專利名稱：一種基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SCDMA(同步碼分多址)系統(tǒng)中的信道估計(jì)方法，尤其是一種SCDMA系統(tǒng)中的基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法。
在現(xiàn)有的對(duì)同步CDMA系統(tǒng)信道估計(jì)的研究中，歐洲電信及相關(guān)技術(shù)論文集中第39至50頁的題為“碼分多址移動(dòng)通信系統(tǒng)上行鏈路中基于聯(lián)合檢測(cè)的最優(yōu)及次優(yōu)信道估計(jì)方法”(”O(jiān)ptimum andSuboptimum Channel Estimation for Uplink of CDMA Mobile RadioSystem with Joint Detection”，ETT，Vol.5，No.1，pp.39-50，jan-feb，1994)提出了一種信道估計(jì)方案，其信道估計(jì)采用時(shí)延未知的聯(lián)合檢測(cè)的估計(jì)方法。由于用戶的訓(xùn)練序列是由一個(gè)基本周期碼推導(dǎo)得到的，這種特殊的構(gòu)造方式使得基于最大似然準(zhǔn)則的信道估計(jì)可以通過移位寄存器和復(fù)乘器來實(shí)現(xiàn)，硬件成本低。但是這種方法限定了所估計(jì)的用戶信道的多徑數(shù)目以及每一徑的延時(shí)，例如，對(duì)于16個(gè)用戶的系統(tǒng)，所估計(jì)的信道數(shù)目限定為8徑，這8徑的延時(shí)依次為0，1，2，3，4，5，6，7個(gè)碼片。由于實(shí)際通信環(huán)境的復(fù)雜和不可預(yù)知性，設(shè)定的用戶信道的多徑參數(shù)，即多徑數(shù)目和延遲時(shí)間極有可能與實(shí)際情況不符合。如果按照上述方案進(jìn)行信道估計(jì)，假定信道的時(shí)延數(shù)目大于真實(shí)信道的多徑數(shù)目，那么可能出現(xiàn)把噪聲誤作為用戶信息的情況；如果假定信道的時(shí)延數(shù)目小于真實(shí)信道的多徑數(shù)目，那么就會(huì)丟失有些徑的信息；由于假定的信道時(shí)延只能為整數(shù)個(gè)碼片，但是真實(shí)信道延時(shí)極有可能為非整數(shù)個(gè)碼片，而且可能為半個(gè)碼片，顯然假定信道與真實(shí)情況是不一致的，在這種情況下，這必然會(huì)導(dǎo)致信道估計(jì)模型的不準(zhǔn)確，從而使得估計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。
為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能提高信道估計(jì)準(zhǔn)確度且效率較高的基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法，該方法包括以下步驟(1)根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的多徑時(shí)延構(gòu)造結(jié)構(gòu)矩陣G；(2)初始化以下參數(shù)自相關(guān)矩陣R、互相關(guān)向量b、加權(quán)向量w、誤差向量g、共軛梯度方向p，迭代次數(shù)的初始值n＝1；(3)設(shè)定最大迭代次數(shù)nmax和誤差向量范圍參數(shù)引(4)進(jìn)行信道估計(jì)的下述計(jì)算①迭代步長 ②加權(quán)向量w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)；③誤差向量g(n)＝g(n-1)-a(n)R(n)p(n)；④共軛梯度方向 ⑤迭代次數(shù)n＝n+1；(5)如果n小于預(yù)先給定的最大迭代次數(shù)nmax，而且誤差向量‖g(n)‖＞ε，則返回上述步驟(4)繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算，否則繼續(xù)以下步驟；(6)將經(jīng)過上述步驟(4)的有限步迭代得到的加權(quán)向量w(n)作為信道估計(jì)值進(jìn)行輸出，即信道估計(jì) 其中T表示相應(yīng)向量或矩陣的轉(zhuǎn)置。
由上述本發(fā)明采用的技術(shù)方案可以看出，為了獲得與真實(shí)情況更為接近的多徑模型，以提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確度，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是在時(shí)延已知的情況下，利用共軛梯度法針對(duì)實(shí)時(shí)構(gòu)造的表述時(shí)延的結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行信道估計(jì)。由于信道的時(shí)延估計(jì)可以有較高的準(zhǔn)確度，使得本發(fā)明獲得的信道參數(shù)模型比假定信道更接近實(shí)際，因此本發(fā)明的信道估計(jì)方法能夠提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確度。
