本發(fā)明屬于高速移動通信技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種迭代相關(guān)定時估計方法,適用于LTE標(biāo)準(zhǔn)中SC-FDMA上行鏈路傳輸單用戶場景,且可推廣至多用戶場景。
背景技術(shù):
作為第三代移動通信系統(tǒng)的長期演進LTE標(biāo)準(zhǔn),其上行鏈路具有支持高速數(shù)據(jù)傳輸、高頻譜效率、高移動性等諸多優(yōu)點,這主要得益于LTE上行鏈路采用單載波頻分多址SC-FDMA技術(shù)。SC-FDMA具有低峰均比、頻譜利用率高、抗衰落能力強的特點,但是在多用戶情況下,對定時誤差較敏感,當(dāng)出現(xiàn)定時誤差時,會造成碼間干擾,影響系統(tǒng)性能。
現(xiàn)有的針對LTE上行鏈路SC-FDMA的符號定時估計技術(shù)通常在SC-FDMA符號前添加循環(huán)前綴序列,利用其相關(guān)性進行定時估計。如2015年Niyazi Odabasioglu等人在IEEE Applation of Information and Communication Technologies發(fā)表論文“Cyclic Prefix Based Time Synchronization and Comb Type Channel Estimation for SC-FDMA Systems over Time-Varying Channels”,該論文提出基于循環(huán)前綴相關(guān)的符號定時估計算法。但是該算法在多用戶場景下,利用循環(huán)前綴進行相關(guān)運算需要進行大量的傅里葉變換和傅里葉反變換,這大大增加了算法的復(fù)雜度,而且在多徑信道下,循環(huán)前綴會受到多徑干擾。
另一類比較傳統(tǒng)的方法是利用信道沖激響應(yīng)進行符號定時估計。如2003年N Chen等人在IEEE Vehicular Technology Conference發(fā)表論文“OFDM timing synchronization under multi-path channels”,該論文提出了一種利用信道沖激響應(yīng)進行第一徑搜索的方法,適用于SC-FDMA多用戶場景,但這類算法要使用復(fù)數(shù)除法運算,算法復(fù)雜度較高,且在多徑信道下估計誤差較大。為了提升估計準(zhǔn)確性,很多學(xué)者都進行了深入的研究。2009年Hao Zhou等人在IEEE Transactions on Broadcasting發(fā)表論文“A Maximum Likelihood Fine Timing Estimation for Wireless OFDM Systems”,該論文基于信道沖激響應(yīng),提出了一種利用信道自相關(guān)矩陣進行最大似然估計的方法,其估計準(zhǔn)確性較第一徑搜索算法有了很大的提高,但需要信道統(tǒng)計信息,復(fù)雜度很高,且復(fù)雜度會因最大定時偏差的增大而增加。2014年,J.A.Peral-Rosado等人在EURASIP Journal on Advances in Signal Processing發(fā)表論文“Joint maximum likelihood time-delay estimation for LTE positioning in multipath channels”,該論文提出了一種結(jié)合等間隔抽頭和任意抽頭的混合估計模型,并利用最大似然估計進行定時估計,估計準(zhǔn)確度和精度較第一徑搜索算法都有了很大的提高,但缺點在于復(fù)雜度很高。因此,基于信道沖激響應(yīng)的最大似然估計方法在實際中也很少使用。
還有一類常用的方法是利用導(dǎo)頻符號的相關(guān)性估計符號定時誤差。在傳統(tǒng)的導(dǎo)頻相關(guān)方法中,相鄰的導(dǎo)頻符號在結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上都有特殊的設(shè)計,接收機可以利用其特殊性進行定時誤差的估計。但是這類方法對導(dǎo)頻的設(shè)計有要求,且有可能出現(xiàn)估計范圍較小的問題。如2013年P(guān)ramod Udupa等人在IEEE Vehicular Technology Conference發(fā)表論文“A Novel Hierarchical Low Complexity Synchronization Method for OFDM Systems”。該論文提出了一種新的導(dǎo)頻相關(guān)符號定時估計方法,但是對導(dǎo)頻的設(shè)計有特殊要求,不適用于LTE上行鏈路。
