专利名称：一种新的ofdm参数化信道估计器的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种应用于正交频分复用(OFDM) 系统的信道估计器。
背景技术：
移动无线通信系统必须要克服多径时延扩展所引起的符号间干扰，均衡是 克服符号间干扰的一种方法，但是随着传输速率的不断提高，在多个符号上的 均衡算法非常复杂。OFDM是一种可有效解决符号间干扰问题的传输手段。在 实际应用中，通常有非相干OFDM系统和相干OFDM系统之分。非相干OFDM 系统不需要信道估计，但是与相干OFDM系统相比，系统性能会损失大约3dB, 而且信息符号必须具有恒模特性。因此，实际中通常采用相干OFDM系统，但 是该系统对信道估计误差4艮敏感，所以如何实现对信道的准确估计显得非常重 要。
目前文献中的大多数信道估计方法都是非参数化信道估计。非参数化信道 估计不需要在接收端估计信道参数，如信道径数和信道多径时延。其中最为经 典的是1998年Li Ye在IEEE Trans, on Co匪un. 46巻7号902-914页中提出的 非参数化信道估计器，即鲁棒的最小均方误差信道估计器。但其并没有充分利 用信道的先验信息，它们粗略地认为在接收端得到的等效冲击响应中位于最大 多径时延以内的都是有用信号，这势必P争低了系统在稀疏多径信道下的性能。 另一方面，现在无线通信系统的传输速率一般都4艮高，所以稀疏信道又是很常 见的。2001年，Yang在IEEE Trans, on Co腿un. 49巻3号467-478页中提出了 一种参数化信道估计器，它釆用最小描述长度(MDL)准则去估计信道路径数 并用旋转子空间不变法(ESPRIT)去估计路径时延，然后利用这些估计到的信 道参数去提高信道估计的精确性，从而取得了比非参数化信道估计更好的性能。但此方案在低信噪比下性能较差，另一方面，此方案需要进行特征值分解和实
施ESPRIT算法，这也导致此方案的计算复杂度较高。
如何提高参数化估计器在低信噪比下的性能及降低估计器的运算复杂度是 此估计器进行实际应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于降低参数化信道估计中信道径数和路径时延估计的复杂 度，同时改善系统在低信噪比下的性能。
本发明提供的参数化信道估计器的基本原理为在接收端先估计导频处的 频域信道，构造导频频域信道的相关矩阵R，然后计算导频时域信道的能量向
量v,再通过对信道能量的跟踪来估计信道径数z和信道的多径时延p^:o^1 ，
最后根据估计得到的信道参数来更精确的估计信道系数。其关键点在于能量 向量v通过对相关矩阵R进行相应的简单运算得到，信道径数Z和信道的多径
时延^,}=—1由对信道能量的跟踪得到。
导频时域信道的能量向量的构造方法如下
1、 估计导频处的频域信道。
& )/义("，&)。
这里，w表示符号索引，yt,为导频所在的子载波索引，Z(w,&)和nw,W^ 别表示在第 个符号第&个子载波上发送的导频和接收的信号。
2、 计算导频频域信道的相关函数矩阵R。令ii(") = [A( ，&)， ^(",&),…,Aoapjf,构造矩阵R(")二HO)iio,。这里，—f表示转置，尸
表示导频子载波数，(《表示共轭转置。
7V-1
将矩阵R(")在个符号上取平均，得到R =丄^ R(")
3、计算导频时域信道能量矩阵E^+F"RF。这里，矩阵F的第^,《)个元素是e力'2"一《，尸,《=0，1,...,/> —1，尺表示载波数。
4、取出能量矩阵E的对角线元素，并对其取绝对值后组成向量 V-[iT。,巧,…,^一,f 。通过对向量f从大到小排序，得到能量向量
