一种DFT－BASE信道估计方法和装置与流程

本发明涉及通信
技术领域：
，具体涉及一种DFT－BASE(基于离散傅里叶变换的)信道估计方法和装置，尤其涉及基于802.11a/g/n/ac协议的DFT－BASE信道估计方法和装置。
背景技术：
：一般情况下，无线信道都存在多径衰落的干扰。为了去除干扰接收机一般需要预先估计信道情况，再从接收信号上去除干扰。一般无线通信协议都会规定发送方要在帧头插入训练符号，以便接收方在接收信息之前做信道估计。多径衰落信道一般分为平坦衰落信道与频率选择性衰落信道。对于802.11a/g/n/ac通信，此类宽带通信所遇到的信道一般是频率选择性衰落信道。802.11a/g/n/ac的OFDM技术一般需要的是频域的信道信息，所以信道估计会在频域上进行。图1展示了频率选择性衰弱信道在时域的离散点分布以及在频域的离散点分布。目前，针对OFDM信号在频率选择性衰落信道的信道估计技术有多种，其中一种技术叫做DFT-base信道估计(DFT-basechannelestimation)。DFT-base信道估计技术的特点是通过抑制噪声功率来提升信道估计的准确性。其算法过程如下：步骤1：在频域初始地估计出信道但在噪声的影响下，并不准确。步骤2：把在频域估计的信道转为时域，即：等式中：(1)表示估计的信道在第k个频率离散点的数值；(2)表示估计的信道在第n个时间离散点的数值；(3)h(n)表示真实信道在第n个时间离散点的数值；(4)z(n)表示高斯白噪声在第n个离散点的数值；(5)IDFT{·}表示为离散傅里叶反变换；(6)N为离散傅里叶变换长度，一般大于时域信道的最大延时。步骤3：假设时域信道最大延时为L，即L到N-1并没有信道数值只有噪声。所以，截断L到N-1的数值，或者说设L到N-1的数值为“0”，即：步骤4：将截断的做离散傅里叶变换，转换为需要的频域状态，即：等式中，正是DFT-base信道估计的最终结果，DFT{·}表示为离散傅里叶变换，对截断了一段噪声，所以的信噪比要高于初始信道估计的即的准确性更高。DFT-base信道估计的关键点在于它在时域截断了L到N-1离散点的噪声。如果截断范围延伸到L以内将可能对信道造成破坏，从而降低信道估计的准确度。但是如果信道噪声比较大，截断范围延伸到L以内可截断更多的噪声，以此带来的好处高于信道受破坏所带来的坏处，信道估计准确度依然可以得到提升。所以，实现DFT-base信道估计的难点在于，如何在有噪声的信道里判断信道的最大延时，以及如何决定在时域截断的长度。IEEE802.11通信协议规定信道类型为室内,但室内环境的不同导致信道最大延时也不同。作为接收机，如何根据信道的最大延时和噪声情况作出时域信号的截断是需要重点解决的难题。现有的DFT-base信道估计存在三个问题：1)实际通信环境并不一定是802.11信道环境。使用LS估计(LeastSquare，最小二乘信道估计)的虽然准确度低，不过可以应对所有实际信道环境。但是，假如信道为非802.11信道，采用针对802.11的DFT-base信道估计则可能会导致估计失败，通信无法进行，所以如何判断此信道是否适用于DFT-base信道估计是一个问题。2)802.11a/g/n/ac协议里存在20MHz、40MHz、80MHz的传输带宽信道。带宽越宽有用子载波数量越多，代表着相应的矩阵尺寸越大，矩阵乘法操作将相应增加，使整个运算过程十分复杂，对于有实时性要求的接收机，无疑加大电路设计的难度。3)802.11存在不同的信道延时。信道估计装置如何区分这些信道延时采用相应的保留长度L是一个关键点，使用单一的长度L来应对信道延时情况，会严重影响信道估计的准确度。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种DFT－BASE信道估计方法和装置，克服现有技术DFT-base信道估计方法不能判断802.11信道环境，导致信道估计失败的缺陷；高带宽时矩阵操作计算量巨大，运算过程十分复杂的缺陷；以及采用单一时域信道最大延时L，严重影响信道估计准确度的缺陷。