一种毫米波LOS-MIMOOFDM相位噪声估计补偿方法及系统

本发明属于通信，具体涉及一种毫米波los-mimo ofdm相位噪声估计补偿方法及系统。

背景技术：

1、随着当前军用、民用网络中对于高速率数据传输需求的增加，较低的无线通信频段已经拥挤不堪并且不能满足需求。而毫米波频段可以提供连续的宽带频谱用于高速数据传输的特点，使得毫米波技术成为当前无线通信技术研究的热点。同时，由于毫米波信号的带宽很大，往往大于无线信道的相干带宽，因此信号经历频率选择性衰落，于是具有抗频率选择性衰落能力的ofdm传输方案成为毫米波通信技术的关键技术。

2、毫米波通信的优点有：

3、(1)大带宽：由香农公式可知，巨大的连续带宽可以带来巨大的传输速率，同时也意味着灵活的带宽分配和较高的信道容量。

4、(2)允许更高的发送功率：更高的传输功率有利于毫米波传输系统克服高频信号导致的更恶劣的路径损耗。

5、(3)抗干扰性和安全性高：氧气对于毫米波频段除了“大气窗口”的之外的频段的电磁波吸收较强，而且墙壁等障碍物对于毫米波的衰减影响很大，这使得毫米波无线通信在短距离通信的安全性和抗干扰性大大提升。同时由于毫米波无线信号的能量具有高的方向性，因此可以降低信号间的干扰。

6、(4)天线的小尺寸和电路的可集成化：毫米波无线信号是高频信号，其波长只有毫米级别，相应地带来毫米级别的天线大小，利于集成化和小型化处理。更大的好处是可以通过利用一系列天线技术，例如天线阵列实现对于自由空间的较大的路径损耗的补偿。

7、但毫米波通信技术也不可避免地有一些应用上的限制，比如毫米波系统要求基站和天线的数量是比较大的，出于对成本的考量，微型基站和天线的硬件特性并非最优，因此会存在硬件非理想特性带来的性能损耗。其中一种对接收性能影响极大的非理想特性便是振荡器的相位噪声，相位噪声对接收信号会产生相位旋转并且引入了载波间干扰，破坏了ofdm子载波之间的正交性，这些影响大大限制了高阶调制方案(如qam调制)的利用率。而且毫米波频段的振荡器拥有更高的相位噪声水平，因此有必要设计算法来估计并且补偿相位噪声。

8、ofdm系统下的相位噪声抑制算法可以分为3类：基于判决反馈的方法、基于离散导频的方法和盲估计方法。基于判决反馈的方法是利用对传输符号的实时判决来估计相噪。利用得到的估计值，去除相噪，并对传输符号采取新的判决条件，再次使用这些判决条件来优化相噪估计。这个过程会重复一定的次数，从而产生一个反馈循环。由于这种迭代过程，这些方案会给接收机带来很大的计算负担。基于导频的方案是利用离散的导频子载波的方案是更具吸引力的。大多数基于导频子载波的方案只估计了相噪频率直流分量cpe，而高阶相噪频率分量ici并未被估计，或者假设ici很小。为了得到高精度的相噪估计，应当同时估计cpe和ici。盲估计方案的主要目标是联合估计相位噪声和传输符号。这些方法通常使用贝叶斯滤波方法联合估计所需参数。例如采用变分推理、蒙特卡洛方法。这些方法虽然在统计上是最优的，但计算量很大，可能不适用于时延敏感的无线系统。

9、由于fpga的计算资源有限，因此需要考虑减少算法复杂度，可以选择基于导频的相位噪声估计补偿方案。为了提高估计精度，需要估计相位噪声的直流分量与多个高频分量。根据毫米波器件相位噪声的功率谱密度特征，能量主要集中在直流和低频部分，因此估计少数相位噪声的低频分量即可有效抑制，因此可以较低的复杂度实现。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种毫米波los-mimo ofdm相位噪声估计补偿方法及系统，用于解决基于判决反馈相噪估计方案和盲估计方案中计算复杂度大的技术问题，以抑制相位噪声影响，提高通信系统容量。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种毫米波los-mimo ofdm相位噪声估计补偿方法，包括以下步骤：

4、s1、将本地导频序列sp置于经过编码和调制的信息序列d的相应位置；

5、s2、对步骤s1得到的本地导频序列sp进行下变频以及滤波采样后得到接收信号r，从接收信号r中提取出接收导频序列rp，区分接收导频序列rp中的连续部分rp,1和离散部分rp,2；

6、s3、计算步骤s2得到的接收导频序列rp中连续部分rp,1的自相关矩阵以及接收导频序列rp中连续部分rp,1与sp,1的互相关向量

7、s4、根据步骤s3得到的自相关矩阵和互相关向量对相位噪声频谱φ进行最小均方误差估计，得到相噪频谱估计值

8、s5、根据步骤s4得到的相噪频谱估计值计算在一个ofdm周期内的时域相噪样本在时域上补偿相位噪声，得到消除此部分相噪的时域信号ywo,phn0；

9、s6、利用步骤s5得到的时域信号ywo,phn0和离散导频sp,2估计残余相位旋转角并进行相噪补偿，得到消除全部相噪的时域信号ywo,phn1；

10、s7、将步骤s6得到的时域信号ywo,phn1通过fft转到频域，并进行解调，实现相位噪声估计补偿。

11、具体的，步骤s1具体为：将本地导频序列sp置于子载波序号为[0:nband-1]，以及[nband:nband:ncarr-1]，即sp有连续部分和离散部分，分别记为sp,1和sp,2；将信息序列d置于其他的子载波上；nband为连续导频数，ncarr为ofdm子载波数或fft/ifft点数；将复基带信号调制到毫米波频段，送入高斯白噪声信道进行发射。

