TD-SCDMA中的信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)及其性能分析

　　摘　要：TD-SCDMA系統(tǒng)上行鏈路數(shù)據(jù)在基站通過天線接收后，接下來要進(jìn)行信道估計(jì)和聯(lián)合檢測(cè)。如何高效得到準(zhǔn)確的每個(gè)用戶的信道沖激響應(yīng)是后續(xù)基帶算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，如果信道估計(jì)算法太復(fù)雜和不夠準(zhǔn)確都將對(duì)后面的算法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生不利的影響，本文研究了低代價(jià)的Steiner估計(jì)器，他是一種簡(jiǎn)單且高效的信道估計(jì)算法，通過利用特定方法構(gòu)造的用戶midamble碼，Steiner估計(jì)器能同時(shí)估計(jì)出同一時(shí)隙內(nèi)所有用戶的信道沖激響應(yīng)，本文對(duì)其在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了算法仿真和性能分析。

　　關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；信道估計(jì)；FFT；仿真

1引言

　　TD-SCDMA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(guó)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)［1］。TD-SCDMA系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在多種新技術(shù)如智能天線、軟件無線電、聯(lián)合檢測(cè)的應(yīng)用上［2］。TD-SCDMA系統(tǒng)上行鏈路數(shù)據(jù)在基站通過天線接收后，進(jìn)行信道估計(jì)和聯(lián)合檢測(cè)。信號(hào)經(jīng)無線信道傳輸后會(huì)發(fā)生信號(hào)幅度衰落和相位畸變。通過聯(lián)合檢測(cè)準(zhǔn)確分離出不同用戶數(shù)據(jù)的前提是必須實(shí)現(xiàn)對(duì)信道上述變化的準(zhǔn)確估計(jì)。然而，信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中要面臨高代價(jià)的矩陣乘法操作，這會(huì)帶來計(jì)算復(fù)雜性的提高和時(shí)延增加，所以有必要研究低代價(jià)的信道估計(jì)方法來降低計(jì)算復(fù)雜性和減少時(shí)延，從而提高系統(tǒng)整體性能。Steiner估計(jì)器就是一種低代價(jià)的信道估計(jì)方法，他通過一個(gè)基本midamble碼按一定規(guī)律構(gòu)造出每個(gè)用戶的midamb le碼，從而使得在接收端的midambl碼信道矩陣具有循環(huán)相關(guān)性，從而得到信道估計(jì)的快速算法［3］。本文研究了這種估計(jì)方法，并分析了在TD-SCDMA不同情況下的應(yīng)用性能。

2系統(tǒng)模型

　　本文考慮TD-SCDMA系統(tǒng)上行鏈路，每個(gè)用戶經(jīng)不同的無線信道到達(dá)基站接收端，數(shù)據(jù)以突發(fā)形式傳送。



　　TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中B，Tfr,Nfr,Tbu,K�Х謩e表示一個(gè)頻率時(shí)隙帶、一個(gè)TD-SCDMA幀的持續(xù)時(shí)間、在一幀內(nèi)所 含的突發(fā)數(shù)、一個(gè)突發(fā)的持續(xù)時(shí)間，在同一頻率和時(shí)隙內(nèi)的擴(kuò)頻碼數(shù)（用戶數(shù)）。可以看出，一個(gè)突發(fā)內(nèi)包含2個(gè)數(shù)據(jù)段，一個(gè)midamble碼和一個(gè)保護(hù)間隔，而midamble碼的作用就是做信道估計(jì)。本文中，符號(hào)( )*表示復(fù)數(shù)共軛，( )T表示轉(zhuǎn)置，復(fù)數(shù)符號(hào)用下劃線表示。所有計(jì)算是在等效低通情況下完成的，第k個(gè)用戶的信道響應(yīng)由下面的離散時(shí)間 脈沖沖擊響應(yīng)表征：
　　
并在一個(gè)突發(fā)內(nèi)假定他是時(shí)不變的，W是用戶信道響應(yīng)窗長(zhǎng)。第k個(gè)用戶的midam ble碼由式(2)表示,其中L是用來做信道估計(jì)的惟一由midamble碼確定的接收矢量長(zhǎng)度：
　　
在TD-SCDMA中，midamble碼不經(jīng)擴(kuò)頻，而是直接插入數(shù)據(jù)塊中間經(jīng)脈沖成形后由RF發(fā)送至 接收端，所以第k個(gè)用戶的midamble碼通過信道后的接收矢量方程式（等效低通）如下：
　　
　　當(dāng)給定信道響應(yīng)長(zhǎng)度W后，因?yàn)閙idamble碼在兩個(gè)數(shù)據(jù)段中間，這會(huì)導(dǎo)致接收端的midam ble碼的前W-1位符號(hào)受到數(shù)據(jù)符號(hào)的干擾，后W-1位符號(hào)影響第二個(gè)接收數(shù)據(jù)段，所以惟一由midamble碼決定的是W~W+L-1位，與此對(duì)應(yīng)的接收矢量e(k)滿足：

