CN100499606C - 一种阵列天线的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阵列天线信道估计方法，该方法首先对接收机信号进行信道估计，在获得阵列天线的原始信道响应后；对阵列天线中部分阵元的原始信道响应进行信道估计后处理，获得该部分阵元的后处理信道响应；最后，对于所述部分阵元的后处理信道响应值不为零的抽头，保留阵列天线中其余阵元的原始信道响应在该抽头的值，作为所述其余阵元的后处理信道响应。本发明降低了信道估计算法的计算量，使得系统有更多的余量资源支持更多天线进行多用户检测，进而使多用户检测性能得到提升。

Description

一种阵列天线的信道估计方法

技术领域

本发明涉及信道估计方法，尤其是一种阵列天线的信道估计方法。

背景技术

由于无线移动通信中信道的复杂性和时变性，在相干接收方案中，需要在接收端对信道进行估计和测量，进而利用得到的信道响应对信号进行相干检测。除了在信号检测中的应用之外，信道估计还在物理层测量、智能天线、快速控制及无线资源管理等相关子系统中起到重要的基础性的作用。阵列天线是一组由发射或接收单元(阵元)组成的天线系统。

下面以时分复用-同步码分多址(TD-SCDMA)系统中的信道估计为例，介绍现有移动通信系统中阵列天线的信道估计方法。

图1为TD-SCDMA业务时隙的突发信号结构，突发信号中部的中间码(midamble)用作进行信道估计，亦可称为信道估计码，两边的数据块用来传送业务数据。对于同一个小区的同一个时隙，确定一个基本的中间码作为基本码，不同的用户采用这个基本码的不同的循环移位版本作为各自的信道估计码，构成中间码码集，简称码集。

现有TD-SCDMA系统中，采用广义Steiner估计器进行阵列天线的信道估计(详细内容参见文献B.Steiner，and P W Baier，“Low Cost Channel Estimation inthe Uplink Receiver of CDMA Mobile Radio Systems，”FREQUENZE，47(1993)11-12)，得到的估计结果称为原始信道响应，即小区总的信道响应矢量：h″＝G^-1e_mid；其中，e_mid表示接收信号中对应于训练序列的部分，G表示由该小区的基本码组成的循环矩阵。与理想信道响应相比，原始信道响应中包含邻小区干扰和接收端噪声的影响，因此，在获得原始信道响应后要进一步抑制或降低所述邻小区干扰和噪声产生的影响，该过程称作信道估计后处理，得到的信道响应被称作后处理信道响应。

目前所使用的信道估计算法通常是针对同一个基本码的一个码集内的多用户中间码作信道估计，即单码集(小区)信道估计方法。该方法首先通过广义Steiner估计器得到阵列天线所有阵元的原始信道响应；进而在信道估计后处理过程中，计算每个抽头的平均功率，并将这个平均功率与预定的门限进行比较，保留大于预置门限的抽头的阵列响应。即：

${\underset{\‾}{h\′}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h\′\′}}_j& {\left|\right|{\underset{\‾}{h\′\′}}_j\left|\right|}^2\≥\mathrm{\Γ}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

j＝1ΛP；

其中，P表示原始信道响应的抽头数，Γ表示后处理门限，h″ _j表示原始信道响应的第j个抽头，h′ _j表示后处理信道响应的第j个抽头。

中国专利申请号第03100670.1中公开了一种TD-SCDMA系统的多码集(小区)信道估计方法。该方法首先通过广义Steiner估计器得到阵列天线所有阵元的原始信道响应。进而在信道估计后处理过程中：降低邻小区干扰，即利用迭代的方法，恢复并抵消各个抽头的邻小区干扰；并且，降低接收端噪声，该方法同上面所述的单小区信道估计方法。

上述的单(多)小区的信道估计方法的信道估计后处理过程中，计算抽头的平均功率以及进行抽头干扰抵消的过程都是利用阵列天线中所有阵元的响应来进行，这个过程在系统中具有很大的计算量，因而降低了信道估计的处理效率。另一方面，考虑到系统的实际处理能力，复杂的信道估计过程限制了实际能够参与信道估计和多用户检测的阵元数，即只有阵列天线中部分阵元可参与进行信道估计和多用户检测处理，然而，参与处理的阵元数的减少将使信道估计和多用户检测的性能下降。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种阵列天线的信道估计方法，该方法能够提高系统的信道估计处理效率。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

