CN105227504B - 一种mb-ofdm uwb系统的信道估计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种MB‑OFDM UWB系统的信道估计方法及系统，该方法包括：根据MB‑OFDM UWB系统使用的时频码确定参与信道估计的辅助符号的特性参数，根据SNR设定加权值；对IFFT后的频域数据进行抗噪平滑处理，具体是获取信道估计辅助符号的特性参数，然后将所有信道估计辅助符号上对应于相同子载波上的频域数据进行求和取平均，并作为该子载波上的频域数据输出；基于平滑处理后的数据估计出各子载波上的信道频率响应，得到估计结果；对估计结果进行平滑处理，具体是根据设定的加权值对当前正进行平滑处理的子载波本身的信道频率响应及两个相邻子载波上的信道频率响应分别进行加权，然后求和并将求和结果作为最终的信道估计结果。
Description
技术领域
本发明涉及UWB系统的信道估计领域，具体来说，涉及一种MB-OFDM UWB系统的低复杂度的信道估计方法及系统。
背景技术
超宽带（UWB）技术是一种具有大带宽容量、低发送功率的无线通信技术，可满足下一代高速无线个域网（WPAN）设备同时对高数据速率和低功耗的需求。UWB目前的主流实现方案有两个：基于脉冲无线电的直接扩频超宽带（DS-UWB）方案和基于正交频分复用（OFDM）技术的多带正交频分复用（MB-OFDM）方案。凭借良好的抗多径性能及频谱利用灵活等优点，MB-OFDM 方案比DS-UWB方案更适用于需高速率传输的应用场景。
跟其他无线通信系统一样，MB-OFDM UWB也会受到无线信道多径衰落的严重影响。如果不对信道的作用进行估计并补偿，会严重降低系统性能。由于MB-OFDM UWB 系统本身独特的一些特性，如极大的带宽，对功耗敏感等，MB-OFDM UWB系统对信道估计的实现在某些方面有格外严格的要求。主要有：
1、低计算复杂度要求。相比于Wi-Fi等能实现高速通信的传统无线通信技术，MB-OFDM UWB 技术的一个主要优势是其能以低功耗的方式支持高数据速率通信。因此，低功耗的短距离高速传输是MB-OFDM UWB 系统的主要应用场景。同时，MB-OFDM UWB系统采用多个子频带并行传输的方式进行数据传输，信道估计时需针对每个子频带分别进行一次信道估计，这导致信道估计的计算复杂度比一般系统明显更高。因此MB-OFDM UWB 系统要求信道估计方法只能以低计算复杂度的方式实现。
2、高抗噪性能。为了避免对传统窄带系统造成干扰，MB-OFDM UWB 系统的辐射谱密度非常低，导致接收到的数据往往具有较低的信噪比（SNR）。因此，MB-OFDM UWB系统中的信道估计方法需具有很好的抗噪性能。
目前针对多MB-OFDM UWB系统的信道估计方法主要有两类。一类是基于最小二乘估计准则（LS）的信道估计方法，一类是基于最小均方误差估计准则（MMSE）的估计方法。基于LS的估计方法具有低复杂度的优点，但无法消除噪声的干扰，抗噪性能低，不适合低SNR的应用环境。基于MMSE 的信道估计方法虽然具有估计准确度高的优点，但计算复杂度过高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，基于MB-OFDM UWB系统的信道估计需同时具有低计算复杂度及高抗噪声性能的特点，本发明提出一种具有低计算复杂度、高抗噪性能的MB-OFDMUWB系统的信道估计方法。
本发明还提出一种具有低计算复杂度、高抗噪性能的MB-OFDM UWB系统的信道估计系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种MB-OFDM UWB系统的信道估计方法，包括：
S1.根据MB-OFDM UWB系统使用的时频码确定信道估计辅助符号的特性参数，根据SNR设定加权值；
