CN102420795A - 应用于ofdm***中的信道估计自适应的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于OFDM***中的信道估计自适应的切换方法，其特征在于针对当前常用的最小平方和最小均方误差两种信道估计算法各自的优点以及存在的不足之处，提出了一种自适应的信道估计方法。首先通过对接收端射频部分的功率控制模块对接收到的每一帧数据信息的能量进行检测，并将此能量值跟一个预设的门限值进行比较，从而决定选择何种估计指令给基带部分的信道估计模块，一旦信道估计模块接收到指令以后就立即切换成所指定的信道估计方案，以此来实现在不同的信道情况下以最合适的信道估计方法进行处理的目的。使用该自适应方案不但可以在计算复杂度增加较小的同时可以进一步提高估计器精度，而且还保证了***有很高的灵活性以及较强的实时性。

Description

应用于OFDM***中的信道估计自适应的切换方法

技术领域

本发明涉及一种应用在通信***中的信道估计工作模式自适应的切换方法，特别是涉及一种应用在正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)***中的信道估计工作模式的自适应切换方法。

背景技术

随着移动通信技术的飞速发展，OFDM作为多载波调制技术中的一种，由于其满足各个子载波满足相互正交而具有抗窄带干扰和频率选择性衰落能力强、频带利用率高等诸多优点，因此越来越受到学者们的重视并成为人们研究的热点，广泛地应用在军事和通信等诸多领域中，并且被认为是***移动通信中非常重要的关键技术之一。

在OFDM技术应用于移动通信时，信道估计是很关键的一个环节。***可以采用差分调制和检测来避免进行信道估计以提高频谱效率，但是这样会有3dB的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)损失，所以一般都采用相干调制和检测的方法，总的来说可分为导频辅助的估计(Pilot Symbol AssistedModulation，PSAM)算法和盲估计算法两大类。盲估计算法具有运算量大、收敛速度慢、灵活性差等缺点，因此在实际***的中应用受到了限制，所以大多数OFDM***都采用导频辅助(PSAM)的估计算法，它通过在发送端的数据流中***一定数量的已知信号即导频，在接收端利用接收到的信号和导频信号估计出导频位置处的信道冲激响应，并通过一定的内插方法，得到整个信道响应的估计值。

最常见的导频辅助的估计算法有最小平方LS(Least Square)和最小均方误差MMSE(Minimum Mean Square Error)两种。其表达式分别为：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}=H+\frac{W}{X}---\left(1\right)$

${\hat{H}}_{\mathrm{MMSE}}=R_H{(R_H+{\mathrm{\σ}}_n^2{\left({\mathrm{XX}}^H\right)}^{-1})}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS}}---\left(2\right)$

其中H为信道冲激响应函数h的频域响应，W为独立同分布的加性高斯白噪声(Additive White Gaussion Noise，AWGN)ω的频域响应，

为***的噪声方差，R_H为对H求自相关。

MMSE可以得到精确的信道估计，但其需要知道信道的统计信息，并且对于每次子载波的输入X都要进行(XX^H)^-1和

这两个矩阵求逆运算，计算复杂度很高，因而使其应用受到了限制。LS是最简单的信道估计方法，它不需要知道任何先验的信道信息，从而结构简单、复杂度低，然而其无法消除噪声的影响，因此在信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)较高时，采用这种信道估计方法的估计误差较大，会产生较高的误码率。

目前正在使用的OFDM通信***基带信道估计部分采用的是固定模式的LS估计方法。然而在现实中信道的状况是会随着天气的不同和周围环境的变化而发生改变的，也就是说有的时候会很好，而有的时候又会很恶劣。所以针对变化的信道来说，使用一种固定模式的信道估计方法必然会存在着不足之处。事实上也就是当信道情况较好时时，LS信道估计方法在在***中往往显得无能为力，存在着一定的局限性。于是，引导出本发明的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于OFDM***中的信道估计自适应的切换方法，所述的方法能够根据当前信道的状况自适应选择合适的方法进行信道估计。

在所述的应用于OFDM***中信道估计自适应切换方法时，有三个问题需要着重考虑：第一，当前信噪比的好坏在实际***中将如何加以判别；第二，两种估计算法进行切换的信噪比门限置将怎样确定。第三、接收端基带部分的信道估计模块是否能保证在接收到一帧数据信息之前先收到来自射频部分功率控制模块向它所发出的当前一帧数据信息所采用的信道估计模式指令。

首先将LS和MMSE这两种常见的信道估计方法的的均方误差(MeanSquare Error，MSE)和误码率(Bit Error Rate，BER)性能如图1(a)、(b)所示的比较进行仿真比较。

由图可见，当信噪比较低时，LS估计和MMSE估计给***误码率性能带来的区别不明显，但随着信噪比的逐渐增大，MMSE的优势越发明显，它使得***的误码率性能与使用LS估计时的相比有了较大的改善。但是正如前面所述，MMSE的高计算复杂度会给***带来很大的运算负担，因此最好能有一种估计方案能将估计精确度和计算复杂度两者进行很好的权衡，使得信噪比很高时选用MMSE信道估计来保证估计精确度，而当信噪比很低时则选择LS信道估计来降低计算复杂度，这样不但可以使得***的计算量上升有限的前提下进一步起到提高***性能的作用，而且使得***具有很好的灵活性。

