CN101958872A - 搜索最佳载波频率偏移校正值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搜索最佳载波频率偏移校正值的方法，涉及一种在移动通信***的上行链路的接收机处对载波频率偏移进行补偿时，针对每一个单用户搜索其最佳载波频率偏移校正值的方法。针对在移动通信***的上行链路的接收机处搜索最佳载波频率偏移校正值时，传统搜索方法复杂度较高的问题，本发明通过利用迭代的方式逐步缩小搜索范围，搜索最佳载波频率偏移校正值。该方法与传统搜索方法相比，大大降低了算法复杂度。

Description

搜索最佳载波频率偏移校正值的方法

技术领域

本发明属于移动通信***领域，更具体地，涉及在移动通信***的上行链路的接收机处对载波频率偏移(CFO，Carrier Frequency Offset)进行补偿时，针对每一个单用户搜索其最佳CFO校正值的方法。

背景技术

在正交频分多址接入(OFDMA，Orthogonal Frequency Division MultipleAccess)***的上行链路中，信号在传输时由于多普勒效应等因素会造成载波频率的偏移，接收端处不同用户的不同CFO会导致多用户干扰(MUI，Multi-User Interference)。为了抑制MUI，需要对上行链路的CFO做出估计，进而在基站端使用某种方式，利用估计出的上行链路CFO来恢复子载波之间的正交性。由于每一个单用户的发射信号受到不同的CFO的影响，而又必须通过CFO校正来抑制MUI，所以该CFO校正过程是一个重要的，且具有挑战性的任务。针对上述问题，存在一种在OFDMA***上行链路的接收机处对CFO进行补偿的方法。该方法包括：计算针对每一个单用户的最佳CFO校正值，所述最佳CFO校正值是使针对所述每一个单用户的平均信号干扰比(SIR，Signal-to-Interference Ratio)最大的CFO校正值；利用所获得的每一个单用户的最佳CFO校正值，对每一个单用户的CFO进行补偿。

上述方法的一个重要步骤是计算针对每一个单用户的最佳CFO校正值。所述最佳CFO校正值是使所述每一个单用户的平均SIR最大的CFO校正值。所述最佳CFO校正值位于所有用户CFO的最小值min{ε₁，ε₂，…ε_M}(其中ε_m表示某一个单用户m的归一化CFO值，M表示所有用户的数目)到最大值max{ε₁，ε₂，…ε_M}之间。针对某一个单用户m，传统搜索其最佳CFO校正值的方法是按以下过程进行的，具体流程如图2所示：从所有用户CFO的最小值min{ε₁，ε₂，…ε_M}开始，以某一固定步长L递增，直到增加到所有用户CFO的最大值max{ε₁，ε₂，…ε_M}为止，以min{ε₁，ε₂，…ε_M}、min{ε₁，ε₂，…ε_M}+L、min{ε₁，ε₂，…ε_M}+2L、…、max{ε₁，ε₂，…ε_M}为该用户平均信号干扰比函数SIR^(m)的自变量，依次计算上述自变量对应SIR^(m)的值，比较所得函数值的大小，则其中的最大值所对应的自变量为要搜索的最佳CFO校正值

即

但是，当所有用户CFO的最大值max{ε₁，ε₂，…ε_M}与最小值min{ε₁，ε₂，…ε_M}差值较大时，传统搜索方法的复杂度较高。

发明内容

本发明的目的是解决搜索最佳CFO校正值时传统方法复杂度较高的问题，提出一种在移动通信***的上行链路的接收机处搜索最佳载波频率偏移校正值的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种在移动通信***的上行链路的接收机处搜索最佳载波频率偏移校正值的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：针对某一个单用户m，确定搜索其最佳CFO校正值

的区间[a，b]，其中a、b分别表示所有用户CFO的最小值、最大值，即a＝min{ε₁，ε₂，…ε_M}，b＝max{ε₁，ε₂，…ε_M}，其中，ε_m，m＝1，2，…，M，表示某一个单用户m的归一化CFO值，M表示所有用户的数目；

