CN103297100A - 一种用于ofdm***的多普勒变化率估计方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于OFDM***的多普勒变化率估计方法与***，所述方法包括：获得一个OFDM符号的采样点数据；将所述OFDM符号循环前缀中的采样点与其在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，和该采样点的下一个采样点与该下一个采样点在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，进行自相关操作得到相关值；以及根据所述相关值得到用于OFDM***的多普勒变化率。本发明提供的多普勒变化率估计方法复杂度低，可用于估计多载波OFDM***的多普勒变化率，并且在多普勒变化率的估计过程中对多普勒频移不敏感。

Description

一种用于OFDM***的多普勒变化率估计方法与***

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于OFDM***的多普勒变化率估计方法与***。

背景技术

正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是目前主流的无线宽带通信技术，已作为诸如LTE和Wimax等众多移动通信标准中物理层的核心技术。为了使基于OFDM技术的***能够在一些高移动性的应用场景中提供宽带无线通信，比如：低轨卫星通信场景，毫米波交通辅助和控制***，以及高速铁路通信***，需要设计基于OFDM***的多普勒变化率估计方法。在这些场景中，接收信号会受到快速时变的多普勒频移的影响。为保证信号的正确接收，需要对多普勒频移和多普勒变化率进行估计和补偿。例如，在低轨卫星通信场景中，需要多普勒变化率的参数来进行卫星轨道的预测和控制；在毫米波交通辅助和控制***中，多普勒变化率可以用来估计交通工具的运动加速度，从而对交通工具的运动情况进行预测；在高速铁路通信***中，获得多普勒变化率有助于多普勒频移变化趋势的预测，并且多普勒频移的正确估计是保证通信***可靠运行的频率同步的重要过程。因此，需要设计基于OFDM***的多普勒变化率估计方法。

现有技术中，用于估计多普勒变化率的方法包括：最大似然的多普勒频移和多普勒变化率联合估计的方法，该方法定义了一个多普勒频移和多普勒变化率二维联合优化的目标函数，然后进行二维搜索，复杂度非常高以至于难以实用；仅用于多普勒变化率估计的最大似然方法，该方法通过积分的手段，去掉了初始相位和多普勒频移对多普勒变化率估计的影响，该多普勒变化率估计方法对多普勒频移的鲁棒性较强，且复杂度较低；以及FREFE(Frequency Rate Estimation through Frequency Estimation)方法，该方法假设在一个突发传输的数据包传输的过程中，多普勒频移是线性变化的，多普勒变化率可以通过两端导频的多普勒频移估计结果来计算。

现有技术存在的问题是以上这些方法只适用于单载波场景，并不适用于多载波的OFDM场景，上述方法需基于一个未调制的载波来估计多普勒变化率。然而在现有的OFDM***中，如LTE，WiMax，ISDB-S等，由于信道估计等的需求，导频是离散地放在特定的时间频率资源块上，而不是放在整个OFDM符号或者子载波上，从而无法获得未调制的载波，无法使用上述现有方法来估计多普勒的变化率。而且，现有技术大多没有考虑初始多普勒偏移，且对大的多普勒频移非常敏感，即多普勒频移会对该多普勒变化率的估计造成很大影响。

因此，需要一种能够估计OFDM***中的多普勒变化率，以及对初始多普勒频移不敏感的方法。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种用于OFDM***的多普勒变化率估计方法，包括：

步骤1）、获得一个OFDM符号的基带数字信号采样点数据；

步骤2）、将所述OFDM符号循环前缀中的采样点与其在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，和该采样点的下一个采样点与该下一个采样点在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，进行自相关操作得到相关值；

步骤3）、根据所述相关值得到用于OFDM***的多普勒变化率。

在一个实施例中，步骤2）包括：

步骤21）、根据下式对采样点与其在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作，得到P_corr(k)：

