CN107070513A - 一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法 - Google Patents
一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种在半正交导频系统基础上的数据辅助的迭代信道估计方法，将用户在时隙上区分开来，并使用数据辅助的迭代估计方式增强信道估计的性能，同时降低了导频资源开销，抑制了半正交导频系统中误差传播的问题。并且由于没有对多用户到基站的信道矩阵做稀疏性的假设，因此相较于一些对用户信道矩阵做稀疏性假设前提下给出的导频设计方案有着更普遍的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信，尤其是一种TDD系统大规模MIMO蜂窝系统中的信道估计。
背景技术
随着用户对高速数据服务的需求不断增加，大规模MIMO系统因为能够极大地提升系统的容量成为面向5G移动通信系统的研究热点。在大规模MIMO系统中，因为基站天线数多达几十甚至上百，这和4G系统有着明显的区别，最大的不同在于上下行信道信息的获取不再是一个同等规模的问题。4G系统中上下行信道估计带来的导频资源消耗的很接近的，但是在大规模MIMO系统中因为基站天线数远远多于用户天线数，因此上下行信道估计所带来的导频资源消耗和4G系统是不同的。以单小区单用户为例，下行信道估计所消耗的导频资源远远多于上行信道估计所需要的时频资源。目前大规模MIMO系统的研究重点集中于TDD系统，因为TDD系统上行行信道信息满足互易性，所以可以通过估计上行信道信息得到下行信道信息，信道信息获取带来的导频资源消耗远小于FDD系统。FDD系统因为信道上下行不满足互易性，使得获取下行信道信息需要非常多的时频资源，尤其在高速移动的场景下，FDD系统所需要的导频资源对系统性能而言几乎是致命的。对于大规模MIMO系统而言，即便TDD系统相比于FDD系统降低了获取信道信息所需要的导频资源，但是在很多场景下，传统的使用正交导频的信道信息获取方案仍然有着明显的瓶颈。大规模MIMO系统提升系统容量的关键在于多个用户复用同一时频资源，但是为了获取用户的信道信息，传统的导频设计中多用户使用正交导频，导频的长度等于用户数，在用户数较多的情况下导频资源的消耗依然较大。以4G系统为例，在高速移动(100km/h)的场景下，一个相干时间内只有20个符号。在较多用户复用同一时频资源的情况下，将有大量的时频资源被用于信道估计，用来传输用户数据的时频资源被大大压缩，极大地影响了系统的性能。
为了降低信道估计带来的资源消耗，已有的方法有利用信道矩阵的特征对用户的信道矩阵做压缩，保留其中关键的元素；还有通过将用户的信号变换到波束域，利用很多场景下用户信道在波束域呈现出稀疏的特性来减低导频长度。还有的方式和本发明相似的地方在于不同用户的导频在时间域上相互区分开来。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法。
技术方案：一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，每个数据块在进行半正交导频系统中的信道估计后，开始数据辅助迭代估计，具体包括如下步骤：
(A)一个相干时间内用户检测后的软量作为解码器的输入，解码后得到符号的软量；根据符号的映射关系将符号的软量映射为软符号以及对应的符号误差；得到所有用户的数据后使用数据辅助的方式估计信道的信息；
(B)在第j(j＞1)个相干时间上，对于用户k而言，基站从该组用户上行导频所对应的接收信号中减去其他用户数据对当前用户上行导频的干扰后，抵消后信号为：其中yk,j是一个M×1的向量表示第j个相干时间的用户k传输导频时基站的接收信号，hk,j是一个M×1的向量表示第j个相干时间的用户k的上行信道信息，表示对信道hk,j的估计。表示第j个相干时间的用户k传输导频时，用户t的上行数据，此处由近似得到，是检测后的判决结果，近似认为 表示用户k的上行导频；当用户k发送上行导频时，对于k+1～K号用户而言其第t个相干时间的导频还未开始传输，其信道信息和上一个相干时间的信道信息相同，其中K表示总用户数，
表示信道估计的误差，ρu上行数据发送功率，ρp表示上行导频发送功率，
其中nk,j表示的是第j个相干时间，第k个用户信道估计时所叠加的其他用户的残余干扰和噪声项；
大于k的用户可以使用该组用户t-1个相干时间的信道估计结果做干扰抵消；使用MMSE信道估计得：其中βk表示用户k到基站的大尺度衰落，由MMSE估计的性质得： 基站将信道估计信息用于用户k的上行数据的检测。
2、根据权利要求1所述的一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，其特征在于，步骤(A)中所述符号的映射关系具体为：
