CN111371716B - 一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，S1、确定工作信道的最小相干带宽；S2、确定信道抽样子载波最大间隔数；S3、确定导频对信道抽样频点的位置；S4、计算导频循环周期的OFDM符号数；S5、确定导频在每个OFDM符号中的插入的数量和位置；S6、生成需求长度的导频符号；S7、将导频符号和数据符号组成完整的OFDM符号；S8、将OFDM符号组成数据帧。根据实际的多径信道参数中的的多径延时参数，可以准确的确定最小相干带宽，从而准确的确定导频子载波的间隔频率，等同于将多径信道延时和子载波的间隔频率做了一个映射。在实际使用中，这样的好处是可根据实际的信道计算出最佳导频间隔。同时，可以针对不同的有效子载波数，使得导频在时频二维上近似均匀分布，获得优质的通信效果。

Description

一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法

技术领域

本发明涉及电力无线通信领域，尤其涉及一种电力无线OFDM调制中适应不同多径衰落信道的导频图案生成方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,缩写为OFDM)是一种特殊的多载波信号调制方法，该技术的显著优势是能够有效的对抗频率选择性衰落，且与传统并行数据传输相比频谱利用率高。而实际通信中，信道都是时变的，因此，大多数OFDM系统都会在固定的子载波发送已知的导频信息，然后利用这些离散的已知导频信息，实时去估计整个信道的频域响应。因此导频的位置以及间隔，会直接影响信道估计的准确性，对系统的性能的提升起着极其重要的作用。

一般来说，常规的OFDM系统的导频图案都是针对一定应用场景下而生成的，不同信道下的导频图案是不能通用的，这就使得OFDM系统的通用性不强，限制了其应用范围。比如802.15.4g标准，其导频的生成是专门针对国外某些应用场景进行优化得到的，经过一系列的实地测试表明，该OFDM技术或产品应用在中国城市和农村等环境下效果较差。其导频不能在国内环境下发挥出OFDM技术的性能，在此情况下需要根据国内环境提供合适的导频。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中国外对电力无线通信技术有较多的研究，制定出了使用OFDM技术相关的一些无线通信标准，其相关标准中生成的导频是针对国外应用场景。国外这些标准中的导频生成不适合国内应用场景，在国内需要根据国内应用场景生成出合适的导频图案。的问题，提出一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法。

为解决上述技术问题，本发明提出S1、确定工作信道的最小相干带宽；S2、确定信道抽样子载波最大间隔数；S3、确定导频对信道抽样频点的位置；S4、计算导频循环周期的OFDM符号数；S5、确定导频在每个OFDM符号中的插入的数量和位置；S6、生成需求长度的导频符号；S7、将导频符号和数据符号组成完整的OFDM符号；S8、将OFDM符号组成数据帧。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：根据实际的多径信道参数中的的多径延时参数，可以准确的确定最小相干带宽，从而准确的确定导频子载波的间隔频率，等同于将多径信道延时和子载波的间隔频率做了一个映射。在实际使用中，这样的好处是可根据实际的信道计算出最佳导频间隔。同时，可以针对不同的有效子载波数，使得导频在时频二维上近似均匀分布，获得优质的通信效果。

附图说明

图1为本发明实施例的导频图案生成流程示意图。

图2为本发明实施例的导频符号生成方法示意图。

图3为本发明实施例的IFFT点数为32的导频图案示例图。

图4为本发明实施例的IFFT点数为64的导频图案示例图。

图5为本发明实施例的IFFT点数为128的导频图案示例图。

图6为本发明实施例的IFFT点数为32的信道抽样插入边界频点图。

图7为本发明实施例的IFFT点数为32的信道抽样频点图。

图8为本发明实施例的IFFT点数为32的未插入导频前一个导频循环周期图。

具体实施方式

具体实施方式1

如图1，本实施例的适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法包括步骤S1-S8。

步骤S1中，根据系统当前工作的信道存在的最大多普勒延迟时间T_c，确定最小相干带宽Bc：

B_c＝1/T_c 公式1

在步骤S2中，导频间隔满足导频对信道抽样的奈奎斯特定理，即假设导频间隔为Bd，那么需要满足的公式为：2×Bc＜Bd，假设△F为相邻子载波之间的频率间隔，N为子载波间隔数，Bd＝N×△F，在满足奈奎斯特采样定理前提下，N取最大值；导频对信道抽样的位置按照如下要求确定：抽样位置特征需要满足有效子载波左右边界有导频；按照步骤S2所确定的导频间隔再确定插入导频位置，导频位置确定满足如下公式：

