CN103491049B - Ofdm系统中基于判决反馈的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属通信领域，具体涉及OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法，包括如下步骤：估计导频符号处的信道频域响应；初始化数据符号处的信道频域响应；计算出该数据符号处的发送数据估计值；对估计值进行星座判决；采用OMP算法估计该符号处的信道冲激响应，经过傅里叶变换，得到该符号处的信道频域响应；返回到初始化操作估计下一个数据符号的信道频域响应。本发明通过对数据符号处的信道频域响应进行初始化，并对发送数据估计值进行星座点判决，提出了一种基于判决反馈的信道估计方法，该方法与现有方法相比，有效解决了传统最小二乘估计法估计准确性较低的问题,将信道估计与星座点判决结合，改善了信道估计的性能。

Description

OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法

技术领域

本发明属通信领域，具体涉及OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法。

背景技术

在通信系统中，准确的信道估计是接收端用来检测和恢复发送信号的重要条件。通过在发射端发送预先插入的导频信号，接收端根据对应的接收数据来估计信道。

传统的最小二乘（Least Square,LS）信道估计算法由于没有考虑任何信道模型，也没有包含噪声功率的因子，因此估计出的精度易受到高斯噪声和子载波间干扰（Inter-Carrier Interference,ICI）的影响，很难达到较高的估计精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法，该方法在传统最小二乘法的基础上提高信道估计的准确性。

为了方便描述，首先介绍本发明中所用的术语和定理。

信道稀疏性为时域的信道冲激响应（CIR，Channel Impulse Response）只在少数主要路径有值，且不同的路径对应着不同的时延。在信道向量h＝[h₀,h₁,…,h_N-1]^T中，信道向量中的每一个元素对应在一个信道时延处的信道系数，由于最大时延小于循环前缀，可得h=[h(0),h(1),...,h(L-1),0,...，0]^T，L为循环前缀长度，在向量h的前L个元素中，只有极少数的主要路径，即前L项元素中，只有少量元素非0。

归一化为向量的各分量除以向量的模长，归一化后的向量模长为1。

OMP（Orthogonal Matching Pursuit）算法：

OMP算法本质思想是：以贪婪迭代的方法选择Φ的列，使得在每次迭代中所选择的列与当前的冗余向量最大程度地相关，从测量向量中减去相关部分并反复迭代，直到迭代次数达到稀疏度K，强制迭代停止。

OMP算法核心算法步骤如下：

输入：传感矩阵Φ，采样向量y，稀疏度K；

输出：x的K稀疏的逼近；

初始化：残差r₀＝y，索引集

循环执行步骤1-5：

步骤1：找出残差r和传感矩阵的列积中最大值所对应的脚标λ，即

步骤2：更新索引集Λ_t＝Λ_t-1∪{λ_t}，记录找到的传感矩阵中的重建原子集合

步骤3：由最小二乘得到

步骤4：更新残差 $r_t=y-{\mathrm{\Φ}}_t{\hat{x}}_t,t=t+1;$

步骤5：判断是否满足t＞K，若满足，则停止迭代；若不满足，则执行步骤1。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法，包括以下步骤：

S1、利用最小二乘法估计导频符号处的信道频域响应；

S2、初始化当前数据符号所在的信道频域响应；

S3、利用S2得到的初始化的信道频域响应和S2所述当前数字符号处的接收数据计算出S2所述当前导频符号处的发送数据估计值；

S4、根据PSK&QAM星座调制方法对S3所述发送数据估计值进行判决，选取距离星座点较近的N_d个估计值所对应的星座点和距离星座点较近的N_d个估计值对应在当前数据符号中的位置，其中，N_d＜N，N为数据帧中一个OFDM符号的数据个数；

S5、根据信道的稀疏性，利用S4中得到的N_d个判决后的星座点和N_d个当前数据符号位置对应的接收数据，结合压缩感知算法，计算出S2所述当前数据符号处的信道冲激响应，经过傅里叶变换，得到S2所述当前数据符号处的信道频域响应估计值；

S6、利用S5中所述信道频域响应估计，返回S2，计算下一个数据符号处的信道频域响应估计值。

进一步的，S2中所述初始化当前数据符号具体为：若当前数据符号为导频符号后的第一个数据符号，则根据S1中估计出的信道频域响应初始化当前数据符号处的信道频域响应；若当前数据符号不是导频符号后的第一个数据符号，则利用当前数据符号的前一个数据符号的信道频域响应来初始化该数据符号的信道频域响应。