由于本發(fā)明是在信道時(shí)延已知的情況下進(jìn)行信道估計(jì)，真實(shí)的時(shí)延只能根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)來估計(jì)，因而結(jié)構(gòu)矩陣G也必須實(shí)時(shí)的構(gòu)造，因而通過對(duì)結(jié)構(gòu)矩陣G直接求廣義逆得到的無偏信道估計(jì)不可能預(yù)先脫機(jī)計(jì)算得到，只能在線地計(jì)算。但是求高維矩陣的廣義逆的計(jì)算量很大，本發(fā)明采用的利用共軛梯度法可以避免上述矩陣求逆，同時(shí)又能夠達(dá)到直接求逆的計(jì)算精度，因此本發(fā)明在時(shí)延已知的條件下，利用共軛梯度法來進(jìn)行信道估計(jì)，在提高信道估計(jì)準(zhǔn)確度的同時(shí)，仍具有較高的信道估計(jì)效率。
下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
首先結(jié)合時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
假定系統(tǒng)中有K個(gè)無線用戶，同時(shí)假定每個(gè)用戶信道的復(fù)脈沖響應(yīng)為h(k)=[h1(k),h2(k)...hw(k)]Y,k=1...K,]]>其長度為W。將K個(gè)用戶的信道響應(yīng)寫為向量形式h＝[h(1)T，h(2)T…h(huán)(K)T]T，未知信道系數(shù)的總共數(shù)目為U＝KW，第k個(gè)用戶的訓(xùn)練序列碼為m(k)=[m1(k),m2(k)...mL+W-1(k)]T,k=1...K.]]>由于假定信道沖激響應(yīng)的長度為W，接收信號(hào)中的最初的W-1個(gè)采樣數(shù)據(jù)受其它序列的延時(shí)信號(hào)的影響，因此，每個(gè)中間導(dǎo)頻碼(midamble碼)的最初的W-1個(gè)元素并不用于信道估計(jì)。由訓(xùn)練序列本身唯一確定的接收信號(hào)僅僅有L個(gè)元素。設(shè)相應(yīng)的接收信號(hào)為e＝[e1，e2…eL]T。根據(jù) k＝1…K中的訓(xùn)練序列m(k)，構(gòu)造L×W的矩陣為G(k)=(Gij(k)),k=1...K,]]>其中Gij(k)=mW+i-j(k),i=1...L;j=1...W,]]>即G(k)=mW(k)mW-1(k)...m1(k)mW+1(k)mW(k)..m2(k)............mW+L-1(k)mW+L(k)...mL(k)]]>從而L×U的結(jié)構(gòu)矩陣G為G＝[G(1)，G(2)…G(K)]。記零均值的加性平穩(wěn)噪聲為n＝[n1，n2…nL]T，則接收信號(hào)可以表示為e＝Gh+n，因而信道估計(jì)的問題實(shí)際上就相當(dāng)于已知式e＝Gh+n中的G，e，求出h的過程。
如果用Rn-1表示式n＝[n1，n2...nL]T中的噪聲協(xié)方差矩陣的逆，則無偏估計(jì)的信道估計(jì)矩陣為M=(G*TRn-1G)-1G*TRn-1,]]>從而信道h的最大似然估計(jì)為h^=Me.]]>假設(shè)噪聲的協(xié)方差矩陣滿足Rn＝E{nn*T}＝σ2I，從而式 為 M＝(G*TG)-1G*T。利用式M＝(G*TG)-1G*T得到的信道估計(jì)h^=(G*TG)-1G*Te]]>是無偏估計(jì)，同時(shí)也為最小二乘估計(jì)。
一旦給出了矩陣G，信道估計(jì)便可以通過式 求得。但是，這里假定的模型通常與真實(shí)的多徑模型是不一致的，或是多徑數(shù)目不符合，或是多徑的延遲時(shí)間有偏差，這必然會(huì)降低信道估計(jì)準(zhǔn)確度，影響系統(tǒng)的整體接收性能。
為了解決這個(gè)問題，提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確度，信道估計(jì)應(yīng)該在時(shí)延已知的情況下進(jìn)行。但是，為了獲得與真實(shí)情況更為接近的多徑模型，必須實(shí)時(shí)估計(jì)出當(dāng)前時(shí)隙的多徑時(shí)延，從而矩陣G必須根據(jù)估計(jì)的多徑時(shí)延實(shí)時(shí)地構(gòu)造，這樣一來，每個(gè)時(shí)隙都必須進(jìn)行高階矩陣的求逆運(yùn)算，為了降低運(yùn)算量，利用共軛梯度法來進(jìn)行信道估計(jì)，既可以避免矩陣求逆，同時(shí)又能夠達(dá)到直接求逆的效果。