CN103166879A - 一种信道估计方法及应用该方法ofdm系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信道估计方法及应用该方法OFDM系统。该方法中，在发送端，采用时域扩充结构，即发送端快速傅里叶逆变换之后的OFDM符号在时域上重复若干遍；在接收端，数据进行傅里叶变换之后，一组时域扩充的OFDM符号相同位置的数据进行平均作为此组OFDM符号的接收信号，提取其导频进行信道估计，将一个接收信号中所有导频的均值作为整个信号的信道估计值，通过数据重复提高导频的可靠性。本发明提出的信道估计方法在低信噪比情况下能够获得更好的信道估计性能，并且具有较低的硬件复杂度。

Description

一种信道估计方法及应用该方法OFDM系统

技术领域

本发明涉及通信行业信道估计方法技术领域，尤其涉及一种信道估计方法及应用该方法的OFDM系统。

背景技术

电力线通信(Power Line Communication)系统是指建立在电力输送网络基础上，实现电力线网络各节点之间以及与其他通信网络间通信的系统。电力线通信属于有线信道通信，利用电力线网络作为传输媒介，无需另架通信线路，通信成本低且不占用通信频段。电力线在建筑物中处处可达，特别适合室内通信，但是电力线不是为通信而设计的，电力线信道上噪声大、干扰强、负载阻抗变化剧烈、存在严重的频率选择性衰落。

随着数据通信技术的发展，电力线通信逐渐成为可能。电力线通信目前主要采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)技术，OFDM技术采用多载波调制(MCM)，把数据分成若干个并行数据流，再调制到相互正交的子载波上进行并行传输。并行方式传输多个符号可以相应增加码的持续时间，减小衰落环境带来的码间干扰。OFDM技术具有很好的抗频率选择性衰落的特点，且信道容量大，非常适合电力线通信。但是由于电力线信道噪声大，传统的OFDM结构不能满足性能需要，时域扩充结构可以提高导频的可靠性，用于低压电力线通信OFDM系统可以提高系统的性能。同时需要采取有效的信道估计方法对接收信号的信道响应进行估计。

信道估计是OFDM系统中均衡和解调的基础，信道估计可以分成两类：非盲估计和盲估计。基于导频的非盲估计由于良好的性能被广泛的应用在OFDM通信系统。基于导频的信道估计算法的流程是：在发送端数据子载波中插入导频子载波，接收端利用已知导频恢复出导频位置的信道响应，再通过某种算法利用导频信道响应估计出数据位置处的信道响应，进而进行均衡和解调。在基于导频的信道估计中，最小均方误差(MMSE，Minimum Mean Square Error)是最优准则，MMSE算法对载波间干扰和高斯白噪都有很好的抑制作用，但其缺点是算法的复杂度太高，并随着抽样点增多呈指数增长。在此基础上出现了低阶线性最小均方误差(LinearMMSE，简称LMMSE)方法，避免了矩阵求逆，在降低复杂度的同时其信道估计性能与MMSE接近。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术OFDM系统的信道估计方法存在如下技术缺陷：在信道中由于噪声和干扰的影响导致信号的信噪比很低的情况下，信道估计值准确性差，从而导致后续信号处理中用信道估计值进行相位补偿的效果不理想。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种信道估计方法及应用该方法的OFDM系统，以提高信道估计值准确性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种信道估计方法，该方法包括发送端的流程和接收端的流程。在发送端：形成OFDM符号，OFDM符号中包括数据和导频；对OFDM符号进行时域扩充，T+1个相同的OFDM符号形成一组OFDM时域扩充符号，其中，T大于等于1；将OFDM时域扩充信号进行数模转换后，送入通信线路中进行传输。在接收端：将从通信线路中获取的模拟信号解调出OFDM符号的数据和导频，将一组时域扩充OFDM符号中T+1个相同的OFDM符号所有相同位置的数据求均值，时域上的T+1个OFDM符号转化为1个OFDM符号；将该OFDM符号中所有导频数据求均值作为该OFDM符号的信道估计值。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种OFDM系统。该系统包括一调制装置和一解调装置。其中，调制装置，用于形成OFDM符号，OFDM符号中包括数据和导频；对OFDM符号进行时域扩充，T+1个相同的OFDM符号形成一组OFDM时域扩充符号，其中，T大于等于1；将OFDM时域扩充信号进行数模转换后，送入通信线路中进行传输。解调装置，用于将从通信线路中获取的模拟信号解调出OFDM符号的数据和导频，将一组时域扩充OFDM符号中T+1个相同的OFDM符号所有相同位置的数据求均值，时域上的T+1个OFDM符号转化为1个OFDM符号；将该OFDM符号中所有导频数据求均值作为该OFDM符号的信道估计值。

