專利名稱：適用于ofdm系統(tǒng)的同步與信道響應(yīng)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別是指一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應(yīng)估計(jì)方法，本發(fā)明屬于可應(yīng)用于系統(tǒng)接收機(jī)端的設(shè)計(jì)。在下一代無線通信系統(tǒng)的不斷完善中，為現(xiàn)有OFDM無線通信系統(tǒng)提供了基于最大似然準(zhǔn)則的符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的新方法以及可靠的通信支持。具有快速性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。

背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)通信寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的需求越來越高，正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)在各個(gè)無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。OFDM系統(tǒng)對(duì)同步誤差十分敏感，當(dāng)存在同步誤差時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的載波間干擾和符號(hào)間干擾，使系統(tǒng)性能明顯下降。信道估計(jì)主要是為了抵抗衰落，用估計(jì)結(jié)果來抵消各個(gè)子信道衰落的影響，從而在接收端獲得正確的解調(diào)。所以，在無線衰落信道下的同步和信道估計(jì)是寬帶無線通信系統(tǒng)中需要解決的重要問題。
目前，現(xiàn)有的無線OFDM系統(tǒng)中，符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道估計(jì)之間存在著密切的聯(lián)系，時(shí)延和頻偏的估計(jì)誤差會(huì)影響信道響應(yīng)估計(jì)的準(zhǔn)確性。很多方法是圍繞聯(lián)合定時(shí)和頻率同步開展的，但是很少有人提出將兩種同步和信道沖激響應(yīng)聯(lián)合進(jìn)行估計(jì)的想法。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，這種策略面臨著兩大挑戰(zhàn)。一方面，在系統(tǒng)接收端同時(shí)求三個(gè)參數(shù)的估計(jì)值并非易事，計(jì)算復(fù)雜度很高，不利于在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。另一方面，將三個(gè)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)的系統(tǒng)性能不容易得到保證，需要設(shè)計(jì)一種能夠滿足實(shí)際應(yīng)用性能需求的系統(tǒng)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應(yīng)估計(jì)方法，本發(fā)明建立了頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準(zhǔn)則的定時(shí)同步、載波同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的代價(jià)函數(shù)。從代價(jià)函數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出聯(lián)合估計(jì)三個(gè)參數(shù)的算法。
本發(fā)明采用聯(lián)合最大似然算法，對(duì)以上兩大挑戰(zhàn)提出新思路、新方案。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達(dá)到 1、一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準(zhǔn)則的符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的代價(jià)函數(shù)，從代價(jià)函數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出聯(lián)合估計(jì)符號(hào)定時(shí)偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應(yīng)h的系統(tǒng)構(gòu)架和策略，包括下列步驟進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)和進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算； 進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)具體內(nèi)容包括粗定時(shí)的估計(jì)、粗頻偏的估計(jì)和粗信道估計(jì)，根據(jù)OFDM系統(tǒng)在每幀的起始位置都采用了特殊的前導(dǎo)訓(xùn)練序列，可用來進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)、頻率補(bǔ)償和信道估計(jì)，建立包括符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道沖激響應(yīng)的OFDM系統(tǒng)模型，利用最大似然法估計(jì)時(shí)間延時(shí)、頻率偏移和信道沖激響應(yīng)，假定OFDM系統(tǒng)中包含N個(gè)子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調(diào)制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換后得到時(shí)域OFDM符號(hào)，在系統(tǒng)存在時(shí)延和頻偏的情況下，假設(shè)采樣時(shí)鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時(shí)，在接收到的復(fù)基帶信號(hào)的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個(gè)觀測(cè)窗口，則觀測(cè)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以在已知傳送的OFDM符號(hào)S的情況下估計(jì)出準(zhǔn)確的定時(shí)偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應(yīng)h(l)，仿真是基于突發(fā)幀傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)由5個(gè)相同的短訓(xùn)練符號(hào)、2個(gè)相同的長訓(xùn)練符號(hào)和各自的循環(huán)前綴組成，系統(tǒng)利用短訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行粗定時(shí)和粗頻偏估計(jì)，之后利用長訓(xùn)練符號(hào)迭代計(jì)算精確的頻偏和信道估計(jì)， 粗定時(shí)檢測(cè)利用5個(gè)相同的短訓(xùn)練序列符號(hào)里的周期符號(hào)，對(duì)其進(jìn)行歸一化的自相關(guān)運(yùn)算來求得粗定時(shí)同步，為了得到很好的尖銳相關(guān)性并能適當(dāng)減少計(jì)算量，定義了2個(gè)歸一化自相關(guān)參量D1和D2，D1是接收信號(hào)與其延時(shí)一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)周期后的信號(hào)歸一化相關(guān)；D2是接收信號(hào)與延時(shí)兩個(gè)周期后信號(hào)的歸一化相關(guān)，Ns為一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)長度，首先，對(duì)接收到的短訓(xùn)練序列的信息進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，周期為64，相距Ns點(diǎn)的相關(guān)值為C1，相距2*Ns點(diǎn)的相關(guān)值為C2，分別與傳輸信號(hào)的能量值Ф的比值定義為D1和D2，D1和D2的差值是一個(gè)三角形狀的參量，差值的峰值點(diǎn)即為第3個(gè)訓(xùn)練符號(hào)的起始點(diǎn)，這樣就得到的粗定時(shí)的估計(jì)值，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求可以對(duì)符號(hào)同步的粗估計(jì)進(jìn)行修改，利用該訓(xùn)練符號(hào)的循環(huán)前綴信息來設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)窗口對(duì)序列進(jìn)行歸一化， 粗頻偏估計(jì)首先利用短訓(xùn)練符號(hào)的相關(guān)值求出相位統(tǒng)計(jì)值，即反映了頻偏情況，就是粗頻偏的估計(jì)值， 粗信道的ML估計(jì)利用定時(shí)和頻率偏移的粗估計(jì)值進(jìn)行估計(jì)； 進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算具體內(nèi)容包括根據(jù)接收信號(hào)的功率在每次傳輸時(shí)不變，可知如果使對(duì)數(shù)似然函數(shù)最大，就可以估計(jì)得出精確的時(shí)延

