專利名稱：一種多天線超寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多天線超寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
超寬帶(UWB)技術(shù)是目前正被廣泛研究的一種新興無線通信技術(shù)。與其他無線通信技術(shù)相比，UWB技術(shù)具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，UWB系統(tǒng)中主要的限制因素不是帶寬，而是其極低的功率譜密度。多天線傳輸技術(shù)可以在低傳輸功率消耗時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的容量和改善系統(tǒng)的性能。因此，如果將多天線技術(shù)和UWB技術(shù)相結(jié)合，那么系統(tǒng)可以獲得更高的傳輸率和可靠性，從而帶來更大的性能增益。信噪比(SNR)信息是無線通信系統(tǒng)非常重要的參數(shù)，它不僅可以輔助實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的信道估計(jì)、均衡和軟譯碼，而且還可以反饋回發(fā)射端用以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼和調(diào)制。因此，在接收機(jī)對SNR進(jìn)行估計(jì)是十分必要的。然而，目前關(guān)于分集系統(tǒng)中SNR估計(jì)問題的研究非常有限。一般地，SNR估計(jì)問題可以等效成信道估計(jì)和噪聲方差的估計(jì)問題。最小二乘信道估計(jì)方法(LS)具有簡單易執(zhí)行的優(yōu)勢，但傳統(tǒng)的最小均方誤差(MMSE)噪聲方差估計(jì)方法不能和最小二乘信道估計(jì)器同時(shí)使用?，F(xiàn)有Boumard提出的噪聲方差估計(jì)方法雖然解決了MMSE方法不能和最小二乘信道估計(jì)同時(shí)使用的問題，但方法需假設(shè)相鄰子載波的信道頻域系數(shù)相等，在信道頻選性強(qiáng)時(shí)估計(jì)性能變差，所以不適用極度頻選的UWB信道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有信噪比估計(jì)方法受制于信道慢頻選性(或信道小時(shí)延擴(kuò)展)以及不能和簡單易執(zhí)行的最小二乘信道估計(jì)方法同時(shí)使用的問題，提供一種對信道頻選性魯棒的多天線超寬帶系統(tǒng)的信噪比估計(jì)方法，以獲得較優(yōu)的信噪比估計(jì)性能，并且執(zhí)行復(fù)雜度不高。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提出一種多天線超寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法，該方法的步驟如下(I).發(fā)射端首先按照類Alamouti的TR-STBC編碼方案原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并按照空間復(fù)用方式分配導(dǎo)頻序列；(2).接收端依據(jù)導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)的時(shí)分復(fù)用方式提取接收導(dǎo)頻信號，并按最小二乘準(zhǔn)則估計(jì)導(dǎo)頻塊的子信道頻響；(3).利用最小二乘信道估計(jì)矢量來構(gòu)造噪聲方差信息的數(shù)據(jù)矢量以得到噪聲方差息的估計(jì)值；(4).聯(lián)合最小二乘信道估計(jì)值和由其估計(jì)的噪聲方差信息計(jì)算多天線系統(tǒng)的信噪比估計(jì)值。所述的步驟(I)具體包括如下步驟
