CN109412987B - 一种ofdm系统信道跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统信道跟踪方法，属于无线通信技术领域。其包括（1）剥离数据帧中第一个OFDM符号的导频，（2）利用第一个OFDM符号的导频得到对应于第一个OFDM符号的信道频域响应估计，（3）对数据帧内的所有OFDM符号进行一次频域信道均衡，（4）逐个利用所述数据帧中的其他OFDM符号，以迭代方式重复进行频域信道均衡，（5）输出各次频域信道均衡的结果，实现对OFDM系统的信道跟踪等步骤。该方法能够有效滤除噪声，提高信道估计性能，降低信道估计算法对时变信道的敏感性，实现对信道的有效跟踪。

Description

一种OFDM系统信道跟踪方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种OFDM系统信道跟踪方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种典型的多载波调制技术。OFDM技术的核心思想是通过串并转换把原数据流划分成N个速率较低的子数据流，然后分别调制到N路正交子载波上进行传输，从而消除多载波系统子信道间的干扰；同时，传输的数据速率变为原始信号速率的1/N，相当于被调制的符号持续时间增加了N倍，满足远大于信道最大时延的条件。从信道的频域上理解，原来宽的频率选择性衰落信道被转变成窄的平坦衰落信道，因此能够很好的对抗多径衰落。

OFDM技术目前已广泛应用于无线WIFI、Wimax、数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、4G LTE等技术中，是面对复杂信道最为有效的通讯技术之一。此外，最新完成的新一代无线移动通信技术(5G)标准也已确定物理层采用OFDM技术；且随着5G技术的日益成熟，星地5G融合的天地一体化网络成为业界关注的新热点，而OFDM技术是其重要的物理层空口技术。

由于无线信道时变及频率选择特性，OFDM系统接收端为了实现相干检测，须对无线信道进行估计与跟踪，以满足未来高速数据通信业务需求。根据信道估计是否用到已知信息，OFDM系统的信道估计与跟踪可分为盲信道估计\半盲信道估计和基于导频辅助的信道估计方法。盲信道估计\半盲信道估计方法需利用接收数据的统计特性如子空间分解法等实现信道估计与跟踪，虽然提高了系统效率，但极大的增加了运算量。基于导频辅助的信道估计方法如LS、MMSE、基于DFT插值信道估计等，一般利用数据已知的信息得到导频位置处的信道响应，然后利用内插方法得到整个频带内的信道响应，该方法运算算量相对较小，但一般仅利用本符号内的信息，适应时变信道的性能不理想。

可见，在卫星、飞机及高铁等高动态大多普勒的应用场景中，OFDM系统面临着信道快速时变及子载间干扰(ICI,Inter-Carrier Interference)严重等问题，这制约了5G技术的有效应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种OFDM系统信道跟踪方法，该方法能够有效滤除噪声，提高信道估计性能，降低信道估计算法对时变信道的敏感性，实现对信道的有效跟踪。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种OFDM系统信道跟踪方法，其包括以下步骤：

(1)接收数据帧，剥离数据帧中第一个OFDM符号的导频；

(2)利用第一个OFDM符号的导频得到对应于第一个OFDM符号的抑制噪声的信道时域响应估计，并通过基于FFT的时频域变换得到相应的信道频域响应估计；

(3)利用步骤(2)得到的信道频域响应估计，对所述数据帧内的所有OFDM符号进行一次频域信道均衡；

(4)逐个利用所述数据帧中的其他OFDM符号，以迭代方式重复进行频域信道均衡，每次迭代按顺序对应于一个不同的OFDM符号；

(5)输出各次频域信道均衡的结果，实现对OFDM系统的信道跟踪；

所述步骤(4)中，每个迭代周期均包括以下步骤：

(401)利用当前对应OFDM符号的导频，得到对应于当前对应OFDM符号的抑制噪声的信道时域响应估计；

(402)对于所有已获得的对应于各OFDM符号的抑制噪声的信道时域响应估计，在分别进行滤波平滑处理后进行累加，得到累加值；

(403)对累加值进行FFT变换，得到当前对应OFDM符号的频域信道响应；

(404)利用当前对应OFDM符号的频域信道响应对所述输入数据帧内的所有OFDM符号进行频域信道均衡。

具体的，所述的OFDM系统具有循环前缀，且循环前缀的长度大于信道的最大多径时延。

具体的，所述步骤(2)和所述步骤(401)中获得抑制噪声的信道时域响应估计的方式为：

(S1)利用LS/MMSE信道估计算法，得到初始信道估计；

(S2)对初始信道估计进行反傅里叶变换，得到信道的时域响应估计序列；

(S3)对序列中循环前缀长度以外的值求平均，得到时域噪声估计均值；

(S4)用序列的主径及次主径分别减去时域噪声估计均值，得到去除噪声影响的主径及次主径的估计值

和

(S5)计算序列中循环前缀长度内每个时域响应的能量值；

(S6)确定能量衰减门限

其中，α和β为比例因子，且α＞β，κ为衰减系数；

(S7)将序列中循环前缀长度以外的每点置零，并比较序列中循环前缀长度内每点的能量值与能量衰减门限η的大小关系，若小于η则将序列的该点置零，最终得到的序列即为抑制噪声的信道时域响应估计。

