用于估计单频网络中的时间延迟和频率偏移的方法和设备

摘要

在一个方法中，发送携带至少一个发送抽样块的上行链路信号，并且接收作为下行链路信号的所述上行链路信号的失真拷贝。基于所接收的下行链路信号，生成多个接收抽样块，并且基于所述发送抽样块与所述多个接收抽样块中的至少一个之间的相关性，来确定所述上行链路和下行链路信号之间的时间延迟和频率偏移。

说明书

背景技术

在常规无线数字发送系统中，经常需要检测或估计接收信号相对于发送信号的时间和频率偏移。例如在单频网络(SFN)中，使用检测到的时间和频率偏移来同步发送和接收信号的时间和频率。众所周知的，SFN是广播网络，其中若干发射机在相同频率信道上同时发送相同信号。一种类型的常规SFN称作混合卫星和陆地SFN。在-手持设备数字视频广播卫星服务(DVB-SH)标准“Framing Structure，Channel Coding and Modulation for Satellite Services to Handhelddevices(SH)below 3GHz”，DVB Document A111 Rev.1，July 2007中定义了示例的混合SFN。

DVB-SH SFN是混合卫星和陆地SFN，其中同时经由卫星和陆地通信链路，在相同频率信道上同时发送信号。

在常规DVB-SH SFN中，由于卫星在倾斜轨道上的相对运动，来自卫星的信号具有相对于陆地中继信号的变化的时间延迟和频率偏移。由于该变化的时间延迟和频率偏移，为了确保DVB-SH SFN中的接收机对信号的正确接收，时间和频率同步是必须的。

发明内容

示例实施例提供了用于估计无线网络中发送和接收信号之间的时间延迟和频率偏移的方法和设备。估计出的时间延迟和频率偏移用于补偿在卫星和陆地连接上并发地或同时地接收到的信号之间的时间延迟和频率偏移。

在一个实施例中，使用特定相关性算法来估计时间延迟和频率偏移，并且基于估计出的时间延迟和频率偏移来补偿实际的时间延迟和频率偏移。相同的相关性用于同时提供针对时间延迟和频率偏移的估计。该算法与波形相独立，并且应用于正交频分复用(OFDM)、时分复用(TDM)波形、以及其他波形。

此外，相关性包含可以用于在准确度和复杂度之间进行平衡的可调整参数，并且根据信道条件来增强检测的可靠性。

在方法的一个实施例中，发送携带至少一个发送抽样块的上行链路信号，以及接收作为下行链路信号的所述上行链路信号的失真拷贝。基于所接收的下行链路信号，生成多个接收抽样块，以及基于所述发送抽样块与所述多个接收抽样块中的至少一个之间的相关性，来估计所述上行链路和下行链路信号之间的时间延迟和频率偏移。基于所估计的时间延迟和频率偏移，补偿后续发送和接收的信号之间的实际时间延迟和频率偏移。

在一个实施例中，用于在混合单频网络中补偿时间延迟和频率偏移的设备包括发射机、接收机和检测器。所述发射机发送携带至少一个发送抽样块的上行链路信号。所述接收机接收下行链路信号，所述下行链路信号是所述发送的信号的失真拷贝，并且携带多个接收抽样块。所述检测器基于至少一个所述发送抽样块与所述多个接收抽样块中的至少一个之间的相关性，来估计所述上行链路和下行链路信号之间的时间延迟和频率偏移。基于所接收的下行链路信号，生成所述多个接收抽样块。所述设备还包括调制器，用于基于所估计的时间延迟和频率偏移，补偿后续发送和接收的信号之间的时间延迟和频率偏移。

附图说明

通过下文给出的详细描述以及附图，可以更加完全理解本发明，其中用相似的参考标号来表示相似的单元，其仅作为说明性使用，因此不限制本发明，并且其中：

图1示出了混合单频网络的一部分的示例；以及

图2是示出了根据示例实施例的用于补偿时间延迟和频率偏移的方法的流程图。

具体实施方式

现在通过示出了本发明的一些示例实施例的附图来更完全的描述本发明的各种示例实施例。

本文公开了本发明的详细的说明性实施例。然而，本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可以用很多备选形式来体现本发明，并且不应当理解为将本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如，可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联列举项的任意一个和所有组合。