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种DFT－BASE信道估计方法，包括步骤：A1、对接收信号进行LS信道估计，取得LS信道估计值；A2、对当前信道带宽进行判定，如果信道带宽为20M的倍数，则将信号子载波对应的所述LS信道估计值分拆为与20M带宽相应的LS信道估计值块；A3、对所述LS信道估计值块进行时域能量分布分析，以判断所述LS信道估计值块对应的当前信道是否为802.11信道，如果是，则对所述LS信道估计值块进行DFT-base信道估计，取得DFT-base信道估计值块，否则保留所述LS信道估计值块；A4、将所述DFT-base信道估计值块与保留的所述LS信道估计值块进行合并，输出完整的信道估计值。根据本发明的实施例，所述步骤A3包括步骤：B1、将所述LS信道估计值块从频域转换到时域，得到时域块；B2、设置第一时间窗口、第二时间窗口和第三时间窗口；B3、以第一时间窗口、第二时间窗口和第三时间窗口为间隔对所述时域块内的LS信道估计值进行能量统计，得到相应的第一能量统计值、第二能量统计值和第三能量统计值；B4、在第一能量统计值当中找出相应的第一最大能量统计值，在第二能量统计值当中找出相应的第二最大能量统计值，在第三能量统计值当中找出相应的第三最大能量统计值。根据本发明的实施例，所述步骤A3包括步骤：找出所述时域块内的最大能量抽头和第二大能量抽头，计算最大能量抽头和第二大能量抽头的差值D。根据本发明的实施例，所述步骤A3包括步骤：C1、如果当前信噪比SNR(dB)≤4dB，且第三最大能量统计值E2(nmax)＞＝0.55，则判定当前信道为802.11信道，保留时域信道最大延时长度为L1＝9，否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式；C2、如果4dB＜SNR(dB)≤12dB，且第三最大能量统计值E2(nmax)＞＝0.65，则判定当前信道为802.11信道，保留时域信道最大延时长度为L2＝17，否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式；C3、如果12dB＜SNR(dB)≤14dB，且第三最大能量统计值E2(nmax)＞＝0.80，则判定当前信道为802.11信道，否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式，已判定当前信道为802.11信道时，如果第一最大能量统计值E0(nmax)＞＝0.60而且第第二最大能量统计值E1(nmax)＞＝0.70，则判定当前信道为短延时信道，保留时域信道最大延时长度为L1＝9，否则，判定当前信道为长延时信道，保留时域信道最大延时长度为L2＝17；C4、如果14dB＜SNR(dB)≤26dB，且第三最大能量统计值E2(nmax)＞＝0.85，则判定当前信道为802.11信道，否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式，已判定当前信道为802.11信道时，如果第一最大能量统计值E0(nmax)＞＝δ，δ的取值为0.62、0.80、0.82或者0.85，并且最大能量抽头和第二大能量抽头的差值D＞0.42，则判定当前信道为短延时信道，保留时域信道最大延时长度为L1＝9，否则，判定当前信道为长延时信道，保留时域信道最大延时长度为L2＝17；C5、如果26dB＜SNR(dB)≤36dB，且第三最大能量统计值E2(nmax)＞＝0.85，则判定当前信道为802.11信道，保留时域信道最大延时长度为L2＝17，否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式；C6、如果36dB＜SNR(dB)，且第三最大能量统计值E2(nmax)＞＝0.97，则判定当前信道为802.11信道，保留时域信道最大延时长度为L2＝17，否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式。一种DFT－BASE信道估计装置，包括LS信道估计器、频域分块器、能量分布分析器、DFT-base信道估计器和分块合并器，所述LS信道估计器、所述频域分块器、所述能量分布分析器、所述DFT-base信道估计器和所述分块合并器依次相连，所述LS信道估计器用于对接收信号进行LS信道估计，取得LS信道估计值，所述频域分块器用于对当前信道带宽进行判定，如果信道带宽为20M的倍数，则将信号子载波对应的所述LS信道估计值分拆为与20M带宽相应的LS信道估计值块，所述能量分布分析器用于对所述LS信道估计值块进行时域能量分布分析，以判断所述LS信道估计值块对应的当前信道是否为802.11信道，所述DFT-base信道估计器用于所述LS信道估计值块进行DFT-base信道估计，取得DFT-base信道估计值块，所述分块合并器用于将所述DFT-base信道估计值块与保留的所述LS信道估计值块进行合并，输出完整的信道估计值。