CN113923085A - 一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法 - Google Patents

一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法 Download PDF

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CN113923085A CN202111524660.6A CN202111524660A CN113923085A CN 113923085 A CN113923085 A CN 113923085A CN 202111524660 A CN202111524660 A CN 202111524660A CN 113923085 A CN113923085 A CN 113923085A
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Abstract

本发明涉及一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，包括以下步骤：步骤1，初始化信道估计参数，构造与非正交导频图案以及MIMO‑OFDM系统导频开销相联系的感知矩阵；步骤2，信号残差与感知矩阵做内积运算，得到内积结果，内积结果前
Figure 839169DEST_PATH_IMAGE001
部分元素用于第一发射端的信道参数估计，后
Figure 225151DEST_PATH_IMAGE001
部分元素用于第二发射端的信道参数估计；步骤3，更新信号残差，判断是否满足迭代终止条件，若满足则停止迭代，跳转到步骤4，否则跳转至步骤2；步骤4，输出估计的第一发射端对应的信道频响和估计的第二发射端对应的信道频响。

Description

一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种非正交导频结构下的水声MIMO-OFDM通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法。
背景技术
水声信道估计技术直接影响着水声通信系统传输的速率与可靠性，是决定水声通信系统性能的关键技术之一。MIMO-OFDM系统近几年被广泛应用于水声通信系统，系统每个接收端的接收信号包含来自所有发射机的独立数据，因此需要同时估计多个信道。传统的MIMO-OFDM信道估计方法利用导频索引序列互不交叠的正交导频来区分来自不同发射端的信道参数，但正交导频与MIMO-OFDM系统发射端数量成正比，对系统的通信速率产生影响。为了解决这一问题，多个发射端共用一套导频索引序列的非正交导频MIMO-OFDM系统进入了研究视野，与此同时，如何在导频索引序列相同的情况下区分来自不同发射端的信道参数成为非正交导频MIMO-OFDM系统信道估计的需要解决的一大问题。
发明内容
本发明要解决的问题是在MIMO-OFDM系统不同发射端导频索引相同的非正交导频结构下，如何准确分离来自不同发射端的信道参数。本发明基于压缩感知理论中感知矩阵相关性最小化的非正交导频图案，提出了一种应用于水声MIMO-OFDM通信系统的稀疏信道估计方法，能够同时、准确地区分来自不同发射端的信道参数，实现了非正交导频结构下的水声MIMO-OFDM系统多发射端并行稀疏信道估计。
针对上述技术问题，本发明提出了一种基于2发多收的MIMO-OFDM系统的并行水声稀疏信道估计方法，基于感知矩阵最小化的水声非正交导频MIMO-OFDM系统，能够同时估计来自两个发射端的信道系数，分离来自不同发射端的信道。
本发明的技术方案为：一种水声MIMO-OFDM通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，包括以下步骤：
步骤1：初始化信道估计参数，构造与非正交导频图案以及MIMO-OFDM系统导频开销相联系的感知矩阵；
步骤2：信号残差与感知矩阵做内积运算，得到内积结果，内积结果前
Figure 862071DEST_PATH_IMAGE001
部分元素用于第一发射端的信道参数估计，后
Figure 361186DEST_PATH_IMAGE001
部分元素用于第二发射端的信道参数估计；
步骤3：更新信号残差，判断是否满足迭代终止条件，若满足则停止迭代，跳转到步骤4，否则跳转至步骤2；
步骤4、输出估计的第一发射端对应的信道频响和估计的第二发射端对应的信道频响。
有益效果：
本发明结合感知矩阵相关性最小化的非正交导频图案以及2发多收的MIMO-OFDM系统，能够在一次信道估计迭代中同时估计来自两个发射端的信道参数。算法通过构造与非正交导频图案以及MIMO-OFDM系统导频开销相联系的感知矩阵，使信号残差与感知矩阵的内积结果出现分离现象，即内积结果前半部分元素可用于发射端1的信道估计迭代过程，后半部分元素可用于发射端2的信道估计迭代过程，实现导频索引序列重叠情况下不同发射端信道参数的分离。具体优点如下：
1、本发明的方法能够区分导频索引重叠的MIMO-OFDM系统来自不同发射端的信道参数。
2、本发明的方法在一次信道估计迭代中同时估计来自两个发射端的信道参数。
3、本发明与非正交导频MIMO-OFDM系统结合，可用于实际的水声通信传输，提高通信系统的综合性能。
附图说明
图1为包含两个发射端的MIMO-OFDM系统单条路径的内积函数示意图；
图2为基于感知矩阵最小化的非正交导频MIMO-OFDM系统并行信道估计模型流程图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明涉及的是一种非正交导频结构下的水声MIMO-OFDM通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，下面将结合附图对本发明进行详细说明。
根据本发明的实施例，MIMO-OFDM系统模型具体如下：
本发明中基于水声MIMO-OFDM系统，该系统包含N t 个发射端，N r 个接收端，每个OFDM符号子载波数为K，载波频率为f c ，第μ个发射端发射的对应第k个子载波的数据为
