（通信与信息系统专业论文）基于80216e的ofdm信道估计算法研究及dsp实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 i e e e8 0 2 1 6 e 标准采用的正交频分复用( o f 【) m ) 技术以能够有效抵抗多径效 应著称，它在诸多宽带无线通信技术中，无疑是最具有应用前景的技术之一。由于 i e e e8 0 2 1 6 e 标准支持移动性，因此它需要在系统高速移动的情况下也能够保证 q o s 服务( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 质量，这就对8 0 2 1 6 e 系统的o f d m 信道估计技术提 出了更高的要求。因此，本文根据传统的基于d f t 内插信道估计算法在非整数倍 采样信道下的不足对其做了改进，并利用本实验室内部自主开发的w i m a x 系统基 带处理电路板上的d s p 实现了该算法。 本文首先分析了传统的基于d f t 内插信道估计算法的优势与不足，然后再根 据该传统算法在非整数倍采样信道下存在的不足对其做了改进。本文共给出了两种 改进算法：基于数据翻转的d f t 内插算法和基于旋转因子时的d f t 内插算法， 并通过在m 1 2 2 5 标准规定的v a 车载信道中进行m a t l a b 仿真，验证了该信道估计 算法的优越性能。 其次，把所改进的两种算法应用于具体的i e e e8 0 2 1 6 e 标准的系统中。由于基 于d f t 内插算法及其改进算法均是针对梳状导频分布提出的，具有普遍性。在此 本文根据i e e e8 0 2 1 6 e 标准的o f d m 符号中导频分布的特点，对所接收的用户 o f d m 符号中的导频做了预处理，使其适合利用所改进的基于d f t 内插算法来做 信道估计，且m a t l a b 仿真结果表明了这种导频预处理算法的正确性。 最后，把两种改进算法在d s p ( t m s 3 2 0 c 6 4 1 3 ) 上进行实现，均通过d s p 中 信道估计模块的功能效果仿真验证了该算法d s p 实现的正确性。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 e ，o f d m ，信道估计，d f t 内插算法，d s p 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oi t sf e a t u r e so fm u l t i p a t hi m m u n i t y , o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) h a sb e e nf a v o r e df o ri e e e8 0 2 16 e ，w h i c hi so n eo f t h em o s tp r o m i s i n g t e c h n i q u e sf o rw i r e l e s sb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h er e q u i r e m e n t sf o ri e e e 8 0 2 16 em o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss u c ha sh i 曲q u a l i t ya n dh i g hm o b i l i t ym a k e c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e sm o r ei m p o r t a n t s oi nt h i sp a p e r , t h et r a d i t i o n a l d f t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e db a s e df o ri t sp e r f o r m a n c e f a u l tw h e no f d ms y s t e mi su n d e rt h en o n s a m p l es p a c e dc h a n n e lc o n d i t i o n ，a n dh a v e b e e ni m p l e m e n t e db yd s p ( t it m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ) a sap a r to ft h er e s e a r c hp r o j e c tc a l l e d b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i - c a t i o nt e c h n o l o g ya n dd e v i c ed e v e l o p m e n t ” f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o n v e n t