根据本发明的实施例，所述DFT-base信道估计器包括能量分布移位器、信道估计器、能量分布移位还原器和V矩阵寄存器，所述能量分布移位器、所述信道估计器、所述能量分布移位还原器依次相连，所述V矩阵寄存器与所述信道估计器相连。实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明对初始信道估计值在分块并进行时域能量分布分析后再进行DFT-base信道估计，对于带宽较宽、子载波较多的OFDM符号，使Q矩阵尺寸减小，因此大大降低了接收机电路实现的难度，本发明利用能量分布判定信道是802.11信道或异常信道，其准确度比单纯的抽头值门限判断更高，鲁棒性更好。附图说明下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：图1为频率选择性衰弱信道在时域的离散点分布以及在频域的离散点分布示意图；图2为本发明Legacy20MHz，40MHz，80MHz带宽信号分块模式示意图；图3为本发明HT-MM20MHz，40MHz带宽信号分块模式示意图；图4为本发明VHT20MHz，40MHz，80MHz带宽信号分块模式示意图；图5为本发明DFT－BASE信道估计装置示意图；图6为本发明802.11协议A信道与D信道时域离散点示意图；图7为本发明能量分布移位示意图。具体实施方式本发明DFT－BASE信道估计方法，包括步骤：A1、对接收信号进行LS信道估计，取得LS信道估计值；A2、对当前信道带宽进行判定，如果信道带宽为20M的倍数，则将信号子载波对应的所述LS信道估计值分拆为与20M带宽相应的LS信道估计值块；A3、对所述LS信道估计值块进行时域能量分布分析，以判断所述LS信道估计值块对应的当前信道是否为802.11信道，如果是，则对所述LS信道估计值块进行DFT-base信道估计，取得DFT-base信道估计值块，否则保留所述LS信道估计值块；A4、将所述DFT-base信道估计值块与保留的所述LS信道估计值块进行合并，输出完整的信道估计值。根据本发明的实施例，所述步骤A3包括步骤：B1、将所述LS信道估计值块从频域转换到时域，得到时域块；B2、设置第一时间窗口、第二时间窗口和第三时间窗口；B3、以第一时间窗口、第二时间窗口和第三时间窗口为间隔对所述时域块内的LS信道估计值进行能量统计，得到相应的第一能量统计值、第二能量统计值和第三能量统计值；B4、在第一能量统计值当中找出相应的第一最大能量统计值，在第二能量统计值当中找出相应的第二最大能量统计值，在第三能量统计值当中找出相应的第三最大能量统计值。如图5所示，本发明DFT－BASE信道估计装置，包括LS信道估计器、频域分块器、能量分布分析器、DFT-base信道估计器和分块合并器，LS信道估计器、频域分块器、能量分布分析器、DFT-base信道估计器和分块合并器依次相连，LS信道估计器用于对接收信号进行LS信道估计，取得LS信道估计值，频域分块器用于对当前信道带宽进行判定，如果信道带宽为20M的倍数，则将信号子载波对应的LS信道估计值分拆为与20M带宽相应的LS信道估计值块，能量分布分析器用于对LS信道估计值块进行时域能量分布分析，以判断LS信道估计值块对应的当前信道是否为802.11信道，DFT-base信道估计器用于LS信道估计值块进行DFT-base信道估计，取得DFT-base信道估计值块，分块合并器用于将DFT-base信道估计值块与保留的LS信道估计值块进行合并，输出完整的信道估计值。DFT-base信道估计器包括能量分布移位器、信道估计器、能量分布移位还原器和V矩阵寄存器，能量分布移位器、信道估计器、能量分布移位还原器依次相连，V矩阵寄存器与信道估计器相连。