一种进行载波频率偏移补偿的方法及装置的制作方法

专利名称：一种进行载波频率偏移补偿的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动通信领域，特别是指一种进行载波频率偏移(Carrier Frequency Offset, CFO )补偿的方法及装置。
背景技术：
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)传输 技术不仅具有较高的频语效率，而且能够有效对抗频率选择性衰落，适合于宽 带传输，被广泛应用于各种无线宽带通信系统中。OFDM是一种特殊的多载波 调制方式，其主要思想就是在频域内将总的信道划分成多个子信道，不同的子 信道使用不同的子载波进行调制，各子载波之间彼此重叠且保持相互正交，并 行进行传输。这样能够有效对抗由于多径时延造成的频率选择性衰落。由于OFDM信号的各子载波是相互正交的，因此，OFDM系统能够有效 利用频i普资源，大大提高数据传输的性能和速率。但是，实际应用中，由于载 波频率偏移及多普勒效应，破坏了 OFDM信号的正交性，造成子载波之间的 相互干扰，导致整个系统的性能严重下降，因此，对载波频率偏移进行估计、 进而根据载波频率偏移估计值进行补偿是非常必要的。正交频分复用4妄入(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA)是以OFDM为基础的一种多址接入技术，OFDMA系统与OFDM系 统具有相同的优势，如高频镨利用率、支持高速传输和良好的抗多径衰落能力。 OFDMA系统与OFDM系统相同，同样对载波频率偏移非常敏感，频率载波频 率偏移及多普勒效应使子载波之间的正交性遭到破坏，导致OFDMA系统的性 能变差，在OFDMA系统的上行链路中，基站需要同时处理多个用户的上行信号，会产生用户间干扰，使得性能进一步恶化，因此，根据载波频率偏移估计值进 行载波频率偏移补偿就是非常重要的。 一种处理方式是，基站对收到的信号直 接乘以每个用户的载波频率偏移估计值，进行载波频率偏移补偿，但是，这样 会存在多址间干扰，为了减小多址间干扰，需要在每个用户的子带之间插入保的情况，使得子载波的分配极不灵活，无法有效利用频率分集来提高OFDMA 系统的性能。由于不同用户所处位置不同、移动速度不同等因素，使得不同用 户与基站之间的载波频率偏移和多普勒效应各不相同，这对载波频率偏移补偿 提出了更高的要求。另一种处理方式采用基站反馈法进行载波频率偏移补偿， 即基站根据收到的信号对各个用户的上行链路进行载波频率偏移估计，然后向 各用户终端返回载波频率偏移估计值，用户终端根据收到的载波频率偏移估计 值，对发射信号的载波频率进行调整，以实现栽波频率偏移补偿，减少由于栽 波频率偏移而造成的千扰。虽然，目前的方案能够对载波频率偏移进行补偿， 但没有考虑用户间干扰，使得载波频率偏移补偿效果不佳。发明内容有鉴于此，本发明实施例提供一种进行载波频率偏移补偿的方法及装置， 有效消除用户间干扰。本发明实施例提供的进行载波频率偏移补偿的方法包括基站对接收信号 r进行傅立叶变换得到R ;对所述r中的相位偏移量的补偿量进行傅立叶变换得 到补偿向量C'");才艮据得到的载波频率偏移估计值和所述补偿向量C"i)经过迭代 过程得到满足设定条件的经过载波频率偏移补偿的信号。本发明实施例提供的进行载波频率偏移补偿的装置包括补偿单元和干扰 消除单元，其中，所述补偿单元用于对接收信号r进行傅立叶变换得到R，对 所述r中的相位偏移量的补偿量进行傅立叶变换得到补偿向量C'(" ， ^艮据所述补 偿向量C'w和得到的载波频率偏移估计值对每个用户的信号进行载波频率偏移补偿，并向所述干扰消除单元提供经过栽波频率偏移补偿的信号；所述千扰消 除单元用于将收到的经过载波频率偏移补偿的信号经过迭代过程得到满足设 定条件的已经进行过载波频率偏移补偿的信号。本发明提供的实施例中，基站不仅根据载波频率偏移进行载波频率偏移补 偿，还根据经过频率偏移补偿的信号进行用户间干扰的消除，充分考虑了用户 间干扰，不仅能够实现载波频率偏移的补偿，还能够消除用户间干扰，获得更 准确的用户信号估计值。


