频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法

摘要

本发明属于通信技术领域，公开了一种频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法，首先计算接收的时频重叠OFDM信号的循环自相关函数，并分别在分量信号的过采样率相等和不等时截取时延小于码片时间的截面，然后通过提取该截面中离散谱线估计出分量OFDM信号的总功率；最后通过循环自相关函数在时延和循环频率均为零时的值估计出所接收信号的总功率，从而估计出时频重叠OFDM信号的信噪比。本发明可以有效地估计出时频重叠OFDM信号的信噪比；不仅可以估计出时频重叠OFDM信号的信噪比，还可以估计出分量信号的过采样率和码片时间等先验参数。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法。

背景技术

Underlay频谱共享技术以主用户和次用户共享频谱资源的方式来提高频谱利用率，逐渐成为认知无线电研究的热点。正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing)技术以其高效的频谱利用率和抗衰落性能被广泛应用于认知无线电中。在underlay认知OFDM中，当次用户不超过主用户干扰温度的情况下，可以与主用户同时共享频谱资源，则频带内的信号为时频重叠的OFDM信号，其中，干扰温度测量是underlay认知OFDM中的关键技术之一。在干扰温度测量时，需要以非数据辅助方式估计出共享频谱的用户信号的信噪比参数，因此，研究underlay认知无线电中时频重叠OFDM信号的信噪比盲估计有一定的意义和价值。目前，一些学者针对单个OFDM信号的信噪比进行了盲估计方法的研究，如基于最大似然的方法(BAUMGARTNER S,HIRTZ G,BAUMGARTNER A.A modifiedmaximum likelihood method for SNR estimation in OFDM based systems[J].2014:155-158.)，基于自相关函数(TANG N J,Li B B,Liu M Q.A modified blind OFDMsystems parameters estimation method.2010IEEE 12th International Conferenceon Communication Technology[C].Nan Jing:IEEE,2010:1279-1282.)，基于循环自相关函数的方法(SOCHELEAU F X,-EL-BEY A,HOUCKE S.Non data-aided SNRestimation of OFDM signals[J].IEEE Communications Letters,2008,12(11):813-815.)和基于子空间分解的方法(XU X,JING Y,YU X.Subspace-based noise varianceand SNR estimation for OFDM systems[mobile radio applications].2005IEEEWireless Communications andNetworking Conference[C].ErnestN.Morial:IEEE,2005,1:23-26.)等，这些方法仅仅适用于单个OFDM信号，而对于时频重叠OFDM信号将失效，无法适用于underlay认知无线电中主用户和多个次用户共存时的情况。

综上所述，现有技术存在的问题是：由于主用户和多个次用户共存，在时域和频域上重叠，无法仅从时域、频域或者空间域直接处理信号进行信噪比估计，因此现有技术无法进行underlay认知无线电中时频重叠OFDM信号的信噪比估计。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法。

本发明是这样实现的，一种频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法，所述频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法包括：

首先计算接收的时频重叠OFDM信号的循环自相关函数，并分别在分量信号的过采样率相等和不等时截取时延小于码片时间的截面；

然后通过提取该截面中离散谱线估计出分量OFDM信号的总功率；

最后通过循环自相关函数在时延和循环频率均为零时的值估计出所接收信号的总功率，从而估计出时频重叠OFDM信号的信噪比；

进一步，所述频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法包括以下步骤：

步骤一，根据估计接收的时频重叠OFDM信号的循环自相关函数，其中r(i)是接收时频重叠信号，L是接收信号的采样点数，j是虚数单位，α是循环频率，τ是时延；

步骤二，截取所得时频重叠OFDM信号的循环自相关函数时延为T_s的循环截面，并利用这些离散谱线所对应的横坐标的值，估计分量信号的循环频率，最后由α＝1/T_c和q＝T_c/T_s可估计各个分量信号的码片时间和过采样率，其中T_s为采样时间，T_c为码片时间，q为过采样率；

步骤三，取时延小于码片时间，循环频率等于分两量信号的循环频率处时频重叠OFDM信号的循环自相关函数的值，估计出分量重叠OFDM信号的总功率E；

步骤四，根据时频重叠OFDM信号的循环自相关函数时延和循环频率均为零时的值估计时频重叠信号的总功率根据估计出时频重叠OFDM信号的信噪比。

进一步，所述步骤二中分量信号码片时间和过采样率估计方法为：

OFDM信号的循环自相关函数为：

其中T_c是OFDM信号码片时间，T_c＝T_u/N，T_u是其有效符号时间，α是循环频率，τ是时延，τ_N＝|τ|-NT_c，m是任意正整数；时频重叠OFDM信号的循环自相关函数：

当循环自相关函数时延满足|τ|＜min(T_ci)i＝1,2,…,M时，时频重叠OFDM信号的循环自相关函数表示为：

进一步，所述步骤三中分量OFDM信号总功率估计方法为：

当重叠各个分量OFDM信号的过采样率不等时，分别取时延为循环频率为处的值，根据估计出分量重叠OFDM信号的总功率E；当重叠的各个分量OFDM信号的过采样率相等时，分别取时延为循环频率为1/T_c处值，根据估计出重叠分量OFDM信号的总功率E。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法的underlay认知无线电系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法的时频重叠OFDM信号信噪比估计系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法的分量信号过采样率和码片时间估计系统。

本发明的优点及积极效果为：当过采样率相等的两个或三个OFDM信号重叠时，在信噪比大于-9dB时，时频重叠OFDM信号的信噪比估计的均方误差小于0.1；当过采样率不相等的两个或三个OFDM信号重叠时，在信噪比大于-7dB时，时频重叠OFDM信号的信噪比估计的均方误差小于0.1，由此可见，本发明方法随着信噪比的增大，估计性能越好。本发明不仅可以估计出时频重叠OFDM信号的信噪比，还可以估计出分量信号的过采样率和码片时间等先验参数。

