一种有色噪声背景下基于导频的OFDM信道估计方法技术

本发明专利技术公开一种有色噪声背景下基于导频的OFDM信道估计方法，主要是对有色噪声背景下的导频选取，主要分为以下两点：1.给出了最优导频能量的分布公式，并提出了谱导频的概念；2.针对噪声功率谱的估计算法，提出了利用求差获取噪声序列的方法。本发明专利技术是将新的导频获取方法应用到实际信道估计中所提出了基于谱导频的信道估计方法，其估计过程分为以下三步：一、估计有色噪声功率谱；二、按照功率谱设计导频；三、根据接收到的导频进行信道估计。在有色噪声背景下，本发明专利技术的基于谱导频的方法比传统方法要拥有更好的性能。

A pilot based OFDM channel estimation method in colored noise background

OFDM channel estimation method based on pilot under the present invention discloses a kind of colored noise background, mainly is the pilot of colored noise background selection, mainly divided into the following two points: 1. gives the distribution formula of optimal pilot energy, and puts forward the concept of spectrum pilot; 2. for the estimation of the noise power spectrum that method is proposed based on differential gain noise sequence. The present invention is to pilot the new acquisition method is applied to the actual channel estimation in the proposed channel estimation method based on pilot frequency spectrum, the estimation process is divided into the following three steps: first, the power spectrum estimation of colored noise; two, according to the power spectrum of pilot design; three, according to the received pilot channel estimate. Under the colored noise background, the spectrum based pilot method of the present invention has better performance than the traditional method.

