一种基于零号子载波相位拟合的载波频偏估计方法

摘要

本发明公开了一种基于零号子载波相位拟合的载波频偏估计方法，包括以下步骤：S1、根据自定义函数确定发送间隔控制Wi‑Fi信号发送端发送Wi‑Fi帧，得到每个Wi‑Fi帧的CSI数据；S2、通过Wi‑Fi信号接收端对每个Wi‑Fi帧的CSI数据的相位数据插值，计算相邻帧的相位差序列；S3、通过Wi‑Fi信号接收端通过自定义函数重构Wi‑Fi信号发送端的发送时间序列；S4、根据发送时间序列进行一阶线性拟合，完成载波频偏估计。本发明通过零号子载波的使用规避了CSI中其他误差因素的影响，通过非等间隔发送策略规避了CFO多候选值问题，最终实现了基于CSI的CFO精确估计。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信的信道测量技术领域，具体涉及一种基于零号子载波相位拟合的载波频偏估计方法。

背景技术

Wi-Fi感知技术依托于CSI(信道状态信息)对环境变化的灵敏性。Tx与Rx的本地晶体振荡器不匹配而产生的CFO(载波频率偏移)会给CSI带来累积相位误差，因此，CFO会直接阻碍Wi-Fi感知的性能提升以及相位同步、相控阵感知、分布式同步等下一代Wi-Fi通信与感知技术的发展。

已有的CFO估计方法，都基于Wi-Fi基带信号及基带信号中特定的分段结构，例如，基于基带信号训练序列数据(L-LTF段)辅助的CFO估计算法，以Moose算法以及Schmidl算法为代表。以及基于循环前缀(CP)的非数据辅助CFO估计算法，其中一个典型代表Jan-Jaapvan de Beek提出的最大似然算法。

以上方法只能消除当前帧底层基带信号中CFO误差，但上层的CSI测量仍然包含CFO误差。对于Wi-Fi感知而言，CFO会直接影响CSI的相位测量，导致多设备之间存在相位不同步问题。无CFO误差的CSI测量是支持下一代Wi-Fi将实现分布式多输入多输出(MultipleInput Multiple Output，MIMO)通信、分布式感知和相控阵等高级特性的基础，因此急需一种基于上层CSI测量的CFO精确估计方法。

主流的Wi-Fi协议802.11a/g/n/ac/ax等使用正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)宽带调制技术通信，设信道宽带为bw，OFDM将bw分割为N

其中f

CFO在CSI中的相位模糊性是另一个关键挑战。802.11标准可容许的Tx与Rx之间的最大CFO可达200kHz；而一般情况下，连续发送的Wi-Fi帧间隔为数十至数百微妙，以50kHzCFO和100μs帧间隔为例，根据以上公式可知，Rx端CSI额外积累了2π·(50×10

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于零号子载波相位拟合的载波频偏估计方法解决了多CFO候选值影响载波频偏估计精度的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于零号子载波相位拟合的载波频偏估计方法，包括以下步骤：

S1、根据自定义函数确定发送间隔控制Wi-Fi信号发送端发送Wi-Fi帧，通过Wi-Fi信号接收端接收Wi-Fi帧，得到每个Wi-Fi帧的CSI数据；

S2、通过Wi-Fi信号接收端对每个Wi-Fi帧的CSI数据的相位数据插值，得到每个CSI帧的零号子载波的相位序列，进而计算相邻帧的相位差序列；

S3、通过Wi-Fi信号接收端通过自定义函数重构Wi-Fi信号发送端的发送时间序列；

S4、根据发送时间序列进行一阶线性拟合，得到载波频率偏移估计值，完成载波频偏估计。

进一步地：所述步骤S1中，自定义函数Z(i)的表达式具体为：

Z(i)＝b+i×t

式中，i为Wi-Fi帧序号，b为固定时间间隔，t为增加时间间隔；

所述Wi-Fi信号发送端所发送的Wi-Fi帧中带有CFO测量信息，其包括CSI测量帧序号和发送间隔。

进一步地：所述步骤S2中，得到每个CSI帧的零号子载波的相位序列具体为

进一步地：所述步骤S2中，计算相邻帧的相位差序列

式中，Δθ

进一步地：所述步骤S3具体为：根据Wi-Fi信号接收端接收Wi-Fi帧中的CFO测量信息，得到CSI测量帧序号和发送间隔，通过自定义函数Z(i)重构Wi-Fi信号发送端的发送时间序列T

进一步地：所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、将相邻帧的相位差序列ΔΘ进行相位解卷绕操作，得到解卷绕后相位差序列

