專利名稱：一種正交頻分復用系統(tǒng)的信道估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線通信系統(tǒng)的信道估計方法，具體涉及一種正交頻分復用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)的信道估計方法。
背景技術：
OFDM技術是一種多載波傳輸技術，它利用一定數量的彼此正交的子載波來并行地傳送低速率數據從而實現整體高速數據的傳輸。OFDM技術具有高數據傳輸率，高頻帶利用率以及抗多徑衰落能力，已經被廣泛應用于無線通信系統(tǒng)。
OFDM系統(tǒng)具有較高的數據速率和頻譜效率，但是一般需要采用相干解調技術以實現OFDM信號的接收，這就需要進行信道估計?？偟膩碚f，信道估計算法有兩種，一種是導頻符號輔助的信道估計算法，一種是盲估計算法。由于盲估計算法的運算量太大，靈活性很差，在實時系統(tǒng)中的應用受到了限制，因此，目前多數OFDM系統(tǒng)采用基于導頻符號輔助的信道估計算法。
基于導頻輔助信道估計方法是通過在數據流中插入一定數量的導頻，利用從接收信號中提取導頻信號以及已知的發(fā)送導頻信號估計出導頻位置的信道響應，然后利用各種內插方法得到所有數據位置上的信道響應。導頻輔助的OFDM系統(tǒng)有兩種導頻結構塊狀導頻和梳狀導頻。對于塊狀導頻模式，是在時域內周期性地插入訓練序列，每個訓練序列包括所有的子載波；對于梳狀導頻模式，是在每一個OFDM符號的子載波中間隔地插入導頻子載波。
導頻處的信道系數的估計一般可以采用最小平方(LS，Least Square)和最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean Square Error)方法，而非導頻位置的信道系數可以通過一維或二維的插值方法得到。一維內插方法與二維內插相比，其實現簡單但精確度不高；而傳統(tǒng)的二維內插方法的計算量較大，實現較為困難并且系統(tǒng)時延較大，同時也很難抑制噪聲和子載波間的干擾。由于以上原因，這些方法在高速數據傳輸以及惡劣傳播條件下的應用受到了限制。
發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種OFDM信道估計方法，降低二維信道估計的復雜度，減小系統(tǒng)時延，同時減小子載波間干擾和加性高斯白噪聲，從而改善了OFDM系統(tǒng)性能。
本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信道估計方法，包括以下步驟步驟100，在發(fā)射端構造時域、頻域二維導頻數據結構；步驟101，在接收端估算得到導頻符號處的信道響應；步驟102，利用導頻符號處的信道響應在頻率方向上進行一維信道估計得到導頻所在的多載波符號上所有子載波的信道響應，在時間方向上對上述所有子載波的信道響應進行一維信道估計得到整幀的信道響應。
本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信道估計方法，在步驟102中，所述的在頻率方向上進行一維信道估計是通過基于FFT變換域的估計算法實現的，具體包括以下步驟步驟102a，對導頻所在多載波符號上所有的導頻符號處的信道響應進行FFT變換得到FFT變換域；步驟102b，在FFT變換域中濾除上述變換的高頻區(qū)域分量；步驟102c，采用基于補零的FFT/IFFT高階分解插值法得到導頻所在的多載波符號上所有子載波的信道響應。
本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信道估計方法，在步驟102中，所述的在時間方向上進行一維信道估計是通過平均的方法，或一階線性插值，或二階插值，或三次樣條插值，或時域插值方法實現。
本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信道估計方法，在步驟102中，所述的在時間方向上進行一維信道估計還可以通過基于FFT變換域的估計算法實現，具體包括以下步驟步驟400，對每個子載波上所有的已估計得到的數據和導頻符號處的信道響應進行FFT變換以得到FFT變換域；步驟401，在上述FFT變換域中濾除上述變換的高頻區(qū)域分量；
步驟402，采用基于補零的FFT/IFFT高階分解插值法得到每個子載波在時間方向上所有的信道響應。
本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信道估計方法，在步驟100中，所述的二維導頻數據結構是方形或者菱形結構。
本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信道估計方法，在步驟101中，所述的用于對導頻符號處的信道響應進行估計的算法是最小平方、最小均方誤差信道估計算法。
從以上所述可以看出，本發(fā)明提供的OFDM信道估計方法，通過將二維信道估計轉換為兩層級聯的一維信道估計，從而降低了二維信道估計的復雜度，減小了系統(tǒng)實現的復雜度和系統(tǒng)時延；該方法通過將FFT變換域中的高頻分量置零，濾除信號中的部分加性高斯白噪聲分量，同時減小子載波間干擾，從而改善了系統(tǒng)性能。
