一种抗恶意导频污染的信道估计方法

本发明涉及5g移动通信中的信道训练环节的技术领域，尤其涉及一种抗恶意导频污染的信道估计方法。

背景技术：

在5g移动通信系统中，干扰节点的恶意导频攻击使得合法信道估计误差增大，对信号波束成形和数据传输速率产生不良影响。当前业界共提出两类抗导频污染的信道估计方法：基于导频的信道估计方法和基于子空间提取的信道估计方法。

前者通过随机分配正交的导频资源进行信道估计，从而有效抑制针对单一信号的导频污染。该方法的缺点是当干扰节点获取导频码本后，可通过发送混合信号对所有在册导频进行污染，此时信道估计误差增大。

后者对5g高维信道进行奇异值分解，通过挖掘稀疏特性对信道进行重构。最新研究表明，当合法信号与污染信号分别占用高维信道的正交子空间时，可理想消除导频污染。该方法有两个缺点：一是受污染信道的协方差矩阵往往无法获取，因此该方法实用性受到局限；二是在缺乏干扰节点先验信息的条件下，无法辨别合法信号和污染信号的特征子空间，这导致强污染条件下，盲估计方案误把干扰节点信道当做合法信道，引入较大估计误差。

因此如何在污染信号未知条件下，设计一种可行有效的信道估计方法，从而有效抑制恶意导频污染是当前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术的问题，提出一种抗恶意导频污染的信道估计方法，在干扰节点和其统计信道特征未知条件下进行合法信道估计，有效抑制恶意导频污染。

一种抗恶意导频污染的信道估计方法，包括如下步骤：

步骤1：初始信道估计；

步骤2：污染信号提取；

步骤3：导频污染抑制；

步骤4：合法信道估计。

优选的是，本发明步骤1的初始信道估计，具体包括如下过程：

不失一般性地假设存在一个恶意干扰节点，天线数为nb；利用污染序列sj对系统内合法用户信道训练进行污染；

步骤1.1：基站接收上行导频信号后，利用最小二乘方法，基站的信道估计为：

其中为n维合法信道复矢量，其天线数为n；hi,b为基站与干扰节点第i根天线间的污染信道，i≤nb；wi为干扰系数；sk为用户k的导频序列，sj为干扰机发送的污染序列，τ为导频序列长度，pb,pτ,0分别表示sj和sk的符号功率；ns,0表示高斯噪声矩阵，式(3.1)中等式右侧第一项表示目标信道，第二项表示导频污染，第三项表示高斯白噪声；

步骤1.2：对进行离散傅里叶变换，波束域信道估计为

其中f为归一化离散傅里叶变换矩阵，其元素为m,n∈{1,…,n}，j为虚数单位。

优选的是，本发明步骤2的污染信号提取，具体包括如下过程：

步骤2.1：获取活跃波束集{bk(j),0}：

其中表示的第m个元素；由阵列信号处理经典结论可知，高维信道在波束域存在稀疏特性，令|a|表示任意集合a的势，则有|{bk(j),0}|＝n；同样地，基于式(3.2)可分别定义用户信道和污染信道的活跃波束集为{bk,0},{bj}；三个活跃波束集存在如下关系：

{bk(j),0}＝{bk,0}u{bj}(3.3)

对任意不同用户k和n，其波束域信道估计中污染信号空间特征相同，表现为公式(3.4)；

步骤2.2：根据式(3.4)预锁定污染信道活跃波束集{bj}；

步骤2.3：为抑制污染信号能量泄露，对式(3.1)进行相位校准：

其中为经过相位校准后的波束域信道估计，为n阶相位旋转对角阵，为最优相位旋转角；的计算方法如式(3.6)所示：

其原理为：任意选定初始相位旋转角该相位旋转下波束域信道估计为经由污染序列波束集{bj}导致的最大污染增益为通过调整φk,0取值，使得取到最大值，其元素序号为m＝ij；

