CN1791077A - 一种时域和频域联合信道估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时域和频域联合信道估计的方法，其包括以下步骤：在OFDM符号之间加入一定数量的导频，具体的导频数量与信道的变化特性有关；同时，利用TD－SCDMA***中每个常规时隙有一个训练长为144chip，这部分信息是已知的，因此，可以利用它作为频域的导频***到相应的子载波上，并采用一维***的方式。在接收端首先分别通过时域***的导频和频频***的频域导频得到所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应；再将时域和频域估计的结果通过一个加权平均得出最终所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应。本发明提供的时频域联合信道估计的方法可以有效提高兼容OFDM技术的TD－SCDMA***中信道可靠性。

Description

一种时域和频域联合信道估计的方法

【技术领域】

本发明涉及通讯技术领域，特别涉及兼容正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术的TD-SCDMA***中时域和频域联合信道估计的方法。

【背景技术】

TD-SCDMA标准建议被ITU采纳为第三代移动通信四个标准之一，是中国在移动通信领域的一个重大突破。TDD类的标准建议容易融合进各种各样的先进技术，如智能天线技术、同步CDMA技术以及软件无线电技术等，因此TD-SCDMA技术相对于其它第三代移动通信的标准有较多的优势。

兼容OFDM技术的TD-SCDMA***在传输过程中采用OFDM技术。OFDM(正交频分复用)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。如果在子载波分配的时候，保证每个子载波的宽度小于频率选择的带宽大小，就可以认为在该子载波上是平坦的，从而可以采用较简单的均衡技术。但是信道估计是不可缺少的，而且是十分重要的，它直接影响到后级***的解调性能。

在移动无线环境中，信道的时域与频域响应是时变的；多径引起的频域选择性衰落在不同的子载波上表现出衰落的不一致性，使OFDM符号各个数据子载波上出现畸变的不均匀性。信道估计的目的就是估计出信道的响应，对接收到的数据进行校正与恢复。信道的最大多径时延、用户的移动速度、接收机的噪声和导频的密度都是影响信道估计算法性能的因素。

移动通信***利用信号处理技术来改进恶劣的无线电传播环境中的链路性能。由于多径衰落和多普勒频移的影响，移动无线信道极其易变。这些影响对于任何调制技术来说都会产生很强的负面效应。另外，与加性高斯噪声(AWGN)信道相比，移动无线信道在失真和衰落方面对信道造成的损害更大，更明显。为了消除信道对整个通信***的影响，就必须使用信道估计技术来跟踪无线信道的情况，从而在接收端消除信道对传输数据的影响，提高***对抗信道干扰的能力，降低误码的发生，接收端便能够准确地恢复出所需要的数据。

OFDM因其对频谱资源的利用率相当高而成为高速率移动通信***的关键技术之一。为了达到高速率的数据传输，就需要在OFDM***中使用多幅度、多相位的调制方式，同时，为了保证***的性能不受通信信道多径和衰落效应的影响，还要采用信道估计的方法来跟踪信道响应的变化，并消除信道衰落对***性能的影响。由此可见，在OFDM***中信道估计技术是关系到***能否正常工作并影响***性能的决定性因素之一。

对于OFDM移动通信***来说，***所传送的数据都要受到信道多径衰落效应的影响，从而影响***在接收端判决数据的正确性。如果能很好地跟踪时域信道的特性，那么在接收端就可以消除信道对数据的影响。信道脉冲响应可以更好地显示时域信道的多径衰落等效应，并且可以用于OFDM***的同步等算法以提高***的整体性能。所以在采用OFDM技术的移动通信***中，可以利用时域估计信道的脉冲响应比较好地消除多径信道对数据的影响。同时，在OFDM***中，由于发送端和接收端的数据都是频域数据，所以信道的频率特性将对数据产生更加直接的影响。信道的频率响应可以很好地反映信道的衰落以及频率选择性等特点，所以在频域估计信道响应可以消除信道频域特性对数据的直接影响。

因此，一般来说，表征移动通信信道可以用信道的脉冲响应，也可以用信道的频率响应。在时域估计信道的脉冲响应以及在频域估计信道的频率响应有各自的特点。估计信道脉冲响应可以更好地反映多径效应的影响，而估计频率响应可以更加直接地应用到利用OFDM技术的***。如果将时域信道估计和频域信道估计相结合，那么不仅可以反映信道的多径等效应，而且能够消除频域信道对数据的直接影响。

在将OFDM技术应用到TD-SCDMA***中，如何有效的利用TD-SCDMA***的信息和OFDM技术的特点来设计信道估计的方法，提高信道估计的可靠性，是需要解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于提供一种移动通信***中信道估计的方法，以提高兼容OFDM技术的TD-SCDMA***中信道可靠性，消除信道对整个通信***的影响。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

