CN101325568B - 基于正交频分复用系统的信道估计方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种基于正交频分复用系统的信道估计方法及其装置，使得提高信道估计准确度，改善信道估计性能。本发明中，从待测导频子载波传输的OFDM导频符号中选择多个，各导频符号各自对应有根据该导频符号初步估计得到的该待测导频子载波的信道系数，对这些初步估计得到的信道系数进行滤波，得到该待测导频子载波的精确信道系数，根据该精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波上的信道系数。所选择的导频符号是之前接收到的N个导频符号中，与当前收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号，通过控制所选择的导频符号的相关程度，确保时域上的相关性。

Description

基于正交频分复用系统的信道估计方法及其装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及基于正交频分复用系统的信道估计技术。 

背景技术

近些年来，以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称“OFDM”)为代表的多载波传输技术受到了人们的广泛关注。多载波传输把数据流分解为若干个独立的子数据流，每个子数据流将具有低得多的比特速率。用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。 

OFDM作为一种复用技术，将多路信号复用在不同正交子载波上。通过传统的频分复用(Frequency Division Multiplexing，简称“FDM”)技术将带宽分成几个子信道，它们同时发送数据。OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带。这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。 

OFDM将经过编码的待传输数据作为频域信息，将其调制为时域信号，并在信道上传输，而在接收端则进行逆过程解调。OFDM系统的调制和解调可以分别由逆离散傅立叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform，简称“IDFT”)和离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，简称“DFT”)来代替。通过N点IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过 载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N点DFT运算，即可获得发送的数据符号。在实际应用中，IDFT/DFT采用逆快速傅立叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，简称“IFFT”)和快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，简称“FFT”)来实现。FFT技术的采用使得OFDM系统的复杂度大大降低，再加上高性能信息处理器件的发展和应用，使得OFDM系统的实现更加容易，成为应用最广的一种多载波传输方案。 

由于在OFDM系统中，接收端的相干检测需要用到信道的信息，因此信道估计是影响接收端接收信号性能的重要环节。信道估计的方法有许多，对于OFDM系统，由于导频子载波可以在OFDM符号内灵活地分布，因此通常采用导频符号来辅助信道估计，使得信道估计更加灵活。导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号，在接收端利用这些导频符号先估计出导频位置上的信道系数，然后，在时域和频域两个维度上进行处理，得到非导频位置上的信道系数。现有获取非导频位置上信道系数的方案主要有插值法、变换域估计法和滤波法三种。 

插值法和变换域估计方法都是基于导频子载波上的信道估计结果准确的前提下进行的。其中，插值法中最常用的是线性插值。它在确定导频子载波的信道估计结果的情况下，利用邻近子载波上信道的相关性，采用线性的方法估计相邻导频间非导频子载波上的信道响应。它包括一阶线性插值、二阶线性插值等。插值阶数越高信道估计的结果也越准确，但复杂度也越高。线性插值方案实现简单，但由于是采用线性方法估计相邻两导频之间非导频子载波上的信道响应，因此估计得到的结果与实际信道响应的拟合程度不高。 

基于变换域的信道估计克服了线性插值的缺点，同时可以在变换域上进行消除噪声的处理，能实现更准确的信道估计。但它只适用于等间隔的导频结构，且在边界导频附近的估计结果会发生畸变，需要进行修正。运算量仍 较大。 

滤波法采用Wiener(维纳)滤波的原理，在时域和频域上分别利用信道的时域相关性(由多普勒功率谱的反傅立叶变换得到)和频域相关性(由延时功率谱的傅立叶变换得到)，得到非导频位置上的信道系数。Wiener滤波器遵循最小均方误差准则，它的抽头系数由正交性准则得到。根据系统所处的环境掌握了信道的相关特性，就可以利用滤波法得到对信道系数的估计。这种估计方法可以使估计结果的均方误差最小化。 

滤波法的信道估计技术(请参考佟学俭、罗涛，OFDM移动通信技术原理与应用，人民邮电出版社，2003年6月，pp.123～131)以一定大小的时频块为单位，通过对其中导频子载波的信道系数进行滤波的方法得到非导频子载波上的信道系数。滤波器的系数利用导频位置与非导频位置的信道相关系数得到。本发明的发明人发现，这种信道估计方法存在如下缺陷： 

