一種mimo-ofdm系統(tǒng)信道估計的導(dǎo)頻優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字信號傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種MMMFDM系統(tǒng)信道估計的導(dǎo) 頻優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高速數(shù)據(jù)傳輸中，正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivision Multiplex，OFDM)技術(shù)是最好的多載波傳輸方案之一。OFDM技術(shù)頻譜效率高，多址方 式靈活，實現(xiàn)復(fù)雜度低，同時可以很好地對抗多徑信道干擾，在各種數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)中 得到了應(yīng)用，如國際電聯(lián)的電力線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（InternationalTelecommunications Union，ITU-TG. 9960)、無線局域網(wǎng)（WLAN)、歐洲數(shù)字視頻地面廣播（DigitalVideo Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)、以及中國地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)（Digital TelevisionMultimediaBroadcast，DTMB)等。
[0003] 多入多出（Multiple-InputMultiple-Output，MIM0)系統(tǒng)是一個發(fā)射端與接收端 均配置有多根天線的通信系統(tǒng)。它能充分利用空間資源，通過多個發(fā)射和接收天線實現(xiàn)多 發(fā)、多收。MMO能夠提供多個相互獨立的信道，在同一空間內(nèi)同時傳送多路數(shù)據(jù)，即空間復(fù) 用增益，從而提高信道容量。而且可以利用多天線來同時傳送并行數(shù)據(jù)流，從而抑制信道衰 落，降低誤碼率。MIMO通信技術(shù)包括空分復(fù)用、空間分集、波束賦形、預(yù)編碼等領(lǐng)域。
[0004]基于近年來新興的數(shù)字信號處理理論--壓縮感知（CompressiveSensing)， 可以利用遠(yuǎn)少于待測信號維度的觀測序列，通過基于凸優(yōu)化或貪婪算法等壓縮感知算法， 精確恢復(fù)具有稀疏性的高維信號。壓縮感知算法在學(xué)術(shù)界得到了越來越多的關(guān)注，在信 號處理、信道估計、圖像壓縮等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。最近，壓縮感知理論蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了 Bayesian壓縮感知、譜壓縮感知、塊壓縮感知等理論，給科學(xué)發(fā)展帶來無限可能。
[0005] MHTo-OFDM系統(tǒng)的信道估計性能可以通過應(yīng)用壓縮感知技術(shù)而大大提高。最近， 通過研究Mnro系統(tǒng)的空時相關(guān)性和信道的稀疏性，一些塊壓縮感知技術(shù)被引入到大規(guī)模 Mnro系統(tǒng)中，獲得了很好的聯(lián)合信道估計性能。然而，雖然一些學(xué)者提出了塊相關(guān)的概念來 刻畫觀測矩陣的表現(xiàn)，觀測矩陣對信道估計結(jié)果的影響仍沒有受到大量關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。
[0007] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種MIM0-0FDM系統(tǒng)信道估計的導(dǎo)頻優(yōu)化方法。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種M頂0-0FDM系統(tǒng)信道估計的導(dǎo)頻 優(yōu)化方法，包括以下步驟：Sl :設(shè)定MMO系統(tǒng)不同發(fā)射天線共享導(dǎo)頻位置和共享導(dǎo)頻幅度， 推導(dǎo)所述導(dǎo)頻位置的優(yōu)化方法；S2 :給定遺傳算法，根據(jù)所述遺傳算法和所述導(dǎo)頻位置的 優(yōu)化方法優(yōu)化導(dǎo)頻位置；S3 :根據(jù)所述遺傳算法和所述優(yōu)化導(dǎo)頻位置優(yōu)化導(dǎo)頻幅度；S4 :根 據(jù)所述優(yōu)化導(dǎo)頻幅度和所述優(yōu)化導(dǎo)頻位置，采用BOMP算法對MIM0-0FDM系統(tǒng)的信道進(jìn)行估 計。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明實施例的一種MMO-OFDM系統(tǒng)信道估計的導(dǎo)頻優(yōu)化方法，能夠在較 低信噪比的環(huán)境中提升MMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計性能，且不會有額外頻譜資源和發(fā)射功 率的要求。
