CN110912844B - 一种基于大数据分析的信道估计优化方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域,更具体地涉及一种基于大数据分析的信道估计优化方法。
背景技术
OFDM作为当下无线通信物理层的主流信号调制与传输技术,它将物理上高速的宽带信号分解成多个低速的并行窄带信号。由于窄带信号的带宽小于无线信道的相干带宽,因而一个OFDM符号的持续时间小于信道的相干时间。
整个一子帧的OFDM符号可以分解成一个时频矩阵,如图1所示。其中,横轴为OFDM符号的时间轴,一个方格长度表示一个OFDM符号持续时间;纵轴为OFDM子载波频率轴,一个方格宽度代表一路子载波窄带信号频宽。由于每个方格信号在时域上经历的是慢衰落,在频域上经历的是平坦衰落,因此可近似认为一个方格点用同一个信道响应即可表示。当这样的一个时频信号经过信道到达接收端时,每个方格都经历了不同的衰落,信道估计即为得到每一个方格的信道响应。
目前采用***导频的方法来进行信道估计,具体方法为:发送端发送信号在时频矩阵的某些位置***导频符号(即图中的黑色框),由于导频符号对于收发端都是已知的,因此当接收端接收到导频符号时,就可以得出导频位置处的信道响应。对照图1,也就是可以得到黑色方格处的信道响应,然后再通过插值得到一子帧数据时频矩阵中其他所有白色方格的信道响应。
然而,目前利用已知数据进行插值得到未知数据的方法为维纳滤波法,该方法的估计准确性严重依赖于输入参数的准确性,如:最大多普勒频移、平均信噪比、最大时延扩展等无线信道统计量。现有技术中一般使用经验值或直接计算的频偏值作为最大多普勒频移值,经常与实时的最大多普勒频移值相差较大。但是,当最大多普勒频移值估计不准确时,会导致信道响应的时域内插不准确,进而导致整个硬件通信***的误码率较高,性能恶化严重。
发明内容
本发明提供一种基于大数据分析的信道估计优化方法,解决了现有技术中最大多普勒频移值估计不准确而导致整个硬件通信***误码率较高、性能恶化严重的问题。
本发明提供的一种基于大数据分析的信道估计优化方法,包括:
步骤S1,根据实际的通信场景选择信道模型,并搭建仿真平台;
步骤S2,在所述步骤S1搭建的仿真平台中,曲线拟合出最大多普勒频移值的函数关系式f(s);
所述步骤S2包括:
步骤S21,在仿真平台中预设n个最大多普勒频移值,记为[d1,d2,…dn];
步骤S23,计算所述步骤S22中m个频偏值的统计量si,一个最大多普勒频移值di对应一个统计量si,构成一个数据点(si,di),最终得到n个数据点[(s1,d1),(s2,d2),…(sn,dn)];
步骤S24,用曲线拟合法得出最大多普勒频移值d和统计量s的函数关系式f(s),并将f(s)预存进实际硬件***中。
所述步骤S3包括:
步骤S33,计算缓存的m个频偏值的统计量s,该步骤中的统计量与步骤S23中的统计量相同;
计算所述频偏值包括:
步骤S5,取子帧中两列OFDM符号的导频,并分别计算出这两列导频处的信道响应,记为h1=[h1,0,h1,1,…,h1,N-1]T,h2=[h2,0,h2,1,…,h2,N-1]T,其中,N为其中一列OFDM符号导频的个数;
所述统计量si采用标准差。
所述统计量s采用标准差。
所述步骤S1中的实际通信场景为城市环境时,采用ETU信道模型。
所述步骤S1中的实际通信场景为乡村环境时,采用RA信道模型。
所述步骤S24中得出f(s)的方法为:根据数据点[(s1,d1),(s2,d2),…(sn,dn)]的分布情况,确定拟合函数的类型,然后修正函数f(s)的各参数,最终得到函数关系式。
所述修正函数f(s)各参数的方法采用插值法或者最小二乘法。
