技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于卡爾曼濾波的參數(shù)模型信道估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：
無(wú)線通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到無(wú)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(wú)線信道并不像有線信道固定并可預(yù)見(jiàn)，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(lái)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(wú)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(wú)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需要的統(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(lái)的性能非常的理想，但其計(jì)算復(fù)雜度非常高；最大似然法計(jì)算復(fù)雜度更高。
基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法，其目的是估計(jì)表征信道響應(yīng)的參數(shù)，例如，路徑的數(shù)目，路徑延遲和路徑增益。基于參數(shù)模型的信道估計(jì)可以大大降低信道相關(guān)矩陣的維數(shù)，且當(dāng)未知參數(shù)數(shù)量比信道相關(guān)矩陣維度少時(shí)，基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法能夠提高信道估計(jì)性能。當(dāng)未知參數(shù)數(shù)量比信道相關(guān)矩陣維度少時(shí)，雖然基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法能顯著提高信道估計(jì)性能，但基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法缺點(diǎn)也很明顯。首先，在到達(dá)路徑的數(shù)量非常小的郊區(qū)，基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法利用子空間的信號(hào)處理技術(shù)能夠直接估計(jì)未知參數(shù)，然而，現(xiàn)在大多數(shù)的通信發(fā)生在城市地區(qū)，這限制了使用基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法。其次，基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法，利用信號(hào)處理技術(shù)要求的空間相關(guān)矩陣是平均在一個(gè)較長(zhǎng)的符號(hào)序列，這使得基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法只適用于連續(xù)傳輸，如數(shù)字廣播，很少用于突發(fā)通信系統(tǒng)，如無(wú)線局域網(wǎng)。
卡爾曼濾波一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)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(guò)程。狀態(tài)估計(jì)是卡爾曼濾波的重要組成部分。一般來(lái)說(shuō)，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(wèn)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。最常用的是最小二乘估計(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，對(duì)于現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的信道估計(jì)方法，它們的計(jì)算方法存在復(fù)雜度高，估計(jì)精度低，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，這就亟需本領(lǐng)域技術(shù)人員解決相應(yīng)的技術(shù)問(wèn)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(wèn)題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于卡爾曼濾波的參數(shù)模型信道估計(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參數(shù)模型信道估計(jì)方法，其特征在于，包括：
s1，根據(jù)jacks信道模型，建立信道多徑增益的自回歸過(guò)程。
s2，構(gòu)造卡爾曼濾波器對(duì)信道多徑增益進(jìn)行最小均方誤差估計(jì)。
s3，通過(guò)傅里葉變換將其還原成為信道頻域響應(yīng)。
所述的基于卡爾曼濾波的參數(shù)模型信道估計(jì)方法，其特征在于，所述s1包括：
在一個(gè)lte系統(tǒng)中，考慮每一個(gè)子幀有n個(gè)子載波，則無(wú)線信道的沖激響應(yīng)建模為：
其中，l為總的信道多徑數(shù)，l表示第l條路徑，αl(t)表示第l條路徑的信道增益，τl表示第l條路徑的時(shí)延；假定采樣間隔為ts，則在第i個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的采樣值是一個(gè)時(shí)域長(zhǎng)度為n個(gè)點(diǎn)的序列，將第i個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)的信道沖激響應(yīng)離散化后，有
其中，αi,l表示第l條路徑第i個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)的平均信道增益；n表示序列中的第n個(gè)采樣點(diǎn)，nl滿(mǎn)足nl＝[τl/ts]，[·]表示取整操作，由此可以得到信道多徑增益向量αi，有
αi＝[αi,0,...,αi,l,...,αi,l-1]t
根據(jù)jacks信道模型，建立信道多徑增益的自回歸過(guò)程；前后符號(hào)時(shí)間內(nèi)的信道增益滿(mǎn)足如下關(guān)系：
αi＝ri|i-1αi-1+vi
其中，vi表示過(guò)程噪聲，其協(xié)方差矩陣為qv,i，
ri|i-1＝diag[ri|i-1(0),...,ri|i-1(l),...,ri|i-1(l-1)]
ri|i-1(l)＝j(luò)0(2πfdts(n-nl))
其中，j0(·)表示零階貝塞爾函數(shù)，fd表示最大多普勒頻移。
所述的基于參數(shù)模型的信道估計(jì)方法，其特征在于，所述s2包括：
構(gòu)造卡爾曼濾波器對(duì)信道多徑增益進(jìn)行最小均方誤差估計(jì)，得到系統(tǒng)的觀測(cè)方程為：
