一种多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多用户OFDM系统基于最小化调整互相关集合元素加权平均和的导频设计新算法，将信道估计转化为结构化压缩感知理论中的稀疏信号重建问题，以最小化恢复矩阵的调整互相关集合的加权平均和为优化目标同时进行多个上行用户导频位置集合的优化设计。结合已有的DSO算法，将设计单个导频集合的DSO算法扩展到多个导频位置集合的设计，使用此导频设计的方法能够确保每一个用户在基于结构化压缩感知的信道估计中均具有较低的均方误差，从而提高信道估计的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法
本专利技术涉及一种应用于多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法，属于通信系统中导频辅助的信道估计和导频设计

技术介绍
随着移动通信技术的发展，在高速移动性条件下为越来越多的用户提供高质量的服务已经成为通信系统发展的目标。但当移动速度超过300Km/h时无线信道呈现频率-时间双选择性(Doubly-Selective，DS)，OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)系统子载波的正交性将被破坏，因此带来的子载波间干扰(InterCarrierInterference，ICI)为信道估计增加了困难。传统的信道估计没有考虑信道的内在稀疏性，需要引入大量导频，而压缩感知(CompressedSensing,CS)技术能够利用较少的样本高精度地恢复出稀疏信号，为信道估计提供了一种可减少导频数目的解决方案。为了对双选择信道进行信道估计，同时减少待估计信道系数的个数，将结构化压缩感知(DistributedCompressiveSensing，DCS)应用于基于CE-BEM(ComplexExponential-BasisExpansionModel)模型的双选择信道估计中。从基于压缩感知的稀疏信道估计模型的研究中发现，恢复矩阵取决于导频的位置以及导频符号，而信道估计精度又与恢复矩阵的特性密切相关，要准确重构这些稀疏信号，需要对导频进行设计。基于压缩感知的信道估计中，传统的导频设计准则是最小化恢复矩阵的互相关值，但互相关值仅能反映恢复矩阵中列向量的最大相关程度,并不能反映所有列向量之间的相关程度。所以我们采用最小化恢复矩阵的调整互相关值准则，可以在一定程度上降低列向量之间整体的互相关程度。在实际应用中有时需要对多个信道进行信道估计，例如多用户OFDM系统(Multi-UserOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingSystems)的上行信道估计。为了保证导频信号的传输质量，通常不同用户的导频占用不同的时频块进行传输，而且当一个用户使用某个时频块传输导频时，其他用户均不能使用该时频块传输信号，这被称为频域正交的导频放置。现有的随机序贯搜索(StochasticSequentialSearch，SSS)算法的扩展算法ES2(ExtensionScheme2)用于解决频率选择性信道中多个正交导频集合的设计，且ES2算法中加权因子相等，没有将不同互相关值对信道估计影响的差异考虑在内。考虑到较大的调整互相关值将导致差的信道估计性能，相对于较小的调整互相关值，我们重点要最小化较大的调整互相关值。因此，我们将加权因子取值与调整互相关值的大小关联，较大的调整互相关值对应较大的加权因子。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种应用于多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法，使得每一个导频集合都能够降低信道估计的均方误差(meansquareerror，MSE)，提高信道估计的性能。为了达到以上目的，本专利技术提供了一种应用于多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法，包括如下步骤：步骤1)，利用基扩展信道模型对多用户OFDM系统上行双选择稀疏信道建模过程为：首先将信道抽头不同时刻的抽头响应转化为少量正交基函数的线性加权叠加，其中信道信息由权重系数表示，从而实现信道系数的降维。建立第k个用户第l个信道抽头的基扩展模型L为信道长度，Q为信道阶数,基函数矩阵V＝[v0,...,vQ-1]∈CN×Q，是第q个基函数，c(k)[q,l]为对应BEM(BasisExpansionModel)系数，信道不同时刻的所有抽头冲激响应可表示为IL∈CL×L是单位矩阵，根据公式WN为N点快速傅里叶变换矩阵，j2＝-1，m,n∈[0,N-1]。为h(k)的频域表示，X(k)为频域输入信号，获得第k个用户的频域接收信号为是将单位矩阵IN循环移位次所得(时右移，反之左移)，是以为对角线元素的N×N矩阵，WL是取WN前L列的子矩阵。步骤2)，基于步骤1)的系统模型上，利用结构化压缩感知理论获得信道估计恢复矩阵Φ的过程为：为消除ICI，我们采用的导频集合包含两部分：(2Q-2)D个保护导频与D个有效导频，将第k个用户的有效导频位置表示为保护导频位于它有效导频的两侧，然后通过去耦处理，将接收信号变为Q-1个等式：其中有效导频子载波为其对角元素，在不考虑导频符号大小的前提下，获得恢复矩阵是矩阵的p(D-1)k,p(D-1)k+1,...,pDk行，0～L-1列构成的子矩阵。步骤3)，基于压缩感知信号重建条件，多个用户的导频设计的问题最终转化为其中Nu为用户个数、bk为第k个用户的加权系数、门限值T设定为0.15、为第k个用户恢复矩阵Φ(k)的调整互相关值、为恢复矩阵Φ(k)对应的格拉姆矩阵G(k)＝(Φ(k))HΦ(k)第p行第q列的元素、为Nu个用户的有效导频位置集合。建立集合称为调整互相关集合，考虑到较大的γ(k)值将+导致差的信道估计性能，我们将bk取值与γ(k)的大小关联，较大的γ(k)对应较大的bk。步骤4)，为了获得具有较小调整互相关值的恢复矩阵，本专利技术采用DSO的扩展算法，详细步骤如下：步骤4.1)初始化用户个数Nu，每个用户有效导频数D，循环次数为I，M＝I*Nu*D为总的迭代次数。随机生成一个满足|pi-pj|≥2Q-1,i≠j,i,j∈[0,Nu*D-1]的导频位置P0，令当下优化导频位置初始状态占有概率ρ[0]＝0M，但第一个元素ρ[0,0]＝1，用于动态存储每一次迭代开始时选择的导频位置Popt[0]＝P0，t用于记录上次迭代后最终选择的导频位置在Popt中的索引，q则用于记录本次迭代后最终选择的导频位置在Popt中的索引，初始值均设为0。步骤4.2)循环迭代步骤4.2.1)对于第n(n＝0,1,...,M-1)次迭代，通过改变Pn中一个非零导频的位置，得到满足|pi-pj|≥2Q-1,i≠j，i,j∈[0,Nu*D-1]的另一种导频位置Pn'。步骤4.2.2)计算Pn'与Pn相对应恢复矩阵的调整互相关集合元素加权平均和并比较大小，确定下次迭代的初始导频位置Pn+1：若ξ(Pn')<ξ(Pn)，令Pn+1＝Pn'；反之Pn+1＝Pn；步骤4.2.3)更新状态占有概率向量：在Popt中查找是否存在Pn+1，如果存在，将Pn+1在Popt中的行索引赋值给q，否则q＝n+1，并且将Pn+1存储在Popt的第n+1行。然后更新状态占有概率向量T[q]∈CM且是一个除了q个元素为1其余全为零的矢量；步骤4.2.4)选择当下较好的优化导频位置若ρ[n+1,q]>ρ[n+1,t]，令反之，步骤4.2.5)n＝M时迭代结束。步骤4.3)结果输出：获得最终优化的导频位置向量中元素即为有效导频集合的元素。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术为使用结构化压缩感知信道估计的多用户OFDM系统提供了一种新的导频设计方法，在多用户OFDM系统基于结构化压缩感知的信道估计中，与使用现有的ES2算法中的准则生成的导频集合相比，使用本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法，其特征在于：针对多用户OFDM系统上行双选择稀疏信道估计，基于最小化恢复矩阵的调整互相关集合元素加权平均和的导频设计新方法，包括如下步骤：步骤1)，利用基扩展信道模型对多用户OFDM系统上行双选择稀疏信道进行建模：将信道抽头不同时刻的抽头响应转化为少量正交基函数的线性加权叠加，其中信道信息由权重系数表示，从而实现信道系数的降维；步骤2)，基于步骤1)中建立的系统模型基础上，利用结构化压缩感知理论获得信道估计恢复矩阵Φ步骤3)，基于压缩感知信号重建条件，多个用户的导频设计的问题最终转化为

