5G多載波通信中信道估計干擾抑制均衡算法

孫立科，魏 康

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

5G多載波通信是新一代綠色科技，適用范圍廣，具有速率高、延時低且可靠性高等優點[1]。與第四代移動通信技術相比，5G多載波通信應用了大規模MIMO的無線傳輸技術，在提升速率與效率的同時也面臨著巨大的挑戰。由于MIMO的規模大，實際應用起來復雜度往往十分高，也就導致了信道估計的計算量十分巨大[2]。信道估計對5G多載波通信整體性能而言是十分重要的，直接影響到接收端信號的準確性。信道估計干擾有多種類型，常見的包括同頻干擾、鄰道干擾、互調干擾。干擾產生的原因一般是5G多載波通信電波在傳輸過程中受到外界因素影響，包括建筑物、地形等對電波的反射、散射，樹葉對信號的吸收等，導致接收端接收的電波產生偏差，進而出現信號失真等干擾現象[3]。傳統算法在5G多載波通信信道估計中存在均衡性能較差的問題，其信道估計結果誤碼元數與誤碼率偏高，針對這一問題本文提出了5G多載波通信中信道估計干擾抑制均衡算法。

1 信道估計干擾抑制均衡算法

1.1 干擾項過采樣

5G多載波通信的接收端在接收信號后，會先對信號進行預處理，這種預處理會受到其他發射端的信號影響，這種干擾項一般為相鄰但不同時隙的信號[4]，所以首先對5G多載波通信信道估計的接收端干擾項進行G倍過采樣。輸出干擾項采樣值為yj1(i)，yj2(i)，…，yjG(i)，采樣周期為Tsa=Ts/G。對任意一路干擾項yjg(i)有

式中，g表示第g倍過采樣，g=1,2,…,G；hm,j(l)表示第m根到第j根天線的干擾項沖激響應；hgm,j(1)，hgm,j(2)，…，hgm,j(P)表示采樣后的信道值；P表示信道多徑數。每對發射與接收天線之間均存在G組信道，接收天線上的干擾項經過采樣后與輸出天線上的干擾項有著一定的關聯性。

為得到輸入接收信號，需將信號yjg(i)進行反向變換處理從而獲取頻域信號yjg(i)，以矩陣的方式來描述G組接收數據符號：

1.2 引入預處理矩陣

在對5G多載波通信中信道估計干擾進行抑制時，還要考慮模損失的影響[5]，因此引入預處理矩陣VH。此時等效5G多載波通信信道可以表示為Heq=VHHW，對矩陣Heq、HeqH進行Cholesky分解可以得到：HeqHeqH=SSH，進一步得到信道容量：

式中，det(·)表示求矩陣的行列式；K表示第K個用戶；σ2表示方差；W表示同信道干擾。Heq=VHHW服從高斯分布，使信道容量CZF矩陣最大。

1.3 均衡信道干擾

5G多載波通信中信道估計干擾抑制均衡算法實現步驟如下。

一是根據1.1中提到的公式（1）同時結合公式（4），計算過采樣后的干擾項的干擾系數。

式中，Ag表示干擾系數；p表示發射端信號干擾；q表示接收端信號干擾；k表示連續時間變量；N表示波特間隔；e-jπqk/N表示第j個均衡器的復合沖激響應。

二是根據傳感器端的信道狀態傳回數據，使CZF最大，對接收的信號進行初步均衡與判決處理，根據OQAM原則對初步處理后的信號二次處理，進行取實部或取虛部選擇，獲得發送信號的預估值：

式中，a^m,n表示發送信號預估值；HD表示發射端信道與均衡器的合成信道向量；rm,n表示信道沖擊響應向量；Hm,n表示均衡器系數向量；R表示總干擾比；I表示碼間干擾。

三是根據計算所得干擾項的干擾系數，對比發送信號預估值，在接收信號中減掉干擾項，再次進行均衡處理，以實現5G多載波通信中信道估計干擾抑制均衡。

2 仿真實驗

為了驗證本文提出的算法均衡性能，將本文提出的算法記作算法1，將文獻[2]與文獻[3]中提出的傳統算法分別記作算法2、算法3，選取誤碼元數與誤碼率兩個指標對三種算法進行評價，誤碼元數與誤碼率越低，算法均衡性能越好。

2.1 誤碼元數仿真結果

分別使用三種算法進行仿真實驗，誤碼元數對比結果如表1所示。

表1 三種算法誤碼元數對比

由表1可知，三種算法的誤碼元數都隨著信噪比的增加而減小，其中，當信噪比為-8 dB時，算法1的誤碼元數為125，對比算法2與算法3，分別低了161、192；當信噪比為-6 dB時，算法1的誤碼元數為103，對比算法2與算法3，分別低了110、168；當信噪比為-4 dB時，算法1的誤碼元數為54，對比算法2與算法3，分別低了81、138；當信噪比為-2 dB時，算法1的誤碼元數為59，對比算法2與算法3，分別低了43、94；當信噪比為0 dB時，算法1的誤碼元數為48，對比算法2與算法3，分別低了50、76。

2.2 誤碼率仿真結果

分別使用三種算法進行仿真實驗，誤碼率對比結果如圖1所示。

由圖1可知，從總體上看三種算法的誤碼率都隨著信噪比的增加而減小。其中，在信噪比為-10 dB時，算法1的誤碼率約為45%，對比算法2與算法3，分別低了7%、11%；在信噪比為-8 dB時，算法1的誤碼率約為21%，對比算法2與算法3，分別低了24%、31%；在信噪比為-6 dB時，算法1的誤碼率約為18%，對比算法2與算法3，分別低了22%、27%；在信噪比為-4 dB時，算法1的誤碼率約為9%，對比算法2與算法3，分別低了18%、26%；在信噪比為-2 dB時，算法1的誤碼率約為10%，對比算法2與算法3，分別低了9%、12%；在信噪比為0 dB時，算法1的誤碼率約為5%，對比算法2與算法3，分別低了8%、16%。

3 結 論

本文提出的5G多載波通信中信道估計干擾抑制均衡算法，經過仿真實驗，結果顯示其誤碼元數與誤碼率低于傳統算法，表現出了良好的均衡性能，為5G多載波通信中信道估計提供了優化方案，對提高5G多載波通信質量有著十分積極的意義。今后將會對5G多載波通信領域進行更深層次的研究探索，以期在其他方面為5G多載波通信的發展做出更多貢獻。