专利名称：用于提高动态频谱访问多载波系统中的信道估计性能的方法
技术领域：
本发明涉及无线多载波通信系统，并且更具体而言涉及用于提高动态频谱访问多载波系统的信道估计性能的方法。·
背景技术：
无线通信中的一个问题是多路传播，即原始传输的信号与它的多个严重衰减的复制信号一起到达接收机的现象，其中复制信号分别具有不同幅值、相位和到达时间。因被传输信号从发射机与接收机之间的不同回波路径上穿过而导致出现多路传播。信道估计涉及用于识别多路信道对单脉冲信号在时域或频域上的响应以使该响应信息能够用于检测过程从而提高接收机上的信息可靠度的多种技术。因穿过不同路径的复制信号之间相消干扰和相长干扰而使被传输信号的不同谐波不同地衰减时，会引起频率选择性多路传播。如果多路传播为频率选择性的，则不能够再将相同的常规时域信道估计技术应用于接收信号的整个频率范围。这使得信道估计更加复杂，并且通常被称为频率选择性问题。多载波通信是旨在解决频率选择性问题的正常且有效的方案。在多载波通信中，将传输划分为带宽足够窄的并行、固定子信道(也被称为子载波)以使它们的频率几乎平坦，即在特定子信道上频率选择性信道状态的效果可以被视为恒定。从而，代替在接收机上补偿信道衰减的复杂连续均衡技术，可以采用相对简单的针对块的频域均衡技术。为了可靠地恢复被传输信号，要求在接收机上精确地估计信道状态信息，以便能够确定均衡器系数。信道状态信息可以通过识别信道频率响应或者信道冲击响应来确定。在信道估计技术中，基于训练的，尤其导频辅助(pilot-assisted)的方法因其简单性、可靠性和适应性而得到广泛普及。导频辅助的信道估计依赖于与数据一起在被传输信号中多路传输的少量导频符号。信道响应参数(例如，每一个子载波所需的均衡器增益和相移)可以通过对被接收的导频符号进行过滤和内插来估计。近来对建立常规多载波系统(诸如在高斯白噪声条件下操作的正交频分复用(OFDM)系统)的最优导频模式的设计进行了广泛的研究。研究显示，在OFDM系统中，传输容量的平均下限的最大化等价于信道估计最小均方差(MMSE)的最小化，并且仅仅通过在导频符号中等功率分布的等间距(ES)导频模式来实现。认知无线电涉及以下无线通信应用，即依靠被称为动态频谱访问(DSA)的技术来适应性使用未占用频带。动态频谱访问允许二级带(未许可的)用户在不影响一级带(许可的)用户传输的情形下进行通信。该系统的实例在专利权人为T. S. Kwon等人的美国公开专利申请 No. 20090274081 的题为 “Device to Sense Frequency Band to Share OperatingFrequency Bands in Heterogeneous Communication Systems and Method thereof (在非均匀通信系统中感测频带以共享操作频带的装置及其方法)”中进行了说明。近来，已经提出了将多载波系统用在动态频谱访问认知无线电应用中。对于最优导频模式设计，由于被传输信号要求固有的适应性，因此动态频谱访问系统引入了大范围的不确定性。在认知无线电应用中，二级带用户可能受到来自一级用户的干扰。该干扰可能来自远程大功率传输源或者来自相邻频率的其它系统频谱旁瓣。结果，迫使认知无线电多载波系统在任意布置的虚拟子载波(即，不适于传输的子载波)和加性非白噪声(即，高斯白噪声加干扰)的条件下进行操作。这通常使之前的所有最优导频模式设计不适用于动态频谱访问多载波系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供用于提高动态频谱访问多载波系统中的信道估计性能的方法。根据本发明，提出一种用于提高动态频谱访问多载波系统中的信道估计性能的方法，所述动态频谱访问多载波系统使用包括在被传输信号中的导频符号的模式，所述 被传输信号从发射机经过受干扰影响的传播环境发送至接收机，所述方法包括，通过执行以下步骤来适应性地确定包含在所述被传输信号中的导频符号的模式a)基于对所述传播环境的外部测量，通过限定干扰和高斯白噪声的协方差矩阵来明确地特征化受干扰影响的传播环境；b)通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的布置来确定预定数量的等功率导频符号的布置，以及c)在所述导频符号处于其被布置位置的情形下，通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的功率分布来确定所述被布置导频符号之间的相对功率分布。