专利名称：Ofdm系统中基于ukf的信道与载波频率偏移估计方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信技术领域的信道和频偏估计的方法，具体是一种OFDM系统中基于UKF(无迹卡尔曼滤波器)的信道与载波频率偏移估计方法。
背景技术：
无线通信中信号在传播过程受到信道衰减、多径时延扩展和多普勒频率扩展等因素的影响，在接收端为了能够较好地恢复出发送信号通常采用相干解调，而相干解调需要信道参数信息，它通过信道估计来获得，因此信道估计器的性能直接影响系统性能。正交频分复用(OFDM)系统能够有效抵抗多径扩展造成的符号间干扰，使得在恶劣无线衰落信道下进行数据传输成为可能。在OFDM系统中，基于二维最小均方误差准则(MMSE)的信道估计方法是理论分析中性能最优的信道估计方法，但这类方法不仅复杂度极高，还需要知道部分或全部信道先验信息，因此工程应用价值不高。另外，基于最小平方准则(LS)的信道估计方法，虽然运算复杂度不高，但在信噪比下降时性能下降很快，不适合用于中低信噪比的场合。因此，寻找工程上适用的信道估计方法直接关系到接收机检测和译码性能的优劣，对提高宽带移动通信系统性能起着至关重要的作用。
OFDM建立在子载波间严格正交的基础上，任何传输过程中载波信号波形畸变均会影响子载波之间的正交性。数据符号周期的增加会使得OFDM系统比普通单载波系统对载波频率偏移和多普勒扩展更加敏感，从而使子载波之间干扰大大增加，引入子载波间干扰(ICI)，大大降低系统的性能。目前已经两类方法用来消除因载波频率偏移引起的ICI一类是对频率偏移进行估计后进行校正；另一类是采取措施降低系统对频率偏移的敏感性。自消除(SC)方法中，在相邻子载波中加入冗余数据来降低系统对频率偏移的敏感性，达到消除ICI的目的；最大似然估计(MLE)方法对频率偏移进行估计然后进行校正。当频率偏移的值比较小时，SC方法具有较好性能，这是因为此时相邻载波间产生的ICI之间的差别很小，SC方法中相邻子载波间的ICI可有效抵消。当频率偏移值比较大时，SC方法中相邻子载波之间不能完全消除ICI，而此时MLE方法对频率偏移有比较精确的估计。SC和MLE方法都需要一倍的冗余带宽，带宽效率低。因此要寻找一种带宽效率高，同时对频率偏移有精确的估计的方法。实际无线通信系统中同时受信道的多径效应、时变性以及载波频率偏移的影响，因此还必须寻找一种能够同时解决信道估计和载波频率偏移估计两个问题的方法。
经对现有技术的文献检索发现，Dieter Schafhuber等人在2003年的IEEE国际无线通信的信号处理学术会议(IEEE Workshop on Signal ProcessingAdvances in Wireless Communication)上发表文章“无线MIMO-OFDM系统中双选择性衰落信道的自适应辨识和跟踪(Adaptive Identification and Trackingof Doubly Selective Fading Channels for Wireless MIMO-OFDM Systems)”，该文提出一种适用于多天线OFDM系统的基于最小均方自适应滤波器(LMS)的信道估计方法，在无需知道信道统计信息的基础上，利用导频符号和LMS滤波器，对时变信道进行跟踪和估计，但该方法有个明显的缺点就是估计精度不是很高，尤其是在中低信噪比的环境下，远远小于基于二维最小均方误差准则的信道估计方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种OFDM系统中基于UKF的信道与载波频率偏移估计方法，使其在不知道信道统计信息的情况下具有估计性能稳健、鲁棒性强、抗加性高斯白噪声的能力强、抗子载波间干扰的特点，且易于实现。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是一种在OFDM系统中运用UKF处理导频信息得到信道与载波频率偏移估计值的方法，在已消除载波频偏的OFDM系统中，只考虑多径信道对系统的影响时，采用基于UKF的信道估计方法；在循环前缀的长度大于信道冲激响应的长度，且频域均衡器对信道进行了有效补偿的OFDM系统中，此时可以认为信道的影响主要来自噪声，而忽略信道多径效应的影响，采用基于UKF的载波频率偏移估计方法；在同时存在载波偏移和多径效应的OFDM系统中，采用基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法。
