CN102480457B - Ofdma系统的频偏补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDMA系统的频偏补偿方法及装置，其方法包括：接收已截掉CP部分的时域OFDM序列；根据用户的频偏补偿期望值对时域OFDM序列进行频偏补偿处理。本发明实现了接收机基带前端处理中的多用户频偏补偿，有效削弱用户的self-ICI，改善链路质量，提高系统测量准确性。此外，本发明装置实施简单、灵活，可以根据链路实际频偏估值，动态地进行任意精度频偏大小的频偏补偿调整，并能够充分利用校准结果，以较小的代价实施频偏补偿后残余频偏的再补偿，补偿用户频偏既可以在导频符号位置上进行，也可以在数据符号位置上进行，不但有利于导频符号位置处的系统测量，更有益于数据符号位置上的处理。

Description

OFDMA系统的频偏补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种OFDMA(Orthogonal FrequencyDivision Multiplex Access，正交频分多址接入)系统的频偏补偿方法及装置。

背景技术

以OFDMA为基础的多址接入广泛应用于各种无线通信技术领域，其用户资源配置灵活方便，但因频率同步原因造成的子载波能量泄漏引起的用户间的ICI(Inter-carrier Interference，子载波间干扰)和用户自身的self-ICI，将会显著影响该接收端的用户性能，特别是self-ICI的干扰级别会随用户自身功率变化而变化，若某用户因为信道多普勒或者上行设备原因，则会存在较大系统频偏，严重时会导致链路性能“平底”现象。此外，较大的系统频偏，还会给通信系统引入较强的ICI干扰项，进而影响接收机测量指标的性能，如CQI(Channel Quality Indication，信道质量指示)和CSI(Channel StateIndication，信道状态指示)，严重时甚至会导致接收机测量值完全偏离真实情况，进而严重影响上层调度器判决和系统性能。

传统的频偏补偿方法直接在时域进行，该种方法不可避免地需要对每个用户进行FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)/IFFT(Inverse FastFourier Transform，快速傅立叶逆变换)运算，或直接在频域借助于卷积运算进行频偏补偿，但这些方法的复杂度都随用户数目成比例增大，实现起来都存在硬件开销、运算复杂度以及计算延迟大等问题。另外，对于频偏补偿后的残余频偏的消除，传统的频偏补偿方法需要再重新实施二次频偏补偿，其实现复杂度需要继续倍增。因此，传统的频偏补偿方法的实现代价将因为其复杂度、处理时延和运算开销等因素而变得非常高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种OFDMA系统的频偏补偿方法及装置，旨在以较小的频偏补偿实现代价提高系统性能。

为了达到上述目的，本发明提出一种OFDMA系统的频偏补偿方法，包括：

接收已截掉CP部分的时域OFDM序列；

根据用户的频偏补偿期望值对所述时域OFDM序列进行频偏补偿处理。

优选地，所述根据用户的频偏补偿期望值对所述时域OFDM序列进行频偏补偿处理的步骤包括：

对所述时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列，其中P为自然数；

对所述P路时域输出序列分别进行FFT处理，得到P路频域输出序列；

从每一路所述频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合；

根据所述每个用户的频偏补偿期望值，对所述每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

优选地，所述P根据多用户的频偏补偿期望值分布范围确定，所述多用户的频偏补偿期望值分布范围表示为[f₀-ε₀，f₀+ε₀]，其中，f₀为频偏补偿期望值分布范围中心，ε₀为参考半径。

优选地，当ε₀≤0.05时，P＝2；当ε₀＝0.15时，P＝3。

本发明还提出一种OFDMA系统的频偏补偿装置，包括：

接收模块，用于接收已截掉CP部分的时域OFDM序列；

频偏补偿模块，用于根据用户的频偏补偿期望值对所述时域OFDM序列进行频偏补偿处理。

优选地，所述频偏补偿模块包括：

P个时域校正单元，用于对所述时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列，其中P为自然数；

P个FFT单元，用于对所述P路时域输出序列分别进行FFT处理，得到P路频域输出序列；

P个子载波分离单元，用于从每一路所述频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合；

加权合并单元，用于根据所述每个用户的频偏补偿期望值，对所述每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

