基于傳輸徑修正的改進(jìn)型TD-SCDMA信道估計(jì)法*

龍智強(qiáng)，夏文龍，郭慶功

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

基于傳輸徑修正的改進(jìn)型TD-SCDMA信道估計(jì)法*

龍智強(qiáng)，夏文龍，郭慶功

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

針對(duì)3G移動(dòng)通信中的某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，如信號(hào)偵查、定位及信號(hào)的智能干擾等需要對(duì)通信信道進(jìn)行快速準(zhǔn)確估計(jì)的要求，在B.Steiner信道估計(jì)法的基礎(chǔ)上，提出一種新型的改進(jìn)方法。該方法首先對(duì)B.Steiner信道估計(jì)結(jié)果進(jìn)行門限處理，然后對(duì)保留徑的響應(yīng)進(jìn)行最大比增益修正，從而進(jìn)一步減弱噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。在TD-SCDMA的協(xié)議測(cè)試模型case3條件下進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，在不明顯增加算法復(fù)雜度的前提下，同一誤碼率時(shí)該方法所需輸入信噪比降低了1～2 dB。

TD-SCDMA；信道估計(jì)；門限后處理；最大比增益

0 引言

作為世界公認(rèn)為3G通信制式之一的TD-SCDMA，是唯一一個(gè)以我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的通信標(biāo)準(zhǔn)，在頻譜利用率、頻率靈活性等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，如智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、上行同步等的實(shí)現(xiàn)，都是建立在對(duì)信道的正確估計(jì)之上的。

信道估計(jì)分為盲信道估計(jì)和非盲信道估計(jì)。文獻(xiàn)[1]提出一種考慮噪聲統(tǒng)計(jì)特性自適應(yīng)修正的子空間盲信道估計(jì)方法，對(duì)多徑慢衰落信道有良好的估計(jì)效果。文獻(xiàn)[2]利用MPSK調(diào)制符號(hào)的M次方符號(hào)在復(fù)平面上對(duì)稱分布的特點(diǎn)，推導(dǎo)出了MPSK調(diào)制階數(shù)、初始相位和衰落系數(shù)的估計(jì)算法。盲信道估計(jì)算法不需要知道信道的先驗(yàn)信息，但是硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，難以進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。B.Steiner等針對(duì)CDMA系統(tǒng)的特殊編碼結(jié)構(gòu)，提出的適用于CDMA系統(tǒng)的信道估計(jì)算法，將復(fù)雜的線性卷積簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的循環(huán)卷積，大大減少了信道估計(jì)的計(jì)算量，提高了估計(jì)的效率[3]。但是該算法對(duì)系統(tǒng)背景噪聲沒(méi)有進(jìn)行任何抑制，會(huì)導(dǎo)致輸出端信噪比惡化，尤其是信噪比較低時(shí)，估計(jì)結(jié)果存在較大誤差[4]。為此，文獻(xiàn)[5-7]研究了一些門限處理方法，這些方法可以消除由噪聲產(chǎn)生的響應(yīng)徑，一定程度上提高了信道估計(jì)精度，但是保留徑中仍然存在噪聲。針對(duì)這一缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[8]提出，在去除噪聲徑的基礎(chǔ)上，將保留徑的響應(yīng)模值減去噪聲功率，達(dá)到減弱保留徑中噪聲影響的目的。文獻(xiàn)[9]針對(duì)寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信信道的特殊衰落特性，提出改進(jìn)的基于功率判決的最小二乘估計(jì)算法(LS)和補(bǔ)零插值算法，能夠充分利用已估計(jì)導(dǎo)頻信息，抑制有效抽頭外的噪聲，提高系統(tǒng)性能。

針對(duì)上述方法存在的運(yùn)算復(fù)雜度過(guò)高的不足，本文提出一種新型信道估計(jì)改進(jìn)方法：基于功率大的保留徑在信道估計(jì)中的貢獻(xiàn)也大，功率小的保留徑在信道估計(jì)中的貢獻(xiàn)也小的思想，首先將B.Steiner方法得到的信道響應(yīng)通過(guò)設(shè)定的門限，然后將保留徑做最大比增益修正，削弱噪聲對(duì)保留徑的影響。經(jīng)過(guò)這樣的處理，更大程度地減弱了噪聲影響，降低了系統(tǒng)誤碼率和信道估計(jì)的均方誤差。

1 基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)

1.1 經(jīng)典B.Steiner信道估計(jì)

TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)圖

TD-SCDMA系統(tǒng)的幀中常規(guī)時(shí)隙都包含長(zhǎng)度均為352 chips的兩個(gè)數(shù)據(jù)塊d(k,1)、d(k,2)和一個(gè)長(zhǎng)度為144chips的訓(xùn)練序列(Midamble碼)以及一個(gè)16chips的保護(hù)帶。

