CN1177423C - 适应高速移动状态的信道估计方法 - Google Patents
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Abstract
一种时分-码分多址移动通信系统中适应高速移动状态的信道估计方法，其中发信端将单个用户的数据分配在一帧的复数个时隙上，该复数个时隙在时间上相邻且连续；收信端对该复数个时隙的导频分别做信道估计，并利用相邻时隙导频部分的信道估计值修正对数据部分的信道估计。
Description
技术领域
本发明涉及时分-码分多址(TD-CDMA)移动通信系统中的信道估计方法，特别是涉及在TD-CDMA移动通信系统中适应高速移动状态的一种信道估计方法。
背景技术
在TD-CDMA移动通信系统中，通常将时间按帧来划分，每一帧由若干个时隙(突发)组成，在每一时隙中的用户再利用不同的扩频码来区分。请参照图1及图2，图1示出了TD-CDMA时隙常见的三种结构，图2示出了TD-CDMA系统的时隙排列示意图。根据用户传输数据速率的大小，一个用户可以存在于一个或几个时隙中，它占用的码道数目也可以有所不同，除此以外，现有技术中还有采用变扩频因子技术，即采用更短的扩频因子来提高用户传输数据速率。
TD-CDMA移动通信系统的发信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)。因此为了在收信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。因此信道估计质量对于系统性能具有举足轻重的影响。
下面简单说明现有技术中TD-CDMA系统信道估计的方法，TD-CDMA系统的帧结构一般采用突发(burst)结构，burst结构一般包含数据部分和导频部分(例如midamble，preamble等)。在收信端根据接收的导频信号进行信道估计得到正确的信道冲激响应，并以此作为本burst数据部分的信道估计值，继而得出本burst数据部分所传输的数据。
但是现代的移动通信系统，一般要求工作在高速移动并且高传输速率的情况下，例如IMT-2000规定的第三代移动通信系统的性能要求移动台为每小时500公里的速度下传144kbit/s(编码前)的业务速率。每小时120公里的情况下传输384kbit/s(编码前)的业务速率。在高速移动信道中，因多普勒频移效应带来的瑞利快衰落将比较明显，以上所述的现有技术单以burst结构前部(preamble)或中部(midamble)或尾部(postamble)的导频来估计整个时隙的信道将会带来比较大的误差，引起系统性能的下降。
例如假定一个burst的持续时间为0.675ms。导频取midamble，假设移动台移动速度为120km/h，系统工作载频为2GHz，则最大多普勒频移为：fd＝V·c/fc≈222Hz，则以中部的导频估计最前端或最后端的信道可能产生的最大相位估计误差为ε0＝(fd·tburst/2)·360°≈27°。27度的信道估计误差对采用QPSK，8PSK等调制方法的系统将较大影响系统解调性能，收信端难以正确恢复数据。
发明内容
本发明的目的在于提出一种时分-码分多址移动通信系统中适应高速移动状态的信道估计方法，其可以对高速移动状态下时隙中数据部分的信道作出更加准确的估计，明显降低由于仅以导频部分的信道估计值作为本时隙数据部分的信道估计值而带来的误差。
根据本发明的一个方面，提出了一种时分-码分多址移动通信系统中适应高速移动状态的信道估计方法，其特征在于：发信端将单个用户的数据分配在一帧的复数个(即两个或者两个以上)时隙上，该复数个时隙在时间上相邻且连续；收信端对该复数个时隙的导频分别做信道估计，并利用相邻时隙导频部分的信道估计值修正对数据部分的信道估计。
较佳地，在用户数据传输速率大于每帧分配单码道单时隙的且采用最大扩频因子的传输速率的情况下，发信端首先将单个用户的数据分配在一帧的在时间上相邻且连续的复数个时隙上，在此基础上可以采用改变扩频因子长度或者分配更多码道。
较佳地，所述的利用相邻时隙导频部分的信道估计值修正对数据部分的信道估计，可以采用插值方法或者自适应方法。
