專利名稱：多天線多載波無線通信系統(tǒng)中的迭代信道估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域。尤指一種適用于多天線多載波蜂窩移動通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的迭代信道估計(jì)方法，本發(fā)明詳細(xì)地說明了其優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
多入多出系統(tǒng)，又稱多天線無線通信系統(tǒng)，它能夠獲得高頻譜利用率和分集增益[G.J.Foschini and M.J.Gans，″On Limits of Wireless Communicationsin a Fading Environment When Using Multiple Antennas，″Wireless PersonalCommunications}，vol.6，No.3，pp.311-335，March 1998]。多入多出技術(shù)(MIMO)中的大多數(shù)都可以大致歸類成兩大類一類是空間復(fù)用技術(shù)(例如美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的垂直分層空時(shí)碼等)[P.W.Wolniansky，G.J.Foschini andG.D.Golden，″V-BLASTan architecture for realizing very high data rates overthe rich-scattering wireless channel，″International Symposiumon Signals，Systems，and Electronics 1998，ISSSE′98，pp.295-300，Sept.29th-Oct.2nd，1998]；另一類是發(fā)射分集(例如空時(shí)編碼等)[S.M.Alamouti，″A simpletransmit diversity technique for wirelesscommunications，″IEEE Journal onSelected Areas in Communications，vol.16，no.8，pp.1451-1458，Oct.1998]。在利用空間復(fù)用技術(shù)系統(tǒng)中，各個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流通過不同的天線發(fā)射，這樣可以提供很高的數(shù)據(jù)速率而無需增加發(fā)射功率和帶寬。發(fā)射分集是另一類有效的多天線措施，它通過編碼在不同發(fā)射天線發(fā)射的信號間引入時(shí)間和空間上的相關(guān)性來提高接收機(jī)端信號質(zhì)量。但是，這些多天線技術(shù)主要適用于平坦衰落信道，因而比較適用于窄帶無線通信系統(tǒng)。在寬帶系統(tǒng)中，時(shí)延擴(kuò)展引起的碼間干擾會很大地影響空時(shí)碼的性能。而且，根據(jù)我們的研究，寬帶系統(tǒng)中信道的頻率選擇性衰落特性會增加空時(shí)碼的譯碼難度。而多載波技術(shù)中的正交頻分復(fù)用(OFDM)能有效地克服時(shí)延擴(kuò)展引起的碼間干擾，是一種較為成熟的適應(yīng)寬帶無線通信系統(tǒng)的技術(shù)?；诙嗵炀€技術(shù)在頻譜利用率和正交頻分技術(shù)在抗碼間干擾方面的優(yōu)勢，將多天線技術(shù)和正交頻分技術(shù)結(jié)合是一種比較自然也比較可行的思路。
在多天線多載波通信系統(tǒng)中，接收機(jī)必須估計(jì)出各個(gè)發(fā)射和接收天線對之間的信道頻域特性才能完成相關(guān)檢測的工作。信道估計(jì)的準(zhǔn)確性對于多天線多載波系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
參見圖1，為一個(gè)具有NT個(gè)發(fā)射天線和NR個(gè)接收天線的多天線多載波通信系統(tǒng)。在每個(gè)發(fā)射天線上，數(shù)據(jù)流被分成N路平行的子數(shù)據(jù)流并通過大小為Nc的IDFT變換調(diào)制到N個(gè)子載波上。然后，為了消除碼間干擾，在將信號發(fā)射到多徑信道前，對每個(gè)OFDM符號加上了長度為Ncp的循環(huán)前綴。由于信道估計(jì)的需要，可以在每幀數(shù)據(jù)前部插入一個(gè)導(dǎo)頻序列，如圖2所示的幀結(jié)構(gòu)。