步骤2：令t₁＝a+(1-β)(b-a)，t₂＝a+β(b-a)，计算t₁、t₂的值，其中，β＝0.618；

步骤3：判断t₁与t₂的差值是否达到精度要求。设要求的精度为l，若|t₁-t₂|＜l，搜索停止，此时

的值即为要搜索的针对某一个单用户m的最佳CFO校正值

否则，若|t₁-t₂|≥l，转步骤4；

步骤4：以t₁、t₂为自变量，分别计算对应的平均信号干扰比函数SIR^(m)，记为SIR^(m)(t₁)、SIR^(m)(t₂)，判断SIR^(m)(t₁)≤SIR^(m)(t₂)是否成立，若成立，则置a＝t₁，b＝b，t₁＝t₂，t₂＝a+β(b-a)，然后转步骤3；否则，若SIR^(m)(t₁)＞SIR^(m)(t₂)，则置a＝a，b＝t₂，t₂＝t₁，t₁＝a+(1-β)(b-a)，然后转步骤3，当|t₁-t₂|＜l时，搜索停止，此时

的值即为要搜索的针对某一个单用户m的最佳CFO校正值

步骤5：重复步骤1至步骤4，直到搜索出所有用户的最佳CFO校正值

为止。

优选地，所述上行链路为正交频分多址接入***的上行链路。

本发明的有益效果：本发明通过步骤4，利用迭代的方式逐步缩小搜索范围，搜索移动通信***的上行链路的接收机处的最佳载波频率偏移校正值。该方法与传统搜索方法相比，大大降低了算法复杂度。

附图说明

图1是对CFO进行补偿的OFDMA***的上行链路工作原理图。

图2是用传统方法搜索最佳CFO校正值的流程图。

图3是用本发明方法搜索最佳CFO校正值的流程图。

附图标记说明：子载波映射1，N点离散傅里叶逆变换(IDFT)2，添加保护间隔模块3，D/A转换4，上变频5，下变频6，A/D转换7，搜索最佳CFO校正值8，频率偏移补偿9，去除保护间隔10，N点离散傅里叶变换(DFT)11，子载波逆映射12，其中N表示每个OFDM符号中存在的子载波个数。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。

为了便于对具体实施例理解，先对CFO进行补偿的OFDMA***的上行链路的发射机部分和接收机部分的工作原理进行说明，具体工作原理如图1所示。

发射机部分包括子载波映射1、IDFT 2、添加保护间隔3、D/A转换4、上变频5，具体工作过程为：考虑具有M个用户的OFDMA***，其中每一个单用户通过独立的多径信道来与基站进行通信。假定在每一个OFDM符号中存在N个子载波，将这N个子载波平均分配给M个用户，这样，每一个单用户具有P＝N/M个子载波。在第k个子载波处针对第m个单用户的信息符号表示为

k∈Γ_m，其中Γ_m是分配给用户m的子载波集合。于是

并且对于i≠j，

针对交织的子载波分配方案，将Γ_m定义为：Γ_m＝{m-1+rM|r＝0，…，P-1}。

在OFDMA***中，保护间隔的长度等于N_g个采样，并且假定其长于最大信道延迟扩展。在发射机处经过离散傅里叶逆变换和保护间隔***之后，第m个单用户的时域序列

由下式给出：

$x_n^{\left(m\right)}={\mathrm{\Σ}}_{{k\∈\mathrm{\Γ}}_m}{X}_k^{\left(m\right)}{e}^{\frac{j2\mathrm{\πnk}}{N}},$ -N_g≤n≤N-1.

接收机部分包括下变频6、A/D转换7、搜索最佳CFO校正值8、频率偏移补偿9、去除保护间隔10、DFT11、子载波逆映射12，具体工作过程为：在通过衰落信道、下变频和A/D转换之后，第m个单用户的信号由以下等式给出：

$y_n^{\left(m\right)}=x_n^{\left(m\right)}*h_n^{\left(m\right)}.$

其中，“*”表示线性卷积，

是第m个单用户的信道冲激响应。假定

仅对于n＝0，…，L-1是非零的，其中L是最大信道延迟扩展。通过考虑CFO和加性噪声，接收到的基带信号由以下等式表示：

$r_n=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n^{\left(m\right)}{e}^{\frac{{j2\mathrm{\π\ϵ}}_{m}n}{N}}+z_n,$ -N_g≤n≤N-1.