發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑時(shí)延信道以后，用戶k接收到的(864+W-1)×1信號(hào)矢量yk為：

yk=s×hk+ωk

(1)

在同一個(gè)小區(qū)中，同一時(shí)隙不同用戶的訓(xùn)練序列是由同一基本訓(xùn)練序列經(jīng)過(guò)循環(huán)移位產(chǎn)生的，并且循環(huán)移位的長(zhǎng)度等于信道估計(jì)窗窗長(zhǎng)的整數(shù)倍[10]。令基本訓(xùn)練序列碼為：

mb=(m1,m2,m3…,mP)T

(2)

其中P=128，表示基本Midamble長(zhǎng)度，則第k個(gè)用戶的訓(xùn)練碼可以表示為：

(3)

其中，Lm=144，表示每個(gè)用戶的訓(xùn)練序列長(zhǎng)度。每個(gè)用戶的Midamble碼選取規(guī)則如圖2。

圖2 用戶所需Midamble碼產(chǎn)生規(guī)則

在接收時(shí)，由于受到時(shí)延影響，接收數(shù)據(jù)的訓(xùn)練碼em的前W-1位會(huì)受到數(shù)據(jù)塊1的干擾，后W-1位會(huì)受到數(shù)據(jù)塊2的干擾，因此通常只利用中間的Lm-W位進(jìn)行信道估計(jì)，從而Midamble經(jīng)過(guò)高斯信道的過(guò)程表示為:

(4)

其中，

(5)

(6)

G=[G1,G2…GK]

(7)

h=(h(1),h(2),…,h(K))T

(8)

(9)

(10)

從式(10)中可以看出，求出信道估計(jì)的關(guān)鍵就是求G矩陣的逆，直接求逆過(guò)程的運(yùn)算量較大。B.Steiner信道估計(jì)算法利用G的每一列都是由基本Midamble的循環(huán)移位得到的特性，提出求矩陣的逆可以利用FFT算法進(jìn)行簡(jiǎn)化的方法[11]。所以，式(10)可以等價(jià)為：

(11)

1.2 B.Steiner信道估計(jì)法的改進(jìn)

從式(10)可以看出，基本B.Steiner估計(jì)法得到的信道估計(jì)結(jié)果含有噪聲干擾信號(hào)，所有徑的估計(jì)值都要比實(shí)際值高，這些誤差會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。因此，文獻(xiàn)[12]提出一種門限處理方法：

(12)

ε=r2×δ2

(13)

由式(10)可知，即使在選擇完美的門限進(jìn)行處理后，也只是消除了噪聲徑的干擾，保留徑內(nèi)的噪聲仍然存在。在門限處理的基礎(chǔ)上為進(jìn)一步減小噪聲的影響，提高系統(tǒng)的性能，需要對(duì)保留徑的信道估計(jì)值進(jìn)行進(jìn)一步的修正。

用戶接收到的信號(hào)是發(fā)送端信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑后的疊加，而所有路徑的干擾噪聲功率都強(qiáng)于信號(hào)功率的可能性幾乎為零。因此，功率越大的路徑受到的噪聲干擾相對(duì)來(lái)說(shuō)更小，對(duì)信道估計(jì)的準(zhǔn)確性貢獻(xiàn)越大，而功率越小的路徑對(duì)信道估計(jì)的準(zhǔn)確性貢獻(xiàn)相對(duì)越小。本文提出一種保留徑的增益修正方法，對(duì)于用戶k的第l條路徑的修正如下：

(14)

從而，時(shí)隙內(nèi)的所有用戶信道估計(jì)結(jié)果為：

(15)

l表示保留徑序號(hào)，序號(hào)越大的路徑時(shí)延越大，信號(hào)衰減越嚴(yán)重，功率越小。經(jīng)過(guò)這樣的修正以后，進(jìn)一步提高了功率較大的保留徑對(duì)信道估計(jì)最終結(jié)果的貢獻(xiàn)，并且增加的運(yùn)算相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算量來(lái)說(shuō)微乎其微。

1.3 不同信道估計(jì)方法的復(fù)雜度比較

由文獻(xiàn)[13]可知，1次P點(diǎn)FFT(IFFT)運(yùn)算，需要進(jìn)行(P/2)×log2P次復(fù)數(shù)乘法，P×log2P次復(fù)數(shù)加法；2次比較運(yùn)算等效為1次復(fù)數(shù)運(yùn)算；K次開方平均運(yùn)算等效為2K次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，因此不同算法間的復(fù)雜度比較如表1所示。

