專利名稱：適用于ofdm系統(tǒng)的同步與信道響應估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信領域，特別是指一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應估計方法，本發(fā)明屬于可應用于系統(tǒng)接收機端的設計。在下一代無線通信系統(tǒng)的不斷完善中，為現(xiàn)有OFDM無線通信系統(tǒng)提供了基于最大似然準則的符號定時同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計的新方法以及可靠的通信支持。具有快速性、準確性等特點。

背景技術：
隨著人們對通信寬帶化、個人化和移動化的需求越來越高，正交頻分復用OFDM技術在各個無線通信領域得到了廣泛的應用。OFDM系統(tǒng)對同步誤差十分敏感，當存在同步誤差時會引起嚴重的載波間干擾和符號間干擾，使系統(tǒng)性能明顯下降。信道估計主要是為了抵抗衰落，用估計結果來抵消各個子信道衰落的影響，從而在接收端獲得正確的解調。所以，在無線衰落信道下的同步和信道估計是寬帶無線通信系統(tǒng)中需要解決的重要問題。
目前，現(xiàn)有的無線OFDM系統(tǒng)中，符號定時同步、載波頻率同步和信道估計之間存在著密切的聯(lián)系，時延和頻偏的估計誤差會影響信道響應估計的準確性。很多方法是圍繞聯(lián)合定時和頻率同步開展的，但是很少有人提出將兩種同步和信道沖激響應聯(lián)合進行估計的想法。然而，在實際應用中，這種策略面臨著兩大挑戰(zhàn)。一方面，在系統(tǒng)接收端同時求三個參數(shù)的估計值并非易事，計算復雜度很高，不利于在實際系統(tǒng)中進行應用。另一方面，將三個參數(shù)進行聯(lián)合估計的系統(tǒng)性能不容易得到保證，需要設計一種能夠滿足實際應用性能需求的系統(tǒng)。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術中的不足之處而提供一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應估計方法，本發(fā)明建立了頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準則的定時同步、載波同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計的代價函數(shù)。從代價函數(shù)出發(fā)，推導出聯(lián)合估計三個參數(shù)的算法。
本發(fā)明采用聯(lián)合最大似然算法，對以上兩大挑戰(zhàn)提出新思路、新方案。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達到 1、一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應估計方法，其特征在于在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準則的符號定時同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計的代價函數(shù)，從代價函數(shù)出發(fā)，推導出聯(lián)合估計符號定時偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應h的系統(tǒng)構架和策略，包括下列步驟進行粗同步與信道響應估計和進行細同步與信道估計值的計算； 進行粗同步與信道響應估計具體內容包括粗定時的估計、粗頻偏的估計和粗信道估計，根據(jù)OFDM系統(tǒng)在每幀的起始位置都采用了特殊的前導訓練序列，可用來進行定時恢復、頻率補償和信道估計，建立包括符號定時同步、載波頻率同步和信道沖激響應的OFDM系統(tǒng)模型，利用最大似然法估計時間延時、頻率偏移和信道沖激響應，假定OFDM系統(tǒng)中包含N個子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進行N點IFFT變換后得到時域OFDM符號，在系統(tǒng)存在時延和頻偏的情況下，假設采樣時鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時，在接收到的復基帶信號的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個觀測窗口，則觀測窗口內的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以在已知傳送的OFDM符號S的情況下估計出準確的定時偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應h(l)，仿真是基于突發(fā)幀傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，前導訓練符號由5個相同的短訓練符號、2個相同的長訓練符號和各自的循環(huán)前綴組成，系統(tǒng)利用短訓練符號進行粗定時和粗頻偏估計，之后利用長訓練符號迭代計算精確的頻偏和信道估計， 粗定時檢測利用5個相同的短訓練序列符號里的周期符號，對其進行歸一化的自相關運算來求得粗定時同步，為了得到很好的尖銳相關性并能適當減少計算量，定義了2個歸一化自相關參量D1和D2，D1是接收信號與其延時一個短訓練符號周期后的信號歸一化相關；D2是接收信號與延時兩個周期后信號的歸一化相關，Ns為一個短訓練符號長度，首先，對接收到的短訓練序列的信息進行相關運算，周期為64，相距Ns點的相關值為C1，相距2*Ns點的相關值為C2，分別與傳輸信號的能量值Ф的比值定義為D1和D2，D1和D2的差值是一個三角形狀的參量，差值的峰值點即為第3個訓練符號的起始點，這樣就得到的粗定時的估計值，根據(jù)實際應用系統(tǒng)對誤碼率的要求可以對符號同步的粗估計進行修改，利用該訓練符號的循環(huán)前綴信息來設定一個滑動窗口對序列進行歸一化， 粗頻偏估計首先利用短訓練符號的相關值求出相位統(tǒng)計值，即反映了頻偏情況，就是粗頻偏的估計值， 粗信道的ML估計利用定時和頻率偏移的粗估計值進行估計； 進行細同步與信道估計值的計算具體內容包括根據(jù)接收信號的功率在每次傳輸時不變，可知如果使對數(shù)似然函數(shù)最大，就可以估計得出精確的時延

