一種基於疊加導頻信號的信道估計方法及裝置的製作方法

2023-09-20 18:37:05

專利名稱：一種基於疊加導頻信號的信道估計方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及信道估計技術，尤指一種基於疊加導頻信號的信道估計方法及裝置。
背景技術：
正交頻分復用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術是將高速串行數據分成多路低速並行數據，並分別對不同的載頻進行調製，同時通過在發射端加上循環前綴，在接收端去除循環前綴以抵抗多徑時延。而多輸入多輸出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)技術充分開發空間資源，利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量和頻譜利用率。MIMO技術在OFDM系統中應用簡稱MIMO+OFDM系統，大大降低了MIMO技術應用的複雜度，使其具有更大的實用性。
眾所周知，在信道環境和配置確定前提下，MIMO技術能夠獲得多大系統容量的關鍵因素之一取決於系統的信道估計能力。
在MIMO+OFDM系統中，基於導頻信號的信道估計技術按其對導頻信號的使用情況可以分為兩類，一類是導頻信號與數據信號時分復用或頻分復用的信道估計方法，另一類是導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法。
在前一類信道估計方法中，由於信道的時變特性，導頻信號需要周期的發送，佔用了系統的部分時隙或頻隙，降低了有效數據的傳輸速率；為了使導頻信號的發送不影響有效數據的傳輸速率，研究人員提出了後一類將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法，通過在數據信號上疊加具有一定特性的導頻信號，通常在接收端利用接收信號的一階統計量，即可估計出信道的衝激響應，從而實現對信道的估計。將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法通過損失部分的有效發送功率，避免了有效數據傳輸速率的下降，而且由於這類方法的簡單有效性，獲得了越來越多的關注。
圖1是MIMO+OFDM系統組成示意圖，如圖1所示，假設該MIMO+OFDM系統具有Nt個發送天線和Nr個接收天線，圖1中，頻域數據信號Ui(k)是某源數據信號B(k)經過MIMO編碼後得到的；時域數據信號ui(n)是由Ui(k)經過OFDM調製(包括IFFT和添加循環前綴)後得到的；si(n)＝ui(n)+ci(n)是第i個發送天線上的發送信號即OFDM信號，其中，ci(n)是疊加的導頻信號；時域接收信號xj(n)，是第j個接收天線上的接收信號；頻域接收信號xj(k)是由xj(n)經過OFDM解調(包括FFT和去循環前綴)後得到的； 是接收端對源數據信號B(k)的估計值。其中，i＝1，2，…，Nt，j＝1，2，…，Nr，k＝0，1，2，…，(Nsubc-1)，n＝0，1，…，(N-1)，N為每幀的符號長度且N＝Nsubc+Ng，Nsubc和Ng為已知參數，分別是OFDM的子載波數和循環前綴的長度。
時域接收信號xj(n)如公式(1)所示xj(n)=i=1Nthij(n)*si(n)+vj(n)---(1)]]>=i=1Ntl=0L-1hij(l)*[ui(n-l)+ci(n-l)]+vj(n)]]>公式(1)中，*為卷積運算符，hij(n)是第i個發送天線與第j個接收天線之間的信道衝激響應，其中，l＝0，1，…(L-1)，L是信道的階數，vj(n)是第j個接收天線上具有零均值的加性高斯白噪聲，這裡假設在一幀OFDM信號時間中每徑的信道值不變，實際通信中都是基於這種假設的。
各個發送天線上的疊加導頻信號是具有不同偏移量的周期衝激序列，接收端對公式(1)中的接收信號xj(n)按照每幀信號做分段平均即計算每幀信號的平均值，可得到第i個發送天線和第j個接收天線之間信道的估計值即信道的衝激響應的估計值。如公式(1′)所示
h^ij(l)=1Nn=0N-1xj(n+l)c*i(n),i=1,2,...,Nt,j=1,2,...Nr---(1)]]>公式(1′)表示了每根接收天線上的來自不同發射天線的多徑信道響應的估計值。
但是，從公式(1)可以看出，接收信號xj(n)中同時包含了數據信號ui(n)、導頻信號ci(n)以及加性高斯白噪聲vj(n)，因此，採用現有分段球平均的方法估計信道時，數據信號和加性高斯白噪聲起了幹擾的作用，降低了信道估計的精度。
從現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法來看，發送端在數據信號上疊加一個周期衝激序列，接收端通過對接收信號分段求平均，得到信道衝激響應的估計值。現有方法只利用了接收信號的一階統計量即均值來獲取信道估計值，運算雖然簡單，但是，由於數據信號與導頻信號是疊加在一起的，對信道進行估計時，數據信號起了幹擾的作用，信道估計的精度不高，尤其是在高信噪比的情況下，信道估計的歸一化均方誤差會出現差錯底限(error floor)。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種基於疊加導頻信號的信道估計方法，能夠提高信道估計的精度。
本發明的另一目的在於提供一種基於疊加導頻信號的信道估計裝置，能夠提高信道估計的精度。
為達到上述目的，本發明的技術方案具體是這樣實現的一種基於疊加導頻信號的信道估計方法，該方法包括以下步驟A.接收端針對接收到的數據包內的每一幀信號，通過分段平均分別計算各幀信號的信道預估計值；B.對各幀信號的信道預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。