(三)有益效果

本发明信道估计方法及应用该方法OFDM系统具有以下有益效果：

(1)本发明的信道估计方法中，采用时域扩充结构，即发送端IFFT之后的OFDM符号在时域上重复若干遍，通过数据重复提高导频的可靠性，从而能够在低信噪比情况下获得更好的信道估计性能，明显降低误码率；

(2)从应用该方法的流程上来看，只是将OFDM符号重复若干遍而后在信道中传输即可，不需要增加相应的硬件处理设备，因此应用该方法的OFDM系统不需要对现有的硬件做太大的改进，具有较低的硬件复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例信道估计方法的流程图；

图2为本发明实施例信道估计方法中进行时域扩充后的OFDM符号的示意图；

图3为在信噪比从-10dB到-4dB的情况下，本发明信道估计方法与经典LMMSE方法的比特错误概率性能比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种信道估计方法。图1为本发明实施例信道估计方法的流程图。如图1所示，本实施例包括以下步骤：

步骤100，在频域每隔NF个有效数据插入一个导频，使OFDM符号由有效数据和导频组成；

本步骤中，NF称为导频间隔，按照一般的OFDM系统的设置规则，NF可以取3、5或7。

步骤101，对由有效数据和导频组成的OFDM符号进行快速傅里叶逆变换(IFFT变换)；

需要说明的，此处应用的快速傅里叶逆变换，而如果不考虑算法的复杂度来讲，应用普通的傅里叶逆变换也可以达到相同的目的。本步骤中，OFDM符号经过IFFT变换后的表达式为：

$x\left(n\right)=\mathrm{IFFT}\left\{X\left(k\right)\right\}=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)\exp (j2\mathrm{\πkn}/N),n=\mathrm{0,1},...,N-1,$

其中X(k)表示发送信息，N表示一个OFDM符号内的子载波个数。

步骤102，在进行快速傅里叶逆变换后的OFDM符号前插入循环前缀，形成完整的OFDM符号；

其中，插入循环前缀是将OFDM符号尾部的数据复制到符号最前端。加入循环前缀后的OFDM数据可以表示成：

x′_N-M，x′_N-M+1，…，x′_N-1，x₀，x₁，…，x_N-2，x_N-1，

其中，x₀，x₁，…，x_N-2，x_N-1为OFDM符号的数据，x′_N-M，x′_N-M+1，…，x′_N-1为循环前缀的数据，其等于与其下标序号相同的OFDM符号的数据。

在本实施例中循环前缀的长度M等于48，子载波个数N等于512。当然，循环前缀和子载波个数也可以取其他值，只要符合OFDM相关协议的标准即可，此处不再赘述。

步骤103，对每个OFDM符号都进行时域扩充；

本步骤中，将加入循环前缀后的OFDM符号在时域上复制T次，T+1个相同的OFDM符号形成一组OFDM时域扩充符号，其中时域扩充次数T＝1～17。通过每个OFDM符号在时域上重复若干次来保证接收数据更加可靠。

图2为本发明实施例信道估计方法中进行时域扩充后的OFDM符号的示意图。图2中给出了两组OFDM时域扩充符号，每组OFDM时域扩充包含6个重复的OFDM符号(T＝5)，其中，实心方块表示OFDM符号中的导频部分，空心方块表示OFDM符号中数据部分。

步骤104，将进行时域扩充后的OFDM符号经过数模转换器进行数字/模拟转换后进入电力线信道；

本步骤中，信道也可以为其他类型的信道。当然，本发明应用于低信噪比信道的优势更为明显。

步骤105，OFDM模拟信号在信道上进行传输，信号在电力线上的信噪比通常低于0dB，远低于无线信道；

步骤106，接收端接收的信号经过模数转换器，模拟信号被转换为数字信号；

步骤107，进行发送端和接收端的同步，得到每个OFDM符号的起始位置，根据该起始位置去除OFDM符号的循环前缀；

步骤108，进行FFT变换，经过FFT变换后的数据可表示成：

$Y\left(k\right)=\mathrm{FFT}\left\{y\left(n\right)\right\}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πkn}/N);$

其中，所述Y(k)为经过傅里叶变换后的OFDM频域数据；所述y(n)为取出循环前缀后的OFDM数据；所述N为一个OFDM符号内的子载波个数。需要说明的，此处应用的快速傅里叶变换，而如果不考虑算法的复杂度来讲，应用普通的傅里叶变换也可以达到相同的目的。