各個(gè)發(fā)射天線上發(fā)射的信號經(jīng)過各自獨(dú)立的多徑衰落信道后到達(dá)接收端的各個(gè)天線。在各個(gè)接收天線上，首先去除循環(huán)前綴，然后對接收信號通過DFT變換到頻域。從OFDM解調(diào)處理后的信號中提取出放置在每幀前部的導(dǎo)頻序列來做信道估計(jì)。并且，將通過信道估計(jì)得到的信道信息用來做數(shù)據(jù)部分的相干檢測。
本發(fā)明提出了一種多天線多載波蜂窩移動通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的迭代信道估計(jì)方法。
在傳統(tǒng)的多天線多載波系統(tǒng)的信道估計(jì)方法中，為了在接收機(jī)端區(qū)分出多個(gè)信道的特性，在發(fā)射機(jī)端的不同天線上發(fā)射的導(dǎo)頻序列在頻域或者時(shí)域上是相互正交的，即各個(gè)導(dǎo)頻序列必須安排在不同的子載波位置或不同時(shí)間位置上。否則，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的多天線間干擾，使所需的信道估計(jì)無法完成。但是，這樣的導(dǎo)頻放置方式會大大地降低上行鏈路的頻譜利用率和發(fā)射功率的有效性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量急劇下降。
在本發(fā)明提出的信道估計(jì)方法中，多個(gè)發(fā)射天線的導(dǎo)頻序列能夠在時(shí)域和頻域上同時(shí)發(fā)射，并可以在接收機(jī)端根據(jù)這些導(dǎo)頻分別估計(jì)出相應(yīng)的發(fā)射天線和接收天線間的信道特性。所有NT個(gè)發(fā)射天線對應(yīng)的導(dǎo)頻序列都來源于同一序列，不同的導(dǎo)頻序列將此序列經(jīng)過不同相位偏移后得到的。第p，1≤p≤NT，個(gè)發(fā)射天線上對應(yīng)的導(dǎo)頻序列在第k個(gè)子載波上的信號可以表示為Xk(p)=Cke-j2π(p-1)Ncpk/Nc,k∈Ωall-ΩVC---(1)]]>其中，Ncp是循環(huán)前綴的長度；Nc是傅立葉變換(DFT)的點(diǎn)數(shù)；{Ck}是頻域源序列，它可以是某一個(gè)具有恒模的序列，例如Chu序列等；Ωall＝{0，1，2，...，Nc-1}和ΩVC＝{0，N/2+1，N/2+2，...，Nc-1-N/2}分別是所有子載波序號和虛子載波序號的集合。將頻域上的導(dǎo)頻序列經(jīng)過IDFT變換后，得到其在時(shí)域上的信號為x(p)(n)＝c((n-(p-1)Ncp)N)，p∈{1，2，...，NT}(2)其中，(·)N表示模N除法所得余數(shù)； 是源序列對應(yīng)的時(shí)域信號。在時(shí)域上看，第p個(gè)發(fā)射天線上發(fā)射的導(dǎo)頻序列是源序列對應(yīng)的時(shí)域信號時(shí)移pNcp后得到的。我們提出的信道估計(jì)方法將充分地利用這個(gè)重要的時(shí)域性質(zhì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常使循環(huán)前綴的長度大于信號經(jīng)歷的信道的最大多徑時(shí)延，使OFDM系統(tǒng)中能夠完全消除碼間干擾。
迭代方法是這樣實(shí)現(xiàn)的假設(shè)接收機(jī)端經(jīng)過去循環(huán)前綴和DFT變換后，在某個(gè)接收天線上得到的信號為Yk=Σp=1NrXk(p)Hk(p)+Wk,k∈Ωall-ΩVC---(3)]]>其中，Hk(p)和Wk分別代表信道頻域特性和高斯白噪聲。
步驟1在各個(gè)導(dǎo)頻子載波上進(jìn)行基于最小平方準(zhǔn)則的頻域信道估計(jì)，即在每個(gè)子載波上將接收到的信號除以源序列在該子載波上的信號，得到所有帶有相位偏移的信道特性之和的有噪估計(jì)值H~ktot=YkCk=Σp=1NTHk(p)e-j2π(p-1)Ncpk/Nc+WkCk,k∈Ωall-ΩVC---(4)]]>并且將虛子載波上的估計(jì)值設(shè)為0，即
