专利名称：基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方法
技术领域：
本发明涉及一种移动WiMAX下行链路系统的信道估计方法，具体涉及一种基于奇 异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方法，属于无线通信技术领域。
背景技术：
近年来，宽带无线技术发展迅猛，微波存取全球互通(Wordwide Interoperability for Microware Access, WiMAX)逐渐成为无线通信业界关注的焦点，具 有广阔的市场前景。WiMAX是以IEEE 802. 16系列标准为基础的宽带无线接入技术，支持固 定、游牧、便携和全移动四种应用场景。其中的移动WiMAX按照空中接口标准IEEE802. 16e 使用正交频分复用多址技术(0FDMA)，具有支持移动性、高速数据业务和低成本的优势，被 业界视为能与3G相抗衡的下一代无线宽带技术。在IEEE802. 16e标准中，每一个正交频分复用OFDM子帧含有数据子载波和导频 子载波，其中子信道的分配方案含有完全使用子信道方案(FUSC)和部分使用子信道方案 (PUSC)。用于上行系统OFDM符号结构中的子信道分配方案与下行系统不同，下行系统的 PUSC子信道分配方案中，首先将两个相邻符号的子载波去除虚拟载波和直流分量后分成 簇，每个簇含有两个导频子载波，偶符号和奇符号导频子载波位置不同。因此，移动WiMAX 下行系统PUSC模式下导频个数有限，而且导频位置分配不均勻。通常，信道状态信息对于无线通信系统接收机是至关重要的，因为它不仅可以均 衡接收机，辅助信号译码，而且可以增加系统容量。然而，由于接收端对信道信息是未知的， 因此接收机需要对其进行估计，这样信道估计的好坏极大地影响着整个通信系统的性能。 尽管无线通信系统中信道估计方法的研究已有很多，但针对于实际移动WiMAX系统特定正 交频分复用OFDM符号结构信道估计方法的研究还很有限。由于移动WiMAX系统下OFDM符 号的特定结构和子信道分配方案，传统信道估计方法难以直接应用。一般而言，信道估计方 法通常基于最小均方误差(匪SE)或者最小二乘(LS)准则进行设计。其中的匪SE信道估 计方法由于利用了信道的相关特性，所以获得了重要的性能增益，但复杂度较高。尽管LS 信道估计方法执行简单，但信道估计误差较大，具有较高的均方误差(MSE)值。而且，由于 IEEE 802. 16e标准的PUSC符号结构中分配的导频符号数非常少且分布不均勻，导致信道 估计存在严重的“边缘效应”，所以移动WiMAX系统中的信道估计问题比一般通信系统更加 难以处理。最近，在相关文献中，出现过针对WiMAX系统的基于改善离散傅立叶变换(DFT)正 交频分复用OFDM信道估计方法，该方法估计精度较高，但需要通过线性内插构造虚拟信道 频率响应(VCFR)和在相干带宽之内等间隔分布导频来消除边缘效应，而且通过重要抽头检 测器(SCTD)或时域低通滤波方法来减少频域LS方法的时域噪声来提高信道估计精度，所 以信道估计过程较为繁琐，而且在信噪比较高时VCFR的重构误差对信道估计性能的影响 较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估 计方法，以避免构造VCFR，简化信道估计过程，解决信道估计存在严重“边缘效应”的问题。为实现上述目的，本发明的基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估 计方法技术方案如下该方法首先在频域中用最小二乘估计法得到收发天线间每个正交频 分复用OFDM符号内实际分配导频符号子载波处的信道频响估计；然后，每个正交频分复用 OFDM符号在相邻OFDM符号子载波处的信道频响估计由相邻正交频分复用OFDM符号中相应 子载波处的信道频响线性内插得到；再将每个正交频分复用OFDM符号中实际导频子载波 信道频响估计和线性内插的信道频响估计合并，并按所有子载波索引值升序排列后一并送 入经过奇异值阈值判决后的频域滤波器中进行去噪；最后，再利用线性内插得到所有数据 子载波处的最终信道频响估计。进一步的，该方法的具体步骤如下
(1)发送端根据IEEE802. 16e标准中下行链路部分使用子载波符号结构的子信道分 配方案进行数据符号和导频符号的子载波映射，形成一个正交频分复用OFDM符号；
(2)发送端分别对奇、偶正交频分复用符号在不同子载波处分配导频符号，并对每个正 交频分复用OFDM符号作逆傅立叶变换，然后插入循环前缀后经发射天线发出；