i o n a l d f t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dt h e np r o p o s e st w om o d i f i e de s t i m a t i o n a l g o r i t h m sa c c o r d i n g t o e r r o rn o o f e f f e c to nn o n - s a m p l es p a c e dc h a n n e l ，i n c l u d i n gt h e d a t af l i p p i n g b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na n dt h er o t a t i o nf a c t o r - b a s e dc h a n n e l e s t i m a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e s ei m p r o v e da l g o r i t h m sh a v eab e t t e r p e r f o r m a n c ec o m p a r e d t oc o n v e n t i o n a ld f t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s e c o n d l y , f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i l o td i s t r i b u t i o ni nt h ea c t u a li e e e8 0 2 16 e s y s t e ma n dt h et r a d i t i o n a ld f t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mo n l yf o rc o m bp i l o t , w ef i r s tp r e - p r o c e s st h ep i l o ts t r u c t u r eo ft h er e c e i v e do f d ms i g n a li no r d e rt om a k ei t s u i t a b l ef o rt h ea p p h c a t i o no ft h e s et w om o d i 丘e dc h a n n e le s t i m a t i o ni nt h i si e e e 8 0 2 16 es y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h ec o r r e c t n e s so ft h i sp r e - t r e a t m e n tm e t h o d f i n a l l y , t h e s et w om o d i f i e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sh a v eb e e ni m p l e m e n t e d b ym e a n so fd s p ( t it m s 3 2 0 c 6 4 13 ) ，a n dt h ef i n a lf u n c t i o n a ls i m u l a t i o nv e r i f i e st h e i r j u s t i f i a b i l i t y k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 16 e ，o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n , d f t - b a s e di n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m ，d s p i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 短短的几十年时间，无线通信应用产品已经渗透到人们日常生活的各个领域， 给人们的生产和生活带来了巨大的影响。所谓通信，是指通过某种媒体进行信息传 输的一种双边活动。其最终目标是能实现在任何时间、任何地点、任何人之间都能 及时沟通和交流 1 。2 1 。1 8 9 7 年，意大利人马可尼使用8 0 0 k h z 中波信号进行了从英 国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电报通信试验，实现了人类历史 上的第一次远距离无线电通信；与此同时，俄国人波波夫在1 8 9 6 年也成功地进行 了2 5 0 米无线电报通讯，也独立地发明了无线电通讯技术网。他们共同开创了人类 通讯发展的新纪元，后来共同被人们誉为“无线电之父 【4 】。移动通信发展至今， 已经经历了第一代移动通信系统( 1 g ) 、第二代移动通信系统( 2 g ) 以及如今正 在全世界范围内推广的第三代移动通信系统( 3 g ) 1 5 1 。 