JP2007089167A - Method of channel estimation in orthogonal frequency division multiplexing system and channel estimator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動通信システムにおけるチャネル推定技術分野に関し、特に直交周波数分割多重(OFDM)システムにおけるチャネル推定方法及びチャネル推定器に関する。 The present invention relates to a channel estimation technical field in a mobile communication system, and more particularly to a channel estimation method and a channel estimator in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system.
現在、移動通信システムの発展に伴って、既に種々の新型サービスをサポートできるパーソナル移動通信端末が加入者に提供されている。これらのサービスは大量なデータの伝送が必要であるため、移動通信システムに対して更に高いビット伝送レートを要求する。普通のシングルキャリアシステムにおいて、更に高いビット伝送レートを使用すると、シンボル間干渉(ISI)と無線チャネルの厳しい周波数選択性フェージングのため、信号の有効受信が難しくなる。OFDM技術はISIを抑圧する能力を有すると共に、高い周波数スペクトラム効率を提供することができるため、次世代の無線移動通信システムで採用される可能性の一番高い伝送技術の一つとされている。OFDM技術は既にデジタル加入者回線、デジタルオーディオ/ビデオ放送、無線LANと無線MANなど様々な分野に広く応用されている。 Currently, along with the development of mobile communication systems, personal mobile communication terminals that can support various new services have already been provided to subscribers. Since these services require transmission of a large amount of data, a higher bit transmission rate is required for the mobile communication system. In an ordinary single carrier system, using a higher bit transmission rate makes it difficult to receive signals effectively due to intersymbol interference (ISI) and severe frequency selective fading of the radio channel. The OFDM technology has the ability to suppress ISI and can provide high frequency spectrum efficiency. Therefore, it is regarded as one of the transmission technologies most likely to be adopted in the next generation wireless mobile communication system. OFDM technology has already been widely applied in various fields such as digital subscriber lines, digital audio / video broadcasting, wireless LAN and wireless MAN.
通信システムの無線移動チャネル環境での良い性能を保証するために、必ず常に変化するマルチパス無線フェージングチャネルをなるべく正確に推定するべきであるが、これは高速移動の場合において特に困難である。チャネル推定の品質はOFDMシステムの性能に対し大きな影響を与えるが、現在、実用的なチャネル推定方法は、一般に既知のパイロット(pilot)情報を用いている。 In order to guarantee good performance in a radio mobile channel environment of a communication system, a constantly changing multipath radio fading channel should be estimated as accurately as possible, which is particularly difficult in the case of high-speed movement. Although the quality of channel estimation has a great influence on the performance of an OFDM system, currently practical channel estimation methods generally use known pilot information.
一方、使用する推定アルゴリズムによってパイロットに基づくチャネル推定は最小二乗(LS)推定と最小平均二乗誤差(MMSE)推定に分けられ、普通、MMSE推定の方がLS推定に比べて更に高いチャネル推定精度を有する。他方、処理プロセスに応じてパイロットに基づくチャネル推定は周波数領域での推定と時間領域での推定に分けられ、一般的には時間領域での推定の方が周波数領域での推定に比べて更に高いチャネル推定精度と更に低い計算複雑度を有する。同時に、サブスペーストラッキング技術によって有効に信号と雑音を分割し、それによってチャネル推定の精度を大幅に高めることができる。 On the other hand, pilot-based channel estimation is divided into least square (LS) estimation and minimum mean square error (MMSE) estimation, depending on the estimation algorithm used. Usually, MMSE estimation has higher channel estimation accuracy than LS estimation. Have. On the other hand, depending on the processing process, pilot-based channel estimation is divided into frequency domain estimation and time domain estimation, and in general, time domain estimation is higher than frequency domain estimation. It has channel estimation accuracy and lower computational complexity. At the same time, the signal and noise can be effectively divided by the subspace tracking technique, thereby greatly improving the accuracy of channel estimation.
図1は従来技術のOFDMシステムにおける時間領域でのMMSEチャネル推定方法のフローチャートである。図1に示すように、
システム送信機によって生成されたチャネル推定に用いられるOFDMパイロット信号をOFDMシンボル内に挿入し、挿入されるパイロット信号は時間的に連続、かつ一定サブキャリア数毎に配置(以下、櫛型配置)されるステップ101と、
パイロット信号位置のチャネルについて周波数領域でのLSチャネル推定を行うステップ102と、
優先的に逆高速フーリエ変換(IFFT)を採用して、ステップ102における周波数領域でのLSチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換させるステップ103と、
時間領域でのMMSEチャネル推定を行うステップ104と、
時間領域でのMMSEチャネル推定を周波数領域に変換し戻して、完全なチャネル推定結果を得るステップ105とを含む。
FIG. 1 is a flowchart of an MMSE channel estimation method in the time domain in a conventional OFDM system. As shown in Figure 1,
An OFDM pilot signal used for channel estimation generated by the system transmitter is inserted into an OFDM symbol, and the inserted pilot signal is temporally continuous and arranged for every certain number of subcarriers (hereinafter, comb-shaped arrangement). Step 101,
Performing
Performing
Transforming the time domain MMSE channel estimate back to the frequency domain to obtain a complete
ただし、この方法では、チャネル中の信号と雑音を分離していない。即ち、チャネルインパルス応答と雑音を分離していないため、雑音が信号に干渉を与え、それによってチャネル推定精度が著しく低減されている。同時に、この方法では、時間領域でのMMSEチャネル推定を行う時、逆行列を求める演算をする必要があるため、複雑度が非常に高くなる。 However, this method does not separate the signal and noise in the channel. That is, since the channel impulse response and noise are not separated, the noise interferes with the signal, thereby significantly reducing the channel estimation accuracy. At the same time, in this method, when performing MMSE channel estimation in the time domain, it is necessary to perform an operation for obtaining an inverse matrix, so that the complexity becomes very high.
