专利名称：基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法及其实现装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字移动通信系统中的信道估计方法及其实现装置，尤其是涉及一种UTRA TDD(Universal Terrestrial Radio Access-Time DivisionDuplex，基于时分双工的通用陆地无线接收)移动通信系统中基于训练序列的信道估计方法及其实现装置。
背景技术：
UTRA TDD系统(例如TD-SCDMA系统)是一种基于时分双工的第三代码分多址数字移动通信系统，其中涉及不少关键技术，如联合检测技术，智能天线波束赋形技术，同步控制技术等。这些技术的实现都是建立在信道估计的基础上，信道估计的准确度对联合检测、波束赋形以及同步控制的性能有着极为重要的影响，因此良好的信道估计技术成为决定UTRA TDD系统性能优良的必要条件。
现有的UTRA TDD系统信道估计方法通常为Steiner B.，BAIER P等人在1993年12月的期刊《Frequenz》第47卷中发表的文章“Low cost channelestimation in the uplink receiver of CDMA mobile radio systems”里提出的信道估计方法，即采用B.Steiner估计器，通过合理设置训练序列，构造出右循环的Toepliz矩阵，从而用低代价的FFT与IFFT(快速傅立叶变换与快速傅立叶反变换)运算来代替复杂的矩阵求逆(伪逆)运算。
上述方法中运用的B.Steiner估计器是一种低代价的信道估计器，其估计精度受信道中加性噪声的影响，导致估计值与真实值相比误差较大，影响系统性能，因此在2002年的《通信学报》第23卷第10期中，北京交通大学的康绍莉、裘正定等人发表文章“TD-SCDMA系统中低代价信道估计方法的改进”提出基于门限检测的降噪方法，利用很小的运算量即能抑制掉信道冲击响应序列的一些噪声抽头，从而有效地部分消除加性噪声带来的影响。
然而，上述两种信道估计方法都是基于时隙的，即利用一个时隙突发结构的中间训练序列部分做一次信道估计，然后用该次信道估计的结果对该时隙数据部分进行联合检测。由于移动环境中衰弱信道是一个时变的随机过程，尤其当用户高速运动时(例如速度大于每小时120公里)，真实的信道环境在一个时隙(如TD-SCDMA中为675μs)内变化已经很大，用一个静态的量已经不能表示信道的真实情况，于是在2003年4月的全球信号处理大会(GSPx)上，由Dae Soon Cho和Deuk Su Lyu发表的会议论文“ImprovedJoint Channel Estimation Method with Interpolation”中提出了一种利用相邻时隙信道估计的结果做线性插值的方法来获得相对准确的时隙边缘的信道冲击响应的UTRA TDD系统信道估计方法。但是，这种利用相邻时隙信道估计插值的方法在用户为单时隙业务时并不可行，因为该用户相邻的两个时隙相隔一个子帧(TD-SCDMA一个子帧为5ms)，高速运动用户的信道相关性已经很弱，不能用作插值；而即便是多时隙业务的用户相邻两个时隙的信道变化往往也不是简单的线性变化，因而线性插值还是会引入不少的误差。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法及其实现装置，采用该方法及其实现装置能大大提高信道估计的准确度，进而提高整个移动通信系统的性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，它包括如下步骤(a)对来自于无线接收端的频带信号进行数字化处理，得到相互分离的训练序列字段和数据字段，其中数据字段包括相互分离的若干数据子字段；(b)对步骤(a)中得到的训练序列字段进行初始信道估计和门限后处理，得到本时隙信道冲击响应的初始静态值；