本发明的其它特征为，步骤a)中的所述外部测量借助于频谱感测技术来进行；以及步骤b)中所述导频符号的布置通过找到产生与所述协方差矩阵相配的最小误差平方和的等间距导频模式来计算，其中所述协方差矩阵被限制为对角矩阵，并且以及每一个导频符号的位置以迭代的方式更新，以便产生基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的最小误差平方和。本发明的其它特征为，所述传播环境的外部测量、导频符号的位置的确定和所述被布置的导频符号之间的相对功率分布的确定通过所述接收机来执行，并且所述接收机将所计算的位置和所述导频符号的相对功率分布(以下称为“导频符号的模式”)发送至发射机，以使发射机能够将导频符号包含在其被传输信号中。本发明的其它特征为，该方法包括以下额外的步骤，即通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的相位值组来确定在预定数量的导频符号之间的相位分配。根据本发明的一方面，每当干扰和高斯白噪声的协方差矩阵变化时就确定新的导频符号模式。根据本发明的另一方面，按预定的时间间隔确定新的导频符号模式。本发明的其它特征为，该方法包括以下步骤，在所述接收机确定导频符号的模式之前，所述发射机检测其周围的一子载波范围内的干扰和噪声水平以确定哪一个子载波可以用于传输，并且将与哪些子载波可用于传输有关的信息传输至所述接收机，以便所述接收机能够以下述方式计算导频符号的模式，即导频符号不会布置在不可用于发射机的传输的子载波中。本发明的其它特征为，该方法包括以下额外步骤，即通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的相位值组来确定每一个导频符号的相位分配。本发明的其它特征为，该方法包括以下初始步骤，即将包含在每一个传输块中的导频符号的预定数量确定为等于系统的信道冲击响应长度，由此确保所包含的导频符号数量为可靠的信道估计所需的最小数量。
附图包括 图IA是动态频谱访问多载波系统的示意性视图；图IB是示出在图IA的系统中受干扰影响的传播环境的一部分频谱的曲线图；图2是示出对于不同的导频布置方案在由多个子载波指数(n)指示的频率范围上干扰加噪声功率谱密度的曲线图；图3与图2类似，只是某些子载波无效；图4是示出对于不同的导频布置方案，干扰带宽对平均信道估计误差平方和的影响的曲线图；图5是示出对于不同的导频布置方案，干扰数量对平均信道估计误差平方和的影响的曲线图；图6是示出对于不同的导频布置和导频功率分布方案，导频子载波的数量对平均信道估计误差平方和的影响的曲线图；图7是示出对于不同的导频布置和导频功率分布方案，频域中的峰均功率比的曲线图；图8是示出对于导频符号的最优布置和功率分布，干扰源相关特性和导频符号相位对平均信道估计误差平方和的影响的曲线图；图9是不出对于不同的导频布置、功率分布和相位分配方案以及干扰和噪声功率水平，平均信道估计误差平方和特性的曲线图。
具体实施例方式以下是本说明书中使用的首字母缩写词及其含义的列表CFR信道频率响应CIR信道冲击响应CDMA分码多址DFT离散傅里叶变换DSA动态频谱访问ES等间距IDFT反离散傅里叶变换IFDMA交织频分多址
LSSE最小误差平方和ML最大似然MMSE最小均方差OFDM正交频分复用PAR峰均功率比PP导频模式PSD功率谱密度
