CN102255845B - 用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法，在本发明中，导频与数据采用了非正交的方式，剩余的K-n个子载波位置上都可以放置数据，从而提高了传输效率。并且本发明中采用了二次信道估计方法.先根据对方导频信息和自身发送数据进行第一次信道估计，得到信道初始估计值，同时利用该信道估计值得到对方发送数据的初始估计；然后根据信道初始估计值和对方发送初始估计，以及自身发送数据进行第二次估计，这样可以提高估计的精度。

Description

用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法

技术领域：

本发明涉及无线通信技术领域，具体讲是一种用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法。

背景技术

近年来,用户对视频电话和移动互联网等高速无线数据业务的需求日益增强，这对无线网络的覆盖和带宽提出了更高的要求。然而由于无线电波信号在空气中随着传输距离的增加而迅速衰减，在发射功率一定的制约下,无线网络的覆盖范围受到一定的限制。为解决上述问题，通过在网络中引入中继基站来帮助用户进行信号的转发,可以在一定程度上降低发射终端功率消耗,并增大传输距离.其中无线双向中继技术由于其较低的实现复杂度和较高的传输效率,在近年来得到了业界广泛关注。

在宽带无线通信系统中,信号发射带宽远大于无线信道的相干带宽.此时,发射数据经过信道后会受到符号间干扰.正交频分复用(OFDM)技术，通过对发送数据流分块，并为每一数据块添加循环前缀的方式，将宽带频率选择性信道转变为若干窄带平坦衰落信道，从而有效克服了符号间干扰。OFDM技术已被数字视频广播(DVB)，第三代移动通信系统演进版本（3G-LTE）等标准所采纳。

因此，将OFDM与双向中继结合成为一种自然的选择.通过OFDM技术可以有效避免高速数据流的符号间干扰，利用双向中继则可以增加无线网络覆盖范围并降低移动终端的功率消耗。在双向中继OFDM系统中，信号收发双方都需要首先移除自身发送数据对接收信号的自干扰，然后对移除自干扰后的信号进行检测以获得对对方发送数据的估计。在这一过程中，收发双方需要精确的自身与中继之间的信道信息以及中继与对方终端中间的信道信息，因此在信号收发双方处必须进行精确的信道估计。现有的导频传输和信道估计方法采用了正交导频插入的方式，即收发双方的导频占用不同的子载波，并且在对方放置导频的子载波上不再发送数据。这种方法具有以下不足：

第一、导频与数据采用正交的复用方式，对于具有K个子载波的系统，若其中n个子载波位置放置导频，则收发双方只能使用剩余的K-2n个子载波位置放置数据，这样为了获得较高的信道估计精度，通常需要插入较多的导频，这意味着将占用较多的子载波，从而导致数据传输效率大大降低。

第二、在信号收发双方进行信道估计时，只是根据对方导频信息进行信道估计，信道估计的精度较低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种既提高了数据传输效率，又保证信道估计精度的用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法。

本发明的技术解决方案是，本发明提供一种用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法，它包括以下步骤：

