CN100512036C - 一种td-scdma中的信道估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TD-SCDMA中的信道估计方法及装置，其中方法包括：估计子帧常规时隙中的中间训练序列的信道冲击响应；对于常规时隙中的数据部分，根据所述数据部分与所述中间训练序列的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应。本发明避免了直接将中间训练序列的信道冲击响应作为数据部分的信道冲击响应，使对数据部分的信道估计更为准确，解决了现有技术难以实现高速条件下的信道估计的技术问题，能够实现网络对高速铁路的有效覆盖。

Description

一种TD-SCDMA中的信道估计方法及装置

技术领域

本发明涉及第三代移动通讯技术，特别是涉及一种TD-SCDMA中的信道估计方法及估计装置。

背景技术

TD-SCDMA(时分同步码分多址)标准是3G(第三代移动通信系统)标准的重要组成之一，从相关的试验数据来看，在TD-SCDMA中，现有技术的移动终端能够很好地工作时，其最高移动速度是120km/h，这个速度对于高速铁路是难以适用的。

目前，已经出现了时速达160公里的准高速铁路，而且时速300公里/小时～500公里/小时的高速铁路会在不久的将来迅速建成，而高速铁路的覆盖是整个3G覆盖所不可或缺的部分，这是因为：一般高速铁路上的乘客至少有语音业务方面的需求，而高档用户除了语音需求还有高速数据业务的需求；如果未来的高速铁路没有3G业务覆盖或者覆盖性能不好的话，人们首先会对使用3G的感觉不好，因为3G网不是一张无缝覆盖的网络，不能让人在任何时候、任何地点进行通话和上网，特别是对于连续乘坐火车用户，更希望能够排解旅途的郁闷，这正是3G休闲业务，如游戏、多媒体等业务派上用场的时候，而此时如果不能提供相应的服务，会让3G用户感到很郁闷，这样的后果是会失去许多用户，包括高档用户和潜在的用户，同时，运营商也会失去一块赢利的区域。

对于高速铁路的3G覆盖，对移动通信系统提出了更高的要求，这主要表现在：移动通信系统在网络结构、硬件设备、软件算法方面都要具有快速越区切换的功能，还需要适应列车300km/h～500km/h的最高时速。影响TD-SCDMA移动速度的因素主要有智能天线的波束赋形算法和联合检测中的信道估计(Channel Estimation)算法的速度。

以下，是TD-SCDMA系统的帧结构及现有的信道估计方法。

一、TD-SCDMA系统的帧结构

TD-SCDMA系统能够实现上行同步，与其系统的帧结构特性有密不可分的关系，系统帧结构的设计是实现上行同步的前提。TD-SCDMA系统帧结构的设计考虑到了对智能天线和上行同步等新技术的支持。一个无线帧长为10ms，分成两个5ms子帧。这两个子帧的结构完全相同。

图1给出了TD-SCDMA在传送对称业务时的子帧结构，如图1所示，每个子帧又分成长度为675μs的7个常规时隙(TS0～6)和3个特殊时隙(DwPTS、GP和UpPTS)。在几个常规时隙中的上下箭头表示它示上行时隙还是下行时隙。其中Ts0总是分配给下行链路，而Ts1总是分配给上行链路。上行链路的时隙和下行链路的时隙之间由一个切转换点分开。每个子帧的DwPTS是作为下行导频和同步设计的。该时隙是由长为64chip(码片)的下行同步序列SYNC-DL和长为32chip的保护间隔组成，采用单独的DwPTS，一是便于下行同步的迅速获取，同时也可以减小对其它下行信号的干扰。

每个子帧的UpPTS是为建立上行同步而设计的。当UE(用户终端)进行随机接入时，将首先在UpPTS上发送SYNC-UL，基站检测到UE发送的SYNC-UL后，将通过FPACH信道应答，UE接收到基站应答的FPACH后，根据FPACH指示的时间调整量和期望接收功率及测量的路径损耗，设置上行PRACH的发送定时和发送功率。UpPTS由长为128chip的上行同步序列SYNC-UL和32chip的保护间隔组成。GP是长度为96chip的保护间隔，可以防止上下行信号之间的相互干扰。

