CN101102114A - 基于二值全通序列保护间隔填充的频域信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字信息传输技术领域，其特征在于，它提出了一种新的基于训练序列的保护间隔填充方法，此方法适用于存在多径干扰的单载波或多载波无线通信***。新的训练序列定义为二值全通序列(Binary All Pass，BAP)。峰均比接近最小的BAP序列的特征在于，其反离散傅立叶变换是PN序列。BAP序列具有频域幅度恒定，自相关特性好，峰均比低等特点。基于BAP序列，本发明提出一种新的频域信道估计方法，此方法运算复杂度低，估计精度高。本发明进一步提出兼容BAP序列和PN序列的单载波和单载波调制***。

Description

基于二值全通序列保护间隔填充的频域信道估计方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)多载波***(Multi Carrier，MC)或单载波(Single Carrier，SC)***中基于训练序列(Training Sequence，TS)的保护间隔填充方法。

背景技术

当前无线通信技术主要解决的问题是如何在有限的带宽内可靠地提高传输速率。单载波和多载波调制***在多径传输信道下，会产生频率选择性衰落，即符号间干扰(Inter SymbolInterference，ISI)，对以数据块为单位传输的***会造成块间干扰(Inter Block Interference，IBI)，如图1.a所示。

对抗多径干扰的一种方法是在传输数据块之间加入保护间隔(Guard Interval，GI)，如图1.b所示。通常保护间隔的长度不小于信道的最大多径延时，则保护间隔之间的数据块没有块间干扰，如图1.c所示。可参见(Z.Wang and G.B.Giannakis，“Wireless multicarriercommunications-where fourier meets shannon，”IEEE Signal Processing Mag.，vol.17，pp.29-48，May2000)。对于没有块间干扰的***，通过保护间隔的已知信息，可以消除保护间隔对数据块的干扰；通过信道估计和信道均衡的方法可以消除在数据块之内存在的符号间干扰。可参见(Witschnig H.，Mayer，T.，Petit M.，Hutzelmann H.，Springer A.，Weigel R.，The advantages of aunique word for synchronisation and channel estimation in a SC/FDE system， Personal Mobile Communications Conference，2003.5th European(Conf.Publ.No.492)22-25 April 2003 Page(s)：436-440)。

保护间隔的填充方法有多种：循环前缀(Cyclie Prefix，CP)，零填充(Zero Padding，ZP)，和伪随机或伪噪声序列(Pseudo Noise，PN)。参见(Muquet B，Wang Z，Giannakis G.B，Courville M.de，and Duhamel P，Cyclic Prefixing or Zero Padding for Wireless Multicarrier Transmissions，IEEE Trans.on Communications，2002，50(12)：2136-2148)和国家标准(GB 20600-2006，数字电视地面广播传输***帧结构、信道编码和调制，2006-08-18)。其中PN序列填充方法是训练序列(Training Sequence，TS)填充方法的一种特例，如图1.d所示。训练序列填充方法在对抗多径的同时还可以辅助进行定时恢复、载波恢复、帧同步(数据块同步)、信道估计、和噪声估计等，保障无线***的可靠传输，因此在多载波和单载波***中得到广泛应用。

保护间隔填充的训练序列在有噪声和数据干扰的情况下会产生畸变，严重影响基于训练序列的信道估计精度。本发明提出一种新的基于训练序列的保护间隔填充方法，能有效地提高白噪声下基于训练序列的信道估计精度。

保护间隔填充方法与***调制方式无关，因此基于训练序列的保护间隔填充方法可以用于单载波和多载波并存的***。本发明进一步提出兼容两类保护间隔填充方法并且兼容单载波多载波两类调制方式的无线通信***，如图3所示。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的基于训练序列的保护间隔填充方法和频域信道估计方法，可用于单载波和多载波***。

本发明定义一种新型训练序列，即二值全通序列(Binary All Pass，BAP)，并提出其搜索方法。BAP训练序列特征在于，其离散傅立叶变换是二值序列，如PN序列；峰均比接近最小的BAP序列可以从PN序列的反离散傅立叶变换搜索得到。

本发明提出基于BAP训练序列保护间隔填充的频域信道估计方法，可用于基于数据块的单载波和多载波传输***。其特征在于，用BAP序列填充块传输***的保护间隔，该方法是在数字集成电路或计算机中依次按如下步骤实现，如图4所示。

在发射端

步骤(1)，根据给定的训练序列长度N，2^p-1≤N＜2^p，提出一个待搜索的PN序列长度Np，Np＝2^p-1。相应地有Ng个生成多项式和Np个初始相位，待搜索PN序列的个数为Ng*N。初始化最小峰均比PARmin为最大值，即正无穷大。定义序列的峰均比为：序列的峰值功率和平均功率之比。