然而，任何一种技术的研究是永无止境的。随着人们生活水平与生活质量的不 断提高，人们对移动通信系统有着更高的要求。i n t e m e t 技术的日益推广，不得不 使无线通信向全p 方向发展。未来的移动通信系统不仅要能够适应用户数持续高 速增长的情况，也要适应多媒体传输的需求。因此，具有更高带宽、更高容量、更 高性能以及更高频谱利用率的通信系统随之成为了无线通信领域重要的研究目标 之一，世界各国在推动第三代移动通信系统( 3 g ) 商用化的同时，目前已经把研究 重点转入超三代( b 3 g ) 以及第四代移动通信( 4 g ) 的研究d a 。随着人们对通信 宽带化、数据化、移动化及个人化的不断需求，o f d m 技术作为一种高效率和能够 有效抵抗频率选择性衰落的多载波调制传输方案在综合无线接入领域将越来越得 到广泛的关注1 6 - 7 1 。 1 1i e e e8 0 2 1 6 e 概述 正交频分复用( o f d m ) 技术的研究早在2 0 世纪6 0 年代初期就已经开始了， 其最初来源于当时军事应用上的无线高频通信链蹦丌，而后，在美国人r w c h a n g 发表的一篇论文中提出了一种能够有效消除符号间干扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) 的正交信号多载波传输原理，这即是世界上最原始的o f d m 技术网。随着o f d m 技术研究的逐渐成熟，o f d m 技术已经有着高频谱利用率、高速率传输和能有效对 抗多径效应等优点，成为了在诸多宽带无线通信技术中最具有应用前景的关键技术 之一，因此已经正式被e e8 0 2 1 6 e 标准所采用【9 1 0 】。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 9 9 9 年，i e e e 成立了一个专项工作组8 0 2 1 6 来专门研究宽带无线接入技术规 范，目标是要建立一个全球统一的无线城域网标准，主要负责开发工作在2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口标准【l o 】。该小组颁布的第一个版本当属于在2 0 0 1 年 1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，仅支持视距( l o s ) 传输。2 0 0 3 年1 月，该工作小组又 颁布了8 0 2 1 6 a 标准，该标准也只对2 1 1 g h z 频段范围内的支持固定宽带无线接入 的空中物理子层( p h y ) 及汇集控制子层( m a c ) 做了规范。而后i e e e 又相继在 2 0 0 4 年6 月和2 0 0 5 年1 2 月陆续制定了8 0 2 1 6 d 标准和8 0 2 1 6 e 标准。到目前为止， i e e e 不仅对p h y 层和m a c 层做了规范，同时也对空中接口协议相关的一致性测 试和不同无线接入系统之间共存的问题做了规范。其中8 0 2 1 6 d 标准规范了固定无 线接入情况下用户终端同基站系统之间的空中接口，主要定义空中接口的p h y 层 和m a c 层。而8 0 2 1 6 e 标准的最大特点在于支持移动性，它规定了工作频率小于 6 g h z 且适合移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动【9 。1 们。 任何一种通信技术要形成一个可运营的网络，其必然需要其他部分的支撑，因 此w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ，即全球微波接入互操作性) 论坛应运而生。w i m a x 论坛成立于2 0 0 1 年4 月，最初该组织旨在对基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证，通过w i m a x 认证的 产品会拥有 w i m a xc e r t i f i e d ”标识 1 2 - 1 3 】。通常认为，i e e e 8 0 2 1 6 工作组是 w 蝴空中接口规范的制定者，而w i m a x 论坛是技术和产业链的推动者。 随着i e e e 工作组的不懈努力，到目前为止已经规范了8 0 2 1 6 f , 8 0 2 1 6 9 、和 8 0 2 1 6 m 。其中8 0 2 1 6 m 可在漫游模式、强信号模式下提供1 g b p s 的下行速率，并 且在高移动模式下也能提供1 0 0 m b p s 的速率【1 1 1 。目前，业界关心最多的还是i e e e 8 0 2 1 6 e ，它与8 0 2 1 6 前几个标准的最大区别在于其对移动性的支持。制订8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速数据业务又能具有移动性的宽带无 线接入解决方案。它在固定的空中接口8 0 2 1 6 d 的技术基础上，增加了切换支持、 可节约电的睡眠模式、寻呼以及增强型安全能力等一系列重要特性，使得终端的漫 游和切换成为可能 1 0 , 1 3 1 。 