一种基于梳状导频辅助的信道估计方法及系统

1.本发明属于无线通信信道估计与信号检测领域，尤其涉及一种基于梳状导频辅助的信道估计方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前在多输入多输出正交频分复用(multiple input multiple output-orthogonal frequency division multiplexing,mimo-ofdm)系统中，随着发射天线和接收天线数目的增多，信道的不确定性严重影响了接收机对发射符号的正确接收，更有可能导致mimo-ofdm系统的瘫痪。所以，目前的mimo-ofdm通信系统存在着信道估计技术不准确以及精确度不高的问题。
4.现有文献sagar k,palanisamy p,optimal orthogonal pilots design for mimo-ofdm channel estimation[c].proceedings of the 5th ieee int.conf.comput.intell.comput.,coimbatore,tamilnadu,india,2014:1
–
4.在2
×
2和4
×
4的mimo-ofdm系统中提出了最优正交导频的设计思想，然而，正交导频在频域子载波中的分配不够灵活，因此，如何在mimo-ofdm系统中进行灵活地导频分配提高信道估计精确度，是目前所需解决的问题之一。
[0005]
现有文献kang jw,whang y,lee hy,kim ks,optimal pilot sequences design for multi-cell mimo-ofdm systems[j].ieee trans.wireless commun.,2011,10(10):3354
–
3367.在mimo-ofdm系统中提出了使用chu序列做导频序列的思想，虽然chu序列的自相关性和互相关性都较好，但是条件是chu序列的长度为素数，然而在实际系统中chu序列与保护间隔(guard interval,gi)的长度是密切相关的，所以序列的设计是一个较为苛刻的问题，因此应用于多蜂窝小区mimo-ofdm系统中导致系统性能并不十分理想。在mimo-ofdm系统中，如何有效利用导频信息提升信道估计的精确度和准确度，是目前所需解决的问题。


技术实现要素：

[0006]
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于梳状导频辅助的信道估计的方法及系统，其通过动态可变导频间隔的导频插入方式，可以实现精确的信道估计，比现有的基于恒定不变导频间隔的信道估计方法具有更高的信道估计效果，对于传统信道估计方法在高阶调制方式下符号间容易出现错误扩散，从而引发判决错误的缺点，该信道估计方法可以在多输入多输出通信系统中实现灵活多变的高效数据传输和数据检测。
[0007]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008]
本发明的第一个方面提供一种基于梳状导频辅助的信道估计方法，包括如下步
骤：
[0009]
获取随机比特流；
[0010]
为随机比特流分配子载波，并进行星座调制，得到发射符号；
[0011]
选择导频间隔，对发射符号进行空时编码，在频域进行梳状导频插入得到发射序列；对发射序列进行快速ifft，在时域插入保护间隔；
[0012]
去除接收信号的保护间隔得到接收符号，对接收符号进行fft变换；
[0013]
对接收符号进行信道估计和空时译码；
[0014]
对空时译码后的接收符号进行星座解调；
[0015]
将星座解调后的比特流和发射的比特流进行比较，得到信道的误码率。
[0016]
本发明的第二个方面提供一种基于梳状导频辅助的信道估计系统，包括至少一个发射端和至少一个接收端；
[0017]
所述发射端被配置为：
[0018]
获取随机比特流；
[0019]
为随机比特流分配子载波，并进行星座调制，得到发射符号；
[0020]
选择导频间隔，对发射符号进行空时编码，在频域进行梳状导频插入得到发射序列；对发射符号进行ifft变换，在时域插入保护间隔；
[0021]
所述接收端被配置为：
[0022]
去除接收信号的保护间隔得到接收符号，对接收符号进行fft；
[0023]
对接收符号进行信道估计和空时解码；
[0024]
对空时解码后的接收符号进行星座解调；
[0025]
将星座解调后的比特流和发射的比特流进行比较，得到信道的误码率。
[0026]
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
[0027]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种基于梳状导频辅助的信道估计方法中的步骤。
