CN101599940B - 正交频分复用系统的噪声功率的估计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正交频分复用系统的噪声功率的估计方法和装置。所述估计方法包括如下步骤：A、对接收到的RS进行信道估计；B、根据相干块内的所有RS的信道估计结果进行计算，得到对应的噪声功率；C、对测量频率带宽和测量时间范围内的所有相干块对应的噪声功率进行平均。本发明实现了对噪声功率的无偏估计。

Description

正交频分复用系统的噪声功率的估计方法和装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种正交频分复用系统(OFDM)的噪声功率的估计方法和装置。

背景技术

在长期演进(LTE)无线通信系统中，OFDM是其核心的物理层技术。它把数据流调制在多个正交的子载波上，正交子载波之间频谱可重叠，这样就大大提高了频谱利用率。

参照图1，在正交频分复用系统中，传输的信息可以通过资源栅格来描述，资源栅格将整个时域和频域的资源以资源元素(RE，Resource Element)的形式表示出来，即图1中的一个最小方格，它对应于频域上的一个子载波和时域上的一个符号(symbol)的时间长度。所有需要传输的信息都是通过资源元素来承载。多个资源元素构成一个资源块，具体来说，在正常循环前缀的情况下，12(子载波数)×7(符号数)构成一个资源块；扩展循环前缀的情况下，12(子载波数)×6(符号数)构成一个资源块。

为了正确解调数据，需要知道每个RE位置上的信道情况。在LTE系统中，每个RE位置上的信道估计是通过如下方式得到的：在每个资源块的特定的资源元素位置插入已知的参考信号(RS，Reference Signal)以计算该RE位置上的信道估计，然后利用插值的方法来得到其它所有资源元素位置上的信道估计。图1中标注为0的RE表示将在天线端口0发送的RS信号，标注为1的RE表示将在天线端口1发送的RS信号，其中，所述参考信号是按照特定规则生成的随机序列。

在LTE系统中，接收端的信噪比(信号噪声功率比)是一个很重要的参数指标，它可以指示出当前信号质量的好坏。接收机根据信噪比来调整接收算法中的一些重要参数，以使性能得到进一步优化。如何准确的计算出信噪比，其关键在于如何准确地估计出噪声的功率。相关标准中并未给出具体的测量噪声功率的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种正交频分复用系统的噪声功率的估计方法和装置，以实现对噪声功率的无偏估计。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种正交频分复用系统的噪声功率的估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、对接收到的RS进行信道估计；

B、根据相干块内的所有RS的信道估计结果进行计算，得到对应的噪声功率；

C、对测量频率带宽和测量时间范围内的所有相干块对应的噪声功率进行平均。

上述的估计方法，步骤B中，采用如下公式计算噪声功率：

${\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}=\frac{1}{\mathrm{KL}-1}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{|{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}-\frac{1}{\mathrm{KL}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}|}^2$

其中，

表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的第n个相干块对应的噪声功率，K表示相干块内RS占用的子载波数，L表示相干块内RS占用的OFDM符号数，表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的、第n个相干块中的、频域上的第k个、时域上的第l个RS信号的信道估计，|·|表示求模运算符。

上述的估计方法，步骤C中，采用如下公式进行平均：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{\mathrm{IJN}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}$

其中，σ²表示对所有进行平均处理之后的噪声功率，I表示用于计算噪声功率的发送天线端口总数，J表示用于计算噪声功率的接收天线总数，N表示在测量频率带宽和测量时间范围内的相干块总数。

上述的估计方法，其中，还包括步骤：D、对平均得到的噪声功率进行平滑处理。

上述的估计方法，步骤D中，采用如下公式进行平滑处理：

${\mathrm{\σ}}_m^2=\mathrm{\α}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_m}^2+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\σ}}_{m-1}^2$

其中，σ_m ²为经平滑处理后的噪声功率当前值，σ_m ²为未经平滑处理的噪声功率当前值，σ_m-1 ²为经平滑处理后的噪声功率历史值，α是平滑因子，0＜α≤1。

