的频偏估计方法估计的频偏估计范围在[-0.4672 0.4672]Δf之间(Δf为5G-NR系统的子载波间隔)；且用于估计频偏的两个OFDM符号相距越近可估的频偏范围越大，精度越差；用于估计频偏的两个OFDM符号相距越远，可估的频偏范围越小，精度越好，当多普勒频偏在[-0.4672 0.4672]Δf范围之外时，可以基于OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplex)系统的PSS(Primary synchronization signal)信号，在时域进行频偏估计，这种频偏估计方法估计的频偏范围大，但是估计的准确度不高，并无法快速跟踪多普勒频偏的变化。

基于现有技术存在的如上述技术问题，本发明提供一种5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提出了一种5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，首先利用终端用户下行SSB搜索过程，捕获初始频偏，然后下行业务信道接收时补偿捕获的初始频偏，并利用TRS进行频偏跟踪，频偏跟踪结果和初始频偏捕获结果作为最终的频偏估计结果。

本发明采用以下技术方案：

一种5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，包括：

步骤1，在一个频点利用5G-NR的SSB信号，开始下行同步过程；

步骤2，终端设备判断所述一个频点的同步次数是否达到最大同步次数N_sync；

步骤3，当所述一个频点的同步次数大于N_sync，判断有效同步次数是否为零，有效同步次数不为零，则进入步骤14，有效同步次数为零，结束此频点的搜索，从步骤1开始搜索下一个频点；

步骤4，当所述一个频点的同步次数小于等于N_sync，接收新的下行数据，使用PSS信号检测下行同步点，下行同步次数加1，并判断是否探测到SSB；

步骤5，未探测到SSB，则返回至步骤2；

步骤6，探测到SSB，利用同步到的PSS信号进行下行初始频偏估计，并把频偏估计结果补偿到下行接收信号；

步骤7，利用PSS进行下行初始频偏估计的方法计算多普勒频偏估计结果ε；

步骤8，解调PBCH，以获得系统消息用来验证是否获得了时间和频率的同步；

步骤9，解调PBCH失败，返回步骤2，解调PBCH的成功，有效初始频偏估计值进行累加，有效同步次数加1；

步骤10，判断有效同步次数是否达到最大初始频偏估计次数；

步骤11，有效同步次数没有达到最大初始频偏估计次数，返回步骤2；

步骤12，有效同步次数达到最大初始频偏估计次数，进入步骤13；

步骤13，终端设备捕获到初始频偏估计ε_init，获得下行同步点；

步骤14，频偏跟踪开始的第一个TTI的下行业务信道接收信号，终端设备使用初始频偏估计值ε_init进行频偏补偿；

步骤15，终端设备根据接收信号的TRS，进行多普勒频偏的估计，得到估计值

步骤16，终端设备进行频偏跟踪α滤波，获得当前TTI跟踪到的频偏结果ε_track，ε_track的获得方法是：ε_track＝α·ε_current+(1-α)·ε_pre，其中

ε_pre的初始值为频偏初始捕获结果ε_init，当前TTI跟踪到的多普勒频偏ε_track，作为频偏估计结果，补偿到下个TTI的信号接收中，并作为下一个TTI的频偏估计历史值ε_pre＝ε_track。

进一步地，步骤7中，多普勒频偏估计结果ε如下式(1)：

其中，s^*[n]表示本地的PSS时域共轭数据，r[n]表示接收数据，N为FFT点数，ε为归一化频偏，ε∈[-1,1]，arg{x}表示对x求复角。

进一步地，步骤9中，本次记录的频偏估计值ε，为有效频偏估计值，累加到初始频偏估计结果里，如下式(2)：

ε_acc＝ε_acc+ε……(2)，

并且累加次数加1，如下式(3)：

n_acc＝n_acc+1……(3)，

其中，ε_acc和n_acc在步骤1中初始化为0，ε_acc表示频偏捕获过程中频偏估计结果的累加值，n_acc表示频偏捕获过程中频偏估计的估计次数。

进一步地，步骤13中，获得初始频偏捕获值，如下式(4)：

ε_init＝ε_acc/n_acc……(4)。

进一步地，步骤15中，利用最小二乘(LS)信道估计以得到TRS所在子载波处的信道传输函数H_l[k]和

H_l[k]位于OFDM符号l，

位于OFDM符号l+l₀,两个OFDM符号相聚l₀，l₀的大小能够配置，一个OFDM符号上TRS的个数为M，M值能够配置，利用TRS估计到的频偏值，如下式(5)：

