一种基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法

技术领域

本发明提出了一种基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法，属于无线通信领域。

背景技术

在无线通信系统中，接收端包含若干个信号处理模块，针对单载波频域均衡系统(SC-FDE)的接收端一般包括：时间同步模块，频偏计算与补偿模块，信道估计模块，频域均衡模块等等。而在这些模块当中，起到举足轻重的模块应当是信道估计模块；无线通信系统的性能主要的限制因素就是无线信道，作为通信系统的设计者，其主要的工作就是让无线信道对传输信号的影响降到最低，并将受到无线信道影响的信号尽量还原。前一个工作主要由发送端和接收端的特殊设计来实现，后一个工作，主要由接受端信道估计来预测出信号的变化，然后进行均衡，信道译码等等来实现。

由于SC-FDE技术快速发展，SC-FDE技术可以与各种通信技术结合起来适用，取长补短，其中与MIMO技术相结合，利用多天线技术提高频谱利用率，从而改善性能。但是与MIMO技术相结合会存在一个问题，通信系统的接收端数据会交织在一起，这样很难后续的信道估计。

要完成上述的工作，必须首先对无线信道响应进行估计。信道估计技术主要分为两大类：(1)基于导频序列的非盲信道估计；(2)基于统计特性和信号特性的盲信道估计。本文提出的信道估计方法是基于导频序列的非盲信道估计；盲信道估计的复杂程度较高，而且需要大量统计先验信息，以及时延也较大，在现有的技术下，应用条件还不够成熟。而基于导频序列辅助的非盲信道估计，在当前的实际系统中应用非常广泛。而现有的信道估计方法大多适用于单天线无线通信系统，且抗噪声能力较弱或者计算复杂度较高，不易于实现。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供一种基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法，旨在解决多天线无线通信系统接收端数据交织的问题以及现有信道估计方法抗噪声能力较弱或者计算复杂度较高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法，包括如下步骤：

根据多天线无线通信系统的特点，设计适用于接收端子信道解耦的系统帧结构，其具体涉及到帧导频的选取，循环前缀(CP)选取，以及无线通信系统帧结构组织方式；

根据系统的帧结构特点，在接收端利用解耦算法对天线数据进行子信道输出解耦，得出子信道输出；

根据基于变换域及噪声门限的信道估计方法，对子信道输出做信道估计；

通过子信道估计最终得出所有信道的信道响应。

可选地，在所述帧导频的选取，具体包括：

系统的帧结构中，尤为重要的是导频的选取；SC-FDE系统的帧导频采用大m序列，因为大m序列的自相关特性很好，峰均功率比(PAPR)较小，以及IQ两路等幅度适用AD射频系统传输等优点；

可选地，在所述循环前缀选取，具体包括：

无线通信系统的数据在无线信道中传输时会有多路径衰落的影响，数据到达接收端会出现码间串扰(ISI)的现象，为了对抗码间串扰，需要在传输数据中插入循环前缀(CP)，CP的长度一般不能小于多路径延迟对应的符号数，这样可以使ISI只影响CP内的数据符号。针对CP的选择本申请设计一种空包数据的CP，在多路径无线信道传输时，从路径加在主路径上的干扰信号是空数据，以此达到干扰因素降到最小，当从路径路数加大，空包循环前缀的优势可以越来越明显；

可选地，在所述的无线通信系统帧结构组织方式，具体包括：

本申请提出的适用于多天线无线通信系统的帧结构组织方式是，导频序列的长度是2056点，而有效长度是2048点，多余的512点是为了构造循环前缀的特性，这样可以在接收端用循环卷积运算代替线性卷积运算。发射天线1，2之间在导频序列上有微小的差异，发射天线1，2第二段导频之间的关系是相反的，这么设计主要是为了在接收端通过解耦算法，解耦出子信道的导频序列输出，分别做信道估计；

可选地，在所述的解耦算法，具体包括：

发送端每帧都会含有导频序列，当导频序列通过发射天线发射后经过无线信道到达接收端天线；由于系统采用多输入多输出(MIMO)技术，那么接收天线上输出会产生数据交织的情况，此时需要利用解耦的方法把输出的交织数据序列分离，得到每条子信道的输出，然后再进行子信道的信道估计；

可选地，在所述的基于变换域及噪声门限的信道估计方法，具体包括：

在具有导频序列帧结构的信道估计算法中，比较常用的且便于实现的由两种算法准则，分别为最小二乘(LS)信道估计算法与最小均方误差(MMSE)信道估计算法。然而基于MMSE的信道估计算法复杂度较高，不便于物理层实现，一般在实际中多采用LS信道估计算法；

