专利名称：一种ofdm系统接收机及其移动速度估计方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域中的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术，具体涉及一种OFDM系统接收机及其移动速度估计方法。
背景技术：
OFDM是无线通信领域中非常有发展前景的一种多载波调制技术，目前该技术已被广泛应用于IEEE 802.11a、HIPERLAN/2WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)和3GPP LTE(第三代无线通信系统长期演进)等宽带无线通信系统中。
在OFDM系统中，接收机的移动会造成多普勒频散，破坏接收信号子载波间正交性，给信号解调带来困难。特别是当无线信道中存在多径传输时，接收机的高速移动会导致接收信号受到快速时变衰落的干扰，因此产生信号的严重畸变，带来OFDM系统性能的大幅度下降。因此，接收机移动速度估计对提高OFDM系统性能具有重要意义。现有OFDM系统的接收机移动速度估计方法的精确度较低，且只适用于移动速度不超过200km/h的情况，目前还没有适用于高速移动场景的精确移动速度估计方法。
现有OFDM系统的接收机移动速度估计方法主要为电平通过率和自相关。这两种方法均需要对大量的接收信号进行统计，运算效率较低，且主要适用于瑞利信道和移动速度不超过200km/h的慢速移动场景。当信道变为莱斯信道或移动速度超过200km/h时，现有移动速度估计方法的性能将产生大幅度下降。
本发明通过在OFDM系统接收机中增加模块，使接收机可以根据信道估计的结果对接收机的移动速度进行快速、准确的估计，且本发明不但适用于瑞利信道，也适用于莱斯信道，而且在500km/h的高速移动场景下仍能准确估计移动速度。
发明内容
本发明的目的是提出一种OFDM系统接收机及其移动速度估计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的 一种OFDM系统接收机移动速度估计方法，其步骤为 a)在OFDM接收机中，对时域OFDM信号r(n)做FFT变换，从而将时域OFDM信号r(n)转换为频域OFDM信号R(n)； b)在OFDM接收机中，对频域OFDM信号R(n)做信道估计，利用现有信道估计算法得到第i个OFDM符号的频域信道响应
其中i＝1，2，...，N为一个OFDM符号的长度； c)在OFDM接收机中，从b)中的OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...中选取M个OFDM符号的频域信道响应
计算不同OFDM符号的频域信道响应之 间的相似程度，即考察信道频域响应的变化值ΔH； d)在OFDM接收机中，利用频域信道响应相似性ΔH估计得到接收机移动速度
在OFDM接收机中，可以利用频域OFDM信号R(n)和信道估计值Hi对接收信号进行解调，并用移动速度估计值
对解调信号进行补偿。
进一步，所述步骤a)中所述的利用时域OFDM信号r(n)进行FFT变换为频域OFDM信号R(n)的方法为
其中n＝1，2，...N，N为一个OFDM符号的长度。
进一步，所述步骤b)中所述的第i个OFDM符号的频域信道响应Hi的估计方法可以采用目前已有的各种OFDM系统信道估计方法得到，如迫零信道估计方法，最小均方误差信道估计方法等。
进一步，所述步骤c)中所述的利用M个OFDM符号的频域信道响应
计算得到频域信道响应变化值ΔH的确定方法为 从频域信道响应H1，H2，...中选取M个频域信道响应
其中i1，i2，...iM对应选取的OFDM符号序列标号。
利用M个频域信道响应
计算信道不同OFDM符号间的信道相似程度，即信道频域响应的变化值ΔH。具体方式是将M个频域信道响应
带入函数F1(·)中以得到频域信道响应变化值
应该指出，M的取值因具体情况而不同，
可以是连续M个OFDM符号的频域信道响应，也可以按等差数列或其它规律选取频域信道响应，在信道相干时间内甚至可以是任意选取的，此时只需要相应的调整计算信道频域响应的相似性的方式即可。
函数F1(·)的表达式存在多种形式，具体表达形式可根据所选取的OFDM符号信道频域响应的方式进行调整。
