CN103532886A - 一种适用于航空通信系统的地空信道估计器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于航空通信系统的地空信道估计器。其主要特点为：估计器首先通过最小二乘准则估计导频处的信道频率响应，构造导频频域信道协方差矩阵，然后计算导频时域信道能量矩阵，提取出能量矩阵对角线元素并按降序排列，利用指数嵌入家族准则估计地空通信信道在多径衰落环境下的径数及每条径对应的多径时延，最后估计时域信道系数和频域信道系数，精确地重构航空信道环境。本发明不仅能在低信噪比的情况下提高系统性能，同时有效地降低了估计器的计算复杂度。

Description

一种适用于航空通信系统的地空信道估计器

技术领域

本发明属于航空通信技术领域，尤其涉及一种航空通信系统的地空信道估计器。

背景技术

随着航空事业的飞速发展，航空通信受到了广泛的关注，人们对航空通信质量、通信范围以及通信系统稳定性和可靠性的要求也更加严格。航空通信是一种介于地面移动通信与卫星通信之间的通信制式，主要是指地面通信站与空中飞行器（地-空）、或者空中飞行器之间（空-空）的通信。

航空通信系统的性能在很大程度上取决于无线信道的条件。在飞行状态下，由于飞行器的高速运动与很高的载波频率将会使接收信号产生非常大的多普勒频移。同时，地-空通信中除了一条直射径以外，由于地表、海平面等物体的反射、散射、绕射等，造成了地-空信道中的其它可分辨多径，这种多径传播效应严重影响了航空通信质量并使系统具有很高的误码率。因此，为了有效地提高通信质量并降低误码率，对航空信道精确、有效的估计具有重要意义。

根据信道参数（信道径数与多径时延）是否需要在接收端进行估计，信道估计可以分为非参数化和参数化两种。其中，非参数化信道估计由于没有充分利用多径结构，性能差于参数化信道估计。因此，为了满足航空通信系统高性能的要求，航空信道估计更多地采用了参数化的方式。

基于以上问题，本发明提出一种适用于航空通信系统的地空信道估计方法及装置，该方法及装置能有效地估计信道参数，即信道径数及多径时延。同时，该方法及装置能够基于估计得到的信道参数重构信道频率响应。

发明内容

该方法首先通过最小二乘准则估计导频处的信道频率响应，构造导频频域信道协方差矩阵，然后计算导频时域信道能量矩阵，利用指数嵌入家族准则估计航空无线信道在多径衰落环境下的径数及每条径对应的多径时延，最后根据估计得到的信道参数来更精确地重构信道系数。

本发明提供了一种参数化的航空无线信道估计方法及装置，其特征在于该估计器计算复杂度低、估计精度高，主要包括以下步骤：

步骤一：估计导频所在处的信道频率响应。这里采用最小二乘准则，如下

${\hat{H}}_{n_i,k}=Y_{n_i,k}/X_{n_i,k}$

其中，下标n_i表示导频所在的子载波索引，k表示符号索引。分别代表第k个符号第n_i个子载波上发送的导频信号和接收到的信号。

步骤二：计算导频频域信道协方差矩阵。基于步骤一中估计得到的频率响应，计算导频频域信道协方差矩阵。

${\hat{R}}_k=\frac{1}{k}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{H}}_k{\hat{H}}_k^H$

其中，K代表符号数，P为导频的个数，上标T与H分别代表转置和Hermitian转置。

步骤三：计算导频时域信道能量矩阵。根据步骤二得到的导频频域信道协方差矩阵，经过简单的数学运算，得到导频时域信道能量矩阵。

${\widehat{\mathrm{\Φ}}}_k=\frac{1}{P^2}{\tilde{G}}^H{\hat{R}}_k\tilde{G}$

其中，

是一个P×P矩阵，其第(p,q)个元素为

N代表子载波的数目。

步骤四：提取能量矩阵的对角线元素将其按从大到小的顺序降序排列为

步骤五：根据指数嵌入家族准则估计航空无线信道的径数。

$\hat{L}=\underset{i=\mathrm{0,1},...,P-1}{\arg \max }\{l_i-{\mathrm{\μ}}_i[1n\left(\frac{l_i}{{\mathrm{\μ}}_i}\right)+1\left]\right\}u(\frac{l_i}{{\mathrm{\μ}}_i}-1)$

其中，

μ_i=i(2P-i)+1

$l_i=-2K[1n\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Π}}}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_j+(P-i)1n\left(\frac{1}{P-i}\underset{j=i}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_j\right)-P1n\left(\frac{1}{P}\underset{j=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_j\right)]$

$u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& t\&GreaterEqual;0\\ 0& t<0\end{array}\right.$

指数嵌入家族准则属于一种信息论准则，是由Steven Kay于2005年1月在IEEETrans.Aerosp.Electron.Syst.41卷1号333-344页中提出用于模型阶数估计，并由Cuichun Xu等人于2008年10月在IEEE Signal Process.Lett.15卷569-572页中将其应用于信源数的估计。航空无线信道在多径衰落环境下的径数为使得嵌入式家族准则值最大时所对应的索引。

