專利名稱：一種基于已知時延的信道估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SCDMA(同步碼分多址)系統(tǒng)中的信道估計方法，尤其是一種SCDMA系統(tǒng)中的基于已知時延的信道估計方法。
在現(xiàn)有的對同步CDMA系統(tǒng)信道估計的研究中，歐洲電信及相關(guān)技術(shù)論文集中第39至50頁的題為“碼分多址移動通信系統(tǒng)上行鏈路中基于聯(lián)合檢測的最優(yōu)及次優(yōu)信道估計方法”(”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方案，其信道估計采用時延未知的聯(lián)合檢測的估計方法。由于用戶的訓(xùn)練序列是由一個基本周期碼推導(dǎo)得到的，這種特殊的構(gòu)造方式使得基于最大似然準則的信道估計可以通過移位寄存器和復(fù)乘器來實現(xiàn)，硬件成本低。但是這種方法限定了所估計的用戶信道的多徑數(shù)目以及每一徑的延時，例如，對于16個用戶的系統(tǒng)，所估計的信道數(shù)目限定為8徑，這8徑的延時依次為0，1，2，3，4，5，6，7個碼片。由于實際通信環(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)目和延遲時間極有可能與實際情況不符合。如果按照上述方案進行信道估計，假定信道的時延數(shù)目大于真實信道的多徑數(shù)目，那么可能出現(xiàn)把噪聲誤作為用戶信息的情況；如果假定信道的時延數(shù)目小于真實信道的多徑數(shù)目，那么就會丟失有些徑的信息；由于假定的信道時延只能為整數(shù)個碼片，但是真實信道延時極有可能為非整數(shù)個碼片，而且可能為半個碼片，顯然假定信道與真實情況是不一致的，在這種情況下，這必然會導(dǎo)致信道估計模型的不準確，從而使得估計結(jié)果不準確，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準確度且效率較高的基于已知時延的信道估計方法。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于已知時延的信道估計方法，該方法包括以下步驟(1)根據(jù)當(dāng)前時隙的多徑時延構(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)進行信道估計的下述計算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)進行迭代計算，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)作為信道估計值進行輸出，即信道估計 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，為了獲得與真實情況更為接近的多徑模型，以提高信道估計的準確度，本發(fā)明的實質(zhì)是在時延已知的情況下，利用共軛梯度法針對實時構(gòu)造的表述時延的結(jié)構(gòu)矩陣進行信道估計。由于信道的時延估計可以有較高的準確度，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際，因此本發(fā)明的信道估計方法能夠提高信道估計的準確度。
由于本發(fā)明是在信道時延已知的情況下進行信道估計，真實的時延只能根據(jù)當(dāng)前時隙接收到的數(shù)據(jù)實時來估計，因而結(jié)構(gòu)矩陣G也必須實時的構(gòu)造，因而通過對結(jié)構(gòu)矩陣G直接求廣義逆得到的無偏信道估計不可能預(yù)先脫機計算得到，只能在線地計算。但是求高維矩陣的廣義逆的計算量很大，本發(fā)明采用的利用共軛梯度法可以避免上述矩陣求逆，同時又能夠達到直接求逆的計算精度，因此本發(fā)明在時延已知的條件下，利用共軛梯度法來進行信道估計，在提高信道估計準確度的同時，仍具有較高的信道估計效率。
下面對本發(fā)明作進一步的說明。
首先結(jié)合時分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)對本發(fā)明作詳細描述。
假定系統(tǒng)中有K個無線用戶，同時假定每個用戶信道的復(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，接收信號中的最初的W-1個采樣數(shù)據(jù)受其它序列的延時信號的影響，因此，每個中間導(dǎo)頻碼(midamble碼)的最初的W-1個元素并不用于信道估計。由訓(xùn)練序列本身唯一確定的接收信號僅僅有L個元素。設(shè)相應(yīng)的接收信號為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，則接收信號可以表示為e＝Gh+n，因而信道估計的問題實際上就相當(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，則無偏估計的信道估計矩陣為M=(G*TRn-1G)-1G*TRn-1,]]>從而信道h的最大似然估計為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h^=(G*TG)-1G*Te]]>是無偏估計，同時也為最小二乘估計。
一旦給出了矩陣G，信道估計便可以通過式 求得。但是，這里假定的模型通常與真實的多徑模型是不一致的，或是多徑數(shù)目不符合，或是多徑的延遲時間有偏差，這必然會降低信道估計準確度，影響系統(tǒng)的整體接收性能。
為了解決這個問題，提高信道估計的準確度，信道估計應(yīng)該在時延已知的情況下進行。但是，為了獲得與真實情況更為接近的多徑模型，必須實時估計出當(dāng)前時隙的多徑時延，從而矩陣G必須根據(jù)估計的多徑時延實時地構(gòu)造，這樣一來，每個時隙都必須進行高階矩陣的求逆運算，為了降低運算量，利用共軛梯度法來進行信道估計，既可以避免矩陣求逆，同時又能夠達到直接求逆的效果。具體實施步驟如下(1)根據(jù)當(dāng)前時隙的多徑時延構(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)進行信道估計的下述計算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)進行迭代計算，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)作為信道估計值進行輸出，即信道估計
其中H表示相應(yīng)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，e為接收信號，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)的匹配濾波器進行信道估計，估計值為 ，然后利用共軛梯度算法對這個值 進行修正，因此能加快本發(fā)明中的迭代運算的收斂速度，因而能提高本發(fā)明的信道估計效率。
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，且遠遠小于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個碼片長度，設(shè)第k個用戶的訓(xùn)練序列碼為m(k)=[m1(k),m2(k)...m144(k)]T,k=1...K]]>假設(shè)每個碼片時間長度Tc，估計出的時延為{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。為了實現(xiàn)0.5個碼片的時延，我們將在過采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行信道估計。用于信道估計的用戶訓(xùn)練符號應(yīng)該是由訓(xùn)練序列本身唯一確定的接收信號，因此，受到延遲的數(shù)據(jù)符號干擾的前WTc時間內(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個碼片長度，因此可以用于信道估計的用戶訓(xùn)練符號很多，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進行信道估計，從WTc時刻開始的訓(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，接著進行信道估計的下述計算當(dāng)滿足條件n≤nmax且‖g(n)‖＞ε時，計算{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)作為信道估計值進行輸出，即信道估計 為了提高本發(fā)明的信道估計效率，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該值 進行修正。nmax的數(shù)值可以根據(jù)系統(tǒng)允許的時間的長短靈活設(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，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通信系統(tǒng)，并提供準確度較高的信道估計。
權(quán)利要求
1.一種基于已知時延的信道估計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)根據(jù)當(dāng)前時隙的多徑時延構(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)進行信道估計的下述計算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)進行迭代計算，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)作為信道估計值進行輸出，即信道估計 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所述的基于已知時延的信道估計方法，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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時延的信道估計方法，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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時延的信道估計方法，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，且遠遠小于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延的信道估計方法,該方法在實時估計出當(dāng)前時隙用戶信道的多徑參數(shù)的條件下,利用共軛梯度法對實時構(gòu)造的結(jié)構(gòu)矩陣進行信道估計,可以獲得較接近實際的信道參數(shù)模型,同時在獲得無偏信道估計的過程中避免對結(jié)構(gòu)矩陣求逆所需進行的大量計算,同時又能夠達到直接求逆的而獲得的計算效果,因此本發(fā)明在提高信道估計準確度的同時,仍具有較高的信道估計效率。
文檔編號H04J13/00GK1346187SQ00130610
公開日2002年4月24日 申請日期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 申請人:華為技術(shù)有限公司