CN103281264B - Ofdm系统中自适应导频样式的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供OFDM系统中自适应导频样式的信道估计算法，对现有技术的OFDM中的信道算法进行优化，提出一种新的自适应导频插入方式，同时提出一种相应的最邻近信道估计算法。该算法利用了OFDM符号的信道相关性，能够很快地跟上信道的变化，使新算法比原有算法大大提高了信道估计的性能。由于采用了所述技术方案，本发明在同样的信噪比和系统环境下，当误码率(BER)达到10^‑4时，本发明提出得信道估计算法较现有的经典算法有5dB的增益，即此时在同样的误码率要求下可以大大节约发送端的发送功率，而在同样的发送功率下，所提出的算法能大大地降低误码率。

Description

OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法

技术领域

本发明涉及一种无线宽带通信估计算法，尤其涉及OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是第四代移动通信(4G)中的关键技术，对其信道进行估计的准确性直接影响到系统的误码率(bit error rate BER)性能。正交频分复用(OFDM)技术因是一种高速率的无线传输技术，能有效地抑制符号间干扰，被广泛应用于各种无线通信系统中，如无线局域网(WLAN)、高清晰度电视(HDTV)、数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)等。由于无线信道的随机性、未知性，使信道估计器的设计变得尤其重要，能否获得详细的信道信息，从而在接收端正确地解调出发射信号，是衡量一个无线通信系统性能的重要指标。

现有技术中，北京北方烽火科技有限公司，提出过《一种OFDM系统中的子载波交叉离散导频插入方法》的发明专利(CN200810101071.5，2008年2月28日)。该发明涉及一种无线宽带通信OFDM系统中的子载波交叉离散导频插入方法。这种导频插入方法兼顾所有的子载波，保证在所有的子载波上都有导频，避免在离散插入方式中有些子载波上没有导频的缺陷，因为如果一些子载波上没有导频，这些子载波的信道衰落情况就只能依靠内插的方法得到。由于信道衰落的随机性，内插方法得到的衰落是不准确的。子载波交叉离散导频插入方法可以较好克服子载波信道估计由于内插而带来的偏差，改善OFDM系统信道估计的精度。

但是该发明中所述的这个导频样式只在一定程度上兼顾了子信道之间的相关性，并没有象所提出的算法那样充分地利用子信道间的相关性。如图1所示就是该发明所述的导频结构。可以看见该发明采用的是固定位置的导频插入模式，并用内插法来进行非导频子信道上的估计，对于非线性变化的信道，这个方法是不能对子信道进行很好的估计的。同时，这个算法的导频插入样式是固定地，即不是随着信道的变化而变化的，因此，当信道快速变化时，这个导频插入样式和其中的内插算法不能很好地跟上信道的变化，当信道慢速变化时，这个导频数目又插入地太多，从而影响了数据的传输速率。

发明内容

本发明的目的是提供OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法，对现有技术的OFDM中的信道算法进行优化，提出一种新的自适应导频插入方式，同时提出一种相应的最邻近信道估计方法。该算法利用了OFDM符号的信道相关性，能够很快地跟上信道的变化，使新算法比原有算法大大提高了信道估计的性能。

为了达到所述效果，本发明OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法，用于第四代移动通信系统中的信息接收端，包括以下步骤，

步骤1：对于相邻的两个OFDM符号进行导频插入，其中导频插入时错

开一个导频位置的距离；

步骤2：导频插入同时估计其它OFDM符号中子信道；

步骤3：提取OFDM系统中传输数据，对每个OFDM符号所采用的导频子信道的数目设置插入导频的时变参数因子M，即导频插入周期是M，对于第m个OFDM符号中第p个子信道的冲击响应的傅里叶变换形式可以表示成：

其中X_p，m、Y_p，m分别表示第m个OFDM块中第p个子信道中的传输的已知信号和接收到的信号，当M个OFDM符号内的所有导频信道冲击响应估计完以后，被传输的估计信号可以用下式表示：

其中Y_d，m是在第m个OFDM符号内的第d个数据信道上接收到的信号，是第m个OFDM符号内的第d个数据信道的频域冲击响应，而X_d，m则是解调后的相应传输数据估计值。优选的，所述步骤1中在一个OFDM符号中传输(M-1)个OFDM数据符号后就插入一个相应的导频符号。

优选的，所述步骤2采用最近邻法来进行，即寻找和当前子信道在OFDM符号的时间和频率域中最近的导频子信道，并用此导频子信道的参数来代替此子信道的参数，此时，当一个数据子信道附近有多个最邻近的导频子信道时，此数据子信道的频域冲击响应就采用这些最邻近的导频子信道冲击响应的平均值。

