基于酉空时码的TD－SCDMA系统信道估计方法

摘要

本发明请求保护一种基于酉空时码的TD－SCDMA系统信道估计方法，在发送端，将酉空时码编码器嵌入TD－SCDMA链路中物理信道映射后和扩频前，信号经物理信道映射后，输出的一组串联数据经酉空时编码器调制为一个T×N的矩阵，矩阵的每一列经扩频、加扰后由相应的天线发射出去；在接收端，对每个接收天线的信号解扩频和解扰后，组成一个T×N矩阵，然后通过酉空时译码器采用最大似然译码，译出酉空时调制前的信号。由于酉空时码自身有一定的纠错能力，所以把他运用在TD－SCDMA系统中，进一步降低了系统的误比特率，移动终端能进行可靠的信息传输。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及TD-SCDMA系统中的信道估计技术。

背景技术

目前第三代移动通信标准中要求核心网能够为用户终端在快速移动状态下提供各种业务(移动终端速率可为120km/hr)，这使得移动终端与基站之间的信道衰落变化很快，并且由于频谱有限与用户不断增加之间的矛盾，提出MIMO天线系统来增加系统的容量，这使得系统将对更多的信道进行估计，所以在收发射天线数目过多或收发天线之间衰落系数变化很快的情况下，系统对信道估计将会十分困难，甚至可能出现无法进行信道估计的情况。传统的TD-SCDMA系统也是用其时隙突发(burst)结构中有128个码片的Midamble码来进行信道估计，如在传输中Midamble码出现错误，则信道估计也将出现错误，使信息不能可靠、准确地传输，系统在为用户提供高速数据时会出现对信道估计困难的情况，接收端将不能解调出传输信息。

发明内容

为了克服现有技术中TD-SCDMA系统采用Midamble码来进行信道估计带来的上述缺陷，本发明在TD-SCDMA系统中运用酉空时码进行信道估计。

本发明采用的技术方案是：在发送端，我们将酉空时码编码器嵌入TD-SCDMA链路中物理信道映射后和扩频前，信号经物理信道映射后，输出的一组串联数据经酉空时编码器(USTC编码)调制为一个T×N的酉矩阵，酉矩阵的每一列经扩频、加扰后由对应的天线发射出去；在接收端，对每个接收天线的信号解扩频和解扰后，接收到的信号组成一个T×N矩阵，然后通过酉空时译码器(USTC解码)采用最大似然译码，译出酉空时调制前的信号。

酉空时调制器通过式Φ_l＝Θ^l-1Φ_l将输入信号映射为一个T×N的酉矩阵；酉矩阵的行数T取决于酉空时码的编码周期，就是信道不变的持续衰落符号时间，酉矩阵的列数N取决于发射天线数，经酉空时调制后的所有矩阵Φ_l之间的互相关系数达到最小。

由于酉空时码自身有一定的纠错能力，所以把他运用在TD-SCDMA系统中，等效于把它与TD-SCDMA系统中的卷积码和Turbo码级联使用，进一步降低了系统的误比特率。本发明将酉空时码运用到TD-SCDMA系统中，不需过多设置收发射天线数目，在收发天线之间衰落系数变化很快的情况下，也能对系统信道进行快速准确的估计，误码率能保持在一个很低的水平，移动终端能进行可靠的信息传输。

附图说明

图1在TD-SCDMA系统中采用酉空时码的发送端示意图；

图2在TD-SCDMA系统中采用酉空时码的接收端示意图；

图3 64Kbps case1仿真链路图；

图4时隙结构图。

具体实施方式

酉空时码结构

假设系统中有N个发射天线，M个接收天线，每个发射天线与接收天线对之间的衰落系数是相互独立的，并且其衰落系数持续不变时间为T个符号周期，对于发射天线和接收天线而言，衰落系数都是不可知的，其收发信号可用下式表示：

$>>>x>tm>>=>>\rho >/>N>over>>\Sigma >>n>=>1>>N>>>h>nm>>>s>tn>>+>>W>tm>>->->t>=>1>·>·>·>·>·>·>T>,>m>=>1>·>·>·>·>·>·>M>>>$