其中，ε_m，m＝1，…，M表示归一化的第m个单用户的CFO，并且z_n是加性白高斯噪声。对接收到的基带信号r_n，首先搜索每一个单用户的最佳载波频率偏移CFO校正值，该CFO校正值是使所述每一个单用户的平均SIR最大的CFO校正值，它位于所述所有用户CFO的最小值min{ε₁，ε₂，…ε_M}到最大值max{ε₁，ε₂，…ε_M}之间。为了校正CFO，在进行离散傅里叶变换之前，针对某一个单用户m，将所接收到的信号r_n乘以时域序列

得到

0≤n≤N-1。对

进行离散傅里叶变换之后，得到频域信号Y，子载波逆映射后在Y中选择针对用户m的子载波，作为单用户m的输出信号。

在对CFO进行补偿的OFDMA***的上行链路中，根据上述发射机部分和接收机部分的工作过程，可以推导出在第k个子载波处针对第m个单用户，接收到的所需信号功率与干扰信号功率比值的表达式，即在第k个子载波处针对第m个单用户平均信号干扰比函数

的表达式为：

${\mathrm{SIR}}_k^{\left(m\right)}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_m\frac{{\sin }^2\mathrm{\π}({\mathrm{\ϵ}}_m-t)}{{\sin }^2\frac{\mathrm{\π}({\mathrm{\ϵ}}_m-t)}{N}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i\underset{q_i\∈{\mathrm{\Γ}}_i,q_i\≠k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\sin }^2\mathrm{\π}({\mathrm{\ϵ}}_i-t+q_i-k)}{{\sin }^2\frac{\mathrm{\π}({\mathrm{\ϵ}}_i-t+q_i-k)}{N}}}\text{.}$

其中，t代表函数的自变量，t∈[min{ε₁，ε₂，…ε_M}，max{ε₁，ε₂，…ε_M}]。

表示对

进行离散傅里叶变换后所得向量的第q_i个元素，E[.]表示求平均。特别地，如果子载波分配方案采用交织分配，则

其中，SIR^(m)(t)表示某一个单用户m的平均信号干扰比函数。

本实施例的仿真参数为用户数M＝4，子载波数N＝64的对CFO进行补偿的OFDMA***的上行链路，子载波分配方案为交织分配。所有用户的CFO值[ε₁，ε₂，ε₄，ε₄]＝[0.15，0.12，0.16，0.08]。采用传统的搜索方法时，步长L＝0.001，采用本发明方法时，要求的精度l＝0.001。

在计算用户平均信号干扰比的值时，取一个属于用户m的子载波k，根据上述第k个子载波处针对第m个单用户平均信号干扰比函数

的表达式，依次计算其对应

的值，在本实施例中，由于子载波分配方案采用的是交织分配，所以

的值等于该用户平均信号干扰比的值，记为SIR^(m)(t)。

下面结合具体仿真参数，对传统搜索方法步骤与本发明方法步骤进行说明。

在本实施例中，使用传统搜索方法搜索某一个单用户m最佳CFO校正值的步骤为：从所有用户CFO的最小值min{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄}＝0.08开始，以固定步长L＝0.001递增，直到增加到所有用户CFO的最大值max{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄}＝0.16为止，分别令t＝0.08，t＝0.08+0.001，…，t＝0.16，依次计算其对应SIR^(m)(t)的值，比较所得函数值的大小，则其中的最大值所对应的自变量为要搜索的最佳CFO校正值

分别令m＝1，m＝2，…，m＝4，重复上述步骤，直到求出所有用户的最佳CFO校正值

为止。

本发明方法流程图如图3所示。在本实施例中，使用本发明方法搜索所有用户最佳CFO校正值的步骤为：

步骤1：针对某一个单用户m，确定搜索其最佳CFO校正值

的区间[a，b]，a＝min{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄}＝0.08，b＝max{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄}＝0.16；