附图说明

图1是本发明实施例提供的频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的对不同分量个数的时频重叠OFDM信号在不同信噪比下的估计性能示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法包括以下步骤：

S101：计算出所接收的时频重叠OFDM信号的循环自相关函数，并在分量信号的过采样率相等和不相等时，分别截取时延小于码片时间的截面；

S102：通过提取截面中离散谱线估计出时频重叠OFDM信号的分量信号总功率；

S103：在时延和循环频率均为零时，通过时频重叠OFDM信号的循环自相关函数的值估计出所接收信号的总功率，从而估计出时频重叠OFDM信号的信噪比。

本发明实施例提供的频谱共享方式下时频重叠OFDM信号信噪比估计方法具体包括以下步骤：在underlay频谱共享方式下，时频重叠OFDM信号的信噪比估计方法：

步骤一，根据估计接收的时频重叠OFDM信号的循环自相关函数，其中r(i)是接收时频重叠信号，L是接收信号的采样点数，j是虚数单位，α是循环频率，τ是时延；

接收到的时频重叠OFDM信号表达式如下：

其中M是信号的总个数，n(t)是高斯白噪声，s_i(t)是第i个分量OFDM信号且其表达式如下：

其中，f_i为信号载频，q(t)是脉宽为T_c的成型脉冲，T_s是总符号周期，N是OFDM有效子载波数，D是循环前缀数，G是OFDM子载波总数，且G＝N+D。a_k,n是第k个OFDM符号，第n个子载波上的调制信号，相互独立并均服从均值为零，方差为

计算采样到的含噪声的时频重叠OFDM信号的循环自相关函数的表达式为：

其中，r(i)是接收时频重叠信号，L是接收信号的采样点数，j是虚数单位，α是循环频率，τ是时延；

步骤二，截取所得时频重叠OFDM信号的循环自相关函数时延为T_s的循环截面，并利用这些离散谱线所对应的横坐标的值，估计分量信号的循环频率，最后由α＝1/T_c和q＝T_c/T_s可估计各个分量信号的码片时间和过采样率，其中T_s为采样时间，T_c为码片时间，q为过采样率；

OFDM信号的循环自相关函数为：

其中T_c是OFDM信号码片时间，T_c＝T_u/N，T_u是其有效符号时间，α是循环频率，τ是时延，τ_N＝|τ|-NT_c，m是任意正整数。由循环自相关函数的定义，可得时频重叠OFDM信号的循环自相关函数：

当循环自相关函数时延满足时，时频重叠OFDM信号的循环自相关函数表示为：

设已知时频重叠OFDM信号的分量个数为M，且各分量信号码片时间的最大值小于码片时间的最小值的2倍。截取时延为T_s的循环自相关函数的截面，若此截面上的出现不等间隔分布的离散谱线，仅保留此截面正循环频率轴对应的前M根离散谱线，并搜索这些离散谱线最大值所对应的横坐标的值，估计一个分量信号的循环频率，然后将此循环频率处的值置零，继续按照上述方法估计出其他分量信号的循环频率；若此截面上的出现等间隔分布的离散谱线，仅保留此截面正循环频率轴对应的第1根离散谱线，并搜索这根离散谱线最大值所对应的横坐标的值，估计出所有分量信号的循环频率，最后由α＝1/T_c和q＝T_c/T_s可估计各个分量信号的码片时间和过采样率。其中T_s为采样时间，T_c为码片时间，M为时频重叠分量信号总个数，α为循环频率，q为过采样率；

步骤三，取时延小于码片时间，循环频率等于分两量信号的循环频率处时频重叠OFDM信号的循环自相关函数的值，估计出分量重叠OFDM信号的总功率E；

当重叠各个分量OFDM信号的过采样率不等时，分别取时延为循环频率为处的值，根据估计出分量重叠OFDM信号的总功率E；当重叠的各个分量OFDM信号的过采样率相等时，分别取时延为循环频率为1/T_c处值，根据估计出重叠分量OFDM信号的总功率E。

步骤四，根据时频重叠OFDM信号的循环自相关函数时延和循环频率均为零时的值估计时频重叠信号的总功率根据估计出时频重叠OFDM信号的信噪比。

根据循环自相关函数的时延和循环频率均为零时的值，估计接收时频重叠OFDM信号的总功率根据信噪比的定义，估计时频重叠OFDM信号的信噪比

下面结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。

为了评估方法的性能，OFDM信号的子载波调制方式为QPSK，子载波个数为1024，符号长度为1us,其中保护间隔为0.2us，接收端的采样频率为100MHz，OFDM的符号个数为1000，在每个信噪比下进行2000次蒙特卡罗实验。检测的评估标准为均方误差(MSE)。

为了测试本发明的检验统计量的性能，参数设置如下：分量信号的载频为50MHz，功率比为1:1，频谱重叠率是100％，参与运算的数据点数是100000。过采样率相等时的两个信号和三个信号分量的过采样率均是5，过采样不等时的两信号分量的过采样率分别是5和8，过采样率不等时的三信号的过采样率分别是4，5和6，仿真结果如图2所示，当过采样率相等的两个或三个OFDM信号重叠时，在信噪比大于-9dB时，时频重叠OFDM信号的信噪比估计的均方误差小于0.1；当过采样率不相等的两个或三个OFDM信号重叠时，在信噪比大于-7dB时，时频重叠OFDM信号的信噪比估计的均方误差小于0.1。由此可见，本发明方法随着信噪比的增大，估计性能越好。本发明不仅可以估计出时频重叠OFDM信号的信噪比，还可以估计出分量信号的过采样率和码片时间等先验参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。