CN103595667A - 基于ofdm信号的无线信道多径参数估计方法 - Google Patents

Abstract

基于OFDM信号的无线信道多径参数估计方法，它通过多个子载波并行传输高速数据。OFDM信号通过无线多径信道时，每个子载波都会受到多径的影响。基于时间的目标定位方法需要计算OFDM信号从发射机到接收机的传输时间，而多径的存在会使得传输时间的估计不准确。本发明先根据发送端的训练序列向量和接收端的观测数据向量估计出多径信道的传递函数向量，再将传递函数向量与一个系数矩阵相乘来获得多径参数。这个系数矩阵是根据OFDM调制所使用的子载波数预先计算出来的。获得了无线信道多径参数，也就获得了各条路径的时延信息，进而用于改善OFDM信号从发射机到接收机的传输时间的估计精度，也可用于去除多径对OFDM接收信号的影响。

Description

基于OFDM信号的无线信道多径参数估计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，是用来解决如何基于OFDM信号精确估计无线信道多径参数的方法，进而精确估计出OFDM信号在收发端之间的传输时间。

背景技术

在无线通信系统中，经常需要估计无线信道的多径参数，包括各条路径的衰减和时延，以提升数据传输的性能。正交频分复用（OFDM）调制是现代通信的主流技术，因抗多径以及可高速传输数据而被广泛采用。通常通过对OFDM调制的符号增加循环前缀避免多径产生的时延扩展对传输性能的影响。然而，在无线高精度定位应用中，无线多径的效应就会显现出来，它会明显降低OFDM信号在收发端之间传输时间估计的精度，进而降低对无线目标位置的估计精度。本发明先估计出无线传输的各条路径的衰减系数及时延，发现最小传输时延路径，并将其时延作为OFDM信号的传输时延。可用于对发送OFDM调制信号的无线目标的定位，如第4代移动通信（LTE）终端。

发明内容

技术问题：本发明的目的是估计出基于OFDM信号的无线传输的多径参数，包括衰减和时延，发现最小时延路径，并将该路径时延为OFDM信号在发送和接收端之间的传输时延。用于对采用OFDM调制方式的无线目标的定位。

OFDM信号与其它信号不同，它同时在N个子载波（N通常较大，如N=1024）上并行传输信息。OFDM信号经过无线多径传输后，多径信息寄生在这些接收子载波上。如何利用这些大量的接收子载波，准确获取多径参数，包括各条路径的衰减和时延是本发明需要解决的问题。

技术方案：本发明的一种基于OFDM信号的无线信道多径参数估计方法为：先根据发射端用于OFDM调制的训练符号序列X(k)和接收端观测数据的傅里叶变换Y(k)使用公式H(k)＝Y(k)/X(k)计算出多径信道的传递函数H(k)，再将传递函数H(k)与一个系数矩阵V_M×N相乘来获得多径参数；

所述的系数矩阵V_M×N的行数M是当前OFDM通信系统中的多径数目，列数N是OFDM调制所使用子载波数目，V_M×N由W矩阵的逆矩阵W^-1的前M行组成，其中W矩阵表示如下：

其中 $W_N^{n\×k}=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{n\×k}{N}},n=\mathrm{1,2},...,N-1,k=\mathrm{1,2},...,N-1.$

所述的传递函数向量H(k)与一个系数矩阵V_M×N相乘来获得多径参数A_M×1，A_M×1＝V_M×NH_N×1，传递函数H(k)是一个N×1维的列向量，表示为H_N×1；传递函数根据H(k)＝Y(k)/X(k)计算出来的，k=0,1,…,N-1，X(k)为发射端用于OFDM调制的训练符号序列，Y(k)为接收端观测数据的傅里叶变换。

有益效果：本发明针对OFDM调制的信号在无线多径信道传输时，需要对多径参数估计的需求，适用面宽。只需要（2）式的1次N点FFT运算、（3）式的N次复数除法和（4）式的1次矩阵与向量的乘法，其它运算都可以事先完成。本发明的成果可以用于基于时间的无线目标高精度定位；也可用于OFDM无线接收机，改善接收信号的质量。

附图说明

图1是OFDM信号多径传输模型。

具体实施方式

（1）OFDM信号的产生：如图1所示，在发射端，用于OFDM调制的训练符号序列为X(k)，k=0,1,...,N-1。经过OFDM调制后的信号为x(n)，n=0,1,...,N-1，即x(n)为X(k)的离散傅里叶反变换，也就是x(n)＝IFFT[X(k)]。

假定无线传输信道共有M条路径，每条路径之间的时间间隔为1个采样点。其中第i条路径的衰减系数为a_i、传输时延为i。如果不存在第i条路径，则a_i=0（或其绝对值足够小）。