Figure 722897DEST_PATH_IMAGE002
。
接收端对接收的包含来自所有发射端的OFDM符号进行处理，得到频域上矩阵-向量形式的输入输出关系式：
Figure 841026DEST_PATH_IMAGE003
(1)
其中，z[k]、H[k]、s[k]和w[k]分别代表载波索引k处的接收信号频域观测向量、信道参数矩阵、发送符号向量、加性噪声向量。
根据本发明的一个实施例，所述稀疏信道估计模型如下：
对于2发多收的MIMO-OFDM系统，K p 和λ表示为系统的导频开销和过采样因子，D p 为等间隔导频的导频间隔。非正交导频共用的导频索引序列表示为
Figure 971793DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 376229DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 366182DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 881477DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 273275DEST_PATH_IMAGE008
分别表示第一发射端和第二发射端的非正交导频符号序列与感知矩阵，感知矩阵的构造规则如下:
Figure 848613DEST_PATH_IMAGE009
(2)
其中，字典矩阵
Figure 184916DEST_PATH_IMAGE010
表示为：
Figure 644848DEST_PATH_IMAGE011
(3)
因此，构造的非正交导频MIMO系统的感知矩阵表示为
Figure 750207DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 496446DEST_PATH_IMAGE013
为K p ×λKp维复数矩阵。
压缩感知理论中，第v个接收端的待恢复的稀疏信号表示成感知矩阵列原子的线性组合，如下公式：
Figure 195412DEST_PATH_IMAGE014
(4)
Figure 318089DEST_PATH_IMAGE015
表示感知矩阵
Figure 277954DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 336040DEST_PATH_IMAGE008
中列原子对应的权值，对应稀疏信道估计中待估计的信道幅度，
Figure 646936DEST_PATH_IMAGE016
为等效噪声，其中，
Figure 307724DEST_PATH_IMAGE015
是
Figure 122096DEST_PATH_IMAGE017
维复矩阵。在忽略噪声的情况下，对第v个接收端的观测向量与构造的感知矩阵进行厄米特内积运算，得到内积结果：
Figure 616663DEST_PATH_IMAGE018
(5)
Figure 149275DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 613755DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 423579DEST_PATH_IMAGE021
表示对
Figure 948101DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 968010DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 111546DEST_PATH_IMAGE008
进行共轭转置操作。
由于非正交导频依照感知矩阵相关性最小的标准设计，因此在过采样因子λ=1时，
Figure 900511DEST_PATH_IMAGE022
(6)
Figure 595934DEST_PATH_IMAGE023
(7)
其中，
Figure 978505DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 784787DEST_PATH_IMAGE025
分别表示K p 阶和
Figure 693837DEST_PATH_IMAGE026
阶单位矩阵。
图1为每个发射端单条路径在过采样因子为1时内积函数示意图，为使图像表达更清晰，设置第一发射端的路径幅度为
Figure 435528DEST_PATH_IMAGE027
，路径时延为
Figure 430029DEST_PATH_IMAGE028
；第二发射端的路径幅度为
Figure 774423DEST_PATH_IMAGE029
，路径时延为
Figure 678925DEST_PATH_IMAGE030
，系统采样频率为f s 。可以看出，在时延估计范围外不存在多径的假设下，内积结果
Figure 450572DEST_PATH_IMAGE031
的前半部分可用于第一发射端的信道估计，后半部分可用于第二发射端的信道估计，这样在一次信道估计迭代中可实现对两个发射端信道参数的同时估计。
根据本发明的实施例，如图2所示，一种非正交导频结构下的水声MIMO-OFDM通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，具体包括如下步骤：
步骤1：初始化信道估计参数，构造与非正交导频图案以及MIMO-OFDM系统导频开销相联系的感知矩阵；
步骤2：信号残差与感知矩阵做内积运算，得到内积结果，内积结果前
Figure 932369DEST_PATH_IMAGE032
部分元素用于第一发射端的信道参数估计，后
Figure 221399DEST_PATH_IMAGE032
部分元素用于第二发射端的信道参数估计；
步骤3：更新信号残差，判断是否满足迭代终止条件，若满足则停止迭代，跳转到步骤4，否则跳转至步骤2；
步骤4、输出估计的第一发射端对应的信道频响和估计的第二发射端对应的信道频响。