根据兼容OFDM技术的TD-SCDMA***结构特点，将TD-SCDMA***的一些信息特征运用到OFDM信道估计当中，利用时域和频域的两部分信息来联合实现信道估计，即采用时频联合信道估计方法，其包括以下步骤：

在OFDM符号之间加入一定数量的导频，具体的导频数量与信道的变化特性有关；即信道变化快时，导频加的比较多，而信道变化比较慢时，导频加的比较少。导频可以选择正交性比较好的序列；

同时，利用TD-SCDMA***中每个常规时隙有一个训练长为144chip，这部分信息是已知的，因此，可以利用它作为频域的导频***到相应的子载波上，并采用一维***的方式。

在接收端首先分别通过时域***的导频和频频***的频域导频得到所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应；

再将时域和频域估计的结果通过一个加权平均得出最终所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

通过时域的导频可以获得时域信道的特性；

通过频域的导频可以获得频域信道的特性；

利用时频域相结合的信道估计方法能够更好地结合利用时域信道和频域信道对频域数据所产生的影响，从而有利于提高兼容OFDM技术的TD-SCDMA***的性能；

可以充分利用TD-SCDMA***中常规时隙中的训练序列信息；

通过时域和频域相结合的信道估计能有效抑制加性高斯白噪声；

可以通过加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，时域和频域相结合的信道估计方法还可以有效消减码间干扰(ISI)；

在恶劣的多径瑞利衰落移动信道下，时频域相结合的信道估计方法仍能保持良好的估计性能；

时域和频域相结合的信道估计能为译码模块提供一定的增益。

【附图说明】

图1是本发明TD-SCDMA***中的常规时隙结构示意图。

图2是一维导频信号分布图。

图3是本发明信道估计过程示意图。

【具体实施方式】

本发明提出的兼容OFDM技术的TD-SCDMA***中信道估计方法是根据OFDM技术及TD-SCDMA***的特点，结合了时域估计和频域估计的优点，采用时频域联合信道估计的发法非常适合兼容OFDM技术的TD-SCDMA***可以大大提高***的可靠性。

本发明提出的信道估计方法的流程框图如图1所示。

在OFDM符号之间加入一定数量的导频，具体的导频数量与信道的变化特性有关；即信道变化快时，导频加的比较多，而信道变化比较慢时，导频加的比较少。导频可以选择正交性比较好的序列。由于采用OFDM传输，可以承载比TD-SCDMA传输更多的速率，因此，为了保证相同的速率，对于OFDM传输来说就有一定的时间冗余，这部分就用来添加导频。时域导频***需要满足

$f_{D_{\max }}\·T_s\·N_k\≤1/2...\left(1\right)$

其中f_Dmax为最大多普勒频移，T_s为符号长度，N_k为导频信号在时间上的间隔。

通过对时域信道的估计可以得到第n个符号所对应的时域信道响应，

$h_n=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\left(l\right)h[l-d\left(l\right)](n=-\∞,+\∞)...\left(2\right)$

其中α(l)为第l根多径的幅度，d(l)为第l根多径的延时，L为多径的数量。

接着对于通过时域估计得到的时域信道响应经过傅立叶变换可以得到频域的信道响应

$H_n\left(k\right)=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_n{e}^{-j\frac{2\mathrm{\πlk}}{N}}$

$=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\left(l\right)h[l-d\left(l\right)]e^{-j\frac{2\mathrm{\πlk}}{N}},(k=1,L,N)...\left(3\right)$

其中H_n(k)，k＝1，L，N，为第n个时刻不同子载波的频域响应。

如图2和图3所示，图2中，在TD-SCDMA***中每个常规时隙有一个训练长为144chip，这部分信息是TD-SCDMA***用来作信道估计的，这部分信息是已知的，而现在它被加到OFDM传输的每个子载波上，因此，可以利用作为频域的导频***到相应的子载波上，***的方法可以按照图2所示，采用一维***的方式，同时要满足

τ_max·ΔF·N_L≤1/2                        (4)

其中τ_max为最大时延，ΔF为载波间隔，N_L为导频信号频率上的间隔。

对于***的导频信号，可以采用等间隔的也可以采用动态间隔地***在所传输的数据流中，这样就可以利用接收到的信号和导频信号估计出导频位置处信道的响应，具体的响应值可以用下面的式子计算得到：

${\hat{H}}_{k,l}=\frac{Y_{k,l}}{X_{k,l}}...\left(5\right)$

式(5)中 为第l个符号的第k个子载波的信道响应，Y_k，l为接收到的第l个符号的第k个子载波收到的值，X_k，l为发送的第l个符号的第k个子载波的导频值。

对于整个子载波的信道响应的估计可以利用那些由导频而估计出来的信道响应

来得到，估计的方法可以采用内插或滤波平滑等。其中内插方法可以选择线性内插、高斯内插、Cubic内插等等。如果信道是慢变的而且变化足够慢，也可以不作内插，认为一个数据帧的信道响应是不变的，这样就可以将帧头部的信道响应来作为整个帧的响应。

