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(shè)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(yōu)點[1]。與第四代移動通信技術(shù)相比，5G多載波通信應用了大規(guī)模MIMO的無線傳輸技術(shù)，在提升速率與效率的同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。由于MIMO的規(guī)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(diào)干擾。干擾產(chǎn)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(chǎn)生偏差，進而出現(xiàn)信號失真等干擾現(xiàn)象[3]。傳統(tǒng)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(jié)果誤碼元數(shù)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(fā)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(shù)。每對發(fā)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(jīng)過采樣后與輸出天線上的干擾項有著一定的關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)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(xiàn)步驟如下。

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

式中，Ag表示干擾系數(shù)；p表示發(fā)射端信號干擾；q表示接收端信號干擾；k表示連續(xù)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(jù)傳感器端的信道狀態(tài)傳回數(shù)據(jù)，使CZF最大，對接收的信號進行初步均衡與判決處理，根據(jù)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(fā)送信號的預估值：

式中，a^m,n表示發(fā)送信號預估值；HD表示發(fā)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(shù)向量；R表示總干擾比；I表示碼間干擾。

三是根據(jù)計算所得干擾項的干擾系數(shù)，對比發(fā)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(xiàn)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(tǒng)算法分別記作算法2、算法3，選取誤碼元數(shù)與誤碼率兩個指標對三種算法進行評價，誤碼元數(shù)與誤碼率越低，算法均衡性能越好。

2.1 誤碼元數(shù)仿真結(jié)果

分別使用三種算法進行仿真實驗，誤碼元數(shù)對比結(jié)果如表1所示。

表1 三種算法誤碼元數(shù)對比

由表1可知，三種算法的誤碼元數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(jié)果

分別使用三種算法進行仿真實驗，誤碼率對比結(jié)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(jié) 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(jīng)過仿真實驗，結(jié)果顯示其誤碼元數(shù)與誤碼率低于傳統(tǒng)算法，表現(xiàn)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(yōu)化方案，對提高5G多載波通信質(zhì)量有著十分積極的意義。今后將會對5G多載波通信領(lǐng)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(fā)展做出更多貢獻。