$P_{\mathrm{corr}}\left(k\right)=r_k{r}_{k+N}^{*},$

其中，k是采样点序号且k∈[0,L-2]，L是循环前缀的采样点数，N是有效OFDM符号的采样点数，r_k表示第k个接收信号，

表示r_k+N的共轭；

步骤22）、对下一个采样点与该下一个采样点在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作，得到P_corr(k+1)；

步骤23）、根据下式将步骤21）得到的结果与步骤22）得到的结果进行自相关操作，得到相关值P′_corr(k)：

$P_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)=P_{\mathrm{corr}}\left(k\right)P_{\mathrm{corr}}^{*}(k+1),$

其中，

表示P_corr(k+1)的共轭。

在一个实施例中，步骤3）包括根据下式计算归一化多普勒变化率：

$\hat{a}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{P_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)\right\}.$

在进一步的实施例中，步骤23）之后还包括：

步骤24）、根据下式计算相关值的和P′_{corr_sum}：

$p_{\mathrm{corr}\_\mathrm{sum}}^{\′}=\underset{k=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right),$

其中，L是循环前缀的采样点数。

接着，步骤3）包括根据下式得到归一化多普勒变化率：

$\hat{a}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{P_{\mathrm{corr}\_\mathrm{sum}}^{\′}\right\},$

其中，P′_{corr_sum}是相关值的和。

在一个实施例中，步骤1）之前还包括：

步骤0）、将得到的连续信号经过A/D转换获得基带数字信号。

根据本发明的一个实施例，还提供一种用于OFDM***的多普勒变化率估计***，包括：

用于获得一个OFDM符号的采样点数据的装置；

用于将所述OFDM符号循环前缀中的采样点与其在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，和该采样点的下一个采样点与该下一个采样点在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，进行自相关操作得到相关值的装置；以及

用于根据所述相关值得到用于OFDM***的多普勒变化率的装置。

采用本发明可以达到如下有益效果：

1）、考虑了OFDM的信号模型，可用于估计多载波OFDM***的多普勒变化率；

2）、去除了初始多普勒频移的影响，在多普勒变化率的估计过程中对多普勒频移不敏感；

3）、复杂度较低，只需要L-2次复数加和3L-2次复数乘的操作，其中L为OFDM***的OFDM符号循环前缀的采样点数；

4）、无需额外的导频，提高了***的频谱效率。

附图说明

图1是OFDM符号的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的用于OFDM***的多普勒变化率估计方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的计算相关值之和的方法的流程图；

图4是根据本发明另一个实施例的计算相关值之和的方法的流程图；

图5是采用本发明提供的方法估计OFDM***的多普勒变化率的精度示意图；以及

图6是采用本发明提供的用于OFDM***的多普勒变化率估计方法对初始多普勒频移的敏感性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于OFDM***的多普勒变化率估计方法。该方法根据一个OFDM符号内的采样点数据，通过对循环前缀的采样点和其在OFDM末尾的对应采样点进行自相关操作，以及对自相关的结果做二次自相关操作，来估计多普勒变化率。

首先确定接收信号的表示方法，考虑AWGN信道下在一个OFDM符号内时变的多普勒频移，可将接收信号表示为：

$r_t=s_t\exp \left[j(2\mathrm{\π}{\∫}_0^t{f}_{\mathrm{Doppler}}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+{\mathrm{\θ}}_0)\right]+n_t,---\left(1\right)$

其中，r_t、s_t和n_t分别表示在t时刻的接收信号、发送信号和噪声信号，f_Doppler(τ)表示τ时刻的多普勒频移，j是虚数符号，θ₀是未知的初始相位。

将得到的连续信号（参见公式（1））经过A/D转换之后，得到的离散信号可以用下式表示：

$r_k=s_k\exp \left[j(2\mathrm{\π}\underset{p=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{Doppler}}\left(p\right)\·T_s+{\mathrm{\θ}}_0)\right]+n_k,---\left(2\right)$

