CN102158457B - 多点多用户ofdma***的频偏补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法，其步骤为：(1)各用户终端估计每条链路的链路频偏量；(2)各用户终端反馈链路频偏量给各传输点；(3)各传输点协同建立优化方程；(4)求解优化方程，其最优化解为各传输点的预补偿频偏量；(5)判断最优化解是否满足约束条件；(6)各传输点对发送的信号进行频偏预补偿；(7)各用户终端对接收到的频偏预补偿信号进行频偏后补偿。本发明采用对传输点频偏预补偿与用户终端频偏后补偿的联合频偏补偿方法，保证每个用户终端都能实现可靠的频率同步和多普勒补偿，克服多点多用户OFDMA***中的频偏影响，用于解决在高速运动信道环境下多点多用户通信的频率不同步问题。

Description

多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及多点多用户正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)***通信技术领域中，基于“最大容忍剩余误差限松弛”技术，对传输点与用户终端进行联合频偏补偿的方法，用于解决在高速运动信道环境下多点多用户通信的频率不同步问题。

背景技术

在多点多用户OFDMA中，为确保传输信息的可靠性和***的整体性能，需要传输点(BS)和用户终端(UE)满足同步协调。由于用户高速移动引起的多普勒频移、用户终端在不同位置等因素，从而引起无论传输点还是用户终端都面对着多个具有不同频偏的链路。

现有技术提供了一些用于多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法。这些方法大多利用信道感知技术，直接估计出每条链路的频偏量，然后通过对用户终端进行频偏后补偿，或者对传输点进行频偏预补偿的方法。在高速移动多点多用户OFDMA***场景下，这些方法存在明显的不足，已有的频偏补偿方法无法确保每个用户终端都能实现可靠的频率同步和多普勒补偿，即不能满足多用户频率同步协调，最终导致***整体性能降低。

POSDATA株式会社申请的专利“用于在基于OFDM/OFDMA的MIMO***中估计和补偿时间偏移和/或载频偏移的设备和方法”(专利申请号200780032006.5，公开号CN101512999A)。该专利申请主要是计算通过接收天线收到的同一发射天线的导频信号的相位差，然后对导频信号的相位差执行反正切运算，以计算时间偏移线性相位和/或载频偏移线性相位，最后完成对导频和数据的载波偏移补偿。该专利申请公开的设备和方法存在的不足是，对所有接收信号频偏补偿时没有考虑到每条链路的频偏量可能不同，无法保证各用户终端接收到的每路信号频偏在可容忍频差范围之内，因此不能有效解决高速移动场景下多点多用户OFDMA***的频偏补偿问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于“最大容忍剩余误差限松弛”技术来实现传输点和用户终端进行联合频偏补偿的方法，使本发明可以应用于多点多用户OFDMA***中，解决由每个用户高速移动引起的多普勒频移和在不同的位置引起的频率不同步问题，让各用户终端都可以克服频偏的影响，从而确保用户终端解调信息的可靠性和提高协作***的整体性能。

为实现上述目的，本发明具体步骤包括如下：

(1)各用户终端利用同步技术估计出每条链路的链路频偏量；

(2)各用户终端将估计出的链路频偏量反馈给各传输点；

(3)建立优化方程

3a)选定所有传输点的预补偿频偏量与链路频偏量之差最小作为优化方程的目标函数；

3b)获得约束条件：将用户终端剩余频偏量成线性关系的松弛量，进行不大于最大容忍剩余误差限的松弛，获得剩余频偏量的约束条件；

3c)建立由目标函数和约束条件组成的优化方程：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2...x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2...x_m}{\min }\left({\left|\right|A(X-F)\left|\right|}^2\right)\\ s.t.\max \left(\right|d_1|,|d_2|,...,|d_m\left|\right)\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，D为松弛量，A为m个传输点n个用户终端而确定的系数矩阵，X为传输点的预补偿频偏量矩阵，F为链路频偏量矩阵，d为每个用户终端的相邻两路信号预补偿后剩余频偏量之差，δ为最大容忍剩余误差限；

(4)求解优化方程，其最优化解为各传输点的预补偿频偏量；

(5)判断最优化解是否满足约束条件，若不满足约束条件，不再进行频偏补偿；若满足约束条件，进行频偏预补偿；

(6)频偏预补偿，各传输点利用步骤(4)中获得的各传输点的预补偿频偏量分别校正各传输点发射信号的载波频率，将完成频偏预补偿信号发射给各用户终端；

(7)频偏后补偿

7a)各用户终端利用同步技术估计频偏预补偿信号的剩余频偏量；

7b)对剩余频偏量进行处理，求得各用户终端的后补偿频偏量；

7c)各用户终端利用各自的后补偿频偏量分别校正各用户终端接收信号的载波频率，完成频偏后补偿。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明通过求解优化方程，获得传输点的预补偿频偏量和用户终端的后补偿频偏量，使各用户终端接收到的每路信号频偏在可容忍频差范围之内，可以保证各用户终端正确解调信息。

