CN101521642A - Ofdm/oqam系统中的导频序列结构以及信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于OFDM/OQAM系统信道估计的低峰均功率比的序列结构以及利用该结构进行信道估计的方法。该结构除了前后两段的是按照常规导频序列结构一样(全零数据作为保护段)，其中间一段或三段的至少一半符号(只有奇数位或偶数位)是零，而其余部分任意位符号随机取1或－1。由于大部分取值为零，以及其余部分任意位符号随机取1或－1，所以利用本发明所提出的信道估计方法在能够消除由多径干扰带来的符号间干扰和子载波间干扰的同时还能降低峰均功率比，所以本发明能够满足射频前端高功率放大器线性动态范围，从而降低OFDM/OQAM系统对高功率放大器的线性要求。

Description

OFDM/OQAM系统中的导频序列结构以及信道估计方法

技术领域

本发明属于OFDM/OQAM系统中的信道估计技术，特别涉及在高功率放大器情况下基于导频信号的信道估计方法。

背景技术

众所周知，在现有的通信技术中，基于交错正交幅度调制方法的正交频分多址技术(OFDM/offset QAM，简称OFDM/OQAM)以其很高的频谱利用率、良好的时频聚焦特性，成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。

OFDM/OQAM系统的发送信号s(t)的数学表达式为：

$s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{m,n}g(t-{\mathrm{n\τ}}_0)j^{m+n}{e}^{j2\mathrm{\π}{\mathrm{mv}}_{0}t}$

                             (1)

$g_{m,n}=g(t-{\mathrm{n\τ}}_0)j^{m+n}{e}^{j2\mathrm{\π}{\mathrm{mv}}_{0}t}$

其中a_m，n是第n个发射符号的第m个子载波上数据，ν₀和τ₀代表OFDM/OQAM系统子载波间隔和发送信号时间间隔，g(t)表示成形滤波器函数。相比于传统的正交频分复用技术，OFDM/OQAM系统仅仅在实数域满足严格的正交条件。

假定OFDM/OQAM信号经历了一个多径衰落信道，信道脉冲冲击响应为h(t)，高斯白噪声为n(t)，OFDM/OQAM系统接收信号的数学表达式为：

$y\left(t\right)=h\left(t\right)*s\left(t\right)+n\left(t\right)={\∫}_0^{\mathrm{\Δ}}h(t,\mathrm{\τ})s(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}+n\left(t\right)---\left(2\right)$

当接收端收到经过多径衰落信道后的发送信号，对其进行匹配滤波操作后，接收信号y(t)表示为：

$y\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\left(\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{n\′}{\mathrm{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m\′=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{m,n}\⟨g_{m,n}|g_{m\′,n\′}\⟩\right)H_m\right\}+n_0\left(t\right)---\left(3\right)$

其中 $H_m={\∫}_0^{\mathrm{\Δ}}h\left(\mathrm{\τ}\right)e^{{j2\mathrm{\πmv}}_0(-\mathrm{\τ})}\mathrm{d\τ},$ n₀(t)是匹配滤波后的噪声。

