估計空間相關性及其時變速率的方法

2023-05-31 07:27:51

專利名稱：：估計空間相關性及其時變速率的方法
技術領域：
：本發明涉及無線通信領域，尤其涉及多天線無線通信系統中信道衰落空間相關性時變速率、空間互相關係數和自相關係數的獲取方法。
背景技術：
：多天線系統(如MIMO)有多種工作模式，如空間復用模式、發射分集模式和波束成形模式。信道衰落的空間相關性(同一個天線陣列中不同天線間的互相關性)、空間相關性及其時變速率，以及信道衰落的自相關性是重要的信道信息，根據這些信道信息選擇與之相匹配的工作模式，如，根據空間相關性的大小來確定採用的最優工作模式、根據衰落自相關性的變化速率和衰落互相關性的變化速率來確定多天線系統工作模式的調整速率、根據衰落互相關性的變化速率來確定信道容量的變化速率，這些方法是實現多天線系統頻譜效率最大化的有效途徑，也是進行無線資源管理的有效途徑。有眾多的文獻討論多天線系統中信道衰落互相關係數與系統容量的關係，如，HyundongShin，「CapacityofMultiple-AntennaFadingChannelsSpatialFadingCorrelation，DoubleScattering，andKeyhole「IEEETRANSACTIONSONINFORMATIONTHEORY，VOL.49，NO.10，OCTOBER2003；也有一些文獻討論移動臺位置相對於基站變化時，信道空間相關性和系統容量的變化規律，如，PersefoniKyritsi等人在文獻「CorrelationAnalysisBasedonMIMOChannelMeasurementsinanIndoorEnvironment」IEEEJOURNALONSELECTEDAREASINCOMMUNICATIONS，VOL.21，NO.5，文獻中討論了室內不同環境、不同收發距離條件下，信道空間相關性(即天線間衰落的互相關性)的變化規律。目前，在獲取不同天線接收到的信號衰落間的互相關性(即空間相關性)、同一個天線接收到的信號的衰落的自相關性的典型技術如下3、1、現有技術1在信道衰落自相關性計算方面，美國專利申請(申請號為20020176487)「衰落程度測量裝置，方法以及使用這種裝置和方法的信息終端」(Fadingpitchmeasuringapparatus，fadingpitchmeasuringmethodandportableinformationterminalusingthem)，採用如下基本步驟獲取信道衰落的自相關性將包含信道衰落變化的輸入信號轉換為功率信號；計算輸出的功率信號的自相關性的數值；將自相關數值與預定的門限值加以比較；根據比較結果計算衰落程度。3、2、現有技術2在信道衰落互相關性計算方面，高通公司的專利申請20030235255，專利申請名稱為「高效率高性能通信系統中測量上報信道信息的方法和裝置」(Methodandapparatusformeasuringreportingchannelstateinformationinahighefficiency，highperformancecommunicationssystem)，以及高通公司的專利US6,473,467，名為「MIMO系統中使用特徵模式分解和信道求逆的信號處理」(SignalprocessingwithchanneleigenmodedecompositionandchannelinversionforMIMOsystems)，採用了奇異值分解(singularvaluedecomposition)或稱之為特徵值分解(Theeigenvectordecomposition)的方法來求取信道相關性。高通的這兩項技術屬於一類，都是通過對估計出的信道衝擊響應矩陣進行分解來獲得信道的相關特性，並且在獲取信道相關特性的同時，獲取信道增益信息、信噪比信息等，發射端根據這些信道信息來確定恰當的發射模式、功率分配、調製方式等，以實現對信道頻譜資源的高效利用。4、現有技術的缺點現有技術1是計算衰落自相關性的，其方法步驟不適合衰落互相關性的計算，更不能使用現有技術1來獲取衰落的互相關性的變化速率；現有技術2是目前多天線系統中獲取信道相關性數據和其他CSI數據的主導性方法，具有相關性判斷準確性高的特點，是多天線系統實現特定工作模式(如充分利用信道信息的空間復用模式)不可或缺的技術。但是，該方法只是衰落互相關性的求解方法，無法得到衰落互相關性的變化速率。
