面向復(fù)雜電磁環(huán)境的多天線信道估計技術(shù)

胡 蘇 郭惠婷 武 剛

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面向復(fù)雜電磁環(huán)境的多天線信道估計技術(shù)

胡 蘇*①②郭惠婷①武 剛①

①(電子科技大學(xué)通信抗干擾國家級重點實驗室 成都 610054)②(信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 西安 710071)

對于基于認(rèn)知無線電架構(gòu)的多天線信道估計技術(shù)，由于傳統(tǒng)零相關(guān)序列是在全部頻譜可用前提下設(shè)計的，在復(fù)雜電磁環(huán)境的頻譜限制下，傳統(tǒng)零相關(guān)序列部分頻域元素發(fā)生變化，且不再滿足原始序列的周期相關(guān)特性，因此不能直接應(yīng)用于復(fù)雜電磁環(huán)境的多天線信道估計。該文介紹了多天線通信系統(tǒng)的信道估計算法并指出對理想序列的要求，然后針對復(fù)雜電磁環(huán)境，即在存在頻譜空穴的條件下，聯(lián)合優(yōu)化頻譜受限和良好周期相關(guān)程度兩大評價指標(biāo)，設(shè)計出適用的序列集合，作為訓(xùn)練序列應(yīng)用到認(rèn)知無線電系統(tǒng)的信道估計算法中，仿真結(jié)果驗證了新序列集合的有效性。

多天線信道估計；復(fù)雜電磁環(huán)境；頻譜受限；序列設(shè)計

1 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境泛指由密集、重疊、無序的電磁波構(gòu)成的電磁環(huán)境，在軍事領(lǐng)域特指作戰(zhàn)時空內(nèi)，人為電磁發(fā)射和多種電磁現(xiàn)象的總合。在信息化戰(zhàn)場上，各作戰(zhàn)要素效能的發(fā)揮直接依賴于相互之間的通信與協(xié)同能力，隨著戰(zhàn)場上智能化、信息化裝備的逐漸增多，戰(zhàn)場的電磁環(huán)境愈加惡劣，來自陸海空天不同作戰(zhàn)平臺上的電磁輻射在空間上互相交織、時間上持續(xù)不斷、頻域上密集重疊、效能上隨機(jī)多變[1]，如何應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境，降低各種電磁干擾對通信的影響，已成為研究的重點方向。認(rèn)知無線電技術(shù)能有效解決上述問題，通過感知周圍電磁環(huán)境，找到空閑頻段，實時調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)以適應(yīng)頻譜變化，主動規(guī)避干擾，從而實現(xiàn)可靠通信[2]。由于用戶與基站之間的相對運動和無線信號傳播過程中的散射、衍射、反射[1]，信道呈現(xiàn)出時變衰落特性，接收端通常需要獲得信道狀態(tài)信息才能進(jìn)行相干解調(diào)，信道估計已成為無線通信的必要任務(wù)之一，也是決定認(rèn)知無線電能否實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

對于面向復(fù)雜電磁環(huán)境的多天線移動通信系統(tǒng)，信道估計尤為重要，信道估計方案以及訓(xùn)練序列的相關(guān)性質(zhì)對多天線系統(tǒng)的信道估計性能及復(fù)雜度起著決定性作用[3]。然而，對于復(fù)雜電磁環(huán)境下，傳統(tǒng)零相關(guān)(Zero Correlation Zone, ZCZ)序列并不能直接應(yīng)用，這是因為對于每個ZCZ序列，其設(shè)計是基于所有頻譜可用的前提下的，在動態(tài)頻譜約束條件下，頻域?qū)?yīng)的序列元素發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)序列集合將轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌男蛄屑希辉贊M足原始序列的相關(guān)特性[4]。其他具有良好相關(guān)性質(zhì)的傳統(tǒng)序列也是如此。

本文首先介紹了多天線通信系統(tǒng)的信道估計算法，然后針對復(fù)雜電磁環(huán)境，即存在頻譜空穴的條件下，將復(fù)雜電磁環(huán)境中頻譜資源受限和序列良好周期相關(guān)特性作為評價指標(biāo)，利用最優(yōu)化理論從源頭上進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，設(shè)計出適用于頻譜受限且周期互相關(guān)性能良好的序列集合，作為訓(xùn)練序列應(yīng)用到認(rèn)知無線電系統(tǒng)的信道估計算法中。仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)ZCZ序列，通過頻譜資源受限和序列相關(guān)特性聯(lián)合優(yōu)化的序列集合能夠有效地應(yīng)用于認(rèn)知無線電多天線系統(tǒng)的信道估計。

2 多天線系統(tǒng)的信道估計算法

定義：

(2)

(4)

則式(4)可改寫為

(6)

