CN105471795B - 一种偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法，包括以下步骤：采用最优的导频序列进行偏移正交多载波系统的导频设计；前向单次二维滤波的方法对接收端进行信道估计。本发明能够降低算法复杂度，提高系统可实现性。

Description

一种偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法
技术领域
本发明涉及宽带无线通信领域，特别是涉及一种偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法。
背景技术
OFDM(正交频分复用)是目前最主流的宽带通信调制方式，具有频谱效率高、抗多径能力强、多址接入灵活等特点，特别适合城市多径信道下的无线高速数据传输。其和MIMO(多输入多输出)相结合，已经广泛应用于IEEE802.11a/g/ac无线局域网(WLAN)、IEEE802.16全球微波互联接入(WiMAX)、IEEE802.22无线城域网(WRAN)、第四代移动通信(4G)等等。
OFDM系统虽然优势明显，但也存在一些不足之处。比如，为了对抗多径干扰需要引入循环前缀，且在城市复杂环境中，循环前缀长度较长，有时高达1/4符号长度，大大降低了频谱效率；另外，对载波偏移十分敏感，因为OFDM发射信号的快速傅里叶变换是基于矩形窗函数，频偏的存在将破坏子载波的正交性，从而引入ICI(子载波间干扰)，干扰功率将随着频偏增大按平方关系增加。
在此基础上，研究者从系统构造结构出发，提出一种改进型的OFDM，也叫正交O-QAM或OFDM-OQAM，每个子载波上的调制均采用交错偏移QAM，其和CP-OFDM(带循环前缀的OFDM信号)最显著的差别在于将正交条件放宽至实域正交，且引入一个时频二维的脉冲成形，使得信号对于收发两端的频率偏移不敏感。而且，在OFDM-OQAM系统中并不需要使用CP，由此可以带来更高的信道吞吐量。
关于OFDM-OQAM信号的研究，目前主要还停留在理论阶段。现有系统在设计导频时一般采用块状插入的方式，因为OFDM-OQAM系统仅在实部正交，实际信道非理想，故相邻符号和相邻子载波均会对当前导频产生虚部干扰，如果在信道估计时采用和OFDM符号类似的迫零算法，得到的信道冲击响应值误差较大，均衡后的数据恢复比较困难。另外，在接收信号中包含了比较复杂的干扰分量，仅通过取实部运算不能将其彻底消除，所以一般还要使用构造格点模型、干扰估计与抵消、迭代运算等途径进一步消除残余干扰，从而增加了系统的复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法，能够降低算法复杂度，提高系统可实现性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法，包括以下步骤：
(1)采用最优的导频序列进行偏移正交多载波系统的导频设计；
(2)前向单次二维滤波的方法对接收端进行信道估计。
所述步骤(1)包括以下子步骤：
(11)确定块状导频的符号数使得增加的导频能量小于OFDM中循环前缀的能量；
(12)离线计算邻域内格点的模糊函数，得到每个相邻格点的干扰权重；
(13)以IAM导频结构为基础，以4×3共12个导频子载波为一组，其中，两边8个是未知的变量，根据干扰权重列出干扰总值方程组；
(14)通过相似性观察确定未知变量的虚实性，简化干扰总值方程组，并由拉格朗日乘子法求解带约束条件的最优化问题；
(15)求解干扰总值方程组，并得到特定条件下归一化后最优的导频序列。
所述步骤(2)包括以下子步骤：
(21)对接收的信号进行OFDM-OQAM解调；
(22)利用优选的块状导频序列进行信道估计，得到信道估计值，并对当前导频覆盖域内的数据符号进行迫零均衡；
(23)离线计算原型滤波器组的模糊函数，对中心格点的叠加干扰矩阵进行求逆运算，并将结果保存在ROM表中，缓冲均衡后的数据符号，并利用ROM表系数进行二维线性滤波；
(24)对完成二维线性滤波后的数据进行OQAM符号的解映射，并对解映射结果进行信道译码操作。
所述步骤步骤(23)和步骤(24)之间还包括再一次进行解干扰的步骤，其参数由接收信号强度指示和信道丢包率来联合评估。
所述步骤(23)中邻域每个格点的干扰权重表示为其中g为原型滤波器。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用了最优的导频序列进行导频设计，可以极大的减少噪声干扰的影响，因此对中间导频可以直接进行复数除法运算，得到的次优的信道估计结果用来进行简单的迫零均衡；本发明采用前向单次二维滤波的方法进行信道估计，在可比较的信道环境下非常接近于常规OFDM信号的性能，极大的提升了系统的可实现性。
附图说明
图1是最优导频序列结构示意图；
图2是基于最优导频序列的信道估计流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
在可比较的信道模型下，为了降低算法复杂度，提高系统可实现性，本实施方式提出一种新颖的OFDM-OQAM的导频设计和信道估计方法。
所述的OFDM-OQAM导频采用一组优化的块状导频设计方法，归一化复数结构，在降低干扰噪声和均衡信道能量上优于仅利用实部或虚部进行信道估计的经典IAM(干扰近似利用法)方法。
设第q个OFDM-OQAM符号的第p个子载波对应的格点信号表示为(p,q)，如果来自其他符号的干扰信号只和(p,q)点的近邻相关，且这些点的导频信息已知，则能够预先计算这些干扰的近似值。通常，和(p,q)点欧氏距离大于3的相邻格点的干扰近似为0，为了简化算法，因此仅考虑和(p,q)点距离小于3的已知导频的相邻格点，这些值将被用来构建复伪导频cp,q。所谓的复伪导频，是指叠加了相邻格点干扰的复导频信号，这些干扰可以用来抑制噪声对信道估计的影响。
采用干扰近似利用法的信道估计表达式为：
其中，Hp,q为单个格点的信道频率响应，dp,q为实值数据，up,q为欧氏距离小于3的邻域的虚部干扰，ηp,q为叠加噪声。由上式容易看出，可以通过设计最优的导频结构，使虚部干扰up,q最大，从而使叠加噪声的影响最小。需要注意的是，假设距(p,q)欧式距离小于3的格点具有相同的频率响应，因此通过如下的设计方法得到特定条件下最优的导频序列。
步骤1：
为了体现OFDM-OQAM的优势，增加的导频能量应小于OFDM中循环前缀的能量，故块状导频的符号数设计为K＝3；
步骤2：
离线计算邻域内格点的模糊函数，由于导频符号的奇偶特性对信号干扰总值的计算影响较小，为了简化算法，忽略奇偶特性，得到每个相邻格点的干扰权重；
步骤3：
以经典IAM导频结构为基础，两边的导频符号不再是零，4×3共12个导频子载波为一组，两边8个是未知的变量，根据干扰权重列出干扰总值方程组；
步骤4：
通过相似性观察确定未知变量的虚实性，简化干扰总值方程组，并由拉格朗日乘子法求解带约束条件的最优化问题；
步骤5：
求得一些特殊解，并得到特定条件下归一化后最优的导频序列。
图1为最优的OFDM-OQAM导频和数据符号结构，归一后d值为
所述OFDM-OQAM的信道估计方法，由于采用了最优的导频序列，可以极大的减少噪声干扰的影响，因此对中间导频可以直接进行复数除法运算，得到的次优的信道估计结果用来进行简单的迫零均衡。不同于常规的OFDM信号，数据的均衡结果含有邻域的虚部干扰，不能直接用来解映射，需要首先进行解干扰。为了便于实现，本发明不同于常规的干扰抵消的迭代算法，采用前向单次二维滤波的方法，在可比较的信道环境下非常接近于常规OFDM信号的性能，极大的提升了系统的可实现性。
如图2所示，接收端信道估计的实现步骤如下：
步骤1：
对接收的信号进行OFDM-OQAM解调，即与IOTA滤波器组卷积后再做FFT，所述的IOTA滤波器组，也叫等方向性正交传输机制滤波器组，具有优良的时频聚焦特性。
步骤2：
利用优选的块状导频序列进行信道估计，估计方法和常规OFDM类似，得到信道估计值并对当前导频覆盖域内的数据符号进行迫零均衡。
步骤3：
上述的迫零均衡结果不能反映真实数据值，包含相邻格点的虚部干扰，需要进行解干扰操作，首先离线计算原型滤波器组的模糊函数，对中心格点的叠加干扰矩阵进行求逆运算，并将结果保存在ROM表中，然后缓冲均衡后的数据符号，并利用ROM表系数进行二维线性滤波。
步骤4：
一般情况下，单次滤波结果已经和常规OFDM的信道估计性能接近，符合实时系统的正向处理流程。解干扰后的数据进行OQAM符号的解映射，并对解映射结果进行信道译码操作。
步骤5：
在一些特别恶劣的环境下，OFDM-OQAM的误码率性能可能存在一些平台效应，这时可以通过两次解干扰来提升性能，其参数可以由接收信号强度指示RSSI和信道丢包率来联合评估。
步骤3中，邻域(m,n)每个格点的干扰权重表示为其中g为原型滤波器，这些值能够被离线计算。下式为中心格点(p,q)的叠加干扰系数矩阵，求逆即可得到滤波器系数。
(-1)pε 0 -(-1)pε
(-1)pδ -β (-1)pδ
-(-1)pγ dp,q (-1)pγ
(-1)pδ β (-1)pδ
(-1)pε 0 -(-1)pε
上式的矩阵中水平方向为时间，垂直方向为频率，干扰权重β,γ,δ,ε可以根据下式计算。
其中，g(l)表示原型滤波器，M为OFDM-OQAM符号子载波个数，Lg为滤波器组长度。总的来说，β,γ＞δ＞|ε|，但都远小于1。