發明內容本發明所要解決的技術問題時現有技術無法獲取信道衰落變化速率的缺點，以期提出一種可以在系統中實時工作、運算量小的信道空間相關性及其變化速率的估計空間相關性及其時變速率的方法。本發明所述估計空間相關性及其時變速率的方法包括以下步驟步驟1計算衰落的自相關時間T_a；步驟2判斷是否為準靜態信道，即判斷T_a是否大於門限Thr_qs，如果信道相關時間T_a大於預定的判定門限門限Thr_qs，就判為準靜態信道，結束流程，否則判為事變信道，繼續流程；步驟3確定進行互相關計算的時間序列長度No；步驟4計算信道衰落互相關係數ρc；步驟5判斷已經計算的序列長度N；步驟6平滑和外推處理；步驟7輸出估計和預測結果。所述步驟1進一步包括以下步驟(1.1)確定自相關係數的判別門限Thr_Corr_a和確定準靜態信道的判別門限T_AutoCorr_Max；(1.2)判斷信道的自相關時間是否大於準靜態信道相關時間門限T_AutoCorr_Max，如果大於，就進入(1.7)，否則進入(1.3)；(1.3)計算信道的自相關係數ρa(i)；首先從估計的信道傳遞矩陣(1)中提取用於自相關計算的信道衝擊響應h(i)；然後，計算h(0)與h(i)的相關係數，該步驟可以使用FFT進行，也可以採用公式(3)或公式(4)進行(當對信道的自相關時間有一個大致的估計時)；可以對單個天線上接收到的衝擊響應進行自相關計算，也可以同時對多個天線和多個子信道上的衝擊響應的自相關進行計算得到多個相關時間的估計量；對這些自相關時間進行平均作為信道自相關時間的輸出；H=l=1LA1(-l)---(1)]]>r120(k)=r12(k)-x1(k)x2(k)---(3a)]]>r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)]---(3b)]]>x1(k)=x1(k-1)+1N[x1(k)-x1(k-N)]---(3c)]]>x2(k)=x2(k-1)+1N[x2(k)-x2(k-N)]---(3d)]]>也可以使用公式(4)進行計算ρc(ρc＝r12(k))r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)]---(4)]]>(1.4)相關時間判斷，即判斷ρa(i)＜Thr_Corr_a是否成立，如果成立，則進入步驟205，如果不成立，就進入(1.8)；(1.5)單次相關時間估計，通過T_AutoCorr(j)＝T(i)-T(0)，得到用於估計信道相關時間T_a的一個樣本值；(1.6)估計信道相關時間T_a，通過對多個T_AutoCorr(j)平均來實現對T_a的估計；(1.7)清零相關係數計算，並輸出準靜態信道指示符號；(1.8)使自相關計算的步長i加1；(1.9)清零相關係數計算，零i＝0；使自相關計算的迭代次數j＝j+1，開始第2個衰落周期中自相關係數的計算；該步驟輸出的T_a估計值用於輔助信道衰落互相關特性的估計，即用於確定是否為準靜態信道和確定用於互相關估計的時間長度N。所述步驟(1.1)中，自相關係數的判別門限Thr_Corr_a＝0.5；準靜態信道的判別門限T_AutoCorr_Max取1秒到10秒之間的值。所述步驟3中，按照N＝fsample×Ta×No確定互相關計算長度No。No是一個取值範圍在10～100之間的一個常數，確定No取值的一個基本原則是既保證足夠的樣本用於互相關係數的計算，又保證在Ta×No時間內信道衰落的近似平穩。所述步驟4中，計算互相關係數ρc採用FFT算法或迭代算法。迭代算法中採用不含零均值的計算c(c=r120(k)),]]>按照公式(3a)～(3d)計算，r120(k)=r12(k)-x1(k)x2(k)---(3a)]]>r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)]---(3b)]]>x1(k)=x1(k-1)+1N[x1(k)-x1(k-N)]---(3c)]]>x2(k)=x2(k-1)+1N[x2(k)-x2(k-N)]---(3d)]]>也可以使用公式(4)進行計算ρc(ρc＝r12(k))r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)]---(4)]]>式中的迭代次數N即是步驟4中計算出的相關序列長度，只有在迭代N次後，輸出的才是正確的互相關係數ρc。所述步驟5中，如果已經完成計算的序列長度為N，則向步驟6輸出ρc值，之後如果N值不變，則每次迭代都向步驟6輸出相關係數，如果N值發生變化，則在變化後的相關長度輸出有效ρc值後向步驟6輸出相關係數，並返回到步驟2從步驟1的計算結果中讀取新的T_a值，並進行步驟2中給出的各種處理；如果已經完成計算的序列長度小於N，就返回步驟2，開始下一點的迭代計算。直到迭代次數到N，然後向步驟6輸出ρc值。所述步驟6中採用多種濾波方法實現，如維納濾波、卡爾曼濾波，為了兼顧複雜性和精度，推薦使用最小二乘估計對步驟步驟5輸出的相關係數序列進行平滑和外推。