[发明专利]一种时分双工多基站协作系统中的低复杂度信道估计方法

权利要求书

1.一种时分双工多基站协作系统中的低复杂度信道估计方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：将用户发送的导频序列的基序列构成的对角矩阵S，与基站每根天线上接收的频域信号y，进行最小二乘处理，得到处理后的频域信号y′；

假设多基站协作系统包含N_BS个协作基站和K个被服务用户，设每个基站有N_t根天线，每个用户有一根天线，系统的总子载波数为N，使用的子载波数为N_u，空子载波数为N_v，使用的子载波中导频的插入间隔为I，导频数量为N_p；

y表示任意一个基站的任意一根天线上接收的频域信号，为N_P×1维向量，S表示用户发送的导频序列的基序列，为N_p×N_p维对角矩阵，其所有对角元素构成长度为N_p的Zadoff-Chu序列；

将用户发送的导频序列的基序列构成的对角矩阵S，与基站每根天线上接收的频域信号y，进行最小二乘处理，得到处理后的频域信号y′：

y′＝S^-1y

y′为N_P×1维向量，表示处理后的频域信号；

步骤二：利用频域信号y′计算初始时域信号向量v₀，采用FFT快速算法，具体为：

（1）当多基站协作系统能同时估计的最多用户信道数K_max和导频间隔I都是2的幂函数时，具体步骤包括：

1）将N_p×1维频域信号向量y′进行补0，构造成为N/I×1维频域信号向量p，令p((f(i)-f(1))/I+1)＝y′(i)，p中其余未赋值的元素值设为0，其中f(i)表示第i个导频所占据的子载波的序号，i＝1,2,…,N_p，f(i)∈[1,N]；

2）对频域信号向量p进行N/I点IFFT运算，变换到时域，并乘上幅度因子N/I，取运算结果的第个元素到第个元素构成L×1维向量q_k，其中，q_k表示第k个用户的时域信号向量，k＝1,2,…,K，L表示时域信道的多径长度；

3）对q_k进行相位变换，得到变换后的时域信号向量r_k，具体为：

rk=ΨkHqk]]>

其中：L×L维对角矩阵Ψ_k为：

Ψk=e-jθ(k-1)Np2·diag(1,e-j2πN[f(1)-1],···,e-j2πN[f(1)-1](L-1))]]>

Ψ_k表示第k个用户的相位变换矩阵，其中表示不同用户的导频序列之间的最小相位差，k＝1,2,…,K；

4）将所有K个用户的时域信号向量r_k拼接成为时域信号向量v₀，具体为：

v₀＝[(r₁)^T  (r₂)^T…(r_K)^T]^T

（2）当多基站协作系统能同时估计的最多用户信道数K_max和导频间隔I不都是2的幂函数时，具体步骤包括：

1）获取第k个用户的频域信号向量具体为：

p~k=ΦkHy′]]>

其中：k＝1,2,…,K，Φ_k表示第k个用户的循环移位矩阵，为N_p×N_p维对角矩阵，具体为：

Φk=diage-jθ(k-1)Np2e-jθ(k-1)(Np2+1)···e-jθ(k-1)(Np-1)1e-jθ(k-1)···e-jθ(k-1)(Np2-1)]]>

2）将N_p×1维频域信号向量进行补0，构造成为N/I×1维频域信号向量令中其余未赋值的元素值设为0，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,N_p；

3）对频域信号向量进行N/I点IFFT运算，变换到时域，并乘上幅度因子N/I，取运算结果向量的第1个元素到第L个元素构成L×1维向量其中，表示第k个用户的时域信号向量，k＝1,2,…,K；

4）对进行相位变换，得到变换后的时域信号向量具体为：

s~k=ΘHr~k]]>

其中：L×L维对角矩阵Θ为：

Θ=diag(1,e-j2πN[f(1)-1],···,e-j2πN[f(1)-1](L-1))]]>

Θ表示一个与导频插入方式相关的常数相位矩阵；

5）将所有K个用户的时域信号向量拼接成为时域信号向量v₀，具体为：

v0=(s~1)T(s~2)T···(s~K)TT]]>

步骤三：设定初始迭代计数变量m＝0，获取初始的时域信道向量

h^m=amρvm]]>

其中：a_m表示与级数展开有关的常系数；

am=(-1)m(P+1-m)(P+2-m)···(P+1)(m+1)!]]>

其中：P为级数展开阶数，ρ表示与级数展开相关的缩放因子，λ_max为矩阵(F_a^HF_a)的最大特征值，其中：

F_a＝[Φ₁F_p  Φ₂F_p…Φ_KF_p]

