技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于卡爾曼濾波器的迭代信道估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：
無線通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到無線信道的影響，如陰影衰落和頻率選擇性衰落等等，使得發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路徑非常復(fù)雜。無線信道并不像有線信道固定并可預(yù)見，而是具有很大的隨機(jī)性，這就對(duì)接收機(jī)的設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。在ofdm系統(tǒng)的相干檢測(cè)中需要對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，信道估計(jì)的精度將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，為了能在接收端準(zhǔn)確的恢復(fù)發(fā)射端的發(fā)送信號(hào)，人們采用各種措施來抵抗多徑效應(yīng)對(duì)傳輸信號(hào)的影響，信道估計(jì)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要知道無線信道的信息，如信道的階數(shù)、多普勒頻移和多徑時(shí)延或者信道的沖激響應(yīng)等參數(shù)，就需要在接收信息時(shí)，對(duì)信道的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。因此，信道參數(shù)估計(jì)是實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。典型的信道估計(jì)方法有最小二乘法(ls)、最小均方誤差(mmse)和最大似然法(ml)等。ls算法復(fù)雜度低，但是ls估計(jì)未考慮信道噪聲，估計(jì)的準(zhǔn)確性不高，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)子信道的參數(shù)估計(jì)；mmse需要統(tǒng)計(jì)參數(shù)，如果信道統(tǒng)計(jì)特性信息是理想的，那么估計(jì)出來的性能非常的理想，但其計(jì)算復(fù)雜度非常高；另外，ml計(jì)算復(fù)雜度更高。
迭代的信道估計(jì)方法，其原理是利用迭代檢測(cè)譯碼結(jié)構(gòu)，即一種基于turbo譯碼原理設(shè)計(jì)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。在迭代接收機(jī)中，軟入軟出的turbo譯碼器與數(shù)據(jù)檢測(cè)器之間有一條反饋通道，使得數(shù)據(jù)檢測(cè)器能夠利用軟譯碼器輸出的后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比完成多次迭代的信道均衡和解調(diào)?；诘鷻z測(cè)譯碼結(jié)構(gòu)，衍生出了多種迭代信道估計(jì)方法。例如一種基于維納濾波器的迭代信道估計(jì)方法，由于需要的觀測(cè)變量較多且難以獲取，因而難以應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。還有應(yīng)用于lte上行鏈路中的迭代信道估計(jì)方法，主要分析了turbo編碼的碼率和譯碼迭代次數(shù)對(duì)迭代接收機(jī)整體性能的影響。而目前依然缺少迭代信道估計(jì)方法在高速場(chǎng)景下的研究與應(yīng)用。
卡爾曼濾波一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過程。狀態(tài)估計(jì)是卡爾曼濾波的重要組成部分。一般來說，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隨機(jī)量進(jìn)行定量推斷就是估計(jì)問題，特別是對(duì)動(dòng)態(tài)行為的狀態(tài)估計(jì)，它能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的估計(jì)和預(yù)測(cè)功能。狀態(tài)估計(jì)對(duì)于了解和控制一個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，所應(yīng)用的方法屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)中的估計(jì)理論。最常用的有最小二乘估計(jì)，線性最小方差估計(jì)、最小方差估計(jì)、遞推最小二乘估計(jì)等。
綜上，在我們前期的研究基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波器進(jìn)行mimo信道估計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)mimo信道的觀測(cè)方程是一組欠定方程，已有方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，因此亟需設(shè)計(jì)新的方法解決此技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于卡爾曼濾波器的迭代信道估計(jì)方法。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于卡爾曼濾波的迭代信道估計(jì)方法，其特征在于，包括：