所述步驟7中，在對相關係數序列進行平滑和外推的基礎上，在得到曲線上求斜率和預測值，就得到了信道互相關性的時間變化速率和相關係數預測值；如果權利要求1中的步驟2)輸出判別結果是準靜態信道，就輸出準靜態信道的判別結果。本發明提出的空間相關性判別方法獲取信道相關係數和變化率的是延小，而且可以對相關係數的變化進行預測，從而可以有效地縮簡訊道信息反饋時間和優化系統性能。圖1是本發明所述估計空間相關性及其時變速率的方法流程圖；圖2是本發明所述方法中計算信道衰落自相係數工作流程圖。具體實施例方式下面結合具體實施方式對本發明所述方法作進一步說明。信道的空間相關性(同一個天線陣列中不同天線間的互相關性)及其時變速率是多天線系統進行信道預測、工作模式優化和資源管理的一個重要依據。本發明給出由信道衰落的自相關性輔助的信道空間相關性及其時變速率的估計方法。PersefoniKyritsi等人在文獻「CorrelationAnalysisBasedonMIMOChannelMeasurementsinanIndoorEnvironment」IEEEJOURNALONSELECTEDAREASINCOMMUNICATIONS，VOL.21，NO.5，中給出的試驗結果表明當移動臺移動時，信道的互相關係數將隨移動臺周圍環境的變化而變化，隨著移動臺與基站間距離的增加，信道衰落的互相關性會不斷地變化，而且這種變化是有明顯的規律的，如隨著移動臺的位置不同，信道衰落的互相關性在某個移動區間內會逐步地增加或減少(見文獻中的圖6～9)。文獻F.Adachi，etal，」Crosscorrelationbetweentheenvelopesof900MHzsignalsreceivedatamobileradiobasestationsite」IEEProceedings，Vol.133，Pt.F，No.6Oct，1986，給出的測試結果表明，在室外環境下，當移動臺以10米/秒(36公裡/小時)的速度移動時，在2秒的時間內，一個基站的兩個天線接收到的信號衰落的互相關性產生了顯著的變化，這種變化是由於移動臺周圍環境的變化引起的。即便是在這種室外移動環境下，由於環境的變化不是瞬息萬變的，一個基站的兩個天線接收到的信號衰落的互相關性也不會是瞬息萬變的，因此，天線間的互相關性的變化速率是可以計算和預測的。根據上述規律，本發明使用信道衰落的自相關時間來輔助實現信道衰落互相關係數的計算，在對信道互相關係數時間序列進行平滑和外推的基礎上實現信道衰落互相關係數時變速率的估計和預測。另外，本發明假設系統已經通過信道估計方法獲取了信道衝擊響應矩陣H。矩陣H的獲取是通過對導頻信道上進行的信道估計來實現的，根據MIMO系統導頻結構的特點，H矩陣可以在前導碼序列上獲取，也可以在與數據傳輸相伴隨的子信道導頻(如OFDM模式)上獲取。其具體獲取方法不屬於本發明的討論範圍。不失一般性，設信道衝擊響應矩陣H具有公式(1)、(2)給出的形式，當L大於1時，公式(1)、(2)表示頻率選擇衰落信道的衝擊響應矩陣；當L＝1時，公式(1)、(2)表示平坦衰落信道的衝擊響應矩陣。H=l=1LA1(-l)---(1)]]>Al=11(l)12(l)1N(l)21(l)22(l)2N(l).........M1(l)M2(l)MN(l)MN---(2)]]>本發明包括如圖1所示的7個基本步驟。步驟1計算衰落的自相關時間，即圖1中的衰落的自相關時間T_a估計101。信道衰落的自相關時間T_a是信道時變特性的一種度量方法，自相關時間的獲取按照圖2所述的基本步驟實現。其具體步驟為步驟201，確定自相關係數的判別門限Thr_Corr_a，典型地，取Thr_Corr_a＝0.5；確定準靜態信道的判別門限T_AutoCorr_Max，典型地，T_AutoCorr_Max取1秒到10秒之間的值。步驟202，判斷信道的自相關時間是否大於準靜態信道相關時間門限T_AutoCorr_Max，如果大於，就進入步驟207，否則，進入步驟203。步驟203，計算信道的自相關係數ρa(i)。首先從估計的信道傳遞矩陣(1)中提取用於自相關計算的信道衝擊響應h(i)，然後，計算h(0)與h(i)的相關係數，該步驟可以使用FFT進行，也可以採用公式(3)或公式(4)進行(當對信道的自相關時間有一個大致的估計時)；可以對單個天線上接收到的衝擊響應進行自相關計算，也可以同時對多個天線和多個子信道上的衝擊響應的自相關進行計算得到多個相關時間的估計量，然後對這些自相關時間進行平均作為信道自相關時間的輸出。步驟204，相關時間判斷，即判斷ρa(i)＜Thr_Corr_a是否成立，如果成立，則進入步驟205，如果不成立，就進入步驟208；步驟205，單次相關時間估計。通過T_AutoCorr(j)＝T(i)-T(0)，得到用於估計信道相關時間T_a的一個樣本值。步驟206，估計信道相關時間T_a，通過對多個T_AutoCorr(j)平均來實現對T_a的估計。