CN102724146B - 多天线移动信道特征参数的联合估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明多天线移动信道特征参数的联合估计方法，具体指用于移动通信接收设备在同步和均衡时对复信道衰落和频率偏置联合获取的估计方法，涉及移动信道参数获取技术领域。该方法递推估计时变的复信道衰落和频率偏置，步骤包括：确定各参数的初值、初值误差方差、过程噪声方差和观测噪声方差；对由复信道衰落和频率偏置所构成的非线性接收信号模型，在导频序列的接收信号值处进行非线性滤波获得参数估计值；当估计误差方差达到稳态后，提供给接收端同步和均衡。本发明具有利用序贯的导频处接收信号模型和参数的随机动态模型，对多个时变的复信道衰落和频率偏置用非线性滤波做联合递推估计的特征及适用性强、性能稳定、计算量较低，易实现等特点。

Description

多天线移动信道特征参数的联合估计方法
技术领域
本发明涉及无线移动信道特征参数获取技术领域，具体指多天线移动信道特征参数的联合估计方法。
背景技术
在宽带移动通信系统中采用收发端配置多根天线的多天线技术即多输入多输出(MIMO)技术，可使有限带宽的无线通信显著地提高信道容量。在MIMO系统的接收端获取无线信道状态信息(CSI)，特别是获取信道的多径衰落、多径时延以及多普勒频偏这三类特征参数，不仅是达到理论容量的有效途径，也是进行相干解调、信号检测和解码的必要信息，还是MIMO系统预编码、天线选择、无线资源管理及调度等实施时的主要参照。在MIMO系统接收端进行信道特征参数的获取相比于单天线系统要复杂得多。当MIMO系统的不同收发对间信道衰落、时延和频偏各不相同，特别是目前正广泛研究的由分散在不同地点的无线终端组成的分布式多天线系统(如协作中继MIMO系统、协作多点发送/接收MIMO系统)来获得发送分集和接收分集增益并增加链路可靠性时，将面临维数较高且信道特征参数耦合的接收信号，从该接收信号中有效获取信道特征参数并设计先进的MIMO接收机，是下一代移动通信的关键技术之一。
自上世纪90年代末MIMO通信技术提出以来，在接收端对MIMO系统信道特征参数的获取研究就没有停歇过，同时伴随着正交频分复用(OFDM)系统关键技术的研究进程，有关MIMO及MIMO-OFDM系统信道特征参数的获取涌现了大量的研究文献，近三年来在通信和信号处理类杂志上还屡有报道，在国内则从多角度研究了信道特征参数的获取问题，呈现出百家争鸣的态势。近几年来，随着人们对MIMO无线信道特征的刻画越来越深入，加上宽带无线接入、泛在网等新型网络体系对分布式MIMO系统应用架构设想的不断推出，分布式MIMO系统的信道特征参数获取及联合检测技术受到了进一步关注，在前期主要针对集中式MIMO系统所做的信道特征参数获取技术的研究还难以适用于分布式MIMO系统。此外，MIMO接收机的系统设计还处于方案论证、少数原理样机等起步阶段，尚没有投入到商用领域的MIMO接收机，因此，还有充分的余地开展一些以提高接收机性能为主旨的信道特征参数获取技术的相关方法设计，从而为下一代移动通信的接收机设计提供理论依据和具体的设计方案。
事实上，无线信道的多个未知随机时变的独立参数同时包含在接收信号中使接收信号具有强非线性的特征，因此，充分考虑参数随机时变和接收信号非线性的特点，用非线性滤波的观点和角度来处理信道时变特征参数的获取，必定十分有利于下一代MIMO先进接收机的设计。而且，非线性滤波理论在近十多年来获得了很大的发展，已从经典的扩展卡尔曼滤波到强跟踪滤波，再到无迹卡尔曼滤波，聚焦到基于贝叶斯估计思想的粒子滤波(PF)方法上。非线性滤波理论和方法经过十多年的发展，已有较多的算法设计方法，在机动目标跟踪、信息融合、图像处理、计算机视觉、生物信息学、故障诊断、及统计学领域，引起了广泛关注并获得了丰富的应用研究成果，但在移动信道特征参数的联合估计获取上还鲜有报道。
