专利名称：基于快变多普勒信道的频谱估计方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种基于快变多普勒信道的频谱估计方法及装置。
背景技术：
近年来，我国的高速铁路(以下简称“高铁”)成套技术的进步举世瞩目，高铁已经成为国家级的标志性成就。目前，我国已经成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。高铁无线通信环境复杂多变，经历平原、山区、隧道、U型槽等典型地理环境。同时，与公众通信网的六边形蜂窝结构不同，高速铁路宽带无线接入所覆盖的服务区域是沿铁路呈带状分布的，不同的场景表现出不同的无线衰落特征，其中，高速列车穿越基站的过程中，表现出典型的单径快变多普勒(Doppler)衰落。当无线传输中心频率为2.1GHz、运动速度达到360km/h时，多普勒频偏将达到700Hz，由于通信基站与铁道的距离较近(约20-50米)，当列车高速驶过通信基站时，多普勒频偏将从最大(最正)快速变化到最小(最负)，信道呈快速时变特性。3GPP(Third Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)中定义的高铁无线环境模型主要有平原模型和隧道模型两种，两个模型的共同点都是存在单径的非衰落信道，但该单径的无线信道受到周期性变化的多普勒频移调制。多普勒频移用下式表示:fs (t) = fdcos 0 (t),其中，fd表示最大多普勒频移.fs(t)表示由于移动引起的多普勒频移，表示0 (t)直视径与列车运动方向之间的夹角，针对现行高铁TD系统组网特点，f s呈周期性变化。根据易推出其cosine值表示如下: cos_=7^tfcro。綠
,、—I 5Z)5 +vt
_] C0S {th Kj+(-L5Ds+Vtf，D> < t ( 2D> ;cos 0 (t) = cos 0 (tmod(2Ds/v)), t > 2Ds/v ；其中:Ds/2表示高速列车距离基站的横向距离，单位是m;Dmin表示基站与铁轨的垂直距离，单位是m ；V表示火车的速度(m/s)；t表示列车运行时间(S)。请参考图1和图2，图1是根据相关技术的快变多普勒的示意图，如图1所示，表示中心频率为2.1GHz，列车速度为360km/h的情况下，列车穿越基站时刻的多普勒(Doppler)变化情况。图2是根据相关技术的多普勒线性变化示意图，从图2中可以看出，在分段区域内，多普勒(Doppler)可以视为线性变化。同时,3GPP组织提出了 LTE (Long Term Evolution,长期演进)的概念(请参考图3，图3是根据相关技术的LTE帧结构示意图)。LTE放弃了 3G使用的CDMA技术，选用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)技术来提高系统带宽利用率；而且，还采用了 MIMO (Multiple-1nput Multiple-Output,多输入多输出)技术，可以在不增加系统带宽的前提下，提高信息传输速率，因为具有上述优点，LTE已成为继第三代移动通信标准后的新发展方向。但是.相对于单载波调制，OFDM系统对频率偏移更加敏感，而且，随着子载波调制阶数的增加，敏感程度也会增加。OFDM系统中的频率偏移降低了子载波间的正交性，容易引起载波间干扰。ICI (Inter Carrier Interference,子载波间干扰)会降低信道估计和符号检测的性能，引起误比特率的增加。LTE系统采用了专门的同步信号作为同步的训练序列的方案，但是，同步技术并不能完全消除频偏对OFDM的影响，并且，在快变Doppler信道条件下，频率纠偏对LTE系统尤为重要。LTE的频率同步技术在一定程度上可以弥补快变Doppler带来的性能损失，常用的频率同步技术有自相关技术和互相关技术。其中，自相关技术主要是利用CP(CyclicPrefix，循环前缀)在时域直接相关，对得到的峰值相位进行频率同步，但由于CP较短，很容易受到Doppler以及噪声干扰的影响；互相关技术主要采用LTE所携带的相关序列与本地的序列进行相关，当频率偏移超过一个子载波时，互相关峰值消失，且频率同步的精度较低。由于高速列车在穿越基站的过程中，Doppler会迅速变化,仅靠单纯同步方法估计频偏不能保证其准确。针对相关技术中单纯同步方法对高速列车穿越基站时的快变Doppler进行频谱估计不精确的问题，目如尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供一种基于快变多普勒信道的频谱估计方法及装置，以至少解决上述问题。