專利名稱：一種適用于多載波系統(tǒng)的信道估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其是高速通信的未來移動通信系統(tǒng)，提供了一種適用于多載波系統(tǒng)、尤其適用于多載波多天線系統(tǒng)的高性能的信道估計方法。

背景技術(shù)：
未來移動通信業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢是高質(zhì)量多媒體的服務(wù)，小區(qū)吞吐量的要求將提高到100Mbps～1Gbps。然而，未來移動通信可用的頻譜資源是有限的，為了在有限的頻譜資源上實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的信息傳輸，可行的辦法就是開發(fā)頻譜利用率更高的新的空中接口技術(shù)。
多入多出(MIMO)技術(shù)，又稱多天線技術(shù)，能獲得高頻譜利用率和分集增益。多入多出技術(shù)與多載波技術(shù)，尤其是正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)的結(jié)合，其處理復(fù)雜度僅與系統(tǒng)帶寬成線性關(guān)系。近年來在世界上受到越來越多的關(guān)注，并且將成為未來無線通信系統(tǒng)物理層的核心技術(shù)。在多天線多載波通信系統(tǒng)中，接收機必須根據(jù)估計出的各個發(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。信道估計精度對于多天線多載波系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。另外，由于所有的發(fā)射天線同時連續(xù)地發(fā)送信號，在接收天線上收到的是來自所有發(fā)射天線的信號的混疊，這給信道估計帶來了更大的難度。
在實際系統(tǒng)中，為了避免濾波器頻域響應(yīng)的滾降區(qū)域?qū)π盘栐斐苫?，通常將傳輸帶寬的部分載波空置作為保護頻帶。由于保護頻段的存在，破壞了導(dǎo)頻的正交性，降低了信道估計性能，并且使一些高性能的信道估計方法難以采用簡化算法，因此需要設(shè)計更合理的導(dǎo)頻序列和更高精度的接收端算法。目前，針對虛載波存在下的多天線多載波系統(tǒng)的信道估計方法主要是基于最小二乘準(zhǔn)則(LS)的信道估計方法，該方法基于多徑時延已知的情況，并且需要矩陣求逆來保證精度。上述方法的缺點是計算復(fù)雜度高，無法滿足實際應(yīng)用的需要。


發(fā)明內(nèi)容
針對上述信道估計中存在的問題，本發(fā)明提出一種適用于多載波系統(tǒng)、尤其適用于多載波多天線系統(tǒng)的信道估計方法。本發(fā)明能夠很好的補償虛載波帶來的能量泄漏，有效抑制加性高斯白噪聲，從而獲得更好的信道估計性能。
本發(fā)明公開了一種用于多載波多天線系統(tǒng)的信道估計方法，包括步驟 (1)在接收端提取導(dǎo)頻位置的接收信號，進行初步的信道估計，得到每根天線的初始信道時域沖激響應(yīng)； (2)將所述得到初始信道時域沖激響應(yīng)輸入能量補償模塊，選取有效徑，并針對每條有效徑進行能量補償，消除虛載波帶來的能量擴散對信道估計造成的影響，得到更加準(zhǔn)確的時域沖激響應(yīng)； (3)執(zhí)行傅立葉變換，得到信道的頻域響應(yīng)估計。
優(yōu)選地，對于信道的多徑時延未知的系統(tǒng)，所述方法包括步驟 (1)對于第n個符號，首先提取導(dǎo)頻計算得到每根天線上時域信道估計的初始值h0(n)； (2)進入時延未知的能量補償循環(huán)模塊，在第l次循環(huán)中檢測當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)，以找到最強徑(l＝0為初始值)，判斷所述徑是否為有效徑，如果所述徑為有效徑，則所述有效徑的能量擴散進行恢復(fù)，即將所述徑的復(fù)幅度乘以歸一化的能量擴散補償函數(shù)，得到所述徑的能量擴散gl(n)，并從剩余信道沖激響應(yīng)中去掉所述最強徑及其能量擴散，得到當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)＝hl-1(n)-gl(n)，同時更新構(gòu)造信道沖激響應(yīng)，否則結(jié)束循環(huán)； (3)循環(huán)結(jié)束后，分析信道沖激響應(yīng)的初始值h0(n)，將小于門限值的采樣點用相應(yīng)的構(gòu)造信道估計沖激響應(yīng)替換，得到最終的信道沖激響應(yīng)h(n)，經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。
優(yōu)選地，對于已知信道多徑時延的系統(tǒng)，所述方法包括步驟 (1)對于第n個符號，提取導(dǎo)頻計算得到每根天線上時域信道估計的初始值h0(n)； (2)根據(jù)已知多徑時延取出有效徑，得到有效徑的初始信道估計

