CN114500183A - 一种水声反向散射信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声反向散射信道估计方法，包括：建立水声反向散射系统复合信道频率响应模型x及接收信号模型；设计复合信道频率响应估计所需导频矩阵A_p；发送端传输预设计导频A_p，接收端获取接收信号y_p；计算IRLS估计器权重，构造权重对角矩阵W^(k)，求解复合水声信道冲激响应

依据迭代序列对复合水声信道冲激响应进行估计，判断停止准则，输出复合水声信道冲激响应估计结果；恢复复合水声信道频率响应x。本发明的优点是：通过接收器响应水声传输信道频率，提供对水声传输信道的适当信道估计，在有传输信道的随时间的大量变化的情况下对OFDM调制数据进行解调，为水声反向散射通信接收端提供准确的信道状态信息。

Description

一种水声反向散射信道估计方法

技术领域

本发明涉及通信及信号处理领域，特别是涉及一种水声反向散射信道估计方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)多载波调制水声传输系统能够基于能发射和接收多载波数据信号的发射器和接收器来配置。多载波调制水声传输系统的一个示例是正交频分复用(OFDM)，其中OFDM发射器广播由包含多个等间距的载波频率的符号组成的信息。水声通信信道的特性通常因传输路径的变化而随时间改变。为了在有传输信道的随时间的大量变化的情况下对OFDM调制数据进行解调，需要知道水声传输信道频率响应，通过接收器提供对水声传输信道的适当信道估计。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明提供一种水声反向散射信道估计方法，为水声反向散射通信接收端提供准确的信道状态信息。

技术方案：一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立水声反向散射系统复合信道频率响应模型x及接收信号模型y＝Ax+n；

步骤2：发送端和接收端设计复合信道频率响应估计所需导频矩阵A_p；

步骤3：发送端向接收端传输预设计导频A_p，接收端依据步骤1所建立信号模型获取接收信号y_p；

步骤4：接收端依据步骤1所建立模型获取接收信号y_p＝Φx_t+n_p；

步骤5：设置迭代次数k＝0，初始化复合水声信道冲激响应

并设定最大迭代次数为K，残差精度为ε；

步骤6：并计算IRLS估计器权重w^(k)；

步骤7：依据步骤5中所得IRLS估计器权重w^(k)，构造权重对角矩阵W^(k)，并求解复合水声信道冲激响应

步骤8：计算IRLS估计器第k次迭代的残差e^(k)，设置k＝k+1；

步骤9：依据迭代序列对复合水声信道冲激响应进行估计，判断停止准则，并输出复合水声信道冲激响应估计结果

若不满足，重复步骤6-8直至满足停止准则；

步骤10：恢复复合水声信道频率响应x。

进一步的，所述步骤1中的水声反向散射系统复合信道频率响应模型x为采样后的发送端到反向散射节点信道冲激响应h₁、反向散射节点反射系数η及反向散射节点到接收端信道冲激响应h₂三者级联后的傅里叶变换，与采样后的发送端到接收端信道冲激响应h₀的傅里叶变换之和，其公式表示如下：x＝h₀+bηh₁ h₂，式中，b为反向散射节点发送的二进制信息；

所述步骤1中的水声反向散射系统接收信号模型y＝Ax+n中，A为频域子载波上发送的符号a所构成的对角矩阵，其公式表示如下：A＝diag{a₁,a₂,L,a_N}，n为频域子载波上的噪声。

进一步的，所述步骤2中的导频矩阵A_p包含导频的位置集P与导频所携带的信息，其公式表示如下：A_p＝SAS^T，式中，S为导频子载波选择矩阵，可由单位阵I抽取对应导频位置集P中的行构成，导频所携带经16QAM调制的数据信息。

进一步的，所述步骤3中依据步骤1所建立信号模型获取接收信号为y_p＝A_px+n_p，式中，n_p为导频位置处频域子载波噪声；

所述步骤4中依据步骤1所建立信号模型获取接收信号为y_p＝Φx_t+n_p，式中，Φ＝A_pF_p为等效导频矩阵；F_p＝SF为由导频位置抽取快速傅里叶变换矩阵中行构成的矩阵，F为快速傅里叶变换矩阵，x_t＝h_0t+bηh_1t h_2t为水声反向散射系统复合信道冲激响应。