步骤2：令t₁＝a+(1-β)(b-a)，t₂＝a+β(b-a)，计算t₁、t₂的值。其中，β＝0.618；

步骤3：令要求的精度l＝0.001。若|t₁-t₂|＜l，搜索停止，此时

的值即为要搜索的针对某一个单用户m的最佳CFO校正值否则，若|t₁-t₂|≥l，转步骤4；

步骤4：以t₁、t₂为自变量，计算SIR^(m)(t₁)、SIR^(m)(t₂)的值，判断SIR^(m)(t₁)≤SIR^(m)(t₂)是否成立，若成立，则置a＝t₁，b＝b，t₁＝t₂，t₂＝a+β(b-a)，然后转步骤3；否则，若SIR^(m)(t₁)＞SIR^(m)(t₂)，则置a＝a，b＝t₂，t₂＝t₁，t₁＝a+(1-β)(b-a)，然后转步骤3。当|t₁-t₂|＜l时，搜索停止，此时

的值即为要搜索的针对某一个单用户m的最佳CFO校正值

步骤5：分别重复步骤1到步骤4，直到求出所有用户的最佳CFO校正值

为止。

下面分析传统搜索法以及本发明的方法复杂度，以验证本发明的性能。

针对某一个单用户m，计算其平均信号干扰比函数SIR^(m)(t)时，实数乘法次数为N，实数除法次数为N+1。对于传统搜索方法，每一个单用户要计算

次平均信号干扰比函数，则总的实数乘法次数为

总的实数除法次数为

对于本发明的方法，令k为本发明方法的迭代次数，针对每一个单用户，第一次迭代时，需计算t₁和t₂以及两次平均信号干扰比函数，以后每次迭代需计算t₁或者t₂，以及一次平均信号干扰比函数。这样，总的实数乘法次数为(k+1)(N+1)M，总的实数除法次数为(k+1)(N+1)M。

根据以上分析，在本实施例中，代入具体的仿真参数，使用传统搜索法，总的实数乘法次数为

总的实数除法次数为

使用本发明的方法，所需迭代次数为7次，则总的实数乘法次数为(7+1)×(64+1)×4＝2080，总的实数除法次数为(7+1)×(64+1)×4＝2080。可见，与传统搜索方法相比，本发明的方法能够大大降低算法复杂度。

以上实例仅为本发明的优选例子而已，本发明的使用并不局限于该实例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种在移动通信***的上行链路的接收机处搜索最佳载波频率偏移校正值的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：针对某一个单用户m，确定搜索其最佳CFO校正值

的区间[a，b]，其中a、b分别表示所有用户CFO的最小值、最大值，即a＝min{ε₁，ε₂，…ε_M}，b＝max{ε₁，ε₂，…ε_M}，其中，ε_m，m＝1，2，…，M，表示某一个单用户m的归一化CFO值，M表示所有用户的数目；

步骤2：令t₁＝a+(1-β)(b-a)，t₂＝a+β(b-a)，计算t₁、t₂的值，其中，β＝0.618；

步骤3：判断t₁与t₂的差值是否达到精度要求。设要求的精度为l，若|t₁-t₂|＜l，搜索停止，此时

的值即为要搜索的针对某一个单用户m的最佳CFO校正值

否则，若|t₁-t₂|≥l，转步骤4；

步骤4：以t₁、t₂为自变量，分别计算对应的平均信号干扰比函数SIR^(m)，记为SIR^(m)t₁)、SIR^(m)(t₂)，判断SIR^(m)(t₁)≤SIR^(m)(t₂)是否成立，若成立，则置a＝t₁，b＝b，t₁＝t₂，t₂＝a+β(b-a)，然后转步骤3；否则，若SIR^(m)(t₁)＞SIR^(m)(t₂)，则置a＝a，b＝t₂，t₂＝t₁，t₁＝a+(1-β)(b-a)，然后转步骤3，当|t₁-t₂|＜l时，搜索停止，此时

的值即为要搜索的针对某一个单用户m的最佳CFO校正值

步骤5：重复步骤1至步骤4，直到搜索出所有用户的最佳CFO校正值

为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的上行链路为正交频分多址接入***的上行链路。

Images