一个OFDM符号包含的子载波个数通常较多，计算这些子载波上信道系数的相关矩阵并进行矩阵求逆运算，所需的运算量较大。 

并且，该方法利用一个信道估计时频块中导频位置的信道估计结果得到非导频位置上的信道系数，这就会出现对当前符号的信道系数估计需要依赖之后的导频符号的情况，会带来信道估计的延迟，而且，这也不符合实际滤波器的构造原理。 

发明内容

本发明实施方式要解决的主要技术问题是提供一种基于正交频分复用系统的信道估计方法及其装置，使得提高信道估计准确度，改善信道估计性能。 

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于正交频分复用系统的信道估计方法，包含以下步骤： 

选择至少两个从待测导频子载波中接收的正交频分复用OFDM导频符号，所选各导频符号各自对应有根据该导频符号初步估计得到的该待测导频子载波的信道系数，对这些初步估计得到的信道系数进行滤波，得到该待测导频子载波的精确信道系数，根据该精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波的信道系数； 

其中，通过以下方式选择导频符号： 

在待测导频子载波中最后接收到的预定数目N个导频符号中，选择与当前最新收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号。 

本发明的实施方式还提供了一种基于正交频分复用系统的信道估计装置，包含： 

选择单元，用于选择至少两个从待测导频子载波中接收的OFDM导频符号，所选各导频符号各自对应有根据该导频符号初步估计得到的该待测导频子载波的信道系数； 

滤波单元，用于对所选各导频符号各自对应的初步估计得到的各信道系数进行滤波，得到待测导频子载波的精确信道系数； 

频域估计单元，用于根据滤波单元得到的精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波上的信道系数； 

其中，选择单元通过以下方式选择导频符号： 

在待测导频子载波中最后接收到的预定数目N个导频符号中，选择与当前最新收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号。 

本发明实施方式与现有技术相比，复杂性更低，且估计结果更精确。在现有技术中，以一定大小的时频块为单位，直接对其中导频子载波的信道系数进行滤波，得到非导频子载波上的信道系数。由于一个OFDM符号包含的 子载波个数通常较多，在滤波时需要计算这些子载波上信道系数的相关矩阵并进行矩阵求逆运算，所需的运算量较大，复杂度过高。而在本发明的实施方式中只需对相同子载波不同时域上的信道系数进行滤波，复杂度大大降低。且利用信道时域上的相关性对导频子载波上的信道系数进行滤波修正，使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度大大提升。 

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的基于OFDM系统的信道估计方法流程图； 

图2是根据本发明第一实施方式的基于OFDM系统的信道估计方法中的误码率曲线图； 

图3是根据本发明第二实施方式的基于OFDM系统的信道估计装置结构图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。 

在本发明各实施方式中，首先从待测导频子载波传输的OFDM导频符号中选择多个不同时域的导频符号(包括当前接收到的导频符号)，各导频符号各自对应有根据该导频符号初步估计得到的该待测导频子载波的信道系数，对这些初步估计得到的信道系数进行滤波，得到该待测导频子载波的精确信道系数，根据该精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波上的信道系数。由于只需对相同子载波不同时域上的信道系数进行滤波，复杂度大大降低。且利用信道时域上的相关性对导频子载波上的信道系数进行滤波修正，能够使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度大大提升。 

本发明第一实施方式涉及一种基于OFDM系统的信道估计方法，如图1所 示。 

在步骤110中，接收端从接收到的信号中提取导频符号，根据接收到的该导频符号与预定导频符号的差异，初步估计该导频子载波的信道系数H_p，并保存该初步估计的信道系数。其中，预定导频符号是发送端与接收端预先确定好的。传输该导频符号的子载波即为需要检测的待测导频子载波。 

接着进入步骤120，对该初步估计的信道系数和该待测导频子载波之前传输的N-1个OFDM导频符号对应的各初步估计的该待测导频子载波的信道系数进行傅立叶变换。由于每次接收到导频符号时，就已根据该导频符号对该导频子载波进行初步估计并保存估计得到的信道系数，从而在本步骤中，直接可获取之前N-1个导频符号的初步估计的信道系数，而无需多余的估计时间或等待之后接收的导频符号，从而不存在信道估计的延迟。 

