CN105182278B - 一种基于sc-fdma符号的lte上行信号doa估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SC-FDMA符号的LTE上行信号DOA估计方法，通过阵列天线获取LTE上行信号，对LTE上行信号进行去CP(Cyclic Prefix，循环前缀)操作后解调；然后根据DCI格式0计算和提取LTE上行信号中的目标用户信息；基于目标用户信息对去CP并解调后的LTE上行信号重新进行对应子载波映射，获得用于DOA估计的SC-FDMA符号数据；最后基于SC-FDMA符号数据，采用经典MUSIC算法实现目标用户来波角度的估算。本方法可以用于基站对LTE目标上行用户信号快速实时的角度估计。

Description

一种基于SC-FDMA符号的LTE上行信号DOA估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于SC-FDMA(SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess，单载波频分多址)符号的LTE(LongTermEvolution，长期演进)上行信号DOA(DirectionofArrival，波达方向)估计方法，适用于实时性要求较高的系统或接收机处于被动接收的情况。

背景技术

多重信号分类(MUSIC)算法和信号估计参数旋转子空间不变技术(ESPRIT)算法是空间谱估计的标志性算法，其算法的产生为空间谱估计技术实现了巨大的飞跃。在MUSIC算法中，阵列天线接收到信号数据产生协方差矩阵，分解协方差矩阵获得信号子空间和噪声子空间，通过信号方向矢量与噪声子空间的正交关系，获得来波信号的角度信息。

在LTE系统中，3GPP将增强型小区(EnhancedCellID，E-CellID)、检测时间到达时间差(ObservedTimeDifferenceOfArrival，OTDA)和全球卫星导航系统辅助(AssistedGlobalNavigationSatelliteSystem，A-GNSS)三种定位方法列为标准化的定位辅助解决方案。这些方案主要基于基站与用户主动接收的一种解决方案。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于SC-FDMA符号的LTE上行信号DOA估计方法，适用于实时性要求较高的系统。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于SC-FDMA符号的LTE上行信号DOA估计方法，通过阵列天线获取LTE上行信号，对LTE上行信号进行去CP(CyclicPrefix，循环前缀)操作后解调；然后根据DCI格式0计算和提取LTE上行信号中的目标用户信息；基于目标用户信息对去CP并解调后的LTE上行信号重新进行对应子载波映射，获得用于DOA估计的SC-FDMA符号数据；最后基于SC-FDMA符号数据，采用经典MUSIC算法实现目标用户来波角度的估算。

上述方法具体包括以下步骤：

步骤一：基站接收到包含目标用户T的LTE上行信号后，对其进行去CP操作，然后解调信号；具体为：

LTE中SC-FDMA信号s_l(t)的表达式为：

其中：表示上行系统带宽，表示单个资源块所占子载波数量；表示资源块中资源元素(k^(-),l)的内容，△f表示相邻子载波频率，N_CP,l表示一个时隙内第l个OFDM符号的CP长度，T_s为LTE的基本时间单位，一般为1/30720000秒；此时，0≤t<(N_cp,l+N)T_S，N为常数(△f为15kHz时，N＝2048，△f为7.5kHz时，N＝4096)。

一般来说，接收信号r_l(t)的表达式为：

r_l(t)＝s_l(t)*h_l(t)+n_l(t)

其中：h_l(t)表示信道脉冲响应，n_l(t)表示噪声响应；本案中，我们设信道环境非常理想并忽略噪声影响，则可将接收信号r_l(t)简化表示为：

对接收信号r_l(t)进行去CP操作，将去CP后的数据记为y_l(t)，则：

此时，0≤t<N×T_S。

对y_l(t)进行解调，得到Y_l(k)：

由于子载波的正交性，可以得到：

Y_l(k)＝a_k,l

步骤二：由LTE中DCI(DownlinkControlInformation，下行控制信息)格式0，计算目标用户T分配的资源块数量以及起始资源块，进而得到目标用户T的子载波数K及其数据。

如现有技术，DCI格式0可用于PUSCH(PhysicalUplinkSharedChannel，物理上行共享信道)调度，DCI格式0的不同字段含义如表1所示：

表1DCI格式0的不同字段含义

信息类型	占用bit数	含义
			格式0/1A的标志	1	用于区别格式0/1A
跳频标志	1	指明是否进行PUSCH跳频
			RB及跳频资源分配	可变	指明分配的资源块
调制、编码方案及冗余版本	5	确定调制阶数、传输块大小及冗余版本
			新数据标识	1	指明包是新传输还是重发
传输功率控制命令TPC	2	用于调整PUSCH上发射功率的TPC命令
			解调参考信号循环移位	3	指出用于解调参考信号的循环移位
CQI请求	1	请求UE的非周期CQI

