专利名称：协同正交频分复用系统中的信道估计方法
技术领域：
本发明涉及协同正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系统中的一种信道估计方法，具体是一种用于估计协同OFDM系统频 率选择性衰落信道的低复杂度信道估计方法，属于宽带无线数据传输领域。
背景技术：
新一代无线通信系统将支持高速率多媒体信息传输，在有限的频谱资源上实现高 数据速率和大系统容量。在此背景下，具有较高频谱利用率且能够有效对抗无线信道频率 选择性衰落和大尺度衰落影响的技术成为研究热点。(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) i一禾中 多载波数字调制技术，它能够将高速的信息分割到多个正交子载波上并行低速传送，从而 显著消除频率选择性衰落给系统带来的影响。同时，由于它采用了离散傅立叶变换，大大降 低了收发机的实现复杂度，因此随着多媒体业务的发展，它在无线通信系统中的应用尤其 引人注目，已成为现代无线通信领域最重要的关键技术之一。另一方面，协同通信作为新 一代无线通信系统的增强型技术也随之应运而生，其基本思想是用户间可以共享彼此的天 线，通过无线中继的方式形成一个虚拟的多天线阵列，从而获得空间分集，它可以在不增加 发射功率的情况下，显著地扩大覆盖范围、提高信道容量、改善服务质量QoS。因此把OFDM 和协同通信这两个强有力的技术相结合，既可以获得很高的信息传输速率又可以实现很强 的可靠性，既可以利用OFDM技术有效地抵抗多径衰落，又可以充分发挥协同通信的独特优 势，使其兼具两者的优点并相互补充。因此，协同OFDM技术已经成为新一代无线通信系统 关键技术的重要候选之一和新的研究热点。在相干检测协同OFDM系统中，信道估计极大地影响着整个通信系统的性能。由 于译码转发(Decode-and-forward，DF)协同系统的信道估计问题可以退化为传统点对点 传输的信道估计问题，因此目前大部分研究都是针对放大转发(Amplify-and-forwarcbAF) 协同系统进行讨论的。由于放大转发使得从源节点经过中继到目的节点的等效信道不再具 有高斯特性，并且在中继节点引入的噪声被放大转发到目的节点，因此传统的信道估计方 法在AF协同系统中不再适用。近几年来，关于协同通信系统的信道估计问题正逐渐得到关 注。但由于协同信道估计问题尚处于研究发展阶段，其大部分研究仍是针对平坦衰落信道 进行的，与真正实用化差距较大。在实际的无线传输信道中，由于散射和延迟等造成的多径 传输，使得信道往往具有频率选择性衰落。因此，协同OFDM系统是一种很有前景的解决方 案，讨论该方案中的信道估计也成为了近期人们研究的一个热点。目前，已有一些学者对协同OFDM系统的信道估计问题进行了研究。例如，K. S. Woo 等人在((IEICE Transactions on Communications〉〉，vol. 90, no. 6, pp. 1555-1558, 2007 发表了 “Channel estimation for OFDM systems with transparentmulti-hop relay. ”，针对频率选择性信道，将OFDM技术用于协同系统中，提出了一种基于导频的最 小二乘(Least Square, LS)信道估计；H. Dogan针对协同OFDM系统，提出了一种基于最大后验概率(Maximum a Posteriori, MAP)的信道估计方法，并与传统的梳状导频辅助信 道估计方法进行了比较，具体可参见"Maximum aposteriori channel estimation for cooperative diversity orthogonal frequency-divisionmultiplexing systems in amplify-and-forward mode. IET Communicaitons,vol. 3,iss. 4,pp.501-511,2009. ”。而 F. Liu 等人在"Channel estimation for amplify and forwardrelay in OFDM system. Wireless Communications, Networking and Mobile Computing,2008. WiCOM ' 08.4th International Conference on,pp. 1-4,2008. ”中比较了协同 OFDM 系统中 LS、线性最小均 方误差(Linear Minimum Mean Square Error, LMMSE)以及低秩LMMSE三种信道估计方法 的性能差异。尽管目前已有不少关于协同OFDM系统信道估计问题的研究，然而关于该问题的 研究还很不完善。一方面，现有的关于协同OFDM系统信道估计问题的研究往往是针对单中 继或者是以时分复用(Time Division Multiplex, TDM)方式进行转发的多中继系统进行 讨论的。对于以TDM方式转发的多中继系统来说，在目的节点，接收机可以有效分辨出每个 中继节点转发的信号，因此其每条等效信道估计问题可以转化为单中继节点的信道估计问 题。但是，TDM方式进行发送必然会带来系统资源的浪费，因此，考虑多个中继同时发送信 号至目的节点的情况更具有实际意义。需要指出的是，当接收机同时接收来自多个中继的 发送信号时，将造成目的节点上多个信号的混叠，此时，如何从多个中继发送来的混叠信号 中有效准确地对每条等效信道进行信道估计将变得更为复杂，也就更需要进行深入地考虑 和研究。另一方面，现有的关于协同OFDM系统中信道估计的研究大都是在所有子载波 为有效子载波的假设下进行的。