步驟B中所述加權平均處理的方法為分別對接收到的各幀信號前後相鄰的各K幀信號所對應的信道預估計值，按照下式進行加權平均計算， 其中，α為加權因子；所述K的取值取決於加權因子α；h^ij,0,h^ij,1,,h^ij,M-1]]>分別表示第i個發射天線與第j個接收天線上0～(M-1)幀信號的信道預估計值；M表示所述數據包中包括的幀數； 表示第i個發射天線與第j個接收天線上第m幀信號的信道預估計值， 為一矢量且h~ij,m=h~ij,m(0)h~ij,m(1)h~ij,m(L-1)T,]]>L是信道的階數。
所述K為1或2。
所述加權因子α的取值與信道環境相關。
所述加權因子α的取值在0至1之間。
所述幀信號為正交頻分復用OFDM信號。
一種基於疊加導頻信號的信道估計裝置，該系統包括分段平均處理模塊和加權平均處理模塊，其中，分段平均處理模塊，接收數據包，針對接收到的數據包內的每一幀信號，通過分段求平均分別計算各幀信號的信道預估計值，並將計算得到的信道估計值發送給加權平均處理模塊；加權平均處理模塊，接收來自分段平均處理模塊的信道預估計值，並對各幀信號的信道預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。
由上述技術方案可見，本發明針對接收到的數據包內的每一幀信號，按照現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法，通過分段平均分別計算各幀信號的信道預估計值，並對各幀信號的信道的預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。本發明運用加權平均處理的基於疊加導頻信號的信道估計，提高了信道估計的精度，同時明顯改善了系統的誤比特率性能，從仿真結果可見，本發明信道估計方法更好地適用於時變的無線信道。


圖1是MIMO+OFDM系統組成示意圖；圖2是發送的數據包的結構示意圖；圖3是本發明方法的流程圖；圖4a是信道估計的歸一化均方誤差與信噪比之間的關係曲線圖一；圖4b是信道估計的歸一化均方誤差與信噪比之間的關係曲線圖二；圖5a是系統誤比特率和信噪比之間的關係曲線圖一；圖5b是系統誤比特率和信噪比之間的關係曲線圖二。
具體實施例方式
本發明的核心思想是接收端針對接收到的數據包內的每一幀信號，通過分段求平均分別計算各幀信號的信道預估計值，並對各幀信號的信道預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉較佳實施例，對本發明進一步詳細說明。
基於圖1所示的MIMO+OFDM系統，假設各個發送天線上的數據均以數據包為單位傳輸，每個數據包中包含M幀OFDM信號。對於第i個發送天線與第j個接收天線所組成的天線對，發送數據包中每幀OFDM信號對應的信道衝激響應可以分別表示為hij，0，hij，1，…，hij，M-1，圖2是發送的數據包的結構示意圖，如圖2所示，其中，OFDM(i，m)表示第i個發送天線上一個數據包內的第m幀OFDM信號，hij，m＝[hij，m(0) hij，m(1)…hij，m(L-1)]T，0≤m≤M-1。
由於信道是連續慢變化的，相鄰的幾幀OFDM信號所對應的信道衝激響應之間有較強的相關性，因此，在利用現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法得到數據包中各幀的hij，0，hij，1，…，hij，M-1的預估計值h^ij,0,h^ij,1,,h^ij,M-1]]>後，按照公式(2)對預估計值h^ij,0,h^ij,1,,h^ij,M-1]]>進行加權處理，公式(2)如下 公式(2)中，h~ij,m=h~ij,m(0)h~ij,m(1)h~ij,m(L-1)T,]]>α是一個加權因子，即加權是在第i個發送天線上一個數據包內，第m幀OFDM信號前後相鄰的各K幀OFDM信號(共2K+1幀)所對應的信道衝激響應預估計值之間進行的，一般K＝1或K＝2。α的取值與信道環境相關如時延、移動速度等，一般來講，移動速度越快，數據包中各幀之間的相關性較弱，α的取值可以相應小些，也就意味著K的值會小些，即對於第m幀OFDM信號來說，參與加權處理的前後相鄰的OFDM信號會少些。相反，移動速度越慢，數據包中各幀之間的相關性較強，α的取值可以相應大些，也就意味著K的值會大些，即對於第m幀OFDM信號來說，參與加權處理的前後相鄰的OFDM信號會多些。α的取值範圍一般在0～1之間。
公式(2)相應的矢量中各元素的關係為公式(3)所示
當公式(2)或公式(3)中，加權因子α滿足α＞0且1-k=-Kk0K|k|>0]]>時，通過加權平均所得到的信道估計值h~ij,0,h~ij,1,,h~ij,M-1]]>具有比現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法所得到的信道估計值h^ij,0,h^ij,1,,h^ij,M-1]]>更小的歸一化均方誤差，在h^ij,0,h^ij,1,,h^ij,M-1]]>和h~ij,0,h~ij,1,,h~ij,M-1]]>均是無偏估計的情況下，經過本發明加權平均處理後的信道估計的精度提高了。
圖3是本發明方法的流程圖，具體包括以下步驟步驟300接收端針對接收到的數據包內的每一幀信號，通過分段平均分別計算各幀信號的信道預估計值。
