CN1148017C - 利用训练序列快速进行信道估计的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用训练序列快速进行信道估计的方法及装置，利用由所采用的训练序列所决定的矩阵G、测量到的接收信号e，来确定信道的脉冲响应估计值，其中，由公式＝M·e所定义的矩阵M根据选定的训练序列事先计算出来，存储在存储设备中，在测量出接收信号e后，直接根据＝M·e确定信号的脉冲响应估计值。

Description

利用训练序列快速进行信道估计的方法和装置

技术领域

本发明涉及数字移动通信技术领域，特别是涉及无线通信系统接收机中的接收技术，尤其是涉及无线通信系统中的信道估计技术。

背景技术

不同于单纯的TDMA和CDMA系统，TD-CDMA系统在每个时隙内包含有若干个码道，用于区分相同时隙内的不同用户。采用TDMA与CDMA混合的多址方式与单纯采用TDMA或CDMA的系统相比具有性能上的优势。在TD-CDMA系统的接收机中既需要分离每帧中的时隙，也需要分离同一时隙中的不同码道(可以采用相关的处理方法)。利用这些方法，在接收端就可以将不同的信道区分开。在系统发送端发出的信号经过传输后，空间的时变信道会对传输信号加入相应的干扰，而且移动信道的多径干扰和信道还会引起码间干扰(ISI)和多址干扰(MAI)。因此为了在接收端恢复出正确的发射信号，必须正确得到信道的冲激响应，然后利用接收到的信号和所得到的信道冲激响应正确估计出所发射的信号。信道估计质量对于系统性能具有举足轻重的影响。

在现代无线通信系统中，数据信号经过无线信道后，由于多径衰落和时延扩展的影响，接收到的信号发生频率选择性衰落、时间选择性衰落，信号波形发生变形，信噪比较低时，难以正确恢复发射的信号。在许多系统中，采用训练序列(根据位置不同，称作Preamble码或Midamble码)来实现信道估计。所谓训练序列是用来进行信道估计的一组已知码，收发信双方对训练序列都已知。利用训练序列进行信道估计的基本原理是，利用发信方发出的为双方所共知的训练序列，和收信方实际测量到的训练序列的信号，来计算出信道的脉冲相应，也即对信道状况进行了有效的估计。

在已有的对同步CDMA系统信道估计的研究中，例如现有技术[1](BerndSteiner and Paul Walter Baier，″Low Cost Channel Estimation in the UplinkReceiver of CDMA Mobile Radio Systems″，FREQUENZ 47(1993)11-12p292-298.)中，采用了基于midamble码的信道估计，即用midamble码作为训练序列。信道估计方法采用了无偏估计方法，即 $E\left[\hat{h}\right]=h,$ 其中

是h的估计值。 $\hat{h}={\left(G^{*T}G\right)}^{-1}{G}^{*T}e,$ 其中G^*表示矩阵G的共轭，G^T表示矩阵G的转置，该式得到的信道估计是无偏估计，同时也为最小二乘估计。

当然，信道估计方法并不仅限于使用以上公式 $\hat{h}={\left(G^{*T}G\right)}^{-1}{G}^{*T}e$ 进行。还有其它的信道估计公式，如当传统的匹配滤波器用于信道估计时，信道估计为： $\hat{h}=G^{*T}e,$ 这是h的一种有偏估计。

现有技术中，基站测量出实际接收到的信号e后，在利用信道估计公式进行信道估计时，需要利用矩阵G，和基站的软硬件设备对矩阵进行转置、共轭等复杂计算后，再与实际测量信号e作乘法运算，才能够得到信道估计值。但是，由于基站需要同时对本小区/扇区中所有移动台的信道进行估计，这样基站需要在极短的时间内完成极为繁复、极为大量的计算，导致基站的软硬件需求非常高，成本增加，但即使如此，也不易作出即时的信道估计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用训练序列快速进行信道估计的方法及装置，使得对基站的软硬件需求大幅度降低，并且可以更快速地实现信道估计。