上述算法能夠準(zhǔn)確估計出所有信道的系數(shù)，但對采用的訓(xùn)練序列相關(guān)性能要求很高，通常采用ZCZ序列，當(dāng)零相關(guān)區(qū)域時即可滿足要求。但是在頻譜受限的情況下，ZCZ序列不再滿足正交特性，設(shè)頻譜能效序列為(由0和1構(gòu)成，空閑頻點設(shè)為1，占用頻譜設(shè)為0)，原ZCZ序列為，則限制條件下的ZCZ序列可寫成

3 頻譜限制下的良好周期相關(guān)序列集合設(shè)計

在許多實際場景中(如脈沖壓縮雷達(dá)和無線通信環(huán)境)，要求產(chǎn)生周期相關(guān)程度滿足脈沖特性的序列，認(rèn)知無線電系統(tǒng)則提出更高的要求，序列集合不但要具備良好周期相關(guān)程度，還要滿足捷變要求，即能夠隨著復(fù)雜電磁環(huán)境的變化而變化，在頻段被主用戶(Primary User, PU)占用時設(shè)置為0，頻段空閑時設(shè)置為1，可由次級用戶(Second User, SU)使用以提高頻譜利用率，如圖1所示。文獻(xiàn)[10,11]給出了頻譜限制下具有良好非周期相關(guān)性能的序列設(shè)計算法，在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，從而實現(xiàn)能夠同時優(yōu)化周期相關(guān)性能和滿足頻譜限制的理想序列。

圖1 頻譜限制示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，首先給出ISL的頻域表達(dá)式為

(9)

令

(11)

則ISL最小化問題可改寫為

(13)

上述問題即為帶有條件約束的最小化問題，采用最小優(yōu)化算法并引入拉格朗日系數(shù)，可將問題轉(zhuǎn)化為

(15)

(17)

(19)

綜上所述，要解決最小化問題，可采用迭代算法步驟如下：

(4)判斷生成序列是否滿足預(yù)設(shè)的迭代停止條件,為預(yù)定門限值如。若滿足則算法結(jié)束，即為設(shè)計出的新序列；否則令，重復(fù)步驟(2)和步驟(3)。

上述算法能夠生成一個聯(lián)合優(yōu)化周期相關(guān)函數(shù)和頻譜限制的序列，但在多天線場景下，需要生成互相關(guān)性能良好的序列集合，因此對新序列進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)造相應(yīng)的序列集合。基于該序列的理想周期自相關(guān)特性，可通過周期循環(huán)移位來構(gòu)造相應(yīng)周期序列集：設(shè)操作定義為對序列進(jìn)行位右圓周移位操作，則滿足條件的序列集合為，式中表示序列集合包含的序列數(shù)，對應(yīng)于多天線通信系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)，為周期移位位數(shù)，能夠保證序列互相關(guān)函數(shù)在足夠小，作為信道估計算法的訓(xùn)練序列必須滿足(為信道抽頭數(shù)目)。

4 仿真結(jié)果與分析

全部頻譜可用時，ZCZ序列集合在零相關(guān)區(qū)內(nèi)彼此正交，完全滿足算法需求，圖2為全部頻譜可用時新序列集合的周期互相關(guān)程度，雖然新序列在對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的互相關(guān)值達(dá)不到0，但互相關(guān)值足夠小，可以忽略不計，因此在頻譜不受限時能夠取得很好的性能。在頻譜空洞條件下，傳統(tǒng)ZCZ序列無法滿足正交特性，考慮單個PU的通信環(huán)境，即頻譜能效序列，圖3為新序列的頻譜圖，由圖3可知新序列滿足頻譜空洞的約束。

圖4(a)和圖4(b)分別為該頻譜限制條件下，ZCZ序列與新序列的周期互相關(guān)程度圖。由上述給出的信道估計算法可知，該算法只要求序列集合在范圍內(nèi)的周期互相關(guān)函數(shù)足夠小即可，由圖4可得，新序列的相關(guān)程度明顯優(yōu)于頻譜限制下的ZCZ序列。

圖4 頻譜限制下ZCZ序列與新序列的周期互相關(guān)程度

變換域通信系統(tǒng)(Transform Domain Communication System, TDCS)作為頻譜受限的典型通信系統(tǒng)[5,16]，將上述設(shè)計的新序列和信道估計算法應(yīng)用到MIMO-TDCS系統(tǒng)中，仿真參數(shù)同上，圖5和圖6分別對比了單個PU下，新序列和頻譜受限ZCZ序列作為訓(xùn)練序列的MSE和BER性能。結(jié)合圖4可知，基于頻譜限制設(shè)計的新序列具有較好的周期互相關(guān)程度，因此信道估計性能優(yōu)于傳統(tǒng)ZCZ序列；理想信道指已知所有信道信息的情況，不需要做信道估計，因此其誤碼率性能最好；在處，新序列的性能相對ZCZ序列性能獲取2 dB性能增益。

圖5 單個PU時兩種序列的信道估計MSE與SNR的關(guān)系???????? 圖6 單個PU時MIMO-TDCS系統(tǒng)BER與SNR的關(guān)系