(c)利用步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值分别对步骤(a)得到的所有数据子字段做数据检测，并进行硬判决，得到各用户解调后的比特序列；(d)利用步骤(c)中得到的比特序列和步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值分别对各数据子字段进行迭代处理，得到各数据子字段所对应的最优信道冲击响应估计值；(e)利用步骤(d)中得到的各数据子字段所对应的最优信道冲击响应估计值分别对各自数据子字段做数据检测，综合所有的数据检测结果得到各用户的最优比特序列。
进一步地，本方法还具有如下特点，所述步骤(d)可进一步分为如下步骤(d1)针对各数据子字段，将比特序列进行分段，得到与各数据子字段相对应的比特子序列，并对各比特子序列分别进行调制扩频重构各自码片序列，将该码片序列作为数据子字段的训练序列，分别构造各自的Toepliz矩阵；(d2)确定各Toepliz矩阵的迭代增益系数；(d3)将步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值作为迭代的初始值，分别把各数据子字段以及与数据子字段相对应的各自Toepliz矩阵、Toepliz矩阵的迭代增益系数代入迭代方程，反复迭代直至满足迭代终止条件，得到各数据子字段对应的最优信道冲击响应。
进一步地，本方法还具有如下特点所述迭代方程为h(n+1)＝h(n)+μ·GH·[e-G·h(n)]其中，h(n+1)表示迭代后的信道冲击响应估计值；h(n)分别表示当前信道冲击响应估计值；n表示迭代次数，初始迭代值h(0)为步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值；e表示数据子字段；G表示Toepliz矩阵；μ表示G的迭代增益系数；GH表示G的共轭转置。
进一步地，本方法还具有如下特点，所述迭代增益系数的取值范围满足如下条件0<μ<2λmax]]>其中，λmax为空间相关矩阵RG＝GH·G的最大特征值。
进一步地，本方法还具有如下特点所述迭代增益系数的取值为μ＝1/trace(RG)或μ＝2/trace(RG)。
进一步地，本方法还具有如下特点，所述迭代终止条件为‖h(n+1)-h(n)‖＜ε其中，ε的取值范围为0.001<ϵ||h(n)||<0.01.]]>进一步地，本方法还具有如下特点所述步骤(a)中的数字化处理包括对频带信号放大、滤波、下变频后进行采样，经A/D转换得到基带数字接收信号，并且根据时隙突发结构将基带数字接收信号的训练序列字段和数据字段分离开，其中数据字段包括相互分离的若干数据子字段。
进一步地，本方法还具有如下特点所述步骤(e)中数据检测采用联合检测的方法或采用Rake接收机加上串行或并行干扰消除过程。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法的实现装置，该装置包括有数据接收分离单元、初始信道估计及后处理单元、分段信道估计单元和数据检测单元，数据接收分离单元用于数字化处理无线接收端的频带信号，得到相互分离的训练序列字段和数据字段，该数据字段包括相互分离的若干数据子字段；初始信道估计及后处理单元用于对训练序列字段进行初始信道估计和门限后处理，得到本时隙信道冲击响应的初始静态值；数据检测单元用于对各数据子字段及其对应的最优信道冲击响应估计值做数据检测，并进行硬判决，得到各用户解调后的比特子序列及最优比特序列；分段信道估计单元用于结合比特序列和初始静态值对各数据子字段进行迭代处理，得到各数据子字段所对应的最优信道冲击响应估计值。
进一步地，本实现装置还具有如下特点所述分段信道估计单元包括有Toepliz矩阵生成子单元、迭代系数产生子单元、信道冲击响应更新子单元和迭代中止判决子单元，Toepliz矩阵生成子单元用于接收各比特子序列、扩频码和扰码信息，对比特子序列进行扩频重构生成与各数据子字段相对应的Toepliz矩阵；迭代系数产生子单元接收来自Toepliz矩阵生成子单元的信息，生成Toepliz矩阵迭代增益系数；信道冲击响应更新子单元根据各数据子字段以及与其对应的Toepliz矩阵、迭代增益系数和当前信道冲击响应估计值分别进行迭代，得出迭代后的信道冲击响应估计值；迭代中止判决子单元接收信道冲击响应更新子单元的迭代结果，判断该迭代结果是否满足迭代条件，若满足则输出各数据子字段对应的最优信道冲击响应。
