CN114978843B - 一种基于译码辅助的ofdm系统时变信道追踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于译码辅助的正交频分复用系统时变信道追踪方法，包括：考虑时变信道场景下的OFDM系统，发送端进行编码时，每个OFDM符号对应一个编码码块，每个子帧的第一个OFDM符号放置块状导频；在接收端，首先利用导频信号推断出第一个OFDM符号各子载波位置的信道；将其视为理想值，推断下一个OFDM符号的各子载波上的符号概率，进行软解调，得到LLR序列；将该OFDM符号对应的LLR序列送入译码器，得到译码后的LLR，更新各子载波上的符号概率；接着利用更新后的符号概率和信道相关性更新该OFDM符号各子载波位置的信道估计值；迭代上述过程，直至完成该子帧内所有OFDM符号的译码。本发明能够有效追踪OFDM时变信道，节约导频开销，提升信道估计精度，提高系统接收性能。

Description

一种基于译码辅助的OFDM系统时变信道追踪方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种基于译码辅助的OFDM(正交频分复用)系统时变信道追踪方法。
背景技术
OFDM技术作为5G移动通信系统物理层的核心技术，具有抗多径衰落、抗符号间干扰、带宽灵活和频谱利用率高等优点。其中，信道估计是OFDM通信系统中的关键技术，对系统的传输性能具有较大影响。信道估计算法从是否使用导频符号的角度，可以分为盲估计，半盲估计和基于导频的估计方法。在基于LTE和5G的协议框架下应用最为广泛的是基于导频的信道估计方法，其核心思路是首先获取导频符号位置上的接收信号，利用LS和LMMSE等算法获取导频位置的信道频域响应，再通过插值算法得到二维时频格上的完整信道响应。然而，为了确保信道估计的精度，往往需要插入大量导频，带来巨大的开销，导致传输效率下降。
考虑到实际系统中导频资源的限制，国内外研究者提出半盲信道估计方案，即在导频之外利用解调数据辅助信道估计，将数据视为虚拟导频，从而降低导频开销。但是，现有工作通常局限于单载波静态信道场景，无法适用于时变OFDM系统；另一方面，解调数据往往准确度不够，带来错误传播。因此，本发明提供一种基于译码辅助的OFDM时变信道追踪方法，同时利用译码器反馈信息和信道相关性有效追踪时变信道，节约导频开销，提升信道估计精度，提高系统接收性能。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于时变OFDM系统的信道追踪方法。该方法能够同时利用译码器反馈信息和信道相关性有效追踪时变信道，节约导频开销，提升信道估计精度，提高系统接收性能。
为达此目的，本发明采用的技术方案为：一种基于译码辅助的OFDM系统时变信道追踪方法，具体包括如下步骤：
(1)发送端进行编码时，每个OFDM符号对应一个编码码块，并且每个子帧的第一个OFDM符号放置块状导频；
(2)接收端利用导频信号推断第一个OFDM符号各子载波位置信道；
(3)利用信道相关性推断下一个OFDM符号的各个子载波上的符号概率，并进行软解调，得到对数似然比(LLR)；
(4)将该OFDM符号对应的LLR序列送入译码器，得到译码后的LLR，从而更新各子载波上的符号概率；
(5)同时利用更新后的符号概率和信道相关性更新该OFDM符号各子载波位置的信道估计值；
(6)重复上述步骤(3)-(5)，直至完成该子帧内所有OFDM符号的译码，输出译码判决。
进一步的，所述的一种基于译码辅助的OFDM时变信道追踪方法中，假设一个子帧内OFDM符号数为T，子载波数为K，频域信道响应符合均值为0、方差为1的复高斯分布。另外，信道时变特性符合一阶AR模型，即第t个OFDM符号和第t-1个OFDM符号在第k个导频子载波上的信道满足如下关系：
Htk＝ρH(t-1)k+etk,t＝2,…,T,k＝1,2,…,K
其中表示时变相关系数，/>为归一化多普勒频偏，J0(·)为0阶贝塞尔函数。另外，etk为符合复高斯分布的均值为0、方差为1-ρ2的随机噪声。
进一步的，在步骤(2)中，假设第1个OFDM符号第k个子载波上导频符号和接收信号分别为Y1k和X1k，噪声方差为σ2，则该子载波位置的信道估计值由下式计算：
其中(·)*表示共轭运算。
进一步的，步骤(3)具体包含如下子步骤：
(3.1)为降低复杂度，采用串行滑窗方案，每次将上一个OFDM符号的信道估计值视为理想值，即用替代H(t-1)k，利用和上一个OFDM符号的时变信道相关性推断当前OFDM符号各子载波上的符号后验概率。具体地，第t个OFDM符号在第k个子载波上的符号概率按下式计算：
其中，pprior(Xtk)为符号Xtk的先验概率，Ω为星座点集合，即Xtk所有可能取值的集合，NC(x；μ,ω)表示关于x的均值为μ方差为ω的复高斯概率密度函数。