OFDM/OQAM系统的结构组成以及信号处理过程如图1所示，大致有以下步骤：发射端：

步骤一：信号源比特数据经过正交幅度调制(QAM调制)；

步骤二：在调制后的数据块头部添加导频序列，其中导频序列用于OFDM/OQAM系统的信道估计；

步骤三：根据公式(1)对添加导频序列后的数据进行正交化相位映射；

步骤四：通过步骤三后的数据通过IFFT模块完成IFFT变换；

步骤五：通过步骤四后的数据通过成型滤波器模块完成成型滤波过程，然后发射。

接收端：

步骤一：对接收到的信号进行匹配滤波处理；

步骤二：通过步骤二后的数据通过FFT模块完成FFT变换；

步骤三：从通过步骤三后的数据中，利用导频序列提取信道信息，然后利用提取的信道信息，通过均衡器消除多径干扰对OFDM/OQAM系统的影响；

步骤四：通过步骤三后的数据进行恢复正交化相位映射处理；

步骤五：通过步骤四后的数据进行QAM解调，最后输出解调后的数据比特信息。

对于基于复数域空间的正交频分复用系统而言，添加前缀的正交频分复用系统(OFDM with Cyclic Prefix，CP-OFDM)通过添加前缀消除符号间干扰，因此CP-OFDM系统可以通过简单的一列训练序列(比如1列全1序列)进行信道估计。然而对于实数域正交条件的OFDM/OQAM系统而言，多径衰落信道的复数特性会破坏OFDM/OQAM系统正交特性，因此接收前端接收到的信号就存在符号间干扰和子载波间干扰。因此需要设计一种针对OFDM/OQAM实数域正交特性的导频信号序列和信道估计方法，消除符号间干扰和子载波间干扰。在文献(SeungWon Kang and KyungHi Chang，“A novelchannel estimation scheme for OFDM/OQAM-IOTA system”，ETRI Journal，Vol.29，No.4，Aug 2007.)中提出了一种针对OFDM/OQAM系统的导频信号结构，该导频信号结构为：导频参考信号是在中间部分是所有的奇数序号符号相同，所有的偶数序号符号也相同，数学表达为：

a₁＝a₃＝…＝a_2m+1＝a_odd

                               (4)

a₂＝a₄＝…＝a_2m+2＝a_even

然后在导频参考信号两端添加全0的保护符号。

但是上述导频结构也存在一定的局限性，由于该结构要求中间部分所有的奇数序号符号相同，所有的偶数序号符号相同，所以该导频信号结构具有很高的自相关特性，使该导频结构的峰均功率比(Peak to average power ratio，PAPR)达到了24dB。众所周知，对任意一种OFDM系统而言，其另一个主要缺陷就是较高的PAPR。为了保证OFDM系统发送信号的避免非线性失真，OFDM系统的射频前端的高功率放大器需要较大的动态范围，进而导致高功率放大器的效率降低。

发明内容

通过合理的导频信号结构的设计，在消除了导频参考信号中的符号间干扰和子载波间干扰部分的同时，又保证了导频信号具有较低的峰均功率比

为达到上述目的，本发明提出了两种结构的导频序列：

第一种结构：导频序列由符号个数相等的三段组成，如图2所示，每段符号数与系统设计的子载波个数相同，其中第一段1，第三段3是全零，在中间段2中，偶数/奇数序号的符号全部取值为0，而将奇数/偶数序号中任意一位符号随机取值为1或-1，(将偶数序号全部取零而奇数全部非零，也可以奇数将序号全部取零，而全部偶数序号取非零)。所谓的随机取值就是任意一位符号取值与其它位无关。比如某位为1，其它位可以是1也可以是-1。

第二种结构：导频序列由符号个数相等的五段符号组成图3所示，每段符号数与系统设计的子载波个数相同，其中第一段4和第三段6以及第五段8为全零序列，第二段5符号中偶数/奇数序号和第四段7符号中奇数/偶数序号的符号全部取值为0，而第二段5符号中奇数/偶数序号和第四段7符号中偶数/奇数序号中的任意一位符号随机取值为1或-1；(当第二段符号的奇数位为零时，第四段符号的偶数位为零，而第二段符号的偶数位和第四段符号的奇数位的任意一位符号随机取1或-1，反之当第二段符号的偶数位为零时，第四段符号的奇数位为零，而第二段符号的奇数位和第四段符号的偶数位的任意一位符号随机取1或-1)。所谓的随机取值就是任意一位符号取值与其它位无关，比如某位为1，其它位可以是1也可以是-1。

基于第一种导频序列结构的信道估计方法为：

步骤一：在发射端和接收端都保存或产生本发明第一种所述结构的导频序列，即发射端和接收端的导频序列是完全相同的；

步骤二：发射端将步骤一中的导频序列按照常规方法添加到经过正交幅度调制后的信号源的前面，再按照常规OFDM/OQAM的后续处理过程发射出去；

所述的常规OFDM/OQAM系统的后续处理过程包括IFFT变换、成型滤波器滤波，射频调制、功率放大等；

步骤三：接收端按照OFDM/OQAM系统的处理方法(首先将信号接收并处理成数字信号后，通过匹配滤波器滤波，FFT变换，同步接收等)提取出经过信道后的三段符号(每段符号长度等于系统子载波个数)组成的导频序列；

