一种基于MIMO-OFDM信号循环平稳特性的盲信噪比估计方法

摘要

本发明公开了一种基于MIMO-OFDM信号循环平稳特性的盲信噪比估计方法，其利用MIMO-OFDM系统的发送的OFDM信号本身具有的循环平稳特性，通过选取适当循环后缀长度以及发送信号的周期自相关函数不同的零点，可以有效地把MIMO信道转化成多个单输入单输出信道，然后利用二阶统计量可准确估计出多径环境下各个信道的信噪比值，与现有的基于训练序列的信噪比估计方法相比，本发明方法提高了MIMO-OFDM系统的频带利用率，且估计速度快，同时估计精确度并未降低。

主权项

1.一种基于MIMO-OFDM信号循环平稳特性的盲信噪比估计方法，其特征在于包括以下步骤：①MIMO-OFDM系统的各个信道采用多径衰落模型，设MIMO-OFDM系统的发送端具有M_T个发射天线，接收端具有M_R个接收天线，其中，M_T≥1，M_R≥1；②在MIMO-OFDM系统的发送端，首先对输入的频域数据信号进行串并转化，分成M_T个子符号流，然后采用信道编码技术对每个子符号流进行无失真压缩编码并在每个子符号流中加入用于克服子符号流在多径衰落信道中受到的干扰和噪声影响的冗余信息，再利用调制器对无失真压缩编码后的M_T个数据信号进行空时调制，对空时调制后的M_T个数据信号先后进行傅里叶逆变换和正交频分复用调制处理，得到M_T个时域数据信号，每个时域数据信号为由多个OFDM符号构成的OFDM信号；③在每个OFDM信号中加入循环前缀和循环后缀，具体过程为：对于当前OFDM信号，将当前OFDM信号的各个OFDM符号的最后端的CP个采样点作为循环前缀复制到各个OFDM符号自身的最前端，将当前OFDM信号的各个OFDM符号的最前端的CS个采样点作为循环后缀复制到各个OFDM符号自身的最后端，得到加有循环前缀和循环后缀的OFDM信号，其中，M为OFDM信号的子载波数；④对各个加有循环前缀和循环后缀的OFDM信号先后进行数模转换和射频模块处理，得到M_T个发送信号，各个发送信号通过各个发射天线相互平行地传输给MIMO-OFDM系统的接收端，将通过第i个发射天线传输给MIMO-OFDM系统的接收端的发送信号记为x_i(n)，其中，i∈[1，M_T]，n表示连续时间变量；⑤在MIMO-OFDM系统的接收端，每个接收天线接收到的接收信号由不同时延的M_T路信号组成，将x_i(n)通过M_T个多径衰落信道后被第t个接收天线接收到的接收信号记为y_t(n)，其中，t∈[1，M_R]，n表示连续时间变量，L_h表示多径衰落信道的多径个数，m∈[1，L_h]，h_it表示发送信号经过第i个发射天线到第t个接收天线接收所通过的多径衰落信道，S_it，m表示多径衰落信道h_it的第m径的信号功率因子，表示多径衰落信道h_it的第m径的到达相位，τ_it，m表示多径衰落信道h_it的第m径的时延，N为噪声功率因子，v_it(n)表示多径衰落信道h_it上的平稳高斯白噪声，x_i(n-τ_it，m)表示x_i(n)通过多径衰落信道h_it的第m径的时延后的信号，j表示复数中的虚数单位；⑥首先根据自相关函数的定义，获取x_i(n)通过M_T个多径衰落信道后被第t个接收天线接收到的接收信号y_t(n)的自相关函数，记为，其中，τ表示延时变量，表示y_t(n+τ)的共扼，y_t(n+τ)表示y_t(n)延时τ后的信号，E{}表示数学期望，表示第t个接收天线接收到的接收信号y_t(n)的自相关函数，m₁∈[1，L_h]，m₂∈[1，L_h]，表示多径衰落信道h_it的第m₁径的信号功率因子，表示多径衰落信道h_it的第m₂径的信号功率因子，表示多径衰落信道h_it的第m₁径的到达相位，表示多径衰落信道h_it的第m₂径的到达相位，表示多径衰落信道h_it的第m₁径的时延，表示多径衰落信道h_it的第m₂径的时延，δ(τ)为多径衰落信道h_it上的平稳高斯白噪声v_it(n)的自相关函数，δ(τ)是变量τ的冲击函数，表示x_i(n)通过多径衰落信道h_it的第m₁径的时延后的信号，表示的共轭，表示x_i(n+τ)通过多径衰落信道h_it的第m₂径的时延后的信号，x_i(n+τ)表示x_i(n)延时τ后的信号，表示x_i(n)的自相关函数，$E\left\{x_i(n-{\tau }_{\mathrm{it},m_1})x_i^{*}(n+\tau -{\tau }_{\mathrm{it},m_2})\right\}=R_{x_i}(n-{\tau }_{\mathrm{it},m_1},\tau +{\tau }_{\mathrm{it},m_1}-{\tau }_{\mathrm{it},m_2});$然后根据x_i(n)的自相关函数$E\left\{x_i(n-{\tau }_{\mathrm{it},m_1})x_i^{*}(n+\tau -{\tau }_{\mathrm{it},m_2})\right\}=R_{x_i}(n-{\tau }_{\mathrm{it},m_1},\tau +{\tau }_{\mathrm{it},m_1}-{\tau }_{\mathrm{it},m_2}),$将y_t(n)的自相关函数转化为：⑦根据MIMO-OFDM系统的第t个接收天线接收到的接收信号y_t(n)的自相关函数对离散时间点n对应的作傅立叶级数展开，得到y_t(n)的周期自相关函数，记为$R_{y_t}(k,\tau )=\frac{1}{P}\underset{n=1}{\overset{P}{\Sigma }}{R}_{y_t}(n,\tau )e^{-j2\mathrm{\pi kn}/P}$其中，k为循环频率，P表示循环周期，表示x_i(n)的周期自相关函数延时后的值，δ(τ)δ(k)表示多径衰落信道h_it上的平稳高斯白噪声v_it(n)的周期自相关函数，δ(k)是变量k的冲击函数；⑧根据多径衰落信道h_it的第m₁径和第m₂径之间的时间间隔相等与否，将转化为$R_{y_t}(k,\tau )=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{it},m}{R}_{x_i}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{it},m}}{P}}$令$\underset{m_1=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}\underset{\underset{m_1\ne m_2}{m_2=1}}{\overset{L_h}{\Sigma }}\sqrt{S_{\mathrm{it},m_1}}\sqrt{S_{\mathrm{it},m_2}}{e}^{j({\phi }_{\mathrm{it},m_1}-{\phi }_{\mathrm{it},m_2})}{R}_{x_i}(k,\tau +{\tau }_{\mathrm{it},m_1}-{\tau }_{\mathrm{it},m_2})e^{-j\frac{2\pi {\mathrm{k\tau }}_{\mathrm{it},m_1}}{P}}=0,$则$R_{y_t}(k,\tau )=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{it},m}{R}_{x_i}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{it},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)\};$⑨假设需要估计多径衰落信道h_ab上的信噪比，令t＝b，则将x_i(n)通过M_T个多径衰落信道后被第b个接收天线接收到的接收信号y_b(n)表示为：将y_b(n)的周期自相关函数表示为：$R_{y_b}(k,\tau )=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ib},m}{R}_{x_i}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{ib},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)\},$然后根据y_b(n)是否有第a个发射天线发送的发送信号，将$R_{y_b}(k,\tau )=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ib},m}{R}_{x_i}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{ib},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)\}$转化为$R_{y_b}(k,\tau )=\underset{\underset{I\ne a}{I=1}}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{Ib},m}{R}_{x_I}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{Ib},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)\}+\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ab},m}{R}_{x_a}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{ab},