CN101170531A - 一种信道估计方法及相应的通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于导频辅助信道估计系统的信道估计方法，以及相应的发射方法、接收方法和改进的通信系统结构。本发明在发射端将每组信息符号传输速率的上限设定为接收端对其进行相关检测时系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界，在接收端首先利用已知的导频符号进行信道估计，得到信道参数的初始估计值，利用该初始估计值对接收到的第一组信息符号进行相关检测，然后将判决后的该组信息符号作为等效导频符号、与已知导频一起再次估计信道，利用新的信道参数估计值对接收到的下一组信息符号进行相关检测，如此迭代进行信道估计，随着等效导频能量的增加，信道估计误差减小，使得系统的容量性能得以提高。

Description

一种信道估计方法及相应的通信方法和系统

技术领域

本发明涉及一种信道估计系统设计方案以及采用该方案所需的发射、接收方法以及改进的通信系统发射机、接收机结构。本发明适用于导频辅助估计信道状态信息的通信系统。

背景技术

如何提高频带利用率一直是无线通信研究领域所关注的问题，在信息理论中对于这一问题的研究主要集中在对于无线通信系统容量性能的研究。研究表明，信道估计的质量对通信系统的容量性能影响很大；随着信道估计误差的增大，通信系统的容量将会减小。在实际系统中，信道估计通常需要已知的导频符号来完成。于是，信道估计质量对于系统容量影响的研究则转化为导频符号的设计对于系统容量影响的研究。导频符号的数目增多时，信道估计的质量提高，系统的容量性能亦随之升高；但是，导频符号数目增多导致的另一结果是降低了系统的带宽效率。由此可见，导频符号的最优设计，应该是对于以上两方面的最佳折衷。

Shuichi Ohno和Georgios B.Giannakis在以往研究工作的基础上给出了导频辅助调制用于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统、进行最小均方误差估计时系统容量达到最大值所对应的最优导频设计[Shuichi Ohno，G.B.Giannakis，“Capacity maximizing MMSE-optimal pilots for wireless OFDM over frequency-selectiveblock Rayleigh-fading channels”，IEEE Trans.Inform.Theory，vol.50，pp.2138-2145，Sep.2004]。这里，简要介绍一下现有结果。

通常以频率选择性块衰落信道模型来表征时间选择性与频率选择性并存的衰落信道。在OFDM系统中，则假设频率选择性衰落的信道参数在一个OFDM符号的时域周期内保持不变，而在各个OFDM符号之间的随机变化是独立同分布的。输入的信息数据被分为若干组，每组M个信息数据，分别调制在M个不同的子载波上，构成一个信息序列，其中等间隔插入K个能量相同的导频子载波，共同组成一个含有N＝M+K个子载波的OFDM符号。频率选择性衰落信道中的多径效应造成了OFDM系统中的符号间串扰，其消除是通过在发射端插入而在接收端移去循环前缀来实现的。因此，在接收端，移去循环前缀后的每个OFDM符号都可以表示为

y＝Bh+HAx+w，    (1)

式中，y是N×1维的列向量，表示接收到的OFDM符号；B是N×L维的列向循环导频矩阵，而第一列是由K个等间隔分布的导频子载波构成的N×1维列向量b；h＝[h₀，h₁，…，h_L-1]^T是频率选择性衰落信道的参数，其中h_l(l＝0，1，…，L-1)是各径的衰落，服从零均值且方差为σ_hl ²的复高斯分布；H是N×N维的列向循环矩阵，第一列为[h^T，0，…，0]^T；A是N×M维的预编码矩阵，用以决定各个导频子载波和信息子载波在一个OFDM符号中的位置；x是M×1维的列向量，表示每个OFDM符号中的信息子载波；

w是N×1维的零均值且相关矩阵为σ_w ²I的复高斯噪声列向量。

在信道参数估计时，暂设等式(1)中的A＝0，于是，由最小均方误差算法可以得到信道参数估值及其估计误差的方差分别为

$\hat{h}=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_w^2}{(R_h^{-1}+B^{H}B)}^{-1}{B}^{H}y---\left(2\right)$

和

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δh}}^2=\underset{I=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{h_l}^2{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_w^2+P_b{\mathrm{\σ}}_{h_l}^2}---\left(3\right)$

其中，和σ_Δh ²即分别为信道参数估值及其估计误差的方差。R_h＝E{hh^H}是信道的相关矩阵，而E{·}和“H”分别表示求数学期望和矩阵的共轭转置；P_b＝|b|²是每个OFDM符号中所有导频子载波的总能量。

鉴于导频子载波和循环前缀引起的频谱效率损耗，导频辅助调制OFDM系统的平均容量下界为

${\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{trad}}=\frac{M}{N+(L-1)}{E}_h\left\{{\log }_2(1+\mathrm{\ρ}{\hat{h}}^H\hat{h})\right\},---\left(4\right)$

其中，C _trad表示系统平均容量的下界；E_h{·}表示对实际的信道衰落参数求数学期望；而ρ则是考虑到信道估计误差后的等效输出信噪比，即

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{h_l}^2-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δh}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δh}}^2+M{\mathrm{\σ}}_w^2/P_x}---\left(5\right)$

其中，P_x＝E{|x|²}表示每个OFDM符号中所有信息子载波的总能量。

每个OFDM符号中的能量分配如下：

P_b＝ηP，而P_x＝(1-η)P    (6)