对接收机信号进行信道估计处理，获得阵列天线的原始信道响应；对阵列天线中部分阵元的原始信道响应进行信道估计后处理，获得该部分阵元的后处理信道响应；对于所述部分阵元的后处理信道响应值不为零的抽头，保留阵列天线中其余阵元的原始信道响应在该抽头的值，作为所述其余阵元的后处理信道响应。

对于单小区的信道估计，上述方法中所述的信道估计后处理包括：对部分阵元的原始信道估计响应进行判决处理，以保留满足一定条件的原始信道响应信号的抽头，以降低接收端噪声。

所述判决处理的一种实现方法为：设定信道估计性能参数门限，判断原始信道响应中抽头上的性能参数是否不小于所述性能参数门限，若是则保留该抽头，否则将该抽头置零。

所述判决处理的另一种实现方法为：设定抽头数门限，将原始信道响应中抽头上的值的功率/幅度排序，保留功率/幅度值相对较大的抽头，且使被保留的抽头数等于所述抽头数门限。

对于多小区的信道估计，上述信道估计后处理中，除了降低接收端噪声外，还包括对所述部分阵元的原始信道响应进行降低邻小区干扰的处理。其实现方法为：由所述原始信道响应的抽头恢复各小区原始信道响应，进而从接收机信号中抵消各个抽头上所包含的相邻小区原始信道响应。

本发明所述的方法中，利用广义Steiner估计器对接收机获取的信号进行信道估计处理，以获取原始信道响应。

以上技术方案可以看出，由于在本发明所提供的信道估计方法中，利用部分阵元响应来进行信道估计后处理过程，得到部分阵元的后处理信道响应，进而根据所述部分阵元的后处理信道响应确定阵列天线中其余阵元的后处理信道响应，因而，本发明降低了信道估计算法的计算量，使得系统有更多的余量资源支持更多天线进行多用户检测。本发明提供的信道估计方法实现简单，适用于单小区(码集)或多小区的信道估计，并且，该方法虽然会导致信道响应精度的损失，但与多用户检测带来的性能提升相比，多用户检测性能的提升更加显著。

附图说明

图1为TD-SCDMA业务时隙突发信号结构；

图2为本发明实施方式流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想为：对接收机信号进行信道估计，获得阵列天线的原始信道响应；对阵列天线中部分阵元的原始信道响应进行信道估计后处理，获得该部分阵元的后处理信道响应；对于所述部分阵元的后处理信道响应值不为零的抽头，保留阵列天线中其余阵元的原始信道响应在该抽头的值，作为所述其余阵元的后处理信道响应。

依据上述核心思想，参照图2，以TD-SCDMA系统为例，介绍本发明的具体实施方式。

步骤21：阵列天线接收机接收信号。

步骤22：接收机利用广义Steiner估计器对接收信号进行信道估计，得到小区阵列天线的原始信道响应，所述信道估计包括单小区信道估计或多小区信道估计，所述广义Steiner估计器用公式表达为：

${\underset{\‾}{h\′\′}}_n^{\left(k_a\right)}={\left({\underset{\‾}{G}}_n\right)}^{-1}{\underset{\‾}{e}}_{\mathrm{mid}}^{\left(k_a\right)}$   k_a＝1ΛK_a；n＝1ΛN

其中，N表示小区数，单小区信道估计时，N取值为1；K_a表示接收端阵列中的天线数，若8根天线构成天线阵列，则K_a取值为8；表示第k_a根天线的接收信号中对应于训练序列的部分，G _n表示由第n个小区的基本码(midamble)组成的循环矩阵，