进一步地，S5中所述压缩感知算法中具体采用正交匹配追踪（OrthogonalMatching Pursuit,OMP）算法来估计信道冲激响应。

本发明的有益效果是：利用信道的稀疏性，将信道估计与判决反馈结合起来，提高了信道估计的准确性，在保持其高频谱利用率的同时提高了系统的误码率性能。

附图说明

图1为本发明的OFDM系统发射过程示意图。

图2为本发明的OFDM系统接收机接收过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

发射过程包括如下步骤：

step1、PSK&QAM调制；step2、插入导频；step3、OFDM调制；step4、并串转换；step5、加入循环前缀。

发射过程具体展开如下：

首先，用户通过PSK&QAM星座调制形成串行发送数据，根据具体的系统参数生成对应的导频信号后，按照一定的放置准则，将导频信号插入发送信号中构成完整的数据帧，所述数据帧通过串并转换，数据帧中的每N个数据形成一个OFDM符号（取发送数据帧中的单个导频符号进行分析，记该符号向量为P，其它导频符号以此类推；取发送数据帧中的单个数据符号进行分析，记该符号向量为X，X＝[X₀,X₁,…，X_N-1]^T，其它数据符号以此类推），映射后得到的多个OFDM符号，经过OFDM调制，并加入长度为L（L大于信道的最大时延长度）的循环前缀（Cyclic Prefix,CP）、经过并串转换，构成发送数据帧发送出去。

假设接收机同步完美，接收过程包括如下步骤：

step6、串并转换，去循环前缀；step7、OFDM解调；step8、估计导频符号处的信道频域响应；step9、初始化数据符号的信道频域响应；step10、利用该初始化的信道频域响应和该符号处的接收数据计算出该符号处的发送数据估计值；step11、根据已知的星座调制方法对该符号处的发送数据估计值进行判决，选取其中距离星座点较近的N_d个估计值对应的星座点及对应在符号中的位置；step12、根据信道的稀疏性，利用step11中得到的N_d个判决后的星座点及对应的接收数据，结合压缩感知算法，计算出该符号处的信道冲激响应，经过傅里叶变换，得到该符号处的信道频域响应估计值；step13、利用step12中估计出的该符号处的信道频域响应，返回step9，初始化下一个符号处的信道频域响应；step14、数据均衡。

接收过程具体展开如下：

Step6、串并转换，去循环前缀；接收到的数据帧经过串并转换，去循环前缀后，得到包含导频及数据信息的并行数据帧。

Step7、OFDM解调；并行数据帧经过OFDM解调，得到接收到的OFDM符号，取单个接收到的OFDM符号Y＝[Y₀,Y₁,…,Y_N-1]^T与发送的OFDM符号X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]^T对应分析，根据OFDM系统分析可知，两者满足方程Y＝diag(X)·F·h+W，其中，diag()表示对角矩阵，对角线上元素为括号中的向量,F为归一化的傅里叶矩阵，W为加性高斯白噪声向量, ${\left[F\right]}_{i,k}=\frac{1}{\sqrt{N^{\′}}}\·\exp (-j2\mathrm{\πik}/N^{\′}),0\≤i,k\≤N^{\′}-1,$ h为信道冲激响应形成的向量，h＝[h₀,h₁,…,h_N ^' _-1]^T,N'为常量。

step8、估计导频符号处的信道频域响应。利用接收到的OFDM导频符号与接收端已知的发送端OFDM导频符号P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T，对导频符号经历的信道进行最小二乘估计，得到导频符号信道估计值

step9、初始化数据符号的信道频域响应；记第i个数据符号处的信道频域响应估计值为H_i，若该数据符号为导频符号后的第一个数据符号时，初始化过程为:H_i＝H_p；否则，初始化过程为：H_i＝H_i-1，其中，H_i-1为前一个数据符号的信道频域响应估计值。

