CN109600157A - 一种基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法，包括：步骤1：基站端利用移动台发送的导频序列进行初始TDOA值估计；步骤2：基站利用估计得到的TDOA初始值对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，补偿时延造成的信道非正交性；步骤3：利用接收端解码后的信号进行信道估计和符号解码；步骤4：移动台估计解码后符号信噪比，并上报给发送端；步骤5：发送端根据回退算法对TDOA估计值进行跟踪修正，得出修正后的TDOA时延因子步骤6：发送端根据反馈得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，并对发送信号进行编码。本发明可根据接收信号自适应跟踪修正TDOA估计值进行正交恢复编码，在不需要增加系统开销的前提下提高了系统性能。

Description

一种基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法
技术领域
本发明涉及多天线环境下接收系统设计，特别涉及一种基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法。
背景技术
近年来,高速铁路建设飞速发展,铁路运输受客观条件和非控制因素影响比较小,逐步成为各个国家主要的交通工具。铁路的高速运行极大的方便了人们的出行,大大缩短了列车的运行时间,列车时速的不断提升为人们带来便利的同时也对高速铁路移动通信系统提出了越来越高的要求。铁路移动通信系统主要分为两类：第一类是列车和机车车辆作业的统一调度与指挥，提供列车控制与调度业务、列车控制运行与自动驾驶和列车安全状态监测，保障铁路系统安全、高效运行。第二类是铁路通信系统为乘客提供满意的多媒体业务，为人们提供便捷的出行同时使旅客享受到便捷的移动多媒体服务。用户对移动通信高速率传输、数据业务需求的日益增加,数据传输速率低、频率资源短缺、掉话率高等成为高速铁路通信中的重要问题。高速铁路环境下无线信道时变衰落特性和传输损耗使得用户接收端链路性能急剧下降,为了提高接收端信号质量,采用协作通信技术,利用信道的非相关性实现空间分集。
在高速移动场景中，为了减少通信小区间切换所带来的巨大开销，通常会在同一逻辑单元内布置多个中转基站。这种网络布置方案意味着移动端会收到多个来自不同中转基站的相同信号。在无线系统中，空间分集和空间复用能够抑制信道衰落和增大系统容量，因此通常被用作提高系统性能的方法。对高速移动协作通信而言，时变信道衰落是影响通信系统性能的主要因素之一。空间分集技术中的空频块编码(Space Frequency BlockCoding，SFBC)通常与正交频分复用技术(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)结合使用。由于快速时变衰落信道对OFDM帧内子载波之间的正交性造成破坏，SFBC-OFDM系统中会发生子载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI)和码间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)，而且由于码间干扰和波间干扰的影响，接收信号无法在接收端被很好地分离，整个通信系统的性能也将会被严重地影响。同时，由于信道的非正交性造成系统无法完全获得空频编码所带来的分集增益。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法，大幅度提高系统的信噪比、误码率和分集增益等性能。
为了达到上述的目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法，包括如下步骤：
步骤1：基站端利用移动台发送的导频序列进行初始TDOA值估计；
步骤2：基站利用估计得到的TDOA初始值对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，补偿时延造成的信道非正交性；
步骤3：利用接收端解码后的信号进行信道估计和符号解码；
步骤4：移动台估计解码后符号信噪比，并上报给发送端；
步骤5：利用估计的解码后的信噪比，发送端根据回退算法对TDOA估计值进行跟踪修正，得出修正后的TDOA时延因子
步骤6：发送端根据反馈得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，并对发送信号进行编码。
具体地，步骤1包括以下步骤：基站根据移动台发送的导频序列对不同天线接收信号的到达时间差TDOA时延因子进行预估计，即
其中Df，Ds分别为第一个基站和第二个基站接收的导频序列，Dr为发送的本地导频序列，N为导频序列的长度，为估计的时间差TDOA。
具体地，步骤2包括以下步骤：基站利用估计得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，用于补偿时延造成的信道非正交性，即
利用估计TDOA的时延因子对发送信号进行如下预编码
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X0和X1分表表示频域上第0个和第1个子载波上的调制信号，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，为估计的时间差。
具体地，步骤3包括以下步骤：利用接收端的接收信号进行信道估计，采用最小二乘估计算法(LSE)如下：
其中hk为第k个子载波上的信道脉冲响应，DP为发送的导频序列，为发送导频序列的共轭，Dk为接收到的导频序列。
由于预编码补偿了时延，信道之间的正交性得到了恢复。本方法可使用破零算法对接收信号进行解码，即
其中为频域等价信道矩阵，为第i根天线与车辆之间的第k个子载波上的频域信道参数，Yk为第k个子载波上的接收信号，为第k个载波上的估计信号。
具体地，步骤4包括以下步骤：估计解码后的信噪比，解码后的接收信号信噪比：
其中为输入信噪比，为频域等价信道矩阵，tr(*)为计算矩阵的迹。
具体地，步骤5包括以下步骤：发送端采用回退算法对TDOA时延因子估计进行跟踪和修正。回退算法流程如下：
当发送第一帧数据，即i＝1时,反馈的TDOA时延因子得出相应的解码后的接收信号信噪比SNR(1)；当i＝2时，反馈的TDOA时延因子相应的解码后的接收信号信噪比为SNR(2)；当i＝3时，如果SNR(i-1)＞SNR(i-2),即修正后的接收端信噪比大于上一帧修正前的接收端信噪比，说明时延因子修正方向正确，则如果SNR(i-1)＜SNR(i-2),即修正后的接收端信噪比小于上一帧修正前的接收端信噪比，说明反馈的TDOA时延因子修正方向错误，则当i≥4时，以此类推之。图2显示了TDOA回退算法。
根据当前帧信噪比和上一帧信噪比之间的关系，对TDOA时延因子进行调整
其中为估计的时间差，为反馈的TDOA时延因子，Δτ为时延调整步长。时延调整步长的大小与车辆行驶速度v(km/h)以及天线间的距离L(m)相关，即
其中天线间的距离L可以通过两根天线在二维地理位置坐标中的坐标(p1,q1)，(p2,q2)得到
具体地，步骤6包括以下步骤：发送端根据反馈得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素重新进行相位旋转。
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X0和X1分表表示频域上第0个和第一个子载波上的调制信号，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，为反馈的TDOA时延因子。
相比于现有技术，本发明的有益效果：
本发明可根据接收信号自适应跟踪修正TDOA估计值，并进行相应的正交恢复编码，在不需要增加系统开销的前提下提高了系统性能。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图。
图2为本发明所采用的TDOA回退算法。
