CN101237433A - 一种应用于无线传感网的信道估计装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线传感网的信道估计装置，至少包括导频子载波提取装置、LS信道估计装置、内插装置、频域滤波装置，LS信道估计装置与导频子载波提取装置相连，内插装置与LS信道估计装置相连，频域滤波装置与内插装置相连。本发明基于LS原则对导频子载波上的信道响应进行估计，然后基于一阶线性插值算法对非导频子载波上的信道响应进行插值，得到所有子载波上的信道响应，最后对插值的结果进行频域滤波，通过滤波来抑制多径时延扩展以外时间内的噪声。在无线传感网节点中采用本发明的信道估计装置，能有效地改善无线接收机的灵敏度，提高网络的能量效率。

Description

一种应用于无线传感网的信道估计装置

技术领域

本发明涉及一种基于OFDM体制的无线传感网络的传输节点，尤其涉及其无线接收机中的信道估计装置。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器节点开始出现，并且引起了人们的极大关注。这种无线传感器节点构成无线传感网能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息，并发布给需要这些信息的用户。无线传感网将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式；可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。

目前，传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据(如温度、湿度、光强等)采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。这样就要求每个节点能够在有限的频谱资源上传输丰富多彩的内容。OFDM传输体制凭借其简单易与实现，频谱效率高的特性，被引入到无线传感网中，提供高速多媒体服务。

在大多数的OFDM接收机中，信道估计都是基于频域估计和内插方式实现的。大多数的OFDM接收机中的信道估计器如图1所示，包括多载波解调装置，导频子载波提取装置，信道估计装置。所述的多载波解调装置则利用各个子载波之间的正交性，对时域的采样信号尽心FFT变换，解调出每个子载波上所传输的符号。所述的导频子载波提取装置根据预先设定的导频子载波插入位置，从多载波解调装置解调出的各个子载波数据中提取出导频子载波信号。导频子载波提取装置输出一个与解调结果对应的导频子载波指示信号，高电平表示当前子载波是导频子载波。所述的信道估计装置包括信道估计器和内插器两个模块。信道估计器与导频提取装置相连，且自身包括一个ROM，用于存放导频符号。根据导频子载波提取装置输出的导频子载波指示信号来提取出的导频子载波上的解调信号，同时从ROM中读取导频符号，采用最小二乘(LS)算法或者最小均方误差(MMSE)算法进行信道估计，估计出各个导频子载波上的信道响应。内插器则根据导频子载波上估计出的信道响应来对数据子载波上的信道响应进行内插，估计出各个数据子载波上的信道响应。

在现有的信道估计器中，MMSE算法的信道估计器具有最优的性能，但实现复杂度高，不适合无线传感网的应用。LS算法实现简单，能应用于无线传感网节点中，但与MMSE算法在估计误差性能上有15dB的差距，性能较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于无线传感网的信道估计装置，通过对基于LS算法的信道估计器进行改进，引入频域滤波器，在增加系统少量的复杂度的情况下，改善系统的性能。

本发明要解决的技术问题是：现有MMSE算法的信道估计器由于实现复杂度高，不适合无线传感网的应用；而LS算法的信道估计器虽实现简单，能应用于无线传感网节点中，但存在估计误差，性能较差。

本发明的技术方案是：本发明至少包括导频子载波提取装置、LS信道估计装置、内插装置、频域滤波装置。LS信道估计装置与导频子载波提取装置相连，内插装置与LS信道估计装置相连，频域滤波装置与内插装置相连。

所述的导频子载波提取装置由一个计数器和一个ROM组成，计数器用于计算当前输入的符号对应的子载波序号；ROM用于存放导频子载波图谱，以子载波序号作为ROM的地址，每个地址中存放一比特的符号，用于标记当前子载波是否导频子载波，若是则置1，若否则置0。

所述的LS信道估计装置遵照导频子载波提取装置给出的指示信号，将导频子载波上解调出的信号与发射的导频符号相除，从而对信道响应进行估计。

所述的内插装置则根据当前子载波临近的两个导频子载波上的估计结果和当前子载波与两个导频子载波之间的距离来对数据子载波上的信道响应进行插值估计。在设置导频子载波的位置时，保证在一个相干带宽的范围内有多个导频子载波，这样两个导频子载波之间的数据子载波上的信道响应与导频子载波上的信道响应有很强的相关性，于是可以采用一阶线形插值的方式来对数据子载波上的信道响应进行估计。插值表达式可以表示为：

h＝h₁*d/D+h₂*(D-d)/D，其中h₁，h₂分别是数据子载波左边和右边的导频子载波上的信道响应，d为数据子载波与左边的导频子载波之间的子载波间隔，D为两个导频子载波之间的子载波间隔。

