CN1753396A - 移动通信环境中正交频分复用信号的信噪比测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明移动通信环境中正交频分复用信号的信噪比测量方法，特征是在接收端对正交频分复用信号中的导频信号进行自相关和互相关处理，估计出接收信号功率和接收信号中有用信号的功率，进而估计出接收信号信噪比。本发明的信噪比测量方法利用信道的时域统计特性，不需要精确的信道估计信息反馈，实现简单高效的信噪比测量；在接收端利用插值的办法估计有用信号功率，对各种运动速度下的移动终端都能得到比较好信噪比估计结果。

Description

移动通信环境中正交频分复用信号的信噪比测量方法

技术领域：

本发明属于正交频分复用(OFDM)移动通信技术领域，特别涉及OFDM通信系统中的信噪比测量技术。

背景技术：

正交频分复用(OFDM)技术被普遍认为是第四代移动通信系统中不可缺少的技术。接收机利用接收信号信噪比进行自适应参数的选择和动态频率选择，因此信噪比测量是OFDM系统中的一项重要技术。

《国际电子与电气工程师协会消费电子学报》(IEEE Trans.On Communications，Volume 48，no.10，pp.1681-1691，October.2000)发表了在高斯信道下通信系统信噪比的测量方法，但是正交频分复用系统所处无线信道为频率选择性衰落信道，在频率选择性衰落信道中该方法需要精确的信道估计，因此限制了该方法的应用。

技术内容：

本发明提出一种正交频分复用信号的信噪比测量方法，可以充分利用室外移动环境下无线信道的时域统计特性和OFDM系统导频(Pilot)信号插入结构，对频率选择性衰落信道环境下接收信号的信噪比进行估计，并且估计性能不受移动终端运动速度的影响。

本发明移动通信环境中正交频分复用信号的信噪比测量方法，在发射端采用均匀梳状的导频插入方案，即在每个OFDM符号(Symbol)内，Pilot等间隔均匀的插在子载波上，相同子载波上发送的Pilot信号相同；在接收端对接收到的OFDM符号中的Pilot信号进行自相关和互相关运算，得到接收信号总功率和有用信号功率的估计值；

其特征在于：

在接收端，对接收信号的总功率进行估计和对接收信号中有用信号功率进行估计，包括：初始化单元在起始时刻对相关积累寄存器进行清零；移位寄存单元提取OFDM符号中的Pilot信号保存到接收信号移位寄存器中；相关累积单元计算Pilot信号的时域相关序列值，并将它们累加到相关累积寄存器中相应的存储单元中；在对所有OFDM符号处理完毕后，相关平均单元对相关累积寄存器中的累积值进行平均，得到Pilot信号的时域相关序列估计值，其中Pilot信号的时域自相关值就是接收信号的总功率；有用信号功率估计单元对Pilot信号的时域互相关估计值进行插值得到有用信号的自相关值，即有用信号功率；在估计出接收信号的总功率和有用信号功率后，信噪比计算单元用接收信号的总功率减去有用信号功率得到噪声功率估计值，用有用信号功率除以噪声功率得到接收信号信噪比的估计值。

本发明中，信噪比测量值的求解原理如下：

记第i个OFDM符号的第j个Pilot子载波调制的数据为X_i，j，第i个OFDM符号的第j个Pilot子载波上的噪声为N_i，j，第i个OFDM符号的第j个Pilot子载波的信道因子为H_i，j。在实际应用中，选取步同OFDM符号同一Pilot子载波上的导频数据值相同，即有：

X_i，j＝X_i+k，j                                                   (1)

对于零均值高斯白噪声，有：

E(N_i，j)＝0                                                      (2)

由于噪声与信号以及噪声之间的统计独立，有：

$E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right)N_{i+k,j}^{*}\right)=E\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right)E\left(N_{i+k,j}^{*}\right)\stackrel{\left(2\right)}{=0}---\left(3\right)$

$E\left(\left(X_{i+k,j}{H}_{i+k,j}\right)N_{i,j}^{*}\right)=E\left(X_{i+k,j}{H}_{i+k,j}\right)E\left(N_{i,j}^{*}\right)\stackrel{\left(2\right)}{=}0$

$E\left(N_{i,j}{N}_{i+k,j}^{*}\right)=E\left(N_{i,j}\right)E\left(N_{i+k,j}^{*}\right)\stackrel{\left(2\right)}{=}0---\left(4\right)$

第i个OFDM符号和第i+k个OFDM符号同一Pilot子载波上的信号互相关：

R_X(k)＝E((X_i，jH_i，j+N_i，j)(X_i+k，jH_i+k，j+N_i+k，j)^*)