所述步骤1具体包括：
输入导频处的观测向量
Figure 839462DEST_PATH_IMAGE033
，感知矩阵
Figure 47589DEST_PATH_IMAGE034
，过采样因子
Figure 626469DEST_PATH_IMAGE035
，OFDM符号周期T，OFDM子载波数K，系统导频开销K p ，迭代终止条件
Figure 578245DEST_PATH_IMAGE036
；
初始化：路径索引
Figure 316394DEST_PATH_IMAGE038
，残差
Figure 305210DEST_PATH_IMAGE039
，匹配原子矩阵
Figure 761599DEST_PATH_IMAGE040
，估计信道 幅度向量
Figure 251486DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 719507DEST_PATH_IMAGE042
为第一发射端的信道幅度向量，
Figure 269437DEST_PATH_IMAGE043
为第二发射端的信道幅度向 量，
Figure 213123DEST_PATH_IMAGE044
为第一发射端的匹配原子矩阵，
Figure 116488DEST_PATH_IMAGE045
为第二发射端的匹配原子矩阵。
所述步骤2具体包括：
（2-1）：对路径索引
Figure 829229DEST_PATH_IMAGE046
进行迭代：
Figure 550060DEST_PATH_IMAGE047
；
（2-2）：将残差与感知矩阵做内积:
Figure 856408DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 688097DEST_PATH_IMAGE049
表示对
Figure 989766DEST_PATH_IMAGE013
进行共轭转置操作；其中，当
Figure 756865DEST_PATH_IMAGE050
时，残差
Figure 675142DEST_PATH_IMAGE051
由初始化值给出；当
Figure 44944DEST_PATH_IMAGE052
时，残差由步骤2-4给出；
（2-3）：在内积结果
Figure 342064DEST_PATH_IMAGE031
的前
Figure 404698DEST_PATH_IMAGE032
元素中寻找内积最大值，得到与第一发射端时延最匹配的原子索引：
Figure 544692DEST_PATH_IMAGE053
，从而得到与第一发射端时延最匹配的原子
Figure 859130DEST_PATH_IMAGE054
，j为内积结果
Figure 400970DEST_PATH_IMAGE031
中的元素序号，
Figure 634505DEST_PATH_IMAGE055
为矩阵
Figure 871582DEST_PATH_IMAGE013
的第
Figure 848766DEST_PATH_IMAGE056
列向量；
（2-4）：由步骤（2-3）进一步计算得到第一发射端路径时延估计值
Figure 245112DEST_PATH_IMAGE057
；
（2-5）：更新第一发射端的匹配原子矩阵：
Figure 524915DEST_PATH_IMAGE058
，对匹配原子矩阵进行施密特正交化，正交化后的原子为
Figure 639501DEST_PATH_IMAGE059
，得到对应路径时延
Figure 295742DEST_PATH_IMAGE060
的路径幅度
Figure 546594DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 387511DEST_PATH_IMAGE062
表示对
Figure 599181DEST_PATH_IMAGE063
进行共轭转置操作，更新估计的第一发射端信道幅度向量
Figure 918167DEST_PATH_IMAGE064
；
（2-6）：在内积结果后
Figure 289105DEST_PATH_IMAGE032
元素中寻找内积最大值，得到与第二发射端时延最匹配的原子索引：
Figure 922429DEST_PATH_IMAGE065
，从而得到与第二发射端时延最匹配的原子
Figure 746029DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 868706DEST_PATH_IMAGE066
为矩阵
Figure 703938DEST_PATH_IMAGE013
的第
Figure 886657DEST_PATH_IMAGE067
列向量j为内积结果中的元素序号；
（2-7）：由（2-6）得到第二发射端路径时延估计值
Figure 197553DEST_PATH_IMAGE068
；
（2-8）：更新第二发射端的匹配原子矩阵：
Figure 999287DEST_PATH_IMAGE069
，对匹配原子矩阵进行施密特正交化，正交化后的原子为
Figure 813659DEST_PATH_IMAGE070
，得到对应路径时延
Figure 308226DEST_PATH_IMAGE071
的路径幅度：
Figure 840838DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 39738DEST_PATH_IMAGE073
表示对
Figure 115142DEST_PATH_IMAGE074
进行共轭转置操作，更新估计的第二发射端信道幅度向量
Figure 639664DEST_PATH_IMAGE075
。
所述步骤3具体包括：
更新残差
Figure 393993DEST_PATH_IMAGE076
；判断是否满足迭代停止条件，当
Figure 803109DEST_PATH_IMAGE077
时，停止迭代，执行步骤4，否则跳转至步骤2。
步骤4：输出估计的第一发射端对应的信道频响
Figure 592073DEST_PATH_IMAGE078
，估计的第二发射端 对应的信道频响
