專利名稱：一種基于時(shí)頻變換的ofdm信道估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及正交頻分(OFDM)系統(tǒng)中的調(diào)制解制技術(shù)，具體涉及一種基于時(shí)頻變換的信道估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
目前隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長(zhǎng)，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)和無(wú)線局域網(wǎng)的傳輸速率提出了更高的要求，而傳輸速率的提高又給常規(guī)單載波系統(tǒng)帶來(lái)了符號(hào)間干擾(ISI)和頻率選擇性衰落的問(wèn)題，采用正交頻分復(fù)用(OFDM)即是解決這些問(wèn)題的有效辦法之一。OFDM是一種多載波的傳輸方式，它把高速數(shù)據(jù)分散到若干低速率的子載波上進(jìn)行并行傳輸。
對(duì)于OFDM系統(tǒng)，在相同的誤碼率要求下，采用差分檢測(cè)比采用相干檢測(cè)的信噪比高3-4dB；此外，差分檢測(cè)比較適合較低數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)，如歐洲的DAB等，而對(duì)于有更高傳輸速率和頻譜要求的OFDM系統(tǒng)，采用相干檢測(cè)更合適。但是，相干檢測(cè)必須對(duì)頻率選擇性無(wú)線多徑信道進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，估計(jì)信道參數(shù)。
針對(duì)無(wú)線OFDM系統(tǒng)中的信道估計(jì)問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)分別提出了幾種不同的估計(jì)算法，下面對(duì)其中兩種性能較好，與本發(fā)明技術(shù)方案最接近的估計(jì)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
文獻(xiàn)1(Jan-Jaap van de Beek，Ove Edfors，Magnus Sandel，Sarah KateWilson and Per Ola Borjesson，“On channel estimation in OFDM systems”，in Proc.IEEE VTC’95，pp.815-919，Jul.1995.)提出了基于時(shí)頻變換的信道估計(jì)基本方法。它首先在頻域通過(guò)訓(xùn)練序列計(jì)算信道的最小二乘(LS)估計(jì)，然后利用離散傅立葉逆變換(IDFT)將LS估計(jì)轉(zhuǎn)化到時(shí)域并進(jìn)行合理的線性變換得到信道的時(shí)域響應(yīng)估計(jì)，最后通過(guò)離散傅立葉變換(DFT)將時(shí)域估計(jì)轉(zhuǎn)化到頻域得到信道的頻域響應(yīng)估計(jì)。我們將文獻(xiàn)1中性能較好的一種改進(jìn)算法稱為Beek算法，它是對(duì)線性均方差估計(jì)(LMMSE)算法的改進(jìn)。
LMMSE估計(jì)算法的線性變換矩陣Q=Rhh(Rhh+βSNRIN)-1.]]>其中，N是OFDM系統(tǒng)中子載波的數(shù)目，IN是N×N單位矩陣，Rhh是N×N的信道時(shí)域相關(guān)矩陣，調(diào)制指數(shù)β＝E{|x|2}E{|1/x|2}(如對(duì)于16-QAM，β＝17/9)，x是星座調(diào)制后數(shù)據(jù)，E{.}表示均值，信噪比SNR＝E{|x|2}/σ2，σ2是信道噪聲能量。LMMSE算法的性能在理論上可以達(dá)到線性估計(jì)的Cramer-Rao界，是性能非常好的估計(jì)方法。但是，該方法計(jì)算復(fù)雜度很高，不適宜直接應(yīng)用。
Beek算法的基本思路是，取LMMSE估計(jì)的線性變換矩陣Q的前后若干階組成新的變換矩陣，即Q1=QM×M0Q↔M×M,]]>從而形成Beek算法。其中，QM×M＝[Q(1∶M，1∶M)]，Q↔M×M=[Q(N-M+1:N,N-M+1:N)],]]>M是所選取的階數(shù)。這種方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，就是估計(jì)性能會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)平底(irreducibleerror floor)。
