基於打孔技術的多路收發正交多載波信道估計方法

2023-09-20 23:33:45

專利名稱：基於打孔技術的多路收發正交多載波信道估計方法
技術領域：
本發明提供的是一種結合刪餘打孔技術來提高系統性能，跟蹤時變信道的方法。具體地說是一種基於MIMO (多輸入多輸出)-OFDM(正交頻分復用)空時編碼的信道估計方
法。
背景技術：
隨著水聲通信的發展，水下高速通信的需求已經越來越大，一些較為先進的技術逐漸引入到水聲通信系統中來。MIMO技術可以充分開發空間資源。該系統利用多個接收裝置實現多發多收，在同一個頻帶上實現各發射接收裝置同時傳輸信號。既不需要增加頻譜資源又不用加大接收裝置發送功率，就可以成倍地提高信道容量。MIMO技術大致可分空間復用技術以及空時編碼技術。空間復用技術是在不增加頻帶的條件下，增大信道容量，提高傳輸速率；空時編碼技術能夠提高分集增益，有效的降低信號的誤碼率。但是MMO技術受頻率選擇性深衰落的影響仍然較大，而解決頻率選擇性衰落問題是OFDM的一個長處。它將寬帶信道轉換為若干個平坦的窄帶信道，因此每個子信道上的衰落就可以看做是平坦性衰落。若將MMO技術和OFDM技術結合起來，不僅能抑制水聲信道的多徑幹擾，還能克服信號的頻率選擇性深衰落，增大信道容量，提高信息傳輸速率。因此MMO-OFDM技術已經發展為水聲通信領域的新熱點。由於MMO水聲信道的緩慢時變性和複雜性，如何對其響應做出較合理的估計一直是水聲通信的難點，《基於MMO-OFDM的高速水聲通信技術研究》於2009年發表於《通信技術》，他提出了將空時編碼和MIMO通信相結合的方法，因而獲得很高的頻譜效率。但卻由於導頻的插入犧牲了通信的有效性。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠提高信道估計的準確性的基於打孔技術的多路收發正交多載波信道估計方法。本發明的目的是這樣實現的I.對完成映射後的OFDM符號進行STBC編碼；2.加入偽隨機序列，添加經過STBC後的塊狀導頻；3.結合接收端解塊狀導頻，估計第一個符號信道的頻域響應；4.利用所述頻域響應對第二個OFDM數據塊符號進行信道均衡，解級聯碼，得到獲得編碼增益的息；5.對獲得編碼增益的信息進行重新調製映射，作為更新的塊狀導頻；6.並利用獲得編碼增益後的信息對第二個OFDM數據塊符號重新進行信道估計；7.對第二個符號兩次信道估計結果進行評估，得出信道各頻點相應的可靠性，刪除不可靠頻點的信道估計響應，即打孔；8.通過插值的方法對孔進行填補，得到完整的信道估計響應，作為下一符號的信道估計信息；9.重複步驟4_9直到通/[目完成。所述通過插值的方法對孔進行填補中打孔位置的選擇方法為設利用前一時段信息H'進行信道均衡後的數據為X'，均衡前的數據為Y'，經過新調製映射後的數據為X"，利用其估計出的信道響應為H"，且滿足Y' =H" X"；在選擇信道打孔位置選擇時應滿足準則I)重新調製映射後的數據X"與原始均衡後數據V不一致的位置剔除；
2)與原始均衡數後據V能量異常的位置剔除；置信因子P=X' /X"作為衡量標準，由於X'是原始信號信息，X"則是標準信息，在Γ無噪聲的前提下P = C，其中c為常數；通過對每個頻點P值的限定，確定不可靠的信道估計頻域位置，即找到了打孔的位置。本發明是一種基於打孔技術的導頻更新算法。傳統的導頻更新算法是將前一符號的解碼後數據作為下一符號的導頻進行逐一解碼，但卻會帶來錯誤累積等問題。因此本發明提出了打孔的方法，首先採用正交空時編碼級聯信道編碼，在對信道進行了一次糾正後，對信道頻域響應可靠性存疑部分進行有限打孔。結合水聲信道的稀疏性特點，對打孔部分進行填補，從而獲得完整可靠的信道頻域響應估計。這種方法，在提高通信有效性的同時，保證了通信的準確性，在實際應用中有很大的發展前景。