其中，P＝P_x+P_b是一个OFDM符号的总能量，而η(0＜η＜1)则表示一个OFDM符号中所有导频子载波的能量之和P_b在总能量P中所占的比例。

已有研究工作表明：每个OFDM符号中的导频子载波个数K与频率选择性衰落信道中的多径数L相等时，得到的导频设计在导频辅助调制OFDM系统中是最佳的。在这种情况下，当频率选择性衰落信道中的各径参数服从独立且相同的复高斯分布CN(0，σ_h ²)时，对应于式(4)中系统容量下界最大值的能量分配方案为

$\mathrm{\η}=1-\frac{1}{1+\sqrt{1-\frac{M-L}{M(1+\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_h^{2}P})}}}.---\left(7\right)$

然而，在现有导频辅助调制OFDM系统中，各个OFDM符号上所有子载波的传输速率固定不变这一特性限制了信息符号资源的进一步开发。

发明内容

本发明的目的在于针对现有导频辅助估计系统中未能有效利用信息资源这一不足，提出一种新的迭代信道估计方法及其相应的发射机、接收机、通信系统，使得信息符号的资源得以充分利用，从而提高系统容量性能。

本发明提出的迭代信道估计方法具体如下：

发射端对各组信息数据的传输速率进行限定后，将其发射至接收端，其中，使得系统达到最佳容量性能的设计方案是：当系统中没有反馈设置时，根据衰落信道的统计特性计算接收端对各组信息进行相关检测时系统能够达到的输入与输出之间平均互信息的下界，并将其设定为对应各组信息数据的传输速率；当系统中有反馈设置时，各组信息数据的传输速率限定为接收端对其进行检测时系统能够达到的输入与输出之间瞬时互信息的下界。而在实际应用中，信息数据的传输速率可以低于上述对于传输速率的设定，只要满足信息数据的传输速率是逐组提高这一条件即可。

这样，当信道编码的长度足够时，就可以实现各个信息符号的无误检测：接收端首先利用已知的导频符号进行信道估计，得到信道参数的初始估计值，利用该初始估计值对接收到的第一组信息符号进行相关检测，然后将判决后的第一组信息符号作为等效导频符号、与已知导频一起再次估计信道，利用新的信道参数估计值对接收到的下一组信息符号进行相关检测，如此迭代进行信道估计，于是，随着等效导频能量的增加，信道估计误差减小，也即信道估计质量提高，从而系统的容量性能得到改善。

本发明的信道估计方法适用于导频辅助估计信道系统。具体而言，这样的导频辅助估计信道系统根据其发射端和接收端之间是否设置有反馈装置，其实现方案分别如下：

在系统中没有反馈设置的情况下：

一.在发射端进行如下步骤的信号处理：

(1)信息数据分帧；

(2)各帧插入导频符号；

(3)将每帧信息数据分组，旨在对各组信息数据的传输速率进行不同的限制；

(4)根据衰落信道的统计特性计算系统对各组信息进行相关检测时能够达到的输入与输出之间平均互信息的下界，并将其设定为对应各组信息数据的传输速率的上限，同时要求信息数据的实际传输速率是逐组升高的，旨在实现各组信息数据的无误检测、用作等效的导频符号；

(5)根据各组信息数据的限定传输速率对其进行相应的调制，并将调制后的信息符号发射至无线信道。

二.在接收端进行如下步骤的信号处理：

(1)以发射端的分组方案对接收到的各帧信息符号进行分组；

(2)利用已知的导频符号估计信道参数；

(3)根据初始信道参数估计值对第一组信息符号进行相关检测；

(4)将无误检测后的第一组信息符号作为新的等效导频符号、与已知导频符号共同估计信道参数；

(5)根据新的信道参数估计值对下一组信息符号进行相关检测；

(6)将无误检测后的该组信息符号作为新的等效导频符号、与前面无误检测的信息符号及已知导频符号共同估计信道参数；

(7)依此类推，进行迭代信道估计及信息符号检测，直到完成最后一组信息符号的相关检测。

在系统中有反馈设置的情况下：

(1)发射端将信息数据分帧；

(2)发射端在各帧中插入导频符号；

(3)发射端将每帧信息数据分组，旨在对各组信息数据的传输速率进行不同的限制；

(4)发射端将已知导频符号发射到接收端；

(5)接收端利用已知导频符号估计信道参数，得到初始信道参数估计值；

(6)接收端根据得到的初始信道参数估计值计算系统在此条件下能够达到的输入与输出之间互信息的下界，并将计算结果反馈至发射端；

(7)发射端将第一组信息数据的传输速率上限设定为系统此时能够达到的输入与输出之间互信息的下界，并对其进行相应的调制；

(8)发射端将第一组信息符号发射至接收端；

(9)接收端根据初始信道参数估计值对接收到的第一组信息符号进行相关检测；

(10)接收端将检测后的第一组信息符号用作等效导频符号、与已知的导频符号一起再次估计信道参数，得到新的信道参数估计值；

(11)接收端根据得到的新的信道参数估计值计算系统在此条件下能够达到的输入与输出之间互信息的下界，并将计算结果反馈至发射端；

(12)发射端将下一组信息数据的传输速率上限设定为系统此时能够达到的输入与输出之间互信息的下界，要求该组信息数据的实际传输速率高于上一组信息数据的实际传输速率，并对其进行相应的调制；

