[发明专利]一种基于零号子载波相位拟合的载波频偏估计方法

说明书

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。

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_sc个子信道或子载波，子载波的编号为k∈[-N_sc/2,N_sc/2],k∈Z。N_sc在不同信道带宽及调制方式下不同，例如在20MHz带宽802.11n格式发送时，N_sc为56。根据OFDM通信原理，CSI测量(表示)相比真实测量结果H包含多项时/频域的误差，公式如下：

其中f_cfo为载波频率偏移、τ_sfo为采样频率偏移(Sample Frequency Offset，SFO)带来的延时、τ_sto为采样时间差异(Sample Time Offset，STO)、τ_pdd包检测延时(PacketDetection Delay，PDD)、k为子载波编号。由上公式易知，当k＝0时，CSI测量中仅包含CFO误差；因此使用零号子载波更利于在CSI中估计CFO误差。但根据802.11a/g/n/ac/ax等主流Wi-Fi通信协议标准，为规避硬件前端的直流泄漏等器件缺陷，零号子载波不用于传输数据，因此如何获得零号子载波的CSI是一项关键技术。

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·(50×10³)·(100×10^-6)＝31.42rad；而由于相位的2π卷绕特性，CSI相位的测量结果中仅体现了31.42％2π＝0rad；这使得从连续帧的相位差去计算CSI时，存在多个候选CFO频率的问题。因此，如何在高CFO，长间隔条件下，排除CSI估计的相位模糊性是CFO估计的关键挑战。