优选地，所述P根据多用户的频偏补偿期望值分布范围确定，所述多用户的频偏补偿期望值分布范围表示为[f₀-ε₀，f₀+ε₀]，其中，f₀为频偏补偿期望值分布范围中心，ε₀为参考半径。

优选地，当ε₀≤0.05时，P＝2；当ε₀＝0.15时，P＝3。

本发明提出的一种OFDMA系统的频偏补偿方法及装置，根据用户的频偏补偿期望值对接收的已截掉CP部分的时域OFDM序列进行频偏补偿处理，实现了接收机基带前端处理中的多用户频偏补偿，有效削弱用户的self-ICI，改善链路质量，提高系统测量准确性。只需在接收机基带前端处理中增加几路校正、FFT运算(与用户个数无关)和简单的加权合并运算(与用户个数成比例)。当用户频偏分布范围的减小时，本发明方法和装置中的校正和FFT运算的路数可降低到3路，甚至是2路，大大降低了装置的实现复杂度和处理时延，减少了开销，此外，本发明所述装置实施简单、灵活，可以根据链路实际频偏估值，动态地进行任意精度频偏大小的频偏补偿调整，并能够充分利用校准结果，以很小的代价实施频偏补偿后残余频偏的再补偿，补偿用户频偏既可以在导频符号位置上进行，也可以在数据符号位置上进行，不但有利于导频符号位置处的系统测量，更有益于数据符号位置上的处理。

附图说明

图1是本发明OFDMA系统的频偏补偿方法一实施例流程示意图；

图2是本发明OFDMA系统的频偏补偿方法一实施例中根据用户的频偏补偿期望值对时域OFDM序列进行频偏补偿处理的流程示意图；

图3是本发明OFDMA系统的频偏补偿装置一实施例结构示意图；

图4是本发明OFDMA系统的频偏补偿装置一实施例中频偏补偿模块的结构示意图。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

本发明实施例解决方案主要是根据用户的频偏补偿期望值对接收的已截掉CP(Cyclic Prefix，循环前缀)部分的时域OFDM序列进行频偏补偿处理，以削弱用户的self-ICI，改善链路质量，提高系统测量准确性。

如图1所示，本发明一实施例提出一种OFDMA系统的频偏补偿方法，包括：

步骤S101，接收已截掉CP部分的时域OFDM序列；

本实施例方法运行环境涉及基站上行OFDMA系统，基站从外部接收的信号首先经过基站内的接收机的射频处理单元进行处理，之后送入基带处理单元进行相应处理，本实施例方法中频偏补偿处理的过程位于基带处理单元的前端处理部分，具体由设置在基带处理单元前端的频偏补偿装置来完成。

首先，由频偏补偿装置接收已截掉CP部分的时域OFDM符号组成的时域OFDM序列。

步骤S102，根据用户的频偏补偿期望值对时域OFDM序列进行频偏补偿处理。

其中，用户的频偏补偿期望值是用户根据实际需要确定的用户认为合适的值。

在对接收的OFDM序列进行频偏补偿处理时，首先将时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列，其中，P根据多用户频偏补偿期望值的分布范围确定；之后，对时域输出序列进行FFT处理，得到P路频域输出序列，从每一路频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合，最后，根据每个用户的频偏补偿期望值，对每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

如图2所示，步骤S102包括：

步骤S1021，对时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列，其中P为自然数；

在本实施例中，在接收机基带前端处理中增加几路时域校正、FFT运算(与用户个数无关)以及任意频偏补偿合成运算(与用户个数成比例)，对输入的已截掉CP部分的时域OFDM序列，利用P路预存的校准模块进行不同的校正处理，并使得所有用户的频偏补偿期望值分布范围落在区间[f₀-ε₀，f₀+ε₀]内。其中，f₀为频偏补偿期望值分布范围中心，ε₀为参考半径，当此区间范围较小，比如：ε₀≤0.05时，选用2路校正，即P＝2，当此区间范围较大，比如ε₀＝0.15时，选用3路校正，即P＝3。

在进行P路时域校正时，首先将P路预存校正序列按频偏范围中心f₀进行时域的频偏配置，得到所需的P路校正序列，然后将P路校正序列分别与输入的时域OFDM序列进行逐点乘积运算，得到P路校正输出序列。