（1）、信号收发双方将各自的包含有导频信号及发送数据的数据块进行归一化傅里叶变换，并添加循环前缀后同时发送给中继设备；

（2）、中继设备接收到数据块，移除循环前缀后，根据接收信号功率及自身发射功率对数据块进行适当放缩处理；

（3）、中继设备将处理后的信号收发双方发出的数据块添加循环前缀后，全部的数据块同时转发给信号收发双方；

（4）、信号收发双方根据接收到的包含有导频信号及发送数据的数据块进行信道估计；

所述步骤（2）中数据块中信号收发双方的导频所占用的子载波是正交的，信号收发双方的一方的导频和另一方的发送数据所占用的子载波是非正交的，

所述步骤（4）中信道估计的方法采用以下步骤：

a、根据对方导频信号及该导频子载波对应位置上的自身的发送数据进行信道初始估计，得出信道初始估计值；

b、根据信道初始估计值从接收到的数据块中去除自身发送数据引入的干扰，并检测对方发送数据，获得对方发送数据的初次估计值；

c、根据对方数据的初次估计值，对方导频信号、以及自身发送的导频及发送数据进行判决反馈信道估计，得出二次信道估计值；

d、利用二次信道估计值，再次从接收到的数据块中去除自身发送数据引入的干扰，并检测对方发送数据，获得对方发送数据的二次估计值，即得到最终估计值。

采用本发明所述方法，具有以下优点：

第一、数据传输效率的提高：在传统的导频与数据复用方式中，导频与数据采用正交的复用方式，这样对于具有K个子载波的系统,若其中n个子载波位置放置导频，则收发双方只能使用剩余的K-2n个子载波位置放置数据。而在本发明中，导频与数据采用了非正交的方式，剩余的K-n个子载波位置上都可以放置数据，从而提高了传输效率。

第二、信道估计精度的提高:在传统的方法中,只是根据对方导频信息进行信道估计。而在本发明中采用了二次信道估计方法.先根据对方导频信息和自身发送数据进行第一次信道估计,得到信道初始估计值,同时利用该信道估计值得到对方发送数据的初始估计；然后根据信道初始估计值和对方发送初始估计,以及自身发送数据进行第二次估计,这样可以提高估计的精度。

附图说明：

附图1为双向中继正交频复用系统的示意图；

附图2为传统的导频与数据复用方式示意图；

附图3为本发明采用的导频与数据复用方式示意图。

具体实施方式：

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。

本发明提供一种用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法，它包括以下步骤：

（1）、信号收发双方将各自的包含有导频信号及发送数据的数据块进行归一化傅里叶变换，并添加循环前缀后同时发送给中继设备；

如图1，所述设信号收发双方为终端A和终端B，中继设备为中继终端R，设A与B的第t个时刻发送的OFDM块中第n个子载波符号分别为s_A,t(n),s_B,t(n)，n=1,2,…,N。每个OFDM块包含N个符号，其中K个为导频符号，N-K个为数据符号。

发送时收发双方进行导频与数据复用。在终端A中，第k个导频占用的子载波记为α_A,k,k=1,2,…,K，即s_A,t(α_A,k)=Γ_A,k为第k个导频符号，而其余N-K个子载波位置β_A,k,k=1,2,…,N-K，放置数据符号：s_A,t(β_A,k)=d_A,k。由于导频与数据占用不同的子载波位置，并且导频与数据占用所有的子载波，因此子载波位置集合α_A={α_A,1,…α_A,K}与β_A={β_A,1,…β_A,N-K}满足α_A∩β_A=φ，α_A∪β_A={1,2,…,N}。在终端B中，第k个导频占用的子载波记为α_B,k,k=1,2,…,K，即s_B,t(α_B,k)=Γ_B,k为终端B第k个导频符号，而其余N-K个子载波位置β_B,k,k=1,2,…,N-K，放置数据符号：s_B,t(β_B,k)=d_B,k。同样地，子载波位置集合α_B={α_B,1,…α_B,K}与β_B={β_B,1,…β_B,N-K}满足α_B∩β_B=φ，α_B∪β_B={1,2,…,N}。本发明中终端A与终端B中导频符号占用的子载波位置是不同的，即α_A∩α_B=φ，而数据符号占用的子载波位置部分是重叠的β_A∩β_B≠φ；如图3所示，图中暗色部分为导频，白色部分为发出数据，数据块中信号收发双方的导频所占用的子载波是正交的，信号收发双方的一方的导频和另一方的发送数据所占用的子载波是非正交的,即终端A的导频与终端B的发送数据所占用的子载波是非正交的，终端B的导频与终端A的发送数据所占用的子载波也是非正交的。而传统的导频与数据的复用方式如图2所示，信号收发双方的导频与数据均采用正交的复用方式，即终端A发送导频的子载波，终端B不发送数据，终端B发送导频的子载波，终端A不发送数据。