根据本发明的一个方面，提供了一种利用训练序列快速进行信道估计的方法，利用由所采用的训练序列所决定的矩阵G、测量到的接收信号e，来确定信道的脉冲响应估计值

其特征在于，由公式 $\hat{h}=M\·e$ 所定义的矩阵M根据选定的训练序列事先计算出来，存储在基站的存储设备中，在测量出接收信号e后，直接根据 $\hat{h}=M\·e$ 确定信号的脉冲响应估计值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用训练序列快速进行信道估计的装置，利用由所采用的训练序列所决定的矩阵G、测量到的接收信号e，来确定信道的脉冲响应估计值 其特征在于，由公式 $\hat{h}=M\·e$ 所定义的矩阵M根据选定的训练序列事先计算出来，存储在存储设备中，在测量出接收信号e后，直接根据 $\hat{h}=M\·e$ 确定信号的脉冲响应估计值。

本发明直接将由公式 $\hat{h}=M\·e$ 所定义的矩阵M根据选定的训练序列事先计算出来，存储在基站的存储设备中，从而减少了基站进行大量繁复的矩阵计算，降低了软硬件要求，不但降低了成本，而且可以迅速及时地估计出小区中所有移动台的信道。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示出了TDD CDMA系统的一种发送的突发结构。

具体实施方式

本发明所涉及的技术是无线通信系统接收机中的一项关键技术。图1给出了TDD CDMA系统的一种发送的突发结构，包括帧、时隙、导频、数据符号的结构。每个突发结构中包括两个数据块和一个训练序列块。本发明并不局限于TDD CDMA系统，其可应用在任何使用训练序列进行信道估计的系统中，并且尽管图l所示出的是采用midamble码作为训练序列的情况，但本发明并不局限于此，其也可以是preamble码等其他方式。

以下对信道估计的模型及原理详细说明。

假定系统中有K个无线用户，则所讨论的系统模型中即包括K个无线信道，假定其复值的脉冲响应为：

$h^{\left(k\right)}={(h_1^{\left(k\right)},h_2^{\left(k\right)}...h_W^{\left(k\right)})}^T,k=1...K--\left(1\right)$

其长度为W。将K个用户的信道响应写为向量形式：

    h＝(h^(1)T，h^(2)T...h^(K)T)^T                              (2)未知信道系数的总共数目为：

    U＝KW                                                    (3)第k个用户的训练序列为：

$m^{\left(k\right)}={(m_1^{\left(k\right)},m_2^{\left(k\right)}...m_{L-W-1}^{\left(k\right)})}^T,k=1...K--\left(4\right)$

由于假定信道冲激响应的长度为W，因此信道码间干扰起源于数据块中的数据符号的最后的W-1个元素，接收信号中的最初的W-1个抽样受训练序列的延时信号的影响，即存在码间干扰(ISI)，不做为信道估计的一部分。因此，每个midamble的最初的W-1个元素的能量并不完全用于信道估计。由训练序列本身唯一确定的接收信号仅仅有L个元素。设实际的接收信号为：

    e＝(e₁，e₂...e_L)^T                                        (5)

根据(4)中的训练序列m^(k)，L×W的矩阵为：

$G^{\left(k\right)}=\left(G_{\mathrm{ij}}^{\left(k\right)}\right),k=1...K--\left(6a\right)$

$G_{\mathrm{ij}}^{\left(k\right)}=m_{W-i-j}^{\left(k\right)},i=1...L;j=1...W--\left(6b\right)$

即：

$G^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{m}_W^{\left(k\right)}& m_{W-1}^{\left(k\right)}& ...& m_1^{\left(k\right)}\\ m_{W+1}^{\left(k\right)}& m_W^{\left(k\right)}& ..& m_2^{\left(k\right)}\\ ...& ...& ...& ...\\ m_{W+L-1}^{\left(k\right)}& m_{W+L}^{\left(k\right)}& ...& m_L^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

从而L×U矩阵G为

    G＝(G⁽¹⁾，G⁽²⁾…G^(K))                                    (7)其零均值的可加平稳噪声为

    n＝(n₁，n₂...n_L)^T                                        (8)从而接收信号表示为

    e＝Gh+n                                                  (9)

因而信道估计的问题实际上就相当与已知式(9)中的G，e来求出h的过程。

为了准确的对信道的脉冲响应进行估计，现有技术中提出了各种信道估计方法。例如现有技术[1]中的信道估计方法采用了无偏估计方法，即 $E=\left[\hat{h}\right]=h,$ 其中

是h的估计值。 $\hat{h}={\left(G^{*T}G\right)}^{-1}{G}^{*T}e,$ 其为无偏估计，同时也为最小二乘估计。

当然，信道估计方法并不仅限于使用以上公式 $\hat{h}={\left(G^{*T}G\right)}^{-1}{G}^{*T}e$ 进行。还有其它的信道估计公式，如当传统的匹配滤波器用于信道估计时，信道估计为： $\hat{h}=G^{*T}e,$ 这是h的一种有偏估计。