V二[Vo,Vi,…,Vf—J7。这里，Vo》巧2…2Vn。
获取信道径数和信道多径时延的方法如下
1 、 计算路径判决函数/(0 = ATx(g(^)-/^)) + "《)。式中，
<formula>formula see original document page 6</formula>
2、 路径数Z的判决方法如下￡ = argmin/(《)。这里，argmin表示
峰，1，...，尸一1} ￡
取出使判决函数/^)值最小时对应的《。
3、 找出向量V中最大的Z个值所对应的索引号，并对索引号进行>^人小到大
排序，依次所得的索引号即为路径时延^^::—1 。
实施本发明的有益效果在于与Li Ye^是供的非参数化信道估计器相比， 本发明提供的参数化信道器利用估计出的多径时延可以提高非参数化信道估计 的精度；与Yang提供的参数化信道估计器相比，本发明提供的估计器大大降低 了复杂度，且在低信噪比下性能也有了更大的提高。
图1是OFDM系统的基本原理框图。
图2是本发明估计器所采用的导频分布图。
图3是本发明估计器的流程图。
图4是本发明估计器的信道径数估计的流程图。
图5是本发明估计器的多径时延估计的流程图。
图6是本发明估计器的信道系数估计的流程图。
图7是本发明提供的估计器与Yang提供的估计器的信道参数错误估计概率的比较图。
图8是本发明提供的参数化信道估计器与Yang提供的参数化信道估计器 及Li Ye提供的非参数化信道估计器的均方误差性能比较图。
图9是本发明提供的估计器与Yang提供的估计器的运算复杂度比较图。
具体实施例方式
下面通过附图和实施例对本发明进行详细阐述。
图1是OFDM系统的基本原理框图。设一个OFDM帧有7V个符号，〖个 子载波。在发射端，数据比特首先被映射成为信号星座中的信号，经过串并变 换后形成多个并行的基带信号，然后经过^点快速傅立叶逆变化(IFFT),增 加长度为G的循环前缀(CP)后从天线发射出去；经过无线衰落信道后，在接 收端去除CP并进行快速傅立叶(FFT)变换，最后系统检测器利用信道估计器 产生的信道状态信息从基带信号中恢复出原始数据。实际系统中，数据比特在 映射之前可以先经过编码和交织，相应的在接收机输出数据之前要经过解交织 和译码。该系统频域接收信号的数学表达式可以表示为
式中，"和A:分别表示符号和子载波的索引，"=0，l,...，iV-l, Ar = 0,l,...，《-1;
X(w，A)表示在第w个符号第yt个子载波上发送的数据；；r("^)表示接收到的频
域信号，『(","表示均值为零、方差为0"2的加性高斯白噪声；//(","表示 OFDM系统的等效频域信道系数；所谓的信道估计，就是要通过接收端的信道 估计器获得频域信道系数的各个估计值，在这里我们假设信道在一个OFDM符 号内是不变化的。
图2是本发明估计器所采用的导频分布图。单位功率的导频既分布在时间 维上，又分布在频率维上。在每个OFDM符号内，户=〖/"个导频均匀分布在 频率维上。这里，Z)为频率维上相邻的两个导频的间隔。&,=//)表示导频所在 的子载波，/ = 0,1，...,尸—1。
图3是本发明估计器的流程图。该流程的步骤如下步骤i:计算导频处的频域信道A(",A)-r(",^)/x("，^)。
步骤2:估计信道径数Z。(具体方法见图4) 步骤3:估计路径时延^,}=—'。(具体方法见图5)
步骤4:估计所有符号的信道系数H("X^(",0),^("，l)，…,々(",/:-l)]71。 这里，。f表示转置。(具体方法见图6)
图4是本发明估计器的信道径数估计的流程图。该流程的步骤如下 步骤l:构造矩阵R(")-fi(")fi(",。这里，=[々("，&),々("，&)，.."