正是在这样的研究背景下，本发明在多天线移动通信系统接收端需获取多维随机时变信道特征参数的技术背景下，意图解决在强非线性的MIMO系统接收信号下对信道特征参数采用非线性滤波进行联合估计的问题，这些方法可对下一代移动通信的接收端信号处理工作提供有力的理论支持和应用算法设计，必将在MIMO先进接收机设计中占有一席之地。
发明内容
本发明的目的在于：由于现有的多天线移动通信系统在对信道特征参数获取时很少采用联合估计，可能导致估计结果虽方差较小但偏置较大；或将特征参数视作在若干个符号周期不变，采用定常参数估计方法获取，与无线信道是典型的时变信道的特性还有较大出入；或由于计算复杂度较高而导致难以实际应用的情况下，提供的既适用于集中式多天线系统接收端、又适用于分布式多天线系统接收端的移动信道特征参数的联合估计方法，它可适用于一般移动通信场合如移动端静止、步行等特征参数慢速变动的场合，还可适用于快速移动通信场合如车载终端通信场合。
本发明通过以下技术方案实现，确定各特征参数的初值、初值误差方差、过程噪声方差和观测噪声方差；由信道特征参数的随机动态模型和导频处的接收信号模型，运用非线性滤波方法联合估计参数。
本发明多天线移动信道特征参数的联合估计的特征是：对多个时变的复信道衰落和频率偏置，利用序贯的导频处接收信号模型和参数的随机动态模型，用非线性滤波做联合递推估计，包括：
A、给多天线信道特征参数：复信道衰落和频率偏置赋予初值和初值方差；构造过程噪声方差和观测噪声方差；
B、用信道特征参数的随机动态模型一步递推参数的预测值；
C、由在接收天线上导频处的接收信号值和信道特征参数的随机动态模型，运用非线性滤波进行信道特征参数的联合估计；
D、随着时间序列m的增加重复步骤B、C，当估计误差方差达到稳态后，提供给接收端同步和均衡。
还包括：
所述A中的随机动态模型，是指将多天线信道的特征参数建模为随机动态模型xk＝Axk-1+Bvk-1，式中xk、xk-1分别为在时刻k和k-1各发送天线和某一根接收天线对间待估计的信道特征参数矢量，A为系统矩阵，B为过程噪声矩阵，vk-1为过程噪声；所述的过程噪声方差，由随机动态信道的模型确定；所述的观测噪声方差，由接收端信噪比确定；
所述B中的一步递推参数的预测值，是指xk|k-1＝Axk-1；
所述C中的接收信号，是指在接收天线上得到的导频处的接收信号：式中：下标k表示接收时刻，下标p表示第p根发送天线，Wp为接收端已知的第p根发送天线的发射功率，hp，k为在时刻k第p根发送天线和该接收天线间的复信道衰落，sp，k为在时刻k从第p个发送天线上发送的导频符号，ωp，k为归一化后的载波频率偏置，其与在时刻k的绝对实际频率偏置fp，k的关系为ωp，k＝2πfp，kTs，其中Ts为符号周期，并有0＜ωp，k＜π，ηk是均值为0、方差为σ2的复高斯观测噪声；所述C的非线性滤波，包括扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、粒子滤波和迭代粒子滤波；
所述D为递推估计方式。
本发明多天线移动信道特征参数的联合估计方法，由信道特征参数的随机动态模型和导频处的接收信号，将非线性滤波方法应用到移动信道特征参数的联合获取中。相比于现有方法，具有利用序贯的导频处接收信号对多个时变的复信道衰落和频率偏置做联合估计的鲜明特征，可获得高精度的参数估计值。该方法适用性强，不仅适用于信道时变特征参数的获取，也适用定常参数的获取，进而进行符号同步、频率同步和均衡。可为单天线系统、多天线系统的接收机方案提供重要的理论依据和具体的实现方法。
附图说明
图1为具有NT个发送天线和NR个接收天线的多天线系统的发送接收框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述
本发明多天线移动信道特征参数的联合估计方法，其特点是：对多个时变的复信道衰落和频率偏置，利用序贯的导频处接收信号模型和参数的随机动态模型，用非线性滤波做联合递推估计，包括：
A、给多天线信道特征参数：复信道衰落和频率偏置赋予初值和初值方差；构造过程噪声方差和观测噪声方差；
B、用信道特征参数的随机动态模型一步递推参数的预测值；