SIR信号与干扰功率比SNR信号与噪声功率比SSE误差平方和WGN高斯白噪声。以下是本说明书使用的某些重要变量及其含义的列表干扰协方差矩阵Rvv 高斯白噪声协方差矩阵Rm干扰和高斯白噪声混合的协方差矩阵h信道冲击响应矢量￡信道冲击响应矢量的估计h信道频率响应矢量。图IA示意性示出了无线通信系统，在本发明中该无线通信系统为动态频谱访问多载波通信系统10。通信系统包括二级未许可发射机12，该发射机12通过信号传播环境18将信号14无线地传输至接收机16。信号传播环境的特征在于，受到来自一级许可发射机22，24的干扰，所述发射机22，24发射同样被传播至接收机16的信号26，28。该图中仅仅示出了一个二级发射机12、两个一级发射机22，24和一个接收机16，但应该理解其目的仅是为了进行说明，并且实际系统通常包括很多许可和未许可的发射机和很多接收机。还应该理解，任何特定的装置可以同时为发射机和接收机，并且每个发射机和接收机均可以采用任何形式，包括交流供电或电池供电的无线装置、发射塔、卫星发射机等。图IB示出了在接收机16的天线输入处观察到的信号传播环境18的一部分频谱。由于其为多载波通信系统，因此将频谱划分成多个并行的子载波(n个)。尽管在本实例中示出了十六个子载波，但可以理解在多载波通信系统中通常存在多得多的子载波。传播环境18受干扰影响，在本实例中干扰主要是来自一级许可发射机22，，24的无线电频谱的旁瓣的干扰。第一一级许可发射机22具有附图标记30所示的频谱，并且第二一级许可发射机24具有附图标记32所示的频谱。在本实例中，频谱30主要位于子载波4上，并且频谱32主要位于子载波9、10和11上。在适应性利用未占据频带的动态频谱访问多载波系统中，适于由二级未许可发射机12传输的子载波位置必须基于传播环境8适应性地改变。还要求发射机不能在一级许可传输频带中发射。在本实例中，发射机12不可以在子载波4、9、10或11中发射，以避免与一级许可发射机相干扰。由此，本实例中可用于信号14的传输的子载波为子载波1、2、3、
5、6、7、8、12、13、14、15 和 16。接收机16接收的信号14总是被加性噪声污染。噪声主要来自在接收机16前端的功率放大器和其它有源电路元件。此外，对于包含多路传播效应的传输，在时间域中信道引起的信号弥散是主要的性能限制因素。为了能够在接收机16上重构信号14，需要精确地估计信道状态信息(即，确定信道冲击响应)并且这通过接收机16检测多个导频符号来进行，其中发射机12在被传输信号14中多路传输所述导频符号和数据。通过过滤并内插所接收的导频符号，这些导频符号能够使接收机精确地估计信道状态信息。在本实例中，子载波I、3、5、6、8、12、13、15和16用作数据子载波34，即用于传输信号14的数据部分，并且将子载波2、7和14选为导频子载波36以便传输导频符号。本发明所要解决的一个难题是，在动态频谱访问多载波系统中将导频符号放置在哪些子载波上。很明显，导频符号的等间距模式不适于动态频谱访问系统，诸如图IA和图IB的系统，因为
这将导致使用专供一级许可用户所用的子载波或者使用具有高水平干扰的子载波。导频符号的不良布置将导致接收机的不良信道估计，从而导致接收机不能恰当地重构信号14。本发明提供一种方法,该方法用于确定要包含在被传输信号14内的导频模式以便在动态频谱访问多载波系统的受干扰影响的信号传播环境18中提供较好的信道估计性能。确定期望导频模式的第一步为将受干扰影响的信号传播环境18特征化.步骤I :将受干扰影响的传播环境特征化为了将受干扰影响的信号传播环境18特征化，首先需要确定多载波通信系统的模型，以便能够采用针对块的频域均衡技术。步骤Ia :确定针对块的多载波传输模型如上文所述，为了减轻由多路传播导致的信道引起的信号弥散，通常的做法是将承载并训练数据的符号(被称为导频符号)以块的方式合并到信号传输内。然后，可以采用频域均衡方法，以补偿接收机16处的频率选择性信道衰减。大部分常规多载波系统(诸如OFDM、MC-CDMA和IFDMA)将用作频域均衡的扩展基础的离散傅里叶变换(DFT)纳入接收机。为了解决由多路传播引起的块间干扰，在每一个被传输块的开头插入循环前缀。如果循环前缀间隔大于信道的最大超量延迟并且时间同步化理想，则在接收机上通过丢弃循环前缀来完全消除块间干扰。此外，循环前缀将被传输信号与多路信道冲击响应的线性卷积转换成如接收机所看到的循环卷积。于是，多路传播的唯一残留效应是每一个子载波的随机相位和振幅，该残留效应更容易处理，因为被接收数据可以通过检测导频符号而跟踪子载波的频率响应(或单复值增益)来恢复。