CN117750508A - 5gnr非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，通过对时域信号作调解处理得到原频域DMRS序列；将原频域DMRS序列与存储的本地DMRS序列进行共轭相乘得到LS估计值；并将LS估计值作IFFT变换，根据变换后的LS估计值计算时偏估计值，并利用时偏估计值对所述原频域DMRS序列进行时偏补偿；将补偿后的频域DMRS序列与本地DMRS序列进行匹配滤波操作得到滤波系数向量；对滤波系数向量作峰值判决以及系数换算得到估计的整数倍频偏及小数倍频偏。本发明可以在频域单OFDM符号内就能取得时频偏的估计值，同时可支持的频偏估计范围大，且计算复杂度低，方便硬件实现。
Description
技术领域
本发明属于5GNR非地面网络无线通信技术领域，具体涉及一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法。
背景技术
随着大规模高速通信应用场景的更新，无线移动通信技术发展势头愈加猛烈。现如今，地面移动通信已进入5G时代，5GNR以其低时延、高吞吐率以及超大规模的用户接入能力等优点受到人们的青睐。但是针对一些特殊应用场景中，如航空、航海及航天等，地面5GNR通信的发挥受到了很大限制。为了对其进行补足，3GPP进行了5G NTN(非地面网络)场景的技术探讨，其中低轨卫星通信是目前最主要且最有发展潜力的扩展方式。同时，低轨卫星通信方式也将是未来空天一体化的主战场。
然而5GNR物理层通信采用的通信调制方式均为OFDM(正交频分复用)调制，这种多载波的通信调制方式极易受到频率偏移的干扰。在NTN低轨卫星通信场景中，除了卫星基站与终端之间或多或少会存在的载波频率偏移外，收发链路还会受到较大的多普勒频移干扰。这是由于卫星运行轨道高度较低导致卫星相对于地面有着非常高的移动速度。因此相比于地面移动通信系统，极高的多普勒频移干扰是一个不同点。同时星地链路传输距离远大于地面通信链路，系统会受到较大的链路时延，这会严重影响接收机对星座符号的恢复。综合这两点来看，接收机侧对时间和载波的同步十分重要。
时频同步是对OFDM体制卫星接收机进行信号恢复的关键环节。时间同步是为了确定OFDM解调时FFT采样窗相对于真实信号的位置，而载波同步模块则是为了对通信链路中存在的频率偏移进行估计，包括星地不同步的载波偏移以及超高速相对运动的多普勒频偏。同时对时频偏估计值的回传有助于高层根据信道状态进行发射端链路动态预补偿，而且在承载数据业务的信道更需要这些估计值对受到干扰的星座符号进行补偿恢复，进而直接影响接收机的工作性能。
根据有无额外信息辅助，时间同步大致可以分为基于循环前缀的算法、基于训练序列或导频的算法以及盲同步算法。(1)盲同步方法是对比前后不同OFDM符号的变化实现定时同步。(2)基于循环前缀的算法则是利用OFDM符号首部的CP是从尾部复制的特性，通过相关性来定位，最经典的就是Van de Beek提出的最大似然算法。(3)基于训练序列或导频的算法则是需要特定帧结构去实现，经典的就是S&C算法和改进的Minn算法。
同样的载波同步方法也可以分为无数据辅助类型和有数据辅助类型。(1)无数据辅助类型也就是盲估计，一般是利用OFDM信号本身的信息或信息间的统计特征进行频率同步信息的提取。(2)有数据辅助的类型也其实就是利用额外的导频信息和训练序列进行相关性提取并得到频率偏移。经典的就是导频辅助下的Classen算法。
5GNR物理层协议中特别定义了解调参考信号(DMRS)进行相关时频偏信道参数的估计。无论是在单个DMRS符号块的分布情况下还是在多个间隔位置的DMRS符号块的分布情况下，上述时间同步和载波同步方法方案都需要借助不同时域位置的导频块进行联合估计，对时频偏的追踪能力较差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法包括：
S100，接收时域信号并对所述时域信号作调解处理得到原频域DMRS序列；
