CN102891823A - 正交频分多址移动通信系统中的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于正交频分多址移动通信系统的信道估计方法，该方法包括如下步骤：首先，将接收到的导频信号与发送导频信号的共轭相乘，获得频域信道参数的最小二乘估计；其次，对频域信道参数的最小二乘估计作逆离散傅立叶变换，获得变换域信道参数；接着，根据信道的最大时延扩展，确定变换域噪声子空间的范围，并对变换域噪声子空间中的信道参数进行降噪处理；最后，对降噪处理后的变换域信道参数作离散傅立叶变换，获得频域信道参数的估计值。本发明提供的信道估计方法与现有变换域置零类估计技术相比，能有效地提高信道估计精度，改善接收机的性能，且易于硬件实现。

Description

正交频分多址移动通信系统中的信道估计方法

技术领域

本发明涉及一种无线移动通信系统的信道估计算法，尤其涉及一种正交频分多址(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)系统的信道估计方法。

背景技术

近年来移动用户对高速率数据业务，如网页浏览、视频传输、远程办公等需求的提高，促进了移动通信业务和需求的迅猛发展，传统的第三代移动通信系统已无法满足需求。另一方面，数字信号处理技术的飞速发展使得正交频分复用(OFDM)技术逐渐得以实用，并受到广泛关注。OFDM技术在无线局域网中得到应用，随后通过WIMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)系统第一次应用于宽带无线接入领域。面对WIMAX系统对传统第三代移动通信系统设备商和运营商带来的竞争，3GPP(3rd Generation Partnership Project)做出积极的反应，于2004年底启动了LTE(Long Term Evolution)项目。该项目提出实现下行峰值速率100Mbit/s，上行峰值速率50Mbit/s，频谱效率达到3GPP Release 6的2～4倍。

LTE系统提出了更高的性能要求，需要优异的物理层技术支持，这些物理层技术包括：信道估计、同步、多天线、自适应编码调制等。LTE系统采用高阶调制(如16QAM、64QAM)以获得更高的传输速率，因而需要准确的跟踪和估计信道。信道估计技术成为了LTE的一项物理层关键技术，直接影响着系统的总体性能指标。LTE系统在时频资源上周期性地插入导频信号用于信道估计。

OFDMA系统中的导频位置处的信道估计方法包括：最小二乘(LS)、最小均方误差(MMSE)、变换域置零等。最小二乘估计简单，但性能较差。最小均方误差估计复杂且需要信道统计信息，但在最小化估计的均方误差角度性能最优。变换域置零估计方法的复杂度略高于最小二乘估计，并力求性能逼近最小均方误差估计。

本发明属于OFDMA系统中的变换域估计，适用于LTE系统。传统的变换域置零技术在变换域提取重要径而直接置零其他径，这种方式在信道存在泄漏时性能变差。本发明在传统变换域估计算法置零的区域估计信道冲激泄露值，并用估计值替换原始值，能达到更优异的性能，并且具有较低的复杂度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于正交频分多址移动通信系统中的信道估计方法，该方法能在信道存在泄漏的变换域中以较低的复杂度逼近最优信道估计方法的性能。

技术方案：本发明是一种正交频分多址移动通信系统中的信道估计方法，包括以下内容：

步骤一、将接收到的导频信号与发送导频信号的共轭相乘，获得频域信道参数的最小二乘估计；

步骤二、对频域信道参数的最小二乘估计作逆离散傅立叶变换，获得变换域信道参数；

步骤三、根据信道的最大时延扩展，确定变换域噪声子空间的范围，并对变换域噪声子空间中的信道参数进行降噪处理；

步骤四、对降噪处理后的变换域信道参数作离散傅立叶变换，获得频域信道参数的估计值。

所述步骤三中的变换域噪声子空间的范围是由信道最大时延扩展确定的，其下限值d_L和上限值d_H分别为

和K-1，其中τ_max为信道最大时延扩展，f_s为系统采样频率，K为分配给用户的子载波数，N是系统总的子载波数，符号

表示上取整运算。

所述步骤三中的变换域噪声子空间中的信道参数降噪处理表示为：

$\stackrel{\widehat{~}}{T}\frac{{\mathrm{\α}}^H\tilde{T}}{{\mathrm{\α}}^H\mathrm{\α}}\mathrm{\α}$

其中，

和

分别表示降噪处理前和降噪处理后变换域噪声子空间中的信道参数，α是d_H-d_L+1维的列向量，其第i个元素为

i＝0，1，...，d_H-d_L，参数θ是在0到15之间取值的常数，sin()和exp()分别表示正弦函数和指数函数，上标()^H表示共轭转置运算，j表示虚数单位，π表示圆周率。

作为优选，所述步骤三中的变换域噪声子空间范围的确定无需采用门限值搜索，变换域噪声子空间中信道参数的降噪处理无需信道统计信息，并且降噪处理的实现复杂度与变换域噪声子空间的维度呈线性关系。

有益效果：本发明提供了一种能用于LTE系统的信道估计方法，按照本发明方法在变换域噪声子空间降噪处理后，能够以较低的运算复杂度实现均方误差1-2dB逼近最小均方误差估计方法。本发明提供的信道估计方法与现有变换域置零类估计方法相比，能有效地提高信道估计精度，改善接收机的性能。这种信道估计方法只需在原有的硬件资源上，增加少量的运算量和存储量，硬件实现容易。

附图说明

图1是正交频分多址系统上行链路框图。

图2是本发明的信道估计器的结构框图。

图3是不同信道估计方法下信道估计性能的比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1给出了上行集中式资源映射的正交频分多址系统场景。假设系统总的子载波数为N，分配给用户的子载波数为K，用户占用子载波在系统子载波编号中的起始点为M。

