專利名稱：認(rèn)知無線電中基于稀疏信道估計(jì)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，涉及認(rèn)知無線電系統(tǒng)，尤其涉及認(rèn)知無線電中基于稀疏信道估計(jì)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
快速發(fā)展的移動(dòng)通信系統(tǒng)及各類通信業(yè)務(wù)，對(duì)頻譜資源提出了更高的需求，頻譜資源的短缺日益顯著。而另一方面，已獲得授權(quán)的頻段沒有得到充分利用，大量頻段處于閑置或者很少利用的狀態(tài)。由此，產(chǎn)生了一種認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)。利用該技術(shù)，在保障授權(quán)用戶優(yōu)先使用其頻段的前提下，其他用戶也可使用這些頻段；因此，該技術(shù)有望在不開辟新頻段的情況下，大幅提高現(xiàn)有頻段的頻譜利用率。正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,0FDM)作為當(dāng)前 移動(dòng)通信及未來無線通信的核心技術(shù)，能有效對(duì)抗無線傳播中的多徑效應(yīng)、簡(jiǎn)化均衡器設(shè)計(jì)、降低接收機(jī)復(fù)雜度和功耗并提高頻譜利用率。OFDM利用多個(gè)子載波并行傳輸數(shù)據(jù)，能靈活的填充頻譜空穴；那些與授權(quán)用戶發(fā)生頻段沖突的OFDM子載波可隨時(shí)停用，而剩下的子載波則繼續(xù)用于非授權(quán)用戶的數(shù)據(jù)傳輸，因此，OFDM是ー項(xiàng)適用于認(rèn)知無線電的重要技木。OFDM信道估計(jì)對(duì)信號(hào)傳輸所經(jīng)歷的信道的時(shí)延、衰減、多徑等參數(shù)進(jìn)行估測(cè)，信道估計(jì)的準(zhǔn)確程度對(duì)信道均衡、解調(diào)和信道譯碼等均有直接的影響。因此，信道估計(jì)技術(shù)是OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。最近新出現(xiàn)的稀疏信道估計(jì)(Sparse Channel Estimation)或者稱為壓縮信道感知(Compressed Channel Sensing),它利用無線信道的稀疏性,將壓縮感知(Compressed Sensing, CS)技術(shù)用于信道估計(jì)。相比傳統(tǒng)的最小ニ乘(LeastSquares, LS)或最小均方誤差(Minimum Mean Square Error, MMSE)信道估計(jì),稀疏信道估計(jì)能大幅度降低導(dǎo)頻開銷，提高頻譜利用率和信道估計(jì)精度?？紤]到無線信道的時(shí)延擴(kuò)展和接收機(jī)前端較高的采樣率，信道多徑分量分散于這ー時(shí)延擴(kuò)展中，經(jīng)過采樣以后的信道沖擊響應(yīng)(Channel Impulse Response, CIR)序列通常呈現(xiàn)大多數(shù)為零、少數(shù)非零的稀疏性，尤其對(duì)于普遍使用過采樣技術(shù)的OFDM系統(tǒng)，這ー稀疏特性更為明顯。目前，正交匹配追蹤(Orthogonal Matching Pursuit, 0MP)、壓縮米樣匹配追蹤(Compressive SamplingMatching Pursuit, CoSaMP)、基追蹤(Basis Pursuit, BP)、迭代支集檢測(cè)(iterativesupport detection, ISD)等算法已被用于OFDM稀疏信道估計(jì)，并獲得了比LS和MMSE更好的信道估計(jì)性能。然而，基于稀疏信道估計(jì)的OFDM導(dǎo)頻設(shè)計(jì)，仍然是ー個(gè)開放性的課題，尤其在采用OFDM和稀疏信道估計(jì)的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，與授權(quán)用戶發(fā)生頻段沖突的ー些OFDM子載波停用以后?，F(xiàn)有技術(shù)考慮了ー種非連續(xù)OFDM系統(tǒng)中基于壓縮感知的信道估計(jì)方法，該方法包括設(shè)計(jì)信道估計(jì)導(dǎo)頻圖案、導(dǎo)頻圖案的選取和信道頻域響應(yīng)的估計(jì)。