在步驟300之前，在發送端，隨機生成一路如四相相移鍵控(QPSK)符號序列，該符號序列的長度由一個數據包內的OFDM信號的幀數M、OFDM的子載波數Nsubc決定。從該符號序列中依次取出Nsubc個符號，分別經過MIMO編碼後得到對應於各個發送天線的一個數據包內的頻域數據信號，再經OFDM調製後得到時域數據信號，最後在各個發送天線上的時域數據信號上疊加各自的導頻信號，得到最終的發送信號。
本步驟中，對於第i個發送天線和第j個接收天線，接收端分別利用接收數據包內的每一幀信號，按照現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法，即通過分段求平均分別計算各幀信號的信道衝激響應的預估計值h^ij,0,h^ij,1,,h^ij,M-1.]]>各發送一接收天線對之間的無線多徑信道是相互獨立的，對於某一個發送數據包，無線多徑信道在一幀OFDM信號持續時間內保持不變，而在不同幀的OFDM信號之間是時變的。對於第j個接收天線，接收信號是由各個發送信號分別經過相互獨立的無線多徑信道衰落後疊加，再加上加性高斯白噪聲後得到的，如公式(1)式所示。
步驟301對各幀信號的信道的預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。
在接收端，對各幀信號的信道衝激響應的預估計值h^ij,0,h^ij,1,,h^ij,M-1]]>按照上述公式(2)進行加權平均處理，得到各幀信號的信道衝激響應的估計值h~ij,0,h~ij,1,,h~ij,M-1.]]>從上述本發明信道估計的方法可見，本發明方法利用一個數據包內相鄰各幀OFDM信號所對應的信道衝激響應的相關特性，有效提高了信道估計的精度，明顯改善了系統的誤比特率性能。
下面以四個仿真試驗為例，對比本發明信道估計方法與現有方法的仿真效果。這裡假設仿真條件為發送天線數Nt＝2；接收天線數Nr＝2；圖1中所示的MIMO編碼器和MIMO解碼器分別為Alamouti提出的空時編碼器和解碼器，即若U1(n，k)和U2(n，k)分別為n時刻發送天線1和發送天線2上的頻域數據信號，則在n+1時刻有U1(n+1,k)=-[U2(n,k)]*U2(n+1,k)=[U1(n,k)]*;]]>數據包長度M＝10，OFDM的子載波數Nsubc＝512，循環前綴的長度Ng＝1/4×Nsubc，採用QPSK調製；時變多徑信道的模型為02008001200230037000-0.9-4.9-8.0-7.8-23.9,]]>其中，第一行為各徑的時延(ns)，第二行為各徑的功率(dB)。系統工作在5GHz頻段，相應於移動臺速度分別為3km/h和60km/h時的都卜勒頻率fd分別為14Hz和為280Hz；選取導頻信號的幅度分別為a＝0.5和a＝1，加權因子α＝0.3。
圖4a是信道估計的歸一化均方誤差(NMSE，Normalized Mean SquareError)與信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)之間的關係曲線圖一。圖4a中，移動臺速度為3km/h，fd＝14Hz，關係曲線411是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用本發明信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線，關係曲線412是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用現有信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線；關係曲線413是導頻信號的幅度a＝1時，採用本發明信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線，關係曲線414是導頻信號的幅度a＝1時，採用現有信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線。
圖4b是信道估計的歸一化均方誤差與信噪比之間的關係曲線圖二，圖4b中移動臺速度為60km/h，fd＝280Hz，關係曲線421是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用本發明信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線，關係曲線422是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用現有信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線；關係曲線423是導頻信號的幅度a＝1時，採用本發明信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線，關係曲線424是導頻信號的幅度a＝1時，採用現有信道估計方法得到的NMSE與SNR之間的關係曲線。
從圖4a和圖4b的曲線可以明顯看出，在相同SNR的情況下，採用本發明信道估計方法獲得的NMSE優於採用現有信道估計方法獲得的NMSE。從而可見，本發明信道估計方法相比於現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法，信道估計的精度有了顯著提高，尤其是在信道變化加快即移動臺速度高的情況下，信道估計精度的改善幅度更明顯。
