CN103916351A - 信道估计及频域均衡方法和装置、通用处理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信道估计及频域均衡方法，包括：利用单指令多数据流SIMD指令分别使用接收到的正交频分复用OFDM符号的多个导频符号进行信道估计；根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。本发明同时公开了一种信道估计及频域均衡装置。本发明的技术方案基于通用多核处理器对OFDM信号进行处理，基于SIMD指令集对涉及的算法进行并行优化，使得计算时延与其所并行倍数成反比降低，从而大大降低了处理时延，满足了接收端信号处理的实时性要求。

Description

信道估计及频域均衡方法和装置、通用处理器

技术领域

本发明涉及信道估计及频域均衡技术，尤其涉及一种基于正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)符号的信道估计及频域均衡方法和装置。

背景技术

未来移动通信系统中，正交频分复用(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)技术被认为是实现高速数据传输的关键技术。为了达到较高的数据传输效率，OFDM必须和高阶调制相结合，如16QAM、64QAM等。为了能够在接收端进行相干解调，就需要信道的相关信息，因此信道估计和信道补偿就成为了OFDM系统的重要组成部分。通常信道估计中还包括了噪声估计部分，常用的噪声估计的原理是假设时域上信道响应变化不大，将频域位置相同的导频信道估计相减求平方，对所有导频位置取平均后即得噪声方差的估计。

由于实际通信信道往往是非理想的，需要在接收端添加相应的信道补偿模块，采用频域均衡的方式进行信道补偿。而根据信道估计提供的子载波的频域信道响应估计以及噪声方差，就可以进行频域均衡。目前比较常用的频域均衡方法有最小二乘法(LS，Least Square)以及最小均方误差(MMSE，MinimumMean Square Error)。

而对于常用的信道估计和频域均衡方法-LS及MMSE中都涉及到了矩阵求逆和向量相乘等问题，而一般而言，随着收发天线数目的增多，矩阵求逆复杂度呈立次方增长，向量相乘的复杂度也急剧增长，这就使得在接收端信号处理的时延大大增长。除了这种串行计算耗时太大的弊端之外，基于不同的处理平台也对开发人员的工作量和整个系统的开发时间有所影响。由于数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)和现场可编程门阵列(FPGA，FieldProgrammable Gate Array)不具备通用处理器(GPP，General Purpose Processor)的广泛适应性、优良的可移植性以及较短的开发周期，故基于GPP对发送端和接收端的信号进行处理不失为一种较好的解决方法。

现有的用于信道估计和频域均衡的算法在实现过程中都是按照串行的方法逐步进行处理，这大大增加了信号处理时延，影响了信号接收端的实时性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种信道估计及频域均衡方法和装置、通用处理器，能并行高效地估计出OFDM符号的导频位置及非导频符号位置的信道估计值估计值。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种信道估计及频域均衡方法，包括：

利用单指令多数据流SIMD指令分别使用接收到的正交频分复用OFDM符号的多个导频符号进行信道估计；

根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

优选地，所述方法还包括：

根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计导频符号位置的信道的噪声；

根据导频符号位置的信道的噪声信息对所述OFDM符号的非导频符号进行频域均衡。

优选地，所述利用SIMD指令分别使用接收到的OFDM符号的多个导频符号进行信道估计，包括：

将所述OFDM符号的非导频符号和本地导频符号分别存储于连续的内存中，以当前处理能力支持的处理位宽为单位，利用SIMD指令分别将所述OFDM符号的非导频符号除以本地导频符号，得到所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值。

优选地，所述根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值，包括：

根据OFDM符号的导频图样确定各非导频符号位置的插值系数，或预设各非导频符号位置的插值系数；

将非导频符号位置的插值系数和所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值分别存储于连续的内存中；

利用SIMD指令将所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值与插值系数进行乘运算，再与相邻导频符号位置的信道估计值与插值系数相乘结果进行加运算，得出所述OFDM符号的非导频符号位置的信道。