若接收符号为xi，xi的每比特的软量作为解码器的输入；定义{γq}为{bq}对应的软量，q＝0,1,…,Q-1{γq}，为解码器输出的软信息；表示比特bq为1的概率；对2Q个符号组成的集合S中的元素SB＝(b0b1…bQ-1)， 表示数据的软符号；表示的数据检测数据的方差，假设：的方差为符号能量的平均值为符号误差能量的均值为
进一步的，步骤(A)具体包括如下子步骤：
(A1)基站在第j个相干时间的第i个上行时隙，基站从接收信号中提取出用户k的有效信息其中ρu上行数据发送功率，xk,j[i]表示第j个相干时间的用户k在第i个上行时隙发送的数据；对于第1个相干时隙有j＝1，其中vj[i]表示第j个相干时间第i个上行时隙基站侧单位方差高斯噪声；Upp表示上行数据时隙总长度；此处上行时隙从K+1个上行时隙开始，此时所有用户开始发送上行数据；wk,j[i]表示残留的其他用户的干扰和噪声，
其中vj[i]表示第j个相干时间的第i个上行时隙基站的本底噪声；噪声wk,j[i]的方差为：噪声方差与i无关，即定义 wk,j＝[wk,j[K+1]...wk,j[Upp+1]]。
(A2)将用户k经过PIC后的用户信号进行合并：
中的干扰是不相关的高斯噪声，噪声项为：
；
(A3)使用LMMSE估计得到：
其中
由MMSE的性质得：
更新信道估计和信道估计误差能量，
使用新的信道估计结果再次做检测和解码，若达到最大迭代次数则结束迭代，退出循环，否则进入下一次迭代，返回步骤A1。
进一步的，步骤(B)中所述上行数据的检测使用线性匹配滤波检测，检测矩阵为
进一步的，(1)在第一个相干时间内，当用户1发送上行导频时，用户2和用户3不发送任何信息，基站得到对应的接收信号y1,1，ρp表示上行导频发送能量，表示用户k的上行导频，vk,j表示基站接收第j个相干时间用户k的上行导频时的本底噪声；使用MMSE估计得到第一组用户的信道估计信息由MMSE估计的特性得：是独立的信道估计误差，其中并且基站将信道估计信息用于用户1的上行数据的检测，检测方式使用线性匹配滤波检测，检测矩阵为数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量；
(2)基站得到用户1的信道信息和上行数据的判决后，使用串行干扰抵消的方式，减去用户1的上行数据对用户2上行导频的干扰；用户2发送上行导频时，基站的接收信号为：从基站的接收信号中减去用户1的数据干扰为其中是检测后的判决结果，表示第j个相干时间的第k个用户传输导频时，第t个用户的上行数据，简化后得到 表示第1个相干时间内第2用户进行信道估计时残留的干扰和噪声项；残留干扰和噪声的能量为使用MMSE估计，信道估计的结果为：基站将该信道信息用于用户2的上行数据的检测，检测矩阵为数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量。
(3)基站在得到用户1到用户k-1的信道信息和上行数据判决后，使用串行干扰抵消的方式减去前k-1个用户数据对用户k上行导频的干扰，减去数据干扰后的信号为简化后为 表示第1个相干时间内第k个用户进行信道估计时残留的干扰和噪声项，残留干扰和噪声的能量为得到MMSE信道估计的结果为：由MMSE估计的性质得： 将信道估计信息用于用户k的上行数据的检测，检测矩阵为数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量，由此得到第一个相干时间内所有用户的信道信息和解码后数据对应的软量。
有益效果：本发明提出了一种在半正交导频系统基础上的数据辅助的迭代信道估计方法，将用户在时隙上区分开来，并使用数据辅助的迭代估计方式增强信道估计的性能，同时降低了导频资源开销，抑制了半正交导频系统中误差传播的问题。并且由于没有对多用户到基站的信道矩阵做稀疏性的假设，因此相较于一些对用户信道矩阵做稀疏性假设前提下给出的导频设计方案有着更普遍的应用场景。
附图说明
图1是半正交导频系统传输系统示意图；
图2是第一个相干时间1次迭代与不迭代信道估计性能比较图；
图3是第一个相干时间1次迭代、4次迭代与不迭代信道估计性能比较图。
具体实施方式
下面通过一个实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
本发明的特点是不同用户的导频在时隙上区分开来，并使用了串行干扰抵消方法消除其他用户数据对当前用户的导频带来的干扰。对k号用户而言，基站在减去其他用户数据对其上行导频的干扰后，使用MMSE(最小均方误差)估计方法得到用户的信道信息，并将该信道信息用于接收数据的检测。在数据做检测后解码后，将解码后的软量做映射得到上行数据对应的软符号，使用软符号做增强信道估计。为了表述的方便，定义一组符号：用户数为K，基站天线数为M，每个用户天线数为1，用户k在第j个相干时间的上行信道信息为hk,j，hk,j是一个M×1的矩阵，表示对信道hk,j的估计，表示信道估计的误差。βk表示用户k到基站的大尺度衰落；gk,j是一个M×1的向量，即向量的每个元素服从均值为0，方差为1的高斯分布。yk,j表示第j个相干时间的用户k传输导频时，基站的接收信号；vk,j表示第j个相干时间用户k传输导频时，基站的单位方差高斯白噪声。表示用户k的上行导频。表示第j个相干时间的用户k传输导频时，用户t的上行数据。xk,j[i]表示j个相干时间用户k在第i个上行时隙的发送的数据。用户相邻相干时间上行导频之间的上行数据构成一个编码块。
