NAVDAT中基于奇偶交替导频序列的信道估计方法

摘要

本发明提出了一种NAVDAT中基于奇偶交替导频序列的信道估计方法，该方法包括如下步骤：（1）在NAVDAT发送端，每个OFDM符号的子载波上按照特定规则等间隔插入导频序列；（2）在NAVDAT接收端，采用最小二乘方法估计出导频位置的信道冲激响应；（3）通过线性内插算法估计出每个OFDM符号奇数序号子载波的信道冲激响应；（4）通过基于低通滤波器的内插算法估计出全部的信道冲激响应；本发明充分利用了相邻OFDM符号的信道特性来估计每个OFDM符号奇数序号子载波的信道冲激响应，相比于具有相同导频间隔的梳状分布导频插入方式，在基本不降低数据传输效率的情况下，进一步提高了信道估计的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线移动数字通信系统的导频设计与信道估计方法，尤其 涉及在信道相干时间较长的情况下，利用奇偶交替导频序列提高频谱利用率以 及信道估计准确度，一种应用于NAVDAT(Navigational Data、导航数据)数字 通信系统中的导频设计与信道估计方法。

背景技术

NAVDAT数字通信系统是一种工作在500KHz频段，用于海上移动服务、以 确保海上安全和从岸基到船只相关信息安全传输的数字广播系统。该数字通信 系统为各种类型的消息提供了广播传输服务，并且具有加密性。其中广播的消 息包括但不限于航海安全、信息安全、海盗行为、搜救以及船舶交通系统文件 传输等。NAVDAT数字系统的500KHz工作频段为数据广播信号提供了良好的覆盖， 可以为从岸基到船舶的信息广播实现高速的数据传输以提高操作效率和航海安 全。

NAVDAT数字通信系统物理层采用的核心技术是OFDM(正交频分复用)技 术，其基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，利用多个子 载波上同时进行传输，各个子载波相互正交。通过调制之后的频谱相互重叠， 在接收端可以利用各个子载波的正交性分离出各个子载波的数据信息，这种技 术可以有效提高频谱利用率，同时抵抗无线信道的衰落。

在无线通信系统中，通信的可靠性受到无线信道的制约，收发之间传播路 径比有线信道要复杂的多，信道特性存在很大的随机性，从而导致OFDM信号的 相位旋转和幅度畸变,造成传输性能的损失，所以精确的信道估计是不可或缺 的。

OFDM系统的信道估计技术可以分为几大类：全盲或半盲信道估计、导频辅 助信道估计、基于判决反馈的信道估计等。基于导频辅助的信道估计方法是在 数据部分加入导频信息，在接收端通过相应的估计准则求出导频位置的信道信 息，然后恢复出所有子载波位置上的信道信息，最后通过信道的均衡和信道译 码等技术，增加信号传输的鲁棒性。

导频的插入方式会影响信道估计的准确性和信号传输效率。若使用过多的 导频，信号的传输效率将会大大下降。反之，信道估计的准确度则会降低。NAVDAT 数字通信系统的应用场景是海岸到船舶，广阔海面上的信道衰落与多径效应相 比于山区和城市要小，所以较大的导频的间隔可以获得相对较好的信道估计准 确度。另外，海面环境的信道相干时间较长，可以充分利用相邻OFDM符号的信 道特性进一步提高信道估计的准确性。

发明内容

本发明的目的是针对海岸到近海船舶信道特点，提供一种NAVDAT中基于奇 偶交替导频序列的信道估计方法，该方法可以充分利用相邻OFDM符号的信道特 性进一步提高信道估计的准确性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种NAVDAT中基于奇 偶交替导频序列的信道估计方法，具体包括如下步骤：

(1)在NAVDAT发送端，设置一个NAVDAT数据帧的帧长为m个OFDM符号，每 个OFDM符号的子载波数为n个，其中m、n均为正偶数；在NAVDAT数据帧中每 个OFDM符号的频域上按照以下规则插入导频序列：

(1.1)对于NAVDAT数据帧中的第1个和最后1个OFDM符号，在这两个OFDM 符号的频域的奇数序号(1,3,…,n-1)子载波位置上插入随机导频序列，插入随 机导频序列的数量为n/2个，其余位置插入传输数据；

(1.2)除去NAVDAT数据帧中的最后1个OFDM符号，对于NAVDAT数据帧 中偶数序号(2,4,…,m-2)的OFDM符号，每个OFDM符号的频域从第3个子 载波开始按照间隔为3个子载波的距离插入随机导频序列，插入随机导频序列 的数量为n/4个，其余的位置插入传输数据。

