Устройство оценки частотной характеристики беспроводного канала
DEVICE FOR ESTIMATION OF FREQUENCY RESPONSE CHARACTERISTIC OF WIRELESS CHANNEL

Область техники
Изобретение относится к широкополосным системам связи, в которых используется ортогональное частотное разделение со многими поднесущими (OFDM), а более конкретно, к методам оценки частотной характеристики каналов с многолучевым распространением по преамбуле.
Уровень техники
Для оценки канала в OFDM системах передатчик располагает на некоторых поднесущих пилотные символы. Эти символы и их расположение известны приемнику. Используя эту информацию, приемник выполняет оценку канала.
Методы оценки канала делятся на два класса по расположению пилотных символов. В первом случае излучается OFDM символ, не содержащий информационных символов, а только пилотные. Такое расположение пилотных символов называется блочным. Во втором случае большинство поднесущих задействовано для передачи информации, и только на некоторых передаются пилотные символы. Такое размещение пилотных символов называется комбинированным. (S. Coleri, М. Ergen, A. Puri, А. Bahai, Channel Estimation Techniques Based on Pilot Arrangement in OFDM Systems, IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 48, Issue 3).
Если система связи работает в условиях низкого отношения сигнал/шум (ОСШ), то в блочном размещении пилотных символов является целесообразным задействовать лишь каждую n-ю поднесущую, где n≥2. Это позволяет увеличить ОСШ на пилотных поднесущих. Далее по тексту, для краткости, преамбулы, где используют каждую n-ю поднесущую, где n≥2, называются разреженными.
Таким образом, в обоих способах размещения пилотных символов задача оценки канала по пилотным поднесущим разделяется на три задачи: выделение полезного сигнала из шума, оценка канала на пилотных поднесущих и интерполяция на поднесущие, не содержащие пилотных символов.
Различные методы оценки частотной характеристики канала приведены в обзоре M.K. Ozdemir, Н. Arslan, Channel Estimation For Wireless Ofdm Systems, IEEE Communication Surveys, Vol. 9, №2, 2007. Описан способ оценки методом наименьших квадратов (least squares, LS). Он прост в реализации, но имеет низкое качество оценки, сильно подвержен действию белого шума. Устройство, реализующее данный способ, может состоять из одного делителя или из одного устройства вращения фазы.
Известен способ оценки методом минимизации среднеквадратической ошибки (minimum mean square error, MMSE). Имеет высокое качество оценивания канала, может использоваться для одновременного решения всех трех вышеупомянутых задач. Недостаток метода заключается в том, что требуется знание статистик канала (ОСШ и ковариационной матрицы). При изменении статистики канала требуется выполнять обращение матрицы, что обуславливает высокую вычислительную сложность и практическую неприменимость метода.
Известно (K. E. Wazeer, М. Khairy, Н. Fahmy, S. Habib, FPGA Implementation of an Improved Channel Estimation Algorithm for Mobile WiMAX, 2009 International Conference on Microelectronics) устройство, которое использует предварительно вычисленные ковариационные матрицы для уменьшения сложности MMSE.
Прототипом предлагаемого устройства является патент US 7801230 B2, опубл. 21.09.2010. В известном решении раскрыто устройство, позволяющее решить проблему высокой вычислительной сложности MMSE. Предполагается, что на принимающей стороне выполнены процедуры удаления циклического префикса, аналого-цифрового преобразования, фильтрации, переноса на видеочастоту, временной синхронизации и быстрое преобразование Фурье (БПФ).
Устройство оценки канала радиосвязи состоит из блока LS-оценки и блока S-MMSE (split minimum mean square error) оценки канала. Устройство работает следующим образом. После прохождения блока БПФ сигнал в частотной области поступает на блок LS-оценки, где значение частотной характеристики (ЧХ) на каждой поднесущей оценивается независимо методом LS-оценки. Далее сигнал поступает на устройство S-MMSE оценки, которое группирует поднесущие в предопределенное число групп и над каждой группой независимо осуществляет S-MMSE оценку, которая заключается в фильтрации сигнала. Коэффициенты фильтра вычисляются по формуле
,
S
0
где R - ковариационная матрица канала для подгрупп поднесущих размера S, N - плотность шума, а I - единичная матрица.