优选地，根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计导频符号位置的信道的噪声，包括：

选取时域上相邻、频域上导频子载波位置相同的两个OFDM的导频符号，假设该两个OFDM符号上分别有N个导频子载波，其信道估计值分别为 ${\hat{H}}_1=[{\hat{H}}_{\mathrm{1,0}},{\hat{H}}_{\mathrm{1,1}},\·\·\·,{\hat{H}}_{1,N-1}],$ ${\hat{H}}_2=[{\hat{H}}_{\mathrm{2,0}},{\hat{H}}_{2,1},\·\·\·,{\hat{H}}_{2,N-1}],$ 则噪声方差的估计值为：

${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\hat{H}}_{1,i}-{\hat{H}}_{2,i}|}^2.$

优选地，所述根据导频符号位置的信道的噪声信息对所述OFDM符号的非导频符号进行频域均衡，包括：

按下式对所述OFDM符号的非导频符号Y进行频域均衡：

其中，表示所述OFDM符号的非导频符号的信道估计值，表示的共轭，表示的模平方。

一种信道估计及频域均衡装置，包括信道估计单元和计算单元，其中：

信道估计单元，用于利用单指令多数据流SIMD指令分别使用接收到的正交频分复用OFDM符号的多个导频符号进行信道估计；

计算单元，用于根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

优选地，所述装置还包括噪声估计单元和均衡单元，其中：

噪声估计单元，用于根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计导频符号位置的信道的噪声；

均衡单元，用于根据导频符号位置的信道的噪声信息对所述OFDM符号的非导频符号进行频域均衡。

优选地，所述信道估计单元，还用于将所述OFDM符号的非导频符号和本地导频符号分别存储于连续的内存中，以当前处理能力支持的处理位宽为单位，利用SIMD指令分别将所述OFDM符号的非导频符号除以本地导频符号，得到所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值。

优选地，所述装置还包括：

确定单元，用于根据OFDM符号的导频图样确定各非导频符号位置的插值系数，或预设各非导频符号位置的插值系数；

所述计算单元，还用于将非导频符号位置的插值系数和所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值分别存储于连续的内存中；利用SIMD指令将所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值与插值系数进行乘运算，再与相邻导频符号位置的信道估计值与插值系数相乘结果进行加运算，得出所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

优选地，所述噪声估计单元还用于，选取时域上相邻、频域上导频子载波位置相同的两个OFDM的导频符号，假设该两个OFDM符号上分别有N个导频子载波，其信道估计值分别为 ${\hat{H}}_2=[{\hat{H}}_{\mathrm{2,0}},{\hat{H}}_{2,1},\·\·\·,{\hat{H}}_{2,N-1}],$ 则噪声方差的估计值为：

${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\hat{H}}_{1,i}-{\hat{H}}_{2,i}|}^2;$

对应的，所述均衡单元，还用于按下式对所述OFDM符号的非导频符号Y进行频域均衡：

其中，表示所述OFDM符号的非导频符号的信道估计值，表示的共轭，表示的模平方。

一种通用处理器，包括前述的信道估计及频域均衡装置。

本发明中，利用单指令多数据流SIMD指令分别使用接收到的OFDM符号的多个导频符号进行信道估计；根据OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值，利用SIMD指令分别计算OFDM符号的非导频符号位置的信道。本发明的技术方案基于通用处理器对OFDM信号进行处理，基于SIMD指令集对涉及的算法进行并行优化，使得计算时延与其所并行倍数成反比降低，从而大大降低了处理时延，满足了接收端信号处理的实时性要求。

附图说明

图1为本发明实施例估计导频位置信道响应的示意图；

图2为本发明实施例估计非导频符号位置信道响应的示意图；

图3为本发明实施例估计噪声方差的示意图；

图4为本发明实施例对数据符号进行频域均衡的示意图；

图5为本发明实施例信道估计及频域均衡装置的组成结构示意图。

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，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

步骤1：对接收到OFDM符号中的导频符号，利用本地导频符号，采用LS方法计算OFDM符号中的导频符号(即OFDM符号中导频位置)的信道响应估计。

采用LS的估计方法时，将接收的OFDM符号中的导频符号和本地导频符号分别存储于一段连续的内存中，以处理平台处理位宽为单位，利用SIMD指令分别将接收的OFDM符号的导频符号除以本地的导频符号，由于导频符号模值为1，在实际计算中是将接收符号乘以本地导频。

