超高移动性条件下基于频域差分相位的mimo-ofdm系统频偏估计方法
【专利说明】超高移动性条件下基于频域差分相位的MIMO-OFDM系统频偏 估计方法
【背景技术】
[0001] 频率同步是数字通信系统中数据可靠传输的重要保证，同步性能的好坏将直接影 响整个通信系统的性能。但在无线通信系统中，由于发送端设备和接收端设备间的频差，以 及用户端设备移动所带来的多谱勒频移等影响，使得载波频率与本地晶振的频率之间存在 着频偏。为了保证数据的可靠传输，必须对信号的频偏进行准确估计并加以补偿。此外， 3GPP LTE下行采用了频谱利用率比较高的OFDM调制技术，要求子载波之间具有严格的正交 性。在实际传输中，由于多普勒频移和收发机本地振荡器之间的不匹配带来的频率偏差，会 破坏OFDM系统子载波间的正交性，造成子载波间干扰(ICI)。此外在MMO OFDM系统中，频偏 估计性能的好坏将直接影响信道估计性能的好坏，进而影响MMO检测性能。因此频偏估计 是OFDM系统和M頂O-OFDM系统的一项关键技术。
[0002] 围绕MMO-OFDM或OFDM条件下的频偏估计或者频偏和信道联合估计技术，国内外 展开了大量研究工作，并已经取得了很多研究成果。2011年E.P. Simon等人在文献〃 Joint Carrier frequency offset and fast time-varying channel estimation for MIMO-OFDM systems/'IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(3):985-965中 针对快时变场景下的频偏与信道联合估计问题，提出了一种适用于快时变环境下基于导频 辅助的频偏与信道联合估计算法，首先对一个OFDM符号内信道幅值的时变性通过基扩展模 型来近似，并对待估计参数采用自回归模型来刻画，最后采用扩展卡尔曼滤波来估计多径 瑞利信道幅值和频偏。2012年Simon等人在文献〃Joint carrier frequency offset and channel estimation for OFDM systems via the EM alqorithm in the presence of very hiqh mobility/'IEEE Transactions on Signal Processing,2012(60):754-765. 中提出采用卡尔曼滤波和EM算法来联合估计频偏和快时变信道系数。2009年，Hung Nguyen-Le等人在文南犬〃ML-Based Joint Estimation of Carrier Frequency Offset and Doubly Selective Channels for OFDM Transmissions，〃IEEE Vehicular Technology Conference(VTC Spring 2009)中提出了一种适用于SIS0-0FDM系统中基于导频辅助的联 合信道和频偏的最大似然估计方法。2010年Hung Nguyen-Le等人在文献"Bayesian Joint Estimation of CFO and Doubly Selective Channels in MIM0-0FDM Transmissions/' IEEE Vehicular Technology Conference(VTC 2010-Fall)中基扩展模型提出了在快时变 MHTO (FDM系统中采用贝叶斯方法联合估计频偏和信道，但是采用贝叶斯估计方法需要用 到如信道的先验概率分布信息。2012年，曾召华、朱华伟等人在〃TDD-LTE下行高速移动场景 中的频偏估计方法〃一文中针对TDD-LTE系统下行链路高速移动场景提出了一种小数倍频 偏估计算法，利用主同步信道(P-SCH)和辅同步信道(S-SCH)的频域信道估计值的共辄相关 来估计载波频率的小数倍偏移，理论分析与仿真结果表明所提出算法的估计范围能够覆盖 高速移动场景中的最大小数倍频偏，同时仿真结果也表明所提算法在加性高斯白噪声信道 (AWGN)和莱斯信道下均具有良好的性能。