其中K(i)为插入的导频位置值，其中i表示第几个导频，N_p为信道抽样频点数量；

在满足该公式的前提下，导频间隔确定可以分为如下两种情况：

当用载波描述的信道能完全均匀抽样时满足的公式为：

其中Na为一个OFDM符号有效子载波数,N_ch为描述信道的载波数量，N_n为信道抽样频点间隔的子载波数量。

当用载波描述的信道不能完全均匀抽样时满足的公式为：

其中N_n1和N_n2为信道抽样频点间隔的两种子载波数量间隔值，n1和n2分别为N_n1和N_n2间隔的个数。

在步骤S3中，导频在不同IFFT点数时每个OFDM符号中的插入按照以下要求进行，需要插入导频的OFDM符号的特征如下表。

在步骤S4中，如表所示每个OFDM中相对有效子载波的导频占比为1/13，一个导频循环周期内每个抽样频点有N_d个导频符号，信道抽样频点数量为N_p，一个OFDM符号的有效子载波数为Na，那么总的导频点数为N_d×N_p，导频循环周期为：

假设信道相干时间为T_τ，OFDM符号加上CP(循环前缀)后的符号周期为T_s,导频循环一个周期为N_c个OFDM符号，那么N_c需要满足如下公式：

在步骤S5中，按照步骤S3的导频对信道抽样的位置的选取，每个符号插入N_a/13个导频，将导频均匀插入到Nc个符号中。插入导频的位置为N_ij，其中i表示第几个OFDM符号，j表示第i个OFDM符号的频点位置。其中i∈[1,N_c],j∈[K(1),K(N_p)],i和j均为正整数。

步骤S6中，按照总的导频符号数N_e×N_o长度(No为一帧数据的OFDM符号个数)，用导频生成装置，选取一个初始值为生成装置的种子，生成相应N_e×N_o长度的数据，经过BPSK(二进制相移键控)调制后得到导频符号，其中数据0对应BPSK符号的-1，数据1对应BPSK符号的1。再将得到的导频符号乘以1.2589，功率放大2dB，得到最后需要插入到OFDM符号的导频符号。

步骤S7中，根据S3步骤得到的导频的位置N_ij和步骤S4得到的导频符号数据，将需要发送的数据和导频一起插入到每个OFDM符号中(每个OFDM符号中数据和导频均插入有效子载波中，其中N_ij的位置插入导频，其它有效子载波中插入数据)，从而得到完整的频域OFDM符号。

步骤S8中，将步骤S5得到的OFDM符号进行IFFT变换，每个OFDM符号IFFT变换后数据的尾部1/4数据作为CP加到该数据的头部，加上CP得到完整的时域OFDM符号，最后将这些完整的时域OFDM符号依次组合到一起，得到数据帧。

对IFFT点数为32点的OFDM符号，子载波之间的频率间隔△F＝31250/3，有效子载波数量N_a＝26，导频循环周期内每个抽样点导频数量N_d＝1，信道相干带宽B_c＝100kHz，相干周期为74ms，CP长度为OFDM符号长度的1/4。

按照要求B_d＝N×△F，2×B_c＜B_d,计算可以得到N＝4。

由于零频不使用，所以信道由上图所示的N_a+1一共27个频点组成，抽样位置特征需要满足有效子载波左右边界有导频，第一步生成出的导频对信道抽样如附图6所示。

描述信道的载波数量N_a+1为27，不能满足完全均匀抽样，因此按照公式2和公式4确定导频位置。

按照公式2和公式4可以计算得到N_n1＝4、N_n2＝3、n1＝5、n2＝2，K(i)的取值为-13、-9、-6、-2、2、6、9、13得到导频对信道抽样如附图7所示。

导频循环周期包含的OFDM符号数根据公式5计算，且要满足公式6。

可以计算得到N_c＝4，满足N_c＜62，得到如上图所示的一个导频循环周期为四个OFDM符号的图如附图8所示。

根据导频对信道抽样的位置的选取，每个符号插入2个导频，将导频均匀插入到4个符号中。插入导频的位置为N_ij，其中i表示第几个OFDM符号，j表示第i个OFDM符号的频点位置。其中i∈[1,N_c],j∈[K(1),K(N_p)],i和j均为正整数，插入后的导频位置如附图3所示。

按照总的导频符号数N_e×N_o长度(N_o为一帧数据的OFDM符号个数)，用导频生成装置，选取初始值“111111111”为生成装置的种子，生成N_e×N_o长度的数据，经过BPSK(二进制相移键控)调制后得到导频符号，其中数据0对应BPSK符号的-1，数据1对应BPSK符号的1，将得到的导频符号乘以1.2589，功率放大2dB，得到最后需要插入到OFDM符号的导频符号。

根据导频的位置N_ij和步骤S4得到的导频符号数据，将需要发送的数据和导频一起插入到每个OFDM符号中(每个OFDM符号中数据和导频均插入有效子载波中，其中N_ij的位置插入导频，其它有效子载波中插入数据)，从而得到完整的频域OFDM符号。

