CN101478328B - 一种频偏估计和补偿方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种频偏估计和补偿方法和装置，频偏估计和补偿方法包括以下步骤：处理随机接入消息，得到所述随机接入消息前导的每个签名的所有多径能量；判断所述签名是否有效并筛选有效签名，对所述有效签名利用插值计算进行估计频偏，进而解调所述随机接入消息；利用所述随机接入消息的预设数量时隙的消息控制部分的符号进行频偏估计，然后用所得的频偏补偿所述随机接入消息的消息数据部分和余下的消息控制部分；对经过频偏补偿的所述余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分。本发明频偏估计和补偿方法和装置采用两次频偏补偿，使得频偏估计的准确性较高，提高了消息解调性能。

Description

一种频偏估计和补偿方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种在高速情况下码分多址***接入信道频偏估计和补偿方法和装置。 

背景技术

随着移动通信技术的迅猛发展，人们对移动通信的质量及其提供的业务类型的要求越来越高，第三代移动通信***的提出及其发展正是符合了人们的这种需求，因此备受瞩目。宽带码分多址(Wideband Code-Division Multiple-Access，WCDMA)是第三代移动通信***标准化组织(3^rdGeneration Partnership Project，3GPP)提出的无线传输技术(Radio Transmission Technology，RTT)方案，它不但能提供高质量的语言服务，而且能够提供与固定网络类似的多媒体业务。 

然而，在移动通信***中，当移动台在运动中通信时，基站接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应。由于多普勒效应所引起的多普勒频率偏移在移动台高速移动时特别明显，对WCDMA通信造成严重的影响。比如，在高速铁路中，若火车速度为350公里/小时，载波频率为1.95GHZ，则接收端的最大多普勒频率偏移可达1264Hz。 

因此，业界提出启动较多的前导检测任务的构想来估计频偏。 

请参阅图1，其是WCDMA***接入信道信号示意图。 

在WCDMA***中，接入信道是一个非常重要的部分，业务的开始都是先经过接入信道接入后，再建立业务链路。接入信道接收***要检测的信号包括前导和消息两部分。其中，前导由16比特的签名重复256次构成。消息部分每帧10ms，包括15个时隙。消息部分包括消息控制部分和消息数据部分，每个消息控制部分和消息数据部分相应地对应着一个时隙。 

在现有前导检测技术中，通常比较粗糙地预设i个频偏 

对接收信号进行频偏补偿，其i＝1，2，3......。对于某个签名，对应每个频偏 

都有一个最大能量E_i。如果E_i在i个中最大能量中最大，则将E_i对应的 

作为该次前导检测的频偏估计值，并在该频偏上搜索多径，然后再将该频偏作为消息部分解调的初始 补偿频偏，这样估计出来的频偏很粗糙，从而降低了消息解调性能。 

请参阅图2，其是噪声对前导检测能量影响的示意图。 

设置三个不同频偏的前导检测任务，频偏间隔为600Hz，进行前导检测，并对前导检测的最大前导能量次数进行概率统计。由图可知，当前导的信噪比逐渐减少时，解调的最大前导能量准确次数百分比也逐渐降低。即由于噪声的影响，导致与接收到的信号频偏最接近的预置频偏对应的能量并不是最大值，噪声对解调出来的前导能量有一定影响，从而影响频偏估计的准确性，降低了消息解调性能。 

发明内容

为解决上述频偏估计和补偿方法的频偏估计的准确性低、消息解调性能低的问题，有必要提供一种频偏估计的准确性较高、消息解调性能较好的频偏估计和补偿方法。 

此外，还有必要提供一种上述的频偏估计和补偿装置。 

本发明频偏估计和补偿方法包括以下步骤： 

步骤一、处理随机接入消息，得到所述随机接入消息前导的每个签名的所有多径能量； 

步骤二、判断所述签名是否有效并筛选有效签名，对所述有效签名利用插值计算进行估计频偏，进而解调所述随机接入消息； 

步骤三、利用所述随机接入消息的预设数量时隙的消息控制部分的符号进行频偏估计，然后用所得的频偏补偿所述随机接入消息的消息数据部分和余下的消息控制部分； 

步骤四、对经过频偏补偿的所述余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分。 

所述步骤一中处理随机接入消息包括：对所述随机接入消息与扰码相关相乘完成解扰、与频率偏移值相乘完成解频偏、与不同的签名相关相乘完成解签名、按给定的长度完成相干积分。 