进一步，所述步骤d)中所述的接收机移动速度的估计值
的确定方法有多种，这里给出两种具体的确定方法，分别为 第一类，查表法。
(1)按照b)中的方法，实测不同速度v所对应的信道频域响应变化值□H，其中速度v的选取可以根据需要任意设定； (2)建立□H-v表格，该表格反应了移动速度v与信道频域响应变化值□H之间的关系； (3)将b)中得到的信道频域响应变化值□H带入(2)所建立的表格，进行查表估计出移动速度。
第二类，公式法。
将信道频域响应变化值□H直接带入公式F2(·)可求得速度估计值，F2(·)为一单调递增函数
应当指出，单调递增函数F2(·)的表达式存在多种形式，可根据用户所需进行选择。
接收机解调方法不在本发明的保护范围之内，现有方法如利用d)中得到的移动速度估计对信道估计值和频域OFDM信号进行补偿。
本发明同时公开了一种带有接收机移动速度估计的OFDM接收装置，包括FFT(FastFourier Transform，快速傅立叶变换)模块、信道估计模块、频域信道响应变化估计模块、接收机移动速度估计模块和解调模块，其中 FFT模块对接收到的时域OFDM信号r(n)进行FFT处理，从而将时域OFDM信号r(n)转换为频域OFDM信号R(n)； 信道估计模块接收FFT模块输出的频域OFDM信号R(n)，利用现有信道估计算法得到第i个OFDM符号的频域信道响应
其中i＝1，2，...，N为一个OFDM符号的长度； 频域信道响应变化估计模块接收信道估计模块输出的OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...，从中选取M个频域信道响应
带入函数F1(·)中计算得到频域信道响应变化值
接收机移动速度估计模块接收频域信道响应变化估计模块输出的频域信道响应变化值ΔH，带入函数F2(·)中计算得到接收机移动速度的估计值
解调模块接收FFT模块输出的频域OFDM符号R(n)，用信道估计模块输出的OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...以及对频域OFDM符号R(n)进行，并用接收机移动速度估计模块输出的接收机移动速度的估计值
对解调信号进行补偿，输出二进制数据流。
与现有技术相比，本发明的技术效果在于 本发明通过在OFDM接收机中利用频域信道响应计算得到频域信道响应变化值，设定合适的函数F1(·)和F2(·)，使OFDM接收机能够准确的估计接收机移动速度，具有方法简单、易于实现的特点，且该接收机移动速度估计方法不但适用于瑞利信道，也适用于莱斯信道，而且在500km/h的高速移动场景下仍能准确估计接收机移动速度，提高了OFDM接收机移动速度的估计精度。
图1现有OFDM接收装置结构框图 图2本发明的OFDM接收装置结构框图 图3现有OFDM接收装置和本发明的OFDM接收装置在不同移动速度和移动场景下的接收机移动速度估计结果仿真比较图
具体实施例方式 以下结合附图详细描述本发明所提供的OFDM系统接收机中的移动速度估计方法及OFDM接收装置，但不构成对本发明的限制。
现有OFDM接收装置可分解为三个部分，如图1所示，FFT模块对时域OFDM信号r(n)做FFT后得到频域OFDM信号R(n)；信道估计模块利用上述频域OFDM信号R(n)估计得到第i个OFDM符号的频域信道响应
其中i＝1，2，...，N为一个OFDM符号的长度；解调模块利用信道估计模块输出的OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...对上述频域OFDM信号R(n)进行解调，得到二进制数据流。
本发明的OFDM接收装置在现有OFDM接收装置的基础上做了改进，在原接收装置的FFT模块和解调模块之间增加了2个模块，如图2所示，这2个模块分别为3-频域信道响应变化估计模块，4-接收机移动速度估计模块。
本发明的OFDM接收装置的实现流程为 1*--FFT模块对时域OFDM信号r(n)做FFT，从而将时域OFDM信号r(n)转换为频域OFDM信号R(n)； 2*--信道估计模块对FFT模块输出的频域OFDM信号R(n)做信道估计，利用现有信道估计算法得到第i个OFDM符号的频域信道响应