与现有技术相比，本发明基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法及其实现装置具有以下优点本发明利用判决反馈以及分段迭代时隙内数据各子字段来获得各个数据子字段的最优信道冲击响应估计值，克服了采用现有信道估计方法无法跟踪由于用户高速运动而引起的时隙内信道不规则变化的缺陷，从而大大降低了信道估计误差，提高了数据检测的准确程度以及信道估计的准确性，进而提高了整个移动通信系统的性能。
图1是UTRA TDD移动通信系统中常规时隙结构的示意图；图2是本发明中基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法实现装置的结构框图；图3是图2中分段信道估计单元的细化结构框图；图4是本发明中基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法的流程示意图；图5是图4中分段信道估计模块的实现流程图；图6是本发明中基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法与传统的B.Steiner估计器加上门限判决后处理方法的系统误码率仿真性能对比图。
具体实施例方式
为深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
本实施例针对TD-SCDMA系统(时分复用-同步码分多址移动通信系统)的基站接收机描述本发明的具体实施方案，同样地，本发明适用于其他UTRA TDD系统的基站和终端，以至于可扩展至任何的利用训练序列做信道估计的移动通信系统。
如图2所示，本发明中基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法的实现装置包括有数据接收分离单元、初始信道估计及后处理单元、分段信道估计单元和数据检测单元；其中，数据接收分离单元用于数字化处理无线接收端的频带信号e，得到相互分离的训练序列字段e_mid和包括相互分离的若干数据子字段的数据字段e_data，并将训练序列字段e_mid和数据字段e_data分别传送至初始信道估计及后处理单元、分段信道估计单元和数据检测单元；初始信道估计及后处理单元用于将训练序列字段e_mid进行初始信道估计和门限后处理，得到该时隙信道冲击响应的一个初始静态值h0，并将该初始静态值h0传送至分段信道估计单元和数据检测单元；分段信道估计单元用于结合来自数据检测单元的比特序列d0和来自于初始信道估计及后处理单元的初始静态值h0对数据字段e_data进行分段迭代处理，得到各数据子字段所对应的最优信道冲击响应估计值h，并将该最优信道冲击响应估计值h发送至数据检测单元；数据检测单元用于对数据字段e_data及其对应的最优信道冲击响应估计值h做数据检测，并进行硬判决，得到各用户解调后的比特子序列d0以及针对最优信道冲击响应估计值h的最优比特序列d，并将该比特子序列d0反馈至分段信道估计单元，将最优比特序列d输出。
如图3所示，分段信道估计单元包括有Toepliz矩阵生成子单元、迭代系数产生子单元、信道冲击响应更新子单元和迭代中止判决子单元，Toepliz矩阵生成子单元用于接收各比特子序列d0i、扩频码c和扰码信息PN，对比特子序列d0i进行扩频重构生成与各数据子字段相对应的Toepliz矩阵Gi，并将该Toepliz矩阵Gi传送至迭代系数产生子单元和信道冲击响应更新子单元；迭代系数产生子单元接收来自Toepliz矩阵生成子单元的Toepliz矩阵Gi，生成Toepliz矩阵迭代增益系数，并将其发送至信道冲击响应更新子单元；信道冲击响应更新子单元根据各数据子字段ei以及与其对应的Toepliz矩阵Gi、Gi的迭代增益系数、初始静态值h0、当前信道冲击响应估计值hi(n)分别进行迭代，得出迭代后的信道冲击响应估计值hi(n+1)并将其发送至迭代中止判决子单元进行判断；迭代中止判决子单元接收信道冲击响应更新子单元的迭代结果hi(n+1)，判断该迭代结果是否满足迭代条件，若满足则以该迭代结果作为各数据子字段对应的最优信道冲击响应hi，opt，并将其输出，若否则反馈该迭代结果hi(n+1)作为当前信道冲击响应估计值继续迭代，直至满足迭代条件。
