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CN106453193A - 频偏估计方法及装置 - Google Patents

频偏估计方法及装置 Download PDF

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CN106453193A CN201611060464.7A CN201611060464A CN106453193A CN 106453193 A CN106453193 A CN 106453193A CN 201611060464 A CN201611060464 A CN 201611060464A CN 106453193 A CN106453193 A CN 106453193A
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Abstract

本文公开一种频偏估计方法及装置，该方法可包括：针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果；利用所述第一频偏估计结果对所述接收信号进行频偏补偿，并利用所述频偏补偿后的接收信号建立针对发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数；通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计。本文不仅实现了对频偏和信道的联合估计，而且兼顾了频偏估计的较大范围、更高精度，并兼顾到信道状况对频偏估计的影响。

Description

频偏估计方法及装置
技术领域
本申请涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种频偏估计方法及装置。
背景技术
现代移动通信追求更快的传输速率、更良好的传输质量、更高的频谱效率以及更大的系统容量。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)为多载波传输方案的实现方式之一，是复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案，由于其具有极高的频谱效率，已经成为第四代移动多媒体通信的关键技术之一。但是OFDM技术对频偏比较敏感，频偏的产生会破坏OFDM子载波间的正交性，进而产生载波间干扰。为了抑制载波间干扰，需要在接收端对频偏进行补偿，而有效补偿的前提是准确估计频偏。
目前，相关技术的频偏估计方法存在如下缺陷：1)频偏估计的精度和频偏估计的范围无法兼顾；2)频偏估计中很少考虑信道的影响，而实际应用中信道估计与频偏估计两者之间相互联系、相互制约，信道估计在很大程度上影响着频偏估计结果的准确性，只有同时兼顾频偏估计和信道估计，才能够使频偏估计更为精确。
基于以上原因，需要一种能够兼顾信道估计、频偏估计范围以及频偏估计精确性的频偏估计方案。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种频偏估计方法及装置。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种频偏估计方法，包括：
针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果；
利用所述第一频偏估计结果对所述接收信号进行频偏补偿，并利用所述频偏补偿后的接收信号建立针对发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数；
通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计。
其中，所述通过所述似然函数完成所述接收信号频偏的二次估计，包括：
利用所述第一频偏估计结果和前一帧的信道估计结果对所述似然函数求偏导，得到发送信号估计值；
利用所述第一频偏估计结果和所述发送信号估计值对所述似然函数求偏导，得到针对当前帧信道的信道估计值；
利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果。
其中，所述似然函数为：
其中，r'(n)为频偏补偿后的接收信号，N(n)为加性高斯噪声，j为虚数单位，h()、h表示信道的脉冲响应，ε表示所述第一频偏估计结果，s、s()表示发送信号，L表示非零分量的个数，N表示当前正交频分复用OFDM子载波的个数。
其中，利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果，包括：
通过下式计算得到第二频偏估计结果：
其中，Λ表示所述似然函数，表示所述信道估计值，表示所述发送信号估计值，表示所述第二频偏估计结果。
其中，通过下式进行所述频偏补偿：
其中，r'(n)为频偏补偿后的接收信号，r(n)表示接收信号，表示第一频偏估计结果。
