CN106911621A - 一种基于v‑ofdm的信道均衡和跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于V‑OFDM的信道均衡和跟踪方法，包括：对于一个物理层帧，首先使用第一段前导训练字估计出信道响应初始值H；对于第一个V‑OFDM符号，估计出接收到的V‑OFDM数据符号中导频部分变换到频域上后对应的导频位置上的导频值P，使用H对P进行均衡，再用P和已知导频序列P_known进行比较获得补偿值，对信道H进行补偿得到补偿的信道估计值，使用对V‑OFDM数据符号中数据部分进行均衡，并作为以后V‑OFDM符号信道响应初始值；对于第二段前导训练字，估计出信道响应值H₂，并使用H₂补偿得到补偿的信道估计值，作为以后V‑OFDM符号信道响应初始值；采用本发明，可以不断更新信道响应估计值，使得在信道快速变化的情况下，均衡操作更加快速、准确。

Description

一种基于V-OFDM的信道均衡和跟踪方法

技术领域

本发明涉及矢量正频分复用(Vector Otrhogonal Frequency DivisionMultiplexing,V-OFDM)系统，具体涉及一种基于V-OFDM的信道均衡和跟踪方法。

背景技术

无线通信在自由空间中利用电磁波来传送信息，不再受到种种限制，可以在环境复杂、距离更远的情况中实现通信。目前在信息通信领域中，无线通信发展最快、应用最广，大大改变了人类社会。

下一代无线通信技术的研究已成为研究人员关注的焦点，而在发送端与接收端之间以较高的速度相对移动的场景(高移动场景)下提供稳定可靠的通信服务则是下一代无线通信技术的重点之一。无线信道具有开放性和复杂性。携带信息的无线电磁波在传播过程中，会受到各种信道的影响干扰，信道的影响一般分为时间或频率选择性衰落以及加性噪声。在高移动环境下，信道同时引入时间、频率选择性衰落，展现双选择性，信道参数随着时间的变化而快速变化，这为通信系统稳定性、可靠性带来了很大的挑战。

正交频分调制(OFDM)技术通过离散傅里叶变换，将需要传输的信息在频域分到多个平行的子信道上独立传输，有效地消除了由多径传输引起的符号间干扰。因为其频谱利用率高、能使用DFT/IDFT技术优化等特点，成为了许多无线通信接入技术的核心。但是，OFDM系统对子载波正交性要求非常严格，也因为每个信息都在独立的信道中传输，对频谱零点非常敏感。此外，随着信号长度的增加，IDFT阶数也相应增加，引入了更高的计算复杂度，带来了高峰均比(PAPR)的影响。

在OFDM和单载波调制的基础上，研究人员提出了矢量正交频分调制(V-OFDM)的技术。V-OFDM传输方法为:发送端将映射后的星座点数据从串行变为块状，即取P×M个连续的发送数据，按从左至右、从上至下顺序组成一个数据块，大小为P行M列，得到大小为N＝P×M的数据块。之后对该数据块的每一列的P个数据做P点离散傅里叶逆变换(IDFT)，并将得到的数据块按按从左至右、从上至下顺序转化为串行数据，通过发送端天线发送。接收端收到信号并采样后，同样获得N＝P×M个串行数据，按与发送端相同的方式组成形状为P×M的数据块，对该数据块的每一列做P点离散傅里叶变换(DFT)，恢复出发送的数据。V-OFDM技术能够对抗信道频谱零点、减少循环前缀开销，作为OFDM与单载波调制的一般形式，方便发送端与接收端复杂度的分配。通过分析发现，V-OFDM二维的结构特性适合于高移动环境下的双选择信道。

但是，由于将V-OFDM应用到高移动环境下的通信系统中是一种较新的做法，相关研究工作比较局限，特别地，目前对于V-OFDM物理层系统的设计以及对于快变信道跟踪以及均衡的方法复杂度较高，降低了系统的传输性能；、

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于V-OFDM的信道均衡和跟踪方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于V-OFDM的信道均衡和跟踪方法，包括以下步骤：

A.在发送端，生成V‐OFDM二维数据块并在其中插入导频，具体包括以下子步骤：

A.1确定V-OFDM二维数据块大小N_V＝P×M，P为V-OFDM数据块行数，M为V-OFDM数据块列数，P与M为2的幂，且都大于等于8，N_data为每个V-OFDM二维数据块携带的数据星座点数量，N_data＝(P-2)×M；