(13)发射端将调制后的该组信息符号发射至接收端；

(14)接收端根据新的信道参数估计值对接收到的该组信息符号进行相关检测；

(15)接收端将检测后的该组信息符号用作等效导频符号、与前面检测过的信息符号及已知的导频符号一起再次估计信道参数；

(16)依此类推，发射端逐组限速发射信息符号，接收端进行迭代信道估计及信息符号检测，直到完成最后一组信息符号的相关检测。

采用本发明的迭代信道估计方法可实现信息符号资源的充分利用，从而提高导频辅助估计信道系统的容量性能。为达到上述目的，一种优选的技术方案如下：

一.发射端的信号处理，包括如下步骤：

(1)信息数据分帧

首先，将待传输的信息数据分成帧。

(2)插入导频符号

在每一帧数据中等间隔地插入导频符号。

(3)信息数据分组

将每一帧中的信息数据分成G组(G为正整数)，每组数据再均分成若干块，使得各数据块等间隔分布，从而形成每一帧中的各组数据相互交织的格局。这一步骤旨在对于各组信息数据限定不同的传输速率。

其中，各组信息数据的数目可能相同或不同，各组所分的数据块以及各个数据块中信息数据的个数也可能相同或不同，因此，对于不同的组来说，信息数据的分布间隔可以不相等，当一帧中的导频符号实现等间隔分布、各组所分的数据块数目相同而各数据块中信息数据的个数不同时，该帧中各组信息数据的分布情况如图2所示。

同时，上述步骤(2)和(3)还涉及导频符号和各组信息数据的能量以及数据个数的分配，对于不同的系统实现及信道环境，导频符号和各组信息数据能量以及数据个数分配的具体计算是不同的，但是其根本原则是相同的，即：调整导频符号和各组信息数据的能量以及个数分配，使得系统的平均容量下界达到最大值。

在不同的信息数据分组及能量分配情况下，发射端或者接收端可根据系统所处的信道环境预先计算系统在每一次信道估计后能够达到的输入与输出之间的互信息下界(见下述公式(8)和公式(9))，选择使得各次信道估计后的系统输入与输出之间的互信息下界取得最大值时所对应的信息数据分组及能量分配方案。

(4)确定各组信息数据的传输速率，作为选择信号调制方式的依据

所要传输的信息数据分成G组后，如果系统没有反馈设置，将各组信息数据的传输速率的上限设定为接收端对该组信息进行检测时系统能够达到的输入与输出之间平均互信息的下界，即

$\underset{\‾}{I}(X;Y|{\hat{h}}_g)=E_h\left\{{\log }_2(1+{\mathrm{\ρ}}_g{\hat{h}}_g^H{\hat{h}}_g)\right\},g=\mathrm{0,1},\·\·\·,G-1,---\left(8\right)$

上式中，

表示在第g次信道估计

已知的条件下，系统能够达到的输入与输出之间平均互信息的下界；E_h{·}表示对实际的衰落信道参数求数学期望；ρ_g表示第g次信道估计

用于相关检测时，考虑到估计误差后的等效输出信噪比；

表示第g次信道估计中的信道参数估计值。

通常情况下，衰落信道参数h的分布是已知的：在多径信道环境中，h每一径的分量服从独立且相同的复高斯分布。因为公式(8)是对h统计特性的计算，而每一次的信道估计值

都与h的瞬时值有关，因而确定h的分布函数后即可计算出结果。

另外，接收端的噪声功率可以在发射端进行估计。通常，在通信系统中对接收端的信噪比会有一定的限制，即在一定的信噪比下才可以进行通信；而在某些通信系统中，接收端可以将信噪比反馈回发射端。因此，有理由认为，发射端已知接收端的信号能量以及平均噪声功率。

如果系统中设有反馈装置，则由接收端计算每一次信道估计后系统可以达到的输入与输出之间互信息下界的瞬时值，即

$\underset{\‾}{I}(X;Y|{\hat{h}}_g)={\log }_2(1+{\mathrm{\ρ}}_g{\hat{h}}_g^H{\hat{h}}_g),g=\mathrm{0,1},\·\·\·,G-1,---\left(9\right)$

并将其反馈至发射端，再由发射端将其设定为各组信息数据传输速率的上限。这时，需要完成一组信息数据的发射与接收后，再处理下一组信息数据的发射与接收。

当选定的信息数据分组及能量分配方案最优时，各次信道估计后系统的输入与输出之间互信息的平均下界能够达到最大值，则第g+1组的信息数据所对应的传输速率为

的最大值，而第1组信息数据所对应的传输速率为在已知导频符号进行信道估计条件下系统能够达到的输入与输出之间互信息的平均下界的最大值，即

(5)相应于系统传输格式的进一步调制

根据步骤(3)和(4)中分别确定的各组信息数据的个数和能量分配以及对应的传输速率，对各组信息数据进行信道编码以及相应于系统传输格式的调制，如BPSK调制、QPSK调制等等。允许的传输速率高时，采用冗余度低的信道编码方式或者高阶调制方式；允许的传输速率低时，采用冗余度高的信道编码方式或者低阶调制方式。然后将处理后的信息符号发射至信道。

需要说明的一点是，这里将未经调制的信息称作“信息数据”，而将经调制处理后的信息称作“信息符号”。下文中的描述亦相同。

二.接收端的信号处理：

发射端将其确定的各组信息数据的信道编码方式及调制方式传送到接收端，接收端对接收到的各组信息符号进行相关检测，即根据其获悉的各组信息符号的信道编码方式及调制方式进行相应的解调及解码，具体包括如下步骤：

