高速移動tdd-lte上行鏈路中信道估計方法
2023-06-15 22:45:31 2
專利名稱：高速移動tdd-lte上行鏈路中信道估計方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，更進一步涉及高速移動時分雙工長期演進 TDD-LTE(time division duplex-long term evolution,TDD-LTE)無線通信中的上行單載 IkWif^t (single-carrier Frequency-division multiplexing, SC-FDMA)胃■白勺
信道估計方法。本發明可用於高速移動無線通信系統的信道估計模塊中，實現高速移動用戶接收信號的信道估計處理。
背景技術：
隨著高速鐵路、高速公路的不斷建成、開通與使用，新一代移動通信系統需要與高速移動的用戶之間進行高速信息傳輸。在高速移動環境下，大的都卜勒頻移使TDD-LTE 上行單載波頻分多址SC-FDMA系統信道產生快速變化，快速變化的信道使單載波頻分多址SC-FDMA系統子載波間的正交性遭到破壞，產生子載波間幹擾anter-charmel interference, ICI)，單載波頻分多址SC-FDMA系統中的信道估計精度受到嚴重影響。精確的信道估計是進行子載波間幹擾抵消、克服時間選擇性衰落和提高系統均衡性能的基礎， 因此，研究高速移動環境下TDD-LTE上行單載波頻分多址SC-FDMA系統中高精度時變信道估計技術具有重要的意義。Ming Zhao 等人提出的專利申請「Channel estimation for rapid dispersive fadingchannels」(申請日2006 年 4 月 3 日，申請號200690172.3,公開號 US2009/0103666A1)中公開了一種迭代的最大似然信道估計方法，來解決時變信道估計問題。該方法的實施步驟是第一，利用接收導頻信號和最小二乘LS(Least Square,LS)算法估計得到導頻子載波上的信道響應；第二，利用導頻信號的信道估計響應和低通濾波器來獲得數據子載波上的信道響應，並利用滑動平均窗來提高其估計精度；第三，通過對接收信號進行均衡、解映射、解碼及解交織處理獲得軟解碼數據信息；第四，利用軟解碼數據信息與導頻信號進行第二次信道估計，並利用滑動平均窗來提高其估計精度；第五，對接收信號進行如上步驟的幾次迭代後，最後利用最大似然方法或最小均方誤差方法獲得最終的信道估計。該方法利用導頻信號和軟解碼數據信息通過多次迭代獲得信道估計響應，減小了系統傳輸開銷，提高了系統的頻譜利用率，在一定條件下能夠較精確地實現時變信道的估計。該方法存在的不足之處是在每次迭代處理中，該方法需要付出較大的計算複雜度才能獲得軟解碼信息，且該方法需通過較多次的迭代處理才能獲得高精度的信道估計響應，這將導致該方法具有高的計算複雜度，使其在數位訊號處理實現中具有很大的局限性。Karakaya B等人在文章"Channel estimation for LTE uplink in high Doppler spread"(IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) 2008)中提出一種卡爾曼濾波與多項式擬合相結合的信道估計方法，以實現時變信道的估計問題。該方法的實現步驟是第一，利用LS算法估計得到導頻符號的頻域信道響應；第二，根據信道的時頻轉換關係，將導頻符號的頻域信道估計響應轉換到時域；第三，利用卡爾曼濾波算法對導頻符號的時域信道傳輸係數進行濾波處理，獲到高精度的時域信道估計響應；第四，利用多項式擬合算法獲得導頻符號間數據符號的時域信道估計。