本发明中，处理平台选用扩展性较佳的GPP。

假设为估计出的导频位置信道响应，导频位置分别为Y＝Y_real+Y_imag·i为接收到的导频符号，X＝X_real+X_imag·i为本地的导频符号，实部和虚部数据分别存储在连续的内存上，则导频位置频域信道估计响应为：

$\hat{H}=Y\·X^{*}$

${\hat{H}}_{\mathrm{real}}=Y_{\mathrm{real}}\·X_{\mathrm{real}}+Y_{\mathrm{imag}}\·X_{\mathrm{imag}}$

${\hat{H}}_{\mathrm{imag}}=Y_{\mathrm{imag}}\·X_{\mathrm{real}}-Y_{\mathrm{real}}\·X_{\mathrm{imag}}$

其中，表示信道响应，及分别表示的实部和虚部。X_real及X_imag·i分别表示本地的导频符号X的实部和虚部，X^*表示X的共轭。

采用SIMD指令进行LS信道估计的并行处理流程如图1所示，本发明中，将OFDM符号中的导频符号的实部和虚部分别存储，对应的，预先存储的本地导频符号也将实部和虚部分别存储，以方便计算。本发明中，可根据GPP的处理能力，同时对OFDM符号中的多个导频符号进行信道估计；由于图1中涉及的信道估计处理已由前述的计算公式所体现，这里不再赘述OFDM符号中的导频符号信道估计的详细过程。假设处理平台处理位宽为W，采用SIMD指令可以同时处理M个数据位宽为D的数据，直观上数据处理的速度提高为原来的M倍，涉及到实际编程中的效率以及一些存取操作，实际速度增益最优可以逼近这个值。

步骤2：利用步骤1中OFDM符号的导频位置的信道响应估计，采用线性插值的方法计算OFDM符号的非导频符号位置的信道响应估计。

采用线性插值时，将插值系数和导频符号分别存入连续的内存中，其位置对应插值出的载波位置。导频符号1的数据向量中，M个导频位置的信道响应值数据全为步骤1中估计出来的导频位置1的信道响应，导频符号2的导频位置的信道响应值数据向量中则全为导频位置2的信道响应。插值系数1和插值系数2的数据向量中，插值系数的取值则由其要估计的对应子载波位置决定。通常在确定系统中的导频图样后，即可计算得到各个非导频符号位置的插值系数，当然，也可直接对插值系数赋值而无需实时计算。采用SIMD指令对导频信道响应和插值系数并行进行相乘运算，然后再进行加运算，即可得出所有子载波位置的信道响应估计，其处理流程参见图2。

步骤3：利用步骤1中得到的导频位置的信道响应估计值对噪声进行估计。

选取时域上相邻，频域上导频子载波位置相同的两个OFDM符号，假设这两个OFDM符号上分别有N个导频子载波，其频域信道响应估计值分别为 ${\hat{H}}_1=[{\hat{H}}_{\mathrm{1,0}},{\hat{H}}_{\mathrm{1,1}},\·\·\·,{\hat{H}}_{1,N-1}],$ ${\hat{H}}_2=[{\hat{H}}_{\mathrm{2,0}},{\hat{H}}_{2,1},\·\·\·,{\hat{H}}_{2,N-1}].$ 则噪声方差的估计值为：

${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\hat{H}}_{1,i}-{\hat{H}}_{2,i}|}^2$

实际处理时，将两个符号的导频信道估计分别存储在两个连续的内存中，计算出其差的平方，这里各导频位置的计算处理相同，故采用SIMD指令进行并行化处理，然后对得到结果求平均即可。采用SIMD指令对噪声方差的并行处理流程参见图3。

步骤4：结合步骤2得到的非导频即数据子载波的频域信道响应以及步骤3中得到的噪声方差估计结果，采用MMSE方法对接收到的数据符号进行频域均衡，计算公式如下：

$Y^{\′}=Y\·W=Y\·\frac{{\hat{H}}^{*}}{{\widehat{\left|H\right|}}^2+{\widehat{\mathrm{\σ}}}^2}$