3Steiner估計(jì)器
　
與式(4)相比，此時(shí)信道估計(jì)的計(jì)算復(fù)雜性明顯降低，這對(duì)于采用智能天線和聯(lián)合檢測(cè)新技 術(shù)的TD-SCDMA系統(tǒng)而言有非常重要的意義，只有快速而準(zhǔn)確的信道估計(jì)才能使得其他高復(fù)雜性的技術(shù)得以應(yīng)用。但是矩陣求逆復(fù)雜性仍然太高，構(gòu)造具有特定結(jié)構(gòu)的G矩陣使得求解變得更加簡(jiǎn)便是Steiner估計(jì)器的一大特色，他通過一個(gè)基本mida mble碼循環(huán)移位產(chǎn)生同一時(shí)隙內(nèi)所有用戶的midamble碼，從而得到循環(huán)矩陣。這樣，利用循環(huán)矩陣的性質(zhì)，可以通過FFT來簡(jiǎn)化計(jì)算。TD-SCDMA中midamble碼的構(gòu)造方法參見文獻(xiàn)［2］，其中p取128。按上述方法得到所有用 戶的midamble碼后，若所有用戶信道響應(yīng)窗長(zhǎng)之和等于p，則可以得到矩陣，他的元素滿足：
　　
按上述方法構(gòu)造的矩陣具有循環(huán)性，且是可逆的，利用循環(huán)矩陣的特性可解得：
　
沖激響應(yīng)即可。另外，通過式（5）可以發(fā)現(xiàn)，Steiner 估計(jì)器會(huì)擴(kuò)大噪聲功率。當(dāng)基本midamble碼歸一化后，文獻(xiàn)［3］給出了此時(shí)的信噪比衰減因子：
　　

4在TD-SCDMA中的應(yīng)用

　　TD-SCDMA中一個(gè)突發(fā)由兩個(gè)長(zhǎng)度分別為352 chip的數(shù)據(jù)塊，一個(gè)長(zhǎng)度為144 chip的m idamble碼和一個(gè)長(zhǎng)為16 chip的保護(hù)間隔構(gòu)成（1 chip=781 ns）。當(dāng)信道沖激響應(yīng)的窗長(zhǎng)為16時(shí)，接收midamble碼的第17~144位共128 b惟一由midamble碼確定，他們不受數(shù)據(jù)塊的影響。

　　可采用以下2種方法實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA系統(tǒng)的快速信道估計(jì)。第一種為實(shí)際信道估計(jì)。此時(shí)輸入的是經(jīng)過實(shí)際無線信道的midamble接收數(shù)據(jù)，輸出沒做任何處理，計(jì)算式如式（6）。第二種方法是實(shí)際后處理信道估計(jì)，他首先按方法一算出實(shí)際信道估計(jì)值，然后根據(jù)測(cè)量的干擾功率，對(duì)信道估計(jì)結(jié)果設(shè)置一定的門限，只保留高于門限的估計(jì)結(jié)果，其他taps置零，具體處理方法如下［4］：
　　
其中：ε=r·σ2，r表示信噪比門限，σ2表示信道中的噪聲功率。通常r由試驗(yàn)確定，而σ2由實(shí)際信道估計(jì)值計(jì)算得到，求噪聲功率又分為滿窗噪聲功率計(jì)算和非滿窗噪聲功率計(jì)算，具體噪聲功率計(jì)算方法如下：

