Sc-fde系統低複雜度rls自適應信道估計的方法

2023-06-14 21:25:41 1

專利名稱：Sc-fde系統低複雜度rls自適應信道估計的方法
技術領域：
本發明屬於移動通信技術領域，它特別涉及一種在移動通信中採用單載波頻域均衡(SC-FDE, Single carrier modulation with frequency domain equalization)調製體制的自適應信道估計的方法。
背景技術：
單載波頻域均衡系統是指發射端使用單載波調製，接收端使用頻域均衡的系統。時域均衡器抽頭數與數據傳輸速率成正比，高速通信下的頻域均衡相比時域均衡，複雜度大大降低。單載波頻域均衡和正交頻分復用(OFDM, Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)相比，擁有相似的系統結構，複雜度和性能。因此，SC-FDE和OFDM—樣，成為下一代無線通信接入網的候選者之一，如全球標準長期演進(LTE, Long Time Evolution) 上行鏈路使用SC-FDE調製體制；它也成為IEEE 802. 15、IEEE 802. 16標準中和OFDM—樣的可選項之一。SC-FDE系統接收機中信道估計誤差和由其產生的噪聲功率估計誤差，將很大程度影響頻域均衡的性能，因此，信道估計的準確性成為頻域均衡的關鍵因素。在接收端尋求一種低複雜度的，估計誤差較小的且能實時跟蹤信道變化的信道估計方法成為接收機設計的關鍵。無線通信信道往往非常複雜，在接收端需要進行信道均衡來補償信號的失真，這就需要進行信道估計。總的來說，信道估計算法有兩種，一種是基於訓練序列的估計算法，它是指發送端插入已知序列，接收機利用已知的信息來進行信道估計；一種是盲估計算法，它不需要訓練序列，利用傳輸數據內在的數學信息來進行信道估計。基於訓練序列算法相對簡單，運算量低，應用廣泛，它幾乎可以用於所有的無線通信，而盲估計算法複雜，運算量太大且靈活性差，在實時系統中的應用受到限制。因此，如沒特別申明，一般採用的是基於訓練序列的估計算法，此時的訓練序列也稱作信道估計序列。SC-FDE系統根據不同的信道特性，發送端信道估計序列的插入方式有所不同。發送端數據封裝成幀，每一幀分若干個數據塊來發送。當信道屬於在整個幀中準靜止的慢變信道時，可以在幀頭前插入信道估計序列作前導碼，由前導碼估計出信道信息；當信道在一幀中持續變化，但在一幀內的若干數據塊中準靜止時，基於前導碼的信道估計不能有效跟蹤信道的變化，可以採用在數據塊之間若干個塊等間距插入信道估計序列；當信道變化很快，不同數據塊經過的信道不同，但在一個數據塊中信道準靜止，此時每一個數據塊都需要插入特殊字(UW，Unique Words)作信道估計序列來跟蹤信道變化。信道估計序列的具體插入方式可參考文獻Zheng, Y. R. and X. Chengshan, Channel Estimationfor Frequency-Domain Equalization of Single-Carrier Broadband WirelessCommunications. 2009. 58(2): p. 815-823。傳統的基於信道估計序列算法是最小平方和(LS, Least Square)算法和最小均方誤差(MMSE, Minimum Mean-Square Error)算法。LS信道估計利用當前的觀測數據來估計信道，而MMSE信道估計則利用了信道的自相關性，因此比LS信道估計性能要好，但複雜度非常高且信道的自相關性往往難以得到。自適應信道估計是利用之前和當前的觀測數據，採用某種算法，自動調整信道估計器的參數而使代價函數最小。這種方法能估計並有效跟蹤信道變化。