$=E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right){\left(X_{i+k,j}{H}_{i+k,j}\right)}^{*}\right)+E\left(N_{i,j}{N}_{i+k,j}^{*}\right)$

$+E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right)N_{i+k,j}^{*}\right)+E\left({\left(X_{i+k,j}{H}_{i+k,j}\right)}^{*}{N}_{i,j}\right)$

$\stackrel{\left(3\right)}{=}E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right){\left(X_{i+k,j}{H}_{i+k,j}\right)}^{*}\right)+E\left(N_{i,j}{N}_{i+k,j}^{*}\right)---\left(5\right)$

$\stackrel{\left(4\right)}{=}E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right){\left(X_{i+k,j}{H}_{i+k,j}\right)}^{*}\right)$

$\stackrel{\left(1\right)}{=}{\left|X_{i,j}\right|}^{2}E\left(H_{i,j}{H}_{i+k,j}^{*}\right)$

在室外移动无线通信环境中，信道因子的互相关值E(H_i，jH_i+k，j ^*)满足：

$E\left(H_{i,j}{H}_{i+k,j}^{*}\right)=J_0\left(2\mathrm{\π}{f}_d\mathrm{kT}\right)---\left(6\right)$

其中J₀()是第一类零阶贝塞尔函数，T是OFDM符号周期的长度，f_d是由于移动终端运动造成的信道多普勒频移，f_d大小正比于运动速度。J₀()在零点附近可以表示成：

$J_0\left(x\right)=1-\frac{x^2}{4}+O\left(x^4\right)---\left(7\right)$

忽略四阶小量O(x⁴)，得到第i个OFDM符号和第i+k个OFDM符号同一Pilot子载波上的信号互相关值在零点附近满足的方程：

$R_X\left(k\right)\stackrel{\left(5\right)}{=}a{k}^2+b---\left(8\right)$

k＝1，2时：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_X\left(1\right)=a+b\\ R_X\left(2\right)=4a+b\end{array}\right.---\left(9\right)$

解方程组(9)，得到接收信号中有用信号功率：

$R_X\left(0\right)=b=R_X\left(1\right)+\frac{R_X\left(1\right)-R_X\left(2\right)}{3}---\left(10\right)$

OFDM符号Pilot子载波上的信号自相关等于接收信号总功率，即有用信号功率和噪声功率之和：

R_Y＝E((X_i，jH_i，j+N_i，j)(X_i，jH_i，j+N_i，j)^*)

$=E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right){\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right)}^{*}\right)+E\left(N_{i,j}{N}_{i,j}^{*}\right)+E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right)N_{i,j}^{*}\right)+E\left({\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right)}^{*}{N}_{i,j}\right)---\left(11\right)$

$=E\left(\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right){\left(X_{i,j}{H}_{i,j}\right)}^{*}\right)+E\left(N_{i,j}{N}_{i,j}^{*}\right)$

则信噪比测量值为：

SNR＝R_X(0)/(R_Y-R_X(0))                                                  (12)

与现有技术相比较，由于本发明利用Pilot信号估计信号功率和噪声功率，因此不需要精确的信道估计信息；由于本发明利用Pilot信号的一二阶互相关值的插值对有用信号的功率进行估计，因此估计性能不受多普勒频偏的影响。在不同的多普勒频偏情况下，本发明都能得到比较准确的信噪比估计值，并且测量值基本和多普勒频偏无关；由于多普勒频偏的大小正比于运动速度，因而本发明对不同的运动速度和信噪比都能得到准确一致的估计结果。

附图说明：

附图1为本发明的OFDM信噪比测量方法的系统实现框图。

附图2为信噪比测量值的性能仿真对比曲线。

具体实施方式：

以下结合附图说明本方法的实施例。

实施例1：

本实施例系统使用的OFDM信元长度为2048，循环前缀长为256，Pilot长为256，间隔8的插在子载波上。信道采用COST207六径模型，最大多径时延为10us，六径在0～10us内等间隔分布，各径的功率谱密度满足通常的Jakes模型，所加噪声为零均值的加性高斯白噪声。

本发明的实现框图如附图1所示，它由8个模块构成。其中，模块1完成初始化功能；模块2用于保存接收到的Pilot信号；模块3和模块5是分支跳转模块；模块4完成Pilot信号的自相关及互相关运算；模块6完成相关平均功能；模块7完成插值功能；模块8完成信噪比计算功能。