a.首先對多根發(fā)射天線數(shù)據(jù)塊進(jìn)行類Alamouti的TR-STBC編碼；b.將編碼后的每一個(gè)數(shù)據(jù)塊前均添加循環(huán)前綴形成新的數(shù)據(jù)序列；c.將多根發(fā)射天線在“0”符號時(shí)刻和“I”符號時(shí)刻的導(dǎo)頻序列進(jìn)行空時(shí)復(fù)用；d.每根發(fā)射天線對空時(shí)復(fù)用后的導(dǎo)頻序列插入循環(huán)前綴形成新的導(dǎo)頻序列；e.將由步驟b得到的數(shù)據(jù) 序列和步驟d得到的導(dǎo)頻序列按照時(shí)間復(fù)用的方式通過發(fā)射天線發(fā)射出去。所述的步驟⑴具體步驟如下a.首先對多根發(fā)射天線數(shù)據(jù)塊進(jìn)行類Alamouti的TR-STBC編碼；b.將編碼后的每一個(gè)數(shù)據(jù)塊前均添加循環(huán)前綴形成新的數(shù)據(jù)序列；c.將多根發(fā)射天線在“0”符號時(shí)刻和“I”符號時(shí)刻的導(dǎo)頻序列進(jìn)行空時(shí)復(fù)用；d.每根發(fā)射天線對空時(shí)復(fù)用后的導(dǎo)頻序列插入循環(huán)前綴形成新的導(dǎo)頻序列；e.將由步驟b得到的數(shù)據(jù)序列和步驟d得到的導(dǎo)頻序列按照時(shí)間復(fù)用的方式通過發(fā)射天線發(fā)射出去。所述的步驟(2)的具體步驟如下A.接收端按照發(fā)射端數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻塊的時(shí)分復(fù)用模式提取接收導(dǎo)頻塊；B.將接收到的導(dǎo)頻信號的循環(huán)前綴去除后進(jìn)行傅立葉變換，已得到該導(dǎo)頻的頻域信號;C.利用最小二乘準(zhǔn)則對得到的頻域?qū)ьl信號進(jìn)行處理，計(jì)算每個(gè)收發(fā)天線對子信道頻響的最小二乘估計(jì)，以得到該多天線子超寬帶系統(tǒng)的信道頻域響應(yīng)矢量。所述的步驟(3)的具體步驟如下根據(jù)超寬帶信道的共軛對稱特性構(gòu)造新的數(shù)據(jù)矢量；利用克拉美羅界定理計(jì)算噪聲方差信息，得到多天線UWB系統(tǒng)每個(gè)接收天線噪聲方差的估計(jì)值。所述的步驟(4)中采用的是信道頻域響應(yīng)和噪聲方差信息計(jì)算信噪比的方法。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明首先通過對導(dǎo)頻序列進(jìn)行空間復(fù)用，獲得了多天線UffB系統(tǒng)下的頻域最小二乘信道估計(jì)；然后，通過利用UWB信道的共軛對稱特性，使用最小二乘信道估計(jì)構(gòu)造的噪聲采樣矢量對噪聲方差進(jìn)行了估計(jì)；最后，聯(lián)合最小二乘信道估計(jì)和噪聲方差信息估計(jì)獲得了多天線UWB系統(tǒng)的信噪比信息。本發(fā)明方法可以和簡單易執(zhí)行的最小二乘信道估計(jì)共同使用，所以復(fù)雜度低；又由于方法沒有假設(shè)信道在相鄰子載波具有恒定的頻響特性，所以比傳統(tǒng)方法獲得了更高的估計(jì)精度，且更適用于極度頻選的多天線UWB系統(tǒng)的實(shí)際場景。


圖I是本發(fā)明的多天線超寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法的實(shí)施例的流程框圖；圖2是本發(fā)明的多天線超寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法的實(shí)施例中三種信噪比估計(jì)方法的歸一化均方誤差性能比較圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的一種多天線超寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法的實(shí)施例我們以兩發(fā)射天線和兩接收天線的UWB系統(tǒng)為例來進(jìn)行說明，其通信環(huán)境為頻選極度嚴(yán)重的UWB CM4信道，信道滿足幀衰落特性，每根發(fā)射天線傳輸模式相同，每一幀含有兩個(gè)前導(dǎo)頻塊和若干數(shù)據(jù)塊組成，數(shù)據(jù)塊長度和導(dǎo)頻塊相同，均為256，其循環(huán)前綴長度為 64，且導(dǎo)頻塊和數(shù)據(jù)塊之間是時(shí)分復(fù)用的，發(fā)射天線在“0”時(shí)刻和“I”時(shí)刻傳輸?shù)膶?dǎo)頻序列滿足空間復(fù)用。背景噪聲服從零均值的加性高斯分布。導(dǎo)頻符號采用時(shí)頻域恒模CAZAC序列。采用本發(fā)明方法進(jìn)行信道估計(jì)的流程如圖I所示，具體的實(shí)施步驟如下1.發(fā)射端首先按照類Alamouti的TR-STBC編碼方案原理對長度為N的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，以獲得發(fā)射分集，然后每根發(fā)射天線對編碼后的數(shù)據(jù)塊插入CP。