本发明DFT-base信道估计器中信道估计器的工作过程如下：1)对应20M带宽的LS信道估计估计值，由于64个子载波里只有52个有用子载波，其余是“0”值的无用子载波，所以，一个分块中LS信道估计值只在52个离散点上有值；2)把在有用子载波上估计的52×1信道矢量乘以BI映射为64个子载波的完整OFDM符号，即给插入“0”值的无用子载波，得出B是一个1×64的映射矢量，对应的无用子载波位置为“0”，对应的有用子载波位置为“1”；而I为64×64的单位矩阵；3)对乘以IFFT矩阵，从频域转换为时域。然后，乘以A矩阵，保留长度L的时域离散点，其余设为“0”；A是一个L×64的[IL,0]矩阵，IL为L×L单位矩阵；4)综合以上步骤，其过程可表示为：设QH＝(A·IFFT·BI)，(·)H为厄密共轭。在还原到频域之前，乘以矩阵V＝(QHQ)-1来补偿B造成IFFT转换的不完整性：5)乘以矩阵Q＝(BI)′·FFT·A′，还原到频域的信道估计[·]′表示为矩阵转置。最终作为DFT-base信道估计的结果输出。整个DFT-base信道估计过程表示为：等式中，Q＝(BI)′·FFT·A′，V＝(QHQ)-1。根据上述步骤，可知此信道估计存在很多矩阵乘法的操作，电路实现较为复杂。其中，最为复杂的为计算矩阵V＝(QHQ)-1。所以在电路设计实现中，为了降低复杂度，会提前决定时域信道最大延时长度L的长度，然后计算出矩阵V＝(QHQ)-1，并最终储存在V矩阵寄存器里，省去接收信号时对矩阵V的即时计算。LS信道估计器802.11a/g/n/ac都会为信息部分的前头提供训练符号，以供接收机在解调信息符号之前进行信道估计得到信道信息。LS信道估计算法如下：等式中：(1)为N×1信道估计矢量；(2)S代表1×N原始训练符号矢量；(3)I代表N×N的单位矩阵；(4)R表示为N×1的接收训练符号；(5)N为本次传输中每个信息OFDM符号里的有用子载波(pilot子载波和信息子载波)的总数。不同带宽与不同帧格式都有着不同的有用子载波的总数N。表6-1描述了不同情况下，有用子载波总数N。表6-1：有用子载波总数N频域分块器由表6-1可知，当带宽扩展到40MHz和80MHz的时候有用子载波数目有明显的增长。意味着Q矩阵的尺寸会相应增大，不利于在电路实现矩阵乘法操作。所以，本发明利用频域分块器进行分块操作，。根据实验结果本发明把块的种类划分为5种，这5种Q矩阵又因为两种保留长度分裂为10种。表6-2描述了这10种Q矩阵的一些参数。表6-3描述了映射矢量B里“0”子载波和“1”子载波的分布。表6-2：Q矩阵参数表6-3：映射矢量矩阵B图2、图3和图4描述了B0～B4是怎么对不同的帧格式，不同带宽，不同LTF的情况下进行分块的。比如，图3中40MHz带宽的HT-MM信号，这类信号的OFDM符号有128个子载波，子载波从左到右用序号(-64～63)表示。这类信号要分成三块，第一块为-64到1的子载波，第二块为0到64的子载波，第三块为-32到31的子载波；其中第三块与第一块和第二块是有子载波重叠的。能量分布分析器图6表示了802.11协议的A信道和D信道的时域表现，其实802.11信道都有一个共同点，就是信道能量都集中在一个小范围，其余范围的均是噪声。所以对区域的能量总和做分析就可判断该信道是否为802.11信道，以及该信道是否为短延时或者长延时。能量分布分析器将初始信道估计从频域转换到时域，即：等式中：(1)IFFT代表快速傅里叶逆变换矩阵；(2)I为单位矩阵。能量分布分析器会准备3个窗口在上进行平滑移动统计能量，这3个窗口的长度分别为3，9，17(这里窗口长度以离散抽样时间间隔为单位。这里抽样频率为80MHz。如果窗口长度为3，即0.00375us)。统计出的能量分布分别以E0(n)，E1(n)，E2(n)表示；n表示为平滑移动的索引n＝0,1,2,...,63。平滑移动统计能量的公式如下：等式中：(1)|·|2代表绝对值平方；(2)mod为求余运算。待平滑移动窗口统计完能量后，能量分布分析器会分别找出E0(n)，E1(n)，E2(n)的最大能量值和对应的索引，即分别表示为：与此同时，找出最大能量的抽头和第二大能量的抽头，即：等式中：(1)P1和P2为最大能量抽头与第二大能量抽头；(2)kmax为最大能量抽头的索引，即：然后，求出最大能量抽头与第二大能量抽头的差，即：Dp＝|P1-P2|判断当前信噪比(SNR)为多少，然后根据SNR来决定适用的门限值，再把E0(nmax)，E1(nmax)，E2(nmax)与门限值作对比，判断信道情况，假设能量为归一化，本步骤算法如下：1)当SNR(dB)≤4dB，如果E2(nmax)＞＝0.55，则判定信道为802.11信道，保留长度为L1＝9；否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式。