表示对应于第n个小区的第k_a根天线的原始信道响应。

步骤23：在上述阵列天线的原始信道响应中，对部分阵元的原始信道响应进行信道估计后处理，得到该部分阵元的后处理信道响应

在单小区信道估计中，信道估计后处理仅进行降低接收端噪声的处理，其过程用公式表示为：

${\underset{\‾}{h\′}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{h\′\′}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}& \frac{1}{L}\underset{k_a=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\underset{\‾}{h\′\′}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}\right|}^2\≥{\mathrm{\Γ}}_n\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

j＝1ΛP；k_a＝1ΛL(L<K_a)；n＝1ΛN

其中，P表示原始信道响应的抽头数；L表示参与信道估计后处理过程的天线数，且L取值小于K_a，即参与信道估计后处理的天线数小于阵列的天线数；Γ_n表示第n个小区的后处理门限；

表示第n个小区的第k_a根天线的原始信道响应中的第j个抽头，单小区信道估计时，n取值为1，表示第n个小区的第k_a根天线的后处理信道响应中的第j个抽头。

在多小区的信道估计中，信道估计后处理过程包括：进行降低邻小区干扰的处理，即通过多次迭代过程，逐步消除各抽头上所包含的邻小区的信道响应；进行降低接收端噪声的处理，其过程与单小区信道估计中信道估计后处理方法相同。多小区信道估计方法可参见中国专利申请号03100670.1的专利文件中公开的技术方案。

步骤24：将L阵元的信道估计后处理结果推广到M(L<M≤8)阵元的信道估计后处理，得到M阵元的后处理信道响应。公式表示为：

${\underset{\&OverBar;}{h\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a^{\&prime;}\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\underset{\&OverBar;}{h\&prime;\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a^{\&prime;}\right)}& {\underset{\&OverBar;}{h\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}\&NotEqual;0\\ 0& {\underset{\&OverBar;}{h\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}=0\end{array}\right.$

j＝1ΛP； $k_a^{\&prime;}=L+1\mathrm{\&Lambda;M}(L<M\&le;K_a);$

k_a＝1ΛL(L<K_a)；n＝1ΛN

其中，P表示原始信道响应的抽头数；K_a表示接收端阵列中的天线数；M表示天线阵列中参与后续多用户检测处理的阵元数(L<M≤K_a)；k_a对应于L阵元，

对应于M阵元中未进行后处理的剩余阵元。由该公式可得：对于L阵元的后处理信道响应值不为零的抽头，保留阵列天线中参与后续多用户检测处理的M阵元中的原始信道响应在该抽头的值，作为M阵元的后处理信道响应。

步骤25：输出M阵元的后处理信道响应。进而，利用该M阵元的后处理信道响应进行上行单小区或多小区的单用户检测或多用户检测；或，利用该M阵元的后处理信道响应进行下行发送用户的波束赋形。

上述为本发明的较佳实施例，步骤23进行部分阵元的信道估计后处理中，包括降低接收端噪声的处理，该处理主要对原始信道响应抽头值进行判决。该判决处理的方法可以通过设定信道估计性能参数门限，进而判断原始信道响应中抽头上的性能参数是否不小于所述性能参数门限，并保留大于所述性能参数门限的抽头，其具体实现方法包括：

信噪比门限的方法：设定信噪比门限，将原始信道估计结果中信噪比大于门限Γ_n的抽头上的值保留，而将其余的抽头置零；

功率或幅度门限的方法：设定功率或幅度门限，所述功率/幅度的门限可为该抽头上各阵元功率的平均值，将原始信道估计结果中功率或幅度大于门限Γ_n的抽头上的值保留，而将其余的抽头置零。

除上述方法外，所述对原始信道响应抽头值进行判决处理的方法还可为：设定抽头数门限，将原始信道响应中抽头上的值的功率/幅度排序，保留功率/幅度值相对较大的抽头，且使被保留的抽头数等于所述抽头数门限。

下面具体以两个小区，每小区8个天线构成的阵列的接收信号为例说明本发明的信道估计方法。

设在两个小区交接处接收机接收到的多小区信号中，属于两个小区的信号响应最强，这两个小区的基本码组成的循环矩阵分别为G₁、G₂，信道响应矢量分别为h₁和h₂，此时接收机信号为：

$e_{\mathrm{mid}}=\underset{n=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_n{h}_n+n_0$