进一步的，所述步骤5中依据最小二乘算法，对复合水声信道冲激响应进行初始化，其公式表示如下：

式中，Φ⁺＝Φ^T(ΦΦ^T)^-1为矩阵Φ的伪逆；

最大迭代次数设为复合水声信道冲激响应的稀疏度，其公式表示如下：K＝||x_t||₀，式中，||.||₀为0-范数，表示向量中的非零元素的数目；

残差精度设为导频位置处的频域噪声功率，其公式表示如下：

进一步的，所述步骤6中权重的计算公式如下：

式中，

p∈(0,1)为估计精度控制参数，设为p＝0.5；L为复合信道冲激响应的长度。

进一步的，所述步骤7中权重对角阵的公式表示如下：W^(k)＝diag{w^(k)}；

依据加权最小二乘算法计算复合水声信道冲激响应，其公式表示如下：

进一步的，所述步骤8中信道冲激响应与实际冲激响应的残差的计算公式如下：

进一步的，所述步骤9中迭代停止准则可表述为(i)迭代次数大于预设定的最大迭代次数(k>K)或(ii)信道冲激响应与实际冲激响应的残差小于预设定的精度(e^(k)＜ε)，若满足停止准则，输出复合水声信道冲激响应估计结果

若不满足，重复步骤6-8直至满足停止准则；

所述步骤10中恢复复合水声信道频率响应的公式如下：

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：通过接收器响应水声传输信道频率，提供对水声传输信道的适当信道估计，在有传输信道的随时间的大量变化的情况下对OFDM调制数据进行解调，为水声反向散射通信接收端提供准确的信道状态信息。

附图说明

图1是本发明的系统模型图；

图2是本发明的信道估计流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如附图1～2所示，一种水声反向散射信道估计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立水声反向散射系统复合信道频率响应模型x及接收信号模型y＝Ax+n；

步骤2：发送端和接收端设计复合信道频率响应估计所需导频矩阵A_p；

步骤3：发送端向接收端传输预设计导频A_p，接收端依据步骤1所建立信号模型获取接收信号y_p；

步骤4：接收端依据步骤1所建立模型获取接收信号y_p＝Φx_t+n_p；

步骤5：设置迭代次数k＝0，初始化复合水声信道冲激响应

并设定最大迭代次数为K，残差精度为ε；

步骤6：并计算IRLS估计器权重w^(k)；

步骤7：依据步骤5中所得IRLS估计器权重w^(k)，构造权重对角矩阵W^(k)，并求解复合水声信道冲激响应

步骤8：计算IRLS估计器第k次迭代的残差e^(k)，设置k＝k+1；

步骤9：依据迭代序列对复合水声信道冲激响应进行估计，判断停止准则，并输出复合水声信道冲激响应估计结果

若不满足，重复步骤6-8直至满足停止准则；

步骤10：恢复复合水声信道频率响应x。

上述步骤1中的水声反向散射系统复合信道频率响应模型x为采样后的发送端到反向散射节点信道冲激响应h₁、反向散射节点反射系数η及反向散射节点到接收端信道冲激响应h₂三者级联后的傅里叶变换，与采样后的发送端到接收端信道冲激响应h₀的傅里叶变换之和，其公式表示如下：x＝h₀+bηh₁ h₂，式中，b为反向散射节点发送的二进制信息。

上述步骤1中的水声反向散射系统接收信号模型y＝Ax+n中，A为频域子载波上发送的符号a所构成的对角矩阵，其公式表示如下：A＝diag{a₁,a₂,L,a_N}，n为频域子载波上的噪声。

上述步骤2中的导频矩阵A_p包含导频的位置集P与导频所携带的信息，其公式表示如下：A_p＝SAS^T，式中，S为导频子载波选择矩阵，可由单位阵I抽取对应导频位置集P中的行构成，导频所携带经16QAM调制的数据信息。

上述步骤3中依据步骤1所建立信号模型获取接收信号为y_p＝A_px+n_p，式中，n_p为导频位置处频域子载波噪声。

上述步骤4中依据步骤1所建立信号模型获取接收信号为y_p＝Φx_t+n_p，式中，Φ＝A_pF_p为等效导频矩阵；F_p＝SF为由导频位置抽取快速傅里叶变换矩阵中行构成的矩阵，F为快速傅里叶变换矩阵，x_t＝h_0t+bηh_1t h_2t为水声反向散射系统复合信道冲激响应。

上述步骤5中依据最小二乘算法，对复合水声信道冲激响应进行初始化，其公式表示如下：

式中，Φ⁺＝Φ^T(ΦΦ^T)^-1为矩阵Φ的伪逆；最大迭代次数设为复合水声信道冲激响应的稀疏度，其公式表示如下：K＝||x_t||₀，式中，||.||₀为0-范数，表示向量中的非零元素的数目；残差精度设为导频位置处的频域噪声功率，其公式表示如下：

