CN103139108B - 一种三维mmse信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维MMSE信道估计方法，应用于LTE系统，包括如下步骤：获得一空间信道组；获得一空间导频子载波集；判断信道空域相关性是否为高；若信道空域相关性为高，则将该空间导频子载波集中所有子载波的均值作为待检测信道对应导频子载波的估计值；进行空域LMMSE信道估计滤波；将经过空域LMMSE滤波的导频子载波作为导频子载波的估计值；以及分别在时域、频域利用该导频子载波估计值进行时频串联二维LMMSE信道估计滤波，本发明通过将空域LMMSE滤波提前至时频二维LMMSE滤波前，不仅提高了信道估计的准确性，而且提高了系统的性能。

Description

一种三维MMSE信道估计方法

技术领域

本发明涉及MMSE信道估计方法，特别是涉及一种应用于LTE系统的三维MMSE信道估计方法。

背景技术

信道估计是非相干OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用技术)调制系统中下行解调链路的必要步骤。在LTE(LongTermEvolution，长期演进)系统中，为满足在高速、多径的传输环境中保证通信链路的可靠性，需要采用对噪声抑制能力最优的MMSE(MinimumMeanSquaredError，最小均方误差)信道估计滤波方法来跟踪时变快、频率选择性高的无线通信信道。

在LTE系统中，由于采用时频二维的帧结构，传统的MMSE信道估计滤波方法是分别在时域、频域上基于导频载波信道的最小平方误差(LS)估计值，导频载波与数据载波信道的互相关矩阵以及导频载波自身的自相关矩阵实现的，即串联时频二维MMSE信道估计滤波。如式(1)、(2)所示。

$H_{\mathrm{LMMSE}}^T=R_{{\mathrm{HH}}_p}^T{(R_{H_p}^T+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{SNR}}{I}_{N_P})}^{-1}{H}_p^{\mathrm{LS}}---\left(1\right)$

$H_{\mathrm{LMMSE}}=R_{{\mathrm{HH}}_p}^F{(R_{H_p}^F+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{SNR}}{I}_{N_P})}^{-1}{H}_{\mathrm{LMMSE}}^T---\left(2\right)$

其中，与分别代表导频载波与数据载波在时域和频域上的互相关矩阵；与分别代表导频载波在时域和频域上的自相关矩阵；β为与调制方式有关的常量；SNR为信道当前的信噪比；为阶数是导频数目的单位阵；为导频载波的LS估计值；为经过时域MMSE信道估计后得到的频域信道估计。在第二步的频域MMSE估计中，将作为“虚拟导频”估计值来完成余下载波的频域估计。为最终得到的所有频域载波信道估计值。

从式(1)、(2)可以看出，影响MMSE信道估计滤波性能的参数主要有三项： 与而MMSE信道估计滤波的实质是MMSE算法在基于导频LS(LeaseSquare，最小平方)估计值，的基础上，对导频间的载波进行滤波插值的过程。因此，是整个MMSE滤波的关键所在，可以形象的将其比作“骨架”，而MMSE滤波则是将骨架之间的联系勾勒出。

然而，由于LTE系统应用的场景多是高速(信道时变性较强)、多径(信道频率选择性较强)。在这种场景下，基于LS估计的导频信道值往往不够准确，在很多场景下严重偏离真实信道，从而影响后续串联时频二维MMSE信道估计，导致整体信道估计不够准确，影响LTE系统性能。

综上所述，可知先前技术的串联二维MMSE信道估计滤波方法在LTE系统时变较快、频率选择性较强的传输环境中性能较差的问题，因此实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种三维MMSE信道估计方法，其利用空间信道相关性实现空时频三维MMSE信道估计滤波，提高了信道估计的准确性，从而提高LTE系统的性能。