C、由在接收天线上导频处的接收信号值和信道特征参数的随机动态模型，运用非线性滤波进行信道特征参数的联合估计；
D、随着时间序列m的增加重复步骤B、C，当估计误差方差达到稳态后，提供给接收端同步和均衡。
本发明多天线移动信道特征参数的联合估计方法，其特点还包括：
所述A中的随机动态模型，是指将多天线信道的特征参数建模为随机动态模型xk＝Axk-1+Bvk-1，式中xk、xk-1分别为在时刻k和k-1各发送天线和某一根接收天线对间待估计的信道特征参数矢量，A为系统矩阵，B为过程噪声矩阵，vk-1为过程噪声；所述过程噪声方差，由随机动态信道的模型确定；所述观测噪声方差，由接收端信噪比确定；
所述B中的一步递推参数的预测值，是指xk|k-1＝Axk-1；
所述C中的接收信号，是指在接收天线上得到的导频处的接收信号：式中：下标k表示接收时刻，下标p表示第p根发送天线，Wp为接收端已知的第p根发送天线的发射功率，hp，k为在时刻k第p根发送天线和该接收天线间的复信道衰落，sp，k为在时刻k从第p个发送天线上发送的导频符号，ωp，k为归一化后的载波频率偏置，其与在时刻k的绝对实际频率偏置fp，k的关系为ωp，k＝2πfp，kTs，其中Ts为符号周期，并有0＜ωp，k＜π，ηk是均值为0、方差为σ2的复高斯观测噪声；所述C的非线性滤波，包括扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、粒子滤波和迭代粒子滤波；
所述D为递推估计方式。
如附图1所示，经数字调制后的NT个数据流分别对应于NT个发送天线，经空时编码构成若干个空时编码块，每隔若干编码块后插入导频，信息由发送天线发送再经无线信道传输后，在接收端联合估计获取信道的复信道衰落和频率偏置，然后在接收端进行合并，再利用已估计获取的信道参数信息进行同步和均衡。
本发明具有适用性强，不仅适用于信道时变特征参数的获取，也适用定常参数的获取，进而进行符号同步、频率同步和均衡。可为单天线系统、多天线系统的接收机方案提供重要的理论依据和具体的实现方法等特点。

Claims (1)

1.一种多天线移动信道特征参数的联合估计方法，其特征是：对多个时变的复信道衰落和频率偏置，利用序贯的导频处接收信号模型和参数的随机动态模型，用非线性滤波做联合递推估计，包括：
A、给多天线信道特征参数：复信道衰落和频率偏置赋予初值和初值方差；构造过程噪声方差和观测噪声方差；所述的过程噪声方差，由随机动态信道的模型确定；所述的观测噪声方差，由接收端信噪比确定；
B、用信道特征参数的随机动态模型一步递推参数的预测值；所述的随机动态模型，是指将多天线信道的特征参数建模为随机动态模型式中xk、xk-1分别为在时刻k和k-1各发送天线和某一根接收天线对间待估计的信道特征参数矢量，A为系统矩阵，B为过程噪声矩阵，为过程噪声；所述的一步递推参数的预测值，是指xk|k-1＝Axk-1；
C、由在接收天线上导频处的接收信号值和信道特征参数的随机动态模型，运用非线性滤波进行信道特征参数的联合估计；所述的接收信号，是指在接收天线上得到的导频处的接收信号：式中：下标k表示接收时刻，下标p表示第p根发送天线，Wp为接收端已知的第p根发送天线的发射功率，hp,k为在时刻k第p根发送天线和该接收天线间的复信道衰落，sp,k为在时刻k从第p个发送天线上发送的导频符号，ωp,k为归一化后的载波频率偏置，其与在时刻k的绝对实际频率偏置fp,k的关系为ωp,k＝2πfp,kTs，其中Ts为符号周期，并有0＜ωp,k＜π，ηk是均值为0、方差为σ2的复高斯观测噪声；所述的非线性滤波，包括扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、粒子滤波和迭代粒子滤波；
D、随着时间序列的增加重复步骤B、C，当估计误差方差达到稳态后，提供给接收端同步和均衡；估计方式为递推估计方式。
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