CN101141425A - 基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，包括以下处理步骤：1)发送端发送带有循环前缀CP的时分导频序列；2)接收端通过FFT模块将步骤1)中的导频序列变换到频域，并进行信道估计，得到信道的频率响应估计；3)在接收端通过IFFT模块将步骤2)中的信道响应估计变换回时域，得到信道的冲击响应估计。采用本发明的信道估计方法，使得基于FFT/IFFT模块进行频域中的信道估计，相比时域信道估计计算量大大减少。

Description

基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别是涉及一种基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法。

背景技术

信道估计技术从大的方面可以分为非盲估计和盲估计，以及在此基础上产生的半盲估计。通常使用非盲估计获得较好的估计效果，计算复杂度较低，这样还可以更好的跟踪无线信道的变化，提高接收机性能。传统的信道估计方法往往要进行大量的矩阵运算，复杂度较高，处理时延较大。

比如在基于CDMA(Code Division Multiple Access：码分多址)的无线通信系统中，由于传输速率较高，需要使用相干检测(CoherentDetection)技术获得较高的性能，因此信道估计成为CDMA相关研究的一个重要方向。精确的信道估计可以提高CDMA系统的性能。信道估计的结果可以应用于CDMA系统的RAKE接收机、时域均衡接收机以及频域均衡接收机中。现有技术中还缺少一种能够快速精确进行信道估计的方法。

发明内容

鉴于以上情况，本发明解决的技术问题是提出了一种基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，可以利用附带有循环前缀(CP)的导频序列进行频域的信道估计。而基于FFT/IFFT模块的信道估计比传统的时域信道估计计算复杂度低，减少了信道估计所造成的系统时延。

本发明提出的信道估计方法，包括以下处理步骤：

1)发送端发送带有CP的时分导频序列；

2)接收端通过FFT模块将步骤1)中的导频序列变换到频域，并进行信道估计，得到信道的频率响应估计；

3)在接收端通过IFFT模块将步骤2)中的信道响应估计变换回时域，得到信道的冲击响应估计。

优选的，所述步骤1)中发送端可重复发送多次带有CP的时分导频序列，所述步骤1)和步骤2)之间还包括以下步骤：在接收端将接收到的导频序列进行平均化后作为步骤2)中频域变换的导频序列。

优选的，所述步骤2)中具体采用最小二乘LS准则、最小均方误差LMMSE准则或者MMSE准则中的一种准则进行信道估计。

优选的，对于所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计，如果其长度大于信道最大时延时，将该信道冲击响应中大于信道最大时延的估计值置零。

优选的，所述步骤3)之后还包括以下处理步骤：将所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计应用于移动通信系统的时域均衡处理中。

优选的，所述步骤3)之后还包括以下处理步骤：将所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计变换回频域，得到频率响应估计，并将该频率响应估计应用于移动通信系统的频域均衡处理中。

采用本发明的信道估计方法，通过采用增加CP的导频段格式，将导频序列与信道的线性卷积的作用转化成循环卷积，使得能够基于FFT/IFFT模块进行频域中的信道估计，相比时域信道估计计算量大大减少。

此外，如果整个导频段较长，而信道的最大时延较短，附带CP的导频序列可以重复发送若干次。在接收端，将接收到的导频序列求均值(如果附带有CP的导频序列被发送了两次以上)，求出一个平均化后的导频序列的接收数据，以降低高斯噪声对导频序列的影响。

附图说明

图1为本发明优选实施例所采用的时分导频段的原理示意图；

图2为本发明优选实施例的M.1225车载信道A的信道模型图；

图3为高速分组数据协议HRPD中规定的下行信道物理层的帧格式示意图；

图4为采用本发明的信道估计方法处理后得到的均方误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

1)本发明所采用的时分导频段的格式

为了基于FFT/IFFT模块在频域中进行移动通信系统的信道估计，最关键的问题是要把导频段和信道的线性卷积作用转化为循环卷积。本发明采用类似于OFDM系统的处理方法，在导频序列前面加上循环前缀CP(CyclicPrefix)。选取一个导频序列，因为要在频域中首先利用LS准则、LMMSE准则或者MMSE准则进行估计信道，所以要求这个导频序列具有丰富的频率信息。也就是说在FFT变换之后，导频序列对应的频域的采样序列不能存在零值，一般情况下，实的或者是复的伪随机序列能够具有这样的特性。现有的Chu序列或者是Newman序列具有闭合的表达式，并且它们的时域和相应的频域采样序列的幅度都是恒定的，这样的序列可以避免LS估计中较小的频域采样幅度对高斯噪声的放大。不过由于Chu序列和Newman序列是复数序列，相比实数伪随机序列，传送这样的导频需要增加一路信号。

