联合信道估计、相噪补偿和信号检测的半盲OFDM接收方法

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及到相位噪声影响下的ofdm系统的一种联合信道估计、相噪补偿和信号检测方法。

背景技术：

1、随着现代通信中多元化业务场景和差异化性能要求的提升，高频段如毫米波段、太赫兹段引起了广泛关注。但是高载波频率会对射频硬件带来恶劣影响。其中，由本地振荡器引入的相位噪声会严重影响ofdm系统的性能。相位噪声会引起公共相位误差和子载波间干扰，从而破坏ofdm系统子载波间的正交性，为ofdm接收机的设计带来了新的挑战。因此，针对相位噪声影响下的ofdm系统，设计可靠的接收方案是提高系统性能的关键。现有的联合接收方案通常采用基于导频的估计方案，如利用最小二乘法，最小均方误差等方法得到信道和相位噪声估计值后再进行信号检测。r.corvaja等提出一种基于梳状导频和判决反馈的联合信道、相噪估计和信号检测方案(joint channel and phase noisecompensation for ofdm in fast-fading multipath applications)，但是该方案具有高昂的导频开销，造成了频谱资源的浪费。而随着通信速率的提高和数据的增长，现有基于导频的方案的已无法胜任大规模数据的有效传输。另一方面，现有算法在接收算法设计时没有考虑到相位噪声的模1约束和信号映射的离散特性，从而造成了相位噪声补偿精确性和信号检测性能较差。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种半盲ofdm联合接收方法，从整体出发建立带有约束的联合信道估计、相噪补偿和信号检测的目标函数，从优化目标上保证了性能的最优性，并综合考虑到相位噪声和信号映射的约束，通过admm和mm算法对联合信道估计、相噪补偿和信号检测的问题进行求解，有效利用了导频信息并缓解了相位噪声引入的ici影响，显著提高了系统ber性能。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种联合信道估计、相噪补偿和信号检测的半盲ofdm接收方法，包括如下步骤：

3、(1)根据相位噪声模1约束与待检测信号映射约束，构建带约束的联合信道估计、相位噪声补偿和信号检测的目标函数；

4、(2)固定相位噪声和待检测信号，根据最小二乘准则得到最佳信道估计值，并将之带回原优化目标，得到更新后的目标函数；

5、(3)通过引入惩罚项、惩罚因子及辅助变量，构建了优化目标的增广拉格朗日函数，并利用使用交叉方向乘子法admm以及最大化最小化mm算法求解对应的优化问题；

6、(4)在满足迭代终止条件时得到信道、相位噪声以及发射信号的联合估计值。

7、作为优选，步骤(1)中构建联合信道估计、相位噪声补偿和信号检测的目标函数为：

8、

9、其中，diag(·)表示将输入向量作为对角线上元素构造一个对角矩阵，(·)h表示共轭转置，||·||为向量的二范数；是时域接收信号，n表示子载波个数，表示时域相位噪声向量，是时域信道矩阵，h＝fhdiag(fhh)f，h＝[h(0)，h(1)，…，h(l-1)]t是时域时变信道向量，l表示信道径数，表示导频向量，将数据向量中的所有零元素剔除得到数据子向量nd表示数据子载波的数量；表示将数据子向量映射到数据向量的投影矩阵，是傅里叶矩阵；

10、目标函数的约束条件为：

11、|eφ(n)|＝1，n＝1，2，…，n

12、

13、其中，|·|表示求模运算，表示4q-qam符号映射集合，q＝1，2，3，…；x表示集合中的元素，xi，xq分别表示x的实部和虚部，表示将扩展到nd维空间。

14、作为优选，步骤(2)中固定相位噪声和待检测信号，使用最小二乘法求出时域信道估计值h＝(mhm)-1mhfdiag(ejφ)y，m＝(xp+xd)fh，xp＝diag(xp)，(·)-1表示矩阵求逆；将估计值带回原优化目标函数，并使θ＝e-jφ，更新后的目标函数为：

15、

16、约束条件为：

17、|θ(n)|＝1，n＝1，2，…，n

18、

19、其中，y＝diag(y)。

20、作为优选，步骤(3)中引入惩罚项对约束进行放松和拉紧，并引入辅助变量和得到以下目标函数：

21、

22、约束条件：

23、η＝θ，|θn|＝1，n＝1，2，…，n

24、

25、其中，s＝diag(js)，表示集合中的元素，分别表示的实部和虚部，表示将扩展到nd维空间；βi＞0是使得vi中元素接近-1或1的惩罚因子；

26、求得对应的增广拉格朗日函数为：

27、

28、其中，ρ1是关于约束的惩罚因子，ρ2是关于约束η＝θ的惩罚因子，表示对应于约束的拉格朗日乘子，表示对应于约束η＝θ的拉格朗日乘子，表示取变量的实部。

29、作为优选，步骤(3)中优化问题的求解按照以下公式进行第k+1次迭代：

30、

31、

32、

33、

34、

35、

36、其中：

37、q＝yhfh(in-p)fy

38、

39、

40、

41、

42、表示将输入向量的每个元素投影到模为1的空间上，表示将输入向量的每个元素投影到区间[-1，1]上；a⊙b表示a和b的哈达玛积，in表示n×n的单位矩阵。

43、作为优选，步骤(4)中迭代终止条件包括达到预设的预设最大迭代次数或者迭代结果收敛。

44、基于相同的发明构思，本发明提供一种联合信道估计、相噪补偿和信号检测的半盲ofdm接收系统，包括：

45、目标构建模块，用于根据相位噪声模1约束与待检测信号映射约束，构建带约束的联合信道估计、相噪补偿和信号检测的目标函数；

46、优化求解模块，用于固定相位噪声和待检测信号，根据最小二乘准则得到最佳信道估计值，并将之带回原优化目标，得到更新后的目标函数；以及通过引入惩罚项、惩罚因子及辅助变量，构建了优化目标的增广拉格朗日函数，并利用使用交叉方向乘子法admm以及最大化最小化mm算法求解对应的优化问题；在满足迭代终止条件时得到信道、相位噪声以及发射信号的联合估计值。

47、基于相同的发明构思，本发明提供一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的一种联合信道估计、相噪补偿和信号检测的半盲ofdm接收方法的步骤。

48、基于相同的发明构思，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种联合信道估计、相噪补偿和信号检测的半盲ofdm接收方法的步骤。

49、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

50、1、本发明基于半盲联合接收算法，从整体出发，建立了带有约束的联合信道估计、相位噪声补偿和信号检测的目标函数，直接从优化目标上保证了性能的最优性。相比较于传统接收方案，本发明在接收端直接估计出所有的信道、相位噪声和待检测信号信息，有效减少了导频开销，提高了频谱利用率。

51、2、相比较于传统相位噪声补偿方案，本发明充分考虑到了相位噪声的模1约束，将此约束加入到目标函数中，取得更准确的相位噪声补偿性能。

52、3、本发明利用admm和mm算法求解出迭代过程中的有效闭式解，能在较少的迭代次数下得到收敛结果，有效缓解了相位噪声引起的子载波间干扰，能显著提高ofdm系统的性能。