(1.3)除去NAVDAT数据帧中的第1个OFDM符号，对于NAVDAT数据帧中 奇数序号(1,3,…,m-1)的OFDM符号，每个OFDM符号的频域从第1个子载 波开始按照间隔为3个子载波的距离插入随机导频序列，插入随机导频序列的 数量为n/4个，其余的位置插入传输数据。

(2)在NAVDAT接收端，采用最小二乘方法估计出导频位置的信道冲激响应；

令X_p＝diag{A_p(0),A_p(1),...,A_p(N_p-1)}，其中，A_p为发送端随机导频序列，X_p为 对角化后的随机导频序列，N_p为随机导频序列个数，A_p(0)为发送端随机导频序 列中第1个导频值，A_p(1)为发送端随机导频序列中第2个导频值，A_p(N_p-1)为 发送端随机导频序列中第N_p个导频值；根据可以得到：

其中，为利用最小二乘算法估计得到导频位置的信道冲激响应所组成的 向量，Y_p为接收端接收到导频位置上的值所组成的向量，H_p为实际导频位置的 信道冲激响应所组成的向量，W_p是导频位置上的频域噪声；在频域中进行最小 二乘算法估计，只需要知道X_p和Y_p，就可以得到

(3)通过线性内插算法估计出每个OFDM符号奇数序号子载波的信道冲激响 应；

所述线性内插算法为：

对于数据帧所有OFDM符号，除了导频位置以外，所有奇数序号子载波位置 的信道冲激响应由与其相邻的前后两个OFDM符号上相同位置子载波的信道冲激 响应进行平均运算得到；

(4)通过基于低通滤波器的内插算法估计出全部的信道冲激响应；

基于低通滤波器的内插算法，该方法具体如下：

(4.1)由步骤3中得到的在每个OFDM符号偶数序号子载波位置进行 插零，从而构造出一个新的长度为n的信道响应序列

(4.2)对进行频偏预处理，得到频偏预处理后的信道响应序列

(4.3)对进行低通滤波处理；

(4.4)把滤波完成后的信道冲激响应的频偏信息消除，得到完整的信道冲 激响应

进一步地，所述一个NAVDAT数据帧的帧长为m个OFDM符号，m的优选值为 32。

进一步地，所述每个OFDM符号的子载波数为n个，n的优选值为232。

本发明具有的有益效果是：充分考虑海岸到近海船舶信道特点，设计特定 的导频插入方式；海岸到近海船舶是海洋环境为主，广阔的海面上障碍物比较 少，信道衰落与多径效应相比于山区和城市要小，所以较大的导频间隔可以获 得相对较好的信道估计准确度；另外，近海环境的信道相干时间较长，采用奇 偶交替导频序列结构插入方式，充分利用了相邻OFDM符号的信道特性来估计每 个OFDM符号奇数序号子载波的信道冲激响应，相比于具有相同导频间隔的梳状 分布导频插入方式，在基本不降低数据传输效率的情况下，进一步提高了信道 估计的准确性。

附图说明

图1是梳状分布导频插入方式示意图；

图2是本发明中一个DAVDAT数据帧导频插入方式示意图；

图3是估计导频位置信道冲激响应过程图；

图4是导频位置信道冲激响应示意图；

图5是线性内插后奇数序号子载波信道冲激响应示意图；

图6是基于低通滤波器的内插过程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点变得更加清晰，接下来将结合附图对技术 方案的具体实施方式作更加详细地说明：

OFDM符号的传输可以看成是一个时域-频域的二维传输结构，在时域以一个 OFDM符号周期为单位，在频域以一个子载波为单位。考虑这种二维传输特性， 我们可以在时频域阵列中选择插入导频信号。在实际应用中，考虑接收机的复 杂度，以及在短波天波信道环境，多普勒频偏相对较大，因此天波信道中更适 合选用梳状分布的导频方案，如图1所示。图中，t代表着时域方向，f代表着 频域方向；黑色圆表示导频符号，空白圆则表示数据符号。

如图2所示，每一行代表一个OFDM符号，每一列代表OFDM的子载波。本 发明针对海岸到近海船舶广播信道特点对常规的梳状分布导频进行修改以提高 信道估计的准确度，提出一种NAVDAT中基于奇偶交替导频序列的信道估计方法， 该方法可以充分利用相邻OFDM符号的信道特性进一步提高信道估计的准确性具 体，具体包括如下步骤：

