[發明專利]水聲OFDM系統精度-復雜度聯合優化的信道估計方法和系統

有效

• 申請號: 202110279918.4
• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN113098801B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 李渝舟;王志戰;歐陽東宏
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04L27/26;H04B13/02;H04B11/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發明公開了一種水聲OFDM系統精度?復雜度聯合優化的信道估計方法和系統，屬于水聲無線通信技術領域。本發明針對不同信噪比條件來設計了兩個終止條件：基于UWA?OFDM通信系統加性噪聲的分布特性，推導出一個僅依賴于噪聲功率的終止條件，適用于低信噪比條件；結合觀測向量和殘余向量的功率比值設計出另一個合適的終止條件，適用于高信噪比條件。與傳統的OMP算法相比，本方法可以在無需信道稀疏度這一先驗信息的條件下以極小的計算開銷實現信道狀態信息的精準估計，從而極為有效地服務于高速水聲OFDM通信系統的需求。

技術領域

本發明屬于水聲無線通信技術領域，更具體地，涉及一種水聲OFDM系統精度-復雜度聯合優化的信道估計方法和系統。

背景技術

近年來隨著海洋信息產業的蓬勃發展，海洋數據呈現爆炸式增長，這無疑對高速率的水下通信技術提出了迫切的需求?？v觀水下通信技術，其主要可以分為三種：水聲、水電磁波和水光通信，其中水聲通信(Underwater Acoustic Communication，UWA)以其較低的傳輸損耗已然成為當前水下信息傳輸最為廣泛的技術手段。然而水聲通信因為面臨著極強的衰減、嚴重的多徑效應和極窄的傳輸帶寬，被認為是當前自然界中目前已經認知的無線信道中最為惡劣的通信信道。正交頻分復用技術(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)由于其在對抗多徑效應和提高頻譜效率方面的優勢已被廣泛應用于水聲通信系統以提高其數據傳輸速率。對于UWA-OFDM系統而言，精確的信道估計至關重要，因為其是接收端進行信道檢測和發送端進行自適應調制的基礎。

目前傳統基于導頻的信道估計方法主要可以分為三類：最小二乘(Least Square，LS)算法、線性最小均方誤差(Linear Minimum Mean Square Error，LMMSE)算法和最小均方誤差(Minimum Mean Square Error)算法。其中LS算法雖然計算復雜度較低，但其恢復精度卻通常較低；LMMSE算法和MMSE算法雖然在一定程度上提高了算法精度，但是卻帶來了極大的計算開銷。而且傳統算法并未考慮到水聲信道的稀疏性導致算法的恢復精度通常受限，難以在水聲OFDM通信系統中適用。水聲信道的稀疏性具體表現為：信道的能量集中在某幾條主要的路徑上，其余路徑上能量極小甚至接近于0。而在稀疏信號恢復方面有卓越成效的壓縮感知算法可用于進行稀疏信道估計，它可以對其中能量較大的抽頭系數進行估計，而非對所有抽頭系數進行估計。與傳統算法相比，基于壓縮感知算法的信道估計方法可有效提高信道估計的精度同時降低其導頻開銷。

OMP作為目前應用最為廣泛的壓縮感知算法，也同樣被廣泛應用于UWA-OFDM通信系統的信道估計中，但是其性能嚴重依賴于迭代終止條件的設置。傳統的OMP算法都是將其迭代終止條件設置為固定閾值，例如：迭代次數設置為水聲信道稀疏度K，迭代過程中殘余向量||r||²＜ε，其中ε為固定閾值。但是該類終止條件的設置并未合理考慮到噪聲帶來的影響，導致信道估計算法的性能通常在信噪比(Signal to noise ratio，SNR)較小的情況下通常較差，且計算復雜度較高。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種水聲OFDM系統精度-復雜度聯合優化的信道估計方法和系統，其目的在于解決現有OMP信道估計算法在低信噪比情況下估計精度受限且計算復雜度較高的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種水聲OFDM系統精度-復雜度聯合優化的信道估計方法，包括：

采用OMP算法對水聲OFDM通信系統進行信道估計；其中，迭代終止條件為和當任意條件滿足時，迭代終止，返回重構信號