[0010] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的一種Mnro-OFDM系統(tǒng)信道估計的導(dǎo)頻優(yōu)化方法， 還可以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0011] 進(jìn)一步地，在所述步驟Si中，所述推導(dǎo)所述導(dǎo)頻位置的優(yōu)化方法是通過疊加導(dǎo)頻 實現(xiàn)的。
[0012] 進(jìn)一步地，在所述步驟Sl中，在推導(dǎo)所述導(dǎo)頻位置的優(yōu)化方法中，導(dǎo)頻位置集合 的循環(huán)差分集中所有元素的重復(fù)次數(shù)均相同。
[0013] 進(jìn)一步地，在所述步驟S2和S3中，根據(jù)所述MMO系統(tǒng)觀測矩陣定義所述遺傳算 法的個體適應(yīng)度，根據(jù)最小化塊選擇所述遺傳算法的最小適應(yīng)度的后代。
[0014] 進(jìn)一步地，在所述步驟S2中，所述的遺傳算法進(jìn)一步包括：S201 :初始化種群數(shù) 量、個體向量的長度和最大遺傳代數(shù)；S202 :隨機(jī)生成種群矩陣，所述種群矩陣的每一行代 表一個導(dǎo)頻位置集合；S203 :計算種群矩陣中每個所述導(dǎo)頻位置集合的適應(yīng)度；S204 :按照 給定的選擇概率、交叉概率和變異概率進(jìn)行隨機(jī)選擇、交叉組合和變異；S205 :計算新產(chǎn)生 的后代的適應(yīng)度，按照適應(yīng)度將新產(chǎn)生的后代放到所述種群矩陣中；S206 :如果當(dāng)前已經(jīng) 達(dá)到預(yù)設(shè)的最大遺傳代數(shù)，則停止算法，獲得適應(yīng)度最小的個體，否則遺傳代數(shù)加1并返回 步驟S204。
[0015] 進(jìn)一步地，在所述步驟S3中，所述的遺傳算法包括以下步驟：S301 :初始化種群數(shù) 量、個體向量的長度和最大遺傳代數(shù)；S302 :隨機(jī)生成一個由±1組成的種群矩陣，所述種 群矩陣的每一行代表一個行向量；S303 :計算種群矩陣中每個所述行向量的適應(yīng)度；S304 : 按照給定的選擇概率、交叉概率和變異概率進(jìn)行隨機(jī)選擇、交叉組合和變異；S305 :計算新 產(chǎn)生的后代的適應(yīng)度，按照適應(yīng)度將新產(chǎn)生的后代放到所述種群矩陣中；S306 :如果當(dāng)前 已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)的最大遺傳代數(shù)，則停止算法，獲得適應(yīng)度最小的個體，否則遺傳代數(shù)加1并 返回步驟S304。
[0016] 進(jìn)一步地，在所述步驟S4中，所述的BOMP算法操作單位為一個子矩陣，每次更新 一個所述子矩陣到支持向量集合中。
[0017] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0018] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0019] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的導(dǎo)頻優(yōu)化方法流程圖；
[0020] 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的CP-OFDM幀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的疊加導(dǎo)頻與正交導(dǎo)頻比較示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0023] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中心"、"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、 "后"、"左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于 附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所 指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā) 明的限制。此外，術(shù)語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要 性。
