CN101778067B - 基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统。其中，方法包括：提取接收数据帧的前导符号，获取接收前导序列；依据接收前导序列，计算幅度补偿因子；提取接收数据帧中的数据符号，确定数据符号导频位置处的复数元素，获取接收数据符号导频序列；依据接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算相位补偿因子；依据获取的幅度补偿因子、相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度补偿和相位补偿。本发明充分利用前导码和数据符号中的导频码，通过一种幅度补偿和相位补偿方法来进行信道估计，很好的补偿了由于信号传输所造成的相位变化，以较低的复杂度取得较好的均衡效果。

Description

基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及正交频分复用中，基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统。

背景技术

正交频分复用(OFDM)是业界公认的下一代无线通信系统中的核心技术，由于它具有很好的抗多径和抗频率选择性衰落等特性，因而被许多无线通信的标准所采用，如DAB，DVB-T，IEEE802.11a，IEEE802.16e。

在宽带OFDM系统中，接收机在帧同步和频偏估计后需要信道估计与均衡。由于信号在整个系统带宽上经历频率选择性衰落，而各个子载波上则经历平坦衰落，接收端可以对数据进行频域均衡。频域均衡具有复杂度较低的优点。

OFDM系统的信道估计主要可以分成非盲估计和盲估计。非盲估计主要是指基于训练序列或导频的估计，盲估计可以是基于OFDM符号循环前辍的估计。目前实用的均衡方法多是非盲算法。IEEE802.16-2004帧结构中规定了前导码，在信道均衡时可以例用前导码作为训练序列进行信道的非盲估计，但这种估计方法仅对于慢衰落的信道有较好的效果，不能适应信道的较快变化。因此，在比较恶劣的无线信道环境下，信号在传输过程中容易发生相位变化，进而影响信道的均衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统，基于该方法，能够有效地补偿较恶劣的无线信道环境造成的接收符号相位变化，从而优化了OFDM系统的频域均衡。

本发明一种基于物理层前导和导频的信道均衡方法，其特征在于，在接收数据帧后包括如下步骤：幅度补偿因子获取步骤，提取所述接收数据帧的第一个OFDM符号，获取接收前导序列；依据所述接收前导序列，计算幅度补偿因子；相位补偿因子获取步骤，提取所述接收数据帧中的数据符号，确定所述数据符号导频位置处的复数元素，获取接收数据符号导频序列；依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算相位补偿因子；补偿步骤，依据获取的所述幅度补偿因子、所述相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度补偿和相位补偿。

上述信道均衡方法，优选所述幅度补偿因子获取步骤中，所述依据所述接收导频序列，计算幅度补偿因子包括如下步骤：前导信道估计步骤，依据所述前导序列，获取前导信道估计；幅值提取步骤，依次提取所述前导信道估计中复数元素幅值，获取所述幅度补偿因子。

上述信道均衡方法，优选所述前导信道估计步骤具体为：分别去掉帧结构频域前导序列、所述接收前导序列中直流子载波位置的数据点，并提取偶数点构成序列H_preamble_even、H_preamble_receive_even  ；依据按下式求得 $H\_\mathrm{estimate}\_\mathrm{temp}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{receive}\_\mathrm{even}\left(k\right)}{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{even}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,100;$ 将获取的H_estimate_temp序列重复插值得到所述前导信道估计H_estimate_preamble，其中，H_preamble为帧结构频域前导序列，H_preamble_receive为所述接收前导序列。

上述信道均衡方法，优选所述相位补偿因子获取步骤中，计算相位补偿因子包括：数据符号估计步骤，依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算所述数据符号导频估计；相位提取步骤，依次提取所述数据符号导频估计中复数元素相位，获取所述相位补偿因子。

上述信道均衡方法，优选所述数据符号估计步骤具体为：由所述接收数据符号导频序列H_pilot_receive和预置导频序列H_pilot依据下式计算数据符号导频估计H_pilot_estimate：

$H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{estimate}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{receive}\left(k\right)}{H\_\mathrm{pilot}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,8$

上述信道均衡方法，优选所述预置导频序列H_pilot为：

[(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)

