CN106911621B - 一种基于v-ofdm的信道均衡和跟踪方法 - Google Patents

一种基于v-ofdm的信道均衡和跟踪方法 Download PDF

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CN106911621B CN201710002203.8A CN201710002203A CN106911621B CN 106911621 B CN106911621 B CN 106911621B CN 201710002203 A CN201710002203 A CN 201710002203A CN 106911621 B CN106911621 B CN 106911621B
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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Pknown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
Figure DDA0001201954220000012
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
Figure DDA0001201954220000013
，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NV＝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，Ndata为每个V-OFDM二维数据块携带的数据星座点数量，Ndata＝(P-2)×M；
A.2对于Ndata个数据星座点序列
Figure BDA0001201954200000031
获取用户确定的导频向量[P0,P2,...,PM-1]，将D排列为如下P行M列矩阵形式：
Figure BDA0001201954200000032
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,...,PM-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Pm,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
Figure BDA0001201954200000033
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Nframe个数据星座点，将其平均分为
Figure BDA0001201954200000034
段，若最后一段长度不足Ndata，使用随机星座点补足；
B.2生成短前导部分sSTS：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sLTS：使用接收端已知的长前导序列做NV点IDFT得到
Figure BDA0001201954200000036
再生成长前导部分sLTS＝[lLTS,GI lLTS lLTS]，其中lLTS,GI作为循环前缀，与lLTS的后NV/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
Figure BDA0001201954200000047
个V-OFDM数据符号之前；
B.4生成V-OFDM时域信号向量部分sDATA,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Sq，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
Figure BDA0001201954200000041
Figure BDA0001201954200000042
其中为P点IDFT对应的傅里叶反变换矩阵，将
Figure BDA0001201954200000044
按行方向串行化，并加入NV/8长度的循环前缀，获得V-OFDM时域信号向量sDATA,q:
Figure BDA0001201954200000045
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
Figure BDA0001201954200000048
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
Figure BDA0001201954200000049
其中rLTS1、rLTS2为接收到的第一、二段长前导部分时域信号；rDATA,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rLTS1去掉循环前缀部分，做NV点DFT获得前导部分频域数据RLTS1，用RLTS1点除已知的长前导序列LLTS，获得初始信道估计值
Figure BDA0001201954200000046
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rDATA，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
Figure BDA00012019542000000511
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
Figure BDA0001201954200000051
计算
Figure BDA0001201954200000052
Figure BDA0001201954200000053
其中∠C表示复数C的辐角；
d.使用θ和Δθ补偿信道估计值：
Figure BDA0001201954200000054
并更新Hm+pM值，
Figure BDA0001201954200000055
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Rp＝[Rp,0,Rp,1,...,Rp,M-1]；
ii.将Rp中的每个值Rp,m,m∈[0,M-1]乘以系数e-jπm/M，对得到的向量做M点DFT，得到
Figure BDA0001201954200000056
iii.使用补偿过的H对
Figure BDA0001201954200000057
进行均衡得到
Figure BDA0001201954200000058
Figure BDA0001201954200000059
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rLTS2去掉循环前缀部分，做NV点DFT获得前导部分频域数据RLTS2，用RLTS2点除已知的长前导序列LLTS，获得信道估计值
Figure BDA0001201954200000062
更新Hn值，Hn＝(1-β)Hn+βH'n,n∈[0,NV-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NV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NV＝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，Ndata＝(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：
Figure BDA0001201954200000071
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Pm,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
Figure BDA0001201954200000072
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sSTS：对于每个帧都相同，具体使用Zadoff-Chu序列；
生成长前导部分sLTS：使用接收端已知的长前导序列LLTS＝[L0,L1,...,L511]做512点IDFT得到lLTS＝[l0,l1,...,l511]，再生成长前导部分sLTS＝[lLTS,GI lLTS lLTS]，其中lLTS,GI作为循环前缀，与lLTS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sDATA,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Sq，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
Figure BDA0001201954200000081
Figure BDA0001201954200000082
其中
Figure BDA0001201954200000083
为P点IDFT对应的傅里叶反变换矩阵，将
Figure BDA0001201954200000084
