專利名稱：協(xié)同正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的信道估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及協(xié)同正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系統(tǒng)中的一種信道估計方法，具體是一種用于估計協(xié)同OFDM系統(tǒng)頻 率選擇性衰落信道的低復(fù)雜度信道估計方法，屬于寬帶無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
新一代無線通信系統(tǒng)將支持高速率多媒體信息傳輸，在有限的頻譜資源上實現(xiàn)高 數(shù)據(jù)速率和大系統(tǒng)容量。在此背景下，具有較高頻譜利用率且能夠有效對抗無線信道頻率 選擇性衰落和大尺度衰落影響的技術(shù)成為研究熱點。(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) i一禾中 多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它能夠?qū)⒏咚俚男畔⒎指畹蕉鄠€正交子載波上并行低速傳送，從而 顯著消除頻率選擇性衰落給系統(tǒng)帶來的影響。同時，由于它采用了離散傅立葉變換，大大降 低了收發(fā)機的實現(xiàn)復(fù)雜度，因此隨著多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，它在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用尤其 引人注目，已成為現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。另一方面，協(xié)同通信作為新 一代無線通信系統(tǒng)的增強型技術(shù)也隨之應(yīng)運而生，其基本思想是用戶間可以共享彼此的天 線，通過無線中繼的方式形成一個虛擬的多天線陣列，從而獲得空間分集，它可以在不增加 發(fā)射功率的情況下，顯著地擴大覆蓋范圍、提高信道容量、改善服務(wù)質(zhì)量QoS。因此把OFDM 和協(xié)同通信這兩個強有力的技術(shù)相結(jié)合，既可以獲得很高的信息傳輸速率又可以實現(xiàn)很強 的可靠性，既可以利用OFDM技術(shù)有效地抵抗多徑衰落，又可以充分發(fā)揮協(xié)同通信的獨特優(yōu) 勢，使其兼具兩者的優(yōu)點并相互補充。因此，協(xié)同OFDM技術(shù)已經(jīng)成為新一代無線通信系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)的重要候選之一和新的研究熱點。在相干檢測協(xié)同OFDM系統(tǒng)中，信道估計極大地影響著整個通信系統(tǒng)的性能。由 于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-forward，DF)協(xié)同系統(tǒng)的信道估計問題可以退化為傳統(tǒng)點對點 傳輸?shù)男诺拦烙媶栴}，因此目前大部分研究都是針對放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-forwarcbAF) 協(xié)同系統(tǒng)進行討論的。由于放大轉(zhuǎn)發(fā)使得從源節(jié)點經(jīng)過中繼到目的節(jié)點的等效信道不再具 有高斯特性，并且在中繼節(jié)點引入的噪聲被放大轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，因此傳統(tǒng)的信道估計方 法在AF協(xié)同系統(tǒng)中不再適用。近幾年來，關(guān)于協(xié)同通信系統(tǒng)的信道估計問題正逐漸得到關(guān) 注。但由于協(xié)同信道估計問題尚處于研究發(fā)展階段，其大部分研究仍是針對平坦衰落信道 進行的，與真正實用化差距較大。在實際的無線傳輸信道中，由于散射和延遲等造成的多徑 傳輸，使得信道往往具有頻率選擇性衰落。因此，協(xié)同OFDM系統(tǒng)是一種很有前景的解決方 案，討論該方案中的信道估計也成為了近期人們研究的一個熱點。目前，已有一些學(xué)者對協(xié)同OFDM系統(tǒng)的信道估計問題進行了研究。例如，K. S. Woo 等人在((IEICE Transactions on Communications〉〉，vol. 90, no. 6, pp. 1555-1558, 2007 發(fā)表了 “Channel estimation for OFDM systems with transparentmulti-hop relay. ”，針對頻率選擇性信道，將OFDM技術(shù)用于協(xié)同系統(tǒng)中，提出了一種基于導(dǎo)頻的最 小二乘(Least Square, LS)信道估計；H. Dogan針對協(xié)同OFDM系統(tǒng)，提出了一種基于最大后驗概率(Maximum a Posteriori, MAP)的信道估計方法，并與傳統(tǒng)的梳狀導(dǎo)頻輔助信 道估計方法進行了比較，具體可參見"Maximum aposteriori channel estimation for cooperative diversity orthogonal frequency-divisionmultiplexing systems in amplify-and-forward mode. IET Communicaitons,vol. 3,iss. 4,pp.501-511,2009. ”。