在車載速度低於120km/h的情況下，該方法能夠估計出時域每一徑上各個採樣點的信道衝擊響應，具有較高的估計精度。該方法存在的不足之處是在車載速度高於350km/h的高速移動環境下，該方法的估計精度將急劇下降，無法保證高速移動環境下時變信道的估計精度，並且該方法是在時域處理的，故具有較高的計算複雜度，這也將使其在數位訊號處理實現中具有很大的局限性。Huang S C ^Λ ；^ "Novel channel estimation techniques on SC-FDMA uplinktransmission」(IEEE Vehicular Technology Conf. ,2010)中提出了一種基於滑動窗的時變信道估計方法，已解決高速環境下時變信道估計精度不高的問題。該方法的實現步驟是第一，利用LS方法估計得到導頻符號的頻域信道響應；第二，採用一矩形滑動窗來平滑導頻信道響應估計，從而獲得高精度的導頻符號的頻域信道響應估計。在車載速度低於120km/h的情況下，該方法能夠較精確地估計出導頻符號的頻域信道響應，並且該方法具有較低的計算複雜度。該方法存在的不足之處是在車載速度高於350km/h的高速移動環境下，該方法的估計精度不高，並且該方法沒有給出數據符號的信道響應的獲取方法，在高速移動環境下，低估計精度的數據符號的信道估計響應將嚴重惡化系統性能。因此，在高速移動環境下該方法無法獲得高精度的信道估計響應。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，針對TDD-LTE標準中高速移動通信系統上行單載波頻分多址SC-FDMA傳輸系統，提供一種高精度的時變信道估計方法，可以提高通信系統的通信質量，並且可以精確地估計出接收信號的頻域信道響應，對接收信號進行均衡處理。為實現上述目的，本發明方法的思路是針對TDD-LTE上行單載波頻分多址 SC-FDMA系統的特點，該方法選擇在變換域中處理，降低了信道估計的計算複雜度；利用信道頻域-變換域的轉換關係，將兩塊導頻符號的頻域信道估計響應轉換為變換域中的信道參數估計；根據變換域中兩導頻符號間數據符號的信道參數的變化特點，採用多項式基擴展模型P-BEM(Polynomial-Basis expansion model, P-BEM)方法來模擬其變化，從而得到高精度的信道參數估計；利用兩直線模型來構造出兩導頻符號兩端數據符號的信道參數估計，該直線模型的斜率為導頻-數據符號的信道參數估計的變化斜率。本發明實現的具體步驟包括如下(1)對接收信號進行快速傅立葉變換FFT處理，獲得頻域接收信號。(2)從頻域接收信號中提取兩塊導頻符號。(3)估計兩塊導頻符號的頻域信道響應。(4)獲得導頻的信道參數4a)將頻域發送導頻信號、時域發送導頻信號及傅立葉變換矩陣相乘，構造出導頻-傅立葉變換信號向量4b)按照下式得到變換域中導頻符號的信道參數估計向量
h^ =F^p H^其中，『是變換域中第η個導頻符號的信道參數估計向量，<是第η個導頻符號的導頻-傅立葉變換信號向量；是第n個導頻符號的頻域信道響應估計向量，n是導頻
符號序號的標識。(5)獲得數據的信道參數5a)確定多項式基函數的個數；5b)按照下式得到基擴展矩陣的元素，產生基擴展矩陣Uijj = [i/(NuM)Jj其中，U"是基擴展矩陣的第i行第j列元素，i是矩陣的行序號標識，j是矩陣的列序號標識，J是基函數的個數，Nu是離散傅立葉變換DFT的點數，M是一子幀中單載波頻分多址SC-FDMA符號的個數；5c)利用多項式基擴展模型P-BEM方法模擬兩導頻符號的信道參數變化，按照下式得到基函數係數矩陣的估計g = XJ+ hp其中，糹是基函數係數估計的向量， +是基擴展矩陣U中部分元素組成的矩陣，0 + 是矩陣的廣義逆運算，是兩塊導頻符號的信道參數估計向量；5d)利用步驟5c)估計的基函數係數矩陣，按照多項式基擴展模型P-BEM方法估計得到一子幀上所有符號的信道參數；5e)從所有估計得到的符號信道參數中提取數據符號的信道參數估計。