2.發(fā)射端以空間復(fù)用模式分配每根發(fā)射天線在“0”符號時(shí)刻和“I”符號時(shí)刻的導(dǎo)頻序列，以避免導(dǎo)頻傳輸期間天線間干擾對信道估計(jì)的影響，即發(fā)射天線i在“0”符號時(shí)刻和“1”符號時(shí)刻傳輸導(dǎo)頻序列塊分別為< (0),___,4(^-奵和4 (0),___,4巧-1)]'其中i = 1，2，且滿足W=-XX=X12，然后對每根發(fā)射天線的每個(gè)導(dǎo)頻塊插入CP。3.每根發(fā)射天線將步驟I)的若干個(gè)數(shù)據(jù)塊和步驟2)中的兩個(gè)導(dǎo)頻塊進(jìn)行時(shí)分復(fù)用后組成一個(gè)完整的幀由發(fā)射天線發(fā)出。4.接收端每根天線首先對經(jīng)過無線信道傳輸?shù)膸M(jìn)行時(shí)間解復(fù)用，提取導(dǎo)頻塊并去除循環(huán)前綴后，得到第j個(gè)接收天線第n個(gè)符號時(shí)刻的時(shí)域接收導(dǎo)頻信號矢量為
y= l，2;n = 0，l。其中，信道矩陣是第i個(gè)發(fā)射天線和第j個(gè)接收天線
/=1 ij
間子信道的循環(huán)To印Iitze矩陣，它由子信道時(shí)域沖激響應(yīng)矢量Ilji = [^,(1),^,(2)..., ^i(L)]1生成。矢量Wj= [Wj(O), ...，Wj(N-I)]1是空時(shí)獨(dú)立的零均值、協(xié)方差矩陣為 cWj =Rw = 的高斯白噪聲矢量，且每個(gè)天線的噪聲方差在一幀內(nèi)是常數(shù)。5.對時(shí)域接收導(dǎo)頻信號進(jìn)行傅立葉變換得第j個(gè)接收天線第0和I符號時(shí)刻在第
YJ°(k) = YHji(k)X(k) + WJ°(k)
k個(gè)子載波處的頻域接收信號為，其中j = 1，2，Hji (k)是信道
Y^(k) = YHAk)X'(k) + Wj(k)
、 /=1
時(shí)域沖激響應(yīng)Iiji在第k個(gè)頻率元處的頻域響應(yīng)，k = 0, ---,N-l, Xf (k)^W"⑷分別是相應(yīng)的導(dǎo)頻頻域信號和頻域噪聲元。為方便求解信道頻域響應(yīng)，可將上述第j個(gè)接收天線兩個(gè)導(dǎo)頻
C。(^)1 =「xI (k) W]「Hji ㈨]「％。㈨-傳輸時(shí)刻頻域接收信號方程整理成矩陣形式為義⑷__ X11^) X\{k) [Hn{k)\+ W]{k)_^
、---/ 、-v----/ 、-V-‘
YjWX(i)Hj (i)Wj ⑷
=1，2。其中，Y^k)為第j個(gè)接收天線第k個(gè)頻率元的接收信號矢量，第X(k)為第k個(gè)頻率元的導(dǎo)頻矩陣，W^k)為噪聲頻域矢量，其噪聲方差為=Ka2wj。6.由接收端已知發(fā)射端的第k個(gè)頻率元導(dǎo)頻符號X〗㈨構(gòu)成的導(dǎo)頻矩陣X(k)
和步驟5 —起聯(lián)立求解上述方程，計(jì)算得到每個(gè)收發(fā)天線對子信道頻響的最小二乘估計(jì)
為化⑷= X-1⑷Y7.⑷,k = 0，…，K-I, j = 1，2。為使子信道頻響最小二乘估計(jì)存在，第
k個(gè)頻率元的導(dǎo)頻矩陣應(yīng)可逆，即滿足空間復(fù)用條件<㈨尤⑷㈨，這里假設(shè)
,I ⑷-力1⑷]
%■<' -, i-N yl s Ir. 1^1 N \K s. vr- r- 則有 _/ (左)Hy (左)+ m、Tjro /i\ Tj/1 /i\ ’ k 0， ，K I
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yj \ /j \ ,成立。7.利用步驟6的最小二乘信道估計(jì)矢量構(gòu)造如下關(guān)于噪聲方差信息的數(shù)據(jù)矢量
權(quán)利要求
