CN109672637A - 一种基于干扰修正迭代的fbmc信道估计方法 - Google Patents

一种基于干扰修正迭代的fbmc信道估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信领域，特别涉及一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，包括在接收端根据最小可允许导频间隔将导频对分组，依次计算每组导频对的实际导频值，将导频对的实际导频值插入经过映射的数据流；解调后的接收信号进行信道估计，得到信道的初始信息，再通过均衡得到传输数据的估计值；根据估计的信道和数据流的符号信息，补偿导频点处在接收端未能考虑到的干扰，利用修正后的导频值重新进行信道估计，通过插值均衡分别得到新一轮迭代的信道信息和传输数据估计值；本发明使得OQAM/FBMC系统在快衰落信道条件下，依然能够得到良好的信道估计性能，并且保证较高的频谱利用率。

Description

一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及一种基于干扰修正迭代的滤波器组多载波(Filter bank multi-carrier，FBMC)信道估计方法信道估计方法。
背景技术
基于交错正交幅度调制的滤波器组多载波(Filter Bank Multicarrier WithOffset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM/FBMC)通过对每个子载波引入时频聚焦特性良好的原型滤波器，相比传统的正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)系统能够更好地抑制带外泄露和实现宽松同步。目前作为多载波调制系统(Multicarrier Modulation，MCM)的研究热点，被广泛应用于无线局域网、电力线和光通信等多种通信手段。但同时，由于OQAM/FBMC牺牲了子载波之间的正交性，仅通过OQAM建立实数域上的正交性。因此即使在没有信道衰落、噪声和同步偏差的情况下，接收信号也总是会存在载波间干扰和符号间干扰，表现为纯虚数值的固有虚部干扰。另外在快衰落信道条件下，这部分固有干扰还会表现出更为复杂的形式并且干扰域的大小还将限制时域上的导频间隔，导致直接应用传统OFDM信道估计方法不能达到理想的估计性能，让信道估计问题成为系统设计的难点所在。
针对以上问题，本发明采用导频分组计算避免时域高导频密度时存在的计算无限递归的问题，并在接收方通过干扰修正进一步处理快衰落信道下的固有干扰。与传统OQAM/FBMC信道估计算法不同，本算法在接受方为避免导频之间的相互影响，只计算导频受到的部分干扰，然后在接收方通过迭代修正对未考虑到的干扰影响进行补偿，提高了OQAM/FBMC在快衰落信道条件下的信道估计性能。
专利[CN104954299A]通过在实际导频位置附近放置一个辅助导频，辅助导频的值由周围符号的值还有对应的干扰系数决定，通过这个辅助导频可以消除掉周围符号对导频位置的干扰，从而进行精确的信道估计。该算法对固有干扰的计算是在干扰域受平坦信道影响的假设下进行的，但是在快衰落信道条件下，信道系数变化很快，干扰域上所受信道影响不同，使得干扰表现出更为复杂的形式。另外，为了更精确的计算干扰，需要涉及导频周围更多的数据，导致相邻导频在计算时产生计算的无限递归。
专利[CN108462557A]提出了一种联合信道估计的迭代检测方法，利用辅助导频消除一阶邻域内的干扰，完成信道初始估计值；联合迭代检测估计一阶邻域外的干扰，并将其反馈以修正信道初始估计值，提高估计精度，获得准确的检测结果。该算法避免了辅助导频存在的导频功率过高的问题，并且因为发送方计算的干扰域减小，可允许导频间隔更密集。但是该算法依然以干扰域受平坦信道影响为假设，没有考虑到快衰落信道下更为复杂的干扰形式。
发明内容
本发明考虑到快衰落信道下更为复杂的干扰形式，提供一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，包括以下步骤：
S1：在发射端根据最小可允许导频间隔将导频分组，依次计算每组导频对的实际导频值，将导频对的实际导频值插入经过映射的数据流；
S2：在接收端，对解调后的接收信号进行信道估计，得到信道的初始信息，再通过均衡得到传输数据的估计值；