步骤109，将一组时域扩充OFDM符号中所有相同位置的数据求均值，作为这组OFDM符号的接收信号，时域上的T+1个符号转化为1个符号：

$R\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}Y(k,t)/(T+1),$

其中，T表示时域扩充次数，所述R(k)为所述转化后的1个OFDM符号中的第k个数据，所述Y(k，i)为所述T+1个OFDM符号中的第i个OFDM符号中的第k个数据。

步骤110，将接收信号中所有导频数据求均值作为整个信号所有有效数据的信道估计值：

$H=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_p\left(l\right)/L,$

其中，所述H为整个信号有效数据的信道估计值，所述R_p(l)为第l个导频数据，L表示一个OFDM符号中导频个数。

在后续步骤中，利用该信道估计值来对OFDM符号中的数据进行相位补偿。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种应用上述信道估计方法的OFDM系统。该OFDM系统包括：调制装置和解调装置。其中，调制装置，用于：在频域上，每隔N_F个数据插入一个导频；对插入导频的数据进行快速傅里叶逆变换，将频域数据变换为时域数据；在进行快速傅里叶逆变换后的导频和数据前加入循环前缀，形成OFDM符号；对OFDM符号都进行时域扩充，T+1个相同的OFDM符号形成一组OFDM时域扩充符号；将OFDM时域扩充信号进行数模转换后，送入通信线路中进行传输。解调装置，用于：从通信线路中获取模拟信号，将该模拟信号进行模数转换；对进行模数转换后获得的数字信号进行同步，得到每个OFDM符号的起始位置，并去除每个OFDM符号的循环前缀；将去除循环前缀的OFDM符号进行傅里叶变换，将时域数据变为频域数据；将一组时域扩充OFDM符号中所有相同位置的数据求均值，时域上的T+1个OFDM符号转化为1个OFDM符号；将接收信号中所有导频数据求均值作为该OFDM符号的信道估计值。

申请人对本发明信道估计方法采用不同的参数进行了五次仿真来验证其性能：

在第一次仿真中，T＝1，即一组OFDM时域扩充符号中包含2个相同的OFDM符号；N_F＝3，即每隔3个数据插入一个导频；

在第二次仿真中，T＝4，即一组OFDM时域扩充符号中包含5个相同的OFDM符号；N_F＝5，即每隔5个数据插入一个导频；

在第三次仿真中，T＝5，即一组OFDM时域扩充符号中包含6个相同的OFDM符号；N_F＝7，即每隔7个数据插入一个导频；

在第四次仿真中，T＝6，即一组OFDM时域扩充符号中包含7个相同的OFDM符号；N_F＝7，即每隔7个数据插入一个导频；

在第五次仿真中，T＝17，即一组OFDM时域扩充符号中包含18个相同的OFDM符号；N_F＝7，即每隔7个数据插入一个导频；

该五次仿真表明：在低信噪比信道中，本发明的信道估计方法的误码率均低于LMMSE算法的误码率。由于T的取值越大，所消耗的时域频域资源就越多，权衡提高误码率和消耗的频域资源，T＝4、5或6是合理的选择。以下以其中的第三次仿真为例进行详细说明，其他的仿真过程与此类似，不再进行详细说明。在该次仿真中，仿真参数如表1所示。

表1 第三次仿真的仿真参数

FFT点数	512
		循环前缀点数	48
调制方式	BPSK
		时域扩充次数	5
导频个数	25
		有效数据个数	72

图3为在信噪比从-10dB到-4dB的情况下，本发明信道估计方法与经典LMMSE方法的比特错误概率性能比较图。图3中，横坐标是信噪比SNR，单位是dB，纵坐标是误码率BER。从图中3可以看出，在低信噪比信道中，本发明的信道估计方法的误码率低于LMMSE算法的误码率。例如，在信噪比为-7dB的情况下，LMMSE算法的误码率为4×10^-3；而本发明信道估计方法的误码率为2.5×10^-5。

综上所述，本发明信道估计方法及应用该方法OFDM系统具有以下有益效果：

(1)本发明的信道估计方法中，采用时域扩充结构，即发送端IFFT之后的OFDM符号在时域上重复若干遍，通过数据重复提高导频的可靠性，从而可以在低信噪比情况下能够获得更好的信道估计性能，明显降低误码率；

(2)从应用该方法的流程上来看，只是将OFDM符号重复若干遍而后在信道中传输即可，不需要增加相应的硬件处理设备，因此应用该方法的OFDM系统不需要对现有的硬件做太大的改进，具有较低的硬件复杂度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种信道估计方法，其特征在于，包括：