步骤四：接收端从步骤三所得到的导频序列中提取与导频序列所有非零符号位的序号相同的符号；

步骤五：接收端将步骤四所得到的每位符号分别除以在步骤一所述的导频序列中与该符号序号相同的符号，从而得到信道估计序列中的奇数位/偶数位符号(当导频序列的第二段的偶数位全部为零时，就是信道估计的奇数位，否则就是信道估计的偶数位)；

步骤六：接收端用步骤五所得到的奇数位/偶数位序列按照线性内插估计方式进行计算，从而得到信道估计序列的全部偶数位/奇数位(当第五步是非零符号为奇数位时，则线性内插估计方式进行计算得到的就是偶数位，否则就是奇数位)。

基于第二种导频序列结构的信道估计方法为：

步骤一，在发射端和接收端都保存第二种所述的结构的导频序列，即发射端和接收端保存或产生的导频序列是完全相同的；

步骤二：发射端将步骤一中的导频序列按照常规方法加载到经过正交幅度调制后的信号源的前面，再按照常规OFDM/OQAM的后续处理过程发射出去；

步骤三：接收端按照OFDM/OQAM系统的处理方法(首先将信号接收并处理成数字信号后，通过匹配滤波器滤波，FFT变换，同步接收等)提出出经过信道后的五段符号(每段符号长度等于系统子载波个数)组成的导频序列；

步骤四：接收端将步骤三中的序列中的第二段符号中的每个奇数/偶数位符号分别除以在步骤一所述的导频序列中与该符号序号相同的符号，得到信道估计序列中的奇数位/偶数位值，将步骤三中的序列中的第四段符号中的每个偶数/奇数位符号分别除以在步骤一所述的导频序列中与该符号序号相同的符号，得到信道估计序列中的偶数/奇数位符号(当导频序列中的第二段符号的奇数位为零时，通过导频序列第二段符号中的偶数位符号能够得到信道估计序列中的偶数位符号，且通过导频序列中的第四段符号中的奇数位符号能够得到信道估计序列中的奇数位符号；当导频序列中的第二段符号的偶数位为零时，通过导频序列第二段符号中的奇数位符号能够得到信道估计序列中的奇数位符号，且通过导频序列中的第四段符号中的偶数位符号能够得到信道估计序列中的偶数位符号)；

本文所述的符号就是用数据表示的，具有数据的可运算性。

发明实质和效果：

本发明结合OFDM/OQAM系统正交条件，在导频参考信号两端是全0保护的符号的前提下以及序列中间至少有一半的符号为零的特殊结构，使导频结构中符号间和子载波间干扰部分等于0。此外，由于导频参考信号从{1，-1}中随机选取，因此该导频参考信号的自相关特性较低，使导频参考信号具有较低的峰均功率比。在实际系统中，采用本发明提出的OFDM/OQAM系统导频结构能够降低射频前端高功率放大器线性动态范围，提高了OFDM/OQAM系统的效率。

附图说明

图1为任意典型的OFDM/OQAM系统的原理图；

图2为本发明方式一的导频序列结构示意图；

图3为本发明方式二的导频序列结构示意图；

图4为本发明方式一的一种实施例中频序列结构图；

图5为本发明方式二的一种实施例中频序列结构图。

1为发明方案一中发送端产生的导频序列中第一段符号，2为发明方案一中发送端产生的导频序列中第二段符号，3为发明方案一中发送端产生的导频序列中第三段符号。

4为发明方案二中发送端产生的导频序列中第一段符号，5为发明方案二中发送端产生的导频序列中第二段符号；6为发明方案二中发送端产生的导频序列中第三段符号；7为发明方案二中发送端产生的导频序列中第四段符号；8为发明方案二中发送端产生的导频序列中第五段符号。

9为发明方案一中一种实施例的发送端产生的导频序列中第一段符号，10为发明方案一中一种实施例的发送端产生的导频序列中第二段符号，11为发明方案一中一种实施例的发送端产生的导频序列中第三段符号。

12为发明方案二中一种实施例的发送端产生的导频序列中第一段符号，13为发明方案二中一种实施例的发送端产生的导频序列中第二段符号；14为发明方案二中一种实施例的发送端产生的导频序列中第三段符号；15为发明方案二中一种实施例的发送端产生的导频序列中第四段符号；16为发明方案二中一种实施例的发送端产生的导频序列中第五段符号。