A.2对于N_data个数据星座点序列获取用户确定的导频向量[P₀,P₂,...,P_M-1]，将D排列为如下P行M列矩阵形式：

该矩阵S称为V-OFDM二维数据块，其中，矩阵的第1行全为0，第P行为导频向量P＝[P₀,P₂,...,P_M-1]，在其余位置按行方向依次插入D中的数据星座点；将导频向量中的每个值P_m,m∈[0,M-1]乘以系数e^-jπm/M后对其做M点DFT，可以获得发送导频值

B.在发送端，生成基于V-OFDM通信系统的物理层帧，具体包括以下子步骤：

B.1对于待发送的N_frame个数据星座点，将其平均分为段，若最后一段长度不足N_data，使用随机星座点补足；

B.2生成短前导部分s_STS：对于每个帧都相同，具体使用Zadoff-Chu序列；

B.3生成长前导部分s_LTS：使用接收端已知的长前导序列做N_V点IDFT得到再生成长前导部分s_LTS＝[l_LTS,GI l_LTS l_LTS]，其中l_LTS,GI作为循环前缀，与l_LTS的后N_V/4个数据相同；每个物理层帧中有两段长前导部分，分别位于第一个V-OFDM数据符号之前和第个V-OFDM数据符号之前；

B.4生成V-OFDM时域信号向量部分s_DATA,q,q∈[0,Q-1]，共Q个。对于第q个V-OFDM数据符号，使用步骤B.1中的第q段数据作为数据星座点序列，按照步骤A.2的方法生成V-OFDM二维数据块S_q，对其每一列数据做P点IDFT，获得P行M列的V-OFDM二维信号块

其中为P点IDFT对应的傅里叶反变换矩阵，将按行方向串行化，并加入N_V/8长度的循环前缀，获得V-OFDM时域信号向量s_DATA,q:

B.5将短前导、长前导以及Q个V-OFDM时域信号向量组合成一个物理层帧并发送给接收端；

C.在接收端，利用发送端传输的物理层帧，对发送的数据进行信道均衡和跟踪，具体包括以下子步骤：

C.1使用短前导定时同步后，获得接收到的物理层帧离散信号

其中r_LTS1、r_LTS2为接收到的第一、二段长前导部分时域信号；r_DATA,q,q∈[0,Q-1]为第q个V-OFDM时域信号向量；

C.2对第一段长前导的处理，具体为：将收到的长前导部分时域数据r_LTS1去掉循环前缀部分，做N_V点DFT获得前导部分频域数据R_LTS1，用R_LTS1点除已知的长前导序列L_LTS，获得初始信道估计值将该值保存下来，并用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

C.3对第一段长前导后到第二段长前导前的V-OFDM时域信号向量的处理，具体为：

C.3.1信道跟踪阶段：

a.对于接收到的物理层帧的Q个V-OFDM时域信号向量，对于每个信号向量r_DATA，去掉循环前缀，并按步骤B.3中的串行化的逆方法将时域信号恢复为V-OFDM二维信号块对其每一列数据做P点DFT，恢复出V-OFDM二维数据块R；

b.获取恢复出的V-OFDM二维数据块R的第(P/2+1)行，定义为向量P'＝[P'₀,P'₂,...,P'_M-1],该行为发送端插入的导频所在的位置；

c.将P'中的每个值P'_m,m∈[0,M-1]乘以系数e^-jπm/M，对得到的向量做M点DFT，得到接收导频值计算 其中∠C表示复数C的辐角；

d.使用θ和Δθ补偿信道估计值：

并更新H_m+pM值，将补偿后的H保存下来，并用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

C.3.2信道均衡阶段：

i.获取V-OFDM二维数据块R的第p行，p∈[1,P/2-1]∪[P/2+1,P-1],即数据部分的每一行，定义为向量R_p＝[R_p,0,R_p,1,...,R_p,M-1]；

ii.将R_p中的每个值R_p,m,m∈[0,M-1]乘以系数e^-jπm/M，对得到的向量做M点DFT，得到

iii.使用补偿过的H对进行均衡得到 再对做M点IDFT，获得均衡后的数据向量R'_p；

iv.将所有R'_p按顺序连接在一起，得到该V-OFDM时域信号向量携带的数据星座点序列的估计

C.4对第二段长前导的处理，具体为：将收到的长前导部分时域数据r_LTS2去掉循环前缀部分，做N_V点DFT获得前导部分频域数据R_LTS2，用R_LTS2点除已知的长前导序列L_LTS，获得信道估计值更新H_n值，H_n＝(1-β)H_n+βH'_n,n∈[0,N_V-1],β∈(0,1)，将更新后的H用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