由于采用最小二乘准则来做信道估计，那么它会存在一定的弊端，其弊端就是抗噪声能力很差，在低信噪比通信系统中信道估计的性能会急剧下降，严重会导致接收端无法恢复出数据。针对这个问题本申请提出一种变换域的方法来抑制噪声对信道估计的影响，同时加入计算噪声门限部分，以此来进一步消除有效信号短时区域的噪声能量。本申请提出的方法可以非常有效的消除噪声的干扰；

解耦出的接收天线数据做信道估计时，经过时域与频域的交替变换。首先是时域下信号经过DFT变换到频域，通过LS准则做信道估计；然后把频域下的信道估计经过IDFT变换到时域，利用有效数据能量聚合的特点，滤除无效时间区域的噪声能量，同时加入噪声门限估计，更进一步的滤除有效时间区域的噪声能量；最后把最新的时域下序列用零点补齐，通过DFT变换到频域最终得出信道的频率响应；

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明针对MIMO-SC-FDE系统设计出一种适合传输的帧结构，以此方便解耦出子信道输出数据；

2)本发明提供了一种解耦出子信道输出的方法，以此方便后续做信道估计；

3)本发明在信道估计方面提出了一种基于变换域的方法，在此基础之上创新性加入噪声门限模块，这样可以更加有效地抑制噪声的影响；

本发明提出的方法应用在MIMO-SC-FDE系统，可以有效地提高信道估计的性能，让噪声的影响的降低最低，此外，本方法的算法复杂度不高，易于工程实现，简单高效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法流程示意图；

图2是本申请实施例提供的2048点大m序列的自相关示意图；

图3是本申请实施例提供的2048点大m序列的互相关示意图；

图4是本申请实施例提供的发射端帧结构中的循环前缀示意图；

图5是本申请实施例提供的发射天线1帧结构示意图；

图6是本申请实施例提供的发射天线2帧结构示意图；

图7是本申请实施例提供的导频序列经过2*2天线系统示意图；

图8是本申请实施例提供的基于变化域及噪声门限的信道估计流程图；

图9是本申请实施例提供的帧头序列抽取后结构示意图；

图10是本申请实施例提供的导频数据解耦和信道估计示意图；

图11是本申请实施例提供的基于变换域的无噪声门限的信道估计实验结果示意图；

图12是本申请实施例提供的基于变换域的有噪声门限的信道估计实验结果示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

需要说明的是，在本文中，采用了诸如S101、S102等步骤代号，其目的是为了更清楚简要地表述相应内容，不构成顺序上的实质性限制，本领域技术人员在具体实施时，可能会先执行S102后执行S101等，但这些均应在本申请的保护范围之内。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法流程示意图，所述基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法可以包括以下步骤：

S101.在无线通信系统的发射端设计系统的帧结构，方便接收天线解耦；

具体的，对于步骤S101分为分为三个点：帧导频序列选取，循环前缀(CP)选取，以及无线通信系统帧结构组织方式。

(1)系统的帧结构中，尤为重要的是导频的选取；SC-FDE系统的帧导频采用大m序列，因为大m序列的自相关特性很好，峰均功率比(PAPR)较小，以及IQ两路等幅度适用AD射频系统传输等优点；请参阅图2和图3，图2和图3是本申请实施例提供的2048点大m序列的自相关和互相关示意图，从图中显然可以看出，大m序列的由很好的自相关和互相关特性，且互相关的噪声幅度很小。

(2)针对循环前缀(CP)的选择本申请实施例设计一种空包数据的CP，在多路径无线信道传输时，从路径加在主路径上的干扰信号是空数据，以此达到干扰因素降到最小，当从路径路数加大，空包循环前缀的优势可以越来越明显；请参阅图4，图4是本申请实施例提供的发射端帧结构中的循环前缀示意图，从图中很清晰的描述了如何截取循环前缀，以此来满足循环卷积运算代替线性卷积运算。

(3)帧结构组织方式，请参阅图5和图6，图5和图6是本申请实施例提供的发射天线1和发射天线2帧结构示意图。图中的导频序列的长度是2056点，而有效长度是2048点，多余的512点是为了构造循环前缀的特性，这样可以在接收端用循环卷积运算代替线性卷积运算。发射天线1和发射天线2之间在导频序列上有微小的差异，发射天线1，2第二段导频之间的关系是相反的，这么设计主要是为了在接收端通过解耦算法，解耦出子信道的输出序列，分别做信道估计。

