稀疏信道的导频优化方法、装置和信道估计方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种稀疏信道的导频优化方法，本发明实施例还公开了一种稀疏信道的导频优化装置和一种稀疏信道估计方法。其中所述方法包括：随机从子载波集合中选取元素生成初始导频排布，根据所述子载波集合和所述初始导频排布生成侯选集并从所述侯选集中选取所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素从而生成优选导频排布，其中，所述优选导频排布由所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成；多次重复执行上述步骤，并将多次重复过程中生成的第一目标函数值最优的优选导频排布确定为优化导频排布。采用本发明，具有收敛速度快、均方误差和误码率性能好等优点。
【专利说明】稀疏信道的导频优化方法、装置和信道估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信领域，尤其涉及一种稀疏信道的导频优化方法、装置和信道估计方法。
【背景技术】
[0002]正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,OFDM)作为第四代移动通信及未来无线通信的核心技术，能有效对抗无线传播中的多径效应、简化均衡器设计、降低接收机复杂度和功耗并提高频谱利用率。信道估计作为OFDM系统的关键环节之一，对信号传输所经历的信道的时延、衰减、多径等参数进行估测。信道估计的准确程度对信道均衡、解调和信道译码等均有直接的影响。因此，信道估计技术一直倍受研究者关注。
[0003]信道估计可分为盲估计和导频辅助信道估计(Pilot Assisted ChannelEstimation, PACE)两大类。其中，盲估计利用传输数据本身的一些特性对信道进行估计，由于其运算复杂度较高且实时性差，在实际通信系统中很少采用。PACE在发送数据前，预先插入一些接收端已知的符号(即导频)，接收机基于最小二乘(Least Squares, LS)或者最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)等准则对信道进行估计。最近新出现的稀疏信道估计(Sparse Channel Estimation)或者称为压缩信道感知(CompressedChannel Sensing),也属于PACE范畴,它利用无线信道的稀疏性,将压缩感知(CompressedSensing, CS)技术用于信道估计。相比传统的LS或丽SE信道估计，压缩感知技术能大幅度降低导频开销，提高频谱利用率和信道估计精度。考虑到无线信道的时延扩展和接收机前端较高的采样率，信道多径分量分散于这一时延扩展中，经过采样以后的信道冲击响应(Channel Impulse Response, CIR)序列通常呈现大多数为零、少数非零的稀疏性,尤其对于普遍使用过采样技术的OFDM系统，这一稀疏特性更为明显。
[0004]在现有技术一中，长期演进(Long-Term Evolution, LTE)系统主要采用均勻导频的分配方式，导频的位置在频率域和时间域上均匀分布。很多研究文献表明，这类均匀分布的导频设计方法对于基于压缩感知的信道估计方案并不是最优的。因此，有必要对基于压缩感知信道估计的方案进行专门的导频设计。
[0005]在现有技术二中，公开了一种基于压缩感知的非连续正交频分复用信道估计方法。该方法包括:设计信道估计导频图案；导频图案的选取；信道频域响应的估计。导频图案选择使用以下两种方案。方案一:保留传统的均匀导频图案，禁用子载波处的导频自然禁用，从而使可用导频呈现自然的不均匀性；方案二:固定导频数量，基于恢复矩阵互相关最小化的准则，以更少的导频获得优于目前其他方法的信道估计性能和系统误码率性能。本方法可以在多种禁用子载波场景下，以更少的导频获得优于目前其他方法的信道估计性能和系统误码率性能。该方法主要考虑如何在非连续正交频分复用情况下进行导频设计，以及在优化后导频位置与禁用位置重合情况下的导频优化设计方法，并没有对连续子载波情况下的最优导频设计方案作出讨论。
[0006]在现有技术三(C.Qi and L.Wu, “A Study of Deterministic Pilot Allocationfor Sparse Channel Estimation in OFDM Systems,，’IEEE Comm.Lett., Vol.16, N0.5, pp.742-744, May 2012.)中，公开了一种基于正交频分复用的导频优化方法。该方法能够在子载波数目不规则的情况下，利用随机近似的方法获得近似的最优导频分布，并能够取得较优的收敛速度和信道估计增益。但该方法的收敛速度仍有不足。
[0007]在现有技术四中，采用穷举法生成优化导频排布，即每次随机生成导频排布，在指定的程序运行时间内，从所有随机生成的导频排布中选择一个目标函数值最小的导频排布。这种方法的收敛性能、均方误差(Mean Square Error, MSE)性能及误码率(Bit ErrorRate, BER)性能均有所欠缺。
【发明内容】
[0008]本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种稀疏信道的导频优化方法、装置和信道估计方法。可对基于压缩感知技术的信道估计方案进行专门的导频设计，优化导频排布，提高OFDM稀疏信道估计的均方误差和误码率性能。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种稀疏信道的导频优化方法，包括:
[0010]随机从子载波集合中选取元素生成初始导频排布，根据所述子载波集合和所述初始导频排布生成侯选集并从所述侯选集中选取所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素从而生成优选导频排布，其中，所述优选导频排布由所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成；