如图4所示，本发明中基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法包括如下步骤步骤1，数据接收分离单元A将天线处接收到的频带信号e放大、滤波、下变频后进行采样，然后进行A/D转换得到基带数字接收信号，并且根据时隙突发结构，将训练序列字段e_mid和数据字段e_data分离开来，该数据字段e_data包括有相互分离的若干数据子字段，形如[e1 e2…ei_max]，该数据子字段的最大分段数按照分段后的码片序列长度不小于128，最小分段数为2(即TD-SCDMA时隙突发结构定义的Data1和Data2)来设定；TD-SCDMA的突发结构如图1所示，突发中间的144码片为训练序列Midamble，两边各352码片长度的数据部分，最后的16码片GP为保护区间；步骤2，分离后的训练序列字段e_mid送到初始信道估计及后处理单元进行初始信道估计和门限后处理，得到本时隙信道冲击响应的一个初始静态值h0；步骤3，数据检测单元利用步骤2得到的初始信道冲击响应的初始静态值h0对步骤1分离出的所有数据部分e_data(TD-SCDMA定义为两个352码片长数据块的Data1和Data2)做数据检测，并进行硬判决，得到各个用户的解调后的比特序列d0；步骤4，针对各数据子字段ei，将比特序列d0进行分段，得到与各数据子字段相对应的比特子序列di，并缓存所有数据，初始化i＝1；然后，利用比特子序列di、初始静态值h0以及用于扩频重构的扩频码c、扰码PN分别对各数据子字段ei进行迭代处理，得到各数据子字段ei所对应的最优信道冲击响应估计值hi，opt；如图5所示，本步骤可进一步细分为如下步骤步骤41，针对各数据子字段ei，将比特序列d0进行分段，得到与各数据子字段相对应的比特子序列di，并缓存所有数据，初始化i＝1；然后利用比特子序列di、扩频码c和扰码PN进行调制扩频重构出相应的码片序列，并且将此重构的码片序列作为该数据块对应的训练序列，构造新的Toepliz矩阵Gi；步骤42，确定出各Toepliz矩阵Gi的迭代增益系数μi，μi的取值范围满足如下条件0<μi<2λmax]]>其中，λmax为空间相关矩阵RG＝GiH·Gi的最大特征值，为了避开复杂的矩阵特征值求解的过程，实际应用中我们可以令μi＝1/trace(RGi)，或采用μi＝2/trace(RGi)迭代收敛的速度更快；步骤43，将初始信道冲击响应的初始静态值h(0)作为迭代的初始值，即初始化hi(0)＝h(0)，并令n＝0，把数据子字段ei以及与数据子字段相对应的Toepliz矩阵Gi、Toepliz矩阵的迭代增益系数μi代入迭代方程，该迭代方程为hi(n+1)＝hi(n)+μi·GiH·[ei-Gi·hi(n)]，反复迭代直至满足迭代终止条件，得到数据子字段ei对应的最优信道冲击响应hi，opt，其中，迭代终止条件为‖h(n+1)-h(n)‖＜ε，ε为一个很小的正数，其取值范围可为0.001<ϵ||h(n)||<0.01;]]>步骤5，数据检测单元利用各数据子字段的最优信道冲击响应hi，opt，分别进行数据检测，得到相应的最优比特子序列di，opt，然后再比较判断是否将所有数据子字段均迭代检测完成，即判断i是否小于等于i_max，若i小于i_max，则缓存di，opt，并将i加1，取出相应的分段数据进行迭代检测；若i大于i_max，则停止循环，级联所有数据子字段的检测结果[d1，optd2，opt…di_max，opt]，得到本时隙各用户解调后的最优比特序列dopt；其中，数据检测可以采用MUD方法(如联合检测)，也可以采用Rake接收机加上串行或并行干扰消除过程。
由于TD-SCDMA时隙突发结构包括有两个数据块Data1和Data2，因此可以将数据字段分为两个数据子字段，以数据子字段Data1为例，进一步描述如何构造Toepliz矩阵Gi。
设数据子字段Data1中第k个用户对应的比特序列为dk，对应调制后的符号序列为sk，扩频码为ck，扰码为PN，则可以得到在数据子字段Data1中该用户扩频加扰后的码片序列mk＝sk(ck·*PN)其中符号表示Kronecker乘积用以扩频，.*表示点乘用以加扰，第k个用户重构后的当前数据块码片序列(设长度为L)可以构成Toepliz矩阵Gk=mk,100mk,2mk,10...mk,2...0mk,L......mk,10mk,L...mk,200......00mk,L]]>由此，该数据块的系统传输方程可以表示为e=(Σi=1KGi·hi)+n=G1G2...GK·h1h2...hK+n=Gh+n]]>其中e为数据子字段Data1，n为加性噪声，h为本数据子字段中所有用户的信道冲击响应，K表示用户数。