Claims (3)

1.一种偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用最优的导频序列进行偏移正交多载波系统的导频设计，具体为：
(11)确定块状导频的符号数使得增加的导频能量小于OFDM中循环前缀的能量；
(12)离线计算邻域内格点(m,n)的模糊函数，得到每个相邻格点的干扰权重；
(13)以IAM导频结构为基础，以4×3共12个导频子载波为一组，其中，两边8个是未知的变量，根据干扰权重列出干扰总值方程组；
(14)通过相似性观察确定未知变量的虚实性，简化干扰总值方程组，并由拉格朗日乘子法求解带约束条件的最优化问题；
(15)求解干扰总值方程组，并得到归一化后最优的导频序列；
(2)前向单次二维滤波的方法对接收端进行信道估计，具体为：
(21)对接收的信号进行OFDM-OQAM解调；
(22)利用最优的导频序列进行信道估计，得到信道估计值，并对当前导频覆盖域内的数据符号进行迫零均衡；
(23)离线计算原型滤波器组的模糊函数，对中心格点(p,q)的叠加干扰矩阵进行求逆运算，并将结果保存在ROM表中，缓冲均衡后的数据符号，并利用ROM表系数进行二维线性滤波；
(24)对完成二维线性滤波后的数据进行OQAM符号的解映射，并对解映射结果进行信道译码操作。
2.根据权利要求1所述的偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法，其特征在于，所述步骤步骤(23)和步骤(24)之间还包括再一次进行解干扰的步骤，再一次进行解干扰的参数由接收信号强度指示和信道丢包率来联合评估。
3.根据权利要求1所述的偏移正交多载波系统的导频设计和信道估计方法，其特征在于，所述步骤(12)中邻域每个格点的干扰权重表示为其中g为原型滤波器。
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