[發(fā)明專利]時變頻選衰落信道下MFTN聯(lián)合信道估計與均衡方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110599196.0
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113381951B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬云思;李彬;武楠;張怡坤;楊呂驍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04L25/03
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 袁瑞霞

1.一種時變頻選衰落信道下MFTN聯(lián)合信道估計與均衡方法，其特征在于，包括如下步驟：

首先，在發(fā)射機(jī)中引入一維頻域循環(huán)后綴，且在接收機(jī)中對信號進(jìn)行時域分段檢測，通過截短二維自干擾長度，構(gòu)建時變頻選衰落信道下MFTN系統(tǒng)的分段頻域接收信號模型；

其中，所述分段頻域接收信號模型具有等效信道矩陣，所述等效信道矩陣具有塊循環(huán)結(jié)構(gòu)且各循環(huán)塊均為對角矩陣；通過重構(gòu)等效色噪聲的非對角協(xié)方差矩陣，基于塊循環(huán)矩陣的特征值分解特性對所述非對角協(xié)方差矩陣進(jìn)行對角化處理；

然后，基于所述分段頻域接收信號模型，通過引入加權(quán)單位陣化簡PBiGAMP的消息更新規(guī)則過程中無噪觀測的偽先驗方差、發(fā)送符號的外信息均值和方差的消息更新表達(dá)式，完成MFTN系統(tǒng)的參數(shù)化聯(lián)合信道估計與均衡。

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，重構(gòu)等效色噪聲的非對角協(xié)方差矩陣的具體方式為：

將頻域等效色噪聲的非對角協(xié)方差矩陣重構(gòu)為具有循環(huán)塊的循環(huán)矩陣與具有Toeplitz塊的循環(huán)矩陣之差，并根據(jù)塊循環(huán)矩陣的特征值分解，重構(gòu)具有對角協(xié)方差矩陣的白噪聲過程。

3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用MFTN信號的準(zhǔn)確離散先驗進(jìn)行消息更新。

4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，構(gòu)建分段頻域接收信號模型的具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟1，MFTN系統(tǒng)中發(fā)送信號和接收信號的描述與建模，得到MFTN系統(tǒng)中發(fā)送信號和接收信號的模型；

步驟2，利用步驟1得到的MFTN系統(tǒng)中發(fā)送信號和接收信號的模型，進(jìn)行分段頻域接收信號模型的描述與建模，包括如下子步驟：

步驟21，采用時域分段接收檢測方法，將接收機(jī)中非正交匹配濾波器輸出的K路并行子數(shù)據(jù)流中每路子數(shù)據(jù)流均劃分為L_q個具有準(zhǔn)靜態(tài)信道特性的子段，每段包含L_m＝N/L_q個接收采樣，滿足L_m≥L_g-1且L_g＝L_h+2N_I；

其中，L_q為總子段數(shù)，L_m為各子段的總接收采樣數(shù)，N為每路并行子數(shù)據(jù)流上的總接收采樣數(shù)，L_g為等效符號間干擾的截短長度，L_h為信道記憶長度，N_I為MFTN系統(tǒng)中時域壓縮引入的符號間干擾的單邊截短長度；

第q個子段中第k_r個子載波上的接收信號表示為：

其中，N_s＝L_m+L_g-1表示第k_r個子載波上第q個子段中總接收信號采樣數(shù)，l表示信道系數(shù)索引，*表示循環(huán)卷積操作，h_q,l為第q個子段中第l個信道系數(shù)，用于在截短干擾向量后插入N_s-L_g個零元素，表示L_g×L_g的單位陣，表示L_g×(N_s-L_g)的零矩陣，用于在截短干擾向量后插入N_s-L_m個零元素，表示L_m×L_m的單位陣，表示L_m×(N_s-L_m)的零矩陣，用于表征每個子段內(nèi)MFTN信號的二維自干擾，表示1×l的零行向量，表示1×(L_h-1-l)的零行向量，為表征MFTN信號中自干擾的模糊函數(shù)，n_Δ＝n_t-n_r，k_Δ＝k_t-k_r，n_r和k_r為接收信號的時域和頻域索引，n_t和k_t為發(fā)送信號的時域和頻域索引，τ∈(0,1]為時域壓縮因子，T為奈奎斯特間隔，υ∈(0,1]為頻域壓縮因子，F(xiàn)為最小正交子載波間隔，為成型脈沖函數(shù)，表示時間索引，表示第q個子段中第k_r個子載波上的發(fā)送調(diào)制符號；為等效非零均值色噪聲，和表征來自相鄰子段的段間干擾，為第q個子段中第k_r個子載波上的時域零均值色噪聲；

