WO2011147205A1

WO2011147205A1 - 正交频分复用系统频偏补偿和均衡的方法和装置

Info

Publication number: WO2011147205A1
Application number: PCT/CN2011/070713
Authority: WO
Inventors: 萧少宁
Original assignee: 中兴通讯股份有限公司
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2011-12-01
Also published as: CN102263719A; EP2515459A1; US8897121B2; CN102263719B; US20120300610A1; EP2515459A4

Description

正交频分复用系统频偏补偿和均衡的方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信系统，具体涉及一种正交频分复用（ OFDM )通讯系统的频偏补偿和均衡的方法和装置。

背景技术

通讯系统的发射机和接收机的晶振没有对准时，接收信号会受到频偏的影响。当无线通讯系统中的移动终端快速移动时，多普勒效应也会造成频偏。当频偏较大时，会降低接收机性能。为消除频偏的影响需要在接收机中进行频偏补偿。

目前在 OFDM通讯系统中频偏补偿的一种典型的方法是在信道估计完成后，补偿各个不同单载波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。这种方法在频偏较大时，例如高速列车场景下，不能抑制因为频偏导致的较大子载波间干扰，导致接收性能不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种频偏补偿和均衡方法和装置，抑制频偏较大时子载波间干扰，提高接收性能。

为了解决上述问题，本发明提供了一种正交频分复用系统频偏补偿和均衡的方法，包括：

获取参考符号处的信道估计值/；和频偏值 / ;

根据频偏值 /获取 Toeplitz矩阵 M(/)；

对信道估计值 /2进行相位补偿得到数据符号处的信道估计值/ ；以及根据 M(/)和/ 获取发射符号 X的估计值。

其中， Μ(/)=( ) , ^ak,i 当 ≠射

/|> (：时， a_kt =0 , (：为预先给定的常数， j，当 = /时

sin f l_k、 p ( . Ν-\λ _

>exp| -jn I ex πγ ~ 7— |,白 A:≠/时

N N

Nsin

N k , /为子载波标识，其取值范围为 0至 w - 1 , m为频偏估计使用的子载波个数， γ丄, F为子载波间隔， N为一个正交频分复用（OFDM)符号的

F

快速傅立叶变换（FFT)点数。

优选地，上述方法中， h' = h-exp( 2 fAt), At为数据符号和参考符号之间的有向时间差。优选地，上述方法中，在单用户单天线情况下，根据 M(/)和/ 获取发射信号 Λ·的估计值的步骤包括：

根据

+ = _y，获取发射符号 JC的估计值为：

χ = {σ²βΙ + Α^ΗΑ) ^λ*Α^Ηγ·,

或者 X = (A^HA)~¹ *A^Hy;

或者 χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~¹ *B^H *M(-f)*y,

或者 = [B^HB)~^X *B^H *M (-/) * y；

其中，为对角矩阵，其对角元素为信道估计值 A'， _，为接收到的数据符号， w为噪声，

表示矩阵的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵； Β = άύ '、, 表示矩阵 S的共轭转置。

优选地，在单用户多天线情况下，根据 Μ(/)和/ 获取发射符号 X的估计值的步骤包括：

M{f)diag(h;

M f)diag\h₂

根据 x + W = 取发射符号 X的估计值为: y_N

M{f)diag(h_N χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ) *A^Hy, 或者 x = A Aj * A y；或者 χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ *B^H *M(- 或者 = (B^HB)~ *B^H *M(-f

其中，为第根天线上

的接收到的数据符号， h;是第 i根天线上的接收到的数据符号对应的信道估计值， diag(h; )为对角矩阵，其对角元素为信道估计值 h; , \ <i<N, N为天线数，为噪声， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵 S的共轭转置。优选地，在多用户多天线情况下，根据所述 M(/)和/ 获取发射信号 X的估计值的步骤包括：

+η_λ 根据

y_N

+ 获取所述发射符号 X的估计值为：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ)~¹ *A^Hy,

或者 X = (A^HA)~¹ *A^Hy,

或者 Λ Λ：. χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~¹ *B^H *M(-f)*y

或者 = Β^ΗΒ *B^h *M (-/) * y；

其中， = A

'Ν,ΐ) M(f_M)diag(h_NM) diag(h ) diag(] ₂) diag i_XM)

M(f₂) diag(h₂ , ) diag(h₂₂ ) di g i_2M)

