CN110266617B - 超奈奎斯特系统的多径信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超奈奎斯特系统的多径信道估计方法，主要解决现有技术估计精度低、实现复杂度高的问题，其实现方案为：计算超奈奎斯特系统的码间干扰因子，获得超奈奎斯特系统的码间干扰矩阵；对该码间干扰矩阵进行奇异值分解，获得码间干扰矩阵的离散傅里叶矩阵和对角矩阵；根据离散傅里叶矩阵和对角矩阵，生成导频符号块；系统中的发射机划分发送符号块，并在发送符号块前插入五个相同的导频符号块；系统中的接收机提取出接受符号块中的第三个导频符号块，并对提取出的导频符号块进行多径信道估计，获得多径信道脉冲响应。本发明提高了超奈奎斯特系统的多径信道估计精度，降低了实现复杂度，可用于超奈奎斯特系统传输方案的设计。

Description

超奈奎斯特系统的多径信道估计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种多径信道估计方法，可用于超奈奎斯特系统传输方案的设计。

背景技术

作为一种非正交传输方案，近年来超奈奎斯特系统因其无需额外的带宽和天线即可提高通信系统的传输速率而得到了越来越多的关注。目前，关于超奈奎斯特系统的大部分研究均基于高斯白噪声信道，然而对于实际系统而言，多径信道是一种更为常见的信道。另一方面，超奈奎斯特系统因其违背奈奎斯特准则而引入码间干扰，因此必须在存在码间干扰的超奈奎斯特系统中精确估计多径信道的信道脉冲响应。

北京科技大学Nan Wu在其发表论文“A Hybrid BP-EP-VMP approach to jointchannel estimation and decoding for FTN signaling over frequency selectivefading channels”(IEEE Access，2017，5：6849-6858)中提出了一种时域的超奈奎斯特系统多径信道估计方法，该方法借助在因子图中的等效软节点上执行变分消息传递VMP进行信道估计。这种方法在超奈奎斯特系统码间干扰长度较小时及较温和码间干扰情况下可以较为精确地估计多径信道的信道脉冲响应。该方法由于其复杂度与超奈奎斯特系统码间干扰长度的三次方正相关，因而当超奈奎斯特系统码间干扰长度较长时其过高的复杂度使其不具有实用性。

Shinya Sugiura在其发表论文“Iterative frequency-domain joint channelestimation and data detection of faster-than-Nyquist signaling”(IEEETransactions on Wireless Communications，2017，16：6221-6231)中提出了一种基于迭代频域均衡的超奈奎斯特系统多径信道估计方法，其充分考虑了超奈奎斯特系统中的有色噪声并利用最小均方误差准则对其进行噪声白化，在温和的码间干扰情况下具有较高的估计精度且复杂度较低。该方法存在的不足之处是，仅考虑了多径信道具有前向径的情况，应用场景具有局限性，此外当超奈奎斯特系统码间干扰较为严重时，此方法估计精度低。

北京科技大学Nan Wu在其发表论文“Frequency-domain joint channelestimation and decoding for faster-than-Nyquist signaling”(Internationalconference on electronics technology，2018，66：781-795)中提出了一种超奈奎斯特系统多径信道频域估计方法，其无需插入循环前缀，充分考虑两个发送符号块之间的码间干扰并利用循环矩阵近似超奈奎斯特系统的噪声自相关矩阵，在码间干扰较为温和的超奈奎斯特系统中表现良好。然而，该方法在超奈奎斯特系统码间干扰较严重时估计精度低，此外，其复杂度偏高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种超奈奎斯特系统的符号估计方法，以降低多径信道估计的复杂度，并提高其估计精度。

本发明的技术方案是：通过超奈奎斯特系统引入已知的码间干扰，以在超奈奎斯特系统发射机中实现预编码，并通过在超奈奎斯特系统发射机插入5个相同的导频块，使得第3个导频块的码间干扰矩阵为循环矩阵，借助离散傅里叶矩阵对该循环矩阵进行奇异值分解，进而估计多径信道，其实现步骤包括如下：

