CN1835483A

CN1835483A - 兼容ofdm技术的td－scdma系统中的信道估计的方法

Info

Publication number: CN1835483A
Application number: CN 200510112248
Authority: CN
Inventors: 陆阳阳
Original assignee: BEIHAO COMMUNICATION ELECTRONIC Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: BEIHAO COMMUNICATION ELECTRONIC Co Ltd SHANGHAI
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2006-09-20

Abstract

本发明提出了一种兼容OFDM技术的TD－SCDMA系统中的信道估计的方法，利用了TD－SCDMA的时分特性，对下行信道传输的PN信号进行精确的信道估计，并为其他的估计提供初值信息，提高了整个系统的估计精度，降低整个系统的复杂度。

Description

兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法

技术领域：

本发明涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)通信技术，特别是一种兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法。

背景技术：

最近二十年，随着数字信号处理和集成电路技术快速发展，正交频分复用(OFDM)技术正成为通信领域研究热点之一，它主要有抗多径、对冲激噪声有较强抵抗能力和高的频带利用率等优点。OFDM技术是多载波传输技术的一种，它将信息分割到多个正交载波上并行传送，由于频域子载波之间的正交性，OFDM信号可以在这些交叠的正交子载波上并行传送而不互相干扰。OFDM这种正交多载波的传送方式使它具有了抗符号串扰和保持较高的频谱利用率的能力。因此，现在OFDM技术已经广泛应用于数字声音广播(DAB)、数字电视广播(DVB)、数字用户线(xSDL)等领域，而且在许多无线移动接入系统中，OFDM技术都已经成为或将被采用为主要的技术标准之一，也被认为是第四代蜂窝移动通信系统的无线介入技术。

由我国自主提出的TD-SCDMA(时分同步码分多址)无线传输技术现已被国际电信联盟接纳为第三代移动通信标准之一，与欧洲支持的WCDMA和美国的cdma2000成为3G的主要国际标准。TD-SCDMA作为3G的标准之一，其无线传输方案灵活地综合了FDMA、TDMA和CDMA等基本传输方法，随着未来3G技术的发展，对频谱利用率的要求会越来越高，因此可以预见，未来的TD系统必然将融合频带利用率高的OFDM技术。

由于OFDM系统本身具有了信道分集的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式所利用，而OFDM系统自身的结构也为载波之间进行编码提供了机会，通过子载波之间的联合编码和交织，可以利用信道分集的特性对整体系统的性能进行改善。

在TD-SCDMA系统中，信道估计具有非常重要的作用，许多关键性技术，如智能天线、联合检测和同步技术等都是建立在对信道正确估计的基础上的，对信道估计的正确与否也将影响整个系统中算法实现的性能。因此，研究信道估计方法，是TD-SCDMA系统中迫切需要解决的问题。

因此，首先介绍一些现有的TD-SCDMA和OFDM各自的信道估计方法

1、OFDM技术在频域中插入导频(pilot)进行信道估计

OFDM系统中，在频域内插入导频(pilot)符号以完成信道估计，在发射端OFDM信息符号前插上时域循环前缀(CP)以消除时延拓展产生的符号间串扰(ISI)并同时保持接收端OFDM符号和信道冲击响应之间的循环卷积特性。

但频域内插入导频pilot要占去频谱资源，降低频谱利用率；而且快速的估计pilot在各个频率点处的值也不容易，所以这种系统在高速的移动环境中应用比较困难；而时域内插CP也占去了OFDM符号周期的10％～20％的时隙，但在系统中发挥的作用却并不十分理想；同时，OFDM系统还存在着信号同步不够快，在移动环境下信号重入难的弱点。

2、OFDM技术中的盲信道估计算法

盲信道估计不发送训练序列，可以进一步放松对信道条件的限制，在盲信道估计研究中，大多从接收信号的统计特性或本身性质，如循环平稳、恒模等出发来对信道自身的特征的进行估计。

但是算法的收敛速度较慢，不适合在高速移动的3G系统中实用，而且算法的实现需要知道信道的统计特性和解模糊处理，因此运算量大，不容易实现。

3、TD-SCDMA系统中使用的Steiner估计器

B.Steiner等人提出的一种基于准确同步的适用于同步CDMA系统的低代价的上、下行信道估计方法，将复杂的线性卷积化为简单的循环卷积，并用相关器予以实现，从而极大的简化了计算量和提高了估计速度。在理想信道估计情况下(即接受端准确知道信道的多径数量和每一径的时延)，估计得到的信道情况和信道的实际情况非常接近。

