CN110266627B - 基于伪导频和判决反馈的cir和cfo联合估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，该方法利用在接收端获得的导频信息和数据信息构造伪导频结构，并利用判决反馈迭代结构逼近真实信道脉冲响应CIR和载波频偏CFO。与现有技术相比，本发明具有所使用的导频时频资源数量仅仅是基于辅助导频方法所需要的时频资源数量的一半等优点。

Description

基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种适用于FBMC/OQAM系统的基于伪导频和判决反馈的CIR(信道脉冲响应)和CFO(载波频偏)联合估计方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)起源于上世纪70年代，经过数十年的发展，得到了广泛应用和深入研究。其具备频谱效率高、收发机复杂度低、易于和多天线技术(MIMO)结合使用等优点。由于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术在对抗多径衰落和低实现复杂度等方面的优势，其已被用于各类无线通信系统。但OFDM技术也存在较多的不足，例如对载波频偏敏感、子载波间隔不能灵活改变，频谱效率不高等问题，这些直接导致OFDM技术不能够满足未来通信的需求，因此需要设计一种新的物理层技术。因此寻找其他多载波技术是非常重要的。目前研究较多的大多是OFDM技术的一些改进，比如目前讨论较多的filter-OFDM、UFMC、GFDM技术等意义。
FBMC技术和OFDM技术的基本概念早在20世纪中期已经被人提出了，随着5G提出与研究热潮的到来以及大规模集成电路技术的发展，FBMC凭借着其基于子载波滤波带来的优越特性受到了众多学者和国际标准组织的青睐。
FBMC选用时频局部化特性优良的滤波器对子载波进行滤波，因而具有优良的性能：抗ISI和ICI、带外泄露低、频谱效率高效(不使用CP)。采用OQAM调制的FBMC(FBMC/OQAM)由于能在实数域上保持正交而受到广泛关注。这些特点对于移动的、中长距离的海洋通信非常适用。欧洲一些高校和研究机构开展的PHYDYAS(Physical Layer For DynamicSpectrum Access And Cognitive Radio)项目已经把FBMC技术作为物理层技术应用于认知无线电领域。FBMC技术主要有以下四种形式：滤波多音调制(Filtered-multitonemodulation,FMT)、余弦多音调制(Cosine-modulated multitone,CMT)、离散小波多音频调制(Discrete wavelet multitoned modulation)，DWM偏移正交振幅调制-FBMC(Offsetquadrature amplitude modulation-FBMC,FBMC/OQAM，也被称为(OFMD/OQAM)。
FBMC/OQAM因为采用OQAM调制在实数域获得正交特性而受到广泛关注，一些已经文献给出了FBMC/OQAM的连续形式和离散形式的推导，并推导出由复数域非正交性带来的ISI和ICI的表达式和基于IFFT和FFT的快速实现算法。关于FBMC/OQAM的信道估计技术，研究文献大部分集中在如何利用或者消除导频符号周围数据带来的固有干扰，以提高信道估计性能。基于导频(训练序列)的信道估计算法由于结构简单，复杂度低而被广泛应用。根据插入导频符号在时频平面上的分布可把导频结构分为点状导(scattered-based pilots)和块状导频(preamble-based pilot)两种形式。FBMC/OQAM系统使用基于稀疏前导(sparsepreamble)的导频结构进行信道估计时，在给定发送信号的能量，获得最小的信道估计的CFR(Channel Frequency Response，信道频率响应)归一化均方误差(Normalized MeanSquared Error，NMSE)条件下，最优的导频结构是：导频符号是等功率等间隔分布的。其中稀疏的导频结构是指一个符号周期内导频长度小于子载波总数目，导频符号之间留空的。无论是否使用CC(Channel Constancy)假设的情况下，使用包含相同导频的全满前导(fullpreamble)结构的进行信道估计，FBMC/OQAM系统通过LS信道估计算法可以在给定发送信号能量条件下使CFR的NMSE最小。
为了克服FBMC/OQAM系统中固有的纯虚部干扰，现在比较主流的方案是采用辅助导频的方式，即在紧临散导频的位置处插入一个辅助导频从而抵消时频符号块上其他位置的OQAM数据对导频产生的虚部干扰，但是这种导频的分布方式会使得辅助导频占用与实际导频一样多的时频资源。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，该方法利用在接收端获得的导频信息和数据信息构造伪导频结构，并利用判决反馈迭代结构逼近真实信道脉冲响应CIR和载波频偏CFO。
