CN102801662A - 一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法及装置。本发明通过在发送端通过对多个数据符号组成簇并进行均值处理，然后基于该均值对每个数据进行实虚部修正，将导频符号和修正后的数据符号进行线性叠加，再经IFFT转换后由发射天线发出，接收端将收到的数据帧进行分簇和FFT变换，在每个簇内对接收的符号进行均值估计，最后基于该均值和借助导频符号按照LS准则对信道进行估计。和传统隐藏导频相比，本发明方法在保证系统高带宽有效性的同时，大大提高信道估计精度和检测性能，甚至可优于低带宽有效的导频辅助信道估计方法，而且复杂度较低，特别适用于慢变信道的高速超宽带系统。

Description

一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法及装置。

背景技术

超宽带(UWB)技术是目前正被广泛研究的一种新兴无线通信技术。与其他无线通信技术相比，UWB技术具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低等优点。基于脉冲的UWB技术和多带OFDM是现行UWB通信系统的两种主流方案。其中的多带OFDM UWB物理层方案被认为是传统OFDM和频跳（FH）的合并方案。和基于脉冲UWB相比，多带OFDM技术在谱占有上有高度的灵活性，并且可以以一种更加有效的方式利用FCC谱，因此，可以避免传统窄带系统UWB系统的干扰，从而改善了系统的性能。

在基于OFDM的UWB系统中，接收机根据信道频域响应对每个子信道进行频域均衡后进行相干检测。然而，实际环境中，密集多径环境下的信道信息并不是先验已知的，接收机需要在检测接收信号前，首先要对信道进行估计或恢复。由于人们往往易于处理仅有几条多径的信道估计情况，所以对含有几百条多径的UWB信道的估计并不易下手。一般而言，传统OFDM系统中已有的信道估计算法可以通过简单的修改推广到多带OFDM系统中。近年来，基于隐藏导频序列或叠加导频的信道估计方法越来越受到重视。该类方法不同于传统导频分配方案，需要为导频序列专门分配时隙或频率，而是将导频叠加在数据信息上传输，以节约宝贵的带宽资源和提高传输速度，并成为一种带宽有效的信道估计方案。在相关文献中，已出现了基于接收信号均值的隐藏导频OFDM系统的信道估计方法，该方法为避免数据对导频的干扰，基于接收信号的一阶统计量，分别按照最小二乘（LS）准则和最小均方误差（MMSE）准则对信道进行估计。然而，由于接收信号的均值是通过对接收信号有限个采样数据进行的算术平均而获得，所以均值的估计误差会使得该方法的性能差于传统导频辅助的信道估计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法和装置，以解决目前多带超宽带系统隐藏导频的信道估计过程由于接收信号的均值是通过对接收信号有限个采样数据进行的算术平均而获得，而导致目前这种信道估计的性能差的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法，该方法的步骤如下：

1）.对待发送信息序列进行QPSK调制后形成正交频分复用符号，将形成的正交频分复用符号形成簇并推算出其符号均值；

2）.利用该均值对每个正交频分复用符号实虚部进行双边判决预处理，以缓解接收机由于采样数据不足导致的均值估计不准而带来信道估计精度不高的问题；

3）.将导频子载波符号和均值预处理数据子载波符号在频域相叠加形成一个隐藏导频的正交频分复用符号；

4）.对每个叠加后正交频分复用符号进行逆傅立叶变换后经发射天线发出；

5）.接收端对接收到的数据帧进行分簇，在每个簇内，对接收的OFDM符号通过傅立叶变换将信号转换至频域；

6）.对每个簇内经过频域变换的信号进行均值估计，借助导频符号按照LS准则对信道进行估计。

所述的发射端进行叠加前的导频子载波符号需要进行功率放大，以缓解叠加导频所引致的发射功率过大的问题。

所述的步骤2）中对每个正交频分复用符号实虚部进行双边判决预处理包括符号实虚部双边判决和均值修正两个部分，如果均值估计的模值为零，则QPSK符号不做修正；如果均值估计的实部或虚部大于零，则QPSK符号的实部或虚部减去估计均值的实部或虚部进行修正；如果估计均值的实部或虚部小于零，则QPSK符号的实部或虚部分别加上估计均值的实部或虚部进行修正。