为达上述及其它目的，本发明提供一种三维MMSE信道估计方法，包括如下步骤：

将具有相同发射天线或相同接收天线的信道与待检测信道结合为一空间信道组；

从该空间信道组中获得一空间导频子载波集；

判断信道空域相关性是否为高；

若信道空域相关性为高，则对该空间导频子载波集中所有子载波进行处理，将其处理结果作为待检测信道对应导频子载波的估计值；

分别对导频样式与位置不同的发射天线的对应空间导频子载波集进行空域LMMSE信道估计滤波；

将经过空域LMMSE滤波的导频子载波作为导频子载波的估计值；以及

利用该导频子载波估计值进行时频和/或频域信道估计的滤波/插值。

进一步地，若信道空域相关性不为高，则不进行任何操作，该待检测信道的导频子载波仍为原值。

进一步地，对该空间信道组中的相同时间、频率的导频子载波结合为该空间导频子载波集。

进一步地，对该空间导频子载波集中所有子载波的处理为平均或加权平均或滤波。

进一步地，该空域LMMSE信道估计滤波步骤包括：

根据最小平方估计及插值得到所有导频信道初始估计值，并利用其中两个导频间的相关乘积作为该两个导频的相关值；

根据该两个导频间的相关值建立起每个导频空间子载波集的相关矩阵；以及

利用该相关矩阵进行空域LMMSE滤波操作。

进一步地，该利用该导频子载波估计值进行时频和/或频域信道估计的滤波/插值的步骤为分别在时域、频域利用该导频子载波估计值进行时频串联二维LMMSE信道估计滤波，得到每条信道的数据载波信道估计值。

进一步地，在该时频串联二维LMMSE信道估计滤波中，对于不同信道环境的不同相关矩阵采用不同估计方法。

进一步地，对于信道模型变化较快的信道，由两个导频子载波的相关乘积得到导频子载波间的相关值，并根据相关值得到相应相关矩阵。

进一步地，对于信道模型变化较慢的信道，根据信道模型在LMMSE滤波前预先计算出载波间的相关、互相关矩阵，并在该时频串联二维LMMSE信道估计滤波中直接应用该矩阵。

与现有技术相比，本发明一种三维MMSE信道估计方法，通过将空域LMMSE滤波提前至时频二维LMMSE滤波前，使得本发明在空间信道具有相关性的时候能够明显提高信道估计的准确性，并提高了系统的性能，同时，在空间信道不存在相关性的场景下，本发明提出的三维MMSE信道估计方法的信道估计性也能与传统串联二维MMSE信道估计滤波方法相同。

附图说明

图1为本发明一种三维MMSE信道估计方法之步骤流程图；

图2为本发明之帧结构中的虚拟导频与导频的示意图；

图3为本发明之具体实施例中空域LMMSE滤波中空间导频子载波集的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

为达本发明之目的，本发明将空域LMMSE(Linearminimummeansquareerror，线性最小均方误差)滤波提前至时频二维LMMSE滤波前，即对LS的估计值进行滤波优化。考虑到LS估计值中非导频载波信道估计值是由导频载波信道线性插值得到，因此本发明在导频载波LS估计后对导频载波进行空域相关LMMSE滤波。在导频载波空域相关后再进行线性插值以及时频二维LMMSE滤波。故在此发明中，相对于时频二维LMMSE滤波增加的计算复杂度仅为导频载波的空域LMMSE滤波。

图1为本发明一种三维MMSE信道估计方法之步骤流程图。如图1所示，本发明之三维MMSE信道估计方法应用于LTE系统，其至少包括如下步骤：

步骤101，为提高信道估计准确性，对于每个待检测信道，将其与具有相同发射天线或相同接收天线的信道结合为一个空间信道组；

步骤102，对此空间信道组中的相同时间、频率的对应导频子载波结合为一个空间导频子载波集；

在此需说明的是，在空域处理中，本发明将LTE系统帧结构中所有导频以及本发射天线中不传输导频但在其他发射天线中传输导频的载波(虚拟导频)均考虑为导频载波，如图2所示，其中虚拟导频的初始信道估计是在LS估计中由线性插值得到，这样，不论是否拥有相同的发射天线或相同的接收天线，在空域处理中，所有信道的导频位置均相同。

