專利名稱：認知無線電中基于稀疏信道估計的導頻設計方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，涉及認知無線電系統，尤其涉及認知無線電中基于稀疏信道估計的導頻設計方法。
背景技術：
快速發展的移動通信系統及各類通信業務，對頻譜資源提出了更高的需求，頻譜資源的短缺日益顯著。而另一方面，已獲得授權的頻段沒有得到充分利用，大量頻段處于閑置或者很少利用的狀態。由此，產生了一種認知無線電(Cognitive Radio，CR)技術。利用該技術，在保障授權用戶優先使用其頻段的前提下，其他用戶也可使用這些頻段；因此，該技術有望在不開辟新頻段的情況下，大幅提高現有頻段的頻譜利用率。正交頻分復用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,0FDM)作為當前 移動通信及未來無線通信的核心技術，能有效對抗無線傳播中的多徑效應、簡化均衡器設計、降低接收機復雜度和功耗并提高頻譜利用率。OFDM利用多個子載波并行傳輸數據，能靈活的填充頻譜空穴；那些與授權用戶發生頻段沖突的OFDM子載波可隨時停用，而剩下的子載波則繼續用于非授權用戶的數據傳輸，因此，OFDM是ー項適用于認知無線電的重要技木。OFDM信道估計對信號傳輸所經歷的信道的時延、衰減、多徑等參數進行估測，信道估計的準確程度對信道均衡、解調和信道譯碼等均有直接的影響。因此，信道估計技術是OFDM系統的關鍵環節之一。最近新出現的稀疏信道估計(Sparse Channel Estimation)或者稱為壓縮信道感知(Compressed Channel Sensing),它利用無線信道的稀疏性,將壓縮感知(Compressed Sensing, CS)技術用于信道估計。相比傳統的最小ニ乘(LeastSquares, LS)或最小均方誤差(Minimum Mean Square Error, MMSE)信道估計,稀疏信道估計能大幅度降低導頻開銷，提高頻譜利用率和信道估計精度。考慮到無線信道的時延擴展和接收機前端較高的采樣率，信道多徑分量分散于這ー時延擴展中，經過采樣以后的信道沖擊響應(Channel Impulse Response, CIR)序列通常呈現大多數為零、少數非零的稀疏性，尤其對于普遍使用過采樣技術的OFDM系統，這ー稀疏特性更為明顯。目前，正交匹配追蹤(Orthogonal Matching Pursuit, 0MP)、壓縮米樣匹配追蹤(Compressive SamplingMatching Pursuit, CoSaMP)、基追蹤(Basis Pursuit, BP)、迭代支集檢測(iterativesupport detection, ISD)等算法已被用于OFDM稀疏信道估計，并獲得了比LS和MMSE更好的信道估計性能。然而，基于稀疏信道估計的OFDM導頻設計，仍然是ー個開放性的課題，尤其在采用OFDM和稀疏信道估計的認知無線電系統中，與授權用戶發生頻段沖突的ー些OFDM子載波停用以后。現有技術考慮了ー種非連續OFDM系統中基于壓縮感知的信道估計方法，該方法包括設計信道估計導頻圖案、導頻圖案的選取和信道頻域響應的估計。導頻圖案選擇使用以下兩種方案。方案一保留了傳統的均勻導頻圖案，禁用子載波處的導頻自然禁用，從而使可用導頻呈現自然的不均勻性。方案ニ采用固定導頻數量，基于恢復矩陣互相關最小化的準則，以更少的導頻獲得優于目前其他方法的信道估計性能和系統誤碼率性能。該方法可以在多種禁用子載波場景下，以更少的導頻獲得優于目前其他方法的信道估計性能和系統誤碼率性能。但是，方案ニ采用“隨機搜索”算法獲取導頻排布，效率低下，在實際應用中無法保證系統性能。

發明內容
