专利名称：一种联合估计载波频偏的频率同步方法
技术领域：
本发明涉及一种联合估计载波频偏的频率同步方法，属于无线移动通信技术领域。
背景技术：
随着军用和民用无线通信系统的飞速发展，OFDM技术结合多天线技术的物理层构架能够实现高频谱效率、高速宽带无线传输。数据符号传输速率可以高达IOOMbps以上，并随着天线数的增加及无线移动领域关键技术的日益改进，信号的覆盖效果也越来越好。通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加，使得无线通信系统的传输速率大幅提升，目前可以检索到的军用或民用无线通信系统的理论物理层峰值速率可高达几百Mbps。另外，由于近年来波束赋形技术的飞速发展，各种无线系统的信号覆盖范围也明显增加。通过波束赋形，发射天线可将信号主瓣对准目标用户，一方面可提高目标用户在接收端获得的信噪比，从而可增大覆盖范围；另一方面可以减小对其它用户对系统的干扰，提高了系统的网络容量。同步是无线通信系统接收机的一项重要任务，其性能关系到整个通信系统的性能，因此必须尽可能地提高同步的可靠性和精确性。频率同步使接收到的载波频率与发送的载波频率保持一致。在无线数字通信系统中，为了恢复发送信息，必须对解调器的输出进行周期性的采样。当采用同步解调或相干检测时接收机还需要提取一个与发射载波同频同相的载波。由于OFDM符号由多个正交子载波叠加构成，保持正交性是至关重要的，因此频率同步的精度必须很高。2003年电子科技大学学报“一种利用PN序列的OFDM频率同步”阐述了基于PN前导序列进行频率同步，此算法实现简单，但精度不够高。2008年9月应用科技杂志“基于CAZAC序列的OFDM同步算法”，分别阐述了基于具有恒包络自相关特性的前导序列进行频率同步，并且前导序列是重复的训练序列，其优势在于不易受频率偏差注入噪声的影响，但没有结合多天线技术进行数据传输，不适用于多天线MMO系统中。2008年申请号CN101309248A，题为“使用于OFDM通信系统的频率同步方法及装置”的专利，针对OFDM系统给出了一种OFDM通信系统的频率同步方法和频偏同步装置，虽可在数字域上补偿频偏且消除了虚载波和FFT点数不是子载波间隔整数倍对时域周期性的影响，但未结合多天线技术，且估计载波频偏精度不高。2009年浙江大学硕士学位论文“基于802. Iln无线局域网的同步技术研究”中针对无线局域网前导训练符号的结构特点给出了一种改进的频率同步算法，虽与传统频率同步方法相比能够减小频偏估计的均方误差，但是具有同步精度偏低的缺点。2012年申请号CN102546514A，题为“OFDM系统频率同步的方法和设备”的专利，针对OFDM系统提出了利用数字锁相环机制，实现载波频偏和采样频偏的联合估计，降低了实现复杂度且提高了估计精度，但同样不适合于多天线MMO系统中。
发明内容
本发明的目的是进一步提高现有无线通信系统的频率同步精度，在传统频率同步基础上，提出一种基于粗频率同步和精频率同步的联合估计载波频偏的频率同步方法。定义OFDM系统中用于同步的特殊字段包含短训练字段和长训练字段。其中短训练字段包括自相关性强、互相关性弱的伪随机序列及其循环前缀；长训练字段包含循环前缀(Cyclic Prefix, CP)和长训练序列I、长训练序列2 ;两个长训练序列频域响应相同，且均为恒包络零自相关序列，能采用Zadoff-Chu、或者Frank、或者Go lomb多项序列、或者Chirp序列。一种联合估计载波频偏的频率同步方法，通过以下技术方案实现利用短训练字段进行粗频率同步以纠正整数倍频偏并基于粗频率同步结果进行频偏补偿；再利用频偏补偿后的信号以及长训练字段，结合分段相关算法进行频率估计得载波频偏I ;再基于MMSE准则得载波频偏2 ;进一步基于均方误差准则得载波频偏3。最后基于载波频偏3即精频偏估计的结果，对接收到的信号进行频偏纠正，大大降低了无线系统同步均方误差，有效提高了同步精度。本发明的具体实现步骤如下步骤I，无线通信系统发送天线数为S(S> I的整数)，接收天线数为R (R彡I的整数)。对系统接收端的每一条接收链路收到的短训练字段做相关运算。设第k 条(k=l, 2, . . .，R)接收链路收到的信号为 rk—all (n) = {rk(n), rk d(η)}。其中，rk d(n)表示接收到的数据字段，rk(η)表示接收到的同步特殊字段，表示为!