S200，将所述原频域DMRS序列与存储的本地DMRS序列进行共轭相乘，得到LS估计值，并将所述LS估计值作IFFT变换得到变换后的LS估计值；
S300，根据所述变换后的LS估计值计算时偏估计值，并利用所述时偏估计值对所述原频域DMRS序列进行时偏补偿得到补偿后的频域DMRS序列；
S400，将所述补偿后的频域DMRS序列与所述本地DMRS序列进行匹配滤波操作得到滤波系数向量；
S500，对所述滤波系数向量作峰值判决以及系数换算得到估计的整数倍频偏及小数倍频偏。
有益效果：
本发明提供了一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，通过对时域信号作调解处理得到原频域DMRS序列；将所述原频域DMRS序列与存储的本地DMRS序列进行共轭相乘，得到LS估计值，并将所述LS估计值作IFFT变换得到变换后的LS估计值；根据所述变换后的LS估计值计算时偏估计值，并利用所述时偏估计值对所述原频域DMRS序列进行时偏补偿得到补偿后的频域DMRS序列；将所述补偿后的频域DMRS序列与所述本地DMRS序列进行匹配滤波操作得到滤波系数向量；对所述滤波系数向量作峰值判决以及系数换算得到估计的整数倍频偏及小数倍频偏。本发明可以在频域单OFDM符号内就能取得时频偏的估计值，同时可支持的频偏估计范围大，且计算复杂度低，方便硬件实现。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法的步骤示意图；
图2是本发明实施例提供的一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的时偏估计时变换域后LS估计结果的模值分布图；
图4是本发明实施例提供的理想频偏函数与匹配滤波估计频偏函数对比图；
图5是本发明实施例提供的匹配滤波估计方法在不同信噪比下误差分布曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
结合图1和图2，本发明提供了一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法包括：
S100，接收时域信号并对所述时域信号作调解处理得到原频域DMRS序列；
在本发明的一个实施例中，S100包括：
S110，接收时域信号，并对所述时域信号进行初始时间同步得到时间同步的时域信号；
S120，在所述时间同步的时域信号上截取循环前缀后的OFDM符号；
S130，对所述OFDM符号作OFDM解调得到频域OFDM符号；
S140，利用时频域参数从所述频域OFDM符号的资源网格中，将DMRS符号块解映射出来得到原频域DMRS序列。
S200，将所述原频域DMRS序列与存储的本地DMRS序列进行共轭相乘，得到LS估计值，并将所述LS估计值作IFFT变换得到变换后的LS估计值；
其中，本地DMRS序列是预先通过时频参数生成的序列。
S200中变换后的LS估计值表示为：
其中，H(k)为需要变换的LS估计值，表示IFFT的负旋转因子，此处进行变换的窗长度应与OFDM解调时采用的FFT长度相等，且提取的DMRS序列长度是必然小于该变换窗长度的。同时为了简便硬件实现，需要将对应接收序列补零至所要求的变换窗长度。HLS(k)为最小二乘估计的结果，LDMRS为频域接收DMRS序列的长度，与接收时频信号的有效载荷带宽有关，N为OFDM解调时FFT的窗长度。
S300，根据所述变换后的LS估计值计算时偏估计值，并利用所述时偏估计值对所述原频域DMRS序列进行时偏补偿得到补偿后的频域DMRS序列；
在本发明一种实施例中，S300包括：
S310，对变换后的LS估计值进行求模值操作，并通过峰值搜索找到模值向量的最大值；所述最大值代表系统在时间上的采样点延迟数量；
S320，将所述最大值作为估计的时偏值；
S330，根据估计的时偏值，对原频域DMRS序列进行时偏补偿得到补偿后的频域DMRS序列，以确保后续进行频偏估计时，序列的相位不再受时偏的影响，所述补偿后的频域DMRS序列表示为：