其中，时长t=kT_s，T_s是采样间隔。k=0,1,…,N+L-1，表示采样点序号（采样点数为N+L个），L为CP（Cyclic Prefix，循环前缀）长度，N是有效OFDM符号的长度，r_k是第k个接收信号（或称，在第k个采样点/采样点k的接收信号）。图1示出了OFDM符号的固有信号循环前缀，从图1可见，CP是将OFDM符号末尾的一部分采样点复制到OFDM头部，以对抗多径时延造成的符号间干扰问题。在一个实施例中，N可以是有效OFDM符号的采样点数，L是循环前缀的采样点数。

接着采用下式对时变多普勒频移进行归一化处理：

${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{f_{\mathrm{Doppler}}\left(p\right)}{{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{subcarrier}}},---\left(3\right)$

其中，

表示OFDM***的子载波间隔。因此，公式（2）还可以表示为：

$r_k=s_k\exp \left[j(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\underset{p=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_p+{\mathrm{\θ}}_0)\right]+n_k,---\left(4\right)$

在一个OFDM符号内考虑线性多普勒频移变化，即一个OFDM符号内的多普勒变化率固定，则归一化的多普勒频移可表示为：

ε_p=ε₀+αp      （5）

其中，

表示在一个OFDM符号内固定的归一化多普勒变化率，Δf_Doppler是以Hz/s为单位的多普勒变化率，ε₀表示初始多普勒频移，则接收信号可以写为：

$r_k=s_k\exp \left[j(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\underset{p=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_0+\mathrm{\αp})+{\mathrm{\θ}}_0)\right]+n_k,---\left(6\right)$

基于该接收信号表示，可构建多普勒变化率估计函数。

在时变场景中，考虑CP中的一个采样点k和OFDM符号尾部相应的一个采样点k+N的自相关，其中k∈[0,L-1]，自相关可表示为：

$P_{\mathrm{corr}}\left(k\right)=r_k{r}_{k+N}^{*},---\left(7\right)$

其中，

表示r_k+N的共轭。将接收信号（公式（6））代入公式（7）可以得到：

$P_{\mathrm{corr}}\left(k\right)={\left|s_k\right|}^2\exp \{-j2\mathrm{\π}[{\mathrm{\ϵ}}_0+\frac{1}{2}\mathrm{\α}(2k+N+1)\left]\right\}.---\left(8\right)$

类似地，考虑第k+1和第k+N+1这两个采样点，可以得到：

$P_{\mathrm{corr}}(k+1)=r_{k+1}{r}_{k+N+1}^{*}$

$={\left|s_{k+1}\right|}^2\exp \{-j2\mathrm{\π}[{\mathrm{\ϵ}}_0+\frac{1}{2}\mathrm{\α}(2k+N+3)\left]\right\}---\left(9\right)$

接着，为了得到归一化多普勒变化率α的估计，对公式（8）和（9）进行自相关操作，如下式所示：

$P_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)=P_{\mathrm{corr}}\left(k\right)P_{\mathrm{corr}}^{*}(k+1)$            （10）

$={\left|s_k\right|}^2{\left|s_{k+1}\right|}^2\exp \left(j2\mathrm{\π\α}\right)$

构建归一化多普勒变化率α的估计函数：

$\hat{a}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{P_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)\right\}---\left(11\right)$

因此，可以使用四个采样点得到一个多普勒变化率的估计。在进一步的实施例中，为了光滑掉噪声的影响，可以对所有可能的P′_corr(k)求和来得到P′_{corr_sum}：

$P_{\mathrm{corr}\_\mathrm{sum}}^{\′}=\underset{k=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)---\left(12\right)$

参照公式（12），多普勒变化率的估计可以表示为：

$\hat{a}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{P_{\mathrm{corr}\_\mathrm{sum}}^{\′}\right\}---\left(13\right)$

公式（12）和（13）即为最后的估计式，该估计是一个无偏估计。或者可以将上述过程等价地写为：

$\hat{a}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{\underset{k=0,k=k+1}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_k{r}_{k+N}^{*}\right){\left(r_{k+1}{r}_{k+N+1}^{*}\right)}^{*}\right\},---\left(14\right)$