终端A将包含导频与数据符号的第t个OFDM块s_A,t(n),n=1,2,…,N。作N点归一化快速傅里叶逆变换(IFFT)，并添加循环前缀。所述OFDM块即为数据块，终端B也对第t个OFDM块s_B,t(n),n=1,2,…,N作相同操作。然后两个终端同时将各自的第t个OFDM块发射给中继终端R。中继终端R接收到的信号为

$y_R^t={\tilde{H}}_{A,R}^t{F}^H{S}_A^t+{\tilde{H}}_{B,R}^t{F}^H{S}_B^t+n_R^t$

其中F是大小为N×N的归一化傅里叶变换矩阵,

i=A,B,是一个循环矩阵，其第一列为

而

表示从终端i,i=A,B,到中继R的L×1的信道冲击响应向量。也可以表示为

其中

是一个对角阵，可以表示为

而F_L是N×N的傅里叶变换矩阵的前L列。n_R则表示白噪声向量。上述对OFDM块进行归一化傅里叶变换并添加循环前缀发送给中继设备的方法为行业内公知技术，并非本发明的发明点，故不详述。

（2）、中继设备接收到数据块，移除循环前缀后，根据接收信号功率及自身发射功率对数据块进行适当放缩处理；

设中继设备为中继终端R，中继终端R移除第t个接收到的OFDM块的循环前缀后再对接收信号进行线性缩放

$S_R^t=c{y}_R^t---\left(2\right)$

其中c为常数，为满足R平均发射功率的限制，c可以取为

$c=\sqrt{\frac{P_R}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L[P_A{G}_{A,R}\left(l\right)+P_B{G}_{B,R}\left(l\right)]+N_0}}$

其中

P_i表示终端i,i=A,B,R,的平均发射功率。

（3）、中继设备将处理后的信号收发双方发出的数据块添加循环前缀后，全部的数据块同时转发给信号收发双方；

中继终端R将缩放后的OFDM块

添加循环前缀后发射给终端A和B；

（4）、信号收发双方根据接收到的包含有导频信号及发送数据的数据块进行信道估计；

所述步骤（4）中信道估计的方法采用以下步骤：

a、根据对方导频信号及该导频子载波对应位置上的自身的发送数据进行信道初始估计，得出信道初始估计值；

b、根据信道初始估计值从接收到的数据块中去除自身发送数据引入的干扰，并检测对方发送数据，获得对方发送数据的初次估计值；

c、根据对方数据的初次估计值，对方导频信号、以及自身发送的导频及发送数据进行判决反馈信道估计，得出二次信道估计值；

d、利用二次信道估计值，再次从接收到的数据块中去除自身发送数据引入的干扰，并检测对方发送数据，获得对方发送数据的二次估计值，即得到最终估计值。

终端A对接收到的来自中继终端R的OFDM块移除循环前缀，得到

$y_A^t={\tilde{H}}_{A,R}^t{S}_R^t+n_A^t$

然后对该OFDM块作快速傅里叶变换(FFT)，得到

$Y_A^t=F{y}_A^t$

上述为信号收发双方中的其中一方，终端A对OFDM数据块进行解析的方式，同为已知常用技术。

终端A根据终端B发射的OFDM块中的导频子载波位置，提取接收OFDM块相应子载波位置的接收信号，组成向量并可表示为

${\tilde{Y}}_A^t=X_A^t{g}_1^t+X_B^t{g}_2^t+z_A^t$

其中 $X_A^t=\mathrm{diag}\left\{\right[s_{A,t}\left({\mathrm{\α}}_{B,1}\right),\·\·\·,s_{A,t}\left({\mathrm{\α}}_{B,K}\right)\}{F}_{2L-1},$ $X_B^t=\mathrm{ding}\left\{\right[{\mathrm{\Γ}}_{B,1},\·\·\·,{\mathrm{\Γ}}_{B,K}\left]\right\}{F}_{2L-1},$ $g_1^t=c{({h_{A,R}^t}^T\⊗{h_{A,R}^t}^T)}^T,$ $g_2^t=c{({h_{A,R}^t}^T\⊗{h_{B,R}^t}^T)}^T.$