如图1所示，具体的一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，包括如下步骤：
(1)在第一个相干时间内，当用户1发送上行导频时，用户2和用户3不发送任何信息，基站得到对应的接收信号y1,1，ρp表示上行导频发送能量，表示用户k的上行导频，vk,j表示基站接收第j个相干时间用户k的上行导频时的本底噪声；使用MMSE估计得到第一组用户的信道估计信息由MMSE估计的特性得：
是独立的信道估计误差，其中并且基站将信道估计信息用于用户1的上行数据的检测，检测方式使用线性匹配滤波检测，检测矩阵为因为大规模MIMO天线数很多，各用户到基站的信道是不相关的，数据可以认为被正确检测；数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量，用户的一个码字包括的范围是：如果当前相干时间是一个传输块的最后一个相干时间那么从当前相干时间导频的下一个时隙开始到传输块的最后时隙结束，否者从当前相干时间导频的下一个时隙到下一个相干时间的导频的前一个时隙结束；同时用户码字的范围也是数据检测的范围；
(2)基站得到用户1的信道信息和上行数据的判决后，使用串行干扰抵消的方式，减去用户1的上行数据对用户2上行导频的干扰；用户2发送上行导频时，基站的接收信号为：从基站的接收信号中减去用户1的数据干扰为其中是检测后的判决结果，表示第j个相干时间的第k个用户传输导频时，第t个用户的上行数据，简化后得到表示第1个相干时间内第2个用户进行信道估计时残留的干扰和噪声项；残留干扰和噪声的能量为使用MMSE估计，信道估计的结果为：基站将该信道信息用于用户2的上行数据的检测，检测矩阵为因为大规模MIMO的特性，可认为第二组用户数据也被正确检测；数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量。
(3)基站在得到用户1到用户k-1的信道信息和上行数据判决后，使用串行干扰抵消的方式减去前k-1个用户数据对用户k上行导频的干扰，减去数据干扰后的信号为简化后为 表示第1个相干时间内第k个用户进行信道估计时残留的干扰和噪声项，残留干扰和噪声的能量为
得到MMSE信道估计的结果为：
由MMSE估计的性质得： 将道估计信息用于用户k的上行数据的检测，检测矩阵为数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量，由此得到第一个相干时间内所有用户的信道信息和解码后数据对应的软量。
每个数据块在进行半正交导频系统中的信道估计后，开始数据辅助迭代估计，具体包括如下步骤：
(4)一个相干时间内用户检测后的软量作为解码器的输入，解码后得到符号的软量；根据符号的映射关系将符号的软量映射为软符号以及对应的符号误差；得到所有用户的数据后使用数据辅助的方式估计信道的信息；
具体包括如下子步骤：
(4.1)基站在第j个相干时间的第i个上行时隙，基站从接收信号中提取出用户k的有效信息其中ρu上行数据发送功率，xk,j[i]表示第j个相干时间的用户k在第i个上行时隙发送的数据；对于第1个相干时隙有j＝1，其中vj[i]表示第j个相干时间第i个上行时隙基站侧单位方差高斯噪声；Upp表示上行数据时隙总长度；此处上行时隙从K+1个上行时隙开始，此时所有用户开始发送上行数据；wk,j[i]表示残留的其他用户的干扰和噪声，其中vj[i]表示第j个相干时间的第i个上行时隙基站的本底噪声；噪声wk,j[i]的方差为：噪声方差与i无关，即定义
(4.2)将用户k经过PIC(可编程中断控制器)后的用户信号进行合并：认为中的干扰interference是不相关的高斯噪声，噪声项为：
为了表述的方便，定义：
(4.3)使用LMMSE(线性最小均方误差)估计得到： 其中
由MMSE的性质得：
更新信道估计和信道估计误差能量，
使用新的信道估计结果再次做检测和解码，若达到最大迭代次数则结束迭代，退出循环，否则进入下一次迭代，返回步骤(4.1)。
其中符号的映射关系具体为：
假设系统的映射方式为Q比特B＝{b0,b1,…,bQ-1}的映射到2Q个符号组成的集合S，这样的映射方式用(B→S)来表示；若接收符号为xi，xi的每比特的软量作为解码器的输入；定义{γq}为{bq}对应的软量，q＝0,1,…,Q-1{γq}，为解码器输出的软信息；表示比特bq为1的概率；对2Q个符号组成的集合S中的元素SB＝(b0b1…bQ-1)，其中Pr(bq)具体表示的是Pr(bq＝0)还是Pr(bq＝1)由SB中中对应的bq的值来决定；表示数据的软符号；