优选的，在快衰落信道中，M的值非常小，而在慢衰落信道中M的值大。只有这样才能既可以利用OFDM符号的相关性又能自适应地进行高速的传输数据。

优选的，所述M值的选取需要满足使OFDM符号中的子信道能够跟上信道的3％以下的变化的条件。即M的选取只要使估计出的前M个OFDM符号导频子信道参数和当前OFDM符号相同频率位置导频处的子信道的估计出的参数的差值在3％以下就可以了。这样既符合估算要求，同时也能简化算法。

由于采用了所述技术方案，本发明在同样的信噪比和系统环境下，当误码率(BER)达到10^-4时，本发明提出得信道估计方法较现有的经典算法有5dB的增益，即此时在同样的误码率要求下可以大大节约发送端的发送功率，而在同样的发送功率下，所提出的算法能大大地降低误码率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为北京北方烽火科技有限公司《一种OFDM系统中的子载波交叉离散导频插入方法》所采用的导频结构。

图2为本发明OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法采用的导频插入样式效果示意图。

图3为本发明OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法和块状导频样式下的LS算法的性能比较效果示意图。

图4为本发明OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法和北京北方烽火科技有限公司《一种OFDM系统中的子载波交叉离散导频插入方法》的性能比较效果示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明采用一种新的自适应分块错位导频符号样式进行插入，在这里加载导频的子信道用实心圆圈来表示，其余的非实心的圆圈表示加载传输数据的子信道。对于相邻的两个OFDM符号，导频的插入位置是错开一个导频位置的，而不是像传统方法中那样在同一位置的。在新的导频插入样式中，每个OFDM符号所采用的导频子信道的数目有一个参数。我们用M表示插入导频的时变参数因子，即，在一个OFDM符号中传输(M-1)个OFDM数据符号后就插入一个相应的导频符号，也就是新提出的导频插入周期是M。在快衰落信道中，M的值必须非常小，而在慢衰落信道中M的值可以大些，只有这样才能既可以利用OFDM符号的相关性又能自适应地进行高速的传输数据。

所提出的导频样式能够适应于时变信道的情况，并对时变的子信道进行很好的估计。而现有技术中的导频样式就不能很好地对时变信道加以估计，现有技术中当插入两个导频的OFDM符号之间有较大的变化时，其信道估计的方法是无法对这两个插入导频的OFDM符号之间的符号加以准确的估计的。

同时，当OFDM信道在几个OFDM符号的时间内变化很小或者几乎没有变化时，可以利用不同OFDM符号之间的子信道的相关性来进行信道估计并提高估计精度。现有技术也是无法提取出这样的相关性的信息的。

和北京北方烽火科技有限公司的《一种OFDM系统中的子载波交叉离散导频插入方法》的发明专利(CN200810101071.5，2008年2月28日)相比，在本明中，导频的插入是自适应的，其能随着信道的变化而变化，当信道快变时，插入更多的导频信号，当信道缓慢变化时，少插入些导频信号。而在对比的发明中，采用的是固定位置的导频插入模式，并用内插法来进行非导频子信道上的估计，对于非线性变化的信道，这个方法是不能对子信道进行很好的估计的。 对此，本发明采用最近邻法来估计传输数据的子信道，能适合信道非线性的变化。同时，这个算法的导频插入样式是固定地，即不是随着信道的变化而变化的，因此，当信道快速变化时，这个导频插入样式和其中的内插算法不能很好地跟上信道的变化，当信道慢速变化时，这个导频数目又插入地太多，从而影响了数据的传输速率。

在导频子信道中，估计的信道冲击响应的傅里叶变化形式可以用以下形式表示：

其中X_P为发送的已知的导频信号，Y_P为接收到的导频处信号，p为导频子信道的索引值。

在本发明的算法中，考虑到不同OFDM符号的子信道之间的相关性，故对于第m个OFDM符号中第p个子信道的冲击响应的傅里叶变换形式可以表示成：

其中X_p，m、Y_p，m分别表示第m个OFDM块中第p个子信道中的传输的已知信号和接收到的信号。

当(M+1)个OFDM符号内的所有导频信道冲击响应被估计以后。我们必须估计完M个OFDM符号内传输的数据子信道冲击响应以后才能进行对数据的解码。在本发明提出的算法中，一个数据子信道处的频域冲击响应是采用最邻近法进行估计的。即，如果一个数据子信道附近只有一个最邻近的导频子信道时，此数据子信道的频域冲击响应就采用这个最邻近的导频子信道冲击响应；如果一个数据子信道附近有多个最邻近的导频子信道时，此数据子信道的频域 冲击响应就采用这些最邻近的导频子信道冲击响应的平均值。

