Mimo系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法

2023-12-06 12:37:26

專利名稱：Mimo系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種移動通訊技術領域的方法，具體地說，是一種MIMO(多輸入多輸出)系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法背景技術為了適應數據和多媒體業務不斷增長的需求，新一代移動通信系統對通訊信息通量、質量、可靠性等提出了更高的要求。隨著移動通信、衛星通信的發展，移動通信的業務量迅速增加和有限的頻譜資源的矛盾日益突出。如何更有效地利用有限的頻譜資源，提高普效率，是新一代移動通訊系統面臨的關鍵問題。基於多輸入多輸出(MIMO)模型的智能天線(Smart Antenna，SA)利用信號傳輸的空間特性和數位訊號處理技術，在不用提高通訊帶寬的條件下，降低幹擾、增加容量、擴大覆蓋、改善通信質量、降低發射功率和提高無線數據傳輸速率，使通信系統能夠提高頻譜的利用率和提供足夠的容量。但是由於無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩多入多出系統。由於MIMO系統的空間分集性質，可能出現碼間幹擾(ISI)和信道間幹擾(CCI)。為消除這些幹擾，需要引入信號的估計技術/信道估計技術。在IEEE802.11的國際標準中採用周期發送導頻(Pilot)訓練信號，實現信道的快速估計。發送導頻的信號方法是從發送端發送接收端已知的導頻信號，利用最小二乘技術估計信道，實現信號的均衡。然而由於發送訓練信號學要佔用信道時間資源，另外一方面，發送的導頻信號所佔的比例不能太大，影響信道估計的速度和信號均衡的質量。但是如果用戶端移動速度過快，導致無線通訊信道變化非常快，利用有限的時間片斷髮送訓練信號無法得到足夠精確的信道，恢復發送的信號。如何通過無線信道發送訓練信號，快速信道估計是實現高通量無線通訊的關鍵技術。
經對現有技術的文獻檢索發現，現有的無限區域網的信道估計方法，均採用無限區域網IEEE802.11的國際標準，利用發送信號每一楨的頭部，發送訓練信號，並且利用該訓練信號對信道進行估計。具體實現方法可參照下列文獻「Allert van Zelst and Tim C.W.Schenk，Implementation of a MIMOOFDM-Based Wireless LAN System，IEEE Transactions on Signal Processing，VOL.52，NO.2，pp483-494，2004」中，(作者Allert van Zelst and TimC.W.Sehenk，題目基於多輸入多輸出正交頻分復用的無線局域系統的實現，雜誌信號處理IEEE會刊，2004年52卷，第2期，482-494頁)。在該文獻中，採用IEEE802.11的國際標準，對於兩個輸入兩個輸出系統，在發送信號的每一個信包中的頭部，含有用於信道估計的兩個長度為64的訓練信號。隨著接收天線的個數增加，該訓練信號的長度線性增加。發送這些訓練信號佔用了發送信號的時間資源，對於複雜無線信道，發送訓練信號可能佔用20％左右的時間。另一方面，採用該框架發送訓練信號，信道估計只能在發送訓練信號的時間片斷進行。對於快速變化的時變信道，有可能因為估計信道更新跟不上，導致通信質量下降。因此，需要研發新型的無線通訊結構、信道估計技術以及在快速移動條件下的信道跟蹤技術。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種MIMO系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法，使其採用訓練信號和發送信號直接混疊的方法暗遞訓練信號，通過基於暗遞模型的信道估計方法，解決快速移動通訊時的信道均衡與發送訓練信號佔用時間資源的矛盾，減少訓練信號發送佔用的時間，提高信道更新的速度。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明利用發送信號的零均值性質，在給定長度是將片段上通過線性混疊方式加入常數向量，即在該時間片斷裡加入取值為1或者-1的常數向量，在接收端收到的信號中，通過該時間片斷接收到信號的均值來估計無線信道。本發明提出的訓練信號發送模型與傳統的IEEE802.11標準完全不同，不用專門適用時間片斷，也不用專門使用的某個天線來發送訓練信號，而是通過訓練信號與發送信號線性混疊後一起發送。在接收端利用訓練信號的特性來估計無線信道，這是本發明的核心創新點。