所述步骤二中判断所述签名是否有效包括：将每个所述签名的每个多径能量与预先设定的固定门限值比较，能量大于固定门限值的记录为有效多径，若一个签名至少一个多径能量大于固定门限值，则所述签名为有效签名，否则，所述签 名为无效签名。 

所述步骤二中所述插值计算包括：先选取最大的多径能量及其对应的预设频偏，再选取与所述预设频偏相邻的预设频偏及相邻的预设频偏对应的各自最大的多径能量，然后对所选取的多径能量和对应的预设频偏进行插值计算。 

所述步骤三中频偏估计包括：先对所述预设数量时隙的消息控制部分的导频进行去极化处理，再累加去极化处理的结果来进行频偏估计。 

本发明频偏估计和补偿装置包括一频偏估计模块，所述频偏估计模块接收随机接入消息，所述频偏估计模块用于对所述随机接入消息的预设数量时隙的消息控制部分的符号进行频偏估计，并用所得的频偏补偿所述随机接入消息的消息数据部分和余下的消息控制部分。 

所述频偏估计模块先对所述预设数量时隙的消息控制部分的符号进行去极化处理，再累加去极化处理的结果来进行频偏估计。 

所述频偏估计和补偿装置包括一信道估计模块，所述信道估计模块对经过频偏补偿的所述余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分。 

所述随机接入消息为经过一次频偏补偿的随机接入消息。 

所述的频偏估计和补偿装置包括一接入设备，所述接入设备用于接收并处理未经过频偏补偿的随机接入消息，得到消息前导的每个签名的所有多径能量，所述频偏估计模块判断所述签名是否有效并筛选有效签名，对所述有效签名利用插值计算进行估计频偏，进而解调所述未经过频偏补偿的随机接入消息，得到所述经过一次频偏补偿的随机接入消息。 

与现有技术相比较，本发明频偏估计和补偿方法采用两次频偏补偿，第一次利用插值计算估计频偏，初步解调随机接入消息，第二次选取随机接入消息的部分消息控制部分的每个导频处理后得到频偏，然后用所得的频偏补偿消息数据部分和余下的消息控制部分，对经过频偏补偿的余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分，从而使得频偏估计的准确性较高，提高了消息解调性能。 

在结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。 

附图说明

图1是WCDMA***接入信道信号示意图； 

图2是噪声对前导检测能量影响的示意图； 

图3是本发明频偏估计和补偿方法的流程示意图； 

图4是利用本发明与现有技术分别得到的性能仿真曲线图； 

图5是本发明频偏估计和补偿装置的构造示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明频偏估计和补偿方法和装置进行说明。 

请参阅图3，其是本发明频偏估计和补偿方法的流程示意图。 

本发明频偏估计和补偿方法包括如下步骤： 

步骤S1、处理随机接入消息，得到所述随机接入消息前导的每个签名的所有多径能量； 

通过对随机接入消息与扰码相关相乘完成解扰、与频率偏移值相乘完成解频偏、与不同的签名相关相乘完成解签名、按给定的长度完成相干积分，得到每个签名的所有多径的能量。 

步骤S2、判断所述签名是否有效并筛选有效签名，对所述有效签名利用插值计算进行估计频偏，进而解调所述随机接入消息； 

对于每个签名，将其每个多径能量与预先设定的固定门限值比较，能量大于固定门限值的记录为有效多径，并将不大于固定门限值的多径舍弃。 

一个签名的所有多径能量都不大于固定门限值，则说明该签名为无效签名。如果一个签名至少一个多径能量大于固定门限值，则说明该签名为有效签名。 

对判决有效的签名，选取多径能量的最大值E_i对应的预设频偏Δf_i，再选择与Δf_i相邻的预设频偏Δf_i-1，Δf_i+1，且Δf_i-1对应若干个的多径能量，选取其中最大值E_i-1，Δf_i+1对应若干个的多径能量，选择其中最大值E_i+1。利用Δf_i-1，Δf_i，Δf_i+1及其对应的E_i-1，E_i，E_i+1进行插值计算，得出所有多径能量最大值的最大值E_max并以此来估计频偏。选取E_max对应的多径和估计出来的频偏移解调随机接入消息。 