步骤S1022，对P路时域输出序列分别进行FFT处理，得到P路频域输出序列；

步骤S1023，从每一路频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合；

对每一路频域输出序列，假设包含M个用户，按各用户子载波的分配关系，从中抽取出每个用户占用的子载波集合，这样根据P路频域输出序列，共得到P*M个子载波集合，即每个用户具有P路子载波集合。

步骤S1024，根据每个用户的频偏补偿期望值，对每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

根据步骤S1023得到的P*M个子载波集合，并由用户的频偏补偿期望值，对每个用户占用的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，其权值仅与该用户自己的频偏补偿期望值有关，如此这样重复进行M次，即可得到M个用户各自的频偏补偿后的频域子载波集合。

下面以具体实例对本实施例技术方案进行详细说明。

假设有一OFDM符号(不论是导频还是数据符号)，在截去CP后，得到N点时域序列x(n)，n＝0，1，Λ，N-1，第u个(u＝1，...，M)用户占用的q^(u)个子载波的下标集为设所有用户的归一化频偏补偿期望值均落于区间[f₀-ε₀，f₀+ε₀]，其中f₀表示区间的中心，即频偏补偿期望值分布范围中心。

步骤一：预存校正序列β_λ(n)按频偏补偿范围中心f₀进行时域的频偏配置，得到所需的校正序列其中λ＝1，2，Λ，P

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\λ}}\left(n\right)=\mathrm{ifft}\{a_{\mathrm{\λ}}\left(k\right)\·e^{j\frac{\mathrm{\π}}{N}k}\},\mathrm{\λ}=\mathrm{1,2},\mathrm{\ΛP}---\left(1\right)$

其中，a_λ(k)满足：当ε∈[-ε₀，ε₀]时，

$a_{\mathrm{\λ}}\left(k\right)=\underset{\mathrm{\λ}=\mathrm{1,2,3}}{\underset{a_{\mathrm{\λ}}\left(k\right)}{\arg \min }}\left|\right|g(\mathrm{\ϵ},k)-\underset{\mathrm{\λ}=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{\λ}}\left(k\right)\·{\mathrm{\ϵ}}^{(\mathrm{\λ}-1)}\left|\right|---\left(2\right)$

$g(\mathrm{\ϵ},k)=\left\{\begin{array}{cc}N& \mathrm{\ϵ}=k=0\\ \sin (\mathrm{\π}\·\mathrm{\ϵ})/\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{N}(\mathrm{\ϵ}-k)\right)& \mathrm{\ϵ}\≠0\end{array}\right.$

上述式错误！未找到引用源。)中，当ε＝0时，令ε₀＝1。

表示改变A以使得{·}达到最小，||{·}||表示{·}的范数(可取2范数)，a_λ(k)可通过简单的数值运算后计算得到。

步骤二：用P路校正序列对输入校正模块的序列x(n)进行P路不同的校正，即输入序列x(n)分别与P路校正序列

进行逐点乘积运算，得到P路校正输出序列y_λ(n)

步骤三：对步骤二所得的P路时域校正序列y_λ(n)分别进行FFT处理，得到P路频域的校正后序列y_λ(k)，k＝0，1，Λ，N-1，即

$Y_{\mathrm{\λ}}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{\λ}}\left(n\right)\·e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}---\left(4\right)$

步骤四：对步骤三所得的每一路频域的校正后序列Y_λ(k)，按第u个(u＝1，...，M)用户占用的子载波下标集K_u抽取该用户的子载波

$Y_{\mathrm{\λ}}^{\left(u\right)}\left(k\right)=Y_{\mathrm{\λ}}\left(k\right),k\∈K_u---\left(5\right)$

步骤五：对第u个用户(u＝1，...，M)的P路子载波集λ＝1，2，Λ，P，按权值γ_λ(ε_u)进行加权求和，其中ε_u表示第u个用户的频偏补偿期望值，这样就得到消除了第u个用户self-ICI后的用户子载波Z^(u)(k)，即

