CN104378318A

CN104378318A - 一种基于功率判决的宽带卫星移动通信信道估计改进的方法

Info

Publication number: CN104378318A
Application number: CN201410655666.0A
Authority: CN
Inventors: 仲伟志; 王红娟; 刘鑫; 井庆丰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2015-02-25

Abstract

一种基于功率判决的宽带卫星移动通信信道估计改进的方法，充分利用宽带卫星移动信道衰落特性，联合传统DFT变换估计算法、功率判决估计算法和时域补零插值算法，逐步推进，有效的提高了宽带卫星移动通信系统中信道估计精度，改善通信性能；同时本发明计算简单，当功率阈值确定后只需进行M次阈值比较，即可得到信道响应估计值，相应的DFT变换可采用快速算法FFT，因此复杂度降低，易于硬件实现。

Description

一种基于功率判决的宽带卫星移动通信信道估计改进的方法

技术领域

本发明涉及宽带卫星移动通信领域，尤其是一种基于功率判决的宽带卫星移动通信信道估计改进的方法。

背景技术

目前，随着全球漫游和高速宽带需求的与日俱增，对宽带卫星移动通信系统的研究也一步步展开。OFDM技术凭借其高速的数据传输能力、高效的频谱利用率和良好的抗多径性能，成为4G移动通信系统中的核心传输技术之一。因此，基于OFDM的宽带卫星移动通信系统具有很好的研究价值和发展前景。

宽带卫星移动信道存在多径效应、多普勒频移以及阴影遮蔽等，将导致OFDM信号产生子载波间干扰和符号间干扰，严重影响信号传输的可靠性。因此，只有接收机准确的估计出信道的信息，才能进行正确的数据解调，通常使用基于导频的信道估计方法。

在基于导频的信道估计算法中，由于宽带卫星移动信道散射路径较少，有效抽头能量主要集中在直射路径上，基于DFT变换的估计算法比较适用。但该算法对保护间隔内的噪声没有进行有效抑制，且保护间隔外的有效抽头也被置零除去，因此估计性能不佳。针对此问题，目前有如下几种改进算法：1、基于噪声聚类的思想提出判别分析的估计算法，利用不断更新的门限获得有效抽头的特征；2、在变换域中加一个低通滤波器将高频噪声滤除；3、利用时域估计值计算出信道相关矩阵和噪声方差，并用于频域最小均方误差(Minimum Mean SquareError，MMSE)估计算法中。这些改进算法加强对有效抽头外噪声的抑制，提高信道估计性能，但以增加算法复杂度为代价，且在宽带卫星移动信道环境下，有些改进算法的性能甚至不如传统算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于功率判决的宽带卫星移动通信信道估计改进的方法，算法复杂度低，易于硬件实现。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于功率判决的宽带卫星移动通信信道估计改进的方法，包括如下步骤：

(1)利用传统的LS算法得到导频处信道估计值

(2)通过IDFT将其变换到时域为M表示每符号导频的个数；

(3)计算各个时间点的功率值并通过对有效抽头数的限制计算功率阈值P_h；

(4)将各个时间点的功率值与功率阈值比较，得到新的时域信道估计值

{\hat{h}}_{p, PLS} = {[{\hat{h}}_{PLS, 0}, {\hat{h}}_{PLS, 1}, \cdot \cdot \cdot, {\hat{h}}_{PLS, M - 1}]}^{T}

为

{\hat{h}}_{PLS, n} = \{\begin{matrix} \begin{matrix} {\hat{h}}_{LS, n}, {| {\hat{h}}_{LS, n} |}^{2} > P_{h} \\ 0, {| {\hat{h}}_{LS, n} |}^{2} < P_{h} \end{matrix} & n = 0,1, \cdot \cdot \cdot, M - 1 . \end{matrix}

(5)利用信号处理过程中再时域补零等效于在频域进行内插的原理来恢复出子载波处的完整信道频率响应，补零后信道的时域冲激响应序列为：

{\hat{h}}_{n} = \{\begin{matrix} {\hat{h}}_{n, PLS} & n = 0,1, \cdot \cdot \cdot, M - 1 \\ 0 & n = M, M + 1, \cdot \cdot \cdot, N - 1 \end{matrix}

则对完整信道的时域冲激响应序列做DFT变换，即等效于在频域做了内插，得到完整的信道频域响应值为

\begin{matrix} {\hat{H}}_{k} = Σ_{n = 0}^{N - 1} {\hat{h}}_{n} e^{- j 2 πnk / N} & k = 0,1, \cdot \cdot \cdot, N - 1 . \end{matrix}

本发明的有益效果为：充分利用宽带卫星移动信道衰落特性，联合传统DFT变换估计算法、功率判决估计算法和时域补零插值算法，逐步推进，有效的提高了宽带卫星移动通信系统中信道估计精度，改善通信性能；同时本发明计算简单，当功率阈值确定后只需进行M次阈值比较，即可得到信道响应估计值，相应的DFT变换可采用快速算法FFT，因此复杂度降低，易于硬件实现。