步骤103，判断信道空域相关性是否为高；

步骤104，若为高，则对空间导频子载波集中所有子载波进行平均，将其均值作为待检测信道对应导频子载波的估计值，在此需说明的是，对空间导频子载波集中所有子载波进行平均只是一种方式，也可以为加权平均”或“滤波；

步骤104中，考虑到高天线相关度时相同发射天线与相同接收天线的MIMO信道的频响相似性，在高天线相关时，对导频空间子载波集中的载波进行平均，得到的值作为这一组导频载波的修正估计值，利用修正估计值作为已知导频估计值，对所有MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put，多入多出)信道中相同时间、频率的对应的导频子载波组进行LMMSE空域滤波，从而得到导频子载波空余滤波的估计值。

步骤105，若相关性不为高，则不进行任何操作，待检测信道的导频子载波仍为原值。

当空域信道相关性为中或低时(根据LTERelease9协议中的规定)，对于每个待检测信道的导频子载波不进行导频空间子载波集中的平均修正，而直接将所有MIMO信道中相同时间、频率的对应的导频子载波组进行LMMSE空域滤波，得到导频子载波空余滤波的估计值。

步骤106，分别对导频样式与位置不同的天线的对应空间导频子载波集进行空域LMMSE信道估计滤波；

在空域LMMSE滤波中，为提高对不同传输环境下滤波的准确性，本发明中提出用实时估计的方式求得空域导频的相关矩阵，即在一个导频空间子载波集中，根据LS估计及插值得到的所有导频信道初始估计值，利用其中两个导频间的相关乘积作为这两个导频的相关值。例如导频1与导频2的共轭的乘积为导频1与导频2的相关值。并根据两个导频间的相关值建立起每个导频空间子载波集的相关矩阵。并利用此矩阵进行空域LMMSE滤波操作。

在此需说明的是，以4根发射天线为例，第一、二根发射天线的导频样式与位置与第三、四根发射天线的导频样式与位置不同，在进行导频子载波的空域LMMSE信道估计时，对于属于第一、二根发射天线的信道与属于第三、四根发射天线的对应空域导频子载波应分别进行LMMSE估计，这样做的原因是由于第一、二根发射天线的导频样式与位置与第三、四根发射天线的导频样式与位置不同。

步骤107，将经过空域LMMSE滤波的导频子载波作为导频子载波的估计值，替代传统MMSE估计中的导频载波LS估计值；

步骤108，利用该导频子载波估计值进行时频和/或频域信道估计的滤波/插值，具体地说，分别在时域、频域利用修正后的导频子载波估计值进行时频串联二维LMMSE信道估计滤波，得到每条信道的数据载波信道估计值。

也就是说，本发明在完成导频子载波空域LMMSE信道估计滤波后，将得到的导频子载波信道估计值作为先验导频估计值，应用到传统时频串联二维LMMSE信道估计滤波中完成所有MIMO信道数据子载波的信道估计。

在时频串联二维LMMSE信道估计滤波中，为提高信道估计准确性，本发明中提出对于不同信道环境得到不同相关矩阵的估计方法，具体如下：

对于信道模型变化较快的信道，本发明采用实施估计的方式来得到两个子载波间的相关值。具体的估计方式与空域子载波间相关值的实时估计方式相同，均是由两个子载波的相关乘积得到子载波间的相关值，并根据相关值得到相应相关矩阵。

对于信道模型变化较慢的信道，本发明根据信道模型在LMMSE滤波前预先计算出载波间的相关、互相关矩阵，并在LMMSE滤波中直接应用此矩阵，以达到简化计算复杂度的目的。

为进一步了解说明本发明，下面将通过一具体实施实例并配合图1作进一步说明：在本具体实施例中，以4x4天线配置场景为例，即，共有4根发射天线，4根接收天线，共需估计16个信道。对于每个待估计无线信道，与其具有相同发射天线或相同接收天线的信道共有6个，将这个7个信道作为一个空间组(步骤101)，对这个空间组中对应的每7个子载波称为一个空间导频子载波集(步骤102)，如图3所示；在高相关度场景下，对待检测信道的每个导频子载波所在的空间导频子载波集求均值，此均值作为待检测信道当前导频值的修正值(步骤104)，得到所有16个信道导频值的修正值后，对第一、二根发射天线对应的总共8个信道空间导频子载波集进行LMMSE信道估计滤波以及对第三、四根发射天线对应的总共8个信道空间导频子载波集进行空域的LMMSE信道估计滤波(步骤106)。如下式所示：

