CN110677360B - 基于omp信道估计的ofdm系统性能分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于OMP信道估计的OFDM系统性能分析方法。针对基于OMP信道估计的OFDM通信系统，有效信噪比ESNR需要成功解码后才能获取这一限制。本发明主要通过建立各个信噪比与系统参数关系的模型，通过系统参数如(导频数量、ICI、信道多径条数与输入信噪比等)获得有效信噪比与导频信噪比，并得到各个信噪比之间的关系。针对水声信道条件的复杂性带来的输入信噪比无法准确指导解码性能的问题，本发明利用已知典型水声通信系统和信道设定简化问题。本发明所公开的方法能够有效通过估计系统参数估计系统各个信噪比性能指标。

Description

基于OMP信道估计的OFDM系统性能分析方法
技术领域
本发明涉及的是一种正交频分复用(OFDM)通信系统性能分析方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)以其高频谱利用率和低复杂度的系统实现，在无线通信中得到了广泛的应用。近年来，随着水声(UWA)通信系统对高数据速率和可靠性能的要求越来越高，OFDM以其良好的抗长信道延迟色散和多径衰落性能成为水声通信系统的备选方案之一。然而，在水声通信中，由于发射机与接收机之间的相对运动以及声速较低，往往会导致系统中多普勒偏移，从而带来载波间干扰(ICI)，从而严重影响OFDM的性能。因此准确地估计系统性能至关重要。
常用的通信系统性能指标包含均衡后传输符号的MSE、BER、BLER。BER与BLER性能良好但需要大量数据才能准确获得。在单载波系统中，均衡后的符号信噪比通常被采用作为性能参数；在OFDM系统中，各种信噪比通常被采用作为性能指标。通过信噪比可获得系统BER或BLER性能。
研究表明，在针对水声OFDM的自适应调制编码(AMC)系统中，对于解码性能评估，有效信噪比ESNR比输入信噪比ISNR和导频信噪比PSNR具有更好的一致性，然而有效信噪比ESNR需要成功解码后才能获取。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效通过估计系统参数估计系统各个信噪比性能指标的基于OMP信道估计的OFDM系统性能分析方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)信号预处理
1)对接收的通带信号进下降频、低通滤波，得到时域上的高斯白噪声平均能量，设其等效于频域子载波平均噪声能量
Figure BDA0002216327010000012
2)同步，利用循环前缀估计多普勒频移，然后补偿一致、非一致多普勒；
3)利用空子载波与时域平均噪声估计平均子载波间干扰；
4)采用OMP算法进行信道估计，得到导频数量NP与信道参数、包括：信道多径条数S、第l条路径的时延τl与幅值系数β[l]、以及信道能量
Figure BDA0002216327010000011
(2)根据系统参数估计系统性能
1)利用公式
Figure BDA0002216327010000021
估计系统的有效信噪比γE，VICI为子载波间平均干扰；
2)利用公式
Figure BDA0002216327010000022
估计系统的导频信噪比γP。
本发明的子载波间平均干扰VICI通过导频上的子载波间干扰Vk得到：
Figure BDA0002216327010000023
其中，
Figure BDA0002216327010000024
表示信道第i条路径的能量，s表示发送的频域向量，K代表一个OFDM符号包含的子载波数量，α代表残留的多普勒因子，fc代表载波频率，T是一个OFDM符号的持续时间。
本发明的技术方案的主要特点包括：
1.是通过估计通信系统参数，如多径信道路径条数、子载波间干扰、用于OMP信道估计的导频数量、接收端时域的输入信噪比与信道能量等，估计系统的信噪比性能指标导频信噪比与有效信噪比，打破了传统的需要正确解码才能计算有效信噪比的限制。
2.如果给出一个统计水下信道模型，在一定的AMC方案下，可以通过此方法建立导频信噪比PSNR或有效信噪比ESNR与输入信噪比ISNR之间的映射关系，该映射关系与系统的BER性能或BLER性能有关。然后可以立即得到不同场景下目标BER或BLER需求的信噪比阈值，从而设计或选择最合适的AMC方案。