式中{s_tn，t＝1……T，n＝1……N}表示：在T个符号周期内，第n个发射天线所发射的信号，{x_tm，t＝1……T，m＝1……M}为在T个符号周期内，第m个接收天线所接收到的信号，h_nm表示第n个发射天线与第m个接收天线之间的复值衰落系数，在第m个接收天线和第t时刻接收到的噪声用W_tm表示，在T个符号周期内，h_nm之间是相互独立的。式中ρ表示发射天线上总的发送功率，它对传输天线M是独立的。我们用矩阵形式来表示上式：

$>>X>=>>>\rho >M>>>SH>+>W>>>$

S是T×N发射信号矩阵，X为T×M接收信号矩阵，H表示N×M的衰落系数矩阵，W为T×M的噪声矩阵。

其中S_l可表示为： $>>>S>l>>=>>T>>>\Phi >l>>>(>l>=>1>·>·>·>·>·>·>L>)>>,>>>L＝2RT，R为信道转输速率，T为信道衰落系数不变持续时间，\Phi$_l为T×N的酉矩阵，它满足Φ_l^HΦ_l＝……Φ_L^HΦ_L＝I，(H表示取矩阵Φ_l的复共轭转置)。我们可借鉴离散傅立叶变换(DFT)矩阵来构造Φ_l(M＝1，R＝1)

$>>>W>L>>=>>1>>L>>>[>>W>lk>>]>=>\begin{array}{}>>>>1>>L>>>>W>0>>>>>1>>L>>>>W>0>>>>>1>>L>>>>W>0>>>>·>>>·>>>·>>>>1>>L>>>>W>0>>>>>>>1>>L>>>>W>0>>>>>1>>L>>>>W>1>>>>>1>>L>>>>W>2>>>>·>>>·>>>·>>>>1>>L>>>>W>>L>->1>>>>>>>>1>>L>>>>W>0>>>>>1>>L>>>>W>2>>>>>1>>L>>>>W>4>>>>·>>>·>>>·>>>>1>>L>>>>W>>2>>(>L>->1>)>>>>>>>>·>>>·>>>·>>>>>>>>>·>>>>>·>>>·>>>·>>>·>>>·>>>·>>>·>>>>>·>>>·>>>·>>>>>>>>>·>>>>>>1>>L>>>>W>0>>>>>1>>L>>>>W>>L>->1>>>>>>1>>L>>>>W>>2>>(>L>->1>)>>>>>>·>>>·>>>·>>>>1>>L>>>>W>>>(>L>->1>)>>>(>L>->1>)>>>>>>>>>>\end{array}$

如信道的持续时间为T，发送天线数为N，则我们可以从W_L中选任意T行N列来构成酉距阵Φ_l，从酉矩阵的特性可知：(1)在酉矩阵Φ_l左边乘一特定的T×T的酉矩阵Ψ，Φ₁→Ψ^LΦ_l，l＝1…L；(2)在其右边乘一特定M×M酉矩阵，Φ_l＝Φ_lγ_l，l＝1…L，都不会改变酉矩阵的密度。根据酉矩阵的特性我们把Φ_l改写成Φ_l＝Θ^l-1Φ_l，Θ为T×T的酉对角阵，对角阵上的元素为在W_L中所选的T行元素，Φ_l为包括W_L中第一列元素在内的T×N距阵。

在接收端我们通过最大似然解调来获得发射端的酉矩阵Φ_l，若取L个酉空时信号S₀…S_L组成酉空时信号集。

$>>>\Phi >>n>1>>>=>>>arg>max>p>>(>X>|>>\Phi >l>>)>>>>>\Phi >l>>\in >\{>>\Phi >>1>,>>>·>·>·>·>·>·>>,>>\Phi >L>>\}>\; >>>$

在信道传输矩阵不知时其概率密度为：

$>>P>>(>X>|>>\Phi >l>>)>>=>>>exp>>(>->tr>\{>>\Lambda >>->1>>>X>>X>+>>\}>)>>>>>\pi >TM>>de>>t>M>>\Lambda >>>>>$