Figure 287497DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 670068DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 476350DEST_PATH_IMAGE081
表示对向量
Figure 385400DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure 127091DEST_PATH_IMAGE083
进行转置操作。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，所述水声通信系统为MIMO-OFDM系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：初始化信道估计参数，构造与非正交导频图案以及MIMO-OFDM系统导频开销相联系的感知矩阵；
步骤2：信号残差与感知矩阵做内积运算，得到内积结果，内积结果前
Figure 737348DEST_PATH_IMAGE001
部分元素用于第一发射端的信道参数估计，后
Figure 458179DEST_PATH_IMAGE001
部分元素用于第二发射端的信道参数估计；
步骤3：更新信号残差，判断是否满足迭代终止条件，若满足则停止迭代，跳转到步骤4，否则跳转至步骤2；
步骤4、输出估计的第一发射端对应的信道频响和估计的第二发射端对应的信道频响。
2.根据权利要求1所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于，所述步骤1初始化信道估计参数，构造与非正交导频图案以及MIMO-OFDM系统导频开销相联系的感知矩阵，具体包括：
步骤1.1、输入导频处的观测向量
Figure 374314DEST_PATH_IMAGE002
，感知矩阵
Figure 206004DEST_PATH_IMAGE003
，过采样因子
Figure 38830DEST_PATH_IMAGE004
，OFDM符号周期T，OFDM子载波数K，MIMO-OFDM系统导频开销K p ，迭代终止条件
Figure 930563DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤1.2、进行参数初始化：路径索引
Figure 583261DEST_PATH_IMAGE006
，残差
Figure 969374DEST_PATH_IMAGE007
，匹配原子矩阵
Figure 656708DEST_PATH_IMAGE008
，估计信道幅度向量
Figure 984921DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 859336DEST_PATH_IMAGE010
为第一发射端的信道幅度向量，
Figure 298408DEST_PATH_IMAGE011
为第二发射端的信道幅度向量，
Figure 325401DEST_PATH_IMAGE012
为第一发射端的匹配原子矩阵，
Figure 824515DEST_PATH_IMAGE013
为第二发射端的匹配原子矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于：
所述步骤2，信号残差与感知矩阵做内积运算，得到内积结果，内积结果前
Figure 186226DEST_PATH_IMAGE014
部分元素用于第一发射端的信道参数估计，后
Figure 428989DEST_PATH_IMAGE014
部分元素用于第二发射端的信道参数估计，具体包括：
（2-1）：对路径索引
Figure 559756DEST_PATH_IMAGE015
进行迭代：
Figure 964192DEST_PATH_IMAGE016
；
（2-2）：将残差
Figure 829511DEST_PATH_IMAGE017
与感知矩阵做内积:
Figure 610385DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 595659DEST_PATH_IMAGE019
表示对
Figure 436576DEST_PATH_IMAGE020
进行共轭转置操作，其中当
Figure 772879DEST_PATH_IMAGE021
时，残差
Figure 108177DEST_PATH_IMAGE017
由初始化值给出；当
Figure 213536DEST_PATH_IMAGE022
时，残差由步骤2-4给出；
（2-3）：在内积结果
Figure 225355DEST_PATH_IMAGE023
的前
Figure 48954DEST_PATH_IMAGE014
元素中寻找内积最大值，得到与第一发射端时延最匹配的原子索引：
Figure 906052DEST_PATH_IMAGE024
，从而得到与第一发射端时延最匹配的原子
Figure 865917DEST_PATH_IMAGE025
，j为内积结果
Figure 64949DEST_PATH_IMAGE023
中的元素序号，
Figure 110265DEST_PATH_IMAGE025
为矩阵
Figure 36633DEST_PATH_IMAGE020
的第
Figure 116584DEST_PATH_IMAGE026
列向量；
（2-4）：由步骤（2-3）得到第一发射端路径时延估计值
Figure 204626DEST_PATH_IMAGE027
；
（2-5）：更新第一发射端的匹配原子矩阵：
Figure 2818DEST_PATH_IMAGE028
，对匹配原子矩阵进行施密特正交化，正交化后的原子为
Figure 218029DEST_PATH_IMAGE029
，得到对应路径时延
Figure 152487DEST_PATH_IMAGE030
的路径幅度
Figure 677010DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 696918DEST_PATH_IMAGE032