圖1為本發(fā)明使用的一種方形二維導頻結構示意圖；圖2為本發(fā)明使用的一種菱形二維導頻結構示意圖；圖3為一種基于FFT變換域的信道估計方法示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
由于多載波系統(tǒng)的信號分布在時域和頻域內，因此在時域和頻域插入二維導頻和進行二維信道估計是必須的。時頻二維的信道估計按照多載波信號的幀進行，因此它的數據突發(fā)傳輸也是以幀為單位進行的。
本文中將信道傳輸函數H(f，t)的時域頻域離散表示為Hn，i，其中n＝1，2，…，Nc，i＝1，2，…，Ns，其中Nc為每個多載波符號的子載波個數，Ns為每幀所包含的多載波符號個數。將離散信道傳輸函數的估值表示為 ，其中n＝1，2，…，Nc，i＝1，2，…，Ns，導頻符號在頻率方向的間距表示為Nf，在時間方向的間距表示為Nt，即Nf分別表示在頻率方向每Nf距離中有一個導頻符號，Nt表示為在時間方向每Nt距離中有一個導頻符號。
本發(fā)明一種基于FFT變換域的OFDM信道估計方法，其具體實現包括以下步驟
步驟200，在發(fā)射端構造時域、頻域二維導頻的數據結構。
本實施例中二維導頻信號在時域和頻域方向上都是等間隔插入，可以采用方形或菱形結構，參見圖1和圖2所示，分別示出了可用于本發(fā)明的一種方形和菱形的二維導頻結構示意圖舉例。圖中圓圈代表OFDM的子載波，每一列代表一個多載波符號，實心圓圈代表導頻信息，空心圓圈代表數據信息。其中圖1中導頻符號在頻率方向上間隔為Nf，在時間方向上間隔為Nt，4個導頻符號組成一個正方形結構，如圖中虛線所示。此外，導頻符號也可以是長方形結構。類似的，菱形結構的導頻結構如圖2所示，4個導頻符號組成一個菱形結構。
一幀中的所有導頻符號可以表示為集合P，導頻符號的個數Nfrid為Nfrid=[NcNf][NsNt]=||P||---(1)]]>步驟201，在接收端，利用LS準則、MMSE準則對導頻符號處的信道系數進行估計，假定導頻處信道估計結果為 k＝0，1，…，M-1，分別表示一個多載波符號中第1至第M個導頻符號的信道系數，其中M=[NcNf]]]>表示一個多載波符號中的所插入導頻的個數，例如圖1中第一列中導頻的個數。
假設頻域形式下，OFDM系統(tǒng)發(fā)射端的發(fā)送符號為Xn，i，傳輸過程中引入的加性高斯噪聲為Nn，i，則接收端接收到的多載波幀的信號為Yn，i＝Hn，iXn，i+Nn，i(n＝1，2，…，Nc，i＝1，2，…，Ns)(2)假設第一個導頻符號位于幀結構的第一個OFDM符號的第一個子信道中，則方形結構的導頻符號可表示為Xn′，i′＝X(p-1)Nf+1，(q-1)Ni+1，p=1,2,···,NcNf,q=1,2,···,NsNt---(3)]]>
其中n′=(p-1)Nf+1,p=1,2,···,NcNf]]>i′=(q-1)Nt+1,q=1,2,···,NsNt]]>利用LS準則、MMSE準則即可估計得到導頻符號處的信道系數。
步驟202，利用導頻符號處的信道估計，由估計算法得到整幀的信道響應。本發(fā)明中，將二維信道估計轉換為頻率方向上和時間方向上兩層級聯的一維信道估計，如圖3所示，其具體步驟如下步驟202a，利用導頻符號處的信道估計，對包含導頻符號的OFDM符號在頻率方向上進行插值。為了減小子載波間干擾和加性高斯白噪聲的影響，這里采用一種基于FFT變換域的插值法，如圖3所示，這里的FFT變換域是指對頻域內信號進行FFT變換所得到的空間。利用FFT變換進行頻率方向上的插值的步驟如下步驟202a0，對導頻所在多載波符號上所有導頻符號處的信道響應進行M點的FFT變換得到FFT變換域GM(p)，即，對導頻結構圖中導頻所在列上的所有導頻符號處的信道響應進行FFT變換。這里的M=[NcNf]]]>表示一個多載波符號中的所插入導頻的個數GM(p)=Σk=0M-1H^pilot(k)e-j2πkp/M,p=0,1,···,M-1---(4)]]>步驟202a1，將上述FFT變換域中高頻區(qū)域的GM(p)分量置零，以實現低通濾波器濾波并濾除變換域中的高頻部分。即 其中，G′M(p)表示濾除高頻分量的GM(p)，pc1和pc2為低通濾波器的截止頻率，pc1和pc2的大小可以按照經驗值進行設置，也可以對具體信號進行頻譜能量分析后得出。
由于GM(p)信號能量主要分布于FFT變換域中的低頻段(0≤p≤pc1，M-pc2≤p≤M-1)部分，而噪聲則分布于整個頻段，因此將變換域信號通過截止頻率為pc1和pc2的低通濾波器，可以濾除部分噪聲分量，保留主要信號分量，經過濾波器之后，噪聲分量減小為原噪聲的(pc1+pc2)/M。同時，根據隨機過程的理論對信號進行分析，可以得到子載波間的干擾(ICI，Inter-Carrier Interference)和加性高斯白噪聲(AWGN，Additive White GaussianNoise)都是零均值高斯分布的隨機過程，而信道響應相對于噪聲，其變化是緩慢的，因此通過低通濾波器可以將信道響應和噪聲分開，從而起到減小子載波間干擾和白噪聲的作用。
