移动通信中的频偏估计与补偿方法.pdf

本发明涉及移动通信中高速移动的环境下产生的的频偏估计与补偿方法，循环执行如下步骤：第一步，根据前N次频偏估计与补偿后的数据信噪比的记录判断是否达到设定的链路质量门限要求；是则进入第二步，否则进入第三步；第二步，采用历史频偏平滑的方法进行频偏值估计和补偿；第三步，采用多分支的频偏计算法进行频偏估计和补偿，并选择最大的信噪比分支对应的频偏值，进行数据补偿。本发明有效地估计基站和终端之间的相对频偏，提高接收机对频偏的估计和补偿范围，增加基站和终端进行频偏估计与补偿的能力。

1.  一种移动通信中的频偏估计与补偿方法，其特征在于，循环执行如下步骤：
第一步，根据前N次频偏估计与补偿后的数据信噪比的记录判断是否达到设定的链路质量门限要求；是则进入第二步，否则进入第三步；
第二步，采用历史频偏平滑的方法进行频偏值估计和补偿；
第三步，采用多分支的频偏计算法进行频偏估计和补偿，并选择最大的信噪比分支对应的频偏值，进行数据补偿。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述的数据信噪比的记录是通过，设置位长为N的链路质量状态寄存器R和链路质量计数器Count，N为正整数，根据对链路质量的要求设定信噪比门限SIR_Thr；当补偿获得的数据的信噪比大于所述信噪比门限SIR_Thr时，更新所述链路质量状态寄存器R中的一位为1，否则更新为0，来获取记录数据；
所述链路质量计数器Count的值是所述链路质量状态寄存器R中数值为1的位数；
所述链路质量门限是通过仿真或者根据外场实际环境测试获得的链路质量门限值Count_Thr；
在所述第一步中，当链路质量计数器Count大于链路质量门限值Count_Thr时，进入第二步，否则进入第三步。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二步包括：用历史频偏值作为初始频偏值补偿数据；然后估计补偿后数据的残余频偏值，再用所述残余频偏值补偿数据；再计算补偿后数据的信噪比SIR。

4.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三步包括：设定多个不同的初始频偏值分别补偿数据；再分别对补偿后的数据进行所述残余频偏值估计并补偿；然后计算各分支补偿后数据的信噪比SIR；选择信噪比最大的分支的补偿数据、初始频偏值和残余频偏值。

5.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二步中如果所述补偿后数据的信噪比SIR大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新所述链路质量寄存器R的一位为1，本次频偏值f_k，n为历史初始频偏值与残余频偏值之和，并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值为：
如果所述补偿后数据的信噪比SIR不大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新链路质量寄存器R的一位为0，并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值等于
更新链路质量计数器Count。

6.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第三步中如果所述信噪比最大的分支的的信噪比SIR大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新所述链路质量寄存器R的一位为1，本次频偏值f_k，n为所述信噪比最大的分支的初始频偏值与残余频偏值之和；并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值为：
如果所述信噪比最大的分支的的信噪比SIR不大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新链路质量寄存器R的一位为0，本次频偏值f_k，n为上一次的历史频偏值并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值等于
更新链路质量计数器Count。

