专利名称：一种获取非连续正交频分复用系统较优导频的方法
技术领域：
本发明属于正交多路复用系统技术领域，具体涉及非连续正交频分复用(NC-OFDM)系统获取较优导频的方法。
背景技术：
非连续正交频分复用是一种基于认知无线电的数据传输技术，它适用于离散频谱碎片的环境，可视作传统正交频分复用(OFDM)技术的一种变型。在频谱不连续分布情况下，非连续正交频分复用系统将整个处理频带按正交频分复用的方式进行规划，并利用相互正交的子载波覆盖全频带；通过频谱感知模块提供的精确频谱信息，它将离散的空闲频谱碎片所对应的子载波设置为活跃子载波，而将其余不可用频带(被其它系统占用部分)相对应的子载波设置为空闲子载波，因此在充分地利用频谱碎片的同时，它能有效地防止对相邻系统的干扰。由于非连续正交频分复用技术的频谱利用率极高、对抗多径衰落的鲁棒性很强、数据传输速率很高，因此它被认为是第四代移动通信系统中最有竞争力的候选技术。
在正交频分复用系统中，信号的传输会受到无线信道的影响，从而使接收信号产生较为严重的衰落失真。为了提高信号的接收性能，正交频分复用系统的接收端通常需要对信道进行准确估计，常用的方法是采用导频辅助解调方法，即发送端在某些特定的子载波位置上插入一些已知的导频符号，接收端再利用这些导频符号通过先进的信道估计器进行估计。《国际电气与电子工程师协会-消费电子汇刊》(IEEE Transactions onConsumer Electronics，vol.44，pp.1122-1128，Sept.1998)指出，导频位置和导频功率对信道估计的性能有着最为重要的影响，当接收端采用最小二乘(LS)信道估计算法时，在基于最小化信道估计均方误差(MSE)的准则下，活跃子载波内等间隔等功率分配的导频是最优的。然而，由于频谱的随机不连续性，这种最优的导频不一定适用于非连续正交频分复用系统中。
为了解决上述问题，第二届《国际专题报告-通信、控制和信号处理》(Proc.IEEEEURASIP Int.Symp.Communications，Control，and Signal Processing，Mar.2006)由茂勒勾岣(Mounir Ghogho)所发表的“On optimum pilot design for OFDM systems with virtualcarriers”一文中提出了一种在非连续频谱下获取最优导频的方法，在基于最小化活跃子载波信道估计均方误差的准则下，通过穷举所有可行的导频图案求得导频的最优位置及其最优功率，但该方法的复杂度过于庞大，难以应用于实际系统中。
发明内容
本发明的目的是提出一种获取非连续正交频分复用系统较优导频的方法，以解决现有方法中运算量巨大、无法应用于实际系统中的问题，提高系统的信道估计性能，降低系统的误码率。
本发明获取非连续正交频分复用系统较优导频的方法，发送端采用梳状导频进行传输，通过前端的频谱感知模块，确定可用不连续频谱的位置
及其含有的活跃子载波个数NC，根据预先协商所需的导频个数P、导频总功率PTot以及信道的最大时延扩展径数L，在基于最小化活跃子载波信道估计均方误差的准则下，计算出系统中的较优导频位置
及其功率P；其特征在于依次包含以下步骤 步骤一、根据导频平均间隔PS＝NC/P来计算可用不连续频谱的导频平均间隔PS； 步骤二、按照相邻可用频谱块的间隔必须大于可用不连续频谱的导频平均间隔PS、可用频谱块内相邻子载波的间隔不可超过可用不连续频谱的导频平均间隔PS这两个要求，把可用不连续频谱分解为一系列互不重叠的可用频谱块；设可用频谱块的位置为
