本技術(shù)屬于物聯(lián)網(wǎng)通信，具體涉及一種基于ofdm的設(shè)備活躍檢測(cè)和信道估計(jì)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在海量機(jī)器類通信中，需要同時(shí)支持大量能量受限且間歇性活躍的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包。在超高可靠低時(shí)延通信，需要實(shí)現(xiàn)99.999％以上的可靠性以及1毫秒或更低的時(shí)延需求，從而滿足實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的業(yè)務(wù)，如工業(yè)自動(dòng)化、智能交通、智能電網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。免授權(quán)非正交多址接入是實(shí)現(xiàn)上述需求的主要方案。在免授權(quán)接入機(jī)制中，設(shè)備預(yù)先分配特定的非正交導(dǎo)頻，活躍設(shè)備無需基站授權(quán)直接發(fā)送其導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)，多天線基站根據(jù)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)活躍設(shè)備并估計(jì)活躍設(shè)備的信道狀態(tài)，再利用活躍設(shè)備的信道狀態(tài)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)其發(fā)送的數(shù)據(jù)。免授權(quán)接入成功提高了設(shè)備傳輸效率并降低了設(shè)備能耗。然而，如何高精度、快速在基站端檢測(cè)具有非正交導(dǎo)頻的活躍設(shè)備并估計(jì)其信道狀態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的問題。

2、現(xiàn)有解決活躍設(shè)備檢測(cè)和信道狀態(tài)估計(jì)問題的主要方法是統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法，包括最大似然估計(jì)、最大后驗(yàn)估計(jì)和最小均方誤差估計(jì)。其中，最大似然估計(jì)和最大后驗(yàn)估計(jì)用于設(shè)備活躍檢測(cè)，能獲得較精確的檢測(cè)結(jié)果，但是計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)；而最小均方誤差估計(jì)用于估計(jì)每個(gè)設(shè)備的等效信道(當(dāng)設(shè)備活躍時(shí)等效信道為其實(shí)際信道，否則等效信道為零)，雖然計(jì)算時(shí)間短但計(jì)算精確度不佳。因此如何在數(shù)據(jù)計(jì)算的精確度和效率上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)平衡是本領(lǐng)域值得研究的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提出了一種基于ofdm的設(shè)備活躍檢測(cè)和信道估計(jì)方法及系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)在高精度計(jì)算的同時(shí)提升計(jì)算速度，快速得到準(zhǔn)確的設(shè)備活躍狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果和信道估計(jì)結(jié)果。

2、本技術(shù)的第一方面提供了一種基于ofdm的設(shè)備活躍檢測(cè)和信道估計(jì)方法，所述方法包括：

3、在ofdm寬帶系統(tǒng)下，根據(jù)基站與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的實(shí)際通信環(huán)境，構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備經(jīng)歷頻率選擇性衰落后的接收導(dǎo)頻信號(hào)模型；

4、根據(jù)預(yù)設(shè)的導(dǎo)頻長(zhǎng)度、預(yù)設(shè)的平均活躍設(shè)備數(shù)和基站的天線數(shù)，確定設(shè)備活躍狀態(tài)檢測(cè)與信道估計(jì)的計(jì)算策略，并根據(jù)實(shí)際計(jì)算資源，設(shè)置所述計(jì)算策略用于并行計(jì)算的精度判別指標(biāo)；

5、根據(jù)所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型，通過所述計(jì)算策略以滿足所述精度判別指標(biāo)為目標(biāo)，計(jì)算出當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的活躍狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果與信道估計(jì)結(jié)果。