1、在NAVDAT发送端，设置一个NAVDAT数据帧的帧长为32个OFDM符号， 每个OFDM符号的子载波数为232个；在NAVDAT数据帧中每个OFDM符号的频域 上按照特定规则插入导频序列；

所述按照特定规则插入导频序列的方法为：

对于NAVDAT数据帧中的第1个和最后1个OFDM符号，在这两个OFDM符号 的频域的奇数序号(1,3,…,231)子载波位置上插入随机导频序列，插入随机导 频序列的数量为116个，其余位置插入传输数据；

除去NAVDAT数据帧中的最后1个OFDM符号，对于NAVDAT数据帧中偶数序 号(2,4,…,30)的OFDM符号，每个OFDM符号的频域从第3个子载波开始按照 间隔为3个子载波的距离插入随机导频序列，即在序号为3,7,11,…,231的子 载波位置上插入随机导频序列，插入随机导频序列的数量为58个，其余的位置 插入传输数据。

除去NAVDAT数据帧中的第1个OFDM符号，对于NAVDAT数据帧中奇数序号 (1,3,…,31)的OFDM符号，每个OFDM符号的频域从第1个子载波开始按照间 隔为3个子载波的距离插入随机导频序列，即在序号为1,5,9，…,229的子载 波上插入导频序列，插入随机导频序列的数量为58个，其余的位置插入传输数 据。

图2是插入随机导频序列和传输数据后，NAVDAT数据帧的时域-频域的二维 帧结构，可以清晰地反映出导频插入的方式。

2、在NAVDAT接收端，采用最小二乘方法估计出导频位置的信道冲激响应

基于导频的信道估计性能是通过估计出的信道和实际信道之间的误差来衡 量，如图3所示。对估计误差的衡量准则不同可以得到不同的 估计算法，Y_p为接收端接收到导频位置上的值所组成的向量，为接收端接 收到导频位置上的估计值所组成的向量；本发明基于最小二乘算法对估计误差 e(n)进行衡量；

令X_p＝diag{A_p(0),A_p(1),...,A_p(N_p-1)}，其中，A_p为发送端随机导频序列，X_p为 对角化后的随机导频序列，N_p为随机导频序列个数，A_p(0)为发送端随机导频序 列中第1个导频值，A_p(1)为发送端随机导频序列中第2个导频值，A_p(N_p-1)为 发送端随机导频序列中第N_p个导频值；根据可以得到：

其中，为利用最小二乘算法估计得到导频位置的信道冲激响应所组成的 向量，H_p为实际导频位置的信道冲激响应所组成的向量，W_p是导频位置上的 频域噪声；在频域中进行最小二乘算法估计，只需要知道X_p和Y_p，就可以得到 因此利用最小二乘算法的信道估计算法具有结构简单，且计算量小的优点。 图4表示利用最小二乘估计后导频处信道冲激响应估计结果；

3、通过线性内插算法估计出每个OFDM符号奇数序号子载波的信道冲激响 应

所述线性内插算法为：

对于数据帧所有OFDM符号，除了导频位置以外，所有奇数序号子载波位置 的信道冲激响应由与其相邻的前后两个OFDM符号上相同位置子载波的信道冲激 响应进行平均运算得到。如图3所示，虚线框内某点的信道冲激响应为其上下 两点的信道冲激响应的平均值。图3中，所有正方形均由导频位置的信道响应 经过线性内插得到。

4、通过基于低通滤波器的内插算法估计出全部的信道冲激响应

经过线性内插后得到的信道响应与图1的梳状导频是类似的。对于梳状导 频，因为根据导频符号并未能求得所有子载波上的信道响应，所以需要采用一 定的内插算法来拟合所有子载波上的信道信息。综合考虑算法性能以及实现复 杂度，本发明主要采用低通滤波器的方法，该方法具体如下：

基于低通滤波器的内插算法的结构如图6所示。首先，运用步骤3中得到 的根据本发明中的导频结构方案，在每个OFDM符号偶数序号子载波位置进 行插零，从而构造出一个新的长度为N＝232的信道响应序列然后对进 行频偏预处理，得到频偏预处理后的信道响应序列再对进行低通滤波 处理；最后把滤波完成后的信道冲激响应的频偏信息消除，得到完整的信道冲 激响应

本发明是一种应用于NAVDAT数字通信系统中的基于奇偶交替导频序列结构 的信道估计方法。针对海岸到近海船舶广播信道特点实现的一种导频设计和信 道估计方法，我们要求将作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具 体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术 人员可以修改、等同替换、改进等，实现不同应用场合的信道估计方法。本发 明由权利要求书及其等效技术方案来限定。