S2. 对IFFT后的频域数据进行抗噪平滑处理，具体是获取信道估计辅助符号的特性参数，然后将所有信道估计辅助符号上对应于相同子载波上的频域数据进行求和取平均，并作为该子载波上的频域数据输出，所述频域数据，是指接收到的OFDM数据符号在IFFT变换后取得的各子载波上的数据；
S3.基于平滑处理后的数据估计出各子载波上的信道频率响应，得到估计结果；
S4.对估计结果进行平滑处理，具体是根据步骤S1设定的加权值对当前正进行平滑处理的子载波本身的信道频率响应及两个相邻子载波上的信道频率响应分别进行加权，然后求和并将求和结果作为最终的信道估计结果。
优选的，所述步骤S1确定信道估计辅助符号的特性参数，其中信道估计辅助符号是指MB-OFDM UWB 系统中每个数据帧的帧头中的6个用于辅助信道估计的辅助符号；特性参数是指每个子频带上可用于信道估计的辅助符号数量和相邻辅助符号之间的间隔。
优选的，所述步骤S1中根据SNR设定加权值的方式为：仿真寻找各SNR环境下的最佳结果，然后根据MB-OFDM UWB系统的SNR 设置加权值。
优选的，所述步骤S3采用LS 算法对信道进行估计。
一种MB-OFDM UWB系统的信道估计系统，包括辅助符号参数设置模块，接收数据平滑模块，信道估计模块，加权值设置模块和估计结果平滑模块五部分；
辅助符号参数设置模块：根据MB-OFDM UWB系统使用的时频码确定信道估计辅助符号的特性参数；
加权值设置模块：根据SNR 设定加权值；
接收数据平滑模块：对IFFT后的频域数据进行抗噪平滑处理，具体是获取信道估计辅助符号的特性参数，然后将所有信道估计辅助符号上对应于相同子载波上的频域数据进行求和取平均，并作为该子载波上的频域数据输出，所述频域数据，是指接收到的OFDM数据符号在IFFT 变换后取得的各子载波上的数据；
信道估计模块：基于接收数据平滑模块的输出数据，估计各子载波上的信道频率响应；
估计结果平滑模块：对估计结果进行平滑处理，具体是根据步骤S1设定的加权值对当前正进行平滑处理的子载波本身的信道频率响应及两个相邻子载波上的信道频率响应分别进行加权，然后求和并将求和结果作为最终的信道估计结果。
接收数据平滑模块，在信道估计之前执行，用于降低接收数据中的噪声成分。其针对经过IFFT变换后的信道估计辅助符号的频域数据进行平滑，抑制频域数据中的噪声成分。其实现基础在于MB-OFDM UWB系统中每个子频带上可收到多个完全相同的信道估计辅助符号。MB-OFDM UWB系统中的噪声属于均值为零的高斯噪声。接收数据平滑模块利用多个重复的信道估计辅助符号，以线性求平均的方式，抵消接收数据中的噪声成分。
所述信道估计模块，用于实现信道估计。其输入为经接收数据平滑模块处理后的频域数据，估计结果为各子载波上的频率响应。其估计某个子载波上频率响应的方法为：将接收数据平滑模块处理后得到的该子载波上的频域数据与信道估计辅助符号中该子载波上的频域数据进行共轭乘，并将共轭乘结果估计为该子载波上的信道频率响应。
所述估计结果平滑模块，在信道估计模块完成估计之后执行，用于对信道估计结果进行进一步的去噪声平滑处理。其输入为信道估计模块估计出的各子载波上的信道频率响应。MB-OFDM UWB系统中子载波的带宽占信道总带宽的比例小，相邻子载波之间具有较强的相关性。估计结果平滑模块利用相邻子载波之间的相关性，对各子载波上的信道估计结果进行进一步的平滑处理。其将每个子载波上的信道估计结果及该子载波的两边相邻的子载波上的信道估计结果都进行加权处理，之后对这些加权结果求和，并以求和的结果作为最终的当前子载波的信道频率响应。
优选的，所述辅助符号参数设置模块确定信道估计辅助符号的特性参数，其中信道估计辅助符号是指MB-OFDM UWB 系统中每个数据帧的帧头中的6个用于辅助信道估计的辅助符号；特性参数是指每个子频带上可用于信道估计的辅助符号数量和相邻辅助符号之间的间隔。