所述的步骤5）中对接收到的数据帧进行分簇时，簇的大小取决于信道的相干时间，或者由发送端均值估计时OFDM符号的个数决定。

所述的步骤4）中对每个叠加后的正交频分复用符号进行逆傅立叶变换后，需插入循环序列前缀后再经发射天线发出，所述的步骤5）中在对接收到的每个簇内OFDM符号进行傅立叶变换前需要进行去循环前缀的处理。

本发明为解决上述技术问题而提供一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计装置，该信道估计装置包括QPSK调制模块、簇形成均值估计模块、均值预处理模块、线性叠加模块、IFFT变换模块、发射模块、接收模块、FFT变换模块、簇内均值估计模块和LS信道估计模块，QPSK调制模块用于对待发送的信息序列进行QPSK调制以形成正交频分复用符号；均值估计模块用于将由QPSK调制模块形成的多个正交频分复用符号形成簇并估计其符号的均值；均值预处理模块用于根据上述均值对每个正交频分复用符号进行双边判决预处理；线性叠加模块用于将导频子载波符号和均值预处理数据子载波符号在频域上进行叠加以形成一个隐藏导频的正交频分复用符号；IFFT变换模块用于对隐藏导频的正交频分复用符号进行逆傅立叶变换；发射模块用于将经逆傅立叶变换后由发射天线发出；接收模块用于对接收到的数据帧进行分簇；FFT变换模块用于将每个簇内的OFDM符号通过傅立叶变换至频域；簇内均值估计模块用于对接收到的每个簇内的频域信号进行均值估计；LS信道估计模块用于根据导频符号按照LS准则对信道进行估计。

所述的信道估计装置还包括功率放大模块，用于对叠加前的导频子载波符号需要进行功率放大，以缓解叠加导频所引致的发射功率过大的问题。

所述的均值预处理模块用于对每个正交频分复用符号实虚部进行双边判决预处理，包括符号实虚部双边判决和均值修正两个部分，如果均值估计的模值为零，则QPSK符号不做修正；如果均值估计的实部或虚部大于零，则QPSK符号的实部或虚部减去估计均值的实部或虚部进行修正；如果估计均值的实部或虚部小于零，则QPSK符号的实部或虚部分别加上估计均值的实部或虚部进行修正。

所述的接收模块对接收到的数据帧进行分簇时，簇的大小取决于信道的相干时间，或者由发送端均值估计时OFDM符号的个数决定。

所述的信道估计装置还包括循环前缀插入模块和循环前缀去除模块，循环前缀插入模块用于对发射前经IFFT变换模块变换后的频域符号插入循环序列前缀，循环前缀去除模块用于对经接收模块分簇处理后的每个簇内OFDM符号进行去循环前缀处理。

本发明的有益效果是:本发明通过在发送端通过对多个数据符号组成簇并进行均值处理，然后基于该均值对每个数据进行实虚部修正，将导频符号和修正后的数据符号进行线性叠加，再经IFFT转换后由发射天线发出，接收端将收到的数据帧进行分簇和FFT变换，在每个簇内对接收的符号进行均值估计，最后基于该均值和借助导频符号按照LS准则对信道进行估计。和传统隐藏导频相比，本发明方法在保证系统高带宽有效性的同时，大大提高信道估计精度和检测性能，甚至可优于低带宽有效的导频辅助信道估计方法，而且复杂度较低，特别适用于慢变信道的高速超宽带系统。

附图说明

图1是本发明的多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法实施例的流程框图；

图2是本发明的多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法实施例中叠加导频符号的数据符号时频二维结构分布图；

图3是本发明的多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法实施例中三种信道估计方法的误码率性能比较图；

图4是本发明的多带超宽带系统隐藏导频的信道估计装置实施例中的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明的一种多带超宽带系统隐藏导频信道估计方法的实施例