将所有完整的频域OFDM符号进行IFFT变换，每个OFDM符号IFFT变换后数据的尾部1/4数据作为CP加到该数据的头部，加上CP得到完整的时域OFDM符号，最后将这些完整的时域OFDM符号依次组合到一起，得到数据帧。

根据实际的多径信道参数中的的多径延时参数，可以准确的确定最小相干带宽，从而准确的确定导频子载波的间隔频率，等同于将多径信道延时和子载波的间隔频率做了一个映射。在实际使用中，这样的好处是可根据实际的信道计算出最佳导频间隔。同时，可以针对不同的有效子载波数，使得导频在时频二维上近似均匀分布，获得优质的通信效果。

Claims (8)

1.一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、假设多径信道的最大路径延时Tc，确定最小相干带宽Bc：

Bc＝1/Tc 公式1

根据多径信道的最大路径延时Tc，确定最小相干带宽Bc；

S2、假设ΔF为相邻子载波之间的频率间隔，计算一个导频循环内，确定导频间隔：

Bd＝N×ΔF N＝1,2,3...

同时，N为满足2×Bc＜Bd条件下的最大正整数，计算导频最大间隔；

S3、根据有效子载波数量与导频对信道抽样最大间隔关系，从下述公式3和公式4中选取一个公式，结合下述公式2，确定导频对信道抽样频点的位置，根据公式确定导频对信道抽样频点的位置:

其中K(i)为插入的导频位置值，其中i表示第几个导频，N_p为信道抽样频点数量；

在满足公式2的前提下，导频间隔确定可以分为如下两种情况：

当用载波描述的信道能完全均匀抽样时满足的公式为：

其中Na为一个OFDM符号有效子载波数,N_ch为描述信道的载波数量，N_n为信道抽样频点间隔的子载波数量；

当用载波描述的信道不能完全均匀抽样时满足的公式为：

其中N_n1和N_n2为信道抽样频点间隔的两种子载波数量间隔值，n1和n2分别为N_n1和N_n2间隔的个数；

S4，根据下述公式5和公式6计算导频循环周期的OFDM符号数，计算导频循环周期的OFDM符号数：

其中，Na为一个OFDM符号有效子载波数,N_p为信道抽样频点数量，N_d为一个导频循环周期内每个抽样频点对应位置的导频符号的数量；

其中，T_τ为信道相干时间，T_s为OFDM符号加上CP(循环前缀)后的符号周期,N_c为导频循环一个周期的OFDM符号数量；

S5，根据步骤S3和步骤S4确定的相关参数，确定导频在每个OFDM符号中的插入的数量和位置；

S6，根据OFDM符号数量和每个OFDM符号导频数量，生成需求长度的导频符号；

S7，用步骤S6生成的导频符号和需要发送的数据符号，根据导频插入位置，组成完整的OFDM符号；

S8，将步骤S5得到的OFDM符号进行IFFT变换，加上CP得到完整的时域OFDM符号，最后将这些完整的时域OFDM符号依次组合到一起，得到数据帧，生成完整的数据帧。

2.根据权利要求1所述的一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，其特征在于，

步骤S1为根据系统当前工作的信道存在的最大多普勒延迟时间T_c，确定最小相干带宽B_c＝1/T_c。

3.根据权利要求1所述的一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，其特征在于，

步骤S2为导频间隔满足导频对信道抽样的奈奎斯特定理，即假设导频间隔为Bd，那么需要满足的公式为：2×Bc＜Bd，假设△F为相邻子载波之间的频率间隔，N为子载波间隔数，Bd＝N×△F，在满足奈奎斯特采样定理前提下，N取最大值。

4.根据权利要求1所述的一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，其特征在于，

步骤S3为导频对信道抽样的位置按照如下要求确定：

抽样位置特征需要满足有效子载波左右边界有导频；

按照步骤S2所确定的导频间隔再确定插入导频位置，导频位置确定满足如下公式2：

在满足公式2的前提下，导频间隔确定可以分为如下两种情况：

当用载波描述的信道能完全均匀抽样时满足的公式为公式3：

当用载波描述的信道不能完全均匀抽样时满足的公式为公式4：

5.根据权利要求1所述的一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，其特征在于，

步骤S4为由OFDM符号的IFFT点数对应的特征，根据公式5和公式6计算导频循环周期的OFDM符号数：

6.根据权利要求1所述的一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，其特征在于，

步骤S5为根据步骤S3和步骤S4确定的相关参数，确定导频在每个OFDM符号中的插入的数量和位置，在确定插入位置时要保证导频点的均匀分布。

7.根据权利要求1所述的一种适应不同多径衰落信道的导频图案通用生成方法，其特征在于，

步骤S6为根据OFDM符号数量和每个OFDM符号导频数量，按照总的导频数量为Ne×No，生成需求长度的导频符号。

8.一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至7任一项所述方法。

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