[发明专利]一种OFDM系统时变信道估计方法

摘要

本发明公开了一种OFDM系统的时变信道估计方法，它是利用时变信道在归一化多谱勒频移小于0.2时的线性变化特性，对需要估计的抽头进行迭代噪声消除，抑制噪声对信道估计的影响，得到信道抽头系数，从而得到信道转移矩阵；收端对每帧的第一个符号进行迭代信道估计，消除噪声影响，得到信道抽头位置，后续符号直接对已确定位置的信道抽头系数进行估计，无需迭代。因此采用本发明方法可以消除噪声对时变信道估计的影响，提高信道估计准确度和频谱利用率，且整体计算复杂度低。

主权项

1.一种OFDM时变信道估计方法，它包含发端对发射信号的处理步骤和收端对接收信号的处理步骤，所述发端对发射信号的处理步骤是：步骤1：将输入数据进行调制(1)；得到的数据进行串并转换(2)；这样经过串并转换(2)得到的并行数据流进行载波映射(16)，映射规则为：将数据和导频所构成的一帧符号的数据载波位置映射数据，导频载波位置添加导频，添加导频的规则是将数据和导频所构成的一帧符号中的第1个符号添加至少2L个导频p_1，1，p_1，2，…，p_1，k1，记p1=[p1,1,p1,2,...,p1,k1]T,]]>其中“T”表示转置，k₁表示第1个符号所添加的导频个数，L是归一化信道长度，是正整数，此符号添加导频的位置为m_1，1，m_1，2，…，m_1，k1，记m1=[m1,1,m1,2,...,m1,k1],]]>添加方式是4个导频为一簇，簇与簇在第1个符号的频域上均匀间隔；在数据和导频构成的一帧符号中除第1个符号以外的符号添加至少2L’个导频，且一帧符号中除第1个符号以外的符号添加导频的位置m_e，1，m_e，2，…，m_e，ke相同，记me=[me,1,me,2,...,me,ke],]]>其中，e是一帧信号中除第一个符号以外的符号的序号，是正整数，且2≤e≤M，k_e是第e个符号所添加的导频个数，M是一帧信号中的OFDM符号总数，L’是信道抽头个数，是正整数；一帧符号中除第1个符号以外符号的导频的取值p_e，1，p_e，2，…，p_e，ke相同，记pe=[pe,1,pe,2,...,pe,ke]T,]]>添加方式是4个导频为一簇，簇与簇在所添加符号的频域上均匀间隔；步骤2：将步骤1得到的经过载波映射的信号，进行IFFT(4)变换，然后再进行并串转换(5)，将经过并串转换(5)得到的信号再进行加循环前缀CP(6)处理，这样得到的经过加循环前缀CP(6)的信号再进行组帧(7)处理后，就得到发射信号S；所述收端对接收信号的处理步骤是：步骤3：发射信号S经过信道(8)，进行同步(9)，再进行解帧(10)，这样得到一帧接收信号R；然后将接收信号R去循环前缀CP(11)，这样得到的去循环前缀CP(11)的信号进行串并转换(2)，再进行FFT(12)变换，这样得到时域接收信号r；从时域接收信号r中抽取导频(13)，即得到此帧符号的所有导频步骤4：从步骤3得到一帧所有符号的导频中提取第1个符号的导频与发端第1个符号的导频p₁，利用计算公式(1)计算第一个符号的信道抽头中值构成的列向量h_ave¹[J]，斜率构成的列向量h_slope¹[J]；在这里，记r~1=[r~1,1,r~1,2,...,r~1,k1]T,]]>用h_aveⁿ表示第n个符号所有抽头的中值构成的列向量，h_slopeⁿ表示第n个符号所有抽头的斜率构成的列向量；n表示一帧信号中OFDM符号的序号，是正整数且1≤n≤M，M是一帧中OFDM符号总数；h_aveⁿ(0)，…，h_aveⁿ(L-1)表示第n个符号的第1到第L个信道抽头的中值，h_slopeⁿ(0)，…，h_slopeⁿ(L-1)表示第n个符号的第1到第L个信道抽头的斜率，表示如下：haven=haven(0)...haven(L-1)0...0,hslopen=hslopen(0)...hslopen(L-1)0...0]]>J是用来记录信道抽头位置的向量，初始化为J＝[0，1，…，L-1]have1[J]hslope1[J]=C+r~1---(1)]]>C＝(A[J]B[J])    (2)A=N*diag(p1)*Wp---(3)]]>B=Wp*diag(slope)*WpH*A---(4)]]>slope＝(-(N-1)/2，-(N-3)/2，…，(N-1)/2)    (5)其中，“*”表示乘法符号，“+”表示M-P广义逆，矩阵A[J]是矩阵A中向量J指示位置的列构成的矩阵，矩阵B[J]是矩阵B中向量J指示位置的列构成的矩阵，h_ave¹[J]是第1个符号的抽头中值h_ave¹中向量J指示位置的行构成的列向量，h_slpoe¹[J]是第1个符号的抽头斜率h_slope¹中向量J指示位置的行构成的列向量；对角阵diag(slope)的对角线元素为行向量slope；对角阵diag(p₁)的对角线元素为发端第1个符号的导频p₁；矩阵W_p表示归一化N点的FFT矩阵取第1个符号的导频位置m₁所指示的行构成的矩阵，矩阵W_p^H为矩阵W_p的共轭转置；A是矩阵，B是矩阵，C是矩阵，C⁺表示矩阵C的M-P广义逆，N表示一个OFDM符号的载波总数，是正整数；步骤5：对步骤4得到的第1个符号的信道抽头中值h_ave¹[J]进行噪声消除，具体实现步骤如下：计算第1个符号信道抽头中值h_ave¹[J]中的最大值h_max，设置噪声判决门限Threshold＝h_max/ρ₁，其中，常数ρ₁表示噪声判决门限相对最大值h_max的衰减，根据系统接收信噪比设置，常数ρ₁取值太大，不能有效消除噪声，常数ρ₁取值太小，容易将信道抽头误判为噪声；步骤6：对第一个符号信道抽头中值h_ave¹[J]中低于门限Threhsold的抽头中值求平均值T_h，再将噪声判决门限Threhsold赋值为ρ₂T_h，标记第1个符号的信道抽头中值h_ave¹[J]中大于Thresold的抽头为更新后的信道抽头v＝[v₁，…，v_Q]，v₁，…，v_Q是更新后的信道抽头位置，其中常数ρ₂表示噪声判决门限相对平均值T_h的增益，根据系统接收信噪比设置，常数ρ₂取值太小，不能有效消除噪声，常数ρ₂取值太大，容易将信道抽头误判为噪声；步骤7：将步骤6得到的信道抽头位置向量v赋值给初始值J，重复步骤6，重复次数为i，i是正整数，i的取值由复杂度情况决定，重复次数i越大，性能越好；这样得到第1个符号的信道抽头中值h_ave¹[J]，第1个符号的信道抽头斜率h_slope¹[J]和信道抽头位置向量J；将第1个符号中信道抽头以外抽头的中值置0，斜率置0，这样得到第1个符号的所有抽头中值h_ave¹，斜率h_slope¹；步骤8：从步骤3获得的一帧信号中所有符号的中取出第2个符号的导频记r~2=[r~2,1,r~2,2,...,r~2,k2]T]]>；将公式(3)中的p₁赋值为发端的第2个符号处的导频p₂，将公式(3)和公式(4)中的W_p赋值为归一化N点的FFT矩阵中第2个符号的导频位置m₂所指示的行构成的矩阵，再将步骤7中得到的信道抽头位置向量J和利用公式(2)得到的矩阵C代入公式(6)have2[J]hslope2[J]=C+r~2---(6)]]>得到第2个符号的信道抽头中值h_ave²[J]和斜率h_slope²[J]，其中h_ave²[J]是第2个符号抽头中值h_ave²中向量J指示位置的行构成的列向量，向量h_slope²[J]是第2个符号抽头斜率h_slope²中向量J指示位置的行构成的列向量，将第2个符号中信道抽头以外的抽头中值置0，斜率置0；这样得到第2个符号的所有抽头中值h_ave²，斜率h_slope²，以及矩阵C⁺；步骤9：从步骤3获得的一帧所有符号的中依次取出除第1个，第2个符号以外符号的导频记r~q=[r~q,1,r~q,2,...,r~q,kq]T]]>，其中q是正整数，且3≤q≤M，M是一帧信号中OFDM符号的总数；再将步骤8得到的矩阵C⁺代入公式(7)haveq[J]hslopeq[J]=C+r~q---(7)]]>得到的第q个符号的信道抽头中值h_ave^q[J]，斜率h_slope^q[J]，其中h_ave^q[J]是第q个符号抽头中值h_ave^q中向量J指示位置的行构成的列向量，h_slope^q[J]是第q个符号抽头斜率h_slope^q中向量J指示位置的行构成的列向量；将第q个符号中除信道抽头以外抽头的中值置0，斜率置0，即得到除第1个，第2个符号以外符号的所有抽头中值h_ave^q，斜率h_slope^q；步骤10：利用步骤7得到的第1个符号的所有抽头中值h_ave¹和斜率h_slope¹，步骤8得到的第2个符号的所有抽头中值h_ave²，斜率h_slope²，步骤9得到的除第1个，第2个符号以外符号的所有抽头中值h_ave^q，斜率h_slope^q，这样就得到一帧中所有符号的抽头中值和斜率；按照公式(8)计算第n个信道转移矩阵Hⁿ，其中n是正整数且1≤n≤M，计算公式为：Hn=Haven+diag(slope)*Hslopen---(8)]]>其中，“*”表示乘法符号，n表示一帧信号中OFDM符号的序号；矩阵H_aveⁿ是第n个符号所有的抽头中值h_aveⁿ构成的N*N的循环矩阵，构成规则是：矩阵H_aveⁿ的第u列是第n个符号的抽头中值h_aveⁿ向下循环移u-1位，其中1≤u≤N；矩阵H_slopeⁿ是第n个符号的抽头斜率h_slopeⁿ构成的N*N的循环矩阵，矩阵H_slopeⁿ的第u列是第n个符号的抽头中值h_slopeⁿ向下循环移u-1位；N表示一个OFDM符号的载波数，是正整数；表达式如下：步骤11：利用步骤10得到一帧所有符号的信道转移矩阵Hⁿ对接收信号进行检测(15)，得到输出信号。