[0011]多次重复执行上述步骤，并将多次重复过程中生成的第一目标函数值最优的优选导频排布确定为优化导频排布。
[0012]相应地，本发明实施例还提供了 一种稀疏信道的导频优化装置，该装置包括:
[0013]初始化单元，用于随机从子载波集合中选取元素生成初始导频排布；
[0014]优选导频排布生成单元，用于根据所述子载波集合和所述初始导频排布生成侯选集并从所述侯选集中选取所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素从而生成优选导频排布，其中，所述优选导频排布由所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成；
[0015]优化导频排布生成单元，用于多次重复调用所述初始化单元和优选导频排布生成单元，并将多次重复过程中生成的第一目标函数值最优的优选导频排布确定为优化导频排布。
[0016]本发明实施例还提供了一种信道估计方法，该方法包括:
[0017]发射端根据权利要求1所述方法确定优化导频排布以插入优化导频；
[0018]接收端基于压缩感知技术进行信道估计。
[0019]实施本发明实施例，具有如下有益效果:
[0020]一)根据互相关性确定初始导频排布中的最佳元素从而生成优选导频排布，在多种优选导频排布中选取其中互相关性最小的生成优化导频排布，能够最小化测量矩阵的互相关且具有更快的收敛速度；
[0021]二)根据优化导频排布并基于压缩感知技术进行信道估计，能够提升OFDM稀疏信道估计的均方误差和误码率性能。【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1是本发明的一种正交频分复用系统的稀疏信道的导频优化方法的第一实施例流程示意图；
[0024]图2是本发明的一种确定初始导频排布中一个元素位置上最佳元素的方法流程示意图；
[0025]图3是本发明的一种生成优选导频排布的方法流程示意图；
[0026]图4是本发明的一种正交频分复用系统的稀疏信道的导频优化方法第二实施例流程示意图；
[0027]图5是本发明的一种正交频分复用系统的稀疏信道的导频优化装置第一实施例结构示意图；
[0028]图6是本发明的一种优选导频排布生成单元结构示意图；
[0029]图7是本发明的一种优选导频排布生成单元结构示意图；
[0030]图8是本发明与几种现有技术的收敛性能比较结果图；
[0031]图9是本发明与几种现有技术的MSE性能比较结果图；
[0032]图10是本发明与几种现有技术的BER性能比较结果图。
【具体实施方式】
[0033]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]图1是本发明的一种正交频分复用系统的稀疏信道的导频优化方法的第一实施例流程示意图，参照图1，该方法包括:
[0035]SlOO:随机从子载波集合中选取元素生成初始导频排布。
[0036]在本实施例的一种实现方式中，子载波数目为N，导频数目为M，从I到N的N个整数构成的集合子载波集合{1，2，3……N}中随机选取M个元素，构成长度为M的一维列向量P，向量P即初始导频排布。
[0037]S102:计算侯选集并确定初始导频排布中各元素位置上的最佳元素从而生成优选导频排布；其中，优选导频排布由初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成。
[0038]在本实施例的一种实现方式中，步骤S102通过逐一确定初始导频排布中各元素位置上的最佳元素实现，其中，在每一次确定一个元素位置上的最佳元素时将该元素位置上的元素替换为最佳元素，以便进行其他元素位置上最佳元素的确定和替换。具体地请参照图2，图2是本发明的一种确定初始导频排布中一个元素位置上最佳元素的方法流程示意图，该方法包括:
[0039]S200:定义变动元素和固定元素，具体地，将需要确定最佳元素的当前元素位置上的元素定义为变动元素，保持当前元素位置之外的元素位置上的元素不变并定义为固定元素；[0040]S202:计算侯选集，具体地，计算子载波集合与固定元素组成的集合的差集生成侯选集；
[0041]S204:确定最佳元素，具体地，分别用侯选集中的各元素替换变动元素，计算每次发生替换后的初始导频排布的第二目标函数值(即g(P)值，对于g(P)的说明请参照下文相应说明)，并将使第二目标函数值最优的元素确定为当前元素位置上的最佳元素。
[0042]按照上述方法确定初始导频排布中各元素位置上的最佳元素之后，初始导频排布中各元素位置上的元素实际上均更新为最佳元素，此时的初始导频排布可以作为优化导频排布。
[0043]在本实施例的另一种实现方式中，可以通过迭代生成优选导频排布。例如，参照图3，图3是本发明的一种生成优选导频排布的方法流程示意图，该方法包括:
[0044]S300:逐一确定初始导频排布中各兀素位置上的最佳兀素,其中，在每一次确定一个元素位置上的最佳元素时将该元素位置上的元素替换为最佳元素(确定初始导频排布中一个元素位置上最佳元素的方法请参照图2所示实现方式)；
[0045]S302:重复执行预设次数的步骤S300，或者重复执行步骤S300直至初始导频排布中各元素位置上的最佳元素不再变化，其中，每一次开始执行步骤S300时，初始导频排布中各元素位置上的元素均为最新确定出的最佳元素，即每一次确定出最佳元素，初始导频排布同时更新并在第一次循环结束之后以更新的初始导频排布参与下一次循环。
[0046]在本实现方式中，步骤S302结束之后，初始导频排布中各元素位置上的元素为最终确定出的最佳元素，此时，该初始导频排布即优选导频排布。
[0047]S104:多次重复执行步骤SlOO和步骤S102，并将多次重复过程中生成的第一目标函数(即g(P)，详见后文)值最优的优选导频排布确定为优化导频排布。
[0048]步骤S104中，目标函数为测量矩阵A的互相关g (P)，具体的:
[0049]设正交频分复用系统的子载波数目为N，导频数目为M，设导频子载波的索引号为k1； k2,…kM，满足I≤W...;、≤N。发射的导频符号记为XGO，X(k2)，…，X(kM)，接收到的导频符号记为YGO，Y(k2)，…，Y(kM)。则正交频分复用系统的频域信道估计问题可写为:
[0050]
【权利要求】
1.一种稀疏信道的导频优化方法，其特征在于，所述方法包括: 随机从子载波集合中选取元素生成初始导频排布，根据所述子载波集合和所述初始导频排布生成侯选集并从所述侯选集中选取所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素从而生成优选导频排布，其中，所述优选导频排布由所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成； 多次重复执行上述步骤，并将多次重复过程中生成的第一目标函数值最优的优选导频排布确定为优化导频排布。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述子载波集合和所述初始导频排布生成侯选集并从所述侯选集中选取所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素包括: 步骤A:逐一确定所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素,其中，在每次确定出一个元素位置上的最佳元素时将该元素位置上的元素替换为对应的最佳元素。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述确定出一个元素位置上的最佳元素包括: 将需要确定最佳元素的当前元素位置上的元素定义为变动元素，保持所述当前元素位置之外的元素位置上的元素不变并定义为固定元素； 计算所述子载波集合与所述固定元素组成的集合的差集生成所述侯选集； 分别用所述侯选集中的各元素替换所述变动元素，计算每次发生替换后的初始导频排布的第二目标函数值，并将使第二目标函数值最优的元素确定为当前元素位置上的最佳元素。
4.如权利要求2或3所述方法，其特征在于，所述根据所述子载波集合和所述初始导频排布生成侯选集并从所述侯选集中选取所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素还包括:` 步骤B:重复执行预设次数的步骤A，或者重复执行步骤A直至所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素不再变化，其中，每次执行步骤A时，所述初始导频排布中各元素位置上的元素均为最新确定出的最佳元素； 此时，所述优选导频排布由步骤B最终确定的所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述将多次重复过程中生成的第一目标函数值最优的优选导频排布确定为优化导频排布包括: 如果第一目标函数值最优的优选导频排布存在至少两种，则随机选取其中一种作为所述优化导频排布。
6.一种稀疏信道的导频优化装置，其特征在于，所述装置包括: 初始化单元，用于随机从子载波集合中选取元素生成初始导频排布； 优选导频排布生成单元，用于根据所述子载波集合和所述初始导频排布生成侯选集并从所述侯选集中选取所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素从而生成优选导频排布，其中，所述优选导频排布由所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成； 优化导频排布生成单元，用于多次重复调用所述初始化单元和优选导频排布生成单元，并将多次重复过程中生成的第一目标函数值最优的优选导频排布确定为优化导频排布。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述优选导频排布生成单元包括: 最佳元素确定模块，用于逐一确定所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素，其中，在每次确定出一个元素位置上的最佳元素时将该元素位置上的元素替换为对应的最佳元素。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述最佳元素确定模块包括: 定义子模块，用于将需要确定最佳元素的当前元素位置上的元素定义为变动元素，保持所述当前元素位置之外的元素位置上的元素不变并定义为固定元素； 侯选集生成子模块 ，用于计算所述子载波集合与所述固定元素组成的集合的差集生成所述侯选集； 确定子模块，用于分别用所述侯选集中的各元素替换所述变动元素，计算每次发生替换后的初始导频排布的第二目标函数值，并将使第二目标函数值最优的元素确定为当前元素位置上的最佳元素。
9.如权利要求7或8所述装置，其特征在于，所述优选导频排布生成单元还包括: 循环调用模块，用于按照预设次数重复调用所述最佳元素确定模块，或者用于重复调用所述最佳元素确定模块直至所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素不再变化，其中，每一次调用所述最佳元素确定模块时，所述初始导频排布中各元素位置上的元素均为最新确定的最佳元素； 最终确定模块:用于确定所述优选导频排布，所述优选导频排布由所述循环调用模块最终确定的所述初始导频排布中各元素位置上的最佳元素构成。
10.一种稀疏信道估计方法，其特征在于，所述方法包括: 发射端根据权利要求1所述方法确定优化导频排布以插入优化导频； 接收端基于压缩感知技术进行信道估计。
【文档编号】H04L27/26GK103685088SQ201210350713
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2012年9月20日
【发明者】戚晨皓, 张舜卿 申请人:华为技术有限公司, 东南大学