S3：根据估计的信道和数据流的符号信息，补偿导频点处在接收端未能考虑到的干扰，利用修正后的导频值重新进行信道估计，通过插值均衡分别得到新一轮迭代的信道信息和传输数据估计值；
S4：返回步骤S2，根据经过干扰修正后的导频信息再次进行信道估计，得到更高精度的估计结果值。
进一步的，所述步骤S1包括：按照产生干扰的最小间隔将导频对分为Nw组，根据预定义导频值、导频对中两个导频的权重因子、滤波器干扰系数和周围数据符号，依次计算每组导频对的实际导频值；在计算第w组导频对的实际导频值时，将已经通过计算得到的导频对组的实际导频值代入并将未计算的导频对组的值设为0，其中；将在计算第w组导频对的实际导频值时，除第w组导频对的实际导频值之外其他未计算的导频对组位置的集合记为Ωw，w＝{1,2,3,...,Nw}。
进一步的，第w组导频对的值表示为：
其中，和表示组成导频对的两个相邻传输导频；X+Yj表示预定义导频值，X和Y为两个常实数，表示时频点(m0,n0+1)处数据对时频点(m0,n0)产生干扰的系数，表示导频对中(m0,n0)处的导频受到的干扰，表示导频对中(m0,n0+1)处的导频受到的干扰。
进一步的，导频对中(m0,n0)、(m0,n0+1)处的导频受到的干扰表示为：
其中，ap,q表示第p个子载波的第q个符号上传输的数据信息，和分别表示时频点(p,q)数据对时频点(m0,n0)和(m0,n0+1)产生干扰的系数，和分别表示对和产生干扰的周围数据的位置的集合，Ωw为计算第w组导频对的实际导频值时除第w组导频对的实际导频值之外其他未计算的导频对组位置的集合。
进一步的，信道的初始信息表示为：
其中，表示(m0,n0)处的初始信道估计值；和分别为(m0,n0)和(m0,n0+1)处通过解调的导频信息；表示接收导频值；r表示预定义导频值，即r＝X+Yj，X和Y为两个常实数；α表示导频对中两个导频的权重因子。
进一步的，补偿导频点处在接收端未能考虑到的干扰包括在接收端利用初始数据和信道信息对干扰估计后再对信道信息进行修正，在接收端分别对导频对和预定义导频值进行干扰补偿表示为：
其中，表示(m0,n0)处的第i次干扰修正迭代优化后的接收导频值；和分别表示(m0,n0)和(m0,n0+1)处通过解调的导频信息；α表示导频对中两个导频的权重因子；ri表示第i次干扰修正迭代优化后的预定义导频值，r为发送端设定的预定义导频值，即r＝X+Yj，X和Y为两个常实数；为第i次干扰修正迭代优化时对信道系数在时域上快速变化导致接收方和发送方信息不对称带来的干扰的估计值，为第i次干扰修正迭代优化时对分组导频计算引起的干扰的估计值，和分别表示第i-1次干扰修正迭代后优化时得到的(p,q)和(m0,n0)处的估计的信道系数；表示第i-1次干扰修正迭代后第p个子载波的第q个符号上估计的传输数据信息，和分别表示时频点(p,q)数据对时频点(m0,n0)和(m0,n0+1)处产生干扰的系数。
进一步的，新一轮迭代的信道信息表示为：
本发明使得OQAM/FBMC系统在快衰落信道条件下，依然能够得到良好的信道估计性能，并且保证较高的频谱利用率。
附图说明
图1为改进的算法流程图；
图2为导频分组结构示意图；
图3为产生固有干扰的主要区域的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明旨在提供一种基于快衰落信道条件下的OQAM/FBMC信道估计方法，如图1，包括以下步骤：
S1：在发送端根据最小可允许导频间隔将导频分组，依次计算每组导频对的实际导频值，将导频对的实际导频值插入经过映射的数据流；
S2：在接收端，对解调后的接收信号进行信道估计，得到信道的初始信息，再通过均衡得到传输数据的估计值；
S3：根据估计的信道和数据流的符号信息，补偿导频点处在接收端未能考虑到的干扰，利用修正后的导频值重新进行信道估计，通过插值均衡分别得到新一轮迭代的信道信息和传输数据估计值；
S4：判断输出的导频效果是否符合输出标准，若不符合则返回步骤S2，否则根据经过干扰修正后的导频信息进行信道估计。
实施例1
在本实施例提供一种导频分组和求取导频每组导频对的实际导频值的实施方式。
本实施例在双导频信道估计算法的基础上，通过将导频值分组计算来避免导频间隔太小引起的计算无线递归的问题，用向量表示经过映射的数据信息a：