较佳地，所述的插值方法可以是线性插值法、多项式插值法、或WMSA法(Weighted MultiSlot Average，加权多时隙平均法)，所述的自适应方法可以是LMS法(Least Mean Square algorithm，最小均方算法)、RLS法(RecursiveLeast Square algorithm，递归最小二乘法)、LMMSE法(Linear Minimum MeanSquared Error，线性最小均方误差法)。
较佳地，所述的时分-码分多址移动通信系统可以是时分双工系统、也可以是频分双工系统。
本发明首先在给单一用户分配信道时分配给用户相邻且连续的时隙，接着收信端对这些相邻且连续的时隙进行联合处理，从而得到对应于时隙的数据部分的更准确的信道估计值。采用本发明的方法可以对高速移动状态下时隙中数据部分的信道作出更加准确的估计，明显降低由于仅以导频部分的信道估计值作为本时隙数据部分的信道估计值而带来的误差。
附图说明
图1示出了TD-CDMA时隙常见的三种结构；
图2示出了TD-CDMA系统的时隙排列示意图；
图3示出了本发明的一个较佳实施例中分配给单一用户的时隙。
具体实施方式
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，并结合附图，对本发明进一步详细说明。所应理解的是，其仅用于对本发明的阐述说明而非限制。
本发明可以说主要是一种TD-CDMA新的时隙信道估计方法，在系统复杂度增加不大的情况下，明显改进系统在高速移动环境下的信道估计性能，从而提高系统的性能。本发明的思想包括紧密联系的两个部分：首先是对用户时隙的特定分配策略，其次是对该用户的多个时隙的信道估计进行联合处理。以下首先针对用户时隙的特定分配策略进一步详细说明，然后针对多个时隙的信道估计进行联合处理进一步详细说明。
关于用户时隙的特定分配策略，现有技术中对于用户数据传输速率大于最大扩频因子时单码道、单时隙(每帧)的传输速率的情况，一般可以采用多码道或降低扩频因子或者在每帧里分配多个时隙的技术，或者同时采用以上几种技术来满足用户高速率数据传输要求。但并没有将此时的时隙分配策略与收信端的信道估计综合起来考虑。
而本发明采用了与信道估计相结合的时隙分配策略，即将数据分配在复数个(即两个或两个以上)时隙上，且该分配的时隙在时间上相邻、连续。或者较佳的，在可能的情况下尽量采用在每帧里分配多时隙的技术，尽量使分配的时隙相邻或者在时间上靠近。在此种分配策略的基础上再采用变扩频因子，多码道等技术。
关于对多个时隙的信道估计进行联合处理，在收信端，对于一段时间内接收到的时隙，首先根据各个时隙的导频(premidamble，midamble，postamble等等)做信道估计，然后对各个时隙在导频位置的信道估计进行处理得到在各个时隙数据部分的信道估计值，处理的常用方法包括插值方法，如线性插值，多项式插值，WMSA(Weighted MultiSlot Average，加权多时隙平均法)等等；或者各种自适应的方法，如LMS(Least Mean Square algorithm，最小均方算法)，RLS(Recursive Least Square algorithm，递归最小二乘法)，LMMSE(LinearMinimum Mean Squared Error，线性最小均方误差法)等等。具体可参见参考文献[1]，即，″Channel Estimation Filter Using Time-Multiplexed Pilotchannel for Coherent RAKE Combining in DS-CDMA Mobile Radio″HidehiroANDOH，Marmora SAWAHASH1.IEICE TRANS.COMMUN.Vol.E81-B，No.7JULY.1998.。
具体处理的方法根据时隙之间的时间距离、时隙的数目和计算的复杂度而选取。对于120km/h或以下的移动速度要求，一般可以采用比较简单的线性插值，对克服多普勒效应带来信道估计的误差就有很大的效果。
采用插值的方法对多普勒效应进行补偿时，对处在多时隙的前后两端的数据采取外插值得到(外推)得到。
对于只有相邻的两个时隙的情况下，处理方法可以直接采用线性插值(包括内插值和外插值)的方法。
更加具体来讲，在本发明的一个较佳实施例中的TD-CDMA系统的物理层，包括帧结构、时隙结构、扩频方式、速率等等，均参照CWTS(中国无线通信标准组织)提出的TD-SCDMA系统。