其中i＝1，2，...，N为一个OFDM符号的长度； 3*--频域信道响应变化估计模块接收信道估计模块输出的OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...，从中选取M个频域信道响应
可以是连续M个OFDM符号的频域信道响应，也可以按等差数列或其它规律选取频域信道响应，在信道相干时间内甚至可以是任意选取的M个OFDM符号可以是连续的，将M个频域信道响应带入函数F1(.)计算得到频域信道响应变化值
4*--接收机移动速度估计模块接收频域信道响应变化估计模块输出的频域信道响应变化值ΔH，带入函数F2(·)计算得到接收机移动速度的估计值
5*--解调模块接收FFT模块输出的频域OFDM符号R(n)，利用信道估计模块输出的OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...以及接收机移动速度估计模块输出的接收机移动速度的估计值
对频域OFDM符号R(n)进行解调，并输出二进制数据流。
下面列举本发明的2个具体实施例，分别对应函数F2(·)的两种实现方式。
例1该例是按查表法得到F2(·)的实例。
从频域信道响应变化估计模块输出的信道频域响应中选取连续M个OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...，HM，采用的函数F1(·)的一种形式为 其中Hi为第i个OFDM符号的频域信道响应，
i＝1，2，...，N为一个OFDM符号的长度。
接收机移动速度估计模块中采用的函数F2(·)的表达式通过如下过程得到 1)首先，利用函数F1(H1，H2，...，HM)计算得到移动速度v＝
km/h分别对应的频域信道响应变化值ΔHv。以移动速度v＝0km/h为例，取M＝14个OFDM符号的频域信道响应Hi+1，Hi+2，...，Hi+14代入函数F1(Hi+1，Hi+2，...，Hi+14)，由此可以计算得到频域信道响应变化值
同理可得其它移动速度下的频域信道响应变化值ΔHv＝50，...，ΔHv＝500。为表达方便将这11个移动速度对应的频域信道响应变化值记为ΔH0，ΔH1，...，ΔHt，...，ΔH10，其中ΔHt表示移动速度为v＝50t km/h对应的频域信道响应变化值。
2)然后，利用ΔH0，ΔH1，...，ΔH10得到接收机移动速度v与频域信道响应变化值ΔHv的关系函数F2(·)，满足 ΔHt＜ΔHv＜ΔHt+1 其中t＝0，1，...，9，ΔHv表示移动速度v对应的频域信道响应变化值。
例2该例是按公式法得到F2(·)的实例。
在相干时间内，任意从频域信道响应变化估计模块输出的信道频域响应中选取M个OFDM符号的频域信道响应
m∈N，为方便书写，将
m∈N，M此时为奇数。函数F1(·)的表达式为 其中Hi为第i个OFDM符号的频域信道响应，
i＝1，2，...，N为一个OFDM符号的长度。
将F1(·)求得的信道频域响应变化值ΔH送入接收机移动速度估计模块，函数F2(·)的表达式由公式给出
可估计出移动速度。
如果选取的M个OFDM符号的频域信道响应H1，H2，...Hm，m∈N，为连续的M个OFDM符号的频域信道响应，带入函数F1(·)，将求得的信道频域响应变化值ΔH送入接收机移动速度估计模块，函数F2(·)的表达式由公式给出
当采用以上OFDM接收装置时，OFDM接收装置可以根据信道估计的结果对接收机的移动速度进行快速、准确的估计，图3给出了现有OFDM接收装置和本实施例所述的本发明的OFDM接收装置在不同移动速度和信道环境下的移动速度估计结果仿真比较图。可以看出采用本实施例后，OFDM接收装置在瑞利和莱斯信道下都能对接收机移动速度进行快速、精确的估计，尤其在移动速度超过300km/h的快速移动场景下性能优势更加明显。
本发明通过在OFDM系统接收机中增加模块，使接收机可以根据信道估计的结果对接收机的移动速度进行快速、准确的估计，且本发明不但适用于瑞利信道，也适用于莱斯信道，而且在500km/h的高速移动场景下仍能准确估计移动速度。
权利要求
1.一种OFDM系统接收机移动速度估计方法，其步骤为
1)接收机将时域OFDM信号r(n)转换为频域OFDM信号R(n)；
2)接收机对频域OFDM信号R(n)做信道估计，得到每个OFDM符号的频域信道响应Hi；