而 F. Liu 等人在"Channel estimation for amplify and forwardrelay in OFDM system. Wireless Communications, Networking and Mobile Computing,2008. WiCOM ' 08.4th International Conference on,pp. 1-4,2008. ”中比較了協(xié)同 OFDM 系統(tǒng)中 LS、線性最小均 方誤差(Linear Minimum Mean Square Error, LMMSE)以及低秩LMMSE三種信道估計方法 的性能差異。盡管目前已有不少關(guān)于協(xié)同OFDM系統(tǒng)信道估計問題的研究，然而關(guān)于該問題的 研究還很不完善。一方面，現(xiàn)有的關(guān)于協(xié)同OFDM系統(tǒng)信道估計問題的研究往往是針對單中 繼或者是以時分復(fù)用(Time Division Multiplex, TDM)方式進行轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼系統(tǒng)進行 討論的。對于以TDM方式轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼系統(tǒng)來說，在目的節(jié)點，接收機可以有效分辨出每個 中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號，因此其每條等效信道估計問題可以轉(zhuǎn)化為單中繼節(jié)點的信道估計問 題。但是，TDM方式進行發(fā)送必然會帶來系統(tǒng)資源的浪費，因此，考慮多個中繼同時發(fā)送信 號至目的節(jié)點的情況更具有實際意義。需要指出的是，當接收機同時接收來自多個中繼的 發(fā)送信號時，將造成目的節(jié)點上多個信號的混疊，此時，如何從多個中繼發(fā)送來的混疊信號 中有效準確地對每條等效信道進行信道估計將變得更為復(fù)雜，也就更需要進行深入地考慮 和研究。另一方面，現(xiàn)有的關(guān)于協(xié)同OFDM系統(tǒng)中信道估計的研究大都是在所有子載波 為有效子載波的假設(shè)下進行的。例如，W. Zhang等人在“Distributedspace-frequency coding for cooperative diversity in broadband wireless ad hocnetworks. IEEE Transactions on wireless communications, vol. 7, no. 3, pp. 995-1003, March 2008.，， 一文中，通過中繼節(jié)點的循環(huán)移位操作，使得不同中繼導(dǎo)頻序列移位正交。然而在實際應(yīng) 用中，OFDM系統(tǒng)都存在虛載波，虛載波的作用在于它不僅使得信號在邊帶自然地衰減，形成 “磚墻”形的FFT，且能夠避免由于頻率偏移對旁邊的頻帶產(chǎn)生干擾。但是當把上述導(dǎo)頻應(yīng)用 到具有虛載波的協(xié)同OFDM系統(tǒng)中時，由于虛載波位置信號為零，這將破壞不同中繼之間導(dǎo) 頻序列的移位正交性，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇惡化，且信道估計的運算復(fù)雜度也大大增加。 因此，針對虛載波協(xié)同OFDM系統(tǒng)進行低復(fù)雜度信道估計將更符合實際應(yīng)用，但這樣的研究 及方法卻未有出現(xiàn)過。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出了一種適用于多中繼且存在虛載波的 協(xié)同正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的信道估計方法，本發(fā)明能兼顧信道估計性能和復(fù)雜度保證。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種協(xié)同正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的信道估計方法，包括訓(xùn)練序列設(shè)計、噪聲和大尺 度衰落系數(shù)估計、功率分配、中繼線性變換、初始信道估計、信道內(nèi)插，包括以下步驟A.在通信傳輸開始之前可按以下步驟進行第一步設(shè)計源節(jié)點上的正交訓(xùn)練序列，具體步驟如下
(1)令源節(jié)點上訓(xùn)練序列中Np個符號功率相等，且其相位呈等差分布，差值為 j ^ / (Ν/Κ)，其中N為子載波個數(shù)，K為中繼節(jié)點個數(shù)，將這Np個符號表示為
權(quán)利要求