1 2i e e e8 0 2 1 6 e 信道估计的研究意义及现状 o f d m 技术虽然有诸多的优点，可是也存在着自身的缺点和问题，这就使得其 在实际的无线通信系统应用中还存在许多问题需要解决。其中最重要的一点就是对 定时和频率偏移非常敏感f 1 禾1 7 1 。在o f d m 技术的实际通信应用中，由于发送端振 荡器和接收端振荡器之间存在不匹配性，以及无线信道中的多普勒频移效应，这就 导致发送端与接收端间产生子载波间频率偏移，由此带来的子载波间干扰( i c i ) 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 就破坏了o f d m 子信道间的正交性，其结果便会影响到整个通信系统的性能。因 此如何根据o f d m 技术的自身的特点，设计出更加满足人们需要的通信系统就成 为了人们研究的重点。 在实际的无线信道环境中，由于移动台的不断移动以及发送信号总是会经过距 离不同的多条路径到达接收端，使得信道的时域特性和频域特性始终处于时变状态 【1 4 】。其中由于多径引起的信道频率选择性衰落会使接收信号的不同频率成分的衰落 不一致，从而导致接收信号的波形发生畸变。另外，通常为了进一步地提高频谱利 用率，o f d m 系统一般会采用非恒定幅度调制方式，如1 6 q a m 调制，因此其接收 端就需要使用相干检测的方式。实践证明，接收端利用信道状态信息( c s d 进行 相干检测的方式比非相干检测的方式至少可以提高3 d b 的s n r 性能 1 4 , 1 5 。在o f d m 系统的接收端采用相干检测，就意味着需要估计出o f d m 符号中的每一子载波处 的c s i 。而在大多数的o f d m 接收机中，其无线传输信道的c s i 是未知的，因此， 在o f d m 系统的实际应用中，我们就非常有必要先对系统的无线传输信道做信道 估计。 因此，信道估计技术无疑是无线通信领域的一个研究热点，它是系统在接收端 进行相干检测、均衡和解调的基础。所谓信道估计，就是估计出信号从接收端到发 送端之间所经过的无线信道的时域或频域响应值旧。目前，对于o f d m 系统的信 道估计算法理论的研究很多，根据是在时域实现还是在频域实现，可分为时域信道 估计算法和频域信道估计算法两大类；根据是否使用辅助数据又可分为基于导频或 训练序列辅助信息信道估计算法和盲信道估计算法两大类【1 8 1 。基于辅助信息的信 道估计算法是在发送端信号的某些固定位置插入一些已知的导频符号或训练序列， 在接收端利用这些导频符号或训练序列按照某些算法进行信道估计。这种信道估计 算法的性能较好，比较适于突发方式的传输系统，但会造成带宽和功率的损失，降 低传输有效性；而盲信道估计算法不需要在发送信号中插入特殊的训练符号，它可 以在发送数据完全未知的情况下完成信道估计。盲估计算法相比非盲信道估计算法 的优点就是系统的频谱利用率更高，但是该算法只有在接收到足够多数据的情况下 才能得到一个信道的可靠估计，而且这种算法的一般收敛速度较慢 1 7 - 1 8 】。因此，本 文的o f d m 信道估计算法是基于非盲估计算法的基础上来进行研究的。 1 3d s p 开发现状 d s p ( 数字信号处理器) 是一种擅长于实时数字信号处理的微处理器【19 1 ，它随 着信息科技的飞速发展于2 0 世纪8 0 年代诞生的，在短短三十年时间内得到了飞速 发展。它的出现使传统的基于硬件设计的思想转变为基于软件设计思想上来。由于 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 其高效、快速、编程性好和易于实现自适应等特点，使其被广泛应用于无线电通信 系统中【1 9 - 2 0 。近年来由于半导体技术的快速发展，d s p 芯片的功能逐渐变得强大， 使得非常复杂的信号处理算法都可以放在d s p 上用软件的方法来实现，这样就大 大减少了系统硬件的开销。因此，d s p 在大大降低生产成本的同时，提高了系统的 灵活性，更加方便于后期的系统升级改造。 d s p 的出现，为数字信号处理的实际应用开辟了简便而高效的途径。如今的 d s p 能够实时快速地实现各种数字信号处理算法，社会正在进入一个数字化的时 代，数字信号处理技术正以前所未有的速度渗透到日常生活中的每一个角落。如调 制解调器、数字成像系统、语音识别系统、网络计算机系统、电视会议系统、数字 无绳电话、v c d c d d v d 系统、数码相机和摄像机、超声波诊断装置、雷达、全 球定位系统等等。 另外，d s p 在无线通信方面的应用也是极其广泛。无论是基站还是手机都离不 开d s p 芯片，无线通信系统的升级换代都基于d s p 芯片性能的提升而发展的。因 此，基于d s p 的软件无线电已经成为当前无线电通信中的研究热点。 1 4 本文的主要内容 本论文的研究工作以i e e e8 0 2 1 6 e 为中心，首先对o f d m 系统常用的信道估 计算法进行了简单的归纳，其中主要分析了常用的基于d f t 变换的内插算法的性 能特点，并针对该算法的不足做了改进。本文共给出了两种改进算法：基于数据翻 转的d f t 内插算法和基于旋转因子时的d f t 内插算法，并通过m a t l a b 仿真验证 了两种算法理论的正确性及其改进的效果。