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、本発明の主な目的は、チャネル推定の精度を高めることのできるOFDMシステムにおけるチャネル推定方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and a main object of the present invention is to provide a channel estimation method in an OFDM system capable of improving the accuracy of channel estimation.
本発明の他の目的は、チャネル推定の精度を高めることのできるOFDMシステムにおけるチャネル推定器を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a channel estimator in an OFDM system capable of improving the accuracy of channel estimation.
上記の目的を達成するために、本発明の技術方案は下記のように実現されたものである。 In order to achieve the above object, the technical solution of the present invention is realized as follows.
OFDMシステムにおけるチャネル推定方法であって、
パイロット信号をOFDMシンボル内に挿入し、前記パイロット信号位置におけるチャネルについて周波数領域でのチャネル推定を行い、周波数領域でのチャネル推定結果を取得するステップAと、
前記周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換して時間領域のチャネルインパルス応答推定を取得し、前記時間領域のチャネルインパルス応答推定の自己相関行列について時間領域でのサブスペーストラッキングを行うステップBと、
前記時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく時間領域のチャネルインパルス応答推定を計算し、前記時間領域のチャネルインパルス応答推定を周波数領域に変換して周波数領域のチャネル応答推定を取得するステップCとを含む。
A channel estimation method in an OFDM system,
Inserting a pilot signal into an OFDM symbol, performing channel estimation in the frequency domain for a channel at the pilot signal position, and obtaining a channel estimation result in the frequency domain; and
Transform the channel estimation result in the frequency domain from the frequency domain to the time domain to obtain a time domain channel impulse response estimate, and perform subspace tracking in the time domain for the autocorrelation matrix of the time domain channel impulse response estimation. Step B to do,
Calculating a time domain channel impulse response estimate based on the subspace tracking in the time domain, and converting the time domain channel impulse response estimate into the frequency domain to obtain a frequency domain channel response estimate. .
ステップAにおいて、OFDMシンボル内に挿入する前記パイロット信号は、櫛型配置のパイロット信号、又はブロックタイプのパイロット信号を挿入することである。 In step A, the pilot signal to be inserted into the OFDM symbol is to insert a comb-arranged pilot signal or a block-type pilot signal.
ステップAにおいて、前記パイロット信号位置におけるチャネルについて周波数領域のLSチャネル推定を行い、又は周波数領域のMMSEチャネル推定を行う。 In step A, frequency domain LS channel estimation is performed on the channel at the pilot signal position, or frequency domain MMSE channel estimation is performed.
ステップBにおいて、前記周波数領域チャネルの推定結果に対して逆高速フーリエ変換を行うことにより、前記周波数領域チャネルの推定結果を周波数領域から時間領域に変換する。 In step B, the frequency domain channel estimation result is transformed from the frequency domain to the time domain by performing an inverse fast Fourier transform on the frequency domain channel estimation result.
ステップAにおいて、前記パイロット信号の位置におけるチャネルについて周波数領域での最小二乗LSチャネル推定を行い、
ステップBにおいて、前記時間領域でのチャネルインパルス応答推定の自己相関行列についてサブスペーストラッキングを行い、ここで前記サブスペーストラッキングでは予め定められた忘却係数を用いて中間変数の繰り返し計算が実行され、前記繰り返し計算においては中間変数のQR分解値、位相回転行列、及び前記チャネルインパルス応答推定の自己相関行列が用いられ、同時に次の繰り返し計算に用いられるQR分解値、及び位相回転行列の更新が行なわれる。
In step A, perform a least-squares LS channel estimation in the frequency domain for the channel at the position of the pilot signal,
In step B, subspace tracking is performed on the autocorrelation matrix of the channel impulse response estimation in the time domain, where the subspace tracking performs repeated calculation of intermediate variables using a predetermined forgetting factor, In the iterative calculation, the QR decomposition value of the intermediate variable, the phase rotation matrix, and the autocorrelation matrix of the channel impulse response estimation are used, and at the same time, the QR decomposition value and the phase rotation matrix used for the next iterative calculation are updated. .
ステップBにおいて、更に各OFDMシンボルでのパイロットサブキャリア数、サブスペース次元の最大値、及びデータパワーを用いて雑音パワーを推定する。 In step B, the noise power is further estimated using the number of pilot subcarriers in each OFDM symbol, the maximum value of the subspace dimension, and the data power.
前記忘却係数
の範囲は、
である。 It is.