【技术实现步骤摘要】
一种有色噪声背景下基于导频的OFDM信道估计方法
本专利技术涉及通信
，更具体地，涉及一种有色噪声背景下基于导频的OFDM信道估计方法。
技术介绍
在OFDM系统中，信道估计的方法主要分为三大类：基于导频的估计方法、盲估计方法以及两者之间的半盲估计方法。基于导频的估计方法，即是利用频域信号中的已知导频进行估计的方法，其算法简单，也有着比较高的精度，是被普遍应用的一类估计方法，但由于导频占用了一定的传输带宽，所以会一定程度地影响传输效率。盲估计方法主要采用信号处理技术进行信道估计，比如利用某些统计特性来估计信道。与基于导频的估计方法相比，盲估计方法不占用发送资源，具有很高的传输效率，但其算法比较复杂，而且有时会存在相对较长的收敛时间，因此盲估计方法在实践中的应用并不如前者广泛。半盲估计方法是在盲信道估计的基础上利用训练序列或导频信息来对信道进行估计的一类方法，是以上两种方法的折中解决方案。其算法复杂度、收敛速度和传输效率介于盲估计方法和基于导频的估计方法之间。由于OFDM本身传输速率很高，而且多数处在错综复杂的无线环境下，所以其对信道估计的精度有着比较严格的要求，一般来说，我们都会采用性能较好的基于导频的方法来进行信道估计。而现有的信道估计算法大多基于白背景噪声这一假设，它们在有色噪声背景下的估计性能往往会有所降低，尤其当有色噪声谱幅度起伏较大时，这种性能的损失更加严重。因此基于有色噪声背景下的信道估计技术有进一步深入研究的价值。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种有色噪声背景下基于导频的OFDM信道估计方法；是根据有色噪声功率谱起伏较大的特点，使得导频能量的包络在一定程度上和有色噪声功率谱的包络相重合，以此来降低有色噪声给估计性能带来的不良影响。为了实现上述目的,本专利技术提出的技术方案充分利用了有色噪声功率谱分布不均匀的特性，对导频的能量包络进行了重新的设计，使新设计原则下的导频在有色噪声背景下也能取得较好的性能，为了下文表述的方便，将符合新设计原则的导频称为谱导频。本专利技术的技术方案主要包括以下处理步骤：a)估计有色噪声的功率谱；b)按照以上估计出的功率谱进行导频设计；c)利用接收到的导频进行信道估计；其中步骤b)的导频设计过程为：设已知有色噪声的功率谱密度函数Sw(W)；在块状导频和慢变信道的前提下，取N个导频符号中的K个用于估计信道；K＝L+1，L+1为信道抽头数量，K个导频足以用来估计信道，将其余导频符号置为0，并设所有导频符号的功率和恒定，即τ0⊥为所有非零导频的序号集合，则为其对应的频点；上述块状导频是长度为N的OFDM符号全部传导频；当N趋近于无穷大时，信道估计的最小均方误差MSE表示为：此时的非零导频是等间隔分布的，并且在导频能量分布满足下式时达到最小均方误差：其中，为频点处的导频符号，为频点处的噪声功率谱幅值，NPb为导频符号的总功率和；则在有色噪声背景下，达到最小MSE的最优导频是等间隔分布的，其能量按上式进行分配；导频幅值的包络与噪声功率谱的包络相关，呈现出类似于正比的关系，接收满足上述条件的导频，将满足以上条件的导频称为谱导频。估计有色噪声功率谱：谱估计的结果直接决定之后插入导频信号的能量包络，对信道估计的性能有很大影响。因此，能否以低复杂度、低资源消耗快速完成噪声功率谱估计对系统非常重要，高性能谱估计算法是关键步骤之一。设计信道估计的导频信号：OFDM系统的信道估计，比单载波通信系统更加复杂，需要考虑在获得较高性能的同时尽可能减小开销。因此导频的图样、相位信息及导频的能量分布都需要认真深入研究。为了分析有色噪声背景下的最优导频能量分布，根据有色噪声功率谱分布不均匀的特点，提出了采用能量不等的导频符号进行信道估计的设计原则，使得导频能量的包络在一定程度上和有色噪声功率谱的包络相重合，以此来降低有色噪声给估计性能带来的不良影响。信道估计：信道估计决定是否能准确反映信道各方面的详细信息，直接决定系统后面的信道均衡能否有效抵抗信道的不良特性，消除多径衰落等因素的影响。因此高效实用的估计算法是达成高性能系统必不可少的一环。所述步骤a)，在进行有色噪声功率估计时，需要获取用于估计的噪声序列，再利用噪声序列进行噪声功率谱估计；其中噪声序列是采用求差算法获取的，噪声序列获取过程为：发送若干个完全相同的OFDM符号，在符号接收端对接收到的OFDM符号之间两两求差，来抵消信号和信道对序列的影响，获取噪声序列；其中所述若干个OFDM符号全部处于慢时变信道环境中。所述求差算法是利用了有色噪声的统计特性和慢时变信道这两个前提来获取噪声序列，其具体过程如下：符号接收端收到两个OFDM符号，其表达式为：由于信道为静态，即h1＝h2，那么对两个接收符号求差，即可得：从上式中可知，只要处于静态信道，就能够通过求差得到噪声序列Δω＝ω1-ω2；由随机过程的统计特性可得，两个服从相同分布函数和概率密度的样本函数之和或差，其统计特性不变，即Δω和ω1、ω2一样，也是有色噪声随机过程的一个样本函数，功率谱形状不变，因此只要能估计出Δω的功率谱，则能够得到有色噪声的功率谱；对于较短的OFDM符号，只使用一对OFDM符号求差并不能获得足够多的用于谱估计的噪声序列，因此，为了适用于短OFDM符号需要对多对OFDM符号连续求差。考虑到谱估计的精度和序列长度，本专利技术的谱估计方法将选取适用于短序列的高精度谱估计方法——Brug法。其原理是直接利用Levinson递推公式求解AR模型，进而获得序列的功率谱。公式如下：初始化：n＝1,2,...,N-1n＝0,1,...,N-2由k-1阶AR参数估计出k阶AR参数：ak,i＝ak-1,i+ak,kak-1,k-ii＝1,2,...,k-1ρk＝(1-|ak(k)|2)ρk-1n＝k+1,k+2,...,N-1n＝k,k+1,...,N-2Burg算法在短序列条件下可以得到较高的谱分辨率，能够符合功率谱估计要求。为降低信道估计的复杂度，步骤c)利用接收到的导频进行信道估计；是在导频点使用最小二乘估计准则，在数据点使用线性插值算法实现。最小二乘准则最小二乘准则要使如下定义的代价函数达到最小值：其中对求偏导，并令其为0，有：求解可得：对进行傅里叶变换，转换至频域：线性插值算法线性插值算法是指在导频点之间建立一次函数关系，通过线性插值来估计中间信道的算法。其公式可如下表示：为第k个子载波上的信道估计值，Hm(m)和Hm(m+1)为相邻导频点上的信道值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术能够有效提高现有通信系统在有色噪声背景下的信道估计性能。通过采用不同导频设计原则，在相同信噪比条件下，本专利技术所述方法仅通过改变导频的能量分布就可以将信道估计的精度提高一倍，方法简单高效，其带来的增益效果从图5所示的普通导频和谱导频的性能比较示意图中可以看出。附图说明图1是求差算法原理图。图2是连续求差算法原理图。图3是有色噪声功率谱包络图。图4是导频序列示意图。图5是普通导频和谱导频的性能比较示意图。图6是本专利技术实现流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述，但本专利技术的实施方式并不限于此。本专利技术方法的思想为，利用有色噪声谱分布不均匀的特性来设计导频，并应用此导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有色噪声背景下基于导频的OFDM信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：a)估计有色噪声的功率谱；b)按照以上估计出的功率谱进行导频设计；c)利用接收到的导频进行信道估计；其中步骤b)的导频设计过程为：设已知有色噪声的功率谱密度函数S

【技术特征摘要】
1.一种有色噪声背景下基于导频的OFDM信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：a)估计有色噪声的功率谱；b)按照以上估计出的功率谱进行导频设计；c)利用接收到的导频进行信道估计；其中步骤b)的导频设计过程为：设已知有色噪声的功率谱密度函数Sw(W)；在块状导频和慢变信道的前提下，取N个导频符号中的K个用于估计信道；K＝L+1，L+1为信道抽头数量，K个导频足以用来估计信道，将其余导频符号置为0，并设所有导频符号的功率和恒定，即τ0⊥为所有非零导频的序号集合，则为其对应的频点；上述块状导频是长度为N的OFDM符号全部传导频；当N趋近于无穷大时，信道估计的最小均方误差MSE表示为：此时的非零导频是等间隔分布的，并且在导频能量分布满足下式时达到最小均方误差：其中，为频点处的导频符号，为频点处的噪声功率谱幅值，NPb为导频符号的总功率和；则在有色噪声背景下，达到最小MSE的最优导频是等间隔分布的，其能量按上式进行分配；导频幅值的包络与噪声功率谱的包络相关，呈现出正比的关系，接收满足条件的导频。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)，在进行有色噪声功率估计时，需要获取用于估计的噪声序列，再利用噪声序列进行噪声功...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴宪华，张程，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44