Navdat中基于奇偶交替导频序列的信道估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线移动数字通信系统的导频设计与信道估计方法，尤其涉及在 信道相干时间较长的情况下，利用奇偶交替导频序列提高频谱利用率以及信道估计准确 度，一种应用于NAVDAT(NavigationalData、导航数据）数字通信系统中的导频设计与信 道估计方法。
【背景技术】
[0002]NAVDAT数字通信系统是一种工作在500KHZ频段，用于海上移动服务、以确保海上 安全和从岸基到船只相关信息安全传输的数字广播系统。该数字通信系统为各种类型的消 息提供了广播传输服务，并且具有加密性。其中广播的消息包括但不限于航海安全、信息安 全、海盗行为、搜救以及船舶交通系统文件传输等。NAVDAT数字系统的500KHz工作频段为 数据广播信号提供了良好的覆盖，可以为从岸基到船舶的信息广播实现高速的数据传输以 提高操作效率和航海安全。
[0003] NAVDAT数字通信系统物理层采用的核心技术是OFDM(正交频分复用）技术，其 基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，利用多个子载波上同时进行传 输，各个子载波相互正交。通过调制之后的频谱相互重叠，在接收端可以利用各个子载波的 正交性分离出各个子载波的数据信息，这种技术可以有效提高频谱利用率，同时抵抗无线 信道的衰落。
[0004] 在无线通信系统中，通信的可靠性受到无线信道的制约，收发之间传播路径比有 线信道要复杂的多，信道特性存在很大的随机性，从而导致OFDM信号的相位旋转和幅度畸 变，造成传输性能的损失，所以精确的信道估计是不可或缺的。
[0005]OFDM系统的信道估计技术可以分为几大类：全盲或半盲信道估计、导频辅助信道 估计、基于判决反馈的信道估计等。基于导频辅助的信道估计方法是在数据部分加入导频 信息，在接收端通过相应的估计准则求出导频位置的信道信息，然后恢复出所有子载波位 置上的信道信息，最后通过信道的均衡和信道译码等技术，增加信号传输的鲁棒性。
[0006] 导频的插入方式会影响信道估计的准确性和信号传输效率。若使用过多的导频， 信号的传输效率将会大大下降。反之，信道估计的准确度则会降低。NAVDAT数字通信系统 的应用场景是海岸到船舶，广阔海面上的信道衰落与多径效应相比于山区和城市要小，所 以较大的导频的间隔可以获得相对较好的信道估计准确度。另外，海面环境的信道相干时 间较长，可以充分利用相邻OFDM符号的信道特性进一步提高信道估计的准确性。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对海岸到近海船舶信道特点，提供一种NAVDAT中基于奇偶交 替导频序列的信道估计方法，该方法可以充分利用相邻OFDM符号的信道特性进一步提高 信道估计的准确性。
[0008] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种NAVDAT中基于奇偶交替 导频序列的信道估计方法，具体包括如下步骤：
[0009] (1)在NAVDAT发送端，设置一个NAVDAT数据帧的帧长为m个OFDM符号，每个OFDM 符号的子载波数为n个，其中m、n均为正偶数；在NAVDAT数据帧中每个OFDM符号的频域上 按照以下规则插入导频序列：
[0010] (I. 1)对于NAVDAT数据帧中的第1个和最后1个OFDM符号，在这两个OFDM符号 的频域的奇数序号（1，3,…，n-1)子载波位置上插入随机导频序列，插入随机导频序列的 数量为n/2个，其余位置插入传输数据；
[0011] (1. 2)除去NAVDAT数据帧中的最后1个OFDM符号，对于NAVDAT数据帧中偶数序 号（2, 4,…，m-2)的OFDM符号，每个OFDM符号的频域从第3个子载波开始按照间隔为3个 子载波的距离插入随机导频序列，插入随机导频序列的数量为n/4个，其余的位置插入传 输数据。
[0012] (1. 3)除去NAVDAT数据帧中的第1个OFDM符号，对于NAVDAT数据帧中奇数序号 (1，3,…，m-1)的OFDM符号，每个OFDM符号的频域从第1个子载波开始按照间隔为3个子 载波的距离插入随机导频序列，插入随机导频序列的数量为n/4个，其余的位置插入传输 数据。