接着进入步骤130，对傅立叶变换得到的各样点进行Alpha(阿尔法)滤波，得到各样点的信号平均功率。 

接着进入步骤140，统计各信号平均功率中噪声的平均功率，得到对噪声功率较准确的估计值。 

接着进入步骤150，根据得到的噪声平均功率确定噪声门限，结合该噪声门限对各样点的信号平均功率进行分析，得到对最大多普勒(Doppler)频率的估计值。 

接着进入步骤160，从该待测导频子载波中最后接收到的N个导频符号中(包括刚收到的1个和之前收到的N-1个)，选择与刚收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限α的导频符号，根据相关系数大于等于α的导频符号的数目，确定Wiener滤波器的阶数M。通过控制所选择的导频符号的相关程度，确保时域上的相关性，使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度得到保障。 

接着进入步骤170，根据噪声功率估计值和多普勒频率估计值，计算M×M 的信道相关矩阵Ф和长度为M的互相关向量θ，得到Wiener滤波器的抽头系数ω，ω＝θ·Ф^-1。 

接着进入步骤180，根据该抽头系数ω对所选的M个导频符号各自对应的初步估计得到的该导频子载波上的信道系数进行Wiener滤波，得到当前该导频子载波的精确信道系数估计结果。与现有技术相比，该计算的复杂性更低。由于在现有的滤波法中，是以一定大小的时频块为单位，直接对其中导频子载波的信道系数进行滤波，得到非导频子载波上的信道系数。一个OFDM符号包含的子载波个数通常较多，在滤波时需要计算这些子载波上信道系数的相关矩阵并进行矩阵求逆运算，所需的运算量较大，复杂度过高。而本实施方式中能够根据多普勒频率的大小，自适应地选择滤波器的阶数，在保证性能的前提下，大大降低运算复杂度。且利用信道时域上的相关性对导频子载波上的信道系数进行滤波修正，使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度大大提升。 

接着进入步骤190，根据该精确信道系数进行频域估计，得到非导频子载波上的信道系数。这里频域估计的方法可以是任何现有的频域估计技术。由于现有的通过频域估计得到非导频子载波上的信道系数的方法，如插值法或变换域估计方法，其准确度均与导频子载波上的信道估计结果的准确度相关，本实施方式在获得精确的信道系数估计值的情况下，再进行频域估计，使得所获得的非导频子载波上的信道系数的准确性更高。 

下面结合图2来比较线性插值和变换域估计两种信道估计方法的误码率(BitError Rate，简称“BER”)性能，以及本实施方式中先进行时域上的Wiener滤波再结合线性插值或变换域估计的信道估计方法的误码率性能。设有128个导频在1024个子载波上以等间隔4分布，信源的比特流采用1/2咬尾卷积码及四相移相键控(Quaternary Phase Shift Keying，简称“QPSK”)调制，信道模型为12径的典型城区(Typical Urban，简称“TU”)信道，最大多普勒频率为100Hz。由图2可见，先进行时域Wiener滤波再进行频域线性插值的方法相对于现有的 线性插值方法，约有1dB的误比特率性能提升，性能与变换域估计方法相当。而先采用时域Wiener滤波后采用变换域估计的方法能进一步提高误比特率性能，与理想信道估计只相差0.5dB左右。可见本实施方式能够较大程度地提升信道估计的质量。且该方法与现有的滤波法相比，复杂性更低。在现有的滤波法中，以一定大小的时频块为单位，直接对其中导频子载波的信道系数进行滤波，得到非导频子载波上的信道系数。由于一个OFDM符号包含的子载波个数通常较多，在滤波时需要计算这些子载波上信道系数的相关矩阵并进行矩阵求逆运算，所需的运算量较大，复杂度过高。而本实施方式中只需对相同子载波不同时域上的信道系数进行滤波，复杂度大大降低。 

本发明第二实施方式涉及一种基于OFDM系统的信道估计装置，如图3所示，包含：选择单元，用于选择至少两个从待测导频子载波中接收的OFDM导频符号；Wiener滤波单元，用于对所选各导频符号各自对应的初步估计得到的各信道系数进行Wiener滤波，得到该待测导频子载波的精确信道系数；频域估计单元，用于根据该精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波上的信道系数。由于无需对OFDM导频符号包含的所有子载波的信道系数进行滤波，只需对相同子载波不同时域上的信道系数进行滤波，复杂度大大降低，且利用信道时域上的相关性对导频子载波上的信道系数进行滤波修正，使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度大大提升。又由于现有的通过频域估计得到非导频子载波上的信道系数的方法，如插值法或变换域估计方法，其准确度均与导频子载波上的信道估计结果的准确度相关，本实施方式在获得精确的信道系数估计值的情况下，再进行频域估计，使得所获得的非导频子载波上的信道系数的准确性更高。 