[0028]
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
[0029]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种基于梳状导频辅助的信道估计方法中的步骤。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0031]
通过stbc可以利用阵列天线处理技术有效抵消多径衰落，提高频谱效率，stbc同时利用了时间和空间两维来构造码字，可有效抵消衰落；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提高频谱效率。stbc技术能够显著改善mimo-ofdm系统的误码率性能，保证了不同接收信号之间的相互独立性，克服了mimo-ofdm系统的符号间干扰(inter-symbol interference,isi)造成的通信系统性能下降的缺点。
[0032]
在已知导频幅值的前提下，利用发射天线与接收天线的信号之间的相关性，可以使用导频做信道估计，并且，通过动态调整导频间隔，可以提高信号的频谱效率，有效降低mimo-ofdm系统的峰均功率比，有利于数据的正确接收和恢复。
附图说明
[0033]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0034]
图1是基于导频辅助的信道估计方法流程图；
[0035]
图2是2
×
2的mimo-ofdm系统模型；
[0036]
图3是mimo-ofdm系统的stbc与stbd的时域、频域、空域的导频分配图；
[0037]
图4(a)-图4(d)是导频间隔n＝2下四种梳状导频x1、x2、x3与x4在mimo-ofdm系统的频域插入方式；其中图4(a)是梳状导频x1插入，图4(b)是梳状导频x2插入，图4(c)是梳状导频x3插入，图4(d)是梳状导频x4插入；
[0038]
图5是mimo-ofdm系统的大尺度与小尺度衰落示意图；
[0039]
图6是加性高斯白噪声(additive white gaussian noise,awgn)信道下正交相移键控(quadrature phase shift keying,qpsk)调制的2
×
2mimo-ofdm系统在梳状导频x1插入下的ber曲线图，其中，横坐标r
eb/n0
是信噪比(signal-to-noise ratio,snr)，纵坐标r
ber
是ber；
[0040]
图7是awgn信道下8相移键控(8phase shift keying,8psk)调制的2
×
2mimo-ofdm系统在梳状导频x3插入下的ber曲线图；
[0041]
图8是awgn信道下16正交幅度调制(16quadrature amplitude modulation,16qam)调制的2
×
2mimo-ofdm系统在梳状导频x2插入下的ber曲线图；
[0042]
图9是awgn信道下64正交幅度调制(64quadrature amplitude modulation,64qam)调制的2
×
2mimo-ofdm系统在梳状导频x4插入下的ber曲线图；
具体实施方式
[0043]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0044]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0045]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0046]
实施例一
[0047]
术语解释：
[0048]
随着mimo-ofdm系统的发展，信道估计技术在无线通信系统中占据的地位越来越重要，并且由理想状态下的理论分析逐渐转入到非理想信道状态下的系统性能分析。发射端发射的信号数据经过了衰落信道发送，接收端在了解精确的信道相关参数的前提下，可以接收到正确的传输信息，并且能够对接收信号进行还原。无线通信系统中的无线信道是时变的，信道在不同的传输环境下会呈现出不同程度的衰落，由此就要求接收端了解信道的变化，在连续相等的时间间隔中进行重复的实时信道估计。因此，在无线通信系统中，能否得到准确的信道状态信息并且帮助接收机准确地解调出发射信息是衡量mimo-ofdm系统
性能的重要标准。
[0049]
mimo-ofdm系统中插入的梳状导频用于信道状态信息的估计，在已知导频幅值的前提下，通过动态改变和调整频域中插入的梳状导频间隔，可以优化系统的解码率，有利于数据的正确提取和恢复。
[0050]
如图1
–
图2所示，本实施例一提供了一种基于梳状导频辅助的信道估计方法，包括如下步骤：
[0051]
s1：获取随机比特流，为随机比特流分配子载波，并进行星座调制，得到发射符号。
[0052]