[0024] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可 以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本 發(fā)明中的具體含義。
[0025] 參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述 和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施 例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的 實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。
[0026] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的一種MMO-OFDM系統(tǒng)信道估計的導(dǎo)頻優(yōu) 化方法。
[0027] 【實施例1】
[0028] 本實施例具體公開一種可應(yīng)用在CP-OFDM系統(tǒng)（不考慮虛擬子載波）中的基于先 驗信息輔助的壓縮感知限幅噪聲估計與恢復(fù)方法，請參考圖1，該方法包括：
[0029] Sl :假設(shè)MIMO系統(tǒng)不同發(fā)射天線共享導(dǎo)頻位置，推導(dǎo)導(dǎo)頻幅度的優(yōu)化方案，具體 為：
[0030] 本發(fā)明中的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0031] 對于MMO系統(tǒng)中的第i根天線，根據(jù)無線信道中的經(jīng)典信道估計理論，有：
[0032] Zi= WihiN+Vi
[0035] 其中，W1是由OFDM塊d 1循環(huán)排列成的NXN的To印Iitz矩陣，h lN是由原始的長 度為L的CIR向量Ii1零填充得到的長度為N的離散時間CIR向量，V 1是AWGN。
[0036] 每個循環(huán)矩陣（包括To印Iitz矩陣）都可以被同時左乘和右乘DFT矩陣對角化。 所以DFT之后的頻域OFDM塊= 巧,_ ? ?, 表不為：
[0038] 其中，F(xiàn)nxn是NXN的DFT矩陣，Ai表示對角陣Cliag(D1) ,V1=FnxnV1表示頻域中 的AWGN0
[0039] 如圖3所示，本發(fā)明采用頻域的疊加導(dǎo)頻，即不同的天線對共享同一組頻域?qū)ьl 位置，僅在導(dǎo)頻幅度上有所變化。于是，第i根傳輸天線的導(dǎo)頻Z1Ir可以從Z1中提取出來：
[0040] ZiIp= (AF(L))Iphi+Vir
[0041] 其中，r表示導(dǎo)頻位置的集合，gp
[0042]
[0043] J是一個OFDM塊中的導(dǎo)頻個數(shù)。為了簡化，在接下來的討論中，可以將下標(biāo)（?）Ir 省略。考慮任意一根接收天線，它接收到的頻域?qū)ьl是Nt根發(fā)射天線發(fā)射信號的疊加，表 示為：
[0044]
[0045] 它接收到的Nt根發(fā)射天線的發(fā)射信號會經(jīng)過Nt個不同的信道{ft/,…*將 這些信道的CIR累積成一個聚合的信道向量fe二[^l17\辦/,…，/?/]'那么接收到的疊 加頻域?qū)ьl可以用一個線性模型來刻畫：
[0046] Y=Ph+V
[0047] 其中，P表示JXLNt的系統(tǒng)分塊矩陣：
[0048]
[0049] 傳統(tǒng)的壓縮感知理論已經(jīng)證明，只要聚合的信道向量h滿足稀疏性且觀測矩陣P 滿足有限等距性質(zhì)（R.I.P.)，那么h就可以被精確估計。稀疏性要求h中的非零元素個數(shù) S遠(yuǎn)小于h的長度L，這個性質(zhì)在很多信道中都被證明滿足。
[0050] 在MMO系統(tǒng)中，由于不同信道具有相同的路徑到達(dá)時間，所以不同信道的CIR具 有同樣的支持向量，于是不同的CIR展現(xiàn)出一些內(nèi)在的共同的稀疏性。即，每個信道的CIR Ii1的非零元素的位置都相同，雖然非零元素的具體值可能不同。對于i= 1，2,…，Nt，提取 不同CIRIii相同位置上的元素，把這些元素放到同一個向量中，重排成聚合信道向量b=
[13(7，1311，."，1^ 11]1，其中&二[711(0,/12(/)，" :,/、(0_廠。于是，系統(tǒng)模型可以寫做：
[0051]
[0052]其中，JXNt的矩陣％=[P1,表示分塊矩陣0的第1個 子矩陣?？紤]到不同CIR具有相同的非零元素位置，所以Id1的各項或者全是零，或者全不 是零，所以聚合信道向量b展現(xiàn)出塊稀疏性。
[0053] 因為當(dāng)下的目標(biāo)是優(yōu)化導(dǎo)頻位置，所以可以進(jìn)一步假設(shè)所有發(fā)射天線 的導(dǎo)頻幅度都相同，在這樣的假設(shè)下，不同發(fā)射天線對應(yīng)的矩陣A1是相同的，SP A1二A2二"-Aav很顯然，對于任意M= 0，1，…，Nt-I和1 = 0，1，…，L，矩陣P的列 向量Pi+