一种基于5G的多用户复用的信道估计方法与流程

本发明属于移动通信技术领域，涉及到在多用户同时同频发送信号的情况下在接收端将所有用户叠加后的解调参考信号(demodulationreferencesignal，dmrs)分开，并估计出每个用户的信道冲激响应的方法，具体为一种基于5g的多用户复用的信道估计方法。

背景技术：

5g系统的物理上行链路控制信道(physicaluplinkcontrolchannel，简称pucch)主要用来发送上行控制信息(uplinkcontrolinformation,uci)，其中包括调度请求、信道状态信息、混合自动重传请求的应答信息等，这些信息对于上下行共享信道能否正常工作有着决定性作用，由此可见，正确解出每个用户uci信息对于5g系统至关重要，而信道估计算法是解出uci信息的关键一步，信道估计的精确度将直接影响基站端将用户的uci信息能否正确解出。

5g系统中pucch支持5种发送格式，为了提高信道容量和频谱利用效率，pucch中发送格式0、格式1、格式4可以支持多个用户同时同频发送信号，在多个用户同时同频发送信号的情况下，信号在信道传输过程中，这些用户的解调参考信号叠加在一起，相互干扰，这对于接收端的信道估计造成了较大的困难，此时信道估计的难点在于将用户叠加在一起dmrs区分开来并估计出每个用户dmrs位置信道冲激响应，然而传统的经典单用户的信道估计算法具有很大的局限性，例如最小二乘(leastsquares，简称ls)算法和线性最小均方误差(linerminimummeansquarederror，简称lmmse)算法只能适用于单用户单天线的信道估计，并不能解决多用户复用中dmrs叠加的问题。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术存在的问题。提出了一种解决了多用户复用情况下每个用户dmrs叠加并且相互干扰问题的适用于5g系统pucch发送格式4的信道估计方法。本发明利用5g系统pucch发送格式4中每个用户生成dmrs的特性，构造了一种特殊的信号矩阵，然后利用这个信号矩阵结合传统的lmmse信道估计和dct插值算法，解决了多用户复用中参考信号的叠加问题，通过分析和仿真结果显示，该方法适用于5g系统pucch的多用户复用情况下的接收端，并且复杂度适中，有利于嵌入式平台的开发，可应用到实际项目中。本发明的技术方案如下：

一种基于5g的多用户复用的信道估计方法，其适用于5g系统的上行控制信道发送格式4；所述方法包括以下步骤：

步骤1、采用发送格式4发送上行控制信息，经过信道传输，到达基站端后将解调参考信号中的频域循环移位分解成符号频域循环移位以及用户频域循环移位；从而将接收端的信号矩阵构造成维特殊矩阵

步骤2、采用基于线性最小均方误差方法对特殊矩阵进行处理，求得维矩阵

步骤3、对求得的矩阵中的每一行进行点的离散余弦变换，求得维矩阵

步骤4、对离散余弦变换后的矩阵中的每一行进行可扩展离散余弦逆变换，求得维矩阵

步骤5、求取逆变换矩阵的每一行的有效值，获得的矩阵根据矩阵估计出多个用户解调参考信号所占用的符号的信道冲激响应矩阵；对数据信号进行时域线性插值，求出各个数据信号位置的信号冲激响应；

其中，nt表示发送格式4的复用用户数；表示一个物理资源块上的子载波的数量。

具体的，5g系统中有nt个用户同时同频发送信号，其中所有用户的解调参考信号在时域占用第l个符号，频域上占用一个物理资源块，信号经过信道后，对接收端的第l符号上的解调参考信号进行处理，根据用户之间解调参考信号正交性区分出每个用户的解调参考信号，再根据此信号估计出每个用户的解调参考信号的信道冲激响应，最后通过解调参考信号的信道冲激响应使用线性插值算法估计出数据信号的信道冲激响应，从而解出每个用户所发送的数据信息。

进一步的，所述接收端的信号矩阵的计算公式包括通过消除各个符号上的各个子载波接收到的信号rl(i)中的符号频域循环移位αl，从而确定出具体通过以下公式进行计算：

其中，表示为在第l个符号上的第i个子载波上的接收到的计算信号；αl表示第l个符号的频域循环移位，αt表示第t个用户的频域循环移位；表示zc序列；hl,t(i)表示第t个用户在第l个符号上的第i个子载波处的信道冲激响应，zl,t(i)表示加性高斯白噪声；*表示共轭；rl(i)表示在第l个符号上的第i个子载波上的接收到的信号。