步骤S3、利用所述随机接入消息的预设数量时隙的消息控制部分的符号进行频偏估计，然后用所得的频偏补偿所述随机接入消息的消息数据部分和余下的 消息控制部分； 

消息部分包括N个时隙，选择经过解调后的预设数量n个时隙(0＜n＜N)的消息控制部分的每个导频进行去极化处理，再累加经过去极化后的导频，并进行一次频偏估计。 

第p条径接收到的消息控制部分的相邻两个符号(symbol)为S_p，1和S_p，2，其中p为多径编号，1，2分别为符号计数。且 $S_{p,1}=a{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1},$ $S_{p,2}={\mathrm{be}}^{j({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)},$ 其中a和θ₁分别表示第p条径第1个符号的幅度和相位偏移，b和分别表示第p条径第2个符号的幅度和相位偏移θ₁+θ₂，θ₃表示两符号的相位差，*表示复数共扼。S_p，1和S_p，2复共扼相乘： 

$S_{p,2}\×{S_{p,1}}^{*}={\mathrm{be}}^{j({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}\×a{e}^{-j{\mathrm{\θ}}_1}=\mathrm{ab}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_2}$

其中，*为复数共扼，求得S_p，1到S_p，2相位转动的大小。在去极性后，第p条径的消息控制部分符号用SMsgCtrl(k)表示，则SMsgCtrl(k)的自相关函数Rp(d)为： 

$\mathrm{Rp}\left(d\right)=\frac{1}{L}\underset{k=K-L}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SMsgCtrl}\left(k\right)\mathrm{SMsgC}{\mathrm{trl}}^{*}(k-d)$

其中，*表示复数共扼，d表示相关符号间隔，K表示当前最近的消息控制部分符号下标，L表示用来计算自相关函数的消息控制部分符号数。 

估计频偏Foffset为： 

$\mathrm{Foffset}=\mathrm{angle}\left[\frac{1}{P}\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Rp}\left(d\right)\right]/\mathrm{Tsymbol}/2\mathrm{\π}$

其中，d＞0，angle为取相角函数，angle以弧度为单位，Tsymbol为d个消息控制部分符号持续的时间，为d/15000秒，频偏Foffset的单位为Hz。在各次估计之间也可以进行适当的IIR滤波。 

由于在步骤S2进行了频偏补偿，即频偏Foffset是进行一定的频偏补偿之后的残余频偏，所以数值较小。且，当相角a较小时，a＝tg(a)，所以： 

$\mathrm{Foffset}=\mathrm{Im}\left[\frac{1}{P}\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Rp}\left(d\right)\right]/\mathrm{Re}\left[\frac{1}{P}\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Rp}\left(d\right)\right]/\mathrm{Tsymbol}/2\mathrm{\π}$

再用估计出来的频偏Foffset补偿消息数据部分和余下N-n个时隙的消息控制部分。 

步骤S4、对经过频偏补偿的所述余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分。 

对经过补偿的余下N-n个时隙的消息控制部分进行信道估计，并且用信道估计的结果来补偿消息的数据部分。 

请参阅图4，其是利用本发明与现有技术分别得到的性能仿真曲线图。 

在消息部分为360bits，传输时间间隔TTI＝20ms，衰落环境为case3的条件下，利用本发明频偏估计和补偿方法得到的性能仿真曲线图以及现有技术的性能仿真曲线图。由图可知，在同一信噪水平时，采用本发明频偏估计和补偿方法得到的仿真曲线的误码率较现有技术得到的仿真曲线低。 

