CN113872906A - 基于双标准的ofdm通信系统导频设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法及系统，所述方案包括步骤步骤(1)：基于OFDM通信系统中的可用载波集合及压缩感知算法的互相关原理，以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引；步骤(2)：基于获得的导频符号位置索引及压缩感知算法的总相关原理，确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值；步骤(3)：迭代执行步骤(1)‑步骤(2)第一阈值次数，选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

Description

基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法及系统

技术领域

本公开属于通信技术领域，尤其涉及一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术的载波可以灵活的分配来实现用户对占用频谱的使用和释放，因此基于OFDM技术的通信系统具有极大的应用前景。在5G技术中，其下行采用OFDM，上行支持OFDM和DFT-S-OFDM，OFDM技术成为5G的关键技术之一。对于相干光OFDM通信系统，其接收端进行相干解调时需要通过信道估计方法准确获得信道的状态信息，而信道估计的准确性决定了信通的误码率，进而决定着整个通信系统的性能。目前，信道估计技术可以分为盲信道估计、半盲信道估计和基于导频的信道估计。

在基于导频的信道估计中，发送端需要插入导频符号，接收端通过接收到的已知导频符号进行信道估计，由于压缩感知技术可以用较少的采样值，并通过稀疏信号重建算法准确的恢复稀疏信号，结合OFDM信道通常具有稀疏性，所以现有方法通常采用基于压缩感知的稀疏信道估计来减少导频的使用，实现稀疏信道的估计。发明人发现，在OFDM通信系统的可用的子载波中，通过不同的导频组合可唯一确定一个对应的采样矩阵，且不同的采样矩阵重建性能不同；同时根据压缩感知理论，采样矩阵的互相关(Mutual coherence,MC)越小，采样矩阵的稀疏重建性能越好；但是，MC仅能反应采样矩阵中任意两列矢量最不相关的极端情况，无法有效反应采样矩阵重建稀疏信号的平均性能，这就导致了现有基于压缩感知的稀疏信道估计方法的准确性较低，影响通信系统性能。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提供了一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法及系统，所述方案既考虑了采样矩阵两列间互相关的极端情况，又考虑了采样矩阵任意两列的相关情况对稀疏信号重建性能的影响，有效改善了设计出的导频对应采样矩阵的性能，基于本公开所述方案设计的导频能够有效提高OFDM信道估计性能。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法，包括：

步骤1：基于OFDM通信系统中的可用载波集合及压缩感知算法的互相关原理，以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引；

步骤2：基于获得的导频符号位置索引及压缩感知算法的总相关原理，确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值；

步骤3：迭代执行步骤2至步骤3第一阈值次数，选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

进一步的，所述以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引，具体为：

从所述可用载波集合中随机选择N_p项的索引号构成初始导频矢量，其中，N_p为导频符号的数量；选择产生最小互相关的索引更新导频矢量中的每一项，并计算对应采样矩阵的互相关，经第二阈值次数迭代后获得含有N_p项的导频符号位置索引。

进一步的，对所述导频矢量中的每一项进行更新，具体为：对于导频矢量中的每一项，利用所述可用载波集合中的剩余导频索引进行依次替换，构成新的导频矢量，分别计算初始导频矢量以及新的导频矢量所对应采样矩阵的互相关值，选择能够产生最小互相关的导频索引对导频矢量中当前项进行更新。

进一步的，所述确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值，具体为：基于获得的导频符号位置索引、预先定义的导频功率的下限、上限及所有导频符号的总功率，基于下式进行导频功率的求解：

s.t.

其中，V_L,V_H,V_T分别表示导频功率的下限、上限和所有导频符号的总功率，

为总相关计算公式的等价替换。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计系统，包括：

导频符号位置索引确定单元，其用于基于OFDM通信系统中的可用载波集合及压缩感知算法的互相关原理，以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引；

导频符号功率确定单元，其用于基于获得的导频符号位置索引及压缩感知算法的总相关原理，确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值；

设计结果获取单元，其用于迭代执行导频符号位置索引确定单元及导频符号功率确定单元所执行步骤第一阈值次数，选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法。

根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开提供了一种基于双标准的OFDM系统导频设计方法，所述方案能够使感知矩阵的MC(互相关)和TC(总相关)尽可能的小，提高采样矩阵重建稀疏信号的准确性，从而提高OFDM系统的信道估计性能。

(2)所述方案既考虑采样矩阵两列互相关极端情况，又考虑采样矩阵任意两列的互相关对稀疏信号重建性能的影响，改善设计出的导频对应的采样矩阵的性能，从而提高OFDM信道估计性能

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例一中所述的导频索引和导频索引上的导频符号功率大小示意图；

图2为本公开实施例一中所述的基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

本实施例的目的是提供一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法。

一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法，包括：

步骤1：基于OFDM通信系统中的可用载波集合及压缩感知算法的互相关原理，以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引；

