TD-SCDMA系統(tǒng)中基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯TD-SCDMA系統(tǒng)中基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)-新品速遞1引言TD-SCDM系統(tǒng)是TDMA，F(xiàn)DMA和CDMA多種傳輸模式的靈活結(jié)合，是由中國無線通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(CWTS)提出并得到ITU通過的3G無線通信標(biāo)準(zhǔn)。TD-SCDMA系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如智能天線、聯(lián)合檢測、上行同步等，都是建立在對信道正確估計(jì)的基礎(chǔ)上。因此對信道估計(jì)技術(shù)的研究具有非常重要的意義。本文考慮了一種TD-SCDMA系統(tǒng)中的上行信道估計(jì)，其信息包含在每個突發(fā)中，并且使用每個突發(fā)中的訓(xùn)練序列來進(jìn)行信道估計(jì)。因?yàn)槠渲猩婕暗骄仃嚭拖蛄康某朔ㄟ\(yùn)算，TD-SCDMA系統(tǒng)的信道估計(jì)是昂貴的。本文論述了TD-SCDMA系統(tǒng)中基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法,其中每個用戶的訓(xùn)練序列由一個基本碼循環(huán)產(chǎn)生，這樣即可以在一定程度上消除碼問干擾，同時可以大大減少計(jì)算量。模擬試驗(yàn)表明，文中的算法接近真實(shí)值，能夠提高系統(tǒng)性能，并且方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)。2TD-SCDMA系統(tǒng)信道估計(jì)的數(shù)學(xué)模型當(dāng)信號在移動信道中傳輸時會發(fā)生信號幅度的衰落和信號相位的畸變，雖然可以用數(shù)學(xué)模型來模擬和分析這種變化，但是由于這個變化是一個隨機(jī)過程，因此，所能了解的僅僅是他的概率特性，至于實(shí)時變化，很難用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。因此，要能夠在接收端準(zhǔn)確地解調(diào)出用戶數(shù)據(jù)，就需要一種手段來實(shí)現(xiàn)在接收端對信道變化的估計(jì)，這就是信道估計(jì)技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)中，假設(shè)在m(k)每個時隙中第k個用戶訓(xùn)練序列(midamble碼)，h(k)是信道的沖激響應(yīng)，則訓(xùn)練序列經(jīng)過信道的沖激響應(yīng)的結(jié)果為：這種卷積運(yùn)算也可以由第k個用戶的訓(xùn)練序列，移位產(chǎn)生矩陣G(k)來表示：由于G(k)是訓(xùn)練序列m(k)移位產(chǎn)生的矩陣，因此向量的卷積運(yùn)算等效于矩陣向量的乘。所以訓(xùn)練序列的接收向量可以表示為：在TD-SCDMA系統(tǒng)中，K個用戶的訓(xùn)練序列碼m(k)，k=1，…，K同時傳輸，接收信號是由所有K個用戶的訓(xùn)練序列和白噪聲共同決定的。K個用戶訓(xùn)練序列的L×KW維循環(huán)矩陣為：則在考慮加性白噪聲情況下，接收信號可以表示如下：用矩陣和向量形式表示為[1]：則信道沖激響應(yīng)h的估值為：在基站陣列天線接收情況下，對應(yīng)的接收到的信號方程為[2]：其中Ka為陣列天線數(shù)，G與Ka×Ka的單位矩陣I(Ka)為Kronecker乘。此時信道沖激響應(yīng)h的估值為：信道估計(jì)就是通過對經(jīng)過信道的訓(xùn)練序列進(jìn)行反卷積運(yùn)算而得到信道的沖激響應(yīng)。具體而言就是通過從接收信號e估計(jì)每個用戶的信道沖激響應(yīng)h(k)。3訓(xùn)練序列的構(gòu)造如果要求式(6)和式(8)兩式有解，則G中向量必須線性無關(guān)，因此在TD-SCDMA中訓(xùn)練序列的選取非常重要。