一种基于树状随机搜索导频设计方法技术

本发明专利技术公开了通信领域一种基于树状随机搜索导频设计方法，以最小化恢复矩阵的互相关为目标，该方法结合了树的结构，以分支的方式进行随机搜索从而避免陷入局部最优问题；与现有的导频设计方法：随机序列搜索（SSS,Stochastic Search Schemes）和随机并行搜索（SPS,Stochastic Parallel Search Schemes）相比，该算法运算量小，使用该算法获得的导频图案应用于信道估计中，能够获得更低的信道估计误差和更低的系统误比特率。

A Design Method of Pilot Based on Tree Random Search

【技术实现步骤摘要】
一种基于树状随机搜索导频设计方法
本专利技术涉及一种导频设计方法，具体的说是一种基于树状随机搜索导频设计方法，属于通信

技术介绍
压缩感知(CS,CompressedSensing)是一种抽样和压缩同时进行的技术，它以低于奈奎斯特采样率的速率对稀疏信号进行采样后在接收端通过恢复算法重建原始信号，其过程的实质是将高维信号投影到一个低维空间上，再通过优化算法从少量投影中高概率重构原始信号。在一些使用相干检测的无线通信系统中，信道估计的好坏对于接收机的设计至关重要。由于宽带无线通信系统中多径信道会呈现稀疏特性，压缩感知理论中稀疏信号恢复算法可应用在无线信道估计(即稀疏信道估计)中。既然CS可以利用少量观测值重构出高维信号，基于压缩感知的稀疏信道估计可以比传统最小二乘法(LS,LeastSquare)和最小均方误差(MMSE,MinimumMeanSquaredError)算法具有更少的导频开销。基于CS的导频辅助信道估计目前已经被广泛研究，并且许多稀疏信号恢复算法已经应用于信道估计，例如，正交匹配追踪算法(OMP,OrthogonalMatchingPursuit)、同时正交匹配追踪算法、和稀疏度自适应匹配追踪算法等。稀疏信道估计的另一个研究焦点是导频图案的设计。导频位置和符号取值的设计在一定程度上会影响基于CS的稀疏信道估计的性能。正交频分复用(OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)系统在无线通信系统中得到了广泛的应用，对于基于LS和MMSE方法的信道估计，它的最优导频放置模式是导频子载波等间隔分布；然而，对于使用CS重建算法的稀疏信道估计，此时等间隔导频放置不是最优的，最佳导频放置模式需要进一步研究。CS的研究已经证明，恢复矩阵互相关值越小，稀疏信号的重建质量越高。在基于压缩感知的信道估计中，恢复矩阵由导频位置决定，因此可以将最小化互相关值作为选取最佳导频位置的准则；为了获得OFDM系统中最佳的导频放置模式，利用穷举法设计导频由于其极高的计算量是不切实际的。传统的搜索方案减小了搜索空间和算法复杂度，但这一类算法为了提高算法效率采取了一种简单的中断过程，提前终止内循环，但是这种做法常常使得算法不能搜索到一次循环中的最小互相关值；因此，需要一种新的随机搜索算法，能较传统搜索方案在低算法复杂度的基础上找到更小的互相关值，将优化好的导频用在信道估计中能获得更好的信道估计性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于树状随机搜索导频设计方法，其运算量小，使用该算法获得的导频图案应用于信道估计中，能够获得更低的信道估计误差和更低的系统误比特率。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于树状随机搜索导频设计方法，包括以下步骤：初始化：设置根节点个数Nroot和存活分支个数Nsuv；导频数Np，OFDM子载波数N，根节点序号l＝1；步骤1：根节点序号为l；从N个子载波中随机抽取Np个导频子载波，将生成的第l个导频图案Pl作为根节点；步骤2：令待调整导频符号的导频序号m＝1；集合Fl,m为根节点序号为l时生成的导频图案Pl中除了第m根导频a之外的其余Np-1根导频，即Fl,m＝a\Pl，候选集Cl,m为总子载波构成的集合C和Fl,m的差集，即Cl,m＝C-Fl,m；每次按顺序从集合Cl,m中取出一根导频，替换Pl中的第m根导频，一共可以产生N-Np+1个新的导频图案，记为步骤3：产生存活子节点；将导频图案集合中每个导频图案计算其对应的最小互相关值选取具有最小互相关值的Nsuv个导频图案作为存活子节点，使得存活子节点序号j＝1并且使m＝m+1；步骤4：由上一轮迭代产生的第j个存活子节点作为本次迭代的父节点；为第j个父节点除了本轮需要替换的第m根导频之外的其余Np-1根导频构成的集合，候选集再按顺序从集合中取出一根导频，替换第j个父节点中的第m根导频；步骤5：判断j是否为Nsuv，若为真则一共可以产生Nsuv×(N-Np+1)个新的导频图案，并继续执行步骤6；若为假，则使得j＝j+1，并跳转至步骤4；步骤6：将新的Nsuv×(N-Np+1)个导频图案计算其对应的最小互相关值，并选取具有最小互相关值的Nsuv个导频图案作为存活子节点；步骤7：判断m是否为Np，若为Np，则分别记录存活节点的最小的互相关值及其对应的导频图案在v向量与Z矩阵的第l列中，的作用是存放Nroot个最小互相关值,的作用是存放Nroot个导频图案，每个导频图案占该矩阵的一列；并跳转至步骤8；若m不为Np则使j＝1且m＝m+1并跳转至步骤4继续迭代；步骤8：判断l是否等于Nroot，若为假，则执行l＝l+1并跳转至步骤1；若为真，则跳转至步骤9；步骤9：结果输出；若v向量第i列绝对值最小，则对应选择Z矩阵中第i列中的导频图案Popt即作为优化好的导频图案。作为本专利技术的进一步限定，步骤1产生根节点个数为Nroot＝10。作为本专利技术的进一步限定，步骤3与步骤6中，从若干个父节点中产生存活子节点数Nsuv＝3。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术算法运算量小，使用该算法获得的导频图案应用于信道估计中，能够获得更低的信道估计误差和更低的系统误比特率。附图说明图1二分支树结构。图2使用不同导频图案选择方法对应的互相关值下降曲线比较。图3OFDM系统中使用不同导频图案设计方法的MSE比较。图4OFDM系统中使用不同导频图案设计方法的BER比较。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术包含两个主要技术问题，一个是针对基于压缩感知的OFDM信道估计，确定导频优化准则；另一个是提出随机搜索算法，根据优化准则求解最优导频图案，再将该导频图案应用于信号估计中，完成信道估计；下面分别介绍这两个部分的具体实施方式，并通过仿真说明本导频图案设计方法能够有效提高OFDM稀疏信道估计性能。(一)导频优化准则的确定考虑有N个子载波的OFDM系统，其中使用Np个梳状导频子载波(表示为P1,P2...PNp,1≤P1,P2...PNp≤N)传输导频信号用于频率选择性衰落信道的估计，则接收端接收信号可以表示为：y＝XH+n＝XWh+n(1)其中发送信号矩阵X＝diag(X(0)...X(N-1))∈CN×N，diag(·)表示对角阵，X(k)表示OFDM符号中的用户数据和导频信息。信道频域采样值H∈CN×1，加性高斯白噪声向量n∈CN×1，离散傅里叶变换矩阵W∈CN×L是标准N×N维傅里叶变换阵的前L列，L为信号长度；其中从N×N维单位矩阵中抽取对应导频位置的Np行得到Np×N维选择矩阵S，选择矩阵的作用是选择出对应导频位置上的元素。导频子载波上的接收信号如下式所示：yp＝XpWph+np(3)发送导频符号为X(Pk)表示对应导频位置上的导频符号；接收导频符号的频域表示为(·)T表示对矩阵的转置；为独立同分布的加性高斯白噪声；为离散傅里叶变换阵(DFT)，由W矩阵中对应的索引为导频位置集合的Np行构成。在接收端yp、Xp、Wp均为已知信号；将A＝XpWp定义为恢复矩阵，上式可以改写为：yp＝Ah+np(4)我们的任务是保证稀疏矩阵h可以从观测值yp中较为准确的恢复出来。而压缩感知理论本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于树状随机搜索导频设计方法，其特征在于，包括以下步骤：初始化：设置根节点个数Nroot和存活分支个数Nsuv；导频数Np，OFDM子载波数N，根节点序号l＝1；步骤1：根节点序号为l；从N个子载波中随机抽取Np个导频子载波，将生成的第l个导频图案Pl作为根节点；步骤2：令待调整导频符号的导频序号m＝1；集合Fl,m为根节点序号为l时生成的导频图案Pl中除了第m根导频a之外的其余Np‑1根导频，即Fl,m＝a\Pl，候选集Cl,m为总子载波构成的集合C和Fl,m的差集，即Cl,m＝C‑Fl,m；每次按顺序从集合Cl,m中取出一根导频，替换Pl中的第m根导频，一共可以产生N‑Np+1个新的导频图案，记为