由上面分析知道，在接收端先在时域上检测信道的时域脉冲响应，然后经过FFT变换到频域中进行滤波处理，最终得到所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应；同时，在频频上利用***的频域导频估计也可以估计出对应子载波上的信道响应，通过插值也可以得到所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应。

对于不同的信道估计得到的信道响应，乘以不同的权值后求和，得到新的频域响应值如下：

式(6)中α为加权因子， 为第l个符号的第k个子载波的信道响应，

对应为利用时域导频估计的得到的第l个符号的第k个子载波的信道响应，

为频域导频估计得到的第l个符号的第k个子载波的信道响应。

上述式(6)中，加权因子α可以根据表1的情况变动，以便获得最好的选择。

           表1加权因子修正α

通过提出的方案，很明显可以充分提高信道估计的可靠性。而且，利用在不同的信道情况下对加权因子α修正，可以跟踪信道的变换。

如上所述，本发明充分利用TD-SCDMA***中常规时隙中的一个训练长为144chip，这部分信息为这部分信息是已知的，因此，可以利用它作为频域的导频***到相应的子载波上。通过时域的导频可以获得时域信道的特性，通过频域的导频可以获得频域信道的特性。采用时频域相结合的信道估计方法能够更好地结合利用时域信道和频域信道对频域数据所产生的影响，有效抑制加性高斯白噪声，通过加循环前缀(CyclicPrefix，CP)还可以有效消减码间干扰(ISI)，能为译码模块提供一定的增益，此外在恶劣的多径瑞利衰落移动信道下，时频域相结合的信道估计方法仍能保持良好的估计性能，从而有利于提高兼容OFDM技术的TD-SCDMA***的性能。

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 (14)

1、一种时域和频域联合信道估计的方法，应用于兼容OFDM技术的TD-SCDMA***中，，其特征于包括以下步骤：

在OFDM符号之间加入一定数量的导频；

在接收端，在时域上，检测信道的时域脉冲响应，并经过傅立叶变换到频域中进行滤波处理，以得到所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应；

在频域上，根据接收到的信号和***的导频信号算出每个符号的每个子载波上的信道响应；

对上述时域和频域的信道估计结果进行加权处理，得到最终所需的在每个符号时刻每个子载波上的信道响应值。

2、根据权利要求1所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：所述在OFDM符号之间加入一定数量的导频步骤中，加入的导频数量与信道的变化特性有关，在信道变化快时，加入的导频数量较多，而信道变化慢时，加入的导频数量较少。

3、根据权利要求2所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：所述导频选择正交性比较好的序列。

4、根据权利要求1所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：时域导频***时需满足 $f_{D_{\max }}\·T_s\·N_k\≤1/2,$ f_Dmax为最大多普勒频移，T_s为符号长度，N_k为导频信号在时间上的间隔。

5、根据权利要求1所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：利用TD-SCDMA***中常规时隙中训练序列的信息作为频域的导频信号***到相应的子载波上。

6、根据权利要求5所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：在频域上，导频信号***的方法采用一维***方式，并满足τ_max·ΔF·N_L≤1/2，其中τ_max为最大时延，ΔF为载波间隔，N_L为导频信号频率上的间隔。

7、根据权利要求6所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：所述***的导频信号以等间隔的方式***在所传输的数据流中。

8、根据权利要求6所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：所述***的导频信号以动态间隔的方式***在所传输的数据流中。

9、根据权利要求1至8中任一项所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：利用那些由导频而估计出来的信道响应通过内插方法估计出整个子载波的信道响应。

10、根据权利要求9所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：所述内插方法包括线性内插法，高斯内插法，Cubic内插法。

11、根据权利要求1至8中任一项所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：利用那些由导频而估计出来的信道响应通过滤波平滑方法估计出整个子载波的信道响应。

12、根据权利要求1至8中任一项所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：如果信道是慢变的而且变化足够慢，帧头部的信道响应来作为整个帧的响应，从而得出整个子载波的信道响应。

13、根据权利要求1所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：所述加权处理步骤中，对不同的信道估计得到的信道响应，乘以不同的权值后求和，得到新的频域的响应值为： α≤1，其中，α为加权因子，

为第l个符号的第k个子载波的信道响应， 对应为利用时域导频估计的得到的第l个符号的第k个子载波的信道响应， 为频域导频估计得到的第l个符号的第k个子载波的信道响应。

14、根据权利要求13所述的时域和频域联合信道估计的方法，其特征在于：所述加权因子可以根据多普勒频移和多径长度的变化，通过 ${\hat{H}}_{k,l}=Y_{k,l}/X_{k,l}$ α来对加权因子进行修正，其中

为第l个符号的第k个子载波的信道响应，Y_k，l为接收到的第l个符号的第k个子载波收到的值，X_k，l为发送的第l个符号的第k个子载波的导频值。

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