C.5对第二段长前导后的V-OFDM时域信号向量的处理，具体与对第一段长前导后到第二段长前导前的V-OFDM时域信号的处理相同；

C.6一个物理层帧处理完成后，可以获得Q个去除发送端可能存在的填充星座点，获得发送端发送的数据星座点。

本发明的有益效果是：本发明的目的在于针对现有高移动无线通信系统的不足，提出一种基于V-OFDM的信道均衡和跟踪方法，能够在使用V-OFDM调制方式时，能够以低复杂度跟踪高移动环境下，在一个物理层帧中信道响应值的连续变化，快速准确地补偿信道估计值，使得信道均衡结果更加准确；采用本发明中提出的方法，能够实现在信道均衡的同时，对信道变化进行跟踪，能够有效应对快变信道对物理层帧的信道均衡的影响，使得信道均衡更加可靠；本发明使用了两种不同的信道跟踪方式，通过两段前导完成粗信道跟踪，通过使用在V-OFDM二维数据块中插入的导频符号进行细信道跟踪。本发明通过使用平滑滤波的方式，将补偿过信道估计值与原信道估计值加权相加，能够实现对噪声、突发干扰的平滑，通过选择不同的加权参数，能够方便地调整跟踪信道变化的能力；本发明提出的均衡、跟踪计算方法中，与现有技术相比，将N_V点DFT/IDFT计算简化为P次M点DFT/IDFT,加快了信道均衡、跟踪的速度，能够更快地完成相应操作，提升系统处理性能；

附图说明

图1是本发明信道跟踪与均衡方法发送端实现结构示意图；

图2是本发明信道跟踪与均衡方法接收端端实现结构示意图；

图3是本发明用于信道跟踪与均衡的物理层帧格式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

在发送端，首先确定生成V‐OFDM二维数据块并在其中插入导频的方法，具体包括以下子步骤：

确定V-OFDM二维数据块大小N_V＝512＝P×M,P＝64,M＝8，V-OFDM数据块行数为64，V-OFDM数据块列数为8，每个V-OFDM二维数据块携带的数据星座点数量为496，N_data＝(P-2)×M；

对于待发送的496个数据星座点序列D＝[d₀,d₂,...,d₄₉₅]，获取用户确定的导频向量[P₀,P₂,...,P₇]，将D排列为如下P行M列矩阵形式：

该矩阵S称为V-OFDM二维数据块，其中，矩阵的第1行全为0，第P行为导频向量P＝[P₀,P₂,...,P₇]，在其余位置按行方向依次插入D中的数据星座点；将导频向量中的每个值P_m,m∈[0,7]乘以系数e^-jπm/M后对其做M点DFT，可以获得发送导频值

在发送端构造物理层帧，具体按顺序分为：

对于待发送的3200个数据星座点，将其平均分为7段，若最后一段长度不足496，使用随机星座点补足；

生成短前导部分s_STS：对于每个帧都相同，具体使用Zadoff-Chu序列；

生成长前导部分s_LTS：使用接收端已知的长前导序列L_LTS＝[L₀,L₁,...,L₅₁₁]做512点IDFT得到l_LTS＝[l₀,l₁,...,l₅₁₁]，再生成长前导部分s_LTS＝[l_LTS,GI l_LTS l_LTS]，其中l_LTS,GI作为循环前缀，与l_LTS的后64个数据相同；每个物理层帧中有两段长前导部分，分别位于第一个V-OFDM数据符号之前和第4个V-OFDM数据符号之前；

生成V-OFDM时域信号向量部分s_DATA,q,q∈[0,6]，共7个。对于第q个V-OFDM数据符号，使用数据星座点分段后的第q段数据作为数据星座点序列，按照步骤A.2的方法生成V-OFDM二维数据块S_q，对其每一列数据做P点IDFT，获得P行M列的V-OFDM二维信号块

其中为P点IDFT对应的傅里叶反变换矩阵，将按行方向串行化，并加入长度64的循环前缀，获得V-OFDM时域信号向量s_DATA,q:

将短前导、长前导以及7个V-OFDM时域信号向量组合成一个物理层帧s_PHY＝[s_STSs_LTS s_DATA,0...s_DATA,3 s_LTS s_DATA,4...s_DATA,7]，并发送给接收端；

在接收端，利用发送端传输的物理层帧，对发送的数据进行信道均衡和跟踪，具体包括以下子步骤：

使用短前导定时同步后，获得接收到的物理层帧离散信号

r_PHY＝[r_LTS1 r_DATA,0...r_DATA,3 r_LTS2 r_DATA,4...r_DATA,7]

