本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域,特別OFDM系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域,具體是指一種OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法。
背景技術(shù):
信噪比是通信信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù),它是通信質(zhì)量的衡量指標(biāo)之一,在無線通信中的許多場合,如調(diào)制信號(hào)的識(shí)別、Turbo Code的迭代譯碼,移動(dòng)通信中的功率控制、自適應(yīng)調(diào)制切換、自適應(yīng)越區(qū)切換等,都需要知道信噪比的數(shù)值,以獲得最佳的性能。因此,在自適應(yīng)OFDM的通信系統(tǒng)(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用技術(shù))中,信噪比是實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)通信技術(shù)的重要依據(jù)。
目前OFDM系統(tǒng)信噪比估計(jì)的方法大致可以分成兩類:一類是基于導(dǎo)頻數(shù)據(jù)輔助的信噪比估計(jì)方法,一類是盲估計(jì)方法。對(duì)于緩慢變化的信道,前者需要不斷地在每個(gè)子載波上發(fā)送導(dǎo)頻數(shù)據(jù),這將降低通信系統(tǒng)信息傳輸效率;而盲估計(jì)方法是建立在有用信號(hào)和噪聲干擾統(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ)上,無須發(fā)送導(dǎo)頻數(shù)據(jù),因而其通信效率較高,但其估計(jì)性能不如前者。為了不降低通信系統(tǒng)信息傳輸效率和提高信噪比估計(jì)精度,一般采用盲估計(jì)方法,并尋求更好的方法以提高估計(jì)性能。
近年來國內(nèi)外在無線OFDM系統(tǒng)信噪比估計(jì)方面開展了一些研究。其中性能較好的Boumard方法和采用虛載波方法等。Boumard方法利用前導(dǎo)符號(hào)估計(jì)噪聲方差,利用子信道估計(jì)系數(shù)進(jìn)一步得到系統(tǒng)信噪比,但性能受時(shí)延擴(kuò)展的影響;虛載波方法的性能會(huì)受到具體系統(tǒng)濾波器的影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn),提供一種基于OFDM系統(tǒng)信號(hào)幀的前導(dǎo)符號(hào)實(shí)現(xiàn)的,復(fù)雜度低,信噪比估計(jì)性能好,精度更高,且實(shí)現(xiàn)方式簡單,實(shí)現(xiàn)成本低廉的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的,本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法采用以下步驟:
(1)對(duì)OFDM前導(dǎo)符號(hào)進(jìn)行傅里葉變換;
(2)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的前導(dǎo)符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
(3)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的前導(dǎo)符號(hào)獲取虛載波平均功率Pv;
(4)根據(jù)所述的信號(hào)平均功率和所述的虛載波平均功率確定信噪比為
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,所述的步驟(4)具體為:
以根據(jù)下式確定的平均信噪比作為所述的OFDM系統(tǒng)的信噪比:
上式中,為第k個(gè)子載波上的信道,根據(jù)下式確定:
上式中,M2,k為第m個(gè)OFDM前導(dǎo)符號(hào)的第k個(gè)子載波上的接收數(shù)據(jù)Ym,k的二階矩描述,W為噪聲方差。
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,所述的第m個(gè)OFDM前導(dǎo)符號(hào)的第k個(gè)子載波上的接收數(shù)據(jù)Ym,k的二階矩描述根據(jù)下式確定:
上式中,L為OFDM前導(dǎo)符號(hào)的個(gè)數(shù),||·||表示取模。
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,所述的噪聲方差W根據(jù)下式確定:
上式中,||·||表示取模。E{.|k}表示求條件期望,m=0,1,...,L-1,L為OFDM前導(dǎo)符號(hào)的個(gè)數(shù)。
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,所述的前導(dǎo)符號(hào)包括短訓(xùn)練符號(hào)和長訓(xùn)練符號(hào)。
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,
所述的步驟(1)具體為:
(1-1)將短訓(xùn)練符號(hào)分為兩組,分別進(jìn)行傅里葉變換;
所述的步驟(2)具體為:
(2-1)根據(jù)其中一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
所述的步驟(3)具體為:
(3-1)根據(jù)其中另一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取虛載波平均功率Pv。
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,
所述的步驟(1)具體為:
(1-2)將兩個(gè)長訓(xùn)練符號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換;
所述的步驟(2)具體為:
(2-2)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
所述的步驟(3)具體為:
(3-2)將兩個(gè)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)相減,得到的信號(hào)的功率為信道中噪聲功率的兩倍,進(jìn)而可以得到噪聲功率。
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,
所述的步驟(1)具體為:
(1-3)將短訓(xùn)練符號(hào)分為兩組,分別進(jìn)行傅里葉變換,并兩個(gè)長訓(xùn)練符號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換;
所述的步驟(2)具體為:
(2-3)根據(jù)其中一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
所述的步驟(3)具體為:
(3-3)將兩個(gè)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)相減,得到的信號(hào)的功率為信道中噪聲功率的兩倍,進(jìn)而可以得到噪聲功率。
該OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法中,
所述的步驟(1)具體為:
(1-4)將短訓(xùn)練符號(hào)分為兩組,分別進(jìn)行傅里葉變換,并兩個(gè)長訓(xùn)練符號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換;
所述的步驟(2)具體為:
(2-4)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
所述的步驟(3)具體為:
(3-4)根據(jù)一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取虛載波平均功率Pv。
采用了該發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法,由于其基于OFDM系統(tǒng)信號(hào)幀的前導(dǎo)符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率及虛載波平均功率進(jìn)而確定信噪比,因此,比現(xiàn)有技術(shù)中基于導(dǎo)頻輔助的信噪比的估計(jì)方法具有更高的通信效率;比采用虛載波進(jìn)行信噪比估計(jì)的方法的估計(jì)精度更高,同時(shí),本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法復(fù)雜度低,實(shí)現(xiàn)方式簡單, 實(shí)現(xiàn)成本低廉。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法的步驟示意圖。
圖2為本發(fā)明采用的OFDM系統(tǒng)的OFDM前導(dǎo)符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的四種信噪比估計(jì)方法情況下的均方誤差曲線。
圖中,a-只使用短前導(dǎo)估計(jì);b-只使用長前導(dǎo)估計(jì);c-使用短前導(dǎo)和長前導(dǎo)結(jié)合估計(jì);d-使用短前導(dǎo)(虛載波)和長前導(dǎo)估計(jì)。
圖4為設(shè)定輸入信噪比情況下輸出信噪比估計(jì)曲線。
具體實(shí)施方式
為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容,特舉以下實(shí)施例詳細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖1所示,為本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法的步驟示意圖。
在一種實(shí)施方式中,OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法,其特征在于,所述的方法包括以下步驟:
(1)對(duì)OFDM前導(dǎo)符號(hào)進(jìn)行傅里葉變換;
(2)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的前導(dǎo)符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
(3)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的前導(dǎo)符號(hào)獲取虛載波平均功率Pv;
(4)根據(jù)所述的信號(hào)平均功率和所述的虛載波平均功率確定信噪比為
在一種較優(yōu)選的實(shí)施方式中,所述的步驟(4)具體為:
以根據(jù)下式確定的平均信噪比作為所述的OFDM系統(tǒng)的信噪比:
上式中,為第k個(gè)子載波上的信道,根據(jù)下式確定:
上式中,M2,k為第m個(gè)OFDM前導(dǎo)符號(hào)的第k個(gè)子載波上的接收數(shù)據(jù)Ym,k的二階矩描述,W為噪聲方差。
在一種進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中,所述的第m個(gè)OFDM前導(dǎo)符號(hào)的第k個(gè)子載波上的接 收數(shù)據(jù)Ym,k的二階矩描述根據(jù)下式確定:
上式中,L為OFDM前導(dǎo)符號(hào)的個(gè)數(shù),||·||表示取模。
所述的噪聲方差W根據(jù)下式確定:
上式中,||·||表示取模。E{.|k}表示求條件期望,m=0,1,...,L-1,L為OFDM前導(dǎo)符號(hào)的個(gè)數(shù)。