根据本发明的一个方面，提供了一种基于快变多普勒信道的频谱估计方法，包括:判断第二子帧组中的第二子帧的编号是否与第一子帧组中的第一子帧的编号相对应，其中，第一子帧组和第二子帧组为当前接收到的子帧组中的任意两个，子帧组由预定个数的子帧构成；在判断结果为是的情况下，根据线性插值算法计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，在判断结果为否的情况下，计算当前接收到的全部子中贞的频率偏移。优选地，根据线性插值算法计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，包括:计算第二子帧与第一子帧之间的偏差斜率；根据偏差斜率接收计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移。优选地，计算第二子帧与第一子帧之间的偏差斜率，包括:根据信道脉冲响应CIR对第一子帧和第二子帧进行偏差估计，得到第一子帧的第一频率偏移和第二子帧的第二频率偏移；根据第一频率偏移与第二频率偏移计算偏差斜率。优选地，根据信道脉冲响应CIR对第一子帧进行偏差估计，包括:从第一子帧中提取任意两个包含参考信号的正交频分复用OFDM符号中的参考信号；根据参考信号分别得到第一子帧中的两个OFDM符号的第一 CIR和第二 CIR ;根据第一 CIR和第二 CIR对第一子帧进行偏差估计。优选地，根据参考信号分别得到第一子帧中的两个OFDM符号的第一 CIR和第二CIR，包括:对参考信号进行最小均方LS估计；将经过LS估计后得到的参考信号变换到时域上；根据变换到时域上的参考信号分别得到第一 CIR和第二 CIR。优选地，根据信道脉冲响应CIR对第二子帧进行偏差估计，包括:从第二子帧中提取任意两个包含参考信号的正交频分复用OFDM符号中的参考信号；根据参考信号分别得到第二子帧中的两个OFDM符号的第三CIR和第四CIR ;根据第三CIR和第四CIR对第二子帧进行偏差估计。优选地，根据参考信号分别得到第二子帧中的两个OFDM符号的第三CIR和第四CIR，包括:对参考信号进行最小均方LS估计；将经过LS估计后得到的参考信号变换到时域上；根据变换到时域上的参考信号分别得到第三CIR和第四CIR。根据本发明的另一方面，提供了一种基于快变多普勒信道的频谱估计装置，包括:判断模块，用于判断第二子帧组中的第二子帧的编号是否与第一子帧组中的第一子帧的编号相对应，其中，第一子帧组和第二子帧组为当前接收到的子帧组中的任意两个，子帧组由预定个数的子帧构成；计算模块，用于在判断结果为是的情况下，根据线性插值算法计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，在判断结果为否的情况下，计算当前接收到的全部子帧的频率偏移。优选地，计算模块包括:第一计算模块，用于计算第二子帧与第一子帧之间的偏差斜率；第二计算模块，用于根据偏差斜率接收计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移。优选地，第一计算模块包括:估计单元，用于根据信道脉冲响应CIR对第一子帧和第二子帧进行偏差估计，得到第一子帧的第一频率偏移和第二子帧的第二频率偏移；计算单元，用于根据所述第一频率偏移与所述第二频率偏移计算所述偏差斜率。通过本发明，采用信道脉冲响应(CIR)对接收机接收到的LTE信号(帧结构)进行二次频偏估计，并采用线性插值法计算LTE子帧的频率偏移，解决了相关技术采用单纯同步方法对高速列车穿越基站时的快变Doppler进行频谱估计不精确的问题,进而达到了提高无线通信系统的性能和工作效率的效果。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:图1是根据相关技术的快变多普勒的示意图；图2是根据相关技术的多普勒线性变化示意图；图3是根据相关技术的LTE帧结构示意图；图4是根据本发明实施例的基于快变多普勒信道的频谱估计方法的流程图；图5是根据本发明优选实施例的多普勒信道的频谱估计流程图；图6是根据本发明优选实施例的线性插值多普勒频偏估计示意图；图7是根据本发明优选实施例的在LTE带宽为1.4MHZ时，中心频率为2.1GHZjf道分别为Doppler为0(AWGN信道)、50Hz、100Hz、200Hz以及300Hz单频偏性能，以及进行CIR频偏估计后的性能示意图；图8是根据本发明优选实施例的在LTE带宽为1.4MHZ时，中心频率为2.1GHZjf道分别为AWGN信道和快变多普勒信道性能，以及采用全频偏估计和线性分段频偏估计性能不意图；图9是根据本发明实施例的基于快变多普勒信道的频谱估计装置的结构框图；图10是根据本发明优选实施例的基于快变多普勒信道的频谱估计装置的结构框图。