其中，r(k)为原频域DMRS序列，为估计的时偏值，LGuard为系统频域两侧设置的保护频带子载波个数，k实际上代表的是有效载荷在OFDM解调的FFT窗内所占子载波索引。
S400，将所述补偿后的频域DMRS序列与所述本地DMRS序列进行匹配滤波操作得到滤波系数向量；
S500，对所述滤波系数向量作峰值判决以及系数换算得到估计的整数倍频偏及小数倍频偏。
在本发明一种实施例中，S400包括：
将所述补偿后的频域DMRS序列与所述本地DMRS序列，进行指定窗长的延迟匹配滤波操作得到滤波系数向量；所述指定窗长的延迟匹配滤波操作的表达式为：
其中，Lc为匹配滤波操作单元的窗长，x(n)为本地DMRS序列，y(n)为补偿后的频域DMRS序列，*表示共轭。
在本发明一种实施例中，S500包括：
S510，对所述滤波系数向量取模值后进行峰值搜索，确定峰值位置以及峰值位置左右两侧相邻点的模值；
S520，对峰值位置左右两侧相邻点的模值作峰值判决得到整数倍频偏；
本步骤中若峰值位置左侧点的模值大于右侧点的模值，则估计的的整数倍频偏等于偶数窗长或奇数窗长；所述偶数窗长为峰值减去匹配滤波窗长的一半或减去匹配滤波窗长的一半向上取整后的结果；若右侧点的模值结果大于左侧点的模值，当窗长为偶数时，估计的的整数倍频偏等于峰值减去匹配滤波窗长的一半后再减一，窗长为奇数时等于峰值减去一后再减去匹配滤波窗长的一半向上取整后的结果。
S530，对峰值位置左右两侧相邻点的模值作线性拟合的系数换算得到小数倍频偏。
本步骤中若左侧点的模值大于右侧点的模值，记峰值位置的模值为最大值，左侧的模值记为次大值：若右侧点的模值大于左侧点的模值，则记峰值位置右侧模值为最大值，峰值位置的模值次大值；计算最大值与次大值的差值与和值，并根据差值与和值的比值得到小数倍频偏。所述小数倍频偏表示为：
其中，表示最大值，/>表示次大值。
传统的频偏估计算法一般通过多个导频块之间的相位差获得，但5G NR协议中存在单个导频块的情况，在此场景下，传统的频偏估计很难应用，更多采用多个时隙联合估计的方法进行估计，因此本发明在此场景下存在独特优势，可以同时估计整数频偏和小数频偏，为后续补偿提供了准确参数，因此可以得到提高补偿效果的质量。
下面通过仿真实验对实施例一的5GNR非地面网络中单符号时间和载波同步方法的效果进行说明。
仿真条件：
本实施例的仿真实验在MATLAB 2021b软件下进行，DMRS序列采用5GNR物理层协议规定的Gold伪随机序列，仿真所用信道为加性高斯白噪声信道。
仿真内容与结果分析：
图3中为信噪比6dB下，系统参数为：子载波间隔15kHz、OFDM解调FFT窗长为4096且所受时延为1.6276us时，对频域最小二乘估计结果做4096点IFFT变换后结果模值的分布图，经过判决后得到峰值位置为100，则估计结果与时域所延迟采样点数相等。
图4中线部分为理想情况下频偏的频域响应模值分布，圆点表示本发明提出的匹配滤波方法获得的估计频域响应点的模值，可以看出在信噪比6dB下，估计出频域响应与所加系统频偏的对比误差不超2％。
图5中在与图3相同系统参数配置下，当系统所受频偏为37.5kHz时，在不同信噪比环境下，匹配滤波方法频偏估计值的最小均方误差MSE分布图，可以看出该方法在较低信噪比下仍有较好的性能表现。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，包括：
S100，接收时域信号并对所述时域信号作调解处理得到原频域DMRS序列；
S200，将所述原频域DMRS序列与存储的本地DMRS序列进行共轭相乘，得到LS估计值，并将所述LS估计值作IFFT变换得到变换后的LS估计值；
S300，根据所述变换后的LS估计值计算时偏估计值，并利用所述时偏估计值对所述原频域DMRS序列进行时偏补偿得到补偿后的频域DMRS序列；
S400，将所述补偿后的频域DMRS序列与所述本地DMRS序列进行匹配滤波操作得到滤波系数向量；
S500，对所述滤波系数向量作峰值判决以及系数换算得到估计的整数倍频偏及小数倍频偏。