应当理解，当将单元称作与另一个单元“相连”或“耦合”时，其可以与另一个单元直接相连或耦合，或中间单元可以存在。相对地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在...之间”对“直接在...之间”，“相邻”对“直接相邻”等等)。

本文使用的术语用于仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组的存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施中，所出现的功能/动作可能与附图中出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

在下面的描述中提供了特定的细节，以提供对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如，可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例实施例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

同样的，注意到可以将示例实施例描述为以流程图、流程图、数据流程图、结构图或框图来示出的过程。尽管流程图可以将操作描述为顺序过程，可以并行、并发地或同时地来执行很多操作。另外，可以重排列操作的顺序。当完成过程的操作时可以将其终结，但是该过程还可以具有附图中未包括的附加步骤。过程可以与方法、函数、过程、子程序、子程序等等相对应。当过程与函数相对应时，其终结可以与函数对调用函数和主函数的返回相对应。

此外，如本文所公开的，术语“缓冲区”可以代表一个或多个用于存储数据的设备，包括随机存取存储器(RAM)、磁RAM、核心存储器、和/或用于存储信息的其他机器可读介质。术语“存储介质”可以代表用于存储数据的一个或多个设备，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁RAM、核心存储器、磁盘存储介质、光存储介质、闪存存储器设备和/或用于存储信息的其他机器可读介质。术语“计算机可读介质”可以包括，但不限于，便携式或固定存储设备、光存储设备、无线信道和能够存储、包含、或携带指令和/或数据的各种其他介质。

此外，可以用硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言、或他们的任何组合来实施示例实施例。当以软件、固件、中间件或微代码来实施时，可以在机器或计算机可读介质(比如存储介质)中存储执行必须任务的程序代码或代码段。处理器可以执行这些必须的任务。

代码段可以代表过程、函数、子程序、程序、程序、子程序、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序声明的任何组合。可以通过传递和/或接受信息、数据、参数、参数或存储器内容，来将代码段与另一个代码段或硬件电路耦合。可以经由任何合适的手段(保存存储器共享、消息传递、令牌传递、网络发送等等)来传递、转发、或发送信息、参数、参数、数据等等。

如本文所使用的，可以认为术语“接收机”与客户端、移动、移动单元、移动台、移动用户、用户设备(UE)、订户、用户、远程台、接入终端、接收机等等是同义的，并且可以在下文中称作用这些词来指代，并且术语“接收机”可以描述无线通信网络中的无线资源的远程用户。

如本文所描述的，将x(t)称作信号的上行链路或发送版本，反之将y(t)称作该发送信号的下行链路或接收版本。接收信号y(t)是发送信号x(t)的失真拷贝，但是携带相同的信息。该失真可以是高斯噪声、频率偏移、时间延迟等等。

图1示出了混合卫星和陆地单频网络(混合SFN)的一部分。如图1所示，信号的陆地中继版本(repeated version)从广播头端(BHE)经由卫星104，或某种其他发送手段到达陆地中继天线(repeatingantenna)110。然后信号从中继天线110经由无线链路到接收机108。同样地，还经由卫星106在接收机108处接收到相同的信号，而不由陆地中继天线110加以中继。

由于处于倾斜轨道的卫星106相对于地面上的接收机108的相对运动，经由卫星106接收的信号y(t)相对于相同信号的陆地中继版本具有变化的时间延迟和频率偏移。

为了在这种混合SFN中实现时间和频率同步，BHE 102包括用于调整后续上行链路信号的时间和频率的调制器1020，使得到达BHE102的下行链路卫星信号y(t)具有固定的时间延迟和固定的中心频率(就好像卫星106相对于BHE 102的位置是静止的)。