但是，在实际接收系统中，接收端是不可能准确知道信道信息的。此时，Steiner估计器的性能受信道中背景噪声的影响，输出端和输入端相比具有信噪比降低的缺点。直接使用这种估计方法估计得到的信道响应与真实值具有一定误差，并可能影响系统性能。

同时，以上各种方法均是在各自考虑OFDM和TD-SCDMA系统的信道估计，并没有考虑到两者兼容时信道估计的情况。

针对上述问题，需要提出一种简单有效的在兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，在TD-SCDMA系统中充分利用OFDM技术的特点，达到取长补短的效果。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提出一种兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，利用了TD-SCDMA的时分特性，对下行信道传输的PN信号进行精确的信道估计，并为其他的估计提供初值信息，提高了整个系统的估计精度，降低整个系统的复杂度。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明提供一种兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，包括以下步骤：

首先在接收端以伪随机信号PN序列进行信道估计，作为TGI/PN估计的初值；

接收端以TGI/PN作为训练序列进行信道估计；

对前一时刻的信道估计值进行处理；

通过合并运算得当前的信道估计值；

对误差大的信道估计值进行处理；

直到下一下行时隙PN序列进行精确的信道估计，此时原信道估计清零，由PN重新估计，PN估计的值作为TGI/PN估计的初值，继续上述过程。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

现在比较常用的信道估计方法是插入导频的估计方法，但频域pilot要占去频谱资源，降低频谱利用率；而且快速的估计pilot在各个频率点处的值也不容易，所以这种系统在高速的移动环境中应用比较困难；而时域CP也占去了时隙，但在系统中发挥的作用却并不十分理想。本发明充分利用了TD-SCDMA的TDD特点，充分利用了分时的优势，更合理的利用了频带资源，而时域用Steiner估计的方法也充分的利用了在时隙内不占多少的PN序列的作用，达到充分利用有限时隙的作用，效率也大为提高。

针对收敛速度慢的盲信道方法，本发明由于不需要大量的统计信息和先验知识，仅利用一些基本的通信工具处理。因此，在速度效益上是优于盲信道方法的，在系统复杂度的方法上也是如此。

对于Steiner估计器的方法，本发明不需要事先知道信道的情况，且利用了下行的精确的PN序列估计，而且采用了优化的Steiner估计器的方法进行其中的PN估计，提高的TD系统的整体性能，在TD-SCDMA系统中，不将Steiner估计器的方法作为唯一贯穿大结构的方法，而只将其作为其中一部分，从而提高了系统的稳健性，性能也得到上升。

本发明选用的PN码采用的是混沌随机序列，现有技术多采用m-序列的伪随机序列的生成方法。如前所述，混沌序列的性能较之m-序列有很多优势，混沌的方法在实用阶段非常新颖实用。

最后，本发明综合考虑了在TD-SCDMA系统中应用OFDM技术的信道估计方法，其本身就是重大的创作点和优势。

附图说明：

图1是本发明兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统的总体结构示意图。

图2是本发明兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统的信道估计中的基本帧的形式示意图。

图3是本发明兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统信道估计方法的流程图，

其中，PN：伪随机序列；

TGI/pn：保护间隔信号(TGI)为波形固定的随机序列序列，同时又可以消除由于时延扩展而产生的符号间串绕，并可以与OFDM数据信息符号一起作用以保持符号的循环卷积特性；

Steiner估计——Steiner估计器是一种低代价的信道估计方法。

图4是TD-SCDMA中的基本突发结构图。

具体实施方式：

兼容了OFDM技术的TD-SCDMA系统不仅具有TD-SCDMA的特性同时也具有OFDM的特性。如图1所示，OFDM这种多载波传输技术将需传送的信号分割到多个正交的子载波上并行传送，而TD-SCDMA采用CDMA和TDMA的多址技术，所以在传输中很容易设置一个上行和下行链路转换点，来根据需要控制上下行链路的自由转换，进一步的利用有限的频谱资源。

TD-SCDMA系统的信道由于其时分复用的传输模式，所以其上下行信道的信道特性相同。在上行链路中，接收到N个移动台经过N个信道向基站传送的N个用户信号，而在下行链路中，是由基站向N个移动台发送专用于信道估计的PN信号，由于是时分复用的系统，下行信道中由PN信号估计所得的信道估计将可以用做上行链路的信道估计的初值。