上述的估计方法，其中，所述相干块为处在相干时间范围内和相干带宽范围内的所有RE构成的一个块。

上述的估计方法，其中，所述相干块为一个资源块。

一种正交频分复用系统的噪声功率的估计装置，包括：

RS信道估计器，用于对接收到的RS进行信道估计；

噪声功率计算器，用于根据相干块内的所有RS的信道估计结果进行计算，得到对应的噪声功率；

噪声功率平均器，用于对测量频率带宽和测量时间范围内的所有相干块对应的噪声功率进行平均。

上述的估计装置，其中，还包括：噪声功率平滑器，用于对平均得到的噪声功率进行平滑处理。

本发明实施例通过将参考信号的信道估计分成若干相干块，对每一相干块进行噪声功率的估计，然后对所有收发天线上相干块的估计结果进行平均，从而实现了对噪声功率的无偏估计。

附图说明

图1为正常循环前缀且发送天线数小于等于2的情况下参考信号在资源块中的分布情况示意图；

图2为本发明实施例的正交频分复用系统的噪声功率的估计装置结构示意图；

图3为本发明实施例的正交频分复用系统的噪声功率的估计方法流程图。

具体实施方式

根据无线通信理论可知，处于相干带宽和相干时间范围内的参考信号会具有相同或相似的信道估计。本发明正是基于这一原理来完成对噪声功率的估计。为后文描述简便，这里提出一个相干块的概念，所谓相干块就是由处在相干时间范围内和相干带宽范围内的所有RE构成的一个块。

参照图2，本发明实施例的正交频分复用系统的噪声功率的估计装置主要包括：RS信道估计器、噪声功率计算器、噪声功率平均器和噪声功率平滑器(可选)。

在以下描述中，i表示发送天线端口序号；j表示接收天线序号；n表示相干块序号；k表示RS在相干块内频域上的序号；l表示RS在相干块内时域上的序号；

表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的、第n个相干块中的、频域上的第k个、时域上的第l个RS信号；

表示的信道估计；

表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的第n个相干块中的所有RS估计出的噪声功率；σ²表示对所有

进行平均处理之后的噪声功率；σ²表示对σ²进行平滑处理之后的噪声功率。

RS信道估计器

RS信道估计器用于对接收到的RS进行信道估计，具体为：

${\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}={\hat{r}}_{k,l}^{(i,j,n)}{r}_{k,l}^{(i,j,n)*}$

其中，r_k，l ^(i，j，n)表示发送的参考信号，(·)^*表示共轭运算符。

噪声功率计算器

噪声功率计算器用于根据相干块内的所有RS的信道估计结果进行计算，得到对应的噪声功率，具体为：

${\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}=\frac{1}{\mathrm{KL}-1}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{|{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}-\frac{1}{\mathrm{KL}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}|}^2$

其中，K表示相干块内RS占用的子载波数，L表示相干块内RS占用的OFDM符号数，|·|表示求模运算符。

可以利用接收机中的相干带宽估计模块和相干时间估计模块来划分相干块，如果接收机中不存在相干带宽估计模块和相干时间估计模块，作为一种保守的实现方法，可以认为一个资源块即为一个相干块。

噪声功率平均器

噪声功率平均器用于对测量频率带宽和测量时间范围内的所有相干块对应的噪声功率进行平均，以提高估计的准确性，具体为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{\mathrm{IJN}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}$

其中，I表示用于计算噪声功率的发送天线端口总数(一根天线可以有多个端口，这里的总数为所有发送天线的端口数之和)，J表示用于计算噪声功率的接收天线总数，N表示在考虑的测量频率带宽和测量时间范围内的相干块总数。

噪声功率平滑器

噪声功率平滑器用于对平均得到的噪声功率进行平滑处理。为提高噪声功率估计的稳定性，作为一种优化方案，可将当前噪声功率估计值和历史值进行平滑，即，

${\mathrm{\σ}}_m^2=\mathrm{\α}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_m}^2+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\σ}}_{m-1}^2$

其中，σ_m ²为经平滑处理后的噪声功率当前值，σ_m ²为未经平滑处理的噪声功率当前值，σ_m-1 ²为经平滑处理后的噪声功率历史值，α是平滑因子(可以根据信道变化情况来取值)，0＜α≤1。