(3.2)对所得的各符号概率进行软解调得到比特似然比LLR。为了公式的简洁清晰，此处暂时忽略符号后验概率的条件和表示OFDM符号和子载波索引的下标。符号X的第q个比特Xq对应的LLR由下式计算：
其中，Ωq＝0/1为满足第q个比特为0或1的星座点集合，M为调制阶数。
进一步的，步骤(4)具体包含如下子步骤：
(4.1)对于当前的OFDM符号，当得到所有子载波上符号对应的比特LLR后，按序输入译码器，通过软输入软输出译码算法得到译码后LLR，符号X的第q个比特Xq对应的LLR记为
(4.2)利用译码器输出的LLR更新符号概率，具体按下式计算：
其中，pdecoder(Xq)为由符号X的第q个比特对应的LLR得到的比特概率，具体按下式计算：
进一步的，在步骤(5)中，将信道估计问题转化为求取后验期望问题，即求取E(Htk|Ytk,H(t-1)k)，并且采用串行滑窗方案，每次将上一个OFDM符号的信道估计值视为理想值，即用替代H(t-1)k。具体地，更新后的第t个OFDM符号在第k个子载波上的信道估计值根据下式计算：
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明为时变OFDM系统提供了一种信道追踪方法，能够同时利用译码器反馈信息和信道相关性有效追踪时变信道，节约导频开销，提升信道估计精度，提高系统接收性能。
(2)本发明采用串行滑窗方案，计算复杂度低，利于工程实现。
附图说明
图1为本发明中接收机的流程图；
图2为本发明在归一化多普勒频偏为0.03时的信道估计均方误差MSE仿真图；
图3为本发明在归一化多普勒频偏为0.03时的系统误比特率BER仿真图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种基于译码辅助的OFDM系统时变信道追踪方法，同时利用译码器反馈信息和信道相关性有效追踪时变信道，节约导频开销，提升信道估计精度，提高系统接收性能。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
实施例
为验证基于译码辅助的OFDM系统时变信道追踪方法的性能结果，需要搭建时变OFDM系统仿真平台。在本实施例中，方法执行单位为一个子帧，即14个OFDM符号。编码方案采用5G NR的LDPC码，编码码长根据数据子载波数选择。具体而言，本实施例考虑QPSK调制，OFDM系统fft大小为2048，数据子载波数为1200，对应的编码码长等于2400，译码算法采用归一化最小和(NMS)算法，并设定最大译码迭代次数为50次。
该方法中，发送端进行编码时，每个OFDM符号对应一个LDPC码编码码块，并且每个子帧的第一个OFDM符号放置块状导频；一个子帧内OFDM符号数为14，数据子载波数为1200；假设频域信道响应符合均值为0、方差为1的复高斯分布；另外，信道时变特性符合一阶AR模型，即第t个OFDM符号和第t-1个OFDM符号在第k个导频子载波上的信道满足如下关系：
Htk＝ρH(t-1)k+etk,t＝2,…,14,k＝1,2,…,1200
其中表示时变相关系数，/>为归一化多普勒频偏，J0(·)为0阶贝塞尔函数。另外，etk为符合复高斯分布的均值为0、方差为1-ρ2的随机噪声。
在接收侧，如图1所示，按照以下步骤进行：
(1)接收端利用导频信号推断第一个OFDM符号各子载波位置信道。假设第1个OFDM符号第k个子载波上导频符号和接收信号分别为Y1k和X1k，噪声方差为σ2，则该子载波位置的信道估计值由下式计算：
其中(·)*表示共轭运算。
(2)利用信道相关性推断下一个OFDM符号的各个子载波上的符号概率，并进行软解调，得到LLR。具体包含如下子步骤：
(2.1)为降低复杂度，采用串行滑窗方案，每次将上一个OFDM符号的信道估计值视为理想值，即用替代H(t-1)k，利用和上一个OFDM符号的时变信道相关性推断当前OFDM符号各子载波上的符号后验概率。具体地，第t个OFDM符号在第k个子载波上的符号概率按下式计算：
其中，pprior(Xtk)为符号Xtk的先验概率，Ω为星座点集合，即Xtk所有可能取值的集合，NC(x；μ,ω)表示关于x的均值为μ方差为ω的复高斯概率密度函数。
(2.2)对所得的各符号概率进行软解调得到比特似然比LLR。为了公式的简洁清晰，此处暂时忽略符号后验概率的条件和表示OFDM符号和子载波索引的下标。符号X的第q个比特Xq对应的LLR由下式计算：
其中，Ωq＝0/1为满足第q个比特为0或1的星座点集合，这里QPSK调制对应调制阶数M＝4。
(3)将该OFDM符号对应的LLR序列送入译码器，得到译码后的LLR，从而更新各子载波上的符号概率。具体包含如下子步骤：