本發明包括以下步驟(1)訓練信號的構造訓練信號的構造是實現訓練信號連續發送的核心，具有特殊結構的訓練信號才有可能實現同時發送訓練信號和通訊信號的條件下估計信道和信號均衡。
訓練信號的構造滿足如下的條件①訓練信號兩兩正交②訓練信號是對成的二值信號，且信號的均值為零。
③訓練信號在一個小區間內是常數。這一點在信道估計是非常重要，需要用接收信號的均值來重構訓練信號。
對於滿足條件①和②的信號，稱之為正交訓練信號。
為了在高頻的發送信號中發送訓練序列(或者稱為參考信號)p(k)＝(p1(k)，...，pn(k))T，設計訓練信號具有如下性質p1(k)，...，pn(k)取值為1或者-1，是以T為周期的周期信號，並且信號間兩兩正交，即pi(k)，pj(k)＝0，對任意i，j成立。
對於正交訓練信號的構造，可以採用如下方法進行。設每個片斷的長度為N，共有M個片斷，序列的總長度為L。記Li＝(i-1)N+1。
構造的訓練序列在每個片段上是一個常數，即對於i＝1，2，...，Mpi(t)＝±1，t＝Li，Li+1，...，Li+1-1。
(2)訓練信號隱遞模型的建立對於暗送訓練信號模型x(k)＝A[s(k)+p(k)]+n(k)，其中，s(k)＝(s1(k)，...，sn(k))T是發送天線的發送信號向量，要求滿足零均值條件，A是多輸入多輸出的信道混合矩陣，表現為頻率復用時信道間的幹擾。x(k)是接收端收到的信號向量，n(k)是零均值測量噪音向量。
訓練信號暗送模型的建立，是將訓練信號與通信信號利用線性混合在一起，通過發送端天線發送。這時，信號的能量增加，但是沒有增加通訊信號的容量，也沒有佔用發送的時間。在接收端，收到的信號是含有訓練信號的混合信號，目的是通過接受端，收到信號估計信道混合矩陣以及發送的原始信號。
(3)接收信號的同步估計記每個時間片斷窗口的長度為N。因為在信號傳輸過程中有時間滯後，首先，需要對發送信號的起點進行估計，估計方法使用測量信號與訓練信號的相關性來定義測量信號的起點。
=i=1nxi,pi(-)>N]]>=i=1nk=1Nxi(k),pi(k-),=0,1,,N-1.]]>當訓練信號與測量信號同步時，函數Ω(τ)取最大值。記 是相關函數Ω(τ)的最大值點。
(4)信道自適應估計基本假設設原始信號是隨機的零均值的隨機變量。
當確定測量信號的起始點後，可以通過下列的模型來估計混合模型的參數矩陣A
其中x(k)>N=1Nj=1Nx(k+j-1)]]>是變量x(k)的N個點的均值。當假設原始的信號均值為零時，有s(k)N≈0和n(k)N≈0。上面的方程簡化為 因此，混合矩陣的估計為x^(k),p^(k-)>T=Ap^(k-),p^(k-)>T,]]>或者A=x^(k),p^(k-)>Tp^(k-),p^(k-)>T-1.]]>如果選擇訓練信號是單位方差，則上個估計式可以表示為A=x^(k),p^(k-)>T.]]>信號均衡的解混合信道為W＝A-1。
為了減少噪音對信道估計的幹擾，可採用最小二乘估計方法，實現方法如下p(k)N＝Wx(k)N。
記x^(k)=x(k)>N,p^(k-)=p(k)>N,]]>得到p^(k-)=Wx^(k).]]>兩邊同時乘以 並對時間求平均，得到
p^(k-),x^(k)T>=Wx^(k),x^(k)T>]]>=Wx,x]]>利用最小二乘估計方法，信號均衡的解混合信道為W=p^(k-),x^(k)T>x,xT(x,xx,xT)-1.]]>(5)採用信號均衡算法有了矩陣的估計，則信號估計可以由下列公式給出s(k)＝Wx(k)-p(k-τ)。
(6)信道跟蹤當信道快速變化時，需要有快速的信道跟蹤技術。本發明提出基於快速平均的信道平滑技術，實現方法如下對於接收到第t個長度為N的數據包時，立即可以更新信道參數。考慮到信道過渡的平穩性，利用平滑給出新的信道，其計算過程如下At+1=(1-)At+x^(k),p^(k-)>T,]]>或者Wt+1=(1-)Wt+p^(k-),x^(k)T>x,xT(x,xx,xT)-1,]]>其中，λ是一個平滑係數，可以取0到1之間的數。
利用平滑模型，將原來的信道參數和新估計的信道進行加權平均，加權係數取λ＝0.8。
訓練信號隱遞方法的基本原理是利用發送信號的統計性質，當發送信號的均值為零時，將一段長度為N，取值全為1或-1的常數訓練信號，通過線性疊加混入發送信號中，在接收端檢測到信號起點後，利用N個樣本點的均值重構出訓練信號。因此在該隱遞模型中，訓練信號發送不佔用通信信道資源，也不用佔用通訊的時間資源，將訓練的信號與要傳輸的信號線性疊加後，一起發送到接收端。利用接收端信號的統計性質和訓練信號的結構重構出訓練信號。由於訓練信號在通訊過程中是連續發送的，所以本發明可以實時快速地進行信道估計和信號均衡，提高複雜環境下易變信道的快速跟蹤速度，適合快速移動通訊系統的信道估計和均衡問題。當接收端天線接收到混合信號後，需要估計出訓練信號的起始點，本發明提出一個同步檢測的方法確定訓練信號的起始點。當訓練信號的起始點確定以後，本發明提出一個基於信號平均的信道估計技術以及相應的信號均衡技術。