步骤六：提取能量矩阵

对角线元素

最大的

个值对应的索引号，即为估计出的每条径的多径时延

步骤七：估计信道系数。基于步骤五和步骤六中估计得到的多径数和多径时延

构造

矩阵

其第(p,q)个元素为

结合导频处的频域信道协方差矩阵估计时域信道

在估计出时域信道后，频域信道可以由其快速傅里叶变换得到，即其中，

为

矩阵，其第(p,q)个元素为 $e^{-j2\mathrm{\&pi;p}{\widehat{\mathrm{\&xi;}}}_q/N}(p=\mathrm{0,1},...,N-1,q=\mathrm{0,1},...,\hat{L}-1).$

本发明提出的适用于航空通信系统的地空信道估计器，利用了信息论领域中的指数嵌入家族准则，降低了参数化信道估计中信道径数和路径时延估计的复杂度，同时改善了系统在低信噪比环境下的性能。

在本发明的具体实施方式例中，给出了一个航空通信系统地空信道估计器的实施案例。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1是本发明一个实施例的导频分布图。

图2是本发明一个实施例的具体流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明进行详细阐述。

图1为本发明一个实施例的导频分布示意图。本发明采用了梳状导频结构，单位功率的导频均匀地插入在时间和频域维度上。在每个符号上，P＝N/D个导频等间距地分布在频率维度上，这里D是两个相邻导频之间的子载波数目。n_i＝iD(i＝0,1,...,P-1)表示导频所在的子载波。

图2为本发明一个实施例的具体算法流程，主要包括以下步骤。

在步骤201中，估计导频处的信道频率响应。注意，这里采用的是最小二乘准则进行估计。

在步骤202中，计算导频频域信道协方差矩阵。将步骤201中估计出的所有符号各导频子载波处的频率响应系数，通过求其自相关的方式得到协方差矩阵。

在步骤203中，计算导频时域信道能量矩阵。根据步骤202中得到的频域协方差矩阵，经过简单的数学运算，得到导频时域信道能量矩阵。

在步骤204中，提取出步骤203中能量矩阵的对角线元素，并将其按降序排列。

在步骤205中，计算指数嵌入家族准则函数。将步骤204中降序排列的对角线元素代入指数嵌入家族函数，计算相应的函数值。

在步骤206中，估计多径信道的径数。寻找步骤205中指数嵌入家族函数的最大值，其对应的索引号即为径数。

在步骤207中，估计多径时延。步骤204中最大的

个对角元素所对应的索引，即为每条径的多径时延。

在步骤208中，估计时域信道系数。根据步骤206和207中估计出的径数及多径时延，构造矩阵

，并结合步骤201导频处的信道频率响应来估计时域信道系数。

在步骤209中，估计频域信道系数。对步骤208中时域信道系数做快速傅里叶逆变换得到频域信道系数。

以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于估计器在精确估计信道参数的同时，具有低的计算复杂度，能够满足航空通信环境需求；接收端首先估计信道径数及多径时延，然后根据这些估计得到的信道参数来更精确地重构信道系数。

2.根据权利要求1所述的适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于，估计器根据最小二乘准则估计导频频率响应，构造导频频域信道的协方差矩阵及导频时域信道的能量矩阵，提取出能量矩阵对角线元素并按降序排列，最后根据指数嵌入准则家族估计信道径数及多径时延。

3.根据权利要求2所述的适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于，最小二乘准则估计导频处的频域信道为

其中，n_i表示导频所在的子载波索引，k表示符号索引。

分别代表第k个符号第n_i个子载波上发送的导频信号和接收到的信号。

4.根据权利要求2所述的适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于，导频频域信道的协方差矩阵是基于导频处所有符号各导频子载波的频率响应求自相关得到的，即

式中，

是估计得到的导频处频率响应向量，K为符号数，H代表Hermitian转置。

5.根据权利要求2所述的适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于，导频时域信道能量矩阵构造为

其中，P是导频数，

的第(p,q)个元素为

N代表子载波的数目。

6.根据权利要求2所述的适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于，指数嵌入家族准则属于一种信息论准则，由Steven Kay于2005年提出用于模型阶数估计，之后被应用于信源数的估计中。航空无线信道在多径衰落环境下的径数为使得嵌入式家族函数准则值最大时所对应的索引。基于指数嵌入家族准则函数估计信道径数的判决方法为： $\hat{L}=\underset{i=\mathrm{0,1},...,P-1}{\arg \max }\{l_i-{\mathrm{\&mu;}}_i[1n\left(\frac{l_i}{{\mathrm{\&mu;}}_i}\right)+1\left]\right\}u(\frac{l_i}{{\mathrm{\&mu;}}_i}-1),$ 式中，μ_i=i(2P-i)+1， $l_i=-2K[1n\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\&Pi;}}}{\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_j+(P-i)1n\left(\frac{1}{P-i}\underset{j=i}{\overset{P-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_j\right)-P1n\left(\frac{1}{P}\underset{j=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\widetilde{\mathrm{\&phi;}}}_j\right)],$ u(·)为单位阶跃函数。

7.根据权利要求2所述的适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于，多径时延是通过寻找

个最大的能量矩阵

的对角线元素，其所对应的索引即为多径时延

8.根据权利要求1所述的适用于航空通信系统的地空信道估计器，其特征在于，信道系数的重构是在精确估计信道参数的前提下实现的。首先根据估计得到的径数

和多径时延计算时域信道系数

其中

的第(p,q)个元素为

然后对其做快速傅里叶变换得到频域信道系数

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