和頻偏值

利用得到的精確同步估計(jì)參數(shù)

和

計(jì)算精確的信道響應(yīng)，精確估計(jì)階段可以逐步迭代。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算精度與計(jì)算復(fù)雜度之間的均衡，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用需求來增加或減少精同步迭代次數(shù)，并能夠降低無線傳輸中的干擾，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，提高系統(tǒng)的可用性。



圖1是本發(fā)明OFDM系統(tǒng)適用的收發(fā)框圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中空中接口幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
圖3a是本發(fā)明實(shí)施例中定時(shí)參數(shù)D1的符號(hào)粗同步仿真圖。
圖3b是本發(fā)明實(shí)施例中定時(shí)參數(shù)D2的符號(hào)粗同步仿真圖。
圖3c是本發(fā)明實(shí)施例中定時(shí)參數(shù)D1-D2的符號(hào)粗同步仿真圖。
圖4a是本發(fā)明實(shí)施例中改進(jìn)后定時(shí)參數(shù)D1的符號(hào)粗同步仿真圖。
圖4b是本發(fā)明實(shí)施例中改進(jìn)后定時(shí)參數(shù)D2的符號(hào)粗同步仿真圖。
圖4c是本發(fā)明實(shí)施例中改進(jìn)后定時(shí)參數(shù)D1-D2的符號(hào)粗同步仿真圖。
圖5是本發(fā)明不同SNR下的符號(hào)同步性能比較圖。
圖6是本發(fā)明不同SNR下的信道估計(jì)性能比較圖。
圖7是本發(fā)明不同SNR下的系統(tǒng)誤碼率性能比較圖。