$Z^{\left(u\right)}\left(k\right)=\underset{\mathrm{\λ}=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\λ}}\left({\mathrm{\ϵ}}_u\right)\·Y_{\mathrm{\λ}}^{\left(u\right)}\left(k\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\λ}}\left({\mathrm{\ϵ}}_u\right)=e^{j\frac{\mathrm{\π}}{N}(N-1)\·{\mathrm{\ϵ}}_u}\·{{\mathrm{\ϵ}}_u}^{\mathrm{\λ}-1}$

重复步骤五M次，即可得到所有用户(M个用户)去除了self-ICI后的频域子载波输出Z^(u)(k)，u＝1，...，M。

需要说明的是，本发明所述装置主要是为了解决OFDMA系统的频偏补偿问题，各用户的频偏补偿期望值只作为本发明的输入参量，此外，本发明所述装置对于多用户的用户子载波分离也不加以限制或者详细说明，用户的频偏补偿期望值和用户分离可以采用各种常用或者成熟的算法。

上述任意频偏是指在以f₀为中心，以ε₀为参考半径的参照范围内，即区间[f₀-ε₀，f₀+ε₀]内的任意频偏，根据多用户的频偏分布范围或者频偏补偿所需要实施的范围，可以动态地调整输入的OFDMA序列校正的路数P。

在进行多用户任意频偏补偿合成计算时，将每路频域输出序列的每个用户的子载波集抽取出来后，把归属于某个用户的多路子载波集进行按对应子载波进行加权合并处理，其权值仅由该用户自己的频偏补偿期望值决定，各用户之间的频偏补偿处理互不相关。

本实施例结合实际的OFDMA系统，以较小的代价实现了基站接收机基带前端处理中的多用户频偏补偿，有效削弱用户的self-ICI，改善链路质量，提高系统测量准确性。

此外，本实施例简单、灵活，可以根据链路实际频偏估值，动态地进行任意精度频偏大小的频偏补偿调整，并能够充分利用校准结果，实施频偏补偿后残余频偏的再补偿，补偿用户频偏既可以在导频符号位置上进行，也可以在数据符号位置上进行，不但有利于导频符号位置处的系统测量，更有益于数据符号位置上的处理。

如图3所示，本发明一实施例提出一种OFDMA系统的频偏补偿装置，包括：接收模块301以及频偏补偿模块302，本实施例装置设置在基站内接收机处理部分的基带处理单元前端，其中：

接收模块301，用于接收已截掉CP部分的时域OFDM序列；

由接收模块301接收已截掉CP部分的时域OFDM符号组成的时域OFDM序列，并将收到的时域OFDM序列输入频偏补偿模块302中P路不同的时域校正单元进行校正处理。

频偏补偿模块302，用于根据用户的频偏补偿期望值对时域OFDM序列进行频偏补偿处理。

在本实施例中，用户的频偏补偿期望值是用户根据实际需要确定的用户认为合适的值。

在对接收的OFDM序列进行频偏补偿处理时，频偏补偿模块302首先将时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列，其中，P根据多用户的频偏补偿期望值的分布范围确定；之后，对时域输出序列进行FFT处理，得到P路频域输出序列，从每一路频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合，最后，根据每个用户的频偏补偿期望值，对每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

如图4所示，频偏补偿模块302包括：时域校正单元3021、FFT单元3022、子载波分离单元3023、加权合并单元3024，其中：

时域校正单元3021，用于对时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列；时域校正单元3021为P个，其中P为自然数。

P路时域校正单元3021由P路预存的校正序列和P路乘法器构成。

在本实施例中，在接收机基带前端处理中增加几路时域校正、FFT运算(与用户个数无关)以及任意频偏补偿合成运算(与用户个数成比例)，对输入的已截掉CP部分的时域OFDM序列，利用P路预存的校准模块进行不同的校正处理，并使得所有用户的频偏补偿范围落在区间[f₀-ε₀，f₀+ε₀]内。其中，f₀为频偏补偿范围中心，ε₀为参考半径，当此区间范围较小，比如：ε₀≤0.05时，选用2路校正，即P＝2，当此区间范围较大，比如ε₀＝0.15时，选用3路校正，即P＝3。

在进行P路时域校正时，各时域校正单元3021首先将P路预存校正序列按频偏范围中心f₀进行时域的频偏配置，得到所需的P路校正序列，然后将P路校正序列分别与时域校正单元3021接收的时域OFDM序列进行逐点乘积运算，得到P路校正输出序列。

