A Novel OFDM Autoencoder Featuring CNN-Based Channel Estimation for Internet of V essels

本文提出了一种融合CNN和LSTM的OFDM自动编码器,适用于复杂的海上信道环境。该系统利用CNN进行信号表示学习,LSTM实现信道编码,同时提出了一种基于Dense-Net的CNN信道估计算法,有效处理快速衰落信道,展现出优秀的性能和较低的计算复杂度。

大概内容

在本文中,为了设计一个具有挑战性的海上信道环境的智能 IoV 通信系统,提出了一种新颖的 OFDM 自动编码器,它采用 CNN 和 LSTM 层来促进端到端学习。此外,所提出的基于学习的自动编码器最适合具有精确信道模型不切实际或不可能的通信系统,这不仅限于海上通信。我们的 OFDM 自动编码器由多个 CNN 层组成,以便学习复杂的信号表示以实现最佳传输,同时使用的参数比使用 FC 层少。此外,所提出的 CNN 架构能够在训练期间轻松收敛到最佳解决方案

  1. 同时,我们还提出了一种新的 OFDM 系统信道估计算法,该算法将 DL 的强大功能与超分辨率重建的思想相结合,
  2. 其中使用专门设计的 Dense-Net 架构将低分辨率导频信息图像重建为高分辨率图像。
  3. Dense-Net架构通过密集连接和特征复用解决了传统CNN梯度消失和参数过多的问题。
  4. 在慢衰落信道下,提议的 CE 可以估计接近完美的 CIR。
  5. 在快速衰落信道的情况下,所提出的 CE 比现有的基于 DL 的算法具有更好的性能,并且具有更低的计算复杂度。
  6. 最后,所提出的编码 OFDM 自动编码器和所提出的基于 CNN 的 CE 需要大量的计算能力来进行离线训练,然而,一旦训练完成,所提出的自动编码器通过加载训练参数和易于在线训练更新来享受简单的部署。

总之,我们认为所提出的 OFDM 自动编码器的泛化能力与卓越的 BLER 性能和对复杂海洋环境的适应性相结合,受到 LSTM 辅助 CNN 的支持,是 IoV 发展的关键。

II. TYPICAL OFDM COMMUNICA TION SYSTEMS

本节简要介绍了一种传统的OFDM通信系统,并将其作为本文提出的基于dl的OFDM自动编码器的基准。

II

### DFT-Based Channel Estimation 原理与实现方法 #### 原理概述 在无线通信系统中,信道估计是接收端准确恢复发送信号的关键步骤。基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)的信道估计方法广泛应用于正交频分复用(OFDM)系统中,尤其是在利用导频符号进行信道估计的场景中。 DFT-Based Channel Estimation 的核心思想是利用信道的时域稀疏性或频域特性,将频域导频信息通过逆离散傅里叶变换(IDFT)转换到时域,获得信道冲激响应(CIR),然后再通过DFT将其转换回频域,以获得整个子载波上的信道状态信息(CSI)[^2]。 该方法的基本步骤如下: 1. **导频插入**:在发送端,导频符号被插入到特定的子载波位置,形成已知的频域信号。 2. **频域信道估计**:接收端利用导频处的信道频域响应(如通过LS或MMSE方法)进行初步估计。 3. **IDFT转换到时域**:对频域估计结果进行IDFT变换,得到信道的时域冲激响应(CIR)。 4. **时域滤波**:去除时域中的噪声和非有效路径,保留主要的时域信道系数。 5. **DFT转换回频域**:对滤波后的时域信道系数进行DFT变换,获得所有子载波上的频域信道估计值。 #### 实现方法 在实际系统中,DFT-Based Channel Estimation 的实现通常包括以下几个关键步骤: ##### 1. 导频结构设计 导频符号在频域中的分布对信道估计性能有重要影响。常见的导频分布包括**块状导频(Block-type)**和**梳状导频(Comb-type)**。块状导频适用于时不变或慢衰落信道,而梳状导频适用于快衰落信道。 ##### 2. 频域信道估计 在导频位置上,通常使用最小二乘(Least Square, LS)估计方法: $$ \hat{H}_p = \frac{Y_p}{X_p} $$ 其中 $ Y_p $ 是接收的导频符号,$ X_p $ 是已知的发送导频符号,$ \hat{H}_p $ 是频域导频位置的信道估计值。 ##### 3. 时域信道估计(IDFT) 将频域导频位置的信道估计值填充到所有子载波位置(非导频位置设为0),然后进行IDFT变换: ```matlab H_freq = zeros(N_fft, 1); H_freq(pilot_indices) = H_pilot_estimates; h_time = ifft(H_freq); ``` ##### 4. 时域滤波(去噪) 由于信道具有时延扩展的特性,其时域表示通常集中在某些时间抽样点上。通过设定一个窗口(如信道最大时延扩展对应的抽样点数),可以将窗口外的时域系数置零,以抑制噪声。 ```matlab h_time_filtered = h_time; h_time_filtered(window_end+1:end-window_end) = 0; % 简单窗口处理 ``` ##### 5. 频域重建(DFT) 将滤波后的时域信道系数进行DFT变换,得到所有子载波上的频域信道估计值: ```matlab H_estimated = fft(h_time_filtered); ``` #### 优点与局限性 - **优点**: - 利用信道的时域稀疏性,可以有效抑制噪声。 - 实现复杂度较低,适合硬件实现。 - 在慢衰落信道中表现良好。 - **局限性**: - 对快衰落信道或时变信道性能下降。 - 导频分布稀疏时,估计精度受限。 - 时域窗口设计不当会导致性能下降。 #### 示例代码(MATLAB) 以下是一个简化的DFT-Based信道估计示例代码: ```matlab % 参数设置 N_fft = 64; % FFT点数 num_pilots = 8; % 导频数量 pilot_indices = 1:8:N_fft; % 梳状导频分布 % 模拟发送导频和接收信号 X_p = ones(num_pilots, 1); % 发送导频 H_true = randn(N_fft, 1) + 1i*randn(N_fft, 1); % 真实信道 Y_p = H_true(pilot_indices) .* X_p; % 接收导频 % 频域估计(LS) H_pilot_est = Y_p ./ X_p; % 构建频域信道估计向量 H_freq_est = zeros(N_fft, 1); H_freq_est(pilot_indices) = H_pilot_est; % IDFT到时域 h_time = ifft(H_freq_est); % 时域滤波(简单截断) max_delay = 5; % 假设最大时延为5个抽样点 h_time_filtered = h_time; h_time_filtered(max_delay+1:end) = 0; % DFT重建频域信道 H_est = fft(h_time_filtered); ``` #### 应用场景 DFT-Based Channel Estimation 被广泛应用于OFDM系统,如Wi-Fi、LTE和5G NR中的信道估计模块。它尤其适用于具有块状或梳状导频结构的系统,如IEEE 802.11a/g/n/ac等标准中[^2]。 ---
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