表示的数据检测数据的方差，可以将这一项认为是叠加在正确信号上的高斯噪声；做如下假设：
的方差为符号能量的平均值为符号误差能量的均值为
(5)在第j(j＞1)个相干时间上，对于用户k而言，基站从该组用户上行导频所对应的接收信号中减去其他用户数据对当前用户上行导频的干扰后，抵消后信号为：其中yk,j是一个M×1的向量表示第j个相干时间的用户k传输导频时基站的接收信号，hk,j是一个M×1的向量表示第j个相干时间的用户k的上行信道信息，表示对信道hk,j的估计。表示第j个相干时间的用户k传输导频时，用户t的上行数据，此处由近似得到，是检测后的判决结果，近似认为 表示用户k的上行导频；当用户k发送上行导频时，对于k+1～K号用户而言其第t个相干时间的导频还未开始传输，其信道信息和上一个相干时间的信道信息相同，其中K表示总用户数；其中
表示信道估计的误差，ρu上行数据发送功率，ρp表示上行导频发送功率，
其中nk,j表示的是第j个相干时间，第k个用户信道估计时所叠加的其他用户的残余干扰和噪声项；
大于k的用户可以使用该组用户t-1个相干时间的信道估计结果做干扰抵消，因为可以认为该用户的一个相干时间是从其发送导频时开始到其发送下一组导频时结束；使用MMSE信道估计得：其中βk表示用户k到基站的大尺度衰落，由MMSE估计的性质得： 基站将信道估计信息用于用户k的上行数据的检测，上行数据的检测使用线性匹配滤波检测，检测矩阵为因为大规模MIMO天线数很多，各用户到基站的信道是不相关的，该数据认为可以被正确检测。
步骤(5)具体为：得到第j(j＞1)个相干时间用户的信道估计和检测解码结果后，使用数据辅助迭代估计，迭代估计的步骤和步骤(4.1)～(4.3)一样。
在完成Nc个相干时间的传输过程之后，回到步骤(1)，从第一个相干时间开始进行下一个传输块的传输过程。
图1中给出了半正交导频系统上行传输流程，本实施例中上行数据编码其使用(23，35)卷积码，译码方式使用MAP(最大后验概率)译码；软解调使用最大似然解调；调制方式使用16QAM调制。
用户k在第j个相干时间归一化信道估计误差定义为：
以下为仿真结果，其中系统的信噪比定义为上行导频，上行数据的功率相等即ρu＝ρp；
仿真参数表
以上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 (5)
1.一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，其特征在于，每个数据块在进行半正交导频系统中的信道估计后，开始数据辅助迭代估计，具体包括如下步骤：
(A)一个相干时间内用户检测后的软量作为解码器的输入，解码后得到符号的软量；根据符号的映射关系将符号的软量映射为软符号以及对应的符号误差；得到所有用户的数据后使用数据辅助的方式估计信道的信息；
(B)在第j(j＞1)个相干时间上，对于用户k而言，基站从该组用户上行导频所对应的接收信号中减去其他用户数据对当前用户上行导频的干扰后，抵消后信号为：其中yk,j是一个M×1的向量表示第j个相干时间的用户k传输导频时基站的接收信号，hk,j是一个M×1的向量表示第j个相干时间的用户k的上行信道信息，表示对信道hk,j的估计。表示第j个相干时间的用户k传输导频时，用户t的上行数据，此处由近似得到，是检测后的判决结果，近似认为 表示用户k的上行导频；当用户k发送上行导频时，对于k+1～K号用户而言其第t个相干时间的导频还未开始传输，其信道信息和上一个相干时间的信道信息相同，其中K表示总用户数， 表示信道估计的误差，ρu上行数据发送功率，ρp表示上行导频发送功率，其中nk,j表示的是第j个相干时间，第k个用户信道估计时所叠加的其他用户的残余干扰和噪声项；大于k的用户可以使用该组用户t-1个相干时间的信道估计结果做干扰抵消；使用MMSE信道估计得：其中βk表示用户k到基站的大尺度衰落，由MMSE估计的性质得： 基站将信道估计信息用于用户k的上行数据的检测。
2.根据权利要求1所述的一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，其特征在于，步骤(A)中所述符号的映射关系具体为：
若接收符号为xi，xi的每比特的软量作为解码器的输入；定义{γq}为{bq}对应的软量，为解码器输出的软信息；表示比特bq为1的概率；对2Q个符号组成的集合S中的元素SB＝(b0b1…bQ-1)， 表示数据的软符号； 表示的数据检测数据的方差，假设： 的方差为符号能量的平均值为符号误差能量的均值为
3.根据权利要求1所述的一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，其特征在于，步骤(A)具体包括如下子步骤：