优选的，所述加权值设置模块根据SNR设定加权值的方式为：仿真寻找各SNR环境下的最佳结果，然后根据MB-OFDM UWB系统的SNR 设置加权值。
优选的，所述信道估计模块采用LS 算法对信道进行估计。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：在信道估计之前，先对接收的数据进行平滑处理，降低接收数据中的噪声成分，能够抑制接收数据中的噪声成分，以免信道估计模块的信道估计结果过于失真；基于LS 算法对信道进行估计，其作用是以低的计算复杂度实现信道估计，而将噪声抑制的功能交由其他功能模块处理；利用MB-OFDM UWB系统相邻子载波之间具有较强相关性的特点，对估计结果进行进一步的平滑处理，以提高准确性。
附图说明
图1是本发明的整体框图。
图2是本发明的接收数据平滑模块的结构图。
图3是本发明的信道估计模块的结构图
图4是本发明的估计结果平滑模块的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
本发明的一种MB-OFDM UWB系统的信道估计系统的整体结构图如图1所示。如图1所示，其结构由辅助符号参数设置模块10、接收数据平滑模块20、信道估计模块30、加权值设置模块40、估计结果平滑模块50五个模块组成。
其中辅助符号参数设置模块10及加权值设置模块40 用于为信道估计流程提供参数配置。
接收数据平滑模块20，信道估计模块30及估计结果平滑模块50三个模块共同完成信道估计。其估计流程为：首先接收数据平滑模块20从辅助符号参数设置模块10获取信道估计辅助符号数量，相邻符号间隔等信息，然后将所有信道估计辅助符号上对应于相同子载波上的频域数据进行求和取平均，并作为该子载波上的频域数据输出给信道估计模块30。其次，信道估计模块30基于接收数据平滑模块20的输出数据进行信道估计，估计出各子载波上的信道频率响应。最后，估计结果平滑模块50对信道估计模块30的估计结果进行平滑处理。其根据加权值设置模块设置的加权值对当前正进行平滑处理的子载波本身的信道频率响应及两个相邻子载波上的信道频率响应分别进行加权，然后求和并将求和结果作为最终的信道估计结果。
附图2 所示为接收数据平滑模块20 的结构图。MB-OFDM UWB系统的信道噪声是以零为均值的高斯噪声，且信道在一帧数据时间跨度内属静止时不变信道。因此可利用重复传输的信道估计辅助符号抑制噪声。图中M表示从辅助符号参数设置模块10获取的用于信道估计的辅助符号数量，N为MB-OFDM UWB 系统中的子载波数，R(n,k)表示第n个信道估计辅助符号中第k个子载波上的数据，n=1，2，…，M；k=1，2，…，N，X(k)表示接收数据平滑模块20的输出结果中的第k个子载波上的数据。接收数据平滑模块20的输入数据为多个串行的信道估计辅助符号的频域数据，输出为一个符号的频域数据；其将输入的多个信道估计辅助符号中对应于相同子载波上的频域数据相加后取平均，然后将该子载波上得出的求平均结果作为该子载波的频域数据用于信道估计。
附图3为信道估计模块30的结构图。图中P(k)为信道估计辅助符号第k个子载波上的数据，H(k)为估计出的第k个子载波上的频率响应，k=1，2，…，N。信道估计模块30直接将接收数据平滑模块20 在各子载波上的输出数据与信道估计辅助符号中对应于相同子载波上的数据直接共轭相乘，并将乘积结果估计为该子载波上的信道频率响应。