然后再把改进后的算法应用到了i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的实际w i m a x 系统中，其间由于该o f d m 系统中的导频在o f d m 符 号的整个频带上并没有严格按照梳状导频的方式来分布，因此，本文在这里引出了 虚导频的概念，英文缩写为v p ( v i r t u a lp i l o t ) 。利用v p 对w i m a x 系统中接收 端的接收信号进行了预处理，使得接收信号o f d m 符号的导频为梳状导频分布方 式，最终能够利用基于d f t 内插算法完成对w i m a x 系统的信道估计。最后，利 用本实验室内部自主开发的w i m a x 系统基带处理电路板上的d s p 实现了该改进 算法，并且通过d s p 的功能仿真，验证了d s p 实现的正确性。 本论文具体章节安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了o f d m 技术的发展背景及本课题的研究现状。 第二章为基础知识介绍部分，重点介绍了o f d m 技术的基础知识，主要包括： o f d m 技术基础、o f d m 系统的无线信道环境以及常见的o f d m 信道估计算法。 第三章首先对传统的基于d f t 内插的o f d m 信道估计算法做了详细地分析， 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 分析了该估计算法在实际应用中的优缺点。然后再根据该算法在非整数倍采样信道 条件下存在的缺点，对传统算法进行了改进。最后把改进型算法运用到i e e e8 0 2 1 6 e 标准的w i m a x 系统中，并根据其在实际应用中所遇到的问题，给出了解决办法。 第四章主要讨论了两种改进型信道估计算法的d s p 实现方法，主要包括d s p 芯片的选型、d s p 开发过程中的硬件初始化和软件初始化、w i m a x 系统的接收机 设计、导频符号的设计以及算法d s p 实现的功能仿真，最后还总结了d s p 开发过 程中所遇见的实际问题及其解决方法。 第五章为本文的总结工作，并给出了进一步的研究方向。 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 第二章o f d m 信道估计基础 2 1o f d m 技术原理 2 1 1o f d m 基本原理 o f d m 技术实质上是一种多载波调制技术，其主要思想就是把高速率信源数据 流通过串并变换，变成低速率的路并行的数据流，然后再通过线性调制到等频率 间隔的个相互正交的子载波上。如果o f d m 符号中的子载波个数足够多，则各 个子信道的带宽就会变得非常窄，那么每一条子信道的信道特性就近似于平坦衰落 特性，这样就可以大大减少频率选择性衰落对系统的影响【”d 。丌。另外，由于各个子 信道上的符号周期增加了相应的倍，则相应子信道的时延扩展与符号周期的比值 就相应降为了原来的1 ，这样就可以在一定程度上减轻由无线信道的多径特性对 系统造成的影响，从而降低了对接收端均衡器设计的要求。而且o f d m 技术还利 用了o f d m 符号内相邻子载波间相互正交的特性，使得相邻子载波信号的频谱可 以有1 2 的重叠，从而相比传统的频分复用( f d m ) 技术提高了1 倍的频谱利用率。 图2 1 给出了o f d m 系统的频谱示意图。 o f d m 子夔波锤谮 图2 1o f d m 系统的频谱示意图 一个o f d m 符号是包括个调制子载波的合成信号，其中每个子载波都可以 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 被单独调制，调制方式可采用q p s k 、1 6 q a m 等调制方式【1 7 】。一个简单的o f d m 系统的基带模型如图2 2 所示。首先一个待传输的二进制数据流通过1 6 q a m 符号 映射后，再通过串并变换成路速率相对较低的并行数据流，然后再把这些低速数 据流分别调制成调制信号，最后将这路子载波的调制信号相加就构成了一个 o f d m 符号的合成调制信号。 i ，珏 盂，卤! - 以乎 生古! - - ， 巷社 s pp s廿p s 虹s 竺 卜怔斗= 二- 图2 2o f d m 系统基本模型 在一个o f d m 符号内，如果表示子载波的个数，丁表示o f d m 的符号周期， z 代表系统采样时钟，x ( n ，k ) 表示第力个o f d m 符号的第k 个子载波上的数据符 号，那么则第脬个o f d m 符号的第，个采样点的o f d m 符号可以表示为： s ( 撑，) ：n - ! x ( 刀，k ) e j 2 呱( k ：0 ，1 ，n k ) en - 1 ) ( 2 1 ) s ( 撑，) = x ( 刀， 呱。( = ，1 ，( 2 1 ) 式中的五表示的是第k 个子载波的频率。 为了保证o f d m 各个子信道间的正交性，必须满足子信道的频率间隔厂为各 个子信道上符号周期的倒数： , a f 2 赢 q 2 ) 即一个o f d m 符号内的子载波间的间隔必须为整数倍个采样周期z 。