A(",^M)f，(,广表示共轭转置。
对矩阵R(M)在W个符号上取平均，得到导频频域信道的相关函数矩阵 7V—1
" =0
步骤2:计算信道能量矩阵E^+F〃RF。这里，矩阵F的第(/ ，《)个元素
是,,，M二0，1,…,户-1。
步骤3:取出能量矩阵E的对角线元素，取其绝对值并组成向量 7 =[、,巧,...,^—if ，对向量V进行降序排列，得到能量向量v^v。,Vi,...,^—/ 。
这里，V(^、2…》lv—r
步骤4:计算路径判决函数/②
/(》7Vx )) + W)
这里，=—《)ln
_^
V
P —《
，/7(《):lnv,， /(》会《2P-争ln见
步骤5: 路径H2的判决方法如下Z二argmin尸")。这里， 表
示取出使判决函数最小值对应的《。
图5是本发明估计器的多径时延估计的流程图。该流程的步骤如下
8步骤l:找出向量^ = [^0，巧，...,^_1^中最大的Z个元素，并记录这Z个元素 对应的索引号。
步骤2:对上一步骤得到的索引号进行从小到大的排序，排序后的索引号就 是要估计的路径时延{《};，。
图6是本发明估计器的信道系数估计的流程图。该流程的步骤如下 步骤l:利用估计出的路径数和对应的路径时延构造矩阵G,和G2。这里， G1是 一 个户xZ维的矩阵，它的第(A《)个元素为l/V^e"2"^ ， ; = 0，1，...，尸-1，《=0,1，...,￡-1; G2是一个〖xZ维的矩阵，它的第0,《)个元
素为i/V^,一。其中，"o,i，…,一i，《=o,i,...，Z-i。
步骤2:利用矩阵Gi和导频处的频域信道来估计时域信道 ii(") = [4(")，4("),...,&—,(")f ,即计算ii(")二G,fi(")。
步骤3:利用矩阵G2及步骤2得到的时域信道iio)来估计频域信道fi(w)， 即计算H(w)二G^(w)。结束算法。
图7示出的是本发明提供的估计器与Yang提供的估计器的信道参数错误估 计概率的比较图。图中表明在高信噪比下这两种估计器都能有效地估计出信道 参数，但在低信噪比下，与Yang提供的估计器相比，本发明提供的估计器能更 正确地估计出信道参数。
图8示出了本发明提供的参数化信道估计器与Yang提供的参数化信道估计 器及Li Ye提供的非参数化信道估计器的均方误差性能比较图。系统的带宽是 10MHz,中心载频为5GHz，载波数为512，符号数为100，导频子载波数为64， 循环前缀CP的长度是64，移动速度为30km/h，最大多普勒频移/^为139Hz。 我们采用的是COST207 RuralArea 6径信道模型。从图中可看出与Li Ye提供 的非参数化估计器相比，本发明提供的参数化估计器取得了约10dB的性能优 势。同时，本发明提供的参数化估计器在低信噪比下能获得比Yang提供的参数 化估计器更好的性能。图9示出了本发明提供的估计器与Yang提供的估计器的运算复杂度比较 图。这里，主要计算乘除法和加减法运算的复杂度，其他一些简单运算(如转 置运算)的复杂度则被忽略。注这里的运算复杂度以浮点运算数为单位来衡 量， 一个复数乘/除法运算需要6个浮点运算， 一个复数加/减法需要2个浮点 运算； 一个实数乘除法运算和一个实数加减法运算都只需要1个浮点运算。从 图中，我们可以看出本发明提供的估计器的计算复杂度远远低于Yang估计器 的计算复杂度，并且随着导频载波数的增大，本发明提供的估计器在复杂度上 的优势越来越明显；同时，我们也观察到，Yang提供的估计器的复杂度随帧长 W的增量大于本发明提供的估计器的复杂度随帧长iV的增量，也就是说，当帧 长7V越大，本发明提供的估计器的复杂度优势越明显。
综上所述，与Li Ye提供的非参数化信道估计器相比，本发明提供的参数 化信道估计器显著提高了信道估计的精度；与Yang提供的参数化信道估计器相 比，本发明提供的估计器在低信噪比下的性能更优，同时其复杂度也更低。