本發明的技術要點主要體現在(I)系統採用MMO-OFDM方案。採用正交空時編碼級聯信道編碼，提高解碼數據的可靠性。採用塊狀導頻首次估計信道，再利用校驗後的數據重新估計信道。兩次信道數據相比較，通過對估計出的信道頻域響應可靠性存疑部分進行有限打孔。(2)基於插值的信道補孔算法，對打孔部分進行差值填補，從而獲得完整可靠的信道頻域響應估計。(3)只需在第一個符號的解碼過程中加入偽隨機序列的塊狀導頻，其後將前一符號解碼後數據當做參考序列對塊狀導頻進行更新，可以實時跟蹤信道的變化。本發明的主要優點為I)由於採用導頻更新算法，可以實時跟蹤信道變化，在緩慢時變的水聲多途信道中可以實現可靠的通信。2)只需引入一個符號的塊狀導頻，在保證通信準確性的同時還提高了通信的有效性。3)利用打孔技術可以實時糾正信道，避免錯誤的累積傳播。


圖ITCM編碼器一般結構圖。圖2TCM方案中的編碼器的網格圖與狀態圖。圖3MIM0-0FDM打孔技術系統框圖。圖4打孔技術原理圖。
具體實施方式
下面舉例對本發明做更詳細的描述I、循序編解碼導頻更新算法本發明基於STBC，將STBC作為級聯碼外碼，信道編碼(以TCM網格編碼為例)作為級聯碼內碼進行對通信原始數據的校驗，用校驗後的數據重新估計信道，比較兩次信道估計值採用信道打孔的方法對上述信道估計方法進行更新，如圖3具體的系統實現方式如下在一個OFDM符號持續時間段內對信息進行TCM編碼作為級聯碼的內碼。I.對完成映射後 的OFDM符號進行STBC編碼。2.加入偽隨機序列，添加經過STBC後的塊狀導頻。3.結合接收端解塊狀導頻，估計第一個符號信道的頻域響應。4.利用此頻域相應對第二個OFDM數據塊符號進行信道均衡，解級聯碼，得到獲得編碼增益的信息。5.對獲得編碼增益的信息進行重新調製映射，作為更新的塊狀導頻。6.並利用獲得編碼增益後的信息對第二個OFDM數據塊符號重新進行信道估計。7.對第二個符號兩次信道估計結果進行評估，得出信道各頻點相應的可靠性，刪除不可靠頻點的信道估計響應，即打孔。8.通過插值的方法對孔進行填補，得到完整的信道估計響應，作為下一符號的信道估計信息。9.重複步驟4-9直到通信完成。上述信道估計方法的關鍵是步驟8中打孔位置的合理選擇。假設利用前一時段信息H'進行信道均衡後的數據為X'，均衡前的數據為Y'，經過新調製映射後的數據為X"，利用其估計出的信道響應為H"，且滿足Y' =H" X"。在選擇信道打孔位置選擇時，應遵循以下兩條準則I)重新調製映射後的數據X"與原始均衡後數據X'不一致的位置剔除。2)與原始均衡數後據X'能量異常的位置剔除。為了準確找到滿足上述兩條標準的打孔位置，本發明定義置信因子P =V /X"作為衡量標準。由於Γ是原始信號信息，X"則是標準信息，在X'無噪聲的前提下P =C，其中c為常數。由於噪聲的影響，得到的置信因子P實際上是落在某一象限中的相位信息，其幅值包含了該頻點原始數據的能量信息。因此通過對每個頻點P值的限定，就可確定不可靠的信道估計頻域位置，即找到了打孔的位置。以TCM_8PSK為例，假設原始均衡後數據Γ，的應判決信息正確，那麼偏置因子P應當是落在第四象限-60°逆時針到第一象限60°的扇區內，那麼若P落在該扇區之外，根據準則1，將其標記為不可靠位置，進行打孔。對於置信因子落在±60°界限內，但靠近邊界大的導頻位置，以及能量過低接近原點的導頻位置，根據準則2，將其標記為不可靠位置，進行打孔。經過打孔標記後，落在圖4中陰影區域的導頻位置被保留下來，其所估計出的信道頻域響應作為可靠信息H, h-，結合插值等手段，以恢復信道的完整頻域響應H" h-。同時可以根據實際的信道狀況，對Z P以及Ep做出相應調整，以獲得更加準確地信道估計
U//