本实施例中采用LMS算法(最小均方算法)进行最优信道冲击响应的估计，同样地，本发明也可以采用如RLS算法(递归最小平方算法)、Kalman滤波器(卡尔曼滤波器)等其他迭代方式估计出时隙内当前数据块的最优信道冲击响应。
本发明中实现装置的数据接收分离单元中包括有射频电路、中频电路及FPGA(现场可编程逻辑门阵列)器件以外，所有处理单元都由DSP实现。
图6所示为本发明中基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法与传统的B.Steiner估计器加上门限判决后处理方法在系统误码率方面的仿真性能对比，仿真环境为5用户、扩频因子为8的TD-SCDMA系统，业务为12.2k语音业务，编码方式采用1/2卷积码，信道模型为3GPP(第三代移动通信伙伴项目组)测试信道case3，用户运动速度为120km/h(即每小时120公里)，接收端采用联合检测算法。
从图6中，可以清楚的看到，本发明中基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法将获得2dB左右的系统性能增益，并且在仿真过程中分段数仅仅为2，即TD-SCDMA系统时隙突发自身的Data1和Data2部分，如果增大分段数目，则本发明所述的信道估计方法将获得更多的系统性能增益，即具有更高的信道估计准确性，从而提高整个移动通信系统的性能。
权利要求
1.一种基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤(a)对来自于无线接收端的频带信号进行数字化处理，得到相互分离的训练序列字段和数据字段，其中数据字段包括相互分离的若干数据子字段；(b)对步骤(a)中得到的训练序列字段进行初始信道估计和门限后处理，得到本时隙信道冲击响应的初始静态值；(c)利用步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值分别对步骤(a)得到的所有数据子字段做数据检测，并进行硬判决，得到各用户解调后的比特序列；(d)利用步骤(c)中得到的比特序列和步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值分别对各数据子字段进行迭代处理，得到各数据子字段所对应的最优信道冲击响应估计值；(e)利用步骤(d)中得到的各数据子字段所对应的最优信道冲击响应估计值分别对各自数据子字段做数据检测，综合所有的数据检测结果得到各用户的最优比特序列。
2.根据权利要求1所述的基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于，所述步骤(d)可进一步分为如下步骤(d1)针对各数据子字段，将比特序列进行分段，得到与各数据子字段相对应的比特子序列，并对各比特子序列分别进行调制扩频重构各自码片序列，将该码片序列作为数据子字段的训练序列，分别构造各自的Toepliz矩阵；(d2)确定各Toepliz矩阵的迭代增益系数；(d3)将步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值作为迭代的初始值，分别把各数据子字段以及与数据子字段相对应的各自Toepliz矩阵、Toepliz矩阵的迭代增益系数代入迭代方程，反复迭代直至满足迭代终止条件，得到各数据子字段对应的最优信道冲击响应。
3.根据权利要求2所述的基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于所述迭代方程为h(n+1)＝h(n)+μ·GH·[e-G·h(n)]其中，h(n+1)表示迭代后的信道冲击响应估计值；h(n)分别表示当前信道冲击响应估计值；n表示迭代次数，初始迭代值h(0)为步骤(b)中得到的初始信道冲击响应的初始静态值；e表示数据子字段；G表示与e相对应的Toepliz矩阵；μ表示G的迭代增益系数；GH表示G的共轭转置。
