基于小波变换调制系统的压缩感知时域信道估计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种针对小波变换的调制系统的压缩感知时域信道估计方法。包括步骤：根据信道估计条件选择合适的具有小波基函数，采用时域块状导频插入，对信号进行IDWT变换完成调制，采用准Toeplitz矩阵构建观测矩阵，使用压缩感知技术进行时域信道估计，在信道冲激响应估计后采用傅里叶变换简化信道求解过程。本发明专利技术针对小波变换调制系统，利用小波基函数可以有效消除各个子信道干扰ICI及码间干扰ISI，提高信道估计的准确性；采用压缩感知时域信道估计减少了信道估计时需要的测量值个数，降低计算复杂度和成本；采用FFT变换求解数据信号部分，避免了小波变化带来的大量运算，克服了小波变换带来的局限性，使得小波变换调制系统具有更强的适用范围。

Time domain channel estimation method based on wavelet transform modulation system for compressed sensing

The invention discloses a compressed sensing time domain channel estimation method for the modulation system of the wavelet transform. Includes the steps of: selecting appropriate conditions according to the channel estimation with wavelet function, using time domain block pilot, the signal IDWT transform modulation, using quasi Toeplitz matrix to construct the measurement matrix, using time-domain channel estimation technology in compressed sensing, channel impulse response estimation using Fourier transform to simplify the process of solving channel. The present invention based on wavelet transform using wavelet modulation system, which can effectively eliminate the sub channel interference and intersymbol interference ICI ISI, improve the accuracy of channel estimation; compressed sensing time domain channel estimation measurement needs to reduce the channel estimation value when the number of uses, reducing computational complexity and cost; using FFT transform to solve the data signal in part, to avoid a lot of computing wavelet change, overcomes the limitations of wavelet transform the wavelet transform, the modulation system has stronger applicability.