当调制阶数ε＝1时，调制方式是二进制相移键控(binary phase shift keying,bpsk)，一个bpsk符号包含1个比特。
[0053]
当调制阶数ε＝2时，调制方式是qpsk，一个qpsk符号包含2个比特。
[0054]
当调制阶数ε＝3时，调制方式是8psk，一个8psk符号包含3个比特。
[0055]
当调制阶数ε＝4时，调制方式是16qam，一个16qam符号包含4个比特。
[0056]
当调制阶数ε＝6时，调制方式是64qam，一个64qam符号包含6个比特。
[0057]
mimo-ofdm(多输入多输出正交频分复用(multiple input multiple output-orthogonal frequency division multiplexing)；)通信系统可以动态改变符号调制阶数；调制阶数越大，传输效率越高，符号失真度越大，反之，调制阶数越小，传输效率越低，符号失真度越小。
[0058]
s2：选择导频间隔，对发射符号进行空时编码(space time block coding,stbc)，在频域进行梳状导频插入得到发射序列；对发射序列进行快速傅里叶逆变换(inverse fast fourier transform,ifft)，在时域插入保护间隔(guard interval，gi)。
[0059]
发射的空时编码后的ofdm码字可以表示为：
[0060][0061]
其中，i代表第i个ofdm符号，(
·
)
*
代表共轭操作。根据上式，第一根发射天线传输的ofdm符号可定义为：
[0062]
s1＝[s(i)
ꢀ‑
s(i 1)
*
]
[0063]
第二根发射天线传输的ofdm符号可定义为：
[0064]
s2＝[s(i 1) s(i)
*
]
[0065]
通过在发射机上使用空时编码技术可以获得分集增益。空时编码是提高mimo-ofdm系统可靠性的关键技术。
[0066]
mimo-ofdm通信系统的导频间隔可以通过设置参数而动态改变；导频间隔越大，频谱效率越高，系统传输容量越大，反之，频率效率越低，系统传输容量越小；
[0067]
梳状导频间隔可以根据衰落环境的频率选择性或者时间选择性的强弱来选择。在系统子载波总数n＝2048的条件下，可用的梳状导频间隔n从小到大有六种，分别是2、4、8、20、50、100。
[0068]
如图4(a)-图4(d)，导频幅值为时具有较好的系统性能。在不同的衰落信道中，将导频的幅值设置为设导频向量为令
发射机传输的导频矩阵x可以表示为：
[0069][0070]
设每一个数据子载波中传输的ofdm符号是ei(1≤i≤nd)，nd代表传输的ofdm符号的个数，且在梳状导频x1插入，导频间隔n＝2的条件下，四个连续的相邻的子载波中传输的ofdm符号λm定义为：
[0071][0072]
其中，m是2
×
2mimo-ofdm系统中矩阵的个数。a和b向量是子载波中传输的梳状导频。在连续相邻的四个子载波中传输的ofdm符号向量分别是s
4m-3
、s
4m-2
、s
4m-1
与s
4m
。当传输矩阵的个数m＝125时，λm矩阵的第七行与第八行传输全零符号。
[0073]
如图5所示，在瑞利(rayleigh)衰落信道下，mimo-ofdm系统的相干时间tc定义为：
[0074][0075]
其中，fd是多普勒频移，且fd可以表示为：
[0076][0077]
其中，v是移动台的移动速度，λ是波长。当fd逐渐变大时，tc逐渐变短，多径衰落经历了深度的时间选择性衰落。当tc越小时，待传输的复数信道的衰落越严重。表1给出了fd和相干时间tc的取值的比较。
[0078]
表1 fd和相干时间tc的取值的比较
[0079][0080]
s3：对s2得到的数据符号进行快速傅里叶逆变换(inverse fast fourier transform,ifft)，然后在时域插入保护间隔；将并串变换(parallel/serial,p/s)；数据符号叠加高斯白噪声(additive white gaussian noise,awgn)。
[0081]
在发射端，输入比特流经过星座调制后，送入空时编码器。空时编码后的符号被送到每根发射天线上。一个ofdm数据块共有2048个子载波，包括导频子载波，数据子载波和虚拟子载波。通过采用可变间隔的梳状导频序列抑制天线之间的干扰，并用于信道估计。经过ifft变换，发射天线上发送的时域ofdm符号表示为：
[0082][0083]
其中，α＝1,2表示第α根发射天线，n表示ifft的长度，即子载波总数，k表示第k个子载波。
[0084]
在接收端，接收天线上接收到的频域信号可以表示为：
[0085][0086]
其中，β＝1,2表示第β根接收天线，w(k)代表无线信道中的awgn。mimo-ofdm系统的接收机去除循环前缀(cyclic prefix,cp)后，通过fft变换将接收信号从时域转换为，表示为：
