專利名稱：基于壓縮感知的非連續(xù)正交頻分復用信道估計方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明提出了一種用于認知無線電非連續(xù)正交頻分復用(NC-OFDM)系統(tǒng)中基于壓 縮感知理論的信道估計方法。屬于通信系統(tǒng)導頻輔助的信道估計技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
近幾年來，隨著高速無線通信業(yè)務的不斷增長，新一代的移動通信系統(tǒng)需要使用 更寬的頻帶為用戶提供速率達到上百兆的無線通信業(yè)務，頻譜資源的短缺日益顯著。但頻 譜資源的匱乏是一種相對的匱乏，目前研究表明，已授權(quán)的頻譜頻段并沒有得到充分的利 用，大量頻譜資源處于空閑狀態(tài)，3GHz以上的頻譜幾乎沒有被使用，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是 目前各國頻譜資源分配上采用了一種頻譜授權(quán)的方式，如果一段頻譜的授權(quán)用戶沒有使用 該頻段，該頻段也不能被其它非授權(quán)用戶使用，從而造成頻譜資源的巨大浪費。美國加州 大學Berkeley分校的實地測量數(shù)據(jù)和研究表明，在3GHz以下頻段，頻譜資源在時域和頻域 上的利用率僅有30%，3 4GHz的頻段利用率只有0. 5%左右，4 5GHz頻段的利用率只有 0. 3%左右。為了從根本上解決這種頻譜資源浪費嚴重的問題，近年來，被業(yè)界稱為認知無 線電(Cognitive Radio, CR)的頻譜使用模式正逐漸受到人們的關注。認知無線電的基本 思想是在不對擁有頻譜授權(quán)用戶或非授權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下，認知用戶通過擇 機(Opportunistic Way)的方式接入授權(quán)用戶頻段或非授權(quán)頻段，通過閑置頻譜的再利用 提高頻譜利用效率。認知無線電技術(shù)的出現(xiàn)，使從根本上解決頻譜資源不足、實現(xiàn)頻譜動態(tài) 管理及提高頻譜利用率成為可能。在認知無線電系統(tǒng)中，認知用戶通過未被頻譜授權(quán)用戶占用的頻段進行通信，因 此，基于正交頻分復用(OFDM)的認知無線電系統(tǒng)中，OFDM符號的部分子載波可能會落到 頻譜授權(quán)用戶占用的頻段內(nèi)。為了避免對頻譜授權(quán)用戶造成干擾，這些落入頻譜授權(quán)用戶 占用頻段內(nèi)的子載波上不能用來發(fā)送數(shù)據(jù)或?qū)ьl，而只能將其置零(Nullified)，這時的系 統(tǒng)便成為不連續(xù)子載波OFDM (non-contiguous 0FDM，NC-OFDM)系統(tǒng)。NC-OFDM系統(tǒng)通過收 集可用子載波實現(xiàn)了高速率數(shù)據(jù)傳輸，同時也具有常規(guī)OFDM抗多徑，頻譜效率高的特點， 所以成為認知無線電系統(tǒng)中理想的數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)。NC-OFDM系統(tǒng)由于其可用子載波的不連續(xù)性，在很多關鍵技術(shù)處理方面與傳統(tǒng)的 OFDM系統(tǒng)都有所不同，面臨更多的難題需要解決。如峰均比降低、旁瓣抑制和信道估計問 題等。在無線傳輸環(huán)境中，信道響應是時變的，多徑引起的頻域選擇性衰落在不同的子載波 上表現(xiàn)出不同的衰落特性，導致NC-OFDM符號各個數(shù)據(jù)子載波上出現(xiàn)畸變也不同。當系統(tǒng) 采用相干解調(diào)時，為了保證系統(tǒng)的性能不受信道的多徑衰落的影響，就需要采用信道估計 的方法來跟蹤信道響應的變化。另外，信道估計也會為OFDM系統(tǒng)的功率分配和比特分配、 MIMO系統(tǒng)的預編碼和波束成型、多用戶檢測及最大比分集合并等技術(shù)提供所需要的信道信 肩、ο
傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)中，導頻符號在頻域上可均勻放置，先利用信道估計算法估計出導頻 位置處的信道頻域響應，再通過內(nèi)插的方式得到用戶數(shù)據(jù)處的信道頻域響應。在認知無線
4電NC-OFDM系統(tǒng)中，可用子載波是不連續(xù)的，可用子載波的數(shù)量和位置都會隨著時間變化， 禁用子載波可能是離散分布的若干單子載波，也可能是若干段連續(xù)子載波。前者一般稱 NC-OFDM系統(tǒng)受到窄帶干擾，后者為寬帶干擾。由于禁用子載波的存在，導頻不再能均勻放 置，甚至出現(xiàn)在很長的一段連續(xù)子載波上均無法放置導頻符號的情況。這時傳統(tǒng)的信道估 計方法將無法獲得滿意的信道特性。目前研究基于NC-OFDM系統(tǒng)信道估計的成果不是很 多，針對簡單的基于導頻的信道估計方法，有文獻研究了 NC-OFDM系統(tǒng)中導頻圖案的設計 問題，即如何讓導頻避開禁用子載波，使導頻的不均勻性給信道系數(shù)估計帶來的影響最小。 這些文獻中信道系數(shù)估計的方法依然是傳統(tǒng)的最小二乘(Least Square, LS)估計加頻域 內(nèi)插的方法。然而，當連續(xù)的禁用帶寬超過了系統(tǒng)的相干帶寬時，上述信道估計方法將失 效。王軍等人則從改變信道估計方法的角度提出了一種基于修正變換域降噪的NC-OFDM信 道估計算法，與傳統(tǒng)的LS信道估計相比，此方法降低了信道估計的均方誤差(Mean Square Error, MSE)。但當可用導頻數(shù)變小時，此方法的信道估計性能下降很快。最近，壓縮感知(Compressive Sensing，CS)這一重大理論在應用數(shù)學和信號處 理領域里形成并被廣泛研究，壓縮感知技術(shù)允許從非常有限的采樣值中有效地重建稀疏信 號。壓縮感知技術(shù)已經(jīng)被應用于很多領域，如編碼技術(shù)、統(tǒng)計信號處理、機器學習、圖像處 理、通信理論等。將壓縮感知技術(shù)應用于無線信道的估計是壓縮感知在通信領域中一個重 要應用，它將在同等信道估計性能的情況下，使用較少的導頻符號。最近國內(nèi)外一些學者研 究將壓縮感知技術(shù)應用于超寬帶(UWB)系統(tǒng)以及OFDM系統(tǒng)信道估計中，但并未有文獻研究 將基于壓縮感知的信道估計應用于NC-OFDM系統(tǒng)的信道估計中。由于基于壓縮感知的信道 估計允許導頻位置不均勻放置而不影響估計性能，本發(fā)明首次提出將基于壓縮感知的信道 估計方法應用到NC-OFDM系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是NC-OFDM系統(tǒng)中基于壓縮感知的信道估計方法。該方 法可以在頻域?qū)ьl符號不均勻放置，甚至導頻符號間隔遠大于系統(tǒng)的相干帶寬的情況下， 能利用較少的導頻數(shù)量很好地恢復出信道頻域特性。技術(shù)方案
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明基于壓縮感知的非連續(xù)正交頻分復用信道估計方法包括如下步驟 1)設計信道估計導頻圖案
(a)根據(jù)NC-OFDM系統(tǒng)的帶寬、信道的相干帶寬，估算傳統(tǒng)均勻?qū)ьl的間隔 ，使其滿足 《 ^ΑΤ .,其中&為信道最大多徑擴展為子載波間隔；
(b)估計信道的稀疏度JT即信道沖激響應向量fc中非零元素的個數(shù)，取基于壓縮感知 的信道估計中最優(yōu)的導頻數(shù)量Ρ = Χ；當傳統(tǒng)導頻圖案中剩余導頻大于I =MT或小于
= 時，使用方案二，否則使用方案一 方案一保留傳統(tǒng)的均勻?qū)ьl圖案，子載波處的導頻自然禁用； 方案二 固定導頻數(shù)量P,以壓縮感知測量矩陣的設計理論為基礎建立優(yōu)化準則在可用子載波中尋找#個子載波傳送導頻符號；