我们以单天线多带UWB系统为例来进行说明，其通信环境为UWB CM1信道，信道满足帧衰落特性，每一帧含有N＝256个OFDM符号，分成M＝8个簇，每一个簇含有N/M＝32个OFDM符号，每个符号的子载波个数为K＝128，每个子载波叠加有数据和导频。导频符号和数据符号均采用的是频域恒模的QPSK调制序列。循环前缀长度为32。背景噪声服从具有均匀功率谱的零均值加性高斯分布。采用本发明方法进行信道估计的流程如图1所示，具体的实施步骤如下：

1.发射端对导频符号

进行功率放大

倍，其中表示对应第m个簇内、第j个符号、第k个子载波的导频符号，m＝0,…,M-1，k＝0,…,K-1；

2.发射端对数据信息序列进行QPSK调制，并形成数据OFDM符号如图2所示，它表示第m个簇、第j个符号、第k个子载波的数据符号，对第m个簇内的N/M个OFDM符号进行算术平均估计数据符号均值为

k＝0,…,K-1，然后，对第m个簇、第j个符号、第k个子载波数据符号

的实部

和虚部分别进行预处理，其包括双边判决和均值修正： $\mathrm{Re}\left[{\tilde{D}}_m^j\left(k\right)\right]=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left[D_m^j\left(k\right)\right],\mathrm{if\; Re}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right]=0\\ \mathrm{Re}\left[D_m^j\left(k\right)\right]-\mathrm{Re}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right],\mathrm{elseif\; Re}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right]>0\\ \mathrm{Re}\left[D_m^j\left(k\right)\right]+\mathrm{Re}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right],\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$ 其中，Re[·]表示取复数的实部； $\mathrm{Im}\left[{\tilde{D}}_m^j\left(k\right)\right]=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Im}\left[D_m^j\left(k\right)\right],\mathrm{if\; Im}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right]=0\\ \mathrm{Im}\left[D_m^j\left(k\right)\right]-\mathrm{Im}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right],\mathrm{elseif\; Im}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right]>0\\ \mathrm{Im}\left[D_m^j\left(k\right)\right]+\mathrm{Im}\left[{\stackrel{\widehat{-}}{D}}_m\left(k\right)\right],\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$ 其中，Im[·]表示取复数的虚部；

3.将步骤1）形成的经过功率补偿导频符号

和步骤2）经过均值预处理数据符号

在频域相叠加为

k＝0,…,K-1，m＝0,…,M-1，

4.对步骤3）的符号矢量

经逆傅立叶变换和后进行循环前缀的插入，并在射频处理后经发射天线发出；

5.接收端首先对接收到的第m个簇、第j个符号的时域信号进行去循环前缀处理，然后进行傅里叶变换得第m个簇、第j个符号接收频域信号矢量为

其中，

表示对角元为向量

的K维对角矩阵，

表示第m个簇、第j个符号信道频率响应矢量，且假设信道是慢衰落的，所以

矢量是零均值的、联合统计独立的高斯白噪声矢量；

6.在第m个簇内对接收的频域信号进行均值估计

由于在发射端已经对数据符号的均值进行了均值预处理，而噪声的统计均值矢量又为零，所以可得信道频域响应的LS估计为

其中，

向量P_m＝[P_m(0),…,P_m(k)，…,P_m(K-)1]^T是由导频符号

j＝0,…,N/M-1组成的导频频域矢量，[]^-1表示矩阵求逆操作。

上述的信道估计过程，采用了和数据相叠加的隐藏导频的传输模式，所以系统具有高带宽有效性，不必给导频分配独立的时频资源。整个估计过程要求发射端在数据符号与导频叠加之前进行均值预处理，其中的均值估计过程仅使用了算术平均，因此复杂度不高。又由于接收机基于接收信号的均值采用LS准则对信道进行估计，并未使用信道相关特性知识和复杂的矩阵操作，因此和传统隐藏导频LS信道估计方法，在复杂度增加不多的前提下有效地提高了信道估计的精度，使用本发明的信道估计方法计算系统的信道状态信息，不仅可以满足高精度的估计性能，复杂度低，而且特别可适合高带宽有效的UWB系统。