s1，利用ls(最小二乘法)估計(jì)的方法獲取先驗(yàn)的信道頻域響應(yīng)估計(jì)值，進(jìn)而構(gòu)造一個(gè)正定的觀測(cè)方程組。
s2，構(gòu)造卡爾曼濾波器并進(jìn)行信道估計(jì)。
所述的基于卡爾曼濾波器的迭代信道估計(jì)方法，其特征在于，所述s1包括：
在一個(gè)mimo-ofdm系統(tǒng)中，每一個(gè)子幀有n個(gè)子載波，其中有np個(gè)導(dǎo)頻子載波，共有nt根發(fā)射天線，nr根接收天線。令mimo無線信道的信道矩陣為
其中，
由此可以得到系統(tǒng)的觀測(cè)方程為
yi＝hixi+wi
其中，
顯然若以上式作為卡爾曼濾波器的觀測(cè)方程估計(jì)信道矩陣hi是難以完成的，因?yàn)樵撚^測(cè)方程組是一個(gè)欠定方程組。
本發(fā)明利用迭代估計(jì)的方法，首先需利用ls的方法得到信道矩陣的先驗(yàn)估計(jì)值
進(jìn)而可以構(gòu)造一個(gè)正定的觀測(cè)方程組如下
yi＝xihi+wi
其中，
為卡爾曼濾波器的觀測(cè)變量；
所述的基于卡爾曼濾波器的迭代信道估計(jì)方法，其特征在于，所述s2包括：
根據(jù)jacks信道模型，前后符號(hào)時(shí)間內(nèi)的信道響應(yīng)滿足如下關(guān)系：
其中，vi表示過程噪聲，其協(xié)方差矩陣為
其中，j0(·)表示零階貝塞爾函數(shù)，
由此可以構(gòu)造卡爾曼濾波器進(jìn)行信道估計(jì)，卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間模型為
可以得到其時(shí)間更新方程與測(cè)量更新方程如下：
時(shí)間更新方程：
hi-1＝ri|i-1hi-1
測(cè)量更新方程：
hi＝hi|i-1+ki(yi-xihi|i-1)
pi＝pi|i-1-kixipi|i-1
其中，pi|i-1為狀態(tài)變量的協(xié)方差矩陣，ki為卡爾曼濾波器的增益。
綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明迭代接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，利用迭代估計(jì)消除子信道干擾的方式，解決了mimo信道下難以利用卡爾曼濾波器進(jìn)行信道估計(jì)的問題，由于卡爾曼濾波器具有自適應(yīng)追蹤信道時(shí)域變化的能力，因此本發(fā)明能夠提升系統(tǒng)的信道估計(jì)精度。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
附圖說明
本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1本發(fā)明總體流程圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
本發(fā)明提出了一種基于卡爾曼濾波器的迭代信道估計(jì)方法，利用迭代估計(jì)消除子信道干擾的方式，解決了mimo信道下難以利用卡爾曼濾波器進(jìn)行信道估計(jì)的問題，利用卡爾曼濾波器的自適應(yīng)追蹤信道時(shí)域變化的能力，可以提升系統(tǒng)的信道估計(jì)精度。
結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，主要包括以下步驟：
步驟1：開始。
步驟2：接收到符號(hào)，利用ls估計(jì)構(gòu)造kf觀測(cè)方程，其中，kf表示卡爾曼濾波器。
在一個(gè)mimo-ofdm系統(tǒng)中，每一個(gè)子幀有n個(gè)子載波，其中有np個(gè)導(dǎo)頻子載波，共有nt根發(fā)射天線，nr根接收天線。令mimo無線信道的信道矩陣為
其中，
首先在導(dǎo)頻符號(hào)上采用ls信道估計(jì)，得到信道矩陣的先驗(yàn)估計(jì)值
yi＝xihi+wi
其中，
為卡爾曼濾波器的觀測(cè)變量；
步驟3：構(gòu)造kf狀態(tài)空間模型。
根據(jù)jacks信道模型，前后符號(hào)時(shí)間內(nèi)的信道響應(yīng)滿足如下關(guān)系：
其中，vi表示過程噪聲，其協(xié)方差矩陣為
其中，j0(·)表示零階貝塞爾函數(shù)，
由此可以構(gòu)造卡爾曼濾波器進(jìn)行信道估計(jì)，卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間模型為
步驟4：通過卡爾曼濾波估計(jì)方法進(jìn)行時(shí)域插值。
可以得到卡爾曼濾波器的時(shí)間更新方程和測(cè)量更新方程。
時(shí)間更新方程：
hi-1＝ri|i-1hi-1
測(cè)量更新方程：
hi＝hi|i-1+ki(yi-xihi|i-1)
pi＝pi|i-1-kixipi|i-1
其中，pi|i-1為狀態(tài)變量的協(xié)方差矩陣，ki為卡爾曼濾波器的增益。
步驟5：在頻域上采用線性插值，進(jìn)而獲得完整的一個(gè)子幀的信道響應(yīng)矩陣。
步驟6：判斷是否達(dá)到迭代次數(shù)，沒有則更新導(dǎo)頻子載波上所有數(shù)據(jù)符號(hào)位置的加權(quán)矩陣
步驟7：結(jié)束。
在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。