式中的 n = 形a f 为子信道的个数，形信号带宽，则有下式 上一e j 2 , e m i r , e j 2 c , l r 。d t ：j1 肛刀( 2 - 3 ) n t j 0l0 朋刀 、 由上式可以得出o f d m 符号内两个相邻予载波之间是相互正交的，此时第k 个 子载波频率可以变为： k t = 面 g 4 ) 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 则一个o f d m 符号的调制信号就司以改写为： 拦，翻j 翌村 s ( n ，) = x ( n ，桫2 哌呸= x ( 刀，k ) e 。矿= i d f t ( x ( n ，后) ) ( 2 5 ) 因此当子载波数较大时，o f d m 符号的调制信号就可以通过离散傅里叶反 变换( d f t ) 进行，这样就大大降低了o f d m 系统在实现过程中的难度。同样， 在接收端也可以离散傅里叶变换( d f t ) 来进行信号的解调，其推导过程如下： 盘鼍j 坚村 z ( 毗) = s ( 以，1 ) e 1 矿= d f t ( s ( n ，) ) ：i 1n 2 - in 2 - i m 七簪，e - 争：m 尼) 一 = i 己己x o ，七铲。百目= x 0 ，尼) 在实际的o f d m 系统中，为了降低运算的复杂度，可以采用i f f t f f t 替代 d f t i d f t 变换来实现。 2 1 2o f d m 的循环前缀 o f d m 技术的一个重要特点是它能够有效地对抗多径效应【临l _ 丌，因此o f d m 系统在设计过程中必须要满足传输信号的持续时间长于信道的冲激响应时间，这样 才能保证时域内的信道冲激响应的能量集中在有限的抽样点上。除了通过使用数据 并行传输的方法来降低符号间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 外，还可以采 用在连续的o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) 来完全消除i s i 。理论 证明，只要保护间隔的长度z 大于无线信道的最大时延扩展，那么这样一个 o f d m 符号的多径分量就不会影响到下一个o f d m 符号而引起i s i 1 5 以7 1 。 文献 1 7 1 q b 指出如果我们在保护间隔内不插入任何信号，那么由于多径传播的 影响会破坏子载波之间的正交性，从而产生子载波间干扰( i c i ) 。因此为了消除 i c i ，我们需要在o f d m 符号的保护间隔内填入循环前缀( c p ) ，这样就可以在大 大减少i s i 的同时保持各子信道间的正交性，从而大大地减少系统的i c i 。加入循环 前缀的方法就是将每个o f d m 符号的后疋时间中的样值复制到o f d m 符号保护间 隔内，方法如图2 3 所示。此时的符号的总长度变为l = 疋+ ，其中互为c p 的 长度，为肼变换后的o f d m 符号长度。 厂、 !卜l 1 k 死+ l 一r 。一 ： 图2 3 0 f d m 符号插入c p 示意图 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 理论证明，只要接收端抽样的开始时刻正满足下式： m x 疋 互 ( 2 7 ) 则系统在接收端就可以完全消除由多径扩展带来的i s i 和i c i ，其中k 。为信道的最 大多径时延扩展。这种情况下，前一个o f d m 符号的干扰只会存在于【0 ，】内， 接收端在解调时只要将c p 去除掉，就可以消除i s i 的影响。因此，我们在设计o f d m 系统时，只要保证o f d m 符号的c p 长度满足五，那么就可以完全消除i s i 的影响。与此同时，由于o f d m 符号延时副本内的子载波个数为整数，那么多径 扩展产生的时延信号就不会在系统解调时产生i c i 。 2 1 3o f d m 的虚拟子载波 由于o f d m 符号的每个子载波的频谱都呈s i n e 函数的形式【婚1 7 】，因此会造成 由于s i n e 函数的滚降特性带来的频谱拓展，这种频谱拓展会造成o f d m 系统相邻 频带间的干扰。一种方法就是增加o f d m 子载波的数量，使得每个子载波的频谱 所对应的s i n e 函数变窄，信号能量变得相对集中，从而使频谱扩展变小。然而，这 样一来会使o f d m 子载波的数量加大，影响系统的复杂度。 文献 2 0 】中给出了另外一种能有效减少频谱扩展的方法，即使点i f f t 变换 中两边的子载波传输信号为零，如式所示，这种方法就称之为虚拟子载波( v c ， v i r t u a lc a r d e r s ) 。其中，s ( n ，后) 为有用数据，符号两边v c 的个数可以相同也可以 不同，式中是v c 相同的情况。 x ( n ，七) = 0 o k 一u 2 咖卜争，u 2 n 一兰 ( 2 8 ) 0 n 一兰七n 2 实际上，v c 所起的作用就是在o f d m 符号的频域e e 力n y 保护频带，以此来 减少o f d m 系统相邻频带间的干扰。 