其中，针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果，包括：
通过t(n)＝r(n)·(c(n))*将接收信号r(n)与本地序列c(n)作共轭相关；
通过将所述接收信号与本地序列共轭相关的结果t(n)与其自身延时t(n+Lε)进行共轭相关；
通过得到所述第一频偏估计结果
其中，N表示当前正交频分复用OFDM子载波的个数，n是时间的抽样表示，m是0到N/Lε-2之间的实数，Lε表示时延。
其中，在加性高斯白噪声信道下，Lε设定为在32上下的预设范围内浮动。
一种频偏估计装置，包括：
第一频偏估计单元，用于针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果；
第二频偏估计单元，用于利用所述第一频偏估计结果对所述接收信号进行频偏补偿，利用所述频偏补偿后的接收信号建立针对发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数，并通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计。
其中，所述第二频偏估计单元，用于通过所述似然函数完成所述接收信号频偏的二次估计，包括：
利用所述第一频偏估计结果和前一帧的信道估计结果对所述似然函数求偏导，得到发送信号估计值；
利用所述第一频偏估计结果和所述发送信号估计值对所述似然函数求偏导，得到针对当前帧信道的信道估计值；
利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果。
其中，第一频偏估计单元，用于通过将时延Lε设置为较小值进行频偏估计，得到第一频偏估计结果。
本发明实施例提供了一种频偏估计方法及装置，首先通过粗估计的方式得到第一频偏估计结果，以获取较大的频偏估计范围，然后利用第一频偏估计结果对接收信号进行频偏补偿，之后再基于该补偿后的接收信号构造似然函数，不仅通过频偏补偿提高了估计精度，而且通过似然函数在频偏估计之中考虑到了信道状况对频偏估计的影响，实现了对频偏和信道的联合估计，从而兼顾了频偏估计的较大范围、更高精度以及信道状况的影响。
附图说明
在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为本发明实施例频偏估计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例频偏估计装置的组成结构示意图。
具体实施方式
本申请提供一种频偏估计方法及装置，采用分步估计的方式实现频偏估计，不仅能够兼顾频偏估计的大范围和高精度，而且通过对信道估计进行准确的修正并加以利用，在频偏估计中兼顾了信道状况的影响，实现了频偏和信道的联合估计。
如图1所示，本申请提供一种频偏估计方法，可以包括如下步骤：
步骤101，针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果；
步骤102，利用所述第一频偏估计结果对所述接收信号进行频偏补偿，并利用所述频偏补偿后的接收信号建立针对发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数；
步骤103，通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计。
本申请中，频偏估计方法包含频偏粗估计和频偏精估计，其中，首先利用频偏粗估计得到的第一频偏估计结果对接收信号进行频偏补偿，然后建立关于发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数，最后通过似然函数最终完成对频偏的精确估计。
实际应用中，可以通过对似然函数先后针对不同变量求偏导，完成对频偏的精确估计以及信道估计。通过对所述似然函数的每个分量求偏导来寻找合适的频偏、信道估计值以最大化似然函数，从而完成所述二次频偏估计。
在一些实现方式中，通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计，可以通过如下过程实现：利用所述第一频偏估计结果和前一帧的信道估计结果对所述似然函数求偏导，得到发送信号估计值；利用所述第一频偏估计结果和所述发送信号估计值对所述似然函数求偏导，得到针对当前帧信道的信道估计值；利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果。
在一些实现方式中，在步骤101中通过将时延Lε设置为较小值进行频偏估计，得到第一频偏估计结果。如此，通过选取较小值的Lε，可以获取较大的频偏估计范围。实际应用中，时延Lε的具体取值应基于实际的信道状况，在加性高斯白噪声信道下，Lε可以设定为在32上下浮动。