由于对于特定小区/扇区，所采用的训练序列一般是固定的，因此本发明的核心思想在于，将由公式 $\hat{h}=M\·e$ 所定义的矩阵M根据选定的训练序列事先计算出来，存储在基站的存储设备中。在测量出接收信号e后，基站直接根据 $\hat{h}=M\·e$ 确定信号的脉冲响应估计值。从而避免了复杂的矩阵运算，并且可以达到对小区/扇区内所有移动台的信道快速进行估计的目的。

较佳的，当同一小区内的所有用户的训练序列均是由同一个基本码通过循环移位得到时，矩阵(G^*TG)为正定的Toeplitz矩阵，即斜对称矩阵，任何一个主对角线元素相同，并且与主对角线平行的每个对角线上的元素相同的矩阵都是Toeplitz矩阵。这时，矩阵M也为正定的Toeplitz矩阵。为了计算简单，可以将Toeplitz矩阵有关的值先计算好，存在内存里，由于Toeplitz矩阵同时是对称和反对称矩阵，所以逆矩阵也是对称和反对称矩阵，因此只要存储1/4矩阵元就可以将M存储起来，该1/4矩阵元可以是或者等效于：由Toeplitz矩阵的两条对角线所划分的四个三角形区域中的任意一个，从而节省了内存。具体的求解Toeplitz方程组时，其中的除法运算等也可以预先存储起来。

较佳地，在减少基站在信道估计中的计算量的同时，为了也减少移动台在信道估计中的计算量，当移动台激活或者切换到基站对应的小区/扇区时，该小区/扇区所对应的矩阵M由基站传送给移动台，供移动台进行信道估计，从而减少移动台的计算量及软硬件的需求，更利于减少移动台的体积和重量。

所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，其仅用以解释说明本发明，而非限制，除以上所述的信道无偏估计公式和有偏估计公式以外，还采用其它的信道估计公式，其非为本发明的内容。

本发明适用于C/TDMA系统，尤其是适用于目前第三代移动通信系统中的WCDMD TDD和TD-SCDMA系统，但应理解的是，虽然本发明的技术方案主要针对码分多址的无线通信系统，但是也同样适用于采用类似传输结构的频分多址和时分多址的系统，任何具有信号处理、通信等知识背景的工程师，都可以根据本发明设计相应的信道估计方法及装置，其均应包含在本发明的思想和范围中。

Claims (5)

1、一种利用训练序列快速进行信道估计的方法，利用由所采用的训练序列所决定的矩阵G、测量到的接收信号e，来确定信道的脉冲响应估计值

其特征在于，由公式 $\hat{h}=M\·e$ 所定义的矩阵M根据选定的训练序列事先计算出来，存储在存储设备中，在测量出接收信号e后，直接根据 $\hat{h}=M\·e$ 确定信号的脉冲向应估计值。

2、如权利要求1所述的利用训练序列快速进行信道估计的方法，其特征在于，在同一小区内的所有用户的训练序列均由同一个基本码通过循环移位得到的情况下，仅将矩阵M的1/4矩阵元存储在存储设备中，该1/4矩阵元是或者等效于：由矩阵M的两条对角线所划分的四个三角形区域中的任意一个。

3、如权利要求1所述的利用训练序列快速进行信道估计的方法，其特征在于，当移动台切换到基站对应的小区/扇区时，该小区/扇区所对应的矩阵M被传送给移动台，供移动台进行信道估计。

4、一种利用训练序列快速进行信道估计的装置，利用由所采用的训练序列所决定的矩阵G、测量到的接收信号e，来确定信道的脉冲响应估计值

其特征在于包含，

存储根据选定的训练序列事先计算出来的由公式 $\hat{h}=M\·e$ 所定义的矩阵M的存储设备；和

在测量出接收信号e后，直接根据 $\hat{h}=M\·e$ 确定信号的脉冲响应估计值的设备。

5、如权利要求4所述的利用训练序列快速进行信道估计的装置，其特征在于，在同一小区内的所有用户的训练序列均由同一个基本码通过循环移位得到的情况下，仅将矩阵M的1/4矩阵元存储在存储设备中，该1/4矩阵元是或者等效于：由矩阵M的两条对角线所划分的四个三角形区域中的任意一个。