表1中，RB及跳频资源分配(又称资源指示器(ResourceIndicationValue，RIV))所占比特数可变：对于非跳频PUSCH，k₁个比特提供上行子帧的资源分配；对于跳频，N_{UL_hop}个最高有效位用来获取的值，k₂个比特提供上行子帧的第一个时隙的资源分配；N_{UL_hop}为跳频比特数，由系统带宽决定，数值为1或2，它决定了的值，k₁、k₂为：

设分配给目标用户T的起始RB为RB_START，大小为L_CRBs，资源指示值定义为RIV，

如果：

那么： $RIV=N_{RB}^{UL}(L_{CRBs}-1)+{\mathrm{RB}}_{START};$

否则： $RIV=N_{RB}^{UL}(N_{RB}^{UL}-L_{CRBs}+1)+(N_{RB}^{UL}-1-{\mathrm{RB}}_{START})$

设PUSCH非跳频，本案使用一种简单的方法来计算分配给目标用户T的RB_START和L_CRBs：

RB_START＝RIVmodMAX_N_RB

当系统带宽为10MHz时，MAX_N_RB＝50；

当系统带宽为20MHz时，MAX_N_RB＝100。

根据分配给目标用户T的RB_START和L_CRBs可以得到目标用户T的子载波数K。

步骤三：对目标用户T的数据进行资源映射，具体为：

通过步骤二获得目标用户T的子载波数K，设子载波范围为[L1,L2]；通过步骤一获得目标用户T的承载数据Y_l(k)，基于子载波范围[L1,L2]对Y_l(k)重新进行集中式子载波映射得到b_k,l：

b_k,l＝Map{Y_l(k)}＝Map{a_k,l}

其中：Map{·}表示集中式子载波映射函数，即将Y_l(k)在[L1,L2]范围内的子载波保留原数据，而将[L1,L2]范围外的数据设为0。

步骤四：对步骤三得到的b_k,l进行重新调制，得到目标用户T的SC-FDMA符号序列；具体为：

将b_k,l输入到N点IFFT调制器，得到目标用户T的第l个发送的SC-FDMA符号序列Y_l(n)为：

$Y_l\left(n\right)=\underset{k=L1}{\overset{L2}{\&Sigma;}}{b}_{k,l}{e}^{j2n\mathrm{\&pi;}(k+1/2)\mathrm{\&Delta;}f/N}$

步骤五：对步骤四得到的每一个SC-FDMA符号序列Y_l(n)使用MUSIC算法取P点快拍数据进行DOA估计，得到目标用户T的来波角度估算值θ_l，其中P≤2048。

步骤六：重复步骤五(M-1)次，取M次DOA估计的均值作为真实来波角度(方位角)θ的估计，其中M≤14。

有益效果：本发明提供的基于SC-FDMA符号的LTE上行信号DOA估计方法，提供了一种在LTE中对上行用户方向估计的新方法，拓宽了经典MUSIC算法的使用领域；本发明适用于对实时性要求较高的系统，有助于对用户来波方向作快速实时的DOA估计。

附图说明

图1是PUSCH信道建模流程；

图2是本发明的实时流程图；

图3是利用本发明对实例模型中的目标用户DOA估计示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本例包含两部分内容一部分是LTEPUSCH信道信号建模，

本实例包含两部分，第一部分是LTEPUSCH信道信号建模，即模拟应用平台。

图1为PUSCH信道建模流程。传输块TB是上行传输信道SCH的基本数据单位，TB以传输时间间隔(TransportTimeInterval，TTI)为工作时间单位，每个TTI为1ms。对TB进行循环冗余校验，CRC校验码为24bit。经过CRC校验后长度小于6144bit，故并不需要进行分块。用户数据通过Turbo编码器输出d₀、d₁、d₂，d₀称为系统流，d₁、d₂称为奇偶校验流。接着进行速率匹配，速率匹配的过程包括子块内交织、位收集及位选择。子块内交织采用交织深度为32bit的“行入列出”的块交织器，位收集将d₀放在开头，然后逐位交错d₁、d₂，形成虚拟循环缓冲器。最后，位选择从虚拟循环缓冲器中按一定规则读出L位。根据LTE标准进行码块级联和比特加扰，采用QPSK的调制方式，通过QPSK调制输出后的用户点数为1728个点。在本实例中为用户进行DFT分组时采用144个点分组，这样用户数据被分为12组。对每组内进行FFT运算，达到上行单载波的目的。本实例采用20MHz带宽的LTE系统，因此可用子载波数为1200，仿真三组用户数据，对其进行资源映射，用户1、用户2、用户3分别占用不同区间子载波资源。对其分别进行2048点的IFFT运算，得到用户PUSCH信道SC-FDMA数据信息。对三组用户分别进行不同的来波方向角度设置，分别为30°、60°、80°，目标用户为来波方向为60°的用户二。