前記忘却係数
の範囲は
であるのが好ましい。 Is preferred.
予め閾値
を設定し、ステップBにおいて、更に雑音パワー
の
倍以上の固有値
を選択し、選択された固有値
に基づいてサブスペースの次元
を確定し、ここで、
である。 It is.
前記
の範囲は
であるのが好ましい。 Is preferred.
ステップCにおいて、時間領域のサブスペーストラッキングに基づいて時間領域のLSチャネルインパルス応答推定を計算し、前記ステップCは、
時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく時間領域でのLSチャネルインパルス応答推定を計算し、前記LSチャネルインパルス応答推定にゼロパディングした後、高速フーリエ変換を行って、前記周波数領域でのチャネル応答推定を取得することを含む。
In step C, calculate a time domain LS channel impulse response estimate based on time domain subspace tracking, said step C comprising:
After calculating the LS channel impulse response estimation in the time domain based on subspace tracking in the time domain, zero padding the LS channel impulse response estimation, and performing a fast Fourier transform to estimate the channel response in the frequency domain Including getting.
ステップCにおいて、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく時間領域でのMMSEチャネルインパルス応答推定を計算し、前記ステップCは、
時間領域のサブスペーストラッキングに基づくMMSEチャネルインパルス応答推定を計算し、前記MMSEチャネルインパルス応答推定にゼロパディングした後、高速フーリエ変換を行い、前記周波数領域でのチャネル応答推定を取得することを含む。
In step C, calculate an MMSE channel impulse response estimate in the time domain based on subspace tracking in the time domain, said step C,
Calculating an MMSE channel impulse response estimate based on time-space subspace tracking, zero padding the MMSE channel impulse response estimate, and performing a fast Fourier transform to obtain a channel response estimate in the frequency domain.
OFDMシステムにおけるチャネル推定器であって、
パイロット信号の位置におけるチャネルについて周波数領域でのチャネル推定を行い、周波数領域でのチャネル推定結果を取得するパイロット信号位置周波数領域チャネル推定ユニットと、
時間領域でのチャネルインパルス応答推定を取得するように、前記周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換する周波数領域/時間領域変換ユニットと、
前記時間領域でのチャネルインパルス応答推定の自己相関行列について時間領域でサブスペーストラッキングを行うサブスペーストラッキングユニットと、
前記時間領域でのサブスペーストラッキングに基づいて時間領域でのチャネルインパルス応答推定を計算する時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく推定ユニットと、
前記時間領域でのチャネルインパルス応答推定を周波数領域に変換して、周波数領域でのチャネル応答推定を取得する時間領域/周波数領域変換ユニットとを含む。
A channel estimator in an OFDM system,
A pilot signal position frequency domain channel estimation unit that performs channel estimation in the frequency domain for a channel at the position of the pilot signal and obtains a channel estimation result in the frequency domain;
A frequency domain / time domain transform unit that transforms the channel estimation result in the frequency domain from the frequency domain to the time domain so as to obtain a channel impulse response estimate in the time domain;
A subspace tracking unit that performs subspace tracking in the time domain for an autocorrelation matrix of channel impulse response estimation in the time domain;
An estimation unit based on subspace tracking in the time domain that calculates a channel impulse response estimate in the time domain based on the subspace tracking in the time domain;
A time domain / frequency domain transform unit that transforms the channel impulse response estimate in the time domain into the frequency domain to obtain a channel response estimate in the frequency domain.
前記パイロット信号位置周波数領域チャネル推定ユニットは、パイロット信号位置周波数領域チャネルLS推定ユニット、又はパイロット信号位置周波数領域チャネルMMSE推定ユニットである。 The pilot signal position frequency domain channel estimation unit is a pilot signal position frequency domain channel LS estimation unit or a pilot signal position frequency domain channel MMSE estimation unit.
前記チャネル推定器は、時間領域での雑音パワーを推定する雑音パワー推定ユニットと、前記サブスペーストラッキングにおいてチャネル推定に用いられるサブスペースの次元を確定するサブスペース次元確定ユニットを更に含み、
前記時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく推定ユニットは、前記サブスペーストラッキングと、前記雑音パワーと前記サブスペースの次元とに基づいてチャネルインパルス応答推定を計算する。
The channel estimator further includes a noise power estimation unit that estimates noise power in a time domain, and a subspace dimension determination unit that determines a dimension of a subspace used for channel estimation in the subspace tracking,
An estimation unit based on subspace tracking in the time domain calculates a channel impulse response estimate based on the subspace tracking, the noise power and the dimension of the subspace.
前記時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく推定ユニットは、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくLS推定ユニット又は時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくMMSE推定ユニットである。 The estimation unit based on subspace tracking in the time domain is an LS estimation unit based on subspace tracking in the time domain or an MMSE estimation unit based on subspace tracking in the time domain.
前記OFDMシステムは、シングルアンテナOFDMシステム又はマルチアンテナOFDMシステムである。 The OFDM system is a single antenna OFDM system or a multi-antenna OFDM system.