如果系统中设有反馈装置，那么接收端在完成每一次信道估计后，根据公式(9)计算此时系统可以达到的输入与输出之间互信息的下界，并将其反馈至发射端。

(1)利用已知的导频符号进行信道估计，得到信道参数的初始估计值。信道估计可以使用现有的方法，例如MMSE(最小均方误差)算法等。

(2)利用信道参数的初始估计值对第一组信息符号进行相关检测，然后将判决后的第一组信息符号作为新的等效导频符号、与已知的导频符号一起再次进行信道估计。

因为第一组信息符号传输速率的上限被设定为系统在获得初始信道参数估计值时能够达到的输入与输出之间互信息的下界，所以在信道编码足够长的条件下可以保证该组信息的无误判决。这样，无误判决后的第一组信息就可以作为新的等效导频与已知导频一起再次进行信道估计，得到新的信道参数估计值。

(3)利用新的信道参数估计值对下一组信息符号进行相关检测，并将判决后的该组信息作为新的等效导频、与已知导频以及判决后的第一组信息一起进行又一次新的信道估计。

同理，在利用步骤(2)中得到的新的信道参数估计值对接收到的下一组信息符号进行相关检测时，由于该组信息传输速率的上限被设定为此时系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界，因此在信道编码足够长的条件下可以保证这一组信息的无误判决。于是，这一组无误判决的信息就可以作为新的等效导频、与已知导频以及无误判决的第一组信息一起进行又一次的信道估计，得到新的信道参数估计值。

(4)顺序利用最新的信道参数估计值对下一组信息符号进行相关检测，并将判决后的信息作为新的等效导频、与已知的导频以及前面各组判决后的信息一起进行新的信道估计。如此反复迭代，直到最后一组信息符号被判决。

基于上述迭代信道估计方法，本发明还提供了一种导频辅助调制的通信系统，发射端包括：分帧模块、插入导频模块、发射信息数据分组模块、传输速率限定模块、调制模块。接收端包括：接收信息符号分组模块、迭代处理模块、信道估计模块、信号检测模块。

分帧模块，将待传输的信息数据分成帧，并将处理后的每一帧数据分别输入插入导频模块；

插入导频模块，将导频符号等间隔地插入所述分帧模块处理后的各帧数据之中，并将处理后的结果输入数据分组模块；

发射信息数据分组模块，设定将每帧信息数据分为G组后(G为正整数)，计算系统在不同的信息数据分组及不同能量分配情况下、各次信道估计后能够达到的输入与输出之间互信息的平均下界、选择使得这一下界取得最大值所对应的数据分组及能量分配方案，并根据选定的数据分组能量分配方案对所述插入导频模块处理后的信息数据进行分组及分配导频符号及各组信息数据的能量，将处理结果输入传输速率限定模块；

传输速率限定模块，根据数据分组模块计算得到的各次信道估计后系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界确定各组信息数据传输速率的上限，并将处理结果输入调制模块；

调制模块，根据传输速率限定模块所确定的各组信息数据的传输速率，确定各组信息数据的信道编码方式及调制方式，并将调制后的信息符号发射至无线信道；

接收信息符号分组模块，将由无线信道接收到的信息符号按照发射端确定的分组方式分组，并将处理结果送入迭代处理模块；

迭代处理模块，判断目前需要对哪一组接收到的符号进行处理，并将相应的导频符号及无误判决信息符号送入信道估计模块，将需要进行检测的信息符号送入信号检测模块，如果已经完成了最后一组信息符号的检测，则判断系统处理流程结束；

信道估计模块，根据从所述迭代处理模块收到的已知导频符号以及无误判决的信息符号估计信道参数，并将估计结果送入信号检测模块；

信号检测模块，根据自身确定的从所述迭代处理模块收到的信息符号采用的信道编码方式及调制方式、利用从所述信道估计模块收到的信道参数估计值对从所述迭代处理模块收到的信息符号进行检测。

如果系统中需要设置反馈装置，则需要对以上系统进行以上调整：

在发射端的插入导频模块与发射信息数据分组模块之间插入互信息反馈接收模块，用来接收反馈自接收端的对于系统此时能够达到的输入与输出之间互信息下界的计算结果，并根据这一结果指导所述信息数据分组模块及传输速率限定模块的处理；

在接收端的信道估计模块与信号检测模块之间插入互信息反馈模块，用于根据每一次信道参数的估计值计算系统此时能够达到的输入与输出之间互信息下界，并将计算结果反馈至发射端的互信息接收反馈模块。

总之，与背景技术中所述的系统相比，本发明的主要优点在于估计信道参数时利用了经检测判决后的信息数据资源，以迭代信道估计的方法更近一步地计算了信道参数的估计值，减小了信道估计的误差，从而使得系统的容量性能进一步提高。

从图4所示的数值结果中，可以看到本发明的积极效果，即：本发明的系统容量性能优于传统导频辅助估计信道技术的系统容量性能。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明：