yi＝xihi+wi＝xiflαi+wi
其中，yi表示接收符號(hào)向量，xi表示發(fā)送符號(hào)的對(duì)角矩陣，hi表示頻域響應(yīng)向量，
令si＝xifl，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：
αi|i-1＝ri|i-1αi-1
測(cè)量更新方程：
αi＝αi|i-1+ki(yi-siαi|i-1)
pi＝pi|i-1-kisipi|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。
所述的基于卡爾曼濾波的參數(shù)模型信道估計(jì)方法，其特征在于，所述s3包括：
通過(guò)傅里葉變換，根據(jù)信道的時(shí)域沖激響應(yīng)，得到其頻域響應(yīng)向量hi：
hi＝flαi。
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)明通過(guò)基于卡爾曼濾波的參數(shù)模型估計(jì)，能夠有效地利用jacks模型來(lái)假設(shè)信道時(shí)域相關(guān)性，簡(jiǎn)化卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)，并且能夠通過(guò)卡爾曼濾波器估計(jì)狀態(tài)變量最小均方誤差，實(shí)現(xiàn)降低信道估計(jì)器復(fù)雜度的同時(shí)提升信道估計(jì)的精度。
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(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
附圖說(shuō)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是本發(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(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)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(yǔ)“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(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“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(guò)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(yǔ)的具體含義。
本發(fā)明提出了一種基于卡爾曼濾波的參數(shù)模型信道估計(jì)方法，有效地利用jacks模型對(duì)于信道時(shí)域相關(guān)性的假設(shè)，簡(jiǎn)化卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)，得到狀態(tài)變量最小均方誤差估計(jì)結(jié)果，可降低信道估計(jì)器復(fù)雜度，同時(shí)提升信道估計(jì)的精度。
結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，主要包括以下步驟：
步驟1：開(kāi)始。
步驟2：接收到符號(hào)，開(kāi)始信道估計(jì)。
在一個(gè)lte系統(tǒng)中，考慮每一個(gè)子幀有n個(gè)子載波，則多徑信道上的沖激響應(yīng)為：
yi＝xihi+wi
其中，i表示第i個(gè)符號(hào)時(shí)間，yi為接收符號(hào)向量，xi為發(fā)送符號(hào)的對(duì)角矩陣，假設(shè)所有子載波是正交的，即沒(méi)有子載波間干擾，那么可以將n個(gè)子載波發(fā)送符號(hào)表示成矩陣形式：
其中xi[n]表示第i個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)第n個(gè)子載波上的信號(hào)，n＝0,1,…,n-1，hi為頻域響應(yīng)向量，
步驟3：提取導(dǎo)頻子載波。
令導(dǎo)頻處子載波為np，則在導(dǎo)頻符號(hào)處的導(dǎo)頻符號(hào)表示為xi[np]。
步驟4：首先獲得發(fā)送符號(hào)xi的矩陣，然后根據(jù)jacks模型建立信道多徑增益的自回歸過(guò)程，再構(gòu)造卡爾曼濾波器對(duì)信道多徑增益進(jìn)行最小均方誤差估計(jì)，最后使用卡爾曼濾波器進(jìn)行時(shí)域插值，估計(jì)信道增益向量αi。具體實(shí)施過(guò)程如下：
(1)在導(dǎo)頻符號(hào)處直接獲得導(dǎo)頻符號(hào)xi[np]，在數(shù)據(jù)符號(hào)位置采用判決反饋的方法獲取xi[k]，k≠np；通過(guò)xi＝y(tǒng)i·pinv(flαi|i-1)，pinv(·)表示求廣義逆矩陣操作，根據(jù)獲得的xi可以得到αi|i-1。
(2)根據(jù)jacks信道模型，建立信道多徑增益的自回歸過(guò)程，前后符號(hào)時(shí)間內(nèi)的信道增益滿(mǎn)足如下關(guān)系：
αi＝ri|i-1αi-1+vi
其中，vi表示過(guò)程噪聲，其協(xié)方差矩陣為qv,i，
ri|i-1＝diag[ri|i-1(0),...,ri|i-1(l),...,ri|i-1(l-1)]
ri|i-1(l)＝j(luò)0(2πfdts(n-nl))
其中，j0(·)表示零階貝塞爾函數(shù)，fd表示最大多普勒頻移。
(3)構(gòu)造卡爾曼濾波器對(duì)信道多徑增益進(jìn)行最小均方誤差估計(jì)，得到系統(tǒng)的觀測(cè)方程為：
yi＝xihi+wi＝xiflαi+wi
其中，
令si＝xifl，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：
αi|i-1＝ri|i-1αi-1
測(cè)量更新方程：
αi＝αi|i-1+ki(yi-siαi|i-1)
pi＝pi|i-1-kisipi|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。
(4)使用卡爾曼濾波器進(jìn)行時(shí)域插值，估計(jì)信道增益向量αi。
步驟5：通過(guò)增益向量αi，由hi＝flαi還原出導(dǎo)頻子載波上的信道頻域響應(yīng)；重復(fù)步驟4和步驟5i次，直至獲得一個(gè)子幀符號(hào)上的信道響應(yīng)。
步驟6：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7：結(jié)束。
在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“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(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)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。