上式中n₀表示除去多小区信号以外的其他所有噪声。对于任意一个G_n(n＝1，2)，接收机总的信号又可表示为：

e_mid＝G_nh_n+n_n

n_n与n₀之间的关系为：

n₁＝G₂h₂+n₀＝I₂+n₀

n₂＝G₁h₁+n₀＝I₁+n₀

其中，I_n表示由第n个小区的信道响应引起的干扰。进而，参照中国专利申请号第03100670.1，本实施例具体为：

步骤1：接收机获取响应信号，由于无法分离单小区接收信号和多小区接收信号，因而各信道估计器的输入为总的各小区的接收信号e_mid，n＝e_mid，n＝1，2。

步骤2：利用单小区信道估计方法，针对不同的小区分别进行单个小区的信道估计，获得各小区原始信道响应：

$h_n^{\&prime;\&prime;}=G_n^{-1}{e}_{\mathrm{mid},n},n=\mathrm{1,2}$

得到各小区所有阵元的原始信道响应后，针对某一小区，仅先对小区的天线阵列中部分阵元进行迭代过程以逐步消除该阵元信道响应各个抽头上所包含的邻小区信道响应，其具体实施方式如步骤3至步骤6：

步骤3：有限时间判决处理。对原始信道响应进行处理，采用按信噪比的方法，设定信噪比门限为ε>0，利用测量得到的噪声功率

，得到有限时间判决处理后的信道估计

，如果原始信道估计结果的范数平方值大于或等于信噪比门限与噪声功率的乘积，则保留单小区估计器的原始信道响应，并作为有限时间判决处理后的估计值

否则置零。

在此步骤，针对某一小区，仅对小区的天线阵列中部分阵元进行有限时间判决，公式表示为：

${\underset{\&OverBar;}{h\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\underset{\&OverBar;}{h\&prime;\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}& \frac{1}{L}\underset{k_a=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|{\underset{\&OverBar;}{h\&prime;\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}\right|}^2\&GreaterEqual;{\mathrm{\&epsiv;\&sigma;}}_n^2\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

j＝1ΛP；k_a＝1Λ 4；n＝1，2

P表示原始信道响应的抽头数；本实施例中，在8阵元构成的阵列中，选取其中4个阵元进行判决处理，k_a＝1Λ 4，即第一小区和第二小区分别选取4个阵元参与进行有限时间判决处理，k_a对于参与判决处理的阵元；

表示第n个小区(n＝1，2)的第k_a根天线的原始信道响应中的第j个抽头，

表示第n个小区的第k_a根天线的判决处理后信道响应的第j个抽头。

上述信噪比门限可采用动态值，例如，第一次迭代时信噪比门限为ε＝5，第二次迭代时信噪比门限为ε＝3。

步骤4：恢复干扰：利用有限时间判决处理后的部分阵元的信道估计

恢复各个码集信号响应引起的干扰分量

公式表示为：

$I_n^{\&prime;\left(k_a\right)}=G_n{h}_n^{\&prime;\left(k_a\right)}$

步骤5：干扰抵消：对于步骤3判决处理的阵元，从其总的原始信道响应中减去恢复的另一小区信号的响应引起的干扰分量，得到小区基本码矩阵G_n的较干净的信号

即，对于参与步骤3判决处理的8个阵元(第一小区和第二小区分别选取4个阵元参与判决处理)，从第一小区的4个阵元的总的接收信号中减去第二小区所述4个阵元信号响应引起的干扰分量

获取较为干净的第一小区所述4阵元的接收信号

同理，获得第二小区较为干净的接收信号

$e_{\mathrm{mid},n}^{\left(k_a\right)}=e_{\mathrm{mid}}^{\left(k_a\right)}-\underset{i\&NotEqual;n}{\overset{N}{\underset{i=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{I}_i^{\&prime;\left(k_a\right)}=e_{\mathrm{mid}}^{\left(k_a\right)}-\underset{i\&NotEqual;n}{\overset{N}{\underset{i=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{G}_i{h}_i^{\&prime;\left(k_a\right)}$

步骤6：得到

后，判断所述迭代处理是否达到预置的迭代次数，如果没有，则根据 $h_n^{\&prime;\&prime;\left(k_a\right)}=G_n^{-1}{e}_{\mathrm{mid},n}^{\left(k_a\right)}$ 获取两小区中所述个4个参与进行迭代处理的阵元的原始信道估计，并进行步骤3，否则进行步骤7。