Уменьшение количества вычислительных операций достигается за счет того, что размер группы S может быть выбран небольшим. Предлагается использовать размеры от 4 до 7.
Недостаток этого устройства заключается в том, что необходимо знать матрицу корреляции канала и ОСШ. Их приблизительная оценка в устройстве вносит дополнительную погрешность и задержку в процесс оценки частотной характеристики канала. Что приводит к снижению точности и качества оценка частотной характеристики канала.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности и качества оценки частотной характеристики канала при сохранении низкой вычислительной сложности. Указанный технический результат достигается благодаря замене S-MMSE на поэтапную линейную полиномиальную регрессию (ПЛПР) и использованию разреженных преамбул. Использование поэтапной линейной полиномиальной регрессии  позволяет отказаться от измерения ОСШ и корреляционной матрицы, а также применять разреженные преамбулы. В свою очередь, использование разреженных преамбул позволяет увеличить ОСШ и, как следствие, точность и качество оценки канала. При этом, в заявляемом устройстве оценки канала радиосвязи по преамбуле, как и в прототипе, используется устройство LS-оценки, однако устройство S-MMSE оценки заменено на устройство точной оценки, выполняющее ПЛПР.
Заявляемое устройство оценки канала радиосвязи по преамбуле включает в себя устройство LS-оценки и устройство точной оценки, состоящее из последовательного матричного умножителя, устройства временной памяти, параллельного матричного умножителя, решающего устройства и цифрового фильтра. Входом устройства LS-оценки является вход устройства оценки канала радиосвязи по преамбуле. Выход устройства LS-оценки соединен с входами последовательного матричного умножителя и цифрового фильтра. Выход последовательного матричного умножителя соединен с входом устройства временной памяти. Выход устройства временной памяти соединен с входом параллельного матричного умножителя, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства. Выход цифрового фильтра соединен с первым входом решающего устройства. Выход решающего устройства является выходом устройства оценки канала радиосвязи.
Устройство точной оценки разбивает полосу на группы поднесущих размера S, после чего над каждой из групп независимо выполняет ПЛПР. Для этого отсчеты, полученные с устройства LS-оценки, проходят последовательный матричный умножитель, и результат его работы записывают в устройство временной памяти. Из памяти вектор значений подается на параллельный матричный умножитель. Далее данные поступают на решающее устройство. На решающее устройство также поступает результат работы цифрового фильтра, который также соединен с выходом устройства LS-оценки. Выходные значения решающего устройства являются результатом работы заявляемого устройства.
Последовательный и конвейерный характер вычислений позволяет добиться низкой вычислительной сложности и малой задержки вычислений. Применение линейной полиномиальной регрессии позволяет получить высокие точность и качество оценки частотной характеристики канала.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 является структурной схемой приемного тракта, в котором может быть использовано заявляемое устройство оценки канала.
Фиг. 2 является структурной схемой заявляемого устройства оценки канала.
Фиг. 3 является структурной схемой последовательного матричного умножителя.
Фиг. 4 является структурной схемой параллельного матричного умножителя.
Фиг. 5 является графиком сравнения качества оценки заявляемым устройством и прототипом.
Осуществление изобретения
Представлено устройство оценки канала радиосвязи, позволяющее использовать в системе связи преамбулы, в которых пилотные символы занимают каждую n-ю поднесущую, где n≥1, а промежуточные поднесущие при n≥2 для передачи не используются. Устройство может применяться в системах беспроводной передачи данных, использующих технологию OFDM, например, но, не ограничиваясь, Long Term Evolution (LTE) и Worldwide interoperability for microwave access (WiMAX).