也可以表示为

${\tilde{Y}}_A^t=[X_A^t,X_B^t]\left[\begin{array}{c}{g}_1^t\\ g_2^t\end{array}\right]+z_A^t$ $=X^t{g}^t+z_A^t;$

终端A根据已知的自身发送数据符号s_A,t(α_B,k)，k=1,2,…,K，终端B发送的导频符号s_B,t(α_B,k)=Γ_B,k，k=1,2,…,K，接收到的与导频位置对应的信号向量

按照最小二乘(LS)准则或者最小均方误差(MMSE)准则进行信道初始估计，得到初始估计值

终端A根据信道初始估计值从接收信号

从移除自身发送数据与导频s_A,t(n)，n=1,2,…,N，引入的干扰。得到移除干扰后的OFDM数据块后，根据信道初始估计值

得到对终端B发送数据符号s_B,t(β_B,k)=d_B,k的初始估计值

k=1,2,…,N-K；

终端A提取接收OFDM块所有子载波位置的接收信号，根据已知的自身发送数据符号s_A,t(α_B,k)，k=1,2,…,N-K，自身发送的导频符号s_A,t(α_A,k)=Γ_A,k，k=1,2,…,K，对终端B发送的数据符号的初始估计值k=1,2,…,N-K，以及已知的终端B发送的导频符号s_B,t(α_B,k)=Γ_B,k，k=1,2,…,K，按照LS准则或者LMMSE准则进行信道再次估计，得到反馈估计值

终端A根据信道反馈估计值

从接收信号

中移除自身发送数据与导频s_A,t(n)，n=1,2,…,N，引入的干扰。得到移除干扰后的OFDM数据块后，根据信道反馈估计值

得到对终端B发送数据符号s_B,t(β_B,k)=d_B,k的反馈估计值

k=1,2,…,N-K；

终端B对接收信号的处理类似于终端A的处理，最终得到对终端A发送数据符号的反馈估计值k=1,2,…,N-K。至此完成终端A和终端B的信道估计处理。

Claims (1)

1.一种用于双向正交频分复用系统的导频传输和信道估计方法，它包括以下步骤：

（1）、信号收发双方将各自的包含有导频信号及发送数据的数据块进行归一化傅里叶变换，并添加循环前缀后同时发送给中继设备；

（2）、中继设备接收到数据块，移除循环前缀后，根据接收信号功率及自身发射功率对数据块进行适当放缩处理；

（3）、中继设备将处理后的信号收发双方发出的数据块添加循环前缀后，全部的数据块同时转发给信号收发双方；

（4）、信号收发双方对接收到的来自中继设备的数据块移除循环前缀，然后对该数据块作快速傅里叶变换，信号收发双方根据接收到的包含有导频信号及发送数据的数据块进行信道估计；

其特征在于：所述步骤（1）中数据块中信号收发双方的导频所占用的子载波是正交的，信号收发双方的一方的导频和另一方的发送数据所占用的子载波是非正交的；

所述步骤（4）中信道估计的方法采用以下步骤：

a、根据对方导频信号及该导频子载波对应位置上的自身的发送数据，按照最小二乘(LS)准则或者最小均方误差(MMSE)准则进行信道初始估计，得出信道初始估计值；

b、根据信道初始估计值从接收到的数据块中去除自身发送数据引入的干扰，并检测对方发送数据，获得对方发送数据的初次估计值；

c、根据对方数据的初次估计值，对方导频信号、以及自身发送的导频及发送数据，按照LS准则或者LMMSE准则进行信道再次估计，得出二次信道估计值；

d、利用二次信道估计值，再次从接收到的数据块中去除自身发送数据引入的干扰，并检测对方发送数据，获得对方发送数据的二次估计值，即得到最终估计值。

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