(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)]。

另一方面，本发明还提供了一种基于物理层前导和导频的信道均衡系统，包括：接收模块，用于接收数据帧；幅度补偿因子获取模块，用于提取所述接收数据帧的第一个OFDM符号，获取接收前导序列；依据所述接收前导序列，计算幅度补偿因子；相位补偿因子获取模块，用于提取所述接收数据帧中的数据符号，确定所述数据符号导频位置处的复数元素，获取接收数据符号导频序列；依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算相位补偿因子；补偿模块，用于依据获取的所述幅度补偿因子、所述相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度补偿和相位补偿。

上述信道均衡系统，优选所述幅度补偿因子获取模块包括：前导信道估计单元，用于依据所述前导序列，获取前导信道估计；幅值提取单元，用于依次提取所述前导信道估计中复数元素幅值，获取所述幅度补偿因子。

上述信道均衡方法，优选所述相位补偿因子获取模块包括：数据符号估计模块，用于依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算所述数据符号导频估计；相位提取模块，用于依次提取所述数据符号导频估计中复数元素相位，获取所述相位补偿因子。

上述信道均衡方法，优选所述预置导频序列H_pilot为：

[(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)

(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)]。

本发明在基于前导码算法的基础上，充分利用IEEE802.16e物理层帧结构中规定的前导码和数据符号中的导频码通过一种特殊的相位补偿方法来进行信道估计，能够较好地补偿由于信号传输所造成的相位变化，以较低的复杂度取得较好的均衡效果。本发明采用自主设计的复数导频，在实际系统中拥有良好的传输特性。

附图说明

图1为本发明基于物理层前导和导频的信道均衡方法实施例的步骤流程图；

图2为本发明基于物理层前导和导频的信道均衡方法实施例中的信号处理示意图；

图3为IEEE802.16e物理层帧结构图；

图4为OFDM数据符号导频位置图；

图5为接收机结构框图；

图6为采用IEEE802.16e规定导频的数据符号传输图；

图7为采用IEEE802.16e帧结构预置导频序列的数据符号传输图；

图8为本发明基于物理层导频的信道均衡系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的思想是：快衰落的信道可以例用前导码和导频码来共同进行信道估计。导频码在数据符号内部，能够较好地反映数据符号经历的衰落情况，因而前导码加导频码的信道估计模式可以取得较好的信道估计效果。导频在频域上是离散的，而且数量有限，因此当信道具有较高的频域相关性时，均衡的性能可以达到最佳。

常见的信道估计方法有最小平方差(LS)算法和线性最小均方误差(LMMSE)算法。LS算法较易实现，但受高斯白噪声和子载波间干扰(ICI)的影响较大。MMSE算法对于ICI和高斯白噪声的抵制作用较明显，但需要知道信道的先验知识，且复杂度较高。

因此，本发明基于前导码的LS算法的基础上，充分例用IEEE802.16e物理层帧结构中规定的前导码和数据符号中的导频码通过一种特殊的相位补偿方法来进行信道估计，能够较好地补偿由于信号传输所造成的相位变化。

参照图1，图1为本发明基于物理层前导和导频的信道均衡方法实施例的步骤流程图，包括如下步骤：

幅度补偿因子获取步骤110，提取所述接收数据帧的第一个OFDM符号，获取接收前导序列；依据所述接收前导序列，计算幅度补偿因子。

相位补偿因子获取步骤120，提取所述接收数据帧中的数据符号，确定所述数据符号导频位置处的复数元素，获取接收数据符号导频序列；依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算相位补偿因子。

补偿步骤130，依据获取的所述幅度补偿因子、所述相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度补偿和相位补偿。

参照图2，图2为发明基于物理层前导和导频的信道均衡方法实施例中的信号处理示意图。对接收的数据帧分别进行导频提取和前导提取后，基于导频提取，生成相位补偿因子；基于前导提取，生成幅度补偿因子。依据生成的相位补偿因子与幅度补偿因子，对接收到的数据进行补偿，然后进行后级处理即可。

