專利名稱：一種多天線超寬帶系統信噪比估計方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，特別涉及一種多天線超寬帶系統信噪比估計方法。
背景技術：
超寬帶(UWB)技術是目前正被廣泛研究的一種新興無線通信技術。與其他無線通信技術相比，UWB技術具有傳輸速率高、系統容量大、抗多徑能力強、功耗低、成本低等優點。值得注意的是，UWB系統中主要的限制因素不是帶寬，而是其極低的功率譜密度。多天線傳輸技術可以在低傳輸功率消耗時增強系統的容量和改善系統的性能。因此，如果將多天線技術和UWB技術相結合，那么系統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非常重要的參數，它不僅可以輔助實現接收機的信道估計、均衡和軟譯碼，而且還可以反饋回發射端用以實現自適應編碼和調制。因此，在接收機對SNR進行估計是十分必要的。然而，目前關于分集系統中SNR估計問題的研究非常有限。一般地，SNR估計問題可以等效成信道估計和噪聲方差的估計問題。最小二乘信道估計方法(LS)具有簡單易執行的優勢，但傳統的最小均方誤差(MMSE)噪聲方差估計方法不能和最小二乘信道估計器同時使用。現有Boumard提出的噪聲方差估計方法雖然解決了MMSE方法不能和最小二乘信道估計同時使用的問題，但方法需假設相鄰子載波的信道頻域系數相等，在信道頻選性強時估計性能變差，所以不適用極度頻選的UWB信道。
發明內容
本發明的目的在于解決現有信噪比估計方法受制于信道慢頻選性(或信道小時延擴展)以及不能和簡單易執行的最小二乘信道估計方法同時使用的問題，提供一種對信道頻選性魯棒的多天線超寬帶系統的信噪比估計方法，以獲得較優的信噪比估計性能，并且執行復雜度不高。本發明為解決上述技術問題而提出一種多天線超寬帶系統信噪比估計方法，該方法的步驟如下(I).發射端首先按照類Alamouti的TR-STBC編碼方案原理對數據進行編碼，并按照空間復用方式分配導頻序列；(2).接收端依據導頻和數據的時分復用方式提取接收導頻信號，并按最小二乘準則估計導頻塊的子信道頻響；(3).利用最小二乘信道估計矢量來構造噪聲方差信息的數據矢量以得到噪聲方差息的估計值；(4).聯合最小二乘信道估計值和由其估計的噪聲方差信息計算多天線系統的信噪比估計值。所述的步驟(I)具體包括如下步驟
a.首先對多根發射天線數據塊進行類Alamouti的TR-STBC編碼；b.將編碼后的每一個數據塊前均添加循環前綴形成新的數據序列；c.將多根發射天線在“0”符號時刻和“I”符號時刻的導頻序列進行空時復用；d.每根發射天線對空時復用后的導頻序列插入循環前綴形成新的導頻序列；e.將由步驟b得到的數據 序列和步驟d得到的導頻序列按照時間復用的方式通過發射天線發射出去。所述的步驟⑴具體步驟如下a.首先對多根發射天線數據塊進行類Alamouti的TR-STBC編碼；b.將編碼后的每一個數據塊前均添加循環前綴形成新的數據序列；c.將多根發射天線在“0”符號時刻和“I”符號時刻的導頻序列進行空時復用；d.每根發射天線對空時復用后的導頻序列插入循環前綴形成新的導頻序列；e.將由步驟b得到的數據序列和步驟d得到的導頻序列按照時間復用的方式通過發射天線發射出去。所述的步驟(2)的具體步驟如下A.接收端按照發射端數據和導頻塊的時分復用模式提取接收導頻塊；B.將接收到的導頻信號的循環前綴去除后進行傅立葉變換，已得到該導頻的頻域信號;C.利用最小二乘準則對得到的頻域導頻信號進行處理，計算每個收發天線對子信道頻響的最小二乘估計，以得到該多天線子超寬帶系統的信道頻域響應矢量。所述的步驟(3)的具體步驟如下根據超寬帶信道的共軛對稱特性構造新的數據矢量；利用克拉美羅界定理計算噪聲方差信息，得到多天線UWB系統每個接收天線噪聲方差的估計值。