自適應算法最常用的是最小均方誤差(LMS, least mean square)算法和迭代最小二乘(RLS, recursive least-square)算法。LMS算法的優點是每一次參數的更新計算量比較低，缺點是收斂速度比較慢；RLS算法的優點是以指數速度收斂，收斂速度比較快，非常適用於快速初始化和實時跟蹤的系統，缺點是每一次參數更新計算量相對比較大。RLS信道估計是一種快速收斂，穩定，估計誤差較小且能實時跟蹤信道的信道估計算法。信道估計複雜度和準確性相互矛盾。SC-FDE系統需要的是信道頻率響應(CFR，Channel Frequency Response)信息。針對CFR估計的RLS算法有多種實現方法,一般傳統的方法有兩種一種是利用訓練序列先初始化RLS，然後利用符號判決反饋數據來迭代更新信道，其具體方法可以參考文獻Morelli, M. , L. Sanguinetti, and U. Mengali, Channel estimation for adaptive frequency-domain equalization. 2005. 4(5): p.2508- 2518。其缺點在於接收端需要增加快速離散傅立葉變換(FFT)模塊把時域反饋數據變換到頻域，從而增加了接收機的複雜度和功耗，且由判決反饋誤差引起的信道估計誤差不能消除；另一種是利用數據之間插入的已知的UW來進行RLS信道估計和跟蹤，具體方法可以參考文獻Coon, J. , et al. , Channel and noise variance estimation andtracking algorithms for unique-word based single-carrier systems. 2006. 5(6):p. 1488-1496。其優點是SC-FDE系統中UW可看作發送數據塊的循環前綴(CP，CyclicPrefix)，不須額外的數據開銷，相比前一種方法，避免了部分因反饋誤差引起的信道估計誤差，且每一步RLS信道更新後通過IFFT/FFT降噪濾波器(IFFT是指快速傅立葉逆變換)進行降噪處理，提高了信道估計性能。其缺點是同樣需要FFT反饋一個數據塊中除UW的數據，不能完全消除反饋誤差的影響，因為增加了降噪濾波器，所以複雜度和功耗相對較高。至此，研究一種低複雜度的，性能好的，且能實時跟蹤信道變化的自適應信道估計方法是一項具有重要實際意義和挑戰性的任務。

發明內容
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種在SC-FDE系統中，利用UW來實現的低複雜度RLS自適應信道估計的方法。它是在發送數據之間連續插入兩個UW作為信道估計序列，前一個UW構成後一個UW的CP。因為UW是已知序列，所以接收端不需要添加FFT反饋模塊，這樣避免了由反饋誤差引起的信道估計誤差問題，同時，後一個UW的接收數據是其與信道循環卷積的結果，經過FFT到頻域進行信道估計，此時的RLS信道更新為對角矩陣的求逆運算，複雜度大大降低。RLS估計的信道頻率響應經過插值濾波器得到最終的信道頻率響應作為均衡器的參數，本發明在插值濾波器上進一步降低複雜度，使得整體的複雜度比較低。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種SC-FDE系統低複雜度RLS自適應信道估計的方法，發送端物理層的每一幀包括訓練序列和數據部分，數據部分由若干個數據子幀Subframe構成，數據子幀中的數據塊由數據Data和特殊字UW組成，前一個數據塊中的UW作為下一個數據塊的循環前綴，兩個連續的UW構成信道估計序列；每一幀發送數據前先發送訓練序列訓練RLS信道估計，使其在數據塊到來前得到充分準確的估計信道；每個數據子幀的開頭插入兩個連續的UW作為信道估計序列來進行RLS信道更新；
