用于協作通信系統中頻率同步方法
【專利摘要】本發明公開一種用于協作通信系統中頻率同步方法，在本方法中的系統，中繼節點和目的節點都需要進行頻率同步。在直接鏈路傳輸模式下，源節點至目的節點之間的頻率同步問題屬于點對點數字通信系統的頻率同步問題；在協作模式下的協作階段一，中繼節點和目的節點都只接收到來自源節點的信號，其頻率同步問題也屬于點對點數字通信系統的頻率同步問題；在協作階段二，目的節點同時接收到來自兩個協作節點的疊加信號，由于本系統中兩個協作節點都采用相同的結構的訓練序列(用于頻率估計部分)，因此可以將兩路信號的疊加看成是前綴經過一個等效的多徑信道的信號，因此其頻率同步問題也屬于點對點數字通信系統的頻率同步問題。
【專利說明】用于協作通信系統中頻率同步方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信領域，更具體地，涉及用于協作通信系統中頻率同步方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著無線移動通信用戶數的增加和人們物質生活水平的提高，以提供話 音為主的傳統GSM和CDMA技術已逐漸難以滿足用戶需求。為滿足人們對無線多媒體通信 業務不斷增長的需要，在頻譜資源日趨緊張的背景下，多天線系統由于能夠顯著提升系統 的傳輸性能和頻譜效率，已受到廣泛的關注。然而，移動終端的體積、功率限制大大制約了 多天線系統的實際應用。協作通信系統作為一種多天線技術的擴展，已經成為近年來通信 領域研究的熱點，利用無線網絡中節點相互協作傳輸數據或者加入專門的中繼節點協作傳 輸，可以在提高系統頻譜利用率的同時，有效地降低增加基站所帶來的大量成本。
[0003] 在協同通信系統中，由于中繼地理位置分布的不同以及多個晶振之間的互相不匹 配，在多個中繼鏈路之間存在多個不同的載波頻率偏移，這是協同通信系統有別于傳統點 對點通信系統的最顯著之處。在學術界，已經有很多對頻偏問題的大量研究。根據頻偏估 計算法應用場景的不同，可以分為連續模式算法和突發模式算法；根據算法適用條件的不 同，可以分為粗同步算法和細同步算法；根據算法所利用的數據類型不同，可以分為盲估計 算法和訓練序列估計算法。
[0004] 在實際的協作通信系統中，頻率同步是實現可靠接收的前提。在協作通信系統中， 信源節點和中繼節點都會向目的節點發送信號。由于不同節點的晶振特性不同或傳播過程 中引入的相位噪聲等原因，將出現頻率非同步。因此，在信道估計和數據解調之前需要建立 頻率同步。
[0005] 申請號為"201010545376. 2"，名為"在協同無線網絡中用于同步的方法及裝置"的 專利申請，是針對協同無線網絡給出了一個用于同步的方法及裝置。該發明提出一種在協 同無線網絡中用于同步的方法，包括步驟:A、生成頻域訓練序列，該頻域訓練序列中的非零 訓練數據映射于第一子載波集合上，該第一子載波集合中的子載波以第一預定值個子載波 為間隔均勻對應于載波上；其中，第一子載波集合與其他至少一個協同節點各自所對應的 子載波集合之間有間隔偏移，以及其他至少一個協同節點各自所對應的子載波集合兩兩也 有間隔偏移；B、根據頻域訓練序列，生成對應的時域導頻；以及C、發送時域導頻。此專利的 目的是為了提高協同節點與接收機之間同步過程中的時偏估計和頻偏估計的精度。
[0006] 該申請提出了一種在協同無線網絡的第一協同節點中用于與其他至少一個協同 節點協同發送導頻的方法及其裝置，其訓練序列設計復雜，計算復雜度高，通過其仿真結果 圖可以看到其載波頻率偏移估計的均方差較大，也就是說其頻率同步的準確度不太高。
[0007] "低復雜度協同中繼系統頻偏估計方法201110072457. X"的專利申請是針對協同 中繼系統提出一種低復雜度的頻偏估計方法。其提出的估計方法，利用各中繼節點訓練 序列的周期性，將接收序列矢量轉換為對應矩陣，進而利用相關矩陣的列共軛對稱屬性分 別構造相應的實數矩陣，并分別做實數矩陣的快速特征分解與實系數多項式方程的快速求 根，從而實現快速多頻偏估計。
[0008] 具體方法為：
