[发明专利]基于压缩感知的非连续正交频分复用信道估计方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种用于认知无线电非连续正交频分复用（NC-OFDM）系统中基于压缩感知理论的信道估计方法。属于通信系统导频辅助的信道估计技术领域。

背景技术

近几年来，随着高速无线通信业务的不断增长，新一代的移动通信系统需要使用更宽的频带为用户提供速率达到上百兆的无线通信业务，频谱资源的短缺日益显著。但频谱资源的匮乏是一种相对的匮乏，目前研究表明，已授权的频谱频段并没有得到充分的利用，大量频谱资源处于空闲状态，3GHz以上的频谱几乎没有被使用，出现这种现象的原因是目前各国频谱资源分配上采用了一种频谱授权的方式，如果一段频谱的授权用户没有使用该频段，该频段也不能被其它非授权用户使用，从而造成频谱资源的巨大浪费。美国加州大学Berkeley分校的实地测量数据和研究表明，在3GHz以下频段，频谱资源在时域和频域上的利用率仅有30%，3～4GHz的频段利用率只有0.5%左右，4～5GHz频段的利用率只有0.3%左右。为了从根本上解决这种频谱资源浪费严重的问题，近年来，被业界称为认知无线电(Cognitive Radio，CR)的频谱使用模式正逐渐受到人们的关注。认知无线电的基本思想是：在不对拥有频谱授权用户或非授权用户产生有害干扰的前提下，认知用户通过择机(Opportunistic Way)的方式接入授权用户频段或非授权频段，通过闲置频谱的再利用提高频谱利用效率。认知无线电技术的出现，使从根本上解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率成为可能。

在认知无线电系统中，认知用户通过未被频谱授权用户占用的频段进行通信，因此，基于正交频分复用（OFDM）的认知无线电系统中, OFDM符号的部分子载波可能会落到频谱授权用户占用的频段内。为了避免对频谱授权用户造成干扰，这些落入频谱授权用户占用频段内的子载波上不能用来发送数据或导频，而只能将其置零(Nullified)，这时的系统便成为不连续子载波OFDM（non-contiguous OFDM，NC-OFDM）系统。NC-OFDM系统通过收集可用子载波实现了高速率数据传输，同时也具有常规OFDM抗多径，频谱效率高的特点，所以成为认知无线电系统中理想的数据调制技术。

NC-OFDM系统由于其可用子载波的不连续性，在很多关键技术处理方面与传统的OFDM系统都有所不同，面临更多的难题需要解决。如：峰均比降低、旁瓣抑制和信道估计问题等。在无线传输环境中，信道响应是时变的，多径引起的频域选择性衰落在不同的子载波上表现出不同的衰落特性，导致NC-OFDM符号各个数据子载波上出现畸变也不同。当系统采用相干解调时，为了保证系统的性能不受信道的多径衰落的影响，就需要采用信道估计的方法来跟踪信道响应的变化。另外，信道估计也会为OFDM系统的功率分配和比特分配、MIMO系统的预编码和波束成型、多用户检测及最大比分集合并等技术提供所需要的信道信息。   

传统的OFDM系统中，导频符号在频域上可均匀放置，先利用信道估计算法估计出导频位置处的信道频域响应，再通过内插的方式得到用户数据处的信道频域响应。在认知无线电NC-OFDM系统中，可用子载波是不连续的，可用子载波的数量和位置都会随着时间变化，禁用子载波可能是离散分布的若干单子载波，也可能是若干段连续子载波。前者一般称NC-OFDM系统受到窄带干扰，后者为宽带干扰。由于禁用子载波的存在，导频不再能均匀放置，甚至出现在很长的一段连续子载波上均无法放置导频符号的情况。这时传统的信道估计方法将无法获得满意的信道特性。目前研究基于NC-OFDM系统信道估计的成果不是很多，针对简单的基于导频的信道估计方法，有文献研究了NC-OFDM系统中导频图案的设计问题，即如何让导频避开禁用子载波，使导频的不均匀性给信道系数估计带来的影响最小。这些文献中信道系数估计的方法依然是传统的最小二乘（Least Square，LS）估计加频域内插的方法。然而，当连续的禁用带宽超过了系统的相干带宽时，上述信道估计方法将失效。王军等人则从改变信道估计方法的角度提出了一种基于修正变换域降噪的NC-OFDM信道估计算法，与传统的LS信道估计相比，此方法降低了信道估计的均方误差（Mean Square Error，MSE）。但当可用导频数变小时，此方法的信道估计性能下降很快。