CN101364961A - 基于mimo非实时平台的自适应信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MIMO非实时平台的自适应信道估计方法，是在发送端插入前导序列而获得信道统计信息，根据信道统计信息自适应调整导频间隔和导频功率，对导频位置应用LS信道估计方法估计出导频位置的信道冲击响应和在数据位置利用插值方法估计数据位置的信道冲击响应。本发明自适应地设计导频时域间隔以及导频功率，可以提高信道估计性能和频谱利用率并且在发送功率一定的情况下，提高信道容量。利用插入导频的信道估计方法，避免了在环境恶劣时Golden序列信道估计会造成错误传播的弱点。对应用于实际平台中的算法降低系统复杂度的同时，避免了错误传播，提高了系统性能并且提高了频谱利用率。

Description

基于MIMO非实时平台的自适应信道估计方法

技术领域

本发明涉及MIMO(多输入多输出)非实时平台中应用的自适应导频设计和信道估计算法，属于真实无线通信环境的物理层技术领域。

背景技术

在现代通信系统中无线通信手段越来越受到人们的重视。随着通信技术的发展，对通信的信道容量，频谱利用率和可靠性提出了越来越高的要求，利用MIMO信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，同时提高了信道的可靠性，降低误码率。因此MIMO系统及其相关技术成为近年来人们的热点。

CN101170333公开了一种《分布式多输入多输出无线通信系统真实环境测试平台》，是一种MIMO非实时平台，针对现有的无线通信算法验证仅使用简化的无线信道仿真所带来的问题，该平台的发送接收经历一个完整的从星座映射、脉冲成形，到同步、星座逆映射、判决的传输过程，并通过真实的无线信道传输，恢复的信号能够更加准确的检验MIMO系统算法的性能。MIMO非实时平台为研究在真实无线信道环境下MIMO通信系统的实现问题，搭建一套开放式、阶段性、系统级试验平台，集数字基带软件实现、模拟前端电路和MIMO天线阵列于一体，实现“算法设计→性能验证→系统实现”的全方位服务。MIMO非实时平台缩短了研究人员学习使用MIMO系统的时间，从而能够使研究人员只将精力集中在提高算法的性能上，大大提高了MIMO试验平台的利用率。

在真实的信道环境中，信道估计技术是必不可少的关键技术。在MIMO非实时平台中，用信道估计得出的信道冲击响应辅助空时解码，对于正确无误的通信是至关重要的。MIMO非实时平台解决的主要问题是真实地模拟信道环境，基于此验证关键理论技术和算法，所以信道估计需要尽可能反映真实的传输环境信息，这就使得自适应信道估计算法具有其必要性。MIMO非实时平台自适应信道估计根据发送前导序列测出实际的传输环境的统计信息(相干时间，相干带宽等)，根据新到统计信息自适应地设计发射端导频参数进行接收端信道估计，信道统计信息具有不确定性。

发明内容

本发明针对MIMO非实时平台信道统计信息的不确定性，提供一种信道统计信息确定的基于MIMO非实时平台的自适应信道估计方法，该自适应信道估计方法能够提高频谱利用率，并且在发送功率一定时可以提高信道容量，适用于实际信道环境的信道估计。

本发明的基于MIMO非实时平台的自适应信道估计方法包括以下步骤：

(1)在接收端获得信道统计信息

在MIMO非实时平台的发送端插入前导序列，在接收端根据前导序列估计出的信道冲击响应获得信道统计信息，得到实际信道环境的相干时间：

信道的时延—时间差相关函数由信道冲击响应获得：

$R_c(\mathrm{\τ};\mathrm{\Δ\ξ})=\frac{1}{2}E\{h(\mathrm{\τ};t+\mathrm{\Δ\ξ})h*(\mathrm{\τ};t)\};$

信道相干时间为：T_coh＝rms[R_c(Δξ)]；

各符号的含义：

R_c表示信道的时延—时间差相关函数，t表示电波传播时间，τ表示电波经过不同路径的传播时间延时，并用ξ表示移动接收台的移动时间，Δξ表示移动接收台接收两个不同路径信号的观测时间延时，h(τ，t)为信道在时间t的等效低通冲激响应；T_coh表示信道相干时间；rms[x]表示x的均方根；