子帧的常规时隙的结构如图2所示，两个数据区(各位352码片)由144码片的中间训练序列(Midamle)分隔，末尾有一个16码片的保护时隙(GP)。数据区中的数据比特先用QPSK(四相移键控)调制位数据符号(Symbol)，然后再采用正交可变扩频因子(Orthogonal Variable Spreading Factor，OVSF)码对Symbol进行扩频，这样每个时隙可以由OVSF码(SF＝1、2、4、8、16)分为1—16个码道(Code Channel)。扩频序列作用是在调制之后和脉冲形成之前进行的，它分为两个步骤：首先用OVSF码对数据Symbol扩频；再进行扰码(scrambling)，即将扰码加到扩频后的信号中。其中，OVSF码用来区分同一时隙中的不同用户，而扰码一般用来区分基站，它还有一个作用是将扩频后的码片序列白噪化。中间训练序列是结合多用户检测进行的信道估计时使用的。

图3为TD_SCDMA子帧的常规时隙的每一突发(Burst)的码片结构图；如图3所示，每个子帧的常规时隙(TS0～6)上的突发结构由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间训练序列和一个长度为16chip的保护间隔组成。中间训练序列为一已知的训练序列，用于进行信道估计和测量，如上行同步的保持以及功率测量等。同一小区同一时隙的不同用户所采用的中间码是由一个基本的中间码经过循环移位后产生。

二、上行同步的建立

在CDMA(码分多址)移动通信系统中，下行链路中的一个时隙中，其各个码道或者用户数据总是同步的。所以，一般所说的同步CDMA都是指上行同步。上行同步技术是TD-SCDMA系统关键技术之一。所谓上行同步，即要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号能够同步到达基站。

在UE开机后，它首先必须与小区建立下行同步，然后才能开始建立上行同步。在UE随机接入时，虽然可以接收到基站的DwPTS信号，建立了下行同步，但是并不知道与基站之间的距离，这导致UE的首次上行发送不能同步到达基站或者到达基站的时间是不精确的。因此，为了减小对常规时隙的干扰，上行信道的首次发送在UpPTS这个特殊时隙上进行。上行同步建立通常用于系统的随机接入过程，当系统失去上行同步后，重新建立同步的过程也要经过上述步骤。

三、上行同步的保持

因为UE是移动的，它到基站的距离总是在变化。所以在整个通信过程中，基站必须不断地检测UE上行突发中的中间训练序列的到达时刻，并对UE的发送时刻进行闭环控制，以保持可靠的同步。

因为同步检测和控制可以每个子帧(5ms)进行一次，一般来说，在此时间内UE的移动范围不会超过十几厘米，因此，可以认为数据和中间训练序列的冲击响应是相同的，现有的作为TD-SCDMA的终端和基站的主要接收技术的联合检测接收机，其目前的一个最基本的接收假设就是所有的数据和中间训练序列的信道冲击响应是相同的，这个假设对于低速移动是合适的，但对于高速移动是不成立的。因此，对于高速铁路等应用环境下，现有技术还不能适应高速状态下的信道估计，信道估计的问题将是解决高速状态下联合检测接收机性能的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TD-SCDMA中的信道估计方法及装置，解决现有技术不能适应移动终端高速移动状态下的信道估计的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种TD-SCDMA中的信道估计方法，其中，包括如下步骤：

步骤一，估计子帧常规时隙中的中间训练序列的信道冲击响应；

所述步骤一具体包括：

步骤a，从子帧常规时隙中提取中间训练序列；

步骤b，进行中间训练序列的信道估计，得到多个用户信道的初步估计结果；

步骤c，存储所述初步估计结果；

步骤d，对所述初步估计结果进行处理，去掉噪声或干扰径，得到多个用户信道的信道冲击响应；

步骤e，从所述多个用户信道的信道冲击响应中取出所要估计用户所对应的信道冲击响应；

步骤f，将所述要估计用户所对应的信道冲击响应，作为本次估计中的当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn，同时也作为下次估计中的已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H，并进行存储；

步骤二，对于常规时隙中的数据部分，根据所述数据部分与所述中间训练序列的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应；

所述步骤二具体包括：根据所述当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn和所述已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H所构成的直线，以及根据所述数据部分与所述中间训练序列的信道冲击响应Hn的距离，进行线性插值来计算所述数据部分的信道冲击响应。

