[發明專利]基于多模型加權軟切換的信道自適應估計方法

有效

• 申請號: 201310529529.8
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103560984B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 楊睿哲;宗亮;張琳;張延華;孫恩昌
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04W72/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 張慧

1.一種基于多模型加權軟切換的信道自適應估計方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1，建立信道系統模型；

采用時頻雙選信道；用h(t；τ)表示(t-τ)時刻的發送符號對t時刻接收符號產生的影響系數，τ為時延，假設發送序列和接受序列的抽樣間隔均為T_s，用替代τ；數據塊傳輸系統的發送符號為u(i)，在u(i)中取N個連續符號構成第k個數據塊u_k，1≤N≤200，k≥1；

假設信道為瑞利信道，信道的路徑最大時延及最大多普勒頻移為τ_max和f_max，滿足2τ_maxf_max＜1，且其信道狀態在一個傳輸數據塊的范圍上是緩慢變化的；則數據塊u_k上的信道h_k(n；l)用基擴展模型表示如下：

hk(n;l)=Σq=0QCk,q(l)fq(n),l∈[0,L]0,others---(1)]]>

式中，為基函數，1≤n≤N，ω_q＝π(q-(Q+1)/2)/N，1≤q≤Q,為基系數的個數；C_k,q(l)為基擴展模型的系數，1≤l≤L，

將一個數據塊u(i)作為估計單位，采用信道基模型的(Q+1)×(L+1)個C_k,q(l)表示N×(L+1)個未知量h_k(n；l)，使信道模型和估計參數得到簡化；依據瑞利信道特性可知，C_k,q(l)是均值為零，方差為的復高斯隨機變量；

步驟2，采用導頻符號輔助的信道估計方法估計信道響應；

步驟2.1，建立發送、接收信號模型；

發送端發送序列u_k包括兩部分，即信息符號s_g和導頻符號p_g；在一個數據塊中均勻插入G個導頻符號p_g，數據塊u_k表示為：

uk=[p1T,s1T,p2T,s2T,...,pGT,sGT]T---(2)]]>

式中，ZP(zero padding)導頻序列形式為共包括N_s個信息符號和N_p個導頻序列符號，N＝N_s+N_p；

發送符號u(i)經過多徑信道h(i；l)后接收到的符號y(i)表示為：

y(i)=Σl=0Lh(i;l)u(i-l)+w(i)---(3)]]>

式中，w(i)表示均值為零、方差為的加性高斯白噪聲；

步驟2.2，獲得導頻信息；

基于基擴展模型、對應于發送數據塊u_k的接收數據塊y_k表示為：

yk=Hkuk+wkHk=Σq=0QFqCk,q---(4)]]>

式中，為零均值、方差的加性高斯白噪聲向量，H_k為下三角矩陣且滿足[H_k]_n,m＝h_k(n；n-m)，n≥m，C_k,q是第一列為[C_k,q(0),C_k,q(1),...,C_k,q(L),0,…0]^T的Toeplitz矩陣，F_q＝diag[f_q(1),f_q(2),…,f_q(N)]是一對角陣；

接收數據塊y_k中有一類為僅受導頻序列影響的其表達式為：

ykp=Hkpp+wkpp=[p1T,...,pgT,...,pGT]T---(5)]]>

式中，和分別為H_k和w_k中的對應于導頻p的子矩陣；式中包括(Q+1)×(L+1)個未知參數C_k,q(l)，對應每一個p_g在接收端只能獲得(L+1)個僅受到導頻影響的符號，因此需在一個數據塊中插入至少(Q+1)個導頻序列來獲得C_k,q(l)，即G≥Q+1；結合(5)式和Toeplitz矩陣與向量相互轉換原理得：

ykp=ΦpCk+wkp---(6)]]>

式中，Φ^p為導頻信息轉化矩陣，其表達式為：

式中，為F_q中對應于導頻序列p_g的子矩陣，其表達式為：

Fq,gp=diag[fq(gNG),...,fq((g+1)NG-1)]---(8)]]>

P_g是由導頻序列p_g中的導頻符號p_g,l構造的(L+1)×(L+1)型Toeplitz矩陣，l＝1,…,L+1，由于p_g結構相同，此處忽略下標g，即P₁＝P,…,P_G＝P，則[P]_n,m＝p_L-m+n；

步驟2.3，計算信道響應；

信道響應矩陣C_k為：

Ck=[Ck,0T,...,Ck,qT,...,Ck,QT]TCk,q=[Ck,q(0),...Ck,q(L)]T---(9)]]>

步驟3，建立信道估計多模型；

基于信道模型和估計方法的分析，與多模型控制理論中模型和控制器的結構不同，將信道模型和估計方法作為一個信道估計模型，通過建立多個信道估計模型的多模型庫來覆蓋復雜、變化的信道環境；

步驟4，進行信道估計多模型加權軟切換；

多模型控制中，由于硬切換策略通常要求每個模型均具有相同的結構，不符合模型集構成，所以采用軟切換策略；采用一種線性誤差最小方差的加權多模型自適應估計方法來完成切換，能夠有效達到在線切換的性能提升；