所述的基于UKF的信道估计方法，包括如下步骤步骤一使用导频信息通过最小平方的方法获取频域上导频符号处信道状态信息的初始值；步骤二通过对所述初始值进行快速逆傅立叶变换，得到时间/时延域的未考虑噪声作用下的信道状态信息；步骤三针对所述未考虑噪声作用下的信道状态信息运用自适应路径捕获方法获得信道的有效路径的信道状态信息；步骤四以捕获到的所述信道的有效路径的信道状态信息作为观测值，再利用UKF滤波器跟踪和估计出当前时刻的考虑噪声作用下的准确的信道状态信息；步骤五对所述的准确的信道状态信息进行快速傅立叶变换，得到导频符号的时间/频率域的信道传输函数；步骤六对所述导频符号的时间/频率域的信道传输函数通过插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码。
所述的信道状态信息包括有效路径的数目和位置，以及所述数目和位置所对应的信道的幅度和相位。自适应路径捕获方法是通过采用根据排序得到的信道的路径和当前时刻的信噪比来实时确定有效路径的数目和位置。在同一信噪比下，采用相同的有效路径的数目和位置。
所述的基于UKF的载波频率偏移估计方法，包括如下步骤步骤一导频结构为在时间域插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数；步骤二把时域接收信号构造为发送信号与衰减系数相乘的形式；步骤三在时域内，运用UKF滤波器对时域接收信号进行载波频率偏移估计；步骤四利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统。
所述基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法，包括如下步骤步骤一导频结构为在时间域每隔既定数目的OFDM符号插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数；步骤二将时间域接收信号构造为受载波频率偏移影响的发送信号与信道的卷积关系形式；步骤三将时间域接收信号的所述卷积关系形式转换为矩阵关系形式；步骤四在时间域内，运用UKF滤波器对所述矩阵关系形式进行信道估计和载波频率偏移估计；步骤五利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统。
步骤六对所述信道估计的结果通过插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码。
以下对本发明作进一步详细说明1、基于UKF的信道估计方法，具体实现如下(1)使用导频信息通过最小平方的方法获取频域上导频符号处信道状态信息的初始值假设采用NT根发射天线，NR根接收天线，n个OFDM符号以及K个子载波的MIMO-OFDM系统。a[n,k]=a(1)[n,k]···a(NT)[n,k]T]]>为发送信号向量，a(i)[n，k]表示天线i在n时刻，第k个子载波上的发送信号。对a[n，k]作IFFT并加上长为LCP的循环前缀(CP)得到第n个OFDM符号sn[m]=sn(1)[m]···sn(NT)[m]T,]]>每个OFDM符号持续时间为N＝K+Lcp。全部基带发送信号为s[m]=Σn=-∞+∞sn[m-nN].]]>sn[m]=1KNTΣk=0K-1a[n,k]ej2πmk/Km=-LCP,...,K-10else---(1)]]>信道的冲激响应可以表示为h(t,τ)=Σkγk(t)c(τ-τk)---(2)]]>在t时刻的频率响应为H(t,f)=∫-∞+∞h(t,τ)ej2πfτdτ=C(f)Σkγkej2πfτk---(3)]]>
C(f)=∫-∞+∞c(τ)e-j2πfτdτ---(4)]]>接收天线接收到的信号由衰落MIMO NR×NT的信道矩阵H[m，l]，传输信号S[m]和噪声η[m]形成。η[m]为分布为N(0，ση2)高斯白噪声r[m]=Σl=0L-1H[m,l]S[m-l]+ση[m]---(5)]]>接收信号，r[m]去循环前缀做FFT得到X[n,k]=1KΣm=0K-1r[nN+m]e-j2km/K---(6)]]>如果NfDoppler＜＜1，H[m，l]在一个OFDM符号的变化可以忽略，本发明中的MIMO-OFDM系统的输入/输出关系可以表示为X[n,k]=H^[n,k]a[n,k]+σ^η[n,k]---(7)]]>本发明的导频信息为结构采用块状的导频符号，每个导频符号包括所有的子载波上的时频块，导频的帧结构采用在一帧数据前面加入若干个导频符号的结构，在多天线系统中不同发射天线在同一时刻的导频是互相正交的。