其中ki(m)表示第m块可用频谱块的第i个活跃子载波的序号或位置，在
中进行升序排列，m＝1，2，...，M，i＝1，2，...，NCm，M为可用不连续频谱分解得到的可用频谱块的块数，NCm为第m块可用频谱块含有活跃子载波的个数； 步骤三、根据导频个数Pm＝floor((P-M)*(NCm-1)/(NC-M))+1来初步计算每块可用频谱块所需分配的导频个数Pm，m＝1，2，...，M，floor(·)表示取不大于指定数字的最大整数；接着根据导频平均间隔PSm＝(NCm-1)/(Pm-1)来计算此时每块可用频谱块的导频平均间隔PSm，m＝1，2，...，M； 步骤四、根据剩余未分配的导频个数来计算剩余未分配的导频个数P′；若P′＞0，则对每块可用频谱块的导频平均间隔PSm进行降序排列，并对排序后的前面P′块可用频谱块分别增加一个导频，同时更新它们分配的导频个数Pm和导频的平均间隔PSm；若P′＝0，则Pm和PSm保持不变； 步骤五、先根据初始导频位置
来确定每块可用频谱块的初始导频位置
m＝1，2，...，M，ceil(·)表示取不小于指定数字的最小整数；接着对每块可用频谱块的初始导频位置
进行合并，组成系统的初始导频位置
然后根据导频功率来计算此初始导频位置
所对应的最优导频功率P，B＝[b1，b2，...，bP]T，(·)T表示矩阵的转置操作，i＝1，2，...，NC-P，j＝1，2，...，P，
t＝1，2，...，L，N为系统的总子载波个数，
表示数据子载波的位置，它等于可用不连续频谱的位置
减去导频位置
即
表示矩阵的伪逆操作，|·|2表示对矩阵中每一个元素取模值的平方；最后根据活跃子载波信道估计均方误差
来计算上述初始导频位置
和导频功率P所对应的活跃子载波信道估计均方误差
并将其令为
其中，(·)-1和(·)H分别表示矩阵的求逆和共轭转置操作，D(·)表示对角阵，tr{.}表示求矩阵的迹； 步骤六、对于第m块可用频谱块的第i个导频，计算当其子载波序号依次被该可用频谱块中的数据子载波序号替换时的系统导频位置
利用公式计算得到导频功率P和利用公式
计算得到活跃子载波信道估计均方误差
m＝1，2，...，M，i＝2，3，...，NCm-1；设此遍历过程中
的最小值为
将其与
作比较，若
则令
并用
所对应的数据子载波序号和导频功率P′来替换原先第m块可用频谱块的第i个导频子载波序号和它所对应的导频功率P；若
则
导频位置
和导频功率P保持不变； 步骤七、令步骤六中的m从1遍历到M，每个m所对应的i从2遍历到NCm-1，即当每块可用频谱块内的所有导频都遍历完后，则
所对应的导频位置
导频功率P即为系统所获得的较优导频。
由于本发明采用了可用频谱块分配的导频个数正比于可用频谱块大小的方法来确定每块可用频谱块所需插入的导频个数，同时采用了串行搜索的方法来求出每块可用频谱块内的较优导频位置及其功率，从而把一个全局多维空间的搜索问题转化为一个局部多个一维空间的搜索问题，与第二届《国际专题报告-通信、控制和信号处理》由茂勒勾岣(Mounir Ghogho)发表的“On optimum pilot design for OFDM systems with virtual carriers”一文中所介绍的穷尽搜索方法相比，本发明方法极大地降低运算复杂度；采用本发明方法所设计的导频能提高系统的信道估计性能，降低系统的误码率。
图1为本发明方法应用在实施例1时的信道估计性能曲线。
图2为本发明方法应用在实施例1时的误码率性能曲线。
图3为本发明方法应用在实施例2时的信道估计性能曲线。