并令接著進入時延已知的能量補償循環(huán)模塊，直到滿足條件結(jié)束循環(huán)跳出循環(huán)，在每次循環(huán)中將每個有效徑的復(fù)幅度乘以歸一化的能量擴散補償函數(shù)，構(gòu)造由于能量擴散帶來的各徑之間相互的干擾信號，從有效徑的初始信道估計

中消除干擾信號，并用此結(jié)果更新

得到更為準(zhǔn)確的有效徑信息； (3)將

乘以歸一化系數(shù)，構(gòu)造最終時域信道估計沖激響應(yīng)

經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。
優(yōu)選地，根據(jù)有效子載波位置構(gòu)造歸一化的能量擴散補償函數(shù)，將有效子載波位置填入相同能量信號，其余位置置零，通過傅立葉反變換，進行能量歸一化后得到的函數(shù)為歸一化的能量擴散補償函數(shù)。
優(yōu)選地，所述方法適用于單發(fā)單收、單發(fā)多收或者多發(fā)單收通信系統(tǒng)。
優(yōu)選地，所有當(dāng)前最強徑的集合即為每對發(fā)送天線、接收天線間經(jīng)歷信道的有效徑，其位置為信道多徑時延。
優(yōu)選地，當(dāng)前最強徑的能量或絕對幅度最大值是否大于設(shè)定門限值，如果大于設(shè)定門限值則判為有效徑，否則判為非有效徑。
優(yōu)選地，根據(jù)噪底設(shè)定門限值。
優(yōu)選地，歸一化系數(shù)為總子載波數(shù)與可用子載波數(shù)的比值。
優(yōu)選地，消除各徑之間的干擾信號基于串行干擾刪除方法，或者基于并行干擾刪除方法。
優(yōu)選地，循環(huán)結(jié)束條件為當(dāng)前

與上一次循環(huán)的

的差小于設(shè)定門限。
優(yōu)選地，所述循環(huán)結(jié)束條件為達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)。
對于信道時延未知的系統(tǒng)，利用本發(fā)明方法，可得到準(zhǔn)確的多徑時延信息。而且本發(fā)明能夠很好的補償虛載波帶來的能量泄漏，有效抑制加性高斯白噪聲，從而獲得更好的信道估計性能。



圖1為根據(jù)本發(fā)明的針對信道時延未知的方案的信道估計方法的方框圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明的針對信道時延已知的方案的信道估計方法的方框圖。

具體實施例方式 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于多載波多天線系統(tǒng)的信道估計方法，包括具體步驟 在發(fā)送端，優(yōu)選地，選用可用子載波數(shù)長的導(dǎo)頻，再經(jīng)過傅立葉反變換，得到時域?qū)ьl信號，然后對每根天線上的時域?qū)ьl信號進行不同的循環(huán)移位處理；最后加入循環(huán)前綴，與數(shù)據(jù)符號形成發(fā)送幀通過發(fā)送天線發(fā)送出去。
優(yōu)選地，使用不同偏移相位的常幅度-零自相關(guān)(CAZAC)序列作為導(dǎo)頻，循環(huán)移位數(shù)選擇最大可能位數(shù)，即系統(tǒng)子載波總數(shù)與發(fā)送天線數(shù)的比值，并且保證該循環(huán)移位數(shù)大于最大多徑時延。
在接收端，首先提取導(dǎo)頻位置的頻域接收信號，進行初步的頻域信道估計，將虛載波部分信道響應(yīng)置零，然后對初估計信道做傅立葉反變換，得到每根天線的信道時域沖激響應(yīng)，接下來選取有效徑，并針對每條有效徑進行能量補償，得到更加準(zhǔn)確的時域沖激響應(yīng)，最后進行傅立葉變換，得到最終的信道頻域響應(yīng)估計。其接收端具體步驟如下 對于信道多徑時延未知的系統(tǒng) (1)首先提取導(dǎo)頻信號，經(jīng)過傅立葉變換后去掉虛載波，得到有效子載波位置上的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)；然后將接收到的頻域?qū)ьl信號與本地導(dǎo)頻序列相除；接下來將虛載波位置補零后進行傅立葉反變換，得到不同天線的信道沖激響應(yīng)；最后根據(jù)發(fā)送端不同天線的不同循環(huán)移位位置的信息，截取有效數(shù)據(jù)，其余位置補零，得到每根發(fā)送天線的時域信道沖激響應(yīng)的初始值h0(n)。
(2)檢測當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)找到當(dāng)前最強徑，其中l(wèi)為循環(huán)次數(shù)，l＝0為初始值。
(3)判斷該徑是否為有效徑，如果為有效徑，進入步驟(4)；否則結(jié)束循環(huán)，轉(zhuǎn)入步驟(7)。
優(yōu)選地，可以根據(jù)判斷當(dāng)前最強徑的能量或絕對幅度最大值是否大于設(shè)定門限值，如果大于設(shè)定值則判為有效徑，否則判為非有效徑。
(4)對該有效徑的能量擴散進行恢復(fù)，用該徑的復(fù)幅度乘以歸一化的能量補償函數(shù)。優(yōu)選地，可用如下sinc函數(shù) 其中，τl表示第l條有效徑的位置，M為有效子載波數(shù)，N為OFDM符號長度。得到該徑的能量擴展gl(n)。
(5)從剩余信道沖激響應(yīng)中去掉該最強徑的能量擴展，得到當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)＝hl-1(n)-gl(n)。
(6)更新構(gòu)造信道沖激響應(yīng)，其中

