CN103475605A - 一种3gpplte-a下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3GPPLTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法。首先利用资源块上携带的用户专用参考信号对参考信号位置处的子载波进行LS估计，然后利用最小均方误差算法进行频域插值，再进行时域复制插值，从而得到整个资源块上所有子载波的信道频率响应。本发明提出的信道估计方法在相同资源粒子上采用正交叠加码进行复用，通过处理相同位置上正交的参考信号，实现八天线传输下的信道估计，此外，本发明对LMMSE算法相关矩阵进行有效分割降低算法的运算复杂度实现了与小区专用参考信号一致的信道估计流程，减少了处理和控制的复杂度。

Description

一种3GPPLTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法

技术领域

本发明涉及通信***中的信道估计技术领域，具体涉及一种3GPPLTE-A信道估计方法。 

背景技术

LTE-A是LTE-Advanced的简称，是LTE技术的后续演进，其目的是为满足未来几年无线通信市场的更高需求和更多应用，满足和超过先进的国际移动（International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced）需求，同时还要保持对LTE较好的后向兼容性。 

在LTE-A***中，采用了正交频分复用技术作为其关键技术，需要通过小区专用（Cell-specific）和用户专用（UE-specific）参考信号（RS）做信道估计，虽然UE-specific参考信号与Cell-specific参考信号都零散的分布在时域和频域，但在LTE-A***中，基站天线数最多支持8天线，Cell-specific参考信号跟天线端口相关，当天线数增加的时候，用于承载Cell-specific参考信号的RE数量也要增加，而UE-specific参考信号的开销由用户数据的传输的秩决定，采用码分方式：正交叠加码OCC（orthogonalcoveringcode）编码，减少UE-specific参考信号实际使用的RE数。 

在基于UE-specific参考信号的信道估计算法中，发送端在固定 的位置***发送端和接收端都已知的UE-specific参考信号，然后接收端通过处理这些位置的接收信号估计出每个OFDM符号的信道频率响应。3GPPLTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法大致可以分为最小二乘（Least-Squares，LS）和最小均方误差（LinearMinimumMean-SquareError，LMMSE）两类方法。这两类方法都是在频域上对各个子载波进行信道估计，其中，LS信道估计方法不需要信道信息，实现最为容易；LMMSE信道估计方法利用了子载波间的相关性和信噪比等信道统计信息，估计性能较好，被广泛应用于MIMO-OFDM的信道估计。但该估计方法需要从接收到的UE-specific参考信号中提取不同层上的UE-specific参考信号，然后再与本地参考信号完成信道估计工作，运算较复杂。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种LTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法，本发明首先利用资源块上携带的用户专用参考信号（RS），对参考信号位置处的子载波进行LS估计，然后利用最小均方误差算法进行频域插值，再进行时域复制插值，得到整个资源块上所有子载波的信道频率响应。在相同的资源粒子上采用正交叠加码进行复用，通过处理相同位置上正交的参考信号，实现八天线传输下的信道估计，同时频域插值采用基于LMMSE的ALMMSE算法，进一步减少频域插值过程中的运算复杂度。 

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种3GPPLTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法，根据资源块上携带的 UE-specific参考信号对参考信号位置处的子载波进行信道估计，由此获得UE-specific参考信号所在OFDM符号上的子载波信道估计值；利用OFDM符号上的子载波信道估计值通过频域插值获得UE-specific参考信号位置处的信道频域响应，采用时域复制插值获得其它OFDM符号上的信道频率响应，对资源块上的所有子载波进行信道估计。 

通过本地产生的频域UE-specific参考信号  $V_m^{\left(k\right)},k=\mathrm{0,1},...,K-1,m\∈\{\mathrm{1,2},...,M\},M\≤4$ 和实际接收到的频域UE-specific参考信号r^(k),k＝0,1,...,K-1，根据公式：