(3)接收端将接收到的信号去除循环前缀并作傅立叶变换后得到的正交频分复用OFDM 符号，根据发送端使用的子载波映射模式分别提取奇、偶正交频分复用符号中实际分配导 频子载波处的符号；
(4)由步骤(3)及已知发射端的导频符号，按最小二乘准则计算得到每个正交频分复用 OFDM符号内实际导频子载波处信道频响估计；每个正交频分复用OFDM符号在相邻正交频 分复用OFDM符号导频子载波处的信道频响由相邻符号的信道频响线性内插得到；
(5)合并每个正交频分复用OFDM符号中实际导频子载波最小二乘信道估计和 由相邻符号线性内插得到的信道估计，将其按升序的子载波索引值排列后送入系数 为FVΣ； Ub的经过奇异值分解
阈值判决的频域滤波器中进行去噪；其中，部分傅立叶矩阵P的元素为[r].,^:，,
i =是矩阵f奇异值分解后的酉矩阵,Σ 是矩阵奇异值分解对角矩阵的伪
逆Σ；,矩阵I；含有ρ矩阵中F个大奇异值，其中F满足OOSnmfWi^并由阈值判定决定；
(6)将经过频域滤波的每个正交频分复用OFDM符号的信道频响估计线性内插得到符 号内所有数据子载波处的最终信道频响估计。进一步的，所述步骤(1)具体过程为将每个正交频分复用OFDM符号内所有有用 子载波分成若干个簇，簇的个数取决于傅立叶变换的大小，每个簇内含有十二个数据子载 波和两个导频子载波，偶数OFDM符号和奇数OFDM符号的导频子载波位置不同，剩余的数据 子载波用于不同用户以频分多址的形式进行数据传输。进一步的，所述奇、偶OFDM符号中导频的放置原则为偶数OFDM符号中每个簇内 的实际导频分别位于第5个和第9个子载波；奇数OFDM符号中每个簇内的实际导频分别位于第1个和第13个子载波。进一步的，所述步骤(5)中奇异值分解的具体方法为首先将部分傅立叶矩阵 P进行奇异值分解为f=USVa,其中矩阵U和Y维数分别为2^r ■和wx￡,数值■是 矩阵f的秩,矩阵Σ是由F奇异值组成的对角矩阵“礼")’那么ρ =vi丨沪 ，其中Af …,O;然后将矩阵2中奇异值和设定的阈值J；进行比较，计算 出满足ff^y-L·.^条件的奇异值个数Γ，再将戸=￥公炉修改成？^2丨炉,其中 Σ1 广Aig(Ofr^H),即将滤波器系数修改为FV2;Ub,其中参数Γ的取值范围为 0<r<mm(2iV,I) 本发明的基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方法通过使用 频域滤波减少了频域最小二乘信道估计中的噪声的影响，而且通过对频域滤波器奇异值分 解并进行阈值判决选取部分大奇异值，以减少符号结构和子载波分配方案所导致的导频子 载波分布不均引入的“边缘效应”问题。整个过程无需信道相关特性信息，使用的基于奇异 值分解的频域滤波会使本发明的复杂度和计算量最低的频域最小二乘方法相比略有增加。 然而，本发明方法由于拥用滤波去噪，所以比传统方法获得了更高的估计精度，而且执行简 单，使其更加适用于实际的应用场景。本发明方法的计算量主要源于频域滤波器系数和对信道频响估计进行滤波操作 的计算。为了分析简单起见，本发明仅比较各方法所需的乘法次数的最高阶。由于本发明 中使用的频域滤波器系数计算和信道无关，且仅取决于偶符号导频子载波和奇符号导频子 载波索引位值的集合，它是恒定不变的，并且可被接收机已知，因此该项可被预先计算出， 所以此部分的计算量可以忽略不计。另一方面，对信道频响估计进行滤波的操作可通过简 单的矩阵乘实现，其计算量为Ο(λ^)阶。传统的频域最小二乘方法由于仅需要简单的乘除 运算，所以复杂度最低，可为阶。另外，传统的使用VCFR的DFT信道估计方法计算量 和本发明比略低，其复杂度为O(MiIOg1Ii)阶(其中风》』％等间隔分配后的导频数与虚拟子 载波个数之和)。所以，本发明方法和频域最小二乘方法及使用VCFR的DFT方法相比，虽然 复杂度略有增加，但和频域最小二乘方法估计性能相比获得了极大的提高，和使用VCFR的 DFT方法相比在高信噪比时性能也有所改善，同时本发明方法更易于向多天线环境扩展。
图1是本发明信道估计方法的流程框图2是本发明偶符号和奇符号在连续簇内的子载波分布图3是PB 3km/h信道下传统信道估计方法和本发明的信道估计方法误码率性能比较图。
具体实施例方式
本发明方法通过使用频域滤波减少了频域最小二乘信道估计中的噪声的影响，而 且通过对频域滤波器奇异值分解并进行阈值判决选取部分大奇异值，以减少符号结构和子
6部分傅立叶变换矩阵的元素
权利要求