S42、根据发送时间序列T

S43、根据拟合函数的斜率k得到载波频率偏移估计值。

上述进一步方案的有益效果为：本发明对Δθ

进一步地：所述步骤S42中，一阶线性拟合的方法具体为：

以发送时间序列T

所述步骤S43中，得到载波频率偏移估计值f

f

本发明的有益效果为：本发明通过零号子载波的使用规避了CSI中其他误差因素的影响，通过非等间隔发送策略规避了CFO多候选值问题，最终实现了基于CSI的CFO精确估计。

附图说明

图1为本发明的流程说明图。

图2为本发明所用CFO与相位对应模糊性表现示意图。

图3为本发明所用零号子载波插值对比示意图。

图4为本发明解卷绕线性拟合示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于零号子载波相位拟合的载波频偏估计方法，包括以下步骤：

S1、根据自定义函数确定发送间隔控制Wi-Fi信号发送端发送Wi-Fi帧，通过Wi-Fi信号接收端接收Wi-Fi帧，得到每个Wi-Fi帧的CSI数据；

S2、通过Wi-Fi信号接收端对每个Wi-Fi帧的CSI数据的相位数据插值，得到每个CSI帧的零号子载波的相位序列，进而计算相邻帧的相位差序列；

S3、通过Wi-Fi信号接收端通过自定义函数重构Wi-Fi信号发送端的发送时间序列；

S4、根据发送时间序列进行一阶线性拟合，得到载波频率偏移估计值，完成载波频偏估计。

本发的方法可在所有Wi-Fi标准支持的工作频段2.4/5/6GHz频段、带宽bw(20、40、80、160、320MHz)、协议格式(IEEE 802.11a/g/n/ac/ax/be)、空间流数量s(1-n)及MCS速率下工作。例如，发送端fc为2.4GHz，bw为20MHz，发送格式为IEEE 802.11n协议。Wi-Fi信号发送端和Wi-Fi信号接收端应处于相同Wi-Fi信道及工作宽带，如Wi-Fi信号发送端和Wi-Fi信号接收端都工作在Wi-Fi标准40号信道(载波频率5200MHz)，宽带20MHz。

所述步骤S1中，自定义函数Z(i)的表达式具体为：

Z(i)＝b+i×t

式中，i为Wi-Fi帧序号，b为固定时间间隔，t为增加时间间隔；

所述Wi-Fi信号发送端所发送的Wi-Fi帧中带有CFO测量信息，其包括CSI测量帧序号和发送间隔。

在本实施例中，自定义函数Z(i)定义了相邻两个Wi-Fi帧发送间隔以等差数列方式增长，其中Wi-Fi帧R

在基于OFDM宽带调制模式的Wi-Fi协议中(802.11/a/g/n/ac/ax协议)，CSI为3维矩阵

所述步骤S2中，得到每个CSI帧的零号子载波的相位序列具体为

所述步骤S2中，计算相邻帧的相位差序列

式中，Δθ

所述步骤S3具体为：根据Wi-Fi信号接收端接收Wi-Fi帧中的CFO测量信息，得到CSI测量帧序号和发送间隔，通过自定义函数Z(i)重构Wi-Fi信号发送端的发送时间序列T

所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、将相邻帧的相位差序列ΔΘ进行相位解卷绕操作，得到解卷绕后相位差序列

S42、根据发送时间序列T

S43、根据拟合函数的斜率k得到载波频率偏移估计值。

所述步骤S42中，一阶线性拟合的方法具体为：

以发送时间序列T

将发送间隔差与解卷绕后的相位差做线性拟合求取载波频率偏移，可以规避了载波频率偏移与相位对应模糊性问题。

所述步骤S43中，得到载波频率偏移估计值f

f

根据OFDM通信原理，CSI测量(

实施例2：

本实施例针对本发明方法的一个具体实施过程。

Wi-Fi信号发送端通过自定义函数Z(i)设定发送Wi-Fi帧的时间间隔，取Z(i)|

当Wi-Fi帧的CSI数据插值完成后得到矩阵

计算相邻帧的零号子载波因发送间隔产生的相位差，得到相邻帧的相位差序列

通过对相邻帧的相位差序列做相位解卷绕操作，解决Δθ

Wi-Fi信号接收端根据Wi-Fi信号发送端的发送间隔，构建发送时间序列T＝{3,6,...,3(n-1)}。发送时间序列T中t(i)表示第i个Wi-Fi帧与第i+1个Wi-Fi帧的发送时间间隔3μs；以发送时间序列T为自变量，

根据以下公式得到载波频率偏移估计值：

f

其中，f

本发明的有益效果为：本发明通过零号子载波的使用规避了CSI中其他误差因素的影响，通过非等间隔发送策略规避了CFO多候选值问题，最终实现了基于CSI的CFO精确估计。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。