7.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，设置所述链路质量状态寄存器R的初始值为全0。

8.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述不同分支的初始频偏值通过仿真确定。

移动通信中的频偏估计与补偿方法
技术领域  本发明涉及移动通信领域，尤其涉及高速移动的环境下产生的移动通信中的频偏估计与补偿方法。
背景技术  码分多址具有容量大、抗多径衰落能力强和频带利用率高等优点，已成为第三代移动通信无线传输技术的主流，尤其是TD-SCDMA(十分同步码分多址)和WCDMA(宽带码分多址)系统倍受青睐，目前已经被广泛应用。
随着我国自主创新研制能力的不断提高，高速公路的陆续修建，铁路不断的提速，高速交通运输已经大范围开始应用，并大步向前发展。在列车上进行移动通讯业务的终端用户也越来越多，这就要求网络覆盖能提供良好的通信服务质量。
由于终端的移动，会在基站和终端之间产生多普勒频移，在移动通信系统中，特别是高速场景下，这种频移尤其明显。多普勒频移将使接收机和发射机之间产生频率误差，多普勒频移会影响上行接入成功率、切换成功率，还会对系统的容量和覆盖产生影响。
多普勒频移的大小和相对运动速度大小有关，它们之间的关系是：
fd=-f0C×v×cosθ]]>
其中，θ为终端移动方向和信号传播方向之间的夹角；v是终端运动速度；C为电磁波传播速度；f₀为载波频率。
终端移动速度一般在150km～250km范围内，在今后几年内，陆续会有不少交通路段的速度达到300km/h～350km/h。在此速度范围内，多普勒频移超过400Hz，基站和终端必须支持足够的频偏补偿技术才能满足业务质量要求。
对于接收机来说，估计和发射机之间的频率误差并完成频率误差校正是必须具备的功能。如果终端接收到的信号的频率有f_d的频移，终端锁定下行信号频率后发送上行信号，发射机接收到的上行信号的频率将会有2*f_d的频移。
终端和基站的相对运动方向不同，会产生正负不同的频偏，如图1所示是终端移动过程中的频偏示意图，设f₀是基站的发射频率，当终端向远离基站的方向运动时，会产生负频偏-f_d，终端接收到的频率是f₀-f_d，基站接收的频率是f₀-2□f_d；当终端向靠近基站的方向运动时，会产生正频偏f_d，终端接收到的频率是f₀+f_d，基站接收的频率是f₀+2□f_d。当终端在两个基站之间运动，从一个基站驶向另一个基站的时候，终端会出现频率跳变，从频率f₀-f_d跳到频率f₀+f_d，终端将会有2*f_d的频率跳变。2*f_d无论对于基站接收机，还是终端接收机都将是一个不小的挑战，过大的频率偏移量会造成通信质量下降，严重的时候会导致服务中断，尤其是在高速移动环境下。
如果不能正确估计频偏并进行补偿，那么系统性能将大大降低，尤其是当频偏较大时(对应终端运动速度较高时)，因此寻找纠频偏性能好、实现稳定的频偏估计与补偿方法对工程实现具有重要意义。
基于上述，本发明对于类似于上行基站接收2倍频偏和终端频偏跳变的问题，提出了一种接收机有效地频偏估计与补偿的方法。
发明内容  本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，公开一种移动通信中的频偏估计和补偿方法，通过历史频偏平滑的方法对移动通信中获得的数据进行频偏估计和校正，并用多分支的方法为历史平滑方法提供可靠的初始频偏校正值，二者结合起来提高基站和终端的频偏估计与补偿能力，解决接收机性能受频偏校正能力限制的问题。
本发明公开的一种移动通信中的频偏估计与补偿方法，循环执行如下步骤：第一步，根据前N次频偏估计与补偿后的数据信噪比的记录判断是否达到设定的链路质量门限要求；是则进入第二步，否则进入第三步；第二步，采用历史频偏平滑的方法进行频偏值估计和补偿；第三步，采用多分支的频偏计算法进行频偏估计和补偿，并选择最大的信噪比分支对应的频偏值，进行数据补偿。
在本发明的一个实施例中所述的数据信噪比的记录是通过，设置位长为N的链路质量状态寄存器R和链路质量计数器Count，N为正整数，根据对链路质量的要求设定信噪比门限SIR_Thr；当补偿获得的数据的信噪比大于所述信噪比门限SIR_Thr时，更新所述链路质量状态寄存器R中的一位为1，否则更新为0，来获取记录数据；所述链路质量计数器Count的值是所述链路质量状态寄存器R中数值为1的位数；所述链路质量门限是通过仿真或者根据外场实际环境测试获得的链路质量门限值Count_Thr；在所述第一步中，当链路质量计数器Count大于链路质量门限值Count_Thr时，进入第二步，否则进入第三步。
