5G多載波通信中信道估計(jì)干擾抑制均衡算法

孫立科，魏 康

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

5G多載波通信是新一代綠色科技，適用范圍廣，具有速率高、延時(shí)低且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。與第四代移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G多載波通信應(yīng)用了大規(guī)模MIMO的無(wú)線傳輸技術(shù)，在提升速率與效率的同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。由于MIMO的規(guī)模大，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)復(fù)雜度往往十分高，也就導(dǎo)致了信道估計(jì)的計(jì)算量十分巨大[2]。信道估計(jì)對(duì)5G多載波通信整體性能而言是十分重要的，直接影響到接收端信號(hào)的準(zhǔn)確性。信道估計(jì)干擾有多種類型，常見(jiàn)的包括同頻干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾。干擾產(chǎn)生的原因一般是5G多載波通信電波在傳輸過(guò)程中受到外界因素影響，包括建筑物、地形等對(duì)電波的反射、散射，樹(shù)葉對(duì)信號(hào)的吸收等，導(dǎo)致接收端接收的電波產(chǎn)生偏差，進(jìn)而出現(xiàn)信號(hào)失真等干擾現(xiàn)象[3]。傳統(tǒng)算法在5G多載波通信信道估計(jì)中存在均衡性能較差的問(wèn)題，其信道估計(jì)結(jié)果誤碼元數(shù)與誤碼率偏高，針對(duì)這一問(wèn)題本文提出了5G多載波通信中信道估計(jì)干擾抑制均衡算法。

1 信道估計(jì)干擾抑制均衡算法

1.1 干擾項(xiàng)過(guò)采樣

5G多載波通信的接收端在接收信號(hào)后，會(huì)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，這種預(yù)處理會(huì)受到其他發(fā)射端的信號(hào)影響，這種干擾項(xiàng)一般為相鄰但不同時(shí)隙的信號(hào)[4]，所以首先對(duì)5G多載波通信信道估計(jì)的接收端干擾項(xiàng)進(jìn)行G倍過(guò)采樣。輸出干擾項(xiàng)采樣值為yj1(i)，yj2(i)，…，yjG(i)，采樣周期為T(mén)sa=Ts/G。對(duì)任意一路干擾項(xiàng)yjg(i)有

式中，g表示第g倍過(guò)采樣，g=1,2,…,G；hm,j(l)表示第m根到第j根天線的干擾項(xiàng)沖激響應(yīng)；hgm,j(1)，hgm,j(2)，…，hgm,j(P)表示采樣后的信道值；P表示信道多徑數(shù)。每對(duì)發(fā)射與接收天線之間均存在G組信道，接收天線上的干擾項(xiàng)經(jīng)過(guò)采樣后與輸出天線上的干擾項(xiàng)有著一定的關(guān)聯(lián)性。

為得到輸入接收信號(hào)，需將信號(hào)yjg(i)進(jìn)行反向變換處理從而獲取頻域信號(hào)yjg(i)，以矩陣的方式來(lái)描述G組接收數(shù)據(jù)符號(hào)：

1.2 引入預(yù)處理矩陣

在對(duì)5G多載波通信中信道估計(jì)干擾進(jìn)行抑制時(shí)，還要考慮模損失的影響[5]，因此引入預(yù)處理矩陣VH。此時(shí)等效5G多載波通信信道可以表示為Heq=VHHW，對(duì)矩陣Heq、HeqH進(jìn)行Cholesky分解可以得到：HeqHeqH=SSH，進(jìn)一步得到信道容量：

式中，det(·)表示求矩陣的行列式；K表示第K個(gè)用戶；σ2表示方差；W表示同信道干擾。Heq=VHHW服從高斯分布，使信道容量CZF矩陣最大。

1.3 均衡信道干擾

5G多載波通信中信道估計(jì)干擾抑制均衡算法實(shí)現(xiàn)步驟如下。

一是根據(jù)1.1中提到的公式（1）同時(shí)結(jié)合公式（4），計(jì)算過(guò)采樣后的干擾項(xiàng)的干擾系數(shù)。

式中，Ag表示干擾系數(shù)；p表示發(fā)射端信號(hào)干擾；q表示接收端信號(hào)干擾；k表示連續(xù)時(shí)間變量；N表示波特間隔；e-jπqk/N表示第j個(gè)均衡器的復(fù)合沖激響應(yīng)。