第二，本发明采用对传输点频偏预补偿与用户终端进行频偏后补偿的联合频偏补偿方法，保证每个用户终端都能实现可靠的频率同步和多普勒补偿。

第三，本发明能够克服高速移动多点多用户OFDMA***中频偏的影响，解决了在高速运动信道环境下多点多用户通信的频率不同步的问题。

第四，本发明主要是由传输点处理信息以及求解计算优化问题，因此大大降低了用户终端处理信息的复杂度，同时由于上/下行具有互易性，用户终端可以实现盲补偿。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例两点两用户OFDMA***下行传输场景中频偏补偿方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图1流程图对本发明作进一步的描述。

步骤1，估计链路频偏量。

在多点多用户OFDMA***中，传输点互相协作，共享彼此的信道和发送功率等资源，形成虚拟的多天线发射机向用户终端发送信息，以获得发射分集增益；由于用户终端采用正交频分多址接入OFDMA方式，正交频分复用无线通信***中的频偏估计相关技术就可以应用到多点多用户OFDMA***中。

本发明实施例采用两点两用户OFDMA***，在如图2中的BS₁、BS₂两个传输点同时给两个用户终端UE₁、UE₂发送信息，由此产生两个传输点与两个用户终端之间的四条链路频偏量f₁₁、f₂₁、f₁₂、f₂₂。用户终端UE₁接收到两个传输点BS₁、BS₂发送的信号训练序列后，利用同步技术，例如正交频分复用无线通信***中的频偏估计技术，估计出两个传输点对用户终端UE₁的链路频偏量f₁₁、f₂₁；用户终端UE₂接收到两个传输点BS₁、BS₂发送的信号训练序列后，可以采用同样的方法估计出两个传输点对用户终端UE₂的链路频偏量f₁₂、f₂₂。

步骤2，反馈链路频偏量。

用户终端将估计出的链路频偏量反馈给传输点。在如图2所述的本发明实施例两点两用户OFDMA***中，用户终端UE₁估计出链路频偏量f₁₁、f₂₁后，将f₁₁反馈给传输点BS₁，f₂₁反馈给传输点BS₂；用户终端UE₂估计出链路频偏量f₁₂、f₂₂后，将f₁₂反馈给传输点BS₁，f₂₂反馈给传输点BS₂。由附图2可见，传输点BS₁获得反馈后的链路频偏量是f₁₁、f₁₂，传输点BS₂获得反馈后的链路频偏量是f₂₁、f₂₂。

步骤3，建立优化方程。

3a)选定目标函数。依据使各用户终端接收信号的频偏量最小化的优化准则，选定所有传输点的预补偿频偏量与链路频偏量之差最小作为优化方程的目标函数。各用户终端接收信号的频偏量为传输点发射信号给各用户终端，由于各用户高速移动引起的多普勒频移、用户终端在不同位置等因素，使各用户终端接收信号产生的频偏量。

由用户终端反馈给的各传输点的链路频偏量，以及***的传输点个数m与用户个数n，构造所有传输点对用户终端优化方程的目标函数：

$\underset{x_1,x_2...x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2...x_m}{\min }\left({\left|\right|A(X-F)\left|\right|}^2\right)$

其中，||·||²为二范数函数，D＝[d₁，d₂，...，d_m]^T为松弛量，[·]^T为矩阵转置，d为每个用户终端的相邻两路信号预补偿后剩余频偏量之差，

$A=\left[\begin{array}{ccccc}1& -1& 0& ...& 0\\ 0& 1& -1& ...& 0\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ 0& 0& ...& 1& -1\\ -1& 0& ...& 0& 1\end{array}\right]$ 为m行n列的矩阵，

X＝[x₁，x₂，...，x_m]^T  为传输点的预补偿频偏量矩阵，

F＝[f_1j，f_2j，...，f_ij]^T为链路频偏量矩阵，i取值区间为1至m，j的取值区间是1至n，f_ij表示传输点i至用户终端j之间的链路频偏量。在如图2中本发明实施例两点两用户OFDMA***中与之对应的目标函数如下：

$\underset{x_1,x_2}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2}{\min }\left({\left|\right|A(X-F)\left|\right|}^2\right)$