在得到归一化多普勒变化率后，可将其转换为以Hz/s为单位的实际多普勒变化率：

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{Doppler}}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{subcarrier}}}{T_s}\mathrm{\α}---\left(15\right)$

图2示出了用于OFDM***的多普勒变化率估计方法的一个实施例，该方法包括以下几个步骤：

第一步：在射频端获得一个OFDM符号的采样点数据

在本步骤中，可根据***设定的采样率进行A/D转换，从而获得数字基带信号，并且将一个OFDM符号进行缓存。

第二步：将OFDM符号循环前缀中的每个一个采样点与其在OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作，并且对自相关操作后的结果进行二次自相关操作得到相关值，计算相关值的和。

根据公式（12），可按下式计算相关值的和：

$P_{\mathrm{corr}\_\mathrm{sum}}^{\′}=\underset{k=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)$

$=\underset{k=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{corr}}\left(k\right)P_{\mathrm{corr}}^{*}(k+1)---\left(16\right)$

$=\underset{k=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_k{r}_{k+N}^{*}\right){\left(r_{k+1}{r}_{k+N+1}^{*}\right)}^{*}$

在一个实施例中，在该步骤中，可以采用如图3所示的方法来计算相关值的和P′_{corr_sum}。即，使用串行的方法对循环前缀中每个采样点与其在OFDM符号末尾对应的采样点进行自相关操作，并且将该结果和前一个采样点自相关操作的结果再次进行自相关操作，得到相关值。每得到一个相关值，就将该相关值加到P′_{corr_sum}（其初始值为0），直到得到所有相关值。

在另一个实施例中，考虑到硬件实现的需要，可使用并行的方法来计算相关值的和，如图4所示。首先，从缓存的OFDM符号中取出CP，以及取出与该CP相关的符号尾部并且对其取共轭，从而得到两个向量：(r₀,r₁,…,r_L-2,r_L-1)与

其次，对这两个向量做点积得到(P_corr(0),P_corr(1),…,P_corr(L-2),P_corr(L-1))；然后，取前0到L-2个数，以及取后0至L-2个数并且对其取共轭，得到两个向量(P_corr(0),P_corr(1),…,P_corr(L-2))与 $(P_{\mathrm{corr}}^{*}\left(1\right),\·\·\·,P_{\mathrm{corr}}^{*}(L-2),P_{\mathrm{corr}}^{*}(L-1));$ 接着，对这两个向量做点积得到(P′_corr(0),P′_corr(1),…,P′_corr(L-2))；最后，将(P′_corr(0),P′_corr(1),…,P′_corr(L-2))中所有元素求和得到P′_{corr_sum}。

第四步：计算归一化多普勒变化率

在第三步的基础上，根据公式（13）

可以得到归一化多普勒变化率。在进一步的实施例中，可以采用查表的方法来取相位。

第五步：计算实际多普勒变化率

根据公式（15）

可计算实际多普勒变化率。在一个实施例中，可以把

提前计算出来，存成一个表格备用，以降低复杂度。

根据本发明一个实施例，还提供一种用于OFDM***的多普勒变化率估计***。包括：

用于获得一个OFDM符号的采样点数据的装置；

用于将OFDM符号循环前缀中的采样点与其在OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，和该采样点的下一个采样点与该下一个采样点在OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，进行自相关操作得到相关值的装置；以及

用于根据上述相关值得到用于OFDM***的多普勒变化率的装置。

为验证本发明提供的用于OFDM***的多普勒变化率估计方法的有效性，发明人进行了多次仿真实验，表1示出了仿真中采用的OFDM***配置：

表1

仿真实验一、验证本发明提供的多普勒变化率估计方法的精度

发明人将OFDM***中的归一化多普勒变化率设置为0.1时，对本发明提供的估计方法（简称为SOD方法）的估计精度进行了实验，图5给出了结果，从图5可知，本发明提供的估计算法能较准确地估计出OFDM***中的多普勒变化率，MSE在10^-4到10^-1之间。