具体实施例方式下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。图4是根据本发明实施例的基于快变多普勒信道的频谱估计方法的流程图，如图4所示，该方法主要包括以下步骤(步骤S402-步骤S404):步骤S402，判断第二子帧组中的第二子帧的编号是否与第一子帧组中的第一子帧的编号相对应，其中，第一子帧组和第二子帧组为当前接收到的子帧组中的任意两个，子帧组由预定个数的子帧构成；步骤S404，在判断结果为是的情况下，根据线性插值算法计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，在判断结果为否的情况下，计算当前接收到的全部子帧的频率偏移。其中，在步骤S404中，根据线性插值算法计算当前接收到的除第一子帧和第二子中贞之外的其他子巾贞的频率偏移，包括:计算第二子巾贞与第一子巾贞之间的偏差斜率；根据偏差斜率接收计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移。在本发明的一个优选实施方式中，计算第二子帧与第一子帧之间的偏差斜率，包括:根据信道脉冲响应CIR对第一子帧和第二子帧进行偏差估计，得到第一子帧的第一频率偏移和第二子帧的第二频率偏移；根据第一频率偏移与第二频率偏移计算偏差斜率。其中，根据信道脉冲响应CIR对第一子帧进行偏差估计，包括:从第一子帧中提取任意两个包含参考信号的正交频分复用OFDM符号中的参考信号；根据参考信号分别得到第一子帧中的两个OFDM符号的第一 CIR和第二 CIR ;根据第一 CIR和第二 CIR对第一子帧进行偏差估计。在实际应用中，根据参考信号分别得到第一子帧中的两个OFDM符号的第一CIR和第二CIR，包括:对参考信号进行最小均方LS估计；将经过LS估计后得到的参考信号变换到时域上；根据变换到时域上的参考信号分别得到第一 CIR和第二 CIR。其中，根据信道脉冲响应CIR对第二子帧进行偏差估计，包括:从第二子帧中提取任意两个包含参考信号的正交频分复用OFDM符号中的参考信号；根据参考信号分别得到第二子帧中的两个OFDM符号的第三CIR和第四CIR ;根据第三CIR和第四CIR对第二子帧进行偏差估计。在实际应用中，根据参考信号分别得到第二子帧中的两个OFDM符号的第三CIR和第四CIR，包括:对参考信号进行最小均方LS估计；将经过LS估计后得到的参考信号变换到时域上；根据变换到时域上的参考信号分别得到第三CIR和第四CIR。在实际应用中，首先给出LTE的发送帧结构，如:LTE帧长为10ms，分为10个子帧，每个子巾贞长Ims,每个子巾贞分为两个时隙,每个时隙包含6或7个OFDM符号,符号中的子载波间隔为15kHz，常规CP长度为4.6875us，扩展CP长度为16.67us。例如，假设发射机发送的子巾贞数为Frame_Num, Frame_Num个LTE子巾贞需要依次发送；在接收端，接收机将接收到的LTE信号去掉CP,进行IFFT(Inverse Fast FourierTransform,快速傅立叶反变换)变换到频域，对子巾贞进行频偏估计以及补偿后，再对每个子帧进行LS估计以及线性插值，最后判决。下面结合图5对本发明实施例提供的基于快变多普勒信道的频谱估计方法进行详细说明。图5是根据本发明优选实施例的多普勒信道的频谱估计流程图，如图5所示，该流程包括以下步骤:S502,接收机以子巾贞为单位接收LTE信号,在接收端设定子巾贞组Row_Num,设定每
个子巾贞组包含
权利要求
1.一种基于快变多普勒信道的频偏估计方法，其特征在于，包括: 判断第二子帧组中的第二子帧的编号是否与第一子帧组中的第一子帧的编号相对应，其中，所述第一子帧组和所述第二子帧组为当前接收到的子帧组中的任意两个，所述子帧组由预定个数的子帧构成； 在判断结果为是的情况下，根据线性插值算法计算当前接收到的除所述第一子帧和所述第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，在判断结果为否的情况下，计算当前接收到的全部子巾贞的频率偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据线性插值算法计算当前接收到的除所述第一子帧和所述第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，包括: 计算所述第二子帧与所述第一子帧之间的偏差斜率； 根据所述偏差斜率接收计算当前接收到的除所述第一子帧和所述第二子帧之外的其他子帧的频率偏移。