上述步骤6中权重的计算公式如下：

式中，

p∈(0,1)为估计精度控制参数，设为p＝0.5；L为复合信道冲激响应的长度。

上述步骤7中权重对角阵的公式表示如下：W^(k)＝diag{w^(k)}；依据加权最小二乘算法计算复合水声信道冲激响应，其公式表示如下：

上述步骤8中信道冲激响应与实际冲激响应的残差的计算公式如下：

上述步骤9中迭代停止准则可表述为(i)迭代次数大于预设定的最大迭代次数(k>K)或(ii)信道冲激响应与实际冲激响应的残差小于预设定的精度(e^(k)＜ε)，若满足停止准则，输出复合水声信道冲激响应估计结果

若不满足，重复步骤6-8直至满足停止准则。

上述步骤10中恢复复合水声信道频率响应的公式如下：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立水声反向散射系统复合信道频率响应模型x及接收信号模型y＝Ax+n；

步骤2：发送端和接收端设计复合信道频率响应估计所需导频矩阵A_p；

步骤3：发送端向接收端传输预设计导频A_p，接收端依据步骤1所建立信号模型获取接收信号y_p；

步骤4：接收端依据步骤1所建立模型获取接收信号y_p＝Φx_t+n_p；

步骤5：设置迭代次数k＝0，初始化复合水声信道冲激响应

并设定最大迭代次数为K，残差精度为ε；

步骤6：并计算IRLS估计器权重w^(k)；

步骤7：依据步骤5中所得IRLS估计器权重w^(k)，构造权重对角矩阵W^(k)，并求解复合水声信道冲激响应

步骤8：计算IRLS估计器第k次迭代的残差e^(k)，设置k＝k+1；

步骤9：依据迭代序列对复合水声信道冲激响应进行估计，判断停止准则，并输出复合水声信道冲激响应估计结果

若不满足，重复步骤6-8直至满足停止准则；

步骤10：恢复复合水声信道频率响应x。

2.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤1中的水声反向散射系统复合信道频率响应模型x为采样后的发送端到反向散射节点信道冲激响应h₁、反向散射节点反射系数η及反向散射节点到接收端信道冲激响应h₂三者级联后的傅里叶变换，与采样后的发送端到接收端信道冲激响应h₀的傅里叶变换之和，其公式表示如下：x＝h₀+bηh₁ h₂，式中，b为反向散射节点发送的二进制信息；

所述步骤1中的水声反向散射系统接收信号模型y＝Ax+n中，A为频域子载波上发送的符号a所构成的对角矩阵，其公式表示如下：A＝diag{a₁,a₂,L,a_N}，n为频域子载波上的噪声。

3.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤2中的导频矩阵A_p包含导频的位置集P与导频所携带的信息，其公式表示如下：A_p＝SAS^T，式中，S为导频子载波选择矩阵，可由单位阵I抽取对应导频位置集P中的行构成，导频所携带经16QAM调制的数据信息。

4.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤3中依据步骤1所建立信号模型获取接收信号为y_p＝A_px+n_p，式中，n_p为导频位置处频域子载波噪声；

所述步骤4中依据步骤1所建立信号模型获取接收信号为y_p＝Φx_t+n_p，式中，Φ＝A_pF_p为等效导频矩阵；F_p＝SF为由导频位置抽取快速傅里叶变换矩阵中行构成的矩阵，F为快速傅里叶变换矩阵，x_t＝h_0t+bηh_1t h_2t为水声反向散射系统复合信道冲激响应。

5.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤5中依据最小二乘算法，对复合水声信道冲激响应进行初始化，其公式表示如下：

式中，Φ⁺＝Φ^T(ΦΦ^T)^-1为矩阵Φ的伪逆；

最大迭代次数设为复合水声信道冲激响应的稀疏度，其公式表示如下：K＝||x_t||₀，式中，||·||₀为0-范数，表示向量中的非零元素的数目；

残差精度设为导频位置处的频域噪声功率，其公式表示如下：

6.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤6中权重的计算公式如下：

式中，

p∈(0,1)为估计精度控制参数，设为p＝0.5；L为复合信道冲激响应的长度。

7.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤7中权重对角阵的公式表示如下：W^(k)＝diag{w^(k)}；

依据加权最小二乘算法计算复合水声信道冲激响应，其公式表示如下：

8.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤8中信道冲激响应与实际冲激响应的残差的计算公式如下：

9.根据权利要求1所述的一种水声反向散射信道估计方法，其特征在于：

所述步骤9中迭代停止准则可表述为(i)迭代次数大于预设定的最大迭代次数(k>K)或(ii)信道冲激响应与实际冲激响应的残差小于预设定的精度(e^(k)＜ε)，若满足停止准则，输出复合水声信道冲激响应估计结果

若不满足，重复步骤6-8直至满足停止准则；

所述步骤10中恢复复合水声信道频率响应的公式如下：

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