其中，表示所述OFDM符号的非导频符号的信道估计值，表示的共轭，表示的模平方。

本发明中，由于OFDM符号的非导频符号位置区域的信道响应是通过导频位置的信道响应插值计算的，因此，数据符号与导频位置区域的信道响应有着较为一致的信道噪声，因此，通过上述方式能滤除数据符号的一部分噪声干扰。

从上述计算公式可以看出，所有计算都是以子载波为单位，且每个数据子载波的计算处理完全相同，故可以采用SIMD指令进行并行处理，其计算处理流参见图4。

本发明中，由于上述图1至图4中的计算流程，由于仅涉及计算过程，并已在图中详细地表明了计算方式，这里不再赘述。

图5为本发明实施例信道估计及频域均衡装置的组成结构示意图，如图5所示，本发明实施例的信道估计及频域均衡装置包括信道估计单元50和计算单元51，其中：

信道估计单元50，用于利用单指令多数据流SIMD指令分别使用接收到的正交频分复用OFDM符号的多个导频符号进行信道估计；

计算单元51，用于根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

如图5所示，本发明实施例的信道估计及频域均衡装置还包括噪声估计单元52和均衡单元53，其中：

噪声估计单元52，用于根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计导频符号位置的信道的噪声；

均衡单元53，用于根据导频符号位置的信道的噪声信息对所述OFDM符号的非导频符号进行频域均衡。

本领域技术人员应当理解，图5所示的信道估计及频域均衡装置中，噪声估计单元52和均衡单元53是为优化本发明的技术方案而设置的，并非是实现本发明信道估计及频域均衡装置的基本目的的必要技术手段。只是为理解方便的考量，在附图中才有所体现的。

上述信道估计单元50，还用于将所述OFDM符号的非导频符号和本地导频符号分别存储于连续的内存中，以当前处理能力支持的处理位宽为单位，利用SIMD指令分别将所述OFDM符号的非导频符号除以本地导频符号，得到所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值。

在图5所示信道估计及频域均衡装置的基础上，本发明实施例的信道估计及频域均衡装置还包括：

确定单元(图5中未示出)，用于根据OFDM符号的导频图样确定各非导频符号位置的插值系数，或预设各非导频符号位置的插值系数；

上述计算单元51，还用于将非导频符号位置的插值系数和所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值分别存储于连续的内存中；利用SIMD指令将所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值与插值系数进行乘运算，再与相邻导频符号位置的信道估计值与插值系数相乘结果进行加运算，得出所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

上述噪声估计单元52还用于，选取时域上相邻、频域上导频子载波位置相同的两个OFDM的导频符号，假设该两个OFDM符号上分别有N个导频子载波，其信道估计值分别为 ${\hat{H}}_1=[{\hat{H}}_{\mathrm{1,0}},{\hat{H}}_{\mathrm{1,1}},\·\·\·,{\hat{H}}_{1,N-1}],$ ${\hat{H}}_2=[{\hat{H}}_{\mathrm{2,0}},{\hat{H}}_{2,1},\·\·\·,{\hat{H}}_{2,N-1}],$ 则噪声方差的估计值为：

${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\hat{H}}_{1,i}-{\hat{H}}_{2,i}|}^2;$

对应的，上述均衡单元53，还用于按下式对所述OFDM符号的非导频符号Y进行频域均衡：

其中，表示所述OFDM符号的非导频符号的信道估计值，表示的共轭，表示的模平方。

本领域技术人员应当理解，图5所示的信道估计及频域均衡装置涉及的处理单元的功能能通过硬件电路，或由处理器执行相应的软件所实现。上述各处理单元的功能，可结合前述本发明信道估计及频域均衡方法的相关实施例及实例的描述而理解。

本发明还记载了一种GPP，包括图5所示的信道估计及频域均衡装置。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各处理单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，其可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，其可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种信道估计及频域均衡方法，其特征在于，所述方法包括：

利用单指令多数据流SIMD指令分别使用接收到的正交频分复用OFDM符号的多个导频符号进行信道估计得到导频位置的信道估计值；

根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计导频符号位置的信道的噪声；

根据导频符号位置的信道的噪声信息对所述OFDM符号的非导频符号进行频域均衡。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用SIMD指令分别使用接收到的正交频分复用OFDM符号的多个导频符号进行信道估计，包括：

