CN103595664B - 一种多接收天线系统中信道估计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多接收天线系统中信道估计方法和装置，所述方法包括：利用最小二乘信道估计算法，对接收的导引信号进行信道估计，得到估计值H_LS；获取N'维信道自相关矩阵以及发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵R_i，计算去干扰和噪声后的权值矩阵W；其中，i＝1,2，...,N_T，N_T为发射端天线数；利用所述权值矩阵W对估计值H_LS进行修正，得到修正后的估计值H_P‑LMMSE。所述装置包括：初始估计模块、权值计算模块和估计修正模块。本发明所述方法和装置，通过较少的先验统计信息，即可获得尽可能接近LMMSE技术的性能，实现方式简单，提高了信道估计效率。

Description

一种多接收天线系统中信道估计方法和装置

技术领域

本发明涉及多接收天线通信系统领域，尤其涉及一种多接收天线系统中信道估计方法和装置。

背景技术

无线信道的多普勒效应与多径现象造成了接收信号的幅度相位时变失真及码间干扰。多载波通信系统(OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用技术)与SC-FDM(single-carrier Frequency-division multiple access，单载波频分多址接入))利用循环前缀获得了有效的抗码间干扰能力，而多天线(MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put，多入多出）)系统则利用天线间衰落的独立性增加链路稳定性或提升系统容量。两者的结合极大的开发了无线信道的特点，将其缺陷转化为可提升容量的有利因素，因此，多载波MIMO系统被新一代移动通信广泛采用(如LTE（Long TermEvolution，长期演进）与WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入）)。

为顺利的恢复发射信号，信道估计是多载波MIMO系统接收机中的必需步骤。多载波系统的信道估计主要可分为两大类，盲信道估计与导引辅助信道估计。其中，导引辅助信道估计可得到更高的估计准确度和稳定性，因此被实际系统广泛采用。与传统多载波系统中的导引辅助信道估计不同，多载波MIMO系统涉及多个天线间通路的信道增益的获取，因此需设计特殊的导引安排方案避免多天线间干扰。

当前的频域码分导频设计如下：

当发射天线数目为N_T时，假设用户所占子载波数目为K，首先生成时域导引序列x_i(n),i＝1,2,…,N_T,n＝1,2,…，K，其中x_i(n)为x₁(n)的(i-1)K/N_T循环移位版本，即x_i(n)＝x₁(n-(i-1)K/N_T|modK)，将N_T个时域序列分别变换至频域，并记为对角形式得到X_i,i＝1,2,…,N_T，且X_i＝X₁Λ_i，其中，Λ_i为对角矩阵，第l个对角元素为： ${\mathrm{\Λ}}_i[l,l]=\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{(i-1)}{N_T}(l-1)\right).$

且导引的时域与频域序列均为恒模，如Zadoff-Chu（简称ZC）序列。频域导引信号经补零后延长至N'，经IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换），加CP（Cyclic Prefix，循环前缀）操作后送至天线射频进行D/A（Digital to Analog，数字转模拟）及上变频等操作后发射。

对于接收端的任意一根天线，经下变频，A/D（Analog to Digital，模拟转数字）采样得到数字接收信号，再经过去CP，N'点FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换），解复用操作可得到频域接收导引信号为：

$Y=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i{H}_i+N=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1{\mathrm{\Λ}}_i{H}_i+N$

其中，H_i为发射天线i至某一接收天线的信道增益，具有频域自相关矩阵N为高斯白噪声，具有频域自相关矩阵N₀I，其中N₀是白噪声功率，I是单位矩阵。

目前常见的OFDM(同样适用于SC-FDM)中三种基于导频的信道估计技术主要包括：

（1）最小二乘(Least Square，简称LS)信道估计：LS信道估计是OFDM系统中最基本、最简单的信道估计方法。该方法将导引子载波位置的接收信号直接与导频信号的逆相乘，作为信道的估计值。LS信道估计也是其余更复杂信道估计技术的基础步骤。LS信道估计具有最低的计算复杂度，然而该估计算法完全未考虑噪声及天线间干扰对估计性能造成的恶化，若采用将严重影响系统性能。

（2）基于离散傅里叶变换的(DFT-Based)信道估计：DFT-Based信道估计利用时域信道向量能量集中的特点进行除噪及干扰抑制。首先进行频域LS信道估计，然后将信道频域响应值经过IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform，离散傅里叶逆变换）到时域，对信道的冲击响应进行加窗以抑制噪声，最后经DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）到频域，得到最终的信道频域响应估计值。由于DFT操作具有快速的计算机执行方法，DFT-Based技术的复杂度较低，其加窗操作能有效的抑制噪声及天线间干扰，然而，时域信道能量的泄漏现象使得该技术不可避免的遭受有用信息损失及残余天线间干扰的影响。