1. 一種協(xié)同正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的信道估計方法，包括訓(xùn)練序列設(shè)計、噪聲和大尺度 衰落系數(shù)估計、功率分配、中繼線性變換、初始信道估計、信道內(nèi)插，其特征在于，包括以下 步驟A.在通信傳輸開始之前可按以下步驟進行 第一步設(shè)計源節(jié)點上的正交訓(xùn)練序列，具體步驟如下(1)令源節(jié)點上訓(xùn)練序列中Np個符號功率相等，且其相位呈等差分布，差值為jπ / (N/ K)，其中N為子載波個數(shù)，K為中繼節(jié)點個數(shù)，將這乂個符號表示為P= [P(O)，...，P(Np-I)]T9(2)根據(jù)有效子載波、虛載波的位置以及中繼節(jié)點的個數(shù)K，選擇訓(xùn)練序列所在子載波的位置，使得訓(xùn)練序列所在子載波的位置在有效子載波內(nèi)等間隔分布， 且間隔為K，相應(yīng)的子載波序號為[& ，·__，％-」，將P中Np個符號依次填入到序號為[點，…， 的子載波上，其余子載波位置均填零，形成訓(xùn)練序列頻域符號Xci,第二步對Xtl做反快速傅立葉變換(IFFT)，得到的訓(xùn)練序列時域符號Stl加上循環(huán)前綴 CP后形成時域符號§。，通過天線發(fā)射給所有中繼節(jié)點，第三步每個中繼節(jié)點進行噪聲功率及大尺度衰落系數(shù)估計，具體步驟如下(1)第k個中繼節(jié)點將接收到的源節(jié)點發(fā)送的含有循環(huán)前綴CP的訓(xùn)練序列時域符號 §。去除循環(huán)前綴CP，其中k為[1，K]范圍內(nèi)任一正整數(shù)，然后做快速傅立葉變換FFT轉(zhuǎn)變 為頻域符號Yk，從Yk中抽取有效子載波中訓(xùn)練序列子載波[辦，…， 上的Np個符號，組成 向量Zi= [ZM,···,Zi^f，Zk中的第n ‘個元素Zk, η,即為Yk中訓(xùn)練序列子載波gn,上的符 號，其中η'為
范圍內(nèi)任一非負整數(shù)，gn,為[& ，…，h-J中的第η'個元素；從Yk 中抽取有效子載波中非訓(xùn)練序列子載波上的Ntl-Np個符號，組成向量A [[‘,...,twif， A中的第η"個元素U卩為Yk中非訓(xùn)練序列子載波上的所有符號依次排列后的第η"個 符號，其中η"為
范圍內(nèi)任一非負整數(shù)，Ntl為有效子載波個數(shù)，A是用來估計第k個中繼節(jié)點的噪聲功率，噪聲功率為 )，而4則是用來估計 源節(jié)點與第k個中繼節(jié)點之間的無線信道大尺度衰落系數(shù)，無線信道大尺度衰落系數(shù)為4=〔( ::。Κ,|2)Α)-4，(2)第1個中繼節(jié)點將頻域符號Y1中非訓(xùn)練序列子載波上的Ntl-NpA符號置零，然 后做反快速傅立葉變換IFFT得到時域符號S1，加上循環(huán)前綴后形成時域符號S1，通過天 線發(fā)射給目的節(jié)點，目的節(jié)點將收到的第1個中繼節(jié)點發(fā)射的含有循環(huán)前綴CP的時域 符號S1去除循環(huán)前綴CP，做快速傅立葉變換FFT得到頻域信號Yd，從Yd中抽取有效子載 波中非訓(xùn)練序列子載波上的Ntl-Np個符號，組成向量紇=民。,…又久中的第η"個 元素即為Yd中非訓(xùn)練序列子載波上的所有符號依次排列后的第η"個符號，其中η" 為
范圍內(nèi)任一非負整數(shù)，&是用來估計目的節(jié)點的噪聲功率，噪聲功率為句=ΣΠ |2Μ-義)，第四步確定各節(jié)點發(fā)送功率，即進行功率分配，具體步驟如下(1)根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，選擇發(fā)射端的發(fā)射功率ps，(2)令々=《？<*表示第k個中繼節(jié)點的信噪比，其中k為[1，K]范圍內(nèi)任一正整數(shù)，將第k個中繼節(jié)點的發(fā)射功率設(shè)為
全文摘要
一種協(xié)同正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的信道估計方法，在源節(jié)點設(shè)計一種正交訓(xùn)練序列，將其在有效子載波內(nèi)等間隔分布，其余補零；通信開始前，估計所有中繼和目的節(jié)點的噪聲功率，確定各節(jié)點間無線信道大尺度衰落系數(shù)、源節(jié)點和所有中繼的發(fā)射功率以及各中繼的變換系數(shù)和功率放大系數(shù)；通信開始后，源節(jié)點將訓(xùn)練序列頻域符號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r域符號，截取一段后加上循環(huán)前綴并通過天線發(fā)射；各中繼根據(jù)各自所采用的變換系數(shù)及功率放大系數(shù)對去除循環(huán)前綴的接收符號進行線性變換，添加循環(huán)前綴后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點；目的節(jié)點收到所有中繼轉(zhuǎn)發(fā)的時域符號后，去除循環(huán)前綴并進行自我復(fù)制，再轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域符號；利用快速傅立葉變換和線性內(nèi)插濾波器進行低復(fù)雜度的信道估計。
文檔編號H04L27/26GK102006249SQ20101057780
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者屠佳, 楊煒偉, 蔡躍明 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)