H~ktot=0,k∈ΩVC---(5)]]>步驟2對步驟1中得到的有噪估計(jì)值進(jìn)行IDFT變換，得到的時(shí)域信號是由所有信道時(shí)域特性經(jīng)過不同延時(shí)后的疊加。
步驟3將步驟2中得到的時(shí)域信號的第1至第Ncp個(gè)抽樣點(diǎn)信號作為第1個(gè)發(fā)射天線對應(yīng)信道的時(shí)域特性初估計(jì)值；將第(Ncp+1)至第2Ncp個(gè)抽樣點(diǎn)信號作為第2個(gè)發(fā)射天線對應(yīng)信道的時(shí)域特性初估計(jì)值；......；以此類推，可以得到NT個(gè)發(fā)射天線對應(yīng)的NT個(gè)信道時(shí)域特性的初估計(jì)值，即h~(p)(n)=h~tot(n+(p-1)Ncp),0≤n≤Ncp-1---(7)]]>步驟4由于信道中噪聲的影響，通過步驟3得到的各個(gè)信道時(shí)域特性的初估計(jì)值中會存在一些噪聲徑。同時(shí)，當(dāng)虛子載波的存在使在步驟1中得到的頻域估計(jì)值不完整，即只有部分子載波上的估計(jì)值，這些不完整的頻域估計(jì)值在變換到時(shí)域上時(shí)會使其對應(yīng)的時(shí)域信號發(fā)生時(shí)域能量彌散；這種彌散會引起估計(jì)過程中不同信道估計(jì)值間的干擾。為了降低或消除這些不良因素的影響，有必要對各個(gè)初估計(jì)值分別進(jìn)行后處理，從中選擇有效徑，并忽略剩余的無效徑。經(jīng)過后處理后，可以得到的各個(gè)信道對應(yīng)的時(shí)域估計(jì)值 步驟5對經(jīng)過后處理后得到的各個(gè)信道時(shí)域估計(jì)值 做DFT變換，可以得到各個(gè)信道對應(yīng)的完整頻域估計(jì)值。
在迭代過程進(jìn)行到最后一次時(shí)，將該步驟得到的頻域估計(jì)值作為輸出提供給相關(guān)解調(diào)處理模塊。
步驟6在虛子載波的位置上，根據(jù)步驟5得到的頻域估計(jì)值再生出的各個(gè)帶有相位偏移的頻域信道特性之和；并且，在導(dǎo)頻子載波的位置上，仍然使用步驟1中根據(jù)最小平方準(zhǔn)則得到的估計(jì)值；從而得到整個(gè)頻域上的信道特性估計(jì)值，如下式所示
H~ktot=YkCk,k∈Ωall-ΩVCΣp=1NTH^k(p)e-j2π(p-1)Ncp,k∈ΩVC---(9)]]>根據(jù)信道估計(jì)性能的需要，步驟2至步驟6將不斷地循環(huán)迭代。各個(gè)發(fā)射天線對應(yīng)的信道完整頻域特性可以通過迭代的方式估計(jì)得到。
上述過程參見圖3。
迭代方法中時(shí)域后處理過程如下對步驟3中得到的NT個(gè)長度為Ncp的時(shí)域初估計(jì)，h~(p)(n),1≤p≤NT,]]>在步驟4中進(jìn)行后處理，得到有效徑并忽略無效徑。具體過程如下1)首先，保留第1個(gè)到NMAX個(gè)抽樣點(diǎn)之間的各個(gè)徑，并忽略第(NMAX+1)個(gè)到第Ncp個(gè)抽樣點(diǎn)之間的各個(gè)徑；2)然后，從保留的NMAX個(gè)徑中選擇模值最大的L個(gè)徑作為有效徑，并忽略其他(NMAX-L)個(gè)徑。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果1、本發(fā)明可應(yīng)用在正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)和多入多出(MIMO)技術(shù)(OFDM-MIMO)的寬帶無線通信系統(tǒng)中，利用迭代估計(jì)方法可以為MIMO-OFDM系統(tǒng)的上行或下行鏈路、OFDM-CDMA系統(tǒng)的上行鏈路提供相干解調(diào)所需要的信道信息。
2、本發(fā)明提出的迭代信道估計(jì)方法的最小均方誤差(MSE)要小于傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的LMMSE信道估計(jì)方法的MIMO-OFDM系統(tǒng)在信道A中的性能。另外，采用本發(fā)明提出的方法不存在平底現(xiàn)象。而且，本發(fā)明提出的方法復(fù)雜度較低，無需插值，不存在邊緣子載波的問題。


圖1為本發(fā)明應(yīng)用的多天線多載波系統(tǒng)示意圖。
圖2為本發(fā)明應(yīng)用的多天線多載波系統(tǒng)中的幀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明設(shè)計(jì)的迭代信道估計(jì)方法流程圖。