其中，表示(L_g-1)×L_m的零矩陣，表示(L_g-1)×(L_g-1)的單位陣，表示L_m×L_m的零矩陣，表示L_m×(L_g-1)的零矩陣，表示N_s×1的零列向量；

步驟22，將每個子段中每個子載波上的N_s個接收采樣進(jìn)行N_s點的傅里葉變換，則第q個子段中第k_r個子載波上的頻域接收信號表示為：

其中，為傅里葉變換矩陣，的第m行第n列的元素為表示以向量的元素為主對角線元素的對角矩陣且

步驟23，移除每個子段中前K_p個和最后K_p個子載波上的信號，第q個子段中的頻域接收信號表示為：

其中，表示計算矩陣的Kronecker積，I_K表示K×K的單位陣，表示第q個子段中全部子載波上的發(fā)送調(diào)制符號，表示第q個子段中第k_r個子載波上的等效色噪聲，為具有循環(huán)結(jié)構(gòu)的等效信道矩陣，表示為：

根據(jù)塊循環(huán)矩陣的特性，等效信道矩陣分解為：

其中，F(xiàn)_K為傅里葉變換矩陣，F(xiàn)_K的第m行第n列的元素為表示N_s×N_s的單位陣，Λ_l為對角矩陣；

步驟24，將每個子段中相同符號索引上的K個頻域接收信號進(jìn)行傅里葉變換，即對上述公式中頻域接收信號左乘表示為：

其中，表示對數(shù)據(jù)插零后進(jìn)行二維傅里葉變換，為服從高斯分布的頻域等效色噪聲；

步驟25，頻域等效色噪聲的均值向量和協(xié)方差矩陣表示為：

其中，表示第q個子段中全部子載波上的發(fā)送調(diào)制符號估計量，為第q個子段中全部子載波上的發(fā)送符號估計量的平均方差；

將協(xié)方差矩陣第二項中將非對角陣R_ω重構(gòu)為具有循環(huán)特性的矩陣和之差，即塊循環(huán)矩陣和表示為：

其中，K_I表示頻域載波間干擾的單邊截短長度，為N_s×N_s的循環(huán)矩陣，其首行向量為為N_s×N_s的Toeplitz塊的循環(huán)矩陣，其首行向量為首列向量為

根據(jù)塊循環(huán)矩陣的特征值分解，頻域等效色噪聲的協(xié)方差矩陣化簡為：

其中，為對角矩陣，其主對角元素與非對角矩陣的主對角線元素相同。

5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，構(gòu)建頻域接收信號模型的具體實現(xiàn)步驟如下：

構(gòu)建分段頻域接收信號模型的具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟1，MFTN系統(tǒng)中發(fā)送信號和接收信號的描述與建模，得到MFTN系統(tǒng)中發(fā)送信號和接收信號的模型；

步驟2，利用步驟1得到的MFTN系統(tǒng)中發(fā)送信號和接收信號的模型，進(jìn)行分段頻域接收信號模型的描述與建模，包括如下子步驟：

步驟21，采用時域分段接收檢測方法，將接收機(jī)中非正交匹配濾波器輸出的K路并行子數(shù)據(jù)流中每路子數(shù)據(jù)流均劃分為L_q個具有準(zhǔn)靜態(tài)信道特性的子段，每段包含L_m＝N/L_q個接收采樣，滿足L_m≥L_g-1且L_g＝L_h+2N_I；