图3为本发明方法采用的信道估计方法、传统辅助导频LS信道估计方法、传统隐藏导频LS信道估计方法以及完美信道下的误码率性能随信噪比变化的比较结果。其中，本发明方法和传统隐藏导频方法中的功率因子均为最优值0.6。由图3可知：虽然传统隐藏导频信道估计方法具有高带宽有效性，但当信噪比超过20dB，性能差于传统导频辅助信道估计方法；本发明方法在整个信噪比范围内，均明显优于传统隐藏导频，而且本发明方法由于采用了多个接收信号的算术均值进行的LS估计，所以也优于仅利用接收信号进行LS估计的传统辅助导频信道估计方法的误码率性能，且距离完美信道下的误码率性能仅有约1dB的性能损失。本发明信道估计方法不需要进行复杂矩阵运算，也无需事先获取信道的相关特性信息，仅需在发射机对数据符号进行均值预处理，获得了较高的估计精度，而且接收机基于接收信号的均值使用了LS信道估计方法，易于实用化。

本发明的一种多带超宽带系统隐藏导频信道估计装置的实施例

如图4所示的，本发明的多带超宽带系统隐藏导频信道估计装置包括包括QPSK调制模块、功率放大模块、簇形成均值估计模块、均值预处理模块、线性叠加模块、IFFT变换模块、循环前缀插入模块、发射模块、接收模块、循环前缀去除模块、FFT变换模块、簇内均值估计模块和LS信道估计模块。QPSK调制模块用于对待发送的信息序列进行QPSK调制以形成正交频分复用符号；均值估计模块用于将由QPSK调制模块形成的多个正交频分复用符号形成簇并估计其符号的均值；均值预处理模块用于根据上述均值对每个正交频分复用符号进行双边判决预处理；功率放大模块用于对叠加前的导频子载波符号需要进行功率放大；线性叠加模块用于将导频子载波符号和均值预处理数据子载波符号在频域上进行叠加以形成一个隐藏导频的正交频分复用符号；IFFT变换模块用于对隐藏导频的正交频分复用符号进行逆傅立叶变换；循环前缀插入模块用于对发射前经IFFT变换模块变换后的频域符号插入循环序列前缀；发射模块用于将经逆傅立叶变换后由发射天线发出；接收模块用于对接收到的数据帧进行分簇；循环前缀去除模块用于对经接收模块分簇处理后的每个簇内OFDM符号进行去循环前缀处理；FFT变换模块用于将每个簇内的OFDM符号通过傅立叶变换至频域；簇内均值估计模块用于对接收到的每个簇内的频域信号进行均值估计；LS信道估计模块用于根据导频符号按照LS准则对信道进行估计。该信道估计装置具体的信道估计过程如本发明的多带超宽带系统隐藏导频信道估计方法实施例所述的一致，这里就不再赘述。

尽管本发明结合特定实施例进行了描述，但是对于本领域的技术人员来说，可以在不背离本发明的精神或范围的情况下进行修改或变化。这样的修改和变化都应被视作在本发明的范围和附加的权利要求书范围之内。

Claims (10)

1. 一种多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法，其特征在于：该信道估计方法的步骤如下：

 1）.对待发送信息序列进行QPSK调制后形成正交频分复用符号，将形成的正交频分复用符号形成簇并推算出其符号均值；

2）.利用该均值对每个正交频分复用符号实虚部进行双边判决预处理，以缓解接收机由于采样数据不足导致的均值估计不准而带来信道估计精度不高的问题；

3）.将导频子载波符号和均值预处理数据子载波符号在频域相叠加形成一个隐藏导频的正交频分复用符号；

4）.对每个叠加后正交频分复用符号进行逆傅立叶变换后经发射天线发出；

5）.接收端对接收到的数据帧进行分簇，在每个簇内，对接收的OFDM符号通过傅立叶变换将信号转换至频域；

6）.对每个簇内经过频域变换的信号进行均值估计，借助导频符号按照LS准则对信道进行估计。

2. 根据权利要求1所述的多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法，其特征在于：所述的发射端进行叠加前的导频子载波符号需要进行功率放大，以缓解叠加导频所引致的发射功率过大的问题。