【技术特征摘要】
1.一种基于树状随机搜索导频设计方法，其特征在于，包括以下步骤：初始化：设置根节点个数Nroot和存活分支个数Nsuv；导频数Np，OFDM子载波数N，根节点序号l＝1；步骤1：根节点序号为l；从N个子载波中随机抽取Np个导频子载波，将生成的第l个导频图案Pl作为根节点；步骤2：令待调整导频符号的导频序号m＝1；集合Fl,m为根节点序号为l时生成的导频图案Pl中除了第m根导频a之外的其余Np-1根导频，即Fl,m＝a\Pl，候选集Cl,m为总子载波构成的集合C和Fl,m的差集，即Cl,m＝C-Fl,m；每次按顺序从集合Cl,m中取出一根导频，替换Pl中的第m根导频，一共可以产生N-Np+1个新的导频图案，记为步骤3：产生存活子节点；将导频图案集合中每个导频图案计算其对应的最小互相关值选取具有最小互相关值的Nsuv个导频图案作为存活子节点，使得存活子节点序号j＝1并且使m＝m+1；步骤4：由上一轮迭代产生的第j个存活子节点作为本次迭代的父节点；为第j个父节点除了本轮需要替换的第m根导频之外的其余Np-1根导频构成的集合，候选集再按顺序从集合中取出一根导频，替换第j个父节点中的第m根导频；步骤5：判断j...

【专利技术属性】
技术研发人员：何雪云，吴超，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32