本发明运用离线仿真采集多个最大多普勒频移的子帧数据,拟合出频偏统计量和最大多普勒频移的曲线关系,然后在实际硬件通信***中实时地采集一定量的子帧数据,用预存的曲线关系计算得到最大多普勒频移值,并根据***已缓存的子帧数是否达到规定值,选择使用曲线拟合的值或者已缓存子帧频偏的最大值作为信道估计的参数。本发明能够实时跟踪信道的变化,提高信道估计的准确性,降低OFDM通信***的误码率。
附图说明
图1是OFDM时频矩阵示意图。
图2是按照本发明的信道估计优化方法流程图。
图3是按照本发明步骤S2中曲线拟合流程图。
图4是按照本发明步骤S3中实时计算最大多普勒频移值的流程图。
图5是按照本发明的信道估计优化方法***框图。
图6是按照本发明一个示例的最大多普勒频移曲线拟合图。
图7至图10是按照本发明的信道估计优化方法与直接计算频偏法得出的通信***误码率对比图。
具体实施方式
下面结合附图,给出本发明的较佳实施例,并予以详细描述。
本发明提供的信道估计优化方法,应用在OFDM信道估计中,如图2所示,包括:
步骤S1,根据实际的通信场景选择信道模型,并搭建仿真平台。例如,若无线***的实际运行场景是在城市环境下,则选用3GPP提供的ETU信道模型仿真;若是在乡村环境下,则使用RA信道模型仿真。
步骤S2,在步骤S1搭建的仿真平台中,曲线拟合出最大多普勒频移值的函数关系式f(s)。
其中,如图3所示,步骤S2包括:
步骤S21,在仿真平台中预设n个最大多普勒频移值,记为[d1,d2,…dn]。
步骤S23,计算步骤S22中m个频偏值的统计量si,一个最大多普勒频移值di对应一个统计量si,构成一个数据点(si,di),最终得到n个数据点[(s1,d1),(s2,d2),…(sn,dn)]。在不同的场景下,可以根据实际仿真结果来选择最合适的统计量,例如标准差、方差或其他合适的统计量。在一定的最大多普勒频移的场景下,采样计算的频偏值服从一定分布,它们的统计量是稳定的。
步骤S24,用曲线拟合法得出最大多普勒频移值d和统计量s的函数关系式f(s),并将f(s)预存进实际硬件***中。得出f(s)的具体方法为:根据数据点[(s1,d1),)s2,d2),…(sn,dn)]的分布情况,大概确定拟合函数的类型,然后用插值法或者最小二乘法等方法来修正函数f(s)的参数,最终得到最优的函数f(s)。可以根据仿真得出的数据点用多种曲线拟合法得出结果并进行比较,然后选择效果最优的方法。
如图4所示,步骤S3包括:
步骤S33,计算缓存的m个频偏值的统计量s,该步骤中的统计量与步骤S23中的统计量相同。例如,若步骤S23中的统计量采用标准差,则在该步骤中计算m个频偏值的标准差。
上述步骤S22和步骤S31中的频偏计算原理如下:
任意两列OFDM符号对应子载波处的信道响应有相同的相差θ=2πfδτ,其中τ是两列导频的OFDM符号时间间隔。公式中θ可以通过信道响应计算出,τ已知,因此可以计算出频偏fδ。
而实际信道是经过多径瑞利衰落和噪声的,因此两列OFDM导频处的信道响应相位存在着各种随机变化,需要平均掉这种随机性的相位变化最终才能得到***的固有频偏。本发明采用的方法是对两列导频对应位置的导频响应差进行加权求和,具体包括:
步骤S5,取子帧中两列OFDM符号的导频,并分别计算出这两列导频处的信道响应,记为h1=[h1,0,h1,1,…,h1,N-1]T,h2=[h2,0,h2,1,…,h2,N-1]T,其中,N为其中一列OFDM符号导频的个数。
按照本发明的信道估计优化方法的***框图如图5所示,本发明实时地缓存最新接收到的子帧的频偏,计算出当前帧的最大多普勒频移值,可以实时跟踪信道的变化,从而显著提高信道估计的准确性,降低OFDM通信***的误码率。
下面通过一个具体示例来对本发明做进一步说明。
在该示例中,选用1/3码率turbo编码、64QAM星座映射以及4发4收天线模式。
首先根据步骤S1,由于该示例的实际运行场景是在城市环境下,因此选用ETU信道,并搭建仿真平台。