上記の技術方案からわかるように、本発明のOFDMシステムにおけるチャネル推定方法において、周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換して、時間領域でのチャネルインパルス応答推定を取得し、時間領域でのチャネルインパルス応答推定の自己相関行列についてサブスペーストラッキングを行う。従って、本発明は、サブスペーストラッキングに基づいてチャネルインパルス応答を計算することにより、信号と雑音を分離させ、雑音による信号への干渉を著しく低減させることで、チャネル推定精度を極めて高めている。また、本発明で、MMSEチャネル推定の応用を具体的に結びつけることができ、それによってチャネル推定精度をさらに高めており、且つ、時間領域でのMMSEチャネル推定を行う時、逆行列を求める演算を行う必要がなく、それによって複雑度を低減させた。また、本発明の応用はチャネルの統計情報を必要としなく、常に変更されているチャネルをトラッキングしている。なお、本発明の適用範囲は広くて、シングルアンテナのOFDMシステムのみではなく、マルチアンテナのOFDMシステムにも適用することができる。 As can be seen from the above technical scheme, in the channel estimation method in the OFDM system of the present invention, the channel estimation result in the frequency domain is converted from the frequency domain to the time domain to obtain the channel impulse response estimation in the time domain, Subspace tracking is performed on the autocorrelation matrix for channel impulse response estimation in the time domain. Therefore, the present invention greatly increases the channel estimation accuracy by calculating the channel impulse response based on subspace tracking, thereby separating the signal and noise, and significantly reducing interference with the signal due to noise. Further, in the present invention, the application of MMSE channel estimation can be specifically linked, thereby further improving channel estimation accuracy, and when performing MMSE channel estimation in the time domain, an operation for obtaining an inverse matrix is performed. There was no need to do so, thereby reducing complexity. Also, the application of the present invention does not require channel statistics, and always tracks channels that are changing. Note that the application range of the present invention is wide, and can be applied not only to a single antenna OFDM system but also to a multi-antenna OFDM system.
同時に、本発明に係るOFDMシステムにおけるチャネル推定器において、サブスペーストラッキングユニットは時間領域でのチャネル推定の自己相関行列についてサブスペーストラッキングを行い、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく推定ユニットはサブスペーストラッキングに基づいてチャネルインパルス応答を計算することで、信号と雑音との分離が同様に実現されている。従って、雑音による信号への干渉を著しく低減させることにより、チャネル推定精度を極めて高めている。且つ、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく推定ユニットは、サブスペーストラッキングと、雑音パワーとサブスペースの次元とに基づいてMMSEチャネル推定を用いてチャネルインパルス応答を計算するのが好ましく、それによってチャネル推定精度を更に高めている。なお、本発明のチャネル推定器を用いて時間領域でのMMSEチャネル推定を行う時、逆行列を求める演算を行う必要がないことにより、複雑度を極めて低減させている。 At the same time, in the channel estimator in the OFDM system according to the present invention, the subspace tracking unit performs subspace tracking on the autocorrelation matrix of channel estimation in the time domain, and the estimation unit based on subspace tracking in the time domain is subspace. By calculating the channel impulse response based on the tracking, the separation of the signal and the noise is realized as well. Therefore, the channel estimation accuracy is greatly enhanced by significantly reducing interference with signals due to noise. Also, the estimation unit based on subspace tracking in the time domain preferably calculates the channel impulse response using MMSE channel estimation based on subspace tracking and noise power and subspace dimensions, whereby the channel The estimation accuracy is further increased. Note that when performing MMSE channel estimation in the time domain using the channel estimator of the present invention, it is not necessary to perform an operation for obtaining an inverse matrix, thereby greatly reducing the complexity.
本発明の目的、技術方案とメリットを更に明確にするために、以下、図面と具体的な実施形態を参照して本発明を更に詳しく説明する。 In order to further clarify the objects, technical solutions and merits of the present invention, the present invention will be described in more detail below with reference to the drawings and specific embodiments.
本発明のチャネル推定方法は時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくものである。図2は本発明でOFDMシステムにおける時間領域でのチャネル推定方法のフローチャートである。 The channel estimation method of the present invention is based on subspace tracking in the time domain. FIG. 2 is a flowchart of a channel estimation method in the time domain in an OFDM system according to the present invention.
図2に示すように、
ステップ201で、パイロット信号をOFDMシンボルに挿入し、パイロット信号の位置のチャネルについて周波数領域でチャネル推定を行う。
As shown in Figure 2,
In step 201, a pilot signal is inserted into an OFDM symbol, and channel estimation is performed in the frequency domain for the channel at the position of the pilot signal.