導(dǎo)頻圖案選擇使用以下兩種方案。方案一保留了傳統(tǒng)的均勻?qū)ьl圖案，禁用子載波處的導(dǎo)頻自然禁用，從而使可用導(dǎo)頻呈現(xiàn)自然的不均勻性。方案ニ采用固定導(dǎo)頻數(shù)量，基于恢復(fù)矩陣互相關(guān)最小化的準(zhǔn)則，以更少的導(dǎo)頻獲得優(yōu)于目前其他方法的信道估計(jì)性能和系統(tǒng)誤碼率性能。該方法可以在多種禁用子載波場(chǎng)景下，以更少的導(dǎo)頻獲得優(yōu)于目前其他方法的信道估計(jì)性能和系統(tǒng)誤碼率性能。但是，方案ニ采用“隨機(jī)搜索”算法獲取導(dǎo)頻排布，效率低下，在實(shí)際應(yīng)用中無法保證系統(tǒng)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為采用OFDM和稀疏信道估計(jì)的認(rèn)知無線電系統(tǒng)提供ー種導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法。它可對(duì)稀疏信道估計(jì)進(jìn)行導(dǎo)頻優(yōu)化，提高OFDM稀疏信道估計(jì)的均方誤差和誤碼率性能，從而提聞?wù)J知無線電系統(tǒng)性能。本發(fā)明提供了一種認(rèn)知無線電中基于稀疏信道估計(jì)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法，包括從頻譜感知獲得的可用子載波構(gòu)成的集合C中，隨機(jī)選擇子載波構(gòu)成ー組初始導(dǎo)頻排布P，根據(jù)C和P生成候選集并從所述候選集中選取P中每個(gè)元素位置上的最佳元素，并進(jìn)ー步從這些最佳元素中選取ー個(gè)最好的元素，找到該最好元素對(duì)應(yīng)的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成ー組新的導(dǎo)頻排布Pi;根據(jù)C和Pl生成新的候選集，重復(fù)以上的操作，直到形成的新的導(dǎo)頻排布保持不變?yōu)橹埂１３植蛔兊膶?dǎo)頻排布稱為優(yōu)選導(dǎo)頻。多次重復(fù)執(zhí)行上述步驟，并選取多次重復(fù)過程中獲得的優(yōu)選導(dǎo)頻中最好的ー個(gè)，確定為優(yōu)化導(dǎo)頻排布。本發(fā)明具有如下有益效果一)根據(jù)互相關(guān)性選取初始導(dǎo)頻排布各元素位置上的最佳元素進(jìn)而選取最好元素并實(shí)施替換，生成優(yōu)選導(dǎo)頻排布，在多種優(yōu)選導(dǎo)頻排布中選取其中互相關(guān)性最小的ー個(gè)作為優(yōu)化導(dǎo)頻排布，能夠最小化測(cè)量矩陣的互相關(guān)且具有更快的收斂速度；ニ)導(dǎo)頻排布的每個(gè)元素位置的最佳元素的選取可并行實(shí)施，從而提高效率。三)根據(jù)優(yōu)化導(dǎo)頻排布進(jìn)行稀疏信道估計(jì)，能夠提升OFDM稀疏信道估計(jì)的均方誤差和誤碼率性能，從而提高認(rèn)知無線電系統(tǒng)性能。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境——采用OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)框圖如圖所示；圖2是本發(fā)明的一種認(rèn)知無線電中基于稀疏信道估計(jì)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法的實(shí)施例流程示意圖；圖3是本發(fā)明選取導(dǎo)頻排布中ー個(gè)元素位置上最佳元素的方法流程示意圖；
圖4是本發(fā)明與隨機(jī)搜索的收斂性能比較結(jié)果圖；圖5是本發(fā)明與隨機(jī)搜索的的均方誤差性能比較結(jié)果圖；圖6是本發(fā)明與隨機(jī)搜索的的誤比特率性能比較結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。圖I是本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境——采用OFDM的認(rèn)知無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)框圖如圖所示。