和頻偏值

利用得到的精確同步估計參數(shù)

和

計算精確的信道響應，精確估計階段可以逐步迭代。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點能夠實現(xiàn)計算精度與計算復雜度之間的均衡，根據(jù)實際系統(tǒng)的應用需求來增加或減少精同步迭代次數(shù)，并能夠降低無線傳輸中的干擾，進一步提高系統(tǒng)可靠性，提高系統(tǒng)的可用性。



圖1是本發(fā)明OFDM系統(tǒng)適用的收發(fā)框圖。
圖2是本發(fā)明實施例中空中接口幀結構設計圖。
圖3a是本發(fā)明實施例中定時參數(shù)D1的符號粗同步仿真圖。
圖3b是本發(fā)明實施例中定時參數(shù)D2的符號粗同步仿真圖。
圖3c是本發(fā)明實施例中定時參數(shù)D1-D2的符號粗同步仿真圖。
圖4a是本發(fā)明實施例中改進后定時參數(shù)D1的符號粗同步仿真圖。
圖4b是本發(fā)明實施例中改進后定時參數(shù)D2的符號粗同步仿真圖。
圖4c是本發(fā)明實施例中改進后定時參數(shù)D1-D2的符號粗同步仿真圖。
圖5是本發(fā)明不同SNR下的符號同步性能比較圖。
圖6是本發(fā)明不同SNR下的信道估計性能比較圖。
圖7是本發(fā)明不同SNR下的系統(tǒng)誤碼率性能比較圖。

具體實施例方式 針對下一代無線通信系統(tǒng)對傳輸高質量信息準確性的要求，針對現(xiàn)有OFDM無線通信系統(tǒng)中存在的問題和挑戰(zhàn)，在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準則ML的符號定時同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計的代價函數(shù)。從代價函數(shù)出發(fā)，推導出聯(lián)合估計符號定時偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應h的系統(tǒng)構架和策略。其特征是包括下列步驟進行粗同步與信道響應估計和進行細同步與信道估計值的計算。
所述的進行粗同步與信道響應估計具體內容包括粗定時的估計、粗頻偏的估計和粗信道估計。根據(jù)OFDM系統(tǒng)在每幀的起始位置都采用了特殊的前導訓練序列，可用來進行定時恢復、頻率補償和信道估計。建立包括符號定時同步、載波頻率同步和信道沖激響應的OFDM系統(tǒng)模型，利用最大似然法估計時間延時、頻率偏移和信道沖激響應。假定OFDM系統(tǒng)中包含N個子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進行N點IFFT變換后得到時域OFDM符號。在系統(tǒng)存在時延和頻偏的情況下，假設采樣時鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時，在接收到的復基帶信號的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個觀測窗口，則觀測窗口內的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以在已知傳送的OFDM符號S的情況下估計出準確的定時偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應h(l)。仿真是基于突發(fā)幀傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。前導訓練符號由5個相同的短訓練符號、2個相同的長訓練符號和各自的循環(huán)前綴組成。系統(tǒng)利用短訓練符號進行粗定時和粗頻偏估計，之后利用長訓練符號迭代計算精確的頻偏和信道估計。
粗定時檢測利用5個相同的短訓練序列符號里的周期符號，對其進行歸一化的自相關運算來求得粗定時同步。為了得到很好的尖銳相關性并能適當減少計算量，定義了2個歸一化自相關參量D1和D2，D1是接收信號與其延時一個短訓練符號周期后的信號歸一化相關；D2是接收信號與延時兩個周期后信號的歸一化相關。Ns為一個短訓練符號長度。首先，對接收到的短訓練序列的信息進行相關運算，周期為64。相距Ns點的相關值為C1，相距2*Ns點的相關值為C2，分別與傳輸信號的能量值Ф的比值定義為D1和D2，D1和D2的差值是一個三角形狀的參量，差值的峰值點即為第3個訓練符號的起始點，這樣就得到的粗定時的估計值。根據(jù)實際應用系統(tǒng)對誤碼率的要求可以對符號同步的粗估計進行修改，利用該訓練符號的循環(huán)前綴信息來設定一個滑動窗口對序列進行歸一化，可以提高估計的準確性，仿真圖形更加平滑。
粗頻偏估計首先利用短訓練符號的相關值求出相位統(tǒng)計值，即反映了頻偏情況，就是粗頻偏的估計值。
粗信道的ML估計利用定時和頻率偏移的粗估計值進行估計。
所述的進行細同步與信道估計值的計算具體內容包括根據(jù)接收信號的功率在每次傳輸時不變，可知如果使對數(shù)似然函數(shù)最大，就可以估計得出精確的時延