步骤(2)，对步骤(1)中得到的每个PN序列生成多项式和每个初始相位，生成一个PN序列。

步骤(3)，取PN序列的前N个样本计算反离散傅立叶变换，得到长度为N的二值全通(Binary All Pass，BAP)序列。BAP序列的离散傅立叶变换取值为+1或-1。

步骤(4)，按定义计算BAP序列的峰均比，若小于最小峰均比PARmin，则更新PARmin，并记录此BAP序列和对应的PN序列，包括PN生成多项式和初始相位。

步骤(5)，待所有初始相位、所有生成多项式的PN序列搜索完成后结束搜索，得到峰均比最小的BAP序列。

步骤(6)，对基于数据块的单载波和多载波***，用BAP序列填充保护间隔。

步骤(7)，BAP序列和待传输数据块依次经组帧和后端处理后得到基带输出。

在接收端

步骤(1’)，得到BAP序列x(n)和多径信道冲击响应h(n)的循环卷积y(n)：

y(n)＝x(n)h(n)+v(n)，

其中，符号表示循环卷积运算，v(n)是循环卷积结果叠加的噪声和数据干扰。

步骤(2’)：计算BAP序列x(n)和循环卷积结果y(n)的离散傅立叶变换

Y(k)＝DFT(y(n))

X(k)＝DFT(x(n))

其中根据BAP序列性质，X(k)是{+1，-1}的二值序列

步骤(3’)：按下式计算多径信道冲击响应h(n)的离散傅立叶变换H(k)的估计值H_est(k)＝Y(k)/X(k)＝+Y(k)或-Y(k)

显然，由于X(k)是{+1，-1}的二值序列，信道估计的除法运算十分简单。

步骤(4’)：计算步骤(3’)得到的H_est(k)的反离散傅立叶变换，以便得到多径信道冲击响应h(n)的估计值。

h_est(n)＝IDFT(H_est(k))

在发射端，PN训练序列和该PN训练序列经过反离散傅立叶变换得到的BAP序列经过一个选通开关(2)后进入组帧步骤。在发射端，多载波信号和单载波信号经过一个选通开关(1)后进入组帧步骤。如图3所示。

给定长度192的PN序列的二进制表示如下，其中比特1代表+1，比特0代表-1。令BAP序列是此PN序列的反离散傅立叶变换。

011000000001000011111101011001111011100000110101001110001111000100100110010100100000011100101111001000110110001010001000101110101010110101111111001110111110000101011100110111101000001011011011101100100101010000100111110110100011101001101001011000011001100

仿真和分析得到PN序列和BAP序列的时域、频域、自相关、频域信道估计特性如图2所示。与PN序列相比，BAP序列具有频域幅度恒定，自相关特性好，频域信道估计复杂度低，频域信道估计精度高等特点。与PN训练序列类似，BAP序列也可以辅助进行定时陈复、载波恢复、帧同步(数据块同步)、和噪声估计等。BAP序列的缺点是峰均比值较高，时域相关复杂。

附图说明

图1说明用于块传输的保护间隔填充方法，包括PN和BAP序列填充方法：

图1.a说明块间干扰(Inter Block Interference，IBI)；

图1.b说明保护间隔(Guard Interval，GI)；

图1.c说明保护间隔可消除块间干扰；

图1.d说明基于PN训练序列的保护间隔填充方法；

图1.e说明基于BAP训练序列的保护间隔填充方法。

图2对比PN序列和本发明提出的BAP序列(序列长度N＝192)：

图2.a对比时域(离散域)特性；

图2.a.1是PN序列时域幅度特性；

图2.a.2是BAP序列时域幅度特性(峰均比＝3.475dB)；

图2.b对比频域(离散傅立叶变换域)特性；

图2.b.1是PN序列频域幅度特性；

图2.b.2是PN序列频域幅度特性；

图2.c对比自相关特性；

图2.c.1是PN序列自相关结果；

图2.c.2是BAP序列自相关结果；

图2.d对比频域信道估计结果(h(n)＝δ(n-32)+δ(n-96)，SNR＝12dB，无数据干扰)；

图2.d.1是基于PN的频域信道估计结果；

图2.d.2是基于BAP序列的频域信道估计结果。

图3说明兼容PN序列和BAP序列的单载波多载波调制***。

图4说明基于二值全通序列保护间隔填充的频域信道估计方法的流程框图。

具体实施方式

本发明的目的是提出一种新的基于训练序列的保护间隔填充方法，可用于单载波和多载波***，在数字集成电路或计算机中具体实施方式如下：

BAP序列定义  本发明提出一种新的训练序列，二值全通序列(BinaryAll Pass，BAP)。定义BAP序列的离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)只有两个取值，+1或-1。例如，PN序列的反离散傅立叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform，DFT)就是BAP序列。