块传输概念依赖于多载波系统中作为单个块间隔上的时间恒量的每一个并行且固定的子信道(也称为子载波)的理论近似。该近似的最重要的优势在于，可以获得简单的线性形式的子信道输出的数学描述，这使在接收机上应用该计算效率的过程来恢复块内数据符号成为可能。考虑离散时间基带通信系统，该系统包括发射机、接收机和等效离散时间带限信道模型。假定发射机和接收机具有理想的时序和频率同步。将被选的发射块表示为载有大量数据和导频信息的N个复值符号的矢量X = [X^XnJT，所述复值符号加载在相互垂直且等间距的窄带子载波上。这些符号可以采用任意复值，并且它们的分布取决于所采用的调制及线性编码方案。在基于DFT的多载波系统中，对该块进行反傅里叶变换(IDFT)并且在该块穿过信道之前预先加循环前缀。在接收机上，删除循环前缀并且假定信道响应为针对块的时间恒量，则DFT处理之后的符号矢量可以写为
y = Xh+w = XF B h+w,(I)其中h是LX I信道冲击响应(CIR)矢量(对应的循环前缀必须包含至少L-I个采样，通常L彡N/4)丨是元素为[F]tl = expH^Jikl/N)且具有FhF = NI的特性的无缩放的DFT矩阵；B = [Ilxl 0lx(n_l)]t是零填充矩阵；h = FBh是信道频率响应(CFR) ；X =dg(x)是包含被被传输符号的对角矩阵；以及w = l + v是干扰和高斯白噪声(WGN)混合的NXl矢量。干扰 和高斯白噪声是具有零均值且协方差矩阵分别为Ru =E[l Ih]和R^^EhvHXiT1!的独立复值高斯随机过程，因此Rww = E[w/] =URVV。此处，整个带内的总干扰功率和总高斯白噪声功率被限定为of 二tr(Rg)和OV2 =tr(Rw)(其中tr( )表示矩阵的迹)。应该注意，与高斯白噪声协方差矩阵Rvv不同，干扰协方差矩阵Ru不是缩放的单位矩阵并且通常不是对角矩阵。因此，除了信道状态信息h以外，各个子载波上的传输性能还受Ru影响。由公式(I)可以看出，在接收机上恢复被传输符号X，需要知道信道冲击响应h。由于通常事先并不知道ii，因此必须用h的估计￡来代替hd可以使用导频符号来获得。最优设计的导频辅助多载波系统通过将导频符号加载在分离的子载波组而非被传输数据上来从数据检测中去除信道估计的影响。下面，描述基于导频子载波组来估计信道冲击响应盒的过程。步骤Ib :最大似然信道估计考虑以下系统，其中将N个子载波中的P个分配给导频符号传输。将导频子载波标记为Pk e {0，. . .，N-Il，k G {0，. . .，P-Il。定义提取与导频子载波对应的信道频率响应矢量h的采样所需的大小为PXN的选择矩阵C。C的元素表示为
rri f1，如果 ”=Pk(2)[c], 其他()其中k G {0，…，P-1}并且 n G {0，…，N-1}。被接收导频符号的矢量以与线性等式(I)相似的方式描述为yp = Cy = XpCh+wp = XpCFBh+wp,(3)其中wp = Cw是与导频位置对应的干扰和高斯白噪声混合的P个采样的矢量，并且对角矩阵Xp = dg(xp) = dg(Cx)包括P个导频符号的参考值。将专用于所有导频的总功
率限制为力2=^2=!!^111^)，其中I I I I表示欧氏范数。作为基本设计要求，表达式(3)应该保证在没有噪声和干扰的情形下即在Wp =Opxi时接收机具有理想的信道冲击响应。这仅仅在rk(XpCF) =P^L (其中rk( )表示矩阵秩)时才有可能。在存在干扰和高斯白噪声时，可以采用最大似然(ML)准则来构造由以下已知方法所得到的信道冲击响应估计h = STgmin R^2 (yp-XpCFBh)'⑷
Ii
— j=S BhFhChXphR 二V5其中=CRwwCh是导频子载波处的干扰加高斯白噪声的协方差矩阵，并且
权利要求