（3）线性最小均方误差(Linear Minimum Mean-Squared Error，简称LMMSE)信道估计：LMMSE算法利用信道统计信息得到最小化均方误差的线性估计，是线性最优的估计算法。LMMSE算法的具有较高的计算复杂度，且需要信道的统计信息进行估计，这在实际中是难以得到的。

发明内容

本发明提供一种多接收天线系统中信道估计方法和装置，用以解决现有技术中采用LMMSE信道估计算法计算复杂度高，影响信道估计效率的问题。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种多接收天线系统中信道估计方法，包括：

利用最小二乘信道估计算法，对接收的导引信号进行信道估计，得到估计值H_LS；

获取N'维信道自相关矩阵以及发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵R_i，计算去干扰和噪声后的权值矩阵W；其中，i＝1,2,...,N_T，N_T为发射端天线数；

利用所述权值矩阵W对估计值H_LS进行修正，得到修正后的估计值H_P-LMMSE。

进一步地，本发明所述方法中，所述计算得到的去干扰和噪声后的权值矩阵其中，为自相关矩阵的前K行与前K列元素构成的子矩阵，K为用户所占子载波数目，N₀是白噪声功率，I是单位矩阵。

进一步地，本发明所述方法中，所述获取的发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵其中，Λ_i为对角矩阵，为对角矩阵Λ_i的共轭转置矩阵，矩阵Λ_i的第l个对角元素为

进一步地，本发明所述方法中，所述获取的N'维信道自相关矩阵其中，M为循环前缀长度，F_N′为N'点FFT变换矩阵，为F_N'的共轭转置矩阵。

进一步地，本发明所述方法中，所述修正后的信道估计值为H_P-LMMSE＝WH_LS。

另一方面，本发明提供一种多接收天线系统中信道估计装置，包括：

初始估计模块，用于利用最小二乘信道估计算法，对接收的导引信号进行信道估计，得到估计值H_LS；

权值计算模块，获取N'维信道自相关矩阵以及发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵R_i，计算去干扰和噪声后的权值矩阵W；其中，i＝1,2,...，N_T，N_T为发射端天线数；

估计修正模块，用于利用所述权值矩阵W对所述估计值H_LS进行修正，得到修正后的估计值H_P-LMMSE。

进一步地，本发明所述装置中，所述权值计算模块，计算得到的去干扰和噪声后的权值矩阵其中，为自相关矩阵的前K行与前K列元素构成的子矩阵，K为用户所占子载波数目，N₀是白噪声功率，I是单位矩阵。

进一步地，本发明所述装置中，所述权值计算模块，获取的发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵其中，Λ_i为对角矩阵，为对角矩阵Λ_i的共轭转置矩阵，矩阵Λ_i的第l个对角元素为 ${\mathrm{\Λ}}_i[l,l]=\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{(i-1)}{N_T}(l-1)\right).$

进一步地，本发明所述装置中，所述权值计算模块，获取的N'维信道自相关矩阵其中，M为循环前缀长度，F_N′为N′点FFT变换矩阵，为F_N'的共轭转置矩阵。

进一步地，本发明所述装置中，所述估计修正模块，修正后的信道估计值为H_P-LMMSE＝WH_LS。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

本发明适用于采用频域码分复用导引安排场景下的多天线信道估计，本发明所述方法和装置，通过较少的先验统计信息，即可获得尽可能接近LMMSE技术的性能，实现方式简单，提高了信道估计效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多接收天线系统中信道估计方法的流程图；

图2为本发明实施例中发射机结构示意图；

图3为本发明实施例中接收机结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多接收天线系统中信道估计装置的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

方法实施例

本发明实施例提供一种多接收天线系统中信道估计方法，所述方法是实际的LMMSE信道估计技术，即PLMMSE(Practical LMMSE)技术，是一种实际可实现的信道估计算法，可在发射机多天线采用频域码分复用的情况下获取准确的信道估计。

如图1所示，本发明实施例提供的一种多接收天线系统中信道估计方法，具体包括：

步骤S101，利用最小二乘信道估计算法，对接收的导引信号进行信道估计，得到估计值H_LS；

该步骤具体为：

（1）接收端对接收到的导引信号依次经过去CP、N'点FFT、解复用操作后，得到：

$Y=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i{H}_i+N=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1{\mathrm{\Λ}}_i{H}_i+N$

其中，H_i为发射天线i至某一接收天线的信道增益，具有频域自相关矩阵N为高斯白噪声，具有频域自相关矩阵N₀I。Λ_i为对角矩阵，第l个对角元素为： ${\mathrm{\Λ}}_i[l,l]=\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{(i-1)}{N_T}(l-1)\right)$