3.当输入信噪比ISNR和OMP信道估计中的过采样因子足够大时，有效信噪比ESNR性能预测误差由OMP信道估计误差决定。可利用此方法得到有效信噪比ESNR性能预测误差，从而寻找更精确的OMP信道估计迭代停止条件。
4.可将估计出的有效信噪比ESNR用于水声通信中信道条件表征。
5.可针对不同环境选择更优的系统性能指标。
6.采用空子载波平均能量减去时域平均噪声能量的方法估计平均子载波间干扰的方法。
7.采用OMP估计出的多途信道能量等效于导频平均能量。
本发明针对水声信道条件的复杂性带来的输入信噪比无法准确指导解码性能的问题，利用已知典型水声通信系统和信道设定简化问题。推导在特定条件下(典型信道估计模块、典型多径分布情况、典型多普勒频偏、以及特定输入信噪比)的等效信噪比ESNR与导频信噪比PSNR与输入信噪比ISNR之间的关联,实现在实际通信系统中对有效信噪比进行估计。
本发明提供的是一种基于正交匹配追踪(OMP)信道估计的正交频分复用(OFDM)通信系统性能分析方法，特别是一种基于OMP信道估计的OFDM通信系统的导频信噪比与有效信噪比(ESNR)的估计方法。本发明所涉及水声OFDM系统性能分析方法，不同于传统的利用信号处理过程中得到的信号获得信噪比，而是通过建立各个信噪比与系统参数关系的模型。打破成功解码后才能获取有效信噪比的限制，通过系统参数如(导频数量、ICI、信道多径条数与输入信噪比等)获得有效信噪比与导频信噪比，并得到各个信噪比之间的关系。
本发明的优点是：
(1).从数学上描述了系统的各个信噪比与系统参数的关系，解释了输入信噪比ISNR、导频信噪比PSNR与有效信噪比ESNR作为系统性能指标在性能表现上的差异。
(2).在不同环境下，根据输入信噪比ISNR、导频信噪比PSNR与有效信噪比ESNR与系统参数的关系，选择最优的系统性能信噪比指标。
(3).不同于传统的利用频域子载波符号获得导频信噪比与利用解码后的调制符号获得有效信噪比的方法，本发明打破成功解码后才能获取有效信噪比的限制，通过估计系统参数估计导频信噪比与有效信噪比。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是仿真实验中采用的信道。
图3是海上试验(YS17)中信道散射函数。
图4是仿真实验中接收的时域信号。
图5是海上试验(YS17)中的接收时域信号。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
为验证算法有效性，分别采用仿真实验与海试数据，验证通过估计得到的导频信噪比、有效信噪比是否与实际数值接近。
仿真实验中，采用1024个子载波，其中包含704个数据子载波与256个间隔为4的均匀导频。信号采用QPSK调制，带宽为6KHz，中心频率为9KHz，CP持续时间为50ms。仿真中信道模型假设水声信道相邻多径时延差服从指数分布，多径幅度服从瑞利分布且其平均功率随时延呈负指数衰减，共采用3种信道条件：1)5条多径且无多普勒；2)15条多径且无多普勒；3)15条多径，每条径上的多普勒尺度随机服从均匀分布
Figure BDA0002216327010000041
在仿真结果的基础上，给出了基于实验数据集的性能结果，进一步验证了信噪比指标的分析。以下是实验设置。
海上试验(YS17):2017年10月，在中国青岛附近的黄海进行了试验。在实验过程中，发射机距离接收机约3.5公里，发射机被淹没在3米深的水下。信道长度约为7ms,包含不同的簇，且具有较小的共同多普勒频移。OFDM符号采用1024个子载波，采用数量分别为128、256、512的均匀导频。信号采用BPSK调制，带宽为6KHz，中心频率为12KHz，CP持续时间为100ms。
以下是以处理实验数据为例，获取系统导频信噪比PSNR与有效信噪比ESNR性能的具体实施方案。
(1)信号预处理
①首先对接收的通带信号进下降频，低通滤波。得到时域上的高斯白噪声平均能量，假设其等效于频域子载波平均噪声能量
Figure BDA0002216327010000042
②同步，利用循环前缀估计多普勒频偏，然后补偿非一致、一致多普勒。
③FFT解调，利用空子载波估计子载波间平均干扰VICI。
④采用OMP算法实现信道估计，得到导频数量NP与信道参数：信道多径条数S、第l条路径的时延τl与幅值系数β[l]，l＝1,…,S以及信道能量
Figure BDA0002216327010000043
(2)获取系统性能的实际计算值与理论估计值。
①根据系统参数估计系统的有效信噪比(ESNR)