為構(gòu)造信道沖激響應(yīng)的初始值，其各采樣點值均為零，并返回步驟(3)。
(7)分析信道沖激響應(yīng)的初始值h0(n)，將小于門限值的采樣點用響應(yīng)的構(gòu)造信道估計沖激響應(yīng)替換，得到最終的時域信道沖激響應(yīng)h(n)，經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。
對于已知信道多徑時延的系統(tǒng) (1)首先提取導(dǎo)頻，經(jīng)過傅立葉變換后去掉虛載波，得到有效子載波位置上的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)；然后將接收到的頻域?qū)ьl信號與本地導(dǎo)頻序列相除；接下來將虛載波位置補零后進行傅立葉反變換，得到不同天線的信道沖激響應(yīng)；最后根據(jù)發(fā)送端不同天線的不同循環(huán)移位位置的信息，截取有效數(shù)據(jù)，其余位置補零，得到每根發(fā)送天線的時域信道沖激響應(yīng)的初始值h0(n)。
(2)根據(jù)已知多徑時延取出有效徑，得到有效徑的初始信道估計

并令 (3)將每條有效徑的復(fù)幅度乘以歸一化的能量擴散補償函數(shù)，構(gòu)造由于能量擴散帶來的各徑之間相互的干擾信號，從有效徑的初始信道估計

中消除干擾信號，用此結(jié)果更新

得到更為準(zhǔn)確的有效徑的信道估計值。
消除各徑之間的干擾信號， 優(yōu)選地，基于串行干擾刪除方法； 較佳地，也可以基于并行干擾刪除方法。
(4)若滿足循環(huán)結(jié)束條件，則進入步驟(5)；否則，返回步驟(3)。
優(yōu)選地，循環(huán)結(jié)束條件為當(dāng)前的

與上一次循環(huán)的

的差小于設(shè)定門限； 較佳地，循環(huán)結(jié)束條件為達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)。
(5)將

乘以歸一化系數(shù)，構(gòu)造最終時域信道估計沖激響應(yīng)