本实施例利用导频和前导对数据符号进行相位补偿，能够较好地补偿由于信号传输所造成的相位变化，能够更好地对抗无线信道的相位干扰，进而提高通信系统的整体性能，以较低的复杂度取得较好的均衡效果。

下面，对上述实施例做进一步的说明。

上述实施例中，依据无线信道的传输特性，将信道对信号作用的影响分为幅度影响和相位影响，分别将前导的幅度影响估计和导频的相位影响估计作用于数据OFDM符号进行均衡。该方法基于IEEE802.16e所规定的物理层帧结构，采用的导频符号为自主设计的复数导频。幅度影响由LS算法的结果得出，相位影响也利用相似的处理方法，由接前导频序列和约定的导频序列得出。均衡时，幅度补偿因子运用前导的依次按以下步骤实现：

步骤(1)，初始化

按照IEEE802.16e设帧结构频域前导序列为H_preamble，由201点复数序列构成，数据符号导频为H_pilot，8点实数序列。经信道传输后，OFDM解调输出端前导符号序列为H_preamble_receive，由200点复数序列构成，接收导频序列为H_pilot_receive，8点的复数序列。接收到的数据为Data，200点的复数序列。

步骤(2)，由接收前导符号序列得到前导信道估计值H_estimate_preamble

步骤(2.1)

去掉H_preamble的直流子载波位置的数据点后，提取偶数点构成新的序列H_preamble_even。对于接到收到的序列H_preamble_receive作相同的处理得到H_preamble_receive_even。

步骤(2.2)

按下式求得H estimate_temp。

$H\_\mathrm{estimate}\_\mathrm{temp}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{receive}\_\mathrm{even}\left(k\right)}{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{even}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,100$

步骤(2.3)

将H_estimate_temp(100点)序列重复插值得到H_estimate_preamble(200点)。

步骤(3)，生成相位补偿因子Phase_compensate_pilot和幅度补偿因子Amplitude_compensate_preamble。

步骤(3.1)

Amplitude_compensate_preamble幅度序列由H_estimate_preamble生成，依次将H_estimate_preamble复数元素的幅度提取即可。

步骤(3.2)

由接收数据符号导频序列H_pilot_receive和发端原始数据符号导频H_pilot(预置导频序列)按下式计算数据符号导频估计H_pilot_estimate：

$H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{estimate}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{receive}\left(k\right)}{H\_\mathrm{pilot}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,8$

步骤(3.3)

Phase_compensate_pilot相位序列由H_pilot_estimate对应的相位序列生成，依次将H_estimate_preamble复数元素的相位提取即可。

步骤(4)，对于接收到的数据符号进行幅度与相位补偿

步骤(4.1)

对数据符号进行幅度补偿，补偿后的数据按以下公式求得：

A_Data(k)＝Amplitude_compensate_preamble(k)·Data(k)，k＝1，2，...，200

步骤(4.2)

对数据符号进行相位补偿，补偿后的数据按以下公式求得：

H_Data(k)＝A_Data(k)·exp{-mean(arg(H_pilot_estimate))}，k＝1，2，...，200其中arg()函数求复数序列的相位，mean()为求均值函数。

优选实施例

本方法针对拥有图3所示IEEE802.16e帧结构的OFDM无线通信系统，其频域均衡过程如图1所示。接收机的结构如图5所示。接收数据经过同步模块后进行OFDM解调，OFDM解调后输出的数据即为经过信道传输后的频域数据。均衡模块对频域数据补偿后，送入数据解调模块进行基带数据解调。其中在OFDM解调模块，直流子载波对应的数据值已被去除。幅度和相位补偿的过程，由前导提取、幅度补偿因子生成、导频提取、相位补偿因子生成和数据补偿五个部分组成。

具有图3所示物理层帧结构OFDM无线通信系统，其前导部分由200点复数序列构成，数据符号由192点复数数据、8个导频数据以及1个直流数据构成，每个复数数据对应1个子载波。数据符号导频子载波b、数据子载波a和直流子载波c的位置如图4所示。

