单载波系统中基于导频的信道岭估计方法

技术领域

本发明涉及基于导频的信道岭估计方法。

背景技术

在无线通信系统中，发送信号受无线多径信道的影响，存在信道衰减和叠加的噪声与干扰。在接收端，若此时直接对接收的信号进行解调译码，则难以准确恢复出数据，数据传输的误码率很高，导致通信系统不能正常运行。因此，极有必要对通信系统所处的信道条件进行相关参数估计，估计出当前信道对信号幅度和相位的影响。

信道估计主要作用是将所估计出的信道状态信息(Channel State Information，CSI)，用于接收信号的均衡处理，包括时域均衡和频域均衡。虽然在不使用CSI的情况下，可以使用自适应反馈迭代算法对信号进行均衡，但其在实践中主要存在两个方面的局限性：若使用自适应算法进行自动的信号均衡，则其均衡性能会受到收敛速度的影响，以致其无法有效地跟踪快速衰落信道；对于反馈迭代的方法，必须在通信建立初期使用CSI对信号进行初始均衡，否则会出现收敛很慢甚至根本不收敛的情况。

信道估计在其它领域也有广泛的应用。例如，自适应功率分配和自适应资源分配等自适应分配算法就需要精确地估计出下行链路的CSI，并根据各个子信道的状况进行合理的资源分配。自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding，AMC)也需要知道当前的CSI，以选择使用合理的调制和编码组合方式来提高频谱利用率。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种分块传输的高效的调制方式，它通过在每个OFDM符号前加入循环前缀(Cyclic Prefix，CP)来消除时延扩展所造成的符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)，其多址形式为OFDMA。单载波频域均衡(Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE)是一种与OFDM时频对偶的分块传输的调制方式，也可以加入CP以消除多径造成的ISI，其多址形式是SC-FDMA。SC-FDE与OFDM相比，它们的对抗多径干扰能力、频谱效率和系统复杂度都差不多，但是前者最大的优点在于它的低峰均比(Peak-to-Average PowerRatio，PAPR)特性，因此很适合于手持终端等功率受限和对功放效率要求较高的设备。目前SC-FDMA已经被考虑用于第四代(4G)移动通信系统的上行链路的传输方案，因为其具有较低的PAPR特性。

SC-FDE对抗多径干扰的性能依赖于接收端信道估计和均衡的好坏，精确的信道估计结果是频域均衡的前提。而且由于SC-FDE与OFDM的信号模型是一样的，因此它们的信道估计在本质上相同，两者的估计方法可以通过适当修改相互转化。从大量的理论和实践中可以发现，好的信道估计方法可以有效地提升通信系统性能。

现有的信道估计方法一般分两类：非盲估计，即需要在发送端发送已知的理想的导频序列，在接收端根据接收的导频序列和理想的导频序列按一定算法估计出CSI；盲估计，即无需发送导频序列或者对导频序列无先验知识，按一定算法估计出CSI。盲估计虽可节省带宽，提高传输效率，但算法复杂，估计精度低。大多数通信系统一般都采用非盲估计，即需在发送端发送特殊的导频序列。

SC-FDE等效基带通信系统结构组成以及信号处理过程大致有如下步骤：

发送端：

步骤一、信源比特数据经过编码调制得到复信号；

步骤二、对通过步骤一后的数据进行串/并转换，得到数据块；

步骤三、在通过步骤二后的数据块前插入符号长度为N的导频序列，组装成帧，其中导频序列用于SC-FDE系统的信道估计；

步骤四、在通过步骤三后的数据块前分别加上符号长度为L(L一般取)的CP；

步骤五、对通过步骤四后的块帧数据进行并/串转换，然后发送。

接收端：

步骤六、发送的信号经过多径衰落并扰入了加性高斯白噪声(AWGN)，对所接收到的信号进行串/并转换，得到块帧；

步骤七、去掉通过步骤六后的块帧中的CP；

步骤八、对通过步骤七后的数据块进行FFT变换，得到频域的数据块；

步骤九、从通过步骤八后的数据块中提取导频，并利用它作信道估计得到CSI，然后利用估计出的CSI，通过频域均衡器消除多径衰落对SC-FDE系统中的数据块的影响；

步骤十、对通过步骤九后的数据块进行IFFT变换，得到时域的数据块；

步骤十一、对通过步骤十后的数据块进行并/串转换；

步骤十二、对通过步骤十一后的信号依次进行解调和译码，恢复出所发送的信源比特数据，最后并把它输出到信宿。

对于SC-FDE系统，信道估计常用的一种方法为最小二乘估计(简称LS估计)，LS估计具有较好的性能，当误差服从正态分布时，LS估计在所有无偏估计方法中具有无偏、一致和有效性。但是，当观测信号遭到异常污染时，使其有悖于正态分布假设，LS估计将不具有抗干扰性，其参数估值与真值偏差较大，LS估计将表现出较强的不稳定性，从而影响整个通信系统的稳定性。

发明内容

本发明是为了解决现有的信道LS估计方法在观测信号遭到异常污染时不具有抗干扰性，导致系统稳定性差的问题，从而提出一种单载波系统中基于导频的信道岭估计方法。

单载波系统中基于导频的信道岭估计方法，它由以下步骤实现：

步骤A、在单载波系统的接收端，将接收到的块帧去掉循环前缀后获得的数据块进行傅利叶变换，获得频域导频数据；

步骤B、将步骤A中的频域导频数据表示成矩阵形式：

其中，接收频域导频向量Y为：

Y＝[Y₁Y₂…Y_N]^T                (1)

式中，T为矩阵的转置符号，N为导频序列长度；

发送频域导频为对角阵X：

X＝diag(X₁，X₂，…，X_n)       (2)