图4为本发明方法应用在实施例2时的误码率性能曲线。
具体实施例方式 实施例1具有两段频谱的非连续正交频分复用系统的导频设计 本实施例以下面给出的具有两段频谱的非连续正交频分复用系统为例，介绍本发明的具体实施方式
。
设该非连续正交频分复用系统的总子载波个数N＝64，可用不连续频谱的位置
其含有的活跃子载波个数NC＝40，插入的导频个数P＝8，导频的总功率PTot＝8，信道的最大时延扩展径数L＝8。采用本发明方法获取此系统的较优导频，其步骤如下 1、根据公式PS＝NC/P来计算可用不连续频谱的导频平均间隔PS，得到PS＝5； 2、按照相邻可用频谱块的间隔必须大于可用不连续频谱的导频平均间隔PS、可用频谱块内相邻子载波的间隔不可超过可用不连续频谱的导频平均间隔PS这两个要求，把可用不连续频谱分解为一系列互不重叠的可用频谱块，分解结果为
NC1＝15；
NC2＝25； 3、根据公式Pm＝floor((P-M)*(NCm-1)/(NC-M))+1来初步计算每块可用频谱块所需分配的导频个数Pm，并根据公式PSm＝(NCm-1)/(Pm-1)来计算此时每块可用频谱块的导频平均间隔PSm，计算结果为 P1＝3，PS1＝7； P2＝4，PS2＝8； 4、根据公式来计算剩余未分配的导频个数P′，得到P′＝1＞0，因此需要对这两块可用频谱块的导频平均间隔PSm以降序进行排列，排列后的结果如下所示PS2＞PS1，此时剩下未分配的那个导频需要分配给第2块可用频谱块，这是为了让这两块可用频谱块的导频平均间隔尽量接近，以使它们的信道估计误差尽可能相等，最后更新第2块可用频谱块最终分配的导频个数和导频平均间隔 P2＝5，PS2＝6； 5、先根据公式
来确定每块可用频谱块的初始导频位置
接着对每块可用频谱块的初始导频位置
进行合并，组成系统的初始导频位置
然后根据公式来计算此初始导频位置
所对应的最优导频功率P，这里B＝[b1，b2，...，bP]T，i＝1，2，...，NC-P，j＝1，2，...，P，
t＝1，2，...，L；最后根据公式
来计算上述初始导频位置
和导频功率P所对应的活跃子载波信道估计均方误差
并将其令为
计算结果如下
P＝
T；
6、对于第m块可用频谱块的第i个导频，计算当其子载波序号依次被该可用频谱块中的数据子载波序号替换时的系统导频位置
利用公式计算得到的导频功率P和利用公式
计算得到的活跃子载波信道估计均方误差
这里m＝1，2，i＝2，3，...，NCm-1；设此遍历过程中
的最小值为
将其与
作比较，若
则令
并用
所对应的数据子载波序号和导频功率P′来替换原先第m块可用频谱块的第i个导频子载波序号和它所对应的导频功率P；若
则
导频位置
和导频功率P保持不变； 7、令步骤6中的m从1遍历到2，每个m所对应的i从2遍历到NCm-1，则当每块可用频谱块内的所有导频都遍历完后，
所对应的导频位置
和导频功率P即为系统所获得的较优导频；值得注意的是，每块可用频谱块内边缘处的2个导频不需要参加遍历的搜索过程，这是为了让它们准确地估计边缘附近数据子载波的信道响应，同时可以进一步地减少运算的复杂度。最后，采用本发明所获得的系统较优导频如下所示
P＝
T； 从上面的步骤可以看出，计算上述非连续正交频分复用系统的较优导频时，采用本发明所提供的方法，其运算复杂度为这里式子中的每个乘积代表在每块可用频谱块中搜索较优导频时所需的运算复杂度；而采用第二届《国际专题报告-通信、控制和信号处理》的穷尽搜索方法，其运算复杂度为可见本发明所提供的方法极大地降低了运算复杂度，能应用于真实系统中。
