基于聯(lián)合檢測(cè)的TD-SCDMA系統(tǒng)的頻偏估計(jì)算法

張　磊，馬社祥

（天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，天津 300191）

基于聯(lián)合檢測(cè)的TD-SCDMA系統(tǒng)的頻偏估計(jì)算法

張磊，馬社祥

（天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，天津 300191）

對(duì)于在已經(jīng)投入運(yùn)行的高鐵列車環(huán)境下，TD-SCDMA系統(tǒng)通過midamble碼進(jìn)行頻偏估計(jì)的方法已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確解調(diào)的問題，提出了一種TD-SCDMA系統(tǒng)的多普勒頻偏估計(jì)方法。該方法基于聯(lián)合檢測(cè)，在用訓(xùn)練序列進(jìn)行頻偏估計(jì)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上再利用聯(lián)合檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次頻偏估計(jì)。通過仿真對(duì)比，在相同信噪比的條件下，該算法比傳統(tǒng)的只利用訓(xùn)練序列進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償?shù)乃惴ㄓ懈偷恼`碼率。

多普勒頻偏；聯(lián)合檢測(cè)；頻偏估計(jì)

1　引言

根據(jù)ITU-R M.1225 和3GPP 的相關(guān)描述，對(duì)3GTDD 系統(tǒng)要求達(dá)到120km/h 的移動(dòng)速度。所以，TD-SCDMA系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)和算法也是以120km/h 為基本目標(biāo)，包括時(shí)隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及接收檢測(cè)算法。對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的磁懸浮及高速鐵路列車，運(yùn)行速度最高達(dá)到431km/h，最大多普勒頻移超過800Hz，傳統(tǒng)TD-SCDMA系統(tǒng)通過midamble碼進(jìn)行信道估計(jì)的方法（Fitz估計(jì)算法、L&R估計(jì)算法、差分估計(jì)算法）已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確解調(diào)，從而業(yè)務(wù)質(zhì)量無法保證。

目前對(duì)該課題的研究主要是在建立單用戶的高斯信道模型下，利用訓(xùn)練序列根據(jù)各種準(zhǔn)則進(jìn)行頻偏估計(jì)。經(jīng)典的算法有Fitz估計(jì)算法、L&R估計(jì)算法、差分估計(jì)算法等。但都沒有結(jié)合TD-SCDMA系統(tǒng)采用的聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，也沒有利用與訓(xùn)練序列一起發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)中包含的有關(guān)多普勒頻偏的信息量。

本文立足于TD-SCDMA系統(tǒng)，建立基于多用戶聯(lián)合檢測(cè)的傳輸模型。首先通過midamble碼進(jìn)行信道估計(jì)來估計(jì)頻偏，得到初步頻偏值；然后利用此初步頻偏值對(duì)聯(lián)合檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校正，得到初步校正數(shù)據(jù)；再根據(jù)初步校正數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)符號(hào)頻偏估計(jì)方法計(jì)算頻偏值，得到二次頻偏值。

2　TD-SCDMA系統(tǒng)信號(hào)模型

我們采用基于多用戶聯(lián)合檢測(cè)的信道模型。如圖1所示，各個(gè)用戶的數(shù)據(jù)調(diào)制、擴(kuò)頻后，經(jīng)過高斯信道，再通過多用戶聯(lián)合檢測(cè)得到各自的數(shù)據(jù)。

圖1　TD-SCDMA系統(tǒng)模型

考慮有K個(gè)用戶的同步TD-SCDMA系統(tǒng)，那么，經(jīng)過AWGN信道后的基帶接收信號(hào)可以描述成：

式中，Ak，bk（t）∈｛±1｝，sk（t ）分別是第k個(gè)用戶接收信號(hào)的幅度，信息比特和具有單位功率的擴(kuò)頻碼，n（t）是一個(gè)具有單位功率譜密度的零均值復(fù)高斯白噪聲。

3　頻偏估計(jì)算法

在本文采用的算法中，基站需要采用兩次頻偏估計(jì)補(bǔ)償。首先利用接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)、得到信道響應(yīng)來估計(jì)頻偏，求出初步頻偏值；然后利用此初步頻偏值對(duì)聯(lián)合檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校正，得到初步校正數(shù)據(jù)；再根據(jù)初步校正數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)符號(hào)頻偏估計(jì)方法計(jì)算頻偏值，得到二次頻偏值。具體流程圖如圖2所示。

圖2　算法流程圖

3.1基于midamble碼的初始頻偏估計(jì)

根據(jù)上面提出的系統(tǒng)模型，得到信道響應(yīng)，將第k個(gè)用戶無線信道建模為一個(gè)最大窗口長度為 的復(fù)沖激響應(yīng)系統(tǒng)：

則 個(gè)信道響應(yīng)寫成列向量形式為：

設(shè)第k個(gè)用戶的midamble碼為：

midamble碼作為訓(xùn)練序列隨同數(shù)字信息一起發(fā)送，經(jīng)過無線信道，到達(dá)接收端，與midamble碼對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)表示為：

式中，*表示卷積運(yùn)算；n（k）為高斯白噪聲，可表示為：

式中，e（k）為Lm+W-1維的列向量，根據(jù)卷積定義，采用矩陣和向量重新表示為：

式中，

因?yàn)閙idamble碼在兩個(gè)數(shù)據(jù)端中間，給定信道響應(yīng)長度W后，這會(huì)導(dǎo)致接收端的midamble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)受到第二個(gè)接受數(shù)據(jù)段的影響。這里，我們只將接收序列W～Lm-1中第 段的信息用于信道估計(jì)。重新建立以下矩陣：