获得第m层上K个UE-specific参考信号位置的信道估计值

其中，K为UE-specific参考信号子载波的数量，M为UE-specific参考信号位置处叠加的层数。 

进行频域插值具体包括：对自相关矩阵

分割成一系列子块自相关矩阵，再对各子块自相关矩阵取平均

根据公式：  ${\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},n}={\stackrel{\‾}{R}}_{{\mathrm{HH}}_p}^{\left(L\right)}{({\stackrel{\‾}{R}}_{H_p{H}_p}^{\left(L\right)}+I_p^{\left(L\right)}\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS},n}$ 获得第n子块所有子载波的信道频率响应；整合各个子块子载波的信道频率响应值，根据公式：  $H_{\mathrm{ALMMSE}}={[{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},1}^T,{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},2}^T,...,{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},n}^T]}^T$ 得到UE-specific参考信号所在OFDM符号上所有子载波的信道频率响应，其中，

表示各子块内所有子载波与UE-specific参考信号位置处子载波取平均后的互相关矩阵，β为常量，SNR为平均信噪比，

为单位矩阵，

为第n 子块UE-specific参考信号位置处的信道频率响应。对于没有UE-specific参考信号分布的OFDM符号，通过复制UE-specific参考信号所在OFDM符号上子载波的信道频率响应，得到其它OFDM符号上的信道频率响应。当本地频域UE-specific参考信号 

和实际接收到的频域UE-specific参考信号r^(k)=[r^(6,k),r^(7,k),r^(13,k),r^(14,k]，根据公式：  ${\hat{H}}_{\mathrm{LS},m}^{\left(k\right)}=\frac{r^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+r^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+r^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+r^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}{s_m^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+s_m^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+s_m^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+s_m^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}$ 得到第m层子载波k上参考信号位置处的LS估计，其中，

表示第m层子载波k上的本地参考信号，r^(l,k)表示接收端子载波k上参考信号位置处的接收符号，l表示参考信号所在OFDM符号的位置，l∈{6,7,13,14}。 

本发明提出的信道估计方法在相同资源粒子上采用设计的正交叠加码（orthogonalcoveringcode，OCC）进行复用，通过处理相同位置上正交的参考信号，实现八天线传输下的信道估计，此外，本发明对LMMSE算法相关矩阵进行有效分割降低算法的运算复杂度，同时，实现了与小区专用参考信号一致的信道估计流程，减少了处理和控制的复杂度。在LS估计过程中，没有直接从接收到的UE-specific参考信号中提取不同层上的UE-specific参考信号，然后再与本地参考信号完成信道估计工作，而是直接利用同一子载波上接收到的UE-specific参考信号与本地UE-specific参考信号共同完成子载波处的信道估计，在频域插值过程中采用ALMMSE估计方法，利用子载波的相关性减少噪声的干扰以及通过分块的方式降低LMMSE运算 的复杂度。 

附图说明

图1基于用户专用参考信号的信道估计方法流程示意图； 

图2基于用户专用参考信号的信道估计方法原理示意图； 

图3UE-specific参考信号在资源块中的分布图； 

图4ALMMSE频域插值自相关矩阵分块示意图。 

具体实施方式

本发明针对3GPPLTE-A下行***，提出一种3GPPLTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法，采用相同资源粒子上使用正交码字的LS估计和时频域LMMSE估计的信道估计算法。首先利用LS估计得到不同层上UE-specific参考信号位置处的信道响应值，然后利用最小均方误差（ApproximateLMMSE）ALMMSE估计得到整个资源块上数据子载波的信道响应值。在相同资源粒子上采用正交叠加码进行复用，处理相同位置上正交的UE-specific参考信号，实现了八天线传输下的信道估计，同时采用ALMMSE算法进行插值，利用子载波之间的相关性减少噪声的影响，提高信道估计的准确度；同时，对LMMSE算法中的自相关矩阵进行分割，分别对分割后的资源块进行LMMSE估计，从而降低LMMSE算法的运算复杂度。 

其中LS估计具体可采用下述方法实现，根据本地产生的UE-specific参考信号 $V_m^{\left(k\right)},k=\mathrm{0,1},...,K-1,m\∈\{\mathrm{1,2},...,M\},M\≤4$ 和实际接收到的频域UE-specific参考信号r^(k)，k＝0,1,...,K-1，对UE-specific参考信号位置处的子载波使用最小二乘法得到第m层上UE-specific 参考信号位置处的信道频率响应值