如何将测量频率带宽和测量时间范围内的资源划分为多个相干块，为现有技术，作为其中的一种实现方式，可参见本申请人在先的、申请号为200910082322.4、申请日为2009年4月14日、发明名称为“一种正交频分复用系统的信道估计方法和装置”的中国专利申请文件，这里仅对其原理进行简单介绍。如前所述，可以利用接收机中的相干带宽估计模块和相干时间估计模块来划分相干块，如果接收机中不存在相干带宽估计模块和相干时间估计模块，作为一种保守的实现方法，可以认为一个资源块即为一个相干块。

所谓相干块，是指由处在相干带宽范围内和相干时间范围内的所有RE构成的一个块。所谓相干时间，是指一段时间间隔，在此间隔内，接收信号的幅度具有很强的相关性，即在相干时间内信道冲激响应基本保持不变。所谓相干带宽，是指一段频域带宽，在此带宽内，接收信号的幅频具有很强的相关性，即在相干带宽内信道的幅频响应基本保持不变。信道时延扩展与相干带宽存在较强的对应关系，信道时延扩展越大，相干带宽越窄；反之，信道时延扩展越小，相干带宽越宽。其中，所谓信道时延扩展，是指信道的各条路径分量经历的传播路径的不同，因此具有不同的时间延迟，这就使得信号的能量在时间上被扩展了。

相干带宽估计模块首先利用参考信号的频域信道估计计算无线信道中的时延扩展τ_n，然后根据时延扩展与相干带宽的对应关系进行计算，得到相干带宽 $B=\frac{1}{\mathrm{\ζ}{\mathrm{\τ}}_n},$ 其中，ζ为时延扩展与相干带宽的映射因子。时延扩展有多种表示形式，常用的有最大时延扩展、平均时延扩展和均方根时延扩展等。无论用哪种表示形式，都要首先确定时域信道冲击响应的各条有效径。时延扩展可通过将参考信号所处位置的频域信道估计做逆傅立叶变换得到时域信道估计，然后获取时域信道估计的有效径，并根据所述有效径进行计算，得到信道的时延扩展。

相干时间估计模块根据不同时域位置处的频域信道估计进行计算，得到信道的相干时间。具体地，所述相干时间估计模块可包括：差异因子计算单元，用于计算参考信号的频域信道估计与时域上邻近的可用频域信道估计的差异因子；相干时间计算单元，用于根据所述差异因子确定信道的相干时间。

参照图3，发明实施例的正交频分复用系统的噪声功率的估计方法，主要包括如下步骤：

步骤301：对接收到的RS进行信道估计，具体为：

${\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}={\hat{r}}_{k,l}^{(i,j,n)}{r}_{k,l}^{(i,j,n)*}$

其中，r_k，l ^(i，j，n)表示发送的参考信号，(·)^*表示共轭运算符。

步骤302：根据相干块内的所有RS的信道估计结果进行计算，得到对应的噪声功率，具体为：

${\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}=\frac{1}{\mathrm{KL}-1}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{|{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}-\frac{1}{\mathrm{KL}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}|}^2$

其中，K表示相干块内RS占用的子载波数，L表示相干块内RS占用的OFDM符号数，|·|表示求模运算符。

可以利用接收机中的相干带宽估计模块和相干时间估计模块来划分相干块，如果接收机中不存在相干带宽估计模块和相干时间估计模块，作为一种保守的实现方法，可以认为一个资源块即为一个相干块。

步骤303：对测量频率带宽和测量时间范围内的所有相干块对应的噪声功率进行平均，以提高估计的准确性，具体为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{\mathrm{IJN}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}$

其中，I表示用于计算噪声功率的发送天线端口总数(一根天线可以有多个端口，这里的总数为所有发送天线的端口数之和)，J表示用于计算噪声功率的接收天线总数，N表示在考虑的测量频率带宽和测量时间范围内的相干块总数。

步骤304：对平均得到的噪声功率进行平滑处理。为提高噪声功率估计的稳定性，作为一种优化方案，可将当前噪声功率估计值和历史值进行平滑，即，

${\mathrm{\σ}}_m^2=\mathrm{\α}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_m}^2+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\σ}}_{m-1}^2$

其中，σ_m ²为经平滑处理后的噪声功率当前值，σ_m ²为未经平滑处理的噪声功率当前值，σ_m-1 ²为经平滑处理后的噪声功率历史值，α是平滑因子(可以根据信道变化情况来取值)，0＜α≤1。