接收端收到的数据为包含6个OFDM符号的复数序列，每个OFDM符号包含200点复数数据(已去除直流子载波位置对应的复数数据点)。

前导提取是指从接收的一帧数据中提取出前导的部分，即一帧的头一个OFDM符号加以提取，构成一组复值序列H_preamble_receive。

幅度补偿因子生成是利用接收到的前导序列，结合其预置值，作出信道对于前导序列幅值影响的估计的过程。若预置前导序列为H_preamble(201点复数数据)，去掉H_preamble的直流子载波位置的数据点后，提取偶数点构成新的序列H_preamble_even。按下式求得H_estimate_temp：

$H\_\mathrm{estimate}\_\mathrm{temp}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{receive}\_\mathrm{even}\left(k\right)}{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{even}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,100.$

之后可以由H_estimate_temp(100点)重复插值得到H_estimate_preamble(200点)，将H_estimate_temp(100点)序列重复插值得到H_estimate_preamble(200点)。幅度补偿因子

Amplitude_compensate_preamble(k)

＝abs(H_estimate_preamble(k))，k＝1，2，...，100

其中abs()函数为求模值函数。

导频提取是指从收到的数据帧中找到数据符号，将数据符号导频位置的复数元素提取，构成H_pilot_receive(含8个复数元素)。依据IEEE802.16e物理层的规定，导频所在位置为(201点数据符号)[13 38 63 88 113 138 163 188]。

相位补偿因子生成是依据接收到的导频相位，结合自主设计的导频相位，估计信道对数据符号整体相位影响的过程。约定的导频序列为H_pilot，其值为：

[(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)

(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)]

采用新的导频可以克服某些环境下导频位置元素经历的信道作用与数据符号不一致的现象。图6为采用IEEE802.16导频时，数据所经历的信道影响图，横坐标为Data points数据点，纵坐标为幅值Amplitude，由图可以看出，导频位置的数据的变化与数据符号中其他元素不一致，这影响了接收端利用导频进行相位补偿的效果。图7为采用预置导频序列时相应的信道作用图。横坐标为Data points数据点，纵坐标为幅值Amplitude，可按下式计算H_pilot_estimate：

$H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{estimate}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{receive}\left(k\right)}{H\_\mathrm{pilot}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,8$

为相位补偿因子。

数据补偿例用前面得到的幅度补偿因子和相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度和相位的补偿。假设某一接收OFDM数据符号的为Data(含200个复数元素)，幅度补偿方法如下：

A_Data(k)＝Amplitude_compensate_preamble(k)·Data(k)，k＝1，2，...，200

A_Data即为幅度补偿后的数据点。相位补偿按以下公式进行：

H_Data(k)＝A_Data(k)·exp{-mean(arg(H_pilot_estimate))}，k＝1，2，...，200其中arg()函数求复数序列的相位，mean()为求均值函数。H_Data即为幅度和相位补偿后的数据。对于其他的数据符号，幅度和相位补偿的方法类似。

另一方面，本发明还提供了一种基于物理层前导和导频的信道均衡系统。参照图8，图8为本发明基于物理层前导和导频的信道均衡系统实施例的结构示意图，包括：

接收模块80，用于接收数据帧。

幅度补偿因子获取模块82，用于提取所述接收数据帧的第一个OFDM符号，获取接收前导序列；依据所述接收前导序列，计算幅度补偿因子。具体包括：前导信道估计单元和幅值提取单元。前导信道估计单元用于依据所述前导序列，获取前导信道估计；幅值提取单元用于依次提取所述前导信道估计中复数元素幅值，取所述幅度补偿因子。

相位补偿因子获取模块84，用于提取所述接收数据帧中的数据符号，确定所述数据符号导频位置处的复数元素，获取接收数据符号导频序列；依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算相位补偿因子。包括：数据符号估计模块和相位提取模块。数据符号估计模块用于依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算所述数据符号导频估计；相位提取模块用于依次提取所述数据符号导频估计中复数元素相位，获取所述相位补偿因子。其中，预置导频序列H_pilot可以设为

[(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)

(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)]。

补偿模块86，用于依据获取的所述幅度补偿因子、所述相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度补偿和相位补偿。

