[发明专利]一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法

说明书

一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法，涉及基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法。首先忽略多普勒扩展因子，在时延维度上建立PSO算法所需的解空间；其次优化PSO算法中的惯性权重系数，搜索解空间中最匹配原子集，即初估计的路径时延集；然后扩展初估计的路径时延集，并联合多普勒扩展因子，再次建立PSO算法所需的解空间；最后采用PSO算法搜索最匹配原子集，获得水声信道冲激响应估计值。两次搜索最匹配原子的过程中均建立内积存储索引表，以避免内积的重复计算，并提高搜索速度。在已有OMP算法的基础上，采用分两步估计方法，能够减少计算内积次数，有效地降低已有OMP算法的复杂度。

技术领域

本发明涉及基于正交匹配追踪(OMP,Orthogonal Matching Pursuit)的低复杂度水声信道估计算法，尤其是涉及用于水声正交频分复用(OFDM,Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)通信系统的一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法。

背景技术

近年来，水声通信得到了广泛的关注和研究，然而水声信道严重的多径扩展和多普勒效应却限制了水声通信的性能。由于信号传播速度的差异，陆地无线通信的多普勒效应可以近似为多普勒频移，而水声信道呈现出宽带特性，不同频率信号产生的多普勒频移也不同，因而应将多普勒效应处理为多普勒扩展，水声信道亦被称之为时域-频域的双扩展信道。

如何精确地估计水声信道是提升水声通信性能的关键，已有的水声双扩展信道模型通常采用抽头延时线来描述，水声信道冲激响应由若干条路径叠加而成，每条路径由幅度、时延和多普勒扩展因子三个参数描述。由于抽头延迟线的抽头数目由最大多径时延而定，对于多径延时较大的水声信道而言，抽头数目也较大，而多径数目相对较少，换而言之，只有少量的抽头系数不为0，因此，通常认为水声双扩展信道的信道冲激响应具有稀疏性。压缩感知(CS，Compressed Sensing)理论表明，对稀疏信号以远低于奈奎斯特速率的方式进行采样，仍能够精确地恢复出原始信号，受此启发，基于CS的水声信道估计算法活跃于水声通信领域。

在基于CS的水声信道估计算法中，OMP算法^[1]充分考虑了信道的稀疏性，通过较少的迭代次数(等于信号的稀疏度)估计出每条路径多径的幅度、时延和多普勒扩展因子。在以往的文献中OMP已被证明其输出结果对水声稀疏信道具有良好的近似性能，并且易于实现。但是OMP算法在搜索最佳匹配原子时仍然存在内积计算量大，复杂度高的问题。为了减少OMP算法复杂度，文献^[2]将ICI信道矩阵的对角带作为目标函数，通过选择计算量较小的目标函数，以减小OMP算法所需计算复杂度；文献^[3]联合OMP算法与最大后验概率(MAP，Maximum APosteriori Estimation)估计技术提出了一种有效且低复杂度的估计方法。

近年来，粒子群(PSO,Particle Swarm Optimization)算法以其实现容易、精度高、收敛快等优点被广泛应用于各领域，并在实际问题中展示了其优越性。文献^[4]提出一种改进的粒子群(MPSO,Modified PSO)算法，通过二维粒子群搜索信道参数；文献^[5]采用二进制粒子群(BPSO,Binary PSO)算法对导频进行优化。

参考文献：

[1]深圳数字电视国家工程实验室股份有限公司.基于正交匹配追踪的稀疏信道估计方法[P].中国发明专利,CN201110194559,2011-07-12.

[2]Li C,Song K,Yang L.Low computational complexity design over sparsechannel estimator in underwater acoustic OFDM communication system[J].IETCommunications,2017,11(7):1143-1151.