2)当4dB＜SNR(dB)≤12dB，如果E2(nmax)＞＝0.65，则判定信道为802.11信道，保留长度为L2＝17；否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式。3)当12dB＜SNR(dB)≤14dB，如果E2(nmax)＞＝0.80，则判定信道为802.11信道；否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式。当信道为802.11信道，如果E0(nmax)＞＝0.60而且E1(nmax)＞＝0.70，则判定信道为短延时信道，保留长度为L1＝9；否则，判定信道为长延时信道，保留长度为L2＝17。4)当14dB＜SNR(dB)≤26dB，如果E2(nmax)＞＝0.85，则判定信道为802.11信道；否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式。当信道为802.11信道，如果E0(nmax)＞＝δ并且Dp＞0.42，则判定信道为短延时信道，使用保留长度L1＝9；否则，判定信道为长延时信道，使用保留长度为L2＝17，δ的值由表6-4确定。表6-4：δ数值表对应的B矢量类型δ数值B00.82B10.85B20.62B30.80B40.805)当26dB＜SNR(dB)≤36dB，如果E2(nmax)＞＝0.85，则判定信道为802.11信道，保留长度为L2＝17；否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式。6)当36dB＜SNR(dB)，如果E2(nmax)＞＝0.97，则判定信道为802.11信道，保留长度为L2＝17；否则，判定信道异常，关闭DFT-base信道估计模式。能量分布移位器当决定是否开启DFT-base信道估计以及使用何种保留长度后，为了方便DFT-base信道估计的截断操作，能量分布移位器会对当前块进行循环移位的操作。如果保留长度为9，则把E1(nmax)统计的9个连续抽头移至时域最左侧。如果保留长度为17，则把E2(nmax)统计的17个连续抽头移动至时域最左侧，并以离散点数的形式保存移动距离f。图7展示保留长度为9的移位例子，图7中抽头向左移位3个离散点的距离，则f＝3。DFT-base信道估计器DFT-base信道估计器工作流程如下：1)已知保留长度之后，对乘以相应的A矩阵作保留操作，即：等式中，A为一个L×64的矩阵[IL,0]，L为保留长度，IL是一个L×L的单位矩阵；2)根据已知的保留长度L和映射矢量B，在V矩阵寄存器里选择对应的矩阵乘以即：等式中：(1)(·)H代表额密共轭；(2)(·)-1代表逆矩阵。3)将乘以矩阵Q＝(B·I)'·FFT·A'得到DFT-base信道估计器的最等式中，(·)'为矩阵转置。能量分布移位还原器其实DFT-base信道估计器输出的的相位是不正确的，因为在做DFT-base信道估计前，为了方便截断操作能量分布移位器对块的时域抽头进行了循环移位，即相当于在频域子载波进行了相位调整。所以，能量分布移位还原器会在频域进行移位还原，恢复到正确的相位。还原操作的公式如下：等式中：(1)j表示；(2)mod表示为求余运算；(3)f代表移位长度(单位为离散点数)。分块合成器无论各个块是否进行了DFT-base信道估计，保留长度L是9或17，它们最终会对应频域分块器的分块方式进行合成，恢复到一个完整的信道估计。恢复过程中出现的重叠部分则以两者的平均值来替代。如图3中40MHz带宽的HT-MM信号，此信号会被分为三块，分别为第一块(-64到-1序号的子载波)，第二块(0到63序号的子载波)，第三块(-32到31序号的子载波)。这三块分别进行后续的一系列处理。最后，在分块合成器，三块会合成为原来的序号从-64到63的128个子载波块。不过，第三块分别与第一块和第二块有子载波重叠。重叠部分则以两者的平均值来替代。本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。当前第1页1 2 3