ここで、一般に、チャネル推定に用いられるOFDMパイロット信号はシステム送信機によって生成され、生成されたOFDMパイロット信号はOFDMシンボル内に挿入される。この中で、挿入されたパイロット信号は櫛型配置のパイロット信号でもいいし、ブロックタイプのパイロット信号でもいいが、高速に変化する無線フェージングチャネルを有効にトラッキングするためには、パイロットパターンが等間隔である櫛型配置のパイロット信号を挿入するのが好ましい。ブロックタイプのパイロットの挿入を採用すると、常に変化するチャネルへのトラッキングを実現するために、受信側に判定フィードバックモジュールを追加する必要がある。また、ここでパイロット信号位置におけるチャネルに対して行われる周波数領域でのチャネル推定はLSチャネル推定でもいいし、MMSEチャンネル推定でもいいが,ここでは簡単のためLSチャネル推定を採用することが好ましい。 Here, generally, an OFDM pilot signal used for channel estimation is generated by a system transmitter, and the generated OFDM pilot signal is inserted into an OFDM symbol. Among these, the inserted pilot signal may be a comb-type pilot signal or a block type pilot signal, but in order to effectively track a radio fading channel that changes at high speed, the pilot pattern is equally spaced. It is preferable to insert a pilot-shaped pilot signal. If block type pilot insertion is employed, it is necessary to add a decision feedback module on the receiving side in order to realize tracking to a constantly changing channel. Here, the channel estimation in the frequency domain performed for the channel at the pilot signal position may be LS channel estimation or MMSE channel estimation, but it is preferable to adopt LS channel estimation here for simplicity.
ステップ202で、周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換して、時間領域でのチャネルインパルス応答推定を取得し、時間領域でのチャネルインパルス応答推定の自己相関行列についてサブスペーストラッキングを行う。 Step 202 transforms the channel estimation result in the frequency domain from the frequency domain to the time domain to obtain a channel impulse response estimate in the time domain, and subspace tracking the autocorrelation matrix of the channel impulse response estimation in the time domain I do.
ここで、周波数領域チャネル推定についてIFFT変換を行うことで、前記周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換するのが好ましい。ただし、周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換する方式はIFFT変換に限らない。また、時間領域でのインパルス応答推定の自己相関行列についてサブスペーストラッキングを行うことには、中間変数の更新、中間変数のQR分解、及び位相回転行列の更新が含まれる。サブスペーストラッキングを行うと同時に、雑音パワーを更に推定するのが好ましい。 Here, it is preferable to convert the channel estimation result in the frequency domain from the frequency domain to the time domain by performing IFFT transform for frequency domain channel estimation. However, the method of converting the channel estimation result in the frequency domain from the frequency domain to the time domain is not limited to IFFT conversion. Also, performing subspace tracking on the autocorrelation matrix for impulse response estimation in the time domain includes updating of intermediate variables, QR decomposition of intermediate variables, and updating of phase rotation matrices. It is preferable to further estimate the noise power simultaneously with performing the subspace tracking.
ステップ203で、サブスペーストラッキングに基づくチャネルインパルス応答推定を計算し、サブスペーストラッキングに基づくチャネルインパルス応答推定を周波数領域に変換させて、周波数領域でのチャネル応答推定を取得する。
In
ここで、時間領域でのサブスペーストラッキングと雑音パワー推定の結果に基づいて、チャネル推定に用いられる固有ベクトルと固有値を選択し、その後、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくLS推定又は時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくMMSE推定をそれぞれ計算する。一般的に、MMSE推定の精度がより良いため、ここではMMSE推定を用いるのが好ましい。そして、完全の周波数領域でのチャネル応答推定を取得するために、取得されたLS推定とMMSE推定についてそれぞれゼロパディングした後にFFT変換を行う。雑音を有効に除去するために、サブスペースの次元をさらにダイナミックに確定するのが好ましい。一定倍数の雑音パワー以上である固有値及びそれと対応する固有ベクトルだけが、チャネル推定に用いられる。 Here, eigenvectors and eigenvalues used for channel estimation are selected based on the results of subspace tracking and noise power estimation in the time domain, and then LS estimation based on subspace tracking in the time domain or time domain. MMSE estimation based on subspace tracking is calculated respectively. In general, MMSE estimation is preferably used here because the accuracy of MMSE estimation is better. Then, in order to acquire the channel response estimation in the complete frequency domain, each of the acquired LS estimation and MMSE estimation is zero-padded and then subjected to FFT conversion. In order to effectively remove noise, it is preferable to determine the dimension of the subspace more dynamically. Only eigenvalues greater than a certain multiple of noise power and the corresponding eigenvectors are used for channel estimation.
また、本発明に係るチャネル推定方法は、シングルアンテナのOFDMシステムに適応するだけではなく、多入力多出力OFDM(MIMO-OFDM)システムにも同様に適応する。MIMO-OFDMシステムに対して、直交なパイロット信号を異なる送信アンテナに割り当てればいい。 Further, the channel estimation method according to the present invention is not only adapted to a single antenna OFDM system, but also to a multi-input multi-output OFDM (MIMO-OFDM) system. For MIMO-OFDM systems, orthogonal pilot signals can be assigned to different transmit antennas.
以下、本発明方法のアルゴリズム原理を詳細に説明する。 Hereinafter, the algorithm principle of the method of the present invention will be described in detail.
まず、符号を定義する。
はOFDMシンボルのサブキャリア数を表し、
は各OFDMシンボル内のパイロットサブキャリア数を表し、
は最大マルチパス遅延に対応するサンプル数(通常はサイクリックプレフィックスの長さ以下である)を表し、
は時間変数である。 Is a time variable.