将所述OFDM符号的非导频符号和本地导频符号分别存储于连续的内存中，以当前处理能力支持的处理位宽为单位，利用SIMD指令分别将所述OFDM符号的非导频符号除以本地导频符号，得到所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值，包括：

根据OFDM符号的导频图样确定各非导频符号位置的插值系数，或预设各非导频符号位置的插值系数；

将非导频符号位置的插值系数和所述OFDM符号的导频符号位置的信道分别存储于连续的内存中；

利用SIMD指令将所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值与插值系数进行乘运算，再与相邻导频符号位置的信道估计值与插值系数相乘结果进行加运算，得出所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计导频符号位置的信道的噪声，包括：

选取时域上相邻、频域上导频子载波位置相同的两个OFDM的导频符号，假设该两个OFDM符号上分别有N个导频子载波，其信道估计值分别为 ${\hat{H}}_1=[{\hat{H}}_{\mathrm{1,0}},{\hat{H}}_{\mathrm{1,1}},\·\·\·,{\hat{H}}_{1,N-1}],$ ${\hat{H}}_2=[{\hat{H}}_{\mathrm{2,0}},{\hat{H}}_{2,1},\·\·\·,{\hat{H}}_{2,N-1}],$ 则噪声方差的估计值为：

${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\hat{H}}_{1,i}-{\hat{H}}_{2,i}|}^2.$

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据导频符号位置的信道的噪声信息对所述OFDM符号的非导频符号进行频域均衡，包括：

按下式对所述OFDM符号的非导频符号Y进行频域均衡：

其中，表示所述OFDM符号的非导频符号的信道估计值，表示的共轭，表示的模平方。

7.一种信道估计及频域均衡装置，其特征在于，所述装置包括信道估计单元和计算单元，其中：

信道估计单元，用于利用单指令多数据流SIMD指令分别使用接收到的正交频分复用OFDM符号的多个导频符号进行信道估计；

计算单元，用于根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值，利用SIMD指令分别计算所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括噪声估计单元和均衡单元，其中：

噪声估计单元，用于根据所述OFDM符号的多个导频符号位置的信道估计值估计导频符号位置的信道的噪声；

均衡单元，用于根据导频符号位置的信道的噪声信息对所述OFDM符号的非导频符号进行频域均衡。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述信道估计单元，还用于将所述OFDM符号的非导频符号和本地导频符号分别存储于连续的内存中，以当前处理能力支持的处理位宽为单位，利用SIMD指令分别将所述OFDM符号的非导频符号除以本地导频符号，得到所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值。

10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

确定单元，用于根据OFDM符号的导频图样确定各非导频符号位置的插值系数，或预设各非导频符号位置的插值系数；

所述计算单元，还用于将非导频符号位置的插值系数和所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值分别存储于连续的内存中；利用SIMD指令将所述OFDM符号的导频符号位置的信道估计值与插值系数进行乘运算，再与相邻导频符号位置的信道估计值与插值系数相乘结果进行加运算，得出所述OFDM符号的非导频符号位置的信道估计值。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述噪声估计单元还用于，选取时域上相邻、频域上导频子载波位置相同的两个OFDM的导频符号，假设该两个OFDM符号上分别有N个导频子载波，其信道估计值分别为 ${\hat{H}}_1=[{\hat{H}}_{\mathrm{1,0}},{\hat{H}}_{\mathrm{1,1}},\·\·\·,{\hat{H}}_{1,N-1}],$ ${\hat{H}}_2=[{\hat{H}}_{\mathrm{2,0}},{\hat{H}}_{2,1},\·\·\·,{\hat{H}}_{2,N-1}],$ 则噪声方差的估计值为：

${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{2N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\hat{H}}_{1,i}-{\hat{H}}_{2,i}|}^2;$

对应的，所述均衡单元，还用于按下式对所述OFDM符号的非导频符号Y进行频域均衡：

其中，表示所述OFDM符号的非导频符号的信道估计值，表示的共轭，表示的模平方。

12.一种通用处理器，其特征在于，所述通用处理器包括权利要求7至11任一项所述的信道估计及频域均衡装置。