其中，N为OFDM系统的N个子载波，N_OFDM＝N+N_CP，N_CP为循环前缀的长度。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

本发明所述的5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，利用终端设备下行SSB搜索过程，捕获初始频偏，然后下行业务信道接收时补偿捕获的初始频偏，并利用TRS进行频偏跟踪，频偏跟踪结果和初始频偏捕获结果作为最终的频偏估计结果，能够实现支持较大的终端移动速度、准确估计较大的多普勒频偏、快速跟踪多普勒频偏的变化。

附图说明

图1为本发明实施例中5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获过程的流程示意图；

图2为本发明实施例中5G-NR高速场景下多普勒频偏跟踪过程的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

所述5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法包括初始频偏捕获流程和频偏跟踪流程两部分：

如图1所示，初始频偏捕获流程包括：

步骤1，在一个频点利用5G-NR的SSB信号，开始下行同步过程；

步骤2，终端设备判断所述一个频点的同步次数是否达到最大同步次数N_sync；

步骤3，如所述一个频点的同步次数大于N_sync，判断有效同步次数是否为零，如有效同步次数不为零，进入步骤14，如有效同步次数为零，结束此频点的搜索，从步骤1开始搜索下一个频点；

步骤4，如所述一个频点的同步次数小于等于N_sync，接收新的下行数据，使用PSS信号检测下行同步点，下行同步次数加1，并判断是否探测到SSB；

步骤5，如没有探测到SSB，返回至步骤2；

步骤6，如探测到SSB，利用同步到的PSS信号进行下行初始频偏估计，并把频偏估计结果补偿到下行接收信号；

步骤7，利用PSS进行下行初始频偏估计的方法计算多普勒频偏估计结果ε：

其中，s^*[n]表示本地的PSS时域共轭数据，r[n]表示接收数据，N为FFT点数，ε为归一化频偏，ε∈[-1,1]，arg{x}表示对x求复角，并对接受数据r[n]进行频偏补偿，补偿后的接受数据r[n]表示为：

r′[n]＝r[n]×e^j2πnε；

步骤8，进行PBCH的解调；

步骤9，如解调失败，返回步骤2，如解调成功，有效初始频偏估计值进行累加，有效同步次数加1，为有效频偏估计值，累加到初始频偏估计结果里：

ε_acc＝ε_acc+ε，

并且累加次数加1：

n_acc＝n_acc+1，

其中ε_acc和n_acc在步骤1中初始化为0；

步骤10，判断有效同步次数是否达到最大初始频偏估计次数；

步骤11，如有效同步次数没有达到最大初始频偏估计次数，返回步骤2；

步骤12，如果有效同步次数达到最大初始频偏估计次数，进入步骤13；

步骤13，终端设备捕获到初始频偏估计ε_init，下行到下行同步点，获得初始频偏捕获值为：

ε_init＝ε_acc/n_acc；

步骤14，终端设备小区搜索流程结束。

其中，步骤1中，SSB表示PSS、SSS and PBCH Block，主同步信号、辅同步信号和物理层广播信道块；

步骤4中，PSS表示Primary synchronization signal，主同步信号。

如图2所示，在小区所搜过程中，捕获到初始频偏，获得下行同步点后，开始5G-NR业务信道的解调，开始频偏跟踪流程，频偏跟踪流程包括：

步骤S1，当前TTI下行接收数据的频偏补偿，首次下行业务信道接收信号使用初始频偏估计值ε_init进行频偏补偿，其它情况使用上一个TTI的频偏跟踪结果进行下行接收数据的频偏补偿；

步骤S2，根据接收信号的TRS，进行多普勒频偏的估计，利用最小二乘(LS)信道估计以得到TRS所在子载波处的信道传输函数H_l[k]和

H_l[k]位于OFDM符号l，

位于OFDM符号l+l₀，两个OFDM符号相聚l₀，l₀的大小能够配置，一个OFDM符号上TRS的个数为M，M值能够配置，利用TRS估计到的频偏值为：

其中，N为OFDM系统的N个子载波，N_OFDM＝N+N_CP，N_CP为循环前缀的长度；

步骤S3，进行频偏跟踪α滤波，得到当前TTI跟踪到的频偏结果ε_track，ε_track的获得方法是：ε_track＝α·ε_current+(1-α)·ε_pre，其中