設數據塊的長度為Ni ,數據塊
中插入的UW長度為^，接收機從接收數據中提取信道估計接收序列，先通過點FFT到
頻域進行RLS信道估計得到長度為&的信道頻率響應ft# ,再通過插值濾波器得到長度
為乂的信道頻率響應，作為頻域均衡係數的參數；
設n表示迭代更新的時刻，表示當前時刻長度力JVei的估計信道頻率響
應，K(n)表示當前時刻的卡爾曼增量矩陣，r{n)表示為更新下一時刻卡爾曼增量矩陣 K< +1)所需的矩陣表示當前時刻的先驗誤差向量,屯(《)表示當前時刻長度為M
的估計信道頻率響應，對每一幀的RLS信道估方法包括如下步驟
步驟I、每一幀的開始，先初始化RLS時刻
令H9(O) =O , H(O) = M ,其中是對角矩陣，s為小於I的正實數值，E是
^單位矩陣；
步驟2、更新卡爾曼增量矩陣，得到卡爾曼增量矩陣的更新值為K|b) = I1(ii-1)Wh(1I+WT(B-I)Wjr)-1 』其中1 為遺忘因子，且 0<^<! 』 取接近
於I的實數值，( )""表示矩陣求逆運算；是況^&對角矩陣，
■,為數據間插入的長度為B9的UW, JFT(-)表示快速傅立葉變換運算，
diag{~)灰示對角矩陣；
步驟3、更新先驗誤差向量
設接收端移除UW循環前綴後的當前時刻信道估計接收序列為1^0 ), 經過點FFT得到,其中:Y-(B)為頻域信道估計接收序列，Ngi是維的頻域復加性高斯白噪聲向量，向量中每個元素相互獨立，則得到先驗誤差向量為為前一時刻估計的信道；
步驟 4、更新矩陣「(B),得到r(n)=臺[r(n-I)-K(H)WT(B-I)]；
步驟5、更新信道頻率響應，得到當前時刻的信道頻率響應為Hgi(B) = H^( -1)+K< )E(b)；
步驟6、對發送內容進行判斷當發送的是訓練序列時，重複步驟I到步驟5進行RLS信道更新；當發送的是數據部分的數據子巾貞Subframe時,進入步驟7 ；
步驟7、發送子巾貞Subframe期間,每當信道估計接收序列到來時,更新當前時刻的信道頻率響應並通過插值濾波器得到益600，一幀結束時，跳出循環，結束一幀的信道估計。與現有技術相比，本發明的積極效果是本發明利用添加CP的UW，使接收端RLS自適應信道估計避免了由判決反饋帶來的複雜度增加、準確性和穩定性變差的問題。本發明與傳統的SC-FDE系統RLS-UCE相比，由於充分考慮了信道的相關性，性能要好；本發明與傳統的SC-FDE系統RLS-SCE設計思路相比，由信道估計器加降噪濾波器改為信道估計器加
插值濾波器，此時由於數據塊CP的長度遠遠小於數據塊的長度JVi , N9長度的RLS信
道更新和&點FFT運算量遠遠小於JV6長度的運算量；與傳統的RLS-SCE —樣，考慮了信道的相關性，因此在性能不下降的情況下大大降低了算法複雜度。


本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中
圖I是本發明發送端物理層幀結構 圖2是本發明接收端RLS自適應信道估計和均衡系統框 圖3是本發明RLS信道估計算法流程 圖4是本發明與傳統RLS自適應信道估計複雜度比較表格；
圖5是本發明與傳統RLS自適應信道估計性能比較圖。
具體實施例方式為了方便地描述本發明的內容，首先對本發明中所使用的術語進行定義
定義I單載波頻域均衡(SC-FDE):在發送端進行數據分塊，數據前後插入UW構成CP(或複製分塊後的數據的尾部數據到前構成CP)，進行單載波調製後進入信道；在接收端移除CP，通過FFT變換到頻域，頻域均衡後經IFFT返回到時域進行符號判決。設分塊後的發
送數據為
權利要求