M(f) = B =

M(f_M) diag(h_Nl) diag(h_N2) ■■■ diag(h_NM) y,为第 i根天线上接收到的数据符号，】是第 i根天线上接收到的数据符号对应的信道估计值， ifcg^.)为对角矩阵，其对角元素为信道估计值 .，为噪声，为用户数， N为天线数， A/<N, Κί<Ν, σ²为噪声功率语密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵 S的共轭转置。本发明还提供了一种正交频分复用系统频偏补偿和均衡的装置，包括：信道估计单元，其设置为获取参考符号处的信道估计值/；和频偏值 /; 频偏获取单元，其设置为根据所述频偏值 /获取 Toeplitz矩阵 M(/)；信道补偿单元，其设置为对信道估计值 /2进行相位补偿得到各数据符号上对应的信道估计值 / ;

均衡估计单元，其设置为根据 M(/)和/ 获取发射信号 X的估计值。

其中， Μ(/)=( ) , 当 ≠射

或者，

k , /为子载波标识，其取值范围为 0至 m- 1, m为频偏估计使用的子载波个数， γ丄, F为子载波间隔， N为一个 OFDM符号的 FFT点数。

F

优选地，上述装置中， h' = h,( 2 fAt"), At为数据符号和参考符号之间的有向时间差。优选地，上述装置中，均衡估计单元还设置为在单用户单天线情况下，

y获取发射符号 χ的估计值为：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ)~¹ *A^Hy,

或者 X = (A^HA)~¹ *A^Hy

或者 χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~¹ *B^H *M(-f)*y,

或者 = [B^HB)~^X *B^h *M (-/) * y；

其中，所述为对角矩阵，其对角元素为信道估计值/ , 所述；为接收到的数据符号，《为噪声，所述 =Μ(/μ^(/ ;), 表示矩阵的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵； B = dia_g(i') , 表示矩阵 S的共轭转置。

优选地，上述装置中，均衡估计单元还设置为在单用户多天线情况下, M(f)diag(h;

M(f)di g t₂

根据 x + W = 获取发射符号 X的估计值为： y_N

M{f)diag(h_N χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ) *A^Hy, 或者 χ = (Α^ΗΑ)~ * A^Hy;

或者 X = (σ²βΙ + Β^ΗΒγ *Β^Η *M{-f)*y, 或者 χ = {Β^ΗΒ)~^λ *Β ^Η*Μ(- - )* '；

其中，为第根天线上

的接收到的数据符号， h;是第 i根天线上的接收到的数据符号对应的信道估计值， diag(h; )为对角矩阵，其对角元素为信道估计值 h; , \ <i<N, N为天线数，为噪声， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵 S的共轭转置。

优选地，上述装置中，均衡估计单元还设置为在多用户多天线情况下， η_λ y₂ +w₂ 根据

y_N

+ 获取发射符号 X的估计值为：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ)~¹ *A^Hy,

或者 X = (A^HA)~¹ *A^Hy,

或者 χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ *B^H *M(-f)*y, 或者 Χ = (Β^ΗΒ ~ *Β^Η *M{-f)*y

其中， = A

Λ Λ：. 'Ν,ΐ) ■Ν,Ι ) M(f_M)diag(h_NM) diag(h ) diag(] ₂) di g(^_M)

M(f₂) diag(h₂ , ) diag(h₂₂ ) di g(h₂'_M)

M(f) = Β =

M(f_M) diag(h_Nl) diag(h_N2) ■■■ diag(h_NM) y,为第 i根天线上接收到的数据符号，】是第 i根天线上接收到的数据符号对应的信道估计值， ifcg^.)为对角矩阵，其对角元素为信道估计值 .，为噪声，为用户数， N为天线数， A/<N, Κί<Ν, σ²为噪声功率语密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵 S的共轭转置。

本发明可以使通讯系统接收机在信号频偏较大时较为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的性能。

附图概述

图 1是本发明频偏补偿和均衡方法流程图;

图 2是本发明频偏补偿和均衡装置框图。

本发明的较佳实施方式

本发明是一种适用于正交频分复用通讯系统的数据符号的频偏补偿和均衡的方法，本发明将频偏补偿、均衡和多天线合并联合起来完成。

以 3GPP LTE上行接收机为例对本发明作详细叙述如下。

3GPP LTE上行空口信号经过 OFDM解调之后可以如下表示： Y(k) = (k) + W(k) ( 1 )

A为分配给某个移动终端的子载波的标识，为第 A个子载波上的发射信号 , γη为第 k个子载波上的接收信号， H 为第个子载波上信道估计值。为归一化是频偏值，比如， F=15000 赫兹时 ,

