LTE通信系统中基于信道估计与分段线性回归的天线端口数快速检测方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于信道估计与分段线性回归的天线端口数快速检测方法。

背景技术：

长期演进(longtermevolution，lte)是3gpp(3rdgenerationpartnershipproject)主导的最新的商用公共陆地移动网络。相较于前代通信系统，其具有带宽配置灵活、数据速率高、可分组传送、延时低、覆盖域广和向下兼容等技术优势。lte通信系统数据传输速率及系统容量的大幅提升，很大程度上归功于采用了多输入多输出(multipleinputmultipleoutput，mimo)技术。mimo技术能在发射端使用多个天线各自独立地发送信息，同时接收端用多个天线接收并恢复出原信息。发送端可自行选择使用1、2、4根天线发送物理广播信道(physicalbroadcastchannel，pbch)系统消息，且发送消息使用的天线在天线端口0～3中进行选择，且支持单天线发送和分集发送模式。用户终端(userequipment，ue)在完成初始的小区搜索和下行同步过程后进行pbch消息解码，该操作需获取基站(evolvednodeb，enb)下发消息使用的天线数。天线端口信息隐含于pbch循环冗余校验(cyclicredundancycheck，crc)的掩码信息中，只有得到正确的天线端口数配置信息，才能成功解码pbch系统消息。

enodeb侧将pbch传输块进行信道编码、速率匹配之后进行加扰和qpsk调制，经过层映射和预编码操后进行re映射和ifft变换过程，再进行数字上变频操作后由多天线分集传输进行信号广播。pbch传输的mib消息包含24bit数据，前14bit为信息比特，后10bit为空白比特。mib信息比特包含的内容依次为：3bit的带宽指示比特，用来指示dl-bandwidth(n6,n15,n25,n50,n100)；3bit的phichconfig指示比特，其中1比特指示phich持续时间(normal/extend)，2比特指示phichresource数目(1/6,1/2,1,2)；后8bit用来指示sfn(systemframenumber，系统帧号)高8位，sfn低2位通过pbch盲检测得到。

传统的天线端口数检测方法采用盲检测的方式依次遍历解码1、2和4天线端口数的三种情况下的pbch消息，并将解码出的pbch消息进行crc校验，若校验通过则解pbch消息成功且无需重复进行后续的解码操作。该方法的盲检测复杂度不固定，当发射端使用四天线发射，则需要进行3次完整的解pbch流程，计算量大。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述的不足之处，提供一种基于信道估计与分段线性回归的天线端口数快速检测方法，该算法通过提取不同天线端口对应的小区参考信号得到信道状态信息，并将信道状态的相位信息拟合，进而判决出天线端口数。同时本算法通过分段解决了由于信道估计中相位存在跳变导致的判决错误的问题。将拟合结果与实际接收值相位作差，所得差值记为ε，设定门限γ，将天线端口0,1,2,3分别计算出的ε与γ比较，无需进行盲检测即可得到发送端使用的天线端口数目。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于信道估计与分段线性回归的天线端口数快速检测方法，包括以下步骤：

s1：在解码pbch的过程中，实现完整的信道估计，在通过参考信号实现部分信道估计的基础上，采用最小二乘法进行完整的信道估计。

s2：对信道估计值提取出相位图，提取50个采样点的相位角，通过分段线性回归的方法对这些相位角进行线性拟合。

s3：将拟合前后采样点的相位角作差取绝对值，预设一个判决门限与拟合前后采样点差值的平均值做比较，若差值平均值小于等于门限则代表分端使用了该天线发送数据，进而得到发端使用的天线端口数。

s4：根据得到的天线端口数进行pbch解码以及crc校验操作，若此时crc校验通过，则代表天线端口数检测成功，pbch信道解码成功。

进一步，在步骤s1中，所述的使用最小二乘进行完整信道估计具体方法为：

假设发送端未经过ofdm调制的频域信息为s(jω)，基带信号信息为s(t)。s(t)经过发送端发送、信道传输、接收端接收后，得到接收信号r(t)。

r(t)＝a·s(t+δt)e^jδωt+n(1)

其中，a表示信道传输过程中的幅值增益，δt为传输时延，δω为频偏，n为高斯白噪声，为了简化计算，推导过程中忽略n。将接收信号r(t)经过ofdm解调，得到r(jω)。

r(jω)＝a·e^{j(ω-δω)δt}s[j(ω-δω)](2)

进而得到信道估计结果：

由式(3)可知，传输信号在频域上存在的时延δt，会导致频率ω产生变化并造成信道估计的相位值旋转，且该旋转符合相位线性变化。因此若提取正确天线端口对应的crs信息，并使用最小二乘法得到完整的信道状态信息，其相位具有线性变化的特性。反之，连续采样点的信道估计相位值会呈现无规律分布的状态。

利用最小二乘算法得到完整的信道估计

其中，p为参考信号，fp是p×l阶矩阵，对应参考符号位置选择的行和n×n离散傅里叶变换(discretefouriertransform，dft)矩阵的前l列。fl是n×l阶矩阵，有dft矩阵的前l列得到。是p×1阶均值为零的复值循环白噪声向量。

进一步，在步骤s2中，提取50个采样点的相位角，通过分段线性回归的方法对这些相位角进行线性拟合的具体方法为：

一元线性回归方程的理论回归模型为

yi＝β0+β1xi+εi(5)

其中，yi为被解释变量，xi为解释变量，εi为随机误差项，β0与β1为回归系数；

定义为xi的平均值，为yi的平均值，得到回归系数求解表达式为：

计算得到随机误差项为：

εi＝β0+β1xi-yi(8)

