一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法转让专利
申请号 : CN202310264923.7
文献号 : CN115987742B
文献日 : 2023-06-16
发明人 : 吕磊 , 赵海鹏 , 殷春 , 杜广湘
申请人 : 四川创智联恒科技有限公司
摘要 :
本发明公开了一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，包括如下步骤：S1：获取多普勒缩放因子与载波频偏；S2：计算频域多普勒频偏扩展量；S3：根据系统预设多普勒扩展门限计算系统子带数与每个子带的多普勒频偏补偿值；S4：将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿。本发明通过将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿，可有效降低频域多普勒频偏扩展的影响。
权利要求 :
1.一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取多普勒缩放因子 与载波频偏 ；
S2：计算频域多普勒频偏扩展量；
S3：根据系统预设多普勒扩展门限计算系统子带数与每个子带的多普勒频偏补偿值；
步骤S3中，多普勒频偏补偿值的计算方法为：；
其中， 表示多普勒频偏补偿值， 表示载波频偏， 为系统带宽最低频率与载波频率的差值， 为系统带宽最高频率与载波频率的差值；
S4：将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿；步骤S4包括如下子步骤：S41：时域接收信号多路频偏补偿；步骤S41的计算方法为：；
其中， 表示数字时域信号， 表示接收机的数字时域接收信号， 表示接收机数字域接收信号索引， 表示将 进行 路并行频偏补偿， 表示系统子载波间隔， 表示系统快速离散傅里叶变换FFT点数；
S42：FFT与子载波抽取；步骤S42的计算方法为：首先，通过FFT将 路时域数据转化为路频域数据：；
然后，从 路频域数据中分别提取对应位置子载波的数据组成频域拼接接收数据：；
其中， 表示向下取整；
S43：数据解调。
2.如权利要求1所述的一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，其特征在于，步骤S1具体为：通过测量或者系统预设参数信息获得多普勒缩放因子 和载波频偏。
3.如权利要求2所述的一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，其特征在于，步骤S2的计算方法为：；
其中， 为多普勒频偏扩展量。
4.如权利要求3所述的一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，其特征在于，步骤S3中，子带数 的计算方法为：其中， 表示向上取整， 表示多普勒扩展门限。
说明书 :
一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法。
背景技术
[0002] 当前以LTE（长期演进，即第四代移动通信技术）、NR（新空口，即第五代移动通信技术）为代表的无线接入网均使用OFDM（正交频分复用）作为空口传输关键技术，在高速运动场景信号收、发端的高速相对运动产生的多普勒频偏会使系统性能严重恶化。
[0003] 多普勒频偏的本质为电磁波信号在时间维度上的尺度变化，具体来说，如果信号收、发端相向运动时信号在时间维度上被按照比例压缩；如果信号收、发端反向运动时信号在时间维度上被按照比例拉长，这种信号在时间维度上的尺度的变化产生了多普勒效应，其中信号尺度变化的比例被称为多普勒缩放因子。
[0004] 现有的多普勒频偏纠正技术通常认为OFDM系统不同子载波的多普勒频偏相同来设计频偏估计与纠正算法，这种方法在低速或者窄带OFDM系统中效果较好，但是按照前文分析在宽带OFDM系统中不同子载波的实际发射频率不同，所以高速运动导致的信号在时间维度的尺度发生变化会使不同子载波的多普勒频偏有明显差异（该现象被称为频域多普勒扩展），这时现有技术存在明显的性能损失。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，以解决现有技术抗多普勒频偏扩展效果较差的技术问题。
[0006] 本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，包括如下步骤：
[0007] S1：获取多普勒缩放因子与载波频偏；
[0008] S2：计算频域多普勒频偏扩展量；
[0009] S3：根据系统预设多普勒扩展门限计算系统子带数与每个子带的多普勒频偏补偿值；
[0010] S4：将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿。
[0011] 进一步的，步骤S1具体为：通过测量或者系统预设参数信息获得多普勒缩放因子和载波频偏 。
[0012] 进一步的，步骤S2的计算方法为：
[0013]
[0014] 其中， 为多普勒频偏扩展量， 为系统带宽最低频率与载波频率的差值， 为系统带宽最高频率与载波频率的差值。
[0015] 进一步的，步骤S3中，子带数 的计算方法为：
[0016]
[0017] 其中， 表示向上取整， 表示多普勒扩展门限。
[0018] 进一步的，步骤S3中，多普勒频偏补偿值的计算方法为：
[0019]
[0020] 其中， 表示多普勒频偏补偿值。
[0021] 进一步的，步骤S4包括如下子步骤：
[0022] S41：时域接收信号多路频偏补偿；
[0023] S42：FFT与子载波抽取；
[0024] S43：数据解调。
[0025] 进一步的，步骤S41的计算方法为：
[0026]
[0027] 其中， 表示接收机的数字时域接收信号，表示接收机数字域接收信号索引，表示将 进行 路并行频偏补偿， 表示系统子载波间隔，表示系统快速离散傅里叶变换FFT点数。
[0028] 进一步的，步骤S42的计算方法为：首先，通过FFT将 路时域数据转化为 路频域数据：