BAP序列搜索  峰均比是多载波和单载波无线***的一个重要特性。考虑到不同BAP序列的峰均比差别很大，本发明提出一种方法简化搜索峰均比最小的BAP序列。设BAP序列{x(n)}＝[x(0)x(1)…  x(N-1)]，N是训练序列长度。{X(k)}＝[X(0)X(1)…X(N-1)]＝DFT({x(n)})。根据BAP序列定义，

X(k)＝+1或-1，k＝0，1，…，N-1。

以N＝192为例，共有2¹⁹²个序列满足BAP序列定义。可以利用Monte Carlo方法从2¹⁹²的序列空间随机选择序列，搜索峰均比最小的序列。实验中，搜索次数高达5000000次，搜索的BAP序列的二进制表示如下：

{X(k)}＝110010000010111111010011011011111110000010001100101011011100110100101111110011111011001000100110000110101100000001001011010011110001110100001010110111000101010101010011110000100001000011101001，其中比特1代表+1，比特0代表-1，其峰均比为3.879dB。

本发明提出一种方法简化峰均比最小的BAP序列的搜索，其搜索流程如图4所示。搜索步骤如下：

步骤1：根据给定序列长度N，2^p-1≤N＜2^p，设定待搜索PN序列长度Np，Np＝2^p-1。根据序列长度准备PN序列生成多项式和初始相位。并初始化最小峰均比为最大值，即正无穷大。定义某个序列的峰均比为：此序列的峰值功率和平均功率之比。以N＝192为例，从长度为Np＝255的PN序列中搜索，共有Ng＝16个生成多项式和Np＝255个初始相位可生成长度255的PN序列，待搜索PN序列共有Np*Ng＝255*16＝4080个。

步骤2：对每个PN序列生成多项式和每个初始相位，生成一个PN序列。

步骤3：对生成的PN序列的前N个样本，计算其反离散傅立叶变换得到BAP序列。

步骤4：计算BAP序列的峰均比，如果小于已记录的最小峰均比值，则记录此BAP序列，包括PN生成多项式和初始相位

步骤5：所有初始相位、所有生成多项式的PN序列搜索完成后结束搜索，得到峰均比最小的BAP序列。

最终搜索到峰均比最小的BAP序列二进制表示如下：

X(k)＝011000000001000011111101011001111011100000110101001110001111000100100110010100100000011100101111001000110110001010001000101110101010110101111111001110111110000101011100110111101000001011011011101100100101010000100111110110100011101001101001011000011001100，其中比特1代表+1，比特0代表-1，其峰均比为3.475dB。与Monte Carlo方法得到的结果相比，可以认为从PN序列中搜索到的是峰均比接近最小的BAP序列。图2.a/b/c比较BAP序列和PN序列的时域特性，频域幅度特性，和序列自相关特性。

BAP序列填充 与CP、ZP、和PN保护间隔填充方法类似，可以得到以BAP训练序列保护间隔填充方法。这种新的填充方法适用于基于数据块的单载波和多载波无线传输***，如图1.e所示。

基于BAP序列填充的频域信道估计方法  BAP序列可以用于多径信道的估计。设BAP序列x(n)经过多径信道h(n)后的输出结果为r(n)，假定h(n)是有限冲击响应，冲击长度不大于N，则r(n)＝x(n)*h(n)+u(n)，0≤n＜2*N，其中*表示线性卷积运算，u(n)是线性卷积***的噪声和数据干扰。本发明提出基于BAP序列的频域信道估计方法，其步骤如下：

步骤1：得到BAP序列x(n)和多径信道h(n)的循环卷积结果y(n)

设y(n)＝x(n)h(n)+v(n)，0≤n＜N

其中表示循环卷积运算，v(n)是循环卷积结果叠加的噪声和数据干扰，y(n)如下式所示由线性卷积结果计算得到

y(n)＝r(n)+r(n+N)，0≤n＜N

步骤2：计算BAP序列x(n)和叠加噪声的循环卷积结果y(n)的离散傅立叶变换

Y(k)＝DFT(y(n))

X(k)＝DFT(x(n))

其中根据BAP序列性质，X(k)是{+1，-1}的二值序列

步骤3：通过除法得到多径信道冲击响应h(n)的离散傅立叶变换H(k)的估计值H_est(k)H_est(k)＝Y(k)/X(k)＝+Y(k)或-Y(k)