圖5a是系統誤比特率(BER，Bit Error Rate)和信噪比之間的關係曲線圖一，圖5a中，移動臺速度為3km/h，fd＝14Hz，關係曲線511是導頻信號的幅度a＝1時，採用本發明信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線，關係曲線512是導頻信號的幅度a＝1時，採用現有信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線；關係曲線513是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用本發明信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線，關係曲線514是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用現有信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線。
圖5b是系統誤比特率和信噪比之間的關係曲線圖一，圖5b中，移動臺速度為60km/h，fd＝280Hz，關係曲線521是導頻信號的幅度a＝1時，採用本發明信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線，關係曲線522是導頻信號的幅度a＝1時，採用現有信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線；關係曲線523是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用本發明信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線，關係曲線524是導頻信號的幅度a＝0.5時，採用現有信道估計方法得到的BER與SNR之間的關係曲線。
從圖5a和圖5b的曲線可以明顯看出，在相同SNR的情況下，採用本發明信道估計方法獲得的BER優於採用現有信道估計方法獲得的BER。從而可見，對於系統的BER性能，本發明信道估計方法相比於現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法，有了明顯改善。
根據上面的仿真結果，可以清楚的看到，本發明運用加權平均處理的基於疊加導頻信號的信道估計，無論是在信道估計的精度方面，還是在系統的誤比特率性能方面，均獲得了明顯的改善效果，更好地適用於時變的無線信道。
基於上述本發明的信道估計方法，同時還提供一種基於疊加導頻信號的信道估計裝置，該裝置包括分段平均處理模塊和加權平均處理模塊，其中，分段平均處理模塊，接收數據包，針對接收到的數據包內的每一幀信號，通過分段求平均分別計算各幀信號的信道預估計值，並將計算得到的信道估計值發送給加權平均處理模塊；加權平均處理模塊，接收來自分段平均處理模塊的信道預估計值，並對各幀信號的信道預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於疊加導頻信號的信道估計方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟A.接收端針對接收到的數據包內的每一幀信號，通過分段平均分別計算各幀信號的信道預估計值；B.對各幀信號的信道預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟B中所述加權平均處理的方法為分別對接收到的各幀信號前後相鄰的各K幀信號所對應的信道預估計值，按照下式進行加權平均計算， 其中，α為加權因子；所述K的取值取決於加權因子α； 分別表示第i個發射天線與第j個接收天線上0～(M-1)幀信號的信道預估計值；M表示所述數據包中包括的幀數； 表示第i個發射天線與第j個接收天線上第m幀信號的信道預估計值， 為一矢量且h~ij,m=h~ij,m(0)h~ij,m(1)h~ij,m(L-1)T,]]>L是信道的階數。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述K為1或2。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述加權因子α的取值與信道環境相關。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述加權因子α的取值在0至1之間。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述幀信號為正交頻分復用OFDM信號。
7.一種基於疊加導頻信號的信道估計裝置，其特徵在於，該系統包括分段平均處理模塊和加權平均處理模塊，其中，分段平均處理模塊，接收數據包，針對接收到的數據包內的每一幀信號，通過分段求平均分別計算各幀信號的信道預估計值，並將計算得到的信道估計值發送給加權平均處理模塊；加權平均處理模塊，接收來自分段平均處理模塊的信道預估計值，並對各幀信號的信道預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述幀信號為OFDM信號。
全文摘要
本發明公開了一種基於疊加導頻信號的信道估計方法，該方法包括接收端針對接收到的數據包內的每一幀信號，按照現有將導頻信號疊加在數據信號上的信道估計方法，通過分段平均分別計算各幀信號的信道預估計值，並對各幀信號的信道預估計值進行加權平均處理，得到各幀信號的信道估計值。本發明同時還公開了一種基於疊加導頻信號的信道估計裝置。本發明運用加權平均處理的基於疊加導頻信號的信道估計，提高了信道估計的精度，同時明顯改善了系統的誤比特率性能。
文檔編號H04L5/02GK1889546SQ20061010356
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月25日 優先權日2006年7月25日
發明者劉琦, 胡波, 王吉濱, 吳和兵 申請人:華為技術有限公司, 復旦大學