CN113890797B - 一种基于短包通信传输过程的信道估计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，涉及通信技术领域，针对现有技术中由于数据包较短时，训练周期必须保持较小，进而导致的传输可靠性差和有效性差的问题，基于频选信道降低干扰方案及虚拟导频与导频联合信道估计方案以降低帧结构的开销以及辅助较少的导频提升信道估计质量，本申请提出的基于小数据包的频率选择性信道的估计方法进一步提升了传输可靠性和有效性。本申请提出的频选信道下信道估计方案是在传统MMSE信道估计方法的基础上，通过引入多径干扰消除方案与导频联合估计方案解决多用户干扰问题以及频选信道多径干扰问题，本申请能够大幅度提升信道估计质量并且大幅度提升短包通信中的有效性，为后续5G/6G短包通信提供有力的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体为一种基于短包通信传输过程的信道估计方法。
背景技术
现有技术中，城市场景中上行链路通信，周围设备进行信息传输会对目标设备的接收造成干扰。一种解决办法是引入训练周期，但是由于当前系统通常被设计为携带长数据包，训练周期相对于实际信息周期占比较少。当数据包较短时，训练周期必须保持较小，这将引起信道估计质量的严重下降，进而影响传输可靠性和有效性。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中由于数据包较短时，训练周期必须保持较小，进而导致的传输可靠性差和有效性差的问题，提出一种基于短包通信传输过程的信道估计方法。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，包括以下步骤：
步骤一：对频率选择性衰落信道进行建模，并在建立的模型中设置导频信号；
步骤二：根据导频信号对信道传输矩阵进行估计，根据信道传输矩阵得到恢复信号；
步骤三：消除信道传输矩阵中的对角元素，利用消除对角元素后的信道传输矩阵更新恢复信号；
步骤四：判断是否达到迭代次数，若未达到迭代次数，则执行步骤三，若达到迭代次数则执行步骤五；
步骤五：根据MSE选择方案将更新后的恢复信号作为虚拟导频信号；
步骤六：将导频信号和虚拟导频信号进行联合信道估计得到MMSE权值向量，最后根据MMSE权值向量得到信号传输矩阵。
进一步的，所述步骤一的具体步骤为：
选择3GPP中定义的城市信道Vehicular-A信道进行建模，并设置导频信号，所述Vehicular-A信道存在相对延时710ns、1090ns、1760ns、2510ns的多径信号的叠加。
进一步的，所述步骤二的具体步骤为：
根据导频信号并利用MMSE方法估计信道传输矩阵，根据信道传输矩阵得到恢复信号。
进一步的，所述步骤三的具体步骤为：
将信道传输矩阵减去其对角元素后通过MMSE方法进行信道估计得出降低多径干扰下的信道传输矩阵，根据降低多径干扰下的信道传输矩阵更新恢复信号。
进一步的，所述步骤四中的迭代次数为8-10次。
进一步的，所述步骤五中虚拟导频信号通过对每个恢复信号进行MSE算法进行选择得到。
进一步的，所述MSE算法的误差函数表示为：
其中，为导频信号信道参数向量hp与第n个虚拟导频信号信道参数向量hn,s的相关函数，/>为发射天线功率，I为干扰用户的数量，/>为选择的第n虚拟导频信号采用对数似然比判决方法得到的结果，/>表示为：
其中，Θ为星座族，为第k个编码位，Q为进行调制时星座映射的位数，/>为2Q个星座图上的点，/>为数据符号/>映射的第k个编码位的对数似然比，/>表示为：
进一步的，所述步骤六中将导频信号和虚拟导频信号进行联合信道估计表示为：
其中，yp表示接收端接收到的导频信号，ys表示接收端接收到的虚拟导频信号pt为发送端发送的导频信号向量，st为发送端发送的虚拟导频信号向量，Dr,t为目标用户的信道传输矩阵，Dr,i为干扰用户的信道传输矩阵，为目标用户的天线发射功率，/>为干扰用户的天线发射功率，si为干扰用户发送端发送的干扰信号，nr为噪声向量。
进一步的，所述步骤六中MMSE权值向量表示为：
其中，为采用LS信道估计方法得到的向量，/>为采用LS信道估计方法得到的相关函数，/>为采用LS信道估计方法得到的向量与信道传输矩阵的相关函数。
进一步的，所述步骤六中信号传输矩阵表示为：
本发明的有益效果是：
基于频选信道降低干扰方案及虚拟导频与导频联合信道估计方案以降低帧结构的开销以及辅助较少的导频提升信道估计质量，本申请提出的基于小数据包的频率选择性信道的估计方法进一步提升了传输可靠性和有效性。