图1为本发明实施例中用户占用子载波频域分布示意图；图2为本发明实施例中任意子载波分配方式下用户占用子载波情况示意图；图3为本发明实施例中载波频率偏移补偿流程图； 图4为本发明实施例中基站接收机结构示意图； 图5为本发明实施例中CFO补偿单元结构示意图； 图6为本发明实施例中干扰消除单元结构示意图。
具体实施方式
本发明提供的实施例中，基站对接收信号r进行傅立叶变换得到R,对所 述r中的相位偏移量的补偿量进行傅立叶变换得到补偿向量C'(i) ， 4艮据得到的载 波频率偏移估计值和所述补偿向量C'("经过迭代过程得到满足设定条件的经过 频率偏移补偿的信号。下面结合附图对本发明提供的实施例的具体实现方案进行详细描述。 用户占用的子栽波可以是连续的，例如，将整个子栽波划分成若干个子带， 并且每个子带的子载波是连续的，不同用户在接入时占用不同的子带；用户占 用的子载波也可以是不连续的。,为载波中心频率，AF为子载波间隔，尺个用户占用2M个数据子载波，2M个数据子载波被划分成e个无交集的子信道， 可记为M一其中，g = 0,l,..,2-l。每个子信道是为用户分配子载波的最小单位。划分得到的集合满足M-tj'M一且当《-《'时，J^nM^为空集，即2M个数据子载波均被划分至子信道中，并且各子信道中包含的子载波不得有重复。每个 用户所占用的子载波的数量和位置可根据各用户所处的环境进行最佳分配。如 图1所示，可任意为用户分配子载波，分配给用户的子载波可以不是连续的，3个用户的情况下，只要保证各用户占用的子载波没有重合即可， 一个用户占 用的子载波无需连续，大大提高了子载波分配的灵活性，进而获得更多的频率 分集增益。图2为5个接入用户的子载波分配示意，其中，实线为数据子载波， 不同的箭头形状表示相应子载波被不同用户占用，虚线表示虚拟子栽波，该子 栽波不进行传输。第ik个用户占用y"个子载波，占用的子载波序号cw-K^),c"，…，c;x,}。每个用户的信号经子载波映射后扩展成W点的频域信号，为第*个用户 发送的、且经四相移频4建控(Quaternary Phase Shift Keying, QPSK)或正交幅 度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)调制的频域信号，其中 "e仏2,…，W。 Z("(n)只在第/t个用户所占用的子载波上有值，其他位置均为O， 具体可参见图2。第A个用户的载波频率分配表为A^^[4"，4"，…，4^],其中(uj1， "eC(t)，本发明提供的实施例中，A")中取值为l的位置可连续，也可
， h(k)=[/z (l)，.-、/2( r ， 0表 示圓周巻积，1《AS《。用户终端在发射信号之前增加循环前缀时，基站去除循环前缀后，接收信 号与用户信号之间的关系仍然如公式(1)所示。由于基站收到的第"个采样点的信号为夂个用户发送的信号与噪声之和，表示为K") = |>，<4'2>w(/) )("-+这样，转换表现形式可表示为"1 /=0r( ) = |y"( ),,+z( )，其中，K")为A:个用户发送的信号与噪声之和，经过傅立叶变换后得到r = DiT(r) = DFr(lyk)c(k) + z)=乞Y(k> Cw + Z ( 2 )其中，r = [KO)，Kl)，...,KW-l)f , y(k):[《),乂"，…,^,f ， c(k)-[l，e,，…，e,','] 为相位偏移量，即第A:个用户的信号不同采样点位置所对应的由载波频率偏移 而产生的相位偏移量，z-[z(0),z(l),…，z(〃-l)f ， Y(k) = DiT(yW) ， C<k) = Z)iT(c(k))， Z = DF7"(z)。公式(2)可进一步表示为r =乞Y(k) 0 c(k) + Z = Y(k) C(k) +1Y(0 C(/) + Z ( 3 )公式(3)包含三部分，分别为第it个用户的信号YW0C，用户间干扰 f Y('> c('>和加性高斯白噪声Z ,这样，第yt个用户的信号可表示为,=18Y'(k>=Y(k) C(k>，接着变换形式可得Yw = Y'(k) C'(k> (4) 其中，<formula>formula see original document page 9</formula>e-是相位偏移量c(k)的补偿 量，通过对c(w进行共轭得到。