LTE系統中基于Cell RS的頻偏估計方法

羅 瑜，王鐘斐

（1.陜西中醫藥大學 基礎醫學院，陜西 咸陽721000；2.寶雞文理學院 數學系，陜西 寶雞721013）

LTE系統中基于Cell RS的頻偏估計方法

羅 瑜1，王鐘斐2

（1.陜西中醫藥大學 基礎醫學院，陜西 咸陽721000；2.寶雞文理學院 數學系，陜西 寶雞721013）

在無線通信領域，由于晶振的精度、無線信道的多普勒效應等諸多因素的存在，使得接收端產生的載波頻率和發射端的載波頻率有一定的頻差，從而影響數據的正常接收。本文提出一種LTE系統中基于Cell RS的頻偏估計設計，該方法可以根據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，而且設計易于工程實現，在無線通信領域有很強的應用價值。

頻偏估計；時隙；LTE；CP；Cell RS

無線通信是當代通信領域市場前景最為廣闊、發展潛力最大的通信領域，它主要采用LTE（Long Term Evolution）技術。LTE是由3GPP組織制定的協議標準，它引入了OFDM、SC-FDMA和MIMO等關鍵技術，不但有效的增加了頻譜效率和數據傳輸速率，支持多種帶寬（20M、15M、10M、5M、3M和1.4M），使頻譜分配更加靈活，，而且該網絡采用扁平化系統架構，減少了網絡節點和系統復雜度，從而減小了系統延時［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、多普勒效應等因素的影響，接收端和發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據的接收，從而導致解調錯誤，影響通訊質量［4］。

在LTE系統中，目前研究主要采用兩種方法進行頻偏估計，第一種是利用OFDM符號固有的循環前綴和后綴（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運算來估計載波頻偏［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。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方法中波頻偏估計范圍小的問題，而且還可根據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，在LTE通信領域有很強的工程價值。

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LTE協議可知，每個發射端口上RS的映射如圖1所示，其中R0、R1、R2和R3分別表示發射端口0、發射端口1、發射端口2和發射端口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，發射端口1、發射端口2和發射端口3可能不存在，因此基于Cell RS的頻偏估計只能基于發射端口0進行［14-15］。下面章節就重點闡述基于發射端口0上的Cell RS進行的載波頻偏估計。

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進行頻偏估計示意圖（Normal CP）

假設Sl（n）為發射端在符號l的子載波n上發送的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：

對上面兩個公式進行變換，則有：

假設和相等，則有：

最終可以得到

在一個子幀內對所有結果進行累加，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，本小節提出一種基于一個時隙的Cell RS進行頻偏估計方法，如圖3所示。

圖3 基于一個時隙的Cell RS進行頻偏估計示意圖（Normal CP）

假設Sl（n）為發射端在符號l上發送的第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

在一個子幀內對所有結果進行累加，最終得到：

采用一個時隙的Cell RS進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 仿真結果

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

圖4 一個時隙頻偏估計仿真示意圖

5 結 論

文中首先對LTE協議中關于Cell RS的映射做了簡單介紹，然后利用Cell RS的映射規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，滿足絕大多數場景的需求。

方法二利用一個時隙的Cell RS進行載波頻偏估計，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，可根據實際場景選擇自由選擇，在無線通信領域有很強的過程應用價值。

［1］馬霓，夏斌 （譯）.LTE/LTE-Advanced—UMTS長期演進理論與實踐［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［2］白尚俊，江尚紅，張鴻濤，等譯.LTE及LTE-Advanced無線協議［M］.北京:機械工業出版社，2015.

［3］朱敏，堵久輝，繆慶育，佘鋒（譯）.4G移動通信技術權威指南—LTE與 LTE Advanced［M］.北京：人民郵電出版社，2015.

［4］唐宏，方文平，孫偉.一種LTE系統中基于循環前綴的載波頻偏估計方法［J］.電子測試，2010（4）：4-7.

［5］王海濱，何海浪.OFDM系統中多普勒頻偏估計技術仿真研究［J］.通信技術.2010，43（10）：26-27.

［6］廖騰達，謝顯中，鄭品蓮.基于循環前綴的LTE系統多普勒頻偏估計算法［J］.電視技術，2010，34（1）：56-58.

［7］董超，李曉光，劉留，等.LTE中一種基于高速鐵路場景的信道估計方法［J］.電信科學.2011，27（11）：90-94.

［8］曾召華，朱華偉.TDD-LTE下行高速移動場景中的頻偏估計方法［J］.電視技術，2012（19）：108-111.

［9］魏子恒，李碧，林土勝.一種有效的LTE下行殘留頻偏估計方法［J］.計算機應用技術，2010（6）：2290-2293.

［10］胡金玲，陳山枝，王映民.LTE移動通信術語與縮略詞詞典［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［11］3GPP TS 36.211 V9.1.0.Physical Channels and Modulation［S］.FRANCE Sophia Antipolis Valbonne 2010.

［12］沈嘉，索士強，全海洋等.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［13］元泉.LTE輕松進階［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［14］王映民，孫韶輝等.TD-LTE技術原理與系統設計［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［15］林輝.LTE-Advanced關鍵技術詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

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

國家自然科學基金（81503491）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（14JK1201）；陜西省科學技術研究發展計劃項目（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。