[0009] 1)對接收序列y進行變換，將其轉換為QXP的矩陣Y，其中，矩陣Y的元素可以表 示為：[Y]q，P = [y]qP+P，〇 <q<Q，〇<P< P，P 與 Q 為正整數，且 PXQ = N，N 為訓練序 列的長度，q代表矩陣Y的行索引，P代表矩陣Y的列索引；
[0010] 2)利用歸一化列共軛對稱矩陣，構造實數方差矩陣；
[0011] 3)對步驟2)得到的實數方差矩陣做特征分解，得到相應于信號子空間的歸一化 特征矢量；
[0012] 4)根據步驟3)得到的歸一化特征矢量，利用幾何映射關系得到的歸一化列共軛 對稱矩陣，構造實系數多項式；
[0013] 5)對步驟4)得到的實系數多項式進行快速求根運算，找出所有成對根中虛部絕 對值最小的K對根，其中K為協同中繼系統中中繼節點的個數；
[0014] 6)計算出相應于這K對根的等效頻偏，并按照從小到大的順序重新排列；
[0015] 7)對步驟6)得到的K個等效頻偏分別作對應的加法運算，得到待估計的K個頻偏 值。
[0016] 該專利申請提出的方法需進行多次矩陣運算、特征分解等，計算復雜度高。
【發明內容】
[0017] 本發明的目的是提出一種用于協作通信系統中頻率同步方法，解決協同通信中頻 率非同步問題，算法復雜度低，易實現。
[0018] 為了實現上述目的，本發明的技術方案為：
[0019] 一種用于協作通信系統中頻率同步方法，該通信系統屬于多中繼協作無線傳輸系 統，由源節點、中繼節點和目標節點組成；每個節點配置單個天線，均采用帶循環前綴的正 交頻分復用CP-0FDM的多載波調制/解調方式；幀結構包含前綴、訓練序列和數據序列三個 部分；
[0020] 頻率同步包括中繼節點頻率同步以及目的節點頻率同步；
[0021] 所述中繼節點頻率同步的過程為：存在頻率誤差時，在實現符號同步后，訓練序列 的長度為N的0FDM窗去掉CP后內的接收信號為；
[0022] 對訓練序列進行頻率同步包括頻率誤差估計和頻率誤差抵消：
[0023] 其中訓練序列的頻率誤差估計是利用去掉CP后的訓練序列的重復結構，重復結 構包括 S!、S2，S! = S2 ;
[0024] OFDM窗的觀察值為廣=[if f = [*f r/f ?利用基于自相關二階統計特性的 估計方法進行頻率誤差估計；得到源節點至中繼節點鏈路的載波頻率誤差的估計值 表示為^丨,.：
[0025] 訓練序列的頻率誤差抵消是在利用訓練序列得出頻率誤差估計值Δ/"_之后，中繼 節點需要對接收到的時域信號進行頻率補償，補償后的時域信號<如式< =e 其中T表示抽樣周期，η表示抽樣時刻，η = 1，. . .，N ;補償后的時域信號是用于后續基于訓 練序列的信道估計和對數據序列的處理；
[0026] 在實現Alamouti編碼后，中繼節點將時域信號調制到與源節點相同的載波發送 題室再發送出去，以實現頻率再補償；即中繼節點的時域信號還需乘以所估計到的源節點 至中繼節點鏈路的載波頻率誤差Afg;
[0027] 所述目的節點頻率同步包括頻率誤差估計和頻率誤差抵消。
[0028] 在一種優選的方案中，所述中繼節點頻率同步的具體過程為：
[0029] 存在頻率誤差時，在實現符號同步后，訓練序列的長度為N的0FDM窗去掉CP后內 的接收信號為/f、
[0030]
【權利要求】
1. 一種用于協作通信系統中頻率同步方法，該通信系統屬于多中繼協作無線傳輸系 統，由源節點、中繼節點和目標節點組成；每個節點配置單個天線，均采用帶循環前綴的正 交頻分復用CP-OFDM的多載波調制/解調方式；幀結構包含前綴、訓練序列和數據序列三個 部分； 其特征在于，頻率同步包括中繼節點頻率同步以及目的節點頻率同步； 所述中繼節點頻率同步的過程為：存在頻率誤差時，在實現符號同步后，訓練序列的長 度為N的OFDM窗去掉CP后內的接收信號為； 對訓練序列進行頻率同步包括頻率誤差估計和頻率誤差抵消： 其中訓練序列的頻率誤差估計是利用去掉CP后的訓練序列的重復結構，重復結構包 括 Sj、S2，Sj = s2 ; OFDM窗的觀察值為rw' =[#f,...,=[< r/f，利用基于自相關二階統計特性的估計 方法進行頻率誤差估計；得到源節點至中繼節點鏈路的載波頻率誤差的估計值表示 為?fsri 訓練序列的頻率誤差抵消是在利用訓練序列得出頻率誤差估計值之后，中繼節點 需要對接收到的時域信號進行頻率補償，補償后的時域信號jC如式=e ,其中 T表示抽樣周期，η表示抽樣時刻，η = 1，. . .