图2示出了根据示例实施例的补偿时间延迟和频率偏移的方法的流程图。可以在图1所示的BHE 102处迭代地执行图2所示的方法。为了简明起见，将仅详细地描述单一迭代。

参见图1和2，在步骤S202，调制器1020将来自服务和网络头端的多媒体内容(例如语音、视频、图片等等)转换为要发送的数字抽样x_n。调制器1020经由抽样来生成抽样x_n的方式在本领域中是众所周知的，因此为了简明起见将省略详细的讨论。将连续的抽样x_n分组为抽样的块或帧。每一抽样块或帧包括N个抽样，其中，N是整数(例如1000、2000等等)。如本文所讨论的，可以将抽样x_n称作“发送抽样”。

调制器1020向发射机处理单元1104和参考帧缓冲区1032输出所生成的抽样块。

在步骤S204，将来自调制器1020的连续的抽样块按块存储在参考帧缓冲区1032中。为了清晰起见，将通过在参考帧缓冲区1032中存储单一抽样块来讨论示例实施例。然而，应当理解可以在参考帧缓冲区1032中存储一个或多个抽样块。

由作为整数的索引b来对存储的抽样块编写索引。

在步骤S206，发射机处理单元1104顺序地将每一个抽样块x_n转换为适合在无线上行链路信道上发送的模拟上行链路信号x(t)。尽管示出为连续的步骤，可以并行地或同时地执行图2所示的存储步骤S204和处理步骤S206。在该情况下，调制器1020向参考帧缓冲区1032和发射机处理单元1104并行地输出抽样块。

在步骤S208，在上行链路信道上广播上行链路信号x(t)。

当接收到时，卫星106在下行链路信道上广播该信号(现在是y(t))。在BHE 102以及接收机108处接收所广播的下行链路信号。如上所示，接收到的信号y(t)是x(t)的失真拷贝。

依然参见图1和2，在步骤S209，接收机处理单元1102处理接收到的信号y(t)，以恢复(或生成)由接收到的信号y(t)所携带的数字抽样y_n(称作接收抽样)。为了清晰起见，假定用于生成发送抽样x_n和恢复接收抽样的抽样率是相同的。然而，本领域技术人员可以容易地改变示例实施例用于不同的抽样率。

与发送抽样x_n的情况是一样的，将连续接收的抽样y_n分组为抽样块或帧，每一个抽样块或帧也包括N个抽样。在反馈捕捉缓冲区1106中按块存储恢复后的抽样的连续块。还使用索引k来编写所抽样的连续块的索引，其中k＝0，±1，±2，...，K。与每一个接收抽样块相关联的索引k代表接收抽样块在多个接收到的抽样块中的位置。

为了确保在反馈捕捉缓冲区1106中存储的至少一个恢复后的抽样块y_n与在参考帧缓冲区1032中存储的发送抽样块相对应，在填充参考帧缓冲区1032后的给定时间段中，BHE 102开始在反馈捕捉缓冲区1106中存储接收的抽样y_n。即，在参考帧缓冲区1032已经到达其容量之后。

参考帧缓冲区1032可以具有存储1或2个抽样块的容量。反馈捕捉缓冲区1106的大小可以变化，但是一般大到足以容纳多个接收抽样块(例如大约10毫秒的接收抽样)。

BHE 102在存储接收抽样之前等待的时间间隔可以等于信号从调制器1020传播到接收机处理单元1102的往返延迟(RTD)；即，在对BHE 102处携带相应信息的信号x(t)的发送和信号y(t)的接收之间。

在一个示例中，如果T代表抽样时间长度，用抽样的数量来表达相应信号的发送和接收之间的标称RTD，并且将其注记为D。即，D·T是发送信号从调制器1020经由卫星106到达接收机1102的标称RTD。

在反馈捕捉缓冲区1106满之后(已经到达其容量)，按块向检测器1030输出接收抽样块y_n。参考帧缓冲区1032也向检测器1030输出发送抽样块x_n。

在步骤S212，检测器1030基于来自参考帧缓冲区1032的至少一个发送抽样块与来自反馈捕捉缓冲区1106的多个接收抽样块中的至少一个，来估计对应信号的发送和接收之间的时间延迟和频率偏移下面将更详细地描述用于估计时间延迟和频率偏移的示例过程。将估计出的时间延迟和频率偏移输出至调制器1020。