3)接收机根据得到的频域信道响应计算不同OFDM符号间频域信道响应的变化值ΔH；
4)接收机根据变化值ΔH估计接收机当前移动速度
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于计算所述变化值ΔH的方法为从所述频域信道响应Hi中选取M个频域信道响应；根据所选的M个频域信道响应计算不同OFDM符号间频域信道响应的变化值ΔH。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述M个频域信道响应为连续的M个OFDM符号的频域信道响应。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述M个频域信道响应为按等差数列选取的M个OFDM符号的频域信道响应。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述M个频域信道响应为在信道相干时间内任意选取的M个OFDM符号的频域信道响应。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的方法，其特征在于所述根据变化值ΔH估计接收机当前移动速度
的方法为将变化值ΔH带入一函数
中，计算接收机当前移动速度
所述函数
为一单调递增函数。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于建立所述函数
的方法为
1)接收机实测不同速度vi所对应的频域信道响应变化值ΔHi；
2)根据速度vi与频域信道响应变化值ΔHi之间的关系，建立所述函数
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于将所述信道响应的变化值ΔH带入函数
估计接收机当前移动速度。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于按公差为1的等差数列选取M个OFDM符号的频域信道响应，计算所述变化值ΔH；然后将得到的变化值ΔH带入函数
估计接收机当前移动速度。
10.如权利要求1或2或3或4或5所述的方法，其特征在于所述根据变化值ΔH估计接收机当前移动速度
的方法为
1)接收机实测不同速度vi所对应的频域信道响应变化值ΔHi；
2)根据速度vi与频域信道响应变化值ΔHi，建立一ΔH-v表；
3)根据变化值ΔH查询所建立的ΔH-v表，估计接收机当前移动速度
11.一种OFDM系统中的接收机，其特征在于包括快速傅立叶变换模块、信道估计模块、频域信道响应变化估计模块、接收机移动速度估计模块；所述快速傅立叶变换模块的输出端分别与所述信道估计模块的输入端、解调模块的输入端连接；所述信道估计模块的输出端分别与所述频域信道响应变化估计模块的输入端、解调模块的输入端连接；所述频域信道响应变化估计模块经所述接收机移动速度估计模块与所述解调模块的输入端连接；其中
所述快速傅立叶变换模块，用于将时域OFDM信号r(n)转换为频域OFDM信号R(n)；
所述信道估计模块，用于对频域OFDM信号R(n)做信道估计，得到每个OFDM符号的频域信道响应Hi；
所述频域信道响应变化估计模块，用于根据得到的频域信道响应计算不同OFDM符号间频域信道响应的变化值ΔH；
所述接收机移动速度估计模块，用于根据变化值ΔH估计接收机当前移动速度
全文摘要
本发明涉及一种OFDM系统接收机及其移动速度估计方法，属于无线通信领域。本发明的方法为1)接收机将时域OFDM信号r(n)转换为频域OFDM信号R(n)；2)接收机对频域OFDM信号R(n)做信道估计，得到每个OFDM符号的频域信道响应Hi；3)接收机根据得到的频域信道响应计算不同OFDM符号间频域信道响应的变化值ΔH；4)接收机根据变化值ΔH估计接收机当前移动速度本系统包括快速傅立叶变换模块、信道估计模块、频域信道响应变化估计模块、接收机移动速度估计模块。本发明对接收机移动速度的估计方法简单、迅速、易于实现，既适用于瑞利信道，也适用于莱斯信道，而且估计精度高。
文档编号H04L27/26GK101808070SQ20101014752
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者周舒, 张小欣, 赵玉萍, 赵婷婷 申请人:北京大学