接收端天線接收到的數(shù)據(jù)（1）式可寫為：

建立以下矩陣：

可見，G為（Lm-W）×KW 階矩陣。則接收端天線收到的數(shù)據(jù)為：

e=Gh+n（15）

若忽略噪聲n的影響，則信道沖激響應(yīng)為：

h=G-1e（16）

利用Kay算法來估計(jì)頻偏得：

式中，γk是一個(gè)窗函數(shù)，對(duì)稱點(diǎn)為k=N/2。

3.2基于數(shù)據(jù)域符號(hào)的二次頻偏估計(jì)

在第一次頻偏估計(jì)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，再利用聯(lián)合檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次頻偏估計(jì)。設(shè)一個(gè)突發(fā)內(nèi)，同時(shí)傳送K個(gè)用戶數(shù)據(jù)。設(shè)第k個(gè)用戶發(fā)送的經(jīng)過調(diào)制的數(shù)據(jù)用向量d（k）表示：

向量c（k）為用戶k 的復(fù)擴(kuò)頻碼序列，表示為：

設(shè)塊對(duì)角擴(kuò)頻矩陣為：

則接收端天線輸出數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列可表示為：

建立如下矩陣：

則根據(jù)迫零算法，接收端的輸出信號(hào)為：

利用初始頻偏估計(jì)值對(duì)聯(lián)合檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)d? 進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，得到初步校正數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行解碼，然后進(jìn)行解碼后原始數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確，利用?進(jìn)行第二次頻偏估計(jì)，利用Kay算法來估計(jì)頻偏得：

式中， kγ是一個(gè)窗函數(shù)，對(duì)稱點(diǎn)為k = N / 2。

4　仿真結(jié)果

我們使用改進(jìn)的COST259信道的RA信道模型來進(jìn)行分析和仿真。下面給出了不同速度下用戶在不做頻偏估計(jì)、傳統(tǒng)的利用訓(xùn)練序列進(jìn)行頻偏估計(jì)和本文采用的利用聯(lián)合檢測(cè)進(jìn)行兩次頻偏估計(jì)算法情況下的性能比較。

圖3　120km/h時(shí)的性能曲線

圖4　300km/h時(shí)的性能曲線

圖5　500km/h時(shí)的性能曲線

通過仿真比較，當(dāng)終端移動(dòng)速度為120km/h時(shí)，不做多普勒頻偏估計(jì)補(bǔ)償也能正確接收解調(diào)數(shù)據(jù)，這與ITU要求TDD系統(tǒng)達(dá)到120km/h的移動(dòng)速度相符合（圖3）；當(dāng)終端移動(dòng)速度增加到300km/h時(shí)，不做頻偏估計(jì)補(bǔ)償不能正確解調(diào)數(shù)據(jù)（圖4）；當(dāng)終端移動(dòng)速度再增加到500km/h時(shí)，只有利用數(shù)據(jù)域進(jìn)行兩次頻偏估計(jì)補(bǔ)償才能正確解調(diào)數(shù)據(jù)（圖5）。同時(shí)我們也可以看出，移動(dòng)終端在任何速度下，本算法利用聯(lián)合檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次頻偏估計(jì)比傳統(tǒng)頻偏估計(jì)算法有更高的估計(jì)精度。

5　結(jié)束語

本文中，我們提出了一種基于聯(lián)合檢測(cè)的TDSCDMA系統(tǒng)的多普勒頻偏估計(jì)算法。與其他已有的多普勒頻偏估計(jì)算法相比較，它結(jié)合聯(lián)合檢測(cè)帶來的接收信號(hào)精度提高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用了和訓(xùn)練序列一起發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)中包含的有關(guān)多普勒頻偏的信息量。該算法在利用訓(xùn)練序列進(jìn)行頻偏估計(jì)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上再利用聯(lián)合檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次頻偏估計(jì)。仿真表明該算法與傳統(tǒng)算法相比有更高的頻偏估計(jì)精度。

［1］Fitz.Further results in the fast estimation of a single frequency ［J］.IEEE Trans. Commun.， 1994， 42（3）：862-864

［2］M. Luise and R. Reggiannini.Carried frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions ［J］.IEEE Trans. Commun.， 1995，43（2）：1169-1178

［3］Kay S.A Fast and Accurate Single Frequency Estimator ［J］.IEEE Transactions on Acoustics Speech and Signal Processing，1989 37（2）：1987-1990

［4］李小文，李貴勇等.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn)［M］.北京：人民郵電出版社，2003

［5］康桂華.無線MIMO信道的模型、容量、估計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法研究［D］.浙江大學(xué)，2004年

［6］竇中兆，雷湘.CDMA無線通信原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003

［7］胡建凱.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù)的研究［D］.西安電子科技大學(xué)，2002年

［8］張高峰，何方白.基于MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)方法［A］.現(xiàn)代通信理論與信號(hào)處理進(jìn)展——2003年通信理論與信號(hào)處理年會(huì)論文集［C］，2003年

［9］常亮.TD-SCDMA系統(tǒng)聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)［D］.電子科技大學(xué)，2007年

［10］韋崗等，通信系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007

Frequency Estimation based on Joint Detection of TD-SCDMA System
Zhang Lei， Ma Shexiang

（School of Computer and Communications Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin 300191， China）

Already been put into operation for high-speed rail train environment， TD-SCDMA system， through the midamble codes shift estimation approach has been unable to achieve the correct signal demodulation problem. This paper proposes a method based on combination of detection using data fields of td-scdma system of doppler frequency shift estimation method， using the training in frequency estimation sequences of compensation based on joint detection test data for secondary frequency estimation compensation. Through simulation， in the same SNR conditions， this algorithm has low probable of error than the traditional algorithm using the training sequences to estimate.

Doppler frequency shift； joint detection； frequency shift estimation

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.03.004

TN929.5

A

1672-7274（2015）03-0019-04