基于以上分析,在LTE上行鏈路SC-FDMA系統(tǒng)中,需要一種復(fù)雜度低,精度高的符號定時估計方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足,提出一種基于塊狀導(dǎo)頻的迭代相關(guān)符號定時估計方法,以降低估計復(fù)雜度,提高估計精度。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
1)在接收端的每一幀數(shù)據(jù)的每個子幀中,用ri表示第i個帶循環(huán)前綴的時域?qū)ьl序列,其中i=1,2,去除其循環(huán)前綴得到時域?qū)ьl序列該是一個N點序列,N=128,256,512,1024,1536,2048;
2)對時域?qū)ьl序列進行快速傅里葉變換FFT,得到N點頻域?qū)ьl序列Ri,對該Ri進行M/2點循環(huán)移位得到頻域?qū)ьl移位序列Fi,再對該Fi進行集中式子載波解映射得到M點接收頻域?qū)ьl序列Si(m),并在接收端提取Si(m)對應(yīng)的M點本地頻域?qū)ьl序列Ci(m),其中M是對應(yīng)于N的,表示子載波的數(shù)量,M=72,180,300,600,900,1200,m=0,1,…,M-1;
3)利用接收頻域?qū)ьl序列Si(m)計算各個頻域?qū)ьl序列處信道二范數(shù)的二次冪
4)求出信道二范數(shù)的二次冪的最大值對應(yīng)的頻域?qū)ьl編號取出imax對應(yīng)的接收頻域?qū)ьl序列和本地頻域?qū)ьl序列
5)將和分別分割成長度均為p的若干段,將分割的接收頻域?qū)ьl序列的相鄰兩段表示為Sa(k)和Sa+1(k+p),將分割的本地頻域?qū)ьl序列的相鄰兩段表示為Ca(k)和Ca+1(k+p),其中τmax為系統(tǒng)最大符號定時誤差,a=0,1,2,…,d1-2,d1=M/p,a·p≤k≤(a+1)·p-1;
6)根據(jù)5)得到的Sa(k)、Sa+1(k+p)、Ca(k)、Ca+1(k+p),計算和的分段相關(guān)值αa:
其中上標(biāo)*表示共軛轉(zhuǎn)置;
再利用反三角函數(shù)求出αa對應(yīng)的角度∠αa=angle(αa);
7)根據(jù)∠αa計算各個分段相關(guān)值αa對應(yīng)的定時估計值:對該τa求算數(shù)平均值并四舍五入,得到第一次定時誤差的估計值其中表示向下取整;
8)根據(jù)估計值τ1和2)中的子載波解映射方式構(gòu)造M維修正對角矩陣Λ:
并利用該修正對角矩陣Λ計算接收頻域?qū)ьl修正序列:
其中Λ(m,m)表示矩陣Λ的第m行第m列元素;
9)將接收頻域?qū)ьl修正序列和本地頻域?qū)ьl序列分別分割成長度均為q的若干段,將分割的接收頻域?qū)ьl修正序列的相鄰兩項表示為Yb(t)和Yb+1(t+q),將分割的本地頻域?qū)ьl序列的相鄰兩項表示為Cb(t)和Cb+1(t+q),其中q>p,b=0,1,2,…,d2-2,d2=M/q,b·q≤t≤(b+1)·q-1;
10)根據(jù)9)得到的Yb(t)、Yb+1(t+q)、Cb(t)、Cb+1(t+q),計算和的分段相關(guān)值βb:
其中上標(biāo)*表示共軛轉(zhuǎn)置;
再利用反三角函數(shù)求出βb對應(yīng)的角度∠βb=angle(βb);
11)根據(jù)∠βb計算各個分段相關(guān)值βb對應(yīng)的定時估計值對該νb求算數(shù)平均值并四舍五入,得到第二次定時誤差的估計值
12)根據(jù)以上兩次定時估計,得到最終的接收子幀的符號定時誤差估計值τ=τ1+τ2。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1)本發(fā)明通過靈活改變相關(guān)運算的點數(shù),增大了導(dǎo)頻相關(guān)符號定時估計算法的估計范圍,從而使得傳統(tǒng)的導(dǎo)頻相關(guān)符號定時估計方法可以適用于LTE上行鏈路;