误差绝对平均值为：

根据得到的线性回归方程，可以计算随机误差εi，从而得到误差绝对值的平均数经过门限γ判决确定该天线端口是否配置crs，最终决定天线端口数；

在上述求解线性回归方程方法的基础上，增加了用于应对发送数据的天线端口会出现采样点相位角突变情况的方法，即分段线性回归，由于采用50个采样点，突变的次数非常有限，一般在一到两次，在前后两个采样点的角度差大于1的时候进行分段，然后分别进行拟合，从而提高判决的精准度。

进一步，在步骤s3中，所述的一元线性回归判决天线端口数的具体方法为：

提取pbch消息所在的子帧0的数据进行天线端口数检测，遍历参考信号所有可能的映射方式，分别得到天线端口数为1、2、4三种情况下的信道估计值h，使用线性回归方法将h的相位离散点进行拟合，并将相位离散点与拟合线差值的绝对值取平均数得到平均误差取值如公式(9)所示。

首先判决天线端口port2和port3的误差值是否小于门限值γ，若小于则天线端口数为4；反之，则继续判决天线端口port1的误差值是否小于门限值γ，若小于则天线端口数为2；若大于天线端口数为1。

进一步，在步骤s4中，所述的验证天线端口数是否检测成功的具体方法为：

根据判别出的天线端口数提取出对应的pbch消息，从而对pbch信道进行解预编码、层映射、qpsk解调、解扰、解速率匹配、解信道编码操作，然后进行天线端口数校验。因为pbch的天线端口数信息隐含于pbch的循环冗余校验码的掩码信息里，若此时crc校验通过，则代表天线端口数检测成功，pbch信道解码成功。该方法在译码之前确定了天线端口数，避免了传统盲检测方法可能需要完整解码3次的问题，大大降低了计算复杂度。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为传统天线端口数盲检测方法的具体流程图；

图2为使用不同的天线端口的crs时频资源映射图；

图3为未分段线性回归拟合与分段线性回归拟合对比图；

图4为线性回归算法进行拟合后的天线端口数判决流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员能更好地理解本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合具体实施例和说明附图来进行完整的描述。

图1为传统天线端口数盲检测方法的具体流程图；

传统的天线端口数检测方法采用盲检测的方式依次遍历解码1、2和4天线端口数的三种情况下的pbch消息，并将解码出的pbch消息进行crc校验，若校验通过则解pbch消息成功且无需重复进行后续的解码操作。该方法首先提取发端使用单天线时的csi信息，然后进行1次完整的解pbch操作，若crc校验不通过，则继续提取发端使用两天线时的csi信息，然后进行1次完整的解pbch操作，若crc校验不通过，则继续提取发端使用四天线时的csi信息，再接pbch消息从而得到天线端口数。该方法的弊端在于盲检测复杂度不固定，当发射端使用四天线发射，则需要进行3次完整的解pbch流程，计算量大，时延高。

图2为使用不同的天线端口的crs时频资源映射图；

基站侧发送pbch信号时仅可以选择使用端口0、1、2、3发送数据，所以在接收端检测时需要判决接收数据使用哪个端口发送。在完成下行同步操作后，提取pbch消息所在的子帧0的信息，进行ofdm解调、去子载波映射、天线端口数检测操作，发送端使用1/2/4个天线端口发送数据，分别对应使用端口0/端口0、1/端口0、1、2、3三种情况。根据协议规定，使用不同端口会在时频资源图的不同资源粒子上映射crs。图2展示了四个端口发送数据时crs在时频资源图中分别对应的映射位置。按照所有可能的crs映射位置分别提取出接收到的值y(k)，将之与本地crs相除，从而得到三种可能的crs位置估计出的信道信息h(k)。

式(4)利用最小二乘法，估计出其余位置的信道信息h，从而得到完整的信道信息：

其中，p为参考信号，fp是p×l阶矩阵，对应参考符号位置选择的行和n×n离散傅里叶变换(discretefouriertransform，dft)矩阵的前l列。fl是n×l阶矩阵，有dft矩阵的前l列得到。是p×1阶均值为零的复值循环白噪声向量。

图3为未分段线性回归拟合与分段线性回归拟合对比图；

为了使pbch仅进行一次mib解码，需要根据各个天线端口的信道估计值来判断该天线端口是否被使用，从而得到发送端使用的天线端口数。当检测到正确的天线端口，接收信号相位离散点图与相位拟合线能够高度贴合。反之，具有线性变化规律的拟合线与随机变化的离散点之间巨大的信道估计相位差判决该天线端口没有用来发送数据。拟合效果如图3所示，其中直线是线性回归算法得到的相位拟合线，圆型离散点为实际接收到的相位值，左侧子图(a)为遇到相位突变情况下未分段线性回归算法得到的拟合线，线性回归后的拟合线与信道估计的相位差值很大；右侧为对接收信号一次突变进行判决后在突变点进行分段，分别对两段进行线性回归拟合，实测拟合线与离散点高度贴合。

图4为线性回归算法进行拟合后的天线端口数判决流程图。

将分段线性回归拟合得到的相位值拟合回归线上的点与接收到的相位值离散点作差后取绝对值，记为绝对误差平均值

通过判断误差平均值与门限γ的大小来确定当前天线端口是否配置crs，从而确定发送端使用的天线端口数。首先判断端口2和端口3的是否小于门限值，若是则发送天线端口数为4；否则判断端口1的是否小于门限值，若是则发送天线端口数为2；否则发送天线端口数为1。检测天线端口数完成后，解码pbch信息并进行crc校验，若校验通过则代表天线端口数校验成功，pbch消息解码成功。