6、上述方案在基于正交頻分復(fù)用技術(shù)的寬帶系統(tǒng)下，結(jié)合基站與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的實(shí)際通信環(huán)境，如基站的天線數(shù)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量和發(fā)送的導(dǎo)頻符號(hào)的數(shù)量等構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備經(jīng)歷頻率選擇性衰落后的基站接收到的導(dǎo)頻信號(hào)的模型，即為所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型。因?yàn)樗鼋邮諏?dǎo)頻信號(hào)模型與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的活躍狀態(tài)以及實(shí)際時(shí)域信道響應(yīng)系數(shù)有關(guān)，因此可作為后續(xù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與信道估計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的導(dǎo)頻長(zhǎng)度、預(yù)設(shè)的平均活躍設(shè)備數(shù)和基站的天線數(shù)，選取對(duì)應(yīng)的計(jì)算策略，使本方案在不同的通信環(huán)境中都能實(shí)現(xiàn)較高的計(jì)算精度。并且根據(jù)實(shí)際計(jì)算資源設(shè)置對(duì)應(yīng)的精度判別指標(biāo)，確保在計(jì)算資源緊缺的情況下能盡量縮短計(jì)算時(shí)間，提升計(jì)算效率。最后通過所述計(jì)算策略以滿足所述精度判別指標(biāo)為目標(biāo)，基于接收導(dǎo)頻信號(hào)模型進(jìn)行迭代計(jì)算，快速得到準(zhǔn)確的設(shè)備活躍狀態(tài)結(jié)果和信道估計(jì)結(jié)果，為及時(shí)、全面了解當(dāng)前ofdm寬帶系統(tǒng)的通信情況提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

7、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，根據(jù)基站與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的實(shí)際通信環(huán)境，構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備經(jīng)歷頻率選擇性衰落后的接收導(dǎo)頻信號(hào)模型，具體為：

8、針對(duì)頻率選擇性衰落下的ofdm寬帶系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向基站通過信道發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)這一過程，通過所述實(shí)際通信環(huán)境為基站接收到的導(dǎo)頻信號(hào)構(gòu)建所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型；

9、其中，所述實(shí)際通信環(huán)境包括基站的天線數(shù)、單天線的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)和每個(gè)所述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與基站的每根天線之間的信道抽頭個(gè)數(shù)。

10、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，接收導(dǎo)頻信號(hào)模型，具體為：

11、

12、式中，yq,m為基站的第m根天線在第q個(gè)ofdm符號(hào)時(shí)間內(nèi)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)，n為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集合，m為天線集合，q為ofdm符號(hào)集合，an為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備n的狀態(tài)，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備n和第q個(gè)ofdm符號(hào)的所有子載波嵌入導(dǎo)頻后所構(gòu)成的特定矩陣，hn,m為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備n和基站的第m根天線之間的實(shí)際時(shí)域信道響應(yīng)系數(shù)向量，xn,m為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備n和基站的第m根天線之間的等效時(shí)域信道響應(yīng)系數(shù)向量，nq,m為加性高斯白噪聲。

13、其中，所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型的矩陣形式為：

14、y＝ax+n；

15、式中，y為結(jié)合所述天線集合和所述ofdm符號(hào)集合構(gòu)建的接收導(dǎo)頻信號(hào)矩陣，a為結(jié)合所述天線集合和所述ofdm符號(hào)集合構(gòu)建的特定矩陣，x為結(jié)合所述天線集合和所述ofdm符號(hào)集合構(gòu)建的等效時(shí)域信道響應(yīng)系數(shù)向量矩陣，n為結(jié)合所述天線集合和所述ofdm符號(hào)集合構(gòu)建的加性高斯白噪聲矩陣。

16、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，根據(jù)預(yù)設(shè)的導(dǎo)頻長(zhǎng)度、預(yù)設(shè)的平均活躍設(shè)備數(shù)和基站的天線數(shù)，確定設(shè)備活躍狀態(tài)檢測(cè)與信道估計(jì)的計(jì)算策略，具體為：

17、根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)的導(dǎo)頻符號(hào)個(gè)數(shù)，得到所述導(dǎo)頻長(zhǎng)度，并將所述導(dǎo)頻長(zhǎng)度與所述平均活躍設(shè)備數(shù)進(jìn)行比較；