为了方便地处理信号，在一根天线上的同一个OFDM符号的不同子载波上的导频信号是相同的，不同发送天线发送的导频互相正交。P为所有天线上的导频序列所组成的导频矩阵，P=P1···PNT,]]>这里Pn是一根天线上的一串导频序列，Pn是一串周期为NT的循环序列，Pn+NT=Pn.]]>在有NT根发射天线的MIMO-OFDM系统中，发送信号和接收信号的关系表示为X[n,k]=WTNTT[n,k]H[n,k]+ση[n,k]---(8)]]>T[n，k]是考虑发送能量的a[n，k]，WT为发射信号T[n，k]的能量。采用频域LS信道估计，即不考虑噪声的影响得到H^[n,k]=NTWTT-1[n,k]X[n,k]---(9)]]>
导频处的信道估计式H^[n,k]=NTWTPHX[n,k]---(10)]]>信道传输方程表示为H^[n,k]=H[n,k]+ψ[n,k]---(11)]]>因此通过对 做IFFT得到信道的时域状态信息 (11)式转化为h~l[n]=hl[n]+zl[n]---(12)]]>其中zl[n]为满足N(0，σz2)分布的零均值，高斯向量。
(2)通过对所述初始值进行快速逆傅立叶变换，得到时间/时延域的未考虑噪声作用下的信道状态信息通过快速逆傅立叶变换(IFFT)得到时间/时延域的未考虑噪声作用下的信道状态信息。即接收机对LS方法估计出来的信道估计初值做快速逆傅立叶变换，得到时间/时延域的信道估计值。
(3)针对所述未考虑噪声作用下的信道状态信息运用自适应路径捕获方法获得信道的有效路径的信道状态信息本发明中采用了自适应门限捕获方法，该方法根据排序的信道抽头和当前时刻的信噪比来实时确定重要抽头的数目L和位置，使L的取值具有一定的自适应性，这种方法要优于传统的确定路径捕获法和传统的门限捕获法。
自适应门限捕获法L为重要抽头的数目Lm是所能接受的最大复杂度的多径数，一般取循环前缀数 为快速逆傅立叶变换(IFFT)，得到时间/时延域的信道估计值 为 的降序排列Li为满足下式的多径抽头数
|h^[l]|2>η·1αΣl=0α-1|h^sort[l]|2---(13)]]>L为Li和Lm的最小值η是一个门限值，η的取值决定于SNR，η2=η1SNR1SNR2]]>(4)以捕获到的所述信道的有效路径的信道状态信息作为观测值，再利用UKF滤波器跟踪和估计出当前时刻的考虑噪声作用下的准确的信道状态信息以当前时刻未考虑噪声作用下的信道状态信息作为观测值，利用UKF跟踪和估计当前时刻的考虑噪声作用下的准确的信道状态信息，在迭代过程中，状态噪声和测量噪声不断更新。
状态方程xn+1＝F(xn)+vn(14)测量方程yn＝H(xn)+nn(15)其中xn=h0[n]···hL-1[n]vec{T},]]>G(xn)=Th0[n]···ThL-1[n]vec{T}]]>H(xn)=h0[n]···hL-2[n]hL-1[n]]]>vn，nn分别为状态噪声向量和测量噪声向量。
LM×1维测量向量y^n=Δ[h~0T[n]...h~L-1T[n]]T,]]>M＝NT×NR，NT为发射天线数，NR为接收天线数。
(5)对所述的准确的信道状态信息进行快速傅立叶变换，得到导频符号的时间/频率域的信道传输函数以上步骤求得时间/时延域的信道估计的准确值，但是信号检测需要的是信道的时间/频率域的状态信息，因此，对时间/时延域的信道估计值做快速傅立叶变换(FFT)变换得到时间/频率域信道估计值。
(6)对所述导频符号的时间/频率域的信道传输函数通过插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码2、基于UKF的载波频率偏移估计方法，具体实现如下(1)导频结构为在时间域插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数考虑接收到的信号中引入了频率偏移的情况。频率偏移可以看作是信道中引入的一个乘性因子，假设采用2发2收的MIMO-OFDM系统，rn1=tn1×ej2πNnϵn11+tn2×ej2πNnϵn21+wn1---(16)]]>rn2=tn1×ej2πNnϵ21+tn2×ej2πNnϵ22+wn2---(17)]]>tni为n时刻第i根发射天线的发送信号，rnj为n时刻第j根接收天线的接收信号，εnij为发射天线i到接收天线j传输路径上的归一化的频率频移值，wnj为传输路径上引入的加性高斯白噪声，N是子载波数，LCP是循环前缀数。
在时间域插入一个OFDM符号用作等值导频。