2)本發(fā)明通過采用不同的相關(guān)長度進行迭代運算,對定時估計值進行兩次估計,提高了估計精度;
3)本發(fā)明通過計算接收導(dǎo)頻二范數(shù)的二次冪,來選擇信道狀態(tài)最好位置的導(dǎo)頻來做定時估計,相對于其他導(dǎo)頻相關(guān)算法對多個導(dǎo)頻估計結(jié)果進行等比例合并的方式,降低了計算復(fù)雜度,也提高了性能;
4)本發(fā)明在第一次估計后,并未返回時域進行定時估計補償,而是根據(jù)傅里葉變換的時頻特性,直接在頻域乘以一個復(fù)指數(shù)項進行補償,從而避免了一次傅里葉變換,在不降低估計性能的情況下,大大降低了迭代的復(fù)雜度。
仿真結(jié)果表明,本發(fā)明在較低的復(fù)雜度下提高了定時估計的范圍和性能,滿足LTE標(biāo)準(zhǔn)的要求。
下面通過附圖和實施實例,對本發(fā)明做進一步的描述。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖;
圖2是本發(fā)明在3MHz帶寬、2導(dǎo)頻下仿真使用的子幀結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是本發(fā)明中循環(huán)移位及集中式子載波解映射示意圖;
圖4是本發(fā)明中對接收頻域?qū)ьl序列和本地頻域?qū)ьl序列進行分割的示意圖;
圖5是本發(fā)明利用圖2所示幀結(jié)構(gòu),在信噪比為10dB下仿真的估計誤差柱狀圖;
圖6是本發(fā)明利用圖2所示幀結(jié)構(gòu),在信噪比為0dB下仿真的估計誤差柱狀圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例,對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步描述。
參照圖1,本發(fā)明的實施步驟如下:
步驟1.去除循環(huán)前綴。
1a)在接收端的每一幀數(shù)據(jù)的每個子幀中,用ri表示第i個帶循環(huán)前綴的時域?qū)ьl序列:
其中:為循環(huán)前綴,i=1,2;
為時域?qū)ьl序列,N=128,256,512,1024,1536,2048;
1b)去除循環(huán)前綴得到時域?qū)ьl序列
參照圖2,本發(fā)明以LTE上行鏈路3MHz帶寬下2導(dǎo)頻SC-FDMA子幀為例,取N=256,L=18,i=1,2;對帶循環(huán)前綴的時域?qū)ьl序列r1,去除長度為18的循環(huán)前綴得到256點時域?qū)ьl序列其中,對帶循環(huán)前綴的時域?qū)ьl序列r2,去除長度為18的循環(huán)前綴得到256點時域?qū)ьl序列其中,
步驟2.快速傅里葉變換、循環(huán)移位、集中式子載波解映射。
參照圖3,本步驟的具體實現(xiàn)如下:
2a)對時域?qū)ьl序列進行快速傅里葉變換FFT,得到N點頻域?qū)ьl序列Ri:
Ri=[Ri(0),Ri(1),…,Ri(N-1)]T;
對該Ri進行M/2點循環(huán)移位得到頻域?qū)ьl移位序列Fi,再對該Fi進行集中式子載波解映射得到M點接收頻域?qū)ьl序列Si(m),并在接收端提取Si(m)對應(yīng)的M點本地頻域?qū)ьl序列Ci(m),其中,快速傅里葉變換的公式表示為Ri(n)=FFT{ri(k)},頻域?qū)ьl移位序列Fi表示為:
Fi=[Ri(N-M/2),Ri(N-M/2+1),…,Ri(N-1),Ri(0),Ri(1),…,Ri(M/2-1)]T;
M=72,180,300,600,900,1200,m=0,1,…,M-1,Ri(·)括號中的值先從N-M/2依次增加至N-1,再從0依次增加至M/2-1;集中式子載波解映射,是通過將Fi與一個集中式子載波解映射矩陣D相乘得到:
D·Fi=[Si(0),Si(1),…,Si(m),…,Si(M-1)]T,
其中D=[IM 0M×(N-M)],Si(m)是M點接收頻域?qū)ьl序列的第m項,m=0,1,…,M-1;
2b)對單用戶導(dǎo)頻進行快速傅里葉變換、循環(huán)移位、子載波解映射。