【技术特征摘要】
1.一种应用于多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法，其特征在于：针对多用户OFDM系统上行双选择稀疏信道估计，基于最小化恢复矩阵的调整互相关集合元素加权平均和的导频设计新方法，包括如下步骤：步骤1)，利用基扩展信道模型对多用户OFDM系统上行双选择稀疏信道进行建模：将信道抽头不同时刻的抽头响应转化为少量正交基函数的线性加权叠加，其中信道信息由权重系数表示，从而实现信道系数的降维；步骤2)，基于步骤1)中建立的系统模型基础上，利用结构化压缩感知理论获得信道估计恢复矩阵Φ步骤3)，基于压缩感知信号重建条件，多个用户的导频设计的问题最终转化为其中Nu为用户个数，bk为第k个用户的加权系数，门限值T设定为0.15，为第k个用户恢复矩阵Φ(k)的调整互相关值，为恢复矩阵Φ(k)对应的格拉姆矩阵G(k)＝(Φ(k))HΦ(k)第p行第q列的元素，为Nu个用户的有效导频位置集合；步骤4)，为了获得具有较小调整互相关值的恢复矩阵，通过DSO的扩展算法，获得最终优化的导频位置向量2.根据权利要求1所述的应用于多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法，其特征在于：所述步骤1中，建立第k个用户，第l个信道抽头的基扩展模型为：其中，L为信道长度，Q为信道阶数,基函数矩阵V＝[v0,...,vQ-1]∈CN×Q，是第q个基函数，c(k)[q,l]为对应BEM(BasisExpansionModel)系数，则第k个用户不同时刻的所有抽头冲激响应可表示为：IL是L×L的单位矩阵，根据公式其中，WN为N点快速傅里叶变换矩阵，j2＝-1，m,n∈[0,N-1]，为h(k)的频域表示，X(k)为频域输入信号，获得第k个用户的频域接收信号为是将单位矩阵IN循环移位次所得，当时右移，反之左移，是以为对角线元素的N×N矩阵，WL是取WN前L列的子矩阵。3.根据权利要求1所述的应用于多用户OFDM系统双选择稀疏信道的导频设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，为消除ICI，采用的导频集合包含两部分：(2Q-2)D个保护导频与D个有效导频，将第k个用户的有效导频位置表示为保护导频位于它有效导频的两侧，然后通过去耦处理，将接收信号R(k)变为Q-1个等式：其中有效导频子载波为其对角...

【专利技术属性】
技术研发人员：何雪云，李慧，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32