本申请中，将频偏精估计分三步进行，首先利用频偏粗估计得到的第一频偏估计结果和前一帧的信道估计结果得到发送信号估计值，然后结合第一频偏估计结果与发送信号估计值得到针对当前帧信道的信道估计值，最后利用发送信号估计值和当前帧信道的信道估计值对频偏进行二次修正，完成对频偏的精确估计。这样，可以实现对频偏和信道的联合估计。
本申请中，采用分步估计的方式兼顾了频偏估计的范围和精度。首先通过粗估计的方式得到第一频偏估计结果，然后利用第一频偏估计结果对接收信号进行频偏补偿，之后再基于该补偿后的接收信号构造似然函数，不仅通过频偏补偿提高了估计精度，而且通过似然函数在频偏估计之中考虑到了信道状况对频偏估计的影响，实现了对频偏和信道的联合估计。
如图2所示，本申请还提供一种频偏估计装置，包括：
第一频偏估计单元21，用于针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果；
第二频偏估计单元22，用于利用所述第一频偏估计结果对所述接收信号进行频偏补偿，利用所述频偏补偿后的接收信号建立针对发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数，并通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计。
在一些实现方式中，所述第二频偏估计单元22，用于通过所述似然函数完成所述接收信号频偏的二次估计，可以包括：利用所述第一频偏估计结果和前一帧的信道估计结果对所述似然函数求偏导，得到发送信号估计值；利用所述第一频偏估计结果和所述发送信号估计值对所述似然函数求偏导，得到针对当前帧信道的信道估计值；利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果。
在一些实现方式中，第一频偏估计单元21可用于通过将时延Lε设置为较小值进行频偏估计，得到第一频偏估计结果。如此，通过选取较小值的Lε，可以获取较大的频偏估计范围。实际应用中，时延Lε的具体取值应基于实际的信道状况，在加性高斯白噪声信道下，可以通过第一频偏估计单元21将Lε设定为在32上下的预设范围内浮动，其中该预设范围的具体取值可以通过实验得到。
本申请的上述装置，采用分步估计的方式兼顾了频偏估计的范围和精度。首先通过粗估计的方式得到第一频偏估计结果，然后利用第一频偏估计结果对接收信号进行频偏补偿，之后再基于该补偿后的接收信号构造似然函数，不仅通过频偏补偿提高了估计精度，而且通过似然函数在频偏估计之中考虑到了信道状况对频偏估计的影响，实现了对频偏和信道的联合估计。
下面对本申请频偏估计方法的具体实现过程进行详细说明。
本申请频偏估计方法以如下系统模型为基础：
假设N为OFDM子载波的个数，则在发送端，发送信号经过离散傅里叶逆变换之后的输出结果如式(1)所示：
其中，s(n)表示发送信号，X(k)为发送信号的频域表示，j为虚数单位；h＝[h(0),h(1),…,h(N-1)]T，表示多径信道的脉冲响应，并且其中只有前L个分量非零。
当系统存在归一化频偏ε时，在接收端，接收信号的时域表达式如下式(2)所示：
其中，r(n)表示接收信号，N(n)为加性高斯噪声，j为虚数单位，h(l)表示多径信道的脉冲响应。
本申请频偏估计方法的具体实现过程可以包括：
第一步，进行频偏粗估计。
首先将接收信号与本地序列c(n)作共轭相关，即通过如下式(3)实现共轭相关处理。
t(n)＝r(n)·(c(n))* (3)
由于与本地序列相关已经消除了训练序列的影响，因此可以取任意长度Lε相关进行频偏估计，即将t(n)与自身延迟t(n+Lε)共轭相关，即执行下式(4)的处理。
其中，n是时间的抽样表示，m是0到N/Lε-2之间的实数，Lε表示时延。
通过下式(5)得到频偏粗估计的结果，即得到频偏估计的第一频偏估计结果：
为了获得较大的频偏估计范围，上式中Lε应取较小的值，但是此次频偏估计在估计精度上还有所欠缺，需要进行第二步对频偏的精确估计。实际应用中，时延Lε的具体取值应基于实际的信道状况，在加性高斯白噪声信道下，可以将Lε设定为在32上下浮动。
第二步，对频偏与信道进行联合估计。
首先，建立发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数，即建立下式(6)所示的函数关系。
为了增加频偏估计的精确度，首先利用第一步得到的第一频偏估计结果对接收信号r(n)进行频偏补偿，即执行下式(7)所示的处理：
将频偏补偿后的接收信号替换式(6)中的r(n)得到下式(8)所示的似然函数。
将频偏与信道联合估计的目的是寻找合适的ε、h和s，以最大化似然函数，为此可以对似然函数的每个变量求偏导，得到频偏估计的第二频偏估计结果，该第二频偏估计结果即为最终的精估计结果。
其中，对似然函数的每个变量求偏导的具体步骤如下：
1)通过下式(9)得到发送信号估计值其中即为式(5)得到的第一频偏估计结果。
假定信道慢衰落，此时信道在帧间变化缓慢，因此式(9)可以使用前一帧的信道估计结果对当前帧的信道进行近似处理。
2)利用频偏粗估计得到的第一频偏估计结果以及式(9)得到的发送信号估计值通过下式(10)得到针对当前帧信道的信道估计值