如图1中所示，设定导频序列的CP不短于信道的最大时延，如果协议规定的导频段足够长，这样的附带CP的导频序列将被连续传送若干次，共同构成一个导频段。重复发送导频序列将被平均化处理，可以降低高斯噪声对信道估计精度的影响。

2)基于移动通信系统的时分导频段的信道估计

本信道估计是基于FFT/IFFT模块的信道估计，处理方法类似于OFDM系统。为了论述的方便，此处借用OFDM系统的术语，将一般移动通信系统的时域导频段变换后所得到的频域采样信号看作等效子载波上的信号。

假设在发送端，所选取的导频序列长度为N，所设定的CP的长度为l，那么附带有CP的导频序列长度为N+l，被发送了n次。系统规定的导频段的总长度是K，那么将存在这样的对应关系：

n(N+l)＝K    (1)

接收端将把这些重复的导频序列对应相加，然后求平均。信道从发送到接收，多种噪声可以归于高斯白噪声；而各种干扰的加和，虽然有带宽的限制，但是在满足中心极限定理的假设条件下，也非常类似于高斯白噪声。如果每一段导频序列上的高斯白噪声都服从(0，σ²)的分布，经过了在n段上的平均作用以后，所得到的均值序列上的高斯白噪声将服从(0，σ²/n)的分布。

假设接收信号基于FFT模块变换到频域中后可以得到频域中的采样序列R＝[R(0)，R(1)，…R(N-1)]，其中N为通信系统等效子载波的数目，也就是导频序列的长度；而已知导频序列的均值变换到频域中后得到序列 $\stackrel{\‾}{X}=[\stackrel{\‾}{X}\left(0\right),\stackrel{\‾}{X}\left(1\right),\·\·\·\stackrel{\_}{X}(N-1)].$ 那么基于LS准则的频域信道估计为：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}=\frac{R}{\stackrel{\‾}{X}}=[\frac{R\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{X}\left(0\right)},\frac{R\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{X}\left(1\right)},\·\·\·,\frac{R(N-1)}{\stackrel{\‾}{X}(N-1)}]---\left(2\right)$

其中 ${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}=[{\hat{H}}_{\mathrm{LS}}\left(0\right),{\hat{H}}_{\mathrm{LS}}\left(1\right),\·\·\·,{\hat{H}}_{\mathrm{LS}}(N-1)]$ 代表对通信系统各个等效子载波的频率响应LS估计。如果采用基于MMSE准则进行信道估计，计算量较大，所以可以采用复杂度较低的LMMSE算法来逼近MMSE信道估计的精度。而LMMSE估计实际上只需要根据信道的SNR，利用一个LMMSE修正矩阵对LS信道估计的结果进行修正，所采用的计算方法如下：

${\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE}}=R_{\mathrm{HH}}{(R_{\mathrm{HH}}+\frac{\mathrm{n\β}}{\mathrm{SNR}}I)}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS}}---\left(3\right)$

其中R_HH＝E{HH^H}为信道冲击响应的自相关矩阵的期望，β＝E{|x_k|²}/E{|1/x_k|²}，k＝1，2，…N-1，为根据所发送的导频序列x_k，k＝1，2，…N-1计算出来的常数。SNR为信噪比。

在计算得到信道频率响应的LS估计或者是LMMSE(MMSE)估计以后，将信道估计利用长度为N的IFFT模块变换回时域。N大于信道的最大时延L，将所得到结果中，长度大于L的估计值置零，这样可以进一步降低信道估计的误差，就得到了最后的信道冲击响应LS估计和LMMSE(MMSE)估计。这个冲击响应估计可以直接应用于通信系统的时域均衡或者是RAKE接收机中；也可以变换回频域，应用于通信系统的频域均衡。