当M个OFDM符号内的所有导频信道冲击响应都采用上述最邻近法进行估计完以后，被传输的估计信号可以用下式表示：

其中Y_d，m是在第m个OFDM符号内的第d个数据信道上接收到的信号，是第m个OFDM符号内的第d个数据信道的频域冲击响应，而X_d，m则是解调后的相应传输数据估计值。

如图3所示为本发明和经典的采用线性内插LS信道估计方法进行比较。为了保证对比的可信性，我们采用相同的信道环境和相同的信噪比。同时，OFDM的所有子信道采用抽头延时的DCT变换后的系数来进行模拟，并且采用256个子信道、16QAM的调制方式和M＝4的参数因子。接着编程计算每种算法的特定SNR下的误码率BER，然后进行1000次迭代求出每个信噪比下的平均的BER，最后得到的所提出算法和块状导频样式下的LS算法的仿真结果。从此图中，可以看出所提出的算法的性能明显地超过了块状导频样式下的LS算法的性能。

接着在同样的系统环境下，我们模拟了时变的信道。其时变公式如下：

H(m，n)＝H(1，n)*Sin(2*π*0.005*m)

其中，H(m，n)是第m个符号上的第n个子信道上的频率响应，H(1，n)是第一个符号上第n个子信道上的频率响应。

图4是本发明所提出的算法和和北京北方烽火科技有限公司的《一种OFDM系统中的子载波交叉离散导频插入方法》的发明专利(CN200810101071.5，2008年2月28日)中的算法相比的实验结果图。在这个实验中，信道和导频数设置 成一样的数目。从此图中，可以看出本发明所提出的方法更优越。

本发明用于第四代移动通信系统中的信息接收端，可用所提出的算法以更准确地估计信道参数来更准确的译码。当然，如果有反馈信道存在的话，其也可以应用于信息的发送端，由接受端将各子信道参数反馈到发送端，然后发送端可选择传输质量好的子信道来传输重要信息。通过图3、图4我们可以看出，在同样的信噪比和系统环境下，当误码率(BER)达到10^-4时，本发明提出得信道估计方法较现有的经典算法有5dB的增益，即此时在同样的误码率要求下可以大大节约发送端的发送功率，而在同样的发送功率下，所提出的算法能大大地降低误码率。

Claims (5)

1.OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法，用于第四代移动通信系统中的信息接收端，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：对于相邻的两个OFDM符号进行导频插入，其中导频插入时在同一方向上错开一个导频位置的距离；

步骤2：导频插入同时估计其它OFDM符号中子信道；

步骤3：提取OFDM系统中传输数据，对每个OFDM符号所采用的导频子信道的数目设置插入导频的时变参数因子M，即导频插入周期是M，

对于第m个OFDM符号中第p个子信道的冲击响应的傅里叶变换形式可以表示成：

${\hat{H}}_{p,m}=Y_{p,m}/X_{p,m}$

其中X_p，m、Y_p，m分别表示第m个OFDM符号中第p个子信道中的传输的已知信号和接收到的信号，当M个OFDM符号内的所有导频信道冲击响应估计完以后，被传输的估计信号可以用下式表示：

${\hat{X}}_{d,m}=\frac{Y_{d,m}}{{\hat{H}}_{d,m}}$

其中Y_d，m是在第m个OFDM符号内的第d个数据信道上接收到的信号，是第m个OFDM符号内的第d个数据信道的频域冲击响应，而X_d，m则是解调后的相应传输数据估计值。

2.如权利要求1所述的OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法，其特征在于，所述步骤1中在一个OFDM符号中传输(M-1)个OFDM数据符号后就插入一个相应的导频符号。

3.如权利要求1所述的OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法，其特征在于，所述步骤2采用最近邻法来进行，即寻找和当前子信道在OFDM符号的时间和频率域中最近的导频子信道，并用此导频子信道的参数来代替此子信道的参数，此时，当一个数据子信道附近有多个最邻近的导频子信道时，此数据子信道的频域冲击响应就采用这些最邻近的导频子信道冲击响应的平均值。

4.如权利要求1所述的OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法，其特征在于：在快衰落信道中，M的值取值小，而在慢衰落信道中M的取值大。

5.如权利要求4所述的OFDM系统中自适应导频样式的信道估计方法，其特征在于：所述M值的选取需要满足使OFDM符号中的子信道能够跟上信道的3％以下的变化的条件。