龍智強，夏文龍，郭慶功

　　(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065）

       摘要：針對3G移動通信中的某些特殊應(yīng)用場景，如信號偵查、定位及信號的智能干擾等需要對通信信道進行快速準(zhǔn)確估計的要求，在B.Steiner信道估計法的基礎(chǔ)上，提出一種新型的改進方法。該方法首先對B.Steiner信道估計結(jié)果進行門限處理，然后對保留徑的響應(yīng)進行最大比增益修正，從而進一步減弱噪聲對系統(tǒng)的影響。在TD-SCDMA的協(xié)議測試模型case3條件下進行仿真，結(jié)果表明，在不明顯增加算法復(fù)雜度的前提下，同一誤碼率時該方法所需輸入信噪比降低了1~2 dB。

　　關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；信道估計；門限后處理；最大比增益

　　中圖分類號：TN91;TN92文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.020

　　引用格式：龍智強，夏文龍，郭慶功.基于傳輸徑修正的改進型TDSCDMA信道估計法［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（7）：67-69，73.

0引言

　　*基金項目：國家自然科學(xué)基金委員會與中國工程物理研究院聯(lián)合基金（U1530143）作為世界公認(rèn)為3G通信制式之一的TDSCDMA，是唯一一個以我國自主知識產(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特優(yōu)勢。TDSCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，如智能天線、聯(lián)合檢測、上行同步等的實現(xiàn)，都是建立在對信道的正確估計之上的。

　　信道估計分為盲信道估計和非盲信道估計。文獻［1］提出一種考慮噪聲統(tǒng)計特性自適應(yīng)修正的子空間盲信道估計方法，對多徑慢衰落信道有良好的估計效果。文獻［2］利用MPSK調(diào)制符號的M次方符號在復(fù)平面上對稱分布的特點，推導(dǎo)出了MPSK調(diào)制階數(shù)、初始相位和衰落系數(shù)的估計算法。盲信道估計算法不需要知道信道的先驗信息，但是硬件實現(xiàn)復(fù)雜，難以進行小型化設(shè)計。B.Steiner等針對CDMA系統(tǒng)的特殊編碼結(jié)構(gòu)，提出的適用于CDMA系統(tǒng)的信道估計算法，將復(fù)雜的線性卷積簡化為簡單的循環(huán)卷積，大大減少了信道估計的計算量，提高了估計的效率［3］。但是該算法對系統(tǒng)背景噪聲沒有進行任何抑制，會導(dǎo)致輸出端信噪比惡化，尤其是信噪比較低時，估計結(jié)果存在較大誤差［4］。為此，文獻［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精度，但是保留徑中仍然存在噪聲。針對這一缺點，文獻［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，達到減弱保留徑中噪聲影響的目的。文獻［9］針對寬帶衛(wèi)星移動通信信道的特殊衰落特性，提出改進的基于功率判決的最小二乘估計算法（LS）和補零插值算法，能夠充分利用已估計導(dǎo)頻信息，抑制有效抽頭外的噪聲，提高系統(tǒng)性能。

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

1基于訓(xùn)練序列的信道估計

　　1.1經(jīng)典B.Steiner信道估計

　　TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　TDSCDMA系統(tǒng)的幀中常規(guī)時隙都包含長度均為352 chips的兩個數(shù)據(jù)塊d(k,1)、d(k,2)和一個長度為144 chips的訓(xùn)練序列（Midamble碼）以及一個16 chips的保護帶。

　　發(fā)射的信號經(jīng)過多徑時延信道以后，用戶k接收到的(864+W-1)×1信號矢量yk為：

　　yk=s×hk+ωk(1)

　　其中，W為信道估計窗長度，K表示一個時隙中的用戶總數(shù)，k表示此時隙中的第k用戶，k=1,2,3…K,hk=（hk0，hk1，hk2…h(huán)kL-1）T為多徑信道矢量，ωk為高斯白噪聲矢量。按照時隙格式，可以從接收到的信號yk中分離出數(shù)據(jù)rk和訓(xùn)練序列pk，利用該訓(xùn)練序列可以估算出用戶k的W×1的信道沖擊響應(yīng)矢量h︿k。