具体实施方式
以下具体实施是对本发明提供的方法和技术方案的进一步说明，但不应该理解成对发明的限制。
如图1所示，本发明所述基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法，包括如下步骤：
步骤1：基站根据移动台发送的导频序列对不同天线接收信号的到达时间差TDOA时延因子进行预估计，即
其中Df，Ds分别为第一个基站和第二个基站接收的导频序列，Dr为发送的本地导频序列，N为导频序列的长度，为估计的时间差TDOA。
步骤2：基站利用估计得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，用于补偿时延造成的信道非正交性，即
利用估计TDOA的时延因子对发送信号进行如下预编码
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X0和X1分表表示频域上第0个和第1个子载波上的调制信号，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，为估计的时间差。
步骤3：利用接收端解码后的信号进行信道估计，采用最小二乘估计算法(LSE)，算法如下：
其中hk为第k个子载波上的信道脉冲响应，DP为发送的导频序列，为发送导频序列的共轭，Dk为接收到的导频序列。
由于预编码补偿了时延，信道之间的正交性得到了恢复。本方法可使用破零算法对接收信号进行解码，即
其中为频域等价信道矩阵，为第i根天线与车辆之间的第k个子载波上的频域信道参数，Yk为第k个子载波上的接收信号，为第k个载波上的估计信号。
步骤4：估计解码后的信噪比，解码后的接收信号信噪比：
其中为输入信噪比，为频域等价信道矩阵，tr(*)为计算矩阵的迹。
步骤5：发送端采用回退算法对TDOA时延因子估计进行跟踪和修正。回退算法流程如下：
当发送第一帧数据，即i＝1时,反馈的TDOA时延因子得出相应的解码后的接收信号信噪比SNR(1)；当i＝2时，反馈的TDOA时延因子相应的解码后的接收信号信噪比为SNR(2)；当i＝3时，如果SNR(i-1)＞SNR(i-2),即修正后的接收端信噪比大于上一帧修正前的接收端信噪比，说明时延因子修正方向正确，则如果SNR(i-1)＜SNR(i-2),即修正后的接收端信噪比小于上一帧修正前的接收端信噪比，说明反馈的TDOA时延因子修正方向错误，则当i≥4时，以此类推之。图2显示了TDOA回退算法。
根据当前帧信噪比和上一帧信噪比之间的关系，对TDOA时延因子进行调整
其中为估计的时间差，为反馈的TDOA时延因子，Δτ为时延调整步长。时延调整步长的大小与车辆行驶速度v(km/h)以及天线间的距离L(m)相关，即
其中天线间的距离L可以通过两根天线在二维地理位置坐标中的坐标(p1,q1)，(p2,q2)得到
步骤6：发送端根据反馈得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素重新进行相位旋转。
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，为修正后的时间差。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权力要求保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于信噪比估计的自适应正交恢复编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：基站端利用移动台发送的导频序列进行初始TDOA值估计；
步骤2：基站利用估计得到的TDOA初始值对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，补偿时延造成的信道非正交性；
步骤3：利用接收端解码后的信号进行信道估计和符号解码；
步骤4：移动台估计解码后的信噪比，并上报给发送端；
步骤5：利用估计解码后的信噪比，发送端采用回退算法对TDOA估计值进行跟踪修正，得出修正后的TDOA时延因子
步骤6：发送端根据反馈得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，并对发送信号进行编码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1具体为：
基站根据移动台发送的导频序列对不同天线接收信号的到达时间差TDOA时延因子进行预估计，即
其中，Df，Ds分别为第一个基站和第二个基站接收的导频序列，Dr为发送的本地导频序列，N为导频序列的长度，为估计的时间差TDOA。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤2具体为：
基站利用估计得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素进行相位旋转，用于补偿时延造成的信道非正交性，即
利用估计TDOA的时延因子对发送信号进行如下预编码：
其中，矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X0和X1分表表示频域上第0个和第1个子载波上的调制信号，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，为估计的时间差。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤3具体为：
采用最小二乘估计算法对接收端的接收信号进行信道估计，
所述最小二乘估计算法为：
其中，hk为第k个子载波上的信道脉冲响应，DP为发送的导频序列，为发送导频序列的共轭，Dk为接收到的导频序列；
采用破零算法对接收信号进行解码，即
其中，为频域等价信道矩阵，为第i根天线与车辆之间的第k个子载波上的频域信道参数，Yk为第k个子载波上的接收信号，为第k个载波上的估计信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤4具体为：
估计解码后的信噪比，解码后的接收信号信噪比：
其中，为输入信噪比，为频域等价信道矩阵，tr(*)为计算矩阵的迹。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤5具体为：
发送端采用回退算法对TDOA时延因子估计进行跟踪和修正；
所述回退算法流程如下：
当发送第一帧数据，即i＝1时,反馈的TDOA时延因子得出相应的解码后的接收信号信噪比SNR(1)；
当i＝2时，反馈的TDOA时延因子相应的解码后的接收信号信噪比为SNR(2)；
当i＝3时，如果SNR(i-1)＞SNR(i-2),即修正后的接收端信噪比大于上一帧修正前的接收端信噪比，说明时延因子修正方向正确，则如果SNR(i-1)＜SNR(i-2),即修正后的接收端信噪比小于上一帧修正前的接收端信噪比，说明反馈的TDOA时延因子修正方向错误，则
当i≥4时，以此类推之；
根据当前帧信噪比和上一帧信噪比之间的关系，对TDOA时延因子进行调整：
其中，为估计的时间差，为反馈的TDOA时延因子，Δτ为时延调整步长，L为天线之间的距离，v为车辆行驶速度，
(p1,q1)，(p2,q2)为两根天线在二维地理位置坐标中的坐标。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤6具体为：
发送端根据反馈得到的TDOA时延因子对预编码矩阵中的元素重新进行相位旋转：
其中，矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X0和X1分表表示频域上第0个和第一个子载波上的调制信号，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，为反馈的TDOA时延因子。
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Effective date of registration: 20201208

