CN102368756A - 用于lte终端上的信道估计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信道估计方法，包括两个主要步骤。第一步骤是在导频资源要素上执行最小二乘(LS)估计和MMSE估计，而得到在这些预定导频位置上的信道响应估计。第二步骤使用了第一步骤的结果而计算剩余资源要素的信道响应估计，包括以下三个运算：(i)在频率方向上对每一对相邻导频资源要素做平均计算，而得到这两个导频资源要素中间那个资源要素的信道响应估计；(ii)对所有包含导频信号的子载波在时域上执行MMSE内插；(iii)对所有不包含任何导频信号的子载波在频域上执行线性内插。

Description

用于LTE终端上的信道估计

【技术领域】

本申请涉及用于长期演进(LTE)终端接收器的信道估计，特别涉及一种用于LTE终端的信道估计方法，其结合了最小二乘(LS)估计、最小均方差(MMSE)内插、线性内插和平均。

【背景技术】

随着无线通信的指数式增长，需要有新技术来应付无线通信网络上承载的高容量的语音和数据。第三代合作伙伴项目(3GPP)长期演进技术(以下称LTE)是一个有希望的网络方案，以迎接日益增长的流量带来的挑战。

对于LTE，通常选择正交频分复用(OFDM)调制方案用于发射器(如一个基站)和终端/接收器(如用户设备(UE)，例如移动通信设备如手机等)之间的下行信号的传输。同时，一种特殊的调制方法，单载波频分多址(SC-FDMA)，用于上行信号的传输。

关于LTE的详细介绍可以参考Rumney的LTE and the Evolution of 4G Wireless，John Wiley，

2009，和Sesia的LTE：The UMTS Long Term Evolution，Wiley

2009，以及E-UTRA的标准文件：3GPP TS36.211：“Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physicalchannels and modulation；”3GPP TS 36.212：“Evolved Universal TerrestrialRadio Access(E-UTRA)；Multiplexing and channel coding；”3GPP TS 36.213：“Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical layerprocedures”，这些公开通过引用被结合入本申请中。

OFDM是一种多载波调制方案，被用于许多数字通信***中。在OFDM中，使用大量的近间隔的正交子载波来传输数据。这些数据被分成几个并行的数据流，每个子载波有一个。使用普通的调制方法如QAM，PSK，BPSK，或QPSK以低符号率来调制每个子载波，但是保持与同一信道带宽下的单载波调制方法同样的总的数据率。OFDM***里的基带信号是这些调制的子载波的总和，然后其被用于调制一个主RF信号。这个信号的解调而因此取回基本基带信号的一个重要方面，就是要使用快速傅立叶变换来处理。OFDM的好处是高的频谱利用率，抑制无线频率干扰和多路径传播。

在所有通信***内，包括LTE，当信号在信道上传播时，相位和幅度上的变化会被引入到传输的信号上。这些变化被称做信道响应，信道响应通常是频变和时变的(frequency and time-dependent)。如果接收器可以确定信道响应，那么接收的信号就能被校正以补偿信道降级(channeldegradation)。信道响应的确定就称为信道估计。在当前定义的LTE***里(3GPP Release 8)，一些资源要素(resource elements)被选择用来承载导频信号(也称为“参考信号”)用于信道估计目的。导频信号包含已知信息，这允许信道估计器通过比较实际接收到的信号和一个期望的信号(如接收器在理想的信道条件下应该接收到的信号)，而确定在特定时间上载波频率上的信道响应。资源要素传送导频信号，以LTE标准(3GPP Release 8)定义的导频信号模式在时域和频域上分配，这允许不包含任何导频信号的资源要素的信道响应将被准确估计，通过内插为承载导频信号的资源要素(以下称“导频资源要素”)而确定的信道响应。传统的内插方法包括最小均方差(MMSE)估计、最小二乘(LS)估计、线性内插和平均。

传统方法的OFDM信道估计可以分成两个主要步骤：第一步是LS估计，由导频资源要素执行，第二步是MMSE内插，在时域和频域上执行，以估计剩下的资源要素。这种在时域和频域上进行MMSE内插的信道估计方法被称为2D MMSE信道估计。2D MMSE估计方法利用了在时间轴和频率轴上表现出的信道相关性，通常提供一个可接受水平的以误帧率(FER)来表示的性能。但是，由于宽的载波带宽和多天线的使用，这种信道估计方法太复杂了，以至不能在LTE***上实施，因此开发出了低复杂度版本但是性能接近2D MMSE估计的方法。可分离的2D MMSE估计是常用的低复杂度信道估计方法的一个例子。在此方法中，首先基于一个度量上的信道相关性，在此度量上执行MMSE估计；然后在另一个度量上执行MMSE估计，也是利用了在那个度量上的相关性。