4.根据权利要求3所述的基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于，所述迭代增益系数的取值范围满足如下条件0<μ<2λmax]]>其中，λmax为空间相关矩阵RG＝GH·G的最大特征值。
5.根据权利要求4所述的基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于所述迭代增益系数的取值为μ＝1/trace(RG)或μ＝2/trace(RG)。
6.根据权利要求2所述的基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于，所述迭代终止条件为‖h(n+1)-h(n)‖＜ε其中，ε的取值范围为0.001<ϵ||h(n)||<0.01.]]>
7.根据权利要求1所述的基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于所述步骤(a)中的数字化处理包括对频带信号放大、滤波、下变频后进行采样，经A/D转换得到基带数字接收信号，并且根据时隙突发结构将基带数字接收信号的训练序列字段和数据字段分离开，其中数据字段包括相互分离的若干数据子字段。
8.根据权利要求1所述的基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法，其特征在于所述步骤(e)中数据检测采用联合检测的方法或采用Rake接收机加上串行或并行干扰消除过程。
9.一种基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法的实现装置，其特征在于该装置包括有数据接收分离单元、初始信道估计及后处理单元、分段信道估计单元和数据检测单元，数据接收分离单元用于数字化处理无线接收端的频带信号，得到相互分离的训练序列字段和数据字段，该数据字段包括相互分离的若干数据子字段；初始信道估计及后处理单元用于对训练序列字段进行初始信道估计和门限后处理，得到本时隙信道冲击响应的初始静态值；数据检测单元用于对各数据子字段及其对应的最优信道冲击响应估计值做数据检测，并进行硬判决，得到各用户解调后的比特子序列及最优比特序列；分段信道估计单元用于结合比特序列和初始静态值对各数据子字段进行迭代处理，得到各数据子字段所对应的最优信道冲击响应估计值。
10.根据权利要求9所述的实现装置，其特征在于所述分段信道估计单元包括有Toepliz矩阵生成子单元、迭代系数产生子单元、信道冲击响应更新子单元和迭代中止判决子单元，Toepliz矩阵生成子单元用于接收各比特子序列、扩频码和扰码信息，对比特子序列进行扩频重构生成与各数据子字段相对应的Toepliz矩阵；迭代系数产生子单元接收来自Toepliz矩阵生成子单元的信息，生成Toepliz矩阵迭代增益系数；信道冲击响应更新子单元根据各数据子字段以及与其对应的Toepliz矩阵、迭代增益系数和当前信道冲击响应估计值分别进行迭代，得出迭代后的信道冲击响应估计值；迭代中止判决子单元接收信道冲击响应更新子单元的迭代结果，判断该迭代结果是否满足迭代条件，若满足则输出各数据子字段对应的最优信道冲击响应。
全文摘要
本发明公开了一种基于判决反馈与分段迭代的信道估计方法及其实现装置，该方法包括如下步骤，对频带信号进行处理，得到训练序列字段和数据字段；对训练序列字段进行初始信道估计和门限后处理，得到本时隙信道冲击响应的初始静态值；利用初始静态值分别对各数据子字段做数据检测，得到各用户解调后的比特序列；利用比特序列和初始静态值对各数据子字段进行迭代处理，得到最优信道冲击响应估计值；利用最优信道冲击响应估计值做数据检测，得到最优比特序列。本方法的实现装置包括有数据接收分离单元、初始信道估计及后处理单元、分段信道估计单元及数据检测单元。采用本发明能大大提高信道估计的准确度，进而提高整个移动通信系统的性能。
文档编号H04L25/02GK1622539SQ200410098648
公开日2005年6月1日 申请日期2004年12月15日 优先权日2004年12月15日
发明者耿鹏 申请人:中兴通讯股份有限公司