專利名稱：一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，屬于無線移動通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著軍用和民用無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，OFDM技術(shù)結(jié)合多天線技術(shù)的物理層構(gòu)架能夠?qū)崿F(xiàn)高頻譜效率、高速寬帶無線傳輸。數(shù)據(jù)符號傳輸速率可以高達(dá)IOOMbps以上，并隨著天線數(shù)的增加及無線移動領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的日益改進(jìn)，信號的覆蓋效果也越來越好。通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加，使得無線通信系統(tǒng)的傳輸速率大幅提升，目前可以檢索到的軍用或民用無線通信系統(tǒng)的理論物理層峰值速率可高達(dá)幾百M(fèi)bps。另外，由于近年來波束賦形技術(shù)的飛速發(fā)展，各種無線系統(tǒng)的信號覆蓋范圍也明顯增加。通過波束賦形，發(fā)射天線可將信號主瓣對準(zhǔn)目標(biāo)用戶，一方面可提高目標(biāo)用戶在接收端獲得的信噪比，從而可增大覆蓋范圍；另一方面可以減小對其它用戶對系統(tǒng)的干擾，提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量。同步是無線通信系統(tǒng)接收機(jī)的一項(xiàng)重要任務(wù)，其性能關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的性能，因此必須盡可能地提高同步的可靠性和精確性。頻率同步使接收到的載波頻率與發(fā)送的載波頻率保持一致。在無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了恢復(fù)發(fā)送信息，必須對解調(diào)器的輸出進(jìn)行周期性的采樣。當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測時接收機(jī)還需要提取一個與發(fā)射載波同頻同相的載波。由于OFDM符號由多個正交子載波疊加構(gòu)成，保持正交性是至關(guān)重要的，因此頻率同步的精度必須很高。2003年電子科技大學(xué)學(xué)報“一種利用PN序列的OFDM頻率同步”闡述了基于PN前導(dǎo)序列進(jìn)行頻率同步，此算法實(shí)現(xiàn)簡單，但精度不夠高。2008年9月應(yīng)用科技雜志“基于CAZAC序列的OFDM同步算法”，分別闡述了基于具有恒包絡(luò)自相關(guān)特性的前導(dǎo)序列進(jìn)行頻率同步，并且前導(dǎo)序列是重復(fù)的訓(xùn)練序列，其優(yōu)勢在于不易受頻率偏差注入噪聲的影響，但沒有結(jié)合多天線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不適用于多天線MMO系統(tǒng)中。2008年申請?zhí)朇N101309248A，題為“使用于OFDM通信系統(tǒng)的頻率同步方法及裝置”的專利，針對OFDM系統(tǒng)給出了一種OFDM通信系統(tǒng)的頻率同步方法和頻偏同步裝置，雖可在數(shù)字域上補(bǔ)償頻偏且消除了虛載波和FFT點(diǎn)數(shù)不是子載波間隔整數(shù)倍對時域周期性的影響，但未結(jié)合多天線技術(shù)，且估計載波頻偏精度不高。2009年浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文“基于802. Iln無線局域網(wǎng)的同步技術(shù)研究”中針對無線局域網(wǎng)前導(dǎo)訓(xùn)練符號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給出了一種改進(jìn)的頻率同步算法，雖與傳統(tǒng)頻率同步方法相比能夠減小頻偏估計的均方誤差，但是具有同步精度偏低的缺點(diǎn)。2012年申請?zhí)朇N102546514A，題為“OFDM系統(tǒng)頻率同步的方法和設(shè)備”的專利，針對OFDM系統(tǒng)提出了利用數(shù)字鎖相環(huán)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)載波頻偏和采樣頻偏的聯(lián)合估計，降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度且提高了估計精度，但同樣不適合于多天線MMO系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是進(jìn)一步提高現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的頻率同步精度，在傳統(tǒng)頻率同步基礎(chǔ)上，提出一種基于粗頻率同步和精頻率同步的聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法。定義OFDM系統(tǒng)中用于同步的特殊字段包含短訓(xùn)練字段和長訓(xùn)練字段。其中短訓(xùn)練字段包括自相關(guān)性強(qiáng)、互相關(guān)性弱的偽隨機(jī)序列及其循環(huán)前綴；長訓(xùn)練字段包含循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)和長訓(xùn)練序列I、長訓(xùn)練序列2 ;兩個長訓(xùn)練序列頻域響應(yīng)相同，且均為恒包絡(luò)零自相關(guān)序列，能采用Zadoff-Chu、或者Frank、或者Go lomb多項(xiàng)序列、或者Chirp序列。一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)利用短訓(xùn)練字段進(jìn)行粗頻率同步以糾正整數(shù)倍頻偏并基于粗頻率同步結(jié)果進(jìn)行頻偏補(bǔ)償；再利用頻偏補(bǔ)償后的信號以及長訓(xùn)練字段，結(jié)合分段相關(guān)算法進(jìn)行頻率估計得載波頻偏I(xiàn) ;再基于MMSE準(zhǔn)則得載波頻偏2 ;進(jìn)一步基于均方誤差準(zhǔn)則得載波頻偏3。