18、如果所述導(dǎo)頻長(zhǎng)度大于所述平均活躍設(shè)備數(shù)，且基站的天線數(shù)大于第一閾值，則通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與基站之間的實(shí)際信道進(jìn)行估計(jì)以得到所述信道估計(jì)結(jié)果；否則，通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與基站之間的等效信道進(jìn)行估計(jì)以得到所述信道估計(jì)結(jié)果。

19、上述方案將預(yù)設(shè)的導(dǎo)頻符號(hào)個(gè)數(shù)與平均活躍設(shè)備數(shù)進(jìn)行比較，能預(yù)先確定是否有足夠的信號(hào)長(zhǎng)度來進(jìn)行設(shè)備活躍檢測(cè)。當(dāng)信號(hào)長(zhǎng)度足夠時(shí)，可選擇使計(jì)算精度更高的實(shí)際信道進(jìn)行估計(jì)完成信道估計(jì)；當(dāng)信號(hào)長(zhǎng)度不夠時(shí)，就采用等效信道進(jìn)行估計(jì)完成信道估計(jì)。而且還對(duì)基站的天線數(shù)進(jìn)行判斷，以使本方案能適用于各種通信環(huán)境。

20、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，根據(jù)實(shí)際計(jì)算資源，設(shè)置所述計(jì)算策略用于并行計(jì)算的精度判別指標(biāo)，具體為：

21、當(dāng)實(shí)際計(jì)算資源滿足預(yù)設(shè)的資源充足條件時(shí)，以設(shè)備活躍狀態(tài)的后驗(yàn)概率和信道的后驗(yàn)概率作為所述精度判別指標(biāo)；

22、當(dāng)實(shí)際計(jì)算資源不滿足預(yù)設(shè)的資源充足條件時(shí)，以預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)作為所述精度判別指標(biāo)；

23、其中，所述目標(biāo)函數(shù)是基于所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型構(gòu)建的。

24、上述方案預(yù)先判斷實(shí)際計(jì)算資源是否充足，當(dāng)實(shí)際計(jì)算資源充足時(shí)，說明采用高精度的計(jì)算策略不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)；而實(shí)際計(jì)算資源較少時(shí)，為了維持計(jì)算精度和計(jì)算效率之間的平衡，需要采用預(yù)設(shè)的精度判別指標(biāo)來降低迭代計(jì)算時(shí)的復(fù)雜度，通過降低計(jì)算開銷以提升數(shù)據(jù)計(jì)算的效率。

25、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，目標(biāo)函數(shù)，具體為：

26、

27、式中，f(·)為所述目標(biāo)函數(shù)，y為接收導(dǎo)頻信號(hào)矩陣，a為與子載波嵌入導(dǎo)頻相關(guān)的特定矩陣，x為等效時(shí)域信道響應(yīng)系數(shù)向量矩陣，n為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集合，p為信道抽頭數(shù)，xi,:為x的第i行。

28、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，根據(jù)所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型，通過所述計(jì)算策略以滿足所述精度判別指標(biāo)為目標(biāo)，計(jì)算出當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的活躍狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果與信道估計(jì)結(jié)果，具體為：

29、基于所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型，構(gòu)建設(shè)備活躍狀態(tài)的第一最小均方誤差估計(jì)模型和信道的第二最小均方誤差估計(jì)模型；

30、通過近似消息傳遞方法對(duì)所述第一最小均方誤差估計(jì)模型和所述第二最小均方誤差估計(jì)模型進(jìn)行迭代求解，并在每次的迭代求解過程中根據(jù)當(dāng)前的迭代結(jié)果更新所述精度判別指標(biāo)；

31、當(dāng)當(dāng)前的迭代結(jié)果滿足所述精度判別指標(biāo)時(shí)，停止迭代并輸出所述活躍狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果與信道估計(jì)結(jié)果。