其中r_LTS1、r_LTS2为接收到的第一、二段长前导部分时域信号；r_DATA,q,q∈[0,Q-1]为第q个V-OFDM时域信号向量；

对第一段长前导的处理，具体为：将收到的长前导部分时域数据r_LTS1去掉循环前缀部分，做512点DFT获得前导部分频域数据R_LTS1，用R_LTS1点除已知的长前导序列L_LTS，获得初始信道估计值将该值保存下来，并用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

对第一段长前导后到第二段长前导前的V-OFDM时域信号向量的处理，具体为信道跟踪阶段和信道均衡阶段：

信道跟踪阶段中：

接收到的物理层帧携带7个V-OFDM时域信号向量，对于每个信号向量r_DATA，去掉循环前缀，并按构建时的串行化方法的逆方法将时域信号恢复为V-OFDM二维信号块对其每一列数据做64点DFT，恢复出V-OFDM二维数据块R；

获取恢复出的V-OFDM二维数据块R的第33行，定义为向量P'＝[P'₀,P'₂,...,P'₇],该行为发送端插入的导频所在的位置；

将P'中的每个值P'_m,m∈[0,7]乘以系数e^-jπm/8，对得到的向量做8点DFT，得到接收导频值计算 其中∠C表示复数C的辐角；

使用θ和Δθ补偿信道估计值：

并更新H_m+p×8值，将补偿后的H保存下来，并用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

信道均衡阶段中：

获取V-OFDM二维数据块R的第p行，p∈[1,31]∪[33,63],即数据部分的每一行，定义为向量R_p＝[R_p,0,R_p,1,...,R_p,7]；

将R_p中的每个值R'_m,m∈[0,7]乘以系数e^-jπm/8，对得到的向量做8点DFT，得到

使用补偿过的H对进行均衡得到再对做8点IDFT，获得均衡后的数据向量R'_p；

将所有R'_p按顺序连接在一起，得到该物理层帧携带的数据星座点矢量的估计

对第二段长前导的处理，具体为：将收到的长前导部分时域数据r_LTS2去掉循环前缀部分，做512点DFT获得前导部分频域数据R_LTS2，用R_LTS2点除已知的长前导序列L_LTS，就能够获得信道估计值更新H_n值，H_n＝0.5H_n+0.5H'_n,n∈[0,511]，将更新后的H用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

对第二段长前导后的V-OFDM时域信号向量的处理，具体与对第一段长前导后到第二段长前导前的V-OFDM时域信号的处理相同；

一个物理层帧处理完成后，可以获得7个去除发送端可能存在的填充星座点，获得发送端发送的数据星座点。

以上实施例用于理解本发明的方法和核心思想,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,进行任何可能的变化或替换,均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于V-OFDM的信道均衡和跟踪方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在发送端，生成V‐OFDM二维数据块并在其中插入导频，具体包括以下子步骤：

(1.1)确定V-OFDM二维数据块大小N_V＝P×M，P为V-OFDM数据块行数，M为V-OFDM数据块列数，P与M为2的幂，且都大于等于8，N_data为每个V-OFDM二维数据块携带的数据星座点数量，N_data＝(P-2)×M；

(1.2)对于N_data个数据星座点序列获取用户确定的导频向量[P₀,P₂,...,P_M-1]，将D排列为如下P行M列矩阵形式：

该矩阵S称为V-OFDM二维数据块，其中，矩阵的第1行全为0，第P行为导频向量P＝[P₀,P₂,...,P_M-1]，在其余位置按行方向依次插入D中的数据星座点；将导频向量中的每个值P_m,m∈[0,M-1]乘以系数e^-jπm/M后对其做M点DFT，可以获得发送导频值其中m∈[0,M-1]；

(2)在发送端，生成基于V-OFDM通信系统的物理层帧，具体包括以下子步骤：

(2.1)对于待发送的N_frame个数据星座点，将其平均分为段，若最后一段长度不足N_data，使用随机星座点补足；

(2.2)生成短前导部分s_STS：对于每个帧都相同，具体使用Zadoff-Chu序列；

(2.3)生成长前导部分s_LTS：使用接收端已知的长前导序列做N_V点IDFT得到再生成长前导部分s_LTS＝[l_LTS,GI l_LTS l_LTS]，其中l_LTS,GI作为循环前缀，与l_LTS的后N_V/4个数据相同；每个物理层帧中有两段长前导部分，分别位于第一个V-OFDM数据符号之前和第个V-OFDM数据符号之前；