具體實(shí)施例方式 針對(duì)下一代無線通信系統(tǒng)對(duì)傳輸高質(zhì)量信息準(zhǔn)確性的要求，針對(duì)現(xiàn)有OFDM無線通信系統(tǒng)中存在的問題和挑戰(zhàn)，在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準(zhǔn)則ML的符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的代價(jià)函數(shù)。從代價(jià)函數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出聯(lián)合估計(jì)符號(hào)定時(shí)偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應(yīng)h的系統(tǒng)構(gòu)架和策略。其特征是包括下列步驟進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)和進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算。
所述的進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)具體內(nèi)容包括粗定時(shí)的估計(jì)、粗頻偏的估計(jì)和粗信道估計(jì)。根據(jù)OFDM系統(tǒng)在每幀的起始位置都采用了特殊的前導(dǎo)訓(xùn)練序列，可用來進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)、頻率補(bǔ)償和信道估計(jì)。建立包括符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道沖激響應(yīng)的OFDM系統(tǒng)模型，利用最大似然法估計(jì)時(shí)間延時(shí)、頻率偏移和信道沖激響應(yīng)。假定OFDM系統(tǒng)中包含N個(gè)子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調(diào)制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換后得到時(shí)域OFDM符號(hào)。在系統(tǒng)存在時(shí)延和頻偏的情況下，假設(shè)采樣時(shí)鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時(shí)，在接收到的復(fù)基帶信號(hào)的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個(gè)觀測(cè)窗口，則觀測(cè)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以在已知傳送的OFDM符號(hào)S的情況下估計(jì)出準(zhǔn)確的定時(shí)偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應(yīng)h(l)。仿真是基于突發(fā)幀傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)由5個(gè)相同的短訓(xùn)練符號(hào)、2個(gè)相同的長訓(xùn)練符號(hào)和各自的循環(huán)前綴組成。系統(tǒng)利用短訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行粗定時(shí)和粗頻偏估計(jì)，之后利用長訓(xùn)練符號(hào)迭代計(jì)算精確的頻偏和信道估計(jì)。
粗定時(shí)檢測(cè)利用5個(gè)相同的短訓(xùn)練序列符號(hào)里的周期符號(hào)，對(duì)其進(jìn)行歸一化的自相關(guān)運(yùn)算來求得粗定時(shí)同步。為了得到很好的尖銳相關(guān)性并能適當(dāng)減少計(jì)算量，定義了2個(gè)歸一化自相關(guān)參量D1和D2，D1是接收信號(hào)與其延時(shí)一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)周期后的信號(hào)歸一化相關(guān)；D2是接收信號(hào)與延時(shí)兩個(gè)周期后信號(hào)的歸一化相關(guān)。Ns為一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)長度。首先，對(duì)接收到的短訓(xùn)練序列的信息進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，周期為64。相距Ns點(diǎn)的相關(guān)值為C1，相距2*Ns點(diǎn)的相關(guān)值為C2，分別與傳輸信號(hào)的能量值Ф的比值定義為D1和D2，D1和D2的差值是一個(gè)三角形狀的參量，差值的峰值點(diǎn)即為第3個(gè)訓(xùn)練符號(hào)的起始點(diǎn)，這樣就得到的粗定時(shí)的估計(jì)值。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求可以對(duì)符號(hào)同步的粗估計(jì)進(jìn)行修改，利用該訓(xùn)練符號(hào)的循環(huán)前綴信息來設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)窗口對(duì)序列進(jìn)行歸一化，可以提高估計(jì)的準(zhǔn)確性，仿真圖形更加平滑。
粗頻偏估計(jì)首先利用短訓(xùn)練符號(hào)的相關(guān)值求出相位統(tǒng)計(jì)值，即反映了頻偏情況，就是粗頻偏的估計(jì)值。
粗信道的ML估計(jì)利用定時(shí)和頻率偏移的粗估計(jì)值進(jìn)行估計(jì)。
所述的進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算具體內(nèi)容包括根據(jù)接收信號(hào)的功率在每次傳輸時(shí)不變，可知如果使對(duì)數(shù)似然函數(shù)最大，就可以估計(jì)得出精確的時(shí)延

和頻偏值

利用得到的精確同步估計(jì)參數(shù)