上述的方法，其中，如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列与所述已过时隙的中间训练序列之间，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn—d(Hn—H)/M；如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列之后，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn+d(Hn—H)/M；其中h为所述数据部分的信道冲击响应，d为所述数据部分与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离，M为所述已过时隙的中间训练序列与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离。

上述的方法，其中，所述已过时隙选择为所述当前时隙的上一个下行时隙。

为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种TD-SCDMA中的信道估计装置，其中，包括：普通信道估计单元和插值单元；所述普通信道估计单元用于估计子帧常规时隙中的中间训练序列的信道冲击响应；

所述普通信道估计单元包括：中间序列数据分离器，用于从子帧常规时隙中提取中间训练序列；中间序列信道估计器，用于进行中间训练序列的信道估计，得到多个用户信道的初步估计结果；初步估计结果存储器，用于存储所述初步估计结果；信道估计后处理器，用于对所述初步估计结果进行处理，去掉噪声或干扰径，得到多个用户信道的信道冲击响应；数据分离器，用于从所述多个用户信道的信道冲击响应中取出所要估计用户所对应的信道冲击响应；信道估计结果存储器，用于：将所述要估计用户所对应的信道冲击响应，作为本次估计的当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn，同时也作为下次估计的已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H，并进行存储；

所述插值单元用于：根据常规时隙中的数据部分与所述中间训练序列之间的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应；所述插值单元是根据所述数据部分所在的当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn和所述当前时隙前面的已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H所构成的直线，以及根据所述数据部分与所述当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn之间的距离，进行线性插值来计算所述数据部分的信道冲击响应。

上述的装置，其中，所述插值单元按照如下方式进行插值：如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列与所述已过时隙的中间训练序列之间，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn—d(Hn—H)/M；如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列之后，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn+d(Hn—H)/M；其中h为所述数据部分的信道冲击响应，d为所述数据部分与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离，M为所述已过时隙的中间训练序列与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离。

本发明的优点在于：1)根据数据部分与中间训练序列的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应，避免了直接将中间训练序列的信道冲击响应作为数据部分的信道冲击响应，使对数据部分的信道估计更为准确，解决了现有技术难以实现高速条件下的信道估计的技术问题。

2)根据用户当前时隙与上一时隙的中间训练序列的信道冲击响应来进行线性插值，实现起来比较简单，算法容易而且有效，是非常实际的信道估计方法。

3)插值所得的信道估计结果可以用于Rake接收机或者联合检测接收机的数据接收，能够实现TD-SCDMA网络对高速铁路的有效覆盖，具有广阔的应用前景和经济价值。

附图说明

图1为TD_SCDMA子帧的结构图；

图2为TD_SCDMA子帧的常规时隙的结构图；

图3为TD_SCDMA子帧的常规时隙的每一突发(Burst)的码片结构图；

图4为本发明提供的信道估计结果的示意图；

图5为本发明提供的利用两次信道估计的结果进行内插的示意图；

图6为本发明方法的实现装置的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种TD-SCDMA中的信道估计方法，首先估计子帧常规时隙中的中间训练序列的信道冲击响应，然后，根据常规时隙中的数据部分与所述中间训练序列的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应。

估计中间训练序列的信道冲击响应可通过以下方式实现：

如图3所示，为TD-SCDMA中每一突发(Burst)的码片结构，其中位于两个数据块中间的中间训练序列的用途就是进行信道估计，两个数据块为352chips，Midamblc(中间训练序列)码长度为144chips，不同用户的Midamble码通常根据基本Midamble(128chips)码循环移位构成。

在同步CDMA系统中，总接收信号的Midamble部分是由K个用户的Midamble码的响应和加性噪声决定的，用矩阵可表示为：e_mid＝Gh+n_mid其中，e_mid为总接收信号的Midamble部分，G是一个Topelitz(沿任何一条对角线上的元素都相同)矩阵，h为K个用户的Midamble码的响应，n_mid为噪声。G与h相乘正好构成了循环卷积运算，在忽略噪声情况下，e_mid可用长度为144的基本Midamble码(公式中用midamble_basic表示)和h的循环卷积表示为：

e_mid＝midamble_basic*h

所以得到信道估计为： $\hat{h}=G^{-1}{e}_{\mathrm{mid}}.$

对于这种信道估计方法常常用FFT(快速傅里叶变换)来进行。因此仅估计中间训练序列的信道冲击响应的估计方法为：

$\hat{h}=\mathrm{IFFT}\left(\mathrm{FFT}\left(e_{\mathrm{mid}}\right)\right)/\mathrm{FFT}(\mathrm{midamble}\_\mathrm{basic})$