权利要求
1、一种适用于正交频分复用(OFDM)系统的参数化信道估计器，其特征在于接收端首先利用一个新型的参数估计器来估计信道径数和信道的多径时延，再根据估计得到的信道径数和多径时延来更精确的估计整个信道系数。
2、 根据权利要求l所述的信道径数的估计器，其特征在于，先构造导频频 域信道的相关矩阵，然后计算导频时域信道的能量向量，最后利用导频时域信 道的能量向量求信道的径数。
3、 根据权利要求2所述的信道径数的估计器，其特征在于，导频频域信道 的相关矩阵r的构造方法如下估计导频处的频域信道^(",^)-r("，w/z(",yg。这里，"表示符号索引，^表示导频所在的子载波索引，X("^)和r("，^)分别表示在第w个符号第&个 子载波上发送的导频和接收的信号。令= [^("，A:Q),A("，,i^(",』^)f ，并构造矩阵r(")如下r(X)=这里，P表示导频子载波数，—f表示转置，(，广表示共辄转置。 计算相关矩阵r二丄乞r(")。这里，7V表示符号数。
4、 根据权利要求2所述的信道径数的估计器，其特征在于，导频时域信道 的能量向量v的计算方法为构造导频时域信道的能量矩阵E 。抽取E的对角线元素，取其绝对值并组成向量7 = [^0，巧，...,:^_1广。对向量V进行降序排列，得到向量V^V。,^…,V^/。这里，V(^V,》...
5、 根据权利要求4所述的导频时域信道的能量向量v的计算方法，其特征 在于，能量矩阵E的构造方法为E = ~^FWrf。这里，矩阵f的第O ,g)个元素是e"'2"^", p,《-0,l,…,尸-l，〖表示载波数。
6、 根据权利要求2所述的信道径数的估计器，其特征在于，路径数Z的判 决方法如下￡ = argmin/(《)。其中，/④为判决函数， argmin 表示取fe{0，l"."/M} 《出使判决函数/x^值最小时对应的《。
7、 根据权利要求6所述的路径数的判决方法，其特征在于，判决函数/(《)为/(》iVx )) + ,(0上式中，g(《)=CP —《)ln尸一《乂尸-i i ,,=》nv,.，"《)=会《2尸—《)lnlnTV。
8、 根据权利要求l所述的估计器，其特征在于，估计信道多径时延的过程 为找出向量V中最大的Z个值所对应的索引号，并对索引号进行升序排列， 所得即为3各径时延。
9、 根据权利要求l所述的估计器，其特征在于，根据得到的路径数和对应 的路径时延来估计信道系数的方法为(1)、先利用估计出的路径数和对应的路 径时延构造矩阵Gi和G^这里，G,是一个尸xZ维的矩阵，其第0 ,^个元素 为l/V^e"2""、户=0，1,...,尸-1,《=0，1,...，Z —1; G2是一个〖xZ维的矩阵， 其第(/7,《)个元素为l/VZe-)2咕,，"o,u一i，《=0,1，.."丄-1。 (2)、接着利用矩阵Gi和导频处的频域信道fi^)来估计时域信道系数。(3)、最后利用 得到的时域信道系数和矩阵G，来估计频域信道系数。
全文摘要
本发明提供了一种针对正交频分复用(OFDM)通信系统的参数化信道估计器。其主要特点为接收端首先利用一个新型的参数估计器来估计两种信道参数路径数及各路径对应的时间延迟；再根据估计得到的信道参数来更精确的估计整个信道系数。与以前的参数化信道估计器相比，本发明提供的信道估计器不仅能在低信噪比下更精确的估计信道，而且也有效降低了估计器的计算复杂度。
文档编号H04L25/03GK101309243SQ200810116610
公开日2008年11月19日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者刘元安, 刘凯明, 刘思杨, 唐碧华, 孙剑锋, 张然然, 莉 李, 王飞飞, 胡鹤飞, 袁东明, 刚 谢, 高锦春, 黎淑兰 申请人:北京邮电大学