本申请提出的频选信道下信道估计方案是在传统MMSE信道估计方法的基础上，通过引入多径干扰消除方案与导频联合估计方案解决多用户干扰问题以及频选信道多径干扰问题，本申请能够大幅度提升信道估计质量并且大幅度提升短包通信中的有效性，为后续5G/6G短包通信提供有力的解决方案。
附图说明
图1是采用频选信道下短包通信信道估计方案的实现步骤框图；
图2是大信噪比下不同的信道估计算法的性能对比图；
图3是引入频率选择性信道干扰消除方案下的各信道估计方法示意图。
具体实施方式
需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，包括以下步骤：
步骤一、信道建模选择3GPP中定义的城市信道Vehicular-A信道进行建模(并在建立的模型中设置导频信号、目标用户和干扰用户传输的数据信号)，存在相对延时710ns、1090ns、1760ns、2510ns的多径信号叠加接收，多普勒模型设置为jakes模型，干扰用户数量设置为4个，这些参数与真实信道情况比较吻合；
步骤二、根据最小均方误差(MMSE,Minimum Mean Square Error)信道估计方法估计信道传输矩阵，根据信道传输矩阵恢复传输信号；
步骤三、将传输矩阵减去其对角元素后进行MMSE信道估计得出降低多径干扰下的信道传输矩阵，根据更新的信道传输矩阵更新恢复信号，通过循环迭代将干扰降到最低。
步骤四、根据MSE选择方案选择恢复数据作为虚拟导频以达到最优的选择。
步骤五、将虚拟导频与导频进行联合信道估计获得多用户干扰协方差矩阵以及协助较少的导频提升信道估计质量，根据更新的信道传输矩阵恢复数据。
步骤二中假设数据传输总数为N，其中Nd为传输的数据的数量，Np为传输的导频数量，进行OFDM变换是FFT点数为Nf。可以得到接收到的数据可以表示为：
其中为接收到的N个观测数值，/>为目标用户发射的信号，/>为目标用户的传输矩阵，/>i∈(1,2,…I)为第i个干扰用户到接收端的数据传输矩阵，/>为噪声，/>为目标用户天线发射功率，/>i∈(1,2,…I)为干扰用户天线的发射功率。其中：
Dr,t＝Qr,tHr,tPr,t (2)
其中为Nf点FFT变换矩阵，/>为Nf点IFFT变换矩阵，二者满足Qr,tPr,t＝IN，/>为信道增益矩阵。在传统的OFDM系统中，信道估计是利用导频信号的观测值。目标用户导频观测值为：
其中为目标用户发送的导频信号。/>为接收的导频观测值。
步骤三中将采用MMSE得到估计的信道传输矩阵进行多径干扰消除操作，即减少导频位置干扰来更新信道传输矩阵/>其中(·)(i)表示第i个迭代步骤。根据更新的传输矩阵更新恢复信号/>其中
步骤四中用单个符号对MSE进行分析，然后选择Ns个虚拟导频符号，虽然该方法没有考虑虚拟导频符号之间的相关性，因此不是最优的，但计算复杂度要比使用所有可能的符号组合的方法小得多。该方法能够有效地提高信道重估计的质量。
设为第n的估计信个数据符号作为虚拟导频时信道向量，则采用第n个数据符号作为虚拟导频是MSE度量ε(n)表示为
其中：
hr,t＝diag(Dr,t) (6)
考虑导频间隔相距很大的情况，由于导频之间相关性是很弱的，在信噪比比较大的情况下可以得到:
其中为实际的导频信道参数向量/>与第n个虚拟导频信道参数hn,s的相关函数，/>为选择的第n虚拟导频判决后的符号表示为：
其中，Θ为星座族，为第k个编码位，Q为进行调制时星座映射的位数，/>为2Q个星座图上的点，/>为数据符号/>映射的第k个编码位的对数似然比，/>表示为：
误差函数取决于软判决的可靠性以及数据和导频之间的相关性。
步骤五中当选择的虚拟导频数量为Ns个时，虚拟导频接收值可以表示为：
其中为在目标用户发送的数据符号中选取的Ns个虚拟导频，i∈(1,2,…I)为I个干扰用户数据符号，/>为接收到的虚拟导频数据观测值。
将导频观测向量yp与虚拟导频观测向量ys叠加，得到信道重新估计的复合观测向量yc：
对接收到的观测值yc，pt与st进行LS(Least Squares)信道估计
其中为LS信道参数估计值。接下来进行MMSE信道估计，所估计的信道矩阵可以写成如下形式：
其中为MMSE信道估计时的权值向量，可以表示为
其中表示LS信道估计的相关矩阵，表示噪声加干扰的协方差，/>表示LS信道估计值与信道参数的相关矩阵。
实施举例：
仿真的条件为：Vehicular-A信道进行建模，存在相对延时710ns、1090ns、1760ns、2510ns的多径信号叠加接收，多普勒模型设置为jakes模型，干扰用户数量设置为4个。虚拟导频数量设置为32个，导频分布采用LTE中菱形分布，每个资源块有12个子载波，子载波间隔为15KHz，一个时隙有7个OFDM数据符号，采用多种调制方式(4QAM，16QAM)。