其中，

为所有用户的信道冲击响应，IFFT表示对所要操作的序列的逆FFT的变换，其变换长度为128；FFT的变换长度也为128。

图4所示为信道估计的结果示意图，在假设Kcell(用户数量)等于8的情况下，图4中上部的长条表示包含所有用户的信道估计(窗)结果，图4中下部的长条表示其中某一个用户的信道估计窗的信道冲击响应。

假设我们现在要估计的是第k个用户在第n帧的某个时隙(可称之为当前时隙)的信道冲击响应，记根据当前时隙的中间训练序列所估计的用户冲击响应为h_n，k(m)，m＝1....16，记根据当前时隙前面的已过时隙估计的的本用户冲击响应为h_n-1，k(m)，m＝1....16，设两个信道估计的距离为M(也就是两次信道估计的中间训练序列的对应位置所间隔的码片数量)，则我们估计第n帧的数据部分的新方法为，对于第n帧的当前时隙的中间训练序列前面的数据，冲击响应为：

$h_{n,k}(m,d)=h_{n,k}\left(m\right)-\frac{h_{n,k}\left(m\right)-h_{n-1,k}\left(m\right)}{M}\·d,m=1,...16,d=1,...352$    公式(1)

对于第n帧的当前时隙的中间训练序列后面的数据，冲击响应为：

$h_{n,k}(m,d)=h_{n,k}\left(m\right)+\frac{h_{n,k}\left(m\right)-h_{n-1,k}\left(m\right)}{M}\·d,m=1,...16,d=1,...352$        公式(2)

以上公式可简化表示为：

h＝Hn—d(Hn—H)/M；(对应公式1)

h＝Hn+d(Hn—H)/M；(对应公式2)

其中h为数据部分的信道冲击响应，Hn为当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应，H为已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应，d为数据部分与当前时隙的中间训练序列之间的距离，M为两次信道估计的中间序列的对应位置所间隔的码片数量。

图5为利用两次信道估计的结果进行内插的示意图，如图，图中右侧的中间序列为当前时隙中间训练序列，并由此估计出当前时隙的多个用户的信道冲击响应，选择其中的一个用户的信道冲击响应，并于图中左侧的已过时隙中对应用户的信道冲击响应构成一条直线，根据所述直线进行插值，就可以求得在两次估计之间的数据部分的信道冲击响应。

图6为本发明方法的实现装置的示意图，如图，本发明的实现装置包括：

中间序列数据分离器601：其作用为从一个时隙中提取出中间训练序列的144个复数信号。其输入为经信道滤波器和同步控制下的基带信号，其输出为144个复数信号的后128个复数信号，直接送往中间序列信道估计器602。中间序列数据分离器601对每一个包含有本用户的时隙的数据进行分离。

中间序列信道估计器602：其作用为完成公式(1)、公式(2)所示的信道估计的运算。其输入为从中间序列数据分离器601得到的长度为128的复数序列；其输出也是长度为128的复数信道估计初步结果。其结果输出到第n次信道估计结果存储器603(也就是存储当前时隙的信道估计初步结果)。

第n次信道估计结果存储器603：其作用为存储中间序列信道估计器602的信道估计初步结果。

信道估计后处理器604：这个器件的作用是对用户信道估计的初步结果进行后处理，原理是根据某一门限或者某个原理把噪声或者干扰径去处掉，得到比较干净的信道冲击响应。这个处理可以在用户信道冲击响应分离之前或者信道冲击响应分离之后进行。

用户k信道数据分离器605：这个器件的作用就是从128长的信道估计结果序列中取出本用户的信道估计窗的数据，其窗口长度为128/Kcell，Kcell是此时隙所能容纳的最大的用户数。