\{η)=X"1 Λ Λ + oj ,.{n)=xAj7)e +ω,. (/ ) (I)其中Af为系统频率偏差，Y = Af/fs=Af/(l/Ts) = AfTs为归一化载波频率偏移，子载波间隔fs=l/Ts;N为子载波的个数，Ts为子信道码元持续时间。Xk(η)为第k条发送链路的同步特殊字段，cok(n)为第k条发送链路同步特殊字段上的噪声，rk(η)为第k条接收链路的同步特殊字段；三者均由两部分组成xk(n) = {xsk(n), xlk(η)}；wk(η) = {wsk (η)，wlk (η)和 rk(η) = {rsk (η)，rlk (η)} ;xsk(η)、wsk (η)和 rsk(n)分另ll对应“第 k 条发送链路的短训练字段”、“第k条发送链路短训练字段上的噪声”以及“第k条接收链路的短训练字段” ;xlk(n)、wlk(η)和rlk(n)分别对应“第k条发送链路的长训练字段”、“加到第k条发送链路长训练字段上的噪声”以及“第k条接收链路的长训练字段”。第k条(k = 1，2，. . .，R)接收链路收到的短训练字段rsk(n)进一步表示为
rSk (")=“ in)ennnTAfSN + msk {n)=Xsk (//K 一 + ω,,. (η)(2)对第k条接收链路的短训练字段rsk(n)做相关运算得到Rsk ⑶
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=Tl^sMf ·(功N · ☆(功+ (於帶产—-wsl*(nY\ wsk{nf)
/ =0 / =()其中Xsk(η) =Xsk(I^D1)，D1和L1分别为短训练字段的相关序列间隔和相关长度。
步骤2，基于步骤I输出的结果Rsk，估计第k条接收链路的载波频率偏移
权利要求
1.一种联合估计载波频偏的频率同步方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I，无线通信系统发送天线数为S，接收天线数为R ;对系统接收端的每一条接收链路收到的短训练字段做相关运算；设第k条接收链路收到的信号为rk all (η) = {rk(η), rk d(n), k = I, 2, . . . , R ；rk d(n)为接收的数据字段，rk(n)为第k条接收链路的同步特殊字段，表示为
2.根据权利要求I所述的一种联合估计载波频偏的频率同步方法，其特征在于对长训练序列I和长训练序列2的分割原则相同，采用平均分割或者非平均分割；
3.根据权利要求I所述的一种联合估计载波频偏的频率同步方法，其特征在于x和y分别为取值范围为3到10的实数；
4.根据权利要求I所述的一种联合估计载波频偏的频率同步方法，其特征在于
5.根据权利要求I所述的一种联合估计载波频偏的频率同步方法，其特征在于不同的无线信道环境下的频率估计结果为 . 1)无线信道Eb/No>25dB，频率估计结果=Ji; . 2)无线信道15dB〈Eb/No〈25dB，频率估计结果=7,； .3)无线信道5dB〈Eb/No〈15dB，频偏估计结果3fp=jb\. 4)无线信道Eb/No〈5dB，频偏估计结果=Jc ο
6.根据权利要求I所述的一种联合估计载波频偏的频率同步方法，其特征在于所述同步特殊字段包含短训练字段和长训练字段；其中短训练字段包括自相关性强、互相关性弱的伪随机序列及其循环前缀；长训练字段包含循环前缀、长训练序列I和长训练序列2 ；两个长训练序列频域响应相同，且均为恒包络零自相关序列。
全文摘要
本发明涉及一种联合估计载波频偏的频率同步方法，属于无线移动通信技术领域。本发明方法利用短训练字段进行粗频率同步以纠正整数倍频偏并基于粗频率同步结果进行频偏补偿；再利用频偏补偿后的信号以及长训练字段，结合分段相关算法进行频率估计得载波频偏1；再基于MMSE准则得载波频偏2；进一步基于均方误差准则得载波频偏3，并给出不同无线信道环境下的频率同步结果。最后基于频率同步结果，对接收到的信号进行频偏纠正，大大降低了无线系统同步均方误差，有效提高了同步精度。
文档编号H04L27/26GK102970271SQ20121053025
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者卢继华, 郑建勇, 安建平, 卜祥元, 刘丹 申请人:北京理工大学