下面再通过一个实例说明这个信道估计方法。建立类似HRPD(High RatePacket Data：高速分组数据)下行链路的仿真平台如下：未编码系统的chip速率为1.2288Mcps，16阶Walsh码扩频。信道采用M.1225的车载信道A仿真模型，如图2所示，导频段采用长度为16的复伪随机序列，CP长度设定为8，附带有CP的导频序列重复发送4次，构成总长度为96的导频段。需要说明的是HRPD规定的导频段长度为96chip。如图3所示，HRPD协议中规定的下行信道物理层的帧格式中，导频段是全“1”的chip序列，再经过QPSK Spreading模块之后，变成复值的PN序列。为了满足对导频段的设置要求，这里可以将QPSK Spreading中所使用的复值伪随机序列对应的导频段的那一部分修改成与图1中相同、带有CP的格式。这样，导频段全“1”的chip序列经过QPSK Spreading模块之后，将具有本发明频域信道估计方法所要求的格式。

为了比较信道估计的精确度，这里定义信道估计的均方误差函数为

$\mathrm{MSE}=E\left\{(1/N)\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\right\{{[H\left(k\right)-\hat{H}\left(k\right)]}^{*}[H\left(k\right)-\hat{H}\left(k\right)]\left\}\right\}---\left(4\right)$

[]*表示取共扼，N表示HRPD等效子载波的数目，也就是FFT/IFFT的长度。H(k)，k＝0，1，…，N-1是真实的信道频率响应，

k＝0，1，…，N-1是估计得到的频率响应。

图4是上述仿真平台上进行仿真的结果。其中，MSE(Mean Square Error：均方误差)曲线是频域中信道的频率响应估计的均方误差，SNR(Signal-to-Noise Ratio：信噪比)是仿真时的信噪比。FD LS estimation和FD LMMSE estimation曲线分别表示采用的是频域的LS估计和LMMSE估计。从图4看出，在计算复杂度低于时域LS信道估计的情况下，频域LS信道估计得到了较精确的信道估计结果。LMMSE估计进一步提高了信道估计的精度，有利于提高CDMA均衡算法的性能。

本发明的本质是一种基于连续发送的时分导频的信道估计方法，通过采用增加循环前缀CP的导频段格式实现了单载波系统(例如CDMA系统)频域的信道估计。对于附加CP的导频段，利用类似OFDM系统的LS(LeastSquare：最小二乘)和LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error：最小均方误差)准则或者MMSE准则的信道估计方法，进行单载波系统的信道估计。结合本信道估计所采用的重复发送导频的方法，对原有OFDM的LS、LMMSE以及MMSE信道估计的计算公式和信道估计的步骤进行了修正，修正的LS算法、LMMSE以及MMSE算法可以进一步提高频域信道估计的精度。在保证较好信道估计精度的前提下，使信道估计的运算负担低于相同性能的时域信道估计算法。并且对于在类似HRPD下行信道的CDMA系统中，比较适合采用频域均衡(或者再结合干扰删除)算法对用户的信号进行恢复，使得频域信道估计的结果可以方便地应用于频域均衡接收算法中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述方法包括以下处理步骤：

1)发送端发送带有循环前缀CP的时分导频序列；

2)接收端通过FFT模块将步骤1)中的导频序列变换到频域，并进行信道估计，得到信道的频率响应估计；

3)在接收端通过IFFT模块将步骤2)中的信道响应估计变换回时域，得到信道的冲击响应估计。

2.根据权利要求1所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤1)中发送端可重复发送多次带有循环前缀CP的时分导频序列，所述步骤1)和步骤2)之间还包括以下步骤：在接收端将接收到的导频序列进行平均化后作为步骤2)中频域变换的导频序列。

3.根据权利要求1或2所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤2)中具体采用最小二乘LS准则、最小均方误差LMMSE准则或者MMSE准则中的一种准则进行信道估计。

4.根据权利要求1或2所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，对于所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计，如果其长度大于信道最大时延时，将该信道冲击响应中大于信道最大时延的估计值置零。

5.根据权利要求3所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，对于所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计，如果其长度大于信道最大时延时，将该信道冲击响应中大于信道最大时延的估计值置零。

6.根据权利要求1或2所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤3)之后还包括以下处理步骤：将所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计应用于移动通信系统的时域均衡处理中。

7.根据权利要求3所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤3)之后还包括以下处理步骤：将所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计应用于移动通信系统的时域均衡处理中。

8.根据权利要求1或2所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤3)之后还包括以下处理步骤：将所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计变换回频域，得到频率响应估计，并将该频率响应估计应用于移动通信系统的频域均衡处理中。

9.根据权利要求3所述的基于时分导频段的移动通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤3)之后还包括以下处理步骤：将所述步骤3)中得到的信道冲击响应估计变换回频域，得到频率响应估计，并将该频率响应估计应用于移动通信系统的频域均衡处理中。

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