一種聯合正交導頻設計的mimo－ofdm信道估計方法
2023-08-07 18:57:01
專利名稱：一種聯合正交導頻設計的mimo－ofdm信道估計方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信領域的信道估計方法，具體是一種聯合正交導頻設計的低複雜度多根發射天線多根接收天線正交頻分復用(MIMO-OFDM)系統的信道估計方法。
背景技術：
隨著個人無線通信需求的快速增長，無線技術正在經歷著前所未有的發展機遇。同時無線領域研究的任何進展都必須緊緊圍繞著一個主題，那就是必須能夠較好的解決高速無線通信自身所面臨的帶寬緊張、傳播信道惡劣、移動環境複雜和服務受限時的質量問題。高速率形成信道的寬帶頻率選擇性多徑衰落，同時移動終端的快速移動或者說是傳播環境周圍散射體的不斷變化使得信道具有多譜勒時間選擇性衰落效應。這種聯合時間-頻率選擇性造成信道的多徑-多譜勒-衰落，能夠嚴重影響系統的總體性能。因此，對無線信道變化的建模和跟蹤估計以及研究出能夠對抗時間-頻率選擇性衰落的新型空時處理技術對下一代移動無線通信系統來說是非常重要的。
正交頻分復用(OFDM)是一種頻率有效的多載波技術，它利用一定數量的彼此正交的窄帶子載波(每個子載波的帶寬都非常窄，以形成頻率非選擇性衰落)來並行地傳送低速率數據從而實現整體高速數據的傳輸。多根發射天線多根接收天線(MIMO)無線通信系統在散射條件豐富的傳播環境下，能夠不擴展傳輸頻帶而實現較高的數據傳送效率，同時MIMO可以結合空時編碼技術或者是信號處理技術來有效的實現分集，從而提高整個無線移動通信系統的可靠性，並且為分集和復用提供了一個較好的折中平臺。要充分利用MIMO-OFDM的這些優點精確的信道估計技術是不可或缺的。
目前關於多根發射天線多根接收天線正交頻分復用(MIMO-OFDM)無線通信系統信道估計的技術大致可以分為最小二乘法(LS)、線性最小均方誤差法(LMMSE)、最大似然方法(ML)和各種各樣的盲(全盲或半盲)估計方法。其中最小二乘法的計算複雜度較低，並且估計精度容易受到整個傳輸系統過程中噪聲的影響，利用各種各樣的信道統計量來對最小二乘估計值進行修正可以獲得一定程度上的性能改善，但是對於實際移動環境來說，是不可能得到比較真實的信道統計量信息的。線性最小均方誤差法在對信道的二階統計量作適當的近似估計的情況下可以獲得比較好的信道參數估計精度，但是整個估計算法的實現需要求解一個階數隨子載波個數和天線根數成正比關係的很大的矩陣求逆運算，系統實現的複雜度很高。最大似然法利用維特比算法來實現信道響應參數的估計，需要完成的計算量隨著整個信道矩陣的增加而迅速上升。盲信道(或半盲)信道估計方法可以最大程度上提高整個系統的頻帶利用率，不需要(或僅需要較少數量的)導頻開銷，然而整個估計算法的實現要求實際傳送的數據量很大，並且需要利用迭代計算方法，算法的收斂速度限制了這種算法應用於真實的時變無線移動環境。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請號為02825159，名稱為用於MIMO-OFDM系統的分散導頻圖案和信道估計方法。該發明提供了在MIMO-OFDM通信系統內減少導頻符號的數目和改進這樣的系統內的信道估計方法和設備。對於在OFDM發射機中的每個發射天線，導頻符號被編碼，以便對於該發射天線是獨特的。編碼的導頻符號然後被插入到OFDM幀中，以形成菱形網格，用於不同發射天線的菱形網格使用相同的頻率，但是在時域上互相偏離單個符號。在OFDM接收機處，信道響應是對於菱形網格的每個菱形中心的符號，通過使用二維內插被估計的。估計的信道響應在頻域中被平滑。其餘符號的信道響應然後通過在頻域中內插而進行估計。這種信道估計方法在每個導頻點使用最小二乘法來進行初始的信道參數估計，不能有效克服或者是改善噪聲對估計精度的影響，而且導頻數據沒有經過特別設計，雖然對於不同的發射-接收天線對來說其不同子載波上的導頻插入點位置是錯開一個符號的，但是無法有效消除不同發射-接收天線對之間OFDM頻率共用帶來的同頻幹擾問題。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術中存在的不足，提供一種聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法，達到提高信道估計的精度。