图1、图2分别为上述非连续正交频分复用系统采用本发明所提供的导频、采用传统方法所提供的导频和采用第二届《国际专题报告-通信、控制和信号处理》的穷尽搜索方法所提供的导频时的信道估计性能曲线比较图和误码率性能曲线比较图，这里传统方法所提供的导频是指活跃子载波内等间隔等功率分配的导频。从图1可以看出，采用本发明方法时的信道估计性能曲线A1，要远远好于采用传统方法时的信道估计性能曲线B1，它有大约6db左右的性能增益；将它与采用穷尽搜索方法时的信道估计性能曲线C1相比，本发明方法仅有0.2db左右的性能损失。从图2可以看出，采用本发明方法时的误码率性能曲线D1，也要好于采用传统方法时的误码率性能曲线E1，它有大约3db左右的性能增益；将它与采用穷尽搜索方法时的误码率性能曲线F1相比，它几乎没有任何的性能损失。可见，本发明所提供的方法是十分有效的，它能提高系统的信道估计性能，降低系统的误码率。
实施例2具有三段频谱的非连续正交频分复用系统的导频设计 设该非连续正交频分复用系统的总子载波个数N＝64，可用不连续频谱的位置
其含有的活跃子载波个数NC＝40，插入的导频个数P＝8，导频的总功率PTot＝8，信道的最大时延扩展径数L＝8。
对上述系统的可用不连续频谱的位置
进行分析可知，采用本发明方法获取系统的较优导频时，除了分解得到的可用频谱块的块数不一样外，其步骤与实施例1完全相同。计算结果如下 PS＝5；
NC1＝15，P1＝3，PS1＝7；
NC1＝16，P2＝3，PS2＝7.5；
NC3＝9，P3＝2，PS3＝8；
P＝
T； 对上面的结果进行分析可知，计算上述非连续正交频分复用系统的较优导频时，采用本发明所提供的方法，其运算复杂度为而采用第二届《国际专题报告-通信、控制和信号处理》的穷尽搜索方法，其运算复杂度为可见本发明所提供的方法能极大地降低运算复杂度；将本实施例的运算复杂度与实施例1的相比，容易看出，当采用本发明方法获取系统的较优导频时，在活跃子载波个数和导频个数一定的情况下，可用不连续频谱分解得到的可用频谱块的块数越多，其运算复杂度越低。
图3、图4分别为上述非连续正交频分复用系统采用本发明所提供的导频、采用传统方法所提供的导频和采用第二届《国际专题报告-通信、控制和信号处理》的穷尽搜索方法所提供的导频时的信道估计性能曲线比较图和误码率性能曲线比较图。从图3可以看出，采用本发明方法时的信道估计性能曲线A2，要远远好于采用传统方法时的信道估计性能曲线B2，它有大约5db左右的性能增益；将它与采用穷尽搜索方法时的信道估计性能曲线C2相比，本发明方法仅有0.1db左右的性能损失。从图4可以看出，采用本发明方法时的误码率性能曲线D2，也要好于采用传统方法时的误码率性能曲线E2，它有大约2db左右的性能增益；将它与采用穷尽搜索方法时的误码率性能曲线F2相比，它也几乎没有任何的性能损失。这里的实施例再一次证明了本发明所提供的方法是十分有效的，它能提高系统的信道估计性能，降低系统的误码率。
权利要求
1.一种获取非连续正交频分复用系统较优导频的方法，发送端采用梳状导频进行传输，通过前端的频谱感知模块，确定可用不连续频谱的位置
及其含有的活跃子载波个数NC，根据预先协商所需的导频个数P、导频总功率PTot以及信道的最大时延扩展径数L，在基于最小化活跃子载波信道估计均方误差的准则下，计算出系统中的较优导频位置
及其功率P；其特征在于依次包含以下步骤
步骤一、根据导频平均间隔PS＝NC/P来计算可用不连续频谱的导频平均间隔PS；