對訓(xùn)練序列的選取有以下要求：首先，由于TD-SCDMA系統(tǒng)在一個時隙內(nèi)同時傳輸K個用戶的信息，因此就要求K個用戶的訓(xùn)練序列之間相互獨(dú)立。其次，為了能夠順利求解，訓(xùn)練序列與沖激響應(yīng)之間的卷積運(yùn)算需要產(chǎn)生獨(dú)立的響應(yīng)。綜上所述，要滿足條件就要使系統(tǒng)的訓(xùn)練序列為循環(huán)序列，并且構(gòu)造訓(xùn)練序列就需要用到偽隨機(jī)碼，因此訓(xùn)練序列的相關(guān)性理想時滿足δ函數(shù)。訓(xùn)練序列的相關(guān)特征如圖1所示?？紤]TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的上行鏈路，具體幀結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，K個用戶在同頻同時傳輸信息，每個常規(guī)時隙包括2個數(shù)據(jù)域和1個訓(xùn)練序列域。訓(xùn)練序列用于信道估計(jì)，每個時隙中可以認(rèn)為信道的沖激響應(yīng)是時不變的，因此由訓(xùn)練序列估計(jì)出來的信道沖激響應(yīng)能夠用于兩邊的數(shù)據(jù)域中。第k個用戶的離散時間沖激響應(yīng)表述如下：其中，W表示分配給用戶k的估計(jì)窗長，該窗長表示信道沖激響應(yīng)的長度。TD-SCDMA系統(tǒng)協(xié)議ITM-2000CDMATDD規(guī)定該窗長一般取8或16個碼片長。本文中取16個碼片長?，F(xiàn)將規(guī)范中給定的每一個基本碼(共128個)的二進(jìn)制形式寫成矢量形式[4]:為了從長度為L=128的矢量mL中得到可用的訓(xùn)練序列，將mL的長度進(jìn)行周期性擴(kuò)展，其值由窗長和用戶數(shù)來確定：其中Lm為訓(xùn)練序列的長度，TD-SCDMA系統(tǒng)規(guī)定為144位；由于多徑傳播引起數(shù)據(jù)符號的時延擴(kuò)展，從而使接收到的訓(xùn)練序列的前W個符號受到數(shù)據(jù)域的碼間串?dāng)_，這些符號不用于信道估計(jì)，因此訓(xùn)練序列的長度應(yīng)為L+W-1；K為一個時隙中可用訓(xùn)練序列的數(shù)目，取值范圍可為2，4，6，8，10，12，14，16，具體由系統(tǒng)廣播或連接建立時由網(wǎng)絡(luò)給定；W為其值用來描述無線信道沖激響應(yīng)的窗口長度，用來保證用戶訓(xùn)練序列在系統(tǒng)環(huán)境下正交，使各用戶的響應(yīng)各不相關(guān)；這樣得到一個擴(kuò)展序列：m中的前L個元素與矢量mL完全相同，后面的L+1～imax元素則不斷重復(fù)mL中的前L個元素，即：mi=mi-L。在對TD-SCDMA系統(tǒng)進(jìn)行信道估計(jì)時，假如獨(dú)立選擇用戶的訓(xùn)練序列，那么將不能使矩陣G正交循環(huán)，G是由用戶訓(xùn)練序列產(chǎn)生的循環(huán)矩陣。然而，假如K個用戶從一個相同的周期基礎(chǔ)碼m中產(chǎn)生他們的訓(xùn)練序列碼m(k)，則能夠?qū)崿F(xiàn)矩陣G的正交循環(huán)性。不同用戶的訓(xùn)練序列用m(k)表示。根據(jù)mi(k)=mi+(K-k)w，將生成各個用戶的訓(xùn)練序列。在這里W=L／K，在本文中，用戶數(shù)K=8，因此，W=128／8=16。即假設(shè)第K個用戶發(fā)射mi作為一個訓(xùn)練序列，則第(K-1)個用戶發(fā)射mi+w作為一個訓(xùn)練序列。圖3顯示了如何從基本碼mL中產(chǎn)生有限長度的訓(xùn)練序列碼：4聯(lián)合檢測技術(shù)4.1聯(lián)合檢測的系統(tǒng)模型[5]假設(shè)在每個時隙有K個用戶，分別用K個不同的正交標(biāo)識，第k個用戶在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)發(fā)送N個數(shù)據(jù)符號d(k)=(d1(k),d2(k),…，dN(k))T∈CN。假設(shè)第k個用戶的信道響應(yīng)為h(k)∈Cw，k=1，2，…，K(K是用戶數(shù)，W是信道響應(yīng)長度)。