圖4為在信道A環(huán)境中采用本發(fā)明的迭代信道估計(jì)方法和傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的LMMSE信道估計(jì)方法的MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能比較圖。
圖5為在信道B環(huán)境中采用本發(fā)明的迭代信道估計(jì)方法和傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的LMMSE信道估計(jì)方法的MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能比較圖。
具體實(shí)施例方式
以一個(gè)典型的多天線多載波系統(tǒng)為例來說明本發(fā)明提出的迭代信道估計(jì)方法的有效性。假設(shè)系統(tǒng)的天線配置是4個(gè)發(fā)射天線和4個(gè)接收天線，即NT＝4、NR＝4。在各個(gè)發(fā)射和接收天線對之間使用OFDM調(diào)制方式將整個(gè)頻帶分成1024個(gè)子載波，其中864個(gè)做為傳輸導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信號的有效子載波，而剩余的作為虛子載波。OFDM符號的有效持續(xù)時(shí)間為12.8μs，對應(yīng)的子載波寬度為78.1kHz；而循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間為2.0μs。假設(shè)信道的最大多普勒頻移為10Hz，那么可以近似的認(rèn)為信道特性在一個(gè)OFDM的持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變。仿真中采用信道的各徑功率服從負(fù)指數(shù)分布，徑數(shù)L分別是6和12，具體參數(shù)請見表1。單徑瑞利衰落信道的多普勒頻譜服從Jakes譜。為了說明本發(fā)明提出的方法的性能優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法應(yīng)用在同一系統(tǒng)中進(jìn)行比較。在基于梳狀導(dǎo)頻的并利用線性最小均方誤差準(zhǔn)則(LMMSE)設(shè)計(jì)的信道估計(jì)方法中，首先需要利用LMMSE準(zhǔn)則得到導(dǎo)頻子載波上信道估計(jì)值，然后利用這些估計(jì)值進(jìn)行插值(例如2階多項(xiàng)式插值)得到整個(gè)頻帶上的信道估計(jì)值。
表1.仿真中所用信道參數(shù)

圖4表示的是分別采用本發(fā)明提出的迭代信道估計(jì)方法和傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的LMMSE信道估計(jì)方法的MIMO-OFDM系統(tǒng)在信道A中的性能比較。可以看到，前者的性能要大大優(yōu)于后者，即前者的最小均方誤差(MSE)要小于后者的。另外，如果采用LMMSE信道估計(jì)方法，隨著信噪比(SNR)增大到一定值(例如25dB)后，MSE的性能不再會改善，即出現(xiàn)了平底現(xiàn)象。然而，如果采用本發(fā)明提出的方法就不存在這樣的問題。采用傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的LMMSE估計(jì)存在兩方面的問題第一，采用LMMSE估計(jì)得到導(dǎo)頻子載波的過程需要已知信道相關(guān)矩陣信息和信噪比等，并且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高；第二，得到導(dǎo)頻子載波上的估計(jì)值后還需要通過插值來得到剩下子載波上的估計(jì)值，這樣的插值會使一些邊緣子載波上的估計(jì)值會很不準(zhǔn)確，引起估計(jì)性能的惡化。而本發(fā)明提出的方法復(fù)雜度較低，并且無需插值，不存在邊緣子載波的問題。
圖5表示的是分別采用本發(fā)明提出的迭代信道估計(jì)方法和傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的LMMSE信道估計(jì)方法的MIMO-OFDM系統(tǒng)在信道B中的性能比較。由于徑數(shù)的增多，造成后處理過程中正確選擇有效徑的概率有所降低，所以迭代算法在信道B中的性能要略差于信道A中的性能。但是，其性能仍然要優(yōu)于傳統(tǒng)的基于梳狀導(dǎo)頻的LMMSE信道估計(jì)方法。