步骤2.4：更新活跃波束集{bk(j),0}：

利用下述两个准则进行更新：

近似准则：利用式(3.2)更新{bk(j),0}内元素；

噪声抑制准则：由{bk(j),0}内离散元素序号标识的波束增益需满足下式：

其中ηn为抑制噪声的伸缩因子。

优选的是，本发明步骤3的导频污染抑制，具体包括如下过程：

步骤3.1：精确提取污染信道活跃波束集：

步骤3.2：剔除污染信道活跃波束集，获取合法信道活跃波束集：

{bk,0}＝{bk(j),0}-{bj}(3.9)；

步骤3.3：将未被{bk,0}标识的波束域信道元素置零：

优选的是，本发明步骤4的合法信道估计，具体包括如下过程：根据式(3.10)，导频污染抑制后信道估计结果为

其中为n阶相位旋转对角阵，f为归一化离散傅里叶变换矩阵，{bk,0}为用户信道活跃波束集。

本发明与现有信道估计方案相比具有如下优点：(1)在污染信道统计信息未知条件下能够有效辨别导频污染成分并对其抑制，从而改善合法信道估计质量；(2)该技术方案具有较好的扩展性，不仅适用于静态用户/干扰机场景，也适用于用户和干扰机移动场景。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是采用本发明技术方案的性能仿真图。

具体实施方式

如图1所示，一种抗恶意导频污染的信道估计方法，包括如下步骤：

步骤1：初始信道估计；

具体包括如下过程：

不失一般性地假设存在一个恶意干扰节点，天线数为nb；利用污染序列sj对系统内合法用户信道训练进行污染；

步骤1.1：基站接收上行导频信号后，利用最小二乘方法，基站的信道估计为：

其中为n维合法信道复矢量，其天线数为n；hi,b为基站与干扰节点第i根天线间的污染信道，i≤nb；wi为干扰系数；sk为用户k的导频序列，sj为干扰机发送的污染序列，τ为导频序列长度，pb,pτ,0分别表示sj和sk的符号功率；ns,0表示高斯噪声矩阵，式(3.1)中等式右侧第一项表示目标信道，第二项表示导频污染，第三项表示高斯白噪声；

步骤1.2：对进行离散傅里叶变换，波束域信道估计为

其中f为归一化离散傅里叶变换矩阵，其元素为m,n∈{1,…,n}，j为虚数单位。

步骤2：污染信号提取，具体包括如下过程：

步骤2.1：获取活跃波束集{bk(j),0}：

其中表示的第m个元素；令|a|表示任意集合a的势，则有|{bk(j),0}|＝n；同样地，基于式(3.2)可分别定义用户信道和污染信道的活跃波束集为{bk,0},{bj}；三个活跃波束集存在如下关系：

{bk(j),0}＝{bk,0}u{bj}(3.3)

对任意不同用户k和n，其波束域信道估计中污染信号空间特征相同，表现为公式(3.4)；

步骤2.2：根据式(3.4)预锁定污染信道活跃波束集{bj}；

步骤2.3：为抑制污染信号能量泄露，对式(3.1)进行相位校准：

其中为经过相位校准后的波束域信道估计，为n阶相位旋转对角阵，为最优相位旋转角。的计算方法如式(3.6)所示：

其原理为：任意选定初始相位旋转角该相位旋转下波束域信道估计为经由污染序列波束集{bj}导致的最大污染增益为通过调整φk,0取值，使得取到最大值，其元素序号为m＝ij；

步骤2.4：更新活跃波束集{bk(j),0}：

利用下述两个准则进行更新：

近似准则：利用式(3.2)更新{bk(j),0}内元素；

噪声抑制准则：由{bk(j),0}内离散元素序号标识的波束增益需满足下式：

其中ηn为抑制噪声的伸缩因子。

步骤3：导频污染抑制，具体包括如下过程：

步骤3.1：精确提取污染信道活跃波束集：

步骤3.2：剔除污染信道活跃波束集，获取合法信道活跃波束集：

{bk,0}＝{bk(j),0}-{bj}(3.9)；

步骤3.3：将未被{bk,0}标识的波束域信道元素置零：

步骤4：合法信道估计，具体包括如下过程：根据式(3.10)，导频污染抑制后信道估计结果为

其中为n阶相位旋转对角阵，f为归一化离散傅里叶变换矩阵，{bk,0}为用户信道活跃波束集。

在实施例中，考虑单小区大规模多输入多输出系统。系统中用户数为k，目标用户为小区中存在一个多天线干扰节点，天线数为nb，向基站发送污染信号，试图降低上行信道估计性能。考虑最坏情况，即干扰节点已获取导频训练码本，并发送混合信号对所有在册导频进行污染。受污染信道最小二乘估计如式(3.1)所示。

采用本技术方案进行信道估计的性能仿真如图2所示。该图将本技术方案与主流导频去污染方案进行对比，验证了本发明所提技术方案的最优性能。注意，图例中天线数指基站天线数，横坐标为干扰节点天线数，两者指向不同。