(c)生成優(yōu)化導頻圖案表禁用子載波圖案場景分為寬帶干擾和窄帶干擾；寬 帶干擾即整個NC-OFDM系統(tǒng)頻帶上，禁用子載波有&段，每段包含的子載波數(shù)為
Nt,k = 1，2ND ；窄帶干擾是禁用子載波離散分布，在每一種禁用子載波圖案場景，利用
式(5)的優(yōu)化準則在剩余的可用子載波中尋找到最優(yōu)的ρ個子載波，使這時XpWr矩陣的
權(quán)利要求
一種基于壓縮感知的非連續(xù)正交頻分復用信道估計方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)設計信道估計導頻圖案(a)根據(jù)NC OFDM系統(tǒng)的帶寬、信道的相干帶寬，估算傳統(tǒng)均勻?qū)ьl的間隔，使其滿足，其中為信道最大多徑擴展，為子載波間隔；(b)估計信道的稀疏度即信道沖激響應向量中非零元素的個數(shù)，取基于壓縮感知的信道估計中最優(yōu)的導頻數(shù)量；當傳統(tǒng)導頻圖案中剩余導頻大于或小于時，使用方案二，否則使用方案一方案一保留傳統(tǒng)的均勻?qū)ьl圖案，子載波處的導頻自然禁用；方案二固定導頻數(shù)量，以壓縮感知測量矩陣的設計理論為基礎建立優(yōu)化準則在可用子載波中尋找個子載波傳送導頻符號； (c)生成優(yōu)化導頻圖案表禁用子載波圖案場景分為寬帶干擾和窄帶干擾；寬帶干擾即整個NC OFDM系統(tǒng)頻帶上，禁用子載波有段，每段包含的子載波數(shù)為；窄帶干擾是禁用子載波離散分布，在每一種禁用子載波圖案場景，利用式(5)的優(yōu)化準則在剩余的可用子載波中尋找到最優(yōu)的個子載波，使這時矩陣的 (5)值最?。粚⒄业降膫€子載波的序號保存為一張表的一個記錄；重復上面的優(yōu)化過程，則得到一張有多個記錄的優(yōu)化導頻圖案表；2)導頻圖案的選取導頻圖案選取過程發(fā)生在收發(fā)設備第一次通信時，以及通信中從頻譜感知的結(jié)果得知可用子載波發(fā)生改變時，具體過程如下(1)比較目前的導頻位置是否與新的禁用子載波位置重合，如果沒有重合，繼續(xù)保持目前的導頻圖案；如果重合，則繼續(xù)進行下面的操作；(2)在新的可用子載波場景下，判斷可用傳統(tǒng)導頻子載波數(shù)量是否滿足，若滿足則導頻圖案就選擇剩余的可用傳統(tǒng)導頻，即方案一；若不滿足，則采用導頻設計方案二，進行如下操作；(3)搜索導頻圖案表，尋找滿足以下條件的導頻圖案記錄導頻圖案記錄中的個子載波均未落入禁用子載波集合中；當在表中搜索到第一條滿足以上條件的記錄時，搜索過程即停止，通過公共信道，本端將這個記錄的序號發(fā)給對端，收發(fā)雙方導頻符號協(xié)商結(jié)束，因為收發(fā)雙方都有相同的優(yōu)化導頻圖案表；若搜索完導頻圖案表中所有的記錄，沒有滿足以上條件的導頻圖案記錄時，則進行如下操作；(4)啟動導頻優(yōu)化算法，在新的可用子載波上，利用尋找最優(yōu)的個子載波；完成之后，將個子載波的序號全部通過公共信道發(fā)送給對端，這種方式下，尋找導頻圖案的時延大； 以上描述的是通信時可用子載波改變時的導頻選擇過程，如果是設備之間第一次通信，則導頻選擇過程只要步驟(2)～(4)；3)信道頻域響應的估計(一)首先進行初始化迭代次數(shù)，殘差向量，索引集；(二)第次迭代的步驟步驟1確定一個索引，它滿足 (6)其中表示矩陣的第列；步驟2增大索引集，這里索引集中元素的個數(shù)為；步驟3利用LS算法得到一個新的估計，這個新的估計在索引集之外的地方都是零，索引集之內(nèi)的位置上的估計用下式得到 (7)這里是一個的矩陣，它包含T矩陣中索引為的列；步驟4計算對采樣值新的近似和新的殘差；(三)經(jīng)次迭代，滿足停止準則即迭代次數(shù)達到向量的稀疏度或者殘差的二范數(shù)小于某個門限，得到估計值，再根據(jù)獲得信道頻域響應估計。