步骤2：基于获得的导频符号位置索引及压缩感知算法的总相关原理，确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值；

步骤3：迭代执行步骤1-步骤2第一阈值次数，选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

进一步的，所述以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引，具体为：

从所述可用载波集合中随机选择N_p项的索引号构成初始导频矢量，其中，N_p为导频符号的数量；选择产生最小互相关的索引更新导频矢量中的每一项，并计算对应采样矩阵的互相关，经第二阈值次数迭代后获得含有N_p项的导频符号位置索引。

进一步的，对所述导频矢量中的每一项进行更新，具体为：对于导频矢量中的每一项，利用所述可用载波集合中的剩余导频索引进行依次替换，构成新的导频矢量，分别计算初始导频矢量以及新的导频矢量所对应采样矩阵的互相关值，选择能够产生最小互相关的导频索引对导频矢量中当前项进行更新。

进一步的，所述确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值，具体为：基于获得的导频符号位置索引、预先定义的导频功率的下限、上限及所有导频符号的总功率，基于下式进行导频功率的求解：

s.t.

其中，V_L,V_H,V_T分别表示导频功率的下限、上限和所有导频符号的总功率，

为总相关计算公式的等价替换。

具体的，为了便于理解，以下结合附图对本公开所述方案进行详细说明：

首先，令N表示OFDM系统中可用子载波数，N_p表示OFDM系统的导频符号数量，令A表示从一个大小为N×N的傅里叶矩阵中抽取的

所在的N_p行和前L列构成的N_p×L矩阵，x(p_l)表示第l个载波上的导频符号，v_l为第l个载波上的导频功率即v_l＝|x(p_l)|²。用

表示矩阵A的按列归一化矩阵。定义矩阵

G(i,j)表示矩阵A的第i列和第j列的归一化绝对值内积，G的对角线上的值相等。

以下对压缩感知算法中的互相关和总相关定义进行说明：

定义A为大小为M×N矩阵，互相关μ(A)定义为:

矩阵A的总相关定义为：

如图1所示为本公开提供的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法流程图，具体包括以下步骤：

步骤1)参数初始化。令M₁(即第一阈值)和M₂(即第二阈值)为正整数，分别表示外循环次数和内循环次数，M₁和M₂为正整数，且两个值越大越好，但是考虑实际的计算设备的计算能力，设置的区间范围为[1,100]以内的整数值，本实施例中设置为10。OFDM系统可用的所有导频载波的索引集合为Ω＝{1,2,...,N}，

和

分别表示零矢量和1矢量，

和

为零矩阵。

步骤2)外循环。对于第m次外循环m∈[1,2,...,M₁]，随机生成一个包含N_p项的导频矢量

令

步骤3)内循环。在第n∈[1,2,...,M₂]次内循环，如果p和第n-1次计算得到的

相同，结束本次循环。否则，依次更新p的每一项。在更新p的第k项时，用(Ω\p)∪p(k)中的每一项依次替换p(k)，其中，(Ω\p)∪p(k)表示属于Ω但不属于p的所有的项与p(k)的并集；计算x∪(p\p(k)),x∈(Ω\p)∪p(k)对应采样矩阵的互相关，其中，x∪(p\p(k)),x∈(Ω\p)∪p(k)表示用(Ω\p)∪p(k)中的每一个值x替换p的第k个p(k)值以构成新的导频矢量x∪(p\p(k))，其中，x为属于Ω但是不属于p的所有项与p(k)的并集，即x∈(Ω\p)∪p(k)，其中，Ω为可用载波集合，内部元素为空闲状态载波索引值，p为导频矢量，Ω\p为属于集合Ω但是不属于集合p的元素所构成的集合；p(k)为导频矢量中的第k项。

通过选择能够产生最小互相关的导频索引替换p(k)，即

其中，

是一个大小为N_p×1的全1矢量。更新

M₂次迭代后，得到一个含有N_p项的导频索引

步骤4)计算索引

的每个索引上的导频符号的大小。令

其中，ω＝e^-j2π/N。令

(2)式与(5)式等效，

其中，V_L,V_H,V_T分别表示导频功率的下限、上限和所有导频符号的总功率，||||_F表示Frobenius范数。(2)式是计算矩阵G-I的Frobenius范数，(5)式是计算G的Frobenius范数，G的对角线上的项的值为1，因此(2)式与(5)式等效。根据式(6)求解导频功率，

把式(6)转换为实数问题(7),即可求得载波上的导频功率v。

其中，R为

其中，

表示

的实部，

表示

的虚部。更新

步骤5)M₁次外循环之后，计算

输出P(I,:),u(I,:)。通过选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

本公开提出了一种基于双标准的OFDM系统导频设计方法，所述方案能够使感知矩阵的MC(互相关)和TC(总相关)尽可能的小，提高采样矩阵重建稀疏信号的准确性，从而提高OFDM系统的信道估计性能。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计系统。