2 2 无线信道环境及建模 2 2 1无线信道特性 在无线通信中，由于空间传播环境的复杂性将会导致电磁波在传播时会出现反 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 射、散射、绕射等现象。我们把对无线信号的这种影响分为大尺度衰落( l a r g e s c a l e ) 和小尺度衰落( s m a l l s c a l e ) t 2 。其中大尺度衰落效应描述了收发信机之间长距离 内接收信号的缓慢变化，而这些影响主要由空间视距路径损耗、阴影、云层及植被 等引起效应，其主要影响无线小区( c e l l ) 的覆盖范围。大尺度效应与本文研究课 题无关，因此本节将重点讨论小尺度衰落。 所谓小尺度衰落( s m a l l s c a l e ) 效应，是指传播的无线信号在较短的传播距离 或时间内就会产生大幅度衰落的这种效应【2 捌。它可以描述为由于受多径的干扰， 只要发射机或接收机有轻微移动，或是传播媒介的轻微变动，都将会引起接收信号 出现强烈的起伏现象。而在相对较小的时间和距离范围内，信号的这种起伏带来的 影响将远远大于大尺度衰落带来的影响。小尺度衰落主要包括以下几个方面i 1 多普勒效应( d o p p l e r ) ： 实际通信中，由于移动台相对基站的不断移动，会使接收信号的频率发生偏移， 当移动台移向基站时，频率会变高；当远离基站时，频率则会变低，我们把这种现 象称之为多普勒效应1 7 1 。移动台和基站间的多普勒频移数学表达式为： 石= - c o s ( o ) ( 2 9 ) 其中y 表示移动台的速度，五表示载波波长，秒为表示收发两端路径的夹角，因此 可以很容易地得出最大多普勒频移。如果我们假设信号从各个方位的入射角服从均 匀分布，则接收端接收信号的功率谱密度可以表示为【1 8 1 ： 期= 去h 譬) 2 i “一班砒一 其中，疋为载波频率，只为各同向性天线接收到的平均功率。从上式可以看出接收 信号的功率已经被扩展到( 正一石一，工+ 五懈) 里了，这就是经典的j a k e s 功率谱模 型。如果对s ( 厂) 做删盯变换，便可以得到信道的时域相关函数。我们一般把信道 在相干时间内基本保持不变的时间称为相干时n t 2 ”2 1 ，其数学表达式如下。 互= 击 ( 2 1 ) 2 多径效应 所谓多径效应，指的是在无线通信环境中，收发信机之间的建筑物、地面等阻 碍物的高低不平、形状各异的特点引起信号的反射与散射，从而造成信号以不同时 延和不同的幅度到达接收机【2 ，- 2 1 。多径效应引起的结果是接收端的接收信号会是发 送信号经各个不同路径的众多反射波的合成信号。路径的距离不同，那么到达接收 端的时间就不同，相位也就不同，从而引起接收信号的幅度会随机地发生变化。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 我们假设多径信道的冲击响应可以表示成： 盟 h ( r ，f ) = h a t ) 仃p 一乃) ( 2 1 2 ) 其中h t ( t ) 为不同路径的时变复增益，q 为路径的延时，三为总多径数，图2 4 表示了多径过程。这个过程从频域的角度看，多径时间扩散将会引起频率选择性衰 落，即会对不同的频率分量引起不同的响应。文献【2 】中定义了相干带宽，其表达式 如式2 1 3 所示，其中为信道最大时延扩展。当信号在相干带宽范围内时，信号的 各个频率分量就具有很强的幅度相关性。因此，只要当信号带宽小于信道相干带宽 时，则信号通过无线信道后各个频率分量的变化基本一致，那么可以认为接收信号 没有发生频率选择性衰落；反之只要当信号带宽大于信道相干带宽时，接收信号就 会出现频率选择性衰落【1 5 】。 b e 去 ( 2 1 3 ) t = t ot = t l t = t l + 。l t = t t + c2 图2 4 多径信道冲激响应示意图 2 2 2o f d m 系统的信道模型 在o f d m 传输系统中，虽然无线信道时刻都在发生变化，但通常情况下，我 们可以把一个o f d m 符号周期z 内的信道视为准静止的【1 8 ，2 2 1 。在一个o f d m 系统 中，信道的冲激响应可以用下式描述： r - i 办( 甩) = 岁- - ；h r2 7 9 - 矗，互刀) 万( f - - o ) o nsn - 1 ( 2 1 4 ) r = 0 其中尺是总多径数，以是第，径的复冲激响应，厶，是第，径的多普勒频移，f 为延迟变量，f ，是第，径的归一化延迟。当o f d m 符号经过无线信道后，接收端的 接收信号在f f t 变换后的信号可以用下式来表示： 】，( 七) = x ( 尼) 日( 七) + ，( 七) + 矽( 七) ( 2 1 5 ) 式中，矽( 七) 是加性高斯白噪声( a g w n ) 经过d f t 变换后的频域序列，日( 七) 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 信道估计基础 是第k 个子载波上的传输函数，它独立于发送信息x ( k ) ，( 后) 是接收信号在第k 个 子载波上的子载波间干扰( i c i ) 分量，它是由多普勒频移产生的。由于o f d m 符 号的c p 长度大于无线信道的最大多径时延，且假设系统已经获得了较好的同 步，那么我们就可以忽略i s i 和i c i 的影响，则可将y ( k ) 变为： y ( k ) = x ( k ) h ( k ) + 形( 七)( 2 1 6 ) 其等效信道模型图2 5 所示。