CN101227439A - 基于迭代搜索信道预测的上行探测域确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于迭代搜索信道预测的上行探测域确定方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：设定探测域包含的探测符号个数及增益门限；根据基于迭代搜索的信道预测方法，逐一确定探测符号位于上行帧的最佳位置，若增加的探测符号所带来的NMSE增益小于设定的门限，或者已有的探测符号个数已经达到设定值，则所得的所有探测符号的位置构成探测域。本发明的优点是在于在设计上行探测域位置时利用了基于迭代搜索的信道预测算法，使得在利用上行探测域中的探测信号进行下行信道预测的时候更为准确。本发明可以在相同系统负载(探测符号个数不变)的基础上提高信道预测性能，对信噪比和多普勒频率有很好的鲁棒性。

Description

基于迭代搜索信道预测的上行探测域确定方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于迭代搜索信道预测算法的上行探测域确定方案。

背景技术

在无线通信系统、特别是多天线系统中，发射机已知信道信息(以下简称CSIT)的闭环技术能够获得比开环技术更好的系统性能。在闭环系统中，发射机可以根据接收端反馈的信道信息自适应地调整传输方案，从而达到提高吞吐量，增强系统可靠性，扩大覆盖范围等效果。此外，由于下行信道空间相关性强，导致开环多天线技术(如空时码)性能急剧下降，而闭环多天线技术可以利用空间相关性提高系统性能。特别地，对于蜂窝通信系统，基站还可利用CSIT同时支持多用户通信，协调小区间传输，抑制和消除小区间干扰等。综上所述，在无线通信系统中已知准确的CSIT有着至关重要的影响。

闭环系统获取CSIT的方法通常有两种，一种是直接反馈，另一种是重用上行信道。直接反馈是指在上行帧中直接反馈接收端估计出来的信道信息，这种方法通常应用于频分双工(FDD)系统，但是在天线数较多的情况下，直接反馈的反馈量比较大，而且反馈延迟也较长。重用上行信道的方法是指在上行帧中仍然传输由接收端发射给基站的信息，由基站利用这些信息估计出上行信道信息，再利用上下行信道的互异性以及通过收发端硬件校准获得CSIT。这种方法通常适用于时分双工(TDD)系统，其反馈延迟较小。

针对上下行频率相同和不同两种情况，重用上行信道的方法有不同的实现形式。在窄带系统或者上下行业务量对称的场景下，上下行所用的频率相近，此时发射端可以基于分布在全频段的测距码、导频或者上行数据判决反馈等方式进行信道估计。而在宽带系统、上下行业务量不对称或者上下行子信道映射不同等场景中，需要利用上行链路中的探测符号来估计下行信道，这些探测符号所在的区域与下行链路的频率相同，被称为探测域。探测符号的个数和探测域位置通常是根据系统要求所制定的，在探测域位置确定的情况下，探测符号个数越多，信道预测性能越好；但是适当的安排探测域的位置，可以在相同探测符号个数的基础上获得更好的信道预测性能。

许多国际标准如IEEE802.16e、IEEE802.11n等都通过引入探测域来解决上行信道重用问题。在IEEE802.16e中，探测域位于上行帧的末端，即最靠近下行帧的位置。因为通常认为这些位置距离下行帧最为接近，利用这些探测域中的探测符号估计出的下行信道最为准确。但是，当探测域包含多个探测符号时，这种探测域设置会增大探测符号间的相关性，导致预测性能降低。

发明内容

本发明的目的是针对现行标准中关于探测域位置的不足，提出一种新的基于迭代搜索信道预测的上行探测域确定方法，使得在相同系统负载(探测符号个数不变)的基础上提高CSIT的预测性能。

本发明提出的基于迭代搜索信道预测的上行探测域确定方法，包括以下步骤：

1)根据系统要求，确定探测域包含的探测符号个数及增益门限；

2)根据基于迭代搜索的信道预测方法，逐一确定探测符号位于上行帧的最佳位置，若增加的探测符号所带来的归一化均方误差(NMSE)增益小于设定的门限，或者已有的探测符号个数已经达到设定值，则所得的所有探测符号的位置构成探测域。

上述步骤2)中所述的基于迭代搜索的信道预测方法包括以下步骤：

(1)从所有探测符号的候选位置中搜索确定出一个使信道预测NMSE最小的探测符号位置；

(2)根据已经确定的使信道预测NMSE最小的探测符号位置和线性最小均方误差(MMSE)准则，迭代搜索逐一确定新增加的各探测符号位置；本发明的MMSE准则可转化为使NMSE下降幅度最大的准则，即搜索准则为搜索到使NMSE下降最大的观测符号；

