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）

       摘要：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(mén)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。

　　關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；信道估計(jì)；門(mén)限后處理；最大比增益

　　中圖分類號(hào)：TN91;TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.020

　　引用格式：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.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：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）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(mén)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(mén)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。

　　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144 chips的訓(xùn)練序列（Midamble碼）以及一個(gè)16 chips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)

　　其中，W為信道估計(jì)窗長(zhǎng)度，K表示一個(gè)時(shí)隙中的用戶總數(shù)，k表示此時(shí)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(shí)隙格式，可以從接收到的信號(hào)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(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：

　　mk=（m（k）1,m（k）2,m（k）3…,m（k）Lm）T(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。

　　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:

　　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(gè)用戶的W位信道沖擊響應(yīng)，對(duì)式(4)利用迫零準(zhǔn)則［11］，可得到信道沖擊響應(yīng)的估計(jì)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(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：

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

　　1.2B.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(mén)限處理方法：

　　其中，r2表示門(mén)限信噪比，δ2表示信道噪聲功率，h((k)l表示第k個(gè)用戶的第l條路徑的信道估計(jì)值。r可以通過(guò)多次仿真比較獲得，將所有用戶信道估計(jì)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(guò)選擇合適的門(mén)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(jì)值。

　　由式（10）可知，即使在選擇完美的門(mén)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(mén)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：

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

　　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(kāi)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。

　　由表1可知，本文算法只比門(mén)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。

　　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1.28 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(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。

　　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(mén)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：

　　不同信噪比情況下系統(tǒng)的均方誤差如圖5。

　　通過(guò)以上仿真可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)門(mén)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(mén)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(mén)限處理能夠去除噪聲的原因，并提出了一種新的門(mén)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。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 李偉，黃高明，孟進(jìn)，等.噪聲誤差自適應(yīng)修正的子空間盲信道估計(jì)方法［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43(S1)：529-532.

　?。?］ 李嘯天，雷菁，劉偉，等.平坦慢衰落信道下基于HOS的PSK調(diào)制盲信道估計(jì)［J］.通信學(xué)報(bào),2015,36(5):1-8.

　?。?］ STEINER B, BAIER P W. Low cost channel estimation in the uplink receiver of CDMA mobile radio systems［J］.Frequenz,1993,47(1112): 292 298.

　　［4］ 陳艷杰，王丹.協(xié)作通信系統(tǒng)信道估計(jì)算法研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真,2015,32(8):217-220.

　　［5］ 康紹莉.裘正定,李世鶴.TDSCDMA系統(tǒng)中低代價(jià)信道估計(jì)方法的改進(jìn)［J］.通信學(xué)報(bào),2002,23(10):108-113.

　?。?］ 常永宇,黃莉莉,楊大成.TDSCDMA系統(tǒng)中信道估計(jì)算法的性能分析及改進(jìn)［J］.電子與信息學(xué)報(bào),2005,27(7):1110-1113.

　　［7］ 李鵬,張敏軍.TDSCDMA系統(tǒng)中一種基于門(mén)限處理的信道估計(jì)［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2010,29(1):1-3.

　?。?］ 趙德香,馬秀榮,白媛，等.基于閾值處理的TDSCDMA下行多用戶信道估計(jì)方法［J］.電子學(xué)報(bào),2012,40(9):1904-1908.

　?。?］ 仲偉志，王紅娟. 基于改進(jìn)PLS和PLS_ZP算法的衛(wèi)星移動(dòng)通信信道估計(jì)［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2015,47(1):156-161.

　　［10］ 李世鶴.TDSCDMA 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:人民郵電出版社,2002.

　?。?1］ KLEIN A, KALEH G K, BAIER P W.Zero forcing and minimum meansquareerror equalization for multiuser detection in codedivision multipleaccess channels［J］. Vehicular Technology, IEEE Transactions on，1996,45(2):276-287.

　?。?2］ 姜?jiǎng)P.基于門(mén)限處理的信道估計(jì)算法研究［D］.天津:天津理工大學(xué),2013.

　　［13］ 卿朝進(jìn),唐友喜,邵士海.一種多用戶輔助的TDSCDMA 下行信道估計(jì)方法［J］.電子學(xué)報(bào)，2010,38(4):934-938.

　　［14］ 3Gpp TS 25. 945, 3rd Generation Partnership Project ,Technical Specification Group Radio Access Network. RF Requirements for 1. 28Mcps UTRA TDD options［S］.2001.