3)结合发送信号估计值以及信道估计值通过下式(11)和式(12)完成对频偏的二次估计，得到频偏估计的第二频偏估计结果该第二频偏估计结果即为频偏估计的最终结果。
本申请中，针对OFDM的频偏估计分为粗估计和精估计，粗估计的步骤兼顾了频偏估计精度以及频偏估计范围，精估计的步骤采用似然函数对信道和频偏进行联合估计，进一步提高频偏的估计精度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种频偏估计方法，其特征在于，包括：
针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果；
利用所述第一频偏估计结果对所述接收信号进行频偏补偿，并利用所述频偏补偿后的接收信号建立针对发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数；
通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计。
2.根据权利要求1所述的频偏估计方法，其特征在于，所述通过所述似然函数完成所述接收信号频偏的二次估计，包括：
利用所述第一频偏估计结果和前一帧的信道估计结果对所述似然函数求偏导，得到发送信号估计值；
利用所述第一频偏估计结果和所述发送信号估计值对所述似然函数求偏导，得到针对当前帧信道的信道估计值；
利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果。
3.根据权利要求2所述的频偏估计方法，其特征在于，所述似然函数为：
Λ ( ϵ , h , s ) = Σ n = 0 N - 1 | r ′ ( n ) - exp [ j 2 π n ϵ / N ] Σ l = 0 L - 1 h ( l ) s ( n - l ) | 2 ;
其中，r'(n)为频偏补偿后的接收信号，N(n)为加性高斯噪声，j为虚数单位，h()、h表示信道的脉冲响应，ε表示所述第一频偏估计结果，s、s()表示发送信号，L表示非零分量的个数，N表示当前正交频分复用OFDM子载波的个数。
4.根据权利要求3所述的频偏估计方法，其特征在于，利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果，包括：
通过下式计算得到第二频偏估计结果：
∂ Λ ∂ ϵ | h = h f ^ , s = s ^ = 0 ;
ϵ ^ f = Σ n = 0 N - 1 N 2 π n arg ( r ′ ( n ) Σ l = 0 L - 1 h f ^ ( l ) s ^ ( n - l ) ) ;
其中，Λ表示所述似然函数，表示所述信道估计值，表示所述发送信号估计值，表示所述第二频偏估计结果。
5.根据权利要求3所述的频偏估计方法，其特征在于：通过下式进行所述频偏补偿：
r ′ ( n ) = r ( n ) exp [ - j 2 π n ϵ ^ / N ] ;
其中，r'(n)为频偏补偿后的接收信号，r(n)表示接收信号，表示第一频偏估计结果。
6.根据权利要求1至5任一项所述的频偏估计方法，其特征在于，针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果，包括：
通过t(n)＝r(n)·(c(n))*将接收信号r(n)与本地序列c(n)作共轭相关；
通过将所述接收信号与本地序列共轭相关的结果t(n)与其自身延时t(n+Lε)进行共轭相关；
通过得到所述第一频偏估计结果
其中，N表示当前正交频分复用OFDM子载波的个数，n是时间的抽样表示，m是0到N/Lε-2之间的实数，Lε表示时延。
7.根据权利要求6所述的频偏估计方法，其特征在于，在加性高斯白噪声信道下，Lε设定为在32上下的预设范围内浮动。
8.一种频偏估计装置，其特征在于，包括：
第一频偏估计单元，用于针对接收信号进行频偏估计，得到第一频偏估计结果；
第二频偏估计单元，用于利用所述第一频偏估计结果对所述接收信号进行频偏补偿，利用所述频偏补偿后的接收信号建立针对发送信号、频偏以及信道冲击响应的似然函数，并通过所述似然函数完成针对所述接收信号的二次频偏估计。
9.根据权利要求8所述的频偏估计装置，其特征在于，所述第二频偏估计单元，用于通过所述似然函数完成所述接收信号频偏的二次估计，包括：
利用所述第一频偏估计结果和前一帧的信道估计结果对所述似然函数求偏导，得到发送信号估计值；
利用所述第一频偏估计结果和所述发送信号估计值对所述似然函数求偏导，得到针对当前帧信道的信道估计值；
利用所述发送信号估计值和针对当前帧信道的信道估计值对所述似然函数求偏导，并对所述第一频偏估计结果进行修正，得到第二频偏估计结果。
10.根据权利要求8所述的频偏估计装置，其特征在于，第一频偏估计单元，用于通过将时延Lε设置为较小值进行频偏估计，得到第一频偏估计结果。
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