本發明是通過以下技術方案來實現的一種聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法，其特徵在於，設計出在不同發射-接收天線對之間和同一發射-接收天線對的不同OFDM子載波之間都能保持正交特性的導頻數據格式，同時在發射端將這些導頻按照隨發射-接收天線對和子載波個數而變化的多邊形形式插入到數據幀中；在接收端僅僅利用一個低複雜度的最大FFT抽取多相濾波器組來實現對子載波上的噪聲的加窗作用，以降低在濾波器組每個輸出端進行最小二乘信道參數估計時的噪聲方差，從而提高信道估計的精度，對於每個輸出端對應的不同發射-接收天線對和不同子載波之間的信道參數同時進行頻率域和時間域上的線性插值，在不需要任何先驗信道統計量信息的情況下能夠較好的實現無線移動環境下的時變信道參數估計；具體實現步驟為(1)在發射端根據實際使用的信道環境，將設計好的完全正交的導頻數據按照相應的發射-接收天線對和子載波位置按照平行四邊形插入到各個發射天線的數據幀中；(2)在各個接收天線端將各自待估計的發射-接收天線對所對應的導頻數據提取出來，將所有的導頻數據送入到信道估計器中，通過濾波器組對噪聲進行加窗後，對應於待估計的與各個子載波中心頻點相對應的導頻數據輸出後，直接利用最小二乘法來計算對應位置上的信道頻域係數抽樣值；(3)再將所有估計出來的信道係數值按照所述的插入位置分配給各個待估計的發射-天線接收對，各個發射-接收天線對所得到的信道估計值就是實際該天線傳播通道的頻域數據抽樣值；(4)然後將每個發射-接收天線對之間所獲得的頻域樣本值分別在頻率域和時間域上進行線性內插，得所有傳送數據位置上的信道係數；(5)最後將估計出來的信道係數值送給各根接收天線之後的信號處理單元，完成整個系統的均衡、空時解碼或者是閉環傳輸功能。
本發明的主要內容是設計出對於各個發射-接收天線對之間以及每個OFDM子載波之間都完全正交的的導頻數據，來實現對各個發射-接收天線對之間的獨立的信道頻率響應的抽樣估計功能。為了更好的利用插值來平滑得到各個發射-接收天線對之間以及各個子載波位置上的信道係數值，本發明中的導頻插入採取多邊形方式來進行實現。接下來分別利用時間域線性內插和頻率域線性內來估計整個無線移動時間-頻率雙選擇性信道係數。各個發射-接收天線對之間的導頻插入密度和信道時變速率以及信道的最大時延擴展量成正比例關係。具體來說各個待估計的發射-接收天線對信道之間的時間軸導頻抽樣間隔Nt滿足Nt≤1/2fdT (1)式(1)中T為OFDM的符號間隔，fd為信道的多譜勒頻率擴展值。
各個待估計的發射-接收天線對信道之間的頻率頻抽樣間隔Nf滿足
Nf≤1/τmaxΔFc(2)式(2)中τmax為信道的最大時延擴展值，ΔFc為各個子載波之間的頻率間隔。
本發明中的信道估計部分的具體實現如下首先設計出一個M1階FIR低通濾波器原型h0(n)，然後對h0(n)進行裂相處理有El(zP)=n=0M1/P-1h0[nP+l]z-lP---(3)]]>從而得到相應的各個支路濾波器係數，接收天線得到的導頻數據經過分路降採樣處理後進行濾波，然後將濾波之後的數據送至FFT單元，FFT的點數與OFDM子載波的個數是相等的。FFT之後的數據分別進行最小二乘估計，所得到的估計值就是對應的發射-接收天線對相應子載波位置上的信道係數值，收集好各個發射-接收天線對之間的信道頻域樣本值之後直接在頻率域和時間域進行線性插值處理，就可以獲得相應的發射-接收天線對之間的整個信道係數值。為了提高估計的精度，對FFT之後的數據要進行門限判決處理，只有大於閾值的數據才視為有效數據，最後進行最小二乘估計。