具體實(shí)施步驟如下(1)根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的多徑時(shí)延構(gòu)造結(jié)構(gòu)矩陣G；(2)初始化化以下參數(shù)，即初始化自相關(guān)矩陣R＝GHG、互相關(guān)向量b＝GHe、加權(quán)向量w(0)＝0、誤差向量g(0)＝b、共軛梯度方向P(1)＝g(0)，迭代次數(shù)的初始值n＝1；(3)設(shè)定最大迭代次數(shù)nmax和誤差向量范圍參數(shù)ε；(4)進(jìn)行信道估計(jì)的下述計(jì)算①迭代步長 ②加權(quán)向量w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)；③誤差向量g(n)＝g(n-1)-a(n)R(n)p(n)；④共軛梯度方向 ⑤迭代次數(shù)n＝n+1；(5)如果n小于預(yù)先給定的常數(shù)nmax，而且‖g(n)‖＞ε，則返回上述步驟(4)繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算，否則繼續(xù)以下步驟；(6)將經(jīng)過上述步驟(4)的有限步迭代得到的加權(quán)向量w(n)作為信道估計(jì)值進(jìn)行輸出，即信道估計(jì)
其中H表示相應(yīng)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，e為接收信號(hào)，T表示相應(yīng)向量或矩陣的轉(zhuǎn)置。
上面所述步驟(1)是必須首先完成的，(2)、(3)并不具有必然的順序關(guān)系。
為了提高上述方法的效率，所述加權(quán)向量的初始值w(0)可以設(shè)置為匹配濾波器的輸出 ，即 ，誤差向量的初始值g(0)為互相關(guān)向量b的初始值與互相關(guān)矩陣R的初始值乘以加權(quán)向量w(0)的初始值的差，即g(0)＝b-Rw(0)，其余初始條件的設(shè)置不變。此種作法先利用傳統(tǒng)的匹配濾波器進(jìn)行信道估計(jì)，估計(jì)值為 ，然后利用共軛梯度算法對(duì)這個(gè)值 進(jìn)行修正，因此能加快本發(fā)明中的迭代運(yùn)算的收斂速度，因而能提高本發(fā)明的信道估計(jì)效率。
上面所述最大迭代次數(shù)nmax可以根據(jù)系統(tǒng)允許的時(shí)間長短靈活設(shè)定，具體可為為1至N之間的任意值，即1≤namx≤N，其中N為自相關(guān)矩陣R的維數(shù)，誤差向量范圍參數(shù)ε應(yīng)設(shè)定為大于0，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1的任意值，即0＜ε＜＜1。
下面以本發(fā)明應(yīng)用在TD-SCDMA系統(tǒng)中進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
根據(jù)協(xié)議TS_C102 V3.2.0版本，用戶訓(xùn)練序列即midamble碼有144個(gè)碼片長度，設(shè)第k個(gè)用戶的訓(xùn)練序列碼為m(k)=[m1(k),m2(k)...m144(k)]T,k=1...K]]>假設(shè)每個(gè)碼片時(shí)間長度Tc，估計(jì)出的時(shí)延為{0，0.5Tc，1Tc，1.5Tc，2Tc，3Tc}，接收段數(shù)據(jù)的過采樣率為2，即采樣周期從Tc變?yōu)門c/2。為了實(shí)現(xiàn)0.5個(gè)碼片的時(shí)延，我們將在過采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行信道估計(jì)。用于信道估計(jì)的用戶訓(xùn)練符號(hào)應(yīng)該是由訓(xùn)練序列本身唯一確定的接收信號(hào)，因此，受到延遲的數(shù)據(jù)符號(hào)干擾的前WTc時(shí)間內(nèi)的訓(xùn)練序列將被舍棄。由于用戶訓(xùn)練序列的總長度為144個(gè)碼片長度，因此可以用于信道估計(jì)的用戶訓(xùn)練符號(hào)很多，但是我們可以只選取其中的一部分，假定我們用如上所述的接收信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，從WTc時(shí)刻開始的訓(xùn)練序列接收波形r(t)，經(jīng)過如上過程采樣得到的用于信道估計(jì)的序列e＝[e0，e1…e2N-1]T，其中，ek＝r(kTc/2)。矩陣G可以構(gòu)造如下 然后，將下述參數(shù)初始化，即初始化自相關(guān)矩陣R＝GHG、互相關(guān)向量b＝GHe、加權(quán)向量w(0)＝0、誤差向量g(0)＝b、共軛梯度方向p(1)＝g(0)，迭代次數(shù)的初始值n＝1，以及設(shè)定下述計(jì)算所需的最大迭代次數(shù)nmax和誤差向量范圍參數(shù)ε，接著進(jìn)行信道估計(jì)的下述計(jì)算當(dāng)滿足條件n≤nmax且‖g(n)‖＞ε時(shí)，計(jì)算{①迭代步長 ②加權(quán)向量w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)；③誤差向量g(n)＝g(n-1)-a(n)R(n)p(n)；④共軛梯度方向 ⑤迭代次數(shù)n＝n+1；}最后得到通過上述有限步迭代得到的加權(quán)向量w(n)作為信道估計(jì)值進(jìn)行輸出，即信道估計(jì) 為了提高本發(fā)明的信道估計(jì)效率，初始條件的w(0)也可以設(shè)置為匹配濾波器的輸出 ，然后利用共軛梯度算法對(duì)該值 進(jìn)行修正。nmax的數(shù)值可以根據(jù)系統(tǒng)允許的時(shí)間的長短靈活設(shè)定。假設(shè)自相關(guān)矩陣R的維數(shù)為N×N維，則nmax的確定范圍為1≤nmax≤N。