1.一种基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方法，其特征在于，该 方法首先在频域中用最小二乘估计法得到收发天线间每个正交频分复用OFDM符号内实际 分配导频符号子载波处的信道频响估计；然后，每个正交频分复用OFDM符号在相邻OFDM符 号子载波处的信道频响估计由相邻正交频分复用OFDM符号中相应子载波处的信道频响线 性内插得到；再将每个正交频分复用OFDM符号中实际导频子载波信道频响估计和线性内 插的信道频响估计合并，并按所有子载波索引值升序排列后一并送入经过奇异值阈值判决 后的频域滤波器中进行去噪；最后，再利用线性内插得到所有数据子载波处的最终信道频 响估计。
2.根据权利要求1所述的基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方 法，其特征在于，该方法的具体步骤如下(1)发送端根据IEEE802. 16e标准中下行链路部分使用子载波符号结构的子信道分 配方案进行数据符号和导频符号的子载波映射，形成一个正交频分复用OFDM符号；(2)发送端分别对奇、偶正交频分复用符号在不同子载波处分配导频符号，并对每个正 交频分复用OFDM符号作逆傅立叶变换，然后插入循环前缀后经发射天线发出；(3)接收端将接收到的信号去除循环前缀并作傅立叶变换后得到的正交频分复用OFDM 符号，根据发送端使用的子载波映射模式分别提取奇、偶正交频分复用符号中实际分配导 频子载波处的符号；(4)由步骤(3)及已知发射端的导频符号，按最小二乘准则计算得到每个正交频分复用 OFDM符号内实际导频子载波处信道频响估计；每个正交频分复用OFDM符号在相邻正交频 分复用OFDM符号导频子载波处的信道频响由相邻符号的信道频响线性内插得到；(5)合并每个正交频分复用OFDM符号中实际导频子载波最小二乘信道估计和 由相邻符号线性内插得到的信道估计，将其按升序的子载波索引值排列后送入系数 为FVΣ； Ub的经过奇异值分解阈值判决的频域滤波器中进行去噪；其中，部分傅立叶矩阵P的元素为[r].,^:，,i = Of.-.,i-1,V和U是矩阵f奇异值分解后的酉矩阵,Σ丨是矩阵f奇异值分解对角矩阵的伪 逆Σ；,矩阵I；含有f矩阵中F个大奇异值，其中F满足OOSnmfWi^并由阈值判定决定；(6)将经过频域滤波的每个正交频分复用OFDM符号的信道频响估计线性内插得到符 号内所有数据子载波处的最终信道频响估计。
3.根据权利要求2所述的基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方 法，其特征在于，所述步骤(1)具体过程为将每个正交频分复用OFDM符号内所有有用子载 波分成若干个簇，簇的个数取决于傅立叶变换的大小，每个簇内含有十二个数据子载波和 两个导频子载波，偶数OFDM符号和奇数OFDM符号的导频子载波位置不同，剩余的数据子载 波用于不同用户以频分多址的形式进行数据传输。
4.根据权利要求3所述的基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方 法，其特征在于，所述奇、偶OFDM符号中导频的放置原则为偶数OFDM符号中每个簇内的实 际导频分别位于第5个和第9个子载波；奇数OFDM符号中每个簇内的实际导频分别位于第 1个和第13个子载波。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系 统信道估计方法，其特征在于，所述步骤(5)中奇异值分解的具体方法为首先将部分 傅立叶矩阵f进行奇异值分解为f=IEVs,其中矩阵 和"f维数分别为和 ,数值_是矩阵f的秩，矩阵Σ是由f奇异值组成的对角矩阵-，凡)，那么ρ =Y￡T|js,其中H1 = AfiYf1^d;然后将矩阵Σ中奇异值和设定的阈值L进行比,w条件的奇异值个数；Γ,再将P =VZtUs修改成P =V^Us, ，即将滤波器系数修改为:FVStU1,其中参数’的取值范围为
全文摘要
本发明涉及基于奇异值分解频域滤波移动WiMAX下行系统信道估计方法，用最小二乘估计法得到每个OFDM符号内实际分配导频符号子载波处的信道频响估计；相邻OFDM符号子载波处的信道频响估计由相邻OFDM符号中相应子载波处的信道频响线性内插得到；将实际导频子载波和线性内插的信道频响估计合并，并按所有子载波索引值升序排列后送入经过奇异值阈值判决后的频域滤波器中去噪；最后，再利用线性内插得到所有数据子载波处的最终信道频响估计。本发明通过使用频域滤波器减少频域最小二乘信道估计器中噪声的影响，通过对频域滤波器做基于奇异值分解的阈值判决增加频域滤波的稳定性，克服导频符号分布不均匀带来的“边缘效应”的问题。
文档编号H04L27/26GK102118350SQ20111007380
公开日2011年7月6日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者徐美玉, 徐迎曦, 普杰信, 杨雷, 王丹 申请人:河南科技大学