所述的步驟(4)中采用的是信道頻域響應和噪聲方差信息計算信噪比的方法。本發明的有益效果是本發明首先通過對導頻序列進行空間復用，獲得了多天線UffB系統下的頻域最小二乘信道估計；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構造的噪聲采樣矢量對噪聲方差進行了估計；最后，聯合最小二乘信道估計和噪聲方差信息估計獲得了多天線UWB系統的信噪比信息。本發明方法可以和簡單易執行的最小二乘信道估計共同使用，所以復雜度低；又由于方法沒有假設信道在相鄰子載波具有恒定的頻響特性，所以比傳統方法獲得了更高的估計精度，且更適用于極度頻選的多天線UWB系統的實際場景。
圖I是本發明的多天線超寬帶系統信噪比估計方法的實施例的流程框圖；圖2是本發明的多天線超寬帶系統信噪比估計方法的實施例中三種信噪比估計方法的歸一化均方誤差性能比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。
本發明的一種多天線超寬帶系統信噪比估計方法的實施例我們以兩發射天線和兩接收天線的UWB系統為例來進行說明，其通信環境為頻選極度嚴重的UWB CM4信道，信道滿足幀衰落特性，每根發射天線傳輸模式相同，每一幀含有兩個前導頻塊和若干數據塊組成，數據塊長度和導頻塊相同，均為256，其循環前綴長度為 64，且導頻塊和數據塊之間是時分復用的，發射天線在“0”時刻和“I”時刻傳輸的導頻序列滿足空間復用。背景噪聲服從零均值的加性高斯分布。導頻符號采用時頻域恒模CAZAC序列。采用本發明方法進行信道估計的流程如圖I所示，具體的實施步驟如下1.發射端首先按照類Alamouti的TR-STBC編碼方案原理對長度為N的數據塊進行編碼，以獲得發射分集，然后每根發射天線對編碼后的數據塊插入CP。2.發射端以空間復用模式分配每根發射天線在“0”符號時刻和“I”符號時刻的導頻序列，以避免導頻傳輸期間天線間干擾對信道估計的影響，即發射天線i在“0”符號時刻和“1”符號時刻傳輸導頻序列塊分別為< (0),___,4(^-奵和4 (0),___,4巧-1)]'其中i = 1，2，且滿足W=-XX=X12，然后對每根發射天線的每個導頻塊插入CP。3.每根發射天線將步驟I)的若干個數據塊和步驟2)中的兩個導頻塊進行時分復用后組成一個完整的幀由發射天線發出。4.接收端每根天線首先對經過無線信道傳輸的幀進行時間解復用，提取導頻塊并去除循環前綴后，得到第j個接收天線第n個符號時刻的時域接收導頻信號矢量為
y= l，2;n = 0，l。其中，信道矩陣是第i個發射天線和第j個接收天線
/=1 ij
間子信道的循環To印Iitze矩陣，它由子信道時域沖激響應矢量Ilji = [^,(1),^,(2)..., ^i(L)]1生成。矢量Wj= [Wj(O), ...，Wj(N-I)]1是空時獨立的零均值、協方差矩陣為 cWj =Rw = 的高斯白噪聲矢量，且每個天線的噪聲方差在一幀內是常數。5.對時域接收導頻信號進行傅立葉變換得第j個接收天線第0和I符號時刻在第
YJ°(k) = YHji(k)X(k) + WJ°(k)
k個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
時域沖激響應Iiji在第k個頻率元處的頻域響應，k = 0, ---,N-l, Xf (k)^W"⑷分別是相應的導頻頻域信號和頻域噪聲元。為方便求解信道頻域響應，可將上述第j個接收天線兩個導頻