一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法，包括：

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计系统，包括：

导频符号位置索引确定单元，其用于基于OFDM通信系统中的可用载波集合及压缩感知算法的互相关原理，以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引；

导频符号功率确定单元，其用于基于获得的导频符号位置索引及压缩感知算法的总相关原理，确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值；

设计结果获取单元，其用于迭代执行导频符号位置索引确定单元及导频符号功率确定单元所执行步骤第一阈值次数，选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

进一步的，所述以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引，具体为：从所述可用载波集合中随机选择N_p项的索引号构成初始导频矢量，其中，N_p为导频符号的数量；选择产生最小互相关的索引更新导频矢量中的每一项，并计算对应采样矩阵的互相关，经第二阈值次数迭代后获得含有N_p项的导频符号位置索引。

进一步的，所述对所述导频矢量中的每一项进行更新，具体为：对于导频矢量中的每一项，利用所述可用载波集合中的剩余导频索引进行依次替换，构成新的导频矢量，分别计算初始导频矢量以及新的导频矢量所对应采样矩阵的互相关，并选择能够产生最小互相关的导频索引对导频矢量中的每一项进行更新。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例一中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一中所述的方法。

实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述实施例提供的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法，其特征在于，包括：

步骤1：基于OFDM通信系统中的可用载波集合及压缩感知算法的互相关原理，以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引；

步骤2：基于获得的导频符号位置索引及压缩感知算法的总相关原理，确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值；

步骤3：迭代执行步骤2至步骤3第一阈值次数，选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

2.如权利要求1所述的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法，其特征在于，所述以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引，具体为：从所述可用载波集合中随机选择N_p项的索引号构成初始导频矢量，其中，N_p为导频符号的数量；选择产生最小互相关的索引更新导频矢量中的每一项，并计算对应采样矩阵的互相关，经第二阈值次数迭代后获得含有N_p项的导频符号位置索引。

3.如权利要求2所述的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法，其特征在于，对所述导频矢量中的每一项进行更新，具体为：对于导频矢量中的每一项，利用所述可用载波集合中的剩余导频索引进行依次替换，构成新的导频矢量，分别计算初始导频矢量以及新的导频矢量所对应采样矩阵的互相关值，选择能够产生最小互相关的导频索引对导频矢量中当前项进行更新。

4.如权利要求1所述的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法，其特征在于，所述确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值，具体为：基于获得的导频符号位置索引、预先定义的导频功率的下限、上限及所有导频符号的总功率，基于下式进行导频功率的求解：

s.t.

其中，V_L,V_H,V_T分别表示导频功率的下限、上限和所有导频符号的总功率，

为总相关计算公式的等价替换。

5.一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计系统，其特征在于，包括：

导频符号位置索引确定单元，其用于基于OFDM通信系统中的可用载波集合及压缩感知算法的互相关原理，以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引；

导频符号功率确定单元，其用于基于获得的导频符号位置索引及压缩感知算法的总相关原理，确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值；

设计结果获取单元，其用于迭代执行导频符号位置索引确定单元及导频符号功率确定单元所执行步骤第一阈值次数，选择使总相关最小时对应的导频符号位置索引及导频符号的功率值作为所述OFDM通信系统的导频设计结果。

6.如权利要求5所述的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计系统，其特征在于，所述以采样矩阵互相关最小为目标确定导频符号位置索引，具体为：从所述可用载波集合中随机选择N_p项的索引号构成初始导频矢量，其中，N_p为导频符号的数量；选择产生最小互相关的索引更新导频矢量中的每一项，并计算对应采样矩阵的互相关，经第二阈值次数迭代后获得含有N_p项的导频符号位置索引。

7.如权利要求6所述的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计系统，其特征在于，对所述导频矢量中的每一项进行更新，具体为：对于导频矢量中的每一项，利用所述可用载波集合中的剩余导频索引进行依次替换，构成新的导频矢量，分别计算初始导频矢量以及新的导频矢量所对应采样矩阵的互相关值，选择能够产生最小互相关的导频索引对导频矢量中当前项进行更新。

8.如权利要求5所述的一种基于双标准的OFDM通信系统导频设计系统，其特征在于，所述确定每个导频载波位置上的导频符号的功率值，具体为：基于获得的导频符号位置索引、预先定义的导频功率的下限、上限及所有导频符号的总功率，基于下式进行导频功率的求解：

s.t.

其中，V_L,V_H,V_T分别表示导频功率的下限、上限和所有导频符号的总功率，

为总相关计算公式的等价替换。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4任一项所述的基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的基于双标准的OFDM通信系统导频设计方法。

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