图1是采用本发明的通信系统结构示意图；

图2是每一帧中导频符号和各组信息符号的分配示意图；

图3是信道估计的流程示意图；

图4是本发明最佳实施例系统容量与现有导频辅助调制OFDM系统容量的数值结果比较。

具体实施方式

下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。

图1是采用本发明的通信系统结构示意图，下面参照图1说明本发明的通信系统。图中的虚线框内部分为本发明需要添加在现有导频辅助调制OFDM系统中的模块，也是本发明与现有系统的主要不同之处。

本发明优选实施例中OFDM系统的发射机包括上述的分帧模块、插入导频模块、发射信息数据分组模块、传输速率限定模块和调制模块，接收机包括上述的接收信息符号分组模块、迭代处理模块、信道估计模块和信号检测模块。

该OFDM系统的具体工作流程如下：

1.发射机

(1)插入导频符号

不考虑循环前缀，每个OFDM符号的信息部分由M个信息子载波构成，在其中等间隔插入K个能量相同的导频子载波，则每个OFDM符号中共有N＝M+K个子载波。

(2)对信息符号做分组

本发明将每个OFDM符号中的M个信息子载波分为G组，分别含有m₁、m₂、…、m_G个子载波，而每一组的各个信息子载波是呈梳状分布的，如附图2所示。

(3)导频符号和各组信息符号的能量以及符号数目分配

各组信息子载波的能量分别为P_m1、P_m2、…、P_mG，设一个OFDM符号的总能量为P，其中导频能量为P_b，则有 $P_b+P_{m_1}+P_{m_2}+\·\·\·+P_{m_G}=P.$ 每一次信道估计中的等效导频能量在这一次信道估计时涉及到的所有子载波(即，包括等效导频子载波和信息子载波)总能量中所占的比例分别为η₁、η₂、…、η_G，依次计算如下：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{P_b}{P_b+P_{m_1}}=1-\frac{1}{1+\sqrt{1-\frac{m_1-L}{m_1\·[1+\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_h^2\·(P_b+P_{m_1})}]}}};---(10-1)$

${\mathrm{\η}}_2=\frac{P_b+P_{m_1}}{P_b+P_{m_1}+P_{m_2}}=1-\frac{1}{1+\sqrt{1-\frac{m_2-L}{m_2\·[1+\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_h^2\·(P_b+P_{m_1}+P_{m_2})}]}}};---(10-2)$

......

${\mathrm{\η}}_G=\frac{P_b+P_{m_1}+P_{m_2}+\·\·\·+P_{m_{G-1}}}{P_b+P_{m_1}+P_{m_2}+\·\·\·+P_{m_{G-1}}+P_{m_G}}=1-\frac{1}{1+\sqrt{1-\frac{m_G-L}{m_G\·[1+\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_h^2\·P}]}}}.---(10-G)$

各组信息子载波的最优数目分配对应于系统平均容量下界的最大值，即

$\{m_1^{\left(\mathrm{opt}\right)},m_2^{\left(\mathrm{opt}\right)},\·\·\·,m_G^{\left(\mathrm{opt}\right)}\}=\arg \underset{m_1+m_2+\·\·\·+m_G=M}{\underset{m_1,m_2,\·\·\·,m_G\∈[1,M]}{\max }}{\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{new}}(m_1,m_2,\·\·\·,m_G),---\left(11\right)$

上式中，C _new表示本发明优选实施例能够实现的平均系统容量下界，具体计算将在后文中给出；而m_j ^(opt)(j＝1，2，…，G)则表示各组信息子载波的最优数目分配，可以根据公式(11)在闭区间[1，M]内搜索得到。

(4)确定各组信息符号的传输速率，作为选择信号调制方式的依据

为了保证信道编码足够长时可以实现对于各组信息的无误判决，各组信息子载波的传输速率分别被限定为判决与之对应的接收信号时系统能够达到的输入与输出之间互信息的 下界，即…、

依次计算如下：

$\underset{\‾}{I}(X;Y|{\hat{h}}_0)=E_h\left\{{\log }_2(1+{\mathrm{\ρ}}_0{{\hat{h}}_0^H\hat{h}}_0)\right\},---(12-1)$

$\underset{\‾}{I}(X;Y|{\hat{h}}_1)=E_h\left\{{\log }_2(1+{\mathrm{\ρ}}_1{{\hat{h}}_1^H\hat{h}}_1)\right\},---(12-2)$

......

$\underset{\‾}{I}(X;Y|{\hat{h}}_{G-1})=E_h\left\{{\log }_2(1+{\mathrm{\ρ}}_{G-1}{\hat{h}}_{G-1}^H{\hat{h}}_{G-1})\right\},---(12-G)$

其中，ρ₀、ρ₁、…、ρ_G-1分别表示各次信道估计用于相关检测时、考虑到估计误差后的等效输出信噪比，依次计算如下：

${\mathrm{\ρ}}_0=\frac{L{\mathrm{\σ}}_h^2-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_0}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_0}^2+m_1{\mathrm{\σ}}_w^2/P_{m_1}},---(13-1)$

${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{L{\mathrm{\σ}}_h^2-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_1}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_1}^2+m_2{\mathrm{\σ}}_w^2/P_{m_2}},---(13-2)$

......