(6)從所有估計得到的單載波頻分多址SC-FDMA符號的信道參數估計中提取兩導頻符號間數據符號的信道參數估計。(7)獲取信道變化斜率7a)利用兩符號斜率方法，獲取兩個符號周期上的信道變化的斜率；7b)利用單符號斜率方法，獲取單個符號周期上的信道變化的斜率。(8)構造直線模型8a)利用兩個符號周期上的信道變化斜率，按照直線建模方法獲取用於估計兩導頻符號前後兩端數據符號的信道參數的直線模型；8b)利用單個符號周期上的信道變化斜率，按照直線建模方法獲取用於估計兩導頻符號前後兩端數據符號的信道參數直線模型。(9)獲得兩端數據的信道參數9a)利用前端直線模型，在變換域中按照採樣點序號遞減的方式獲得第一個導頻符號左側其他數據符號的信道參數估計；9b)利用後端直線模型，在變換域中按照採樣點序號遞增的方式獲得第二個導頻符號右側其他數據符號的信道參數估計。(10)利用信道變換域-頻域轉換獲得數據符號的頻域信道估計響應。本發明與現有技術相比具有以下優點第一，由於本發明信道估計方法是在變換域中實現的，克服了現有技術在時域處理導致複雜度高的問題，使得本發明具有低複雜度的優點，可適用於高速移動環境下的 TDD-LTE上行通信鏈路。第二，由於本發明使用了基於導頻-數據斜率的直線模型方法來獲得兩導頻符號兩端數據符號的信道參數估計，克服了現有技術存在的低估計精度問題，大大提高了兩塊導頻符號兩端數據符號的信道參數估計精度，適用於子幀連續發送或間隔發送的上行通信鏈路。第三，由於本發明使用了基擴展模型P-BEM方法來獲得兩導頻符號間數據符號的信道參數估計，並通過綜合考慮多項式內插與多項式外推方法的優缺點，給出了最佳的基函數個數確定方法，克服了現有技術估計精度低和複雜度高的問題，提高了兩導頻符號間數據符號的估計精度。第四，由於本發明使用了信道變換域-頻域的轉換關係，獲得了高精度的頻域信道響應估計，便於TDD-LTE上行系統的頻域均衡處理。
圖1為本發明的流程圖；圖2為本發明的接收端處理域的定義框圖；圖3為本發明的接收信號的幹擾功率圖；圖4為本發明兩符號斜率法與現有信道估計技術在單徑萊斯信道中的性能比較曲線圖；圖5為本發明兩符號斜率法與現有信道估計技術在多徑萊斯信道中的性能比較曲線圖；圖6為本發明單符號斜率法在兩種信道下的性能曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細的描述。參照附圖1本發明的步驟步驟1，FFT處理對時域接收信號進行快速傅立葉變換FFT處理，按照下式得到頻域接收信號
1 Nd-\J2irnkRq .{m,k)=,——Yj rqi{m,n)e N°
，」Nd =o 』其中，RtbiOiuk)是第q個接收天線上的第i子幀的第m個符號周期上第k個子載波上的頻域信號，Nd是逆快速傅立葉變換IFFT的點數，I^i (m，η)第q個接收天線上的第i 子幀的第m個符號周期上第η個採樣點上的時域信號，q是接收天線序號，i是TDD-LTE上行系統中子幀序號的標識，m是一子幀中單載波頻分多址SC-FDMA符號序號的標識，k是子載波序號的標識，η是時域採樣點序號的標識。由於每一組發送天線與接收天線間每一子幀上的子信道均需要進行信道估計，且處理方式相同，故為便於後面的推導在此將省略下標i和q。步驟2，提取導頻符號
從頻域接收信號R(m，k)中提取兩塊導頻信號，其中，兩導頻符號的序號分別為Il1 和η2，則提取的兩塊導頻信號分別為R(Hpk)和R(n2，k)，m是一子幀中單載波頻分多址 SC-FDMA符號序號的標識，k是子載波序號的標識。步驟3，估計兩塊導頻符號的頻域信道響應在本發明中，採用了現有的最小二乘法和最小均方誤差法來獲得兩塊導頻符號的信道頻域響應。最小二乘信道估計方法就是用接收的頻域導頻信號除以頻域發送導頻信號，從而得到導頻符號的頻域信道響應估計，該方法可以按照下式進行