其次根据步骤S2,在仿真平台中预设最大多普勒频移个数n=6,分别为:200Hz、500Hz、800Hz、1100Hz、1400Hz、1800Hz。每个最大多普勒频移值采集子帧个数m=1000,计算出这1000子帧频偏的标准差si为:19、52、80、120、160、215。根据标准差和最大多普勒频移值构成的散点数据,拟合出曲线图如图6所示,并得最大多普勒频移值与标准差的函数关系式f(s)为:d=-0.0088s2+10.1777s+10.7857,将该函数关系式f(s)预存进实际硬件***中。
然后根据步骤S3,实际硬件***实时地采集每一子帧,以10dB信噪比为门限,当子帧信噪比大于10dB时,计算子帧的频偏值并缓存。当缓存频偏数未达到1000时,以***已缓存的子帧频偏值中的最大值作为最大多普勒频移值当缓存频偏数达到1000后,用这1000个子帧的频偏值统计出标准差,再利用函数关系式f(s)计算出最大多普勒频移值
使用本发明的信道估计优化方法得到的通信***误码率和使用直接计算频偏方法得出的通信***误码率对比图如图7到图10所示。
从图中可以看出,当实际最大多普勒频移比较大时(如1800Hz,1200Hz,700Hz),直接计算频偏误码率非常高,且随着信噪比增加也没有太大改善。而使用本发明统计拟合实时估计的方法,得出的误码率随着信噪比的增加迅速下降。当实际最大多普勒频移比较小时,虽然直接计算频偏法得出的误码率也会随着信噪比增加出现下降趋势,但是和本发明的方法相比,信噪比相差巨大。因此,在高速、高载频、大多普勒频移的地空信道中,本发明的信道估计方法性能很好,且具有很强的自适应性。
以上所述的,仅为本发明的较佳实施例,并非用以限定本发明的范围,本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰,皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (8)
1.一种基于大数据分析的信道估计优化方法,其特征在于,包括:
步骤S1,根据实际的通信场景选择信道模型,并搭建仿真平台;
步骤S2,在所述步骤S1搭建的仿真平台中,曲线拟合出最大多普勒频移值的函数关系式f(s);包括:
步骤S21,在仿真平台中预设n个最大多普勒频移值,记为[d1,d2,...dn];
步骤S23,计算所述步骤S22中m个频偏值的统计量si,一个最大多普勒频移值di对应一个统计量si,构成一个数据点(si,di),最终得到n个数据点[(s1,d1),(s2,d2),…(sn,dn)];
步骤S24,用曲线拟合法得出最大多普勒频移值d和统计量s的函数关系式f(s),并将f(s)预存进实际硬件***中;
步骤S33,计算缓存的m个频偏值的统计量s,该步骤中的统计量与步骤S23中的统计量相同;
3.根据权利要求1所述的信道估计优化方法,其特征在于,所述统计量si采用标准差。
4.根据权利要求1所述的信道估计优化方法,其特征在于,所述统计量s采用标准差。
5.根据权利要求1所述的信道估计优化方法,其特征在于,所述步骤S1中的实际通信场景为城市环境时,采用ETU信道模型。
6.根据权利要求1所述的信道估计优化方法,其特征在于,所述步骤S1中的实际通信场景为乡村环境时,采用RA信道模型。
7.根据权利要求1所述的信道估计优化方法,其特征在于,所述步骤S24中得出f(s)的方法为:根据数据点[(s1,d1),(s2,d2),...(sn,dn)]的分布情况,确定拟合函数的类型,然后修正函数f(s)的各参数,最终得到函数关系式。
8.根据权利要求7所述的信道估计优化方法,其特征在于,所述修正函数f(s)各参数的方法采用插值法或者最小二乘法。
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