附图4 所示为估计结果平滑模块50 的结构图。MB-OFDM UWB系统中子载波带宽占信道总带宽的比例小，相邻子载波上的频率响应具有较强的相关性。估计结果平滑模块50基于相邻子载波之间的相关性，对信道估计模块30的估计结果进行进一步平滑处理，输入为信道估计模块30 估计出的各子载波上的信道频率响应。其首先对当前正在平滑处理的子载波的信道频率响应乘加权值a，接着对其两个相邻子信道上的频率响应乘加权值b，最后将三个加权值的累加结果作为该子载波的最终信道频率响应。对于第一个子载波及最后一个子载波等边缘子载波，则直接对其唯一的一个相邻信道进行乘2b 加权。其中，加权值a及加权值b根据系统的SNR确定，并满足条件集{0<a<1；0<b<1；a=2b}。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多带正交频分复用超宽带系统的信道估计方法，其特征在于，包括：
S1.根据多带正交频分复用超宽带系统使用的时频码确定参与信道估计的辅助符号的特性参数，根据信噪比设定加权值；
S2. 对快速傅里叶逆变换后的频域数据进行抗噪平滑处理，具体是获取信道估计辅助符号的特性参数，然后将所有信道估计辅助符号上对应于相同子载波上的频域数据进行求和取平均，并作为该子载波上的频域数据输出，所述频域数据，是指接收到的OFDM数据符号在快速傅里叶逆变换 变换后取得的各子载波上的数据；
S3.基于平滑处理后的数据估计出各子载波上的信道频率响应，得到估计结果；
S4.对估计结果进行平滑处理，具体是根据步骤S1设定的加权值对当前正进行平滑处理的子载波本身的信道频率响应及两个相邻子载波上的信道频率响应分别进行加权，然后求和并将求和结果作为最终的信道估计结果。
2.根据权利要求1所述的多带正交频分复用超宽带系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤S1确定信道估计辅助符号的特性参数，其中信道估计辅助符号是指多带正交频分复用超宽带 系统中每个数据帧的帧头中的6个用于辅助信道估计的辅助符号；特性参数是指每个子频带上可用于信道估计的辅助符号数量和相邻辅助符号之间的间隔。
3.根据权利要求1所述的多带正交频分复用超宽带系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤S3采用最小二乘估计准则 算法对信道进行估计。
4.一种多带正交频分复用超宽带系统的信道估计系统，其特征在于，包括辅助符号参数设置模块，接收数据平滑模块，信道估计模块，加权值设置模块和估计结果平滑模块五部分；
辅助符号参数设置模块：根据多带正交频分复用超宽带系统使用的时频码确定信道估计辅助符号的特性参数；
加权值设置模块：根据信噪比 设定加权值；
接收数据平滑模块：对快速傅里叶逆变换后的频域数据进行抗噪平滑处理，具体是获取信道估计辅助符号的特性参数，然后将所有信道估计辅助符号上对应于相同子载波上的频域数据进行求和取平均，并作为该子载波上的频域数据输出，所述频域数据，是指接收到的OFDM数据符号在快速傅里叶逆变换 变换后取得的各子载波上的数据；
信道估计模块：基于接收数据平滑模块的输出数据，估计各子载波上的信道频率响应；
估计结果平滑模块：对估计结果进行平滑处理，具体是根据步骤S1设定的加权值对当前正进行平滑处理的子载波本身的信道频率响应及两个相邻子载波上的信道频率响应分别进行加权，然后求和并将求和结果作为最终的信道估计结果。
5.根据权利要求4所述的多带正交频分复用超宽带系统的信道估计系统，其特征在于，所述辅助符号参数设置模块确定信道估计辅助符号的特性参数，其中信道估计辅助符号是指多带正交频分复用超宽带 系统中每个数据帧的帧头中的6个用于辅助信道估计的辅助符号；特性参数是指每个子频带上可用于信道估计的辅助符号数量和相邻辅助符号之间的间隔。
6.根据权利要求4所述的多带正交频分复用超宽带系统的信道估计系统，其特征在于，所述信道估计模块采用最小二乘估计准则 算法对信道进行估计。
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