利用栽波频率分配表为A(k> =[4*),4"，...,4^]和议，第A个用户的信号Y'w可 表示为Y'(k>=A(k)R (5)将公式(5 )、 公式(3 )均代入公式(4 )可得 <formula>formula see original document page 9</formula>,最后得到<formula>formula see original document page 9</formula>) ( 6 ),=1公式(6 )中，(A(k)(Y(k)<8>C(k))) C'(k)为第A:个用户的信号， (A(k)iY(')(8)C('))(8)C'("为用户间干扰，(A(k)Z)(8)C'(k)是加性噪声。通过公式(6 ),=1可见，该公式并不能消除多用户干扰(Multi-Userlnterference， MUI )。本发明 提供的实施例中，利用多用户检测和干扰消除理论，多次循环以进一步消除用 户间干扰，Y""表示第y次迭代时第/t个用户的频域信号，具体处理流程如图3 所示步骤301: _/ = 0时,Y(i)'。-(A(i)R)OC'(、由于C'(i)与C(o共辄，因此，通过A("R 与补偿向量C'("的巻积可消除C")中载波频率偏移的影响，实现载波频率偏移补 偿，其中，/ = 1，2，...，尺，从而对接收的K个用户中每个用户的信号进行栽波频率 偏移补偿。单纯地进行了载波频率偏移补偿之后，用户间干扰仍然存在，因此，可进 一步消除用户间干"l尤，具体处理过程见以下描述。步骤302:令7 = > + 1,根据得到的Y恥J-'消除用户间千扰，即对于第yfc个用户而言，根据公式(3 )可得Y'(k)'j = R -1 Y(i)'j-1 <8) C") ， Yw'j-1为j. -1次迭代过程中接收的第it个用户的已经进行过载波频率偏移补偿的信号，Y'(k"为本次、即第./次迭代过程中接收的第A个用户的未经载波频率偏移补偿的信号。步骤303:根据得到的Y'(k"重新估计第个用户的接收信号，根据公式(6 ) 的第 一部分可得Y(k" = (A(k)Y'(k)'j) C'(k)。步骤304:判断Y(k)'J是否收敛，如果是，则继续执行步骤305;否则，返 回执行步骤302，进行再一次的迭代。判断Y叫J是否收敛可采用期望最小化的方式得到，即,Y(k"-Y(k)'J-fHA,其中，A为收敛精度，如A为le-5、 le-6、le-7等期望的值，如果满足条件时、即HY(k)'J-Y(k)'J-'l、〈A成立时，则认为Y糾收敛，不再继续迭代过程；否则，继续进行迭代，即返回执行步骤302,直至 得到满足条件的Y,。步骤305:对第*个用户的信号进行输出。以上过程是针对〖个用户中的每个用户进行的。通常，经过4至5次的迭代过程就能够得到收敛的Y糾。在上述迭代过程 中引入了圆周巻积， 一般认为圆周巻积的复杂性高于傅立叶变换处理，从表面 上看增加了迭代过程的复杂性。但是在步骤302和步骤303中，Y(k>'j和A(k)Y'(k>'j中最多只有y"个非零元素，并且当归一化载波频率偏移s^较小时，如<0.5, C(w与C'w中的大多数元素均非常小，可以用零来代替。如果C'(k)={C'("(0)，C'w(l),...,C'("(^V-1)},则C州(咖s叫丰+ 、".e ^ 。由此sin{~!:-}可见，序列C'w中，C'，iV/2)附近的元素的值都接近于0,因此，『为序列C'00 中非零元素的数量，PT为奇数时，可采用序列={C'("(0),C'("(l),...,C'w(^^),0,...，0,C'w(7V_^^),...，C'w(iV-1)}来替代C'(k),2 2采用序列5W ={Cw(0),C("(l),..，C("(^i)，0,"，0，C("(iV —^i),…,C("(W-1)}替代c(k); 『为偶数时， 可采用序 列={c'w(o)，c'w(i)，...,c'("(*),o,..，o,c'("(7v-1)，…,c'("(w-in来替代c'(10 ，采用序列e^)-(c("(o),c("(i),…,c("(^),o,…,o,c("(A^I)，…,c("(iv-1"替代C("。这样，大大降低了圆周巻积的复杂性。C("(w)中非零的取值只有『个，因此，步骤302中只需要做『次乘法，又由于第6个用户只在y"个子载波上传输数据，其他子 栽波上没有该用户的数据，因此，圆周巻积的乘法数大约是『.y"，酽很小时， 运算量较小。