1.一种用于提高动态频谱访问多载波系统(10)中的信道估计性能的方法，所述动态频谱访问多载波系统使用包括在被传输信号(14)中的导频符号的模式，所述被传输信号从发射机(12)经过受干扰影响的传播环境(18)发送至接收机(16)，所述方法包括，通过执行以下步骤来适应性地确定要包含在所述被传输信号中的导频符号的模式 a)基于对所述传播环境的外部测量，通过限定干扰和高斯白噪声的协方差矩阵(Rww)来明确地特征化所述受干扰影响的传播环境(18)； b)通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的布置来确定预定数量的等功率导频符号的布置，以及 c)在所述导频符号处于其被布置位置的情形下，通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的功率分布来确定所述被布置导频符号之间的相对功率分布。
2.根据权利要求I所述的方法，其中步骤a)中的所述外部测量借助于频谱感测技术来进行。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中步骤b)中所述导频符号的布置包括 找到产生与所述协方差矩阵相配的最小误差平方和的等间距导频模式，其中所述协方差矩阵被约束为对角矩阵；以及 以迭代的方式更新每一个导频符号的位置，以便产生基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的最小误差平方和。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传播环境的外部测量、导频符号的位置的确定和所述被布置导频符号之间的相对功率分布的确定通过所述接收机来执行，并且所述接收机将所计算的位置和所述导频符号的相对功率分布(以下称为“导频符号的模式”)发送至发射机，以使发射机能够将导频符号包含在其被传输信号中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中新导频符号模式由所述接收机确定并且每当干扰和高斯白噪声的协方差矩阵变化时就发送至所述发射机。
6.根据权利要求4所述的方法，其中新导频符号模式通过所述接收机来确定并且以规则的预定时间间隔发送至所述发射机。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，在所述接收机确定导频符号的模式之前，所述发射机检测其周围的子载波范围内的干扰和噪声水平以确定哪些子载波可以用于传输，并且将与哪些子载波可用于传输有关的信息传输至所述接收机，以便所述接收机能够以下述方式计算导频符号的模式，即导频符号不会布置在不可用于发射机的传输的子载波中。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下额外的步骤，即通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的相位值组来确定每一个导频符号的相位分配。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下初始步骤，即将包含在每一个传输块中的导频符号的预定数量确定为等于系统的信道冲击响应长度，由此确保所包含的导频符号数量为可靠的信道估计所需的最小数量。
全文摘要
本发明公开了一种用于提高动态频谱访问多载波系统(10)中的信道估计性能的方法。该方法包括基于传播环境的外部测量，通过求解干扰和高斯白噪声混合的协方差矩阵(Rww)来确定要包含在被传输信号(14)中的导频符号的模式，所述被传输信号经过受干扰影响的传播环境(18)从发射机(12)发送至接收机(16)；通过计算使基于协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的布置来确定预定数量的等功率导频符号的布置；以及在导频符号处于其被布置位置的情形下，通过计算使基于所述协方差矩阵所实现的最大似然信道估计的误差平方和最小的功率分布来确定被布置导频符号之间的相对功率分布。
文档编号H04L27/26GK102792653SQ201080055508
公开日2012年11月21日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者J·科尔文 申请人:开普敦大学