综上所述，本发明实施例通过将参考信号的信道估计分成若干相干块，对每一相干块进行噪声功率的估计，然后对所有收发天线上相干块的估计结果进行平均，从而实现了对噪声功率的无偏估计。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种正交频分复用系统的噪声功率的估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、对接收到的参考信号RS进行信道估计；

B、根据相干块内的所有RS的信道估计结果进行计算，得到对应的噪声功率；

C、对测量频率带宽和测量时间范围内的所有相干块对应的噪声功率进行平均；

步骤B中，采用如下公式计算噪声功率：

${\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}=\frac{1}{\mathrm{KL}-1}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{|{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}-\frac{1}{\mathrm{KL}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}|}^2$

其中，

表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的第n个相干块对应的噪声功率，K表示相干块内RS占用的子载波数，L表示相干块内RS占用的正交频分复用OFDM符号数，

表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的、第n个相干块中的、频域上的第k个、时域上的第l个RS信号的信道估计，|·|表示求模运算符；

其中，所述相干块为处在相干时间范围内和相干带宽范围内的所有资源元素RE构成的一个块，或者，所述相干块为一个资源块。

2.如权利要求1所述的估计方法，其特征在于，步骤C中，采用如下公式进行平均：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{\mathrm{IJN}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}$

其中，

表示对所有

进行平均处理之后的噪声功率，I表示用于计算噪声功率的发送天线端口总数，J表示用于计算噪声功率的接收天线总数，N表示在测量频率带宽和测量时间范围内的相干块总数。

3.如权利要求1所述的估计方法，其特征在于，还包括步骤：

D、对平均得到的噪声功率进行平滑处理。

4.如权利要求3所述的估计方法，其特征在于，步骤D中，采用如下公式进行平滑处理：

${\mathrm{\σ}}_m^2=\mathrm{\α}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_m}^2+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\σ}}_{m-1}^2$

其中，

为经平滑处理后的噪声功率当前值，

为未经平滑处理的噪声功率当前值，

为经平滑处理后的噪声功率历史值，α是平滑因子，0＜α≤1。

5.一种正交频分复用系统的噪声功率的估计装置，其特征在于，包括：

RS信道估计器，用于对接收到的RS进行信道估计；

噪声功率计算器，用于根据相干块内的所有RS的信道估计结果进行计算，得到对应的噪声功率；

噪声功率平均器，用于对测量频率带宽和测量时间范围内的所有相干块对应的噪声功率进行平均；

所述噪声功率计算器采用如下公式计算噪声功率：

${\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}=\frac{1}{\mathrm{KL}-1}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{|{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}-\frac{1}{\mathrm{KL}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_{k,l}^{(i,j,n)}|}^2$

其中，

表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的第n个相干块对应的噪声功率，K表示相干块内RS占用的子载波数，L表示相干块内RS占用的OFDM符号数，

表示由第i个天线端口发射、第j根天线接收到的、第n个相干块中的、频域上的第k个、时域上的第l个RS信号的信道估计，|·|表示求模运算符

其中，所述相干块为处在相干时间范围内和相干带宽范围内的所有资源元素RE构成的一个块，或者，所述相干块为一个资源块。

6.如权利要求5所述的估计装置，其特征在于，所述噪声功率平均器采用如下公式进行平均：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{\mathrm{IJN}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left({\widehat{\mathrm{\σ}}}^2\right)}^{(i,j,n)}$

其中，表示对所有

进行平均处理之后的噪声功率，I表示用于计算噪声功率的发送天线端口总数，J表示用于计算噪声功率的接收天线总数，N表示在测量频率带宽和测量时间范围内的相干块总数。

7.如权利要求5所述的估计装置，其特征在于，还包括：

噪声功率平滑器，用于对平均得到的噪声功率进行平滑处理。

8.如权利要求7所述的估计装置，其特征在于，所述噪声功率平滑器采用如下公式进行平滑处理：

${\mathrm{\σ}}_m^2=\mathrm{\α}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_m}^2+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\σ}}_{m-1}^2$

其中，

为经平滑处理后的噪声功率当前值，

为未经平滑处理的噪声功率当前值，

为经平滑处理后的噪声功率历史值，α是平滑因子，0＜α≤1。