在发送端：形成OFDM符号，所述OFDM符号中包括数据和导频；对所述OFDM符号进行时域扩充，T+1个相同的OFDM符号形成一组OFDM时域扩充符号，其中，T大于等于1；将所述OFDM时域扩充信号进行数模转换后，送入通信线路中进行传输；

在接收端：将从通信线路中获取的模拟信号解调出所述OFDM符号的数据和导频，将一组时域扩充OFDM符号中T+1个相同的OFDM符号所有相同位置的数据求均值，时域上的T+1个OFDM符号转化为1个OFDM符号；将该OFDM符号中所有导频数据求均值作为该OFDM符号的信道估计值。

2.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，所述对OFDM符号都进行时域扩充的步骤中，所述T介于1至17之间。

3.根据权利要求2所述的信道估计方法，其特征在于，所述T＝4、5或6。

4.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，所述在接收端，将一组时域扩充OFDM符号中所有相同位置的数据求均值的步骤中，通过以下公式计算所述均值：

$R\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}Y(k,t)/(T+1),$

其中，所述R(k)为所述转化后的1个OFDM符号中第k个数据，所述Y(k，i)为所述T+1个OFDM符号中的第i个OFDM符号的第k个数据。

5.根据权利要求4所述的信道估计方法，其特征在于，所述在接收端，将接收信号中所有导频数据求均值作为该OFDM符号的信道估计值的步骤中，按照以下公式计算该OFDM符号的信道估计值：

$H=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_p\left(l\right)/L,$

其中，所述H为整个信号有效数据的信道估计值，所述R_p(l)为第l个导频数据，L表示一个OFDM符号中导频个数。

6.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，

在发送端，所述形成OFDM符号的步骤包括：在频域上，每隔NF个数据插入一个导频；对插入导频的数据进行傅里叶逆变换，将频域数据变换为时域数据，在所述时域数据前加入循环前缀，形成OFDM符号；

在接收端，所述将从通信线路中获取的模拟信号解调出所述OFDM符号的步骤包括：将从通信线路中获取的模拟信号进行模数转换；对进行模数转换后获得的数字信号进行同步，去除每个OFDM符号的循环前缀；将去除循环前缀的OFDM符号进行傅里叶变换，将时域数据变换为频域数据，从而解调出所述OFDM符号的数据和导频。

7.根据权利要求6所述的信道估计方法，其特征在于，所述每隔N_F个数据插入一个导频的步骤中，所述N_F＝3、5或7。

8.根据权利要求6所述的信道估计方法，其特征在于，所述在发送端，对插入导频的数据进行快速傅里叶逆变换的步骤中，按照以下公式进行傅里叶逆变换：

$x\left(n\right)=\mathrm{IFFT}\left\{X\left(k\right)\right\}=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)\exp (j2\mathrm{\πkn}/N),n=\mathrm{0,1},...,N-1,$

其中，所述N为一个OFDM符号内的子载波个数；所述X(k)为插入导频后的数据，所述x(n)为经过傅里叶逆变换后的时域数据。

9.根据权利要求8所述的信道估计方法，其特征在于，所述在接收端，将去除循环前缀的OFDM符号进行傅里叶变换的步骤中，按照以下公式进行傅里叶变换：

$Y\left(k\right)=\mathrm{FFT}\left\{y\left(n\right)\right\}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πkn}/N),$

其中，所述Y(k)为经过傅里叶变换后的OFDM频域数据；所述y(n)为取出循环前缀后的OFDM数据；所述N为一个OFDM符号内的子载波个数。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的信道估计方法，其特征在于，应用于电力线通信中。

11.一种OFDM系统，其特征在于，包括：

调制装置，用于形成OFDM符号，所述OFDM符号中包括数据和导频；对所述OFDM符号进行时域扩充，T+1个相同的OFDM符号形成一组OFDM时域扩充符号，其中，T大于等于1；将所述OFDM时域扩充信号进行数模转换后，送入通信线路中进行传输；

解调装置，用于将从通信线路中获取的模拟信号解调出所述OFDM符号的数据和导频，将一组时域扩充OFDM符号中T+1个相同的OFDM符号所有相同位置的数据求均值，时域上的T+1个OFDM符号转化为1个OFDM符号；将该OFDM符号中所有导频数据求均值作为该OFDM符号的信道估计值。

12.根据权利要求11所述的OFDM系统，其特征在于，所述T介于1至17之间。

13.根据权利要求12所述的OFDM系统，其特征在于，所述T＝4、5或6。

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