pni=1,]]>k＝1，2…N+LCP-1，i＝1，2其中，N是子载波数，LCP是循环前缀数。
(2)把时域接收信号构造为发送信号与衰减系数相乘的形式导频处的频率偏移模型为rn1=pn1×ej2πNnϵn11+pn2×ej2πNnϵn21+wn1---(18)]]>rn2=pn1×ej2πNnϵ21+pn2×ej2πNnϵ22+wn2---(19)]]>(3)在时域内，运用UKF滤波器对时域接收信号进行载波频率偏移估计UKF估计载波频率偏移状态方程
xn+1＝F(xn)+vn测量方程yn＝H(xn)+nn其中xn=ϵn11ϵn21,]]>F(xn)＝xn，H(xn)=pn1×ej2πNnϵn11+pn2×ej2πNnϵn21,]]>yn=rn1]]>为观测向量，vn，nn分别为状态噪声与测量噪声向量。
可以看出测量方程为非线性方程，需要采用非线性滤波器来进行处理。采用UKF滤波器处理(18)，(19)式。
(4)利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统3、基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法，具体实现如下(1)导频结构为在时间域每隔既定数目的OFDM符号插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数；假设采用NT根发射天线，NR根接收天线，n个OFDM符号以及N个子载波的MIMO-OFDM系统。ai(n，k)表示天线i在n时刻，第k个子载波上的发送信号。对ai(n，k)作IFFT并加上长为LCP的循环前缀(CP)得到第个OFDM符号sni(m)，每个OFDM符号持续时间为N＝K+Lcp。
信道模型为sϵnij(m)=sni(m)×ej2πmϵijN---(20)]]>其中εij＝fdij/Δf＝Nfdij/fs为为发射天线i到接收天线j传输路径上传送第n个OFDM符号时的归一化的频率频移值，fdij是频率偏移，fs＝1/Ts是数据符号sni(m)的传输速率，Δf＝fs/N是子载波间隔。
导频的帧结构采用在一帧数据前面加入一个导频符号的结构。
(2)将时间域接收信号构造为受载波频率偏移影响的发送信号与信道的卷积关系形式考虑系统所经过的信道为慢衰落信道，在传输一个OFDM符号的时间内，信道信息不变。
如果NfDoppler＜＜1，信道在一个OFDM符号的变化可以忽略，本发明的MIMO-OFDM系统的输入输出关系可表示为rnj=Σi=1NThnij*sϵnij+ηnj---(21)]]>其中rnj＝[rnj(1)，…，rnj(N)]T为接收天线j上的接收信号向量，hnij＝[hnij(1)，…，hnij(L)]T为发射天线i到接收天线j传输路径的信道冲激响应向量，sεnij＝[sεnij(1)，…，sεnij(N)]T为存在载波频偏的发送信号向量，ηnj＝[ηnj(1)，…，ηnj(N)]T为加性高斯白噪声列矢量，L为信道冲激响应的最大长度。
(3)将时间域接收信号的所述卷积关系形式转换为矩阵关系形式卷积形式可以表示为矩阵相乘的形式有rnj=Σi=1NTSϵnijhnij+ηnj---(22)]]>经过无线信道，去循环前缀的接收信号表示为rn1=[Cϵ11·pn1]*hn11+[Cϵ21·pn2]*hn21+ηn1---(23)]]>rn2=[Cϵ12·pn1]*hn12+[Cϵ22·pn2]*hn22+ηn2---(24)]]>其中pnl为导频列向量rn1=[pϵn11]*hn11+[pϵn21]*hn21+ηn1---(25)]]>rn2=[pϵn12]*hn12+[pϵn22]*hn22+ηn2---(26)]]>其中pϵnij=Cϵijpni]]>将卷积形式表示成矩阵形式，有
rn1=Pϵn11hn11+Pϵn21hn21+ηn1---(27)]]>rn2=Pϵn12hn12+Pϵn22hn22+ηn2---(28)]]>(4)在时间域内，运用UKF滤波器对所述矩阵关系形式进行信道估计和载波频率偏移估计首先用UKF来处理式(27)xn+1＝F(xn)+vn(29)yn＝H(xn)+nn(30)其中xn=hn11ϵn11hn21ϵn21,]]>F(xn)＝xn，H(xn)=Pϵn11hn11+pϵn21hn21,]]>yn=rn1]]>为观测向量，vn，nn分别为状态噪声与测量噪声向量。
运用UKF滤波器到信道的时域估计值 经FFT变换得到频域估计值 用于信道检测。