其中Λ＝I_T+(ρ/N)SS⁺，I_T为T×T的单位矩阵，tr表示矩阵的迹。

$>>=>>>arg>max>>>>\Phi >l>>\in >\{>>\Phi >1>>,>·>·>·>·>·>·>,>>\Phi >L>>\}>\; >>>exp>>(>->tr>\{>[>>I>T>>+>>(>pT>/>N>)>>>\Phi >l>>>>\Phi >l>>+>>>]>>->1>>>>XX>+>>\}>)>>>>>\pi >TM>>de>>t>M>>[>>I>T>>+>>(>\rho T>/>N>)>>>\Phi >l>>>>\Phi >l>>+>>]>>>->->->>(>1>)>>>>$

根据矩阵的的特性：

det(I+AB)＝det(I+BA)

                    (A+BCD)^-1＝A^-1+A^-1B(C^-1+DA^-1B)^-1DA^-1

其公式(1)可表示为：

$>>=>>>arg>max>>>>\Phi >l>>\in >\{>>\Phi >1>>,>·>·>·>·>·>·>·>,>>\Phi >L>>\}>\; >>>exp>>(>->tr>\{>[>>I>T>>->>1>>1>+>N>/>\rho T>>>>\Phi >l>>>>\Phi >l>>+>>]>>XX>+>>\}>)>>>>>\pi >TM>>>>(>1>+>\rho T>/>N>)>>NM>>>>>>$

则公式(1)可写为：

$>>=>>>arg>max>tr>\{>>X>+>>>\Phi >l>>>>\Phi >l>>+>>X>\}>>>>\Phi >l>>\in >\{>>\Phi >1>>,>·>·>·>·>·>·>,>>\Phi >L>>\}>\; >->->->>(>2>)>>>>$

式中X表示为接收端所收到的信号，+表示矩阵共轭，trA是求矩阵A的迹。

在TD-SCDMA系统中，我们用最大似然译码对酉空时码进行解调，其发送为S，接收为X的错误概率为：

$>>p>>(>X>|>S>,>H>)>>=>>1>>\pi >TM>>>exp>>(>->tr>\{>>(>X>->>\rho >/>N>>SH>)>>>>(>X>->>\rho >/>N>>SH>)>>H>>\}>)>>>>$

最大似然译码为：

$>>>\Phi >>n>1>>>=>>>arg>min>tr>>>>\Phi >l>>\in >\{>>\Phi >1>>·>·>·>·>·>·>>\Phi >L>>\}>\; >\{>>>>(>X>->>\rho >/>N>>>\Phi >l>>H>)>>>(>X>->>\rho >/>N>>>\Phi >l>>H>)>>>+>>\}>->->->>(>3>)>>>>$

通过比较式(2)和(3)可得出：在接收端和发射端都对信道不可知时，接收端对接收到的信号进行最大似然译码时，可通过接收信号X和发送矩阵Φl来估计信道，如下式所示：

$>ver>>H>^>>=>>>(>>\rho >N>>)>>>->>1>2>>>sup>>\Phi >l>+sup>>X>>>$

TD-SCDMA系统的每个子帧由7个主时隙和3个特殊时隙——下行导频时隙(DwPTS)，上行导频时隙(UpPTS)和保护时隙(GP)构成，如下所示：

而每个时隙又有其独特的结构。

因TD-SCDMA系统中信道冲激响应在一个子帧内有较大的变化，但在一个时隙内变化不大，我们可以认为信道冲激响应在一个时隙内是不变的，而酉空时码的编码周期就是信道不变的持续衰落符号时间T，现有的TD-SCDMA系统可支持12.2kbps、64kbps、144kbps和384kbps数据速率，在一子帧内其占用的码道数和时隙数分别为2、8、8、10、和1、1、2、4，因为在TD-SCDMA标准中规定在一个时隙内每个码道所传输的符号数为44，也就是864个码片，所以我们可采用T＝8的酉空时编码，选择发送天线数设置为2，接收天线数设置为1的系统。

图1、2为酉空时码在TD-SCDMA系统中的发送端和接收端示意图，现参照图1和图2对在TD-SCDMA系统链路中加入酉空时编码和译码的信号处理过程描述如下：

数据信息经加入CRC码检验后，通过传输块的级联和码块分割，如果在一个传输时间间隔中传输数据的比特数大于码块的最大尺寸，那么，传输块级联后将进行码块分段，码块的最大尺寸将取决于TrCH复用采用的编码方式。其具体尺寸为：卷积码——z＝504；Turbo码——z＝5114；Woven Turbo码——z＝5114；无编码——unlimited，信道编码主要包括卷积编码和Turbo码方式，链路中的两次交织都是为了克服突发性错误，在酉空时调制之前还要通过物理信道映射，其主要作用为将传输信道的比特映射到相应的物理信道上，物理信道映射的单位为每一无线子帧的传输数据块尺寸。