附图说明

图1是本发明基于OFDM的卫星通信系统结构图。

图2是本发明的估算改进算法示意图。

图3是本发明的LS、QLS、PLS、PLS_ZP四种信道估计算法参数估计的均方误差比较仿真结果图。

图4是本发明的不同信道估计算法误比特率性能比较仿真结果图。

具体实施方式

如图1所示，上面的支路表示星上发送部分，下面的支路表示地面站接收部分。在发送端，数据源首先完成信道编码、交织、符号映射和串并转换，在插入导频后，频域数据X(k)经过快速傅里叶逆变换IFFT，得到时域数据s(n)，其中k,n＝0,1,2...N-1，N表示子载波数；经过加循环前缀CP、并串转换、数模变换和上变频后，信号进入卫星信道进行传送。在接收端通过发送端的逆过程和信道估计技术恢复出原始信息。

如图2所示，为本发明的估计改进算法。首先，在基于DFT估计算法的基础上，针对宽带卫星移动信道多径抽头较少且能量主要集中在直射路径上的特点，对有效抽头数进行限制，确定出合适的功率阈值，从而避免了传统阈值算法中阈值难以确定的问题；其次，当功率阈值确定后，对每一个抽头进行分析，因此保护间隔内和保护间隔外的噪声都得到了有效的抑制，性能明显优于传统的基于DFT变换的估计算法；最后，当得到导频处的估计值后，利用时域补零等效频域内插的原理对原频域插值算法进行改进，充分利用了所有已估计的导频信息，相对于传统的频域插值算法而言具有更好的估计性能。

估计改进算法包括如下步骤：

(1)利用传统的LS算法得到导频处信道估计值

(2)通过IDFT将其变换到时域为M表示每符号导频的个数；

{\hat{h}}_{p, PLS} = {[{\hat{h}}_{PLS, 0}, {\hat{h}}_{PLS, 1}, \cdot \cdot \cdot, {\hat{h}}_{PLS, M - 1}]}^{T}

为

{\hat{h}}_{PLS, n} = \{\begin{matrix} \begin{matrix} {\hat{h}}_{LS, n}, {| {\hat{h}}_{LS, n} |}^{2} > P_{h} \\ 0, {| {\hat{h}}_{LS, n} |}^{2} < P_{h} \end{matrix} & n = 0,1, \cdot \cdot \cdot, M - 1 . \end{matrix}

{\hat{h}}_{n} = \{\begin{matrix} {\hat{h}}_{n, PLS} & n = 0,1, \cdot \cdot \cdot, M - 1 \\ 0 & n = M, M + 1, \cdot \cdot \cdot, N - 1 \end{matrix}

\begin{matrix} {\hat{H}}_{k} = Σ_{n = 0}^{N - 1} {\hat{h}}_{n} e^{- j 2 πnk / N} & k = 0,1, \cdot \cdot \cdot, N - 1 . \end{matrix}

如图3和图4所示，本发明的方法性能通过MATLAB仿真进行分析评估，仿真中通信系统模型采用如图1所示的结构图，具体参数设置为：系统带宽为20MHz，4倍采样频率，载波数N为1024，信道为5径且最大多径时延为6.85μs，最大多普勒频移为100Hz，载波调制方式为QPSK，保护间隔长度为256，相邻导频间隔为8。

为了更好的验证本发明算法的优越性，对比仿真了传统LS算法、传统基于DFT变换的算法QLS、本发明中基于功率判决的估计算法PLS、本发明中基于功率判决的估计算法结合时域补零插值算法PLS_ZP这四种算法的均方差和误比特率性能曲线。从仿真结果中可以看出，本发明提出的基于功率判决的改进算法在低信噪比和高信噪比环境下均有较好的性能，能有效降低接收端的误比特率，改善系统的通信性能。在低信噪比环境下，与传统LS算法相比，本发明参数估计的均方差性能提高了将近6dB。此外本发明结合时域补零插值算法，充分利用了所有已估计的导频信息，较好的反应了信道在不同时刻所具有的相关性，使误比特率性能相对其他三种算法有较大提高，尤其是在高信噪比下更加明显。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims

1.一种基于功率判决的宽带卫星移动通信信道估计改进的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用传统的LS算法得到导频处信道估计值

(2)通过IDFT将其变换到时域为M表示每符号导频的个数；

(4)将各个时间点的功率值与功率阈值比较，得到新的时域信道估计值为n＝0,1,...,M-1；

则对完整信道的时域冲激响应序列做DFT变换，即等效于在频域做了内插，得到完整的信道频域响应值为k＝0,1,...,N-1 。