(2)根据信道统计信息自适应地设定信道估计的导频时域间隔及导频信号功率

根据获得的信道相干时间，将导频时域间隔设定为不大于已经得到的信道相干时间；

发送端总功率一定的情况下，导频信号功率应该尽可能小，以提高系统容量，同时应从导频信号中提取尽量多的信道信息，以提高信道预测的信噪比，在保证一定的系统误码率性能的前提下，减小不必要的导频信号功率；

(3)设计信道估计方法

在MIMO非实时平台中，引入以下插入周期性插入导频信号的信道估计方法：

对于导频符号，采用LS(最小二乘法)信道估计，利用导频位置的接收符号和发送符号，得到导频位置的信道冲击响应，公式如下：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}={\underset{\‾}{X}}^{-1}\stackrel{\‾}{Y}={\left[(X_k/Y_k)\right]}^T,k=\mathrm{0,1},...N-1;$

各符号的含义：

表示导频位置信道冲击响应的估计值，X表示导频位置的发送信号矩阵，Y表示导频位置的接收符号矩阵，X_k表示k时刻导频位置的发送信号，Y_k表示k时刻导频位置的接收信号；

对于数据符号，利用线性内插插值信道估计方法，估计出数据位置的信道冲击响应系数，插值方法如下：

线性内插滤波每次估计只需要两个导频点信号，估计两相邻导频位置的信道响应，通过插值得到两个导频间数据位置的信道响应，线性内插公式如下：

${\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N\left(i\right)={\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N(\mathrm{mL}+L)=(1-\frac{l}{L}){\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N\left(\mathrm{mL}\right)+\frac{l}{L}{\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N(\mathrm{mL}+L)$

其中，i表示第i个数据符号，L为导频时域间隔，m表示第m个导频符号。

本发明解决了实际信道中信道环境不确定的问题，利用自适应地设计导频时域间隔以及导频信号功率，可以提高信道估计性能和频谱利用率并且在发送功率一定的情况下，提高信道容量。利用插入导频的信道估计方法，避免了在环境恶劣时Golden序列信道估计会造成错误传播的弱点。对应用于实际平台中的算法降低系统复杂度的同时，避免了错误传播，提高了系统性能并且提高了频谱利用率。

附图说明

图1为MIMO非实时平台自适应导频传输方案示意图。

图2为MIMO非实时平台数据格式及导频插入方式示意图。

图3为MIMO多天线的导频安排方式示意图。

其中P为导频处的符号，D为数据处的符号。

具体实施方式

图1给出了MIMO非实时平台自适应导频传输的方案，具体为：在接收端对输入比特流进行编码映射后插入前导序列，经过天线发送接收，在接收端对信道参数进行估计，根据测得的信道统计信息自适应地设计发送端导频参数。

如图2所示，在MIMO非实时平台的发送端，根据MIMO非实时平台的数据格式，加入前导序列，测得信道统计信息，即信道的时延-时间差相关函数和信道相干时间。

根据信道相干时间等统计信息来自适应地设定信道估计的导频间隔及导频功率，以此来确定如何在产生的发送序列中根据信道特性等间隔时分插入导频符号。由于是多天线，为了空时解码的方便，在插入导频符号的过程中，在不同天线插入导频的时候，在天线I插入导频的相应位置，天线H的相应位置应该插入0导频，同样地，在天线II插入导频的相应位置，天线I的相应位置应该插入0导频。如图3所示。

发送信号经过MIMO非实时平台发射天线发射，到达接收天线，在接收端对接收到的数据进行处理。在接收端，对于导频符号，利用导频处接收信号和发送的导频符号，进行LS信道估计得到导频处的信道冲击响应，再利用内插信道估计方法，得到数据处的信道冲击响应。根据估计得到的信道冲击响应，进行辅助空时解码。

在MIMO非实时平台中，引入以下插入周期性插入导频信号的信道估计方法：

对于导频符号，采用最小二乘LS信道估计，利用导频位置的接收符号和发送符号，得到导频位置的信道冲击响应，公式如下：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}={\underset{\‾}{X}}^{-1}\stackrel{\‾}{Y}={\left[(X_k/Y_k)\right]}^T,k=\mathrm{0,1},...N-1.$

