专利名称：基于ofdm信号循环平稳特性的盲信道估计方法
技术领域：
本发明涉及一种信道估计方法，尤其是涉及一种基于OFDM信号循环平稳特性的盲信道估计方法。
背景技术：
随着3G后时代的到来，作为其关键技术的正交频分复用(OFDM, OrthogonalFrequency Divided Multiplexing)系统以其成本低、频带利用率高等优势,受到人们的极大的关注，成为当前无线通信界的研究热点。正交频分复用系统是将高速传输的串行数据流，通过串并变换形成低速的子数据流，然后调制到多个并行的正交子载波上构成多个低速率符号，最后分配到若干子信道中构成并行发送的传输系统。对于传统的频分复用(FDM)系统，需要在不同的信道之间加入一个保护间隔来防止干扰，但在正交频分复用(OFDM)系统中，由于子载波的正交性，各个子载波间是可以重叠的，这样不仅减少了子载波间的相互干扰，而且提高了频带利用率，如图I所示。正交频分复用作为一种有效的对抗符号间干扰(ISI, Inter-Symbol Interference)的高速传输技术应用前景十分广泛，已经成功应用于高清晰电视、数字音频广播、无线局域网、非对称数字用户环路等，同时由于正交频分复用易于结合时空编码、分集、及智能天线等技术，这使得正交频分复用系统以及基于正交频分复用系统的技术将成为未来移动通信物理层的核心技术。正交频分复用系统为了获得理想的系统性能，同时避免3dB的误码率损失，通常采用相干调制和检测，但相干调制和检测需要信道的准确信息，因此准确的信道估计是基于正交频分复用系统信息传输可靠性的关键性因素。目前，常用的基于OFDM的信道估计方法主要有基于导频(或发送序列)的信道估计方法和盲信道估计方法两大类。基于导频的信道估计方法的基本步骤为首先在发送信号频域内等间隔插入适当的导频信息，然后利用已知导频信息和接收端对应导频处接收信息估计此时导频位置的发送端信息，接着利用内插器，通过线性插值方式获得整个频域内的信道估计值，最后将信道估计和接收数据送入信道均衡器中，通过对接收数据进行均衡得到原始的发送新数据的估计值。其中，获取导频位置的发送端信息通常采用最小二乘(LS，Least Squares)算法和最小均方误差(MMSE, Minimum Mean Square Error)算法,最小二乘算法是利用导频信息X、
Y通过=Z亇估计导频位置的发送端信息，最小二乘算法的最大优点是结构简单，仅在
各载波上做一次除法运算，计算量小，但没有充分考虑噪声的影响，从而降低了信道估计的准确度；最小均方误差算法利用信道的统计特性，通过对最小二乘算法进行频域滤波，可以得到准确的信道估计值，但是该方法涉及到矩阵的求逆，增大了计算的复杂度。该基于导频的信道估计方法是以牺牲传输效率为代价获得高的估计性能和适应快变信道的能力。基于OFDM的盲信道估方法因不需要导频，极大的提高了系统传输效率，成为当前热点研究之一。。早期的基于OFDM的盲信道估方法是利用OFDM的高阶统计特性进行的，计算复杂度高，且准确性较低。为解决早期的基于OFDM的盲信道估方法存在的缺点，Giannakis GB等人提出了一种基于OFDM信号循环平稳特性的盲信道估计方法，平稳信号的数字特征(如数学期望，自相关函数等)与时间无关，仅与延时相关，其中，信号x(n)的自相关函数定义为Rx(η, τ )=Ε{χ(η) Χχ*(η+τ )}，其中χ*(η+τ )是χ(η)在延时τ处信号取值的共轭，Ε{}表示数学期望；而非平稳信号的数字特征与时间和延时均相关，如果非平稳信号的自相关函数在时域上表现为周期性，则称非平稳信号具有循环平稳特性，该具有循环平稳特性的非平稳信号称为循环平稳信号，循环平稳信号的自相关函数是关于时间η和延时τ的二维函数，对时间η作傅立叶级数展开，得到循环平稳信号的周期自相关函数R(k, τ )，周期自相关函数R(k, τ)的延时τ的Z变换称为周期谱函数S (k, ζ),其中k为循环频率。应用基于OFDM信号循环平稳特性的盲信道估计方法的OFDM系统的流程框图如图2所示。