和

計(jì)算精確的信道響應(yīng)。精確估計(jì)階段可以逐步迭代，不斷提高估計(jì)的精度。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
首先要建立包括符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道沖激響應(yīng)的OFDM系統(tǒng)模型。圖1給出了OFDM系統(tǒng)的收發(fā)框圖，該專利應(yīng)用于此系統(tǒng)中。在發(fā)送端進(jìn)行數(shù)據(jù)的成幀過程，由前導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)信息構(gòu)成，然后進(jìn)行QAM的調(diào)制、IFFT變換、插入循環(huán)前綴后，進(jìn)行并串變換，通過對(duì)生成的OFDM時(shí)域數(shù)據(jù)流信號(hào)進(jìn)行兩倍的上采樣，將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，發(fā)送出去。在接收端，首先就是要進(jìn)行同步和信道估計(jì)的工作，進(jìn)行FFT變換后根據(jù)估計(jì)的參數(shù)，解調(diào)出QAM符號(hào)，估計(jì)出誤碼率。
假定OFDM系統(tǒng)中包含N個(gè)子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調(diào)制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換后得到時(shí)域OFDM符號(hào)，發(fā)射信號(hào)可以表示為 其中，Xk是經(jīng)過調(diào)制后的復(fù)數(shù)信號(hào)，N為IFFT變換的點(diǎn)數(shù)，Ng為循環(huán)前綴的樣點(diǎn)數(shù)。本仿真定義N＝256，Ng＝64。
信道被參數(shù)化為h＝[h(0)h(1)…h(huán)(K-1)]T，K為信道階數(shù)，信道階數(shù)小于等于循環(huán)前綴Ng的長度。在系統(tǒng)存在時(shí)延和頻偏的情況下，假設(shè)采樣時(shí)鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時(shí)，接收到的復(fù)基帶信號(hào)樣值表示為 其中，θ是定時(shí)偏移值，ε是歸一化頻偏值，h(l)代表時(shí)變離散快衰落信道的脈沖響應(yīng)，h(l)滿足n(n)是均值為零、方差為σn2的獨(dú)立同等分布的復(fù)數(shù)高斯白噪聲，接收信號(hào)的有效長度為Ng+N。
在式(2)的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個(gè)觀測(cè)窗口，則觀測(cè)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以表示為如下形式 r(ε，θ)＝ej2πθε/NP(ε，0)·S·h+n(θ) (3) 其中，S是傳送的OFDM符號(hào)，定義觀測(cè)窗口為 r(ε，θ)＝[r(θ)r(θ+1)…r(θ+Ng+N-1)]T(4) n(θ)＝[n(θ)n(θ+1)…n(θ+Ng+N-1)]T(5) 式(3)中的P定義為 改方法的目標(biāo)就是在已知S的情況下，由r(ε，θ)估計(jì)出準(zhǔn)確的定時(shí)偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應(yīng)h(l)。
該方法是基于突發(fā)幀傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)。首先要定義每幀的結(jié)構(gòu)，該算法采用的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)由5個(gè)相同的短訓(xùn)練符號(hào)、2個(gè)相同的長訓(xùn)練符號(hào)和各自的循環(huán)前綴組成。系統(tǒng)利用短訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行粗定時(shí)和粗頻偏估計(jì)，之后利用長訓(xùn)練符號(hào)迭代計(jì)算精確的頻偏和信道估計(jì)。后面為傳輸?shù)娜舾蓚€(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)。算法利用最大似然方法對(duì)三個(gè)變量進(jìn)行估計(jì)。