在步骤S214，调制器1020基于估计出的时间延迟和频率偏移来补偿相应信号的发送和接收之间的实际时间延迟Δt和频率偏移Δf。调制器1020补偿时间延迟和频率偏移的方式在本领域中是众所周知的，因此将省略详细的描述。

现在将描述用于估计时间延迟和频率偏移的示例方法。如上所示，可以在图1的检测器1030处执行该方法。为了清晰起见，将通过以下示例情形来描述该方法：其中接收信号y(t)中仅有的失真是实际时间延迟Δt、频率偏移Δf和高斯噪声。在该示例中，用下面的公式(1)来表示接收信号y(t)。

$y\left(t\right)=\sqrt{P}x(t-\mathrm{\Delta t})·e^{2\mathrm{\pi \Delta ft}}+\omega \left(t\right)---\left(1\right)$

在公式(1)中，P是接收信号y(t)相对于发送信号x(t)的发送功率的功率，并且ω(t)是高斯噪声。实际时间延迟Δt代表信号从调制器1020经由卫星106到达接收机1102的往返延迟(RTD)。实际频率偏移Δf是由于卫星106的运动而造成的多普勒效应的结果。

假定时间延迟Δt是抽样时间长度T的整数倍，由下面的公式(2)给出每一个接收抽样y_n。

$y_n=\sqrt{P}{x}_{n-M}·e^{2\mathrm{\pi \Delta fnT}}+{\omega }_n---\left(2\right)$

在上述公式中，M是以抽样数量来表达的相对于标称延迟D的附加延迟。附加延迟D与时间延迟Δt相关，并且由下面公式(3)给出。

$M=\frac{\mathrm{\Delta t}}{T}-D---\left(3\right)$

在公式(3)中，M代表时间偏移相对于标称偏移D的瞬时变化。

返回图1，在对时间延迟和频率偏移的估计中，检测器1030计算所存储的发送抽样块x_n和每一个所存储的恢复抽样块y_n之间的相关性C_k。如上所述，每一个发送抽样块和每一个恢复抽样块包括相同数量的抽样，即N个抽样。可以基于网络控制器处的经验数据来对数量N进行确定。

检测器根据下面的公式(4)来计算发送抽样块和每一个对应的恢复抽样块之间的相关性C_k。

$C_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{y}_{n+k}·{\left(x_n\right)}^{*}·{(y_{n+k+q}·{\left(x_{n+q}\right)}^{*})}^{*}---\left(4\right)$

在公式(4)中，记号()^＊代表复共轭，并且q是指示由y_n+k和x_n代表的抽样以及由相应的y_n+k+q和x_n+q代表的抽样之间的距离的参数。根据示例实施例，参数q确定了频率偏移估计的准确度。q越大，则估计就越准确。针对给定的准确度要求，可以试验性地确定q的值。一般的，q可以是在约10N到约100N之间的量级。对于给定的发送抽样块，针对每一个接收抽样块计算相关性，该接收抽样块由k＝0，±1，±2，...，K来编写索引。

根据示例实施例，公式(4)给出的单一相关性C_k被用于同时估计发送和接收信号之间的时间延迟和频率偏移。通过最大化相关性C_k(索引k＝0，±1，±2，...，K)的振幅来获得时间延迟的估计即，通过识别与最大相关性值C_k相关联的索引k，来估计时间延迟。如本文所述，将最大相关性值称作并且将与最大相关性相关联的索引k称作k_max。在该示例中，k_max代表在多个接收抽样块中与最大相关性相关联的接收抽样块的位置。

在一个示例中，可以将对最大相关性的识别视为如下面公式(5)所代表的在给定或所需搜索窗口[-K，K]中进行搜索，其中某个K＞0。

$\left|C_{k_{\max }}\right|=\max \left\{\right|C_k|,-K\le k\le K\}---\left(5\right)$