请参阅图5，其是本发明频偏估计和补偿装置的构造示意图。 

频偏估计和补偿装置包括一接入设备101，一频偏估计模块102和一信道估计模块103。其中，接入设备101通过对随机接入消息与扰码相关相乘完成解扰、与频率偏移值相乘完成解频偏、与不同的签名相关相乘完成解签名、按给定的长度完成相干积分，得到每个签名的所有多径的能量。频偏估计模块102完成两次频偏补偿，首先，其判断所述签名是否有效并筛选有效签名，对所述有效签名利用插值计算进行估计频偏，进而解调所述随机接入消息，再利用所述随机接入消息的预设数量时隙的消息控制部分的符号进行频偏估计，然后用所得的频偏补偿所述随机接入消息的消息数据部分和余下的消息控制部分。信道估计模块103用于对经过频偏补偿的所述余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分。 

与现有技术相比较，本发明频偏估计和补偿方法和装置采用两次频偏补偿，第一次利用插值计算估计频偏，初步解调随机接入消息，第二次选取随机接入消息的部分消息控制部分的每个导频处理后得到频偏，然后用所得的频偏补偿消息数据部分和余下的消息控制部分，对经过频偏补偿的余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分，从而使得频偏估计的准确性较高，提高了消息解调性能。另外，第一次估计频偏仅仅利用三个能量值与对应的预设频偏进行插值计算方法，减少了处理的复杂度。 

以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种频偏估计和补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、处理随机接入消息，得到所述随机接入消息前导的每个签名的所有多径能量；

步骤二、判断所述签名是否有效并筛选有效签名，对所述有效签名利用插值计算进行估计频偏，进而解调所述随机接入消息；

步骤三、利用所述随机接入消息的预设数量时隙的消息控制部分的符号进行频偏估计，然后用所得的频偏补偿所述随机接入消息的消息数据部分和余下的消息控制部分；

步骤四、对经过频偏补偿的所述余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分。

2.根据权利要求1所述的频偏估计和补偿方法，其特征在于，所述步骤一中处理随机接入消息包括对所述随机接入消息与扰码相关相乘完成解扰、与频率偏移值相乘完成解频偏、与不同的签名相关相乘完成解签名、按给定的长度完成相干积分。

3.根据权利要求1所述的频偏估计和补偿方法，其特征在于，所述步骤二中判断所述签名是否有效包括：将每个所述签名的每个多径能量与预先设定的固定门限值比较，能量大于固定门限值的记录为有效多径，若一个签名至少一个多径能量大于固定门限值，则所述签名为有效签名，否则，所述签名为无效签名。

4.根据权利要求1所述的频偏估计和补偿方法，其特征在于，所述步骤二中所述插值计算包括：先选取最大的多径能量及其对应的预设频偏，再选取与所述预设频偏相邻的预设频偏及相邻的预设频偏对应的各自最大的多径能量，然后对所选取的多径能量和对应的预设频偏进行插值计算。

5.根据权利要求1所述的频偏估计和补偿方法，其特征在于，所述步骤三中频偏估计包括：先对所述预设数量时隙的消息控制部分的符号进行去极化处理，再累加去极化处理的结果来进行频偏估计。

6.一种频偏估计和补偿装置，其包括一频偏估计模块，所述频偏估计模块接收随机接入消息，其特征在于，还包括一接入设备，所述接入设备用于接收并处理未经过频偏补偿的随机接入消息，得到消息前导的每个签名的所有多径能量；

所述频偏估计模块用于判断所述签名是否有效并筛选有效签名，对所述有效签名利用插值计算进行估计频偏，进而解调所述未经过频偏补偿的随机接入消息，得到所述经过一次频偏补偿的随机接入消息；对所述随机接入消息的预设数量时隙的消息控制部分的符号进行频偏估计，并用所得的频偏补偿所述随机接入消息的消息数据部分和余下的消息控制部分；

还包括一信道估计模块，所述信道估计模块对经过频偏补偿的所述余下消息控制部分进行信道估计，用所述信道估计的结果来补偿所述消息数据部分。

7.根据权利要求6所述的频偏估计和补偿装置，其特征在于，所述频偏估计模块先对所述预设数量时隙的消息控制部分的符号进行去极化处理，再累加去极化处理的结果来进行频偏估计。

8.根据权利要求6所述的频偏估计和补偿装置，其特征在于，所述频偏估计模块进行频偏估计的随机接入消息为经过一次频偏补偿的随机接入消息。

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