(2.4)生成V-OFDM时域信号向量部分s_DATA,q,q∈[0,Q-1]，共Q个。对于第q个V-OFDM数据符号，使用步骤2.1中的第q段数据作为数据星座点序列，按照步骤1.2的方法生成V-OFDM二维数据块S_q，对其每一列数据做P点IDFT，获得P行M列的V-OFDM二维信号块

${\stackrel{\‾}{S}}_q=F_P^{-1}{S}_q\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\[{\stackrel{\‾}{s}}_{0,q}^T,{\stackrel{\‾}{s}}_{1,q}^T,...,{\stackrel{\‾}{s}}_{P-1,q}^T\]}^T$

其中为P点IDFT对应的傅里叶反变换矩阵，将按行方向串行化，并加入N_V/8长度的循环前缀，获得V-OFDM时域信号向量s_DATA,q:

$s_{DATA,q}=\[{\stackrel{\‾}{s}}_{7P/8,q},{\stackrel{\‾}{s}}_{7P/8+1,q},...,{\stackrel{\‾}{s}}_{P-1,q}{\stackrel{\‾}{s}}_{0,q},{\stackrel{\‾}{s}}_{1,q},\mathrm{...},{\stackrel{\‾}{s}}_{P-1,q}\]$

(2.5)将短前导、长前导以及Q个V-OFDM时域信号向量组合成一个物理层帧并发送给接收端；

(3)在接收端，利用发送端传输的物理层帧，对发送的数据进行信道均衡和跟踪，具体包括以下子步骤：

(3.1)使用短前导定时同步后，获得接收到的物理层帧离散信号

其中r_LTS1、r_LTS2为接收到的第一、二段长前导部分时域信号；r_DATA,q,q∈[0,Q-1]为第q个V-OFDM时域信号向量；

(3.2)对第一段长前导的处理，具体为：将收到的长前导部分时域数据r_LTS1去掉循环前缀部分，做N_V点DFT获得前导部分频域数据R_LTS1，用R_LTS1点除已知的长前导序列L_LTS，获得初始信道估计值将该值保存下来，并用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

(3.3)对第一段长前导后到第二段长前导前的V-OFDM时域信号向量的处理，具体为：

(3.3.1)信道跟踪阶段：

a.对于接收到的物理层帧的Q个V-OFDM时域信号向量，对于每个信号向量r_DATA，去掉循环前缀，并按步骤2.3中的串行化的逆方法将时域信号恢复为V-OFDM二维信号块对其每一列数据做P点DFT，恢复出V-OFDM二维数据块R；

b.获取恢复出的V-OFDM二维数据块R的第(P/2+1)行，定义为向量P'＝[P'₀,P'₂,...,P'_M-1],该行为发送端插入的导频所在的位置；

c.将P'中的每个值P'_m,m∈[0,M-1]乘以系数e^-jπm/M，对得到的向量做M点DFT，得到接收导频值计算 其中∠C表示复数C的辐角；

d.使用θ和Δθ补偿信道估计值：

${\hat{H}}_{m+pM}={\exp }^{j2\mathrm{\π}\[\mathrm{\θ}+(p+mP-MP/2)\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\]}{H}_{m+pM,m}\∈\[0,M-1\],p\∈\[0,P-1\]$

并更新H_m+pM值，α∈(0,1)，将补偿后的H保存下来，并用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

(3.3.2)信道均衡阶段：

A.获取V-OFDM二维数据块R的第p行，p∈[1,P/2-1]∪[P/2+1,P-1],即数据部分的每一行，定义为向量R_p＝[R_p,0,R_p,1,...,R_p,M-1]；

B.将R_p中的每个值R_p,m,m∈[0,M-1]乘以系数e^-jπm/M，对得到的向量做M点DFT，得到

C.使用补偿过的H对进行均衡得到再对做M点IDFT，获得均衡后的数据向量R'_p；

D.将所有R'_p按顺序连接在一起，得到该V-OFDM时域信号向量携带的数据星座点序列的估计

(3.4)对第二段长前导的处理，具体为：将收到的长前导部分时域数据r_LTS2去掉循环前缀部分，做N_V点DFT获得前导部分频域数据R_LTS2，用R_LTS2点除已知的长前导序列L_LTS，获得信道估计值更新H_n值，H_n＝(1-β)H_n+βH'_n,n∈[0,N_V-1],β∈(0,1)，将更新后的H用于后面V-OFDM二维数据块的信道跟踪及信道均衡；

(3.5)对第二段长前导后的V-OFDM时域信号向量的处理，具体与对第一段长前导后到第二段长前导前的V-OFDM时域信号的处理相同；

(3.6)一个物理层帧处理完成后，可以获得Q个去除发送端可能存在的填充星座点，获得发送端发送的数据星座点。