[0029] ；
[0030] 然后，从 路频域数据中分别提取对应位置子载波的数据组成频域拼接接收数据：
[0031]
[0032] 其中， 表示向下取整。
[0033] 本发明的有益效果在于：本发明通过将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿，可有效降低频域多普勒频偏扩展的影响。具体来说，本发明与现有技术相比有以下优点：
[0034] 1. 抗多普勒频偏效果更好：本发明方法的效果相当于对不同频域位置信号补偿不同的频偏值，而且频偏补偿时综合考虑了载波频偏的影响，与现有技术相比可同时有效降低载波频偏与频域多普勒频偏扩展对系统性能的影响。
[0035] 2. 实现较简单：当前抗频域多普勒扩展的技术往往需要调整系统晶振频率，这依赖高精度锁相环且需要一定的收敛时间才能完成晶振频率调整，这导致实现难度较高。本发明方法仅需要调整接收机的物理层信号处理过程，相比现有技术实现较为简单。
附图说明
[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0037] 图1为本发明流程图。
具体实施方式
[0038] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0039] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0040] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041] 实施例1
[0042] 参见图1，一种基于OFDM通信系统的抗频域多普勒频偏扩展方法，首先获取多普勒缩放因子与载波频偏、计算频域多普勒频偏扩展量与多普勒频偏平均值，然后根据系统预设多普勒扩展门限计算系统子带数与每个子带的多普勒频偏补偿值，然后将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿，可达到有效抗多普勒频偏扩展的效果。具体包括如下步骤：
[0043] S1：获取多普勒缩放因子与载波频偏；
[0044] S2：计算频域多普勒频偏扩展量；
[0045] S3：根据系统预设多普勒扩展门限计算系统子带数与每个子带的多普勒频偏补偿值；
[0046] S4：将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿。
[0047] 步骤S1具体为：获取当前的多普勒缩放因子与载波频偏：通过测量或者系统预设参数信息获得多普勒缩放因子 ，假设原时域信号为 ，经多普勒效应缩放后变成信号，那么有：
[0048]
[0049] 通过测量或预设参数信息获得载波频偏 （单位赫兹），这里 定义为接收机使用的载波频率与接收信号载波频率之间的频率偏差。
[0050] 步骤S2具体为：计算频域多普勒频偏扩展量：首先根据系统参数计算系统带宽范围 ，其中 （单位赫兹）表示接收机配置的载波频率，（单位赫兹）表示系统带宽最低频率与载波频率的差值， （单位赫兹）表示系统带宽最高频率与载波频率的差值，那么多普勒频偏扩展量为：
[0051] 。
[0052] 步骤S3具体为：计算系统子带数与每个子带的多普勒频偏补偿值：给定系统预设定多普勒扩展门限 ，首先计算系统子带数 ：
[0053]
[0054] 其中 表示向上取整；然后计算每个子带的多普勒频偏补偿值：
[0055] 。
[0056] 步骤S4具体为：时域接收信号多路频偏补偿：假设接收机的数字时域接收信号为（ 表示接收机数字域接收信号索引），那么将 进行 路并行频偏补偿：
[0057]
[0058] 其中 表示系统子载波间隔（单位赫兹），表示系统快速离散傅里叶变换（FFT）点数。
[0059] FFT与子载波抽取：首先通过FFT将 路时域数据转化为 路频域数据：
[0060] ；
[0061] 然后从 路频域数据中分别提取对应位置子载波的数据组成频域拼接接收数据：
[0062]
[0063] 其中 表示向下取整。
[0064] 数据解调：使用现有技术处理 ，进行数据解调。
[0065] 进一步的，以低轨卫星基站向地面静止终端发射信号的通信场景为例，本发明按照以下步骤实施：
[0066] 获取当前的多普勒缩放因子：已知卫星的运动速度 ，卫星基站与地面终端之间连线与卫星基站运动方向之间的夹角为 （卫星与终端可通过星历与信号波束方向获得以上信息），那么多普勒缩放因子为：
[0067]
[0068] 其中 表示光速。
[0069] 计算频域多普勒频偏扩展量：首先根据系统参数计算系统带宽范围，其中 （单位赫兹）表示接收机配置的载波频率，（单位赫兹）表示系统带宽最低频率与载波频率的差值， （单位赫兹）表示系统带宽最高频率与载波频率的差值，那么多普勒频偏扩展量为：
[0070] 。
[0071] 计算系统子带数与每个子带的多普勒频偏补偿值：给定系统预设定多普勒扩展门限 ，首先计算系统子带数 ：
[0072]
[0073] 其中 表示向上取整；然后计算每个子带的多普勒频偏补偿值：
[0074] 。
[0075] 时域接收信号多路频偏补偿：假设接收机的数字时域接收信号为 （ 表示接收机数字域接收信号索引），那么将 进行 路并行频偏补偿：
[0076]
[0077] 其中 表示系统子载波间隔（单位赫兹），表示系统快速离散傅里叶变换（FFT）点数。
[0078] FFT与子载波抽取：首先通过FFT将 路时域数据转化为 路频域数据：
[0079]
[0080] 然后从 路频域数据中分别提取对应位置子载波的数据组成频域拼接接收数据：
[0081]
[0082] 其中 表示向下取整。
[0083] 最后，使用现有技术处理 ，进行数据解调。
[0084] 基于上述实施例，本发明至少具有以下技术效果：本发明通过将接收数据按照子带数复制多路，每路进行独立的多普勒频偏补偿，可有效降低频域多普勒频偏扩展的影响。
[0085] 需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。
[0086] 上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。