[发明专利]基于灰建模的OFDM窄带慢衰落慢时变信道估计方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信信号处理领域，涉及到一种移动传输环境下的慢衰落信道估计方法，可用于解决未来无线通信行业中慢衰落信道的信道系数在一帧时间内具有微小变化情况下的信道估计及应用问题。

背景技术

在通常的OFDM链路中，输入比特序列完成串并变换后，经调制映射，IFFT变换得到OFDM已调信号的时域抽样序列，加入循环前缀，再经数模转换和载波调制将信号发射到空间信道中；在接收端将接收信号进行串并转换，去除保护间隔，再进行FFT变换，得到频域接收信号，此过程由于频率选择性衰落、多普勒频移的存在和载波频偏、同步误差的影响，使得信道传递函数是一个随机过程。当在接收机使用相关检测方法时，需要知道每一子载波处的信道响应来决定其最佳的判决门限；当在接收机使用差分检测时，不需要知道信道响应的绝对参考值，它只需要知道各符号之间的相对幅值和相对相位，但差分检测会比相干检测在信噪比性能上损失3dB。因此，在OFDM系统中准确的信道估计十分重要。

随着便携式移动通信终端的普及，未来无线通信呈现出高速率、移动化等特点，作为移动通信中的核心技术之一，信道估计的好坏将直接影响到通信系统的传输质量。目前关于信道估计的研究主要分为两类：慢衰落信道估计和快衰落信道估计。对于慢衰落信道，多采用基于块状导频辅助的估计手段；而对于快衰落信道，除借助于梳状导频的算法外，近年来也涌现了很多新颖的算法思想，如盲估计算法、基于导频辅助的半盲估计算法等。

在移动通信中，无线信道一般具有两个基本特征：多径效应和时变特性。其中时变特性通常是由机载或其它反射物体的移动所形成的反射路径的变化及用户的运动所引起的。当发射信号在无线信道进行传输时，发射机与接收用户之间的相对运动会造成信号传播路径发生改变，从而导致接收信号的频谱发生多普勒扩展，引起信道发生时变。由多普勒扩展带来的信道时变性，通常采用信道相干时间来描述，若信道相干时间远小于发射信号的符号周期，称信道经历了快衰落；若远大于发射信号的符号周期，则称信道经历了慢衰落。

已有关于信道时变性的研究主要是针对快衰落展开的，而相对于慢衰落，通常认为信道在同一帧时间内是近似不变的，而在不同帧之间变化且相互独立，即假设信道为准静态。基于这一前提，现有关于慢衰落信道的估计研究大多都基于块状导频的设计思想。随着移动通信的主导地位开始突显，学者们逐渐认识到在高速移动的通信环境下，慢衰落信道在一帧数据块时间内也发生着缓慢变化，并且这种变化具有时域的相关性。基于时变慢衰落信道的这一特性，有学者提出了基于Kalman、LMS及RLS等递推的信道估计方法。例如：

(1)郭长玉等人在“基于卡尔曼滤波器的OFDM系统时变信道估计.设计与实现，2008：82-85”一文中提出了一种基于Kalman递推的信道估计算法，该算法假设信道在一帧数据块中的同一OFDM符号内也在随时间变化，并且这种变化在时域具有较强的相关性，而在不同OFDM符号之间，信道的变化则随时变因素，如最大多普勒频移的改变呈现出不同程度的时域相关性，但不同帧之间信道的变化仍是独立的。此方法应用卡尔曼滤波器在时域进行信道估计时，首先建立应用系统的状态矢量模型，然后通过递推处理寻求状态矢量在最小均方误差意义下的最优估计，并在频域应用LS准则进行频域的估计和均衡，以实现对ICI影响的有效地降低，提高OFDM系统在快速时变信道下的性能。该类方法的主要缺点是算法复杂度极高，很难在实际工程中应用。

(2)白宾锋等人在“OFDM系统中一种维纳LMS信道跟踪算法.电子与信息学报，2005，27(11)：1699-1703”中提出了一种维纳最小均方误差的信道跟踪和预测算法，该方法采用多项式设计维纳滤波器的方法，设计了一个频域内的预测滤波器，用信道的预测值代入算法进行迭代，逐符号实现了信道跟踪，提高了算法在跟踪快变信道条件下的性能，实现了系统频域信道响应的可靠跟踪和预测，但该算法在设计时假设每个子载波的响应互不相关，造成算法性能下降。加频域滤波的改进维纳LMS算法利用信道响应的频域相关特性，使算法在每次迭代时通过一个频域滤波器，性能得到大大的提高。传统的LMS信道跟踪算法进行每一次迭代时用本符号的信道响应代替下个符号的信道响应，因此在跟踪快变信道时性能不理想。该方法逐符号实现了信道跟踪，克服了基于导频内插算法分块处理造成处理时延大的缺点，通过频域内预测滤波器和跟踪滤波器的设计，提高了算法跟踪快变信道的性能。该类方法的主要缺点是算法复杂度极高，很难在实际工程中应用。