信道频率响应H为：

H＝[H₁H₂…H_N]^T                (3)

频域高斯白噪声W为：

w＝[W₁W₂…W_N]^T                (4)；

所述接收频域导频向量Y、发送频域导频为对角阵X、信道频率响应H和频域高斯白噪声W之间的数学关系式为：

Y＝XH+W                       (5)

步骤C、根据步骤B获得的接收频域导频向量Y、发送频域导频为对角阵X、信道频率响应H和频域高斯白噪声W的数学关系式，进而通过公式：

$>\hat{H}\left(\lambda \right)={(X^{H}X+\mathrm{\lambda N}{\sigma }^{2}I)}^{-1}{X}^{H}Y---\left(6\right)$>

进行信道岭估计，获得信道频率响应H的岭估计值实现单载波系统中基于导频的信道岭估计；

式中，X^H表示发送频域导频为对角阵X的共轭转置矩阵，λ是一个正实数，I为N阶单位方阵。

步骤A中所述在单载波系统的接收端，将接收到的块帧去掉循环前缀后获得的数据块进行傅利叶变换，获得频域导频数据的具体方法是：

提取步骤A后的数据块中的时域导频序列，所述导频序列长度为N，接收到的导频序列为：

y_i＝x_i*h_i+w_i                (7)

式中，x_i表示发送的时域导频序列，i＝1，2，...，N，h_i表示该数据块的信道冲激响应，w_i是均值为0且方差为σ²的高斯噪声，*为卷积符号；

接收到的时域导频序列经过傅利叶变换后，获得频域导频数据：

Y_i＝X_i·H_i+W_i               (8)

式中，Y_i，X_i，H_i和W_i分别是y_i，x_i，h_i和w_i的N点傅利叶变换结果。

当λ＝1时，则信道频率响应H的岭估计值为：

$>\hat{H}={(X^{H}X+N{\sigma }^{2}I)}^{-1}{X}^{H}Y---\left(9\right).$>

有益效果：本发明提供了一种单载波系统的基于导频的信道岭估计方法，它利用导频序列作辅助，将单载波系统通信系统中的接收到的导频序列与理想发送序列在频域进行比较，采用岭估计的方法提取信道状态信息，本发明克服了目前的常用的信道LS估计方法在观测信号遭到异常污染时不具有抗干扰性这一缺点，本发明的抗干扰性强，估计精度高，且系统性能稳定。

附图说明

图1是本发明应用在SC-FDE等效基带通信系统中的信号处理过程示意图；图2是单载波系统接收端的块帧结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，单载波系统中基于导频的信道岭估计方法，它由以下步骤实现：

步骤A、在单载波系统的接收端，将接收到的块帧去掉循环前缀后获得的数据块进行傅利叶变换，获得频域导频数据；

步骤B、将步骤A中的频域导频数据表示成矩阵形式：

其中，接收频域导频向量Y为：

Y＝[Y₁Y₂…Y_N]^T                (1)

式中，T为矩阵的转置符号，N为导频序列长度；

发送频域导频为对角阵X：

X＝diag(X₁，X₂，…，X_N)       (2)

信道频率响应H为：

H＝[H₁H₂…H_N]^T                (3)

频域高斯白噪声W为：

W＝[W₁W₂…W_N]^T                (4)；

通过公式(8)获得接收频域导频向量Y、发送频域导频为对角阵X、信道频率响应H和频域高斯白噪声W之间的数学关系式：

Y＝XH+W                       (5)

步骤C、根据步骤B获得的接收频域导频向量Y、发送频域导频为对角阵X、信道频率响应H和频域高斯白噪声W的数学关系式，进而通过公式：

$>\hat{H}\left(\lambda \right)={(X^{H}X+\mathrm{\lambda N}{\sigma }^{2}I)}^{-1}{X}^{H}Y---\left(6\right)$>

进行信道岭估计，获得信道频率响应H的岭估计值实现单载波系统中基于导频的信道岭估计；

式中，X^H表示发送频域导频为对角阵X的共轭转置矩阵，λ是一个正实数(如取1、1.2、1.5等)，I为N阶单位方阵。

步骤A所述的在单载波系统的接收端，接收到的信号去掉循环前缀后所得的数据块经傅利叶变换获得频域导频数据的具体方法是：

提取步骤A后的数据块中的时域导频序列，所述导频序列长度为N，接收到的导频序列为：

y_i＝x_i*h_i+w_i                      (7)

式中，x_i表示发送的时域导频序列，i＝1，2，...，N，h_i表示该数据块的信道冲激响应，w_i是均值为0且方差为σ²的高斯噪声，*为卷积符号；信道冲激响应h_i在块内几乎是时不变的，在块与块之间是慢时变的。

接收到的时域导频序列经过傅利叶变换后，获得频域导频数据：

Y_i＝X_i·H_i+W_i                  (8)

式中，Y_i，X_i，H_i和W_i分别是y_i，x_i，h_i和w_i的N点傅利叶变换结果。

本发明提供了一种单载波系统的基于导频的信道岭估计方法，它利用导频序列作辅助，将单载波系统通信系统中的接收到的导频序列与理想发送序列在频域进行比较，采用岭估计的方法提取信道状态信息，本发明克服了目前的常用的信道LS估计方法在观测信号遭到异常污染的情况下所表现出的较强的不稳定性这一缺点，本发明的抗干扰性强，估计精度高，且性能稳定。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的单载波系统中基于导频的信道岭估计方法的区别在于，当λ＝1时，则信道频率响应H的岭估计值为：

$>\hat{H}={(X^{H}X+N{\sigma }^{2}I)}^{-1}{X}^{H}Y---\left(9\right).$>