请参阅图2所示，为信道估计中的基本帧的结构形式。其中，下行链路传输的是专用于精确信道估计的PN信号，而上行链路传输的是用于传输数据信息的OFDM信息符号和用于辅助估计的TGI/PN信号。其中TGI/PN信号也可以消除数据信息由于符号扩展而产生的符号间串绕。

1、以伪随机信号PN序列进行信道估计：

由于发送的是已知的伪随机PN序列，在接收端可以获得伪随机序列的信道脉冲响应，因此可以直接得到由PN序列估计所得的信道估计H_PN。此步估计所得的信道估计H_PN可作为TGI/PN信号估计信道的初值。

2、由信号中的TGI/PN成分进行信道估计：

将每一个PN进行信道估计所得的估计精度较高的信道信息作为算法的初始值，接收端以TGI/PN作为训练序列进行信道估计，此处推荐使用Steiner信道估计算法，或其改进算法，得到信道估计值H_pn。

3、对前一时刻的信道估计值进行处理：

对前一时刻的信道估计值进行加权处理，其值将用于当前信道估计的运算中。

4、通过合并运算得当前的信道估计值：

对PN序列的信道估计H_PN，信号中TGI/PN成分的信道估计H_pn和经过处理的前一时刻的信道估计H_pre通过合并处理获得当前时刻的信道估计。

5、丢弃误差大的信道估计值：

设立门限值，由于信道具有缓慢变化的特性，所以相邻两信道的变化值不会很大，所以设立一门限值，若两时刻估计值变化超过该门限值，则舍弃该误差大的估计值，并令H_now＝H_pre。

在TD-SCDMA系统中，由于采用的是时分双工的工作模式，其上下行信道可以采用相同的频段。因此，在做信道估计时，只要估计出上行信道特性即可知下行信道特性，同理，也可以从下行信道的信道估计得出上行信道的特性，又由于TD系统的上下行信道的不对称性，可以在TDD模式下，方便地实现上/下行链路间的灵活切换。在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变，这样，运用TD-SCDMA这一技术，通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称技术，从而所以可以利用这一特性进行精确的信道估计。

本方法是利用时分出现的PN序列和TGI/PN序列相结合完成TD-SCDMA信道的估计。具体系统流程如下图3所示：

A、首先在接收端处理使接收信号获得同步，并采用序列接收设备将接收信号中的PN序列抽取出来。

B、当系统基站通过下行链路发射的PN序列被移动台接收，由系统使用LS算法进行信道估计得H_PN，或者直接用FFT的方法由系统对PN序列的信道响应进行信道估计得H_PN′。

如前所述可知，PN是一段特定的伪随机序列，通过奈奎斯特波形定理，PN信号的功率谱被限定在规定的发射信道带宽内，而在信道估计时，系统将PN序列作为一段训练序列进行信道估计，由于PN序列的伪随机性，其功率谱的幅值在整个发射带宽内为一常数。因此，系统利用PN序列可以直接估计出OFDM在每一个子载波频点处的信道估计值，而并不需要在频域内进行内插和外推处理，从而在保证了每一个子载波处的信号估计值具有相同的估计精度的同时，也大大降低了PN符号的接收估计精度要求。所以，同传统的OFDM系统中基于频域pilot的信道估计方法相比，既可以缩短完成信道估计的时间，又可以保证信道估计值的精度要求。

其中，LS算法：

LS(least-square，最小平方)信道估计就是从最小平方的意义上得到的信道估计器。它所采用的模型与MMSE(最小均方误差)信道估计所采用的相同。它可以将信道写成矩阵形式，并利用循环脉冲响应的LS估计器通过计算得到估计器的表达式。

LS估计器虽然误差性能不是最佳的，但它可以保证在一定误差性能的条件下，实现的复杂度很低。

另外，MMSE估计方法也可以采用。

或者，由于已知发送的PN序列，而在接收端，接收到了经过信道传输的信号，则：

C、以TGI/PN作为训练序列进行信道估计：

在信道上行链路中，发射的信号结构如图4所示。该图是TD-SCDMA中的基本突发结构，它由固定保护间隔序列TGI/PN时隙和包含数据信息的OFDM时隙组成。其中，TGI/PN由随机序列构成，作为信道估计的训练序列，而OFDM就负责传输数据信息。

采用Steiner估计器的方法处理TGI/PN所得的信道信息。在上行链路中，接收到的N个用户信号是N个移动台经过N条不同的无线信道传输到基站的。所以，N个无线信道的信道估计是基于N个不同的TGI/PN码字的。