进一步的，第l个符号的频域循环移位所述表示为：所述第t个用户的频域循环移位表示为：其中，ns表示当前上行控制信道在数据帧中的时隙号，表示每个时隙中所包含符号的数量，lr表示当前符号相对于发送上行控制信道的第一个符号的位置，l表示当前符号在整个时隙中的位置，c表示长度为的伪随机序列；m0＝0，mcs表示基站分配给不同用户的值。

进一步的，特殊矩阵的构造方式包括其中，表示矩阵的第n行的序列，表示为

进一步的，所述步骤2包括

其中，表示的自相关矩阵，rsn表示信道的信噪比，i表示单位矩阵，β＝e{|xk|²}·e{|1/xk|²}，xk表示实际的复值信号；e{·}表示期望。

进一步的，所述步骤3包括其中d为点的离散余弦变换矩阵，矩阵d中个元素(m,n)包括

其中，an表示离散余弦变换中的幅值，当n＝0时，当n≠0时，

进一步的，所述步骤4包括公式，其中为维矩阵，为维矩阵，中的矩阵元素(m,n)包括

其中，m′＝m/nt，m＝0,1,…,m/nt，l＝-(nt-1),…,0,…,m-1，当m＝0时，当m≠0，

进一步的，所述步骤5中估计出多个用户解调参考信号所占用的符号的信道冲激响应矩阵包括对矩阵取每一行的有效值，表示为

其中，i表示单位矩阵，0表示零矩阵，则求出每个用户的在解调参考信号处的信道冲激响应矩阵的估计值为：表示矩阵的共轭转置，为维矩阵。

进一步的，所述步骤5中求出各个数据信号位置的信号冲激响应包括使用时域线性插值算法求出数据信号中第l个符号第k个子载波即(k,l)处的信道冲激响应，表示为：

其中，hp(k,l1)和hp(k,l2)分别表示估计出的解调参考信号所占用的两个相邻的符号第l1和第l2上的第k个子载波的信道冲激响应。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明针对在多用户复用中dmrs叠加并且相互干扰的问题，根据用户的dmrs特性设计了一种特殊的信号矩阵，然后利用此信号矩阵结合传统的信道估计方法能够有效的将叠加的dmrs分开，并估计出每个用户的信道冲激响应。本发明的性能突出，以四个用户为场景，在高斯信道下当信噪比在-18db以上时，误码率降为0。在epa信道下，当信噪比在8db以上时，误码率降为0。本发明将广泛应用于5g系统pucch的项目开发中。

附图说明

图1为本发明所采用的系统的结构图；

图2是本发明提供优选实施例图的实现流程图；

图3是本发明在高斯信道中2个用户和4个用户的性能仿真图；

图4是本发明在epa信道中2个用户和4个用户的性能仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合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。

假设在5g系统上行控制信道中，如图1所示，系统中用户的数量为nt个，其资源映射包括每个用户所发送的信号在时域上占用14个符号，在频域上占用一个物理资源块，在信号发送时，所有用户占用同一时频资源，其中解调参考信号在时域上占用第l个符号；基带信号生成后，经过信道传输，产生其对应的信道冲激响应，到达基站端后，基站端则开始解基带信号，对资源映射进行求解，并提取出解调参考信号，根据本发明提出的方法求解出每个用户的解调参考信号，对信道进行估计，从而估计出每个用户的信道冲激响应。

本发明设置每个子载波在频域上的衰落信道系数是平坦的。如图2所示，本实施方式步骤如下：

步骤1：根据dmrs生成公式的特点，将其中在发送pucch的时隙中频域循环移位α分别分解为根据符号和根据用户变化的两部分αl和αt，并且α＝αl+αt，其中αl表示第l个符号的频域循环移位，αt表示第t个用户的频域循环移位。

具体的，第l个符号上的dmrs的生成公式表示为：

其中，表示zc序列，表示一个物理资源块上的子载波的数量。

发送pucch的时隙中频域循环移位α表示为：

进一步的，αl和αn分别表示为：

其中，的值表示为：ns表示当前pucch在数据帧中的时隙号，表示每个时隙中所包含符号的数量，lr表示当前符号相对于发送pucch的第一个符号的位置，l表示当前符号在整个时隙中的位置，c表示长度为的伪随机序列。其中m0＝0，mcs表示基站分配给不同用户的值，其可能的取值为0、3、6、9。