(1)获得超奈奎斯特系统码间干扰矩阵的离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ：

(1a)计算超奈奎斯特系统的码间干扰因子G_j；

(1b)根据码间干扰因子G_j，获得超奈奎斯特系统的码间干扰矩阵H：

其中，

表示码间干扰矩阵H的维度；

(1c)对码间干扰矩阵H进行奇异值分解，获得离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ：

H＝Q^TΛQ^*

其中，上标T表示转置操作，上标*为取共轭操作，Λ的对角元素为码间干扰矩阵H的奇异值，Q的第l行第k列元素为

l和k的取值范围为

λ表示虚数单位；

(2)根据离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ，生成导频符号块

(2a)随机生成长度为

且调制方式为二进制相移键控的符号块

其中p_i表示所生成的符号块中的第i个符号；

(2b)根据二进制相移键控符号块p，得到导频符号块

(3)超奈奎斯特系统的发射机将发送符号划分为长度L的发送符号块a_k，其中L取值为1024或2048或4096，a_k表示第k个发送符号块且为列向量，

N表示超奈奎斯特系统发射机发送符号的总数；

(4)在每个发送符号块前插入5个相同的导频符号块

得到插入导频符号块后的发送符号块

(5)超奈奎斯特系统接收机匹配滤波器输出接收符号，得到与超奈奎斯特系统发射机发送符号块b_k对应的接收符号块r_k，然后提取接收符号块r_k中第

个符号

到第

个符号

并将其作为用于超奈奎斯特系统接收机多径信道估计的第k个接收导频符号块

(6)按照下式，估计多径信道，得到多径信道的信道脉冲响应Γ_k：

其中，diag(·)表示构建对角矩阵操作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明充分考虑了导频符号块之间的码间干扰，利用超奈奎斯特系统码间干扰的确定性在超奈奎斯特系统发射机中预编码，然后在超奈奎斯特系统接收机中利用导频符号块进行多径信道估计，克服了现有技术多径信道估计精度低的问题，能更为精确的估计超奈奎斯特系统的多径信道脉冲响应。

第二，由于本发明在超奈奎斯特系统发射机插入5个相同的导频符号块，使得第3个导频符号块的码间干扰矩阵为循环矩阵，并借助离散傅里叶矩阵对其进行奇异值分解，因此在实现时仅需要1个乘法器、2个快速傅里叶逆变换IP核，降低了实现复杂度，强化了实用性。

附图说明

图1是现有的超奈奎斯特系统框图；

图2是本发明基于图1系统进行多径信道估计的实现流程图；

图3是用本发明方法进行多径信道估计的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例和效果做进一步的详细描述。

参照图1，本发明采用的超奈奎斯特系统主要由星座映射、插入导频符号块、FTN成型、多径信道、高斯白噪声、匹配滤波、提取导频符号块和多径信道估计模块构成，其中：

星座映射模块，根据星座映射规则将比特数据映射为符号，并将映射后符号传递给插入导频模块；

插入导频符号块模块，将映射后符号划分为发送符号块，并在每个发送符号块前插入导频符号块，并将插入导频符号块后的符号传递给FTN成型模块；

FTN成型模块，对插入导频符号块后的符号进行超奈奎斯特基带成型，并将基带成型后的符号传递给多径信道模块；

多径信道模块，对成型后符号模拟多径信道环境，并将多径信道后符号传递给高斯白噪声模块；

高斯白噪声模块，对多径信道后符号添加高斯白噪声，以模拟信道噪声，并将添加高斯白噪声后符号传递给匹配滤波模块；

匹配滤波模块，对添加高斯白噪声后符号进行滤波操作，并将滤波后符号传递给提取导频符号块模块；

提取导频块模块，提取每个接收符号块的导频符号块，并将提取出的导频符号块传递给多径信道模块；

多径信道模块，对提取出的导频块进行多径信道估计，得到多径信道脉冲响应。

参照图2，本发明利用上述超奈奎斯特系统进行多径信道估计的实现步骤如下：

步骤1，获得超奈奎斯特系统码间干扰矩阵的离散傅里叶矩阵和对角矩阵。

1.1)按照下式计算超奈奎斯特系统的码间干扰因子G_j：

G_j＝g_P+(j-1)τB(h)

其中，G_j表示超奈奎斯特系统中的第j个码间干扰因子，j的取值范围为

表示超奈奎斯特系统码间干扰的单边长度，

表示向下取整操作，P表示超奈奎斯特系统中接收机匹配滤波器的所有时域响应系数的总数，τ表示超奈奎斯特系统加速因子，其取值范围为(0,1)，B表示超奈奎斯特系统中接收机匹配滤波器的下采样倍数，g()表示自卷积操作，h表示超奈奎斯特系统接收机匹配滤波器的时域响应系数；

1.2)根据码间干扰因子G_j，获得超奈奎斯特系统的码间干扰矩阵H：

其中，

表示码间干扰矩阵H的维度；

1.3)对码间干扰矩阵H进行奇异值分解，获得离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ：

H＝Q^TΛQ^*，

其中，上标T表示转置操作，上标*为取共轭操作，Λ的对角元素为码间干扰矩阵H的奇异值，Q的第l行第k列元素为

l和k的取值范围为

λ表示虚数单位。

步骤2，生成导频符号块。

2.1)随机生成长度为

且调制方式为二进制相移键控的符号块

其中p_i表示所生成的符号块中的第i个符号；

2.2)根据二进制相移键控符号块p、离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ，得到导频符号块

步骤3，超奈奎斯特系统的发射机对发送符号进行划分。

超奈奎斯特系统的发射机将发送符号划分为长度L的发送符号块a_k，其中L取值为1024或2048或4096，本实例中为4096，a_k表示第k个发送符号块且为列向量，