本發明中設計出的各個發射-接收天線對之間相應子載波位置上的導頻數據取為與該子載波中心頻率相同的復指數信號數據，但是不同天線對之間在頻率上進行錯開，也就是Xpilot=p=0P-1XpL=p=0P-1ej2npLN---(4)]]>(n,p)Mij,i,j=1,2]]>式(4)中，Mij，i，j＝1，2分別代表發射天線i-接收天線j之間的信道估計導頻插入時間-頻率軸位置；經過MIMO無線移動信道的衰減作用之後，整個導頻數據變為Ypilot=p=0P-1|Hij(pL)|ej(2npLN+S(HIJ(pL)))+WpL---(5)]]>(n,p)Mij,i,j=1,2]]>式(5)中的WpL為整個Hij信道中產生的零均值加性高斯白噪聲。
將接收天線端得到的導頻數據Ypilot送入到本發明中的信道估計部分後，便可以直接用最小二乘法對信道係數進行有效的估計，而WpL則由於濾波器組的作用對最小二乘法的估計精度影響會減小。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本發明通過對不同發射-接收天線對之間和相同天線對的不同子載波位置之間的完全正交導頻設計，以及導頻在整個信道時間-頻率網格上插入位置的合理分布，利用一個與所採用OFDM子載波個數相等的FFT實現了最小二乘信道估計算法，而且由於噪聲得到了較好的抑制，從而降低了最小二乘估計對噪聲敏感性的要求，提高了信道參數的估計精度。本發明提出的信道估計算法能夠大大降低由於不同發射天線使用相同頻率的OFDM傳輸系統所引起的幹擾，能夠適用於雙選擇性慢衰落無線移動MIMO-OFDM通信系統。
圖1為使用本發明方法的系統工作流程圖。
圖2為本發明方法的導頻插入位置和插入方式示意圖。
圖2中圖(a)為發射天線1的導頻插入位置和插入方式示意圖。
圖2中圖(b)為發射天線2的導頻插入位置和插入方式示意圖。
圖3為本發明方法中的信道估計示意圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例是參見圖1，本聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法步驟為設計出在不同發射-接收天線對之間和同一發射-接收天線對的不同OFDM子載波之間都能保持正交特性的導頻數據格式，同時在發射端將這些導頻按照隨發射-接收天線對和子載波個數而變化的多邊形形式插入到數據幀中；在接收端僅僅利用一個低複雜度的最大FFT抽取多相濾波器組來實現對子載波上的噪聲的加窗作用，以降低在濾波器組每個輸出端進行最小二乘信道參數估計時的噪聲方差，從而提高信道估計的精度，對於每個輸出端對應的不同發射-接收天線對和不同子載波之間的信道參數同時進行頻率域和時間域上的線性插值，在不需要任何先驗信道統計量信息的情況下能夠較好的實現無線移動環境下的時變信道參數估計；具體實現步驟為(1)在發射端根據實際使用的信道環境，將設計好的完全正交的導頻數據按照相應的發射-接收天線對和子載波位置按照平行四邊形插入到各個發射天線的數據幀中；(2)在各個接收天線端將各自待估計的發射-接收天線對所對應的導頻數據提取出來，將所有的導頻數據送入到信道估計器中，通過濾波器組對噪聲進行加窗後，對應於待估計的與各個子載波中心頻點相對應的導頻數據輸出後，直接利用最小二乘法來計算對應位置上的信道頻域係數抽樣值；(3)再將所有估計出來的信道係數值按照所述的插入位置分配給各個待估計的發射-天線接收對，各個發射-接收天線對所得到的信道估計值就是實際該天線傳播通道的頻域數據抽樣值；(4)然後將每個發射-接收天線對之間所獲得的頻域樣本值分別在頻率域和時間域上進行線性內插，從而得到所有傳送數據位置上的信道係數；(5)最後將估計出來的信道係數值送給各根接收天線之後的信號處理單元，完成整個系統的均衡、空時解碼或者是閉環傳輸功能。
上述的步驟(1)中，每幀數據中的時間軸插入導頻數量的個數即導頻插入的時間間隔Nt，與信道的變化速率成正比例關係，具體為Nt≤1/2fdT上式中T為OFDM符號間隔，fd為多譜勒頻率擴展值。
上述的步驟(1)中，每幀數據中的頻率軸插入導頻數據的個數即插入導頻的頻率間隔Nf，與頻率軸插入導頻數據的個數與信道的最大延遲量成正比例關係，具體為Nf≤1/τmaxΔFc上式中τmax為信道的最大多徑延遲量，ΔFc為子載波之間的頻率間隔。