具体的，所述步骤(402)中，采用滤波器进行滤波平滑处理，滤波器的系数G₁、G₂设置如下：

G₁＝ξω_n/K，

G₂＝ω_n ²/K

其中，ξ为阻尼系数，ω_n为环路带宽，K为比例因子；

滤波器输出为：

其中，h_Reg(·)为每次滤波操作的滤波器存储值，

为第i个OFDM符号的信道时域响应估计，

为经过平滑滤波后的第i个OFDM符号的信道时域响应估计。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明利用基于FFT时频域变换的抑制噪声信道估计方法，并进行信道跟踪及降噪时域滤波，能够有效滤除噪声，提高算法跟踪快变信道的特性，从而解决了OFDM系统在大动态场景下存在的信道快速时变及子载间干扰严重等问题，为未来5G技术在卫星、飞机及高铁等高动态大多普勒场景中的应用提供了技术保障。

(2)本发明逐符号实现信道跟踪且仅利用一次迭代均衡，有效降低了处理时延，适用于对实时性要求比较高的OFDM通信系统。

(3)本发明实现中没有复杂的矩阵运算，运算量小，易于工程实现。

附图说明

图1为OFDM系统的整个信号收发处理过程示意图。

图2为本发明实施例中信道跟踪方法的流程图。

图3为本发明方法的信道估计性能图。

图4为本发明信道估计与跟踪方法与常规信道估计方法链路仿真误码率性能比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

一种OFDM系统信道跟踪方法，该方法可应用于OFDM系统中，作为OFDM系统整个信号收发处理过程(如图1所示)中的一个重要环节。图1中的其他环节均有对应的现有技术，此处不再赘述。

该OFDM系统中，插入导频及循环前缀(CP)的OFDM符号经过无线信道到达接收端，接收端经过去除循环前缀、剥离导频和信道估计及跟踪均衡模块输出解调数据。OFDM系统数据传输帧长为10ms，包含10个1ms子帧，每个子帧包含两个0.5ms时隙，一个时隙包含7个OFDM符号；每隔OFDM符号FFT(快速傅立叶变换)点数为N＝2048，子载波间隔为15kHz；每隔6个子载波间隔插入一个导频，OFDM符号之间导频按照菱形插入，传输信号带宽为20MHz，共插入200个导频；循环前缀CP长度为N_g＝144。信道模型选择ITU扩展车载EVA模型，载频为2GHz，车载速度为150km/h，多普勒为150Hz。

该方法的流程图如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤1、剥离数据帧中第一个OFDM数据符号内的梳状导频X_piolt(m),m＝0,1,2,...,N_p-1,其中N_p为插入导频的数量，本实施例中N_p＝200；

步骤2、利用剥离的导频，通过基于快速傅里叶变换(FFT)的时频域变换，计算初始抑制噪声的频域信道估计；

(1)利用LS信道估计算法得到导频处的频域信道估计值：

式中Y_piolt(m)为接收信号导频子载波数据，

为导频子载波处的频域信道估计值；

(2)对

进行反傅里叶变换(IDFT)，得到时域信道响应估计

(3)估计时域噪声均值

由于本OFDM系统中循环前缀CP的长度大于最大多径时延，信道时域响应估计值

中CP以外的值理论上都是由噪声产生的，因此，对这些值求平均即为噪声的时域估计均值：

(4)用时域信道响应的主径

及次主径

减去时域噪声估计均值，得到去除噪声影响的主径及次主径的估计值

和

(5)计算

中CP内每个时域响应的能量值

(6)确定能量衰减门限η：

α和β为比例因子，且α＞β，κ为衰减系数；

(7)去除时域信道响应的噪声：

将时域信道响应估计

(n为信道时域响应的采样点)循环前缀外的每点置零，并比较

循环前缀内每点的能量值

与能量衰减门限η的大小，若小于η则令对应该点位置的

置零，从而得到最终的抑制噪声的时域信道响应

(8)对

进行FFT变换，得到抑制噪声的信道估计

步骤3、对一帧内所有OFDM符号进行信道均衡：

式中，Y_i(n)为第i个OFDM符号第n个子载波上的接收信号，X_i'(n)为经过初始信道均衡后第i个OFDM符号第n个子载波上的接收信号,i＝1,2,...,140；