其中，am,n表示在第m个子载波的第n个符号上传输的数据信息，均为纯实数；若用和表示两个相邻传输导频，X+Yj表示预定义导频值，X和Y分别为常实数，则在发送方需要满足以下关系：
其中，α表示导频对中两个导频的权重因子，通常取α＝-j，表示时频点(m0,n0)处数据对时频点(m0,n0+1)产生干扰的系数，表示时频点(m0,n0+1)处数据对时频点(m0,n0)产生干扰的系数；根据上式，可以得到导频对的计算公式：
其中，I1和I2表示两个导频受到的固有干扰，导频受到固有干扰的主要区域如图3所示，黑色方块表示导频所在时频点(m,n)，aN表示导频周围会对其产生干扰的时频点，对于PHYDAYS滤波器来说，需要消除N＝44个导频周围干扰符号，才可以达到完全的虚部干扰消除。因此，a1～a44的集合可作为对时频点(m,n)处产生干扰的主要区域，表示为Ωm,n，该区域长度用Nmin表示。导频受到的干扰将由Ωm,n集合中所有的数据符号和干扰系数共同决定，因此I1和I2分别表示为：
其中，表示位置(p,q)数据对位置(m0,n0)产生干扰的系数，和分别表示对时频点(m0,n0)和(m0,n0+1)处产生干扰的主要区域。当导频时域间隔Np,t≤(Nmin-1)/2时，导频对的干扰计算区域会涉及周围导频对的值，为避免计算的无限递归，需要对导频对的实际值分组计算。
在计算导频对的实际值时，按照产生干扰的最小间隔将导频分为Nw组，表示为如图2，Nmin为产生干扰区域的时域范围，(Nmin-1)/2为最小可允许导频间隔，Np,t表示导频的时域间隔，表示向上取整；在计算第w组导频对的实际导频值时，将已经通过计算得到的导频对组的实际导频值代入并将未计算的导频对组的值设为0，其中，将在计算第w组导频对的实际导频值时，除第w组导频对的实际导频值之外其他未计算的导频对组位置的集合记为Ωw，w＝{1,2,3,...,Nw}；例如，在计算第一组导频对时，将第2～Nw组导频对的值视为0，导频位置的集合记为Ω1；接着计算第二组导频对，此时第一组导频对组的值已通过计算得到，将第3～Nw组的导频对组的值设为0，未计算的导频对组位置的集合记为Ω2。重复以上过程直到计算到第NW组导频对组值，Ωw表示计算到第w组导频对组时还未计算的导频对的位置集合；导频对计算公式重新被表示为：
其中，
此时，通过分组计算后的导频对组的导频会忽略后计算导频对组的对其带来的干扰，而第NW组的导频对组可以考虑周围所有干扰。
实施例2
在实施例1的基础上，在本实施例提供一种在信道接收端对导频进行干扰补偿修正并利用干扰补偿修正之后的导频值进行信道估计的实施方式。
经过实施例1处理的数据流发送进入信道，在接收端根据接收端设定的预定义导频值，结合进行线性处理后的传输导频对获得粗略的信道估计值，再通过均衡和解调得到传输数据的估计值；其中接收端收到通过信道的传输信息，并对其进行OQAM/FBMC解调，对匹配滤波后的导频点处信息ym0,n0和ym0,n0+1进行线性处理再结合预定义导频值X+Yj，得到(m0,n0)处的初始信道估计值表示为：
对导频点处信道系数在时频域上分别插值得到完整的初始信道信息并利用得到的信道信息进行均衡估计出传输数据的初始值
根据估计的信道和数据符号信息，补偿导频点处在接收端未能考虑到的干扰，利用修正后的导频值重新进行信道估计，通过插值均衡和解调分别得到新一轮迭代的信道信息和传输数据估计值，具体包括：
根据估计的信道和数据符号信息，计算导频点处在接收端未能考虑到的干扰，该干扰主要包含两个部分，信道系数在时域上快速变化导致接收方和发送方信息不对称带来的干扰分组导频计算引起的干扰其估计公式分别表示为：
根据计算得到的干扰，分别反馈给接收导频值和预定义导频值，得到优化后的接收导频值和预定义导频值：
利用修正后的导频值重新进行信道估计，信道估计公式如下：
将导频点处得到信道系数分别在时域和频域上插值，得到迭代优化后的完整信道信息再通过均衡消除信道对发数据信息的影响，得到更新的传输数据估计值
根据经过干扰修正后的导频信息再进行信道估计，再得到优化的信道系数和传输数据估计值，反复以上过程获得更高精度的估计结果值，迭代次数越多所得到的值越准确，本发明的迭代次数大于等于2，且本发明不针对迭代次数与迭代的计算量之间的平衡。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在发射端根据最小可允许导频间隔将导频分组，依次计算每组导频对的实际导频值，将导频对的实际导频值插入经过映射的数据流；