在另一種進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中,所述的前導(dǎo)符號(hào)包括短訓(xùn)練符號(hào)和長訓(xùn)練符號(hào)。前導(dǎo)符號(hào)的選用可以采用以下四種優(yōu)選實(shí)施方式中的任意一種。
第一種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述的步驟(1)~(3)具體為:
(1-1)將短訓(xùn)練符號(hào)分為兩組,分別進(jìn)行傅里葉變換;
(2-1)根據(jù)其中一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
(3-1)根據(jù)其中另一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取虛載波平均功率Pv。
第二種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述的步驟(1)~(3)具體為:
(1-2)將兩個(gè)長訓(xùn)練符號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換;
(2-2)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
(3-2)將兩個(gè)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)相減,得到的信號(hào)的功率為信道中噪聲功率的兩倍,進(jìn)而可以得到噪聲功率。
第三種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述的步驟(1)~(3)具體為:
(1-3)將短訓(xùn)練符號(hào)分為兩組,分別進(jìn)行傅里葉變換,并兩個(gè)長訓(xùn)練符號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換;
(2-3)根據(jù)其中一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
(3-3)將兩個(gè)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)相減,得到的信號(hào)的功率為信道中噪聲功率的兩倍,進(jìn)而可以得到噪聲功率。
第四種優(yōu)選的實(shí)施方式,所述的步驟(1)~(3)具體為:
(1-4)將短訓(xùn)練符號(hào)分為兩組,分別進(jìn)行傅里葉變換,并兩個(gè)長訓(xùn)練符號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換;
(2-4)根據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的長訓(xùn)練符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率Ps;
(3-4)根據(jù)一組經(jīng)傅里葉變換后的短訓(xùn)練符號(hào)獲取虛載波平均功率Pv。
在實(shí)際應(yīng)用中,本發(fā)明的方法的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法具體步驟如下:
本發(fā)明采用OFDM符號(hào)有效持續(xù)周期為TU=80μs和子載波總數(shù)為1024的OFDM系統(tǒng)。短前導(dǎo)和長前導(dǎo)均采用CAZAC序列,其循環(huán)前綴(CP)持續(xù)周期為即TCP=20μs,長前導(dǎo)符號(hào)循環(huán)前綴持續(xù)時(shí)間TCP1=40us,短前導(dǎo)持續(xù)時(shí)間Tshort=10*TCP=200us,有用子載波數(shù)NS=480,F(xiàn)FT/IFFT變換長度為1024,帶寬為6MHz,如圖2所示。
根據(jù)任何子載波上的高斯白噪聲具有相同的統(tǒng)計(jì)特性(其與子載波序號(hào)無關(guān))和前導(dǎo)OFDM符號(hào)中數(shù)據(jù)放置方式與數(shù)據(jù)OFDM符號(hào)中的相同的特點(diǎn)。首先對(duì)接收到的前導(dǎo)符號(hào)進(jìn)行FFT變換,然后分別計(jì)算數(shù)據(jù)子載波和虛載波的平均功率,即可得到信噪比估計(jì)值:
式中,Ps為前導(dǎo)符號(hào)上數(shù)據(jù)符號(hào)子載波上的平均功率,和Pv為前導(dǎo)序列符號(hào)上虛載波上的信號(hào)平均功率,在此認(rèn)為為噪聲平均功率。上面的處理過程可以用圖1來表示。
在OFDM系統(tǒng)中,信號(hào)幀結(jié)構(gòu)往往采用前置前導(dǎo)符號(hào)加數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu),如在無線局域網(wǎng)IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)中,前導(dǎo)符號(hào)包括10個(gè)周期重復(fù)的短訓(xùn)練符號(hào)和2個(gè)周期重復(fù)的長訓(xùn)練符號(hào),符號(hào)間隔與正常的OFDM符號(hào)相同。如圖2所示。所以提出四種信噪比估計(jì)方案:
1)只使用短前導(dǎo)符號(hào)
短訓(xùn)練符號(hào)是由CAZAC序列調(diào)制到載波上,然后將短訓(xùn)練符號(hào)分為兩組,分別做FFT變換,然后分別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)載波和虛載波的平均功率,即可計(jì)算出信噪比。
2)只使用長前導(dǎo)符號(hào)
兩個(gè)長前導(dǎo)符號(hào)是由CAZAC序列調(diào)制到載波上,然后分別做FFT變換,由于長前導(dǎo)符號(hào)中沒有虛載波,將FFT變換后的長前導(dǎo)符號(hào)相減,得到的信號(hào)的功率為信道中噪聲功率的兩倍,進(jìn)而可以得到噪聲功率,從而計(jì)算出信噪比。