【技术实现步骤摘要】
基于小波变换调制系统的压缩感知时域信道估计方法
本专利技术涉及一种针对频率选择性衰落环境提出的基于小波变换调制系统的利用压缩感知技术在时域上进行的高精度低复杂度信道估计方法。
技术介绍
在LTE及4G系统中我们采用以正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术为基础的多载波调制方式，其优势在于频谱利用率高、采用IFFT和FFT来实现调制与解调系统、有效地抵抗载波间干扰(Inter-carrierInterference，ICI)和符号间干扰(Inter-symbolInterference，ISI)，但是也存在着一些缺点，比如容易受到频率偏差的影响，会使子载波间的正交性遭到破坏，造成ICI；需要插入保护间隔和循环前缀来消除ISI和ICI，降低频谱利用率等。基于小波变换的多载波调制技术采用离散小波变换(DWT，DiscreteWaveletTransform)替换OFDM中的快速傅里叶变换，具有时频二维正交性，相对于OFDM而言，不仅子信道间具有正交性，而且每个子信道上传输的符号间也具有正交性，因此信号可以在时域和频域上重叠，从而能够节省带宽、提高传输速率；同时，由于正交性的优势，小波变换调制无需插入循环前缀，大大提高了频谱利用率；此外利用小波时频分解特性对信号进行变换，降低多载波系统并存的脉冲噪声和窄带干扰的影响。小波变换多载波调制在抗干扰，提高信号的传输速率、频谱利用率和安全性方面具有更好的性能。更高效的小波变换调制系统与OFDM不同之处在于它进行的是时域和时频域的转换，这就意味着传统的频域信道估计方法无法适用于它，因此需要提出更高效且有针对性的时域信道估计方案来适应小波变换调制系统。压缩感知(CompressedSensing，CS)理论应用到通信领域中的信道估计是近些年的研究热点，其重点在于采用信道的时域冲激响应，对在时域上具有稀疏性的信道进行估计，可以适用于小波变换调制系统中。在对频率选择性衰落显著、时间选择性衰落不明显的慢衰落信道进行信道估计时，时域信道估计对应的块状导频分布优于其它的导频分布类型，块状导频的插入可以在时域完成；频域导频插入会导致发射时域波形的峰均功率比难以控制，而时域导频插入是恒包络的，因此，时域导频具有更好的PAPR特性，减少了设备的复杂度；另外，时域导频符号在选择导频插入的位置、数量时，相对于频域的导频插入更加灵活。可以针对时域稀疏的信道利用远远小于Nyquist采样率的频率对信号采样，然后高精度地重建原信号，提高了系统效率和频谱利用率，降低了系统成本。因此，基于小波变换的CS时域信道估计方法的提出是非常有必要的。目前针对基于小波变换的多载波调制系统的研究还比较匮乏，其多数集中在针对小波基的选取上，国外有研究利用信道估计得到信道的冲激响应，并通过小波变换得到信道的统计特性，以此来计算最佳小波多载波调制解调方案，但是对于具体的信道估计算法没有做必要的叙述和说明。因此需要研究一种更精准、更简便的适用于小波变换调制系统的时域信道估计方法。
技术实现思路
本专利技术提出一种针对小波变换调制系统的时域信道估计方法，解决了传统上约束小波调制应用在通信系统中的信道估计问题，由于正交小波基函数具有非零平移自正交性及各小波函数基之间的正交性，可以有效消除各个子信道干扰ICI及ISI，可以省去循环前缀，提高了频谱利用率；利用时域导频插入，有利于抵抗频率选择性衰落，本算法采用的技术方案包含以下步骤：步骤1：根据信道估计条件选择合适的小波基函数；步骤2：根据步骤1选择的小波基函数，对信号进行IDWT变换完成调制，根据小波变换特性，在IDWT之后采用时域块状导频插入。步骤3：采用准Toeplitz矩阵构建观测矩阵，使用压缩感知技术进行时域信道估计；步骤4：在接收端采用OMP算法重构信号；步骤5：在信道冲激响应估计后采用傅里叶变换简化信道求解过程。进一步地，本专利技术提出以误比特率(BitErrorRate，BER)作为性能衡量标准，纵向比较Daubechies(dbN)小波，Symlets(symN)小波，Biorthogonal(biorNr.Nd)小波，Coiflets(coifN)基在取不同消失矩(VanishingMoments)时BER性能与FFT对比，可以得出db3，sym3，bior1.1coif3的性能较为优越，再横向比较这几个小波基在小波变换调制系统中的性能。本专利技术选取最优的sym3作为设计采用的小波基。进一步地，本专利技术提出针对小波变换的信道估计方法是针对时域稀疏的信道，由于在DWT-OFDM系统中信道冲击响应不能由时域的卷积形式变为频域的乘积形式，因此使用时域导频插入。本专利技术选取每隔8个数据符号，加入一个导频符号，导频选择正负交替的单位矩阵，记p为导频的位置，q为数据的位置，则有yp＝xp*h+nyq＝xq*h+n进一步地，本专利技术提出的压缩感知中的观测矩阵是使用准Toeplitz矩阵构建的，其具体实现方法是：假设xp的长度为N，h的长度为L，那么卷积后的yp的长度应为M＝N+L-1。卷积可以用循环矩阵乘积的方式来表示，接收导频信号可以写成：其中，循环矩阵A为Toeplitz矩阵。由于其可以满足压缩感知的可重构条件RIP准则，可以作为CS中的观测矩阵，时域稀疏信道h是无线信道的时域冲激响应，可以用CS算法重构出h。为了减少运算量，本专利技术对矩阵A进行简化。由于信道相当于FIR滤波器，那么xp经过信道后得到的yp的长度与xp的长度是相同的，即为N，因此矩阵A可以改写为下式，同样符合Toeplitz结构：在接收端进行信道估计时，用小于Nyquist采样率的频率从N个数据中采集M个测量值，其中M＝N/2＜＜N，即从矩阵A中每隔一行取一行，形成矩阵A的子矩阵，即准Toeplitz矩阵，如下式：若Toeplitz矩阵中的不同元素都是正态分布的，且均值为0，那么与之相对应的准Toeplitz矩阵也可以用于CS。采用准Toeplitz矩阵可以减少重构时需要的测量值个数，降低计算复杂度和成本。进一步地，本专利技术中提出根据时域信道估计得到信道冲激响应后，采用FFT将数据信号xq变换到频域，将时域上的卷积运算变成频域上的乘积，降低了求解难度，具体实施方案为：对接收信号yq与估计信道h取FFT，得：Yq＝Xq·H+N其中，Yq和Xq分别是yq和xq的FFT变换。由上式可以求出Xq，然后再对Xq进行IFFT变换，从而得到数据位置处xq的估计值，最后对其进行DWT变换。本专利技术的提出的针对小波变换调制系统的压缩感知时域信道估计，相对于传统信道估计方法有以下优点：(1)本专利技术针对小波变换调制系统，正交小波基函数在时间轴上平移具有正交性，从而可以有效消除各个子信道干扰ICI，提高信道估计的准确性。(2)本专利技术提出的离散小波变换保证正交子空间中各函数基的互正交性，使得同一子信道上的数据流符号间保持正交，能更好的消除码间干扰ISI，因此可以省去循环前缀的插入，提高系统的频谱利用率。(3)本专利技术提出的时域信道估计，包含了时域导频插入和使用准Toeplitz矩阵构建观测矩阵的压缩感知信道估计两个部分，时域导频插入有助于克服信道的频率选择性衰落；采用准Toepl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小波变换调制系统的压缩感知技术时域信道估计，其特征在于，准对小波变换调制系统的时域特点所采用的针对性时域信道估计算法并使用压缩感知简化，包括以下步骤：1)由信道估计运算的结果，再根据对几种小波基函数的正交性、紧支撑性与平滑性的比较，选择最合适的小波基函数；2)使用已选择的小波基函数，对信号进行IDWT变换完成调制，根据小波变换特性，在IDWT之后进行时域块状导频插入；3)采用准Toeplitz矩阵构建观测矩阵，使用压缩感知算法进行时域信道估计；4)在接收端采用OMP算法重构信号；5)在信道冲激响应估计后，对时域信号运算过程中采用傅里叶变换以避免时域卷积运算，降低算法复杂度。

【技术特征摘要】
1.一种基于小波变换调制系统的压缩感知技术时域信道估计，其特征在于，准对小波变换调制系统的时域特点所采用的针对性时域信道估计算法并使用压缩感知简化，包括以下步骤：1)由信道估计运算的结果，再根据对几种小波基函数的正交性、紧支撑性与平滑性的比较，选择最合适的小波基函数；2)使用已选择的小波基函数，对信号进行IDWT变换完成调制，根据小波变换特性，在IDWT之后进行时域块状导频插入；3)采用准Toeplitz矩阵构建观测矩阵，使用压缩感知算法进行时域信道估计；4)在接收端采用OMP算法重构信号；5)在信道冲激响应估计后，对时域信号运算过程中采用傅里叶变换以避免时域卷积运算，降低算法复杂度。2.如权利要求1所述的基于小波变换调制系统的压缩感知技术时域信道估计，其特征在于，由信道估计条件选择合适的小波基函数，以系统误...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴虹，张钰婷，刘兵，徐锡燕，赵迎新，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12