S2：在接收端，对解调后的接收信号进行信道估计，得到信道的初始信息，再通过均衡得到传输数据的估计值；
S3：根据估计的信道和数据流的符号信息，补偿导频点在接收端受到的干扰，利用修正后的导频值重新进行信道估计，通过插值均衡分别得到新一轮迭代的信道信息和传输数据估计值；
S4：返回步骤S2，根据经过干扰修正后的导频信息再次进行信道估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：按照产生干扰的最小间隔将导频对分为Nw组，根据预定义导频值、导频对中两个导频的权重因子、滤波器干扰系数和周围数据符号，依次计算每组导频对的实际导频值；在计算第w组导频对的实际导频值时，将已经通过计算得到的导频对组的实际导频值代入并将未计算的导频对组的值设为0；其中，将在计算第w组导频对的实际导频值时，除第w组导频对的实际导频值之外其他未计算的导频对组位置的集合记为Ωw，w＝{1,2,3,...,Nw}。
3.根据权利要求2所述的一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，其特征在于，第w组导频对的值表示为：
其中，和表示组成导频对的两个相邻传输导频；X和Y为两个常实数，表示导频对(m0,n0+1)处数据对导频对(m0,n0)处产生干扰的系数，表示导频对中(m0,n0)处的导频受到的干扰，表示导频对中(m0,n0+1)处的导频受到的干扰。
4.根据权利要求3所述的一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，其特征在于，导频对中位置(m0,n0)、(m0,n0+1)处的导频受到的干扰表示为：
其中，ap,q表示第p个子载波的第q个符号上传输的数据信息，和分别表示时频点(p,q)数据对时频点(m0,n0)和(m0,n0+1)产生干扰的系数，和分别表示对和产生干扰的周围数据的位置的集合，Ωw为计算第w组导频对的实际导频值时除第w组导频对的实际导频值之外其他未计算的导频对组位置的集合。
5.根据权利要求1所述的一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，其特征在于，信道的初始估计信息表示为：
其中，表示(m0,n0)处的初始信道估计值；和分别为(m0,n0)和(m0,n0+1)处通过解调的导频信息；表示接收导频值；r表示预定义导频值，即r＝X+Yj，X和Y为两个常实数；α表示导频对中两个导频的权重因子。
6.根据权利要求1所述的一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，其特征在于，补偿导频点处在接收端未能考虑到的干扰包括在接收端利用初始数据和信道信息对干扰估计后再对信道信息进行修正，在接收端分别对导频对和预定义导频值进行干扰补偿表示为：
其中，表示(m0,n0)处的第i次干扰修正迭代优化后的接收导频值；和分别表示(m0,n0)和(m0,n0+1)处通过解调的导频信息；α表示导频对中两个导频的权重因子；ri表示第i次干扰修正迭代优化后的预定义导频值，r为发送端设定的预定义导频值，即r＝X+Yj，X和Y为两个常实数；为第i次干扰修正迭代优化时对信道系数在时域上快速变化导致接收方和发送方信息不对称带来的干扰的估计值，为第i次干扰修正迭代优化时对分组导频计算引起的干扰的估计值，和分别表示第i-1次干扰修正迭代后优化时得到的(p,q)和(m0,n0)处的估计的信道系数；ap,q表示第i-1次干扰修正迭代后第p个子载波的第q个符号上估计的传输数据信息，和分别表示时频点(p,q)数据对时频点(m0,n0)和(m0,n0+1)处产生干扰的系数，和分别表示对和产生干扰的周围数据的位置的集合，Ωw为计算第w组导频对的实际导频值时除第w组导频对的实际导频值之外其他未计算的导频对组位置的集合。
7.根据权利要求1所述的一种基于干扰修正迭代的FBMC信道估计方法，其特征在于，新一轮迭代的信道信息表示为：
其中，和ri分别表示第i次干扰修正迭代后优化的接收导频信息和预定义导频值，表示第i次干扰修正迭代后得到(m0,n0)处的信道系数估计值。
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