所述的频域滤波装置对经过内插后得到的信道响应进行滤波。因为从时域来看估计出的信道响应，包括信号部分和噪声部分，显然信号部分就是信道的多径能量，只分布在信道多径时延以内的时间段，而噪声部分在整个符号周期内则均匀分布。基于这个结论，我们可以在时域对信道响应的估计结果进行加窗，只保留在多径时延扩展以内部分的估计结果，而对于多径实验扩展以外部分的估计结果则直接清零，通过这种操作，可以去除大部分的噪声，减小估计结果的误差。以1/4符号周期的窗为例，估计结果的误差可以减小6dB。为了降低计算的复杂度，省去对信道响应估计结果的时频域转换，我们用频域的滤波来进行时域的加窗处理。与传统的时域滤波器不同，这里的频域滤波器是由时域的加窗转换而来的，滤波器的系数都是复数，相应的乘法器都是复数乘法器。

本发明的优点：本发明在LS信道估计的基础上引入频域滤波装置，以增加少量系统复杂度为代价，有效地改善了LS信道估计结果的性能，降低了信道估计误差。以1/4符号周期的窗为例，估计结果的误差可以减小6dB。从仿真和测试结果来看，通过引入频域滤波装置后，系统的误码率性能能够改善2dB。在无线传感网节点中采用本发明的信道估计装置，能有效地改善无线接收机的灵敏度，提高网络的能量效率。

附图说明

图1是现有的信道估计装置结构图。

图2是本发明信道估计装置结构图。

图3是本发明导频子载波提取装置子模块结构图。

图4是本发明内插装置子模块结构图。

图5是本发明频域滤波装置子模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示，本发明的至少包括导频子载波提取装置、LS信道估计装置、内插装置、频域滤波装置。LS信道估计装置与导频子载波提取装置相连，内插装置与LS信道估计装置相连，频域滤波装置与内插装置相连。

所述的导频子载波提取装置由一个计数器和一个ROM组成。计数器的工作状态由多载波解调器俩控制，当多载波解调器开始解调时，给出一个输入使能信号，计数器开始计数。ROM的大小与系统的子载波数目相同，每个存储单元都是1比特的位宽，用于存放导频子载波指示信号，1对应导频子载波，0对应非导频子载波。ROM的地址输入端口与计数器的计数输出相连，用计数器计数的子载波序号作为ROM的地址。对应于计数器输入的每个地址，ROM输出一个导频子载波指示信号。

所述的LS信道估计装置由一个导频符号存储器和一个复数除法器组成。导频符号存储器由导频子载波提取装置给出的导频子载波指示信号控制，当导频子载波指示信号为高电平时则按次序输出存储的导频符号。复数除法器与导频符号存储器和导频子载波提取装置相连，由导频子载波提取装置给出的导频子载波指示信号来控制其工作状态，当信号为高电平时，复数除法器将输入的导频子载波解调出的符号与导频符号进行相除，得到当前子载波上信道响应的估计结果。

所述的内插装置与LS信道估计装置相连。内插装置由左导频子载波信道响应寄存器，右导频子载波信道响应寄存器，子载波序号计数器，第一系数计算器，第二系数计算器，两个乘法器和一个加法器组成。内插装置根据LS信道估计装置估计出的根据一阶线形插值方式对数据子载波上的信道响应进行插值。插值表达式可以表示为：

