一種高速移動環(huán)境下的多符號聯合信道估計方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明涉及在時間頻率雙重選擇性衰落環(huán)境中，基站與移動終端進行上下行鏈路 通信時，接收機進行信道估計的方法，具體是一種高速移動環(huán)境下的多符號聯合信道估計 方法，屬于無線通信技術領域。
【背景技術】：
[0002] 無線通信系統(tǒng)中，為了有效恢復出原始發(fā)送信號，接收機需要估計出信道狀態(tài)信 息，進而對接收到的信號進行均衡處理。因此，信道估計的準確性對無線通信系統(tǒng)的性能至 關重要。
[0003] 在正交頻分復用（0FDM)無線通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的信道估計方法有最小二乘（LS) 方法和最小均方誤差（MMSE)方法。考慮到無線信道的稀疏性，越來越多的研究將壓縮感知 (CS)理論用于稀疏信道估計，CS理論突破了奈奎斯特采樣定理的限制，用很少的測量值就 能恢復原始信號。和CS相比，分布式壓縮感知（DCS)用于恢復一組聯合稀疏的信號，能更 準確的找到稀疏信號的非零位置，所以能提高恢復精度。
[0004] 近年來隨著高速鐵路的速度越來越快，移動終端對高速環(huán)境中通信質量的要求越 來越高。高速移動環(huán)境中，無線信道不僅表現頻率選擇性衰落，還表現出時間選擇性衰落， 需要估計的信道系數大大增多，意味著需要更多的導頻子載波，降低了頻譜利用率。高速環(huán) 境中，多普勒頻偏導致嚴重的多普勒泄露，多普勒域不再具有稀疏特性。

【發(fā)明內容】
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[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述現有技術存在的問題，提出一種高速移動環(huán)境下多符 號聯合信道估計的方法，對時間頻率雙選信道進行合理建模，減少需要估計參數的數量，從 而減少所需的導頻數量，提高頻譜利用率，同時利用多0FDM符號的聯合稀疏特性，提高接 收機信道估計的精度。
[0006] 本發(fā)明的主要原理是：
[0007] 考慮到高速環(huán)境中，多普勒泄露使多普勒域不再具有稀疏特性，利用復指數基擴 展模型（CE-BEM)對時間頻率雙選信道進行建模，從而將信道系數I#1的估計問題轉換為對 CE-BEM系數的估計問題。在多個0FDM符號間聯合設計稀疏導頻模式，并利用多個符號在延 時域上的聯合稀疏性，將原始的雙選信道估計問題轉化為結構化分布式壓縮感知模型。針 對提出的模型，利用塊同步正交匹配追蹤算法（BS0MP)求解系數。最后對估計得到的信道 系數進行線性光滑處理，減少建模誤差。
[0008] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0009] (1)利用復指數基擴展模型（CE-BEM)對時間頻率雙選信道進行建模。模型如下：
[0011] 其中，j代表OFDM符號的序號，Q代表CE-BEM階數，L代表路徑數，/f表示第1徑 對應的抽頭系數，bq(0彡q彡Q-1)代表CE-BEM基函數，#) [q，1]代表CE-BEM系數，#代 表CE-BEM建模誤差。基函數bq表示為：
[0013] 其中，N表示一個0FDM符號子載波的個數。對于連續(xù)J個0FDM符號，每個符號對 應的CE-BEM基函數相同，BEM系數不同。
[0014] (2)計算聯合估計0FDM符號的個數J，滿足連續(xù)J個0FDM符號對應信道具有聯合 稀疏特性。J由下式確定
[0015] J< 0.01c/(N+LCP)v (3)其中c是光速，v是移動終端和基站的相對速度， LCP代表CP長度。此時，路徑延時變化量的最大值遠遠小于采樣周期，因此可以假設連續(xù)J 個0FDM符號對應信道稀疏性不變。
[0016] (3)對于連續(xù)J個0FDM符號，設計稀疏導頻模式，推導信道估計模型。導頻序列 包括G個有效導頻和（2Q-2)G個保護導頻，其中K < G <<幾，K表示無線信道延時域的 稀疏度；有效導頻和保護導頻幅度分別取1和〇,有效導頻序列記為Prff，保護導頻序列記為 Pg_d，保護導頻位于有效導頻兩側，防止數據子載波對有效導頻的干擾。將導頻分為Q個子 序列：
[0018] 其中^表示所有有效導頻構成的子序列。
[0019] 結合CE-BEM的特性和設計的導頻模式，得到信道估計模型如下：
[0021] 其中，Y代表接收機OFDM解調之后的數據，表示JXJ的單位矩陣，⑩表示張量 積，\表示#(離散傅里葉變換矩陣）的前L列構成的矩陣，Wq包括噪聲和建模誤差，
Λ q是一個對角矩陣，表示如下：
[0023] 對式（5)所示模型中需要重建的系數進行重新排序
[0026] 得到信道估計模型：
[0029] (4)對于式（9)所示模型，利用離散隨機最優(yōu)化（DS0)算法求得最優(yōu)導頻位置分 布。最優(yōu)導頻位置確認原則是使矩陣Φ的互相關值μ最小，μ計算如下：
[0031] 其中Φρ Φ j是矩陣Φ的任意兩列。
[0032] (5)對于式（9)所示模型，利用塊同步正交匹配追蹤（BS0MP)算法恢復得到系數
，稀疏度為K。BS0MP 算法步驟如下：
[0033] a)設置初始值：迭代次數i = 0,稀疏向量S°= 0 ，殘差r°= Y_C>S °= Υ,
[0036] c)在中找到最小值d，更新支持向量1 ;X1，更新殘差
[0037] d) i = i+Ι，如果i < K，返回a)，否則進入下一步。
[0038] e)非稀疏位置
：，稀疏位置*=0 &重建稀疏系數sq = (S(l，q)，...S(JL，q))〇
[0039] (6)由BS0MP算法重建得到的稀疏系數恢復出信道抽頭系數#。根據計算得到的 系數基于式（7)、式（8)恢復得到BEM系數々>，然后基于式（1)計算得到信道抽頭
[0040] (7)為了減小CE-BEM模型的建模誤差，對步驟（6)估計得到的信道系數f進行分 段線性光滑處理。對第j個符號，第1條徑對應的信道系數取平均
[0042] 分別利用估計得到的前后兩個相鄰0FDM符號的信道系數，對第j個0FDM符號對 應的信道系數進行光滑處理，
[0044] 對上述結果取平均得到第j個符號，第1條徑對應的信道抽頭系數如下：
[0046] 通過以上步驟，可以得到每個0FDM符號對應的每個時刻n，每條路徑j的信道系 數，實現0FDM系統(tǒng)在高速移動環(huán)境下的信道估計。
[0047] 與現有的信道估計方法相比，本發(fā)明的一種高速移動環(huán)境下的聯合多符號信道估 計方法能夠有效對抗時間頻率雙重選擇性衰落，同時提高信道估計的準確度和頻譜利用 率。
【附圖說明】：
[0048] 圖1多符號導頻設計模式
【具體實施方式】：
[0049] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述。本實施例在以本發(fā)明技術 方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍 不限于下述的實施例。
[0050] LTE是一項基于0FDM傳輸系統(tǒng)的無線通信協(xié)議。采用7. 68MHz帶寬按照LTE協(xié)議 進行下行鏈路無線通信時，取CE-BEM階數Q =