实现这种方案最大的障碍在于当前信道状况在***中无法得知，但它可以借助接收端射频部分的功率控制模块来间接获得。当发射端发送一帧数据信息给接收端以后，接收端射频部分的功率控制模块具有检测一帧数据信息能量的功能，能量值大则说明当前信道状况良好，而能量值小则说明当前信道状况恶劣，通过检测后的得到的一帧数据的能量值和一个预设的门限值进行比较，如果超过了该门限值，则发送使用MMSE信道估计的指令，如果小于该门限值，则发送使用LS信道估计的指令，其***结构示意图如图2所示。也即通过接收端射频部分的功率控制模块对一帧数据的信息进行检测以后加以判断。

本发明针对当前常用的最小平方(Least Square，LS)和最小均方误差两种信道估计算法各自的优点以及存在的不足之处，提出了一种自适应的信道估计方法。首先通过对接收端射频部分的功率控制模块对接收到的每一帧数据信息的能量进行检测，并将此能量值跟一个预设的门限值进行比较，从而决定选择何种估计指令给基带部分的信道估计模块，一旦信道估计模块接收到指令以后就立即切换成所指定的信道估计方案，以此来实现在不同的信道情况下以最合适的信道估计方法进行处理的目的。使用该自适应方案不但可以在计算复杂度增加较小的同时可以进一步提高估计器精度，而且还保证了***有很高的灵活性以及较强的实时性。

由此可见，本发明充分结合了两种信道估计各自的优点，使用自适应的方法来实现对变化着的信道进行估计。简单的来说，就是使用***在信道较好时选择LS估计方法来简化***结构，降低计算复杂度；而在信道较为恶劣的情况下使用MMSE估计方法来确保估计的精度，进而提高***的误码率性能。

附图说明

图1LS估计和MMSE估计的性能仿真曲线图。(a)MSE仿真曲线，(b)BER仿真曲线。

图2高速图传***自适应信道估计切换***结构示意图。

图3高速图传***自适应信道估计切换方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

根据图1(b)可见，当信噪比小于20dB时，两种算法的误码率性能基本上比较接近，而当信噪比大于20dB以后，LS的误码率性能明显比MMSE来的差，因此本自适应方案将两种估计算法进行切换的信噪比门限定义在20dB，当小于20dB时，采用LS估计；当信噪比大于或等于20dB时，采用MMSE估计。

至此为止，本发明所述的自适应信道估计方案的流程图结构图如图3所示：

(1)首先在功率检测模块处设定一个门限值M，用来和接收到的一帧信号的能量值进行比较。M的大小设定为信噪比在大约20dB时一帧信号的具体能量值，它可以通过模拟信道环境进行误码率测试时，在***接上信道衰减器以后将信噪比衰减值打到20dB，由功率检测模块进行当前帧信号能量检测后得到；

(2)获得了该门限值M以后，在接收端添加一条由功率控制模块直接到信道估计模块的传输链路之后，便可以在实际环境中进行自适应信道估计。当一帧信号经过接收端射频部分的功率控制模块之后，该模块检测出其能量值，不妨设为N；

(3)将N和M进行比较，判断是否满足N≥M？

①如果满足，说明当前信道状况较好，信噪比≥20dB。此时功率控制模块通过链路向信道估计模块发送采用MMSE信道估计算法的指令；

②如果不满足，说明当前信道状况较差，信噪比＜20dB。此时功率控制模块通过链路向信道估计模块发送采用LS信道估计算法的指令。

由于在一般的OFDM通信***中，一帧数据信息在经过接收端射频部分功率控制模块之后，需要先进行AD转化后变成序列的形式，再经过基带部分下采样模块、粗同步模块、精同步模块、去循环前缀模块之后，才能到达信道估计模块，因此其传输速度一定会比功率控制模块直接到信道估计模块的传输链路要来得慢，所以这种自适应设计方案具有很好的实时性，不会存在收到指令之前先收到数据信息的情况。

Claims (3)

1.一种应用于OFDM***中的信道估计自适应的切换方法，其特征在于所述的切换方法首先通过对接收端射频部分的功率控制模块对接收到的每一帧数据信息的能量进行检测，并将此能量值跟一个预设的门限值进行比较，从而决定选择LS和MMSE中任一种估计指令给基带部分的信道估计模块，一旦信道估计模块接收到指令以后就立即切换成所指定的信道估计方案，以实现在不同的信道情况下以最合适的信道估计方法进行处理。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤为：

a)首先将LS和MMSE这两种信道估计方法的均方误差和误码率性能进行仿真比较；

b)通过接收端射频部分的功率控制模块对一帧数据的信息进行检测，加以判断：

①首先在功率检测模块处设定一个门限值M，用来和接收到的一帧信号的能量值进行比较；M的大小设定为信噪比在20dB时一帧信号的具体能量值，它可以通过模拟信道环境进行误码率测试时，在***接上信道衰减器以后将信噪比衰减值打到20dB，由功率检测模块进行当前帧信号能量检测后得到；

②获得了该门限值M以后，在接收端添加一条由功率控制模块直接到信道估计模块的传输链路之后，进行自适应信道估计；当一帧信号经过接收端射频部分的功率控制模块之后，设该模块检测出其能量值为N；

③将N和M进行比较，判断是否满足N≥M？

1)如果满足，说明当前信道状况较好，信噪比≥20dB；此时功率控制模块通过链路向信道估计模块发送采用MMSE信道估计算法的指令；

2)如果不满足，说明当前信道状况较差，信噪比＜20dB；此时功率控制模块通过链路向信道估计模块发送采用LS信道估计算法的指令。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于在OFDM通信***中，一帧数据信息在经过接收端射频部分功率控制模块之后，需要先进行AD转化后变成序列的形式，再经过基带部分下采样模块、粗同步模块、精同步模块、去循环前缀模块之后，才到达信道估计模块，其传输速度一定比功率控制模块直接到信道估计模块的传输链路要来得慢。

Images