TD-SCDMA系统的码片速率为1.28Mchip/s，其子帧包含7个时隙，子帧的周期5ms，正常的数据时隙的周期为0.675ms，包含864chip，分为3段，中间是144个码片的midamble码，两头是相等长度352chip的数据段。各时隙之间有16chip长的保护时隙。
在TD-SCDMA中，一个时隙传送的数据有704chip，在扩频因子为16的情况下，一个用户的最小数据速率为2×22×2×200＝17.6kbit/s，大概相当于一路话音。对于大于17.6kbit/s的数据业务就必须采用多码道或低扩频因子或分配多时隙的技术来满足。
图3示出了本较佳实施例中分配给单一用户的时隙。在本较佳实施例中，对于系统中所有数据传输速率大于17.6kbit/s的用户均分配多个相邻的时隙。由于在TD-SCDMA是时分双工(TDD)系统，其支持不对称传输，在一帧里既有下行的时隙，也有上行的时隙， 则使上行(下行)的时隙在时间顺序上相邻。对于相邻帧的上行(下行)时隙也尽量相邻。如：系统一帧内有3个上行时隙，4个下行时隙，则最好使3个上行时隙在时间上连起来，4个下行时隙也在时间上连起来。在此基础上如有一个用户在上下行的传输速率均为52.8kbit/s，则上行链路均匀分配到3个(扩频因子为16)上行时隙。下行链路则应分配3个相邻的(扩频因子为16)时隙，例如第(2，3，4)个下行时隙。
本较佳实施例中收信端的处理是：首先针对某个用户接收到一帧内分配给该用户的多个时隙。先对第一个时隙根据midamble码做信道估计得到第一个时隙中间位置的信道估计值h1m。然后对第二个时隙根据midamble作信道估计得到第二个时隙中间位置的信道估计值h2m。
然后对h1m，h2m进行线性内插值得到第一个时隙的后半段数据和第二个时隙前半段数据位置的信道估计，如对第一个时隙的后半段的信道估计值h1x可以由下式得到
865＞x＞496，x表示码片的位置在时隙的位置。第一个时隙的前半段数据通过进行线性外插值得到。较佳的，若第一个时隙的之前的相邻时隙是上一帧的本用户相同方向的时隙，则第一个时隙的前半段也可以通过内插值得到。
然后接着对第3个时隙进行信道估计，插值……，直到所有相邻的时隙都处理完，最后的时隙的后半段也由线性外插值得到。
以上是针对码片进行的插值，实际上也可以针对符号进行插值，不再赘述。
这样就通过时隙分配策略和多时隙信道估计联合处理策略，提高了TD-CDMA系统的信道估计性能。本发明的方法也可以适应于一个用户在帧内分配多个时隙的其它系统，包括频分双工(FDD)或时分双工(TDD)的系统。有利于系统在高速移动环境下的克服多普勒效应的影响，改善信道估计的性能，从而提高整个系统的性能。
Claims (5)
1、一种时分-码分多址移动通信系统中适应高速移动状态的信道估计方法，其特征在于：发信端将单个用户的数据分配在一帧的复数个时隙上，该复数个时隙在时间上相邻且连续；收信端对该复数个时隙的导频分别做信道估计，并利用相邻时隙导频部分的信道估计值修正对数据部分的信道估计。
2、如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于：在用户数据传输速率大于每帧分配单码道单时隙的且采用最大扩频因子的传输速率的情况下，发信端首先将单个用户的数据分配在一帧的在时间上相邻且连续的复数个时隙上，在此基础上采用改变扩频因子长度或者分配更多码道。
3、如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于：所述的利用相邻时隙导频部分的信道估计值修正对数据部分的信道估计，采用插值方法或者自适应方法。
4、如权利要求3所述的信道估计方法，其特征在于：所述的插值方法是线性插值法、多项式插值法、或加权多时隙平均法之一，所述的自适应方法是最小均方算法、递归最小二乘法、或线性最小均方误差法之一。
5、如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于：所述的时分-码分多址移动通信系统是时分双工系统，也可以是频分双工系统。
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