CN1112774C - 一种应用于wcdma接收机中的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于WCDMA接收机中的信道估计方法，能在无线扩频通讯系统的衰落信道情况下，提高通讯质量，本信道估计方法首先将原始信号解扰解扩，获得单径的基带信号，再进行解复用，将导频信号提取出来，然后去除导频的信息，得到导频的包络，再在单时隙内获得对导频信号包络的平均，再采用简化的卡尔曼滤波，最后获得对当前时隙的精确信道估计值，本发明可以在准确获得信号衰落模型的情况下，有效提高信道估计的精度。

Description

一种应用于WCDMA接收机中的信道估计方法

本发明涉及一种应用于无线移动通讯领域的信道估计方法，特别是涉及一种无线扩频通讯系统在衰落信道情况下，提高通讯质量的信道估计方法。

在移动通讯环境下，对电波传播特性产生影响的因素主要有：

1、自由空间传播损耗，主要于基站与移动电话之间的空间距离有关。

2、阴影衰落，由于地形结构引起的传播损耗，其表现为慢衰落。

3、多径效应，由于移动电话周围的局部散射体引起的多路径传播，是到达接收机输入端的信号相互叠加，其合成的信号表现为快速起伏变化。即快衰落。

4、多谱勒效应，由于移动电话的运动速度和方向会使接收的信号产生多谱勒频偏。随着移动速度的加快，多谱勒频偏越明显。

现有的扩频通讯系统在接收端主要采用RAKE接收机的工作方式，RAKE接收机采用分径的方法来改善多径效应产生的影响，同时采用连续导频和插入导频的信道估计算法来抑制多谱勒频偏。但在移动端快速移动的条件下，多谱勒频偏的影响较为严重，传统的信道估计性能将会明显下降，从而导致接收端产生掉话，话音质量下降严重等现象。

在“Channel Estimation Filter Using Time-Multiplexed Pilot Channelfor Coherent RAKE Combining in DS-CDMA Mobile Radio”中(IEICE TRANSCOMMUN.VOL E81-B.NO.7，JULY 1998)，主要讨论了一种基于相邻时隙进行加权平均的信道估计方法(WMSA)，估计过程如下：

1.对每一个时隙的导频信号进行估计，如图1所示。

先对该时隙的导频信号的每一个符号进行采样，一个符号采一个样本，然 ${\mathrm{\η}}_1\left(n\right)=\frac{1}{N_p}\underset{m=0}{\overset{N_p-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_1(m,n)$ 后对所有样本求平均，得到的均值作为该时隙的导频信号的估计值。

式中η₁(n)是导频信号估计值；

           N_p是导频信号的符号数；

r₁(n，m)是接收信号r(t)在t＝mT+nT_slot时刻的采样值。

其中T是符号宽度，T_slot是时隙宽度，t＝mT+nT_slot表示第n时隙的第m个符号。

2.将多个时隙的估计值进行加权组合。为了提高估计精度，要对连续多个时隙的估计值进行加权组合。

这种算法利用多个时隙的导频信号进行信道估计，要求观察的时间窗口较宽，因此它只适用于信号慢衰落的情形。这种算法的优点在于在信号慢衰落的情况下，信道估计的性能较好，但随着信道的恶化，例如移动速度的加快，由于没有自适应系统，信道估计的效果也会变差。

在《多用户检测与信道估计相结合的性能分析》中(吴俊、王艺等，北京邮电大学学报，1999年第2期中)，将平坦瑞利衰落信道近似为二阶自回归模型，并以此为基础，提出了一种采用卡尔曼跟踪滤波的信道估计方法，并结合解相关检测、两级干扰抵消检测和判决反馈检测3种多用户检测的同步CDMA系统分析了其性能。

上述两种算法中，在相邻时隙加权平均信道估计中采用了对几个相邻时隙的信道参数进行加权平均以获得较为精确的对当前时隙信道参数的测量。但其各个相邻时隙的加权参数为恒定值，而实际信道参数为不断变化值，因此在信道恶化明显的情况下很难达到预期效果；在采用卡尔曼跟踪滤波的信道估计方法中，利用了MMSE估计的方法，但标准卡尔曼滤波要求信道模型必须非常精确，否则很容易发散。且算法较为复杂，对硬件的要求非常高，不利于工程实现。

在雷达系统中，经常采用简化卡尔曼滤波算法，其主要目的是对飞行目标进行跟踪。首先构建飞行轨迹模型和测量误差模型，以此为根据，并采取适当的自适应算法机动，相应的不断修正滤波参数。以便准确获得飞行目标的坐标参数。这种方法不仅利用了系统的先验知识，且可以根据实际情况，实时改变参数，因此可以准确获得所需要的各种参数。这种方法目前尚未被应用到移动通讯系统中。

本发明目的在于提出一种应用于WCDMA接收机中的，基于简化卡尔曼跟踪滤波的信道估计方法，能提高移动通讯系统在高速移动环境下的接收性能。

本发明提出了一种应用于WCDMA接收机中的信道估计方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将输入RAKE接收机的宽带扩频信号解扰/解扩为窄带话音或业务数据；