(3)若增加的探测符号所带来的NMSE增益小于设定的门限，或者已有的探测符号个数已经达到设定值，则停止迭代搜索，否则转步骤(2)；

(4)此时所得到的所有探测符号位置构成最终的探测域位置。

本发明的特点：

本发明是以信道预测算法为基础，将探测符号作为信道预测的观测点。它不是简单地将探测域放在上行帧的末端，而是通过计算来确定探测域的最佳位置。本发明所涉及的信道预测方法，是一种基于搜索的方式确定信道预测所需要的观测点个数以及观测点的最佳位置的信道预测方法，在搜索最优观测点位置的时候采用迭代的方法。传统的线性MMSE预测器需要对协方差矩阵进行求逆计算，其计算复杂度随着观测点数的增加而快速增长，本发明中所利用的信道预测算法通过迭代搜索降低协方差矩阵的维数，避免了高阶矩阵求逆运算，从而能够降低计算复杂度。

本发明具有以下优点：

(1)在上下不同频的系统里，本发明提出的上行探测域的探测符号插入位置方案可以在相同系统负载的基础上提高系统性能；并且在相同系统性能的基础上减小上行探测域的长度，减小系统负载。

(2)与已有技术相比，本发明方案对信噪比和多普勒频率有很好的鲁棒性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明提出的基于非线性采样的信道预测算法设计的上行探测域方案做进一步详细说明。

本发明提出的上行探测域确定确定方法的具体实现步骤如下：

1)首先，根据系统要求确认上行帧中探测域所包含的符号个数M及增益门限；

2)然后，利用基于迭代搜索的信道预测方法进行探测符号的位置搜索，搜索范围为上行帧中所有的可能位置，从中找到使NMSE最小的M个探测符号位置，即构成探测域的位置。

本发明中所述的基于迭代搜索的信道预测是一种迭代计算的线性MMSE预测方法，具体实现步骤如下：

将发射端获得的M个探测符号记为p＝[p₁ p₂ L p_M]^H，定义探测符号p的协方差矩阵R＝E[pp^H]，定义被预测信道为h，被预测信道h与探测符号p之间的互相关系数为r＝E[ph^*]；

根据通用的时变Jakes信道模型，协方差矩阵R中的元素[R]_ij可表示为：

${\left[R\right]}_{\mathrm{ij}}=E\left[p_i{p}_j^{*}\right]=I_0\left(2\mathrm{\π}{f}_d{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\right)+\frac{N_0}{E_b}\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\right),$

互相关系数r中的元素[r]_pi可表示为：

                [r]_i＝E[p_ih^*]＝I₀(2πf_dΔ_i)，

其中f_d为多普勒频率，τ_ij表示p_i与p_j之间的时间间隔，Δ_i表示p_i与被预测信道h之间的时间间隔；I₀(g)表示第一类零阶贝塞尔函数，N₀为观测噪声能量，E_b为观测信号能量；

采用线性MMSE预测器对信道h进行预测，预测值

可以表示为：

$\hat{h}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{p}_i=w^{H}p,$

其中w＝R^-1r为线性加权系数；线性MMSE预测器的归一化均方误差为：

                    J＝1-r^HR^-1r。

具体实现步骤为：

(1)初始化：定义搜索空间S₀＝{p∈p}，搜索结果F₀＝，m＝1。

(2)首次搜索：根据线性MMSE信道预测算法，从搜索空间S₁中搜索p₁的位置：

$p_1=\arg \underset{p_1\∈S_0}{\min }{J}_1\left(p_1\right),$

其中J₁表示第1次预测的归一化预测均方误差。

此时，更新搜索结果F₁＝F₀U{p₁}，更新搜索空间S₁＝{p∈S₀，pF₀}。

(3)迭代搜索：在搜索空间S_m中搜索第m+1个探测符号p_m+1，使增加探测符号p_m+1后带来的归一化预测均方误差下降幅度最大，即：

$p_{m+1}=\arg \underset{p_{m+1}\∈S_m}{\max }(J_m-J_{m+1})=\arg \underset{p_{m+1}\∈S_m}{\max }\left\{\frac{\left|\right|r_{m+1}^{*}-w_m^{H}v\left|\right|}{\mathrm{\α}-v^H{R}_m^{-1}v}\right\}$

其中r_m+1为探测符号p_m与被预测信道h之间的互相关，定义为r_m+1＝E[p_mh^*]；v为第m+1个探测符号和前m个探测符号之间的互相关，定义为 $v=E\left[p_m{p}_{m+1}^{*}\right];$ p_m是由F_m中的搜索结果组成的向量；w_m为第m次迭代时计算出来的预测器的加权值；α＝E[‖p_m+1‖²]。