文獻(xiàn)2(Ove Edfors，Magnus Sandell，Jan-Jaap van de Beek，Sarah KateWilson and Per Ola Borjesson，“Analysis of DFT-based channel estimatorsfor OFDM”，Wireless Personal Communications，vol.12，No.1，pp.55-70，Jan.2000.)在文獻(xiàn)1的基礎(chǔ)上提出了幾種改進(jìn)方法，我們將作者認(rèn)為最好的那種方法稱為Edfors算法。它把LMMSE線性變換矩陣Q的對(duì)角元素構(gòu)成的對(duì)角矩陣作為線性變換矩陣Q。這種算法的復(fù)雜度很低，但仍存在錯(cuò)誤平底問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，采用一種新的基于時(shí)頻變換的信道估計(jì)方法，消除錯(cuò)誤平底問(wèn)題，提高估計(jì)精度，降低計(jì)算的復(fù)雜度。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是提出一種基于時(shí)頻變換的OFDM信道估計(jì)方法，該方法具體實(shí)施步驟如下在OFDM系統(tǒng)中，接收機(jī)利用接收的訓(xùn)練序列計(jì)算信道頻域響應(yīng)的最小二乘LS估計(jì)值 ；將LS估計(jì)值進(jìn)行離散傅立葉逆變換IDFT，估計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變到時(shí)域得到信道的時(shí)域響應(yīng)的粗估計(jì)h^LS=FHH^LS;]]>取N×N的信道時(shí)域相關(guān)矩陣Rhh的對(duì)角元素組成新的N×N對(duì)角矩陣DD＝diag(Rhh)；根據(jù)調(diào)制指數(shù)、信噪比，以及對(duì)角矩陣調(diào)用算法模塊Q=D(D+βSNRIN)-1]]>構(gòu)造線性變換矩陣Q；線性變換矩陣Q與時(shí)域響應(yīng)的粗估計(jì) 相乘得到信道的時(shí)域響應(yīng)的精估計(jì)h^Q:h^Q=Qh^LS;]]>利用離散傅立葉變換DFT將精估計(jì)值 轉(zhuǎn)化到頻域即得到信道的頻域響應(yīng)估計(jì)。
本發(fā)明的有益效果是，不僅消除了多數(shù)基于時(shí)頻變換的估計(jì)算法存在的差錯(cuò)平底問(wèn)題，獲得了與LMMSE估計(jì)接近的良好效果，而且大大降低了計(jì)算的復(fù)雜度。


圖1為基于時(shí)頻變換的OFDM信道估計(jì)方法的基本原理示意圖；圖2為本發(fā)明提出估計(jì)算法的線性變換矩陣Q的構(gòu)造過(guò)程示意圖；圖3為分別采用本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中的幾種信道估計(jì)算法的歸一化均方差(NMSE)隨信噪比(SNR)的變化關(guān)系示意圖；具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提出的信道估計(jì)算法技術(shù)方案進(jìn)行具體描述如下圖1示出了基于時(shí)頻變換的OFDM信道估計(jì)方法的基本原理。該示意圖示出了接收機(jī)在頻域中接收到的信號(hào)序列，經(jīng)過(guò)一系列時(shí)/頻域的變換處理，最后得到信道頻域響應(yīng)的精確估計(jì)值。
1.接收機(jī)利用訓(xùn)練序列計(jì)算信道頻域響應(yīng)的最小二乘LS估計(jì)。在OFDM系統(tǒng)中，調(diào)用算法模塊，建立以接收機(jī)接收的訓(xùn)練序列為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣，求該對(duì)角矩陣的逆矩陣，逆矩陣與接收頻域信號(hào)向量Y的乘積為信道頻域響應(yīng)的最小二乘LS估計(jì)值 即H^LS=X-1Y.]]>其中Y是N×1的接收頻域信號(hào)向量，X是由訓(xùn)練序列x(k)(O≤k≤N-1)作為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣，(.)-1表示矩陣求逆，N表示離散傅立葉變換DFT和離散傅立葉逆變換IDFT的運(yùn)算點(diǎn)數(shù)，也是OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)目。