另一个简化的信道估计方法是用低复杂度的算法代替MMSE内插，如线性内插和平均。

通常，线性内插是一个数学运算用于估计在两个已知数值或点之间的值。给定两个已知点A和B，笛卡儿坐标为A＝(x_A，y_A)和B＝(x_B，y_B)，一个内插点的纵坐标y_P和横坐标x_P用以下公式计算用于线性内插：

$y_p=y_A+\frac{x_p-x_A}{x_B-x_A}(y_B-y_A)---\left(1\right)$

在信道估计的内容里，x代表资源要素在时域或频域上的位置，而y代表估计的信道参数值。在实际实施的线性内插方法中，为了避免电路复杂度，有时会导出简化版本的等式(1)以便能执行等式(1)的计算。

信道估计的平均是指加总两个或更多个导频资源要素的估计的信道参数，然后将总和除以取样的导频资源要素的个数。

传统的使用线性内插和平均的简化的OFDM信道估计方法会减少硬件复杂度，但是同时牺牲了估计性能。

一旦完成了一个下行子帧在整个时-频格点上的信道估计，接收器就使用该信道估计，从接收到的数据符号，去确定原始传输的数据信号。然后根据传输数据使用的编码和调制方案，接收器在数据符号上执行符号去映射、去交织和解码。

为了得到良好性能，信道估计是OFDM***中最重要的部分之一。OFDM信号接收器的准确的信道估计对于在接收器上恢复传输信息数据来说至关重要，因此，关于内插的性能，足够高质量是非常重要的。但是，如以上段落描述的，在硬件复杂度和信道估计性能之间通常会有个权衡。对于LTE的情况，因为导频信号模式(pilot signal pattern)已经在标准中定义了，接收器中的信道估计方法必须被设计得充分利用嵌入在传输信号里的导频信号，同时还要考虑将会施加在计算硬件上的工作负荷。尽管存在一些信道估计技术能够提供可接受水平的性能，但是大部分这些技术都太复杂，以至不能实施在LTE用户设备上。

因此，考虑到LTE***的商业化已经起步，有需要提供一种改良的信道估计方法用于LTE终端接收器，其同时具有良好性能和低的硬件复杂度。

【发明内容】

本发明涉及一种改进的用于LTE终端设备上的信道估计方法。和传统的信道估计方法相比，整个估计过程可以分成两个主要步骤：第一步骤是在导频资源要素上执行最小二乘(LS)估计和MMSE估计，以计算在这些预定导频位置上的信道响应估计。第二步骤可以再细分成三个单独的运算：首先，在频率方向上，对每一对相邻导频资源要素，计算信道估计的平均值，并将此作为那两个相邻估计的资源要素的正中间那个资源要素的信道估计；第二，在所有包含导频信号的子载波上，在时域上执行MMSE内插；最后，在频率方向上执行线性内插，而得到所有不包含导频信号的子载波的信道响应估计。当完成所有这些步骤时，对下行子帧里每个资源要素都已经计算了信道估计。然后，在接收到的信号上执行信道均衡，然后均衡信号就输出在LTE终端上。

【附图说明】

图1是一个下行子帧里一个OFDM信号的结构示意图。

图2是一个用户设备从基站接收下行OFDM信号的示意图。

图3是描述信道估计过程的第一步骤。

图4描述在频率方向上的平均过程。

图5描述在时间方向上的MMSE内插。

图6描述在频率方向上的线性内插。

【具体实施方式】

本发明涉及一种改善的信道估计方法用于LTE终端接收器，其在资源要素在时-频格点上运行工作。所述时-频格点在时间方向上的长度等于一个OFDM下行子帧的数据符号的数量，如LTE标准(3GPP Release 8)里定义的，而时-频格点在频率方向上的长度取决于当前OFDM信号的带宽分配。和现存的OFDM信道估计方法相比较，本发明的乘法运算减少了70％，因此减少了硬件复杂度，而保持了相似水平的以帧错率(FER)表示的性能。

在现有技术里，2D MMSE内插算法是在传统的OFDM信道估计方法内执行的。这些方法可以提供比较好的信道估计性能，但是，当在LTE终端接收器上实施时，由于LTE信号载波的宽带宽以及多天线的使用，这些方法将会变得异常复杂。考虑到2D MMSE方法的复杂性，开发出了一些简化的信道估计方法，它们将MMSE内插过程替代为线性内插和/或平均。这些方法能够使硬件复杂度大大降低，但是牺牲了信道估计性能。

本发明的目的是提供一种混合的信道估计方法，通过结合LS估计、MMSE内插、线性内插和平均，使得该方法既能有较好的信道估计性能，又有较低的硬件复杂度。而且，该方法是特别为实施在LTE***上而设计的。