为简化系统，可以构造，在同一时隙激活的不同用户的TGI/PN码是由同一个周期基本码的不同时移得到的，而不同时隙的用户则采用不同的基本周期码。于是，系统中同一时隙的所有子载波用户的信道冲激响应的联合检测估计就可以用一个循环相关器来实现。

Steiner估计器的算法十分经典，并且在TD-SCDMA系统中已经投入实际的运用，因此算法在此运用可以提高系统的强壮性。

但是，在实际的系统中，估计出来的信道响应相比较真实值仍然无可避免的有误差，而这些误差是由于信道中的噪声引起的，且输出端的噪声功率会大于实际信道的噪声功率，也就是说，由于在接收端进行的处理一般会扩大信道的冲激响应功率。所以，我们需要对Steiner估计器的估计结果进行改进。

采用对冲激响应功率值设立门限的方法进行改进，对于达不到门限值的结果予以舍弃，门限标准有两种：1、以最强径的功率的X％作为门限，小于该门限的径舍弃。在实际应用中，X％是根据实际检测的需要合经验设定的；2、以噪声功率的r倍为门限，当小于该门限的径予以舍弃，大于门限的径予以保留。在实际操作中，r的大小由检测实际情况和经验确定。

而在算法中以TGI/PN序列作为训练序列也是有特殊用意的。首先它使用PN序列的信道估计值作为训练初值，由于PN序列完成的信道估计不需要遇到在Steiner估计器信道估计时的循环卷积特性的恢复问题，也不需要依赖后期的门限处理。因此，PN序列获得的信道估计值的精度很高，作为TGI/PN训练序列的初值可以提高估计的精度；其次，TGI/PN序列是个伪随机序列，其模大于一，则它在一定程度上可以防止误符号的码间扩散，从而使得信道估计的误差也会随之减少。

D、对前一时刻的信道估计值进行处理：

为了防止由于迭代而引起的误符号的扩散，需要对前一时刻的信道估计值进行处理，以用于当前时刻信道的估计中，将该信号分为两路进行处理。一路先送入延迟器进行延时一个时间单位，然后再送入加权器，由加权器对其进行加权处理，得H_pre。其中处理中的权值的实际取值由实际的具体信道的变化快慢情况决定。

另一路送到信道的均衡设备，供信道进行均衡。

E、通过合并运算得当前的信道估计值：

由前述所得的三个信道估计值，PN序列的信道估计值H_PN，TGI/PN序列的信道估计值H_pn，和经过延时加权处理的前一时刻的信道估计值H_pre，对这三估计值进行等增益合并或最大比合并。

在分集接收中，在接收端从N个不同的独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术获得分集增益，合并采用的准则和方式主要分为三种：最大比合并、等增益合并和选择合并。本发明方法中使用最大比合并和等增益合并。

最大比合并(MRC)：

在接收端有N个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行合并。其中的增益系数是由各支路所对应的信号功率和噪声功率的比值所决定的，最大的输出SNR(信噪比)等于各路SNR之和。所以，即使当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解调出时，最大比算法仍有可能合成出一个近似正确率的输出信号。

正因为最大比合并之后信号的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，所以它是最佳的合并方式。

等增益合并：

将最大比合并中的增益系数归一相等则可构成等增益合并，等增益合并仅比最大比合并的性能差1.05dB。

对最大比合并和等增益合并，为了采用同相相加的方法，可以用一PN序列的相位信息作为参照，对各信号序列的相位统一进行处理。在这个过程中，要注意的是在接收端要准确提取PN序列的相位信息，以及各信号的同相相加。

F、对误差大的信道估计值进行处理：

由于本发明所述的信道是缓慢变化的信道，信道估计值不会有太大的变化，又为了防止由于迭代造成的误符号扩散，要对信道的估计值进行处理。

对H_now-H_pre的值进行计算，设立阈值η，η的值根据实际中的经验设定。

当该值小于η时，说明当前信道估计值有效，故保留；

当该值大于η时，当前信道估计误差过大，故仍保留前一时刻的估计值。

G、直到下一下行时隙PN序列进行精确的信道估计，此时原信道估计清零，由PN重新估计。PN估计的值作为TGI/PN估计的初值，继续上述过程。

本发明的PN随机序列在很多领域应用都被证实是非常好的方法，现在的混沌方法相比较其他的伪随机序列方法是比较新颖和性能优越的方法，混沌序列对于自身具有确定性的、易于实现的特点，它可用的序列数目多，同时也有好的相关特性。