和頻偏值

利用得到的精確同步估計參數(shù)

和

計算精確的信道響應。精確估計階段可以逐步迭代，不斷提高估計的精度。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
首先要建立包括符號定時同步、載波頻率同步和信道沖激響應的OFDM系統(tǒng)模型。圖1給出了OFDM系統(tǒng)的收發(fā)框圖，該專利應用于此系統(tǒng)中。在發(fā)送端進行數(shù)據(jù)的成幀過程，由前導信息和數(shù)據(jù)信息構成，然后進行QAM的調制、IFFT變換、插入循環(huán)前綴后，進行并串變換，通過對生成的OFDM時域數(shù)據(jù)流信號進行兩倍的上采樣，將基帶信號轉換為中頻信號，發(fā)送出去。在接收端，首先就是要進行同步和信道估計的工作，進行FFT變換后根據(jù)估計的參數(shù)，解調出QAM符號，估計出誤碼率。
假定OFDM系統(tǒng)中包含N個子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進行N點IFFT變換后得到時域OFDM符號，發(fā)射信號可以表示為 其中，Xk是經(jīng)過調制后的復數(shù)信號，N為IFFT變換的點數(shù)，Ng為循環(huán)前綴的樣點數(shù)。本仿真定義N＝256，Ng＝64。
信道被參數(shù)化為h＝[h(0)h(1)…h(huán)(K-1)]T，K為信道階數(shù)，信道階數(shù)小于等于循環(huán)前綴Ng的長度。在系統(tǒng)存在時延和頻偏的情況下，假設采樣時鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時，接收到的復基帶信號樣值表示為 其中，θ是定時偏移值，ε是歸一化頻偏值，h(l)代表時變離散快衰落信道的脈沖響應，h(l)滿足n(n)是均值為零、方差為σn2的獨立同等分布的復數(shù)高斯白噪聲，接收信號的有效長度為Ng+N。
在式(2)的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個觀測窗口，則觀測窗口內的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以表示為如下形式 r(ε，θ)＝ej2πθε/NP(ε，0)·S·h+n(θ) (3) 其中，S是傳送的OFDM符號，定義觀測窗口為 r(ε，θ)＝[r(θ)r(θ+1)…r(θ+Ng+N-1)]T(4) n(θ)＝[n(θ)n(θ+1)…n(θ+Ng+N-1)]T(5) 式(3)中的P定義為 改方法的目標就是在已知S的情況下，由r(ε，θ)估計出準確的定時偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應h(l)。
該方法是基于突發(fā)幀傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)。首先要定義每幀的結構，該算法采用的幀結構如圖2所示。前導訓練符號由5個相同的短訓練符號、2個相同的長訓練符號和各自的循環(huán)前綴組成。系統(tǒng)利用短訓練符號進行粗定時和粗頻偏估計，之后利用長訓練符號迭代計算精確的頻偏和信道估計。后面為傳輸?shù)娜舾蓚€OFDM數(shù)據(jù)符號。算法利用最大似然方法對三個變量進行估計。