此時(shí)，加權(quán)向量的初始值設(shè)置為 ，誤差向量的初始值設(shè)置為g(0)＝b-Rw(0)，其余初始條件的設(shè)置不變。
本發(fā)明可以適用于各種移動(dòng)通信系統(tǒng)，并提供準(zhǔn)確度較高的信道估計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的多徑時(shí)延構(gòu)造結(jié)構(gòu)矩陣G；(2)初始化以下參數(shù)自相關(guān)矩陣R、互相關(guān)向量b、加權(quán)向量w、誤差向量g、共軛梯度方向p，迭代次數(shù)的初始值n＝1；(3)設(shè)定最大迭代次數(shù)nmax和誤差向量范圍參數(shù)ε；(4)進(jìn)行信道估計(jì)的下述計(jì)算① 迭代步長 ② 加權(quán)向量w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)；③ 誤差向量g(n)＝g(n-1)-a(n)R(n)p(n)；④ 共軛梯度方向 ⑤ 迭代次數(shù)n＝n+1；(5)如果n小于預(yù)先給定的最大迭代次數(shù)nmax，而且誤差向量‖g(n)‖＞ε，則返回上述步驟(4)繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算，否則繼續(xù)以下步驟(6)將經(jīng)過上述步驟(4)的有限步迭代得到的加權(quán)向量w(n)作為信道估計(jì)值進(jìn)行輸出，即信道估計(jì) 其中T表示相應(yīng)向量或矩陣的轉(zhuǎn)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法，其特征在于所述初始化以下參數(shù)是將參數(shù)自相關(guān)矩陣R初始化為R＝GHG、互相關(guān)向量b初始化為b＝GHe、加權(quán)向量w初始化為w(0)＝ 、誤差向量g初始化為g(0)＝b-Rw(0)、共軛梯度方向p初始化為p(1)＝g(0)；其中H表示相應(yīng)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置， 為匹配濾波器的輸出，e為接收信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法，其特征在于，所述初始化以下參數(shù)是將參數(shù)自相關(guān)矩陣R初始化為R＝GHG、互相關(guān)向量b初始化為b＝GHe、加權(quán)向量w初始化為w(0)＝0、誤差向量g初始化為g(0)＝b、共軛梯度方向p初始化為p(1)＝g(0)；其中片表示相應(yīng)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，e為接收信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法，其特征在于所述最大迭代次數(shù)nmax為1至N之間的任意值，即1≤nmax≤N，其中N為自相關(guān)矩陣R的維數(shù)；所述誤差向量范圍參數(shù)ε為大于0，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1的任意值，即，0＜ε＜＜1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于已知時(shí)延的信道估計(jì)方法,該方法在實(shí)時(shí)估計(jì)出當(dāng)前時(shí)隙用戶信道的多徑參數(shù)的條件下,利用共軛梯度法對(duì)實(shí)時(shí)構(gòu)造的結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行信道估計(jì),可以獲得較接近實(shí)際的信道參數(shù)模型,同時(shí)在獲得無偏信道估計(jì)的過程中避免對(duì)結(jié)構(gòu)矩陣求逆所需進(jìn)行的大量計(jì)算,同時(shí)又能夠達(dá)到直接求逆的而獲得的計(jì)算效果,因此本發(fā)明在提高信道估計(jì)準(zhǔn)確度的同時(shí),仍具有較高的信道估計(jì)效率。
文檔編號(hào)H04J13/00GK1346187SQ00130610
公開日2002年4月24日 申請(qǐng)日期2000年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月28日
發(fā)明者周雷, 范濤, 曲秉玉 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司