2.將LS估計(jì)結(jié)果 進(jìn)行離散傅立葉逆變換IDFT，這里的IDFT可以利用現(xiàn)有各種離散傅立葉逆變換的快速算法IFFT實(shí)現(xiàn)。即利用IDFT變換器將估計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變到時(shí)域得到信道時(shí)域響應(yīng)的粗估計(jì) h^LS=FHH^LS.]]>其中離散傅立葉變換DFT變換矩陣F＝[rm，n]，rm,n=1Nexp[-j2π(m-1)(n-1)/N](1≤m,n≤N),]]>(.)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
接收機(jī)已預(yù)先獲得信道相關(guān)矩陣Rhh、調(diào)制指數(shù)β、信噪比SNR等先驗(yàn)信息，并將上述先驗(yàn)信息存儲(chǔ)在接收機(jī)存儲(chǔ)器中。其中調(diào)制指數(shù)β＝E{|x|2}E{|1/x|2}(如對(duì)于16-QAM，β＝17/9)，信噪比SNR＝E{|x|2}/σ2，σ2是信道噪聲能量。
3.取N×N的信道時(shí)域相關(guān)矩陣Rhh的對(duì)角元素組成新的N×N對(duì)角矩陣D，即D＝diag(Rhh)，然后根據(jù)調(diào)制指數(shù)、檢測(cè)到的信噪比和對(duì)角矩陣D，構(gòu)造時(shí)域線性變換矩陣Q，Q=D(D+βSNRIN)-1.]]>圖2示出了線性變換矩陣Q的構(gòu)造過(guò)程。首先，接收機(jī)根據(jù)先驗(yàn)信息估計(jì)信道的時(shí)域相關(guān)矩陣Rhh
再取Rhh的對(duì)角元素構(gòu)造Rhh的對(duì)角矩陣D 然后接收機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的先驗(yàn)信息—調(diào)制指數(shù)β和信噪比SNR，調(diào)用算法模塊Q=D(D+βSNRIN)-1]]>構(gòu)造線性變換矩陣Q，其中，IN是N×N的單位矩陣。
4.將通過(guò)步驟3構(gòu)造的線性變換矩陣Q與步驟2的計(jì)算結(jié)果信道時(shí)域響應(yīng)的粗估計(jì) 相乘得到信道的時(shí)域響應(yīng)細(xì)估計(jì)值h^Q:h^Q=Qh^LS;]]>5.利用離散傅立葉變換DFT將時(shí)域響應(yīng)細(xì)估計(jì)值 轉(zhuǎn)化到頻域即得到信道的頻域響應(yīng)估計(jì)值H^Q:H^Q=Fh^Q.]]>這里；DFT可以利用現(xiàn)有各種離散傅立葉變換的快速算法(FFT)實(shí)現(xiàn)。
經(jīng)過(guò)上述變換和計(jì)算，得到OFDM信道估計(jì)值。采用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行OFDM信道估計(jì)，消除了現(xiàn)有信道估計(jì)方法中存在的差錯(cuò)平底，并降低了計(jì)算復(fù)雜度，下面通過(guò)本發(fā)明與幾種常用信道估計(jì)方法比較進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明提出的信道估計(jì)算法與現(xiàn)有技術(shù)中幾種常用算法LS、Beek、Edfors、LMMSE估計(jì)算法的計(jì)算復(fù)雜度比較如下表1所示。其中，算法的復(fù)雜度用每條子載波需要的乘法次數(shù)衡量；DFT/IDFT的點(diǎn)數(shù)為N＝2m，m是正整數(shù)，采用的DFT和IDFT快速算法均需要

次乘法運(yùn)算。
表1 估計(jì)算法的計(jì)算復(fù)雜度

圖3示出了無(wú)線頻率選擇性衰落信道條件下，分別采用本發(fā)明中提出的算法、Beek估計(jì)算法、Edfors估計(jì)算法、最小二乘(LS)估計(jì)算法和最小線性均方差(LMMSE)估計(jì)算法的信道估計(jì)的歸一化均方差(NMSE)隨信噪比(SNR)的變化關(guān)系。由附圖3可以看出，隨著信噪比的變化，本發(fā)明所述方法的信道估計(jì)均方差呈現(xiàn)線性變化，成功克服了Beek和Edfors估計(jì)算法存在的差錯(cuò)平底問(wèn)題；此外可以看出，本發(fā)明估計(jì)方法的估計(jì)性能在低信噪比時(shí)與LMMSE接近、在高信噪比時(shí)與LS估計(jì)接近，而LS和LMMSE算法的估計(jì)性能在高信噪比時(shí)非常接近。