${\hat{H}}_{\mathrm{LS},m}^{\left(k\right)}=\frac{<r^{\left(k\right)},V_m^{\left(k\right)}>}{{\left|\right|V_m^{\left(k\right)}\left|\right|}^2}---\left(1\right)$

式中， $V_m^{\left(k\right)}=[s_m^{(6,k)},s_m^{(7,k)},s_m^{(13,k)},s_m^{(14,k)}],r^{\left(k\right)}=[r^{(6,k)},r^{(7,k)},r^{(13,k)},r^{(14,k)}],$ K表示UE-specific参考信号子载波的数量，M表示UE-specific参考信号位置处叠加的层数，

表示第m层子载波k上的本地参考信号，r^(l,k)表示接收端子载波k上参考信号位置处的接收符号，l表示UE-specific参考信号所在OFDM符号的位置，l∈{6,7,13,14}。第m层上UE-specific参考信号位置处的信道频率响应值为： 

${\hat{H}}_{\mathrm{LS},m}^{\left(k\right)}=\frac{r^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+r^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+r^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+r^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}{s_m^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+s_m^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+s_m^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+s_m^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}---\left(2\right)$

频域插值基于LMMSE算法，表达式如下： 

${\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE}}=R_{{\mathrm{HH}}_p}{(R_{H_p{H}_p}+I_{N_p}\frac{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS},n}---\left(3\right)$

根据相关带宽定义 

$B_c\&ap;\frac{1}{5{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{rms}}}---\left(4\right)$

将信道H分割成M个长度为L的子矢量，且L＜＜N，

L的长度取决于信道的相关带宽，B_c/Δ_f≈L(Δ_f表示子载波的宽度)或者设定为一个固定值，τ_rms表示信道时延的均方根。为减少LMMSE算法计算复杂度，通过对式（3）中自相关矩阵

进行分割，并取各个子块自相关矩阵的平均，得到

各个分块后的LMMSE估 计值如下： 

${\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},n}={\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{{\mathrm{HH}}_p}^{\left(L\right)}{({\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{H_p{H}_p}^{\left(L\right)}+I_p^{\left(L\right)}\frac{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS},n}---\left(5\right)$

式（5）中，

表示各个子块UE-specific参考信号位置处子载波取平均后的自相关矩阵，

表示各个子块内所有子载波与UE-specific参考信号位置处子载波取平均后的互相关矩阵，β是由信号星座图决定的常量，SNR为平均信噪比，

为单位阵，

为第n子块UE-specific参考信号位置处的信道频率响应，

为第n子块所有子载波的信道频率响应。 

然后整合各个子块子载波的信道频率响应值，得到UE-specific参考信号所在OFDM符号上所有子载波的信道频率响应： 

$H_{\mathrm{ALMMSE}}={[{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},1}^T,{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},2}^T,...,{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},n}^T]}^T---\left(6\right)$

根据

可知，位于不同OFDM符号上的UE-specific参考信号所处同一子载波，故同一子载波上的信道传输函数是相同的，所以，同一子载波上所有OFDM符号上的信道估计值与UE-specific参考信号所在子载波上的信道频域响应值相同。因此，对于没有UE-specific参考信号分布的OFDM符号，通过复制UE-specific参考信号所在OFDM符号上子载波的信道频率响应，得到其它OFDM符号上的信道频率响应。 