（2）对处理后的导引信号进行LS信道估计，得到：

$H_{\mathrm{LS}}=X_1^{-1}Y=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Λ}}_i{H}_i+\stackrel{\‾}{N},$ 其中， $\stackrel{\‾}{N}=X_1^{-1}N.$

步骤S102，获取N'维信道自相关矩阵

$\stackrel{\‾}{R}=F_{N^{\′}}\mathrm{diag}\left(\frac{N^{\′}}{M}\right[1,...,\mathrm{1,0},...,0\left]\right)F_{N^{\′}}^H$

其中，M为CP长度；F_N′为N'点FFT变换矩阵，其第n行k列元素可记为：

$F_{N^{\′}}(n,k)=\frac{1}{\sqrt{N^{\′}}}\exp (-2\mathrm{\πj}\frac{(n-1)(k-1)}{N^{\′}}).$

步骤S103，获取发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵R_i；

其中， 表示矩阵的前K行与前K列元素构成的子矩阵；K为用户所占子载波数目。

步骤S104，根据获取的自相关矩阵R_i，计算权值矩阵W；

该步骤中， $W={\stackrel{\‾}{R}}_H{(\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i+N_{0}I)}^{-1}={\stackrel{\‾}{R}}_H{(\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Λ}}_i{\stackrel{\‾}{R}}_H{\mathrm{\Λ}}_i^H+N_{0}I)}^{-1};$ 其中，N₀为接收端已知的白噪声功率。

步骤S105，利用权值矩阵W对估计值H_LS进行修正，得到修正后的估计值H_P-LMMSE；

该步骤中 $H_{P-\mathrm{LMMSE}}={\mathrm{WH}}_{\mathrm{LS}}={\stackrel{\‾}{R}}_H{(\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Λ}}_i{\stackrel{\‾}{R}}_H{\mathrm{\Λ}}_i^H+N_{0}I)}^{-1}{H}_{\mathrm{LS}}$

下面以2发射天线场景为例对本发明实施例所述方法进行进一步的详细说明，具体如下：

如图2所示，为本发明实施例中典型的发射机结构示意图，所述发射机结构包括串并转换模块1、调制模块2、DFT模块3、映射模块4、插入导频模块5、IFFT模块6、增加CP模块7和发射天线8；

图2所述发射机结构为基于SC-FDMA的2发2收V-BLAST系统基带模型，用户数据经模块1串并转换后分两路经模块2调制，然后经模块3DFT（可采用600点FFT变换）变换至频域，在频域进行用模块5联合插入导频。频域符号与导引符号通过子载波映射实现与其余用户的频分复用，再经模块6进行IFFT(1024点IFFT变化)变换到时域，最后在模块7添加CP（常规CP或非常规CP）后经模块8变频发射。

如图3所示，为本发明实施例中典型的接收机结构示意图，所述接收机结构包括：接收天线18、去CP模块17、FFT模块16、解映射模块15、信道估计模块14、MIMO检测模块13、IDFT模块12、解调模块11和并串转换模块10；

在接收端，先进行下变频操作（由模块18实现，其中18表示模块8相对应的逆过程，其余编号类同），两接收天线分别用模块17进行去CP，经模块16进行FFT变换到频域，在频域经模块15解映射操作得到经衰落信道及噪声影响的发射信号，此时仍为分离的两路发射信号，然后接收机对数据符号运用模块14进行信道估计然后用模块13进行MIMO检测操作(其中14、13对应图2 中的模块4)，然后对分离后信号分别进行IDFT变换，用模块11解调操作得到每根天线的发射数据，最后经模块10串并转换的到发射数据。

本发明实施例所述方法是对接收机中信道估计模块进行信道估计的改进方法，具体的操作包括：

步骤1，接收的导引符号经下变频，A/D，去CP，N'点FFT后解复用可得到频域向量Y，进行LS估计得到H_LS；

步骤2，获取N'维信道自相关矩阵

$\stackrel{\‾}{R}=F_{N^{\′}}\mathrm{diag}\left(\frac{N^{\′}}{M}\right[1,...,\mathrm{1,0},...,0\left]\right)F_{N^{\′}}^H$

其中，M为CP长度，该矩阵代表信道的统计信息。

步骤3，获取发射天线1与发射天线2至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵与其中 表示矩阵的前K行与前K列元素构成的子矩阵。

步骤4，根据以上步骤得到的信息及接收端已知的白噪声功率N₀计算权值矩阵: $W={\stackrel{\‾}{R}}_H{({\stackrel{\‾}{R}}_H+\mathrm{\Λ}{\stackrel{\‾}{R}}_H{\mathrm{\Λ}}^H+N_{0}I)}^{-1}.$