在本发明的一个实施例中，所述第二步包括：用历史频偏值作为初始频偏值补偿数据；然后估计补偿后数据的残余频偏值，再用所述残余频偏值补偿数据；再计算补偿后数据的信噪比SIR。
在本发明的一个实施例中，所述第三步包括：设定多个不同的初始频偏值分别补偿数据；再分别对补偿后的数据进行所述残余频偏值估计并补偿；然后计算各分支补偿后数据的信噪比SIR；选择信噪比最大的分支的补偿数据、初始频偏值和残余频偏值。
在本发明的一个实施例中，所述第二步中如果所述补偿后数据的信噪比SIR大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新所述链路质量寄存器R的一位为1，本次频偏值f_k，n为历史初始频偏值与残余频偏值之和，并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值为：如果所述补偿后数据的信噪比SIR不大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新链路质量寄存器R的一位为0，并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值等于然后更新链路质量计数器Count。
在本发明的一个实施例中，所述第三步中如果所述信噪比最大的分支的的信噪比SIR大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新所述链路质量寄存器R的一位为1，本次频偏值f_k，n为所述信噪比最大的分支的初始频偏值与残余频偏值之和；并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值为：如果所述信噪比最大的分支的的信噪比SIR不大于所述信噪比门限SIR_Thr，则更新链路质量寄存器R的一位为0，本次频偏值f_k，n为上一次的历史频偏值并且输出下次频偏估计需使用的历史频偏值等于然后更新链路质量计数器Count。
本发明公开的移动通信中的频偏估计和补偿方法通过历史频偏平滑的方法进行频偏估计和校正，并用多分支尝试的方法为历史平滑方法提供可靠的初始频偏校正值，可以有效地估计基站和终端之间的相对频偏，提高接收机对频偏的估计和补偿范围，增加基站和终端进行频偏估计与补偿的能力。使用本发明的方法，即使在高速移动环境链路中存在大频偏时，接收机也能准确的、稳定的进行频偏校正，为通信服务质量提供了可靠的保障。由于多分支尝试的次数不多，计算量不大，是工程实现的一种好方法。
附图说明
图1是终端移动过程中的频偏示意图。
图2是本发明的一个实施例的频偏估计方法流程图。
具体实施方式  下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图2是对本发明的一个实施例的详细描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
以下技术方案描述针对用户k，所有用户频偏估计和补偿方案相同。n表示执行频偏算法的数据单元号。
初始化链路质量状态寄存器R_k，R_k，n-1＝[b₁ b₂…b_N]，R_k的位长为N，R_k的每个比特位表示一次接收的链路质量状态，0代表链路质量状态不好，1代表链路质量状态好。链路质量计数器Count_k＝(寄存器R_k中1的个数)。R_k初始化为全0，这里对其采用左出右入的方式更新维护，如果定义成右出左入也可以。
如图2所示，首先判断链路质量计数器Count_k是否比门限Count_Thr大，若是，则进行历史平滑频偏计算法估计和补偿数据频偏；若不是，则进行多分支数据频偏计算法估计和初始补偿数据频偏，再计算历史平滑频偏计算法的历史初始频偏值。
Count_Thr值大小与多分支尝试的次数相关，是通过仿真或者根据外场实际环境测试获得的链路质量门限，该值的设定可通过无线场景测试获得，不同的场景可以配置不同的值。
当Count_k＞Count_Thr时，使用历史平滑频偏计算法估计和补偿数据。用历史初始频偏值对数据d_k，n进行初始补偿，这个历史初始频偏值来源于上次的频偏估计输出，如果没有上次的频偏估计值，那么该初值为然后估计初始频偏补偿后数据的残余频偏值Δf_k，n，进行残余频偏补偿，得到数据计算补偿后数据的信噪比SIR_k，n。