第n-1次信道估计结果存储器606：实际上第n-1次信道估计结果存储器606的数据就是数据分离器605在上一个时隙得到的数据。

用户k数据部分信道内插器607：此器件完成公式(1)和(2)所示的运算。它的输入是当前时隙和上一时隙的本用户的信道估计窗的结果数据，其输出为对数据部分的线形内插的结果。对连续的两次信道估计的后处理后的结果进行比较，对于两次信道估计中任何一个有的径位置就做内插运算，能用于上性时隙的信道估计，内插的信道数据部分的新的信道估计结果可以用于Rake(多径分集)接收机或者联合检测接收机的数据接收。

由上可知，本发明具有如下优点：

1)根据数据部分与中间训练序列的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应，避免了直接将中间训练序列的信道冲击响应作为数据部分的信道冲击响应，使对数据部分的信道估计更为准确，解决了现有技术难以实现高速条件下的信道估计的技术问题。

2)根据用户当前时隙与上一时隙的中间训练序列的信道冲击响应来进行线性插值，实现起来比较简单，算法容易而且有效，是非常实际的信道估计方法。

3)插值所得的信道估计结果可以用于Rake接收机或者联合检测接收机的数据接收，能够实现TD-SCDMA网络对高速铁路的有效覆盖，具有广阔的应用前景和经济价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种TD-SCDMA中的信道估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，估计子帧常规时隙中的中间训练序列的信道冲击响应；

所述步骤一具体包括：

步骤a，从子帧常规时隙中提取中间训练序列；

步骤b，进行中间训练序列的信道估计，得到多个用户信道的初步估计结果；

步骤c，存储所述初步估计结果；

步骤d，对所述初步估计结果进行处理，去掉噪声或干扰径，得到多个用户信道的信道冲击响应；

步骤c，从所述多个用户信道的信道冲击响应中取出所要估计用户所对应的信道冲击响应；

步骤f，将所述要估计用户所对应的信道冲击响应，作为本次估计中的当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn，同时也作为下次估计中的已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H，并进行存储；

步骤二，对于常规时隙中的数据部分，根据所述数据部分与所述中间训练序列的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应；

所述步骤二具体包括：根据所述当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn和所述已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H所构成的直线，以及根据所述数据部分与所述中间训练序列的信道冲击响应Hn的距离，进行线性插值来计算所述数据部分的信道冲击响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列与所述已过时隙的中间训练序列之间，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn—d(Hn—H)/M；

如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列之后，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn+d(Hn—H)/M；

其中h为所述数据部分的信道冲击响应，d为所述数据部分与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离，M为所述已过时隙的中间训练序列与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述已过时隙选择为所述当前时隙的上一个下行时隙。

4.一种TD-SCDMA中的信道估计装置，其特征在于，包括：普通信道估计单元和插值单元；

所述普通信道估计单元用于估计子帧常规时隙中的中间训练序列的信道冲击响应；所述普通信道估计单元包括：

中间序列数据分离器，用于从子帧常规时隙中提取中间训练序列；

中间序列信道估计器，用于进行中间训练序列的信道估计，得到多个用户信道的初步估计结果；

初步估计结果存储器，用于存储所述初步估计结果；

信道估计后处理器，用于对所述初步估计结果进行处理，去掉噪声或干扰径，得到多个用户信道的信道冲击响应；

数据分离器，用于从所述多个用户信道的信道冲击响应中取出所要估计用户所对应的信道冲击响应；

信道估计结果存储器，用于：将所述要估计用户所对应的信道冲击响应，作为木次估计的当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn，同时也作为下次估计的已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H，并进行存储；

所述插值单元用于：根据常规时隙中的数据部分与所述中间训练序列之间的距离，通过插值来计算所述数据部分的信道冲击响应；

所述插值单元是根据所述数据部分所在的当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn和所述当前时隙前面的已过时隙的中间训练序列的信道冲击响应H所构成的直线，以及根据所述数据部分与所述当前时隙的中间训练序列的信道冲击响应Hn之间的距离，进行线性插值来计算所述数据部分的信道冲击响应。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述插值单元按照如下方式进行插值：

如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列与所述已过时隙的中间训练序列之间，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn—d(Hn—H)/M；

如果所述数据部分位于所述当前时隙的中间训练序列之后，则所述数据部分的信道冲击响应为：h＝Hn+d(Hn—H)/M；

其中h为所述数据部分的信道冲击响应，d为所述数据部分与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离，M为所述已过时隙的中间训练序列与所述当前时隙的中间训练序列之间的距离。

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