最后基于載波頻偏3即精頻偏估計的結(jié)果，對接收到的信號進(jìn)行頻偏糾正，大大降低了無線系統(tǒng)同步均方誤差，有效提高了同步精度。本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟I，無線通信系統(tǒng)發(fā)送天線數(shù)為S(S> I的整數(shù))，接收天線數(shù)為R (R彡I的整數(shù))。對系統(tǒng)接收端的每一條接收鏈路收到的短訓(xùn)練字段做相關(guān)運(yùn)算。設(shè)第k 條(k=l, 2, . . .，R)接收鏈路收到的信號為 rk—all (n) = {rk(n), rk d(η)}。其中，rk d(n)表示接收到的數(shù)據(jù)字段，rk(η)表示接收到的同步特殊字段，表示為!\{η)=X"1 Λ Λ + oj ,.{n)=xAj7)e +ω,. (/ ) (I)其中Af為系統(tǒng)頻率偏差，Y = Af/fs=Af/(l/Ts) = AfTs為歸一化載波頻率偏移，子載波間隔fs=l/Ts;N為子載波的個數(shù)，Ts為子信道碼元持續(xù)時間。Xk(η)為第k條發(fā)送鏈路的同步特殊字段，cok(n)為第k條發(fā)送鏈路同步特殊字段上的噪聲，rk(η)為第k條接收鏈路的同步特殊字段；三者均由兩部分組成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對應(yīng)“第 k 條發(fā)送鏈路的短訓(xùn)練字段”、“第k條發(fā)送鏈路短訓(xùn)練字段上的噪聲”以及“第k條接收鏈路的短訓(xùn)練字段” ;xlk(n)、wlk(η)和rlk(n)分別對應(yīng)“第k條發(fā)送鏈路的長訓(xùn)練字段”、“加到第k條發(fā)送鏈路長訓(xùn)練字段上的噪聲”以及“第k條接收鏈路的長訓(xùn)練字段”。第k條(k = 1，2，. . .，R)接收鏈路收到的短訓(xùn)練字段rsk(n)進(jìn)一步表示為
rSk (")=“ in)ennnTAfSN + msk {n)=Xsk (//K 一 + ω,,. (η)(2)對第k條接收鏈路的短訓(xùn)練字段rsk(n)做相關(guān)運(yùn)算得到Rsk ⑶
/F=O
I1J [{
=Tl^sMf ·(功N · ☆(功+ (於帶產(chǎn)—-wsl*(nY\ wsk{nf)
/ =0 / =()其中Xsk(η) =Xsk(I^D1)，D1和L1分別為短訓(xùn)練字段的相關(guān)序列間隔和相關(guān)長度。
步驟2，基于步驟I輸出的結(jié)果Rsk，估計第k條接收鏈路的載波頻率偏移
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I，無線通信系統(tǒng)發(fā)送天線數(shù)為S，接收天線數(shù)為R ;對系統(tǒng)接收端的每一條接收鏈路收到的短訓(xùn)練字段做相關(guān)運(yùn)算；設(shè)第k條接收鏈路收到的信號為rk all (η) = {rk(η), rk d(n), k = I, 2, . . . , R ；rk d(n)為接收的數(shù)據(jù)字段，rk(n)為第k條接收鏈路的同步特殊字段，表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，其特征在于對長訓(xùn)練序列I和長訓(xùn)練序列2的分割原則相同，采用平均分割或者非平均分割；
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，其特征在于x和y分別為取值范圍為3到10的實(shí)數(shù)；
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，其特征在于
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，其特征在于不同的無線信道環(huán)境下的頻率估計結(jié)果為 . 1)無線信道Eb/No>25dB，頻率估計結(jié)果=Ji; . 2)無線信道15dB〈Eb/No〈25dB，頻率估計結(jié)果=7,； .3)無線信道5dB〈Eb/No〈15dB，頻偏估計結(jié)果3fp=jb\. 4)無線信道Eb/No〈5dB，頻偏估計結(jié)果=Jc ο
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，其特征在于所述同步特殊字段包含短訓(xùn)練字段和長訓(xùn)練字段；其中短訓(xùn)練字段包括自相關(guān)性強(qiáng)、互相關(guān)性弱的偽隨機(jī)序列及其循環(huán)前綴；長訓(xùn)練字段包含循環(huán)前綴、長訓(xùn)練序列I和長訓(xùn)練序列2 ；兩個長訓(xùn)練序列頻域響應(yīng)相同，且均為恒包絡(luò)零自相關(guān)序列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聯(lián)合估計載波頻偏的頻率同步方法，屬于無線移動通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法利用短訓(xùn)練字段進(jìn)行粗頻率同步以糾正整數(shù)倍頻偏并基于粗頻率同步結(jié)果進(jìn)行頻偏補(bǔ)償；再利用頻偏補(bǔ)償后的信號以及長訓(xùn)練字段，結(jié)合分段相關(guān)算法進(jìn)行頻率估計得載波頻偏1；再基于MMSE準(zhǔn)則得載波頻偏2；進(jìn)一步基于均方誤差準(zhǔn)則得載波頻偏3，并給出不同無線信道環(huán)境下的頻率同步結(jié)果。最后基于頻率同步結(jié)果，對接收到的信號進(jìn)行頻偏糾正，大大降低了無線系統(tǒng)同步均方誤差，有效提高了同步精度。
文檔編號H04L27/26GK102970271SQ20121053025
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者盧繼華, 鄭建勇, 安建平, 卜祥元, 劉丹 申請人:北京理工大學(xué)