　　有空閑窗時(shí)（用戶信道沖激響應(yīng)窗長(zhǎng)之和不足p）：

　
為信噪比衰減因子。為防止用戶信道沖激響應(yīng)全為零，在按上述方法得到處理的信道估計(jì)后，要分別對(duì)每個(gè)用戶的信道沖激響應(yīng)進(jìn)行搜索，若全為零，則保留該用戶實(shí)際信道估計(jì)響應(yīng)中的最大值。

　　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)比較。理想情況下的信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)方法一是理想信道估計(jì)，就是直接對(duì)沒加噪聲的由所有用戶的mida mble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mida mble碼接收數(shù)據(jù)，他對(duì)信道有最準(zhǔn)確的估計(jì)。方法二是理想時(shí)延降噪信道估計(jì)，此時(shí)輸入是實(shí)際的midamble接收數(shù)據(jù)，然后根據(jù)采用的信道模型的時(shí)延分布，只保留輸出中對(duì)應(yīng)時(shí)延的信號(hào)。上述2種方法是不可能在實(shí)際情況下實(shí)現(xiàn)的，但對(duì)于算法性能分析有較大價(jià)值。

　　TD-SCDMA中信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。


5仿真結(jié)果及結(jié)論

　　本文研究了TD-SCDMA系統(tǒng)中的信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，由理論分析可知，Steiner估計(jì)器能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)同一時(shí)隙內(nèi)所有用戶的信道沖激響應(yīng)估計(jì)，為后續(xù)的聯(lián)合檢測(cè)等基帶算法的實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。在仿真時(shí)給定的仿真條件如下：

　�。�1）TD-SCDMA上行鏈路，單天線；
　�。�2）標(biāo)量信道，Suzuki模型；
　�。�3）移動(dòng)臺(tái)速度120 km/h，每用戶多徑數(shù)為4，延遲分別為：0 chip，1 chip，2 chips，4 chips,衰減依次為0 dB，-1.5 dB,-3 dB,-4.5 dB；
　�。�4）擴(kuò)頻因子16，信道響應(yīng)窗長(zhǎng)16；
　�。�5）發(fā)送濾波器和接收濾波器采用升余弦數(shù)字濾波器，滾降系數(shù)為0.22。圖3~6給出某 一個(gè)突發(fā)內(nèi)利用Steiner估計(jì)器估計(jì)得到的8用戶信道估計(jì)值，此時(shí)的信噪比為10 dB，可以看出Steiner估計(jì)器能較好的估計(jì)出用戶的信道沖激響應(yīng)，但是估計(jì)精度會(huì)受到加性噪聲的影響，在采用門限后處理技術(shù)后，信道估計(jì)值能達(dá)到比較理想的效果。圖7給出了實(shí)際信道估計(jì)、實(shí)際后處理信道估計(jì)與理想信道估計(jì)的歸一化均方誤差的比較，每個(gè)信噪比對(duì)應(yīng)值由1 000次仿真統(tǒng)計(jì)平均得到，計(jì)算式如下：
　　
其中，表示實(shí)際或?qū)嶋H后處理信道沖激響應(yīng)�？梢钥闯觯�采用后處理技術(shù)后，在低信噪比下能獲得與理想值更接近的信道估計(jì)，但是當(dāng)RSN為6~10 dB時(shí)，實(shí)際信道估計(jì)結(jié)果要略好于實(shí)際后處理信道估計(jì)，這是由于選取的r值偏大，在高信噪比時(shí)把應(yīng)該保留的實(shí)際信道估計(jì)值置零所造成的，所以要合理選取r值，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在本文所述仿真環(huán)境下得出r取0.25~ 0.35為宜（仿真中對(duì)多用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理），同時(shí)也可以采用r值隨初測(cè)信噪比的不同做相應(yīng)變化的改進(jìn)方案。








　　如圖8所示聯(lián)合檢測(cè)采用基于FFT的迫零-塊線性均衡（ZF-BL E）算法［5］下不同信道估計(jì)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響結(jié)果，仿真每個(gè)點(diǎn)使用1 000個(gè)突發(fā)，每10個(gè)突發(fā)改變一次多普勒相移，處于激活態(tài)的用戶數(shù)為7�？梢钥闯�，結(jié)合信道估計(jì)后處理技術(shù)的聯(lián)合檢測(cè)算法在誤比特率為10-2時(shí)比使用實(shí)際信道估計(jì)時(shí)的聯(lián)合檢測(cè)算法有2 dB的性能改善。

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