[0013] (2)在NAVDAT接收端，采用最小二乘方法估计出导频位置的信道冲激响应；
[0014]令Xp=diag{Ap(0)，Ap(I),…，Ap(Np_l)}，其中，Ap为发送端随机导频序列，X# 对角化后的随机导频序列，Np为随机导频序列个数，Ap(O)为发送端随机导频序列中第1个 导频值，Ap(I)为发送端随机导频序列中第2个导频值，Ap(Np-I)为发送端随机导频序列中 第Np个导频值;根据Yp=Xpfip，可以得到：
[0016] 其中，为利用最小二乘算法估计得到导频位置的信道冲激响应所组成的向量， Yp为接收端接收到导频位置上的值所组成的向量，HpS实际导频位置的信道冲激响应所组 成的向量，Wp是导频位置上的频域噪声；在频域中进行最小二乘算法估计，只需要知道XjP Yp，就可以得到
[0017] (3)通过线性内插算法估计出每个OFDM符号奇数序号子载波的信道冲激响应；
[0018] 所述线性内插算法为：
[0019] 对于数据帧所有OFDM符号，除了导频位置以外，所有奇数序号子载波位置的信道 冲激响应由与其相邻的前后两个OFDM符号上相同位置子载波的信道冲激响应进行平均运 算得到；
[0020] (4)通过基于低通滤波器的内插算法估计出全部的信道冲激响应；
[0021] 基于低通滤波器的内插算法，该方法具体如下：
[0022] (4. 1)由步骤3中得到的ft,,，在每个OFDM符号偶数序号子载波位置进行插零，从 而构造出一个新的长度为n的信道响应序列由）；
[0023] (4. 2)对H=进行频偏预处理，得到频偏预处理后的信道响应序列if;
[0024] (4. 3)对A,)'进行低通滤波处理；
[0025] (4. 4)把滤波完成后的信道冲激响应的频偏信息消除，得到完整的信道冲激响应 叙LPF。
[0026] 进一步地，所述一个NAVDAT数据帧的帧长为m个OFDM符号，m的优选值为32。
[0027] 进一步地，所述每个OFDM符号的子载波数为n个，n的优选值为232。
[0028] 本发明具有的有益效果是：充分考虑海岸到近海船舶信道特点，设计特定的导频 插入方式；海岸到近海船舶是海洋环境为主，广阔的海面上障碍物比较少，信道衰落与多径 效应相比于山区和城市要小，所以较大的导频间隔可以获得相对较好的信道估计准确度； 另外，近海环境的信道相干时间较长，采用奇偶交替导频序列结构插入方式，充分利用了相 邻OFDM符号的信道特性来估计每个OFDM符号奇数序号子载波的信道冲激响应，相比于具 有相同导频间隔的梳状分布导频插入方式，在基本不降低数据传输效率的情况下，进一步 提高了信道估计的准确性。
【附图说明】
[0029] 图1是梳状分布导频插入方式示意图；
[0030] 图2是本发明中一个DAVDAT数据帧导频插入方式示意图；
[0031] 图3是估计导频位置信道冲激响应过程图；
[0032] 图4是导频位置信道冲激响应示意图；
[0033]图5是线性内插后奇数序号子载波信道冲激响应示意图；
[0034] 图6是基于低通滤波器的内插过程图。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的技术方案和优点变得更加清晰，接下来将结合附图对技术方案的
【具体实施方式】作更加详细地说明：
[0036] OFDM符号的传输可以看成是一个时域-频域的二维传输结构，在时域以一个OFDM 符号周期为单位，在频域以一个子载波为单位。考虑这种二维传输特性，我们可以在时频域 阵列中选择插入导频信号。在实际应用中，考虑接收机的复杂度，以及在短波天波信道环 境，多普勒频偏相对较大，因此天波信道中更适合选用梳状分布的导频方案，如图1所示。 图中，t代表着时域方向，f?代表着频域方向；黑色圆表示导频符号，空白圆则表示数据符 号。
[0037] 如图2所不，每一行代表一个OFDM符号，每一列代表OFDM的子载波。本发明针 对海岸到近海船舶广播信道特点对常规的梳状分布导频进行修改以提高信道估计的准确 度，提出一种NAVDAT中基于奇偶交替导频序列的信道估计方法，该方法可以充分利用相邻 OFDM符号的信道特性进一步提高信道估计的准确性具体，具体包括如下步骤：
[0038]1、在NAVDAT发送端，设置一个NAVDAT数据帧的帧长为32个OFDM符号，每个OFDM 符号的子载波数为232个；在NAVDAT数据帧中每个OFDM符号的频域上按照特定规则插入 导频序列；
[0039] 所述按照特