步骤5，利用权值矩阵W与事先得到的LS估值H_LS，得到最终的信道估计值： $H_{P-\mathrm{LMMSE}}={\stackrel{\‾}{R}}_H{({\stackrel{\‾}{R}}_H+\mathrm{\Λ}{\stackrel{\‾}{R}}_H{\mathrm{\Λ}}^H+N_{0}I)}^{-1}{H}_{\mathrm{LS}}.$

综上所述，本发明实施例所述方法，需要较少的先验统计信息，即可获取准确的信道估计，该准确的信道估计值为后续的MIMO检测提供数据支持。

装置实施例

如图4所示，为本发明实施例提供的一种多接收天线系统中信道估计装置，具体包括：

初始估计模块410，用于利用最小二乘信道估计算法，对接收的导引信号进行信道估计，得到估计值H_LS；

权值计算模块420，获取N'维信道自相关矩阵以及发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵R_i，计算去干扰和噪声后的权值矩阵W；其中，i＝1,2，...,N_T，N_T为发射端天线数；

估计修正模块430，用于利用所述权值矩阵W对所述估计值H_LS进行修正，得到修正后的估计值H_P-LMMSE。

具体地，本发明实施例所述装置中，权值计算模块420，计算得到的去干扰和噪声后的权值矩阵其中，为自相关矩阵的前K行与前K列元素构成的子矩阵，K为用户所占子载波数目，N₀是白噪声功率，I是单位矩阵。

其中，权值计算模块420，获取的发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵其中，Λ_i为对角矩阵，为对角矩阵Λ_i的共轭转置矩阵，矩阵Λ_i的第l个对角元素为 ${\mathrm{\Λ}}_i[l,l]=\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{(i-1)}{N_T}(l-1)\right).$

权值计算模块420，获取的N'维信道自相关矩阵 $\stackrel{\‾}{R}=F_{N^{\′}}\mathrm{diag}\left(\frac{N^{\′}}{M}\right[1,...,\mathrm{1,0},...,0\left]\right)F_{N^{\′}}^H$ ，其中，M为循环前缀长度，F_N′为N'点FFT变换矩阵，为F_N'的共轭转置矩阵。

进一步地，本发明实施例所述装置中，估计修正模块430，修正后的信道估计值为H_P-LMMSE＝WH_LS。

本发明实施例已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述为了使本领域的技术人员制造或适用本发明，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。本发明不限于只处理LTE上行信道估计，还可以处理下行信道，或更多发射天线的场景。本发明并不限于这些例子，或其中的某些方面。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种多接收天线系统中信道估计方法，其特征在于，包括：

利用最小二乘信道估计算法，对接收的导引信号进行信道估计，得到估计值H_LS；

获取N'维信道自相关矩阵以及发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵R_i，计算去干扰和噪声后的权值矩阵W；所述其中，i＝1,2,...,N_T，N_T为发射端天线数，M为循环前缀长度，F_N'为N'点FFT变换矩阵，为F_N'的共轭转置矩阵，为自相关矩阵的前K行与前K列元素构成的子矩阵，K为用户所占子载波数目，N₀是白噪声功率，I是单位矩阵；

利用所述权值矩阵W对估计值H_LS进行修正，得到修正后的估计值H_P-LMMSE。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取的发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵其中，Λ_i为对角矩阵，为对角矩阵Λ_i的共轭转置矩阵，矩阵Λ_i的第l个对角元素为

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正后的信道估计值为H_P-LMMSE＝WH_LS。

4.一种多接收天线系统中信道估计装置，其特征在于，包括：

初始估计模块，用于利用最小二乘信道估计算法，对接收的导引信号进行信道估计，得到估计值H_LS；

权值计算模块，获取N'维信道自相关矩阵以及发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵R_i，计算去干扰和噪声后的权值矩阵W；所述其中，i＝1,2,...,N_T，N_T为发射端天线数，M为循环前缀长度，F_N'为N'点FFT变换矩阵，为F_N'的共轭转置矩阵，为自相关矩阵的前K行与前K列元素构成的子矩阵，K为用户所占子载波数目，N₀是白噪声功率，I是单位矩阵；

估计修正模块，用于利用所述权值矩阵W对所述估计值H_LS进行修正，得到修正后的估计值H_P-LMMSE。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述权值计算模块，获取的发射天线i至任意接收天线处的信道频域自相关矩阵其中，Λ_i为对角矩阵，为对角矩阵Λ_i的共轭转置矩阵，矩阵Λ_i的第l个对角元素为

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述估计修正模块，修正后的信道估计值为H_P-LMMSE＝WH_LS。