LTE系統(tǒng)中基于Cell RS的頻偏估計方法

羅 瑜，王鐘斐

（1.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，陜西 咸陽721000；2.寶雞文理學(xué)院 數(shù)學(xué)系，陜西 寶雞721013）

LTE系統(tǒng)中基于Cell RS的頻偏估計方法

羅 瑜1，王鐘斐2

（1.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，陜西 咸陽721000；2.寶雞文理學(xué)院 數(shù)學(xué)系，陜西 寶雞721013）

在無線通信領(lǐng)域，由于晶振的精度、無線信道的多普勒效應(yīng)等諸多因素的存在，使得接收端產(chǎn)生的載波頻率和發(fā)射端的載波頻率有一定的頻差，從而影響數(shù)據(jù)的正常接收。本文提出一種LTE系統(tǒng)中基于Cell RS的頻偏估計設(shè)計，該方法可以根據(jù)實際場景在頻偏估計精度和頻偏估計范圍之間靈活選擇，不但解決了高速場景下頻偏估計范圍小的問題，而且設(shè)計易于工程實現(xiàn)，在無線通信領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

頻偏估計；時隙；LTE；CP；Cell RS

無線通信是當(dāng)代通信領(lǐng)域市場前景最為廣闊、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮耐ㄐ蓬I(lǐng)域，它主要采用LTE（Long Term Evolution）技術(shù)。LTE是由3GPP組織制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它引入了OFDM、SC-FDMA和MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，不但有效的增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，支持多種帶寬（20M、15M、10M、5M、3M和1.4M），使頻譜分配更加靈活，，而且該網(wǎng)絡(luò)采用扁平化系統(tǒng)架構(gòu)，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)復(fù)雜度，從而減小了系統(tǒng)延時［1-3］。

對于無線信號，接收端接收到信號的第一步就是要去載波。但是由于晶振精度、多普勒效應(yīng)等因素的影響，接收端和發(fā)射端的載波頻率始終存在一定的偏差，即載波頻偏。若不消除載波頻偏，則會影響接收端對數(shù)據(jù)的接收，從而導(dǎo)致解調(diào)錯誤，影響通訊質(zhì)量［4］。

在LTE系統(tǒng)中，目前研究主要采用兩種方法進(jìn)行頻偏估計，第一種是利用OFDM符號固有的循環(huán)前綴和后綴（CP）估計載波頻偏［4-7］；第二種是利用時域相鄰的主同步信道 （PSCH）和輔同步信道（S-SCH）的頻域信道估計值的共軛相關(guān)運(yùn)算來估計載波頻偏［8-9］。理論分析表明這兩種方法都存在載波頻偏估計范圍小的缺點(diǎn)。本文提出了一種基于Cell RS的載波頻偏計算方法，該方法不但解決了傳統(tǒng)方法中波頻偏估計范圍小的問題，而且還可根據(jù)實際場景在高精度和高頻偏范圍之間自由選擇，易于工程實現(xiàn)，在LTE通信領(lǐng)域有很強(qiáng)的工程價值。

1 基于Cell RS的載波頻偏估計方法

LTE下行子幀包含 Cell RS、Positioning RS、UE RS和MBSFN RS等多類RS［10-11］。根據(jù)LTE協(xié)議可知，每個發(fā)射端口上RS的映射如圖1所示，其中R0、R1、R2和R3分別表示發(fā)射端口0、發(fā)射端口1、發(fā)射端口2和發(fā)射端口3上的RS［12-13］。由于本論文只考慮Cell RS，因此Positioning RS、UE RS和MBSFN RS等其它類型RS的映射不再在圖1中描述。

由于配置的不同，發(fā)射端口1、發(fā)射端口2和發(fā)射端口3可能不存在，因此基于Cell RS的頻偏估計只能基于發(fā)射端口0進(jìn)行［14-15］。下面章節(jié)就重點(diǎn)闡述基于發(fā)射端口0上的Cell RS進(jìn)行的載波頻偏估計。