步骤2：设dmrs在时域上映射到第l个符号上，则令接收端接收到的第l个符号上第i个子载波上的信号rl(i)乘以的共轭矩阵计算得到维矩阵整个物理资源块的接收端的计算信号表示为其中，整个物理资源块的接收端信号表示为：具体的：

其中，rl(i)表示在第l个符号上的第i个子载波上的接收到的信号；表示zc序列中的第i个值，其中，zc序列的定义可参考3gpp协议，hl,t(i)表示第t个用户在第l个符号上的第i个子载波上的信道冲激响应，zl,t(i)表示加性高斯白噪声，服从复高斯独立同分步，nt表示系统中用户的数量。

将式(5)中等号的左右两端乘以的共轭矩阵，表示为：

步骤3：假设pucch发送格式4的复用用户数为nt，根据不同用户dmrs的特性构造一个nt×nt维信号矩阵并将步骤1中求得的矩阵用构造的信号矩阵表示。

矩阵具体表示为：

并将步骤2中的式(5)用表示为：

其中，表示矩阵的第i行，hl(:,i)表示hl矩阵的第i列，hl表示第l个符号的信道冲激响应矩阵，表达式为：

步骤4：利用步骤2中得到的接收端的信号矩阵重新构造特殊矩阵为维矩阵，表示一个物理资源块上的子载波的数量，然后根据lmmse算法对进行处理，求得维矩阵

其中，可表示为：

其中，表示矩阵的第n行的序列，表示为：

然后将矩阵用lmmse信道估计算法进行处理：

其中，表示的自相关矩阵，rsn表示信道的信噪比，i表示单位矩阵，β＝e{|xk|²}·e{|1/xk|²}，xk表示实际的复值信号，β值与调制方式有关，例如在qpsk调制时，β＝1。

步骤5：对求得的矩阵中的每一行进行点的dct变换，求得维矩阵

可用公式表示，其中d为点的dct变换矩阵，矩阵的元素(m,n)应当满足条件：

其中，an表示dct变换中所用到的幅值，当n＝0时，当n≠0时，

步骤6：对dct变换后的矩阵中的每一行进行可扩展离散余弦逆变换(eidct)，求得维矩阵

可用公式表示，其中，为维矩阵，为维矩阵，其中的矩阵元素(m,n)应当满足条件：

其中，m′＝m/nt，m＝0,1,…,m/nt，l＝-(nt-1),…,0,…,m-1，当m＝0时，当m≠0，

步骤7：对矩阵取每一行的有效值，即对于矩阵的i行，取其第1+nt-i列到第列数据，取完整个矩阵的有效值后构成有效数据维数为的矩阵根据矩阵可估计出多个用户dmrs所占用的符号l的信道冲激响应维矩阵对矩阵取每一行的有效值，表示为：

其中，i表示单位矩阵，0表示零矩阵，则求出每个用户的在dmrs处的信道冲激响应矩阵的估计值为：其中表示矩阵的共轭转置，为维矩阵。

步骤8：根据步骤7中所求得的dmrs的信道冲激响应，对数据信号进行时域线性插值，求得数据信号位置的信道冲激响应。

使用时域线性插值算法求出数据信号第l个符号第k个子载波即(k,l)处的信道冲激响应，表示为：

其中，hp(k,l1)和hp(k,l2)分别表示步骤7中估计出的dmrs所占用的两个相邻的符号第l1和第l2上的第k个子载波的信道冲激响应。

如图3所示，在高斯信道中，2个用户和4个用户复用同一时频资源时系统性能随信噪比的变化曲线，在2个用户复用的情况下，当信噪比为-21db以上时，系统误码率降到10^-4以下，在4个用户复用的情况下，当信噪比为-19.5db以上时，系统误码率降到10^-4以下。以10^-4为界限，以4个用户为场景的系统性能比2个用户场景的系统性能损失了大约1.5db。

如图4所示，在epa信道中，2个用户和4个用户复用同一时频资源时系统性能随信噪比的变化曲线，在2个用户复用的情况下，当信噪比为5db以上时，系统误码率降到10^-4以下。4个用户复用的情况下，当信噪比为7.5db以上时，系统误码率降到10^-4以下。以10^-4为界限，以4个用户为场景的系统性能比2个用户场景的系统性能损失了大约2.5db。

可以看出，本发明的性能非常突出，不论是在高斯信道下还是epa信道下，其误码率都比较低。从而使得本发明将广泛应用于5g系统pucch的项目开发中。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。