优选地，该方法在第一次迭代过程中假设初始迭代频偏值为零，伪导频处的虚部干扰值也为零，所述的方法具体包括以下步骤：
步骤1)利用上一次迭代估计出的频偏值补偿接收到的信号；
步骤2)接收端对步骤1)得到的补偿后的接收信号进行解调从而得到频域数据的估计；
步骤3)利用上一次迭代过程中估计出的比特数据流构造发送OQAM符号的估计；
步骤4)利用OQAM符号的估计值构造本次迭代所需要的伪导频，并分别执行步骤5)和6)；
步骤5)利用步骤4)中估计出的伪导频信息得到一个新的频偏估计值，用于下一次迭代进程中，返回步骤1)；
步骤6)利用步骤4)中估计出的伪导频信息进行伪导频时频格点处的信道估计，获得整个时频区域上的信道估计值，并执行步骤7)；
步骤7)利用步骤6)的信道估计值对步骤2)中解调获得的数据进行信道均衡；
步骤8)对步骤7)中获得的均衡后的数据信息进行信道解码，从而获得新的比特流估计；
步骤9)进入下一次迭代直到到达最大迭代周期。
优选地，所述的步骤1)中，在每次迭代过程中首先利用上一次迭代估计出的频偏值对接收到的时域信号进行补偿。
优选地，所述的步骤2)中，利用FFT和多项滤波结构对FBMC/OQAM信号进行解调，以降低时间复杂度。
优选地，所述的步骤3)中，每一次的迭代都利用了上一次迭代所估计出的比特数据流，从而获得发送OQAM符号的估计。
优选地，所述的步骤4)中，利用FBMC/OQAM固定的求虚部干扰的公式结合估计出的OQAM符号构造本次迭代所需要的伪导频。
优选地，所述的步骤5)中，用于下一次迭代进程的载波频偏估计在本次迭代获得伪导频信息后就可以进行估计。
优选地，所述的步骤6)中，在获得伪导频信息后立即进行伪导频时频位置处的信道估计，并通过二维内插算法获得整个时频区域上的信道信息估计。
优选地，所述的方法利用离散伪导频和迭代判决反馈结构对信道脉冲响应CIR和载波频偏CFO进行估计，该方法所使用的导频时频资源数量仅仅是基于传统辅助导频方法所需要的时频资源数量的一半。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)不需要辅助导频来抵消离散导频的虚部干扰，相比于使用辅助导频的结构节省了一半的时频资源。
(2)传统的辅助导频方案会使得发送信号的PAPR性能恶化，伪导频的使用可以有效改善FBMC信号的PAPR性能。
(3)使用本发明的方法可以获得比传统基于辅助导频的方法更好的信道估计性能和误码率性能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的信道估计性能对比图；
图3为本发明的载波频偏性能对比图；
图4为本发明的误码率性能对比图。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明适用于FBMC/OQAM系统的信道和载波频偏联合估计方法。FBMC/OQAM被认为是可以替代传统OFDM的调制方案。但是由于FBMC/OQAM系统存在固有的纯虚形式的干扰，OFDM系统中基于离散导频的经典信道脉冲响应(CIR)和载波频偏(CFO)估计方法不能直接应用于FBMC/OQAM系统。在一些估计方案中，FBMC/OQAM使用离散导频和辅助导频来实现CIR和CFO的联合估计，但是这种估计方案增加了系统开销和发射机复杂度。在本发明中，提出了一种新的CIR和CFO联合估计方法，该方法是基于离散伪导频和迭代判决反馈结构。仿真结果表明，该算法能够在频率选择性信道中准确估计出信道的CIR和载波频偏CFO，并且系统的BER性能优于基于辅助导频的估计方法。此外，本发明提出的算法所使用的导频时频资源数量仅仅是基于辅助导频方法所需要的时频资源数量的一半。
如图1所示，基于离散伪导频和判决反馈结构的信道脉冲响应(CIR)和载波频偏(CFO)联合估计方法，该方法以离散伪导频为基础，通过接收端的迭代判决反馈逼近真实的信道脉冲响应(CIR)和载波频偏(CFO)值，具体包括以下步骤：
1)利用上一次迭代估计出的频偏值补偿接收到的信号；
2)接收端利用FFT和多项滤波对步骤1)得到的补偿后的接收信号进行解调从而得到频域数据的估计；
3)利用上一次迭代过程中估计出的比特数据流构造发送OQAM符号的估计；
4)利用OQAM符号的估计值构造本次迭代所需要的伪导频；
5)利用步骤4)中估计出的伪导频信息得到一个新的频偏估计值，并用于下一次迭代进程中；
6)利用步骤4)中估计出的伪导频信息进行伪导频时频格点处的信道估计，并通过二维插值技术获得整个时频区域上的信道估计值；
7)利用步骤6)的信道估计值对步骤2)中解调获得的数据进行信道均衡；
8)对步骤7)中获得的均衡后的数据信息进行信道解码，从而获得新的比特流估计。