其中，D＝[d₁，d₂]^T，d₁为两个传输点BS₁、BS₂与用户终端UE₁之间两条链路预补偿后的剩余频偏量之差，d₂为两个传输点BS₁、BS₂与用户终端UE₂之间两条链路预补偿后的剩余频偏量之差，

X＝[x₁，x₂]^T，由两个传输点BS₁、BS₂对应的预补偿量x₁、x₂组成，F＝[F₁，F₂]，F₁＝[f₁₁，f₂₁]^T表示传输点BS₁、BS₂与之对应的用户终端UE₁之间的链路频偏量矩阵，F₂＝[f₁₂，f₂₂]^T表示传输点BS₁、BS₂与之对应的用户终端UE₂之间的链路频偏量矩阵。

3b)获得约束条件。

理想频偏补偿的约束条件为：max(|d₁|，|d₂|，...，|d_m|)＝0

可见，理想频偏补偿约束条件要求实现频偏补偿后剩余频偏量应当完全为零，这在实际中完全没有必要且无法实现。因为用户终端接收的每路信号经过频偏预补偿后仍然存在剩余频偏量，根据工程实践经验，各用户终端接收到的每路信号频偏只需在可容忍频差范围之内，***就可以克服频偏影响。剩余频偏量的存在与引入的松弛量成线性关系，将其进行不大于最大容忍剩余误差限δ的松弛，获得多点多用户OFDMA***的约束条件如下：

max(|d₁|，|d₂|，...，|d_m|)≤δ

其中，δ为一个常数，其相对于OFDMA***子载波间隔的归一化值为2％。

如图2中本发明实施例两点两用户OFDMA***中与之对应的约束条件为：

max(|d₁|，|d₂|)≤2％

3c)建立优化方程。将步骤3a)中建立的优化目标函数与步骤3b)中确定的约束条件组合成多点多用户OFDMA***的优化方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2...x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2...x_m}{\min }\left({\left|\right|A(X-F)\left|\right|}^2\right)\\ s.t.\max \left(\right|d_1|,|d_2|,...,|d_m\left|\right)\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

如图2本发明实施例两点两用户OFDMA***中的优化方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2}{\min }\left({\left|\right|A(X-F)\left|\right|}^2\right)\\ s.t.\max \left(\right|d_1|,|d_2\left|\right)\≤2\%\end{array}\right.$

步骤4，求解优化方程。

通过多点多用户OFDMA***的计算处理单元求解步骤3中的多点多用户OFDMA***的优化方程，其最优化解为传输点的预补偿频偏量。

如图2本发明实施例中，通过两点两用户OFDMA***的计算处理单元求解步骤3中的两点两用户OFDMA***的优化方程，得出优化方程的最优化解x₁、x₂。x₁为步骤6中传输点BS₁的预补偿频偏量，x₂为步骤6中传输点BS₂的预补偿频偏量。

步骤5，判断最优化解是否满足约束条件，若不满足约束条件，就由多点多用户通信***调整为单点多用户或多点单用户通信***结构，不再属于本发明频偏补偿方法的范畴之内；若满足约束条件，进行频偏预补偿。

步骤6，频偏预补偿。

各传输点利用步骤4中获得的各传输点的预补偿频偏量分别校正各传输点发射信号的载波频率，例如正交频分复用无线通信***中的频偏校正技术，将完成频偏预补偿信号发射给各用户终端。

图2本发明实施例两点两用户各OFDMA***中，传输点BS₁利用预补偿频偏量x₁校正发射信号的载波频率，然后发射频偏预补偿信号给两个用户终端UE₁和UE₂；传输点BS₂利用预补偿频偏量x₂校正发射信号的载波频率，然后发射频偏预补偿信号给两个用户终端UE₁和UE₂。

步骤7，频偏后补偿。

各用户终端首先通过同步技术估计频偏预补偿信号的剩余频偏量，然后计算后补偿频偏量，并利用后补偿频偏量校正各用户终端接收的频偏预补偿信号的载波频率。

由于各用户终端接收到的各路信号依然较大地偏离用户终端接收机本振频率，即仍存在预补偿剩余频偏量。各用户终端对各路接收信号的预补偿剩余频偏量进行频偏后补偿，可以克服多点多用户OFDMA***中的频偏影响。用户终端可以通过多种方法求解后补偿频偏量，本发明实施例中用户终端求解后补偿频偏量的方法是对各用户终端接收频偏预补偿信号的剩余频偏量求和取平均值：

$y_j=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(f_{\mathrm{ij}}-x_i)$

其中，y_j为用户终端j的后补偿频偏量，m为传输点的数目，f_ij-x_i为传输点i至用户终端j之间的剩余频偏量，f_ij为传输点i至用户终端j之间的链路频偏量；x_i为传输点i的预补偿频偏量。