H hole °2、基於插值的信道補孔算法通過對各個導頻P值計算，進行有效導頻刪選後，利用LS，MMSE等估計準則得到導頻子信道上的頻域信道響應估計H' res，我們仍然需要通過在頻域內進行插值，估計出完整的各個子信道的信道頻域響應H" res，從而對接收信號做出均衡，恢復信息數據。不同的插值算法性能各異，一般而言，算法的階數越高，信道的估計性能也就越好，同時計算量也隨之增加。常用的插值算法包括以下幾種I.常值插值算法。這一算法利用被打孔位置的前方最近的可靠信道估計值作為該子信道的估計值近似。2.線性插值算法。這一算法通過對被打孔位置兩端最近的可靠信道估計值進行線性擬合，得到孔位置子信道頻域響應。3.高斯插值算法。這一算法與線性插值算法類似，通過利用多個可靠信道估計值進行曲線擬合，得到孔位置子信道頻域響應。4.三次樣條插值算法。這一算法是用一個三次多項式來擬合估計值的曲線進行插 值。3、提高通信有效性方案只需引入一個符號的偽隨機序列作為塊狀導頻，用於第一個數據符號的信道估計。在接下來的解碼過程中，不斷的用前一符號的信息更新塊狀導頻，不僅實時跟蹤了信道的編碼還減少了塊狀導頻的插入量，有效的提高的通信系統的有效性。
權利要求
1.一種基於打孔技術的多路收發正交多載波信道估計方法，其特徵是 (1)對完成映射後的OFDM符號進行STBC編碼； (2)加入偽隨機序列，添加經過STBC後的塊狀導頻； (3)結合接收端解塊狀導頻，估計第一個符號信道的頻域響應； (4)利用所述頻域響應對第二個OFDM數據塊符號進行信道均衡，解級聯碼，得到獲得編碼增益的信息； (5)對獲得編碼增益的信息進行重新調製映射，作為更新的塊狀導頻； (6)並利用獲得編碼增益後的信息對第二個OFDM數據塊符號重新進行信道估計； (7)對第二個符號兩次信道估計結果進行評估，得出信道各頻點相應的可靠性，刪除不可靠頻點的信道估計響應，即打孔； (8)通過插值的方法對孔進行填補，得到完整的信道估計響應，作為下一符號的信道估計信息； (9)重複步驟4-9直到通信完成。
2.根據權利要求I所述的基於打孔技術的多路收發正交多載波信道估計方法，其特徵是所述通過插值的方法對孔進行填補中打孔位置的選擇方法為 設利用前一時段信息H'進行信道均衡後的數據為X'，均衡前的數據為Y'，經過新調製映射後的數據為X"，利用其估計出的信道響應為H"，且滿足Y' =H" X"； 在選擇信道打孔位置選擇時應滿足準則 1)重新調製映射後的數據X"與原始均衡後數據X'不一致的位置剔除； 2)與原始均衡數後據X'能量異常的位置剔除； 置信因子P=X' /X"作為衡量標準，由於X'是原始信號信息，X"則是標準信息，在X'無噪聲的前提下P = c，其中c為常數；通過對每個頻點P值的限定，確定不可靠的信道估計頻域位置，即找到了打孔的位置。
全文摘要
本發明提供的是一種基於打孔技術的多路收發正交多載波信道估計方法。對每一個符號逐一進行解碼，並將解碼後的數據當做參考訓練序列，用來估計下一個符號的信道，跟蹤信道的變化，完成塊狀導頻循序的信道估計。發明中將STBC編碼作為級聯碼外碼，信道編碼作為級聯碼內碼進行對通信原始數據的校驗，重新估計信道。比較校驗前後信道估計的結果，將存疑部分打孔刪餘，通過差值來恢復信道，提高信道估計的準確性。1)由於採用導頻更新算法，可以實時跟蹤信道變化，在緩慢時變的水聲多途信道中可以實現可靠的通信。2)只需引入一個符號的塊狀導頻，在保證通信準確性的同時還提高了通信的有效性。3)利用打孔技術可以實時糾正信道，避免錯誤的累積傳播。
文檔編號H04L25/02GK102664851SQ20121011089
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者喬鋼, 劉淞佐, 周鋒, 孫宗鑫, 尹豔玲, 王巍, 王玥, 秦英明, 郭冉, 馬雪飛 申請人:哈爾濱工程大學