当获取频偏值后对数据进行补偿，就是对本次接收到有频率偏差的数据进行频偏补偿，补偿的方法是一种公知常识，即针对不同位置的数据，将频率偏差换算为与时间有关的相位偏差后对数据进行补偿。
这里的残余频偏补偿是对初始频偏补偿后的数据再进行一次频偏估计，估计的方法不唯一，在现有技术中可查阅得到。对数据进行信噪比SIR的计算也是通信领域公知的常识。
判断历史平滑频偏计算法或者多分支数据频偏估计计算法估计的数据信噪比SIR_k，n是否大于信噪比门限SIR_Thr，SIR_Thr可通过仿真或者无线场景测试获得。
是则更新链路质量寄存器R_k的最新状态位置为1，R_k，n＝[b₂ b₃…b_N 1]，本次频偏值估计输出
否则更新链路质量寄存器R_k的最新状态位置为0，R_k，n＝[b₂ b₃…b_N 0]，本次频偏值估计输出
最后，输出下次频偏估计需使用的历史初始频偏值：
f‾k,n=(1-p)*f‾k,n-1+p*fk,n.]]>其中p是平滑因子。
更新链路质量计数器Count_k。
当Count_k≤Count_Thr时，对数据进行多分支数据频偏估计和补偿，计算历史平滑频偏计算法的初始值。
在m个分支中，用不同分支初始频偏值f_k，n-1，i，i＝1，…，m，分别初始补偿数据d_k，n，对数据进行频偏补偿，修正相位。这个初值f_k，n-1，i是设定值，可以通过仿真确定，m的个数可以根据接收机的能力设定。
分别估计初始频偏补偿后数据的残余频偏值Δf_k，n，i，进行残余频偏补偿，得到数据
计算各分支补偿后数据的信噪比SIR_k，n，输出一支SIR大的分支估计的频偏补偿数据，输出该分支的补偿数据SIR_k，n和本次频偏值f_k，n＝f_k，n-1，i0+Δf_k，n，i0，其中，i0为选中分支编号，
判断估计的数据信噪比SIR_k，n是否大于信噪比门限SIR_Thr。
是则更新链路质量寄存器R_k最新状态位置为1，R_k，n＝[b₂ b₃…b_N 1]，本次频偏估计输出f_k，n＝f_k，n-1，i0+Δf_k，n，i0；
否则更新链路质量寄存器R_k最新状态位置为0，R_k，n＝[b₂ b₃…b_N 0]，本次频偏值估计输出即本次频偏值估计输出采用上次的历史频偏值，不更新。
最后，输出下次频偏估计需使用的历史频偏值：f‾k,n=(1-p)*f‾k,n-1+p*fk,n.]]>
更新链路质量计数器Count_k。
本发明适用于所有CDMA系统，特别是TDS-CDMA系统和所有SCDMA系统。任何具有信号处理、通信等知识背景的工程师，都可以根据本发明设计相应的频偏估计和补偿的方法和装置，其均应包含在本发明的思想和范围内。
本技术方案包括下列步骤：
第一步：设置链路质量状态寄存器R和链路质量计数器Count，Count等于寄存器R中1的个数，判断Count是否大于历史平滑法的计数门限，若是，至第二步，进行历史平滑频偏计算法估计和补偿数据频偏；若否，至第三步，进行多分支数据频偏估计和补偿，用以计算历史平滑频偏计算法的初始值；
第二步：历史平滑频偏计算法进行频偏估计和补偿；
本步骤又可以包括下列子步骤：
1......用历史频偏值初始补偿数据；
2......估计初始频偏补偿后数据的残余频偏值，进行残余频偏补偿；
3......计算补偿后数据的信噪比SIR；
第三步：进行多分支数据频偏估计和补偿，计算历史平滑频偏计算法的初始值；
本步骤又可以包括下列子步骤：
1......用多个不同的频偏值作为不同分支的初始频偏值分别补偿数据；
2......分别对各分支初始频偏补偿后数据进行残余频偏估计和补偿，
3......计算各分支补偿后数据的信噪比SIR；
4......输出一支SIR大的补偿数据，SIR和频偏值，输出估计频偏为该分支初始频偏值+该分支的残余频偏值；
第四步：判断估计的数据信噪比SIR是否大于信噪比门限，若是，至第五步；若否，至第六步；
第五步：更新链路质量状态寄存器R，最新状态位置为1，本次频偏估计输出为历史频偏值+残余频偏值；
第六步：更新链路质量寄存器R，最新状态位置为0，本次频偏估计输出为历史频偏值；
第七步：输出下次频偏估计需使用的历史频偏值
下次历史频偏值＝(1-p)*本次频偏历史值+p*本次频偏估计
第八步：更新链路质量计数器Count。
该方案可适用于基站和手机，但不限于此。
在接收机硬件能力可以做到的情况下，增加分支数可以扩大频偏校正的范围。