經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。其中，歸一化系數(shù)為總子載波數(shù)與可用子載波數(shù)的比值。
本發(fā)明也適用于單發(fā)單收(SISO)，單發(fā)多收(SIMO)，多發(fā)單收(MISO)通信系統(tǒng)。
下面參考附圖并參考具體實施例來描述本發(fā)明的用于多載波多天線系統(tǒng)的信道估計方法。
以一個典型多天線多載波系統(tǒng)為例來說明本發(fā)明提出的基于能量補償?shù)男诺拦烙嫹椒ǖ挠行浴＜僭O(shè)系統(tǒng)的天線配置是4根發(fā)送天線和4根接收天線，即NT＝4、NR＝4。采用OFDM調(diào)制方式將整個帶寬分為512個子載波，即N＝512，其中300個為傳輸導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)的有效子載波，即M＝300，其余212個子載波為虛載波。
在發(fā)送端，首先產(chǎn)生M＝300長導(dǎo)頻序列，虛載波位置補零；然后進行傅立葉反變換變換，得到時域?qū)ьl信號；接下來對每根天線上的時域?qū)ьl信號進行N/NT＝128點的循環(huán)移位；最后加入循環(huán)前綴，與數(shù)據(jù)符號形成發(fā)送幀通過發(fā)送天線發(fā)送出去。
在接收端，所有接收天線的信道估計方法相同。針對每根接收天線，首先提取導(dǎo)頻信號，經(jīng)過傅立葉變換后去掉虛載波，得到有效子載波位置上M＝300點的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)；然后將接收到的頻域?qū)ьl信號與本地導(dǎo)頻序列相除；接下來將虛載波位置補零后進行傅立葉反變換，得到不同天線的信道沖激響應(yīng)；最后根據(jù)發(fā)送端不同天線的不同循環(huán)移位位置的信息，分別截取各發(fā)送天線有效數(shù)據(jù)，其余位置補零，得到每根發(fā)送天線的時域信道沖激響應(yīng)的初始值htx0(n)，t＝1，2，3，4。由于對每根發(fā)送天線的信道沖激響應(yīng)的處理相同，以下循環(huán)部分僅針對一根發(fā)送天線進行處理。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的針對信道時延未知的方案的信道估計方法的方框圖。具體地說，對于信道多徑時延未知的系統(tǒng)，進行如下循環(huán)處理 在第l次循環(huán)中 第一步檢測當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)找到當(dāng)前最強徑，其中l(wèi)為循環(huán)次數(shù)，l＝0為初始值。判斷該徑是否為有效徑，如果為有效徑，進入第二步，否則結(jié)束循環(huán)。
第二步對該有效徑的能量擴散進行恢復(fù)，用該徑的復(fù)幅度βl乘以歸一化的能量補償函數(shù)得到該徑的能量擴展gl(n)＝βl×Sincl(τ)。
其中，τl表示第l條有效徑的位置。
第三步從剩余信道沖激響應(yīng)中去掉該最強徑的能量擴展，得到當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)＝hl-1(n)-gl(n)。更新構(gòu)造信道沖激響應(yīng)，其中

為構(gòu)造信道沖激響應(yīng)的初始值，其各采樣點值均為零。然后轉(zhuǎn)入第一步繼續(xù)循環(huán)。
循環(huán)結(jié)束后，分析信道沖激響應(yīng)的初始值h0(n)，將小于門限值的采樣點用響應(yīng)的構(gòu)造信道估計沖激響應(yīng)替換，得到最終的信道沖激響應(yīng)h(n)，經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的針對信道時延已知的方案的信道估計方法的方框圖。具體地說，對于信道多徑時延未知的系統(tǒng)，以基于并行干擾刪除原理的方案為例，具體步驟為 第一步根據(jù)已知多徑時延取出有效徑，得到有效徑的初始信道估計

并令 第二步將每條有效徑的復(fù)幅度

乘以歸一化的能量擴散補償函數(shù)，并將各徑的能量擴散相加，得到各徑之間相互的干擾信號。
第三步從有效徑的初始信道估計

中減去干擾信號，用此結(jié)果更新

得到更為準(zhǔn)確的有效徑信息。
第四步若循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的次數(shù)，則進入第五步；否則，返回第二步。
第五步將

乘以歸一化系數(shù)N/M＝1.7067，構(gòu)造最終時域信道估計沖激響應(yīng)