具体实施方式

实施方式一：

在发射端首先按照图4产生由三段符号组成的导频信号，其中第一段9和第三段11是全零，中间一段10取值为(1，0，-1，0，...，-1，0，1，0)；再将所产生的导频序列以每段为单位，添加在数据块头部，然后按照常规OFDM/OQAM系统对基带数据信号的后续处理方式进行处理后发射出去。

在接收端，首先接收端产生一个与发射端导频序列相同的序列，按照常规OFDM/OQAM系统对射频前端处理方式将接收信号处理成基带数字信号，并获取出发送端所对应的代表导频符号的三段符号，然后取出中间一段的所有奇数位符号，再用所得到的奇数符号中的每位符号分别除以在导频序列中与被除的符号的序号相同符号，得到信道估计序列的奇数序号数据；最后利用所得到的信道估计序列的奇数序列根据线性内插方法计算出信道估计序列的偶数序号的数据。

实施方式二：

在发射端首先按照图5产生由五段符号组成的导频信号，其中第一段12第三段14以及第五段16是全零，第二段13符号取值为(1，0，-1，0，...，-1，0，1，0)；第四段15符号取值为(0，1，0，-1，...，0，1，0，-1)，其中第二段13符号取值与第四段15符号取值没有任何的相关性。再将所产生的导频序列以每段为单位，添加在数据块头部，然后按照常规OFDM系统对基带数据信号的后续处理方式进行处理后发射出去；

在接收端，首先接收端产生一个与发射端导频序列相同的序列，按照常规OFDM/OQAM系统对射频前端处理方式将接收信号处理成基带数字信号，并获取出发送端所对应的代表导频符号的五段数据，将第二段13符号中的奇数符号除以与发射端导频序列相同的序列中与被除数相同序号的符号，得到信道估计的奇数序号符号；将第四段15符号中偶数位符号除以与发射端产生的导频序列相同的序列的相同位符号，得到信道估计序列的偶数序号符号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1、OFDM/OQAM系统中的导频序列结构，由三段组成，其中前后两段全部为零，其特征在于，中间一段的偶数/奇数序号的符号全部取值为0，而将奇数/偶数序号中任意一位符号随机取值为1或-1。

2、OFDM/OQAM系统中的导频序列结构，其特征在于：由五段组成，其中第一段、第三段以及第五段全部为零，第二段5符号中偶数/奇数序号和第四段7符号中奇数/偶数序号的符号全部取值为0，而第二段5符号中奇数/偶数序号和第四段7符号中偶数/奇数序号中的任意一位符号随机取值为1或-1。

3、基于权利要求1的导频结构的信道估计方法：首先在OFDM/OQAM系统发送和接收端产生或保存权利要求1所述的导频序列，然后按照OFDM/OQAM系统对导频序列的处理方法进行处理后发射出去，接收端按照OFDM/OQAM系统对射频信号进行接收处理并分离出经过信道的导频序列，其特征在于：第一步：接收端从经过信道的导频序列中提取与导频序列所有非零符号位的序号相同的所有符号；第二步：每位符号分别除以在接收端产生或保存的导频序列中与该符号序号相同的符号，从而得到信道估计序列中的奇数位/偶数位符号；第三步：接收端用第二步所得到的奇数位/偶数位序列按照线性内插估计方式进行计算，从而得到信道估计序列的全部偶数位/奇数位。

4、基于权利要求2的导频结构的信道估计方法：首先在OFDM/OQAM系统发送和接收端产生或保存权利要求2所述的导频序列，然后按照OFDM/OQAM系统对导频序列的处理方法进行处理后发射出去，在接收端按照OFDM/OQAM系统对射频信号进行接收处理并分离出经过信道的由五段符号组成的导频序列，其特征在于：接收端将经过信道的由五段符号组成的导频序列中的第二段符号中的每个奇数/偶数位符号分别除以在接收端所生成或保存的导频序列中与该符号序号相同的符号，得到信道估计序列中的奇数位/偶数位值；再将经过信道的由五段符号组成的导频序列中的第四段符号中的每个偶数/奇数位符号分别除以在接收端所生成或保存的导频序列中与该符号序号相同的符号，得到信道估计序列中的偶数/奇数位符号。

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