基于V‐OFDM的双选择信道估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于矢量正交频分调制(V‑OFDM)的双选择信道估计方法。本发明专利技术基于现有的V‑OFDM传输机制，设计了在V‑OFDM发送数据块中添加导频以及导频保护间隔的方式，保证导频与数据的正交性。在接收端使用基扩展模型(BEM)信道模型对信道进行建模，并使用收到的V‑OFDM数据块中的导频部分估计出BEM模型中的双选择信道参数矩阵。本发明专利技术所设计的信道估计方案与传统的基于正交频分调制(OFDM)的双选择信道估计、传输方案相比，提高了估计的准确性，降低了复杂度。

Dual-Selection Channel Estimation Based on V-OFDM

The invention discloses a dual-selection channel estimation method based on vector orthogonal frequency division modulation (V_OFDM). Based on the existing V OFDM transmission mechanism, the method of adding pilot and pilot protection interval in the transmission data block of V OFDM is designed to ensure the orthogonality of pilot and data. At the receiving end, the base expansion model (BEM) channel model is used to model the channel, and the pilot part of the received V OFDM data block is used to estimate the double-selection channel parameter matrix in the BEM model. The channel estimation scheme designed by the invention improves the accuracy of the estimation and reduces the complexity compared with the traditional dual-choice channel estimation and transmission scheme based on orthogonal frequency division modulation (OFDM).

【技术实现步骤摘要】
基于V‐OFDM的双选择信道估计方法
本专利技术涉及通信领域的信道估计技术，具体涉及一种基于矢量正交频分调制的双选择信道估计方法。
技术介绍
无线通信是利用电磁波在自由空间中传播来进行信息交换的一种方式。目前在信息通信领域中，无线通信发展最快、应用最广。在高速移动的环境如高铁中提供可靠的宽带通信服务是下一代通信系统中面临的一大挑战。无线通信中，系统性能很大程度上受信道影响。信道的影响一般分为时间或频率选择性衰落以及加性噪声。一般来说，需要消除信道的影响，恢复出发送端发送的信号，需要通过均衡手段消除时间或频率选择性衰落的影响。时间选择性衰落的情况下，信道参数随着频率的变化而变化，但在时域平坦，频率选择性衰落则反之。信道估计是从接收数据中将特定的信道模型的模型参数估计出来的过程。而在高移动环境下，信道同时引入时间、频率选择性衰落，信道衰落展现二维选择性，故称为双选择信道，信道参数随着时间的变化而快速变化，这为信道估计以及均衡带来了很大的阻碍。而宽带通信的普及要求在很快的时间内获取发送端发送的信息。这些要求都需要精确、快速地估计出信道参数，所以，双选择信道估计是高移动环境中通信的一个技术瓶颈。正交频分调制(OFDM)技术在宽带通信中有着很高的地位与很广泛的应用。然而OFDM的相关技术创新集中在频率选择性信道中，在高移动环境下，一种估计双选择信道的方式是在频域加入FDKD导频簇，在接收端通过矩阵除法等一系列操作恢复信道参数。由于OFDM一维的结构与双选择信道的时延、多普勒二维扩展不相容，现有的基于OFDM的双选择信道估计方法都需要大量矩阵运算，有较高的复杂度，各方面性能也往往受到较大的制约。在OFDM和单载波调制的基础上，提出了矢量正交频分调制(V-OFDM)的技术。V-OFDM传输方法为:约定环境中最大多径数为L，发送端将映射后的星座点数据从串行变为块状，即取P×(M-L)个连续的发送数据，按从左至右、从上至下顺序组成一个数据块，大小为P行M-L列，再在该数据块最后一列右边补上L列0，作为保护间隔，得到大小为N＝P×M的数据块。之后对该数据块的每一列的P个数据做P点离散傅里叶逆变换(IFFT)，并将得到的数据块按按从左至右、从上至下顺序转化为串行数据，通过发送端天线发送。接收端收到信号并采样后，同样获得N＝P×M个串行数据，按与发送端相同的方式组成形状为P×M的数据块，对该数据块的每一列做P点离散傅里叶变换(FFT)，恢复出受信道影响的数据块，再对该数据块进行变换域均衡，消除信道影响，进行变换域均衡时，需要信道信息，而该方案没有考虑信道估计的方法。V-OFDM技术能够对抗信道频谱零点、减少循环前缀开销，作为OFDM与单载波调制的一般形式，方便发送端与接收端复杂度的分配。通过分析发现，V-OFDM二维的结构特性非常适合于高移动环境下的双选择信道二维模型影响的分析研究。在此基础上提出了基于V-OFDM以及基扩展模型的双选择信道估计方案。与双选择信道下传统的OFDM的信道估计方法相比，该方案拥有更好的性能，更简洁的结构以及更低的复杂度，能够更快速、更准确地估计双选择信道的参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于V‐OFDM的双选择信道估计方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术在基础的V-OFDM传输系统上设计了发送端的导频的添加方式以及接收端的信道估计方式。本专利技术添加导频方案为：在发送一个V-OFDM数据块前，发送端和接收端通过同样的伪随机数产生器产生相同的导频点数据，数据点个数与V-OFDM的虚拟载波数(P)相同，同时也约定导频列放置在V-OFDM数据块第一列、信道最大径数为L。发送时，根据约定的导频放置位置，选择(L+1)列作为导频、导频保护间隔的放置列。在V-OFDM数据块剩余位置填上数据以及相应的保护间隔，通过V-OFDM调制方式发送。接收端接收到后先通过V-OFDM调制方式解调，提取L+1列导频列，通过最小均方误差(MMSE)估计的方式解调出信道估计值。获取信道估计值之后，可以通过变换域均衡的方式对剩余数据进行均衡，消除信道影响。本专利技术中，双选择信道使用基扩展模型(BEM)建模，设发送载波频率为fc，发送端采样频率Ts，信号带宽B＝1/Ts，数据块为矩形，总大小N＝P×M，数据块每列P个数据，P也称为IFFT点数、虚拟载波数；每行M个数据，M也称为矢量长度。在数据块中填入相应的导频数据、保护间隔以及编码映射后的发送数据，并进行V‐OFDM调制得到发送信号。发送信号经过双选择信道，接收端接收到的信号是经过反射的多条路径信道的混合信号簇，每条路径具有不同的时延以及多普勒平移，此外还收到线性高斯白噪声的影响。设最大时延为τMAX，发射机与接收机之间相对运动速度v，则最大多普勒频移为其中c为光速。使用BEM信道模型离散化时延扩展和多普勒扩展，获得BEM信道系数矩阵h＝[h0h1...hL]，其中L＝τMAX/Ts，h矩阵的行表示时延扩展，列表示多普勒频移扩展，其大小为(Q+1)(L+1)，h中的元素服从WSSUS模型，即h中的元素相互独立，且服从复高斯分布，均值为0，方差为在一个V‐OFDM数据块周期内，BEM参数矩阵h可看作不变，而不同的数据块经历的BEM参数矩阵h不同。本专利技术提出的基于V‐OFDM的双选择信道估计方法，具体包括以下步骤：(1)确定信道最大可能时延扩展径数L+1、多普勒扩展径数Q+1；(2)确定V-OFDM数据块大小N＝P×M：每列P个数据，每行M个数据，并在数据块中加入导频以及导频的保护间隔；具体包括以下子步骤：(2.1)加入导频后增加的开销根据系统对加入导频后增加的开销及多普勒扩展径数的要求，考虑到P越大，导频数越多，估计越准确，从而确定V‐OFDM传输中使用的方案，即N一定的情况下，P、M的值必须满足P≥Q+2，M>2L+1；(2.2)发送端和接收端通过同样的伪随机数产生器生成随机的BPSK导频点数据，共P个，选定V-OFDM数据块的第1列为导频列，第2至L+1列为保护间隔列。在第1列上放置P个导频数据，定义该列导频为导频向量其中Pp∈{-1,1},p∈[0,P-1]，在第2至L+1列上全部放置0作为保护间隔，防止导频与数据混叠，保证接收端导频与数据正交；(3)对原发送信息进行编码、星座点映射，产生Ns＝P(M-2L-1)个编码映射后的数据点；(4)在数据块第L+2列至第M-L-1列上放置编码映射后的数据，这M-2L-1列数据记为矩阵其中，ls∈[0,M-2L-2]，同时根据V-OFDM传输、变换域均衡的要求，在第M-L至第M列上全部放置零，整个数据块记为V-OFDM矩阵X：(5)发送端进行V-OFDM调制：在V-OFDM矩阵X的列方向上对V-OFDM数据块的每一列计算P点的IFFT，得到结果矩阵xxl＝IFFTP(Xl),l∈[0,M-1](6)结果矩阵x按行方向，从左往右从上往下顺序串行发送信号，得到串行信号s；(7)接收端进行V-OFDM解调：接收端接收到经过双选择信道以及高斯白噪声w＝[w0w1...wn..wN-1]影响的串行数据r，按发送端的顺序将串行数据r组成数据块y；按数据块y的列方向计算P点的FFT，恢复出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于V‑OFDM的双选择信道参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定信道最大可能时延扩展径数L+1、多普勒扩展径数Q+1；(2)确定V‑OFDM数据块大小N＝P×M，P为数据块的列数，M为数据块的行数，P、M的值满足P≥Q+2，M>2L+1；并在数据块中加入导频以及导频的保护间隔；导频以及导频的保护间隔的添加方法具体为：发送端和接收端通过同样的伪随机数产生器生成随机的BPSK导频点数据，共P个，选定V‑OFDM数据块的第1列为导频列，第2至L+1列为保护间隔列；在第1列上放置P个导频数据，定义该列导频为导频向量