所述步驟3建立信道估計多模型的方法如下：

(1)建立信道模型集組合；

信道估計模型庫為M＝(B,E)，其中，B為信道模型集，其表達式為：

B＝{b_j,j＝1,2|P-BEM,CE-BEM-AR}(10)

另，E＝{e₁＝LS,e₂＝Kalman}，是估計方法集，兩模型M₁和M₂的模型庫為：

M＝{M₁(b₁,e₁),M₂(b₂,e₂)}(11)

(2)計算模型M₁的信道響應；

模型M₁基于擴展的LS估計算法及導頻點接受發送信號和最小二乘法得到與擴展基相對應的系數的LS估計值為：

C^kLS=((Φp)HΦp)-1(Φp)Hykp---(12)]]>

則信道響應的估計值為：

h^k,l,1=F1C^k,l,1,[h^k,l,1]n=h^k,1(n;l),[F1]n,q=fq,1(n),[C^k,l,1]q=C^k,qLS(l)---(13)]]>

與的關系同(9)式；

(3)計算模型M₂的信道響應；

基于基擴展模型和發送接收信號，可構造Kalman濾波的狀態方程和觀測方程：

Ck=AkCk-1+vkykP=ΦPCk+wkP---(14)]]>

其中，A_k，v_k為已知的多普勒估計值f_d獲得的狀態轉移矩陣和狀態轉移噪聲SNR；由此得到kalman估計過程為：

Pk=AkPk-1AkH+vk,Gk=ΦkPPk(ΦkP)H+wkp,ek=ykP-ΦkPAkC^k-1Kal,C^kKal=AkC^k-1Kal+Pk(ΦkP)HCk-1ek,---(15)]]>

式中，為Kalman信道估計值，的初始值為零矩陣，e_k為測量誤差，P_k為估計誤差的協方差矩陣，則：

h^k,l,2=F2C^k,l,2,[h^k,l,2]n=h^k,2(n,l),[F2]n,q=fq,2(n),[C^k,l,2]q=C^k,qkal(l)---(16)]]>

與的關系同(9)式；

所述步驟4進行信道估計多模型加權軟切換的方法如下：

(1)計算線性誤差最小方差；

假設模型為M_j，j＝1,2,其估計輸出、估計誤差和估計誤差的方差分別為：v_k,l,j和則估計輸出和誤差的關系為：

h~k,l=Zhk,l+v~k,l,h~k,l=[(h^k,l,1)T,...,(h^k,l,j)T]TZ=[I,...,I]T,v~k,l=[(vk,l,1)T,...,(vk,l,j)T]T---(17)]]>

其中，的協方差用表示；由于使用子模塊追蹤算法，切換的單位轉變為一個子塊,實際表示為前述對應各子模型估計信道中的第一個子模塊對應的信道系數；

(2)計算模型誤差；

結合多模型加權自適應控制理論，信道模型切換采用權值切換算法，使用估計誤差的方差計算權值：

h^k,lo=Wk,lh~k,lWk,l=(ZT(Δ~k,l2)-1Z)-1ZT(Δ~k,l2)-1---(18)]]>

估計誤差v_k,l,j由模型誤差和估計誤差兩部分構成；模型誤差使用的統計方差為：

EMj=(Iv-S)Rα0(Iv-S)---(19)]]>

其中，E_Mj為v_k,l,j其中的一部分，即模型誤差的計算值；S＝F^T(FF^T)^-1F，并且[F]_n,q＝f_q，j(n)。

(3)計算LS估計誤差及權值的估計誤差方差；

LS估計誤差的協方差來自于其噪聲方差的基礎上，由于：

h^kLS=((Φp)HΦp)-1(Φp)Hykp=hkLS+Φ+N0---(20)]]>

所以，得到：

ELS=||h^kLS-hkLS||2=Φ+N0N0H(Φ+)H---(21)]]>

其中，Φ⁺＝(Φ^HΦ)^-1Φ^H；

模型M₁用于計算權值的估計誤差方差為：

Δk,l,12=EM1+ELS---(22)]]>

式中，為模型M₁的總估計誤差，E_LS為模型M₁的估計誤差方差；

(4)計算kalman估計誤差及權值的估計誤差方差；

Kalman估計誤差協方差通過在線的后驗誤差協方差矩陣來計算：

E_kal＝BP_clB(23)

其中，[P_cl]_m',n'＝E{[e_cl,k]_q(l)[e_cl,k]_q'(l')}為基系數的后驗誤差協方差，[P_c]_m,n＝E{[e_c,k]_q(l)[e_c,k]_q'(l')},依據m'＝l(Q+1)+q+1，n'＝l'(Q+1)+q'+1和m＝q(L+1)+l+1，n＝q'(L+1)+l'+1的關系進行對應轉換；

模型M₂用于計算權值的估計誤差方差為：

Δk,l,22=EM2+Ekal---(24)]]>

式中，為模型M₂的總估計誤差，E_kal為模型M₂的估計誤差方差；

在切換過程中，為了便于計算，假設每一個h_k(n；l)的協方差相同；這樣就可以改進并且得到：

h^k,lo=Σj(ΣjΔ~k,l,j-2)-1Δ~k,l,j-2h~k,l,j---(25).]]> 4