步骤二、按照相邻可用频谱块的间隔必须大于可用不连续频谱的导频平均间隔PS、可用频谱块内相邻子载波的间隔不可超过可用不连续频谱的导频平均间隔PS这两个要求，把可用不连续频谱分解为一系列互不重叠的可用频谱块；设可用频谱块的位置为
其中ki(m)表示第m块可用频谱块的第i个活跃子载波的序号或位置，在
中进行升序排列，m＝1，2，...，M，i＝1，2，...，NCm，M为可用不连续频谱分解得到的可用频谱块的块数，NCm为第m块可用频谱块含有活跃子载波的个数；
步骤三、根据导频个数Pm＝floor((P-M)*(NCm-1)/(NC-M))+1来初步计算每块可用频谱块所需分配的导频个数Pm，m＝1，2，...，M，floor(·)表示取不大于指定数字的最大整数；接着根据导频平均间隔PSm＝(NCm-1)/(Pm-1)来计算此时每块可用频谱块的导频平均间隔PSm，m＝1，2，...，M；
步骤四、根据剩余未分配的导频个数来计算剩余未分配的导频个数P′；若P′＞0，则对每块可用频谱块的导频平均间隔PSm进行降序排列，并对排序后的前面P′块可用频谱块分别增加一个导频，同时更新它们分配的导频个数Pm和导频的平均间隔PSm；若P′＝0，则Pm和PSm保持不变；
步骤五、先根据初始导频位置
来确定每块可用频谱块的初始导频位置
m＝1，2，...，M，ceil(·)表示取不小于指定数字的最小整数；接着对每块可用频谱块的初始导频位置
进行合并，组成系统的初始导频位置
然后根据导频功率来计算此初始导频位置
所对应的最优导频功率P，B＝[b1，b2，...，bP]T，(·)T表示矩阵的转置操作，i＝1，2，...，NC-P，j＝1，2，...，P，
t＝1，2，...，L，N为系统的总子载波个数，
表示数据子载波的位置，它等于可用不连续频谱的位置
减去导频位置
即
表示矩阵的伪逆操作，|·|2表示对矩阵中每一个元素取模值的平方；最后根据活跃子载波信道估计均方误差
来计算上述初始导频位置
和导频功率P所对应的活跃子载波信道估计均方误差
并将其令为
其中，(·)-1和(·)H分别表示矩阵的求逆和共轭转置操作，D(·)表示对角阵，tr{·}表示求矩阵的迹；
步骤六、对于第m块可用频谱块的第i个导频，计算当其子载波序号依次被该可用频谱块中的数据子载波序号替换时的系统导频位置
利用公式计算得到导频功率P和利用公式
计算得到活跃子载波信道估计均方误差
m＝1，2，...，M，i＝2，3，...，NCm-1；设此遍历过程中
的最小值为
将其与
作比较，若
则令
并用
所对应的数据子载波序号和导频功率P′来替换原先第m块可用频谱块的第i个导频子载波序号和它所对应的导频功率P；若
则
导频位置
和导频功率P保持不变；
步骤七、令步骤六中的m从1遍历到M，每个m所对应的i从2遍历到NCm-1，即当每块可用频谱块内的所有导频都遍历完后，则
所对应的导频位置
导频功率P即为系统所获得的较优导频。
全文摘要
本发明公开了一种获取非连续正交频分复用系统较优导频的方法，特征是把系统的可用不连续频谱分解为一系列互不重叠的可用频谱块，并计算每块可用频谱块所需要插入的导频个数和导频平均间隔，在基于最小化活跃子载波信道估计均方误差的准则下，通过串行搜索的方法独立地求出每块可用频谱块的较优导频位置及其功率。本发明在极大地降低运算复杂度的同时，能提高系统的信道估计性能，降低系统的误码率。
文档编号H04L25/02GK101764777SQ20091018589
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者张祐昌, 许小东, 戴旭初 申请人:中国科学技术大学