采样后的正交频分多址系统模型用矩阵形式表示为：

Y＝XH+N    (公式1)

其中Y＝[Y₀，…，Y_K-1]^T是接收导频符号，X＝diag{[X₀，…，X_K-1]}是一个对角元为发射导频信号的对角矩阵，H＝[H_M，…，HM_+K-1]^T是信道在用户分配频段的频率响应，N＝[N₀，…，N_K-1]^T是一个噪声向量，上标()^T表示矩阵或向量的转置运算。图2给出了本发明的信道估计器的结构框图。图3给出了不同信道估计方法下的信道估计性能。

步骤一、将接收到的导频信号与发送导频信号的共轭相乘，获得频域信道参数的最小二乘估计

首先对接收到的导频信号进行最小二乘估计。由矩阵形式的系统模型(公式1)，可以得到频域信道参数的最小二乘估计的表达式为：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}=X^{H}Y$ (公式2)

其中上标()^H表示共轭转置运算。由公式2可见，最小二乘估计即是用接收到的导频信号乘以发送导频信号的共轭。该估计器只需要作K次乘法运算，是最简单的信道估计方法。

步骤二、对频域信道参数的最小二乘估计作逆离散傅立叶变换，获得变换域信道参数

对频域信道参数的最小二乘估计作逆离散傅立叶变换(IDFT)，公式表示如下：

$T=\mathrm{IDFT}\left\{{\hat{H}}_{\mathrm{LS}}\right\}$ (公式3)

在本发明中变换后的列向量T称为变换域信道参数，T_d表示T的第d个元素。

步骤三、根据信道的最大时延扩展，确定变换域噪声子空间的范围，并对变换域噪声子空间中的信道参数进行降噪处理

变换域噪声子空间定义为坐标范围从d_L到d_H的变换域空间(含端点)。下限值其中τ_max为信道最大时延扩展，f_s为系统采样频率，符号

表示上取整运算。上限值取到坐标的最大值K-1，即d_H＝K-1。此时，变换域噪声子空间中的信道参数为

变换域噪声子空间中的信道参数降噪处理表示为：

$\stackrel{\widehat{~}}{T}=\frac{{\mathrm{\α}}^H\tilde{T}}{{\mathrm{\α}}^H\mathrm{\α}}\mathrm{\α}$ (公式4)

其中，

表示降噪处理后变换域噪声子空间中的信道参数，α是d_H-d_L+1维的列向量，其第i个元素为

i＝0，1，...，d_H-d_L，sin()和exp()分别表示正弦函数和指数函数，j表示虚数单位，π表示圆周率。列向量α中含有参数θ，对于一种信道而言，θ取为常数。典型地，对短延时信道θ＝5，对长延时信道θ＝15。一般地，参数θ在0到15之间取值。变换域噪声子空间中的信道参数降噪处理(公式4)可以由两步获得：首先计算参数

然后计算降噪处理后变换域噪声子空间中的信道参数因而降噪处理的实现复杂度与变换域噪声子空间的维度呈线性关系。

综上，在变换域噪声子空间中用估计信道参数值代替原始信道参数值后，得到降噪处理后的变换域信道参数

${\hat{T}}_d=\left\{\begin{array}{ccc}{T}_d& ,& d=0,\·\·\·,d_L-1\\ {\stackrel{\widehat{~}}{T}}_{d-d_L}& ,& d=d_L,\·\·\·,K-1\end{array}\right.$ (公式5)

其中

表示

的第d个元素，

表示

的第d个元素。

步骤四、对降噪处理后的变换域信道参数作离散傅立叶变换，获得频域信道参数的估计值

对降噪处理后的变换域信道参数作离散傅立叶(DFT)变换：

$\hat{H}=\mathrm{DFT}\left\{\hat{T}\right\}$ (公式6)

即可得到经降噪处理的频域信道参数的估计值。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种正交频分多址移动通信系统中的信道估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、将接收到的导频信号与发送导频信号的共轭相乘，获得频域信道参数的最小二乘估计；

步骤二、对频域信道参数的最小二乘估计作逆离散傅立叶变换，获得变换域信道参数；

步骤三、根据信道的最大时延扩展，确定变换域噪声子空间的范围，并对变换域噪声子空间中的信道参数进行降噪处理；

步骤四、对降噪处理后的变换域信道参数作离散傅立叶变换，获得频域信道参数的估计值。

2.根据权利要求1所述的正交频分多址移动通信系统中的信道估计方法，其特征在于：所述步骤三中的变换域噪声子空间的范围是由信道最大时延扩展确定的，其下限值d_L和上限值d_H分别为

和K-1，其中τ_max为信道最大时延扩展，f_s为系统采样频率，K为分配给用户的子载波数，N是系统总的子载波数，符号

表示上取整运算。

3.根据权利要求1所述的正交频分多址移动通信系统中的信道估计方法，其特征在于：所述步骤三中的变换域噪声子空间中的信道参数降噪处理表示为：

$\stackrel{\widehat{~}}{T}=\frac{{\mathrm{\α}}^H\tilde{T}}{{\mathrm{\α}}^H\mathrm{\α}}\mathrm{\α}$

其中，和

分别表示降噪处理前和降噪处理后变换域噪声子空间中的信道参数，α是d_H-d_L+1维的列向量，其第i个元素为

i＝0，1，...，d_H-d_L，参数θ是在0到15之间取值的常数，sin()和exp()分别表示正弦函数和指数函数，上标()^H表示共轭转置运算，j表示虚数单位，π表示圆周率。

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