1.一種SC-FDE系統低複雜度RLS自適應信道估計的方法，其特徵在於 發送端物理層的每一幀包括訓練序列和數據部分，數據部分由若干個數據子幀Subframe構成，數據子幀中的數據塊由數據Data和特殊字UW組成，前一個數據塊中的UW作為下一個數據塊的循環前綴，兩個連續的UW構成信道估計序列；每一幀發送數據前先發送訓練序列訓練RLS信道估計，使其在數據塊到來前得到充分準確的估計信道；每個數據子幀的開頭插入兩個連續的UW作為信道估計序列來進行RLS信道更新；設數據塊的長度為M，數據塊中插入的UW長度為^，接收機從接收數據中提取信道估計接收序列，先通過^點FFT到頻域進行RLS信道估計得到長度為&的信道頻率響應I# ,再通過插值濾波器得到長度為W4的信道頻率響應，作為頻域均衡係數的參數； 設n表示迭代更新的時刻，表示當前時刻長度力JVei的估計信道頻率響應，KJ^n)表示當前時刻的卡爾曼增量矩陣，r{n)表示為更新下一時刻卡爾曼增量矩陣K< +1)所需的矩陣，E(It)表示當前時刻的先驗誤差向量,屯(《)表示當前時刻長度為巧的估計信道頻率響應，對每一幀的RLS信道估方法包括如下步驟 步驟I、每一幀的開始，先初始化RLS時刻 令通9(0)=0 , r(0) = M ,其中I 是N9XN9對角矩陣,S為小於I的正實數值，I是單位矩陣； 步驟2、更新卡爾曼增量矩陣，得到卡爾曼增量矩陣的更新值為K|b) = IHb-1)Wh (11+WT(B-I)Wjr)-1 ,其中1 為遺忘因子，且 0<^<!,取接近於I的實數值，表示矩陣求逆運算；是&^&對角矩陣，■,為數據間插入的長度力M9的UW，表示快速傅立葉變換運算，表示對角矩陣； 步驟3、更新先驗誤差向量 設接收端移除UW循環前綴後的當前時刻信道估計接收序列為FqpO*), 經過點FFT得到:Kh)=WH^( i)+N9 ,其中:Y-(B)為頻域信道估計接收序列，Nigi是Jf_xl維的頻域復加性高斯白噪聲向量，向量中每個元素相互獨立，則得到先驗誤差向量%為前一時刻估計的信道； 步驟 4、更新矩陣r(B),得到r(n)=臺[r(n-I)-K(H)WT(B-I)]； 步驟5、更新信道頻率響應，得到當前時刻的信道頻率響應為
2.根據權利要求I所述的SC-FDE系統低複雜度RLS自適應信道估計的方法，其特徵在於步驟7所述的通過插值濾波器得到的實現方法包括如下具體步驟 .1)MJn)經過點IFFT得到長度為的信道脈衝響應，其中V9是祝9 XiN9維歸一化的DFT矩陣，其元素Feftw =； .2)信道脈衝響應S9i(Ii)經過並行的點FFT合併得到信道頻率響應 設p=n「n9，為大於I的整數，其中;得到P-I個並列的長度為&的頻域插值向量B[ (ii) =<P-1,且有H。(B)=H9(」}, Kijfll-(H)1O^iiF-I 的第_ 個元素是齒s(」)中的第 ^+1-個元素,其中。
全文摘要
本發明公開了一種SC-FDE系統低複雜度RLS自適應信道估計的方法，在發送數據之間連續插入兩個特殊字UW作為信道估計序列，前一個UW構成後一個UW的循環前綴。因為UW是已知序列，所以接收端不需要添加FFT反饋模塊，這樣避免了由反饋誤差引起的信道估計誤差問題，同時，後一個UW的接收數據是其與信道循環卷積的結果，經過FFT到頻域進行信道估計，此時的RLS信道更新為對角矩陣的求逆運算，複雜度大大降低。RLS估計的信道頻率響應經過插值濾波器得到最終的信道頻率響應作為均衡器的參數，本發明在插值濾波器上進一步降低複雜度，使得整體的複雜度比較低。
文檔編號H04L25/02GK102664841SQ20121013082
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月30日 優先權日2012年4月30日
發明者嶽光榮, 成先濤, 李少謙, 艾赳赳 申請人:電子科技大學