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述第二子帧与所述第一子帧之间的偏差斜率，包括: 根据信道脉冲响应CIR对所述第一子帧和所述第二子帧进行偏差估计，得到所述第一子帧的第一频率偏移和所述第二子帧的第二频率偏移； 根据所述第一频率偏移与所述第二频率偏移计算所述偏差斜率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据信道脉冲响应CIR对所述第一子帧进行偏差估计，包括: 从所述第一子帧中提取任意两个包含参考信号的正交频分复用OFDM符号中的所述参考信号; 根据所述参考信号分别得到所述第一子帧中的两个所述OFDM符号的第一 CIR和第二CIR ； 根据所述第一 CIR和所述第二 CIR对所述第一子帧进行偏差估计。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述参考信号分别得到所述第一子帧中的两个所述OFDM符号的第一 CIR和第二 CIR，包括: 对所述参考信号进行最小均方LS估计； 将经过所述LS估计后得到的参考信号变换到时域上； 根据变换到时域上的参考信号分别得到所述第一 CIR和所述第二 CIR。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据信道脉冲响应CIR对所述第二子帧进行偏差估计，包括: 从所述第二子帧中提取任意两个包含参考信号的正交频分复用OFDM符号中的所述参考信号; 根据所述参考信号分别得到所述第二子帧中的两个所述OFDM符号的第三CIR和第四CIR ； 根据所述第三CIR和所述第四CIR对所述第二子帧进行偏差估计。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述参考信号分别得到所述第二子帧中的两个所述OFDM符号的第三CIR和第四CIR，包括: 对所述参考信号进行最小均方LS估计；将经过所述LS估计后得到的参考信号变换到时域上； 根据变换到时域上的参考信号分别得到所述第三CIR和所述第四CIR。
8.一种基于快变多普勒信道的频偏估计装置，其特征在于，包括: 判断模块，用于判断第二子帧组中的第二子帧的编号是否与第一子帧组中的第一子帧的编号相对应，其中，所述第一子帧组和所述第二子帧组为当前接收到的子帧组中的任意两个，所述子帧组由预定个数的子帧构成； 计算模块，用于在判断结果为是的情况下，根据线性插值算法计算当前接收到的除所述第一子帧和所述第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，在判断结果为否的情况下，计算当前接收到的全部子帧的频率偏移。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括: 第一计算模块，用于计算所述第二子帧与所述第一子帧之间的偏差斜率； 第二计算模块，用 于根据所述偏差斜率接收计算当前接收到的除所述第一子帧和所述第二子巾贞之外的其他子巾贞的频率偏移。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块包括: 估计单元，用于根据信道脉冲响应CIR对所述第一子帧和所述第二子帧进行偏差估计，得到所述第一子帧的第一频率偏移和所述第二子帧的第二频率偏移； 计算单元，用于根据所述第一频率偏移与所述第二频率偏移计算所述偏差斜率。
全文摘要
本发明公开了一种基于快变多普勒信道的频谱估计方法及装置。其中，该方法包括判断第二子帧组中的第二子帧的编号是否与第一子帧组中的第一子帧的编号相对应，其中，第一子帧组和第二子帧组为当前接收到的子帧组中的任意两个，子帧组由预定个数的子帧构成；在判断结果为是的情况下，根据线性插值算法计算当前接收到的除第一子帧和第二子帧之外的其他子帧的频率偏移，在判断结果为否的情况下，计算当前接收到的全部子帧的频率偏移。通过本发明，可以提高高铁环境下的快变多普勒信道频谱估计精确，进而达到了提高无线通信系统的性能和工作效率的效果。
文档编号H04L25/02GK103188182SQ201110454248
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者李斌, 秦洪峰, 江海, 邱佳慧, 陶成 申请人:中兴通讯股份有限公司