本發明的有益效果是(1)使用訓練信號的暗送技術(AMTD)，可以避免佔用專用的時間片斷髮送訓練信號，提高信號發送的效率。(2)因為訓練信號一直隱含在接收信號中，本發明可以實時在線地估計信道，信道更新的頻率可以提高，根據信道模型和訓練信號結構，利用N個接收到的樣本既可以對信道進行更新。相對現有的寬帶無線技術標準，可以處理更高速移動通訊問題。(3)由於採用即時信道跟蹤技術，不僅可以處理快速移動通訊信道估計問題，而且提高通訊信道的可靠性。
具體實施例方式
實施例本發明包括如下步驟(1)訓練信號的構造以兩個輸入發射天線和兩個接收天線為例，給出訓練信號的構造方法。對於2輸入2輸出系統的構造方法。首先構造兩個正交的序列d1＝(1，1，-1，-1)，d2＝(1，-1，1，-1)。
這兩個序列滿足正交條件。給定時間片段的長度為N，那麼通過這兩個序列構造的正交訓練信號為
p1＝Td1，p2＝Td2。
其中T為長度為N，其每個元素為1的行向量，符號代表Kronecker的矩陣乘積。如果N＝4，那麼有p1＝(1，1，1，1，1，1，1，1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1)，p2＝(1，1，1，1，-1，-1，-1，-1，1，1，1，1，-1，-1，-1，-1)。
為了提高信道估計的精度，需要較長的時間片斷，在實施過程中，取N＝100。這時，p1＝Td1是一個長度為400的向量。根據本項技術信號傳遞模型，只要收到100個樣本點後，既可以更新估計的信道，具有信道的快速跟蹤特性，應該指出該訓練信號時間片段的長度不會隨接收天線個數的增加而增加。
(2)訓練信號的隱遞方式經過信號編碼後，在發送前利用線性混疊模型將特殊訓練信號加到傳輸信號中，通過無線信道發送到接收端x(k)＝A[s(k)+p(k)]+n(k)，其中，s(k)是待發送的信號，p(k)是具有特殊結構的訓練信號，訓練信號的單元長度N取100，n(k)是傳輸信道的噪音。x(k)是接收端接受的信號。訓練信號與待發送信號的直接混合後通過無線信道發送到接收端。因此，本發明不需要單獨佔用時間資源來發送訓練信號。
(3)隱遞方式下訓練信號同步點檢測當接收端接收到無線信號後，利用與已知訓練信號的相關性來檢測訓練信號的同步點。計算方法如下，首先計算下面的相關性函數=i=1nk=1Nxi(k),pi(k-),=0,1,,N-1.]]>
取該相關函數Q(τ)的最大值作為同步點，記為 (4)隱遞方式下信道估計x^(k)=x(k)>N=1Nj=0N-1x(k+j),p^(k-^)=p(k)>N=1Nj=0N-1p(k+j-^).]]>信道模型參數的估計方程簡化為p^(k-^)=Wx^(k).]]>利用最小二乘估計方法，信號均衡的解混合信道為W=p^(k-),x^(k)T>x,xT(x,xx,xT)-1.]]>其中x,x=x^(k),x^(k)T>]]>是 的相關矩陣。
(5)隱遞方式下的信號均衡方法有了解混合信道的估計，則原發送信號估計可以由下列公式給出s(k)=Wx(k)-p(k-^).]]>(6)隱遞方式下的信道跟蹤本發明提出基於快速平均的信道平滑技術。對於第t楨，可以估計一個信道估計，考慮到信道過渡的平穩性，採用利用平滑給出新的信道，其計算過程如下Wt+1=(1-)Wt+p^(k-^),x^(k)T>x,xT(x,xx,xT)-1,]]>其中，λ是一個平滑係數，取λ＝0.8，x,x=x^(k),x^(k)T>]]>是 的相關矩陣。
在訓練信號隱遞的模式下，訓練信號不佔用發送的時間資源，比現在IEEE802.11標準發送能力提高約20％，因為當信道快速變化時，在IEEE802.11標準中需要用20％的時間資源發送導頻信號。另外，本發明取得的優勢是快速信道跟蹤能力。可以在訓練信號中每一個時間片斷對信道進行修正，即當接收端收到N個樣本後，立即可以對信道進行修正。在IEEE802.11標準中只能在接收到一楨信號後才能對信道進行修正一次。對快速移動情況下，本發明具有更高的信道跟蹤能力。
權利要求
1.一種MIMO系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法，其特徵在於，利用發送信號的零均值性質，在給定長度是將片段上通過線性混疊方式加入常數向量，即在該時間片斷裡加入取值為1或者-1的常數向量，在接收端收到的信號中，通過該時間片斷接收到信號的均值來估計無線信道。