其中：F_a为N_P×KL维矩阵，由K个N_P×L维经相移后的抽取傅里叶变换矩阵拼接而成，F_p为N_p×L维的经过行和列抽取后的傅立叶变换矩阵，具体为：

步骤四：获取经m+1次迭代后的时域信号向量v_m+1，采用FFT快速算法，具体为：

（1）当多基站协作系统能同时估计的最多用户信道数K_max和导频间隔I都是2的幂函数时，具体步骤包括：

1）将时域信号向量v_m表示为：

v_m＝[(t₁)^T  (t₂)^T…(t_K)^T]^T

其中t_k为L×1维向量，表示第k个用户的时域信号向量，k＝1,2,…,K；对t_k进行相位变换，得到变换后的时域信号向量u_k，k＝1,2,…,K：

u_k＝Ψ_kt_k

2）将时域信号向量u_k进行补0，构造成为维时域信号向量w_k，令w_k(l)＝u_k(l)，l＝1,2,…,L,w_k中其余未赋值的元素值设为0，k＝1,2,…,K；

3）将所有K个用户的时域信号向量w_k拼接起来，并进行补0，构造成为维时域信号向量x，以满足FFT运算的维数要求；构造方法如下：

x＝[(w₁)^T  (w₂)^T…(w_K)^T  0^T]^T

其中：0为(N/I-KN/I·K_max)×1维零向量；

4）对时域信号向量x进行N/I点FFT运算变换到频域，分别取运算结果中的第((f(i)-f(1))/I+1)个元素，i＝1,2,…,N_p，构成N_p×1维向量z，表示经过迭代计算后的导频点上的频域信号向量；

5）重复步骤二中的（1），用z替换输入向量y′，z′替换输出向量v₀，得到z′，表示经过迭代运算后的时域信号向量；

6）获取经m+1次迭代后的时域信号向量v_m+1，具体为：

vm+1=z′+σn2R-1vm]]>

其中：为接收机的噪声方差，R为KL×KL维对角矩阵，表示简化的信道相关矩阵，通过以下公式得到：

R＝diag(α₁I_L×L,α₂I_L×L,…,α_KI_L×L)

其中α_k，k＝1,2,…,K表示第k个用户信道的大尺度衰减因子，I_L×L表示L×L维单位矩阵；

（2）当多基站协作系统能同时估计的最多用户信道数K_max和导频间隔I不都是2的幂函数时，具体步骤包括：

1）将时域信号向量v_m表示为：

v_m＝[(t₁)^T  (t₂)^T…(t_K)^T]^T

其中t_k为L×1维向量，表示第k个用户的时域信号向量，k＝1,2,…,K；对t_k进行相位变换，得到变换后的时域信号向量k＝1,2,…,K：

u~k=Θtk]]>

2）将时域信号向量进行补0，构造成为维时域信号向量令l＝1,2,…,L,中其余未赋值的元素值设为0，k＝1,2,…,K；

3）对时域信号向量进行N/I点FFT运算变换到频域，分别取运算结果向量中的第((f(i)-f(1))/I+1)个元素，i＝1,2,…,N_p，构成N_p×1维向量表示经过迭代计算后第k个用户在导频点上的频域信号，k＝1,2,…,K；

4）对所有K个用户的频域信号进行合并，得到合并后的频域信号向量具体为：

z~=Σk=1KΦkx~k;]]>

5）重复步骤二中的（2），用替换输入向量y′，替换输出向量v₀，得到表示经过迭代运算后的时域信号向量；

6）获取经m+1次迭代后的时域信号向量v_m+1，具体为：

vm+1=z~′+σn2R-1vm]]>

步骤五：获取经m+1次迭代后的时域信道向量具体为：

h^m+1=h^m+am+1ρm+2vm+1]]>

步骤六：更新循环计数变量m，令m＝m+1，对更新后的m进行判断，如果m＜P，即未完成P次迭代，那么转到步骤四；否则，完成P次迭代，将步骤五中的输出结果的脚标用P替换，变为表示经P次迭代后的时域信道向量，结束迭代过程，转到步骤七；

步骤七：将KL×1维时域信道向量表示为：

h^m=(h^m,1)T(h^m,2)T···(h^m,K)TT]]>

其中：L×1维子向量表示迭代完成后得到的第k个用户的时域信道，k＝1,2,…,K；

步骤八：将所有K个用户的L×1维时域信道向量末尾分别补上(N-L)个0元素，构成N×1维向量；对每个向量进行N点的FFT运算，变换到频域，得到K个用户的频域信道，基站完成K个用户的信道估计。