H^(n,k)=1NTΣl=0L-1h^n(l)e-j2kl/N---(31)]]>(5)利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统(6)对所述信道估计的结果通过插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码。
本发明的优点在于基于UKF的信道估计方法中采用了自适应路径捕获算法大大降低了计算复杂度并提高了估计精度；用UKF对信道估计值进行滤波处理，提高估计精度。
基于UKF的载波频率偏移估计的方法来消除ICI，与传统的SC干扰自消除方法相比，在处理频率偏移较大的情况下，有更好的消除ICI的性能，而且带宽利用率高。本发明中基于UKF的载波频率偏移估计的方法来消除ICI的方法与ML方法的复杂度相似，但是ML方法需要重复发送码元，需要一倍的冗余，同SC方法具有一样的带宽效率，所以基于UKF的方法比ML方法的带宽利用率高。
基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法可以同时估计出信道信息与子载波间频率偏移。由于UKF比EKF更适合处理非线性问题，所以，这种基于UKF的联合估计方法能够更好地消除载波频偏对信道估计的影响，具有令人满意的性能，。
图1是OFDM系统中基于UKF的信道与载波频率偏移估计方法原理框2是MIMO-OFDM系统中信道估计导频结构3是MIMO-OFDM系统中基于UKF的信道估计方法框4是信道估计中自适应路径捕获方法与确定路径数信道估计的MSE性能比较5是信道估计中基于UKF、LS和LMS的信道估计BER性能比较6是MIMO-OFDM系统中基于UKF的载波频率偏移估计原理7是MIMO-OFDM系统存在频率偏移时的BER信能8是MIMO-OFDM系统中信道与载波频率偏移联合估计导频结构9是MIMO-OFDM系统中基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计原理10是基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计的BER性能图具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明其原理框图如图1所示，在已消除载波频偏的OFDM系统中，只考虑多径信道对系统的影响时，采用基于UKF的信道估计方法；在循环前缀的长度大于信道冲激响应的长度，且频域均衡器对信道进行了有效补偿的OFDM系统中，此时可以认为信道的影响主要来自噪声，而忽略信道多径效应的影响，采用基于UKF的载波频率偏移估计方法；在同时存在载波偏移和多径效应的OFDM系统中，
采用基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法。
下面给出一个具体的OFDM参数配置，来阐述本发明的实现步骤。需要说明的是，下例中的参数并不影响本发明的一般性。
本发明采用2发2收的MIMO-OFDM系统，即NT＝2，NR＝2.采用QPSK的调制方式，空时编码方案采样正交空时块码(O-STBC)，码率为1/2，空时解码采样最大似然(ML)译码方案，载频4GHz，带宽6M，子载波个数为64，考虑到本发明的信道估计方法比较适合于频率选择性慢衰落信道，因此信道模型采用ITU提出的多径瑞利衰落信道，信道多径数目为5，时延为
ns，功率为[-1.78 0 -7.47 -10 -12.62]dB，运动速度3km/h。
基于UKF的信道估计方法具体实现如下(1)如图2所示，每隔六个OFDM符号插入两个导频符号，共发送600个OFDM符号，即插入200个导频符号。导频采样正交化设计，不同发送天线发送的导频互相正交，发送天线1到发送天线2的导频分别为P1＝[1，1]，P2＝[1，-1]。
(2)如图3框图所示，在频域利用最小平方法(LS)求出每个导频处的信道的初始估计值 这实际上是一种不考虑噪声影响的理想化的信道估计方法。
(3)如图3所示，每个接收机对各自的LS方法估计出来的信道估计初值做快速逆傅立叶变换(IFFT)，得到时间/时延域的信道估计值 (4)在自适应路径捕获算法中，η是一个门限值，η的取值决定于SNR，η2=η1SNR1SNR2,]]>观察可得在信噪比SNR值为10dB时取值范围为0.1-0.4。
(5)对所述的准确的信道状态信息进行快速傅立叶变换，得到导频符号的时间/频率域的信道传输函数；(6)对所述导频符号的时间/频率域的信道传输函数通过高斯插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码。