Устройство предназначено для использования в приемном тракте терминала. Детали исполнения приемного тракта могут различаться в зависимости от используемого стандарта связи, однако основные компоненты приемного тракта, использующего технологию OFDM, и необходимые для применения заявляемого изобретения, являются общими для всех систем. Часть общей функциональной схемы приемного тракта приведена на Фиг. 1 и включает в себя: канал связи 1, приемник 2, выполняющий перенос сигнала на видеочастоту и аналого-цифровое преобразование, устройство удаления циклического префикса 3, устройство быстрого преобразования Фурье 4 (БПФ), устройство оценки канала 5 и устройство демодуляции 6. Выход приемника 2, получающего сигнал с канала связи 1, соединен с входом устройства удаления циклического префикса 3, выход которого соединен с входом устройства БПФ 4, выход которого соединен с входом устройства оценки канала 5 и со вторым входом устройства демодуляции 6. Выход устройства оценки канала 5 соединен с первым входом устройства демодуляции 6, выход которого является выходом приемного тракта.
Для работы предлагаемого устройства оценки канала необходимы регрессионные матрицы R1 и R2. Они зависят от параметров преамбулы и вычисляются на ЭВМ следующим образом. Выбирают степень многочлена N и число поднесущих S. Вычисляют матрицу X линейной полиномиальной регрессии (Дрейпер Н., Смит Г., «Прикладной регрессионный анализ», Москва: Финансы и Статистика, 1986). Применяют к матрице X сингулярное разложение (Логинов Н.В. Сингулярное разложение матриц, Москва: МГАПИ, 1996), с помощью которого получают матрицы U, S и V такие, что X=USV*. Первая регрессионная матрица R1 равна матрице V*, у которой удалены все строки, начиная с номера N+1. Вторая регрессионная матрица R2 равна матрице US, у которой удалены все строки, начиная с номера N+1. Данные вычисления выполняются один раз с помощью ЭВМ, после чего матрицы R1 и R2 записываются в память устройства. Использование последовательного умножения на низкоранговые матрицы допускает такую реализацию в устройстве, при которой будет задействовано значительно меньше логических элементов, чем при непосредственном вычислении.
Структурная схема устройства оценки канала радиосвязи раскрыта на Фиг. 2. Устройство оценки канала радиосвязи по преамбуле включает в себя устройство LS-оценки 7 и устройство точной оценки, состоящее из последовательного матричного умножителя 8, устройства временной памяти 9, параллельного матричного умножителя 10, решающего устройства 11 и цифрового фильтра 12.
На вход устройства LS-оценки 7 поступает входной сигнал устройства оценки канала радиосвязи. Выход устройства LS-оценки 7 соединен со входами последовательного матричного умножителя 8 и цифрового фильтра 12. Выход последовательного матричного умножителя 8 соединен с входом устройства временной памяти 9. Выход устройства временной памяти 9 соединен с входом параллельного матричного умножителя 10, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства 11. Выход цифрового фильтра 12 соединен с первым входом решающего устройства 11. Выход решающего устройства 11 является выходом устройства оценки канала радиосвязи.
Последовательный матричный умножитель может быть реализован как блок скалярных умножителей, соединенный с блоком накапливающих сумматоров. На вход умножителей подаются строки матрицы R1 и входные значения. Структурная схема данной реализации приведена на Фиг. 3.
Параллельный матричный умножитель может быть реализован как блок скалярных умножителей, все выходы которых подсоединены к входам многовходового сумматора. На вход умножителей подаются строки матрицы R2 и компоненты вектора, сохраненные в устройстве временной памяти. Структурная схема данной реализации приведена на Фиг. 4.
Указанные реализации последовательного и параллельного матричного умножителя будем использовать как неограничивающий пример их реализации при описании работы устройства.
Устройство работает следующим образом.
Входные значения, по одному за такт, заходят на устройство LS-оценки 7. Над каждым значением независимо выполняют LS-оценку. По одному за такт из устройства LS-оценки поступают значения грубой оценки.
Получаемые с выхода устройства LS-оценки значения поступают на последовательный матричный умножитель 8. Там входное значение, поступившее на i-м такте работы последовательного матричного умножителя, умножается на i-ю строку матрицы R1 на блоке скалярных умножителей, и результат подается на блок накапливающих сумматоров. Этот процесс продолжают все время, пока устройство LS-оценки выполняет оценку группы пилотных символов. Когда устройство LS-оценки закончит оценку данной группы поднесущих, в блоке накапливающих сумматоров будет находиться результат умножения вектора значений LS-оценок группы и матрицы R1.