一个LTE无线通信***的典型示意图如图2所示。基站201(也称为eNodeB)通过一个或多个天线203发送和接收无线通信信号。用户设备202通过一个或多个天线207发送和接收无线通信信号(图中示意天线是在手持移动设备的顶端，但是可以理解这些天线通常都包含在用户设备内)。用户设备202包括接收和传送电子器件及微处理器208，其执行信道估计和其他信号处理。显示屏206和相关的音频视频处理电子器件如音频扬声器和音频接收机也都包含在用户设备内。虽然描述为手持移动设备，但是可以理解，其他包括无线卡的电子设备如电脑和任何其他可以发送和接收LTE无线信号的设备，都可以是本发明里的用户设备。

本发明包括步骤：从基站(也称为eNodeB)接收OFDM信号；传输该接收到的OFDM信号经过一个模数转换器(ADC)；在转换的OFDM信号上执行快速傅里叶变换；从该OFDM信号中去除循环前缀(cyclicprefix)；在一个下行子帧上，在时-频格点上，在导频资源要素上执行信道估计的第一步，然后在剩下的资源要素上执行信道估计的第二步。

以上提到的信道估计的第一步如图3所示，是指在所有的导频资源要素上执行LS估计，然后MMSE估计。在传统的信道估计方案里，估计的第一步通常只是LS估计。但是，这个包含在本发明里的额外的MMSE估计可以帮助提供一个比仅仅使用LS方法更好的估计，特别是在低信噪比(SNR)环境里。

对于LS估计和随后的MMSE估计，详细的计算步骤会在下面的段落里进行描述。先从LS估计开始，我们首先定义将被估计的信道条件为导频信号为矩阵X或向量

接收到的信号为

可以被进一步定义为

其中

是LS估计量，

是信道向量，DFT_N是离散傅里叶变换(DFT)，它的目的是将接收到的信号从时域转换到频域。

LS估计的目的是最小化参数

其中( )^H是指共轭转置运算(conjugate transpose operation)。经过LS估计，

的估计值由以下给定：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS}}={\underset{\‾}{X}}^{-1}\stackrel{\‾}{Y}={\left[(X_k/Y_k)\right]}^T(k=0,...,N-1)---\left(2\right)$

有了这个基础后，我们可以继续MMSE估计计算。MMSE估计方法的目的是使用信道条件的二阶统计去最小化被估计信号的均方差。关于MMSE估计的进一步详细介绍可以参考Yushi Shen和Ed Martinez的“Channel Estimation in OFDM Systems”，Freescale SemiconductorApplication Note，c.2006，pp.1-16，其共开通过引用被结合入本申请。这时候，我们需要定义再多几个将在计算中使用的变量：分别用R _gg、R _HH和R _YY表示和

的自协方差矩阵；用R _gY表示

和

之间的互协方差；用表示噪声方差

假设信道向量

和噪声

是不相关的，可以导出以下等式：

${\underset{\‾}{R}}_{\mathrm{HH}}=E\left\{\stackrel{\‾}{H}{\stackrel{\‾}{H}}^H\right\}=E\left\{\left(\underset{\‾}{F}\stackrel{\‾}{g}\right){\left(\underset{\‾}{F}\stackrel{\‾}{g}\right)}^H\right\}=\underset{\‾}{F}{\underset{\‾}{R}}_{\mathrm{gg}}{\underset{\‾}{F}}^H---\left(3\right)$

${\underset{\‾}{R}}_{\mathrm{gY}}=E\left\{\stackrel{\‾}{g}{\stackrel{\‾}{Y}}^H\right\}=E\left\{\stackrel{\‾}{g}{(\underset{\‾}{X}\underset{\‾}{F}\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{N})}^H\right\}={\underset{\‾}{R}}_{\mathrm{gg}}{\underset{\‾}{F}}^H{\underset{\‾}{X}}^H---\left(4\right)$

${\underset{\‾}{R}}_{\mathrm{YY}}=E\left\{\stackrel{\‾}{Y}{\stackrel{\‾}{Y}}^H\right\}=\underset{\‾}{X}\underset{\‾}{F}\mathrm{gg}{\underset{\‾}{F}}^H{\underset{\‾}{X}}^H+{\mathrm{\σ}}_N^2{\underset{\‾}{I}}_N---\left(5\right)$

假设R _gg(因此R _HH)和

在接收器上是已知的，那么

的MMSE估计量就由等式

给定。请注意，如果

不是高斯函数，那么

就不一定是最小均方差估计量，但是它仍然是最好的线性估计量，就均方差意义而言。最后，计算：

以上的LS和MMSE估计的目的是比较在预定的导频位置上的接收到的信号和期望的信号。接收到的信号和相应的期望信号之间的任何差异都将记录为在时-频位置上的信道响应估计。

