一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110113286A(43)申请公布日2019.08.09(21)申请号201910371809.8(22)申请日2019.05.06(71)申请人厦门大学地址361005福建省厦门市思明南路422号(72)发明人王德清谢沁伶付立群徐景鑫胡晓毅岳蕾(74)专利代理机构厦门南强之路专利事务所(普通合伙)35200代理人马应森(51)Int.Cl.H04L27/26(2006.01)H04L27/38(2006.01)H04L25/02(2006.01)权利要求书6页说明书11页附图5页(54)发明名称一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法(57)摘要一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法，涉及基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法。首先忽略多普勒扩展因子，在时延维度上建立PSO算法所需的解空间；其次优化PSO算法中的惯性权重系数，搜索解空间中最匹配原子集，即初估计的路径时延集；然后扩展初估计的路径时延集，并联合多普勒扩展因子，再次建立PSO算法所需的解空间；最后采用PSO算法搜索最匹配原子集，获得水声信道冲激响应估计值。两次搜索最匹配原子的过程中均建立内积存储索引表，以避免内积的重复计算，并提高搜索速度。在已有OMP算法的基础上，采用分两步估计方法，能够减少计算内积次数，有效地降低已有OMP算法的复杂度。CN110113286ACN110113286A权利要求书1/6页1.一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法，其特征在于包括以下步骤：1)针对OFDM系统构造双扩展稀疏信道压缩感知模型，推导观测矩阵Ψ；2)由于大尺度多普勒重采样后的等效信道在一个符号周期内看作时不变或缓慢变化的信道，残余多普勒扩展因子很小，若忽略此多普勒扩展因子，令bj≡1,j∈[1,Nb]，重写公式(13)，获得第一次最匹配原子搜索时的观测矩阵：和解空间3)运行OMP算法，其中的最佳匹配原子搜索采用PSO算法，其解空间为在步骤2)中所推导的解空间，得到初估计的路径时延集，4)扩展初估计的时延集，并联合多普勒因子，再次建立解空间，扩展方法为以每个时延作为中心，向两侧增加时延估计的网格点；重构后的时延-多普勒域的网格点集合为[τ,b]：m为扩展网格点数，Δ为每个时延网格的时延间隔；获得第二次最匹配原子搜索时的观测矩阵：5)再次运行OMP算法，并采用PSO算法在步骤4)所建立的解空间中搜索最佳匹配原子，估计得多径时延集合和多普勒扩展因子估计值集合2.如权利要求1所述一种基于正交匹配追踪的低复杂度水声信道估计算法，其特征在于在步骤1)中，所述针对OFDM系统构造双扩展稀疏信道压缩感知模型，推导观测矩阵Ψ的具体方法为：令OFDM符号周期为T，子载波数为N，系统带宽为B，则相邻子载波之间的频率间隔Δf＝1/T，子载波数K＝B/Δf＝BT，即每个OFDM符号可以携带K个数据符号,发送的基带OFDM信号x(t)表示为：2CN110113286A权利要求书2/6页式中，S[k]表示调制到第k个子载波上的数据符号，fk表示第k个子载波的频率，即fk＝k/T，SA表示所有子载波组成的集合，即SA＝{0,1,…,K-1}，g(t)为矩形脉冲，其中Tcp为循环前缀长度：设水声信道冲激响应由Npa条路径组成，第p条路径所对应的幅度、时延和多普勒扩展因子由参数对{Ap,τp,ap}表示，在一个OFDM符号周期内，信道冲激响应表示为：x(t)通过公式(3)所表示的信道后得到接收信号y(t)：y(t)＝x(t)*h(t,τ)+w(t)(4)其中，w(t)为信道加性噪声，对接收信号首先进行大尺度的多普勒扩展因子估计，设估计得到的多普勒扩展因子为后，再根据估计值进行重采样补偿，获得补偿后的输出为：对输入信号进行采样和傅里叶变换后，得到第m个子载波上的解调数据Z[m]：其中，W[m]为第m个子载波上的加性噪声，为第p条路径的残余多普勒因子，当bp为1时，残余多普勒因子为0；Λ(τp)为一个由τp决定的K×K规格的对角矩阵，表明时延对信道冲激响应的影响：Γ(bp)为一个由bp决定的K×K规格的矩阵，表明多普勒扩展因子对信道冲激响应的影响：3CN110113286A权利要求书3/6页其中，第m行第k列的元素为：其中，fm、fk分别表示第m和第k个子载波的频率；将公式(6)写成矩阵形式：Z＝HS+W(10)其中，S＝[S[0],S[1],…,S[K-1]]T，Z＝[Z[0],Z[1],…,Z[K-1]]T和W＝[W[0],W[1],…,W[K-1]]T均为K×1向量，分别表示发送数据、解调数据和加性噪声；H为频域信道矩阵：为估计H，采用导频辅助方法，在信号S中插入导频，并将其建模为稀疏信号模型；假设水