下面结合附图对LTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。 

本发明所述LTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估 计方法流程示意图如图1所示。 

S101、根据资源块上携带的UE-specific参考信号，对UE-specific参考信号位置处的子载波进行信道估计； 

S102、根据UE-specific参考信号位置处的子载波信道估计值，对UE-specific参考信号所在OFDM符号上的子载波进行信道估计； 

S103、利用UE-specific参考信号所在OFDM符号上所有子载波的信道估计值，得到整个带宽上所有子载波的信道频率响应值。 

具体步骤如下： 

步骤S101具体为，对资源块上携带的用户专用参考信号使用最小二乘法得到用户专用参考信号位置处的信道估计值如图2所示为基于用户专用参考信号的信道估计方法原理示意图。通过本地产生的频域UE-specific参考信号  $V_m^{\left(k\right)},k=\mathrm{0,1},...,K-1,m\&Element;\{\mathrm{1,2},...,M\},M\&le;4$ 和实际接收到的频域UE-specific参考信号r^(k)，k＝0,1,...,K-1，其中，M表示UE-specific参考信号位置处叠加的层数，K表示UE-specific参考信号子载波数量，根据公式： ${\hat{H}}_{\mathrm{LS},m}^{\left(k\right)}=\frac{<r^{\left(k\right)},V_m^{\left(k\right)}>}{{\left|\right|V_m^{\left(k\right)}\left|\right|}^2}---\left(6\right)$ 获取m层上K个UE-specific参考信号位置处的信道估计。根据公式： 

${\hat{H}}_{\mathrm{LS},m}^{\left(k\right)}=\frac{r^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+r^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+r^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+r^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}{s_m^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+s_m^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+s_m^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+s_m^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}---\left(7\right)$

得到第m层上UE-specific参考信号的LS估计。 

下面以其中一层的处理方式为例对LS估计值处理进行分析描述，其它层的处理方式相同。 

步骤S102具体为，根据UE-specific参考信号位置处的信道估计值，利用信噪比和信道相关矩阵信息，采用近似LMMSE信道估计算法，得到UE-specific参考信号所在OFDM符号的信道估计

使用基于LMMSE方法，传统的LMMSE频域信道估计算法表达式如下： 

${\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE}}=R_{{\mathrm{HH}}_p}{(R_{H_p{H}_p}+I_{N_p}\frac{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS},n}---\left(8\right)$

由于LMMSE算法运算复杂度比较高，在实时估计中需要大量存储空间，对UE来说不太现实。为了减少计算复杂度，将自相关矩阵 

分割成维度更小的子矩阵，对子矩阵取其平均得平均子矩阵  ${\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{H_p{H}_p}^{\left(L\right)}.$

将信道矩阵H分割成M个长度为L的子矢量，L的长度取决于信道的相关带宽和子载波的宽度Δ_f，根据公式：B_c/Δ_f≈L确定，或者设定为一个固定值，其中，相关带宽根据信道时延的均方根τ_rms调用公式确定： $B_c\&ap;\frac{1}{5{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{rms}}}---\left(9\right).$ 考虑到相关带宽外的低相关性元素对***影响较小，原始自相关矩阵R_HH分割为M个子自相关矩阵如图4所示，为了不必要对每个子块都进行传统的LMMSE频域信道估计算法中的

运算，对分割后的M个子自相关矩阵

取平均，得到

根据公式：  ${\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},n}={\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{{\mathrm{HH}}_p}^{\left(L\right)}{({\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{H_p{H}_p}^{\left(L\right)}+I_p^{\left(L\right)}\frac{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS},n}---\left(10\right)$ 对各个分块后平均 自相关矩阵进行LMMSE估计。 

在分别得到各个分块子载波的信道频率响应后，整合得到UE-specific参考信号所在OFDM符号上所有子载波的信道频率响应为： 

$H_{\mathrm{ALMMSE}}={[{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},1}^T,{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},2}^T,...,{\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},n}^T]}^T---\left(11\right)$

步骤S103具体为，根据

可知，位于不同OFDM符号上的UE-specific参考信号所处同一子载波，故同一子载波上的信道传输函数是相同的，所以，同一子载波上所有OFDM符号上的信道估计值与UE-specific参考信号所在子载波上的信道频域响应值相同。因此，通过对UE-specific参考信号所在OFDM符号上的子载波信道频率响应进行复制，得到图3中所有OFDM符号上的信道频率响应。 