Figure BDA0002216327010000051
Figure BDA0002216327010000052
其中，VICI通过导频上的子载波间干扰Vk得到：
Figure BDA0002216327010000053
其中，
Figure BDA0002216327010000054
表示信道第i条路径的能量，s表示发送的频域向量，K代表一个OFDM符号包含的子载波数量，α代表残留的多普勒因子，fc代表载波频率，T是一个OFDM符号的持续时间。实际数据处理中，采用空子载波平均能量减去时域平均噪声能量的方法估计VICI。
②根据公式估计系统的导频信噪比(PSNR)
Figure BDA0002216327010000055
Figure BDA0002216327010000056
③根据定义获取系统的有效信噪比(ESNR)γE。
Figure BDA0002216327010000057
其中，
Figure BDA0002216327010000058
表示估计得到的信道向量，z代表频域接收向量，
Figure BDA0002216327010000059
代表数据子载波的集合。
④根据定义获取系统的导频信噪比(PSNR)γP。
Figure BDA00022163270100000510
其中，
Figure BDA0002216327010000061
代表导频子载波的集合。
最后，比较
Figure BDA0002216327010000062
与γE，
Figure BDA0002216327010000063
与γP，验证模型的有效性。

Claims (1)

1.一种基于OMP信道估计的OFDM系统性能分析方法，其特征是：
(1)信号预处理
1)对接收的通带信号进下降频、低通滤波，得到时域上的高斯白噪声平均能量，设其等效于频域子载波平均噪声能量
Figure FDA0003720923360000011
2)同步，利用循环前缀估计多普勒频移，然后补偿一致、非一致多普勒；
3)利用空子载波与时域平均噪声估计平均子载波间干扰；
4)采用OMP算法进行信道估计，得到导频数量NP与信道参数、包括：信道多径条数S、第l条路径的时延τl与幅值系数β[l]、以及信道能量
Figure FDA0003720923360000012
l＝1,...,S；
(2)根据系统参数估计系统性能
①根据系统参数估计系统的有效信噪比
Figure FDA0003720923360000013
Figure FDA0003720923360000014
其中，VICI通过导频上的子载波间干扰Vk得到：
VICI＝minVk
Figure FDA0003720923360000015
B-(DI,k,K)＝{n|n＝(k+q)K,-DI≤q≤DI,n≠k}
Figure FDA0003720923360000016
Figure FDA0003720923360000017
Figure FDA0003720923360000018
其中，
Figure FDA0003720923360000021
表示信道第i条路径的能量，s表示发送的频域向量，K代表一个OFDM符号包含的子载波数量，α代表残留的多普勒因子，fc代表载波频率，T是一个OFDM符号的持续时间；
实际数据处理中，采用空子载波平均能量减去时域平均噪声能量的方法估计VICI；
②根据公式估计系统的导频信噪比(PSNR)
Figure FDA0003720923360000022
Figure FDA0003720923360000023
③根据定义获取系统的有效信噪比(ESNR)γE；
Figure FDA0003720923360000024
其中，
Figure FDA0003720923360000025
表示估计得到的信道向量，z代表频域接受向量，
Figure FDA0003720923360000026
代表数据子载波的集合；
④根据定义获取系统的导频信噪比(PSNR)γP；
Figure FDA0003720923360000027
其中，
Figure FDA0003720923360000028
代表导频子载波的集合；
最后，比较
Figure FDA0003720923360000029
与γE，
Figure FDA00037209233600000210
与γP，验证模型的有效性。
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