S102.利用解耦算法解耦出子信道的输出，为后续的子信道估计做充分的准备；

具体的，发送端每帧都会含有导频序列，当导频序列通过发射天线发射后经过无线信道到达接收端天线；由于系统采用多输入多输出(MIMO)技术，那么接收天线上输出序列会产生数据交织的情况，此时需要利用解耦的方法把输出序列分离，得到每条子信道的输出序列，然后再进行子信道的信道估计。请参阅图7，图7是本申请实施例提供的导频序列经过2*2天线系统示意图。根据图7所示，令导频序列到达接收天线后接收天线1时隙1输出为y

y

y

y

y

令解耦后发射天线1接收天线1的子信道输出为z

z

z

z

z

由公式(5)，(6)，(7)，(8)可看出，2*2MIMO系统的四个子信道输出全部解耦完成。针对，z

S102.对子信道输出做基于变换域及噪声门限得信道估计，最后得到每个子信道的频率响应；

具体的，在具有导频序列帧结构的信道估计算法中，比较常用的且便于实现的有两种，分别为最小二乘(LS)信道估计算法与最小均方误差(MMSE)信道估计算法。

基于LS的信道估计算法代价函数：

H

基于MMSE的信道估计代价函数：

其中，β表示信道调制类型参数，调制方式不同取值不同。

由于采用最小二乘准则来做信道估计，那么它会存在一定的弊端，其弊端就是抗噪声能力很差，在低信噪比通信系统中信道估计的性能会急剧下降，严重会导致接收端无法恢复出数据。针对这个问题本发明提出一种变换域的方法来抑制噪声对信道估计的影响，同时加入计算噪声门限部分，以此来进一步消除有效信号短时区域的噪声能量。本申请实施例提出的方法可以非常有效的消除噪声的干扰。

假设导频序列到达接收天线以后，做完时频同步，导频提取，导频解耦等工作，输出序列为z

由图8显然可知，解耦出的接收天线数据做信道估计时，经过时域与频域的交替变换。首先是时域下信号z

为便于更好的实施本申请实施例的一种基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法，本申请实施例还提供仿真实现，对本申请实施例进行进一步详细说明。

具体的，仿真实现的仿真参数设定为：基带符号速率30.72Mhz，循环前缀(CP)521点，导频长度2048点，一帧有效数据包4包一包长度为4096，调制类型QPSK。

仿真过程具体包括：时频同步，帧头(导频序列交织序列)与有效数据抽取，信道估计。

(1)时频同步。通信系统的数据在无线信道中传输过程中，会受到多路径，多普勒效应的影响；所以采取时间同步搜索出帧头的位置，以此方便导频数据和有效数据的抽取。频率同步是为了抵消多普勒效应造成帧数据受到频率调制的影响。

(2)帧头(导频序列交织序列)与有效数据抽取。利用时间同步搜索到的帧头起始位置，按照帧结构特性，抽取出帧头和有效数据。

(3)信道估计

抽取的帧头结构，请参阅图9，图9是本申请实施例提供的帧头序列抽取后结构示意图。其中h

具体的，图10中提到的时域下有效序列长度计算。本仿真系统符号速率是30.72Mhz，则每个符号的时间长度为32.552ns，设置多路径最大时延扩展10us，则时域有效序列长度为307.2，取近似值为308。

具体的，图10中提到的时域无效区域截断。设h

具体的，图10中提到的计算有效时间区域噪声门限。noise_th＝[abs(x

具体的，图10中提到的有效时间区域进行噪声抑制。h

具体的，图10中提到的对噪声抑制时域序列进行补零至2048点。h

本申请实施例不但提供仿真实现，也有进一步提供仿真系统的实验结果。实验结果主要比对是在基于变换域的信道估计方法基础之上，有无噪声门限，对信道估计性能影响差异。

具体的，请参阅图11，图11是本申请实施例提供的基于变换域的无噪声门限的信道估计实验结果示意图。从图中不难看出，四个子信道的频率响应，其中两个子信道受到噪声的影响。

具体的，进一步请参阅图12，图12是本申请实施例提供的基于变换域的有噪声门限的信道估计实验结果示意图。从图中不难看出，四个子信道的频率响应都没有受到噪声的影响，以此证明本申请实施例提供的信道估计方法效果显著。

所以，从图11和图12的信道估计结果对比来看，本申请实施例提供的信道估计方法效果显著，可以有效的抑制噪声对信道估计的影响，进一步证明本申请实施有一定的价值。

以上对本申请实施例所提供的一种基于MIMO-SC-FDE系统的信道估计方法详细介绍，本文中应用了具体个例和仿真实验对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。