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，需進(jìn)行頻譜感知，獲得當(dāng)前可用的子載波集合C，利用本發(fā)明所提出的方法從C中選取ー組優(yōu)化導(dǎo)頻排布，將導(dǎo)頻符號(hào)放置到相應(yīng)的子載波位置，而C中剩下的子載波可用于數(shù)據(jù)傳輸。在完成導(dǎo)頻設(shè)計(jì)和子載波分配以后，待發(fā)送的數(shù)據(jù)依次通過星座點(diǎn)映射、井串轉(zhuǎn)換、快速傅立葉反變換(IFFT)、井串轉(zhuǎn)換、插入保護(hù)間隔和上變頻等模塊，實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制，并將數(shù)據(jù)發(fā)射到可用的頻段上。在數(shù)據(jù)接收端，依次通過下變頻、去除保護(hù)間隔、串并轉(zhuǎn)換、快速傅立葉變化(FFT)、稀疏信道估計(jì)、信道均衡、井串轉(zhuǎn)換和星座點(diǎn)解映射等模塊，實(shí)現(xiàn)OFDM解調(diào)。其中，稀疏信道估計(jì)利用導(dǎo)頻位置上的接收信號(hào)和壓縮感知技木，對(duì)信道沖擊響應(yīng)進(jìn)行稀疏重建。 圖2是本發(fā)明的一種認(rèn)知無線電中基于稀疏信道估計(jì)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法的實(shí)施例流程示意圖，參照?qǐng)D2，該方法包括Wl :從頻譜感知獲得的可用子載波構(gòu)成的集合C中，隨機(jī)選擇子載波構(gòu)成ー組初始導(dǎo)頻排布P。在本實(shí)施例的一種實(shí)現(xiàn)方式中，OFDM子載波數(shù)目為Z，在數(shù)據(jù)發(fā)射前，通過頻譜感知獲得N (N含Z)個(gè)可用子載波構(gòu)成的集合為C=W1, d2，d3……dN}，滿足I含もくもくもく…<dN含Z0導(dǎo)頻數(shù)目為M(M〈N)，從集合C中隨機(jī)選取M個(gè)元素，構(gòu)成長(zhǎng)度為M的向量P={k1;k2, k3......kM}。向量P即初始導(dǎo)頻排布,它包含M個(gè)元素,對(duì)應(yīng)于M個(gè)元素位置。W2 :根據(jù)C和P生成候選集T15AT中選取P中每個(gè)元素位置上的最佳元素，并進(jìn)一步從這些最佳元素中選取ー個(gè)最好的元素，找到該最好元素對(duì)應(yīng)的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成一組新的導(dǎo)頻排布P1O在本實(shí)施例中，首先根據(jù)C和P生成候選集T，從T中選取P中每個(gè)元素位置上的最佳元素。該步僅僅是元素選取，沒有涉及元素替換。其流程參照?qǐng)D3，圖3是本發(fā)明選取導(dǎo)頻排布中ー個(gè)元素位置上最佳元素的方法流程示意圖，該方法包括Vl :定義變動(dòng)元素和固定元素，具體地，將P中待選取最佳元素的元素位置上的元素定義為變動(dòng)元素，將P中當(dāng)前元素位置之外的元素位置上的元素定義為固定元素；V2 :計(jì)算候選集，具體地，計(jì)算集合C與固定元素組成的集合的差集生成候選集；V3 :選取最佳元素，具體地，分別用候選集中的每個(gè)元素替換變動(dòng)元素，計(jì)算每次發(fā)生替換后的導(dǎo)頻排布的目標(biāo)函數(shù)(即g(P)值，對(duì)于g(P)的說明請(qǐng)參照下文相應(yīng)說明)，并將使目標(biāo)函數(shù)值最小的元素作為當(dāng)前元素位置上的最佳元素。在本實(shí)施例中，對(duì)于目標(biāo)函數(shù)g (P)的計(jì)算，具體包括設(shè)OFDM子載波數(shù)目為Z，在數(shù)據(jù)發(fā)射前，通過認(rèn)知無線電系統(tǒng)的頻譜感知，獲得N(N含Z)個(gè)可用子載波構(gòu)成的集合為C=W1, d2，d3……dN}，滿足I含d1<d2<d3<-<dN含Z0導(dǎo)頻數(shù)目為M (M〈N)，從集合C中隨機(jī)選取M個(gè)元素，構(gòu)成長(zhǎng)度為M的向量P= {k1; k2，k3……kM}，滿足I彡!^〈!^〈…〈!^彡Z。發(fā)射的導(dǎo)頻符號(hào)記為X (り，X (k2)，...，X (kM)，接收到的導(dǎo)頻符號(hào)記為YGO，Y(k2)，…，Y(kM)。則OFDM的頻域信道估計(jì)問題可寫為