Ν为一个 OFDM符号的快速傅立叶变换 (FFT)点数,

15000

在 LTE系统中，即一个符号的釆样点数，系统带宽为 20M时， N为 2048,

为其它子载波对第 A个子载波间的干扰，为噪声项，其中： m-\ sin [πγ) ( . N-l) f . l-k

： ∑ H(l exp I ]τνγ exp ―] π- (2) l=0,l≠k Ν Ν

Nsin

Ν 其中， w为频偏估计使用的子载波个数。

式（ 1 )可以用矩阵形式表示为

y=M(f)diag(X)h + n (3 ) 在参考信号所在符号处

+ «, Ρ为移动终端发射的参考信号，矩阵为对角矩阵，其对角元素为参考信号。 Μ(/)为 Toeplitz矩阵， (/；) = ( )的各

ak,i =

为简化计算，考虑到子载波间干扰主要来自邻近的子载波，可以按如下方式取值：如果 μ- /|>C,则 =0,其中常数 (：的三种典型取值分别为 1、 2、 3, 其他情况下取值同式（4) 。本发明提供的频偏补偿和均衡方法包括：

步骤 110, 获取参考符号处的信道估计值/ 2和频偏值 /;

步骤 U0,根据频偏值 /获取 Toeplitz矩阵 M(/)； M(f)的定义参见式（ 4 ) 及其简化取值方式；

步骤 130,对信道估计值进行相位补偿得到各数据符号处的信道估计值即根据公式 / = /^_Χρ( ·2;τ/Δ 得到各个数据符号处的信道估计值 / , At为数据符号和参考符号之间的有向时间差，数据符号在参考符号之前时 M小于 0, 数据符号在参考符号之后时 At大于 0。

步骤 140, 根据 M(/)和/ 获取发射信号 X的估计值；

获取的估计值的方法包括：

1 )单用户单天线情况下，

对应数据符号，有：

M{f)diag{h')x + n = y (5 ) 其中，；为接收到的数据符号，《为噪声。

令 = M ( f)diag(h') , 得到 JC的估计值：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ) ^λ*Α^Ηγ (6) 或者 = ( )— ^ ( 7 ) 其中，表示矩阵的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数。 /为恒等矩阵。在 QPSK调制时， β = \。

进一步地，可以基于 Μ(/)— Μ(-/)进行简化，得到 X的估计值：

χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~¹ *B^H *M(-f)*y (8) 或者 = {Β^Ηβγ *B^h *M (-/) * y (9) 其中， B = dia_g、h'、, 表示矩阵 S的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度， β 为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵。 M X¹是 Μ(/;ΐ的逆矩阵。 2)单用户多天线情况下

对应数据符号，有：

M{f)diag(h M{f)diag(h₂

x + W = ( 10) y_N

M{f)diag(h_N 其中， ,.为第根天线上的接收到的数据符号，是第根天线上的接收到的数据符号对应的信道估计， ^为噪声。

M {†)diag{h M{f)diag(h^

以下记 }'₂ = 令 = , 则 X的最小均方误差估计值为:

X = (σ²βΙ + Α^ΗΑ) * A^Hy ( 11 ) 或者，也可以使用迫零估计： = μ^4)— ^^ ( 12) 其中，表示矩阵的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数。 /为恒等矩阵。在 QPSK调制时， β = \。

进一步地，可以基于 Μ —^Λ^-/)进行简化，由此得到

令

diag(h_N 由此得到 X的最小均方误差估计值：

χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~¹ *B^H *M(-f)*y (14) 或者 JC的迫零估计值： χ = {Β^Ηβγ *B^H *M(-f)*y (15) 3) 多用户多天线情况下

对应数据符号，有如下系统方程：

=M(f₁)diag(^)x₁ +M(/₂)i¾?g(/¾₂)x₂ +〜 + Μ(/_Μ)ί¾^(/ζ;_Μ

y₂

{ _N

其中，为第 1根天线接收到的数据符号，为第 2根天线接收到的数据符号，为第 N根天线接收到的数据符号（N的典型数值为 2、 4、 8) ；

A为第 1个用户发射的数据符号， x₂为第 2个用户发射的数据符号， x_M 为第个用户发射的数据符号；

为第 1个用户的频偏 ,/₂为第 2个用户的频偏 , /_M为第 M个用户的频偏；为第 1根天线接收到的第 1个用户发射的数据符号对应的信道估计， / ^为第 1根天线接收到的第 2个用户发射的数据符号对应的信道估计， lr_NM为第 N根天线接收到的第个用户发射的数据符号对应的信道估计，其中 M<N