如图4所示，在系统的MSE(均方误差)性能比较中，采用自适应路径捕获算法的UKF信道估计方法比确定路径数为16的UKF信道估计方法和确定路径数为8的UKF信道估计方法分别取得3dB和6dB的性噪比增益。
如图5所示，在系统的MSE(均方误差)性能比较中，基于UKF的信道估计方法比LMS信道估计方法以及LS信道估计分别取得5dB和10dB的性噪比增益。
基于UKF的载波频率估计方法具体实现如下(1)如图6所示，发明中采用2发2收的MIMO-OFDM系统。当OFDM系统存在频率偏移时，频率偏移可以看作是信道中引入的一个乘性因子。
其导频结构为在时间域插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数，在具体实施方案中即插入一个长为64的值均为1的导频符号；2)在时域内载波频率偏移的影响可以表示为 的形式，其中ε为归一化的频率偏移，在具体实施方案中的2发2收系统中存在4个载波频率偏移即ε11发送天线1到接收天线1的载波频率偏移，ε12发送天线1到接收天线2的载波频率偏移，ε21发送天线2到接收天线1的载波频率偏移，ε22发送天线2到接收天线2的载波频率偏移，把时域接收信号构造为发送信号与衰减系数相乘的形式；(3)在时域内，运用UKF滤波器对时域接收信号进行载波频率偏移估计可以看出测量方程为非线性方程，需要采用非线性滤波器来进行处理。采用UKF滤波器处理来估计载波频率偏移。因为载波频率偏移为实数，所以对每一步更新得到频率偏移的估计值xn取实部，直到时域导频信号估计完毕得到频率偏移ε11，ε21，ε12，ε22的估计值，再用频率偏移估计值对接收到的信号进行频率偏移校正；(4)利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统。
仿真结果表明，载波频率偏移估计值ε11，ε12，ε21和ε22迅速地收敛到其真实值附近。
如图7所示，在系统的BER(误比特率)性能比较中，可以看出OFDM系统的误码率受到频率偏移的影响很大，随着频率偏移的增加，OFDM系统的误码率将大大的增加，尤其当|ε|＞0.3时，信噪比的改善无助于误码率的降低。
如图8所示，采用基于UKF的载波频率偏移估计方法的系统性能逼近无载波频率偏移的系统。
基于UKF的信道与载波频率联合估计方法具体实现如下(1)图9给出该方法的系统模型。导频结构为在时间域每隔7个OFDM符号插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数；(2)将时间域接收信号构造为受载波频率偏移影响的发送信号与信道的卷积关系形式；(3)将时间域接收信号的所述卷积关系形式转换为矩阵关系形式；(4)在时间域内，运用UKF滤波器对所述矩阵关系形式进行信道估计和载波频率偏移估计，因为载波频率偏移为实数，所以对每一步更新得到频率偏移的估计值εnij取实部，直到时域导频信号估计完毕得到频率偏移。经过基于UKF滤波得到频率偏移的估计值后，用这一估计值对接收到的信号进行频率偏移校正；得到信道的时域估计值 经FFT变换得到频域估计值 用于信道检测；(5)利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统。
(6)对所述信道估计的结果通过插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码。
本发明提出的方法能够很好地跟踪载波频率偏移的变化，载波频率偏移估计值迅速地收敛到真实值附近，准确快速地估计出载波频移。基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法的系统BER性能如图10所示。
由图可见，基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法能够很好地估计出载波频移和信道信息，消除ICI和信道多径效应，使系统的性能得到了很大的改善。通过仿真性能比较，在BER为10-3的时候，本发明中的UKF方法可以比EKF方法取得0.3dB的信噪比增益，可以体现出在处理非线性问题时，UKF的性能要优于EKF。
权利要求