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sDATA,q:
Figure BDA0001201954200000085
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sPHY＝[sSTSsLTS sDATA,0...sDATA,3 sLTS sDATA,4...sDATA,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
rPHY＝[rLTS1 rDATA,0...rDATA,3 rLTS2 rDATA,4...rDATA,7]
其中rLTS1、rLTS2为接收到的第一、二段长前导部分时域信号；rDATA,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rLTS1去掉循环前缀部分，做512点DFT获得前导部分频域数据RLTS1，用RLTS1点除已知的长前导序列LLTS，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rDATA，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
Figure BDA0001201954200000093
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
Figure BDA0001201954200000094
计算
Figure BDA0001201954200000095
Figure BDA0001201954200000096
其中∠C表示复数C的辐角；
使用θ和Δθ补偿信道估计值：
Figure BDA0001201954200000097
并更新Hm+p×8值，
Figure BDA0001201954200000098
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Rp＝[Rp,0,Rp,1,...,Rp,7]；
将Rp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
Figure BDA0001201954200000101
使用补偿过的H对
Figure BDA0001201954200000102
进行均衡得到
Figure BDA0001201954200000103
再对
Figure BDA0001201954200000104
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rLTS2去掉循环前缀部分，做512点DFT获得前导部分频域数据RLTS2，用RLTS2点除已知的长前导序列LLTS，就能够获得信道估计值
Figure BDA0001201954200000107
更新Hn值，Hn＝0.5Hn+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
Figure BDA0001201954200000106
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NV＝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，Ndata为每个V-OFDM二维数据块携带的数据星座点数量，Ndata＝(P-2)×M；
(1.2)对于Ndata个数据星座点序列
Figure FDA0002133860690000011
获取用户确定的导频向量[P0,P1,...,PM-1]，将D排列为如下P行M列矩阵形式：
Figure FDA0002133860690000012
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,P1,...,PM-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Pm,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
Figure FDA0002133860690000014
(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Nframe个数据星座点，将其平均分为段，若最后一段长度不足Ndata，使用随机星座点补足；
(2.2)生成短前导部分sSTS：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sLTS：使用接收端已知的长前导序列做NV点IDFT得到
Figure FDA0002133860690000022
再生成长前导部分sLTS＝[lLTS,GI lLTS lLTS]，其中lLTS,GI作为循环前缀，与lLTS的后NV/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
Figure FDA0002133860690000023
个V-OFDM数据符号之前；
(2.4)生成V-OFDM时域信号向量部分sDATA,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Sq，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
Figure FDA0002133860690000024
Figure FDA0002133860690000025
其中
Figure FDA0002133860690000026
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NV/8长度的循环前缀，获得V-OFDM时域信号向量sDATA,q:
Figure FDA0002133860690000028
(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
Figure FDA0002133860690000029
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
Figure FDA00021338606900000210
其中rLTS1、rLTS2为接收到的第一、二段长前导部分时域信号；rDATA,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rLTS1去掉循环前缀部分，做NV点DFT获得前导部分频域数据RLTS1，用RLTS1点除已知的长前导序列LLTS，获得初始信道估计值
Figure FDA0002133860690000031
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rDATA，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'1,...,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
Figure FDA0002133860690000032
计算
Figure FDA0002133860690000033
Figure FDA0002133860690000034
其中∠C表示复数C的辐角；
d.使用θ和Δθ补偿信道估计值：
Figure FDA0002133860690000035
并更新Hm+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；
(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Rp＝[Rp,0,Rp,1,...,Rp,M-1]；
B.将Rp中的每个值Rp,m,m∈[0,M-1]乘以系数e-jπm/M，对得到的向量做M点DFT，得到
Figure FDA0002133860690000041
C.使用补偿过的H对
Figure FDA0002133860690000042
进行均衡得到
Figure FDA0002133860690000043
再对
Figure FDA0002133860690000044
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V-OFDM时域信号向量携带的数据星座点序列的估计
Figure FDA0002133860690000045
(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rLTS2去掉循环前缀部分，做NV点DFT获得前导部分频域数据RLTS2，用RLTS2点除已知的长前导序列LLTS，获得信道估计值
Figure FDA0002133860690000046
更新Hn值，Hn＝(1-β)Hn+βH'n,n∈[0,NV-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。
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