第k個用戶每個碼元序列用擴(kuò)頻因子為Q的序列擴(kuò)頻，擴(kuò)頻序列為：將此擴(kuò)頻序列與N×N的單位矩陣IN作Kronecker乘，得到對應(yīng)于第k個擴(kuò)頻碼的塊對角擴(kuò)頻矩陣C(k)：假設(shè)接收端有M根天線，第k個用戶(對應(yīng)于第k個擴(kuò)頻碼)在第m根天線上的信道沖激響應(yīng)向量h(k,m)的長度為W，則K個用戶在第m根天線上的長度為NQ+W-1的數(shù)據(jù)序列同步到達(dá)接收端，并且受到一個靜態(tài)高斯白噪聲序列的干擾，第m根天線對應(yīng)的白噪聲序列可以表示為：因此第m根天線上的接收向量可以表示為：如果把擴(kuò)頻碼和信道沖激響應(yīng)結(jié)合起來考慮，那么復(fù)合信道沖激響應(yīng)為：其中n是高斯白噪聲，矩陣A(NQ+W-1)×(KN)為系統(tǒng)矩陣，d為發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)。4.2TD-SCDMA系統(tǒng)中的聯(lián)合檢測算法聯(lián)合檢測的基本思想是利用所有用戶的相關(guān)信息，在一步之內(nèi)將所有用戶的信號分離出來，理論上聯(lián)合檢測可以完全消除多址干擾的影響。TD-SCDMA系統(tǒng)中，在綜合考慮后，采用了ZF-BLE作為聯(lián)合檢測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法[5]。迫零數(shù)據(jù)塊線性均衡器算法(Zero-ForcingBlockLinearEqualizer，ZF-BLE)遵循迫零準(zhǔn)則，即通過使‖e-A^dZF-BLE‖2→O來得到用戶數(shù)據(jù)的連續(xù)值估計(jì)，其表達(dá)式為：其中Rn是噪聲向量n的協(xié)方差矩陣，Rn=E{nnH}。當(dāng)在AWGN情況下時。ZF-BLE的輸出可變化為：聯(lián)合檢測的目的就是通過e和A來估計(jì)出用戶在發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)。5仿真結(jié)果及結(jié)論為了驗(yàn)證本文所討論的TD-SCDMA系統(tǒng)中基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。為便于性能比較，在仿真中常在理想情況下計(jì)算出信道估計(jì)，再與實(shí)際信道估計(jì)進(jìn)行比較。理想情況下的信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)方法為，直接對沒有加噪聲的由所有用戶的midamble碼疊加得到的接收midamble碼矢量進(jìn)行信道估計(jì)，由于他利用的是不受干擾影響的midamble碼接收數(shù)據(jù)，因此他能夠?qū)π诺肋M(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。TD-SCDMA系統(tǒng)中信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。根據(jù)上面推導(dǎo)的算法，在計(jì)算機(jī)上用Matlab進(jìn)行了性能仿真，仿真參數(shù)設(shè)定如下：(1)采用QPSK進(jìn)行調(diào)制，OVSF碼進(jìn)行擴(kuò)頻；(2)濾波器采用升余弦數(shù)字濾波器。滾降系數(shù)為0.22；(3)移動臺速度為3km／h，30km／h，120km／h；(4)擴(kuò)頻因子為16，信道響應(yīng)窗長為16，訓(xùn)練序列由128位walsh碼產(chǎn)生；利用本文討論的信道估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)聯(lián)合檢測仿真結(jié)果。從圖5中可以看到，聯(lián)合檢測接收機(jī)在理想信道估計(jì)情況下的性能要比對進(jìn)行信道估計(jì)情況下的性能好。例如要達(dá)到BER=10e-5，理想信道估計(jì)情況下的信噪比要比