N表示超奈奎斯特系统发射机发送符号的总数。

步骤4，超奈奎斯特系统的发射机插入导频符号块。

超奈奎斯特系统的发射机在每个发送符号块前插入5个相同的导频符号块

得到插入导频符号块后的发送符号块

步骤5，超奈奎斯特系统的接收机提取导频符号块。

5.1)超奈奎斯特系统接收机匹配滤波器输出接收符号，得到与超奈奎斯特系统发射机发送符号块b_k对应的接收符号块r_k；

5.2)提取接收符号块r_k中第

个符号

到第

个符号

并将其作为用于超奈奎斯特系统接收机多径信道估计的第k个接收导频符号块

步骤6，超奈奎斯特系统的接收机进行多径信道估计。

接收机利用接收导频符号块

离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ，按照下式计算多径信道脉冲响应Γ_k，得到最终的估计结果：

其中，diag(·)表示构建对角矩阵操作。

下面结合仿真实验对本发明的效果进一步说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验是在MATLAB 2018B软件下进行的，星座映射方式为二进制相移键控。

设单个符号信噪比的仿真次数为1×10⁵次。

2.仿真内容与结果分析：

在上述条件下，用本发明和现有迭代频域均衡方法，分别进行多径信道估计，结果如图3。

图3中的横轴表示超奈奎斯特系统的符号信噪比，其单位为分贝dB(decibel)，纵轴表示估计出的多径信道脉冲响应的均方误差，其单位为分贝dB，α表示超奈奎斯特系统接收机匹配滤波器的滚将因子。

从图3可知，使用本发明方法的均方误差曲线低于使用现有迭代频域均衡方法的均方误差曲线，这表明使用本发明方法可以在超奈奎斯特系统较严重码间干扰场景下更精确的估计多径信道脉冲响应。

Claims (1)

1.一种超奈奎斯特系统的多径信道估计方法，其特征在于，包括如下：

(1)获得超奈奎斯特系统码间干扰矩阵的离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ：

(1a)计算超奈奎斯特系统的码间干扰因子G_j；公式如下：

G_j＝g_P+(j-1)τB(h)

其中，j的取值范围为

表示超奈奎斯特系统码间干扰的单边长度，

表示向下取整操作，P表示超奈奎斯特系统中接收机匹配滤波器的所有时域响应系数的总数，τ表示超奈奎斯特系统加速因子，其取值范围为(0,1)，B表示超奈奎斯特系统接收机匹配滤波器的下采样倍数，g()表示自卷积操作，h表示超奈奎斯特系统接收机匹配滤波器的时域响应系数；

(1b)根据码间干扰因子G_j，获得超奈奎斯特系统的码间干扰矩阵H：

其中，

表示码间干扰矩阵H的维度；

(1c)对码间干扰矩阵H进行奇异值分解，获得离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ：

H＝Q^TΛQ^*

其中，上标T表示转置操作，上标*为取共轭操作，Λ的对角元素为码间干扰矩阵H的奇异值，Q的第l行第k列元素为

l和k的取值范围为

λ表示虚数单位；

(2)根据离散傅里叶矩阵Q和对角矩阵Λ，生成导频符号块

(2a)随机生成长度为

且调制方式为二进制相移键控的符号块

其中p_i表示所生成的符号块中的第i个符号；

(2b)根据二进制相移键控符号块p，得到导频符号块

(3)超奈奎斯特系统的发射机将发送符号划分为长度L的发送符号块a_k，其中L取值为1024或2048或4096，a_k表示第k个发送符号块且为列向量，

N表示超奈奎斯特系统发射机发送符号的总数；

(4)在每个发送符号块前插入5个相同的导频符号块

得到插入导频符号块后的发送符号块

(5)超奈奎斯特系统接收机匹配滤波器输出接收符号，得到与超奈奎斯特系统发射机发送符号块b_k对应的接收符号块r_k，然后提取接收符号块r_k中第

个符号

到第

个符号

并将其作为用于超奈奎斯特系统接收机多径信道估计的第k个接收导频符号块

(6)按照下式，估计多径信道，得到多径信道的信道脉冲响应Γ_k：

其中，diag(·)表示构建对角矩阵操作。

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