${\mathrm{\ρ}}_{G-1}=\frac{L{\mathrm{\σ}}_h^2-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_{G-1}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_{G-1}}^2+m_G{\mathrm{\σ}}_w^2/P_{m_G}}.---(13-G)$

等式系列(12)和(13)中的…、…、

和σ_Δh0 ²、σ_Δh1 ²、…、σ_ΔhG-1 ²分别表示各次信道估计中的信道参数估计值及其对应估计误差的方差，具体计算如后文所示。

(5)相应系统的进一步调制

根据步骤(2)和(4)中分别确定的各组信息符号传输速率以及能量和符号数目分配，对各组信息符号进行相应的调制，构成一个OFDM符号，并添加循环前缀。

2.信道

宽带通信系统所采用的信道模型是一个频率选择性的块衰落信道，可以等效成一个FIR滤波器，各个抽头系数即为每径的信道响应，表示成L×1维的列向量如下：

h＝[h₀，h₁，…，h_L-1]^T，    (14)

其中的每一项h_l(l＝0，1，…，L-1)都服从零均值且方差为σ_h ²的复高斯分布。

频率选择性衰落信道参数在一个OFDM符号的时域周期内保持不变，而在各个OFDM符号之间的随机变化是服从独立同分布的。

另外，信号经过多径衰落后，还有零均值且方差为σ_w ²的复高斯噪声叠加在信号上。

3.接收机

首先，利用最小均方误差算法，由已知导频子载波完成初始信道估计，得到信道参数的初始估计值如下：

${\hat{h}}_0=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_w^2}{(R_h^{-1}+B_0^H{B}_0)}^{-1}{B}_0^{H}y,---\left(15\right)$

与之相应的最小均方误差，即信道估计误差的方差为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_0}^2=\frac{L{\mathrm{\σ}}_h^2{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_w^2+P_b{\mathrm{\σ}}_h^2},---\left(16\right)$

其中，和σ_Δh0 ²分别为信道参数的初始估计值及其对应估计误差的方差；y是N×1维的列向量，表示接收到的OFDM符号；R_h＝E{hh^H}是信道的相关矩阵，而E{·}和“H”分别表示求数学期望和矩阵的共轭转置；B₀是由已知导频子载波构成的N×L维的列向循环导频矩阵，第一列即为由K个等间隔分布的导频子载波构成的N×1维列向量；P_b＝|b|²是每个OFDM符号中导频子载波的总能量。

在得到信道参数初始估计值的条件下，系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界为如式(12-1)所示；第一组信息子载波的传输速率即被限定为

因此，将信道参数的初始估计值

用于第一组信息子载波的相关检测，当信道编码足够长时，可以保证第一组信息子载波的无误判决。

无误判决后的第一组信息子载波与已知的导频子载波一起完成第一次迭代信道估计，利用最小均方误差算法，得到信道参数的第一次迭代估计值如下：

${\hat{h}}_1=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_w^2}{(R_h^{-1}+B_1^H{B}_1)}^{-1}{B}_1^{H}y,---\left(17\right)$

与之相应的最小均方误差，即信道估计误差的方差为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_1}^2=\frac{L{\mathrm{\σ}}_h^2{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_w^2+(P_b+P_{m_1}){\mathrm{\σ}}_h^2},---\left(18\right)$

其中，

和σ_Δh1 ²分别表示信道参数的第一次迭代估计值及其对应估计误差的方差；y是N×1维的列向量，表示接收到的OFDM符号；R_h＝E{hh^H}是信道的相关矩阵，而E{·}和“H”分别表示求数学期望和矩阵的共轭转置；B₁是由已知导频子载波和第一组信息子载波构成的N×L维的列向循环导频矩阵，第一列即为由K个等间隔分布的导频子载波和m₁个等间隔分布的信息子载波构成的N×1维列向量；P_b＝|b|²是一个OFDM符号中导频子载波的总能量，而P_m1则是第一组信息子载波的总能量。

在得到信道参数第一次迭代估计值

的条件下，系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界为

如式(12-2)所示；第二组信息子载波的传输速率即被限定为

因此，将信道参数的第一次迭代估计值用于第二组信息子载波的相关检测，当信道编码足够长时，可以保证第二组信息子载波的无误判决。

无误判决后的第二组信息子载波将与已知的导频子载波和无误判决的第一组信息子载波共同完成第二次迭代信道估计，得到的信道参数第二次迭代估计值则用于第三组信息子载波的相关检测；第三组信息子载波的传输速率被限定为在得到信道参数第二次迭代估计值的条件下，系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界，因此，将信道参数的第二次迭代估计值用于第三组信息子载波的相关检测，当信道编码足够长时，可以保证第三组信息子载波的无误判决。

后面的信号处理以此类推。不失一般性，这里给出第g次(g＝1，2，…，G-1)迭代信道估计及其前后信号处理的具体描述。

无误判决后的第g组信息子载波与已知的导频子载波以及无误判决的前g-1组信息子载波一起完成第g次迭代信道估计，利用最小均方误差算法，得到信道参数的第g次迭代估计值如下：

${\hat{h}}_g=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_w^2}{(R_h^{-1}+B_g^H{B}_g)}^{-1}{B}_g^{H}y,---\left(19\right)$

与之相应的最小均方误差，即信道估计误差的方差为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_g}^2=\frac{L{\mathrm{\σ}}_h^2{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_w^2+(P_b+P_{m_1}+P_{m_2}+\·\·\·+P_{m_g}){\mathrm{\σ}}_h^2},---\left(20\right)$