«,(1 N)为噪声项。

记：

X的最小均方误差估计值为：

或者，也可以使用迫零估计： = ( ^4)— ^ (18) 其中，表示矩阵的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数。 /为恒等矩阵。在 QPSK调制时， β = \。进一步地，以基于 Μ(/)— ^Λ^-/)进行简化，由此得到

其中 M

diag{} , ) diag(h_{x 2} )

diag(h₂ ) diag(h ₂) diag(h_lM)

令 S = diag(h_Nl) diag(h_N2) ■■■ diag(h_NM) 由此得到 x的最小均方误差估计值：

χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~¹ *B^H *M(-f)*y (20) 或者 x的迫零估计值： J^^^^—^S^^M (21 ) 本发明还提供一种正交频分复用系统频偏补偿和均衡的装置，包括：信道估计单元，用于获取参考符号处的信道估计值 /；和频偏值 /;

频偏获取单元，用于根据所述频偏值 /获取 Toeplitz矩阵 M(/)；信道补偿单元，用于对信道估计值 /2进行相位补偿得到各数据符号上对应的信道估计值/ ;

均衡估计单元，用于根据所述 M(/)和所述 / 获取发射的数据符号 X的估计值；

其中，所述 M(/) = ( 当 A = /时

ak,i =

sin(^ ) l-k\ ( N- exp jTT ~ 当 ≠射

{l-k + \ N N

Nsin

N 或者，

A-/|>C时， a_kl=0, ( 他情况下: 当 A = /时

ak,i =

sin(^ ) ( . l-k\ ( . Ν-Ιλ _

!>exp -jn exp jTT ~ 7— |,3A:≠/0T n{l-k + N N

Nsin

N k , /为子载波标识，其取值范围为 0至 w为频偏估计使用的子载波个数， γ丄, F为子载波间隔， N为一个 OFDM符号的 FFT点数。

F

其中，所述 / = /;· exp ( ·2τ/Δ^, 所述 At为所述数据符号和所述参考符号之间的有向时间差。

其中，所述均衡估计单元在单用户单天线情况下，根据 M(f)diag(h^,)x + n = y, 获取发射的数据符号 x的估计值为：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ)~¹ *A^Hy,

或者 x = {A^HA)~^X*A^Hy,

或者 χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~¹ *B^H *M(-f)*y,

或者 = [B^HB)~^X *B^h *M (-/) * y；

其中，所述为对角矩阵，其对角元素为各数据符号处的信道估计值/ , 所述 <为接收到的数据符号，《为噪声，

表示矩阵 ^的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵； B = diO 表示矩阵 S的共轭转置,

其中，所述均衡估计单元在单用户多天线情况下，

M di g(h; 根据

x + W = y_N

M(f)di g^h_} 获取发射的数据符号 x的估计值为：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ 或者 χ = (Α^ΗΑ)~ *A^Hy 或者 X = (σ²βΙ + Β^ΗΒγ *Β^Η *M{-f)*y, 或者 = {Β^ΗΒ)~^λ *Β

其中，为第根天线接

收到的数据符号， h;是第 i根天线接收到的数据符号对应的信道估计值， ·^(/^为对角矩阵，其对角元素为信道估计值，为噪声， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置， ^表示矩阵 S的共轭转置。

其中，所述均衡估计单元在多用户多天线情况下，根据

=M(f_l)diag( !_ll)x_l + M ( ^diagiJ^ +… + M ( ^diagiJ^ _Μ、χ_Μ +η_λ y₂ +w₂ y_N

+ n_N 获取发射的数据符号 X的估计值为： χ = {σ²βΙ + Α^ΗΑ) ^λ*Α^Ηγ ; 或者或者 χ = (σ²βΙ + Β^ΗΒ)~ *B^H *M{-f)*y 或者 x = [B^HB)~^X *B^h *M (-/) * y；

Mif^diagih' M(f₂)diag(h ₂) ■■■ M(f_M)diag(h_M) M(f,)diag(h₂' ) M(f₂)diag(h₂'₂) ■■■ M(f_M)diag(h₂'_M)

M(f,)diag(h_N1) M(f₂)diag(h_N2) ■■■ M(f_M)diag(h_NM)_

diag(h ) diag(] ₂) … diag(] _M )

diag(h₂ , ) diag(h₂₂) … diag(h_2M )

M(f) = diag(h_Nl) diag(h_N2) ■■■ diag(h_NM)

y,为第 i根天线上接收到的数据符号，】是第 i根天线上接收到的数据符号对应的信道估计值， ifcg^.)为对角矩阵，其对角元素为信道估计值 .，为噪声，为用户数， N为天线数， A/<N, Κί<Ν, σ²为噪声功率语密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵 S的共轭转置。