2.根據權利要求1所述的MIMO系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法，其特徵是，包括以下步驟(1)訓練信號的構造訓練信號的構造滿足如下的條件①訓練信號兩兩正交，②訓練信號是對成的二值信號，且信號的均值為零，③訓練信號在一個小區間內是常數，為了在高頻的發送信號中發送訓練序列p(k)＝(p1(k)，…，pn(k))T，設計訓練信號具有如下性質p1(k)，…，pn(k)取值為1或者-1，是以T為周期的周期信號，並且信號間兩兩正交，即pi(k)，pj(k)＝0，對任意i，j成立，對於正交訓練信號的構造，可以採用如下方法進行設每個片斷的長度為N，共有M個片斷，序列的總長度為L，記Li＝(i-1)N+1，構造的訓練序列在每個片段上是一個常數，即對於i＝1，2，…，Mpi(t)＝±1，t＝Li，Li+1，…，Li+1-1；(2)訓練信號隱遞模型的建立將訓練信號與通信信號利用線性混合在一起，通過發送端天線發送，在接收端，收到的信號是含有訓練信號的混合信號；(3)接收信號的同步估計記每個時間片斷窗口的長度為N，因為在信號傳輸過程中有時間滯後，首先需要對發送信號的起點進行估計，估計方法使用測量信號與訓練信號的相關性來定義測量信號的起點，=i=1nxi,pi(-)N]]>=i=1nk=1Nxi(k),pi(k-),=0,1,,N-1.]]>當訓練信號與測量信號同步時，函數Ω(τ)取最大值，記 是相關函數Ω(τ)的最大值點；(4)信道自適應估計基本假設設原始信號是隨機的零均值的隨機變量，當確定測量信號的起始點後，可以通過下列的模型來估計混合模型的參數矩陣A 因此，混合矩陣的估計為A=x^(k),p^(k-)Tp^(k-),p^(k-)T-1,]]>信號均衡的解混合信道為W＝A-1，為了減少噪音對信道估計的幹擾，可採用最小二乘估計方法，信號均衡的解混合信道為W=p^(k-),x^(k)Tx,xT(x,xx,xT)-1;]]>(5)採用信號均衡算法有了矩陣的估計，則信號估計可以由下列公式給出s(k)＝Wx(k)-p(k-τ)；(6)信道跟蹤當信道快速變化時，需要有快速的信道跟蹤技術，實現方法如下對於第t楨，估計一個信道估計，考慮到信道過渡的平穩性，利用平滑給出新的信道，其計算過程如下At+1=(1-)At+x^(k),p^(k-)T,]]>或者Wt+1=(1-)Wt+p^(k-),x^(k)Tx,xT(x,xx,xT)-1,]]>其中，λ是一個平滑係數，可以取0到1之間的數。
3.根據權利要求2所述的MIMO系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法，其特徵是，所述的訓練信號隱遞模型的建立，其方法是對於暗送訓練信號模型x(k)＝A[s(k)+p(k)]+n(k)，其中，s(k)＝(s1(k)，…，sn(k))T是發送天線的發送信號向量，要求滿足零均值條件，A是多輸入多輸出的信道混合矩陣，表現為頻率復用時信道間的幹擾，x(k)是接收端收到的信號向量，n(k)是零均值測量噪音向量。
4.根據權利要求2所述的MIMO系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法，其特徵是，所述的信道自適應估計，其方法是如果選擇訓練信號是單位方差，則混合矩陣的估計式可以表示為A=x^(k),p^(k-)T.]]>
5.根據權利要求2所述的MIMO系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法，其特徵是，所述的信道跟蹤，其方法是利用平滑模型，將原來的信道參數和新估計的信道進行加權平均，加權係數取λ＝0.8。
全文摘要
一種MIMO系統訓練信號暗遞和信道跟蹤的方法，屬於移動通訊技術領域。本發明利用發送信號的零均值性質，在給定長度是將片段上通過線性混疊方式加入常數向量，即在該時間片斷裡加入取值為1或者－1的常數向量，在接收端收到的信號中，通過該時間片斷接收到信號的均值來估計無線信道。本發明採用訓練信號和發送信號直接混疊的方法暗遞訓練信號，提出了基於暗遞模型的信道估計方法，使其解決快速移動通訊時的信道均衡與發送訓練信號佔用時間資源的矛盾，減少訓練信號發送佔用的時間，提高信道更新的速度。
文檔編號H04L25/02GK1750522SQ20051003012
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月29日 優先權日2005年9月29日
發明者張麗清 申請人:上海交通大學