Address after: Room 806, building 5, Wuhu navigation Innovation Park, Wanbi Town, Wanbi District, Wuhu City, Anhui Province

Patentee after: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Address before: 310016 room 3003-1, building 1, Gaode land center, Jianggan District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Patentee before: Zhejiang Zhiduo Network Technology Co.,Ltd.

Effective date of registration: 20201208

Address after: 310016 room 3003-1, building 1, Gaode land center, Jianggan District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Patentee after: Zhejiang Zhiduo Network Technology Co.,Ltd.

Address before: 310018, No. 1158, No. 2, Poplar Street, Hangzhou economic and Technological Development Zone, Zhejiang

Patentee before: HANGZHOU DIANZI University

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Application publication date: 20190409

Assignee: Hangzhou Tiankai Guyu Culture Development Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000461

Denomination of invention: An adaptive orthogonal recovery coding method based on SNR estimation

Granted publication date: 20200918

License type: Common License

Record date: 20211018

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Application publication date: 20190409

Assignee: Hangzhou Qihu Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000547

Denomination of invention: An adaptive orthogonal recovery coding method based on SNR estimation

Granted publication date: 20200918

License type: Common License

Record date: 20211028

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Application publication date: 20190409

Assignee: Hangzhou Julu enterprise management consulting partnership (L.P.)

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000726

Denomination of invention: An adaptive orthogonal recovery coding method based on SNR estimation

Granted publication date: 20200918

License type: Common License

Record date: 20211109

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Assignee: Hangzhou Qihu Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000547

Date of cancellation: 20221103

Assignee: Hangzhou Julu enterprise management consulting partnership (L.P.)

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000726

Date of cancellation: 20221103

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Assignee: Hangzhou Tiankai Guyu Culture Development Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000461

Date of cancellation: 20230529

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