基于压缩感知的非连续正交频分复用信道估计方法

摘要

本发明公布了一种基于压缩感知的非连续正交频分复用信道估计方法。所述方法包括：设计信道估计导频图案；导频图案的选取；信道频域响应的估计。导频图案选择使用以下两种方案。方案一：保留传统的均匀导频图案，禁用子载波处的导频自然禁用，从而使可用导频呈现自然的不均匀性；方案二：固定导频数量，基于恢复矩阵互相关最小化的准则，采用以下优化问题（其中，为信道长度、为导频数、为OFDM系统子载波总数）在可用子载波中寻找个子载波传送导频符号。本方法可以在多种禁用子载波场景下，以更少的导频获得优于目前其他方法的信道估计性能和系统误码率性能。

主权项

1.一种基于压缩感知的非连续正交频分复用信道估计方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1）设计信道估计导频图案（a）根据NC-OFDM系统的带宽、信道的相干带宽，估算传统均匀导频的间隔N_f，使其满足其中τ_max为信道最大多径扩展，Δf为子载波间隔；（b）估计信道的稀疏度K即信道冲激响应向量h中非零元素的个数，取基于压缩感知的信道估计中最优的导频子载波数量P=6K；当传统导频图案中剩余导频大于P_U=9K或小于P_D=4K时，使用方案二，否则使用方案一：方案一：保留传统的均匀导频图案，子载波处的导频自然禁用；方案二：固定导频子载波数量P，以压缩感知测量矩阵的设计理论为基础建立优化准则在可用子载波中寻找P个子载波传送导频符号；（c）生成优化导频图案表：禁用子载波图案场景分为宽带干扰和窄带干扰；宽带干扰即整个NC-OFDM系统频带上，禁用子载波有N_D段，每段包含的子载波数为N_k,k=1,2,...,N_D；窄带干扰是禁用子载波离散分布，在每一种禁用子载波图案场景，利用式（5）的优化准则在剩余的可用子载波中寻找到最优的P个子载波，使这时X_PW_P矩阵的值最小；将找到的P个子载波的序号保存为一张表的一个记录；其中X_P是一个P×P矩阵，X_P=SXS^T，W_P是一个P×L矩阵，W_P=SW；其中P为导频子载波数量，L为离散时间信道模型中抽头延时线的总个数，即信道长度；N为OFDM系统子载波总数；S为P×N的选择矩阵，用于从N子载波中选择出P个导频的位置；X为N×N矩阵，X=diag(x₁,x₂,...,x_N)；子载波分配模块将用户已调符号和导频符号分配到可用子载波上，禁用子载波置零，形成序列{x_i},i=1,2,...,N，其中N为OFDM系统子载波总数；W为N×L矩阵，其为傅立叶矩阵的前L列：其中信道冲激响应向量h=[h₀,h₁,…,h_L-1]^T；重复上面的优化过程，则得到一张有多个记录的优化导频图案表；2）导频图案的选取导频图案选取过程发生在收发设备第一次通信时，以及通信中从频谱感知的结果得知可用子载波发生改变时，具体过程如下：（1）比较目前的导频位置是否与新的禁用子载波位置重合，如果没有重合，继续保持目前的导频图案；如果重合，则继续进行下面的操作；（2）在新的可用子载波场景下，判断可用传统导频子载波数量P_T是否满足P_D≤P_T≤P_U，若满足则导频图案就选择剩余的可用传统导频，即方案一；若不满足，则采用导频设计方案二，进行如下操作；（3）搜索导频图案表，寻找满足以下条件的导频图案记录：导频图案记录中的P个子载波均未落入禁用子载波集合中；当在表中搜索到第一条满足以上条件的记录时，搜索过程即停止，通过公共信道，本端将这个记录的序号发给对端，收发双方导频符号协商结束，因为收发双方都有相同的优化导频图案表；若搜索完导频图案表中所有的记录，没有满足以上条件的导频图案记录时，则进行如下操作；（4）启动导频优化算法，在新的可用子载波上，利用寻找最优的P个子载波；完成之后，将P个子载波的序号全部通过公共信道发送给对端，这种方式下，寻找导频图案的时延大；以上描述的是通信时可用子载波改变时的导频选择过程，如果是设备之间第一次通信，则导频选择过程只要步骤（2）～（4）；3）信道频域响应的估计（一）首先进行初始化：迭代次数j=0，残差向量d₀=r_P，索引集其中r_P是接收端接收到的导频信号，r_P=X_Pg_P+n_P=X_PW_Ph+n_P；P×1向量n_P=Sn；（二）第j次迭代的步骤（j＝1,2,...)：步骤1：确定一个索引s_j，它满足$|<d_{j-1},{{\tau }_s}_j>|=\underset{s\in \{1,...,L\}/S_{j-1}}{\max }|<d_{j-1},{\tau }_s>|---\left(6\right)$其中τ_s表示矩阵T的第s列；其中T=X_PW_P；步骤2：增大索引集S_j=S_j-1∪{s_j}，这里索引集S_j中元素的个数为j；步骤3：利用最小二乘算法得到一个新的估计这个新的估计在索引集S_j之外的地方都是零，索引集之内的位置上的估计用下式得到：这里是一个P×j的矩阵，它包含T矩阵中索引为S_j的列；步骤4：计算对采样值新的近似和新的残差：（三）经J次迭代，满足停止准则即迭代次数达到h向量的稀疏度K或者残差的二范数小于某个门限，得到估计值再根据获得信道频域响应估计。