本發明為采用OFDM和稀疏信道估計的認知無線電系統提供ー種導頻設計方法。它可對稀疏信道估計進行導頻優化，提高OFDM稀疏信道估計的均方誤差和誤碼率性能，從而提聞認知無線電系統性能。本發明提供了一種認知無線電中基于稀疏信道估計的導頻設計方法，包括從頻譜感知獲得的可用子載波構成的集合C中，隨機選擇子載波構成ー組初始導頻排布P，根據C和P生成候選集并從所述候選集中選取P中每個元素位置上的最佳元素，并進ー步從這些最佳元素中選取ー個最好的元素，找到該最好元素對應的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成ー組新的導頻排布Pi;根據C和Pl生成新的候選集，重復以上的操作，直到形成的新的導頻排布保持不變為止。保持不變的導頻排布稱為優選導頻。多次重復執行上述步驟，并選取多次重復過程中獲得的優選導頻中最好的ー個，確定為優化導頻排布。本發明具有如下有益效果一)根據互相關性選取初始導頻排布各元素位置上的最佳元素進而選取最好元素并實施替換，生成優選導頻排布，在多種優選導頻排布中選取其中互相關性最小的ー個作為優化導頻排布，能夠最小化測量矩陣的互相關且具有更快的收斂速度；ニ)導頻排布的每個元素位置的最佳元素的選取可并行實施，從而提高效率。三)根據優化導頻排布進行稀疏信道估計，能夠提升OFDM稀疏信道估計的均方誤差和誤碼率性能，從而提高認知無線電系統性能。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發明的應用環境——采用OFDM的認知無線電系統，該系統框圖如圖所示；圖2是本發明的一種認知無線電中基于稀疏信道估計的導頻設計方法的實施例流程示意圖；圖3是本發明選取導頻排布中ー個元素位置上最佳元素的方法流程示意圖；
圖4是本發明與隨機搜索的收斂性能比較結果圖；圖5是本發明與隨機搜索的的均方誤差性能比較結果圖；圖6是本發明與隨機搜索的的誤比特率性能比較結果圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。圖I是本發明的應用環境——采用OFDM的認知無線電系統，該系統框圖如圖所示。在發送數據前，需進行頻譜感知，獲得當前可用的子載波集合C，利用本發明所提出的方法從C中選取ー組優化導頻排布，將導頻符號放置到相應的子載波位置，而C中剩下的子載波可用于數據傳輸。在完成導頻設計和子載波分配以后，待發送的數據依次通過星座點映射、井串轉換、快速傅立葉反變換(IFFT)、井串轉換、插入保護間隔和上變頻等模塊，實現OFDM調制，并將數據發射到可用的頻段上。在數據接收端，依次通過下變頻、去除保護間隔、串并轉換、快速傅立葉變化(FFT)、稀疏信道估計、信道均衡、井串轉換和星座點解映射等模塊，實現OFDM解調。其中，稀疏信道估計利用導頻位置上的接收信號和壓縮感知技木，對信道沖擊響應進行稀疏重建。 圖2是本發明的一種認知無線電中基于稀疏信道估計的導頻設計方法的實施例流程示意圖，參照圖2，該方法包括Wl :從頻譜感知獲得的可用子載波構成的集合C中，隨機選擇子載波構成ー組初始導頻排布P。在本實施例的一種實現方式中，OFDM子載波數目為Z，在數據發射前，通過頻譜感知獲得N (N含Z)個可用子載波構成的集合為C=W1, d2，d3……dN}，滿足I含もくもくもく…<dN含Z0導頻數目為M(M〈N)，從集合C中隨機選取M個元素，構成長度為M的向量P={k1;k2, k3......kM}。向量P即初始導頻排布,它包含M個元素,對應于M個元素位置。W2 :根據C和P生成候選集T15AT中選取P中每個元素位置上的最佳元素，并進一步從這些最佳元素中選取ー個最好的元素，找到該最好元素對應的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成一組新的導頻排布P1O在本實施例中，首先根據C和P生成候選集T，從T中選取P中每個元素位置上的最佳元素。該步僅僅是元素選取，沒有涉及元素替換。