FFT单元3022，用于对时域输出序列进行FFT处理，得到P路频域输出序列；

FFT单元3022的个数与时域校正单元3021的个数相对应，为P个。

子载波分离单元3023，用于从每一路频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合；

子载波分离单元3023的个数与时域校正单元3021的个数相对应，为P个，对每一路频域输出序列，假设包含M个用户，按各用户子载波的分配关系，从中抽取出每个用户占用的子载波集合，这样根据P路频域输出序列，共得到P*M个子载波集合，即每个用户具有P路子载波集合。

加权合并单元3024，用于根据每个用户的频偏补偿期望值，对每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

加权合并单元3024汇总来自于子载波分离单元3023的各个用户所占用的子载波集合，得到P*M个子载波集合，并由用户的频偏补偿期望值，对每个用户占用的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，其权值仅与该用户自己的频偏补偿期望值有关，如此这样重复进行M次，即可得到M个用户各自的频偏补偿后的频域子载波集合。

由于每个用户的任意频偏补偿合成计算具有同样的实现形式，因此进行多用户任意频偏补偿合成计算的加权合并单元3024可以拆分成若干个并行的单用户任意频偏补偿合成计算单元，其输入来自于P路频域用户的子载波分离单元3023输出的单个用户的P路子载波集合。

本发明实施例提供的OFDMA系统的频偏补偿方法及装置，可以在频域内对任意用户同时进行任意频偏大小的频偏补偿，有效削弱用户自身频偏引起的子载波能量泄露，改善链路性能“平底”效应和接收机测量指标的性能。

当用户频偏分布范围的减小时，本发明实施例方法和装置中的时域校正和FFT运算的路数可降低到3路，甚至是2路，大大降低了装置的实现复杂度和处理时延，减少了开销，此外，本发明所述装置实施简单、灵活，可以根据链路实际频偏估值，动态地进行任意精度频偏大小的频偏补偿调整，并能够充分利用校准结果，以很小的代价实施频偏补偿后残余频偏的再补偿，补偿用户频偏既可以在导频符号位置上进行，也可以在数据符号位置上进行，不但有利于导频符号位置处的系统测量，更有益于数据符号位置上的处理，从而显著地改善系统的性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种正交频分多址接入OFDMA系统的频偏补偿方法，其特征在于，包括：

接收已截掉CP部分的时域正交频分多址OFDM序列；

根据用户的频偏补偿期望值对所述时域OFDM序列进行频偏补偿处理；具体包括：

对所述时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列，其中P为自然数；所述P根据多用户的频偏补偿期望值分布范围确定；

对所述P路时域输出序列分别进行快速傅立叶变换FFT处理，得到P路频域输出序列；

从每一路所述频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合；

根据所述每个用户的频偏补偿期望值，对所述每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多用户的频偏补偿期望值分布范围表示为[f₀-ε₀,f₀+ε₀]，其中，f₀为频偏补偿期望值分布范围中心，ε₀为参考半径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当ε₀≤0.05时，P=2；当ε₀=0.15时，P=3。

4.一种OFDMA系统的频偏补偿装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收已截掉CP部分的时域OFDM序列；

频偏补偿模块，用于根据用户的频偏补偿期望值对所述时域OFDM序列进行频偏补偿处理；所述频偏补偿模块包括：

P个时域校正单元，用于对所述时域OFDM序列进行P路时域校正处理，得到P路不同的时域输出序列，其中P为自然数；所述P根据多用户的频偏补偿期望值分布范围确定；

P个FFT单元，用于对所述P路时域输出序列分别进行FFT处理，得到P路频域输出序列；

P个子载波分离单元，用于从每一路所述频域输出序列中分离出每个用户占用的子载波集合；得到每个用户的P路子载波集合；

加权合并单元，用于根据所述每个用户的频偏补偿期望值，对所述每个用户的P路子载波集合按子载波进行加权合并处理，得到每个用户的频偏补偿后的频域子载波集合。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多用户的频偏补偿期望值分布范围表示为[f₀-ε₀,f₀+ε₀]，其中，f₀为频偏补偿期望值分布范围中心，ε₀为参考半径。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当ε₀≤0.05时，P=2；当ε₀=0.15时，P=3。

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