[发明专利]一种FBMC/OQAM的导频设计和同步信道估计方法

权利要求书

1.一种FBMC/OQAM的导频设计和同步信道估计方法，其特征在于，在FBMC/OQAM系统的发射端插入导频：频率时间坐标上，一列幅度减半的数据与导频列交叉重复排列，并在最后再添加该列幅度减半的数据以间隔导频与正常幅度的数据，幅度减半的数据与导频共五列；其中导频按照[1,j,-1,-j]^T的规律不断重复；在FBMC/OQAM系统的接收端，首先利用与导频列相邻的数据列的反转对称性，对接收信号做滑动相关以确定起始位置；然后在频域利用同一子载波上导频的对应关系，得到频偏估计值，通过迭代减小与导频列相邻的数据列和信道噪声对估计的干扰；频偏补偿后首先假设与导频列相邻的数据列是零保护列，由此计算出伪导频并在频域进行信道估计，然后解调出与导频列相邻的数据符号；最后利用解调出的与导频列相邻的数据符号计算伪导频来估计信道，完成时偏、频偏和信道的联合估计；

具 体包括以下步骤：

(1)在发送端对信息比特流进行QPSK调制和串并转换，然后进行OQAM预处理，将复数数据符号转换成实数数据符号；

(2)在发送端数据符号块的头部插入导频：在频率时间坐标上，每一列对应一个时间的M个并行子载波，导频插入的要求如下：导频放到数据块的第二列和第四列，每列按照[1,j,-1,-j]^T的规律不断循环重复；第一、三、五列为幅度减半的相同的待发送实数数据列，记为：a＝[a₀,a₁,a₂,…,a_M/2,…,a_M-2,a_M-1]^T，其中a_M-i＝(-1)ⁱa_i,i＝1,2,…,M/2-1，所以数据列a进一步表示为a＝[a₀,a₁,a₂,…,a_M/2,…,a₂,-a₁]^T；第五列之后均为正常幅度的待发送的实数数据列；

(3)对插入导频的数据块进行调制，得到发送端待发送的调制信号s[k]为：

其中，a_m,n为频率时间坐标(m,n)上的数据符号或者导频，是给待发送实数数据符号添加的初始相位；

(4)经过多径信道后，接收端收到的信号与发送端发送的信号之间存在频率偏移，接收信号r[k]表示为

其中，h[τ]代表的是频率选择性信道，其长度为Δ+1；n[k]表示均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声；φ表示以子载波间隔归一化的载波频偏，φ∈(-0.5,0.5]；

(5)首先进行接收信号r[k]的符号定时，判断起始位置，确定FBMC/OQAM的接收信号的起始位置为

(6)确定接收信号的起始位置后，进行频偏估计，得到频偏估计值：

(7)根据频偏估计值进行频偏补偿，计算出伪导频并在频域进行信道估计；

(8)在频域进行信道均衡，解调出全部的实数数据符号，进行OQAM后置处理，从实数符号变回到复数符号，进行并串转换和QPSK解调，最终恢复出发送的比特数据流；

步骤(5)的具体过程包括如下步骤：

(5.1)由于多相滤波器组的引入，数据符号实际操作中添加的初始相位为j^m+k；因此，数据列a＝[a₀,a₁,a₂,…,a_M/2,…,a₂,-a₁]^T添加初始相位、经过IFFT得到的序列b＝[b₀ b₁ b_M/2b₂]^T满足反转对称特性，序列b₁的顺序对应元素与序列b₂的逆序对应元素相等，表示为即b_1,t＝b_2,M/2-2-t，t＝0,1,…,M/2-2；依照最小二乘原则，找到最满足上述反转对称性的地方，也就是b₁的起始位置：

其中表示b₁(τ₁)的共轭；

(5.2)将接收信号r[k]代入(5.1)的式中，则找到接收信号中最满足上述反转对称性的地方；根据反转对称性定义基于最小二乘准则的代价函数Φ[τ]

对代价函数Φ(τ)进行相应滤波以减小噪声的干扰：

对接收信号进行一维搜索，通过求解下面的最大化问题：

由此确定FBMC/OQAM的接收信号的起始位置为

步骤(6)的具体包括如下步骤：

(6.1)确定接收信号的起始位置后，接收端经过串并转换、多相滤波、FFT、删除初始相位，得到频时格点(m₀,n₀)处的数据符号表示为

其中是原型滤波器p[k]的自模糊函数；是信道噪声在频时格点(m₀,n₀)处的噪声；

(6.2)考虑目标频时格点周围Ω_α,β＝{|(α,β)|≤(1,1)and(α,β)≠(0,0)}的频时格点，认为超出该范围的频时格点上的数据对目标频时格点上的数据造成的影响忽略不计；两列导频数据满足假设与导频列相邻的数据列都为零保护列，且忽略噪声，则导频符号表示为：

其中

(6.3)将与相乘，其中表示的共轭，由于因此得到：

所以CFO的估计值由下式得到：

(6.4)根据频偏估计值对接收信号r[k]进行频偏补偿，得到频偏补偿后的接收信号重新经过串并转换、多相滤波、FFT、删除初始相位得到重复计算得到一次迭代之后的频偏估计值；

步骤(6)还包括：

(6.5)重复(6.4)N-1次，得到N次迭代之后的频偏估计值，N为整数，且N≥1；通过迭代，降低与导频列相邻的数据列和信道噪声对估计结果的影响；

步骤(7)的具体包括如下步骤：

(7.1)经过串并转换、多相滤波、FFT、删除初始相位得到经过频偏补偿后的频时格点(m₀,n₀)处的数据符号假设频偏完全补偿，则表示为：

(7.2)定义为信道在子载波m上的频率响应，多径信道最大时延Δ＜＜M时，每一个子载波上的信道频域响应与邻近子载波上的信道频域响应近似相等；同时，对于时频域聚焦性良好的原型滤波器而言，在多径时延[0,Δ]范围内，A_p(-τ,0)≈A_p(0,0)；考虑目标频时格点周围Ω_α,β＝{|(α,β)|≤(1,1)and(α,β)≠(0,0)}的频时格点，经过频偏补偿后的频时格点(m₀,n₀)处的数据符号进一步表示为：

其中表示所受到的内在干扰；

记并称为伪导频，信道估计的方法如下：

(7.3)首先假设与导频列相邻的数据列都为零保护列，进行信道参数的初步估计，对两列导频分别得到的信道估计结果求平均值，得到信道参数的初步估计值

步骤(7)还包括：

(7.4)步骤(7)还包括以下步骤：(7.4)利用对与导频列相邻的数据符号进行信道均衡，然后减去已知导频的干扰，对得到的第一、三、五列数据符号求平均值以减小噪声的干扰，并进行取实操作、判决，初步恢复出与导频列相邻的数据符号；

(7.5)对于位于第二列的导频，除了利用步骤(7.4)中解调出的与导频列相邻的数据符号外，还利用位于第四列导频的已知信息，重新计算伪导频进行信道估计得到作为信道参数的最终估计值。