1.一種多天線超寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法，其特征在于該信噪比估計(jì)方法的步驟如下(1).發(fā)射端首先按照類Alamouti的TR-STBC編碼方案原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并按照空間復(fù)用方式分配導(dǎo)頻序列；(2).接收端依據(jù)導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)的時(shí)分復(fù)用方式提取接收導(dǎo)頻信號，并按最小二乘準(zhǔn)則估計(jì)導(dǎo)頻塊的子信道頻響；(3).利用最小二乘信道估計(jì)矢量來構(gòu)造噪聲方差信息的數(shù)據(jù)矢量以得到噪聲方差信息的估計(jì)值；(4).聯(lián)合最小二乘信道估計(jì)值和由其估計(jì)的噪聲方差信息聯(lián)合計(jì)算多天線系統(tǒng)的信噪比估計(jì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多天線寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法，其特征在于所述的步驟 (I)具體步驟如下a.首先對多根發(fā)射天線數(shù)據(jù)塊進(jìn)行類Alamouti的TR-STBC編碼；b.將編碼后的每一個(gè)數(shù)據(jù)塊前均添加循環(huán)前綴形成新的數(shù)據(jù)序列；c.將多根發(fā)射天線在“0”符號時(shí)刻和“I”符號時(shí)刻的導(dǎo)頻序列進(jìn)行空時(shí)復(fù)用；d.每根發(fā)射天線對空時(shí)復(fù)用后的導(dǎo)頻序列插入循環(huán)前綴形成新的導(dǎo)頻序列；e.將由步驟b得到的數(shù)據(jù)序列和步驟d得到的導(dǎo)頻序列按照時(shí)間復(fù)用的方式通過發(fā)射天線發(fā)射出去。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的多天線寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法，其特征在于所述的步驟(2)的具體步驟如下A.接收端按照發(fā)射端數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻塊的時(shí)分復(fù)用模式提取接收導(dǎo)頻塊；B.將接收到的導(dǎo)頻信號的循環(huán)前綴去除后進(jìn)行傅立葉變換，已得到該導(dǎo)頻的頻域信號;C.利用最小二乘準(zhǔn)則對得到的頻域?qū)ьl信號進(jìn)行處理，計(jì)算每個(gè)收發(fā)天線對子信道頻響的最小二乘估計(jì)，以得到該多天線子超寬帶系統(tǒng)的信道頻域響應(yīng)矢量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多天線寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法，其特征在于所述的步驟(3)的具體步驟如下根據(jù)超寬帶信道的共軛對稱特性構(gòu)造新的數(shù)據(jù)矢量；利用克拉美羅界定理計(jì)算噪聲方差信息，得到多天線UWB系統(tǒng)每個(gè)接收天線噪聲方差的估計(jì)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多天線寬帶系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法，其特征在于所述的步驟(4)中采用的是信道頻域響應(yīng)和噪聲方差信息計(jì)算信噪比的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多天線超寬帶無線通信系統(tǒng)信噪比估計(jì)方法，該方法的步驟如下發(fā)射端在兩個(gè)塊傳輸期間傳輸導(dǎo)頻序列，不同發(fā)射天線的導(dǎo)頻序列滿足空間復(fù)用條件；接收端利用接收的導(dǎo)頻信號，按最小二乘準(zhǔn)則估計(jì)多天線子信道頻率響應(yīng)；然后根據(jù)超寬帶信道的共軛對稱特性，僅利用單個(gè)子信道的最小二乘信道估計(jì)構(gòu)造的數(shù)據(jù)矢量和應(yīng)用克拉美羅界定理即可估計(jì)噪聲方差信息；最后利用獲得的信道頻率響應(yīng)和估計(jì)的噪聲方差信息計(jì)算系統(tǒng)的信噪比值。該方法和傳統(tǒng)信噪比估計(jì)方法相比，估計(jì)精度大大提高，不僅可以和簡單易執(zhí)行的最小二乘信道估計(jì)器同時(shí)使用，并且特別適用于極度頻選的多天線超寬帶信道。
文檔編號H04L25/03GK102624659SQ201210004389
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者張雷鳴, 徐美玉, 楊雷, 王丹, 王勇 申請人:河南科技大學(xué)