2.根据权利要求1所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，S100包括：
S110，接收时域信号，并对所述时域信号进行初始时间同步得到时间同步的时域信号；
S120，在所述时间同步的时域信号上截取循环前缀后的OFDM符号；
S130，对所述OFDM符号作OFDM解调得到频域OFDM符号；
S140，利用时频域参数从所述频域OFDM符号的资源网格中，将DMRS符号块解映射出来得到原频域DMRS序列。
3.根据权利要求1所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，S200中变换后的LS估计值表示为：
其中，H(k)为需要变换的LS估计值，表示IFFT的负旋转因子，HLS(k)为最小二乘估计的结果，LDMRS为频域接收DMRS序列的长度，与接收时频信号的有效载荷带宽有关，N为OFDM解调时FFT的窗长度。
4.根据权利要求3所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，S300包括：
S310，对变换后的LS估计值进行求模值操作，并通过峰值搜索找到模值向量的最大值；所述最大值代表系统在时间上的采样点延迟数量；
S320，将所述最大值作为估计的时偏值；
S330，根据估计的时偏值，对原频域DMRS序列进行时偏补偿得到补偿后的频域DMRS序列。
5.根据权利要求4所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，所述补偿后的频域DMRS序列表示为：
其中，r(k)为原频域DMRS序列，为估计的时偏值，LGuard为系统频域两侧设置的保护频带子载波个数，k实际上代表的是有效载荷在OFDM解调的FFT窗内所占子载波索引。
6.根据权利要求5所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，S400包括：
将所述补偿后的频域DMRS序列与所述本地DMRS序列，进行指定窗长的延迟匹配滤波操作得到滤波系数向量；所述指定窗长的延迟匹配滤波操作的表达式为：
其中，Lc为匹配滤波操作单元的窗长，x(n)为本地DMRS序列，y(n)为补偿后的频域DMRS序列，*表示共轭。
7.根据权利要求5所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，S500包括：
S510，对所述滤波系数向量取模值后进行峰值搜索，确定峰值位置以及峰值位置左右两侧相邻点的模值；
S520，对峰值位置左右两侧相邻点的模值作峰值判决得到整数倍频偏；
S530，对峰值位置左右两侧相邻点的模值作线性拟合的系数换算得到小数倍频偏。
8.根据权利要求7所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，S520包括：
若峰值位置左侧点的模值大于右侧点的模值，则估计的的整数倍频偏等于偶数窗长或奇数窗长；所述偶数窗长为峰值减去匹配滤波窗长的一半或减去匹配滤波窗长的一半向上取整后的结果；
若右侧点的模值结果大于左侧点的模值，当窗长为偶数时，估计的的整数倍频偏等于峰值减去匹配滤波窗长的一半后再减一，窗长为奇数时等于峰值减去一后再减去匹配滤波窗长的一半向上取整后的结果。
9.根据权利要求7所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，S530包括：
若左侧点的模值大于右侧点的模值，记峰值位置的模值为最大值，左侧的模值记为次大值：
若右侧点的模值大于左侧点的模值，则记峰值位置右侧模值为最大值，峰值位置的模值次大值；
计算最大值与次大值的差值与和值，并根据差值与和值的比值得到小数倍频偏。
10.根据权利要求9所述的5GNR非地面网络无线通信信号时频偏快速感知与补偿方法，其特征在于，所述小数倍频偏表示为：
其中，表示最大值，/>表示次大值。
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