第二部分是本发明的技术所在，结合具体实例第一部分阐述了基于SC-FDMA符号进行DOA估计的主要方法和具体实施步骤。

由8个天线阵元组成的均匀线阵天线阵接收到包含三组用户的LTE上行信号信息后，对其进行同步和FFT处理，获得用户解调后的数据信息。

假设DCI0＝001100010111100000000000000，由DCI0可知，此用户无跳频，故RIV＝1100010111100，将其转换成10进制得RIV＝6332，RB的开始位置是6332mod100＝2，而获得的分配给用户的RB数为 则子载波数为 $N_c^{UL}=64\&times;12=768.$

将之前所获取的解调信息在第2至第65共64个RB信息取出，重新进行子载波映射，在其余的子载波位置取0。

将映射完成的数据重新进行IFFT变换，得到目标用户的SC-FDMA序列。

联合8个阵元上的同一个用户的每一个SC-FDMA符号，利用经典MUSIC算法取2000点快拍数据进行DOA估计。

重复上步骤14次，取均值作为该用户DOA最终估计值，本次实估计结果参见图2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，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。

Claims (1)

1.一种基于SC-FDMA符号的LTE上行信号DOA估计方法，其特征在于：通过阵列天线获取LTE上行信号，对LTE上行信号进行去CP操作后解调；然后根据DCI格式0计算和提取LTE上行信号中的目标用户信息；基于目标用户信息对去CP并解调后的LTE上行信号重新进行对应子载波映射，获得用于DOA估计的SC-FDMA符号数据；最后基于SC-FDMA符号数据，采用经典MUSIC算法实现目标用户来波角度的估算；包括以下步骤：

步骤一：基站接收到包含目标用户T的LTE上行信号后，对其进行去CP操作，然后解调信号；具体为：

LTE中SC-FDMA信号s_l(t)的表达式为：

其中：表示上行系统带宽，表示单个资源块所占子载波数量；表示资源块中资源元素(k^(-),l)的内容，△f表示相邻子载波频率，N_CP,l表示一个时隙内第l个OFDM符号的CP长度，T_s为LTE的基本时间单位；此时，0≤t<(N_cp,l+N)T_S，N为常数；

设信道环境非常理想并忽略噪声影响，将接收信号r_l(t)表示为：

对接收信号r_l(t)进行去CP操作，将去CP后的数据记为y_l(t)，则：

此时，0≤t<N×T_S；

对y_l(t)进行解调，得到Y_l(k)：

由于子载波的正交性，可以得到：

Y_l(k)＝a_k,l

步骤二：由LTE中DCI格式0，计算目标用户T分配的资源块数量以及起始资源块，进而得到目标用户T的子载波数K及其数据；具体为：

设分配给目标用户T的起始RB为RB_START，大小为L_CRBs，资源指示值定义为RIV：

如果：

那么： $RIV=N_{RB}^{UL}(L_{CRBs}-1)+{\mathrm{RB}}_{START};$

否则： $RIV=N_{RB}^{UL}(N_{RB}^{UL}-L_{CRBs}+1)+(N_{RB}^{UL}-1-{\mathrm{RB}}_{START})$

设PUSCH非跳频，使用下式计算分配给目标用户T的RB_START和L_CRBs：

RB_START＝RIVmodMAX_N_RB

当系统带宽为10MHz时，MAX_N_RB＝50；

当系统带宽为20MHz时，MAX_N_RB＝100；

根据分配给目标用户T的RB_START和L_CRBs得到目标用户T的子载波数K；

步骤三：对目标用户T的数据进行资源映射，具体为：

通过步骤二获得目标用户T的子载波数K，设子载波范围为[L1,L2]；通过步骤一获得目标用户T的承载数据Y_l(k)，基于子载波范围[L1,L2]对Y_l(k)重新进行集中式子载波映射得到b_k,l：

b_k,l＝Map{Y_l(k)}＝Map{a_k,l}

其中：Map{·}表示集中式子载波映射函数，即将Y_l(k)在[L1,L2]范围内的子载波保留原数据，而将[L1,L2]范围外的数据设为0；

步骤四：对步骤三得到的b_k,l进行重新调制，得到目标用户T的SC-FDMA符号序列；具体为：

将b_k,l输入到N点IFFT调制器，得到目标用户T的第l个发送的SC-FDMA符号序列Y_l(n)为：

$Y_l\left(n\right)=\underset{k=L1}{\overset{L2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{k,l}{e}^{j2n\mathrm{\&pi;}(k+1/2)\mathrm{\&Delta;}f/N}$

步骤五：对步骤四得到的每一个SC-FDMA符号序列Y_l(n)使用MUSIC算法取P点快拍数据进行DOA估计，得到目标用户T的来波角度估算值θ_l，其中P≤2048；

步骤六：重复步骤五(M-1)次，取M次DOA估计的均值作为真实来波角度θ的估计，其中M≤14。