Step10、利用step9初始化的信道频域响应和当前数据符号处的接收数据计算出当前数据符号处的发送数据估计值。对于第i个数据符号，记接收到的该符号为：

$Y_i={[Y_{i_0},Y_{i_1},...,Y_{i_{N-1}}]}^T,$ 则该符号的发送数据估计值 $X_i={[X_{i_0},X_{i_1},...,X_{i_{N-1}}]}^T$ 可由 $X_i=\frac{Y_i}{H_i}$ 计算得到。

step11、根据已知的星座调制方法对当前数据符号中的发送数据估计值进行判决，选取其中距离星座点较近的N_d个估计值对应的星座点及对应在当前数据符号中的位置，其中，N_d＜N。假设发送端调制方式为QPSK，且对应的星座点为

[+0.707+0.707i,-0.707+0.707i,-0.707-0.707i,+0.707-0.707i],记为则判决的方式为：对于每一个发送数据估计值选择令j＝1,2,3,4最小的作为其判决值，记为并计算出形成集合判决结束后，以选取d_i,i＝0,1,...,N-1中较小的N_d个值为准则，选出N_d个集合 $\{{\stackrel{\‾}{X}}_{\mathrm{kj}},d_k,k\},k=i_0,i_1,...,i_{N_d},j\∈\left\{\mathrm{1,2,3,4}\right\}.$

step12、根据信道的稀疏性，利用step11中得到的N_d个判决后的星座点及对应的接收数据，结合压缩感知算法，计算出当前数据符号处的信道冲激响应，经过傅里叶变换，得到当前频域符号处的信道频域响应估计值。提取step11中得到的N_d个数据，可以将OFDM系统方程Y＝diag(X)·F·h+W改写为Y_Ω＝diag(X_Ω)·F_Ω·h+W_Ω，其中， F_Ω表示N_d*N维的部分傅里叶矩阵,F_Ω是根据集合抽取F中对应的N_d行得到的子矩阵，根据信道的稀疏性可知，向量h中除了前L项，其余元素一定为0，且在前L个元素中，只有极少数的主要路径，即前L项元素中，只有少量元素非0。因此，可以建立一个压缩感知的问题模型。根据方程：Y_Ω＝diag(X_Ω)·F_Ω·h+W_Ω，令Φ＝diag(X_Ω)·F_Ω为传感矩阵，h为稀疏的未知向量，Y_Ω为观测向量；利用OMP算法求解，则可以估计出h的值。对h做N点傅里叶变换，则可以求出该数据符号处的信道频域响应估计值。

step13、利用step12中估计出的该符号处的信道频域响应，返回step9，初始化下一个数据符号处的信道频域响应。初始化过程：设step12中估计出的本符号的信道频域响应H_i，则令下一个符号的信道频域响应的初始估计值H_i+1＝H_i。

step14、数据均衡；由step6-step13得到所有OFDM数据符号的信道频域响应估计值后，采用适当的均衡算法，检测和恢复发送信号。

Claims (2)

1.OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法，其特征在于：其步骤如下所述：

S1、利用最小二乘法估计导频符号处的信道频域响应；

S2、初始化当前数据符号所在的信道频域响应，具体为：

若当前数据符号为导频符号后的第一个数据符号，则根据S1中估计出的信道频域响应初始化当前数据符号处的信道频域响应；

若当前数据符号不是导频符号后的第一个数据符号，则利用当前数据符号的前一个数据符号的信道频域响应来初始化该数据符号的信道频域响应；

S3、利用S2得到的信道频域响应和S2所述当前数据符号处的接收数据计算出S2所述当前数据符号处的发送数据估计值；

S4、根据PSK&QAM星座调制方法对S3所述发送数据估计值进行判决，选取距离星座点较近的N_d个数据估计值所对应的星座点和距离星座点较近的N_d个数据估计值对应在当前数据符号中的位置，其中，N_d＜N，N为数据帧中一个OFDM符号的数据个数；

S5、根据信道的稀疏性，利用S4中得到的N_d个判决后的星座点和N_d个当前数据符号位置对应的接收数据，结合压缩感知算法，计算出S2所述当前数据符号处的信道冲激响应，经过傅里叶变换，得到S2所述当前数据符号处的信道频域响应估计值；

S6、利用S5中所述信道频域响应估计值，返回S2，计算下一个数据符号处的信道频域响应估计值。

2.根据权利要求1所述的OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法，其特征在于：S5中所述压缩感知算法中具体采用正交匹配追踪算法来估计信道冲激响应。