圖1 Cell RS在不同端口p上的映射圖（vshift為0）

2 基于兩個時隙的載波頻偏估計

基于兩個時隙的CellRS進(jìn)行的載波頻偏估計如圖2所示。

圖2 基于兩個時隙的Cell RS進(jìn)行頻偏估計示意圖（Normal CP）

假設(shè)Sl（n）為發(fā)射端在符號l的子載波n上發(fā)送的RS；Rl（n）為接收端在符號的子載波上接收到的RS；d為時域上兩個 符號的計數(shù)差值 （Normal CP時d為7，Extended CP時d為6）；Δt為時域上兩個符號的時間間隔；Δf為載波頻偏，那么有：

對上面兩個公式進(jìn)行變換，則有：

假設(shè)和相等，則有：

最終可以得到

在一個子幀內(nèi)對所有結(jié)果進(jìn)行累加，最終得到：

對于Normal CP來說，Δt為0.5ms，因此可以得到π，載波頻偏的估計范圍在［-1 kHz+1 kHz］。

3 基于一個時隙的頻偏估計

基于兩個時隙進(jìn)行的載波頻偏估計性能較好，最大范圍在［-1 kHz+1 kHz］之間，滿足絕大多數(shù)場景的需求。但是在快速移動的場景下（比如動車、高鐵等），載波頻偏的估計范圍還是滿足不了需求。為解決此問題，本小節(jié)提出一種基于一個時隙的Cell RS進(jìn)行頻偏估計方法，如圖3所示。

圖3 基于一個時隙的Cell RS進(jìn)行頻偏估計示意圖（Normal CP）

假設(shè)Sl（n）為發(fā)射端在符號l上發(fā)送的第n個RS；Rl（n）為接收端在符號l上接收到的第個RS

最終可以得到

在一個子幀內(nèi)對所有結(jié)果進(jìn)行累加，最終得到：

采用一個時隙的Cell RS進(jìn)行載波頻偏的估計范圍在［-1.7 kHz，+1.7 kHz］，滿足了快速移動場景對載波頻偏估計范圍的需求。

4 仿真結(jié)果

在帶寬為20 MHz、Normal CP場景下，利用一個時隙的Cell RS進(jìn)行頻偏估計，得到不同信道環(huán)境下的CNR和載波頻偏估計仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 一個時隙頻偏估計仿真示意圖

5 結(jié) 論

文中首先對LTE協(xié)議中關(guān)于Cell RS的映射做了簡單介紹，然后利用Cell RS的映射規(guī)律提出兩種載波頻偏的估計方法：

方法一利用兩個時隙的Cell RS進(jìn)行載波頻偏估計，性能較好，估計范圍在［-1 kHz，+1 kHz］之間，滿足絕大多數(shù)場景的需求。

方法二利用一個時隙的Cell RS進(jìn)行載波頻偏估計，載波頻偏的估計范圍在［-1.7 kHz，+1.7 kHz］之間，滿足快速移動場景對載波頻偏估計范圍的需求。

這兩種方法都易于實現(xiàn)，可根據(jù)實際場景選擇自由選擇，在無線通信領(lǐng)域有很強(qiáng)的過程應(yīng)用價值。

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A methord of frequency difference estimation by Cell RS for LTE system

LUO Yu1，WANG Zhong-fei2
（1.ShaannxiUniversity of Chinese Medicine Basic Medicine College，Xianyang 721000，China；2.BaojiUniversity of Arts and Sciences Department ofMathematics，Baoji721013，China）

In wireless communication field，carrier frequency difference always exists between the TX and RX because of the frequency accuracy of crystal oscillator、doppler effect and so on.Itwill result in data error for RX.This paper proposes a method of carrier frequency difference estimation by cell RS for LTE system，which has a flexible selection between the accuracy and the range of frequency difference.Itnotonly resolves the problem ofsmall rang of the frequency difference under the fast-moving scenario，but also easy for engineering implementation.So it has a widely application in wireless communication field.

frequency difference；Slot；LTE；CP；Cell RS

TN761.2

A

1674－6236（2016）20-0053-03

2016-03-07 稿件編號：201603068

國家自然科學(xué)基金（81503491）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（14JK1201）；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2014K14-02-02）

羅 瑜（1984—），女，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：電子信息工程。