步驟207，清零相關係數計算，並輸出準靜態信道指示符號。步驟208，使自相關計算的步長i加1。步驟209，清零相關係數計算，零i＝0；使自相關計算的迭代次數j＝j+1，開始第2個衰落周期中自相關係數的計算。該步驟輸出的T_a估計值用於輔助信道衰落互相關特性的估計，即用於確定是否為準靜態信道和確定用於互相關估計的時間長度N。步驟2判斷是否為準靜態信道，即圖1中的判斷T_a是否大於門限Thr_qs102。如果信道相關時間T_a大於預定的判定門限門限Thr_qs，就判為準靜態信道，否則，就判為事變信道，並按照圖1中給出的步驟103～107進行互相關係數和互相關時變速率的估計。步驟3確定進行互相關計算的時間序列長度，即圖1中的確定互相關長度N103。按照N＝fsample×Ta×No，其中，fsample是採樣頻率，No是一個取值範圍在10～100之間的一個常數，確定No取值的一個基本原則是既保證足夠的樣本用於互相關係數的計算，又保證在Ta×No時間內信道衰落的近似平穩。步驟4計算信道衰落互相關係數，即圖1中計算衰落的互相關係數ρc104。計算互相關係數ρc可以採用多種方法進行，如FFT算法、迭代算法，為了減少實驗，本發明建議使用迭代算法達到更好的效果。迭代算法中可以採用不含零均值的計算c(c=r120(k)),]]>如按照公式(3a)～(3d)計算，r120(k)=r12(k)-x1(k)x2(k)---(3a)]]>r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)]---(3b)]]>x1(k)=x1(k-1)+1N[x1(k)-x1(k-N)]---(3c)]]>x2(k)=x2(k-1)+1N[x2(k)-x2(k-N)]---(3d)]]>也可以使用公式(4)進行計算ρc(ρc＝r12(k))r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)]---(4)]]>式中的迭代次數N即是步驟4中計算出的相關序列長度，只有在迭代N次後，輸出的才是正確的互相關係數ρc。步驟5判斷已經計算的序列長度，計算的長度等於N105。如果已經完成計算的序列長度為N，則進行子步驟5。1的處理就開始向步驟6輸出ρc值(之後，如果N值不變，則每次迭代都向步驟6輸出相關係數，如果N值發生變化，則在變化後的相關長度輸出有效ρc值後向步驟6輸出相關係數)，並返回到步驟102從101的計算結果中讀取新的T_a值，並進行步驟102中給出的各種處理。如果已經完成計算的序列長度小於N，就返回步驟102，開始下一點的迭代計算。直到迭代次數到N，然後按照子步驟5。1進行處理。步驟6平滑和外推處理106。本步驟可以採用多種濾波方法實現，如維納濾波、卡爾曼濾波，為了兼顧複雜性和精度，本發明推薦使用最小二乘估計對步驟5輸出的相關係數序列進行平滑和外推。步驟7輸出估計和預測結果107。在對相關係數序列進行平滑和外推的基礎上，在得到曲線上求斜率和預測值，就得到了信道互相關性的時間變化速率和相關係數預測值；如果步驟102輸出判別結果是準靜態信道，就輸出準靜態信道的判別結果。權利要求1.一種估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1計算衰落的自相關時間T_a；步驟2判斷是否為準靜態信道，即判斷T_a是否大於門限Thr_qs，如果信道相關時間T_a大於預定的判定門限門限Thr_qs，就判為準靜態信道，結束流程，否則判為事變信道，繼續流程；步驟3確定進行互相關計算的時間序列長度No；步驟4計算信道衰落互相關係數ρc；步驟5判斷已經計算的序列長度N；步驟6平滑和外推處理；步驟7輸出估計和預測結果。2.根據權利要求1所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟1進一步包括以下步驟(1.1)確定自相關係數的判別門限Thr_Corr_a和確定準靜態信道的判別門限T_AutoCorr_Max；(1.2)判斷信道的自相關時間是否大於準靜態信道相關時間門限T_AutoCorr_Max，如果大於，就進入(1.7)，否則進入(1.3)；(1.3)計算信道的自相關係數ρa(i)；(1.4)相關時間判斷，即判斷ρa(i)＜Thr_Corr_a是否成立，如果成立，則進入步驟205，如果不成立，就進入(1.8)；(1.5)單次相關時間估計，通過T_AutoCorr(j)＝T(i)-T(0)，得到用於估計信道相關時間T_a的一個樣本值；(1.6)估計信道相關時間T_a，通過對多個T_AutoCorr(j)平均來實現對T_a的估計；(1.7)清零相關係數計算，並輸出準靜態信道指示符號；(1.8)使自相關計算的步長j加1；(1.9)清零相關係數計算，零i＝0；使自相關計算的迭代次數j＝j+1，開始第2個衰落周期中自相關係數的計算；該步驟輸出的T_a估計值用於輔助信道衰落互相關特性的估計，即用於確定是否為準靜態信道和確定用於互相關估計的時間長度N。