酉空时调制是把输入的信号通过式Φ_l＝Θ^l-1Φ_l映射为一个T×N矩阵，在TD-SCDMA系统中，一个时隙内的信道衰落系数基本保持不变，在这里我们假设信道的持续衰落时间为8个符号时间，发射天线数为2，因此映射后的矩阵行数T＝8，矩阵的列数N＝2。我们通过计算机搜索式中的Θ和Φ_l，其搜索准则为使经酉空时调制后的所有矩阵Φ_l之间的互相关系数尽可能的小，以至于达到最小，根据TD-SCDMA系统中一个时隙内所含的码片数和前面我们采用的发射天线数，Θ为8×8的酉对角阵，对角线上的元素为 $>>>e>>i>>>2>\pi >>L>>>U>1>>>>·>·>·>·>·>·>·>>e>>i>>>2>\pi >>L>>>U>T>>>>,>>>其中U＝[1 5 16 36 57105 151 253]的向量，\Phi$_l是取8×8的DFT变换矩阵中的1，3列组成一个8×2矩阵，系数为并且第1列的元素全为1，第2列的元素为Θ和Φ_l为： $>>\Theta >=>\begin{array}{}>>>>e>>i>*>\pi >*>2>/>256>>>>>0>>>·>>>·>>>·>>>0>>>>>0>>>>e>>i>*>\pi >*>2>*>5>/>256>>>>>·>>>·>>>·>>>0>>>>>·>>>·>>>>>>>>>·>>>>>·>>>·>>>·>>>·>>>·>>>·>>>>>·>>>·>>>>>>>>>·>>>>>0>>>0>>>·>>>·>>>·>>>>e>>i>*>\pi >*>2>*>253>/>256>>>>>>>>>$ >>>\Phi >1>>=>>>>1>>8>>>\begin{array}{}>>>1>>>1>>>1>>>·>>>·>>>·>>>1>>>>>1>>>>>e>>i>>>2>\pi >>8>>2>>>>>>>e>>i>>>2>\pi >>8>>4>>>>>·>>>·>>>·>>>>>e>>i>>>2>\pi >>8>>14>>>>>>>>>T>>>>\end{array}$\end{array}$

Θ指数l-1中l的值对应不同QPSK调制信号其对应关系为：[+j+1-1-j][1 65→129 256]，由于Midamble码是一组二进制序列，所以在对Midamble进行酉空时调制时是直接把Midamble分为长度为8的数组，对数组求模得到l。进行酉空时调制后，我们分别把第1列和第2列的元素经过扩频、加扰和加入midamble码后分别送到第1根天线和第2根天线上发送。

在接收端，将接收到的信号进行分离，然后从每路信号中分别取8个数据构成一个8×2的矩阵，从第1根天线收到的数据放在第一列，从第2根天线上收到的数据放在矩阵的第2列，然后将所得到的矩阵送入USTC解码器，进行最大似然译码解调出与发射端对应的矩阵，然后通过Φ_l＝Θ^l-1Φ_l的反变换得到l的值，在信道映射部分利用l与QPSK的映射关系，我们可得到发射的QPSK信号，然后通过与发射端相反的处理方式，将接收到的信号进行二次解交织，物理信道解分割，码块合并，解速率匹配等处理后还原发送端的信息。

从附图3所示的系统仿真图可看出，当系统传输速率为64Kbps，采用酉空时编码时，其性能好于没采用酉空时编码的性能，在采用酉空时编码时，当系统能够估计出信道信息时其性能要优于系统不能估计出信道信息时的性能。

通过在TD-SCDMA系统中引入酉空时码调制、解调，当系统用midamble码不能进行信道估计时，还能保证数据的可靠传输，并且由于酉空时码自身的纠错能力，这使得系统的误比特率降低，增强了信道估计能力，进一步保证了信息传输的可靠性。