權利要求
1. 一種高速移動TDD-LTE上行鏈路中信道估計方法，包括如下步驟(1)對接收信號進行快速傅立葉變換FFT處理，獲得頻域接收信號；(2)從頻域接收信號中提取兩塊導頻符號；(3)估計兩塊導頻符號的頻域信道響應；(4)獲得導頻的信道參數4a)將頻域發送導頻信號、時域發送導頻信號及傅立葉變換矩陣相乘，構造出導頻-傅立葉變換信號向量4b)按照下式得到變換域中導頻符號的信道參數估計向量
2.根據權利要求1所述的高速移動TDD-LTE上行鏈路的信道估計方法，其特徵在於，步驟C3)所述的信道響應的估計方法步驟為第一步，用接收的頻域導頻信號除以頻域發送導頻信號，得到導頻符號的頻域信道響應估計；第二步，將頻域信道響應估計作為信道估計初始值，用其乘以信道相關矩陣與噪聲協方差矩陣和的逆，得到導頻符號的信道響應估計。
3.根據權利要求1所述的高速移動TDD-LTE上行鏈路的信道估計方法，其特徵在於，步驟7a)所述的兩符號斜率方法的步驟為第一步，按照下式得到一子幀前端信道變化斜率
4.根據權利要求1所述的高速移動TDD-LTE上行鏈路的信道估計方法，其特徵在於，步驟7b)所述的單符號斜率方法的步驟為第一步，按照下式得到一子幀前端信道變化斜率
5.根據權利要求1所述的高速移動TDD-LTE上行鏈路的信道估計方法，其特徵在於，步驟8a)和步驟8b)所述的直線建模方法的步驟為第一步，按照下式得到基於子幀前端符號周期上信道變化斜率的信道變化直線模型
6.根據權利要求1所述的高速移動TDD-LTE上行鏈路的信道估計方法，其特徵在於，步驟9a)所述的採樣點序號遞減方式按下式進行n = (Jl1-D)Nu-L · · ·，0其中，n是變換域中符號的採樣點序號標識，H1是一子幀中第一個導頻符號序號的標識，對於步驟8a)中的直線模型，D取值為1 ；對於步驟8b)中的直線模型，D取值為0，凡是離散傅立葉變換DFT的點數。
7.根據權利要求1所述的高速移動TDD-LTE上行鏈路的信道估計方法，其特徵在於，步驟9b)所述的採樣點序號遞增方式按下式進行n = (n2+D)Nu，...，MNu-I其中，n是變換域中符號的採樣點序號標識，、是一子幀中第二個導頻符號序號的標識，對於步驟8a)中的直線模型，D取值為2;對於步驟8b)中的直線模型，D取值為1，M是一子幀中單載波頻分多址SC-FDMA符號的個數，Nu是離散傅立葉變換DFT的點數。
8.根據權利要求1所述的高速移動TDD-LTE上行鏈路的信道估計方法，其特徵在於，步驟(10)所述的信道變換域-頻域轉換按照下式進行
全文摘要
本發明公開了一種高速移動TDD-LTE上行鏈路中信道估計方法，主要解決快速時變信道估計精度低和複雜度高的問題。其估計步驟包括(1)FFT處理；(2)提取導頻符號；(3)獲取導頻符號的頻域信道響應；(4)獲得變換域中導頻符號的信道參數；(5)獲得變換域中數據符號的信道參數；(6)提取兩導頻符號間數據符號的信道參數估計；(7)獲取信道變化斜率；(8)構造直線模型；(9)獲得兩塊導頻符號兩端數據符號的信道參數；(10)獲得數據符號的頻域信道估計響應。本發明具有高的估計精度和低的計算複雜度的優點，適用於高速移動TDD-LTE上行SC-FDMA系統中接收機的設計與實現。
文檔編號H04L25/03GK102413080SQ20111039714
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者任光亮, 張會寧, 楊麗花 申請人:西安電子科技大學