在发送端，输入的数据信号经过调制，如正交相移调制(QPSK，QuadraturePhase Shift Keying)、正交幅度调制(QAM, Quadrature Amplitude Modulation)等，得到调制信号，调制信号通过串并转换、傅里叶逆变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)和并串转换处理后形成多个OFDM符号。OFDM系统为了消除子载波间干扰(ICI, Inter-Carrier Interface)和符号间干扰(ISI, Inter-Symbol Interface),并同时保证子载波的正交性，需将OFDM信号中的每个OFDM符号的最后一部分采样点复制到OFDM符号的前面形成循环前缀(CP，Cyclic Prefix)，假设CP的长度为L，则每个加有CP的OFDM符号的前L个采样点和后L个采样点的相关性为1，其它的采样点则是独立的正交的，即不相关。将OFDM系统中的第m个加有CP的OFDM符号的第η个采样点的发送信
-W IIn
号表示为 χπ(η)，》ΣΜ ^χΡ(./ 7χ/}χ(ΛΙ —Λ)) = χ(ηΡ+_，其中，m=0，.·，Ρ-1，M 为子
P-d
载波数，sp(q')表示IFFT变化前在第p个子载波上的第q'个调制符号，j表示复数中的虚数单位，P表示加有CP的OFDM符号的长度，P=L+M。假设调制信号独立同分布，其方差为则将加有CP的OFDM信号作为OFDM发送信号x(n)，OFDM发送信号x(n)的自相关函数为 Rx(n, τ )=Ε{χ(η) Χχ*(η+τ )}。通过验证发现 Rx(η, τ )=Rx(n+lXP, τ ),表明OFDM发送信号的自相关函数具有周期性，即OFDM发送信号具有循环平稳特性。如果将无线信道等效成一个Lh+1阶的FIR滤波器h(n)，则OFDM接收信号y (η)可表示为I (n) =h (η) *χ (η) +V (η),其中，符号*表示卷积符号，ν(η)为平稳高斯白噪声。OFDM接收信号y (η)的自相关函数为Ry (η, τ )，Ry (η, τ ) =E {y (η) X y* (η+ τ )}，其中，τ表示延时变量，y* (η+ τ )表示y (η+ τ )的共轭，y (η+ τ )表示接收信号y (η)延时τ以后的接收信号。经过验证同样得出Ry(n，x)=Ry(n+lP, τ )，表明OFDM接收信号同样具有周期性，即具有循环平稳特性。通过对OFDM接收信号y(n)的自相关函数Ry (η，τ)作关于η的傅里叶级数展开，得到OFDM接收信号y(n)的周期自相关函数为Ry (k，τ),
RAKT)^Y0YtMJ)xh'g + T--q)KRs(k,T}e '产 + 鳥(r)xd’《々),其中，h(l)为信道冲击响应
；(I /4 /
(Channel Impulse Response，CIR)，CIR 左移 τ-q 得到 h(l+T-q)，h*(l+T-q)为h(l+T-q)的共轭，k为循环频率，Rx(k，τ )为OFDM发送信号χ(η)的周期自相关函数，Rv( τ )为平稳高斯白噪声V(n)的自相关函数，&.0)=<负1·)，σ,2为平稳高斯白噪声ν(η)的方差，Rv(T) δ (k)为平稳高斯白噪声v(n)的周期自相关函数，δ (τ)，δ (k)是变量分别为τ、k的单位冲激信号，Rv(T) δ (k)仅在k=0时存在非零值，j表示复数中的虚数单位。在非零循环频率(k古O)处，OFDM接收信号y(n)的周期谱函数为Sy(k，ζ)，
Μ · In. 2.Tk2 rtk￡fc2-
S},(t,z)= [ R,lk,T)z^r =H(c p z l)xSM(k,z)xH'(z^),其中 H(e"irz ') =r ;
f I %{ · Lh I U
Sx(k, z)为OFDM发送信号x(n)的周期谱函数，ζ*为ζ的共轭，Η*(ζ*)为Η(ζ*)的共轭。
已有的基于OFDM信号循环平稳特性的盲信道估计方法为了抵消接收信号y(n)的周期谱函数Sy (k，ζ)中不随循环频率变化而变化的H* (Z)，通过选取两非零循环频率的
周期谱函数所含的频谱信息，利用Η(/% >获得信道信息，从而实现基于OFDM的盲信道
估计。由于该方法需要两个循环频率的频谱信息才能获取信道估计值，故该方法也称为