选择单元通过以下方式选择导频符号：从该待测导频子载波中最后接收到的预定数目N个导频符号中，选择与当前最新收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号。通过控制所选择的导频符号的相关程度，确保时域上的相关性，使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度得到保障。 

该装置还包含：信道系数初步估计单元，用于在从待测导频子载波中接收到导频符号时，根据接收到的该导频符号与预定导频符号的差异，初步估计得到该导频子载波的信道系数。可以将每次估计得到的信道系数保存，从而滤波单元可无需等待，直接可获取所选导频符号的初步估计的信道系数，并进行滤波，无需多余的信道估计时间或等待之后接收的导频符号，从而不存在信道估计的延迟。 

其中，Wiener滤波单元还包含：滤波器阶数确定模块，用于根据N个导频符号中与当前最新收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号的数目，确定滤波器的阶数M；计算模块，用于根据信道的噪声功率估计值和多普勒频率估计值，计算M×M的信道相关矩阵Ф和长度为M的互相关向量θ，得到该滤波器的抽头系数ω，ω＝θ·Ф^-1；滤波模块，根据该抽头系数对所选各导频符号各自对应的各初步估计的信道系数进行Wiener滤波。 

该装置还包含计算噪声功率估计值的单元，和计算多普勒频率估计值的单元，本实施方式中将这两个单元合并在一个多普勒估计单元中，该多普勒估计单元进一步包含以下模块：对N个导频符号各自对应的各初步估计的信道系数进行傅立叶变换的模块；对傅立叶变换得到的各样点进行阿尔法滤波，得到各样点的信号平均功率的模块；统计各信号平均功率中的噪声平均功率，获得噪声功率估计值的模块；根据各样点的信号平均功率和噪声平均功率，确定多普勒频率的估计值的单元。上述几个模块可以合并在一个单元中，如多普勒估计单元，或者各自独立存在。 

综上所述，在本发明的实施方式中，从待测导频子载波传输的OFDM导频符号中选择多个(包括当前接收到的导频符号)，各导频符号各自对应有根据该导频符号初步估计得到的该待测导频子载波的信道系数，对这些初步估计得到的信道系数进行滤波，得到该待测导频子载波的精确信道系数，根据该精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波上的信道系数。该 方法与现有技术相比，复杂性更低，且估计结果更精确。在现有技术中，以一定大小的时频块为单位，直接对其中导频子载波的信道系数进行滤波，得到非导频子载波上的信道系数。由于一个OFDM符号包含的子载波个数通常较多，在滤波时需要计算这些子载波上信道系数的相关矩阵并进行矩阵求逆运算，所需的运算量较大，复杂度过高。而在本发明的实施方式中只需对相同子载波不同时域上的信道系数进行滤波，复杂度大大降低。且利用信道时域上的相关性对导频子载波上的信道系数进行滤波修正，使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度大大提升。 

由于现有的通过频域估计得到非导频子载波上的信道系数的方法，如插值法或变换域估计方法，其准确度均与导频子载波上的信道估计结果的准确度相关，本发明各实施方式在获得精确的信道系数估计值的情况下，再进行频域估计，使得所获得的非导频子载波上的信道系数的准确性更高。 

所选择的导频符号是之前接收到的N个导频符号中，与当前收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号，通过控制所选择的导频符号的相关程度，确保时域上的相关性，使得估计得到的该导频子载波信道系数的精确度得到保障。 

在每次从该导频子载波收到导频符号时，根据接收到的该导频符号与预定导频符号的差异，初步估计该导频子载波的信道系数。从而在进行滤波时，直接可获取所选导频符号对应的初步估计得到的信道系数，无需多余的估计时间或等待之后接收的导频符号，从而不存在信道估计的延迟。 

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。 

Claims (11)

1.一种基于正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于，包含以下步骤：

选择至少两个从待测导频子载波中接收的正交频分复用OFDM导频符号，所选各导频符号各自对应有根据该导频符号初步估计得到的该待测导频子载波的信道系数，对这些初步估计得到的信道系数进行滤波，得到该待测导频子载波的精确信道系数，根据该精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波的信道系数；

其中，通过以下方式选择所述导频符号：

在所述待测导频子载波中最后接收到的预定数目N个导频符号中，选择与当前最新收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号。

2.根据权利要求1所述的基于正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于，通过以下方式根据所述导频符号初步估计得到所述待测导频子载波的信道系数：