，N ;補償后的時域信號是用于后續基于訓練序 列的信道估計和對數據序列的處理； 在實現Alamouti編碼后，中繼節點將時域信號調制到與源節點相同的載波發送頻率 再發送出去，以實現頻率再補償；即中繼節點的時域信號還需乘以所估計到的源節點至中 繼節點鏈路的載波頻率誤差Λ fOT; 所述目的節點頻率同步包括頻率誤差估計和頻率誤差抵消。
2. 根據權利要求1所述的用于協作通信系統中頻率同步方法，其特征在于，所述中繼 節點頻率同步的具體過程為： 存在頻率誤差時，在實現符號同步后，訓練序列的長度為N的OFDM窗去掉CP后內的接 收信號為
其中表示源節至中繼節點的第1徑信道參數，1 = 〇,. . .，Ls「l ;sn表示時域的發送 信號，這里對應的是訓練序列部分，且Sq = Sh ;Δ?^ = fs-f；表示源節點至中繼節點鏈路 的載波頻率誤差，fs和f；則分別表示源節點和中繼節點的載波頻率，T表示抽樣周期； 對訓練序列進行頻率同步包括頻率誤差估計和頻率誤差抵消：
其中訓練序列的頻率誤差估計是利用去掉CP后的訓練序列的重復結構，重復結構包 括 Sj、S2，Sj = s2 ; OFDM窗的觀察值為 》利用基于自相關二階統計特性的估計 方法進行頻率誤差估計；
由于Si = s2，因此可得
根據大數定理，近似為高斯白噪聲，得到頻率誤差Λ?^的估計值表示為；
NST表示OFDM窗的大小，在Τ 一定情況下，Ns越長，OFDM窗就越大，估計的精度就高； 訓練序列的頻率誤差抵消是在利用訓練序列得出頻率誤差估計值之后，中繼節點 需要對接收到的時域信號進行頻率補償，補償后的時域信號如式=e ，其中 Τ表示抽樣周期，η表示抽樣時刻，η = 1，...，Ν ;補償后的時域信號是用于后續基于訓練序 列的信道估計和對數據序列的處理；
在實現Alamouti編碼后，中繼節點將時域信號調制到與源節點相同的載波發送頻率 再發送出去，以實現頻率再補償；即中繼節點的時域信號還需乘以所估計到的中繼節點與 源節點之間的頻率誤差Λ ，即尤<為第η個抽樣時刻的符號。
3.根據權利要求2所述的用于協作通信系統中頻率同步方法，其特征在于，所述目的 節點頻率同步的具體過程為： 在單或雙中繼協作傳輸模式下，設源節點和中繼節點到目的節點之間的頻域信道分別 為Hsd和，目的節點接收到來自源節點和中繼節點的時域信號表示為
其中Δ fSd = fs_fd和Δ f^d =仁-fd分別表示源節點和中繼節點至目的節點鏈路的載 波頻率誤差，fd為目的節點的載波頻率，由于為4/； -的估計值，￠44 -不為 零，因此可得
對于用于頻率估計的訓練序列部分的信號，滿足< =?，因此
則其頻率誤差估計Λ fsd的估計值表示為
；其中r/和rf分 別為對應訓練序列部分重復子結構的時域接收信號；根據頻率誤差估計的估計值對 接收到的時域信號進行頻率誤差抵消。
4. 根據權利要求1所述的用于協作通信系統中頻率同步方法，其特征在于，所述通信 系統的前綴部分采用[P1，P2] = [A, reverse (A)]結構。
5. 根據權利要求1所述的用于協作通信系統中頻率同步方法，其特征在于，所述源節 點采用長度為Ns的確定序列s= s,,…，…作為訓練序列，由相同的2個部分 s, =s2 =[s,，"％%s;2]組成；CP部分取自s最后LCP長度部分…，Λ'ν<]，為了 保證在多徑干擾信道環境下訓練序列不受前綴部分的干擾，CP部分的長度Ι^ρ大于多徑信 道的長度Lh，即滿足LCP>Lh。
【文檔編號】H04L5/00GK104052690SQ201410196033
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月9日 優先權日:2014年5月9日
【發明者】崔苗, 張欣, 李藍, 周景榮, 閆瑞軍, 羅柏明 申請人:中國電子科技集團公司第七研究所