表1 不同信道估計(jì)算法的復(fù)雜度比較

由表1可知，本文算法只比門限處理算法多了P次復(fù)數(shù)乘法，所以本文算法在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，并沒(méi)有增大系統(tǒng)的處理時(shí)延。

2 改進(jìn)算法的性能仿真

2.1 仿真模型

仿真采用TD-SCDMA系統(tǒng)專用測(cè)試模型3[14]，條件如表2所示。

表2 TD-SCDMA專用測(cè)試模型3(速度v=120 km/h)

單個(gè)時(shí)隙用戶數(shù)為K=8，信道估計(jì)窗長(zhǎng)W=16，擾碼序列長(zhǎng)度SF=16，碼片速率為1.28Mchips/s；調(diào)制方式為QPSK，仿真的信噪比為1～10dB，仿真結(jié)果為200次仿真的平均結(jié)果。

2.2 仿真結(jié)果

在上述條件下，信噪比為1 dB時(shí)，得到的信道估計(jì)值如圖3，不同信噪比下的誤碼率曲線如圖4。

圖3 各傳輸徑的信道估計(jì)值

圖4 不同信噪比條件下誤碼率

從圖3中可以看出，實(shí)際信道估計(jì)值不僅在有用徑的響應(yīng)值變大，在無(wú)用徑處也產(chǎn)生了響應(yīng)，本文提出的方法在消除了噪聲徑干擾以后，也減弱了噪聲對(duì)保留徑的影響，使得信道估計(jì)值更接近于理想信道估計(jì)。

從圖4中可以看出，在相同的誤碼率情況下，本文提出的方法輸入信噪比比傳統(tǒng)門限處理算法要低1～2 dB，使得系統(tǒng)性能得到改善，這種改善在低信噪比條件下更加明顯，但是運(yùn)算的復(fù)雜度卻沒(méi)有明顯增加。

系統(tǒng)的信道估計(jì)值均方誤差計(jì)算公式為：

(16)

不同信噪比情況下系統(tǒng)的均方誤差如圖5。

圖5 不同SNR條件下信道估計(jì)均方誤差

通過(guò)以上仿真可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)門限處理的方法，雖然可以有效地去除噪聲徑，但是保留的有用徑內(nèi)仍然存在噪聲，使得信道估計(jì)值始終比理想信道估計(jì)值大。本文提出的方法不但去除了噪聲徑的干擾，與文獻(xiàn)[6]相比，對(duì)保留徑的噪聲削弱效果更好，而且復(fù)雜度幾乎相同，能有效降低系統(tǒng)的誤碼率。

3 結(jié)論

本文針對(duì)門限處理后的信道估計(jì)保留徑內(nèi)仍然含有噪聲的弱點(diǎn)，研究了TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在理論上分析了B.Steiner 估計(jì)器造成的估計(jì)誤差及門限處理能夠去除噪聲的原因，并提出了一種新的門限后處理方法。通過(guò)在不同信噪比條件下的仿真驗(yàn)證，表明本文提出的方法對(duì)系統(tǒng)性能具有良好的提高作用，在低信噪比條件下，相同誤碼率下能夠降低輸入信噪比1～2 dB。

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The improved channel estimation algorithm of TD-SCDMA based on transmission route modification

Long Zhiqiang, Xia Wenlong, Guo Qinggong

(College of Electronic & Information Engineering , Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Some specific application of the 3G communication, such as signal detection, location and intelligent signal interference, need quick and accurate channel estimation. Based on B.Steiner algorithm, an improved channel estimation algorithm is proposed. In this method, the result of B.Steiner estimation is processed by a setting threshold firstly, and then the rest of them is modified by the maximum proportion. Thus, the influence of noise is further weakened. Simulation experiment is carried out under the condition of specific test model case 3 of TD-SCDMA system, the results demonstrate the SNR of the input signal that the system required reduces 1～2 dB with a certain bit error rate. In addition, this method does not increase the computation.

TD-SCDMA; channel estimation; processing after threshold; maximum gain proportion

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合基金(U1530143)

TN91;TN92

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.020

龍智強(qiáng)，夏文龍，郭慶功.基于傳輸徑修正的改進(jìn)型TD-SCDMA信道估計(jì)法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(7)：67-69，73.

2016-11-15)

龍智強(qiáng)(1991-)，男，碩士，主要研究方向：無(wú)線通信。

夏文龍(1976-)，男，博士，講師，主要研究方向：無(wú)線通信、軟件無(wú)線電和智能硬件。

郭慶功(1967-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：微波技術(shù)應(yīng)用。E-mail:616214713@qq.com。