　　在同一個小區(qū)中，同一時隙不同用戶的訓(xùn)練序列是由同一基本訓(xùn)練序列經(jīng)過循環(huán)移位產(chǎn)生的，并且循環(huán)移位的長度等于信道估計窗窗長的整數(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長度，則第k個用戶的訓(xùn)練碼可以表示為：

　　mk=（m（k）1,m（k）2,m（k）3…,m（k）Lm）T(3)

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

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

　　e′m=Gh+n′m(4)

　　其中，

　　e′m=（eW，eW+1…eLm-1）T(5)

　　n′m=（nW，nW+1…nLm-1）T(6)

　　G=［G1,G2…GK］(7)

　　h=(h(1),h(2),…,h(K))T(8)

　　而n′m表示系統(tǒng)的高斯白噪聲，h(k)表示第k個用戶的W位信道沖擊響應(yīng)，對式(4)利用迫零準(zhǔn)則［11］，可得到信道沖擊響應(yīng)的估計值為：

　　h(=G－1e′m=h+G－1n′m(10)

　　從式（10）中可以看出，求出信道估計的關(guān)鍵就是求G矩陣的逆，直接求逆過程的運算量較大。B.Steiner信道估計算法利用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算法進行簡化的方法［11］。所以，式（10）可以等價為：

　　因此，B.Steiner的信道估計結(jié)果中包含了噪聲信號G－1n′m，這部分加性噪聲使得信道估計結(jié)果中不僅增加了噪聲徑，同時每一條有用徑的信道響應(yīng)值也比理想信道估計值要大。

　　1.2B.Steiner信道估計法的改進

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

　　其中，r2表示門限信噪比，δ2表示信道噪聲功率，h((k)l表示第k個用戶的第l條路徑的信道估計值。r可以通過多次仿真比較獲得，將所有用戶信道估計值的模值按照從大到小排序后，選擇后64位的平均值作為δ。通過選擇合適的門限，可以去掉那些完全由噪聲產(chǎn)生的響應(yīng)徑，保留有用徑的信道估計值。

　　由式（10）可知，即使在選擇完美的門限進行處理后，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)上為進一步減小噪聲的影響，提高系統(tǒng)的性能，需要對保留徑的信道估計值進行進一步的修正。

　　用戶接收到的信號是發(fā)送端信號經(jīng)過不同路徑后的疊加，而所有路徑的干擾噪聲功率都強于信號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來說更小，對信道估計的準(zhǔn)確性貢獻越大，而功率越小的路徑對信道估計的準(zhǔn)確性貢獻相對越小。本文提出一種保留徑的增益修正方法，對于用戶k的第l條路徑的修正如下：

　　從而，時隙內(nèi)的所有用戶信道估計結(jié)果為：

　　l表示保留徑序號，序號越大的路徑時延越大，信號衰減越嚴(yán)重，功率越小。經(jīng)過這樣的修正以后，進一步提高了功率較大的保留徑對信道估計最終結(jié)果的貢獻，并且增加的運算相對整個系統(tǒng)的運算量來說微乎其微。

　　1.3不同信道估計方法的復(fù)雜度比較

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

　　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，并沒有增大系統(tǒng)的處理時延。

2改進算法的性能仿真

　　2.1仿真模型

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

　　單個時隙用戶數(shù)為K=8，信道估計窗長W=16，擾碼序列長度SF=16，碼片速率為1.28 Mchips/s；調(diào)制方式為QPSK，仿真的信噪比為1~10 dB，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，得到的信道估計值如圖3，不同信噪比下的誤碼率曲線如圖4。

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

　　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，但是運算的復(fù)雜度卻沒有明顯增加。

　　系統(tǒng)的信道估計值均方誤差計算公式為：

　　不同信噪比情況下系統(tǒng)的均方誤差如圖5。

　　通過以上仿真可以發(fā)現(xiàn)，通過門限處理的方法，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，使得信道估計值始終比理想信道估計值大。本文提出的方法不但去除了噪聲徑的干擾，與文獻［6］相比，對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

　　本文針對門限處理后的信道估計保留徑內(nèi)仍然含有噪聲的弱點，研究了TDSCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)特點，在理論上分析了B.Steiner 估計器造成的估計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。通過在不同信噪比條件下的仿真驗證，表明本文提出的方法對系統(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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