因此，信道估计的目标就是用】，和已知发送的训 练序列x 估计出日。 ： 。 l 域n - 1 ) 。 w ( n - d 型业扛杏i ) 图2 5o f d m 系统的等效信道模型 2 3 现有的o f d m 信道估计算法 所谓o f d m 信道估计，就是估计o i d m 发送符号从发送端到接收端之间的其 各个子载波所对应的无线信道的频域响应或时域响应值 1 6 , 2 2 】。信道估计的基本过程 如图2 6 所示，一种“好”的信道估计算法就是使得估计误差p 0 ) 最小化的信道估 计算法。图2 6 中，通过信道估计后解调得到的信号s 伽) 和实际接收的理想信号 】，0 ) 之间的误差为估计误差e ( n ) ，因此其均方误差ie 2 0 ) i 的大小决定着信道估计 算法性能的好坏 7 1 。 图2 6 信道估计过程 信道估计算法研究不仅要考虑估计精度问题，也要考虑算法复杂度的问题。在 实际应用过程中，虽然盲估计算法与非盲估计算法相比节约了带宽，但算法的运算 量太大，灵活性差，因此大多还停留在理论研究阶段【1 7 l 。因此本节只讨论基于训练 序列的算法。所谓基于训练序列的信道估计，其思想就是把一些特殊设计的已知信 息插入到发送信号中，然后在接收端根据这些已知信息点上的信道频域响应值或时 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 域响应值估计出整个o f d m 符号所对应信道的完整响应【2 s 乏6 】，这里的训练就代表 已知的含义。根据发射端所发送的训练序列的不同，可以把非盲信道估计算法分为 两种方法：基于频域训练序列的信道估计算法和基于时域训练序列的信道估计算 法。本章对常用的基于频域训练序列的信道估计算法进行了归纳与总结，并分析了 各种算法的优缺点。 2 3 1 导频符号及插入图案的设计 基于导频的o f d m 信道估计算法的基本过程主要涉及三个问题【2 3 2 5 】：( 1 ) 发 送端导频符号的设计与插入方法；( 2 ) 接收端导频位置的信道时域或频域响应的 估计；( 3 ) 利用导频符号位置对应处的信道信息如何有效地恢复出整个o f d m 符 号所对应信道的完整响应，即内插算法。 文献中关于导频符号的设计有以下理论 2 6 - 2 7 ：( 1 ) 假设没有噪声的条件下， 导频的数量m 必须要足够可以完整地恢复出整个o f d m 符号所对应的信道状态信 息；( 2 ) 当噪声为a w g n 的条件下，如果m 个导频的位置满足 条件时，可以得到信道最佳估计信息( c s i ) ，其中 示，q 和q 分别表示频域方向和时域方向的间隔，根据奈 奎斯特频域采样定理，导频插入间隔必须满足 ， 1 ( 2 f d , 一正) ， 1 ( 矽) oo0 oooo oooo 000oo 导频0 数据 时间 图2 7 时频二域内导频图样 1 3 ( 2 1 7 ) h 一 一 一 0ooooooo o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o 0 o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o 0 o o o o o o o o o 0 o 0 o o 0 0 oooooo00o o o o 0 o o 0 o 0 o o o 0 o 0 o o o o 0 0 o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o0oo0oooo o 0 0 o 0 o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o 0 o o o o 0 o o o o o o ooooooooo 1 r o 0 o 0 o o o o 0 o o o o o o o o o o 0 o o o o 0 o o o o o o 0 一o o o o o o o o o o o o o o o 0 一o o 0 0 0 o o o o 0 0 o o o o 0上oooooooo i 0 o o o o o o o oo o o 0 o o o 0 oo o o 频率 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 信道估计基础 时间 oo000oooo0 oo00o0oooo oooo000000 oooooooooo oooooo0o00 oooo0ooooo 图2 8 块状导频图2 9 梳状导频 时间 图2 7 中时频二域图案是完全基于二维信号处理的，虽然有比较优越的性能， 复杂度却相当高；图2 8 是块状导频图案，在基于慢衰落情况下有较好的性能；图 2 9 是梳状导频图案，在基于快衰落情况下有较好的性能。这里所说的慢衰落和快 衰落是根据信道与信号变化的相对快慢来定义的。 2 3 2 基于导频的信道估计算法 令墨、乓、4 和h e ，l s分别为导频子信道上的发送向量信号、接收向量信号、 理想信道响应向量和估计信道响应向量，为在导频子信道上加的a w g n 。下面 给出常用的几种频域