步骤4、对第i个OFDM符号进行迭代频域信道均衡，并输出均衡后OFDM的符号X″_i(n)：

上式中，

为第i个OFDM符号的频域信道响应估计值，X″_i(n)为迭代均衡后输出的最终接收数据，i≥2；具体来说：

(401)利用第i个OFDM符号内导频估计残余信道时域响应

剥离第i个OFDM符号的导频X_i,piolt(m)，然后依据步骤2中的(1)～(7)得到该符号的残余信道时域响应

(402)利用滤波器对残余信道时域响应进行滤波平滑，进一步抑制噪声及信道快速变化影响，得到

其中滤波器相关系数设置如下：

G₁＝ξω_n/K

G₂＝ω_n ²/K

G₁和G₂为滤波器系数，ξ、ω_n分别表示阻尼系数、环路带宽，K为比例因子，且ω_n＝0.05，ξ＝1.4，K＝1。平滑滤波器输出为：

其中，h_Reg(i-1)的初始值为0，h_Reg(·)为每次滤波操作的滤波器存储值，h_Reg(i-1)为第i次滤波前的滤波器存储值，h_Reg(i)为第i次滤波后的滤波器存储值。

(403)累计信道估计时域响应

(404)利用离散傅立叶变换(DFT)，计算得到第i个OFDM符号的频域信道响应

(405)利用第i个OFDM符号的频域信道响应，对各符号进行频域信道均衡，并输出均衡后的符号。

图3为本发明信道估计性能仿真性能曲线，从图中可以看出本发明抑制噪声的信道估计方法准确的估计信道模型的中多径，估计性能优良。

图4为本发明信道估计与跟踪方法与常规信道估计方法的链路仿真误码率性能比较曲线，从图中可以看出，基于导频辅助抑制噪声的DFT信道估计方法性能明显优于常规的LS信道估计方法，且与信道跟踪与迭代均衡结合在一起，即本发明中信道估计与跟踪方法可明显的提高估计性能，降低系统误码率；且随着信噪比的提高，性能改善更加明显。

上面所描述的实施例仅是本发明一个具体的实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种OFDM系统信道跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）接收数据帧，剥离数据帧中第一个OFDM符号的导频；

（2）利用第一个OFDM符号的导频得到对应于第一个OFDM符号的抑制噪声的信道时域响应估计，并通过基于FFT的时频域变换得到相应的信道频域响应估计；

（3）利用步骤（2）得到的信道频域响应估计，对所述数据帧内的所有OFDM符号进行一次频域信道均衡；

（4）逐个利用所述数据帧中的其他OFDM符号，以迭代方式重复进行频域信道均衡，每次迭代按顺序对应于一个不同的OFDM符号；

（5）输出各次频域信道均衡的结果，实现对OFDM系统的信道跟踪；

所述步骤（4）中，每个迭代周期均包括以下步骤：

（401）利用当前对应OFDM符号的导频，得到对应于当前对应OFDM符号的抑制噪声的信道时域响应估计；

（402）对于所有已获得的对应于各OFDM符号的抑制噪声的信道时域响应估计，在分别进行滤波平滑处理后进行累加，得到累加值；

（403）对累加值进行FFT变换，得到当前对应OFDM符号的频域信道响应；

（404）利用当前对应OFDM符号的频域信道响应对所述数据帧内的所有OFDM符号进行频域信道均衡。

2.根据权利要求1所述的一种OFDM系统信道跟踪方法，其特征在于：所述的OFDM系统具有循环前缀，且循环前缀的长度大于信道的最大多径时延。

3.根据权利要求1所述的一种OFDM系统信道跟踪方法，其特征在于：所述步骤（2）和所述步骤（401）中获得抑制噪声的信道时域响应估计的方式为：

（S1）利用LS/MMSE信道估计算法，得到初始信道估计；

（S2）对初始信道估计进行反傅里叶变换，得到信道的时域响应估计序列；

（S3）对序列中循环前缀长度以外的值求平均，得到时域噪声估计均值；

（S4）用序列的主径及次主径分别减去时域噪声估计均值，得到去除噪声影响的主径及 次主径的估计值

和

；

（S5）计算序列中循环前缀长度内每个时域响应的能量值；

（S6）确定能量衰减门限

，其中，

和

为比例因子，且

，

为衰减系 数；

（S7）将序列中循环前缀长度以外的每点置零，并比较序列中循环前缀长度内每点的能 量值与能量衰减门限

的大小关系，若小于

则将序列的该点置零，最终得到的序列即为抑 制噪声的信道时域响应估计。

4.根据权利要求1所述的一种OFDM系统信道跟踪方法，其特征在于：所述步骤（402）中，采用滤波器进行滤波平滑处理，滤波器的系数G₁、G₂设置如下：

其中，

为阻尼系数，

为环路带宽，K为比例因子；

滤波器输出为：

其中，

为每次滤波操作的滤波器存储值，

为第i个OFDM符号的信道时域响 应估计，

为经过平滑滤波后的第i个OFDM符号的信道时域响应估计。

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