(2)根据预先知道的时隙信号格式，从时隙中提取出导频信号；

(3)对提取出的导频信号，每个导频码元与已知导频码元进行相关处理，获得经过相位幅值衰减后的码元波形；

(4)简化卡尔曼预测，通过相位预测方程对预测下一时刻的信号状态；

(5)简化卡尔曼滤波，获得当前时刻的精确滤波值；

(6)对时隙内的信道参数进行外推；

(7)提取信道综合估计参数；

(8)对各个径数据进行补偿，并加权合并。

本发明采用的信道估计方法中，通过前几个时隙的先验知识对当前时隙的估计值进行预测，然后再与当前时隙的实时估计值加权滤波，获得当前的精确估计值，这样不仅消除了高斯白噪声的影响，而且充分利用了所有的已知的多时隙的信道衰落信息。同时采用简化卡尔曼跟踪预测滤波算法，在获得信号衰落模型的情况下，可以有效提高信道估计的精度，而且实现的难度并不复杂。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

图1为相临时隙加权平均信道估计流程图。

图2为本发明涉及的信道估计方法的流程图。

RAKE接收是CDMA采用的多种分集技术之一，其目的是为了减少多径效应引起的码(符号)间干扰。RAKE接收就是要将不同延时的多径信号进行分离，然后按一定的准则合并，以增强有用信号的能量。信道估计作为接收机的核心技术之一，其主要作用是矫正移动所产生的多谱勒频移，以达到准确接收。

本发明所提供的信道估计方法的主要过程如下：

首先将原始信号解扰解扩，获得单径的基带信号，在进行解复用，将导频信号提取出来，然后去除导频的信息，得到导频的包络。再在单时隙内获得对导频信号包络的平均。再采用简化的卡尔曼滤波，最后获得对当前时隙的精确信道估计值。

对于平坦瑞利衰落信道，可以近似为一个二阶自回归模型。

可以用下式表示：

X(k+1)＝AX(k)+Gw(k)

其中，X(k)＝[C(k)，C(k-1)]^T为模型系统的状态参量。 $A=\left[\begin{array}{cc}-a_1& -a_2\\ 1& 0\end{array}\right];$ G＝[1，0]^T为参数矩阵。

以此为基础，建立简化的标准卡尔曼跟踪预测滤波算法(改进的α-β跟踪预测滤波算法)。通过前几个时隙的先验知识对当前时隙的估计值进行了预测，然后再与当前时隙的实时估计值加权滤波，获得当前的精确估计值。这种方法的优越性是显而易见的，不仅消除了高斯白噪声的影响，而且利用了所有的已知信息。

在得到对导频符号的精确信道估计后，需要对数据信号进行补偿。一个时隙中必须用导频估计对所有的数据信号进行补偿。如果一个时隙的时间长度相对于信道的时间常量短的多，信道的变化可以被简化为一个可变的一阶线性变化。这样可以采用简单的复线性变化来得出每个码元符号的信道估计值，对数据信号进行补偿。

如图2所示，采用简化卡尔曼滤波的信道估计方法的接收端按照功能可以具体被分为八个部分：

1.解扰解扩

在1中，输入解扰/解扩模块的信号仍然是宽带扩频信号，首先将信号解扰/解扩得到窄带话音或业务数据。

2.导频抽取

通过2，根据预先知道的时隙信号格式，从时隙中提取出导频信号。

3.码元幅值相位测量

模块2对提取出的导频信号，每个导频码元与已知导频码元进行相关处理，获得经过相位幅值衰减后的码元波形，其中就包含了数据信道经过信道衰减而产生的相位和幅值上的衰落。

4.简化卡尔曼预测

模块4的预测是充分利用已有信息，以及对信号构建的模型，对下一个时刻信号的状态进行估计。

预测方程表示为：

       X_p(k+1)＝AX_f(k)

       X_p(k+1)表示k+1时刻的预测值。

A为参数矩阵

       X_f(k)为K时刻的滤波值。

5.简化卡尔曼滤波

模块5在取得当前时刻的预测值和观测值后，在通过平缓和滤波获得当前时刻的精确滤波值。

滤波方程可以表示为：

       X_f＝X_p+α(X_m-X_p)