h＝h₁*d/D+h₂*(D-d)/D，其中h₁，h₂分别是数据子载波左边和右边的导频子载波上的信道响应，d为数据子载波与左边的导频子载波之间的子载波间隔，D为两个导频子载波之间的子载波间隔。其中的右导频子载波信道响应寄存器用于存放当前数据子载波右边的导频子载波上的信道响应，它与LS信道估计装置的输出相连；左导频子载波信道响应寄存器用于存放当前数据子载波左边的导频子载波上的信道响应，它与右边导频子载波信道响应寄存器相连，在当前计算的数据子载波跨过导频子载波时，原先在数据子载波右边的导频子载波会变成数据子载波左边的导频子载波，而信道右导频子载波信道响应需要从LS信道估计装置中更新；子载波序号计数器用于计算当前计算的数据子载波的序号；第一系数计算器与子载波序号计数器相连，根据式(D-d)/D计算右导频子载波信道响应对应需要乘上的系数；第二系数计算器与子载波序号计数器相连，根据式d/D计算左导频信道响应对应需要乘上的系数；第一乘法器与右导频子载波信道响应寄存器和第一系数计算器相连，用于计算右导频子载波信道响应与相应的系数的乘积；第二乘法器与左导频子载波信道响应寄存器和第二系数计算器相连，用于计算左导频子载波信道响应与相应的系数的乘积；加法器与第一乘法器和第二乘法器相连，用于计算两个乘法器结果的和。

所述的频域滤波器由一组移位寄存器，一组系数寄存器，若干个复数乘法器和一个加法器组成。移位寄存器和系数寄存器中存储单元的数目与滤波器的阶数相同，复数乘法器的个数也与滤波器的阶数相同。因此，滤波器的复杂度与滤波器的阶数成正比；另一方面，频域滤波对噪声的抑制性能也与滤波器的阶数成正比，于是需要在性能和复杂度之间取个折衷。我们采用式子N＝4T_s/τ_rms来确定滤波器的阶数，其中T_s是OFDM符号周期，τ_rms是信道的平均时延扩展。移位寄存器与内插装置相连，输入信道响应的插值结果，并根据时钟频率进行移位操作。系数寄存器用于存放滤波器的系数。每个复数乘法器都与相应的移位寄存器和系数寄存器中的存储单元相连，计算两个复数的乘积。加法器与所有的复数乘法器相连，对各个复数乘法器的结果进行求和，计算出滤波的结果。频域滤波装置的系数由时域加窗函数转换而来，每个系数都是复数。

综上所述，本发明基于LS算法对导频子载波上的信道响应进行估计，然后基于一阶线性插值算法对非导频子载波上的信道响应进行插值，得到所有子载波上的信道响应，最后在对插值的结果进行频域滤波，通过滤波来抑制多径时延扩展以外时间内的噪声。如以1/4符号周期的窗函数转换而来的频域滤波器为例，估计结果的误差可以减小6dB。从仿真和测试结果来看，通过引入频域滤波装置后，系统的误码率性能能够改善2dB。

Claims (5)

1、一种应用于无线传感网的信道估计装置，其特征在于它至少包括导频子载波提取装置、LS信道估计装置、内插装置、频域滤波装置，LS信道估计装置与导频子载波提取装置相连，内插装置与LS信道估计装置相连，频域滤波装置与内插装置相连；

导频子载波提取装置用于根据当前子载波的序号，判断当前子载波是否导频子载波，并给出指示信号；

LS信道估计装置根据接收到的导频符号，依据LS算法对导频子载波上的信道响应进行估计；

内插装置根据邻近的导频子载波估计结果，基于一阶线性内插算法对非导频子载波上的信道响应进行插值；

频域滤波装置由时域的加窗转换而来，通过抑制多径时延扩展以外的噪声来降低估计结果的误差。

2、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的信道估计装置，其特征在于所述的导频子载波提取装置由一个计数器和一个ROM组成，在ROM中存放导频插入图谱，由计数器计数的子载波序号作为ROM的读地址，读出的ROM中存放的值作为导频子载波指示信号输出。

3、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的信道估计装置，其特征在于所述的内插装置由左导频子载波信道响应寄存器，右导频子载波信道响应寄存器，子载波序号计数器，第一系数计算器，第二系数计算器，两个乘法器和一个加法器组成，由两个系数计算器根据当前子载波序号计算出两个导频子载波的信道响应对应的系数，并于两个导频子载波的信道响应相乘后相加，得到当前子载波信道响应的估计值。

4、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的信道估计装置，其特征在于所述的频域滤波装置由一组移位寄存器，一组系数寄存器，若干个复数乘法器和一个加法器组成，每个复数乘法器将对应的移位寄存器和系数寄存器中的存储单元中的复数值进行相乘，得到的结果送入加法器中进行累加，得到频域滤波结果。

5、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的信道估计装置，其特征在于所述的频域滤波装置的系数由时域加窗函数转换而来，每个系数都是复数。

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