經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。
仿真采用典型市區(qū)信道，徑數(shù)L＝6。載頻為2GHz，系統(tǒng)帶寬為5MHz，子載波間隔為15kHz。在信噪比(SNR)為28dB時，未知信道時延方案的信道估計的均方誤差(MSE)可以達(dá)到10-3，已知信道時延方案的信道估計方法的MSE可以達(dá)到4×10-4，而未進行能量補償?shù)姆椒ǖ腗SE僅為7×10-2。
仿真結(jié)果表明，本方法可以很好的對虛載波帶來的能量泄露進行補償，提高信道估計精度。
權(quán)利要求
1.一種用于多載波系統(tǒng)的信道估計方法，包括步驟
(1)在接收端提取導(dǎo)頻位置的接收信號，進行初步的信道估計，得到每根天線的初始信道時域沖激響應(yīng)；
(2)將所述得到初始信道時域沖激響應(yīng)輸入能量補償模塊，選取有效徑，并針對每條有效徑進行能量補償，消除虛載波帶來的能量擴散對信道估計造成的影響，得到更加準(zhǔn)確的時域沖激響應(yīng)；
(3)執(zhí)行傅立葉變換，得到信道的頻域響應(yīng)估計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對于信道的多徑時延未知的系統(tǒng)，所述方法包括步驟
(1)對于第n個符號，首先提取導(dǎo)頻計算得到每根天線上時域信道估計的初始值h0(n)；
(2)進入時延未知的能量補償循環(huán)模塊，在第l次循環(huán)中檢測當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)，以找到最強徑(l＝0為初始值)，判斷所述徑是否為有效徑，如果所述徑為有效徑，則所述有效徑的能量擴散進行恢復(fù)，即將所述徑的復(fù)幅度乘以歸一化的能量擴散補償函數(shù)，得到所述徑的能量擴散gl(n)，并從剩余信道沖激響應(yīng)中去掉所述最強徑及其能量擴散，得到當(dāng)前剩余信道沖激響應(yīng)hl(n)＝hl-1(n)-gl(n)，同時更新構(gòu)造信道沖激響應(yīng)，否則結(jié)束循環(huán)；
(3)循環(huán)結(jié)束后，分析信道沖激響應(yīng)的初始值h0(n)，將小于門限值的采樣點用相應(yīng)的構(gòu)造信道估計沖激響應(yīng)替換，得到最終的信道沖激響應(yīng)h(n)，經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對于已知信道多徑時延的系統(tǒng)，所述方法包括步驟，計算得到每根天線上時域信道估計的初始值h0(n)；
(2)根據(jù)已知多徑時延取出有效徑，得到有效徑的初始信道估計
并令接著進入時延已知的能量補償循環(huán)模塊，直到滿足條件結(jié)束循環(huán)跳出循環(huán)，在每次循環(huán)中將每個有效徑的復(fù)幅度乘以歸一化的能量擴散補償函數(shù)，構(gòu)造由于能量擴散帶來的各徑之間相互的干擾信號，從有效徑的初始信道估計
中消除干擾信號，并用此結(jié)果更新
得到更為準(zhǔn)確的有效徑信息；
(3)將
乘以歸一化系數(shù)，構(gòu)造最終時域信道估計沖激響應(yīng)
經(jīng)過傅立葉變換后得到最終的頻域響應(yīng)估計值H(n)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)有效子載波位置構(gòu)造歸一化的能量擴散補償函數(shù)，將有效子載波位置填入相同能量信號，其余位置置零，通過傅立葉反變換，進行能量歸一化后得到的函數(shù)為歸一化的能量擴散補償函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法適用于單發(fā)單收、單發(fā)多收或者多發(fā)單收通信系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所有當(dāng)前最強徑的集合即為每對發(fā)送天線、接收天線間經(jīng)歷信道的有效徑，其位置為信道多徑時延。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中當(dāng)前最強徑的能量或絕對幅度最大值是否大于設(shè)定門限值，如果大于設(shè)定門限值則判為有效徑，否則判為非有效徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中歸一化系數(shù)根據(jù)擴散能量與能量比例確定。。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中消除各徑之間的干擾信號基于串行干擾刪除方法，或者基于并行干擾刪除方法。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中循環(huán)結(jié)束條件為當(dāng)前
與上一次循環(huán)的
的差小于設(shè)定門限或達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于多載波多天線系統(tǒng)的信道估計方法，包括步驟在接收端提取導(dǎo)頻位置的接收信號，進行初步的信道估計，得到每根天線的初始信道時域沖激響應(yīng)；將所述得到初始信道時域沖激響應(yīng)輸入能量補償模塊，選取有效徑，并針對每條有效徑進行能量補償，消除虛載波帶來的能量擴散對信道估計造成的影響，得到更加準(zhǔn)確的時域沖激響應(yīng)；執(zhí)行傅立葉變換，得到信道的頻域響應(yīng)估計。
文檔編號H04B7/04GK101127753SQ20071017549
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者張建華, 平 張, 琛 黃, 孫霏霏 申請人:北京郵電大學(xué)