(3.1)对于当前的OFDM符号，当得到所有子载波上符号对应的比特LLR后，按序输入译码器，通过软输入软输出译码算法得到译码后LLR，符号X的第q个比特Xq对应的LLR记为
(3.2)利用译码器输出的LLR更新符号概率，具体按下式计算：
其中，pdecoder(Xq)为由符号X的第q个比特对应的LLR得到的比特概率，具体按下式计算：
(4)同时利用更新后的符号概率和信道相关性更新该OFDM符号各子载波位置的信道估计值。具体地，将信道估计问题转化为求取后验期望问题，即求取E(Htk|Ytk,H(t-1)k)，并且采用串行滑窗方案，每次将上一个OFDM符号的信道估计值视为理想值，即用替代H(t-1)k。具体地，更新后的第t个OFDM符号在第k个子载波上的信道估计值根据下式计算：
(5)重复上述步骤(2-4)，直至完成该子帧内所有OFDM符号的译码，输出译码判决。
以仅利用信道相关性的OFDM时变信道追踪方法作为比较对象，分别从信道估计军方误差MSE和系统误比特率BER两方面评估本发明的优越性。以横坐标SNR表示信噪比，上述具体实施例的仿真结果如图2和图3所示，其中归一化多普勒频偏仿真结果表明，在有限导频开销下，本发明提出的基于译码辅助的OFDM时变信道追踪方法，相比仅利用信道相关性的方法，在信道估计MSE和系统BER性能上均有显著增益。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于译码辅助的OFDM系统时变信道追踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)发送端进行编码时，每个OFDM符号对应一个编码码块，并且每个子帧的第一个OFDM符号放置块状导频；
(2)接收端利用导频信号推断第一个OFDM符号各子载波位置信道；
(3)利用信道相关性推断下一个OFDM符号的各个子载波上的符号概率，并进行软解调，得到LLR序列；
(4)将该OFDM符号对应的LLR序列送入译码器，得到译码后更新的LLR序列，从而更新各子载波上的符号概率；
(5)同时利用更新后的符号概率和信道相关性更新该OFDM符号各子载波位置的信道估计值；
(6)重复上述步骤(3)-(5)，直至完成该子帧内所有OFDM符号的译码，输出译码判决；
假设一个子帧内OFDM符号数为T，子载波数为K，频域信道响应符合均值为0、方差为1的复高斯分布；信道时变特性符合一阶AR模型，即第t个OFDM符号和第t-1个OFDM符号在第k个导频子载波上的信道满足如下关系：
Htk＝ρH(t-1)k+etk,t＝2,…,T,k＝1,2,…,K
其中表示时变相关系数，/>为归一化多普勒频偏，J0()为0阶贝塞尔函数；etk为符合复高斯分布的均值为0、方差为1-ρ2的随机噪声；
在步骤(2)中，假设第1个OFDM符号第k个子载波上导频符号和接收信号分别为Y1k和X1k，噪声方差为σ2，则该子载波位置的信道估计值由下式计算：
其中(·)*表示共轭运算；
步骤(3)具体包含如下子步骤：
(3.1)采用串行滑窗方案，每次将上一个OFDM符号的信道估计值视为理想值，即用替代H(t-1)k，利用和上一个OFDM符号的时变信道相关性推断当前OFDM符号各子载波上的符号后验概率；具体地，第t个OFDM符号在第k个子载波上的符号概率按下式计算：
其中，pprior(Xtk)为符号Xtk的先验概率，Ω为星座点集合，即Xtk所有可能取值的集合，表示关于x的均值为μ方差为ω的复高斯概率密度函数，Ytk和Xtk分别表示第t个OFDM符号第k个子载波上导频符号和接收信号；
(3.2)对所得的各符号概率进行软解调得到比特似然比LLR；为了公式的简洁清晰，此处忽略符号后验概率的条件和表示OFDM符号和子载波索引的下标；符号X的第q个比特Xq对应的LLR由下式计算：
其中，Ωq＝0/1为满足第q个比特为0或1的星座点集合，M为调制阶数。
2.根据权利要求1所述的一种基于译码辅助的OFDM系统时变信道追踪方法，其特征在于：步骤(4)具体包含如下子步骤：
(4.1)对于当前的OFDM符号，当得到所有子载波上符号对应的比特LLR后，按序输入译码器，通过软输入软输出译码算法得到译码后LLR，符号X的第q个比特Xq对应的LLR记为
(4.2)利用译码器输出的LLR更新符号概率，具体按下式计算：
其中，pdecoder(Xq)为由符号X的第q个比特对应的LLR得到的比特概率，具体按下式计算：
3.根据权利要求2所述的一种基于译码辅助的OFDM系统时变信道追踪方法，其特征在于：在步骤(5)中，将信道估计问题转化为求取后验期望问题，即求取并且采用串行滑窗方案，每次将上一个OFDM符号的信道估计值视为理想值，即用/>替代H(t-1)k；具体地，更新后的第t个OFDM符号在第k个子载波上的信道估计值根据下式计算：
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