步驟202a2～202a3，根據信道變化特性，采用基于補零的FFT/IFFT高階分解插值法來得到所有子載波的信道系數 即H^N(k)=aNΣq=0N-1GN(q)ej2πqk/N,k=0,1,···,N-1---(6)]]>其中，GN(q)=GM′(q),0≤q≤pc10,pc1≤q≤N-pc2GM′(q-N+M),(N-pc2)≤q≤N-1---(7)]]>公式(6)和(7)中，N＝Nc，表示每個多載波符號的子載波個數，a值通過對實際系統(tǒng)進行調解均衡，對補零后的平均功率損失進行補償來確定。
步驟202b，在時間方向上對每個子載波分別進行插值，即得到整幀的信道響應。時間方向上的插值方法，可以利用現有技術的平均的方法，或一階線性插值，或二階插值，或三次樣條插值，或時域插值等方法，以及本文中在頻率方向上進行插值所采用的基于FFT變換域的估計算法進行實現。
如果采用基于FFT變換域的估計算法，則具體包括以下步驟步驟202b0，按照公式(4)，對每個子載波上所有的已估計得到的數據和導頻符號處的信道響應進行FFT變換以得到FFT變換域，此時公式(4)中，M=[NsNt];]]>步驟202b1，在上述FFT變換域中對上述變換的高頻區(qū)域分量置零，以實現低通濾波器并濾除變換域中的濾除高頻部分；步驟202b2，按照公式(6)，采用基于補零的FFT/IFFT高階分解插值法得到每個子載波在時間方向上所有的信道響應，此時公式(6)中，N＝Ns。
從以上所述可以看出，本發(fā)明通過利用一種基于FFT變換域的信道估計方法將二維信道估計轉化為兩層級聯的一維信道估計，降低了二維信道估計的復雜度，從而減小了系統(tǒng)時延；同時本發(fā)明利用一種基于FFT變換域的插值法，通過濾除該變換域中變換域信號的高頻分量，有效減小了子載波間干擾和加性高斯白噪聲，從而改善了OFDM系統(tǒng)的性能。
權利要求
1.一種OFDM系統(tǒng)的信道估計方法，其特征在于，包括以下步驟步驟100，在發(fā)射端構造時域、頻域二維導頻數據結構；步驟101，在接收端估算得到導頻符號處的信道響應；步驟102，利用導頻符號處的信道響應在頻率方向上進行一維信道估計得到導頻所在的多載波符號上所有子載波的信道響應，在時間方向上對上述所有子載波的信道響應進行一維信道估計得到整幀的信道響應。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟102中，所述的在頻率方向上進行一維信道估計是通過基于FFT變換域的估計算法實現的，具體包括以下步驟步驟102a，對導頻所在多載波符號上所有的導頻符號處的信道響應進行FFT變換得到FFT變換域；步驟102b，在FFT變換域中濾除上述變換的高頻區(qū)域分量；步驟102c，采用基于補零的FFT/IFFT高階分解插值法得到導頻所在的多載波符號上所有子載波的信道響應。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟102中，所述的在時間方向上進行一維信道估計是通過平均的方法，或一階線性插值，或二階插值，或三次樣條插值，或時域插值方法實現。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟102中，所述的在時間方向上進行一維信道估計是通過基于FFT變換域的估計算法實現，具體包括以下步驟步驟400，對每個子載波上所有的已估計得到的數據和導頻符號處的信道響應進行FFT變換以得到FFT變換域；步驟401，在上述FFT變換域中濾除上述變換的高頻區(qū)域分量；步驟402，采用基于補零的FFT/IFFT高階分解插值法得到每個子載波在時間方向上所有的信道響應。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟100中，所述的二維導頻數據結構是方形或者菱形結構。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟101中，所述的用于對導頻符號處的信道響應進行估計的算法是最小平方、最小均方誤差信道估計算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線通信系統(tǒng)中OFDM信道估計方法。該方法包括以下步驟步驟A，在發(fā)射端，設計時域、頻域二維導頻數據結構；步驟B，在接收端，利用LS或MMSE準則得到導頻符號處的信道估計；步驟C，利用上述導頻處信道估計，將二維信道估計分解為頻率方向和時間方向上兩個級聯的一維信道估計進行插值濾波以得到整個信道響應。本發(fā)明用于OFDM信號的接收檢測，降低了二維信道估計的復雜度，減小了系統(tǒng)時延，同時減小了子載波間干擾和加性高斯白噪聲，從而改善了系統(tǒng)性能。
文檔編號H04L25/02GK101083644SQ20061001208
公開日2007年12月5日 申請日期2006年6月1日 優(yōu)先權日2006年6月1日
發(fā)明者馮紹鵬, 呂旌陽 申請人:大唐移動通信設備有限公司