システム設計を行う時、周波数領域でのサンプリング定理から
を保証する必要があることが分かる。
、時点
での周波数領域でのチャネル応答ベクトルを表す。
、時点
での時間領域でのチャネルインパルス応答ベクトルを表す。
はDFT行列であり、ここで、
。
はマッピング行列を表す。
、時点
での受信信号を表す。
、時点
での加法的白色ガウス雑音を表す。
、時点
での送信信号を表す。 Represents the transmitted signal at.
パイロット信号の位置の相応変数をそれぞれ
として表すと、下記の関係になる。
まず、パイロット信号の位置について周波数領域でチャネル推定を行う。ここで、LS推定が好ましい。すると、
。 .
この時、
について
点のIFFT変換を行って得られた時間領域でのチャネルインパルス応答のLS推定は下記のようである。
を入力信号として使用し、
の自己相関行列
についてサブスペーストラッキングを行う。 Perform subspace tracking for.
ここで、初期化
で、
はサブスペース次元の最大値であり、
は正規直交行列、
は位相回転行列、
は忘却係数、
は中間変数である。 Is an intermediate variable.
サブスペーストラッキング
には以下が含まれる。
を更新して、
を得、ここで、
は
の共役転置であり、
についてQR分解を行って、
を得、
を更新して、
を得、ここで、
は
の共役転置であり、
アルゴリズムの収束に従って、
As the algorithm converges,
は
の固有ベクトル行列に近づき、
は
の固有値の対角行列
に近づく。 Get closer to.
サブスペーストラッキングを行うと同時に、雑音パワー
について推定を行うのが好ましい。
ここで、
はデータパワーである。
一方、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくチャネル推定を行う時、雑音を有効に除去するために、サブスペースの次元
をダイナミックに確定する必要があり、下記の関係を満たす固有値及びそれと対応する固有ベクトルだけが、チャネル推定に用いられる。即ち、
、ここで、
。 .
また、具体的な実施プロセスにおいて、人為的に設定する必要のあるパラメータは、主に忘却係数
と閾値
である。シミュレーションを通じてわかるように、この二つのパラメータの選択はチャネル環境に対してそれほど敏感ではないので、一定の範囲を満足すればいい。普通、
である。より理想的なチャネル推定性能に達するために、
が好ましい。 Is preferred.
前記時間領域でのサブスペーストラッキングと雑音パワー推定の結果に基づいて、チャネル推定に用いられる固有ベクトル行列
と固有値の対角行列
を選択する。ここで、
は
の前
列であり、
は
の左上角の
次元の要素だけを含む。 Contains only dimension elements.
そして、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくLS推定
とMMSE推定
をそれぞれ計算することができる。 Can be calculated respectively.
ここで、
LS推定を行うと、LS推定
When LS estimation is performed, LS estimation
は、
である。 It is.
MMSE推定を行うと、MMSE推定
は、
である。
についてゼロパディングした後、K点のFFT変換を行うと、完全の周波数領域でのチャネル応答推定
をそれぞれ得ることができる。 Can be obtained respectively.
LS推定を行うと、
。 .
MMSE推定を行うと、
。 .
説明すべきのものは、具体的にアルゴリズムを実現する際に、無線チャネルのパワー遅延スペクトルが指数減衰の特性を満足し、これは
において時間的に後半部分のサンプルは主に雑音からなることを意味していることを考慮して、時間領域で
のサブスペーストラッキングを行う時、完全な
を使用するのではなく、
の前部分のサンプルだけを用いてもいい。取捨の具体的な比例は、チャネル環境によって決められ、普通
の前半部分だけを用いる。このようにして、チャネル推定精度を高めるだけではなく、計算の複雑度を低減させることができる。 Only the first half of is used. In this way, not only the channel estimation accuracy can be increased, but also the computational complexity can be reduced.
ここまで、本発明のアルゴリズム原理について詳細に説明した。 So far, the algorithm principle of the present invention has been described in detail.