信道估计过程的第二步，使用了第一步里估计的导频资源要素，第二步可以再分成三个单独运算：第一，如图4所示，对于两个相邻导频资源要素正中间的资源要素的信道估计是通过简单的频率方向上的平均来计算的，例如，为每一对相邻的导频资源要素，将在第一步中得到的估计信道条件加在一起，再除以2，得到那两个相邻资源要素的正中间的资源要素的估计值；第二，如图5所示，在所有包含导频信号的子载波上，在时域上，执行MMSE内插，以便对这些子载波上的每个数据符号，计算信道估计值。

对于估计过程里的第二步的最后运算，如图6所示，对于不包含任何导频信号的子载波，在频域上，通过使用两个相邻估计子载波上的信道响应估计值，执行线性内插。对于线性内插过程，可以使用前述提到的等式(1)：

或者，也可以使用等式(1)的其他简化的或类似的形式。当使用等式(1)时，x_p表示资源要素的位置，而y_p表示估计的信道参数值。在线性内插过程后，对于下行子帧的每个资源要素，就得到一个信道响应估计值，对于此子帧的信道估计过程就完成了。

随后，在完成了信道估计的资源要素上执行信道均衡(channelequalization)，抵消掉接收信号中包含的信道响应，以将接收到的OFDM信号恢复到基站发送的状态。然后所述信号以音频信号、图像、视频或它们组合的方式输出在LTE用户终端上。

虽然已经通过以上实施例的方式描述了本发明，但是可以理解，可以做出各种修改和变型。这些修改和变型都在本发明的范围由所附权利要求及其等效物限定。

Claims (8)

1.一种LTE无线通信***用户设备上接收器信道估计方法，包括：

从LTE基站接收下行OFDM信号；

在导频资源要素上执行最小二乘估计和最小均方差(MMSE)估计，以得到接收信号的预定导频位置上的信道响应估计；

使用MMSE信道响应估计，进一步计算剩余资源要素的信道响应估计，包括：

(i)在频率方向上对每一对相邻导频资源要素做平均计算，而得到这

对导频资源要素中间的资源要素的信道响应估计；

(ii)对所有包含导频信号的子载波在时域上执行MMSE内插；

(iii)对所有不包含任何导频信号的子载波在频域上执行线性内插。

2.如权利要求1所述的LTE无线通信***用户设备上接收器信道估计方法，还包括：在完成了信道估计的资源要素上执行信道均衡，抵消掉接收信号中包含的信道响应，以将接收的OFDM信号恢复到基站发送的状态。

3.如权利要求1所述的LTE无线通信***用户设备上接收器信道估计方法，还包括：以音频信号、图像、视频或其组合的方式，将接收到的OFDM信号输出在LTE用户终端上。

4.如权利要求1所述的LTE无线通信***用户设备上接收器信道估计方法，其中在时间方向上的时-频格点的长度等于一个OFDM下行子帧里数据符号的数量，在频率方向上的时-频格点的长度由分配给该下行OFDM信号的带宽决定。

5.一个LTE无线通信***的用户设备，包括：

一个或多个用户设备天线；

用户设备被设置为通过一个或多个用户设备天线从基站接收OFDM无线通信信号；

用户设备包括一微处理器，其被设置为在导频资源要素上执行最小二乘估计和最小均方差(MMSE)估计，以得到接收信号的预定导频位置上的信道响应估计，以便于使用MMSE信道响应估计，进一步计算剩余资源要素的信道响应估计，通过：

(i)在频率方向上对每一对相邻导频资源要素做平均计算，而得到这对导频资源要素中间的资源要素的信道响应估计；

(ii)对所有包含导频信号的子载波在时域上执行MMSE内插；

(iii)对所有不包含任何导频信号的子载波在频域上执行线性内插。

6.如权利要求5所述的LTE无线通信***的用户设备，其中微处理器进一步被设置为，在完成了信道估计的资源要素上执行信道均衡，抵消掉接收信号中包含的信道响应，以将接收的OFDM信号恢复到基站发送的状态。

7.如权利要求5所述的LTE无线通信***的用户设备，还包括显示屏和音频扬声器，用于以音频信号、图像、视频或其组合的方式，输出接收到的OFDM信号。

8.如权利要求5所述的LTE无线通信***的用户设备，其中微处理器进一步被设置为，确定时间方向上的时-频格点的长度等于一个OFDM下行子帧里数据符号的数量，频率方向上的时-频格点的长度由分配给该下行OFDM信号的带宽决定。

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