对于数据符号，利用插值信道估计方法，估计出数据位置的信道冲击响应系数，插值方法如下：

线性内插是利用相邻导频信道相应的估计值进行线性插值，获得其它数据位置上的信道响应估计值，每个导频的信道响应值看作是对信道响应的采样，只要满足导频时域间隔小于信道的相关时间或者导频时域间隔小于信道的相关带宽，就能够在时域或者频域完成对信道的估计；

线性内插滤波每次估计只需要两个导频点信号，估计两相邻导频位置的信道响应，通过插值得到两个导频间数据位置的信道响应，线性内插公式如下：

${\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N\left(i\right)={\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N(\mathrm{mL}+L)=(1-\frac{l}{L}){\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N\left(\mathrm{mL}\right)+\frac{l}{L}{\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N(\mathrm{mL}+L)$

本发明自适应地设计导频参数，可以有效利用频谱和发送功率；在数据处等间隔地插入导频，而不是在数据起始位置处加入导频序列，避免了错误传播造成的误差，从而提高信道估计的准确性，提高系统性能；信道估计算法简单，复杂度低，避免了实际MIMO信道下对于信道高阶统计信息的要求。

Claims (1)

1.一种基于MIMO非实时平台的自适应信道估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在接收端获得信道统计信息

在MIMO非实时平台的发送端插入前导序列，在接收端根据前导序列估计出的信道冲击响应获得信道统计信息，得到实际信道环境的相干时间：

信道的时延—时间差相关函数由信道冲击响应获得：

$R_c(\mathrm{\τ};\mathrm{\Δ\ξ})=\frac{1}{2}E\{h(\mathrm{\τ};t+\mathrm{\Δ\ξ})h*(\mathrm{\τ};t)\};$

信道相干时间为：T_coh＝rms[R_c(Δξ)]；

各符号的含义：

R_c表示信道的时延—时间差相关函数，t表示电波传播时间，τ表示电波经过不同路径的传播时间延时，并用ξ表示移动接收台的移动时间，Δξ表示移动接收台接收两个不同路径信号的观测时间延时，h(τ，t)为信道在时间t的等效低通冲激响应；T_coh表示信道相干时间；rms[x]表示x的均方根；

(2)根据信道统计信息自适应地设定信道估计的导频时域间隔及导频信号功率

根据获得的信道相干时间，将导频时域间隔设定为不大于已经得到的信道相干时间；

发送端总功率一定的情况下，导频信号功率应该尽可能小，以提高系统容量，同时应从导频信号中提取尽量多的信道信息，以提高信道预测的信噪比，在保证一定的系统误码率性能的前提下，减小不必要的导频信号功率；

(3)设计信道估计方法

在MIMO非实时平台中，引入以下插入周期性插入导频信号的信道估计方法：

对于导频符号，采用LS信道估计，利用导频位置的接收符号和发送符号，得到导频位置的信道冲击响应，公式如下：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}={\underset{\‾}{X}}^{-1}\stackrel{\‾}{Y}{\left[(X_k/Y_k)\right]}^T,k=\mathrm{0,1},...N-1;$

各符号的含义：

表示导频位置信道冲击响应的估计值，X表示导频位置的发送信号矩阵，Y表示导频位置的接收符号矩阵，X_k表示k时刻导频位置的发送信号，Y_k表示k时刻导频位置的接收信号；

对于数据符号，利用线性内插插值信道估计方法，估计出数据位置的信道冲击响应系数，插值方法如下：

线性内插滤波每次估计只需要两个导频点信号，估计两相邻导频位置的信道响应，通过插值得到两个导频间数据位置的信道响应，线性内插公式如下：

${\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N\left(i\right)={\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N(\mathrm{mL}+L)=(1-\frac{l}{L}){\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N\left(\mathrm{mL}\right)+\frac{l}{L}{\stackrel{\widehat{~}}{H}}_N(\mathrm{mL}+L)$

其中，i表示第i个数据符号，L为导频时域间隔，m表示第m个导频符号。

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