C。(^)1 =「xI (k) W]「Hji ㈨]「％。㈨-傳輸時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個接收天線第k個頻率元的接收信號矢量，第X(k)為第k個頻率元的導頻矩陣，W^k)為噪聲頻域矢量，其噪聲方差為=Ka2wj。6.由接收端已知發射端的第k個頻率元導頻符號X〗㈨構成的導頻矩陣X(k)
和步驟5 —起聯立求解上述方程，計算得到每個收發天線對子信道頻響的最小二乘估計
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存在，第
k個頻率元的導頻矩陣應可逆，即滿足空間復用條件<㈨尤⑷㈨，這里假設
,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
Al i ^ > = —M 4 I = A ■ I a = I j = I a ILA yK^) W . \ K )-\-W . (/Cl
yj \ /j \ ,成立。7.利用步驟6的最小二乘信道估計矢量構造如下關于噪聲方差信息的數據矢量
權利要求
1.一種多天線超寬帶系統信噪比估計方法，其特征在于該信噪比估計方法的步驟如下(1).發射端首先按照類Alamouti的TR-STBC編碼方案原理對數據進行編碼，并按照空間復用方式分配導頻序列；(2).接收端依據導頻和數據的時分復用方式提取接收導頻信號，并按最小二乘準則估計導頻塊的子信道頻響；(3).利用最小二乘信道估計矢量來構造噪聲方差信息的數據矢量以得到噪聲方差信息的估計值；(4).聯合最小二乘信道估計值和由其估計的噪聲方差信息聯合計算多天線系統的信噪比估計值。
2.根據權利要求I所述的多天線寬帶系統信噪比估計方法，其特征在于所述的步驟 (I)具體步驟如下a.首先對多根發射天線數據塊進行類Alamouti的TR-STBC編碼；b.將編碼后的每一個數據塊前均添加循環前綴形成新的數據序列；c.將多根發射天線在“0”符號時刻和“I”符號時刻的導頻序列進行空時復用；d.每根發射天線對空時復用后的導頻序列插入循環前綴形成新的導頻序列；e.將由步驟b得到的數據序列和步驟d得到的導頻序列按照時間復用的方式通過發射天線發射出去。
3.根據權利要求I或2所述的多天線寬帶系統信噪比估計方法，其特征在于所述的步驟(2)的具體步驟如下A.接收端按照發射端數據和導頻塊的時分復用模式提取接收導頻塊；B.將接收到的導頻信號的循環前綴去除后進行傅立葉變換，已得到該導頻的頻域信號;C.利用最小二乘準則對得到的頻域導頻信號進行處理，計算每個收發天線對子信道頻響的最小二乘估計，以得到該多天線子超寬帶系統的信道頻域響應矢量。
4.根據權利要求3所述的多天線寬帶系統信噪比估計方法，其特征在于所述的步驟(3)的具體步驟如下根據超寬帶信道的共軛對稱特性構造新的數據矢量；利用克拉美羅界定理計算噪聲方差信息，得到多天線UWB系統每個接收天線噪聲方差的估計值。
5.根據權利要求4所述的多天線寬帶系統信噪比估計方法，其特征在于所述的步驟(4)中采用的是信道頻域響應和噪聲方差信息計算信噪比的方法。
全文摘要
本發明涉及一種多天線超寬帶無線通信系統信噪比估計方法，該方法的步驟如下發射端在兩個塊傳輸期間傳輸導頻序列，不同發射天線的導頻序列滿足空間復用條件；接收端利用接收的導頻信號，按最小二乘準則估計多天線子信道頻率響應；然后根據超寬帶信道的共軛對稱特性，僅利用單個子信道的最小二乘信道估計構造的數據矢量和應用克拉美羅界定理即可估計噪聲方差信息；最后利用獲得的信道頻率響應和估計的噪聲方差信息計算系統的信噪比值。該方法和傳統信噪比估計方法相比，估計精度大大提高，不僅可以和簡單易執行的最小二乘信道估計器同時使用，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 優先權日2012年1月9日
發明者張雷鳴, 徐美玉, 楊雷, 王丹, 王勇 申請人:河南科技大學