然后如下面公式(6)所示的基于与最大相关性值相关联的索引k_max来计算估计出的时间延迟

如上所示，D是标称延迟，并且T是抽样时间长度。用另一种方式来说，可以根据索引k_max、标称延迟D和抽样时间长度T来计算所估计的时间延迟

根据示例实施例，当满足公式(7)给出的条件时，公式(6)给出的所估计的时间延迟是有效的。

(D-K)T≤Δt≤(D+K)T    (7)

因此，在选择搜索窗口[-K，K]中，选择D和K的值使得满足条件(7)。可以基于经验数据，自动选择或由人类网络操作者来选择搜索窗口[-K，K]。

还基于最大相关性值来估计频率偏移。更详细地，基于最大相关性值的相位来估计频率偏移；即，在索引k_max处评估相关性值C_k。

由下面的公式(8)给出了所估计的在发送信号x(t)和接收信号y(t)之间的频率偏移

如上所示，q是指示了抽样对之间的距离的参数，并且T是在生成抽样中所使用的抽样时间长度。值是在k_max处评估的相关性C_k的相位。由于复数的相位的计算在本领域中是众所周知的，将仅提供简要的讨论。在一个示例中，可以根据下面所示的公式(9)来计算

$\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(C_{k_{\max }}\right)}{\mathrm{Re}\left(C_{k_{\max }}\right)}\right)---\left(9\right)$

在公式(9)中，是复数的虚部，并且是复数的实部。

根据示例实施例，对于由下面不等式给出的区间中的频率偏移来说，估计出的频率偏移是有效的：

$\frac{-1}{2\mathrm{qT}}<\mathrm{\Delta f}<\frac{1}{2\mathrm{qT}}---\left(10\right)$

不等式(10)对本算法能够检测/估计的频率偏移的最大区间设置了条件。将该区间称作频率检测区间。如不等式(10)所示，频率检测的区间是参数q的函数。在频率检测的区间的大小和估计的准确度之间存在着平衡。

根据示例实施例，在调制器1020中使用估计出的时间延迟和频率偏移来调整后续发送信号的时间和频率。调制器1020被设计为补偿时间延迟和频率偏移，使得和处于稳定状态。

由于调制器1020使用估计出的时间延迟和频率偏移来补偿实际时间延迟和频率偏移的方式是众所周知的，因此为了简要起见省略详细的描述。

在补偿之后，在参考帧缓冲区1032和反馈捕捉缓冲区1106中捕捉新的抽样集合，并且开始另一轮处理。

可以迭代地执行上述用于估计时间延迟和频率偏移，并且补偿在发送和接收信号之间的实际时间延迟和频率偏移的方法。在调制器1020和检测器1030之间的迭代形成闭环。

现在将描述估计OFDM波形的频率偏移的示例应用。然而，示例实施例可应用于其他波形。在该示例中，将N定义为快速傅里叶变换(FFT)符号的长度。如果F_s是两个OFDM子载波之间的频率间隔，则有下面的表达式给出子载波频率间隔：

$F_s=\frac{1}{\mathrm{NT}}---\left(11\right)$

在该示例中，将参数q相对于FFT符号大小N进行规范化，并且由公式(11)来给出规范化或的参数(称作Q)。

$Q=\frac{q}{N}---\left(12\right)$

在公式(12)中，Q代表由公式(4)给出的相关性中的接收符号对之间的FFT符号的数量。与参数q的情况一样，公式(12)中的Q是确定频率偏移估计的准确度的参数。Q越大，估计就越准确。可以针对给定准确度要求来实验性地确定Q的值。一般地，Q可以是在约10到约100之间的量级。

将公式(12)代入公式(8)，由公式(13)给出在OFDM系统中的所估计的频率偏移

在规范化的参数方面，由公式(14)给出该示例中的频率检测的区间。

$\frac{-1}{2Q}{F}_s<\mathrm{\Delta f}<\frac{1}{2Q}{F}_s---\left(14\right)$

可以在DVB-SH单频网络中的广播头端中实施示例实施例。在单频网络中用于检测时间和频率偏移的相关性提供了对时间和频率偏移的更可靠和更准确的估计。

因此描述了本发明，显而易见地其可以在很多方面变化。不应当将这种变化视为脱离本发明，并且所有这种修改意在包括在本发明的范围中。