二是根據(jù)傳感器端的信道狀態(tài)傳回?cái)?shù)據(jù)，使CZF最大，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行初步均衡與判決處理，根據(jù)OQAM原則對(duì)初步處理后的信號(hào)二次處理，進(jìn)行取實(shí)部或取虛部選擇，獲得發(fā)送信號(hào)的預(yù)估值：

式中，a^m,n表示發(fā)送信號(hào)預(yù)估值；HD表示發(fā)射端信道與均衡器的合成信道向量；rm,n表示信道沖擊響應(yīng)向量；Hm,n表示均衡器系數(shù)向量；R表示總干擾比；I表示碼間干擾。

三是根據(jù)計(jì)算所得干擾項(xiàng)的干擾系數(shù)，對(duì)比發(fā)送信號(hào)預(yù)估值，在接收信號(hào)中減掉干擾項(xiàng)，再次進(jìn)行均衡處理，以實(shí)現(xiàn)5G多載波通信中信道估計(jì)干擾抑制均衡。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的算法均衡性能，將本文提出的算法記作算法1，將文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[3]中提出的傳統(tǒng)算法分別記作算法2、算法3，選取誤碼元數(shù)與誤碼率兩個(gè)指標(biāo)對(duì)三種算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，誤碼元數(shù)與誤碼率越低，算法均衡性能越好。

2.1 誤碼元數(shù)仿真結(jié)果

分別使用三種算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，誤碼元數(shù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 三種算法誤碼元數(shù)對(duì)比

由表1可知，三種算法的誤碼元數(shù)都隨著信噪比的增加而減小，其中，當(dāng)信噪比為-8 dB時(shí)，算法1的誤碼元數(shù)為125，對(duì)比算法2與算法3，分別低了161、192；當(dāng)信噪比為-6 dB時(shí)，算法1的誤碼元數(shù)為103，對(duì)比算法2與算法3，分別低了110、168；當(dāng)信噪比為-4 dB時(shí)，算法1的誤碼元數(shù)為54，對(duì)比算法2與算法3，分別低了81、138；當(dāng)信噪比為-2 dB時(shí)，算法1的誤碼元數(shù)為59，對(duì)比算法2與算法3，分別低了43、94；當(dāng)信噪比為0 dB時(shí)，算法1的誤碼元數(shù)為48，對(duì)比算法2與算法3，分別低了50、76。

2.2 誤碼率仿真結(jié)果

分別使用三種算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，誤碼率對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，從總體上看三種算法的誤碼率都隨著信噪比的增加而減小。其中，在信噪比為-10 dB時(shí)，算法1的誤碼率約為45%，對(duì)比算法2與算法3，分別低了7%、11%；在信噪比為-8 dB時(shí)，算法1的誤碼率約為21%，對(duì)比算法2與算法3，分別低了24%、31%；在信噪比為-6 dB時(shí)，算法1的誤碼率約為18%，對(duì)比算法2與算法3，分別低了22%、27%；在信噪比為-4 dB時(shí)，算法1的誤碼率約為9%，對(duì)比算法2與算法3，分別低了18%、26%；在信噪比為-2 dB時(shí)，算法1的誤碼率約為10%，對(duì)比算法2與算法3，分別低了9%、12%；在信噪比為0 dB時(shí)，算法1的誤碼率約為5%，對(duì)比算法2與算法3，分別低了8%、16%。

3 結(jié) 論

本文提出的5G多載波通信中信道估計(jì)干擾抑制均衡算法，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示其誤碼元數(shù)與誤碼率低于傳統(tǒng)算法，表現(xiàn)出了良好的均衡性能，為5G多載波通信中信道估計(jì)提供了優(yōu)化方案，對(duì)提高5G多載波通信質(zhì)量有著十分積極的意義。今后將會(huì)對(duì)5G多載波通信領(lǐng)域進(jìn)行更深層次的研究探索，以期在其他方面為5G多載波通信的發(fā)展做出更多貢獻(xiàn)。