图2本发明实施例两点两用户OFDMA***中，两用户终端进行频偏后补偿具体步骤是：首先，用户终端UE₁通过同步技术估计出传输点BS₁、BS₂至用户终端UE₁之间两路信号的剩余频偏量分别为f₁₁-x₁、f₂₁-x₂，用户终端UE₂通过同样的同步技术估计出传输点BS₁、BS₂至用户终端UE₂之间两路信号的剩余频偏量分别为f₁₂-x₁、f₂₂-x₂。其次，用户终端UE₁利用后补偿频偏量y₁＝(f₁₁-x₁+f₂₁-x₂)/2校正UE₁接收的频偏预补偿信号的载波频率，用户终端UE₂利用后补偿频偏量y₂＝(f₁₂-x₁+f₂₂-x₂)/2校正UE₂接收的频偏预补偿信号的载波频率。经过传输点BS₁、BS₂频偏预补偿和用户终端UE₁、UE₂频偏后补偿，两点两用户OFDMA***中用户终端UE₁接收的两路信号的后补偿剩余频偏量分别为-((f₂₁-x₂)-(f₁₁-x₁))/2＝-d₁/2、((f₂₁-x₂)-(f₁₁-x₁))/2＝d₁/2，同时用户终端UE₂接收的两路信号的后补偿剩余频偏量分别为-((f₂₂-x₂)-(f₁₂-x₁))/2＝-d₂/2、((f₂₂-x₂)-(f₁₂-x₁))/2＝d₂/2。由于步骤3中优化方程的约束条件为max(|d₁|，|d₂|)≤2％，两点两用户OFDMA***经传输点频偏预补偿和用户终端频偏后补偿后，每一路接收的信号所受的频偏影响较小，在实际工程中是可以容忍的，并不影响信息解调。

Claims (5)

1.一种多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法，包括以下步骤：

(1)各用户终端利用同步技术估计出每条链路的链路频偏量；

(2)各用户终端将估计出的链路频偏量反馈给各传输点；

(3)建立优化方程

3a)选定所有传输点的预补偿频偏量与链路频偏量之差最小作为优化方程的目标函数；

3b)获得约束条件：将与用户终端剩余频偏量成线性关系的松弛量，进行不大于最大容忍剩余误差限的松弛，获得剩余频偏量的约束条件；

3c)建立由目标函数和约束条件组成的优化方程：

其中，D为松弛量，A为m个传输点n个用户终端而确定的系数矩阵，X为传输点的预补偿频偏量矩阵，F为链路频偏量矩阵，d为每个用户终端的相邻两路信号预补偿后剩余频偏量之差，δ为最大容忍剩余误差限；

(4)求解优化方程，其最优化解为各传输点的预补偿频偏量；

(5)判断最优化解是否满足约束条件，若不满足约束条件，不再进行频偏补偿；若满足约束条件，进行频偏预补偿；

(6)频偏预补偿，各传输点利用步骤(4)中获得的各传输点的预补偿频偏量分别校正各传输点发射信号的载波频率，将完成频偏预补偿信号发射给各用户终端；

(7)频偏后补偿

7a)各用户终端利用同步技术估计频偏预补偿信号的剩余频偏量；

7b)对剩余频偏量进行处理，求得各用户终端的后补偿频偏量；所述剩余频偏量的处理是按照下式对剩余频偏量求和取平均值：

其中，y_j为用户终端j的后补偿频偏量，m为传输点的数目，f_ij-x_i为传输点i至用户终端j之间的剩余频偏量，f_ij为传输点i至用户终端j之间的链路频偏 量；x_i为传输点i的预补偿频偏量；

7c)各用户终端利用各自的后补偿频偏量分别校正各用户终端接收信号的载波频率，完成频偏后补偿。

2.根据权利要求1所述的多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法，其特征在于，所述的步骤(1)中同步技术为正交频分复用无线通信***中的频偏估计技术。

3.根据权利要求1所述的多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法，其特征在于，所述的步骤3b)中最大容忍剩余误差限为一个常数δ，其相对于OFDMA***子载波频率间隔的归一化值为2％。

4.根据权利要求1所述的多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法，其特征在于，所述的步骤3b)中系数矩阵A为m个传输点n个用户终端而确定的m行n列的系数矩阵：

。

5.根据权利要求1所述的多点多用户OFDMA***的频偏补偿方法，其特征在于，所述的步骤7a)中同步技术为正交频分复用无线通信***中的频偏估计技术。 

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