3)短前導(dǎo)符號(hào)和長前導(dǎo)符號(hào)相結(jié)合
同時(shí)使用以上兩種方法,計(jì)算出數(shù)據(jù)載波功率和噪聲功率,從而計(jì)算出信噪比。
4)短前導(dǎo)符號(hào)(只使用虛載波)和長前導(dǎo)符號(hào)相結(jié)合
和第三種方法類似,短前導(dǎo)符號(hào)中只使用虛載波,不使用數(shù)據(jù)載波,因?yàn)槎糖皩?dǎo)符號(hào)中數(shù)據(jù)載波數(shù)量較少,計(jì)算時(shí)誤差較大。
在OFDM系統(tǒng)中,頻域中第m個(gè)傳輸符號(hào)可以表示為:
Cm=[cm,0,cm,1,...,cm,k,...,cm,N-1] (2)
上式中N表示IFFT長度,cm,k表示第m個(gè)OFDM符號(hào)第k個(gè)子載波上的已調(diào)數(shù)據(jù)。已調(diào)數(shù)據(jù)經(jīng)過信道后,在接收端經(jīng)FFT處理后,第m個(gè)OFDM符號(hào)第k個(gè)子載波上的接收數(shù)據(jù)給出如下:
Ym,k=cm,kHm,k+nm,k (3)
上式中nm,k是零均值,方差為W的高斯白噪聲,且各個(gè)子載波間相互獨(dú)立。Hm,k為第k個(gè)子載波的信道系數(shù),可以表示為:
h(mT,lTs)是第m個(gè)OFDM的無線信道沖擊響應(yīng)的離散采樣,T是OFDM符號(hào)周期,Ts是接收端的采樣周期,G是無線信道沖擊響應(yīng)的采樣長度。
在無線OFDM系統(tǒng)中,OFDM包的持續(xù)時(shí)間短于信道相干時(shí)間,則Hm,k可以被Hk代替。則對(duì)于OFDM的第L個(gè)符號(hào),第k個(gè)子載波的SNRρk給出如下:
上式中,||·||表示取模。E{.|k}表示求條件期望。m=0,1,...,L-1。
則平均SNR給出如下:
上式中,k=0,1,...,L-1,m=0,1,...,L-1。
根據(jù)公式(3),第m個(gè)和m+1個(gè)OFDM訓(xùn)練符號(hào)的前導(dǎo)給出如下:
Ym,k=cm,kHm,k+nm,k (7)
Ym+1,k=cm+1,kHm+1,k+nm+1,k (8)
這里cm,k為已知數(shù)據(jù)。若cm,k≠0,則假定||cm,k||=1。
當(dāng)cm,k≠0,令
當(dāng)cm,k=0,令
Y′m,k=Y(jié)m,k=nm,k=n′m,k (11)
Y′m+1,k=Y(jié)m+1,k=nm+1,k=n′m+1,k (12)
考慮如下等式
E{||Y′m,k-Y′m+1,k||2}=E{||n′m,k-n′m+1,k||2}=2W (13)
所以,噪聲方差可按下式估計(jì)
實(shí)際中,因?yàn)樵肼暤谋闅v性上式可寫為
等式(3)的二階矩可以描述為
M2,k=E{||Y′m,k||2}=E{||cm,kHk||2}+E{||n′m,k||2}=Pk+W (16)
上式中,Pk是第k個(gè)子載波的信號(hào)功率。
從等式(14)和(15),第k個(gè)子載波的信號(hào)功率可以描述為
Pk=M2,k-W (17)
則第k個(gè)子載波上的信道估計(jì)為
這里
上式中,L是OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)。
則平均SNR可以表示為
綜上所述,從仿真結(jié)果圖3和圖4可以看出,本發(fā)明方法完全可行,與理論結(jié)果一致。本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于:
1)本發(fā)明采用基于前導(dǎo)符號(hào)的OFDM信噪比盲估計(jì)方法,相對(duì)于插入導(dǎo)頻的方法,具有不需要額外開銷,通信效率高等特點(diǎn);
2)本發(fā)明采用基于前導(dǎo)符號(hào)的OFDM信噪比盲估計(jì)方法,相對(duì)于Boumard方法利用前導(dǎo)符號(hào)估計(jì)噪聲方差,利用子信道估計(jì)系數(shù)進(jìn)一步得到系統(tǒng)信噪比,其性能受時(shí)延擴(kuò)展的影響,本方法采用前導(dǎo)符號(hào)的相關(guān)函數(shù)估計(jì)系統(tǒng)信噪比,具有估計(jì)性能和精度高等優(yōu)勢(shì);
3)本發(fā)明采用基于前導(dǎo)符號(hào)的OFDM信噪比盲估計(jì)方法,相對(duì)于采用虛載波估計(jì)方法,受具體系統(tǒng)濾波器影響,本方法采用虛載波和數(shù)據(jù)子載波相結(jié)合的方法,具有估計(jì)精度高,實(shí)現(xiàn)簡單,復(fù)雜度低等特點(diǎn);
4)本發(fā)明采用基于前導(dǎo)符號(hào)的OFDM信噪比盲估計(jì)方法,根據(jù)短前導(dǎo)符號(hào)和長前導(dǎo)符號(hào)的特點(diǎn),提出了四種信噪比估計(jì)方法可以根據(jù)具體的應(yīng)用場合靈活選用,以達(dá)到最佳估計(jì)性能和精度。
采用了該發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法,由于其基于OFDM系統(tǒng)信號(hào)幀的前導(dǎo)符號(hào)獲取數(shù)據(jù)子載波平均功率及虛載波平均功率進(jìn)而確定信噪比,因此,比現(xiàn)有技術(shù)中基于導(dǎo)頻輔助的信噪比的估計(jì)方法具有更高的通信效率;比采用虛載波進(jìn)行信噪比估計(jì)的方法的估計(jì)精度更高,同時(shí),本發(fā)明的OFDM系統(tǒng)的信噪比盲估計(jì)方法復(fù)雜度低,實(shí)現(xiàn)方式簡單,實(shí)現(xiàn)成本低廉。
在此說明書中,本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是,很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此,說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。