例如，W. Zhang等人在“Distributedspace-frequency coding for cooperative diversity in broadband wireless ad hocnetworks. IEEE Transactions on wireless communications, vol. 7, no. 3, pp. 995-1003, March 2008.，， 一文中，通过中继节点的循环移位操作，使得不同中继导频序列移位正交。然而在实际应 用中，OFDM系统都存在虚载波，虚载波的作用在于它不仅使得信号在边带自然地衰减，形成 “砖墙”形的FFT，且能够避免由于频率偏移对旁边的频带产生干扰。但是当把上述导频应用 到具有虚载波的协同OFDM系统中时，由于虚载波位置信号为零，这将破坏不同中继之间导 频序列的移位正交性，不仅导致系统性能急剧恶化，且信道估计的运算复杂度也大大增加。 因此，针对虚载波协同OFDM系统进行低复杂度信道估计将更符合实际应用，但这样的研究 及方法却未有出现过。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提出了一种适用于多中继且存在虚载波的 协同正交频分复用系统中的信道估计方法，本发明能兼顾信道估计性能和复杂度保证。本发明是通过以下技术方案实现的一种协同正交频分复用系统中的信道估计方法，包括训练序列设计、噪声和大尺 度衰落系数估计、功率分配、中继线性变换、初始信道估计、信道内插，包括以下步骤A.在通信传输开始之前可按以下步骤进行第一步设计源节点上的正交训练序列，具体步骤如下
(1)令源节点上训练序列中Np个符号功率相等，且其相位呈等差分布，差值为 j ^ / (Ν/Κ)，其中N为子载波个数，K为中继节点个数，将这Np个符号表示为
权利要求
1. 一种协同正交频分复用系统中的信道估计方法，包括训练序列设计、噪声和大尺度 衰落系数估计、功率分配、中继线性变换、初始信道估计、信道内插，其特征在于，包括以下 步骤A.在通信传输开始之前可按以下步骤进行 第一步设计源节点上的正交训练序列，具体步骤如下(1)令源节点上训练序列中Np个符号功率相等，且其相位呈等差分布，差值为jπ / (N/ K)，其中N为子载波个数，K为中继节点个数，将这乂个符号表示为P= [P(O)，...，P(Np-I)]T9(2)根据有效子载波、虚载波的位置以及中继节点的个数K，选择训练序列所在子载波的位置，使得训练序列所在子载波的位置在有效子载波内等间隔分布， 且间隔为K，相应的子载波序号为[& ，·__，％-」，将P中Np个符号依次填入到序号为[點，…， 的子载波上，其余子载波位置均填零，形成训练序列频域符号Xci,第二步对Xtl做反快速傅立叶变换(IFFT)，得到的训练序列时域符号Stl加上循环前缀 CP后形成时域符号§。，通过天线发射给所有中继节点，第三步每个中继节点进行噪声功率及大尺度衰落系数估计，具体步骤如下(1)第k个中继节点将接收到的源节点发送的含有循环前缀CP的训练序列时域符号 §。去除循环前缀CP，其中k为[1，K]范围内任一正整数，然后做快速傅立叶变换FFT转变 为频域符号Yk，从Yk中抽取有效子载波中训练序列子载波[办，…， 上的Np个符号，组成 向量Zi= [ZM,···,Zi^f，Zk中的第n ‘个元素Zk, η,即为Yk中训练序列子载波gn,上的符 号，其中η'为
范围内任一非负整数，gn,为[& ，…，h-J中的第η'个元素；从Yk 中抽取有效子载波中非训练序列子载波上的Ntl-Np个符号，组成向量A [[‘,...,twif， A中的第η"个元素U卩为Yk中非训练序列子载波上的所有符号依次排列后的第η"个 符号，其中η"为
范围内任一非负整数，Ntl为有效子载波个数，A是用来估计第k个中继节点的噪声功率，噪声功率为 )，而4则是用来估计 源节点与第k个中继节点之间的无线信道大尺度衰落系数，无线信道大尺度衰落系数为4=〔( ::。Κ,|2)Α)-4，(2)第1个中继节点将频域符号Y1中非训练序列子载波上的Ntl-NpA符号置零，然 后做反快速傅立叶变换IFFT得到时域符号S1，加上循环前缀后形成时域符号S1，通过天 线发射给目的节点，目的节点将收到的第1个中继节点发射的含有循环前缀CP的时域 符号S1去除循环前缀CP，做快速傅立叶变换FFT得到频域信号Yd，从Yd中抽取有效子载 波中非训练序列子载波上的Ntl-Np个符号，组成向量纥=民。,…又久中的第η"个 元素即为Yd中非训练序列子载波上的所有符号依次排列后的第η"个符号，其中η" 为
范围内任一非负整数，&是用来估计目的节点的噪声功率，噪声功率为句=ΣΠ |2Μ-义)，第四步确定各节点发送功率，即进行功率分配，具体步骤如下(1)根据系统参数设定，选择发射端的发射功率ps，(2)令々=《？<*表示第k个中继节点的信噪比，其中k为[1，K]范围内任一正整数，将第k个中继节点的发射功率设为
全文摘要
一种协同正交频分复用系统中的信道估计方法，在源节点设计一种正交训练序列，将其在有效子载波内等间隔分布，其余补零；通信开始前，估计所有中继和目的节点的噪声功率，确定各节点间无线信道大尺度衰落系数、源节点和所有中继的发射功率以及各中继的变换系数和功率放大系数；通信开始后，源节点将训练序列频域符号转变为时域符号，截取一段后加上循环前缀并通过天线发射；各中继根据各自所采用的变换系数及功率放大系数对去除循环前缀的接收符号进行线性变换，添加循环前缀后转发给目的节点；目的节点收到所有中继转发的时域符号后，去除循环前缀并进行自我复制，再转变为频域符号；利用快速傅立叶变换和线性内插滤波器进行低复杂度的信道估计。
文档编号H04L27/26GK102006249SQ20101057780
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者屠佳, 杨炜伟, 蔡跃明 申请人:中国人民解放军理工大学