図3は本発明の一実施例に基づくOFDMシステムにおけるチャネル推定器を示す図である。図3に示すように、当該チャネル推定器は、パイロット信号位置のチャネルについて周波数領域でのLSチャネル推定を行うパイロット信号位置周波数領域チャネルLS推定ユニット301と、周波数領域でのLSチャネル推定結果を時間領域に変換する周波数領域/時間領域変換ユニット302と、時間領域でのチャネルLS推定の自己相関行列についてサブスペーストラッキングを行うサブスペーストラッキングユニット303と、時間領域での雑音パワーを推定する雑音パワー推定ユニット304と、前記サブスペーストラッキングでチャネル推定に用いられるサブスペースの次元を確定する次元確定ユニット306と、前記サブスペーストラッキングと、前記サブスペースの次元と前記雑音パワーとに基づいてMMSE推定を計算する時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくMMSE推定ユニット305と、前記MMSE推定を周波数領域に変換して、周波数領域でのチャネル応答推定を得る時間領域/周波数領域変換ユニット307とを含む。
FIG. 3 is a diagram illustrating a channel estimator in an OFDM system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the channel estimator includes a pilot signal position frequency domain channel
ここで、チャネル推定精度に対する要求があまり高くない場合には、チャネル推定器の構造を簡略化するために、雑音パワー推定ユニット304と次元確定ユニット306を省いていい。このとき、当該時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくMMSE推定ユニット305はサブスペーストラッキングだけに基づいてMMSE推定を計算する。且つ、周波数領域/時間領域変換ユニット302はIFFTユニットであるのが好ましい。時間領域/周波数領域変換ユニット307はFFTユニットであるのが好ましい。
Here, when the demand for channel estimation accuracy is not so high, the noise
図4は本発明の他の実施例に基づくOFDMシステムにおけるチャネル推定器を示す図である。図4に示すように、当該チャネル推定器は、パイロット信号の位置のチャネルについて周波数領域でLSチャネル推定を行うパイロット信号位置周波数領域チャネルLS推定ユニット401と、周波数領域でのLSチャネル推定を時間領域に変換する周波数領域/時間領域変換ユニット402と、時間領域でのチャネルLS推定の自己相関行列についてサブスペーストラッキングを行うサブスペーストラッキングユニット403と、時間領域での雑音パワーを推定する雑音パワー推定ユニット404と、前記サブスペーストラッキング中のチャネル推定に用いられるサブスペースの次元を確定する次元確定ユニット406と、前記サブスペーストラッキングと、前記サブスペースの次元と前記雑音パワーとに基づいてLS推定を計算する時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくLS推定ユニット405と、前記LS推定を周波数領域に変換して、周波数領域でのチャネル応答推定を得る時間領域/周波数領域変換ユニット407とを含む。
FIG. 4 is a diagram illustrating a channel estimator in an OFDM system according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the channel estimator includes a pilot signal position frequency domain channel
ここで、チャネル推定精度に対する要求があまり高くない場合には、チャネル推定器の構造を簡略化するために、雑音パワー推定ユニット404と次元確定ユニット406を省いていい。このとき、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくLS推定ユニット405はサブスペーストラッキングだけに基づいてLS推定を計算する。同時に、周波数領域/時間領域変換ユニット402はIFFTユニットであるのが好ましい。時間領域/周波数領域変換ユニット407はFFTユニットであるのが好ましい。
Here, when the demand for channel estimation accuracy is not so high, the noise
要するに、本発明は時間領域でのサブスペーストラッキングに基づいてチャネル推定を行い、信号と雑音を分離させている。従って、雑音による信号への干渉を著しく低減させており、それによってチャネル推定精度を極めて高めている。また、本発明で、チャネル推定精度を更に高めるために、時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくMMSEアルゴリズムを用いて推定を行うのが好ましい。 In short, the present invention performs channel estimation based on subspace tracking in the time domain, and separates signal and noise. Therefore, the interference with the signal due to noise is remarkably reduced, thereby greatly increasing the channel estimation accuracy. In the present invention, in order to further improve the channel estimation accuracy, it is preferable to perform estimation using an MMSE algorithm based on subspace tracking in the time domain.
図5は本発明と従来技術を用いるシミュレーションの比較図である。この中で、曲線1、2、3はそれぞれ従来技術でのLSチャネル推定方法と、MMSEチャネル推定方法と、LSと周波数サブスペーストラッキングを相互に結びつけた方法とを用いて得られたチャネル推定器の性能曲線図であり、曲線4は本発明の方法に基づくチャネル推定器の性能曲線図である。図5でわかるように、各種の従来技術と比べて、チャネル推定精度は著しく改善され、計算の複雑性も低減されている。従って、本発明を高移動性と低SNRの環境に使用するのは非常に有利なことである。
FIG. 5 is a comparison diagram of simulations using the present invention and the prior art. Among them, curves 1, 2, and 3 are channel estimators obtained by using the conventional LS channel estimation method, the MMSE channel estimation method, and the method that combines LS and frequency subspace tracking, respectively. And
上記は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明の精神と原則内で行われる種々の修正、均等切替、改善などは全て本発明の保護範囲内に含まれるべきである。 The above are only preferred embodiments of the present invention and do not limit the protection scope of the present invention. Various modifications, equivalent switching, improvements and the like made within the spirit and principle of the present invention should all be included in the protection scope of the present invention.