設計出的各個發射-接收天線對之間相應子載波位置上的導頻數據取為與該子載波中心頻率相同的復指數信號數據，但是不同天線對之間在頻率上進行錯開，也就是Xpilot=p=0P-1XpL=p=0P-1ej2npLN]]>(n,p)Mij,i,j=1,2]]>上式中，Mij，i，j＝1，2分別代表發射天線i-接收天線j之間的信道估計導頻插入時間-頻率軸位置；經過移動無線信道的頻率選擇性衰落的作用，則導頻數據變為
Ypilot=p=0P-1|Hij(pL)|ej(2npLN+S(HIJ(pL)))+WpL]]>(n,p)Mij,i,j=1,2]]>式中，WpL為整個Hij信道中產生的零均值加性高斯白噪聲。
上述的步驟(2)，信道估計部分具體實現為首先設計出一個M1階的FIR低通濾波器原型h0(n)，然後對h0(n)進行多相分解有El(zP)=n=0M1/P-1h0[nP+l]z-lP]]>從而得到相應的各個支路濾波器係數，接收天線得到的導頻數據經過分路降採樣處理後進行濾波，然後將濾波之後的數據送至FFT單元，FFT的點數與OFDM子載波的個數是相等的；FFT之後的數據分別進行最小二乘估計，所得到的估計值就是對應的發射-接收天線對相應子載波位置上的信道係數值，收集好各個發射-接收天線對之間的信道頻域樣本值之後直接在頻率域和時間域進行線性插值處理，就可以獲得相應的發射-接收天線對之間的整個信道係數值；為了提高估計的精度，對FFT之後的數據要進行門限判決處理，只有大於閾值的數據才視為有效數據，最後進行最小二乘估計。
如圖1所示，要傳輸的數據首先經過串行/並行處理，然後在進行空時編碼，和對應位置上的導頻數據聯合起來組成數據幀。各個數據幀再分別經過IFFT處理之後，變成射頻信號從兩根天線上發射出去.接收端各個天線上的信號首先按照導頻插入位置將經過各自信道衰減作用的導頻信號提取出來，將提取出來的導頻信號送入本發明中的信道估計單元。經過信道係數估計和時間域以及頻率域線性插值後得到各個發射-接收天線對之間的信道係數向量，然後利用估計出來的信道向量來實現頻域均衡和空時解碼。
如圖2所示，信道估計部分的等波紋FIR濾波器階數取為128，下採用因子Q為4，N為64，F取2，經過FFT處理後的各個數據直接進行最小二乘(LS)估計，估計出來的數據按照導頻插入位置進行分配後做線性插值處理就可以得到整個MIMO系統的信道傳輸矩陣。
如圖3所示，若整個傳輸系統採用兩根發射天線-兩根接收天線，單個信道的特性參數是一致的，也就是說需要估計的四個信道向量分別採取菱形插入導頻的方式來進行估計和平滑處理。菱形的尺寸要根據實際的信道條件來進行調整。
權利要求
1.一種聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法，其特徵在於，設計出在不同發射-接收天線對之間和同一發射-接收天線對的不同OFDM子載波之間都能保持正交特性的導頻數據格式，同時在發射端將這些導頻按照隨發射-接收天線對和子載波個數而變化的多邊形形式插入到數據幀中；在接收端僅僅利用一個低複雜度的最大FFT抽取多相濾波器組來實現對子載波上的噪聲的加窗作用，以降低在濾波器組每個輸出端進行最小二乘信道參數估計時的噪聲方差，從而提高信道估計的精度，對於每個輸出端對應的不同發射-接收天線對和不同子載波之間的信道參數同時進行頻率域和時間域上的線性插值，在不需要任何先驗信道統計量信息的情況下能夠較好的實現無線移動環境下的時變信道參數估計；具體實現步驟為(1)在發射端根據實際使用的信道環境，將設計好的完全正交的導頻數據按照相應的發射-接收天線對和子載波位置按照平行四邊形插入到各個發射天線的數據幀中；(2)在各個接收天線端將各自待估計的發射-接收天線對所對應的導頻數據提取出來，將所有的導頻數據送入到信道估計器中，通過濾波器組對噪聲進行加窗後，對應於待估計的與各個子載波中心頻點相對應的導頻數據輸出後，直接利用最小二乘法來計算對應位置上的信道頻域係數抽樣值；(3)再將所有估計出來的信道係數值按照所述的插入位置分配給各個待估計的發射-天線接收對，各個發射-接收天線對所得到的信道估計值就是實際該天線傳播通道的頻域數據抽樣值；(4)然後將每個發射-接收天線對之間所獲得的頻域樣本值分別在頻率域和時間域上進行線性內插，從而得到所有傳送數據位置上的信道係數；(5)最後將估計出來的信道係數值送給各根接收天線之後的信號處理單元，完成整個系統的均衡、空時解碼或者是閉環傳輸功能。