2b1)在本實例中,N=256,M=180,快速傅里葉變換后,兩個頻域?qū)ьl序列分別表示為:
R1=[R1(0),R1(1),…,R1(255)]T,R2=[R2(0),R2(1),…,R2(255)]T;
2b2)對于兩個頻域?qū)ьl序列R1,R2,分別進行180/2=90點循環(huán)移位得到兩個頻域?qū)ьl移位序列F1,F2;
2b3)分別對F1,F2進行集中式子載波解映射,得到180點的兩個接收頻域?qū)ьl序列S1(m)、S2(m),并在接收端分別提取S1(m)和S2(m)對應(yīng)的180點本地頻域?qū)ьl序列C1(m)、C2(m),m=0,1,…,179,
其中,第一個循環(huán)移位序列F1和第二個循環(huán)移位序列F2分別表示為:
F1=[R1(166),…,R1(255),R1(0),…,R1(89)]T,
F2=[R2(166),…,R2(255),R2(0),…,R2(89)]T;
Ri(·)括號中的值先從166依次增加至255,再從0依次增加至89;集中式子載波解映射矩陣D表示為D=[I180 0180×(76)]。
步驟3.計算信道二范數(shù)的二次冪,確定所要使用的接收頻域?qū)ьl序列和本地頻域?qū)ьl序列。
3a)利用接收頻域?qū)ьl序列Si(m)計算各個頻域?qū)ьl序列處信道二范數(shù)的二次冪:
求出信道二范數(shù)的二次冪的最大值對應(yīng)的頻域?qū)ьl編號取出imax對應(yīng)的接收頻域?qū)ьl序列和本地頻域?qū)ьl序列
3b)計算二次冪,確定需要的導(dǎo)頻序列:
在本實例中,用戶的第一個接收頻域?qū)ьl序列S1(m)對應(yīng)的信道二范數(shù)的二次冪表示為用戶的第二個接收頻域?qū)ьl序列S2(m)對應(yīng)的信道二范數(shù)的二次冪表示為
求出和中的最大值對應(yīng)的頻域?qū)ьl編號假設(shè)計算得到imax=2,則該imax對應(yīng)取出對應(yīng)的接收頻域?qū)ьl序列S2(m)和本地頻域?qū)ьl序列C2(m)。
步驟4.對接收頻域?qū)ьl序列和本地頻域?qū)ьl序列進行分割。
參照圖4,本步驟的具體實現(xiàn)如下:
4a)將步驟3得到的接收頻域?qū)ьl序列和本地頻域?qū)ьl序列分別分割成長度均為p的若干段,將分割的接收頻域?qū)ьl序列的相鄰兩段表示為Sa(k)和Sa+1(k+p),將分割的本地頻域?qū)ьl序列的相鄰兩段表示為Ca(k)和Ca+1(k+p),其中τmax為系統(tǒng)最大符號定時誤差,a=0,1,2,…,d1-2,d1=M/p,a·p≤k≤(a+1)·p-1;
4b)對取出的兩個導(dǎo)頻序列進行分割。
在本實例中,假設(shè)τmax=8,將步驟3得到的S2(m)和C2(m)分別分割成長度均為p=12的若干段,將分割的接收頻域?qū)ьl序列的相鄰兩段表示為Sa(k)和Sa+1(k+12);將分割的本地頻域?qū)ьl序列的相鄰兩段表示為Ca(k)和Ca+1(k+12),其中d1=M/p=15,a=0,1,2,…,13,a·12≤k≤(a+1)·12-1。
步驟5.計算相關(guān)值αa及其對應(yīng)的角度∠αa。
5a)根據(jù)步驟4得到的Sa(k)、Sa+1(k+p)、Ca(k)、Ca+1(k+p),計算接收頻域?qū)ьl序列和本地頻域?qū)ьl序列的分段相關(guān)值αa:
其中上標(biāo)*表示共軛轉(zhuǎn)置;
5b)利用反三角函數(shù)求出αa對應(yīng)的角度∠αa=angle(αa)。
在本實例中,根據(jù)步驟4得到的Sa(k)、Sa+1(k+12)、Ca(k)、Ca+1(k+12),計算接收頻域?qū)ьl序列S2(m)和本地頻域?qū)ьl序列C2(m)的分段相關(guān)值α0,α1,…,αa,…,α13:
再利用反三角函數(shù)分別求出α0,α1,…,α13對應(yīng)的角度∠α0,∠α1,…,∠α13。
步驟6.計算第一次定時誤差的估計值τ1。
根據(jù)∠αa計算各個分段相關(guān)值αa對應(yīng)的定時估計值:對該τa求算數(shù)平均值并四舍五入,得到第一次定時誤差的估計值
在本實例中,根據(jù)∠α0,∠α1,…,∠αa,…,∠α13計算各個分段相關(guān)值α0,α1,…,αa,…,α13對應(yīng)的定時估計值τ0,τ1,…,τa,…,τ13:
對τ0,τ1,…,τa,…,τ13求算數(shù)平均值并四舍五入,得到第一次定時誤差的估計值:
步驟7.構(gòu)造修正對角矩陣并計算接收頻域?qū)ьl修正序列。
7a)根據(jù)估計值τ1和步驟2中的子載波解映射方式構(gòu)造M維修正對角矩陣Λ:
7b)利用修正對角矩陣Λ計算接收頻域?qū)ьl修正序列
其中Λ(m,m)表示矩陣Λ的第m行第m列元素,表示接收頻域?qū)ьl序列。
在本實例中,根據(jù)估計值τ1和步驟2中的子載波解映射方式構(gòu)造180維修正對角矩陣Λ為:
在本實例中imax=2,因此接收頻域?qū)ьl序列表示為S2(m),利用該修正對角矩陣Λ計算接收頻域?qū)ьl修正序列Y2(m):
Y2(m)=Λ(m,m)·S2(m)。
步驟8.對接收頻域?qū)ьl修正序列和本地頻域?qū)ьl序列進行分割。
8a)將接收頻域?qū)ьl修正序列和本地頻域?qū)ьl序列分別分割成長度均為q的若干段,
8b)將分割后的接收頻域?qū)ьl修正序列的相鄰兩項表示為Yb(t)和Yb+1(t+q),將分割的本地頻域?qū)ьl序列的相鄰兩項表示為Cb(t)和Cb+1(t+q),其中q>p,b=0,1,2,…,d2-2,d2=M/q,b·q≤t≤(b+1)·q-1。
在本實例中,將接收頻域?qū)ьl修正序列Y2(m)和本地頻域?qū)ьl序列C2(m)分別分割成長度均為q=30的若干段,將分割的接收頻域?qū)ьl修正序列的相鄰兩項表示為Yb(t)和Yb+1(t+30),將分割的本地頻域?qū)ьl序列的相鄰兩項表示為Cb(t)和Cb+1(t+30),其中q>p,d2=M/q=6,b=0,1,2,…,4,b·30≤t≤(b+1)·30-1。
步驟9.計算相關(guān)值βb及其對應(yīng)的角度∠βb。
9a)根據(jù)步驟8得到的Yb(t)、Yb+1(t+q)、Cb(t)、Cb+1(t+q),計算接收頻域?qū)ьl修正序列和本地頻域?qū)ьl序列的分段相關(guān)值βb:
其中上標(biāo)*表示共軛轉(zhuǎn)置;
9b)利用反三角函數(shù)求出βb對應(yīng)的角度∠βb=angle(βb)。
在本實例中,根據(jù)步驟8得到的Yb(t)、Yb+1(t+30)、Cb(t)、Cb+1(t+30),計算接收頻域?qū)ьl修正序列Y2(m)和本地頻域?qū)ьl序列C2(m)的分段相關(guān)值β0,β1,…,βb,…,β4:
再利用反三角函數(shù)求出β0,β1,…,β4對應(yīng)的角度∠β0,∠β1,…,∠β4。
步驟10.計算第二次定時誤差的估計值τ2。
根據(jù)∠βb計算各個分段相關(guān)值βb對應(yīng)的定時估計值對該νb求算數(shù)平均值并四舍五入,得到第二次定時誤差的估計值
在本實例中,根據(jù)∠β0,∠β1,…,∠βb,…,∠β4計算各個分段相關(guān)值β0,β1,…,βb,…,β4對應(yīng)的定時估計值ν0,ν1,…,νb,…ν4:
對ν0,ν1,…,νb,…ν4求算數(shù)平均值并四舍五入,得到第二次定時誤差的估計值
步驟11.計算最終定時誤差的估計值τ。
根據(jù)以上兩次定時估計,得到最終的接收子幀的符號定時誤差估計值τ=τ1+τ2。
本發(fā)明的效果可通過以下仿真進一步說明。
1、仿真條件:在LTE標(biāo)準(zhǔn)上行鏈路SC-FDMA系統(tǒng)中,以單用戶3MHz帶寬為例,測試數(shù)據(jù)為100000幀,對比第一徑搜索和本發(fā)明所提出的方法性能。
2、仿真內(nèi)容與結(jié)果:
仿真1,用本發(fā)明的方法與現(xiàn)有第一徑搜索算法在單用戶、帶寬為3MHz、信噪比為10dB條件下對估計誤差進行仿真,結(jié)果如圖5所示。
仿真2,用本發(fā)明的方法與現(xiàn)有第一徑搜索算法在單用戶、帶寬為3MHz、信噪比為0dB條件下對估計誤差進行仿真,結(jié)果如圖6所示。
由圖5可見,在10dB的信噪比下,本發(fā)明較第一徑搜索算法在性能上將估計誤差范圍從4個采樣點降低到了2個采樣點;由圖6可見,在0dB的信噪比下,本發(fā)明較第一徑搜索算法在性能上將估計誤差范圍從4個采樣點降低到了3個采樣點。且本發(fā)明避免了第一徑搜索算法中復(fù)數(shù)除法的運算,并通過接收頻域?qū)ьl修正序列進一步降低了迭代的復(fù)雜度。