步骤7：获取参与有限时间判决的两个小区各4个阵元的信道估计后处理信道响应。即根据所获得的

得到该部分阵元的后处理信道响应

步骤8：任意一个小区中，对于上述4个阵元，在处理信道响应值不为零的抽头，保留阵列天线中其余4个阵元(8阵元阵列)的原始信道响应在该抽头的值，作为其余这4个阵元的后处理信道响应。公式表示为：

${\underset{\&OverBar;}{h\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a^{\&prime;}\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\underset{\&OverBar;}{h\&prime;\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a^{\&prime;}\right)}& {\underset{\&OverBar;}{h\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}\&NotEqual;0\\ 0& {\underset{\&OverBar;}{h\&prime;}}_{n,j}^{\left(k_a\right)}=0\end{array}\right.$

j＝1ΛP； $k_a^{\&prime;}=5\mathrm{\&Lambda;}8;$ k_a＝1Λ4；n＝1，2

最终获得小区中阵列的后处理信道响应。

以上通过具体实施例说明本发明在2小区信道估计中的实现方式，本领域技术人员同样可将上述实施例的方法应用于单小区或多小区的信道估计中；同时，在进行信道估计中，同样可在各步骤结合其他本领域常用的技术手段实现本发明，如：在干扰抵消处理中采用完全干扰抵消或部分干扰抵消，或在上述实施例的步骤3中使用其他方法或参数实现有限时间判决。

以上对本发明所提供的一种阵列天线的信道估计方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1、一种阵列天线的信道估计方法，其特征在于：

1)对接收机信号进行信道估计，获得阵列天线的原始信道响应；

2)对阵列天线中部分阵元的原始信道响应进行信道估计后处理，获得该部分阵元的后处理信道响应；

3)对于所述部分阵元的后处理信道响应值不为零的抽头，保留阵列天线中其余阵元的原始信道响应在该抽头的值，作为所述其余阵元的后处理信道响应。

2、如权利要求1所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于，步骤2)中所述进行信道估计后处理包括：

对部分阵元的原始信道估计响应进行判决处理，以保留满足一定条件的原始信道响应信号的抽头。

3、如权利要求2所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于，所述判决处理按照以下方式进行：

设定信道估计性能参数门限，判断原始信道响应中抽头上的性能参数是否不小于所述性能参数门限，若是则保留该抽头，否则将该抽头置零。

4、如权利要求2所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于，所述判决处理按照以下方式进行：

设定抽头数门限，将原始信道响应中抽头上的值的功率/幅度排序，保留功率/幅度值相对较大的抽头，且使被保留的抽头数等于所述抽头数门限。

5、如权利要求2所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于，步骤2)中所述进行信道估计后处理还包括：

对所述部分阵元的原始信道响应进行降低邻小区干扰的处理。

6、如权利要求5所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于，所述降低邻小区干扰的处理具体为：

由所述原始信道响应的抽头恢复各小区原始信道响应，进而从接收机信号中抵消各个抽头上所包含的相邻小区原始信道响应。

7、如权利要求1所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于：

步骤1)中利用广义Steiner估计器对接收机获取的信号进行信道估计。

8、一种阵列天线的信道估计方法，每小区阵列由8阵元组成，其特征在于：

1)对接收机信号进行信道估计，获得8阵元阵列的原始信道响应；

2)选取所述阵列中4个阵元的原始信道响应进行信道估计后处理，获得该4阵元的后处理信道响应；

3)在所述4阵元的后处理信道响应值不为零的抽头，保留该阵列中其余4阵元的原始信道响应在该抽头的值，作为所述其余4阵元的后处理信道响应。

9、如权利要求8所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于，步骤2)中所述进行信道估计后处理包括：

对选取的4阵元的原始信道估计响应进行判决处理，以保留满足一定条件的原始信道响应信号的抽头。

10、如权利要求9所述的阵列天线的信道估计方法，其特征在于，步骤2)中还包括：

对所选取的4阵元的原始信道响应进行降低邻小区干扰的处理。

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