其中，

和σ_Δhg ²分别表示信道参数的第g次迭代估计值及其对应估计误差的方差；y是N×1维的列向量，表示接收到的OFDM符号；R_h＝E{hh^H}是信道的相关矩阵，而E{·}和“H”分别表示求数学期望和矩阵的共轭转置；B_g是由已知导频子载波和g组信息子载波构成的N×L维的列向循环导频矩阵，第一列即为由K个等间隔分布的导频子载波以及m₁个等间隔分布的第一组信息子载波、m₂个等间隔分布的第二组信息子载波、……、m_g个等间隔分布的第g组信息子载波构成的N×1维列向量；P_b＝|b|²是一个OFDM符号中导频子载波的总能量，而P_m1(i＝1，2，…，g)则表示第i组信息子载波的总能量。

在得到信道参数第g次迭代估计值的条件下，系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界为

$I(X;Y|{\hat{h}}_g)=E_h\left\{{\log }_2(1+{\mathrm{\ρ}}_g{\hat{h}}_g^H{\hat{h}}_g)\right\},---\left(21\right)$

其中，ρ_g表示第g次迭代信道估计用于第g+1组信息的相关检测时、考虑到估计误差后的等效输出信噪比，计算如下：

${\mathrm{\ρ}}_g=\frac{L{\mathrm{\σ}}_h^2-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_g}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ}{h}_g}^2+m_{g+1}{\mathrm{\σ}}_w^2/P_{m_{g+1}}}.---\left(22\right)$

第g+1组信息子载波的传输速率被限定为因此，将信道参数的第g次迭代估计值

用于第g+1组信息子载波的相关检测，当信道编码足够长时，可以保证第g+1组信息子载波的无误判决。

直到第G组(即最后一组)信息子载波被检测，全部迭代过程结束。这样，本发明优选实施例能够实现的平均系统容量下界为

${\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{new}}=\underset{j=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}\frac{m_j^{\left(\mathrm{opt}\right)}}{M+K+(L-1)}\underset{\‾}{I}(X;Y|{\hat{h}}_{j-1}),---\left(23\right)$

式中，m_j ^(opt)(j＝1，2，…，G)表示各组信息子载波的最优数目分配，可以依如下原则搜索得到：

$\{m_1^{\left(\mathrm{opt}\right)},m_2^{\left(\mathrm{opt}\right)},\·\·\·,m_G^{\left(\mathrm{opt}\right)}\}=\arg \underset{m_1+m_2+\·\·\·+m_G=M}{\underset{m_1,m_2,\·\·\·,m_G\∈[1,M]}{\max }}{\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{new}}(m_1,m_2,\·\·\·,m_G),---\left(24\right)$

也就是说，各组信息子载波的最优数目分配对应于系统平均容量下界的最大值。

对本发明的系统容量性能进行统计得到的数值解如附图4所示。下面介绍一下所分析的系统条件和得到的数值结果。

(1)系统条件

为验证本发明的性能，对频率选择性块衰落信道模型中采用本发明优选实施例的导频辅助调制OFDM系统的平均容量下界数值解进行了统计。频率选择性衰落信道的多径数为L＝8，每一径上的增益服从零均值且方差为1的复高斯分布CN(0，1)；衰落信道参数在一个OFDM符号上保持不变，而在各个OFDM符号上的变化是服从独立同分布的。每个OFDM符号由N＝1024个子载波组成，其中K＝8个已知的导频子载波，M＝N-K＝1016个信息子载波。信息子载波被分为两组，即G＝2，每组中的各个子载波都是等间距且能量相同的。两组信息子载波的数目分别为m₁ ^(opt)和m₂ ^(opt)，而 $m_1^{\left(\mathrm{opt}\right)}+m_2^{\left(\mathrm{opt}\right)}=1016$ 且满足以下等式：

$\{m_1^{\left(\mathrm{opt}\right)},m_2^{\left(\mathrm{opt}\right)}\}=\arg \underset{m_1+m_2=1016}{\underset{m_1,m_2\∈\left[\mathrm{1,1016}\right]}{\max }}{\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{new}}(m_1,m_2),---\left(25\right)$

即，最优的信息子载波数目分配对应于系统平均容量下界的最大值。

(2)数值结果

图4给出了采用本发明优选实施例的导频辅助调制OFDM系统容量性能的数值解统计以及与相同条件的现有导频辅助调制OFDM系统容量性能的比较：带三角的曲线表示与本发明系统构架相同的传统导频辅助调制OFDM系统的容量性能，带圆圈的曲线表示本发明中的具体实施例、即根据本发明的信道估计方法实现的导频辅助调制OFDM系统的容量性能，而不带标记的曲线则表示理想信道估计条件下、即信道估计完全准确且没有导频开销时的系统容量性能。由此可见，本发明优选实施例中的系统容量性能高于现有导频辅助调制OFDM系统的容量性能，而且，已经接近于理想信道估计(即完全准确、无误差的信道估计，这只是一种理想情况)系统的容量性能。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。例如，选择不同于最小均方误差算法的信道估计算法；再如，设计不同的能量分配方案，即选择不同的已知导频子载波以及各组信息子载波的能量在一个OFDM符号总能量中所占的比例；又如，不同的分组方案，即在发射端将每个OFDM符号中的信息子载波分组时，对每组信息符号数目和位置的选择不同；还如，将本发明用于除OFDM以外的其它系统中。因此，本发明不局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (9)