12、具体的，步骤s3中，rp,1的自相关矩阵大小为l×l，rp,1与sp,1的互相关向量大小为l×1。

13、进一步的，自相关矩阵和互相关向量分别为：

14、

15、

16、具体的，步骤s4中，相噪频谱估计值的大小为l×1。

17、进一步的，相噪频谱估计值为：

18、

19、其中，(·)-1代表矩阵求逆。

20、具体的，步骤s5中，时域信号ywo,phn0为：

21、

22、其中，(·)代表按元素乘积，yphn0为去除循环前缀后未补偿相噪的时域接收信号。

23、具体的，步骤s6中，时域信号ywo,phn1为：

24、

25、其中，为残余相位旋转角。

26、进一步的，残余相位旋转角具体为：

27、

28、其中，(·)h代表共轭转置，(·)t代表矩阵转置，表示矩阵的克罗内克积，a为矩阵。

29、第二方面，本发明实施例提供了一种毫米波los-mimo ofdm相位噪声估计补偿系统，包括：

30、位置模块，将本地导频序列sp置于经过编码和调制的信息序列d的相应位置；

31、区分模块，对位置模块得到的本地导频序列sp进行下变频以及滤波采样后得到接收信号r，从接收信号r中提取出接收导频序列rp，区分接收导频序列rp中的连续部分rp,1和离散部分rp,2；

32、向量模块，计算区分模块得到的接收导频序列rp中连续部分rp,1的自相关矩阵以及接收导频序列rp中连续部分rp,1与sp,1的互相关向量

33、估计模块，根据向量模块得到的自相关矩阵和互相关向量对相位噪声频谱φ进行最小均方误差估计，得到相噪频谱估计值

34、时域模块，根据估计模块得到的相噪频谱估计值计算在一个ofdm周期内的时域相噪样本在时域上补偿相位噪声，得到消除此部分相噪的时域信号ywo,phn0；

35、相噪模块，利用时域模块得到的时域信号ywo,phn0和离散导频sp,2估计残余相位旋转角并进行相噪补偿，得到消除全部相噪的时域信号ywo,phn1；

36、补偿模块，将相噪模块得到的时域信号ywo,phn1通过fft转到频域，并进行解调，实现相位噪声估计补偿。

37、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

38、一种毫米波los-mimo ofdm相位噪声估计补偿方法，首先在发送端根据毫米波相位噪声的功率谱特性，将导频划分为连续导频和离散导频，在接收端将接收到的模拟数据，经滤波采样后转化为基带等效离散频域信号，便于信号传输以及软件处理，将发送端的导频划分为连续部分和离散部分，适应于毫米波器件相位噪声的功率谱密度特征，可以实现精度较高的估计；利用连续导频和最小均方误差准则方法估计相噪的低频分量，利用离散导频估计参与相位旋转角，完成最终相位噪声估计与补偿。求最小均方误差估计时的矩阵求逆过程，利用矩阵分解，得到运算复杂度低的实现方式，便于硬件实现，能够规避反馈迭代计算带来的接收机的大的计算负担。与盲估计方案相比，本发明能够降低计算量，降低实现复杂度。

39、进一步的，根据毫米波频段器件相位噪声功率谱密度的强低通特性，利用连续导频部分估计相位噪声位于零频附近的几个显著的低频分量，利用离散导频部分估计残留的相位噪声cpe影响。毫米波相位噪声的功率谱密度图如下图所示，大多数能量集中在0～1mhz的频带内，即具有强低通特性，利用连续导频估计相位噪声位于零频附近的几个显著的低频分量便可以较好地补偿相位噪声的影响。利用离散导频，进一步地估计补偿相位噪声的cpe影响。

40、进一步的，步骤s3中，由于待估计的相位噪声低频分量数为l，是一个较小的数值，因此自相关矩阵的维度为l×l，对其求逆的复杂度是较低的，并且自相关矩阵和互相关向量的乘积的计算复杂度也是相对较低的，便于fpga实现。

41、进一步的，根据mmse准则，估计相位噪声的低频分量，可以将其视为线性滤波器的冲激响应，该滤波器的输入是接收导频rp,1，输出是本地导频序列的估计值根据mmse准则，估计得到的本地导频序列与实际发送的本地导频序列sp,1的均方误差是最小的，由此可以推导出滤波器的冲激响应估计值。

42、进一步的，是线性估计滤波器的冲激响应，在时域上对应于相位噪声的共轭，因此将其转到时域并与接收时域信号相乘，便可以补偿相位噪声的影响。

43、进一步的，时域信号ywo,phn0是初步补偿s6中估计得到的相噪影响之后得到的时域信号，接下来在利用离散导频估计残留cpe也是在时域进行的，然后可以利用ywo,phn0与时域残留相乘，进一步优化相位噪声的补偿。

44、进一步的，ywo,phn1是在ywo,phn0基础上进一步补偿残留之后的结果，可以认为此时全部相位噪声都已经被补偿。

45、进一步的，残余相位旋转角是利用离散导频，对整个ofdm符号上残留的相位旋转求平均值的结果，该部分是对mmse相位噪声估计的补充，可以进一步优化相噪补偿性能。

46、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

47、综上所述，本发明优化了相位噪声补偿结果，便于fpga实现，可以补偿相位噪声的影响，进一步优化相位噪声的补偿。

48、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。