以上对本发明所提供的一种基于物理层前导和导频的信道均衡方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于物理层前导和导频的信道均衡方法，其特征在于，在接收数据帧后包括如下步骤：

幅度补偿因子获取步骤，提取所述接收数据帧的第一个OFDM符号，获取接收前导序列；依据所述接收前导序列，计算幅度补偿因子，具体包括以下步骤：

前导信道估计步骤，依据所述前导序列，获取前导信道估计，具体为，

分别去掉帧结构频域前导序列、所述接收前导序列中直流子载波位置的数据点，并提取偶数点构成序列H_preamble_even、H_preamble_receive_even；依据按下式求得

$H\_\mathrm{estimate}\_\mathrm{temp}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{receive}\_\mathrm{even}\left(k\right)}{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{even}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,100;$

将获取的H_estimate_temp序列重复插值得到所述前导信道估计H_estimate_preamble，其中，H_preamble为帧结构频域前导序列，H_preamble_receive为所述接收前导序列；

幅值提取步骤，依次提取所述前导信道估计中复数元素幅值，获取所述幅度补偿因子；

相位补偿因子获取步骤，提取所述接收数据帧中的数据符号，确定所述数据符号导频位置处的复数元素，获取接收数据符号导频序列；依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算相位补偿因子，具体包括以下步骤：

数据符号估计步骤，依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算所述数据符号导频估计，具体为，

由所述接收数据符号导频序列H_pilot_receive和预置导频序列H_pilot依据下式计算数据符号导频估计H_pilot_estimate：

$H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{estimate}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{receive}\left(k\right)}{H\_\mathrm{pilot}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,8;$

相位提取步骤，依次提取所述数据符号导频估计中复数元素相位，获取所述相位补偿因子；

补偿步骤，依据获取的所述幅度补偿因子、所述相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度补偿和相位补偿。

2.根据权利要求1所述的信道均衡方法，其特征在于，所述预置导频序列H_pilot为：

[(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)]。

3.一种基于物理层前导和导频的信道均衡系统，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收数据帧；

幅度补偿因子获取模块，用于提取所述接收数据帧的第一个OFDM符号，获取接收前导序列；依据所述接收前导序列，计算幅度补偿因子，所述幅度补偿因子获取模块包括：

前导信道估计单元，用于依据所述前导序列，获取前导信道估计，具体为：

分别去掉帧结构频域前导序列、所述接收前导序列中直流子载波位置的数据点，并提取偶数点构成序列H_preamble_even、H_preamble_receive_even；依据按下式求得

$H\_\mathrm{estimate}\_\mathrm{temp}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{receive}\_\mathrm{even}\left(k\right)}{H\_\mathrm{preamble}\_\mathrm{even}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,100;$

将获取的H_estimate_temp序列重复插值得到所述前导信道估计H_estimate_preamble，其中，H_preamble为帧结构频域前导序列，H_preamble_receive为所述接收前导序列；

幅值提取单元，用于依次提取所述前导信道估计中复数元素幅值，获取所述幅度补偿因子；

相位补偿因子获取模块，用于提取所述接收数据帧中的数据符号，确定所述数据符号导频位置处的复数元素，获取接收数据符号导频序列；依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算相位补偿因子，所述相位补偿因子获取模块包括：

数据符号估计模块，用于依据所述接收数据符号导频序列和预置导频序列，计算所述数据符号导频估计，具体为：

由所述接收数据符号导频序列H_pilot_receive和预置导频序列H_pilot依据下式计算数据符号导频估计H_pilot_estimate：

$H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{estimate}\left(k\right)=\frac{H\_\mathrm{pilot}\_\mathrm{receive}\left(k\right)}{H\_\mathrm{pilot}\left(k\right)},k=\mathrm{1,2},...,8;$

相位提取模块，用于依次提取所述数据符号导频估计中复数元素相位，获取所述相位补偿因子；

补偿模块，用于依据获取的所述幅度补偿因子、所述相位补偿因子对经过信道影响的数据进行幅度补偿和相位补偿。

4.根据权利要求3所述的信道均衡系统，其特征在于，所述预置导频序列H_pilot为：

[(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)-(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)(0.7+0.7i)]。

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