在以上条件基础上，通过仿真验证不同信道估计情况下系统性能。
从图2可以看出：在大信噪比下不同的信道估计算法的性能，我们设置的虚拟导频的数量为32个，干扰用户数设置为I＝4。我们可以看到采用LS方法进行信道估计的效果最差。相比于平坦慢衰落信道，LS估计在选择性衰落信道下性能比MMSE具有更差的效果。由图2可以得到，在大信噪比下采用我们所提出的方法，可以得大约2dB的增益，并且随着信噪比的增加逐渐接近已知信道下信道估计性能。
从图3可以看出：相比于无干扰方案其性能有了很大的提升，尤其是在具有完美CSI下误码性能与理论值相差无几。图中的仿真设置的干扰消除次数为8，就可以达到很好的效果，设置次数过多会对资源造成很大程度的浪费，而且对于性能提升不高。当然这重方法仅适用于频率选择性信道，其性能相比于没有使用的方案提升了大约3-4dB的性能，大大提高系统可靠性。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对频率选择性衰落信道进行建模，并在建立的模型中设置导频信号；
步骤二：根据导频信号对信道传输矩阵进行估计，根据信道传输矩阵得到恢复信号；
步骤三：消除信道传输矩阵中的对角元素，利用消除对角元素后的信道传输矩阵更新恢复信号；
步骤四：判断是否达到迭代次数，若未达到迭代次数，则执行步骤三，若达到迭代次数则执行步骤五；
步骤五：根据MSE选择方案将更新后的恢复信号作为虚拟导频信号；
步骤六：将导频信号和虚拟导频信号进行联合信道估计得到MMSE权值向量，最后根据MMSE权值向量得到信道传输矩阵；
所述步骤五中虚拟导频信号通过对每个恢复信号进行MSE算法进行选择得到；
所述MSE算法的误差函数表示为：
其中，为导频信号信道参数向量hp与第n个虚拟导频信号信道参数向量hs,n的相关函数，/>为发射天线功率，I为干扰用户的数量，/>为选择的第n虚拟导频信号采用对数似然比判决方法得到的结果，/>表示为：
其中，Θ为星座族，为第k个编码位，Q为进行调制时星座映射的位数，/>为2Q个星座图上的点，/>为数据符号/>映射的第k个编码位的对数似然比，/>表示为：
2.根据权利要求1所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤为：
选择3GPP中定义的城市信道Vehicular-A信道进行建模，并设置导频信号，所述Vehicular-A信道存在相对延时710ns、1090ns、1760ns、2510ns的多径信号的叠加。
3.根据权利要求2所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤为：
根据导频信号并利用MMSE方法估计信道传输矩阵，根据信道传输矩阵得到恢复信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤为：
将信道传输矩阵减去其对角元素后通过MMSE方法进行信道估计得出降低多径干扰下的信道传输矩阵，根据降低多径干扰下的信道传输矩阵更新恢复信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于所述步骤四中的迭代次数为8-10次。
6.根据权利要求1所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于所述步骤六中将导频信号和虚拟导频信号进行联合信道估计表示为：
其中，yp表示接收端接收到的导频信号，ys表示接收端接收到的虚拟导频信号，pt为发送端发送的导频信号向量，st为发送端发送的虚拟导频信号向量，Dr,t为目标用户的信道传输矩阵，Dr,i为干扰用户的信道传输矩阵，为目标用户的天线发射功率，/>为干扰用户的天线发射功率，si为干扰用户发送端发送的干扰信号，nr为噪声向量。
7.根据权利要求6所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于所述步骤六中MMSE权值向量表示为：
其中，为采用LS信道估计方法得到的向量，/>为采用LS信道估计方法得到的相关函数，/>为采用LS信道估计方法得到的向量与信道传输矩阵的相关函数。
8.根据权利要求7所述的一种基于短包通信传输过程的信道估计方法，其特征在于所述步骤六中信道传输矩阵表示为：
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