仿真实验二、验证本发明提供的多普勒变化率估计方法对多普勒频移的敏感性

发明人将信噪比设定为15dB，且将目标归一化多普勒变化率设置为0.1，在初始多普勒频移为0-1的情况下采用本发明提供的方法对多普勒变化率进行了估计。图6给出了在不同初始多普勒频移的情况下的估计结果，该结果表明，随着初始多普勒频移的变化MSE几乎没有波动，表明本发明提供的估计方法对多普勒频移不敏感。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (10)

1.一种用于OFDM***的多普勒变化率估计方法，包括：

步骤1）、获得一个OFDM符号的采样点数据；

步骤2）、将所述OFDM符号循环前缀中的采样点与其在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，和该采样点的下一个采样点与该下一个采样点在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，进行自相关操作得到相关值；

步骤3）、根据所述相关值得到用于OFDM***的多普勒变化率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2）包括：

步骤21）、根据下式对采样点与其在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作，得到P_corr(k)：

$P_{\mathrm{corr}}\left(k\right)=r_k{r}_{k+N}^{*},$

其中，k是采样点序号且k∈[0,L-2]，L是循环前缀的采样点数，N是有效OFDM符号的采样点数，r_k表示第k个接收信号，表示r_k+N的共轭；

步骤22）、对下一个采样点与该下一个采样点在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作，得到P_corr(k+1)；

步骤23）、根据下式将步骤21）得到的结果与步骤22）得到的结果进行自相关操作，得到相关值P′_corr(k)：

$P_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)=P_{\mathrm{corr}}\left(k\right)P_{\mathrm{corr}}^{*}(k+1),$

其中，

表示P_corr(k+1)的共轭。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤3）包括根据下式计算归一化多普勒变化率：

$\hat{a}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{P_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right)\right\}.$

4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤3）之后还包括根据下式计算多普勒变化率的值：

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{Doppler}}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{subcarrier}}}{T_s}\mathrm{\α},$

其中，Δf_subcarrier是所述OFDM***的子载波间隔，T_s是采样间隔，α是归一化多普勒变化率的值。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，

$r_k=s_k\exp \left[j(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\underset{p=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_0+\mathrm{\αp})+{\mathrm{\θ}}_0)\right]+n_k,$

j是虚数符号，k是采样点序号，s_k和n_k分别表示第k个发送信号和第k个噪声信号，ε₀表示初始多普勒频移，θ₀是未知的初始相位。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤23）之后还包括：

步骤24）、根据下式计算相关值的和P′_{corr_sum}：

$P_{\mathrm{corr}\_\mathrm{sum}}^{\′}=\underset{k=0}{\overset{L-2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{corr}}^{\′}\left(k\right),$

其中，L是循环前缀的采样点数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤3）包括根据下式得到归一化多普勒变化率：

$\hat{a}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{P_{\mathrm{corr}\_\mathrm{sum}}^{\′}\right\},$

其中，P′_{corr_sum}是相关值的和。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤3）之后还包括根据下式计算多普勒变化率的值：

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{Doppler}}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{subcarrier}}}{T_s}\mathrm{\α},$

其中，Δf_subcarrier是所述OFDM***的子载波间隔，T_s是采样间隔，α是归一化多普勒变化率的值。

9.根据权利要求1-8中任何一个所述的方法，其中，步骤1）之前还包括：

步骤0）、将得到的连续信号经过A/D转换获得基带数字信号。

10.一种用于OFDM***的多普勒变化率估计***，包括：

用于获得一个OFDM符号的采样点数据的装置；

用于将所述OFDM符号循环前缀中的采样点与其在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，和该采样点的下一个采样点与该下一个采样点在所述OFDM符号末尾的对应采样点进行自相关操作得到的结果，进行自相关操作得到相关值的装置；以及

用于根据所述相关值得到用于OFDM***的多普勒变化率的装置。

Images