[0003] 中国CN102752243A专利〃一种支持LTE系统高速场景的频偏估计的方法，武汉邮电 科学研究院，2012〃提出了一种支持LTE高速场景上行频偏估计的方法，包括由基站统计各 个用户的PUSCH信号的CRC出错次数；当某个用户的CRC的出错次数大于次数N时，基站发起 一次当用户的调度，基站根据PUSCH信号的特性来确定所述基站与UE之间频偏值的符号根 据频偏值的符号基站对接收到的PUSCH信号进行频偏值的预补偿;基站采用传统的频偏估 计方法对PUSCH信号进行频偏估计;基站根据频偏预补偿的值和传统方法的频偏估计结果 一起计算得到最终估计的频偏值。中国CN101242390号发明专利〃基于已知序列相干自相关 的载波频偏估计算法及其实现装置〃通过引入相角差分、取模和累加运算，消除了简单频偏 估计算法中相角模糊的问题，在最大化频偏估计范围的同时，进一步降低了频偏估计方差。 中国CN1398065专利〃提高正交频分复用通信系统载波频偏估计性能的方法，清华大学〃提 出了一种提高OFDM系统频偏估计性能的方法，首先用已知的最大似然估计(MLE)算法对连 续L个训练序列进行载波频偏估计，然后用下述方法中的某种方法选择加权因子:在信噪比 远大于1时用接收信号功率作为加权因子近似值，选择具有最大信噪比的载波频偏估计值 作加权因子;把L个最大似然载波频偏估计值用加权因子组合起来，得到优化的载波频偏估 计值。研究结果表明，该方法在多径时变衰落信道的条件下可明显提高载波频偏的估计性 能。中国CN1816030专利〃正交频分复用系统中估计和补偿频率偏差的方法和装置，上海无 线通信研究中心〃提出了一种适用于OFDM系统中的频率偏差估计和补偿的方法和装置，通 过映射查表法简化原有的一系列的三角函数的计算，克服现有的最大似然估算法中三角函 数不方便在FPGA中实现的缺点。美国US2013223562专利〃Estimating frequency-offsets and multi-antenna channels in ΜΙΜΟ OFDM systems〃给出了一种在频率选择性衰落信 道下MMO-OFDM系统中通过在两个或者多个符号块之内插入训练符号的频偏和信道联合估 计技术。美国US8416759(B1)号发明专利"Carrier frequency offset and doppler frequency estimation and correction for OFDMA and SC-FDMA"提出了一种适用于 OFDMA系统和SC-FDMA系统的频偏和多普勒频率估计方法，接收端接收到从多个发送端发来 的多载波信号，收发端之间晶振产生的频偏通过用数据星座图的相位旋转作为时间的函数 或者信道估计的相位旋转作为时间的函数来估计，接收端提供频偏和多普勒频率估计并在 解调前纠正均衡后的符号。欧洲W02013091155 Al〃Ca rrier Frequency Offset Estimation Method and Device〃根据不同的帧定时和CP模式，分别对接收到的下行子帧 中的非业务下行信号进行自相关估计并累积，比较得到的累积结果的模值，选择模值大的 累积结果进行频偏估计。
[0004]综合分析目前国内外围绕MM0-0FDM和OFDM系统条件下的频偏估计或频偏与信道 联合估计技术研究的成果，在给定频偏和信道联合似然函数的基础上，目前已有大量实际 可行的频偏和信道估计方法可供借鉴，但是我们也可以看到，针对超高移动环境下MIMO OFDM系统的频偏估计技术相关研究成果还不多，已有的研究成果也大都缺乏简单便捷的闭 式解。由于频偏与相邻导频符号相位之间所存在的内在关系，有不少专利给出了有效的基 于差分相位的频偏估计技术和方法。我们在中国ZL200910059162.1专利〃 TS-SCDMA通信系 统接收同步中基于差分相位的频偏与相位估计方法〃中提出将具有相关频偏的两个相邻子 帧中两组导频符号序列联合使用，通过多次差分相位运算，以及频偏和差分相位值的相对 关系推算出频偏与相位。美国US8311152 Bl〃Phase tracking system and method〃提出利 用在同一个频带传输的当前OFDM符号和前一个OFDM符号正负导频的充分统计信息对载波 频偏和采样频率偏差进行估计。但仔细分析这些相关技术，我们也不难发现，围绕快时变 M頂O-OFDM系统还很少有利用频域接收信号进行基于差分相位的频偏估计的方法。
【发明内容】
[0005] 鉴于现有技术的以上不足，本发明在分析频域接收信号相邻符号相位差与频偏关 系的基础上，给出了一种基于频域差分相位的频偏估计方法。其具体手段为：
[0006] 一种超高移动性条件下基于频域差分相位的MMO-OFDM系统频偏估计方法及装 置，其特征包括：
[0007] A.初始频偏估计及相位差估算步骤
[0008] 根据接收到的时域OFDM符号，采用基于循环前缀CP的频偏估计方法确定初始归一 化载波频偏估计
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