其中，L_q為總子段數(shù)，L_m為各子段的總接收采樣數(shù)，N為每路并行子數(shù)據(jù)流上的總接收采樣數(shù)，L_g為等效符號間干擾的截短長度，L_h為信道記憶長度，N_I為MFTN系統(tǒng)中時域壓縮引入的符號間干擾的單邊截短長度；

第q個子段中第k_r個子載波上的接收信號表示為：

其中，N_s＝L_m+L_g-1表示第k_r個子載波上第q個子段中總接收信號采樣數(shù)，l表示信道系數(shù)索引，*表示循環(huán)卷積操作，h_q,l為第q個子段中第l個信道系數(shù)，用于在截短干擾向量后插入N_s-L_g個零元素，表示L_g×L_g的單位陣，表示L_g×(N_s-L_g)的零矩陣，用于在截短干擾向量后插入N_s-L_m個零元素，表示L_m×L_m的單位陣，表示L_m×(N_s-L_m)的零矩陣，用于表征每個子段內(nèi)MFTN信號的二維自干擾，表示1×l的零行向量，表示1×(L_h-1-l)的零行向量，為表征MFTN信號中自干擾的模糊函數(shù)，n_Δ＝n_t-n_r，k_Δ＝k_t-k_r，n_r和k_r為接收信號的時域和頻域索引，n_t和k_t為發(fā)送信號的時域和頻域索引，τ∈(0,1]為時域壓縮因子，T為奈奎斯特間隔，υ∈(0,1]為頻域壓縮因子，F(xiàn)為最小正交子載波間隔，為成型脈沖函數(shù)，表示第q個子段中第k_r個子載波上的發(fā)送調(diào)制符號；

為等效非零均值色噪聲，和表征來自相鄰子段的段間干擾，為第q個子段中第k_r個子載波上的時域零均值色噪聲；

其中，表示(L_g-1)×L_m的零矩陣，表示(L_g-1)×(L_g-1)的單位陣，表示L_m×L_m的零矩陣，表示L_m×(L_g-1)的零矩陣，表示N_s×1的零列向量；

步驟22，將每個子段中每個子載波上的N_s個接收采樣進(jìn)行N_s點的傅里葉變換，則第q個子段中第k_r個子載波上的頻域接收信號表示為：

其中，為傅里葉變換矩陣，F(xiàn)_K的第m行第n列的元素為表示以向量的元素為主對角線元素的對角矩陣且

步驟23，移除每個子段中前K_p個和最后K_p個子載波上的信號，第q個子段中的頻域接收信號表示為：

其中，表示計算矩陣的Kronecker積，表示第q個子段中全部子載波上的發(fā)送調(diào)制符號，表示第q個子段中全部子載波上的等效色噪聲，為具有循環(huán)結(jié)構(gòu)的等效信道矩陣，表示為：

根據(jù)塊循環(huán)矩陣的特性，等效信道矩陣分解為：

其中，Λ_l為對角矩陣；

步驟24，將每個子段中相同符號索引上的K個頻域接收信號進(jìn)行傅里葉變換，即對上述公式中頻域接收信號左乘表示為：

其中，表示對數(shù)據(jù)插零后進(jìn)行二維傅里葉變換，為服從高斯分布的頻域等效色噪聲；

步驟25，頻域等效色噪聲的均值向量和協(xié)方差矩陣表示為：

其中，表示發(fā)送符號估計量，為第q個子段中發(fā)送符號估計量的平均方差；

將協(xié)方差矩陣第二項中將非對角陣R_ω重構(gòu)為具有循環(huán)特性的矩陣和之差，即塊循環(huán)矩陣和表示為：

其中，K_I表示頻域載波間干擾的單邊截短長度，為N_s×N_s的循環(huán)矩陣，其首行向量為為N_s×N_s的Toeplitz塊的循環(huán)矩陣，其首行向量為

首列向量為

根據(jù)塊循環(huán)矩陣的特征值分解，頻域等效色噪聲的協(xié)方差矩陣化簡為：

其中，為對角矩陣，其主對角元素與非對角矩陣的主對角線元素相同。