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一种应用于无线传感器网络中的信道估计方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210007451.9

申请日:

2012.01.11

公开号:

CN102546490B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效专利申请号:2012100074519申请日:20120111号牌文件类型代码:1604号牌文件序号:101322537849IPC(主分类):H04L 25/02|||公开
IPC分类号: H04L25/02; H04L27/26 主分类号: H04L25/02
申请人: 中国科学院上海微系统与太阳城集团技术研究所; 中国科学院嘉兴无线传感网工程中心
发明人: 丁承; 罗炬锋; 汪磊; 付耀先
地址: 200050 上海市长宁区长宁路865号5号楼505室
优先权:
专利代理机构: 上海泰能知识产权代理事务所 31233 代理人: 宋缨;孙健
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法律状态
申请(专利)号:

CN201210007451.9

授权太阳城集团号:

太阳城集团102546490B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.28|||2012.09.05|||2012.07.04

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及一种应用于无线传感器网络中的信道估计方法,包括以下步骤:提取导频经过信道后的信号;利用最小二乘算法对信道参数进行估计;通过虚载波替换消除空闲载波对边缘信道参数,即两端的保护带的虚载波信道参数取与其相邻子载波的信道参数的最小二乘算法估计值,两端的保护带的虚载波与相邻的子载波相互对称;中间的直流部分的左半部分采用左边相邻信道参数的最小二乘算法估计值,右半部分采用右边相邻信道参数的最小二乘算法估计值,中间的信道参数采用两边信道参数的平均值,将信道参数补齐;将补齐后的信道参数进行频域滤波,完成信道估计。本发明能够以较小的资源消耗实现在无线传感器网络应用中的信道估计。

权利要求书

1.一种应用于无线传感器网络中的信道估计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)提取导频经过信道后的信号;
(2)利用最小二乘算法对信道参数进行估计,即将所述提取得到的信号与存在本地的
导频相除,得到信道参数;
(3)将得到的信道参数映射到所对应的信道上,未传输信号的虚载波信道分为两端的
保护带和中间的直流部分两种情况:两端的保护带的虚载波信道参数取与其相邻子载
波的信道参数的最小二乘算法估计值,两端的保护带的虚载波与相邻的子载波相互对
称;中间的直流部分的左半部分采用左边相邻信道参数的最小二乘算法估计值,右半
部分采用右边相邻信道参数的最小二乘算法估计值,中间的信道参数采用两边信道参
数的平均值,将信道参数补齐;
(4)将所述补齐后的信道参数进行频域滤波,完成信道估计。
2.根据权利要求1所述的应用于无线传感器网络中的信道估计方法,其特征在于,所述
步骤(1)中根据梳状导频的插入规则提取导频经过信道后的信号。
3.根据权利要求1所述的应用于无线传感器网络中的信道估计方法,其特征在于,所述
步骤(1)中还包括将所述提取导频经过信道后的信号与对应信道上的信号进行相加的
步骤。
4.根据权利要求1所述的应用于无线传感器网络中的信道估计方法,其特征在于,所述
步骤(4)还包括以下子步骤:
(41)对补齐后的信道参数进行快速傅里叶变换,使补齐后的信道参数变换到频域;
(42)截取信道参数频域变换值的低频部分,将高频部分置为零;
(43)对频域滤波后的信道进行快速傅里叶逆变换到时域,并截取信号传输过程中所
用到的信道参数。
5.根据权利要求4所述的应用于无线传感器网络中的信道估计方法,其特征在于,所述
的快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换在无线传感器网络中的正交频分复用系统中完
成。

说明书

一种应用于无线传感器网络中的信道估计方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域,特别是涉及一种应用于无线传感器网络中的信道估计方
法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless SensorNetwork,简称“WSN”)是由具有无线通信,感知
及计算能力的微型传感器节点组成的“智能”网络,它涉及多学科高度交叉、知识高度集
成的前沿热点研究领域,现已广泛应用于军事、农业、环境检测、医疗卫生、工业、智能
交通等各种领域,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,简称
“OFDM”)技术是无线传感网中得核心技术之一,它既可以被看作是一种调制技术,又
可以被看作是一种复用技术。具有频谱利用率高和抗多径衰落能力强等优点,已成为现代
无线通信中得热门技术,被广泛应用于高速数字通信领域,比如IEEE802.11a(WLAN)
的物理层等。大多数无线传感器网络应用中节点受资源、成本、功耗的限制,使得应用于
无线传感网中的OFDM通信需满足低资源消耗、大载波频偏、低物理层开销的要求。由于
信道估计模块部分是OFDM的关键模块之一,因此研究在保证信道估计的准确度的条件,
尽量节省资源的信道估计方法是很必要的。

信道估计算法可以按照是否有导频序列可以分为基于导频的信道估计和盲均衡。基于
导频信号的估计技术是在大多数无线系统中采用的信道估计方法。相反盲估计仅仅依赖于
信号的统计特性,一般在OFDM系统中应用较少。基于导频信道的信道估计方法主要有最
小二乘(Least Square,简称“LS”)估计方法,基于最小均方差(Minimum Mean Square Error,
简称“MMSE”)准则的维纳滤波估计,奇异值分解(Singular Value Decomposition,简称
“SVD”)算法,通过变换域滤波处理的LS算法。在实际系统中,为避免其他系统的干
扰及便于实现滤波器的设计,通常将传输带宽的部分载波空置作为保护频带,由于保护频
段的存在,降低了信道估计的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于无线传感器网络中的信道估计方法,能
够以较小的资源消耗实现在无线传感器网络应用中的信道估计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种应用于无线传感器网络中的信
道估计方法,包括以下步骤:

(1)提取导频经过信道后的信号;

(2)利用最小二乘算法对信道参数进行估计,即将所述提取得到的信号与存在本地
的导频相除,得到信道参数;

(3)将得到的信道参数映射到所对应的信道上,未传输信号的虚载波信道分为两端
的保护带和中间的直流部分两种情况:两端的保护带的虚载波信道参数取与其相邻子载波
的信道参数的最小二乘算法估计值,两端的保护带的虚载波与相邻的子载波相互对称,即
两端的保护带的宽度与提取的相邻子载波的宽度相同;中间的直流部分的左半部分采用左
边相邻信道参数的最小二乘算法估计值,右半部分采用右边相邻信道参数的最小二乘算法
估计值,中间的信道参数采用两边相邻的信道参数的平均值,将信道参数补齐;

(4)将所述补齐后的信道参数进行频域滤波,完成信道估计。

所述步骤(1)中根据梳状导频的插入规则提取导频经过信道后的信号。

所述步骤(1)中还包括将所述提取导频经过信道后的信号与对应信道上的信号进行
相加的步骤。

所述步骤(4)还包括以下子步骤:

(41)对补齐后的信道参数进行快速傅里叶变换,使补齐后的信道参数变换到频域;

(42)截取信道参数频域变换值的低频部分,将高频部分置为零;

(43)对频域滤波后的信道进行快速傅里叶逆变换到时域,并截取信号传输过程中所
用到的信道参数。

所述的快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换在无线传感器网络中的正交频分复用系
统中完成。

有益效果

由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:
本发明采用了虚载波替换的方法,减小了由于虚载波的存在对信道估计参数的及精度的影
响,提高了系统的性能。本发明利用了信道的慢衰落性能,信道参数的能量主要集中在低
频部分,而噪声的能量分布在整个频带,在频域进行滤波,可有效降低噪声的影响。本发
明中所采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,简称“FFT”)可用OFDM系统
中的FFT共用一套资源,不会带来额外的开销。本发明中没有大量的运算,实现简单,非
常适合能量受限、计算能力受限、存储资源受限以及通信能力受限的四大受限无线传感器
网络的应用场景,在资源消耗,信道估计精度上均有较大优势能力,能适应无线传感器网
络中由于资源、成本、功耗受限的要求。

附图说明

图1是本发明的原理示意图;

图2是本发明中导频提取装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而
不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定
的范围。

本发明的实施方式涉及一种应用于无线传感器网络中的信道估计方法,其采用虚载波
替换和利用FFT减少噪声影响的信道估计方法,通过虚载波替换消除空闲载波对边缘信道
参数的影响后利用FFT变换在频域去除高斯噪声的影响,在较低算法复杂度的条件下,提
高了系统的灵敏度性能,因此能很好的应用于受资源、成本、功耗限制的无线传感器网络
中,特别适合采用梳状导频,信道参数为慢衰落的OFDM系统的应用场景。

下面以无线传感网中OFDM系统的FFT点数为128点,两边预留保护带为左边(-64:
-50),(50:63),直流部分保护带为(-1,0,1)为例,进一步说明本发明。

如图1所示,首先提取导频经过信道后的信号。可利用如图2所示的导频提取装置进
行提取,即将接收的信号先存入一块RAM,随后梳状导频的插入规则从RAM中提取出导
频经过信道后的信号,并将对应信道上的信号相加以减少噪声的影响。

接着,利用LS算法进行信道参数估计,将上述中得到的信号与存在本地的导频相除,
已知的本地导频为Xk与经过信道得到的信号Yk,则信道参数的最小二乘估计值Hk=Yk/Xk,
得到信道参数的初步结果。

然后,将得到的信道参数映射到所对应的信道上,未传输信号的虚载波信道(-64:-50)
信道参数用(-35:-49)信道参数的LS估计值代替,(50:63)信道参数用(49:36)信道参
数的LS估计值代替,(-1)信道参数用(-2)信道参数的LS估计值代替,(1)信道参数
用(2)信道参数的LS估计值代替,(0)信道参数用(2),(-2)信道参数的LS估计值的
平均值代替,将信道参数补全。

不难发现,本发明采用了虚载波替换的方法,减小了由于虚载波的存在对信道估计参
数的及精度的影响,提高了系统的性能。

最后,对补全后信道参数做128点的FFT变换,变换到频域后,将得到的频域变换值
进行频域滤波,即将得到的频域变换值从15到113的值置为0,再对频域滤波后的值进行
128点IFFT变换,最终对IFFT逆变换后的值中选取有用的信道(-49:-2),(2:49)参数,
完成信道估计。其中,FFT和IFFT在无线传感器网络中的正交频分复用系统中完成。

本发明利用了信道的慢衰落性能,信道参数的能量主要集中在低频部分,而噪声的能
量分布在整个频带,在频域进行滤波,可有效降低噪声的影响。本发明中所采用FFT可用
OFDM系统中的FFT共用一套资源,不会带来额外的开销。

由此可见,本发明中没有大量的运算,实现简单,非常适合能量受限、计算能力受限、
存储资源受限以及通信能力受限的四大受限无线传感器网络的应用场景,在资源消耗,信
道估计精度上均有较大优势能力,能适应无线传感器网络中由于资源、成本、功耗受限的
要求。

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