301…パイロット信号位置周波数領域チャネル推定ユニット
302…周波数領域/時間領域変換ユニット
303…サブスペーストラッキングユニット
304…雑音パワー推定ユニット
305…MMSE推定ユニット
306…次元確定ユニット
307…時間領域/周波数領域変換ユニット
401…パイロット信号位置周波数領域チャネル推定ユニット
402…周波数領域/時間領域変換ユニット
403…サブスペーストラッキングユニット
404…雑音パワー推定ユニット
405…LS推定ユニット
406…次元確定ユニット
407…時間領域/周波数領域変換ユニット
301 ... Pilot signal position frequency domain channel estimation unit
302 ... Frequency domain / time domain conversion unit
303… Subspace tracking unit
304 ... Noise power estimation unit
305 ... MMSE estimation unit
306 ... Dimension determination unit
307… Time domain / frequency domain conversion unit
401 ... Pilot signal position frequency domain channel estimation unit
402: Frequency domain / time domain conversion unit
403 ... Subspace tracking unit
404 ... Noise power estimation unit
405 ... LS estimation unit
406 ... Dimension determination unit
407… Time domain / frequency domain conversion unit
Claims (17)
パイロット信号をOFDMシンボル内に挿入し、前記パイロット信号位置におけるチャネルについて周波数領域でのチャネル推定を行って周波数領域でのチャネル推定結果を取得するステップAと、
前記周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換して時間領域でのチャネルインパルス応答推定を取得し、前記時間領域でのチャネルインパルス応答推定の自己相関行列について時間領域でのサブスペーストラッキングを行うステップBと、
前記時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく時間領域でのチャネルインパルス応答推定を計算し、前記時間領域でのチャネルインパルス応答推定を周波数領域に変換して周波数領域でのチャネル応答推定を取得するステップCと、
を含むことを特徴とするチャネル推定方法。 A channel estimation method in an orthogonal frequency division multiplexing OFDM system, comprising:
Inserting a pilot signal into an OFDM symbol, performing channel estimation in the frequency domain for the channel at the pilot signal position to obtain a channel estimation result in the frequency domain; and
The channel estimation result in the frequency domain is converted from the frequency domain to the time domain to obtain a channel impulse response estimation in the time domain, and the autocorrelation matrix of the channel impulse response estimation in the time domain is subspaced in the time domain. Step B for tracking,
Calculating a channel impulse response estimate in the time domain based on subspace tracking in the time domain, and converting the channel impulse response estimate in the time domain to the frequency domain to obtain a channel response estimate in the frequency domain When,
A channel estimation method comprising:
時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく時間領域でのLSチャネルインパルス応答推定を計算し、前記LSチャネルインパルス応答推定にゼロパディングした後、高速フーリエ変換を行い、前記周波数領域でのチャネル応答推定を取得することを含むことを特徴とする請求項9に記載のチャネル推定方法。 In step C, calculate an LS channel impulse response estimate in the time domain based on subspace tracking in the time domain, said step C,
LS channel impulse response estimate in time domain based on subspace tracking in time domain is calculated, zero padded to the LS channel impulse response estimate, fast Fourier transform is performed, and channel response estimate in the frequency domain is obtained 10. The channel estimation method according to claim 9, further comprising:
時間領域でのサブスペーストラッキングに基づくMMSEチャネルインパルス応答推定を計算し、前記MMSEチャネルインパルス応答推定にゼロパディングした後、高速フーリエ変換を行い、前記周波数領域でのチャネル応答推定を取得することを含むことを特徴とする請求項9に記載のチャネル推定方法。 In step C, calculate an MMSE channel impulse response estimate in the time domain based on subspace tracking in the time domain;
Calculating an MMSE channel impulse response estimate based on subspace tracking in the time domain, zero padding the MMSE channel impulse response estimate, and performing a fast Fourier transform to obtain the channel response estimate in the frequency domain 10. The channel estimation method according to claim 9, wherein
パイロット信号位置におけるチャネルについて周波数領域でのチャネル推定を行って、周波数領域でのチャネル推定結果を取得するパイロット信号位置周波数領域チャネル推定ユニットと、
時間領域でのチャネルインパルス応答推定を取得するために、前記周波数領域でのチャネル推定結果を周波数領域から時間領域に変換する周波数領域/時間領域変換ユニットと、
前記時間領域でのチャネルインパルス応答推定の自己相関行列について時間領域でのサブスペーストラッキングを行うサブスペーストラッキングユニットと、
前記時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく時間領域でのチャネルインパルス応答推定を計算する時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく推定ユニットと、
前記時間領域でのチャネルインパルス応答推定を周波数領域に変換して、周波数領域でのチャネル応答推定を取得する時間領域/周波数領域変換ユニットとを含むことを特徴とするチャネル推定器。 A channel estimator in an OFDM system,
A pilot signal position frequency domain channel estimation unit that performs channel estimation in the frequency domain for a channel in the pilot signal position and obtains a channel estimation result in the frequency domain;
A frequency domain / time domain transform unit that transforms the channel estimation result in the frequency domain from the frequency domain to the time domain to obtain a channel impulse response estimate in the time domain;
A subspace tracking unit that performs subspace tracking in the time domain for an autocorrelation matrix of channel impulse response estimation in the time domain;
An estimation unit based on subspace tracking in the time domain to calculate a channel impulse response estimate in the time domain based on the subspace tracking in the time domain;
A channel estimator comprising: a time domain / frequency domain transform unit that converts the channel impulse response estimate in the time domain into the frequency domain to obtain a channel response estimate in the frequency domain.
前記時間領域でのサブスペーストラッキングに基づく推定ユニットは、前記サブスペーストラッキング、前記雑音パワーと前記サブスペースの次元に基づいてチャネルインパルス応答推定を計算することを特徴とする請求項13に記載のチャネル推定器。 The channel estimator further includes a noise power estimation unit that estimates noise power in a time domain, and a subspace dimension determination unit that determines a dimension of a subspace used for channel estimation in the subspace tracking,
14. The channel of claim 13, wherein the estimation unit based on subspace tracking in the time domain calculates a channel impulse response estimate based on the subspace tracking, the noise power and the dimension of the subspace. Estimator.
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