其中X_f为经过滤波的精确信道参数值

其中X_p为外推得到的信道参数预测值

其中X_m为当前时隙信道参数的测量值

其中α为平滑系数，α＝[0，1]。

当α＝0时，系统不利用当前时刻的信息，而仅仅是将先前观测的数据进行平滑和滤波。

当α＝1时，系统完全不进行平滑。

典型的稳态滤波器要设计的是观测值的平滑滤波值的场方误差最小。

6.时隙内的信道参数的外推

外推6的信道参数外推主要有三种方法。

(1)简单平均

对一个时隙内部的信道估计值平均，再重复以成为时隙内部所有码元的信道参数。

(2)一阶内差

对一个时隙内部的信道估计值平均，再利用相邻时隙的信道估计参数进行一阶内差。

(3)二阶内差

对一个时隙内部的信道估计值平均，再利用相邻三个时隙的信道估计参数进行二阶曲线拟和。

7.信道估计参数的提取

对经过解扰解扩的任一单径信号I₀/Q₀，在每一时隙内经过时分解复用后可分离成数据符号部分和导频符号部分，其中I₀分解为数据符号I_d1和导频符号I_p1，Q0分解为数据符号Q_d1和导频符号Q_p1。假设对应该条径的移动信道特性可表示为

其中α_L为幅度衰落系数，θ_L为相移；并且，每一时隙内对应的I路、Q路理想情况下的导频符号分别为I_p和导频符号Q_p，I_p，Q_p＝±1，则(I_p1，Q_p1)与(I_p，Q_p)之间的对应关系可由下式描述：

因此信道综合估计7的接收信号可以用以下公式表示： $I_{p1}+{\mathrm{jQ}}_{p1}=(I_p+{\mathrm{jQ}}_p)\left({\mathrm{\α}}_L{e}^{j{\mathrm{\θ}}_L}\right)$

整理一下，可用以下矩阵表示： $\left[\begin{array}{c}{I}_{p1}\\ Q_{p1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{I}_p& -Q_p\\ Q_p& I_p\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_L& \cos {\mathrm{\θ}}_L\\ {\mathrm{\α}}_L& \sin {\mathrm{\θ}}_L\end{array}\right]$

对于导频符号时隙内的信道参数估计，其物理意义可理解为：由已知的任一符号周期内的(I_p1，Q_p1)和(I_p，Q_p)，求解(α_L，θ_L)。求解(α_Lcosθ_L，α_Lsinθ_L)可得： $\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_L& \cos {\mathrm{\θ}}_L\\ {\mathrm{\α}}_L& {\sin \mathrm{\θ}}_L\end{array}\right]=\frac{1}{I_p^2+Q_p^2}\left[\begin{array}{c}{I}_p{I}_{p1}+Q_p{Q}_{p1}\\ -Q_p{I}_{p1}+I_p{Q}_{p1}\end{array}\right]$

8.对各个径数据进行补偿，并加权合并

由于导频信号经过外推或曲线拟和，所以每个数据符号都有相应时刻的导频信号对之进行信道估计参数的估计，在加权合并电路8中，每个径补偿加权后，进行合并输出。

本信道估计方法在应用中主要通过采用专用集成电路(ASIC)或高速数字信号处理(DSP)芯片来实现。

Claims (4)

1、一种应用于WCDMA接收机中的信道估计方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将输入RAKE接收机的宽带扩频信号解扰/解扩为窄带话音或业务数据；

2)根据预先知道的时隙信号格式，从时隙中提取出导频信号；

3)对提取出的导频信号，每个导频码元与已知导频码元进行相关处理，获得经过相位幅值衰减后的码元波形；

4)简化卡尔曼预测，通过相位预测方程对预测下一时刻的信号状态；

5)简化卡尔曼滤波，获得当前时刻的精确滤波值；

6)时隙内的信号参数外推，即根据时隙内已知码元的信道参数估计值，通过数据处理推得时隙内部所有码元的信道参数；

7)提取信道综合估计参数；

8)对各个径数据进行补偿，并加权合并。

2、如权利要求1所述的基于简化卡尔曼滤波的信道估计方法，其特征在于步骤4)所述的简化卡尔曼预测的预测方程为：

       X_p(k+1)＝4X_f(k)其中，X_f(k)为k时刻的滤波值，X_p(k+1)表示k+1时刻的预测值，A为参数矩阵。

3、如权利要求1所述的基于简化卡尔曼滤波的信道估计方法，其特征在于步骤5)所述的简化卡尔曼滤波的滤波方程为：

      X_f＝X_p+α(X_m-X_p)其中，X_f为经过滤波的精确信道参数值，X_p为外推得到的信道参数预测值，X_m为当前时隙信道参数的测量值，α为平滑系数。

4、如权利要求1所述的基于简化卡尔曼滤波的信道估计方法，其特征在于步骤7)所述的信道综合估计参数的提取方法可用如下方程表示： $\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_L& \cos {\mathrm{\θ}}_L\\ {\mathrm{\α}}_L& \sin {\mathrm{\θ}}_L\end{array}\right]=\frac{1}{I_p^2+Q_p^2}\left[\begin{array}{c}{I}_p{I}_{p1}+Q_p{Q}_{p1}\\ -Q_p{I}_{p1}+I_p{Q}_{p1}\end{array}\right]$ 其中，α_L为幅度衰落系数，θ_L为相移，I_p、Q_p＝±1，为理想的导频符号信息，I_p1、Q_p1为理想的导频符号经过空间传播后接收的信号。

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