1.一种OFDM系统中基于UKF的信道与载波频率偏移估计方法，其特征在于，在已消除载波频偏的OFDM系统中，只考虑多径信道对系统的影响时，采用基于UKF的信道估计方法；在循环前缀的长度大于信道冲激响应的长度，且频域均衡器对信道进行了有效补偿的OFDM系统中，此时信道的影响来自噪声，忽略信道多径效应的影响，采用基于UKF的载波频率偏移估计方法；在同时存在载波偏移和多径效应的OFDM系统中，采用基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法。
2.一种如权利要求1所述基于UKF的信道估计方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤一使用导频信息通过最小平方的方法获取频域上导频符号处信道状态信息的初始值；步骤二通过对所述初始值进行快速逆傅立叶变换，得到时间/时延域的未考虑噪声作用下的信道状态信息；步骤三针对所述未考虑噪声作用下的信道状态信息运用自适应路径捕获方法获得信道的有效路径的信道状态信息；步骤四以捕获到的所述信道的有效路径的信道状态信息作为观测值，再利用UKF滤波器跟踪和估计出当前时刻的考虑噪声作用下的准确的信道状态信息；步骤五对所述的准确的信道状态信息进行快速傅立叶变换，得到导频符号的时间/频率域的信道传输函数；步骤六对所述导频符号的时间/频率域的信道传输函数通过插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码。
3.根据权利要求2所述的基于UKF的信道估计方法，其特征是所述信道状态信息包括有效路径的数目和位置，以及所述数目和位置所对应的信道的幅度和相位。
4.根据权利要求2所述的基于UKF的信道估计方法，其特征是所述的自适应路径捕获方法是通过采用根据排序得到的信道的路径和当前时刻的信噪比来实时确定有效路径的数目和位置。
5.根据权利要求4所述的基于UKF的信道估计方法，其特征是，在同一信噪比下，采用相同的有效路径的数目和位置。
6.根据权利要求2所述的基于UKF的信道估计方法，其特征是在所述步骤四中，在利用UKF滤波方法进行跟踪和估计当前时刻准确的信道状态信息的过程，每次迭代中不断更新状态噪声和测量噪声。
7.一种如权利要求1所述的基于UKF的载波频率偏移估计方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤一导频结构为在时间域插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数；步骤二把时域接收信号构造为发送信号与衰减系数相乘的形式；步骤三在时域内，运用UKF滤波器对时域接收信号进行载波频率偏移估计；步骤四利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统。
8.根据权利要求7所述的基于UKF的载波频率偏移估计方法，其特征是所述的载波频率偏移估计通过结合导频处的频率偏移模型，采用非线性滤波器实现。
9.一种如权利要求1所述的基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤一导频结构为在时间域每隔既定数目的OFDM符号插入一个导频符号用作等值导频，导频符号长为子载波数；步骤二将时间域接收信号构造为受载波频率偏移影响的发送信号与信道的卷积关系形式；步骤三将时间域接收信号的所述卷积关系形式转换为矩阵关系形式；步骤四在时间域内，运用UKF滤波器对所述矩阵关系形式进行信道估计和载波频率偏移估计；步骤五利用估计出的载波频移进行载波频率偏移校正，得到消除子载波干扰后的系统；步骤六对所述信道估计的结果通过插值方法得到数据符号所对应的信道传输函数，把所述传输函数送给信号检测模块进行检测或译码。
全文摘要
一种OFDM系统中基于UKF的信道与载波频率偏移估计方法，用于无线传输技术领域。本发明中的信道估计方法从频域出发，首先利用LS方法得到导频处信道的初略估计值，再在时域运用路径捕获法和UKF方法得到信道的精确估计值。本发明中的OFDM系统中基于UKF的载波频率偏移估计方法通过UKF滤波方法在时域估计出载波频移，再经过载波频移校正，消除ICI。本发明还针对存在子载波间干扰以及经过时变无线信道的OFDM系统，提出一种基于UKF的信道与载波频率联合估计方法，利用特定的导频结构及卷积的矩阵变化形式，可有效地消除ICI和提高信道估计的准确性，且具有良好的收敛性和鲁棒性。
文档编号H04B1/707GK101056302SQ200710041459
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者顾婷婷, 梁永明, 罗汉文, 李红星 申请人:上海交通大学, 夏普株式会社