另外，如果用户终端在发射信号之前为了减少码间干扰而增加了循环前 缀，则基站收到信号后，在进行载波频率偏移补偿之前，会先去除循环前缀。图4为本发明实施例中基站接收机结构示意图，如图4所示，基站接收机 包括接收天线、下变频单元、模数(AD)变换单元、串并变换单元、傅立叶 变换单元、CFO估计单元、CFO补偿单元、并串变换单元和星座点解映射单元。其中，接收天线用于接收用户终端发射的射频信号，并向下变频单元提供该射频信号；下变频单元用于对收到的射频信号进行下变频得到基带信号，并向AD变换单元提供该基带信号；AD变换单元用于对收到的基带信号进行A/D变换，得到离散数字信号，并向串并变换单元提供该离散数字信号；串并变换单元用于将串行数据变换为并行数据、即采样点信号，并向傅立叶变换单元和CFO估计单元分别提供釆样点信号；傅立叶变换单元用于对收到的采样点信号进行傅立叶变换得到频域信号，并向CFO补偿单元提供该频域信号，傅立叶变换可通过离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)运算或快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)运算实现；CFO估计单元用于根据收到的接收信号对栽波频率偏移进行估计，然后向CFO补偿单元提供栽波频率偏移估计值；CFO补偿单元用于根据收到的载波频率偏移估计值对收到的频域信号进行载波频率偏移补偿，还原出用户终端发射的信号，然后向并串变换单元提供该还原信号；并串变化单元用于对收到的信号进行并串变换，得到串行 数据，然后向星座点解映射单元提供该串行数据；星座点解映射单元用于对收 到的串行数据进行星座点解映射。AD变换单元与串并变換单元之间可进一步 包括循环前缀去除单元，用于对收到的离散数字信号去除循环前缀，并向串并 变换单元提供去除循环前缀的离散数字信号。图5为本发明实施例中CFO补偿单元结构示意图，如图5所示，CFO单 元用于对接收信号r进行傅立叶变换得到R ，对所述r中的相位偏移量的补偿量 进行傅立叶变换得到补偿向量C'(",根据补偿向量C'(。和收到的载波频率偏移估 计值对收到的频域信号进行载波频率偏移补偿后，还可进一步用于根据经过频 率偏移补偿的信号进行用户间干扰的消除，这样，CFO补偿单元包括补偿单元 和干扰消除单元，其中，补偿单元用于对接收信号r进行傅立叶变换得到R, 对所述r中的相位偏移量的补偿量进行傅立叶变换得到补偿向量C'(i)，根据补偿 向量C'w和收到的载波频率偏移估计值对每个用户的信号进行载波频率偏移补 偿，并向干扰消除单元提供经过载波频率偏移补偿的信号；干扰消除单元用于 将收到的经过载波频率偏移补偿的信号经过迭代过程得到满足设定条件的已 经进行过载波频率偏移补偿的信号。补偿单元收到的信号为r 。当干扰消除单元采用图3所示的迭代过程消除用户间干扰时，如图6所示， 干扰消除单元包括消除单元、估计单元和判决单元，其中，消除单元用于根据 收到的用户信号消除用户间干扰，并向估计单元提供消除用户间干扰的信号； 估计单元用于根据收到的信号重新估计用户信号，并向判决单元提供该用户信 号；判决单元用于确定收到的用户信号满足设定条件时，对用户信号进行输出，确定收到的用户信号不满足设定条件时，向消除单元提供该用户信号。消除单 元第 一次收到的用户信号来自于补偿单元，后续收到的用户信号则来自于判决单元。因此，本发明实施例中提供的载波频率偏移补偿方案，不仅能够实现载波 频率偏移的补偿，还能够消除用户间干扰。以上提供的方案可适用于任何多载波系统，如OFDM系统、OFDMA系统等。本发明提供的实施例中，基站不仅根据载波频率偏移进行载波频率偏移补 偿，还根据经过频率偏移补偿的信号进行用户间干扰的消除，充分考虑了用户 间千扰，不仅能够实现载波频率偏移的补偿，还能够消除用户间干扰，获得更 准确的用户信号估计值。在消除用户间干扰过程中引入了参数『，降低了圆周巻积的复杂度，弥补 了采用圆周巻积相对复杂的缺点，易于硬件的实现。本发明实施例提供的载波频率偏移补偿方案不仅适用于用户低速移动的情况，同样也适用于用户高速移 动的情况。