其流程參照圖3，圖3是本發明選取導頻排布中ー個元素位置上最佳元素的方法流程示意圖，該方法包括Vl :定義變動元素和固定元素，具體地，將P中待選取最佳元素的元素位置上的元素定義為變動元素，將P中當前元素位置之外的元素位置上的元素定義為固定元素；V2 :計算候選集，具體地，計算集合C與固定元素組成的集合的差集生成候選集；V3 :選取最佳元素，具體地，分別用候選集中的每個元素替換變動元素，計算每次發生替換后的導頻排布的目標函數(即g(P)值，對于g(P)的說明請參照下文相應說明)，并將使目標函數值最小的元素作為當前元素位置上的最佳元素。在本實施例中，對于目標函數g (P)的計算，具體包括設OFDM子載波數目為Z，在數據發射前，通過認知無線電系統的頻譜感知，獲得N(N含Z)個可用子載波構成的集合為C=W1, d2，d3……dN}，滿足I含d1<d2<d3<-<dN含Z0導頻數目為M (M〈N)，從集合C中隨機選取M個元素，構成長度為M的向量P= {k1; k2，k3……kM}，滿足I彡!^〈!^〈…〈!^彡Z。發射的導頻符號記為X (り，X (k2)，...，X (kM)，接收到的導頻符號記為YGO，Y(k2)，…，Y(kM)。則OFDM的頻域信道估計問題可寫為
權利要求
1.一種認知無線電中基于稀疏信道估計的導頻設計方法，其特征在于，所述方法包括 從頻譜感知獲得的可用子載波構成的集合C中，隨機選擇子載波構成一組初始導頻排布P，根據C和P生成候選集并從所述候選集中選取P中每個元素位置上的最佳元素，并進一步從這些最佳元素中選取一個最好的元素，找到該最好元素對應的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成一組新的導頻排布P1;根據C和P1生成新的候選集，重復以上的操作，直到形成的新的導頻排布保持不變為止，保持不變的導頻排布稱為優選導頻；多次重復執行上述步驟，并選取多次重復過程中獲得的優選導頻中最好的一個，確定為優化導頻排布。
2.如權利要求I所述方法，其特征在于，所述選取導頻排布P的一個元素位置上的最佳元素，包括 將P中需要確定最佳元素的當前元素位置上的元素定義為變動元素，將P中當前元素位置之外的元素位置上的元素定義為固定元素；通過計算所述可用子載波集合C與所述固定元素組成的集合的差集生成所述候選集；分別用所述候選集中的每個元素替換所述變動元素，計算每次發生替換后的導頻排布的目標函數值，并將使目標函數值最優的元素確定為當前元素位置上的最佳元素。
3.如權利要求I所述根據所述可用子載波集合C和所述導頻排布形成新的導頻排布和新的候選集并重復這一操作直到形成的新的導頻排布保持不變為止，其中，新的導頻排布保持不變，包括 新形成的導頻排布每個元素位置上的元素，均與前一次形成的導頻排布每個元素位置上的元素對應相同。
4.一種認知無線電中的稀疏信道估計方法，其特征在于，所述方法包括 發射端根據權利要求I所述方法確定的優化導頻排布，將導頻符號放置到相應的子載波位置；接收端基于壓縮感知技術進行信道估計。
全文摘要
本發明公開了一種認知無線電中基于稀疏信道估計的導頻設計方法。其中所述方法包括從頻譜感知獲得的可用子載波構成的集合C中，隨機選擇子載波構成一組初始導頻排布P，根據C和P生成候選集并從所述候選集中選取P中每個元素位置上的最佳元素，并進一步從這些最佳元素中選取一個最好的元素，找到該最好元素對應的元素位置，用該最好元素替換該位置上原來的元素，并保持P其他位置上的元素不變，形成一組新的導頻排布P1；根據C和P1生成新的候選集，重復以上的操作，直到形成的新的導頻排布保持不變為止。保持不變的導頻排布稱為優選導頻。多次重復執行上述步驟，并選取多次重復過程中獲得的優選導頻中最好的一個，確定為優化導頻排布。采用本發明，具有收斂速度快、可并行運算、均方誤差和誤碼率性能好等優點。
文檔編號H04L5/00GK102833058SQ20121035260
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者戚晨皓, 吳樂南, 黃永明 申請人:東南大學