对于一个混沌序列发生器，由两个不同初始状态产生的混沌扩频序列，其相关函数应几乎处处为零，这样可以使混沌序列易于产生，便于同步，并且对加性高斯白噪声和其它信道干扰有较强的鲁棒性，同时由于不同的初始状态能产生不同的混沌序列，因而可以增加通信系统的安全性。

所以在本发明具体实施例中也可使用混沌伪随机序列的方法。虽然所有的伪随机序列都可以用于本发明，但混沌序列的方法是性能最优的方法。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims

1、一种兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：包括以下步骤：

接收端以TGI/PN作为训练序列进行信道估计；

对前一时刻的信道估计值进行处理；

通过合并运算得当前的信道估计值；

对误差大的信道估计值进行处理；

2、根据权利要求1所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：由于发送的是已知的伪随机PN序列，在接收端可以获得伪随机序列的信道脉冲响应，因此首先在接收端处理，使接收信号获得同步，并采用序列接收设备将接收信号中的PN序列抽取出来，直接得到由PN序列估计所得的信道估计H_PN，此步估计所得的信道估计H_PN可作为TGI/PN信号估计信道的初值。

3、根据权利要求1或2所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：当系统基站通过下行链路发射的PN序列被移动台接收后，由系统使用最小平方LS算法进行信道估计得H_PN。

4、根据权利要求1或2所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：由系统直接用FFT的方法由系统对PN序列的信道响应进行信道估计得H_PN′，由于已知发送的PN序列，而在接收端，接收到了经过信道传输的信号，则：

5、根据权利要求1所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：所述接收端以TGI/PN作为训练序列进行信道估计是使用Steiner信道估计算法，得到信道估计值H_pn。

6、根据权利要求5所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：采用对冲激响应功率值设立门限的方法对Steiner估计器的估计结果进行改进，对于达不到门限值的结果予以舍弃。

7、根据权利要求5或6所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：对Steiner估计器的估计结果进行改进的门限标准有两种：1、以最强径的功率的X％作为门限，小于该门限的径舍弃；2、以噪声功率的r倍为门限，当小于该门限的径予以舍弃，大于门限的径予以保留。

8、根据权利要求1所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：为了防止由于迭代而引起的误符号的扩散，需要对前一时刻的信道估计值进行加权处理，以用于当前时刻信道的估计中，将该信号分为两路进行处理：一路先送入延迟器进行延时一个时间单位，然后再送入加权器，由加权器对其进行加权处理，得H_pre，其中处理中的权值的实际取值由实际的具体信道的变化快慢情况决定；另一路送到信道的均衡设备，供信道进行均衡。其值将用于当前信道估计的运算中。

9、根据权利要求1所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：对PN序列的信道估计H_PN，信号中TGI/PN成分的信道估计H_pn和经过处理的前一时刻的信道估计H_pre通过合并处理获得当前时刻的信道估计。

10、根据权利要求1或9所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：对PN序列的信道估计值H_PN，TGI/PN序列的信道估计值H_pn，和经过延时加权处理的前一时刻的信道估计值H_pre，进行等增益合并或最大比合并的处理。

11、根据权利要求10所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：所述最大比合并方法包括如下步骤：

在接收端有N个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行合并，其中的增益系数是由各支路所对应的信号功率和噪声功率的比值所决定的，最大的输出信噪比等于各路信噪比之和。

12、根据权利要求11所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：将最大比合并中的增益系数归一相等则可构成等增益合并，等增益合并仅比最大比合并的性能差1.05dB，对最大比合并和等增益合并，为了采用同相相加的方法，可以用一PN序列的相位信息作为参照，对各信号序列的相位统一进行处理，在这个过程中，要注意的是在接收端要准确提取PN序列的相位信息，以及各信号的同相相加。

13、根据权利要求1或9所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：所述的信道是缓慢变化的信道，信道估计值不会有太大的变化，为了防止由于迭代造成的误符号扩散，对信道的估计值进行处理的方法包括如下：

对H_now-H_pre的值进行计算，设立阈值η，η的值根据实际中的经验设定；

当该值小于η时，说明当前信道估计值有效，故保留；

14、根据权利要求1所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的信道估计的方法，其特征在于：本方法也可使用混沌伪随机序列的方法，对于一个混沌序列发生器，由两个不同初始状态产生的混沌扩频序列，其相关函数应几乎处处为零，便于同步，并且对加性高斯白噪声和其它信道干扰有较强的鲁棒性，同时由于不同的初始状态能产生不同的混沌序列，因而可以增加通信系统的安全性。