哺
双k方法。该方法的具体步骤为根据=Wm/T />可以获取非零循环
频率为ki时接收信号的周期谱函数SyGc1, Z)及非零循环频率为k2时接收信号的周期谱
Λ*— h
函数 Sy (k2，z)，Sv(k{,z) = H(e F zA)xSy(kx,z)x (σ') SY(k2Jz)^ H(e F z"!)xS￥(A%,z)x //*(z*)；将 Sv (Jtl, 2) = /f ζ...1) χ St (Jtl，ζ) χ /f V )和《，z) =2 ” ■) χ Sx (k2 a)xH* (/)中的
H (ζ )相互抵消，得到F z l)xSx(k2,E)-S% (k2,z)x H(e Γ ζ！将
·% —是·% _jU
.Vr(A·,^)χ- ')x.V (A-.z) = .V (^,ζ)χΗ(ι^z ')x,V (Α',,ζ)还原成多项式形式，得到多
M-IhLh.2/TA-,
工 Ry(k"f): Γχ J] Rx(k2,q)z q x^h(I)e . p Zi
r- {Si -L >a- Si!---0
项式.ΛΜ:.%f/+ .2rti ;根据多项式和ToeplitZ矩
=Σ rU: Γχ Σ Λ'.(Μ): ￥χΣΛ^ 1 r =
Γ (Λ L-Jq M! O
阵的关系，构建ToeplitZ矩阵Tt，， T》及，T1^为由元素Ry (k1 τ )构成
Λ/-"j
的(4M+3Lh+l) X (2M+Lh+1)维矩阵，对应 Σ HrKΓ ; Tk，为由元素 Ry (k2, τ )构
r -(M-UiJJy
Λ/.Α,
成的(4M+3Lh+l) X (2M+Lh+1)维矩阵，对应 Σ K(k2^)=、k| 为由元素 Rx (k1； q)
r 'Lh)Ιχ
+ M
构成的(2M+Lh+1) X (Lh+1)维矩阵，对应Σ RAK^)- ^ ,为由元素Rx(k2，q)构
(f ““Λ/I翼
ΛI
成的(2M+Lh+1) X (Lh+1)维矩阵，对应Σ iiMA= " 5四个矩阵具体表示为
(/ Λ/
权利要求
1.一种基于OFDM信号循环平稳特性的盲信道估计方法，其特征在于包括以下步骤 ①在OFDM系统的发送端，首先采用现有的正交相移调制方法对输入的数据信号进行正交相移调制处理得到调制信号，然后将调制信号依次通过串并变换、傅里叶逆变换和并串变换进行处理，得到由多个OFDM符号构成的OFDM信号，再将各个OFDM符号的最后端的L个采样点作为循环前缀复制到各个OFDM符号自身的最前端，得到加有循环前缀的OFDM信号，最后将加有循环前缀的OFDM信号作为OFDM发送信号，记为χ (η)，将OFDM发送信号χ (η)通过等效成Lh+Ι阶FIR滤波器h (η)的时变无线通信信道发送到OFDM系统的接收端，其中η表示离散时间变量； ②在OFDM系统的接收端，接收OFDM发送信号x(n)通过无线信道后形成的OFDM接收信号，记为
2.根据权利要求I所述的基于OFDM信号循环平稳特性的盲信道估计方法，其特征在于重复执行步骤① ⑧50 100次，并计算各次计算得到的信道估计值总和的平均值，将该平均值作为最终的信道估计值。
全文摘要
本发明公开了一种基于OFDM信号循环平稳特性的盲信道估计方法，其是在一个固定的循环频率上，分析OFDM接收信号的周期谱函数中延时变量τ的z变换，通过选取延迟变量τ的z变换的两个不同相关值，最终利用含有信道幅度和最小相位信息的H(z)，并结合现有的最小二乘方法来实现信道信息的准确估计，由于本发明方法仅采用了一个循环频率的频谱信息，这样减少了循环频率的个数，有效地提高了频谱资源利用率，从而提高了信道估计的准确性，通过仿真验证，本发明方法的性能明显优于现有的盲信道估计方法的性能；其通过分析OFDM接收信号的自相关函数的能量分布规律，采用部分能量集中的频谱信息，其余的频谱信息置为零，所需要构造矩阵的个数较少，因此降低了计算复杂度。
文档编号H04L27/26GK102821078SQ20121029977
公开日2012年12月12日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者李有明, 朱文升 申请人:宁波大学