确定了第m+1个探测符号的位置以后，比较(J_m-J_m+1)，若增加探测符号后NMSE的变化小于预先设定的门限值(设置的具体门限值可根据系统要求不同而定，如可定为增加一个观测符号后使NMSE下降的幅度超过10％)，则停止迭代，记录此时的探测符号个数m+1为本次预测最终所用的探测符号，更新预测加权系数 $w_{m+1}=R_{m+1}^{-1}{r}_{m+1},$ 其中

$R_{m+1}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}{R}_m^{-1}+\mathrm{\β}{R}_m^{-1}{\mathrm{vv}}^H{R}_m^{-1}& -\mathrm{\β}{R}_m^{-1}v\\ \mathrm{\β}{v}^H{R}_m^{-1}& \mathrm{\β}\end{array}\right],r_{m+1}={\left[\begin{array}{cc}{r}_m^H& r_{m+1}^{*}\end{array}\right]}^H;$

增加探测符号后归一化均方误差的变化小于预先设定的门限值(如NMSE的下降幅度超过了10％)，即新增加的观测符号能够给信道预测带来更高的增益，则更新搜索结果F_m+1＝F_mU{p_m+1}，更新搜索空间S_m+1＝{p∈S_m，pF_m}，m←m+1；或者当m+1等于观测值总数M时，迭代停止。

(4)搜索结果F_m+1即为最终探测域在上行帧中的位置。

下面利用具体实施例来说明如何利用本发明确定上行探测域。

设有一个帧长为0.823ms的上行帧，其中有8个数据符号记为data1～data8，可以用来作为上行探测符号，每个数据符号为0.1ms。假设系统要求上行帧中有3个探测符号，需要用这三个探测符号预测下一个0.823ms的下行帧信道，多普勒频率为100Hz。设利用基于迭代搜索时的门限为增加一个观测符号后使NMSE下降幅度超过10％；具体包括以下步骤；

(1)初始化：定义搜索空间S₀＝{p∈p}为所有的8个数据符号的位置，搜索结果F₀＝，m＝1。

(2)首次搜索：根据线性MMSE信道预测算法，从搜索空间S₀中搜索p₁的位置：

$p_1=\arg \underset{p_1\∈S_0}{\max }{J}_1\left(p_1\right),$

首次搜索到的探测符号为data8，即p₁为data8。更新搜索结果F₁＝F₀U{p₁}＝{data8}，更新搜索空间：

S₁＝{p∈S₀，pF₀}＝{data1，data2，L，data7}。

(3)迭代搜索：在搜索空间S_m中搜索第m+1个探测符号p_m+1，使增加探测符号p_m+1后使NMSE下降幅度最大。设定门限为使NMSE下降10％；

①在S₁＝{data1，data2，L，data7}中搜索第二个探测符号，使增加的第二个探测符号使NMSE下降幅度最大。此时搜索到探测符号为data1，更新搜索搜索结果F₂＝{data1，data8}，S₂＝{data2，L，data7}；

②在S₂＝{data2，L，data7}中搜索第3个探测符号，使增加的第三个探测符号使NMSE下降幅度最大。此时搜索到观测符号为data2，更新搜索搜索结果F₃＝{data1，data7，data8}，S₂＝{data2，L，data6}；

(4)探测域结果：F₃＝{data1，data7，data8}

至此，得到在本实施例的帧结构下，利用本发明所得到的3个探测符号的探测域位置。

表1给出了在本实施例的帧结构下，若允许的探测符号个数为1至8个，则利用本发明方案得到的探测域位置。

表1不同探测符号个数的探测域位置

探测符号个数	探测域位置
		1	8
2	18
		3	178
4	1278
		5	12678
6	123678
		7	1235678
8	12345678

Claims (2)

1.一种基于迭代搜索信道预测的上行探测域确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据系统要求，设定探测域包含的探测符号个数及增益门限；

2)根据基于迭代搜索的信道预测方法，逐一确定探测符号位于上行帧的最佳位置，若增加的探测符号所带来的归一化均方误差(以下简称NMSE)增益小于设定的增益门限，或者已有的探测符号个数已经达到设定值，则所得的所有探测符号的位置构成探测域。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)中的基于迭代搜索的信道预测方法，包括以下步骤：

(1)从所有探测符号的候选位置中搜索确定出一个使信道预测NMSE最小的探测符号位置；

(2)根据已经确定的最小的探测符号位置和线性最小均方误差(以下简称MMSE)准则，迭代搜索逐一确定新增加的各探测符号位置；

(3)若增加的探测符号所带来的NMSE增益小于设定的门限，或者已有的探测符号个数已经达到设定值，则停止迭代搜索，否则转步骤(2)；

(4)此时所得到的所有探测符号位置构成最终的探测域位置。