本方法利用信道時(shí)域相關(guān)矩陣構(gòu)成一種新的對(duì)角矩陣，進(jìn)而形成一種新的線性變換矩陣，從而獲得一種基于時(shí)頻變換的新的信道估計(jì)方法。使用本方法不僅避免了OFDM系統(tǒng)中多數(shù)基于時(shí)頻變換的信道估計(jì)方法存在的差錯(cuò)平底問(wèn)題，獲得了與最小線性均方差估計(jì)非常接近的估計(jì)效果，而且快速離散傅立葉變換(FFT)和快速傅立葉逆變換(IFFT)的引進(jìn)使得算法的復(fù)雜度極小且易于操作，因此本方法具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明所披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以輕易想到的變換和替換，都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范疇內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)頻變換的OFDM信道估計(jì)方法，其特征在于，本方法包括以下步驟(1)接收機(jī)利用訓(xùn)練序列xk計(jì)算信道頻域響應(yīng)的最小二乘LS估計(jì)值 (2)對(duì)LS估計(jì)值進(jìn)行離散傅立葉逆變換IDFT，將其轉(zhuǎn)變到時(shí)域得到信道時(shí)域響應(yīng)的粗估計(jì)值 (3)接收機(jī)根據(jù)先驗(yàn)信息，并調(diào)用算法模Q=D(D+βSNRIN)-1]]>構(gòu)造線性變換矩陣Q；(4)將信道時(shí)域響應(yīng)的粗估計(jì)值與線性變換矩陣Q相乘，得到信道的時(shí)域響應(yīng)細(xì)估計(jì)值 即h^Q=Qh^LS;]]>(5)對(duì)時(shí)域響應(yīng)細(xì)估計(jì)值 進(jìn)行離散傅立葉變換DFT，得到信道的頻域響應(yīng)估計(jì)值
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM信道估計(jì)方法，其特征在于，所述計(jì)算最小二乘LS估計(jì)值 的步驟具體包括，以訓(xùn)練序列xk為對(duì)角元素構(gòu)造對(duì)角矩陣，對(duì)該對(duì)角矩陣求逆，并與頻域接收信號(hào)向量Y相乘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM信道估計(jì)方法，其特征在于，構(gòu)造線性變換矩陣Q的步驟包括(1)取信道時(shí)域相關(guān)矩陣Rhh的對(duì)角元素組成新的對(duì)角矩陣D；(2)根據(jù)先驗(yàn)信息中調(diào)制指數(shù)β、信噪比SNR和對(duì)角矩陣D，算法模塊調(diào)用公式Q=D(D+βSNRIN)-1]]>得到線性變換矩陣Q。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM信道估計(jì)方法，其特征在于，IDFT變換采用離散傅立葉逆變換的各種快速算法IFFT實(shí)現(xiàn)；DFT變換采用離散傅立葉變換的各種快速算法FFT實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是公開(kāi)了正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)中一種基于時(shí)頻變換的信道估計(jì)方法。本方法用信道時(shí)域相關(guān)矩陣的對(duì)角元素構(gòu)成的對(duì)角矩陣形成一種新的線性變換矩陣，從而獲得一種基于時(shí)頻變換的新的信道估計(jì)方法。使用本方法不僅避免了OFDM系統(tǒng)中多數(shù)基于時(shí)頻變換的信道估計(jì)方法存在的差錯(cuò)平底(inreducible error floor)問(wèn)題，獲得了與最小線性均方差(LMMSE)非常接近的良好估計(jì)效果，而且快速離散傅立葉變換(FFT)和快速傅立葉逆變換(IFFT)的引進(jìn)使得本算法的復(fù)雜度很小且易于操作，因此本方法具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H04L27/26GK1953432SQ20061009520
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月15日
發(fā)明者張偉, 陳前斌, 張?zhí)祢U, 楊繁 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)