基于最大似然的OFDM系統(tǒng)同步與信道響應(yīng)聯(lián)合估計(jì)的系統(tǒng)策略，傳送的OFDM符號(hào)是s(n)，對(duì)于接收端的觀察矢量r(ε，θ)，由于不涉及過采樣，因此n(n)仍為復(fù)高斯白噪聲。除了噪聲信息，假設(shè)其它參數(shù)都為確定參數(shù)，所以接收數(shù)據(jù)服從高斯分布，則似然函數(shù)可表示為(7)式，可以根據(jù)此式估計(jì)出參數(shù)ε、θ和h 其中，||*||2是矢量模平方。
對(duì)數(shù)似然函數(shù)為 用最大似然ML估計(jì)準(zhǔn)則對(duì)式(8)求最大值，即可得到參數(shù)ε、θ和h的估計(jì)值 對(duì)于已知的ε和θ，可得 但是根據(jù)式(9)，同時(shí)求這三個(gè)參數(shù)的估計(jì)值并非易事，計(jì)算復(fù)雜度很高?？紤]到系統(tǒng)性能優(yōu)化和算法簡(jiǎn)化，將處理過程分成兩步首先得到粗的同步和信道響應(yīng)估計(jì)；再利用得到的結(jié)果進(jìn)行細(xì)同步和信道估計(jì)值的計(jì)算。
本發(fā)明方法由進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)和進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算兩個(gè)步驟組成。
1、進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)步驟 粗定時(shí)檢測(cè)利用5個(gè)相同的短訓(xùn)練序列符號(hào)里的周期符號(hào)，對(duì)其進(jìn)行歸一化的自相關(guān)運(yùn)算來求得粗定時(shí)同步。
為了得到很好的尖銳相關(guān)性并能適當(dāng)減少計(jì)算量，定義了2個(gè)歸一化自相關(guān)參量D1和D2，D1是接收信號(hào)與其延時(shí)一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)周期后的信號(hào)歸一化相關(guān)；D2是接收信號(hào)與延時(shí)兩個(gè)周期后信號(hào)的歸一化相關(guān)。Ns為一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)長度。仿真中Ns＝64。
首先，對(duì)接收到的短訓(xùn)練序列的信息進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，周期為64。C1為相距Ns點(diǎn)的相關(guān)值，C2為相距2*Ns點(diǎn)的相關(guān)值 Ф為傳輸信號(hào)的能量值 則 D1和D2的差值是一個(gè)三角形狀的參量，如圖3所示。差值的峰值點(diǎn)即為第3個(gè)訓(xùn)練符號(hào)的起始點(diǎn)，這樣就得到的粗定時(shí)的估計(jì)值，表示為 這樣得到的值不僅具有很好的尖銳性，還減少了本發(fā)明方法迭代的計(jì)算量。
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求可以對(duì)符號(hào)同步的粗估計(jì)進(jìn)行修改，利用該訓(xùn)練符號(hào)的循環(huán)前綴信息來設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)窗口對(duì)序列進(jìn)行規(guī)一化，可以提高估計(jì)的準(zhǔn)確性，仿真圖形更加平滑。修改后的相關(guān)運(yùn)算為 兩種粗同步算法的仿真圖形如圖3和圖4所示，可見經(jīng)過改進(jìn)后的算法的仿真曲線更加平滑，利于估計(jì)出更加準(zhǔn)確的符號(hào)同步偏移值。
粗頻偏估計(jì)首先利用短訓(xùn)練符號(hào)的相關(guān)值 求出上式的相位統(tǒng)計(jì)值，即反映了頻偏情況 根據(jù)式(10)，h的ML估計(jì)用下式表示 其中()H表示共軛轉(zhuǎn)置，利用定時(shí)和頻率偏移的粗估計(jì)值代入進(jìn)行計(jì)算 圖3給出了該專利進(jìn)行完符號(hào)粗同步的仿真結(jié)果，差值的峰值點(diǎn)即為第3個(gè)訓(xùn)練符號(hào)的起始點(diǎn)，這樣就得到的粗定時(shí)的估計(jì)值。
圖4給出了進(jìn)行改進(jìn)后的符號(hào)粗同步的仿真結(jié)果，經(jīng)過改進(jìn)后的算法的仿真曲線更加平滑，利于估計(jì)出更加準(zhǔn)確的符號(hào)同步偏移值。
2、進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算步驟 從式(8)可以得出 ||r(ε，θ)-P(θ，0)Sh||2＝rH(ε，θ)r(ε，θ)-2Re[rH(ε，θ)P(θ，0)Sh]+hHSHSh(23) 其中，rH(ε，θ)r(ε，θ)是接收信號(hào)的功率，在每次傳輸時(shí)該項(xiàng)不變。
令保持不變，可知如果使式(8)最大，即使式(23)中