После того как устройство LS-оценки обработало все пилотные символы группы, результат работы накапливающего сумматора записывают в устройство временной памяти 9.
Из устройства временной памяти считывают значения и подают их на параллельный матричный умножитель 10. Там входной вектор на i-м такте работы параллельного матричного умножителя поэлементно умножается на i-ю строку матрицы R2. Результат умножения подается на многовходовый сумматор. Выходом сумматора является число, представляющее оценку ЧХ канала на i-й поднесущей.
Одновременно с началом работы параллельного матричного умножителя из устройства LS-оценки 7 начинают выходить значения LS-оценки следующей группы поднесущих. Последовательный матричный умножитель 8 их принимает и обрабатывает, как описано выше. Этот процесс повторяется до тех пор, пока с выхода устройства LS-оценки не будут получены оценки всех поднесущих.
Одновременно с работой описанных выше устройств работает цифровой фильтр 12, который принимает значения LS-оценки и выполняет интерполяцию.
Значения с выходов параллельного матричного умножителя 10 и цифрового фильтра 12 поступают на входы решающего устройства 11. Данное устройство с помощью счетчика отслеживает номер поднесущей, которой соответствует входное значение оценки. Если номер показывает, что поднесущая является крайней в группе, то решающее устройство подает на выход значение, полученное с цифрового фильтра. В противном случае на выход поступает значение, полученное с параллельного матричного умножителя. При этом, если используется неразреженная преамбула, то решающее устройство всегда выбирает значение с параллельного матричного умножителя.
Из описания работы устройства следует, что оно является конвейерным, то есть при непрерывной подаче входных значений на устройство после некоторой начальной задержки оно непрерывно выдает значения оценки.
При реализации описанного устройства указанная выше низкая вычислительная сложность достигается тем, что используется сравнительно небольшое число арифметических устройств, что обеспечивает простоту исполнения устройства и возможность его исполнения на универсальном процессоре, цифровом процессоре сигналов (DSP), прикладной специализированной интегральной схеме (ASIC), полевой программируемой вентильной матрице (FPGA) или другом программируемом логическом устройстве, на дискретных логических элементах или на транзисторных логических элементах, на дискретных компонентах аппаратных средств, или любой их комбинации, выполненной для осуществления рассмотренных функций.
Последовательный и конвейерный характер вычислений позволяет добиться низкой вычислительной сложности и малой задержки вычислений. Применение линейной полиномиальной регрессии позволяет получить высокие точность и качество оценки частотной характеристики канала.
Кроме того, входящие в состав заявленного устройства матричные умножители сконфигурированы для умножения на фиксированные, заранее вычисленные матрицы, что позволяет значительно сократить необходимый объем вычислений по сравнению с известными методами, где требуется решение матричных уравнений с непостоянными матрицами, и методами рекурсивных наименьших квадратов.
На Фиг. 5 приведены результаты моделирования устройства-прототипа и заявляемого устройства. Характеристики канала были выбраны согласно модели Extended Vehicular A model (LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (3GPP TS 36.101 version 10.1.1 Release 10)). В устройстве-прототипе число поднесущих в группе было выбрано равным 4, в заявляемом устройстве - 64. Степень регрессионного многочлена равна 7. Оценка ОСШ и корреляционной матрицы в случае устройства-прототипа предполагалась идеальной. Несмотря на это, качество оценки канала заявляемым устройством совпадает с качеством оценки прототипом при низком ОСШ и превышает при увеличении ОСШ. В реальных условиях эксплуатации систем связи следует ожидать ухудшения качества оценки прототипом из-за погрешностей в оценке параметров канала. Кроме того, моделирование проводилось для преамбул со сплошным расположением пилотных поднесущих, т.к. прототип не позволяет использовать другие. При использовании разреженных преамбул ОСШ увеличивается, а ошибка оценивания снижается, что повышает точность и качество оценки частотных характеристик канала.