表示对
Figure 965089DEST_PATH_IMAGE029
进行共轭转置操作，更新估计的第一发射端信道幅度向量
Figure 754053DEST_PATH_IMAGE033
；
（2-6）：在内积结果后
Figure 200209DEST_PATH_IMAGE014
元素中寻找内积最大值，得到与第二发射端时延最匹配的原子索引：
Figure 972993DEST_PATH_IMAGE034
，从而得到与第二发射端时延最匹配的原子
Figure 513696DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 422746DEST_PATH_IMAGE036
为矩阵
Figure 289071DEST_PATH_IMAGE020
的第
Figure 283572DEST_PATH_IMAGE037
列向量j为内积结果中的元素序号；
（2-7）：由（2-6）得到第二发射端路径时延估计值
Figure 378698DEST_PATH_IMAGE038
；
（2-8）：更新第二发射端的匹配原子矩阵：
Figure 407834DEST_PATH_IMAGE039
，对匹配原子矩阵进行施密特正交化，正交化后的原子为
Figure 445060DEST_PATH_IMAGE040
，得到对应路径时延
Figure 661277DEST_PATH_IMAGE041
的路径幅度：
Figure 74941DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 693004DEST_PATH_IMAGE043
表示对
Figure 663583DEST_PATH_IMAGE040
进行共轭转置操作，更新估计的第二发射端信道幅度向量
Figure 632676DEST_PATH_IMAGE044
。
4.根据权利要求3所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
更新残差
Figure 318872DEST_PATH_IMAGE045
；判断是否满足迭代停止条件，当
Figure 57021DEST_PATH_IMAGE046
时，停止迭代，执行步骤4，否则跳转至步骤2。
5.根据权利要求1所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于：
所述步骤4具体包括：输出估计的第一发射端对应的信道频响
Figure 701629DEST_PATH_IMAGE047
，估计的第二 发射端对应的信道频响
Figure 892439DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 133059DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 725714DEST_PATH_IMAGE050
表示对向量
Figure 275644DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 219329DEST_PATH_IMAGE052
进行转置操作。
6.根据权利要求1所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于：该信道估计方法用于2发多收的水声MIMO-OFDM通信系统。
7.根据权利要求1所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于：所述步骤1中，非正交导频为感知矩阵相关性最小化的非正交导频图案。
8.根据权利要求1所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于：在时延估计范围外不存在多径的假设下，内积结果
Figure 512907DEST_PATH_IMAGE023
的前半部分用于第一发射端的信道估计，后半部分用于第二发射端的信道估计，从而在一次信道估计迭代中实现对两个发射端信道参数的同时估计。
9.根据权利要求1所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于：基于感知矩阵互相干性最小化的非正交导频图案，信道估计内积函数表示为：
Figure 960069DEST_PATH_IMAGE053
(1)
Figure 431633DEST_PATH_IMAGE054
(2)
Figure 597035DEST_PATH_IMAGE055
(3)
其中，
Figure 428725DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 261552DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 887705DEST_PATH_IMAGE058
表示对
Figure 556715DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 192096DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 348270DEST_PATH_IMAGE060
进行共轭转置操作，
Figure 676484DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 550899DEST_PATH_IMAGE062
分别表示K p 阶和
Figure 989970DEST_PATH_IMAGE063
阶单位矩阵。
10.根据权利要求1所述的一种水声通信系统多发射端并行稀疏信道估计方法，其特征在于：用于其他非正交导频结构MIMO-OFDM系统，将其他发射端由于共用导频索引序列在内积运算过程中产生的干扰视作等效噪声处理。
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