显然，由于X(k)是{+1，-1}的二值序列，信道估计的除法运算十分简单。

步骤4：计算H_est(k)的反离散傅立叶变换，得到多径信道冲击响应h(n)的估计值。h_est(n)＝IDFT(H_est(k))

本发明提出的方法利用循环卷积结果进行频域信道估计，利用BAP序列特性简化了频域信道估计的除法运算。设信道估计为h_est(n)，信道估计的误差噪声为w(n)，h(n)和v(n)的DFT是H(k)和V(k)，则

Y(k)＝X(k)H(k)+V(k)

h_est(n)＝IDFT(Y(k)/X(k))＝IDFT(H(k)+V(k)/X(k))＝h(n)+w(n)，

其中w(n)＝IDFT(V(k)/X(k))，

可见，由于X(k)取值为+1或-1，因此在DFT变换域进行除法运算时不会放大白色噪声，即噪声w(n)和噪声v(n)的能量相同，因此信道估计的精度得到保证。

其它训练序列，如PN序列，在DFT变换域的幅度不恒定，经过上述信道估计运算后，噪声可能被放大，降低了信道估计的精度。图2.d比较BAP序列和PN序列的频域信道估计特性。可以看出，基于BAP序列的频域信道估计更准确。

BAP序列和PN序列共存的单载波多载波***  保护间隔填充方法与***调制方式无关，因此基于训练序列的保护间隔填充方法可以用于单载波和多载波并存的***。由于PN序列的反离散傅立叶变换是BAP序列，因此本发明提出一种PN序列和BAP序列并存的单载波和多载波无线通信***(发射端)，如图3所示。通过开关2，可以在PN序列填充和BAP序列填充之间切换。通过开关1，可以在单载波和多载波***之间切换。

Claims (3)

1、基于二值全通序列保护间隔填充的频域信道估计方法，其特征在于，该方法是在数字集成电路或计算机中依次按如下步骤实现的：

在发射端

步骤(1)，根据给定的训练序列长度N，2^p-1≤N＜2^p，提出一个待搜索的PN序列长度Np，Np＝2^p-1。相应地有Ng个生成多项式和Np个初始相位，待搜索PN序列的个数为Ng*N。初始化最小峰均比PARmin为最大值，即正无穷大。定义序列的峰均比为：序列的峰值功率和平均功率之比；

步骤(2)，对步骤(1)中得到的每个PN序列生成多项式和每个初始相位，生成一个PN序列；

步骤(3)，取PN序列的前N个样本计算反离散傅立叶变换，得到长度为N的二值全通(Binary All Pass，BAP)序列。BAP序列的离散傅立叶变换取值为+1或-1；

步骤(4)，按定义计算BAP序列的峰均比，若小于最小峰均比PARmin，则更新PARmin，并记录此BAP序列和对应的PN序列，包括PN生成多项式和初始相位；

步骤(5)，待所有初始相位、所有生成多项式的PN序列搜索完成后结束搜索，得到峰均比最小的BAP序列；

步骤(6)，对基于数据块的单载波和多载波***，用BAP序列填充保护间隔；

步骤(7)，BAP序列和待传输数据块依次经组帧和后端处理后得到基带输出；在接收端

步骤(1’)，得到BAP序列x(n)和多径信道冲击响应h(n)的循环卷积y(n)：

y(n)＝x(n)h(n)+v(n)，

其中，符号表示循环卷积运算，v(n)是循环卷积结果叠加的噪声和数据干扰；

步骤(2’)：计算BAP序列x(n)和循环卷积结果y(n)的离散傅立叶变换

Y(k)＝DFT(y(n))

X(k)＝DFT(x(n))

其中根据BAP序列性质，X(k)是{+1，-1}的二值序列；

步骤(3’)：按下式计算多径信道冲击响应h(n)的离散傅立叶变换H(k)的估计值H_est(k)＝Y(k)/X(k)＝+Y(k)或-y(k)

显然，由于X(k)是{+1，-1}的二值序列，信道估计的除法运算十分简单；

步骤(4，)：计算步骤(3’)得到的H_est(k)的反离散傅立叶变换，以便得到多径信道冲击响应h(n)的估计值

h_est(n)＝IDFT(H_est(k))。

2、根据权利要求1所述的基于二值全通序列保护间隔填充的频域信道估计方法，其特征在于，在发射端，PN训练序列和该PN训练序列经过反离散傅立叶变换得到的BAP序列经过一个选通开关(2)后进入组帧步骤。

3、根据权利要求1所述的基于二值全通序列保护间隔填充的频域信道估计方法，其特征在于，在发射端，多载波信号和单载波信号经过一个选通开关(1)后进入组帧步骤。

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