另外，本发明提供的实施例适用于任意子载波分配方案下的载波频率偏移 补偿，对用户间的子载波分配方式无要求，不必必须为用户分配连续子载波， 对子栽波的规则分配和非规则分配均适用。由于本发明提供的实施例支持子载 波的无规则分配方式，因此，系统可以根据信道情况为用户分配较好的子载波 即传输信道，以获得更多的频率分集增益，进一步降低误码率，增大传输速率。明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1. 一种进行载波频率偏移补偿的方法，其特征在于，该方法包含基站对接收信号r进行傅立叶变换得到R；对所述r中的相位偏移量的补偿量进行傅立叶变换得到补偿向量C′(i)；根据得到的载波频率偏移估计值和所述补偿向量C′(i)经过迭代过程得到满足设定条件的经过载波频率偏移补偿的信号。
2、根据所述Y'(k>'j重新估计接收的第A个用户的信号Y(k)'J = (A(k)Y'似J) c'(k); d2、确定Y(k"满足设定条件时，对第yt个用户的信号进行输出，确定Y(k"不满足设定条件时，返回执行步骤b2。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述YW'J满足的设定条件， 是￡{||Y(k)'j—Y(k)'J12}<A。
4、 根据权利要求2或3任一所述的方法，其特征在于，所述cW或C'w中 包含ff个非零元素。
5、 根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述进行载波频 率偏移补偿，之前进一步包括基站对载波频率偏移进行估计。
6、 根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于， 所述基站接收信号，之前进一步包括用户终端在发射信号之前加循环前所述基站对载波频率偏移进行估计，之前进一步包括基站去除循环前缀。
7、 根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，为对应于所迷信 号的用户分配任意子载波。
8、 一种进行载波频率偏移补偿的装置，其特征在于，该装置包括补偿 单元和干扰消除单元，其中，所述补偿单元用于对接收信号r进行傅立叶变换得到R ，对所述r中的相位 偏移量的补偿量进行傅立叶变换得到补偿向量C'(i)，根据所迷补偿向量C")和得 到的载波频率偏移估计值对每个用户的信号进行栽波频率偏移补偿，并向所述干扰消除单元提供经过栽波频率偏移补偿的信号；所述干扰消除单元用于将收到的经过载波频率偏移补偿的信号经过迭代 过程得到满足设定条件的已经进行过载波频率偏移补偿的信号。
9、 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述干扰消除单元包括 消除单元、估计单元和判决单元，其中，所述消除单元用于根据收到的信号消除用户间干扰，并向估计单元提供消 除用户间干扰的信号；所述估计单元用于才艮据收到的信号重新估计用户终端的信号，并向判决单 元提供该信号；所述判决单元用于确定收到的信号满足设定条件时，对用户终端的信号进 行输出，确定收到的用户信号不满足"i殳定条件时，向消除单元提供该信号。
10、 根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括载 波频率偏移估计单元，用于对栽波频率偏移进行估计，并向所述补偿单元提供 载波频率偏移估计值。
全文摘要
本发明公开了一种进行载波频率偏移补偿的方法及装置。基站对接收信号r进行傅立叶变换得到R，对所述r中的相位偏移量的补偿量进行傅立叶变换得到补偿向量C′⁽ⁱ⁾，根据得到的载波频率偏移估计值和所述补偿向量C′⁽ⁱ⁾经过迭代过程得到满足设定条件的经过载波频率偏移补偿的信号，不仅根据载波频率偏移进行载波频率偏移补偿，还根据经过频率偏移补偿的信号进行用户间干扰的消除，充分考虑了用户间干扰，不仅能够实现载波频率偏移的补偿，还能够消除用户间干扰，获得更准确的用户信号估计值。
文档编号H04L27/26GK101247383SQ20071007924
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者峻 吕, 吴和兵, 张忠培, 王吉滨 申请人:华为技术有限公司;电子科技大学