式(3)中表示第一、二根发射天线导频子载波间的自相关矩阵；表示第一、二根发射天线导频子载波经过空间导频子载波集的修正后得到的信道估计值；表示经过空域滤波后的第一、二根发射天线中导频子载波的信道估计值。同样的参数表示关系也适用于式(4)，这样将16个信道分别进行导频载波空域LMMSE滤波的原因有两个：1.在保证空域滤波性能的情况下降低自相关矩阵阶数，从而降低矩阵求逆的计算复杂度；2.由于第一、二根发射天线与第三、四根发射天线的导频样式不同，其LS估计值的准确性也不同，因此分别进行相关矩阵的求解及LMMSE滤波，以保证滤波性能不受导频样式的不同带来的影响。

经过空域滤波后的导频子载波信道估计值代替传统LMMSE信道估计滤波中的导频LS估计值，来完成后续基于多种相关矩阵估计的时频串联LMMSE信道估计滤波(步骤107及步骤108)。

可见，本发明一种三维MMSE信道估计方法，通过将空域LMMSE滤波提前至时频二维LMMSE滤波前，不仅提高了信道估计的准确性，而且提高了系统的性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种三维MMSE信道估计方法，包括如下步骤：

将具有相同发射天线或相同接收天线的信道与待检测信道结合为一空间信道组；

从该空间信道组中获得一空间导频子载波集；

判断信道空域相关性是否为高；

若信道空域相关性为高，则对该空间导频子载波集中所有子载波的处理为平均或加权平均或滤波，将其处理结果作为待检测信道对应导频子载波的估计值；

分别对导频样式与位置不同的发射天线的对应空间导频子载波集进行空域LMMSE信道估计滤波；

将经过空域LMMSE滤波的导频子载波作为导频子载波的估计值；以及

利用该导频子载波估计值进行时频和/或频域信道估计的滤波/插值。

2.如权利要求1所述的三维MMSE信道估计方法，其特征在于:若信道空域相关性不为高，则不进行任何操作，该待检测信道的导频子载波仍为原值。

3.如权利要求2所述的三维MMSE信道估计方法，其特征在于:对该空间信道组中的相同时间、频率的导频子载波结合为该空间导频子载波集。

4.如权利要求2所述的三维MMSE信道估计方法，其特征在于，该空域LMMSE信道估计滤波步骤包括：

根据最小平方估计及插值得到所有导频信道初始估计值，并利用其中两个导频间的相关乘积作为该两个导频的相关值；

根据该两个导频间的相关值建立起每个导频空间子载波集的相关矩阵；以及

利用该相关矩阵进行空域LMMSE滤波操作。

5.如权利要求2所述的三维MMSE信道估计方法，其特征在于：该利用该导频子载波估计值进行时频和/或频域信道估计的滤波/插值的步骤为分别在时域、频域利用该导频子载波估计值进行时频串联二维LMMSE信道估计滤波，得到每条信道的数据载波信道估计值。

6.如权利要求5所述的三维MMSE信道估计方法，其特征在于：在该时频串联二维LMMSE信道估计滤波中，对于不同信道环境的不同相关矩阵采用不同估计方法。

7.如权利要求6所述的三维MMSE信道估计方法，其特征在于：对于信道模型变化较快的信道，由两个导频子载波的相关乘积得到导频子载波间的相关值，并根据相关值得到相应相关矩阵。

8.如权利要求7所述的三维MMSE信道估计方法，其特征在于：对于信道模型变化较慢的信道，根据信道模型在LMMSE滤波前预先计算出载波间的相关、互相关矩阵，并在该时频串联二维LMMSE信道估计滤波中直接应用该矩阵。