本发明提供的一种LTE-A***中基于用户专用参考信号的信道估计方法，根据资源块携带的UE-specific参考信号分布情况，对各层上的UE-specific参考信号进行信道估计，然后采用能够降低LMMSE算法复杂度的和利用信道相关特性的ALMMSE算法进行频域插值，再对UE-specific参考信号所在OFDM符号上的子载波信道频率响应进行复制，得到整个资源块上的信道频率响应。从而实现了八天线传输下的信道估计，同时也实现了与小区专用参考信号一致的信道估计流程，减少了处理和控制的复杂度。 

Claims (6)

1.一种3GPPLTE-A下行***中基于用户专用参考信号的信道估计方法，其特征在于，包括步骤：根据资源块上携带的UE-specific参考信号对参考信号位置处的子载波进行信道估计，由此获得UE-specific参考信号所在OFDM符号上的子载波信道估计值；利用OFDM符号上的子载波信道估计值通过频域插值获得UE-specific参考信号位置处的信道频率响应，采用时域复制插值获得其它OFDM符号上的信道频率响应，对资源块上的所有子载波进行信道估计。

2.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，对所述UE-specific参考信号位置处的子载波进行信道估计，具体为：通过本地产生的频域UE-specific参考信号 $V_m^{\left(k\right)},k=\mathrm{0,1},...,K-1,m\&Element;\{\mathrm{1,2},...,M\},M\&le;4$ 和实际接收到的频域UE-specific参考信号r^(k),k＝0,1,...,K-1，根据公式：

获得第m层上K个UE-specific参考信号位置的信道估计值

其中，K为UE-specific参考信号子载波的数量，M为UE-specific参考信号位置处叠加的层数。

3.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，进行频域插值具体包括：将自相关矩阵

分割成一系列子块自相关矩阵，再对各子块自相关矩阵取平均

根据公式： ${\hat{H}}_{\mathrm{LMMSE},n}={\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{{\mathrm{HH}}_p}^{\left(L\right)}{({\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{H_p{H}_p}^{\left(L\right)}+I_p^{\left(L\right)}\frac{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{SNR}})}^{-1}{\hat{H}}_{\mathrm{LS},n}$ 获得第n个子块所有子载波的信道频率响应；整合各个子块子载波的信道频率响应值，根据公式：

得到UE-specific参考信号所在OFDM符号上所有子载波的信道频率响应，其中，

表示各子块内所有子载波与UE-specific参考信号位置处子载波取平均后的互相关矩阵，β为常量，SNR为平均信噪比，

为单位矩阵，

为第n子块UE-specific参考信号位置处的信道频率响应。

4.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，对于没有UE-specific参考信号分布的OFDM符号，通过复制UE-specific参考信号所在OFDM符号上子载波的信道频率响应，得到其它OFDM符号上的信道频率响应。

5.如权利要求2所述的信道估计方法，其特征在于，对于本地频域UE-specific参考信号

和实际接收到的频域UE-specific参考信号r^(k)=[r^(6,k),r^(7,k),r^(13,k),r^(14,k)]，根据公式：

${\hat{H}}_{\mathrm{LS},m}^{\left(k\right)}=\frac{r^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+r^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+r^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+r^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}{s_m^{(6,k)}{\left(s_m^{(6,k)}\right)}^H+s_m^{(7,k)}{\left(s_m^{(7,k)}\right)}^H+s_m^{(13,k)}{\left(s_m^{(13,k)}\right)}^H+s_m^{(14,k)}{\left(s_m^{(14,k)}\right)}^H}$ 得到第m层子载波k上参考信号位置处的LS估计，其中，

表示第m层子载波k上的本地参考信号，r^(l,k)表示接收端子载波k上参考信号位置处的接收符号，l表示参考信号所在OFDM符号的位置，l∈{6,7,13,14}。

6.如权利要求3所述的信道估计方法，其特征在于，将信道矩阵H分割成M个长度为L的子矢量，根据公式：B_c/Δ_f≈L确定长度L，其中，Δ_f为子载波的宽度，根据信道时延的均方根τ_rms调用公式确定相关带宽：

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