【技术特征摘要】
1.一种基于V-OFDM的双选择信道参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定信道最大可能时延扩展径数L+1、多普勒扩展径数Q+1；(2)确定V-OFDM数据块大小N＝P×M，P为数据块的列数，M为数据块的行数，P、M的值满足P≥Q+2，M>2L+1；并在数据块中加入导频以及导频的保护间隔；导频以及导频的保护间隔的添加方法具体为：发送端和接收端通过同样的伪随机数产生器生成随机的BPSK导频点数据，共P个，选定V-OFDM数据块的第1列为导频列，第2至L+1列为保护间隔列；在第1列上放置P个导频数据，定义该列导频为导频向量其中Pp∈{-1,1},p∈[0,P-1]，在第2至L+1列上全部放置0作为保护间隔；(3)对原发送信息进行编码、星座点映射，产生Ns＝P(M-2L-1)个编码映射后的数据点；(4)在数据块第L+2列至第M-L-1列上放置编码映射后的数据，这M-2L-1列数据记为矩阵其中，ls∈[0,M-2L-2]，同时根据V-OFDM传输、变换域均衡的要求，在第M-L至第M列上全部放置零，整个数据块记为V-OFDM矩阵X：(5)发送端进行V-OFDM调制：在V-OFDM矩阵X的列方向上对V-OFDM数据块的每一列计算P点的IFFT，得到结果矩阵xxl＝IFFTP(Xl),l∈[0,M-1](6)结果矩阵x按行方向，从左往右从上往下顺序串行发送信号，得到串行信号s；(7)接收端进行V-OFDM解调：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝阳，彭朱炜，付攀玉，张婧，杨潇翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33