在實際電磁環(huán)境下，頻譜更加復(fù)雜多變，授權(quán)用戶占用的頻譜通常會隨著時間、地理位置的變化而出現(xiàn)在任意頻點位置，因此可用頻點呈現(xiàn)出離散化趨勢。在此考慮復(fù)雜電磁環(huán)境情況，即頻譜出現(xiàn)多個挖孔，令，圖7為約束下的新序列頻譜圖，新序列的頻域特性與的分布一致。圖8和圖9分別為復(fù)雜電磁環(huán)境下的信道估計MSE和系統(tǒng)BER曲線。對比單個PU環(huán)境下，新序列能夠保持較好的性能，而傳統(tǒng)ZCZ序列的MSE和BER曲線大幅下降。

圖7 復(fù)雜電磁環(huán)境下新序列圖的頻譜圖

圖8 復(fù)雜電磁環(huán)境下兩種序列的信道估計MSE與SNR的關(guān)系???????? 圖9 復(fù)雜電磁環(huán)境下MIMO-TDCS系統(tǒng)BER與SNR的關(guān)系

分析仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：(1)在全部頻譜可用時，ZCZ序列存在零相關(guān)區(qū)且該區(qū)域內(nèi)序列完全正交，新序列雖然不正交，但周期互相關(guān)值足夠小，為-47 dB左右，其影響可忽略不計，因此兩種序列的信道估計性能基本一致；(2)在頻譜限制的情況下，ZCZ序列的相關(guān)性能大幅下降，新序列仍保持良好的周期相關(guān)性能；(3)新序列應(yīng)用在信道估計上獲得較好的MSE性能，提高了信號檢測結(jié)果，降低了BER；(4)隨著電磁環(huán)境的復(fù)雜化，可用頻點逐漸離散分布，新序列作為訓(xùn)練序列實現(xiàn)信道估計時系統(tǒng)誤碼率能夠滿足實際需求，而傳統(tǒng)ZCZ序列誤碼率性能隨著電磁環(huán)境的復(fù)雜化而大幅度下降，由此驗證新序列的有效性。

則序列集合各個參數(shù)需滿足不等式：

(23)

5 結(jié)束語

隨著周圍電磁環(huán)境的復(fù)雜化，對于認(rèn)知無線電架構(gòu)下的多天線通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)ZCZ序列并不能直接應(yīng)用，因此需要設(shè)計新序列以滿足實際需求。本文首先介紹了多天線通信系統(tǒng)的信道估計算法，指出該算法是基于理想相關(guān)序列集合實現(xiàn)的，說明了在頻譜受限條件下設(shè)計理想序列集合的必要性。然后針對頻譜受限的多天線通信系統(tǒng)，聯(lián)合優(yōu)化頻譜受限和良好周期相關(guān)程度兩大指標(biāo)，設(shè)計出適用于頻譜受限且周期互相關(guān)性能良好的序列集合，作為訓(xùn)練序列應(yīng)用到信道估計算法中。通過計算機(jī)仿真搭建MIMO-TDCS系統(tǒng)，驗證了新序列性能優(yōu)于傳統(tǒng)ZCZ序列，獲得較好的MSE性能，降低了系統(tǒng)誤碼率。

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Multiple Antenna Channel Estimation Technology in Complex Electromagnetic Environment

HU Su①②GUO Huiting①WU Gang①

①(National Communication Laboratory, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)②(Information Perception Technology Collaborative Innovation Center, Xi’an 710071, China)

For channel estimation technology of multiple antenna communication system based on cognitive radio architecture, traditional zero correlation zone sequences (which assume the availability of the entire spectral band) can not be used because their orthogonality will be destroyed by the spectrum hole constraint. This paper introduces the channel estimation algorithm in multiple antenna communication system and points out the requirement of the ideal sequence set, then on complex electromagnetic environment, i.e., under the condition of the existence of spectrum holes, joints optimization evaluation indexes of limited spectrum and good cycle correlation degree, designs a suitable sequence set, which can be applied to the channel estimation algorithm of cognitive radio system. The simulation results verify the effectiveness of the new sequence set.

Multiple antenna channel estimation; Complex electromagnetic environment; Limited spectrum; Sequence design

TN92

A

1009-5896(2016)09-2221-06

10.11999/JEIT151316

2015-11-25；

2016-04-18；

2016-06-16

國家863計劃(2015AA8098083C)，國家自然科學(xué)基金(61471100, 61101090)，中央高校基金(ZYGX2015J012)

The National 863 Program of China (2015AA8098083C), The National Natural Science Foundation of China (61471100, 61101090), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (ZYGX2015J012)

胡蘇 husu@uestc.edu.cn

胡 蘇： 男，1983年生，副教授，研究方向為多載波通信、認(rèn)知無線電、LTE.

郭惠婷： 女，1991年生，碩士生，研究方向為信道估計、序列設(shè)計.

武 剛： 男，1975年生，教授，研究方向多天線技術(shù)、綠色通信.