（2）计算W矩阵及其逆矩阵W^-1：

其中。由于W满秩，因此其逆矩阵W^-1存在。记

（3）计算信道传递函数H(k)，k=0,1,…,N-1。

在接收端，捕获并同步发送的OFDM信号x(n)，由于无线信道的噪声和多径特性的影响，此时与x(n)对应的接收信号为y(n)。

对y(n)做离散傅里叶变换，得：

Y(k)＝FFT[y(n)]  （2）

信道传递函数H(k)通过下式求得：

H(k)＝Y(k)/X(k)  （3）

（4）计算多径衰减系数向量A_M×1＝[a₀,a₁,…,a_M-1]^T。

取W^-1矩阵的前M行向量组成新的矩阵V_M×N，则

A_M×1＝V_M×NH_N×1  （4）

（5）取出各路径的衰减系数及时延

设定一个足够小的门限值ε＞0，且令m=0。在A_M×1中，i从0到M-1依次寻找出那些绝对值大于ε的系数a_i，每找到一个a_i即将m加1。a_i即为第m条路径对应的衰减系数，i即为该路径的时延。

（6）取出最小时延τ_min，作为OFDM信号从发射端到接收端的传输时延,它是以对OFDM接收信号的采样间隔来表示的。

取出m=1时的系数a_i对应的i值，则

τ_min＝i

以N=1024，M=16为例，用Matlab软件作为计算工具。

（1）根据N=1024，可以确定：；求W的逆矩阵W^-1=inv(W)；取出W^-1的前16行向量，得到部分矩阵V_16×1024。

（2）发送端的OFDM调制器的输入为训练序列向量X=[X(0),X(1),…,X(k),…,X(1023)]^T,如欲使OFDM调制器的输出x(n)为实信号,可使X(k)=X^*(N-k)，k=0,1,…,1023。x(n)的向量表示为x=[x(0),x(1),…,x(1023)]^T。

（3）预先设定多径衰减系数向量：

A_16×1＝[a₀,a₁,…,a₁₅]^T=[0,0.1,0,0.5,0.05,0,0.01,0,001,0,0,0,0.0005,0,0,0]^T.并将扩展为A_1024×1，用此向量生成接收端的信号y(n)，n=0,1,…,1023，其中x(n)向量x循环左移n位，将接收信号向量y转换到频域，即做OFDM解调得到Y=IFFT[y]。

（4）计算多径信道传递函数H(k)＝Y(k)/X(k),k=0,1,…,1023，得到传递函数向量H_1024×1。

（5）计算 ${\hat{A}}_{16\×1}=V_{16\×1024}{H}_{1024\×1}.$ 计算结果为： ${\hat{A}}_{16\×1}=[0.0000+0.0000i,0.1000$ $-0.0000i,0.0000+0.0000i,0.5000-0.0000i,0.0500-$ $0.0000i,-0.0000+0.0000i,0.0100-0.0000i,-0.0000+$ $0.0000i,0.0010-0.0000i,-0.0000+0.0000i,-0.0000+$ $0.0000i,-0.0000+0.0000i,0.0005-0.0000i,-0.0000+$ ${0.0000i,-0.0000+0.0000i,-0.0000+0.0000i]}^T.$ 它是用复数表示的。可见与预设的多径衰减系数向量A_16×1完全一致。

（6）设定路径衰减门限值（对应信号功率衰减-80dB，符合实际），从上述计算结果中找出所有绝对值大于该门限值的数，其中的第一个值为0.1000-0.0000i。可知，它对应的时延为τ_min＝1，亦即OFDM信号从发射端到接收端的传输时延为1个采样间隔。对于LTE信号，采样率通常为30.72MHz，1个采样间隔为32.55ns。

Claims (2)

1.一种基于OFDM信号的无线信道多径参数估计方法，其特征在于先根据发射端用于OFDM调制的训练符号序列X(k)和接收端观测数据的傅里叶变换Y(k)使用公式H(k)＝Y(k)/X(k)计算出多径信道的传递函数H(k)，再将传递函数H(k)与一个系数矩阵V_M×N相乘来获得多径参数；

所述的系数矩阵V_M×N的行数M是当前OFDM通信系统中的多径数目，列数N是OFDM调制所使用子载波数目，V_M×N由W矩阵的逆矩阵W^-1的前M行组成，其中W矩阵表示如下：

其中 $W_N^{n\×k}=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{n\×k}{N}},n=\mathrm{1,2},...,N-1,k=\mathrm{1,2},...,N-1.$

2.根据权利要求1所述的基于OFDM信号的无线信道多径参数估计方法，其特征在于所述的传递函数向量H(k)与一个系数矩阵V_M×N相乘来获得多径参数A_M×1，A_M×1＝V_M×NH_N×1，传递函数H(k)是一个N×1维的列向量，表示为H_N×1；传递函数根据H(k)＝Y(k)/X(k)计算出来的，k=0,1,…,N-1，X(k)为发射端用于OFDM调制的训练符号序列，Y(k)为接收端观测数据的傅里叶变换。

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