本发明所述频偏补偿和均衡方法，在进行估计时，引入了矩阵 M(/)，抑制了因为频偏导致的较大子载波间干扰，提高了接收性能。

工业实用性

本发明可以使通讯系统接收机在信号频偏较大时较为准确地补偿频偏, 抑制子载波间干扰，提高接收机在频偏较大时的性能。

Claims

权利要求书

1、一种正交频分复用系统频偏补偿和均衡的方法，包括：

获取参考符号处的信道估计值/；和频偏值 /;

根据所述频偏值 /获取 Toeplitz矩阵 M(/)；

对所述信道估计值进行相位补偿得到数据符号处的信道估计值/ ；以及根据所述 M(/)和/ 获取发射符号 X的估计值。

2、如权利要求 1所述的方法，其中，

所述 M(/)=( 当 A = /时

ak,i =

sin(^ ) l-k N_\

exp ίτνγ- 当 ≠射

N N

Nsin

N 或者，

a_kl = 0 , (：为预先给定的常数，

k, /为子载波标识，其取值范围为 0至 w为频偏估计使用的子载波个数， γ丄, F为子载波间隔， N为一个正交频分复用 OFDM符号的快速

F

傅立叶变换 FFT点数。

3、如权利要求 1所述的方法，其中，所述 / = /;· exp( '2;r/At), At为所述数据符号和所述参考符号之间的有向时间差。

4、如权利要求 1、 2或 3所述的方法，其中，

在单用户单天线情况下，根据所述 M(/)和/ 获取发射符号 X的估计值的步骤包括：

= y , 获取所述发射符号 x的估计值：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ)~¹ *A^Hy,

或者

其中，所述为对角矩阵，其对角元素为所述信道估计值/ , 所述；为接收到的数据符号，《为噪声，所述 =Μ(/μ^(/ ;), 表示矩阵的共轭转置， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵； B = dia_g、h' , 表示矩阵 S的共轭转置。

5、如权利要求 1、 2或 3所述的方法，其中，

在单用户多天线情况下，根据所述 M(/)和/ 获取发射信号 X的估计值的步骤包括:

根据

获取所述发射符号 X的估计值为：

χ = (σ²βΙ + Α^ΗΑ)~ *A^Hy

或者

或者 = [B^HB) *B^H *M\

yi为第根天线上

的接收到的数据符号， h:是第 i根天线接收到的数据符号对应的信道估计值， diag(h; )为对角矩阵，其对角元素为所述信道估计值 h; , \ <i<N, N为天线数，为噪声， σ²为噪声功率谱密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵 S的共轭转置。

6、如权利要求 1、 2或 3所述的方法，其中，

在多用户多天线情况下，根据所述 M(/)和/ 获取发射信号 X的估计值的步骤包括：

+M(/₂)ifcg(/¾ ₂)x₂ +… + +η 根据

[y_N

+〜+M(/_M)i¾ifg(/^_M)x_M + 获取所述发射符号 X的估计值为：

χ = {σ²βΙ + Α^ΗΑ) ^λ*Α^Ηγ; 或者 Χ = (Α^ΗΑ)~' *A^Hy, 或者 x = (σ²βΙ + Β^ΗΒ *Β^Η *M(-f)*y, 或者 Χ = (Β^ΗΒ)~ *Β^Η *Μ{

diag(h ) diag(] ₂) diag i_XM)

diag(h₂ , ) diag(h₂₂ ) di g i_2M)

M(f) Β

M(f_M) diag(h_N ) diag(h_N ) di g(h_NM) y,为第根天线上接收到的数据符号， .是第根天线上接收到的数据符号对应的信道估计值， ifcg^.)为对角矩阵，其对角元素为信道估计值 .，为噪声，为用户数， N为天线数， A/<N, \ <i<N, σ²为噪声功率语密度，为和数字调制相关的一个常数， /为恒等矩阵，表示矩阵的共轭转置，表示矩阵 S的共轭转置。

7、一种正交频分复用系统频偏补偿和均衡的装置，包括：

信道估计单元，其设置为获取参考符号处的信道估计值/；和频偏值 /; 频偏获取单元，其设置为根据所述频偏值 /获取 Toeplitz矩阵 M(/)；信道补偿单元，其设置为对所述信道估计值 /2进行相位补偿得到数据符号处的信道估计值/ ; 以及

均衡估计单元，其设置为根据所述 M(/)和所述 / 获取发射符号 X的估计值。

8、如权利要求 7所述的装置，其中，

所 = ( ；)

当 ≠射