ε_pre的初始值为频偏初始捕获结果ε_init，当前TTI跟踪到的多普勒频偏ε_track，作为频偏估计结果，补偿到下个TTI的信号接收中，并作为下一个TTI的频偏估计历史值ε_pre＝ε_track。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (5)

1.一种5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，其特征在于，包括：

步骤1，在一个频点利用5G-NR的SSB信号，开始下行同步过程；

步骤2，终端设备判断所述一个频点的同步次数是否达到最大同步次数N_sync；

步骤3，当所述一个频点的同步次数大于N_sync，判断有效同步次数是否为零，有效同步次数不为零，则进入步骤14，有效同步次数为零，结束此频点的搜索，从步骤1开始搜索下一个频点；

步骤4，当所述一个频点的同步次数小于等于N_sync，接收新的下行数据，使用PSS信号检测下行同步点，下行同步次数加1，并判断是否探测到SSB；

步骤5，未探测到SSB，则返回至步骤2；

步骤6，探测到SSB，利用同步到的PSS信号进行下行初始频偏估计，并把频偏估计结果补偿到下行接收信号；

步骤7，利用PSS进行下行初始频偏估计的方法计算多普勒频偏估计结果ε；

步骤8，解调PBCH，以获得系统消息用来验证是否获得了时间和频率的同步；

步骤9，解调PBCH失败，返回步骤2，解调PBCH成功，有效初始频偏估计值进行累加，有效同步次数加1；

步骤10，判断有效同步次数是否达到最大初始频偏估计次数；

步骤11，有效同步次数没有达到最大初始频偏估计次数，返回步骤2；

步骤12，有效同步次数达到最大初始频偏估计次数，进入步骤13；

步骤13，终端设备捕获到初始频偏估计ε_init，捕获到下行同步点；

步骤14，频偏跟踪开始的第一个TTI的下行业务信道接收信号，终端设备使用初始频偏估计值ε_init进行频偏补偿；

步骤15，终端设备根据接收信号的TRS，进行多普勒频偏的估计；

步骤16，终端设备进行频偏跟踪α滤波，获得当前TTI跟踪到的频偏结果ε_track，ε_track的获得方法是：ε_track＝α·ε_current+(1-α)·ε_pre，其中

ε_pre的初始值为频偏初始捕获结果ε_init，

是利用TRS估计到的频偏值，当前TTI跟踪到的多普勒频偏ε_track，作为频偏估计结果，补偿到下个TTI的信号接收中，并作为下一个TTI的频偏估计历史值ε_pre＝ε_track。

2.根据权利要求1所述的5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，其特征在于，步骤7中，多普勒频偏估计结果ε如下式(1)：

其中，s^*[n]表示本地的PSS时域共轭数据，r[n]表示接收数据，N为FFT点数，ε为归一化频偏，ε∈[-1,1]，arg{x}表示对x求复角。

3.根据权利要求1所述的5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，其特征在于，步骤9中，本次记录的频偏估计值ε，为有效频偏估计值，累加到初始频偏估计结果里，如下式(2)：

ε_acc＝ε_acc+ε……(2)，

并且累加次数加1，如下式(3)：

n_acc＝n_acc+1……(3)，

其中ε_acc和n_acc在步骤1中初始化为0，ε_acc表示频偏捕获过程中频偏估计结果的累加值，n_acc表示频偏捕获过程中频偏估计的估计次数。

4.根据权利要求3所述的5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，其特征在于，步骤13中，获得初始频偏捕获值，如下式(4)：

ε_init＝ε_acc/n_acc……(4)。

5.根据权利要求1所述的5G-NR高速场景下多普勒频偏捕获和跟踪方法，其特征在于，步骤15中，利用最小二乘(LS)信道估计以得到TRS所在子载波处的信道传输函数H_l[k]和

H_l[k]位于OFDM符号l，

位于OFDM符号l+l₀,两个OFDM符号相聚l₀，l₀的大小能够配置，一个OFDM符号上TRS的个数为M，M值能够配置，利用TRS估计到的频偏值，如下式(5)：

其中，N为OFDM系统的N个子载波，N_OFDM＝N+N_CP，N_CP为循环前缀的长度。

Images