32、上述方案先構(gòu)建設(shè)備活躍狀態(tài)的最小均方誤差估計(jì)問題，以及信道的最小均方誤差估計(jì)問題，并對(duì)這些問題進(jìn)行迭代求解。在每次迭代求解后都根據(jù)最新的精度判別指標(biāo)判斷計(jì)算結(jié)果是否達(dá)到設(shè)定的計(jì)算精度。因?yàn)樽钚【秸`差估計(jì)的計(jì)算復(fù)雜度降低，因?yàn)樵O(shè)置設(shè)備狀態(tài)和信道的后驗(yàn)概率作為精度判別指標(biāo)能進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

33、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，第一最小均方誤差估計(jì)模型和所述第二最小均方誤差估計(jì)模型，具體為：

34、其中，所述第一最小均方誤差估計(jì)模型，具體表達(dá)式為：

35、

36、式中，an為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備n的狀態(tài)，為an的最小均方誤差估計(jì)，y為與子載波嵌入導(dǎo)頻相關(guān)的特定矩陣；

37、所述第二最小均方誤差估計(jì)模型，當(dāng)對(duì)等效信道進(jìn)行估計(jì)時(shí)，具體表達(dá)式為：

38、

39、式中，xn,p,m為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備n和基站的第m根天線之間的等效時(shí)域信道響應(yīng)系數(shù)向量的第p個(gè)系數(shù)，為xn,p,m的最小均方誤差估計(jì)；

40、當(dāng)對(duì)實(shí)際信道進(jìn)行估計(jì)時(shí)，具體表達(dá)式為：

41、

42、式中，hn,p,m是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備n和基站的第m根天線之間的實(shí)際時(shí)域信道響應(yīng)系數(shù)向量的第p個(gè)系數(shù)；為hn,p,m的最小均方誤差估計(jì)。

43、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方法中，還包括：

44、當(dāng)實(shí)際計(jì)算資源符合預(yù)設(shè)的資源缺乏條件時(shí)，設(shè)置最優(yōu)迭代次數(shù)，并且在迭代求解過程中不使用所述精度判別指標(biāo)而使用所述最優(yōu)迭代次數(shù)；

45、當(dāng)當(dāng)前迭代次數(shù)達(dá)到所述最優(yōu)迭代次數(shù)時(shí)，停止迭代求解并輸出所述活躍狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果與所述信道估計(jì)結(jié)果。

46、上述方案當(dāng)實(shí)際計(jì)算資源較少時(shí)，為了減少計(jì)算開銷，需要人為設(shè)置一定的迭代次數(shù)來替代精度判別指標(biāo)，避免在滿足一定的計(jì)算精度下進(jìn)行多次不必要的迭代。

47、本技術(shù)第二方面提供了一種基于ofdm的設(shè)備活躍檢測(cè)和信道估計(jì)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：信號(hào)模型構(gòu)建模塊、計(jì)算策略制定模塊和檢測(cè)模塊；

48、其中，信號(hào)模型構(gòu)建模塊用于在ofdm寬帶系統(tǒng)下，根據(jù)基站與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的實(shí)際通信環(huán)境，構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備經(jīng)歷頻率選擇性衰落后的接收導(dǎo)頻信號(hào)模型；

49、計(jì)算策略制定模塊用于根據(jù)預(yù)設(shè)的導(dǎo)頻長(zhǎng)度、預(yù)設(shè)的平均活躍設(shè)備數(shù)和基站的天線數(shù)，確定設(shè)備活躍狀態(tài)檢測(cè)與信道估計(jì)的計(jì)算策略，并根據(jù)實(shí)際計(jì)算資源，設(shè)置所述計(jì)算策略用于并行計(jì)算的精度判別指標(biāo)；

50、檢測(cè)模塊用于根據(jù)所述接收導(dǎo)頻信號(hào)模型，通過所述計(jì)算策略以滿足所述精度判別指標(biāo)為目標(biāo)，計(jì)算出當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的活躍狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果與信道估計(jì)結(jié)果。