2.根據權利要求1所述的聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法，其特徵是，所述的步驟(1)中，每幀數據中的時間軸插入導頻數量的個數即導頻插入的時間間隔Nt，與信道的變化速率成正比例關係，具體為Nt12fdT]]>上式中T為OFDM符號間隔，fd為多譜勒頻率擴展值。
3.根據權利要求1所述的聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法，其特徵是，所述的步驟(1)中，每幀數據中的頻率軸插入導頻數據的個數即插入導頻的頻率間隔Nf，與頻率軸插入導頻數據的個數與信道的最大延遲量成正比例關係，具體為Nf1maxFc]]>上式中τmax為信道的最大多徑延遲量，ΔFc為子載波之間的頻率間隔。
4.根據權利要求1所述的聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法，其特徵是，設計出的各個發射-接收天線對之間相應子載波位置上的導頻數據取為與該子載波中心頻率相同的復指數信號數據，但是不同天線對之間在頻率上進行錯開，也就是，Xpilot=p=0P-1XpL=p=0P-1ej2npLn]]>(n，p)∈Mij，i，j＝1，2上式中，Mij，i，j＝1，2分別代表發射天線i-接收天線j之間的信道估計導頻插入時間-頻率軸位置；經過移動無線信道的頻率選擇性衰落的作用，則導頻數據變為Ypilot=p=0P-1|Hij(pL)|ej(2npLN+S(Hij(pL)))+WpL]]>(n，p)∈Mij，i，j＝1，2式中，WpL為整個Hij信道中產生的零均值加性高斯白噪聲。
5.根據權利要求1所述的聯合正交導頻設計的MIMO-OFDM信道估計方法，其特徵是，所述的步驟(2)，信道估計部分具體實現為首先設計出一個M1階的FIR低通濾波器原型h0(n)，然後對h0(n)進行多相分解有El(zP)=N=0M1/P-1h0[nP+l]z-lP]]>從而得到相應的各個支路濾波器係數，接收天線得到的導頻數據經過分路降採樣處理後進行濾波，然後將濾波之後的數據送至FFT單元，FFT的點數與OFDM子載波的個數是相等的；FFT之後的數據分別進行最小二乘估計，所得到的估計值就是對應的發射-接收天線對相應子載波位置上的信道係數值，收集好各個發射-接收天線對之間的信道頻域樣本值之後直接在頻率域和時間域進行線性插值處理，就可以獲得相應的發射-接收天線對之間的整個信道係數值；為了提高估計的精度，對FFT之後的數據要進行門限判決處理，只有大於閾值的數據才視為有效數據，最後進行最小二乘估計。
全文摘要
本發明涉及一種聯合正交導頻設計的MIMO－OFDM信道估計方法。其步驟為設計出在不同發射－接收天線對之間和同一發射－接收天線對的不同OFDM子載波之間都能保持正交特性的導頻數據格式，同時在發射端將這些導頻按照隨發射－接收天線對和子載波個數而變化的多邊形形式插入到數據幀中。在接收端僅僅利用一個低複雜度的最大FFT抽取多相濾波器組來實現對子載波上的噪聲的加窗作用，以降低在濾波器組每個輸出端進行最小二乘信道參數估計時的噪聲方差，從而提高信道估計的精度，對於每個輸出端對應的不同發射－接收天線對和不同子載波之間的信道參數同時進行頻率域和時間域上的線性插值，在不需要任何先驗信道統計量信息的情況下能夠較好的實現無線移動環境下的時變信道參數估計。
文檔編號H04L25/02GK1925471SQ200610026950
公開日2007年3月7日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者方勇, 吳美武 申請人:上海大學