附图1中各个模块按连接顺序依次执行，它的工作流程如下：在系统启动时，模块1将相关累积寄存器清空；相关累积寄存器包括3个存储单元，分别用于保存Pilot信号的自相关累积值和一阶二阶互相关累积值；在模块1完成系统初始化之后，其余各模块开始工作；首先，模块2将接收到的Pilot信号存入接收信号移位寄存器；接收信号移位寄存器的每个存储单元保存一个OFDM符号的Pilot信号，它的工作原理如下：每次移位操作使前一个存储单元的Pilot信号顺次移到下一个存储单元；移位操作的结果是最后一个存储单元的Pilot信号被移出接收信号移位寄存器，新接收到的OFDM符号的Pilot信号被保存到第一个存储单元；本发明中使用的接收信号移位寄存器包含3个存储单元，可以存储3个连续的OFDM符号的Pilot信号；模块3判断接收信号移位寄存器是否已经填满，如果已经填满向下执行模块4的操作，如果没填满返回模块2；模块4用接收信号移位寄存器中第一个存储单元中的Pilot信号和本身以及其它两个存储单元中的Pilot信号进行相关运算，求出Pilot信号的自相关值和一阶二阶互相关值，将它们累加到相关积累寄存器相应的存储单元中；模块5判断是否所有的OFDM符号处理完毕，如果不是，则转到模块1，重复上述过程，继续处理下一个OFDM符号的Pilot信号，否则，转到模块6；模块6对相关积累寄存器中的自相关累积值和互相关累积值求平均，其中自相关累积值的平均值表示信号的总功率；将互相关累计值的平均值送入到模块7；模块7利用公式(10)求出有用信号的功率；模块8利用模块6得到的信号总功率与模块7得到的有用信号的功率，将有用信号的功率除以信号总功率与有用信号的功率的差，所得的商即为信噪比的估值。

附图2为在COST207六径信道模型下，最大多普勒频偏为50Hz，250Hz，500Hz时信噪比测量值的对比图。图中横轴为实际接收信号信噪比，纵轴为本发明信噪比测量方法得到的信噪比测量值。比较附图2中不同最大多普勒频偏为50Hz，250Hz，500Hz情况下的3条信噪比曲线a、b、c，以及每条曲线真实值和测量值之间的关系，可以总结出附图2的特征：

1.在真实信噪比从5dB到20dB的范围内，信噪比测量值同真实值比较吻合；

2.在真实信噪比相同时，不同多普勒频偏情况下得到的各个测量值之间差别很小。

附图2的特征表明：在不同的多普勒频偏情况下，本发明都能得到比较准确的信噪比估计值，并且测量值基本和多普勒频偏基本无关；由于多普勒频偏的大小正比于运动速度，因而本发明对不同的运动速度和信噪比都能得到准确一致的估计结果。

由于本发明能够充分利用信道时域的时域统计特性，不需要精确的信道估计信息，实现简单高效的信噪比测量；本发明的信噪比估计方法对接收信号OFDM信号中的Pilot信号进行自相关处理，求出接收信号的总功率；对Pilot信号进行互相关处理，再插值得到接收信号中有用信号的功率，进而求出接收信号的信噪比；它不需要使用信道估计信息，并且在各种多普勒频偏情况下，测量值变化较小，因而适用于室外移动无线通信环境中的信噪比测量。

Claims (1)

1、一种移动通信环境中正交频分复用信号的信噪比测量方法，在发射端采用均匀梳状的导频插入方案，即在每个正交频分符号内，导频信号等间隔均匀的插在子载波上，相同子载波上发送的导频信号相同；在接收端对接收到的正交频分符号中的导频信号进行自相关和互相关运算，得到接收信号总功率和有用信号功率的估计值；

其特征在于：

在接收端，对接收信号的总功率进行估计和对接收信号中有用信号功率进行估计，包括：初始化单元在起始时刻对相关积累寄存器进行清零；移位寄存单元提取正交频分复用符号中的导频信号保存到接收信号移位寄存器中；相关累积单元计算导频信号的时域相关序列值，并将它们累加到相应的相关累积寄存器中；在对所有正交频分复用符号处理完毕后，相关平均单元对相关累积寄存器中的累积值进行平均，得到导频信号的时域相关序列估计值，其中导频信号的时域自相关值就是接收信号的总功率；有用信号功率估计单元对导频信号的时域互相关估计值进行插值得到有用信号的自相关值，即有用信号功率；在估计出接收信号的总功率和有用信号功率后，信噪比计算单元用接收信号的总功率减去有用信号功率计算出噪声功率，用有用信号功率除以噪声功率得到接收信号信噪比的估计值。

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