3.根據權利要求2所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟(1.1)中，自相關係數的判別門限Thr_Corr_a＝0.5；準靜態信道的判別門限T_AutoCorr_Max取1秒到10秒之間的值。4.根據權利要求2所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟(1.3)進一步包括以下步驟(1.3.1)從估計的信道傳遞矩陣(1)中提取用於自相關計算的信道衝擊響應h(i)；(1.3.2)計算h(0)與h(i)的相關係數，該步驟使用FFT進行；可以對單個天線上接收到的衝擊響應進行自相關計算，也可以同時對多個天線和多個子信道上的衝擊響應的自相關進行計算得到多個相關時間的估計量；H=l=1LAl(-),---(1)]]>(1.3.3)對這些自相關時間進行平均作為信道自相關時間的輸出。5.根據權利要求4所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟(1.3.2)中當對信道的自相關時間有一個大致的估計時，計算h(0)與h(i)的相關係數採用公式(3)或公式(4)進行r120(k)=r12(k)-x1(k)x2(k)---(3a)]]>r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)]---(3b)]]>x1(k)=x1(k-1)+1N[x1(k)-x1(k-N)]---(3c)]]>x2(k)=x2(k-1)+1N[x2(k)-x2(k-N)]---(3d)]]>c=r12(k),r12(k)=r12(k-1)+1N[x1(k)x2(k)-x1(k-N)x2(k-N)---(4).]]>6.根據權利要求1所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟3中，按照N＝fsample×Ta×No確定互相關計算長度No。7.根據權利要求6所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述No是一個取值範圍在10～100之間的一個常數，確定No取值的一個基本原則是既保證足夠的樣本用於互相關係數的計算，又保證在Ta×No時間內信道衰落的近似平穩。8.根據權利要求1所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟4中，計算互相關係數ρc採用FFT算法或迭代算法。9.根據權利要求8所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述迭代算法採用不含零均值的計算ρc，c=r120(k),]]>按照公式(3a)～(3d)或公式(4)進行計算。10.根據權利要求1所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟5中，如果已經完成計算的序列長度為N，則向步驟6輸出ρc值，之後如果N值不變，則每次迭代都向步驟6輸出相關係數，如果N值發生變化，則在變化後的相關長度輸出有效ρc值後向步驟6輸出相關係數，並返回到步驟2從步驟1的計算結果中讀取新的T_a值，並進行步驟2中給出的各種處理；如果已經完成計算的序列長度小於N，就返回步驟2，開始下一點的迭代計算，直到迭代次數到N，然後向步驟6輸出ρc值。11.根據權利要求1所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟6中採用最小二乘估計對步驟5輸出的相關係數序列進行平滑和外推。12.根據權利要求1所述的估計空間相關性及其時變速率的方法，其特徵在於，所述步驟7中，在得到曲線上求斜率和預測值，得到信道互相關性的時間變化速率和相關係數預測值；如果步驟2輸出判別結果是準靜態信道，則輸出準靜態信道的判別結果。全文摘要本發明公開了一種通信領域中估計空間相關性及其時變速率的方法，包括1計算衰落的自相關時間T_a；2判斷是否為準靜態信道，即判斷T_a是否大於門限Thr_qs，如果信道相關時間T_a大於預定的判定門限門限Thr_qs，就判為準靜態信道，結束流程，否則判為事變信道，繼續流程；3確定進行互相關計算的時間序列長度No；4計算信道衰落互相關係數ρ文檔編號H04L1/02GK1862995SQ20051006920公開日2006年11月15日申請日期2005年5月11日優先權日2005年5月11日發明者刁心璽,方曉青,謝瓊,姚瑤申請人:中興通訊股份有限公司