3. 根据权利要求2所述的多带超宽带系统隐藏导频的信道估计方法，其特征在于：所述的步骤2）中对每个正交频分复用符号实虚部进行双边判决预处理，包括符号实虚部双边判决和均值修正两个部分，如果均值估计的模值为零，则QPSK符号不做修正；如果均值估计的实部或虚部大于零，则QPSK符号的实部或虚部减去估计均值的实部或虚部进行修正；如果估计均值的实部或虚部小于零，则QPSK符号的实部或虚部分别加上估计均值的实部或虚部进行修正。

4.根据权利要求2所述的多带超宽带系统隐藏导频信道估计方法，其特征在于：所述的步骤5）中对接收到的数据帧进行分簇时，簇的大小取决于信道的相干时间，或者由发送端均值估计时OFDM符号的个数决定。

5.根据权利要求1所述的多带超宽带系统隐藏导频信道估计方法，其特征在于：所述的步骤4）中对每个叠加后的正交频分复用符号进行逆傅立叶变换后，需插入循环序列前缀后再经发射天线发出，所述的步骤5）中在对接收到的每个簇内OFDM符号进行傅立叶变换前需要进行去循环前缀的处理。

6.一种多带超宽带系统隐藏导频信道估计装置，其特征在于：该信道估计装置包括：

QPSK调制模块：用于对待发送的信息序列进行QPSK调制以形成正交频分复用符号；

均值估计模块：用于将由QPSK调制模块形成的多个正交频分复用符号形成簇并估计其符号的均值；

均值预处理模块：用于根据上述均值对每个正交频分复用符号进行双边判决预处理；

线性叠加模块：用于将导频子载波符号和均值预处理数据子载波符号在频域上进行叠加以形成一个隐藏导频的正交频分复用符号；

IFFT变换模块：用于对隐藏导频的正交频分复用符号进行逆傅立叶变换；发射模块用于将经逆傅立叶变换后由发射天线发出；

接收模块：用于对接收到的数据帧进行分簇；

FFT变换模块：用于将每个簇内的OFDM符号通过傅立叶变换至频域；

簇内均值估计模块：用于对接收到的每个簇内的频域信号进行均值估计；

LS信道估计模块：用于根据导频符号按照LS准则对信道进行估计。

7.根据权利要求6所述的多带超宽带系统隐藏导频信道估计装置，其特征在于：所述的信道估计装置还包括功率放大模块，用于对叠加前的导频子载波符号需要进行功率放大，以缓解叠加导频所引致的发射功率过大的问题。

8.根据权利要求6所述的多带超宽带系统隐藏导频信道估计装置，其特征在于：所述的均值预处理模块用于对每个正交频分复用符号实虚部进行双边判决预处理，包括符号实虚部双边判决和均值修正两个部分，如果均值估计的模值为零，则QPSK符号不做修正；如果均值估计的实部或虚部大于零，则QPSK符号的实部或虚部减去估计均值的实部或虚部进行修正；如果估计均值的实部或虚部小于零，则QPSK符号的实部或虚部分别加上估计均值的实部或虚部进行修正。

9.根据权利要求6所述的多带超宽带系统隐藏导频信道估计装置，其特征在于：所述的接收模块对接收到的数据帧进行分簇时，簇的大小取决于信道的相干时间，或者由发送端均值估计时OFDM符号的个数决定。

10.根据权利要求6所述的多带超宽带系统隐藏导频信道估计装置，其特征在于：所述的信道估计装置还包括循环前缀插入模块和循环前缀去除模块，循环前缀插入模块用于对发射前经IFFT变换模块变换后的频域符号插入循环序列前缀，循环前缀去除模块用于对经接收模块分簇处理后的每个簇内OFDM符号进行去循环前缀处理。

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