基于最大似然的OFDM系統(tǒng)同步與信道響應聯(lián)合估計的系統(tǒng)策略，傳送的OFDM符號是s(n)，對于接收端的觀察矢量r(ε，θ)，由于不涉及過采樣，因此n(n)仍為復高斯白噪聲。除了噪聲信息，假設其它參數(shù)都為確定參數(shù)，所以接收數(shù)據(jù)服從高斯分布，則似然函數(shù)可表示為(7)式，可以根據(jù)此式估計出參數(shù)ε、θ和h 其中，||*||2是矢量模平方。
對數(shù)似然函數(shù)為 用最大似然ML估計準則對式(8)求最大值，即可得到參數(shù)ε、θ和h的估計值 對于已知的ε和θ，可得 但是根據(jù)式(9)，同時求這三個參數(shù)的估計值并非易事，計算復雜度很高?？紤]到系統(tǒng)性能優(yōu)化和算法簡化，將處理過程分成兩步首先得到粗的同步和信道響應估計；再利用得到的結果進行細同步和信道估計值的計算。
本發(fā)明方法由進行粗同步與信道響應估計和進行細同步與信道估計值的計算兩個步驟組成。
1、進行粗同步與信道響應估計步驟 粗定時檢測利用5個相同的短訓練序列符號里的周期符號，對其進行歸一化的自相關運算來求得粗定時同步。
為了得到很好的尖銳相關性并能適當減少計算量，定義了2個歸一化自相關參量D1和D2，D1是接收信號與其延時一個短訓練符號周期后的信號歸一化相關；D2是接收信號與延時兩個周期后信號的歸一化相關。Ns為一個短訓練符號長度。仿真中Ns＝64。
首先，對接收到的短訓練序列的信息進行相關運算，周期為64。C1為相距Ns點的相關值，C2為相距2*Ns點的相關值 Ф為傳輸信號的能量值 則 D1和D2的差值是一個三角形狀的參量，如圖3所示。差值的峰值點即為第3個訓練符號的起始點，這樣就得到的粗定時的估計值，表示為 這樣得到的值不僅具有很好的尖銳性，還減少了本發(fā)明方法迭代的計算量。
根據(jù)實際應用系統(tǒng)對誤碼率的要求可以對符號同步的粗估計進行修改，利用該訓練符號的循環(huán)前綴信息來設定一個滑動窗口對序列進行規(guī)一化，可以提高估計的準確性，仿真圖形更加平滑。修改后的相關運算為 兩種粗同步算法的仿真圖形如圖3和圖4所示，可見經(jīng)過改進后的算法的仿真曲線更加平滑，利于估計出更加準確的符號同步偏移值。
粗頻偏估計首先利用短訓練符號的相關值 求出上式的相位統(tǒng)計值，即反映了頻偏情況 根據(jù)式(10)，h的ML估計用下式表示 其中()H表示共軛轉置，利用定時和頻率偏移的粗估計值代入進行計算 圖3給出了該專利進行完符號粗同步的仿真結果，差值的峰值點即為第3個訓練符號的起始點，這樣就得到的粗定時的估計值。
圖4給出了進行改進后的符號粗同步的仿真結果，經(jīng)過改進后的算法的仿真曲線更加平滑，利于估計出更加準確的符號同步偏移值。
2、進行細同步與信道估計值的計算步驟 從式(8)可以得出 ||r(ε，θ)-P(θ，0)Sh||2＝rH(ε，θ)r(ε，θ)-2Re[rH(ε，θ)P(θ，0)Sh]+hHSHSh(23) 其中，rH(ε，θ)r(ε，θ)是接收信號的功率，在每次傳輸時該項不變。
令保持不變，可知如果使式(8)最大，即使式(23)中