權(quán)利要求
1.一種多天線多載波無線通信系統(tǒng)中的迭代信道估計(jì)方法，其具體步驟如下(1)在各個(gè)導(dǎo)頻子載波上進(jìn)行基于最小平方準(zhǔn)則的頻域信道估計(jì)，即在每個(gè)子載波上將接收到的信號除以源序列在該子載波上的信號，得到所有帶有相位偏移的信道特性之和的有噪估計(jì)值，并且將虛子載波上的估計(jì)值設(shè)為0；(2)對得到的有噪估計(jì)值進(jìn)行IDFT變換，得到的時(shí)域信號是由所有信道時(shí)域特性經(jīng)過不同延時(shí)后的疊加；(3)在時(shí)域?qū)⒏鱾€(gè)信道特性區(qū)分開來，得到各個(gè)發(fā)射天線對應(yīng)的各個(gè)信道時(shí)域特性的初估計(jì)值；(4)對各個(gè)初估計(jì)值分別進(jìn)行后處理，從中選擇有效徑，并忽略剩余的無效徑；(5)對經(jīng)過后處理后得到的各個(gè)信道時(shí)域估計(jì)值做DFT變換，得到各個(gè)信道對應(yīng)的整個(gè)頻域的估計(jì)值，在迭代過程進(jìn)行到最后一次時(shí)，將得到的頻域估計(jì)值作為輸出提供給相關(guān)解調(diào)處理模塊；(6)利用得到的各個(gè)信道頻域估計(jì)值以及初始得到的導(dǎo)頻虛子載波位置上估計(jì)值重組帶有相位偏移的頻域信道特性之和；并且，在導(dǎo)頻子載波的位置上，仍然使用步驟1中根據(jù)最小平方準(zhǔn)則得到的估計(jì)值；從而得到整個(gè)頻域上的信道特性估計(jì)值；根據(jù)信道估計(jì)性能的需要，步驟2至步驟6將不斷地循環(huán)迭代；各個(gè)發(fā)射天線對應(yīng)的信道完整頻域特性可以通過迭代的方式估計(jì)得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線多載波無線通信系統(tǒng)中的迭代信道估計(jì)方法，其特征在于多個(gè)發(fā)射天線的導(dǎo)頻序列能夠在時(shí)域和頻域上同時(shí)發(fā)射，并可以在接收機(jī)端根據(jù)這些導(dǎo)頻分別估計(jì)出相應(yīng)的發(fā)射天線和接收天線間的信道特性；所有發(fā)射天線對應(yīng)的導(dǎo)頻序列都來源于同一序列，不同的導(dǎo)頻序列將此序列經(jīng)過不同相位偏移后得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線多載波無線通信系統(tǒng)中的迭代信道估計(jì)方法，其特征在于在時(shí)域上做后處理時(shí)采用了分步選擇有效徑忽略無效徑的方法，首先忽略延時(shí)大于信道最大多徑時(shí)延部分的無效徑，然后從保留下來的徑中再選擇部分有效徑，并忽略其他。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線多載波無線通信系統(tǒng)中的迭代信道估計(jì)方法，其特征在于通過反傅立葉變換(IDFT)將在頻域上得到最小平方估計(jì)轉(zhuǎn)換到時(shí)域后區(qū)分出不同信道對應(yīng)的時(shí)域特性，經(jīng)過后處理后再通過傅立葉變換(DFT)變換回到頻域上；為了克服由于虛子載波存在引起頻域估計(jì)不完整而導(dǎo)致變換過程中能量在時(shí)域上的彌散問題，采用了迭代方法來估計(jì)得到完整的頻域估計(jì)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其是一種降低系統(tǒng)開銷和提高系統(tǒng)性能的信道估計(jì)方法。本發(fā)明針對存在虛子載波的多天線多載波無線通信系統(tǒng)中信道估計(jì)問題，提出一種基于特殊設(shè)計(jì)導(dǎo)頻序列的迭代估計(jì)方法。
文檔編號H04L1/06GK1816027SQ20051000732
公開日2006年8月9日 申請日期2005年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月6日
發(fā)明者鄭侃, 蘇健, 王文博 申請人:北京郵電大學(xué)