dest_path_image001.jpg,66276dest_path_image002.jpg,dest_path_image003.jpg,781423dest_path_image004.jpg,dest_path_image005.jpg,573667dest_path_image006.jpg,dest_path_image007.jpg,194004dest_path_image008.jpg,dest_path_image009.jpg,598572dest_path_image010.jpg,292858dest_path_image010.jpg,dest_path_image011.jpg,272316dest_path_image012.jpg,363637dest_path_image010.jpg,dest_path_image013.jpg,821163dest_path_image014.jpg,448585dest_path_image010.jpg,dest_path_image015.jpg,333364dest_path_image016.jpg,935420dest_path_image010.jpg,dest_path_image017.jpg,196637dest_path_image010.jpg,865515dest_path_image010.jpg,671929dest_path_image018.jpg,dest_path_image019.jpg,488575dest_path_image020.jpg,dest_path_image021.jpg,537171dest_path_image022.jpg,dest_path_image023.jpg,122873dest_path_image024.jpg,dest_path_image025.jpg,365767dest_path_image026.jpg,dest_path_image027.jpg,669709dest_path_image028.jpg,dest_path_image029.jpg,256417dest_path_image021.jpg,962205dest_path_image030.jpg,297372dest_path_image029.jpg,dest_path_image031.jpg,839342dest_path_image032.jpg,dest_path_image033.jpg,980474dest_path_image034.jpg,790036dest_path_image029.jpg,dest_path_image035.jpg,623999dest_path_image036.jpg,387687dest_path_image006.jpg,270193dest_path_image005.jpg,dest_path_image037.jpg,684993dest_path_image038.jpg
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于壓縮感知的非連續(xù)正交頻分復用信道估計方法。所述方法包括設計信道估計導頻圖案；導頻圖案的選取；信道頻域響應的估計。導頻圖案選擇使用以下兩種方案。方案一保留傳統(tǒng)的均勻?qū)ьl圖案，禁用子載波處的導頻自然禁用，從而使可用導頻呈現(xiàn)自然的不均勻性；方案二固定導頻數(shù)量，基于恢復矩陣互相關最小化的準則，采用以下優(yōu)化問題(其中，L為信道長度、P為導頻數(shù)、N為OFDM系統(tǒng)子載波總數(shù))在可用子載波中尋找P個子載波傳送導頻符號。本方法可以在多種禁用子載波場景下，以更少的導頻獲得優(yōu)于目前其他方法的信道估計性能和系統(tǒng)誤碼率性能。
文檔編號H04B1/707GK101984612SQ20101051941
公開日2011年3月9日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者何雪云, 宋榮方 申請人:南京郵電大學