最大。
因而可以估計(jì)得出精確的時(shí)延和頻偏值 利用得到的精確同步估計(jì)參數(shù)

和

計(jì)算精確的信道響應(yīng) 精確估計(jì)階段可以逐步迭代，不斷提高估計(jì)的精度。
圖5是不同SNR下符號(hào)同步估計(jì)的性能圖，三條線分別表示粗符號(hào)同步、第一次精確的符號(hào)同步和第二次精確的符號(hào)同步?？梢钥闯鼍_同步階段的估計(jì)性能比粗估計(jì)階段要好很多，但是第二次精確估計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能并沒有太大的改善。同理，頻率偏移的誤差性能與符號(hào)同步的方差性能類似。
圖6表現(xiàn)的是信道估計(jì)在幾次聯(lián)合估計(jì)中各階段的性能比較。從圖中可以看出，精確估計(jì)階段的性能都比粗估計(jì)時(shí)要好，并且能夠達(dá)到很好的信道估計(jì)效果，說明這種聯(lián)合算法克服了同步估計(jì)不精確給信道估計(jì)帶來的影響。
圖7為系統(tǒng)的誤比特率(BER)曲線，此圖反應(yīng)了系統(tǒng)的整體性能?？梢娫诰_估計(jì)階段，由于符號(hào)定時(shí)、頻率偏移和信道估計(jì)都比粗估計(jì)階段更加地準(zhǔn)確，所以具有更低的BER。不過由于多次迭代帶來的改善比較有限，特別是在信噪比低的情況下，所以在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)可以只采用粗估計(jì)和一次精確估計(jì)就能達(dá)到比較好的效果。
權(quán)利要求
1、一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準(zhǔn)則的符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的代價(jià)函數(shù)，從代價(jià)函數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出聯(lián)合估計(jì)符號(hào)定時(shí)偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應(yīng)h的系統(tǒng)構(gòu)架和策略，包括下列步驟進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)和進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算；
進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)具體內(nèi)容包括粗定時(shí)的估計(jì)、粗頻偏的估計(jì)和粗信道估計(jì)，根據(jù)OFDM系統(tǒng)在每幀的起始位置都采用了特殊的前導(dǎo)訓(xùn)練序列，可用來進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)、頻率補(bǔ)償和信道估計(jì)，建立包括符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道沖激響應(yīng)的OFDM系統(tǒng)模型，利用最大似然法估計(jì)時(shí)間延時(shí)、頻率偏移和信道沖激響應(yīng)，假定OFDM系統(tǒng)中包含N個(gè)子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調(diào)制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換后得到時(shí)域OFDM符號(hào)，在系統(tǒng)存在時(shí)延和頻偏的情況下，假設(shè)采樣時(shí)鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時(shí)，在接收到的復(fù)基帶信號(hào)的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個(gè)觀測(cè)窗口，則觀測(cè)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以在已知傳送的OFDM符號(hào)S的情況下估計(jì)出準(zhǔn)確的定時(shí)偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應(yīng)h(l)，仿真是基于突發(fā)幀傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)由5個(gè)相同的短訓(xùn)練符號(hào)、2個(gè)相同的長訓(xùn)練符號(hào)和各自的循環(huán)前綴組成，系統(tǒng)利用短訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行粗定時(shí)和粗頻偏估計(jì)，之后利用長訓(xùn)練符號(hào)迭代計(jì)算精確的頻偏和信道估計(jì)，
粗定時(shí)檢測(cè)利用5個(gè)相同的短訓(xùn)練序列符號(hào)里的周期符號(hào)，對(duì)其進(jìn)行歸一化的自相關(guān)運(yùn)算來求得粗定時(shí)同步，為了得到很好的尖銳相關(guān)性并能適當(dāng)減少計(jì)算量，定義了2個(gè)歸一化自相關(guān)參量D1和D2，D1是接收信號(hào)與其延時(shí)一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)周期后的信號(hào)歸一化相關(guān)；D2是接收信號(hào)與延時(shí)兩個(gè)周期后信號(hào)的歸一化相關(guān)，Ns為一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)長度，首先，對(duì)接收到的短訓(xùn)練序列的信息進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，周期為64，相距Ns點(diǎn)的相關(guān)值為C1，相距2*Ns點(diǎn)的相關(guān)值為C2，分別與傳輸信號(hào)的能量值Φ的比值定義為D1和D2，D1和D2的差值是一個(gè)三角形狀的參量，差值的峰值點(diǎn)即為第3個(gè)訓(xùn)練符號(hào)的起始點(diǎn)，這樣就得到的粗定時(shí)的估計(jì)值，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求可以對(duì)符號(hào)同步的粗估計(jì)進(jìn)行修改，利用該訓(xùn)練符號(hào)的循環(huán)前綴信息來設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)窗口對(duì)序列進(jìn)行歸一化，
粗頻偏估計(jì)首先利用短訓(xùn)練符號(hào)的相關(guān)值求出相位統(tǒng)計(jì)值，即反映了頻偏情況，就是粗頻偏的估計(jì)值，
粗信道的ML估計(jì)利用定時(shí)和頻率偏移的粗估計(jì)值進(jìn)行估計(jì)；
進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算具體內(nèi)容包括根據(jù)接收信號(hào)的功率在每次傳輸時(shí)不變，可知如果使對(duì)數(shù)似然函數(shù)最大，就可以估計(jì)得出精確的時(shí)延
和頻偏值
利用得到的精確同步估計(jì)參數(shù)
和
計(jì)算精確的信道響應(yīng)，精確估計(jì)階段可以逐步迭代。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應(yīng)估計(jì)方法，技術(shù)方案是針對(duì)下一代無線通信系統(tǒng)對(duì)傳輸高質(zhì)量信息準(zhǔn)確性的要求，針對(duì)現(xiàn)有OFDM無線通信系統(tǒng)，在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準(zhǔn)則ML的符號(hào)定時(shí)同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的代價(jià)函數(shù)。從代價(jià)函數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出聯(lián)合估計(jì)符號(hào)定時(shí)偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應(yīng)h的系統(tǒng)構(gòu)架和策略。包括下列步驟進(jìn)行粗同步與信道響應(yīng)估計(jì)和進(jìn)行細(xì)同步與信道估計(jì)值的計(jì)算。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算精度與計(jì)算復(fù)雜度之間的均衡，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用增加或減少精同步迭代次數(shù)，并能夠降低無線傳輸中的干擾，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，提高系統(tǒng)的可用性。
文檔編號(hào)H04J11/00GK101340416SQ20081011904
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者旭 李, 桓 劉 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)