在从所述待测导频子载波中接收到所述导频符号时，根据接收到的该导频符号与预定导频符号的差异，初步估计得到该待测导频子载波的信道系数。

3.根据权利要求1所述的基于正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于，所述滤波为维纳滤波，通过以下方式对所选各导频符号各自对应的各初步估计得到的信道系数进行维纳滤波：

根据从所述N个导频符号中选择的导频符号的数目，确定滤波器的阶数M；

根据信道的噪声功率估计值和多普勒频率估计值，计算M×M的信道相关矩阵Ф和长度为M的互相关向量θ，得到所述滤波器的抽头系数ω，ω＝θ·Ф^-1；

根据该抽头系数对所选各导频符号各自对应的各初步估计得到的信道系数进行所述维纳滤波。

4.根据权利要求3所述的基于正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于，通过以下步骤获得所述噪声功率估计值：

对所述N个导频符号分别对应的各初步估计得到的信道系数进行傅立叶变换；

对傅立叶变换得到的各样点进行阿尔法滤波，得到各样点的信号平均功率；

统计各信号平均功率中的噪声平均功率，获得所述噪声功率估计值。

5.根据权利要求3所述的基于正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于，通过以下步骤获得所述多普勒频率估计值：

对所述N个导频符号分别对应的各初步估计得到的信道系数进行傅立叶变换；

对傅立叶变换得到的各样点进行阿尔法滤波，得到各样点的信号平均功率；

统计各信号平均功率中的噪声平均功率；

根据各样点的信号平均功率和噪声平均功率，确定所述多普勒频率的估计值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于，采用插值法或变换域估计方法根据所述精确信道系数进行所述频域估计。

7.一种基于正交频分复用系统的信道估计装置，其特征在于，包含：

选择单元，用于选择至少两个从待测导频子载波中接收的OFDM导频符号，所选各导频符号各自对应有根据该导频符号初步估计得到的该待测导频子载波的信道系数；

滤波单元，用于对所选各导频符号各自对应的初步估计得到的各信道系数进行滤波，得到所述待测导频子载波的精确信道系数；

频域估计单元，用于根据所述滤波单元得到的精确信道系数进行频域估计，得到待测非导频子载波上的信道系数；

其中，所述选择单元通过以下方式选择所述导频符号：

在所述待测导频子载波中最后接收到的预定数目N个导频符号中，选择与当前最新收到的导频符号的相关系数大于或等于预设门限的导频符号。

8.根据权利要求7所述的基于正交频分复用系统的信道估计装置，其特征在于，还包含：

信道系数初步估计单元，用于在从所述待测导频子载波中接收到导频符号时，根据接收到的该导频符号与预定导频符号的差异，初步估计得到该待测导频子载波的信道系数。

9.根据权利要求7所述的基于正交频分复用系统的信道估计装置，其特征在于，所述滤波为维纳滤波，所述滤波单元还包含：

根据从所述N个导频符号中选择的导频符号的数目，确定滤波器的阶数M的模块；

根据信道的噪声功率估计值和多普勒频率估计值，计算M×M的信道相关矩阵Ф和长度为M的互相关向量θ，得到所述滤波器的抽头系数ω的模块，ω＝θ·Ф^-1；

根据该抽头系数对所选各导频符号各自对应的各初步估计得到的信道系数进行所述维纳滤波的模块。

10.根据权利要求9所述的基于正交频分复用系统的信道估计装置，其特征在于，所述装置还包含计算所述噪声功率估计值的单元，该单元包含以下模块：

对所述N个导频符号各自对应的各初步估计得到的信道系数进行傅立叶变换的模块；

对傅立叶变换得到的各样点进行阿尔法滤波，得到各样点的信号平均功率的模块；

统计各信号平均功率中的噪声平均功率，获得所述噪声功率估计值的模块。

11.根据权利要求9所述的基于正交频分复用系统的信道估计装置，其特征在于，所述装置还包含计算所述多普勒频率估计值的单元，该单元包含以下模块：

对所述N个导频符号分别对应的各初步估计得到的信道系数进行傅立叶变换的模块；

对傅立叶变换得到的各样点进行阿尔法滤波，得到各样点的信号平均功率的模块；

统计各信号平均功率中的噪声平均功率的模块；

根据各样点的信号平均功率和噪声平均功率，确定所述多普勒频率的估计值的模块。

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