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)$，其中，S_ib，m表示多径衰落信道h_ib的第m径的信号功率因子，表示多径衰落信道h_ib的第m径的到达相位，τ_ib，m表示多径衰落信道h_ib的第m径的时延，v_ib(n)表示多径衰落信道h_ib上的平稳高斯白噪声，x_i(n-τ_ib，m)表示x_i(n)通过多径衰落信道h_ib的第m径的时延后的信号，a∈[1，M_T]，b∈[1，M_R]，I∈[1，M_T]且I≠a，S_Ib，m表示多径衰落信道h_Ib的第m径的信号功率因子，τ_Ib，m表示多径衰落信道h_Ib的第m径的时延，表示通过第I个发射天线传输给MIMO-OFDM系统的接收端的发送信号x_I(n)的周期自相关函数，S_ab，m表示多径衰落信道h_ab的第m径的信号功率因子，τ_ab，m表示多径衰落信道h_ab的第m径的时延，表示通过第a个发射天线传输给MIMO-OFDM系统的接收端的发送信号x_a(n)的周期自相关函数；⑩排除多径衰落信道h_ab的干扰信道的影响，估计得到多径衰落信道h_ab上的信号功率因子和噪声功率因子N，再根据和N，估计得到多径衰落信道h_ab上的信噪比，记为ρ_ab，其中，排除多径衰落信道h_ab的干扰信道的影响的具体过程为：令通过第a个发射天线传输给MIMO-OFDM系统的接收端的发送信号x_a(n)中的OFDM符号的循环前缀与循环后缀的有效长度之和为L_a且OFDM符号的循环周期为P，令通过第I个发射天线传输给MIMO-OFDM系统的接收端的发送信号x_I(n)中的OFDM符号的循环前缀与循环后缀的有效长度之和为L_I且OFDM符号的循环周期为P，然后为排除多径衰落信道h_ab的干扰信道的影响，选择的循环频率k_a等于P/L_I时，x_I(n)的周期自相关函数处于零点，使$R_{y_b}(k,\tau )=\underset{\underset{I\ne a}{I=1}}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{Ib},m}{R}_{x_I}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{Ib},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)\}+\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ab},m}{R}_{x_a}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{ab},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)$转化为进而排除了多径衰落信道h_ab的干扰信道的影响，得到所需的单输入单输出的多径衰落信道h_ab，其中，为循环频率等于k_a时y_b(n)的周期自相关函数，为循环频率等于k_a时x_a(n)的周期自相关函数；对多径衰落信道h_ab上的盲信噪比进行估计，具体过程为：-1、选择x_a(n)的循环频率等于k_a，k_a≠0，排除干扰信道的影响，得到循环频率等于k_a时y_b(n)的周期自相关函数$R_{y_b}(k_a,\tau ),$$R_{y_b}(k_a,\tau )=\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ab},m}{R}_{x_a}(k_a,\tau )e^{-j\frac{2\pi k_{{a^{\tau }}_{\mathrm{ab},}m}}{p}},$然后对$R_{y_b}(k_a,\tau )=\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ab},m}{R}_{x_a}(k_a,\tau )e^{-j\frac{2\pi k_{{a^{\tau }}_{\mathrm{ab},}m}}{p}}$两边同时取绝对值，得到$\left|R_{y_b}(k_a,\tau )\right|={\mathrm{Ps}}_{\mathrm{ab}}\left|R_{x_a}(k_a,\tau )\right|,$其中，${\mathrm{Ps}}_{\mathrm{ab}}=\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ab},m}$为多径衰落信道h_ab上的信号功率因子；-2、分析$R_{y_b}(k,\tau )=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ib},m}{R}_{x_i}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{ib},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)\},$当k＝0且τ＝0时，$R_{y_b}(k,\tau )=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ib},m}{R}_{x_i}(k,\tau )e^{-j\frac{2\mathrm{\pi k}{\tau }_{\mathrm{ib},m}}{P}}+\mathrm{N\delta }\left(k\right)\delta \left(\tau \right)\}$转化为$R_{y_b}\left(\mathrm{0,0}\right)=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ib},m}{R}_{x_i}\left(\mathrm{0,0}\right)+N\},$然后对$R_{y_b}\left(\mathrm{0,0}\right)=\underset{i=1}{\overset{M_T}{\Sigma }}\{\underset{m=1}{\overset{L_h}{\Sigma }}{S}_{\mathrm{ib},m}{R}_{x_i}\left(\mathrm{0,0}\right)+N\}$两边同时取绝对值，得到$\left|R_{y_b}\left(\mathrm{0,0}\right)\right|={\mathrm{Ps}}_{1b}\left|R_{x_1}\left(\mathrm{0,0}\right)\right|+{\mathrm{Ps}}_{2b}\left|R_{x_2}\left(\mathrm{0,0}\right)\right|+...+{\mathrm{Ps}}_{M_{T}b}\left|R_{x_{M_T}}\left(\mathrm{0,0}\right)\right|+M_{T}N,$其中，Ps_1b、Ps_2b和分别为多径衰落信道h_1b、h_2b和上的信号功率因子；-3、对进行统计量估计，将统计量估计后的值记为：${\hat{R}}_{y_b}(k,\tau )\approx \frac{1}{{\mathrm{PN}}_{\mathrm{num}}}\underset{n=1}{\overset{{\mathrm{PN}}_{\mathrm{num}}}{\Sigma }}r\left(n\right)r^{*}(n+\tau )e^{-j2\mathrm{\pi kn}/P},$其中，N_num为OFDM信号中OFDM符号的个数，r(n)表示接收信号，r(n+τ)表示r(n)延时τ后的信号，r^*(n+τ)为r(n+τ)的共轭；-4、根据最小均方误差理论，对求偏导并置为零，得到多径衰落信道h_ab上的盲信噪比估计表达式为：$\mathrm{SNR}=\frac{{\hat{P}s}_{\mathrm{ab}}}{\hat{N}}=\frac{\underset{\tau \ne 0}{\Sigma }\left|{\hat{R}}_{y_b}(k_a,\tau )\right|{\left|R_{x_a}(k_a,\tau )\right|/\underset{\tau \ne 0}{\Sigma }\left|R_{x_a}(k_a,\tau )\right|}^2}{\{{\hat{R}}_{y_b}\left(\mathrm{0,0}\right)-{\hat{P}s}_{1b}{R}_{x_1}\left(\mathrm{0,0}\right)-{\hat{P}s}_{2b}{R}_{x_2}\left(\mathrm{0,0}\right)-...-{\hat{P}s}_{M_{T}b}{R}_{x_{M_T}}\left(\mathrm{0,0}\right)\}/M_T},$其中，SNR表示多径衰落信道h_ab上的盲信噪比估计值，为对多径衰落信道h_ab上进行统计量估计的信号功率因子，为对多径衰落信道h_ab上进行统计量估计的噪声功率因子，为当循环频率为k_a时的MIMO-OFDM系统的第b个接收天线接收到的接收信号y_b(n)的周期自相关函数的统计量估计值，为当循环频率为k_a时的MIMO-OFDM系统的第a个发射天线发送的发送信号x_a(n)的周期自相关函数，为当循环频率为0且时延为0时的MIMO-OFDM系统的第b个接收天线接收到的接收信号y_b(n)的周期自相关函数的统计量估计值，分别为对多径衰落信道h_1b、h_2b、上进行统计量估计的信号功率因子，分别为当循环频率为0且时延为0时的MIMO-OFDM系统的第1个、第2个及第M_T个发射天线发送的发送信号的周期自相关函数，“||”为绝对值符号。