最大。
因而可以估計得出精確的時延和頻偏值 利用得到的精確同步估計參數(shù)

和

計算精確的信道響應 精確估計階段可以逐步迭代，不斷提高估計的精度。
圖5是不同SNR下符號同步估計的性能圖，三條線分別表示粗符號同步、第一次精確的符號同步和第二次精確的符號同步。可以看出精確同步階段的估計性能比粗估計階段要好很多，但是第二次精確估計對系統(tǒng)的性能并沒有太大的改善。同理，頻率偏移的誤差性能與符號同步的方差性能類似。
圖6表現(xiàn)的是信道估計在幾次聯(lián)合估計中各階段的性能比較。從圖中可以看出，精確估計階段的性能都比粗估計時要好，并且能夠達到很好的信道估計效果，說明這種聯(lián)合算法克服了同步估計不精確給信道估計帶來的影響。
圖7為系統(tǒng)的誤比特率(BER)曲線，此圖反應了系統(tǒng)的整體性能?？梢娫诰_估計階段，由于符號定時、頻率偏移和信道估計都比粗估計階段更加地準確，所以具有更低的BER。不過由于多次迭代帶來的改善比較有限，特別是在信噪比低的情況下，所以在實際應用中系統(tǒng)可以只采用粗估計和一次精確估計就能達到比較好的效果。
權利要求
1、一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應估計方法，其特征在于在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準則的符號定時同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計的代價函數(shù)，從代價函數(shù)出發(fā)，推導出聯(lián)合估計符號定時偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應h的系統(tǒng)構架和策略，包括下列步驟進行粗同步與信道響應估計和進行細同步與信道估計值的計算；
進行粗同步與信道響應估計具體內容包括粗定時的估計、粗頻偏的估計和粗信道估計，根據(jù)OFDM系統(tǒng)在每幀的起始位置都采用了特殊的前導訓練序列，可用來進行定時恢復、頻率補償和信道估計，建立包括符號定時同步、載波頻率同步和信道沖激響應的OFDM系統(tǒng)模型，利用最大似然法估計時間延時、頻率偏移和信道沖激響應，假定OFDM系統(tǒng)中包含N個子載波，傳輸數(shù)據(jù)信息經(jīng)過QAM等調制方式映射，數(shù)據(jù)流Xk進行N點IFFT變換后得到時域OFDM符號，在系統(tǒng)存在時延和頻偏的情況下，假設采樣時鐘已經(jīng)同步、無振蕩相位失真時，在接收到的復基帶信號的離散接收數(shù)據(jù)流中開辟一個觀測窗口，則觀測窗口內的數(shù)據(jù)接收矢量r(ε，θ)可以在已知傳送的OFDM符號S的情況下估計出準確的定時偏移值θ、歸一化頻偏值ε和信道的脈沖響應h(l)，仿真是基于突發(fā)幀傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，前導訓練符號由5個相同的短訓練符號、2個相同的長訓練符號和各自的循環(huán)前綴組成，系統(tǒng)利用短訓練符號進行粗定時和粗頻偏估計，之后利用長訓練符號迭代計算精確的頻偏和信道估計，
粗定時檢測利用5個相同的短訓練序列符號里的周期符號，對其進行歸一化的自相關運算來求得粗定時同步，為了得到很好的尖銳相關性并能適當減少計算量，定義了2個歸一化自相關參量D1和D2，D1是接收信號與其延時一個短訓練符號周期后的信號歸一化相關；D2是接收信號與延時兩個周期后信號的歸一化相關，Ns為一個短訓練符號長度，首先，對接收到的短訓練序列的信息進行相關運算，周期為64，相距Ns點的相關值為C1，相距2*Ns點的相關值為C2，分別與傳輸信號的能量值Φ的比值定義為D1和D2，D1和D2的差值是一個三角形狀的參量，差值的峰值點即為第3個訓練符號的起始點，這樣就得到的粗定時的估計值，根據(jù)實際應用系統(tǒng)對誤碼率的要求可以對符號同步的粗估計進行修改，利用該訓練符號的循環(huán)前綴信息來設定一個滑動窗口對序列進行歸一化，
粗頻偏估計首先利用短訓練符號的相關值求出相位統(tǒng)計值，即反映了頻偏情況，就是粗頻偏的估計值，
粗信道的ML估計利用定時和頻率偏移的粗估計值進行估計；
進行細同步與信道估計值的計算具體內容包括根據(jù)接收信號的功率在每次傳輸時不變，可知如果使對數(shù)似然函數(shù)最大，就可以估計得出精確的時延
和頻偏值
利用得到的精確同步估計參數(shù)
和
計算精確的信道響應，精確估計階段可以逐步迭代。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于OFDM系統(tǒng)的同步與信道響應估計方法，技術方案是針對下一代無線通信系統(tǒng)對傳輸高質量信息準確性的要求，針對現(xiàn)有OFDM無線通信系統(tǒng)，在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，提出一種基于最大似然準則ML的符號定時同步、載波頻率同步和信道參數(shù)聯(lián)合估計的代價函數(shù)。從代價函數(shù)出發(fā)，推導出聯(lián)合估計符號定時偏移θ、載波頻率偏移ε和信道沖激響應h的系統(tǒng)構架和策略。包括下列步驟進行粗同步與信道響應估計和進行細同步與信道估計值的計算。該方法能夠實現(xiàn)計算精度與計算復雜度之間的均衡，根據(jù)實際系統(tǒng)的應用增加或減少精同步迭代次數(shù)，并能夠降低無線傳輸中的干擾，進一步提高系統(tǒng)可靠性，提高系統(tǒng)的可用性。
文檔編號H04J11/00GK101340416SQ20081011904
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權日2008年8月28日
發(fā)明者旭 李, 桓 劉 申請人:北京交通大學