9)进入下一次迭代直到到达最大迭代周期。
步骤1)中，在第k次迭代过程中用第k-1次迭代所估计出的载波频偏值对接收信号进行补偿。
步骤2)中，利用FFT和多项滤波技术获得经过频偏补偿后的信号的频域信息，从而降低解调时的计算复杂度。
步骤3)中，由于估计伪导频需要获得发送的OQAM符号的估计值，因此接收端利用k-1次迭代所获得的比特流对发送的OQAM符号进行一次估计。
步骤4)中，在获得OQAM符号的估计后接收端利用估计值估计出第k次迭代的伪导频值。
步骤5)中，利用所估计出的伪导频信息在频域对载波频偏CFO进行估计。
步骤6)中，伪导频的估计值不仅可以用于估计载波频偏，也同时可以用于信道估计，利用伪导频点处的信道估计值和二维内插算法可以获得整个时频块上的信道信息估计。
步骤7)和8)中，对频域数据进行信道均衡和信道解码即可得到发送信息的估计值，并用于后续的误码率估计。
具体实施例
表1仿真参数
参数名 参数取值
系统带宽 8MHz
采样频率 7.68MHz
子载波间隔 7.5KHz
信道模型 ITU-R Vehicular-A channel
信道估计方式 最小二乘算法
均衡算法 单抽头迫零均衡
子载波个数 1024
保护子载波个数 20
导频间隔 4个子载波
信道内插方式 Spline/Linear
每帧FBMC符号个数 60
仿真所传输的帧个数 5000帧
星座调制方式 QPSK
信道编码方式 卷积编码，码率1/2
FBMC原型滤波器 PHYDAYS混叠系数K＝4
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，该方法利用在接收端获得的导频信息和数据信息构造伪导频结构，并利用判决反馈迭代结构逼近真实信道脉冲响应CIR和载波频偏CFO；
该方法在第一次迭代过程中假设初始迭代频偏值为零，伪导频处的虚部干扰值也为零，所述的方法具体包括以下步骤：
步骤1)利用上一次迭代估计出的频偏值补偿接收到的信号；
步骤2)接收端对步骤1)得到的补偿后的接收信号进行解调从而得到频域数据的估计；
步骤3)利用上一次迭代过程中估计出的比特数据流构造发送OQAM符号的估计；
步骤4)利用OQAM符号的估计值构造本次迭代所需要的伪导频，并分别执行步骤5)和6)；
步骤5)利用步骤4)中估计出的伪导频信息得到一个新的频偏估计值，用于下一次迭代进程中，返回步骤1)；
步骤6)利用步骤4)中估计出的伪导频信息进行伪导频时频格点处的信道估计，获得整个时频区域上的信道估计值，并执行步骤7)；
步骤7)利用步骤6)的信道估计值对步骤2)中解调获得的数据进行信道均衡；
步骤8)对步骤7)中获得的均衡后的数据信息进行信道解码，从而获得新的比特流估计；
步骤9)进入下一次迭代直到到达最大迭代周期。
2.根据权利要求1所述的一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，所述的步骤1)中，在每次迭代过程中首先利用上一次迭代估计出的频偏值对接收到的时域信号进行补偿。
3.根据权利要求1所述的一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，所述的步骤2)中，利用FFT和多项滤波结构对FBMC/OQAM信号进行解调，以降低时间复杂度。
4.根据权利要求1所述的一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，所述的步骤3)中，每一次的迭代都利用了上一次迭代所估计出的比特数据流，从而获得发送OQAM符号的估计。
5.根据权利要求1所述的一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，所述的步骤4)中，利用FBMC/OQAM固定的求虚部干扰的公式结合估计出的OQAM符号构造本次迭代所需要的伪导频。
6.根据权利要求1所述的一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，所述的步骤5)中，用于下一次迭代进程的载波频偏估计在本次迭代获得伪导频信息后就可以进行估计。
7.根据权利要求1所述的一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，所述的步骤6)中，在获得伪导频信息后立即进行伪导频时频位置处的信道估计，并通过二维内插算法获得整个时频区域上的信道信息估计。
8.根据权利要求1所述的一种基于伪导频和判决反馈的CIR和CFO联合估计方法，其特征在于，所述的方法利用离散伪导频和迭代判决反馈结构对信道脉冲响应CIR和载波频偏CFO进行估计，该方法所使用的导频时频资源数量仅仅是基于传统辅助导频方法所需要的时频资源数量的一半。
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