1.一种导频辅助估计信道系统的信道估计方法，其特征在于，发射端对各组信息数据传输速率的上限进行设定，其中：当系统中没有反馈设置时，根据衰落信道的统计特性计算接收端对各组信息进行相关检测时系统能够达到的输入与输出之间平均互信息的下界，限定该下界为各组信息数据传输速率的上限；当系统中有反馈设置时，各组信息数据传输速率的上限设定为接收端对其进行检测时系统能够达到的输入与输出之间瞬时互信息的下界；并且，上述两种情况下信息数据的传输速率都是逐组升高的；

在接收端：首先利用已知的导频符号进行信道估计，得到信道参数的初始估计值，利用该初始估计值对接收到的第一组信息符号进行相关检测，然后将判决后的第一组信息符号作为等效导频符号、与已知导频符号一起再次估计信道状态信息，利用新的信道参数估计值对接收到的下一组信息符号进行相关检测，如此迭代进行信道估计。

2.一种用于导频辅助估计信道系统的发射方法，包括如下步骤：

(1)将待传输的信息数据分帧；

(2)在每一帧信息数据中等间隔地插入导频符号；

(3)将每一帧中的信息数据分组，每组数据再均分成若干块，使得各数据块等间隔分布，从而形成每一帧中的各组数据相互交织的格局，调整导频符号和各组信息数据的能量以及个数分配，尽可能地使得系统的平均容量下界达到最大值；

(4)确定各组信息数据的传输速率，并使信息数据的传输速率逐组提高：当系统中设置反馈时，将各组信息数据传输速率的上限设定为接收端对该组信息进行检测时系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界；当系统中没有设置反馈时，将各组信息数据传输速率的上限设定为根据衰落信道的统计特性计算出的接收端对该组信息进行检测时系统能够达到的输入与输出之间平均互信息的下界；

(5)根据所述步骤(3)和(4)确定的各组信息数据的个数和能量分配，以及对应的传输速率，对各组信息数据进行信道编码以及相应于系统传输格式的调制，然后发射至信道。

3.如权利要求2所述的发射方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，允许的传输速率高时，采用冗余度低的信道编码方式或者高阶调制方式；允许的传输速率低时，采用冗余度高的信道编码方式或者低阶调制方式。

4.一种用于导频辅助估计信道系统的接收方法，在接收端首先利用已知的导频符号进行信道估计，得到信道参数的初始估计值，利用该初始估计值对接收到的第一组信息符号进行相关检测，然后将判决后的第一组信息作为新的等效导频与已知导频一起再次估计信道，接着利用新的信道参数估计值对接收到的下一组信息符号进行相关检测，以此类推，进行迭代信道估计，并顺序对接收到的各组信息符号进行相关检测。

5.如权利要求4所述的接收方法，其特征在于，所述的信道估计采用最小均方误差算法。

6.一种导频辅助估计信道系统的发射机，包括分帧模块、插入导频模块、发射信息数据分组模块、传输速率限定模块、调制模块，

分帧模块：将待传输的信息数据分成帧后分别输入插入导频模块；

插入导频模块：将导频符号等间隔地插入到各帧数据之中，然后将处理后的结果输入发射信息数据分组模块；

发射信息数据分组模块：首先计算系统在不同的信息数据分组及不同能量分配情况下、各次信道估计后能够达到的输入与输出之间互信息的平均下界，选择使得这一下界取得最大值所对应的数据分组及能量分配方案，根据该分配方案对信息数据进行分组，以及分配导频符号及各组信息数据的能量，将处理结果输入传输速率限定模块；

传输速率限定模块：根据数据分组模块计算得到的各次信道估计后系统能够达到的输入与输出之间互信息的下界设定各组信息数据传输速率的上限，并将处理结果输入调制模块；

调制模块：根据各组信息数据的传输速率，确定各组信息数据的信道编码方式及调制方式，并将调制后的信息符号发射至无线信道。

7.一种导频辅助估计信道系统的接收机，包括接收信息符号分组模块、迭代处理模块、信道估计模块、信号检测模块：

接收信息符号分组模块：将由无线信道接收到的信息符号按照发射端确定的分组方式分组，并将之送入迭代处理模块；

迭代处理模块：判断目前需要对哪一组接收到的符号进行处理，并将相应的导频符号及无误判决信息符号送入信道估计模块，将需要进行检测的信息符号送入信号检测模块，如果已经完成了最后一组信息符号的检测，则判断系统处理流程结束；

信道估计模块：根据从所述迭代处理模块收到的已知导频符号以及无误判决的信息符号估计信道参数，并将估计结果送入信号检测模块；

信号检测模块：根据自身确定的从所述迭代处理模块收到的信息符号采用的信道编码方式及调制方式、利用从所述信道估计模块收到的信道参数估计值对从所述迭代处理模块收到的信息符号进行检测。

8.一种导频辅助估计信道的通信系统，包括权利要求6所述的发射机和权利要求7所述的接收机。

9.如权利要求8所述的通信系统，其特征在于，在发射机的插入导频模块与发射信息数据分组模块之间插入互信息反馈接收模块，用来接收反馈自接收机的对于系统此时能够达到的输入与输出之间互信息下界的计算结果，并根据这一结果指导所述信息数据分组模块及传输速率限定模块的处理；在接收机的信道估计模块与信号检测模块之间插入互信息反馈模块，用于根据每一次信道参数的估计值计算系统此时能够达到的输入与输出之间互信息下界，并将计算结果反馈至发射端的互信息接收反馈模块。

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