(A1)基站在第j个相干时间的第i个上行时隙，基站从接收信号中提取出用户k的有效信息其中ρu上行数据发送功率，xk,j[i]表示第j个相干时间的用户k在第i个上行时隙发送的数据；对于第1个相干时隙有j＝1，其中vj[i]表示第j个相干时间第i个上行时隙基站侧单位方差高斯噪声；Upp表示上行数据时隙总长度；此处上行时隙从K+1个上行时隙开始，此时所有用户开始发送上行数据；wk,j[i]表示残留的其他用户的干扰和噪声，其中vj[i]表示第j个相干时间的第i个上行时隙基站的本底噪声；噪声wk,j[i]的方差为：噪声方差与i无关，即定义 wk,j＝[wk,j[K+1]...wk,j[Upp+1]]。
(A2)将用户k经过PIC后的用户信号进行合并：中的干扰是不相关的高斯噪声，噪声项为：
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(A3)使用LMMSE估计得到：其中由MMSE的性质得：
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更新信道估计
和信道估计误差能量，使用新的信道估计结果再次做检测和解码，若
达到最大迭代次数则结束迭代，退出循环，否则进入下一次迭代，返回步骤A1。
4.根据权利要求1所述的一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，其特征在于，步骤(B)中所述上行数据的检测使用线性匹配滤波检测，检测矩阵为
5.根据权利要求1所述的一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法，其特征在于，所述半正交导频系统中的信道估计具体包括如下步骤：
(1)在第一个相干时间内，当用户1发送上行导频时，用户2和用户3不发送任何信息，基站得到对应的接收信号y1,1，ρp表示上行导频发送能量，表示用户k的上行导频，vk,j表示基站接收第j个相干时间用户k的上行导频时的本底噪声；使用MMSE估计得到第一组用户的信道估计信息 由MMSE估计的特性得： 是独立的信道估计误差，其中并且基站将信道估计信息用于用户1的上行数据的检测，检测方式使用线性匹配滤波检测，检测矩阵为数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量；
(2)基站得到用户1的信道信息和上行数据的判决后，使用串行干扰抵消的方式，减去用户1的上行数据对用户2上行导频的干扰；用户2发送上行导频时，基站的接收信号为：从基站的接收信号中减去用户1的数据干扰为其中是检测后的判决结果，表示第j个相干时间的第k个用户传输导频时，第t个用户的上行数据，简化后得到 表示第1个相干时间内第2用户进行信道估计时残留的干扰和噪声项；残留干扰和噪声的能量为使用MMSE估计，信道估计的结果为：基站将该信道信息用于用户2的上行数据的检测，检测矩阵为数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量。
(3)基站在得到用户1到用户k-1的信道信息和上行数据判决后，使用串行干扰抵消的方式减去前k-1个用户数据对用户k上行导频的干扰，减去数据干扰后的信号为简化后为 表示第1个相干时间内第k个用户进行信道估计时残留的干扰和噪声项，残留干扰和噪声的能量为得到MMSE信道估计的结果为：由MMSE估计的性质得： 将信道估计信息用于用户k的上行数据的检测，检测矩阵为数据检测的软量输入软解码器得到解码后数据符号对应的软量，由此得到第一个相干时间内所有用户的信道信息和解码后数据对应的软量。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201710033802.6A CN107070513B (zh) | 2017-01-18 | 2017-01-18 | 一种半正交导频系统中数据辅助迭代估计方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113093108A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-07-09 | 天津大学 | 水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置 |
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- 2017-01-18 CN CN201710033802.6A patent/CN107070513B/zh active Active
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