權(quán)利要求
1.一種認(rèn)知無線電中基于稀疏信道估計(jì)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括 從頻譜感知獲得的可用子載波構(gòu)成的集合C中，隨機(jī)選擇子載波構(gòu)成一組初始導(dǎo)頻排布P，根據(jù)C和P生成候選集并從所述候選集中選取P中每個(gè)元素位置上的最佳元素，并進(jìn)一步從這些最佳元素中選取一個(gè)最好的元素，找到該最好元素對(duì)應(yīng)的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成一組新的導(dǎo)頻排布P1;根據(jù)C和P1生成新的候選集，重復(fù)以上的操作，直到形成的新的導(dǎo)頻排布保持不變?yōu)橹?，保持不變的?dǎo)頻排布稱為優(yōu)選導(dǎo)頻；多次重復(fù)執(zhí)行上述步驟，并選取多次重復(fù)過程中獲得的優(yōu)選導(dǎo)頻中最好的一個(gè)，確定為優(yōu)化導(dǎo)頻排布。
2.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于，所述選取導(dǎo)頻排布P的一個(gè)元素位置上的最佳元素，包括 將P中需要確定最佳元素的當(dāng)前元素位置上的元素定義為變動(dòng)元素，將P中當(dāng)前元素位置之外的元素位置上的元素定義為固定元素；通過計(jì)算所述可用子載波集合C與所述固定元素組成的集合的差集生成所述候選集；分別用所述候選集中的每個(gè)元素替換所述變動(dòng)元素，計(jì)算每次發(fā)生替換后的導(dǎo)頻排布的目標(biāo)函數(shù)值，并將使目標(biāo)函數(shù)值最優(yōu)的元素確定為當(dāng)前元素位置上的最佳元素。
3.如權(quán)利要求I所述根據(jù)所述可用子載波集合C和所述導(dǎo)頻排布形成新的導(dǎo)頻排布和新的候選集并重復(fù)這一操作直到形成的新的導(dǎo)頻排布保持不變?yōu)橹?，其中，新的?dǎo)頻排布保持不變，包括 新形成的導(dǎo)頻排布每個(gè)元素位置上的元素，均與前一次形成的導(dǎo)頻排布每個(gè)元素位置上的元素對(duì)應(yīng)相同。
4.一種認(rèn)知無線電中的稀疏信道估計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括 發(fā)射端根據(jù)權(quán)利要求I所述方法確定的優(yōu)化導(dǎo)頻排布，將導(dǎo)頻符號(hào)放置到相應(yīng)的子載波位置；接收端基于壓縮感知技術(shù)進(jìn)行信道估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種認(rèn)知無線電中基于稀疏信道估計(jì)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法。其中所述方法包括從頻譜感知獲得的可用子載波構(gòu)成的集合C中，隨機(jī)選擇子載波構(gòu)成一組初始導(dǎo)頻排布P，根據(jù)C和P生成候選集并從所述候選集中選取P中每個(gè)元素位置上的最佳元素，并進(jìn)一步從這些最佳元素中選取一個(gè)最好的元素，找到該最好元素對(duì)應(yīng)的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成一組新的導(dǎo)頻排布P1；根據(jù)C和P1生成新的候選集，重復(fù)以上的操作，直到形成的新的導(dǎo)頻排布保持不變?yōu)橹?。保持不變的?dǎo)頻排布稱為優(yōu)選導(dǎo)頻。多次重復(fù)執(zhí)行上述步驟，并選取多次重復(fù)過程中獲得的優(yōu)選導(dǎo)頻中最好的一個(gè)，確定為優(yōu)化導(dǎo)頻排布。采用本發(fā)明，具有收斂速度快、可并行運(yùn)算、均方誤差和誤碼率性能好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L5/00GK102833058SQ20121035260
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者戚晨皓, 吳樂南, 黃永明 申請(qǐng)人:東南大學(xué)