[0087][0088]
在mimo-ofdm系统的接收机中，频域符号在stbd解码器中进行解码。最后，经过bpsk、qpsk、8psk、16qam、64qam星座解调后得到二进制信息比特。
[0089]
s4：数据符号经过多径衰落信道，接收信号为叠加高斯白噪声后的复数信号。在信道传播过程中，干扰会对多天线矩阵产生影响，因此，会破坏接收机对信号的正确接收。
[0090]
s5：进行串并变换(serial/parallel,s/p)；去除接收信号的gi并对接收符号进行fft变换。
[0091]
s6：对接收符号进行信道估计和stbd；对stbd后的接收符号进行符号解调；
[0092]
经过stbd，mimo-ofdm系统接收到的两个相邻的ofdm信号符号与可以表示为：
[0093][0094]
将上式进行化简，stbd后的两个相邻的ofdm符号与可以表示成：
[0095][0096]
其中，y
β
(n)(β＝1,2)是第β根接收天线的接收到的第n个ofdm符号；从第α根发射天线到第β根接收天线的频域信道响应估计值；
[0097]
s7：计算误码率。将星座符号解调模块输出的比特流与发射的比特流进行比较，并将错误比特进行累加，得到累计的错误比特数之和，经计算得到mimo-ofdm系统的误码率可以表示为：
[0098][0099]
其中，ne表示错误比特数，n
t
表示总的发射比特数。
[0100]
表2给出了实验仿真参数。
[0101]
表2实验仿真参数
[0102]
[0103][0104]
本实施例分别给出了不同调制方式的mimo-ofdm系统的ber仿真结果。
[0105]
图6是awgn信道下qpsk调制的2
×
2mimo-ofdm通信系统在梳状导频x1插入下的ber曲线图，其中，横坐标r
eb/n0
是snr，纵坐标r
ber
代表ber；
[0106]
图7是awgn信道下8psk调制的2
×
2mimo-ofdm通信系统在梳状导频x3插入下的ber曲线图；
[0107]
图8是awgn信道下16qam调制的2
×
2mimo-ofdm通信系统在梳状导频x2插入下的ber曲线图；
[0108]
图9是awgn信道下64qam调制的2
×
2mimo-ofdm通信系统在梳状导频x4插入下的ber曲线图；
[0109]
从上述分析可见，当mimo-ofdm系统采用梳状导频序列插入时，本发明均可较为精确地进行信道估计，从而清楚地进行数据解调和数据出错率统计。基于时频域导频分配方案，本发明提出一种导频辅助的信道估计方法。该方法比现存的固定时频域资源的导频插入方法具有更高的信道估计精确度。
[0110]
实施例二
[0111]
本实施例提供了一种基于梳状导频辅助的信道估计系统，包括至少一个发射端和至少一个接收端；
[0112]
所述发射端被配置为：
[0113]
获取随机比特流；
[0114]
为随机比特流分配子载波，并进行星座调制，得到发射符号；调制方式包括bpsk、qpsk、8psk、16qam和64qam。
[0115]
选择导频间隔，对发射符号进行空时编码，在频域进行梳状导频插入得到发射序列；对发射序列进行ifft变换，在时域插入保护间隔；
[0116]
所述接收端被配置为：
[0117]
去除接收信号的gi得到接收符号，对接收符号进行fft变换；
[0118]
对接收符号进行空时译码；对空时译码后的接收符号进行星座解调；
[0119]
将星座解调后的比特流和发射的比特流进行比较，得到信道的误码率。
[0120]
实施例三
[0121]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种基于梳状导频辅助的信道估计方法中的步骤。
[0122]
实施例四
[0123]
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种基于梳状
导频辅助的信道估计方法中的步骤。
[0124]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0125]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0126]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0127]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0128]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储器(read-only memory,rom)或随机存储器(random access memory,ram)等。
[0129]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。